Comment fonctionne une vision nocturne à amplification de lumière ?

Devenues populaires dans les années 90 grâce aux films d’espionnage et à certains jeux vidéos, comme par exemple, splinter-cell, les appareils de vision nocturne fascinent les hommes depuis de nombreuses années. Qui n’a pas en effet, voulu percer le mystère de ce qui nous entoure la nuit à l’aide d’un de ces appareils ? De nos jours, la technologie de la vision nocturne fait partie intégrante de notre quotidien. On en retrouve en effet sous toutes les formes dans nos caméras de surveillance, nos caméscopes, certains smartphones et même embarquées dans quelques modèles de drones. Malgré cette omniprésence, connaissez-vous le fonctionnement de ces appareils ? Découvrons le au fil de cet article, rédigé rien que pour vous par vision-nocturne magazine.

1. Qu’est-ce que le spectre infrarouge ?

Pour comprendre la vision nocturne, il est tout d’abord important de bien comprendre de quoi est composée la lumière. De commune mesure, nous pouvons considérer que la quantité d’énergie d’une onde lumineuse est intimement liée à sa longueur d’onde, entendez par la que plus sa longueur d’onde sera courte, plus son niveau d’énergie sera élevé. Dans le spectre de lumière visible à l’œil nu, c’est le violet qui possède le niveau d’énergie le plus important. En ce qui concerne la lumière infrarouge, nous pouvons la diviser en trois catégories bien distinctes :

1. L’infrarouge proche : Se rapprochant de la lumière visible, l’infrarouge proche couvre une plage de longueur d’onde allant de 0,7 à 1,3 microns, ou 700 milliardièmes à 1 300 milliardièmes de mètre.
2. L’infrarouge moyen : Couvrant une plage de longueur d’ondes allant de 1,3 à 3 microns, l’infrarouge moyen (il en est de même par l’infrarouge proche) est souvent utilisé par divers appareils électroniques tels que des télécommandes.
3. L’infrarouge thermique : Occupant, quant à lui, la grande plus grande majorité du spectre infrarouge, l’infrarouge thermique couvre les longueurs d’ondes allant de 3 microns à plus de 30 microns. La différence avec les deux autres catégories d’infrarouges, c’est que l’infrarouge thermique se trouve être émis par un objet au lieu d’être réfléchi par celui-ci.

 

Comment un objet peut-il émettre de la lumière infrarouge (I.R) ?

Difficile à croire mais oui ! un objet peut très bien émettre de la lumière infrarouge et cela se passe au niveau atomique. Les atomes sont constamment en mouvement, ils vibrent, tournent et se déplacent en permanence. Même les atomes qui composent le fauteuil sur lequel vous êtes assis, à lire attentivement cet article, se déplacent pendant que vous lisez ces quelques lignes, tout ce qui est solide est en mouvement !

Les atomes possèdent différents états d’excitation, en d’autres termes, ils peuvent avoir des niveaux d’énergie différents. Si vous appliquez assez d’énergie à un atome, il peut quitter, ce que l’on appelle, l’état de sol, pour passer à l’état excité. Son niveau d’excitation dépends intimement de la quantité d’énergie appliqué à cet atome par la chaleur, la lumière, ou l’électricité.

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Concrètement, c’est quoi un atome ?

Un atome est composé d’un noyau (composé de protons et de neutrons) ainsi que d’un nuage d’électrons. Imaginez ce nuage d’électrons tournant autour du noyau avec un nombre incroyable d’orbites différentes. Bien que dans les représentations modernes de l’atome, il n’est pas représenté l’orbite des électrons, il est néanmoins utile de considérer ces orbites comme représentant les différents niveaux d’énergie de l’atome. Pour bien comprendre cela de manière imagée, si nous appliquons ne serait-ce, qu’un peu de chaleur à un atome, il faut s’attendre à ce que certains électrons qui possèdent une orbite de basse énergie, passent au niveau supérieur en s’éloignant davantage du noyau.

Une fois qu’un électron passe sur une orbite de niveau supérieur, il finit par vouloir revenir à son état initial. Lorsque cela se produit, il libère son énergie sous forme de photons, une particule de lumière.

Et la lumière fut !

Comme vous le voyez, les atomes libèrent de l’énergie en permanence sous forme de photons. Par exemple, lorsque la résistance d’un grille-pain devient rouge vif, la couleur intense est causée par l’état des atomes qui, excités par la chaleur, libèrent des photos rouges. Un électron excité possède un niveau d’énergie plus important qu’un électron détendu, et du fait que l’électron à absorbé une certaine quantité d’énergie pour atteindre ce niveau d’excitation, il doit en libérer une certaine quantité pour revenir à son état initial. Cette énergie est émise sous la forme de photons (énergie lumineuse). Il faut savoir que le photon émis par l’atome possède une longueur d’onde très spécifique (couleur) et qui dépend de l’état d’énergie de l’électron lorsque le photon est libéré.

Tout être vivant consomme de l’énergie, il en est de même pour tous les objets animés comme les moteurs et les fusées. Toute consommation d’énergie génère de la chaleur, et à son tour, la chaleur permets aux atomes d’un objet de libérer des photons dans le spectre infrarouge(I.R) thermique. Plus un objet est chaud, plus la longueur d’onde du photon libéré est courte, au point même de pouvoir émettre des photons dans le spectre visible lorsque l’objet est très chaud. Cela explique pourquoi, certains objets chauffés à l’extrême, émettent une lumière rougeoyante pouvant aller vers l’orange, le jaune, le bleu et parfois même, le blanc. En vision nocturne, l’imagerie thermique utilise justement l’émission de ces infrarouges pour fonctionner.

Le fonctionnement détaillé d’un appareil de vision nocturne.

La technologie d’amplification lumineuse est celle la plus utilisée de nos jours, mais aussi celle la plus populaire. Les appareils utilisant cette technologie sont communément appelés “dispositif de vision nocturne” (NVD) ou jumelles de vision nocturne (NVG). Ce type d’appareil s’appuie généralement sur un tube spécifique, appelé tube intensificateur d’image pour capter et amplifier la lumière, qu’elle soit infrarouge ou visible. Nous retrouvons cette technologie sur des appareils de vision nocturne tels que le Bushnell Night Watch et à contrario du Bushnell Equinox Z qui utilise la technologie numérique pour amplifier la lumière ambiante.

Voici comment fonctionne un appareil de vision nocturne à tube amplificateur :

Une lentille conventionnelle, souvent appelée objectif, capte la lumière ambiante et une partie de la lumière proche infrarouge(I.R). La lumière ainsi recueillie, est envoyée vers le tube intensificateur d’image. Dans la plupart des appareils de vision nocturne, l’alimentation du tube amplificateur se fait à l’aide de batteries ou deux piles “AA”. Le tube est capable de délivrer une tension de l’ordre d’environ 5 000 volts aux divers composants.

Le tube amplificateur d’image possède une photocathode qui est utilisée pour convertir les photons de l’énergie lumineuse en électrons. Lorsque les électrons transitent à travers le tube, des électrons identiques sont libérés des atomes dans le tube, multipliant ainsi le nombre de photons d’origine par un facteur de milliers grâce à l’utilisation d’une plaque de microcanaux (MCP) dans le tube. Un MCP est un disque de verre minuscule comportant des millions de trous (les microcanaux). Ils sont fabriqués avec des matériaux semblables à ceux utilisés pour la fabrication de la fibre optique. Le MCP est inclus dans le vide et possède des électrodes en métal de part et d’autre du disque. Chaque microcanal est environ 45 fois plus long que large et fonctionne à la manière d’un multiplicateur d’électrons. Lorsque les électrons de la photo cathode frappent la première électrode du MCP, ils sont accélérés dans les microcanaux de verre par les rafales de 5 000 Volts envoyées entre les deux électrodes. Lorsque les électrons passent à travers les microcanaux, ce sont des milliers d’autres électrons qui se retrouvent libérés dans chaque canal par un processus appelé, émission secondaire en cascade.

Foncièrement, les électrons d’origine entrent en collision avec les parois du canal, excitant ainsi les atomes et provoquant la libération d’autres électrons. Ces nouvellement créés électrons entrent également en collision avec d’autres atomes, créant ainsi une réaction en chaîne qui fait que plusieurs milliers d’électrons quittent le canal où seuls quelques-uns y sont entrés. Un détail intéressant est que chaque microcanal du MCP est construit avec un angle léger de 5 à 8 degrés environ et de biais et ce, dans le but d’encourager les collisions d’électrons et réduire la rétroaction ionique et lumineuse directe des phosphores en sortie.

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Au bout du tube intensificateur d’image, les électrons frappent un écran recouvert de phosphores. Ces électrons conservent leur position par rapport au canal qu’ils ont traversé, ce qui donne une image parfaite car les électrons restent dans le même alignement que les photons originaux. L’énergie des électrons fait en sorte que les phosphores atteignent un état excité et les poussent à libérer des photons. C’est le phosphore qui créé cette fameuse image verte et qui est visualisée; à travers l’oculaire de l’appareil de vision nocturne. Cette dernière lentille, permets de faire le point (focus) sur l’image et de l’agrandir. Dans certains cas, l’appareil de vision nocturne peut être connecté à un écran externe tel qu’un moniteur mais de commune manière, c’est à travers son objectif que l’image est généralement visualisée.