Pour voir la nuit, il y a plusieurs façons de faire, hormis éclairer en lumière visible, évidemment. La première chose qui vient à l’esprit, ce sont les lunettes ou caméra à vision nocturne.
Il y en a essentiellement trois types, en deux grandes familles : les caméras infrarouges, et les caméras à amplificateur d’image.
Il y a aussi les systèmes passifs, par exemple pour bloquer des sources de lumières et ainsi réduire la luminosité de façon à accommoder l’œil sur les points sombres, par réduction du contraste, mais ça n’est pas le sujet ici.
Ceux dont je vais parler sont les systèmes actifs : comprenez à pile, ou en tout cas électriques.
Caméras thermique
Une caméra normale, afin de capter la même chose que nos yeux, fonctionnent avec ces capteurs sensibles à la lumière du domaine dit du visible, c’est à dire les longueurs d’onde comprises entre en 400 nm et 800 nm (dans le vide).
Ce type de lumière est essentiellement émis par le Soleil, les étoiles, les lampes, par émission photoélectrique… et par émission thermique (flamme, filament chauffé).
Si ces longueurs d’ondes ne sont plus présentes parce que la scène n’est plus éclairée, il reste toutes les autres longueurs d’ondes que nos yeux ne peuvent pas voir, et il y en a un paquet.
En particulier, la lumière infrarouge : des longueurs d’ondes plus longues que 800 nm (proche infrarouge) et jusqu’à 1 000 000 nm (infrarouge lointain).
Cette lumière peut être émise comme on émet de la lumière visible (via une lampe ou une diode électroluminescente par exemple) mais aussi, et surtout, par rayonnement thermique.
Tout corps qui possède une température non-nulle (sur l’échelle Kelvin) possède une énergie thermique. Cette énergie thermique tend à se dissiper par une émission de rayonnement électromagnétique. Plus le corps est froid, plus le rayonnement se fait dans des longueurs d’ondes grandes. À 1 000 °C, le corps rayonne de la lumière visible dans du rouge-orange-jaune : c’est la flamme d’une bougie. À 37 °C, le rayonnement se fait dans l’infrarouge, et nous ne pouvons le voir… mais c’est là quand-même et une caméra conçue pour les détecter peut en tirer partie et en représenter une image.
À la température ambiante naturelle sur Terre (entre −20 et +40 °C, globalement), les corps émettent largement dans les infrarouges. Dans le froid de l’espace, le rayonnement ambiante est bien plus froid également, et se situe dans les micro-ondes.
Dans tous les cas, ces caméras ressemblent totalement à une caméra ordinaire, tant dans la forme que dans le principe de fonctionnement. C’est juste qu’ils sont optimisés et calibrés pour capter des infrarouges et non de la lumière visible.
Caméra purement thermique
Si l’œil ne voit pas les infrarouges thermiques émis par le monde qui nous entoure, une caméra thermique peut, elle, les capter. Bien sûr, l’image affichée n’est pas en vraies couleurs, sinon l’image serait en infrarouge aussi, mais est restituée en couleurs visibles :
Ici, les points chauds sont affichés en blanc, et le reste en niveau de gris, de plus ou en plus sombre. Parfois, le traitement logiciel recalibre le domaine d’infrarouge capté, les 800 à 4000 nm sur la gamme de 400 à 800 nm, de façon à les afficher en « fausses couleurs ». L’image est alors plus compréhensible, mais il faut bien comprendre qu’il s’agit de fausses couleurs.
Il faut par ailleurs bien distinguer la couleur (c’est à dire la température), de l’intensité : une source très intense à 37 °C doit être rendu de façon différente qu’une source à 1 000 °C mais peu intense. Ce sont deux choses différentes, qui correspondent à la couleur et à la luminosité, qui sont bien deux choses différentes.
Quelle que soit le mode de rendu, les infrarouges captés étant émis par le rayonnement thermique, ces caméras sont qualifiées de thermiques. Leur fonctionnement n’est pas spécifiquement destiné à la nuit : elles voient essentiellement le chaud et le froid, quelque soit la période de la journée. Elles sont néanmoins le plus utile en l’absence de lumière visible, c’est à dire la nuit. L’absence du soleil fait alors ressortir d’autant plus les autres sources d’infrarouges (animaux, humains…).
En architecture du bâtiment, ces caméras servent aussi à détecter les fuites de chaleur d’une maison (utilisés quand on cherche à isoler sa maison), et dans l’industrie à détecter les points chauds d’une machine ou d’un composant, afin de détecter une usure, ou un indication, notamment dans le domaine des contrôles non-destructifs par thermographie infrarouge.
Ces caméras voient aussi loin que la position des sources d’infrarouges elles-mêmes : étoiles, la Lune, le Soleil, les montagnes, la route, les arbres, les nuages, les animaux, les murs et cheminées des maisons… S’il n’y a pas de brouillard pour bloquer les infrarouges, ce qui nous apparaît comme de l’obscurité nocturne, est totalement transparente et bien détaillée dans l’infrarouge : tous ces éléments deviennent visibles.
Caméra infrarouge avec éclairage
Un autre type de caméras infrarouge sont les caméras à éclairage infrarouge. Ces caméras captent les infrarouges, mais pas forcément les rayons émis naturellement : ces caméras ont aussi des LED infrarouges, qui « éclairent » la scène en infrarouge.
Bien qu’on ne le voit pas à l’œil nu, la scène est arrosée d’infrarouges, et la caméra capte ensuite les réflexions. Ceci permet à la caméra de filmer un intrus sans se faire voir. Ces caméras sont utilisées typiquement sur les caméras de surveillance dans les maisons, les bâtiments, les parking.
Les détecteurs de visage ou de proximité sur nos téléphones (comme Face ID) utilisent ce système de façon locale : une source infrarouge éclaire le visage, et la réflexion est captée par le téléphone. Les systèmes LiDAR fonctionnent également comme ça.
Les infrarouges émis par ces dispositifs sont du proche IR, de longueur d’onde relativement courte, et de l’ordre de celui utilisé par la télécommande de votre téléviseur. Certains appareils photos de téléphones y sont d’ailleurs sensibles, et l’on peut ainsi les voir et vérifier leur bon fonctionnement.
C’est une astuce utilisée pour vérifier que les piles de votre télécommande ne sont pas vides : un appareil photo de téléphone portable peut voir les IR d’une télécommande.
Caméras à amplificateur d’image
Un autre moyen de voir dans la nuit, et qui n’utilise pas d’infrarouges, c’est de faire comme les animaux nocturnes avec leurs gros yeux ultrasensibles.
Ces animaux voient mieux la nuit essentiellement parce que leurs yeux sont plus sensibles à la lumière : non seulement ils vont réussir à former une image claire et nette avec moins de photons que nous, mais aussi ils vont capter davantage de photons grâce à des yeux souvent beaucoup plus gros. Là où nous verrons du noir à peine lumineux, la même scène suffira à ces animaux pour voir clair.
L’on notera qu’ils ont toujours besoin d’un minimum de lumière : ils ne voient pas dans une obscurité absolue.
Les caméras à amplificateur d’image fonctionnent sur le même principe que les yeux des animaux nocturnes : elles vont capter et tirer parti du moindre photon présent. Là aussi, dans une salle totalement obscure, ces dispositifs ne vont servir à rien, alors qu’une caméra thermique fonctionnera toujours. Heureusement, la nuit, l’obscurité n’est jamais totale : la lumière des étoiles suffira pour les caméras à amplificateur.
Leur fonctionnement repose sur les tubes intensificateurs d’image. Il s’agit en réalité d’un sorte d’écran, ou plutôt d’un capteur CCD, où chaque pixel est lié à un tube photomultiplicateur.
Contrairement à un tube photomultiplicateur unique comme ceux utilisés dans les scintillomètres pour mesurer des niveaux de radioactivité, qui amplifie un signal lumineux brute pour en donner une simple lecture, la caméra à vision nocturne doit en plus de ça conserver l’image captée. On doit conserver la position de chaque photon sur l’écran.
Ceci n’est possible que si chaque multiplicateur de photon est lié à un pixel particulier du capteur ainsi que de l’écran. Et c’est exactement ce qui se passe.
Un tube photomultiplicateur simple est un dispositif qui amplifie un signal lumineux d’entrée. Dans notre cas, il va capter, disons, un photon. Ce photon va heurter une plaque sous tension, appelée dynode, qui va libérer un électron. Le signal lumineux est donc converti en signal électrique. Cet électron est accéléré et va heurter un second dynode sous haute tension. Ce choc va libérer plusieurs électrons, qui vont être accélérés vers un troisième dynode. En multipliant le nombre de dynodes à la suite, on augmente successivement le nombre d’électrons émis. On parle d’un effet d’avalanche (ou effet boule de neige). L’idée est que le signal de départ, très faible, est multiplié, et donc amplifié très fortement.
Principe du tube photomultiplicateur (source)
À la fin, ces électrons sont comptés et l’information de leur nombre établi.
Dans une caméra à vision nocturne, ce phénomène est reproduit en parallèle pour chaque pixel de l’image au moyen d’un tube appelé microcanal : ces tubes jouent le rôle des dynodes, en émettant plusieurs électrons pour chaque électron qui le choquent.. Le signal du nombre d’électrons traversant le tube est reconverti en signal lumineux grâce à un photophore sur un écran sur un pixel de l’écran et l’image alors restitué avec une luminosité que l’œil humain peut traiter, c’est à dire fortement amplifié.
Les lunettes qui utilisent ce système sont celles qui offrent une image à dominante verte (comme dans l’image d’en-tête de l’article). Cette couleur fait penser aux écrans des vieux radars ou de vieux osciloscopes, voire les écrans Minitel. Et pour cause : la conversion finale d’un faisceau d’électrons en image sur un écran se fait avec la même technique employant des photophores lumineux.
L’idée de ce système est donc simplement une amplification de la luminosité de base. Il ne s’agit pas d’une amplification numérique, comme lorsqu’on augmente la luminosité d’une photo, car cela augmenterait également le bruit de l’image. Ici la luminosité est amplifiée de façon analogique, ce qui maintient la netteté de l’image.
Conclusion
Pour ce qui est de la vision nocturne, il faut retenir qu’il y a principalement deux façons de faire :
- utiliser une caméra infrarouge
- utiliser un amplificateur d’image
La nuit, l’on ne voit rien car il n’y a pas assez de lumière visible pour nous permettre de voir.
La caméra infrarouge utilisent une forme de lumière qui est toujours là, bien que nous ne puissions pas la voir : les infrarouges. Cette lumière est intimement liée à la température des corps (animaux, maisons, arbres, routes…), et c’est pourquoi on les appelle caméra thermiques.
Les caméras à amplificateur utilisent le peu de lumière visiblement qui est bien là et l’amplifie par un système de photomultiplicateur. Le résultat est ensuite rendu sur un écran et donné à l’utilisateur.
Ces deux fonctionnement sont très différents et répondent à des besoins spécifiques. Dans le cas des caméras thermiques, elles sont utile de détecter la présence d’animaux ou d’humains, en tout cas de corps chauds. Dans un environnement où tout serait à la même température, elles ne permettraient pas de voir. En revanche elles peuvent voir dans l’obscurité totale.
Les caméras à vision nocturne ne détectent pas spécifiquement les infrarouges, et n’ont donc pas besoin que la scène présente des gradients de températures, mais permettent de voir comme en plein jour. Du moins, si l’obscurité n’est pas absolument totale.