Popularisée par le cinéma et en particulier les films de guerre et d’espionnage, les technologies de vision nocturne sont de plus en plus accessibles pour le grand public. Monoculaires, caméra, jumelles et lunettes de visées proposant cette fonction sont de plus en plus nombreuses sur le marché.
Mais comment fonctionne cette solution technique qui permet de voir au cœur de la nuit, même lorsqu’il fait beaucoup trop sombre pour l’œil humain ?
Quels sont les différences entre les monoculaires infrarouges et à vision thermique ?
Comme vous allez le voir dans ce guide, le principe n’est pas très compliqué à comprendre. Alors, amplificateurs de lumière résiduelle
Cet article vous aidera à mieux choisir votre monoculaire à vision nocturne.
Pourquoi ne voit-on pas bien dans le noir ?
Qui dit appareil de vision nocturne dit que l’humain ne voit pas bien dans le noir. Mais pourquoi ? D’où vient cette limite ?
L’œil capte la réflexion de la lumière sur les surfaces environnantes. Les rayons qui atteignent l’œil traversent la cornée, l’iris pour atteindre la rétine. Celle-ci capte la lumière pour la transformer en signaux électriques envoyés au cerveau. Pour cela, la rétine dispose de cônes et de batônnets. Les cônes permettent de voir les détails et les couleurs. Les bâtonnets, 3 fois moins nombreux que les cônes, permettent de mieux voir dans la vision périphérique ainsi que les formes générales.
Tout le problème, c’est la quantité de lumière pour laquelle l’œil est censé fonctionner normalement. En raison de notre mode de vie diurne notre corps est conçu pour bien performer en journée, sous le soleil. La nuit, il n’y a tout simplement pas assez de lumière pour qu’on puisse y voir clair. D’où, cette impression de pénombre, de manque de détail et ce noir constant que l’on voit dans la nuit.
Vision nocturne : de quoi s’agit-il ?
La vision nocturne est une propriété naturelle dont bénéficie de nombreuses espèces animales. Certaines passent par des voies détournées, comme les chauves-souris qui utilisent l’écholocation, un système de sonar qui passe par les ultrasons. D’autres, comme les chouettes, disposent d’un système oculaire (plus grande cornée, rétine qui fonctionne avec moins de photons) qui leur permettent de mieux capter la lumière, même dans un environnement faiblement lumineux.
La vision nocturne infrarouge fonctionne un peu comme les yeux de ces animaux et vient amplifier la lumière environnante pour en envoyer suffisamment à nos yeux. En revanche, la vision thermique est un peu différente.
Nous allons voir le fonctionnement de ces deux systèmes de vision nocturne en détail.
Les deux types d’optique de vision nocturne : infrarouge et thermique
Il existe deux grandes technologies d’appareils de vision nocturne qui se sont développés ces dernières années.
Ceux, qui fonctionne dans le spectre infrarouge, appelés lunette de vision infrarouge. Ils viennent amplifier la lumière résiduelle pour en augmenter le volume qui est envoyé au corps.
Les autres, ce sont les solutions de vision thermique qui s’appuie sur les rayonnements émis par la chaleur du sujet. Ils sont principalement appréciés dans le domaine de la sécurité et de la chasse car ils éclairent très bien les sujets vivants dans le noir.
Vision infrarouge
Nous allons commencer par les appareils de vision nocturne infrarouge appelés également amplificateurs de lumière résiduelle.
Comprendre le fonctionnement de la lumière et du spectre infrarouge
Pour bien saisir comment fonctionne un intensificateur de lumière résiduelle, il faut comprendre comment fonctionne le spectre lumineux.
La lumière peut être considérée comme de l’énergie qui nous provient des atomes sous la forme de photons. Ceux-ci sont excité, vibrent en libérant de l’énergie et se verront attribués une fréquence.
En fonction de la longueur d’onde à laquelle correspond cette fréquence de vibration, elles représenteront une couleur.
L’œil humain n’est conçu pour ne voir qu’une partie du spectre lumineux. On appelle cela la lumière visible. En réalité, l’ensemble des couleurs existantes est beaucoup plus vaste, allant jusqu’au domaine des ondes radios. Les bords du spectre lumineux visible sont l’ultraviolet et l’infrarouge.
Les amplificateurs de lumière résiduelle s’appuient sur le spectre infrarouge car celui-ci émet beaucoup plus de quantité de lumière en comparaison du spectre visible.
Les différents types d’infrarouge
Le spectre infrarouge est lui-même composé de trois familles :
- L’infrarouge proche, dont la longueur d’onde évolue à des ordres de grandeurs de 0,7 à 1,3 microns. C’est cette fréquence qu’utilise la majorité des ALR grand public.
- L’infrarouge moyen, avec une longueur d’onde de 1,3 à 3 microns.
- L’infrarouge thermique, plus élevé et plus large qui évolue entre 3 microns et 30 microns. Nous reparlerons de cette portion du spectre de l’IR qui ne réfléchit pas seulement la lumière mais qui est aussi émise par les corps chauds.
Un système de vision nocturne va principalement capter les infrarouges d’une image, en amplifier l’information lumineuses via les électrons pour la renvoyer en image percevable par un œil humain.
L’avantage de s’appuyer sur le spectre infrarouge est qu’elle évite d’être ébloui par des sources lumineuses qui évolue dans le spectre visible (feux de voiture, lampe, projecteur…).
Lunettes de vision nocturne passive
La majorité des dispositifs de vision nocturne sont des appareils passifs. Le fonctionnement d’un tube amplificateur de lumière fonctionne de la façon suivante.
On retrouve tout d’abord un objectif. Comme dans un appareil photo ou une jumelle classique, l’objectif est un ensemble de lentilles qui sont ordonnées pour capter une partie des rayons lumineux et la canaliser vers un foyer. Dans le cas de jumelles ou de monoculaires de vision nocturne, c’est l’objectif qui produit le grossissement.
Dans une lunette de vision nocturne, les photons qui pénètrent dans l’objectif vont rencontrer un tube amplificateur d’image composé tout d’abord d’une photocathode faite d’un morceau de métal. Le rôle de celle-ci est de libérer des électrons chaque fois qu’un rayon lumineux la touche. A partir de la 2nde génération d’ALR, le volume d’électron sera multiplié par l’utilisation d’une plaque de micro-canaux (MCP), ce qui augmentera le niveau d’information.
Tout cette opération se déroule dans une chambre à vide. Le système de micro-canaux est conçu pour permettre un processus d’émission secondaire en cascade. Chaque micro-canal est 45 fois plus gros que le précédent, entraînant une libération toujours plus importante des électrons, un peu comme dans une réaction en chaîne nucléaire. Pour exciter la plaque de métal, un courant électrique est appliqué. C’est pour cela que les ALR fonctionnent avec des piles.
Les électrons, qui transmettent le signal de l’information lumineuse, sont ensuite propulsé vers une plaque de Phosphore. L’énergie transmise au phosphore se traduit par une libération de photons de couleur verte qui se dirige ensuite vers l’œilleton.
Ainsi grâce à ce procédé chimique, un œil humain peut observer une scène de nuit, tant qu’elle est éclairée par une petite source lumineuse comme une simple étoile ou la lune.
Ces équipements renvoient une information lumineuse pertinente sur 200m maximum environ, sans éclairage particulier.
La lumière verte de la vision nocturne
Les premiers ALR ont été utilisé durant la 2nde Guerre Mondiale. Les jumelles de vision nocturne renvoient une couleur verte à l’utilisateur car c’est ce qu’émet le phosphore. Il n’est pas possible de renvoyer une image colorée en raison de l’étape de traduction des photons aux électrons puis à nouveau aux photons. Ce matériau a été choisi car l’œil humain peut y distinguer une large nuance de formes. Elle favorise une adaptation rapide lorsque l’utilisateur enfile ou enlève son dispositif et repasse en vue naturelle.
Lunette de vision nocturne active
Les ALR passifs ne fonctionnent donc que si une scène est un minimum éclairé. Sans source de lumière, aucun rayon infrarouge n’est reflété sur les surfaces et on se retrouve donc plongé dans le noir complet.
Pour compenser cela, il existe des dispositifs de vision nocturne qui, en plus d’utiliser la lumière résiduelle existante, vont intégrer une lampe infrarouge qui va augmenter la luminosité d’un lieu.
C’est le même type d’émetteur que l’on retrouve sur les télécommandes de télévision ou les camescope grand public avec vision nocturne.
Cependant, cette solution est très peu utilisée par les militaires, principaux usagers des technologies de vision nocturne. Il est très facile de détecter le flux infrarouge émis par les jumelles actives et donc de se faire repérer. C’est pour cela qu’un dispositif de vision nocturne voit un gros flash si un utilisateur fait pointer le faisceau lumineux d’une télécommande vers l’objectif.
Ces solutions sont en général massivement utilisées pour les caméras de surveillance avec vision nocturne.
Les différentes générations de tubes amplificateurs de lumière résiduelle (ALR)
Développés depuis la Seconde Guerre Mondiale, les jumelles de vision nocturne ont fait l’objet d’amélioration dans le but d’améliorer leur précision et leur durée de vie. On compte 4 générations aujourd’hui.
Génération 1
La première génération a été en premier lieu utilisée dans les véhicules militaires durant la Seconde Guerre Mondiale. Elle inaugure l’utilisation des tubes convertisseurs d’image qui viennent transformer les photons en électrons puis à nouveau en photon.
Il permet une amplification de l’ordre de 1000 fois la luminosité existante.
La plupart des appareils de vision nocturne grand public proposés aujourd’hui sont de génération 1. Celle-ci permet de conserver des coûts réduits, de l’ordre de quelques centaines d’euro tout en offrant des caractéristiques suffisantes pour la chasse, l’observation de la faune nocturne ou les caméras de surveillance.
Ils présentent toutefois quelques défauts comme de problèmes de distorsions géométriques, floutant les contours des images ou un léger bruit qui se fait entendre lorsque l’outil est en marche.
Génération 2
C’est cette génération qui introduit le microcanal (MCP) qui vient amplifier les électrons. La lumière est donc bien plus amplifiée que dans les appareils de 1ère génération (on passe de x1000 à x20000).
Le phénomène de distorsion géométrique est fortement atténué.
Mais cela fait doubler les prix des équipements. Ils sont donc moins intéressants pour les particuliers qui veulent utiliser leur monoculaire à visée nocturne pour le loisir.
Génération 3
La 3ème génération introduit une nouvelle version de galette de microcanaux qui s’appuie sur une photocathode fabriquée en arséniure de gallium, matériau aujourd’hui très prisé en optique.
Pour protéger la photocathode et augmenter sa durée de vie, les fabricants utilisent une couche d’ions.
On passe alors à un taux d’amplification lumineux de x50000. Ce taux, sans commune mesure avec les générations précédentes, tout en conservant un coût mesurer, font des ALR de 3ème génération le choix principal de l’armée américaine.
Ils permettent une forte augmentation de la luminosité, même dans des situations d’éclairage extrêmement faible et ce, sans amplification active de la lumière avec un projecteur infrarouge.
Génération 4
La génération la plus récente des amplificateurs de lumière résiduelle, les ALR Omni-VII fonctionnent sur la même base que la 3ème génération. Ils intègrent deux différences de rupture : la disparition de la couche d’ion protégeant la photocathode, au prix d’une durée de vie plus faible de l’appareil et un meilleur suivi de l’alimentation du tube amplificateur.
Ces deux changements font des lunettes de vision nocturne de 4ème génération des appareils extrêmement performants, notamment dans des situations critiques.
Elles permettent d’alterner beaucoup plus facilement dans des niveaux de luminosité variable, de voir de beaucoup plus loin (1 km théorique) et dans des environnements beaucoup plus sombres.
Lunette de vision nocturne numérique
Depuis quelques années, grâce à l’avènement de la photo numérique, des fabricants se sont mis à utiliser des solutions d’amplification de lumière numérique. On retrouve cette technologiques sur des monoculaires comme le Bushnell Equinox Z.
Au lieu d’utiliser un tube amplificateur de lumière, le monoculaire de vision nocturne numérique dispose d’un capteur similaire à ceux qu’on retrouve dans les appareils photos numérique ou dans votre smartphone. Il peut s’agri d’un CCD ou CMOS. Par rapport à un appareil photo classique, les capteurs sont simplement modifiés pour capter le spectre infrarouge à la place de la lumière visible.
Ces appareils offrent des performances généralement supérieures aux ALR de générations 1 et 2 mais reste en deçà des équipements des générations 3 et 4.
Autre avantage, ils n’ont pas le risque de dégradation du tube amplificateur que rencontre un appareil à technologie ALR lorsqu’ils sont utilisés en plein jour (on en reparle plus bas dans ce guide) !
Pour un usage grand public, ils sont particulièrement intéressants.
Le signal optique étant transformé en information numérique, ces appareils disposent généralement d’un enregistreur intégré pour sauvegarder directement le flux vidéo qui est capté par le monoculaire de vision nocturne.
Comparé à un ALR à tube amplificateur, les appareils de vision nocturne numérique disposent d’une autonomie beaucoup plus faible, de l’ordre de quelques heures contre plusieurs jours pour un appareil classique.
Vision thermique
La deuxième grande famille de d’appareils à vision nocturne sont les équipements infrarouges thermiques. Ces dernières reposent sur une longueur d’ondes spécifique et sont pensés pour des usages particuliers.
Les ondes infrarouges thermiques
Les longueurs d’ondes thermique font partie du haut du spectre infrarouge, évoluant entre 3 et 30 microns.
La caractéristique de ce rayonnement est qu’il n’est pas simplement réfléchi sur les objets, il est également émis par les corps sous la forme d’un rayonnement radioactif qui transformer la chaleur en énergie lumineuse. Cela signifie qu’un équipement conçu pour amplifier les longueurs d’ondes propres au rayonnement thermique, mettrons en évidence les sujets chauds dans l’image, dont la température sera traduite en couleur.
Il s’agit donc d’appareil amplificateur de lumière existante, à l’opposée d’amplificateur de lumière résiduelle.
Les monoculaires à vision thermique comme le Flir Scout TK fonctionnent donc de la même manière que les appareils à vision infrarouge mais leur photocathode est calibrée sur des longueurs d’ondes plus importantes.
L’image est ensuite renvoyée en noir et blanc ou dans tout le spectre de la lumière réelle pour rendre compte des différences de températures des sujets.
Cela ne renverra donc pas une représentation proche de la vision réelle d’une image mais qu’elle pourra servir dans des usages spécifiques.
Les usages des appareils à vision infrarouge thermique
L’imagerie thermique est très pratique dans certains domaines d’activité comme le sauvetage en mer ou en montage, de nuit ou en plein jour.
On imagine également facilement les usages qui peuvent en être faits dans le domaine militaire, pour repérer des cibles par exemple.
Elles sont aussi très pratiques et utilisées dans le domaine de la chasse, pour repérer le gibier durant la nuit.
Enfin, les caméras thermiques sont également utilisées par les thermiciens ou expert de l’isolation des bâtiments afin de repérer les flux d’air froids qui peuvent fuir d’une pièce.
De nombreuses caméras grand public utilisent des solutions d’imagerie thermique.
Les différents appareils de vision nocturne
Maintenant que nous avons passé en revue les technologies permettant de voir dans le noir, nous allons voir les principaux appareils sur lesquels ces solutions sont déployées.
Lunette de vision nocturne
En général, le premier équipement qui nous vient à l’esprit lorsqu’on parle d’équipement de vision nocturne, ce sont les lunettes qui équipent les armes des militaires pour le combat de nuit. Ces appareils peuvent être utilisés également dans le monde de l’airsoft ou de la chasse.
En France, la diffusion et l’utilisation de ces équipements pouvant être fixés sur un casque ou une arme sont limitées par la loi.
Jumelle de vision nocturne
Un des appareils les plus diffusé est la jumelle de vision nocturne. Il s’agit d’un équipement optique binoculaire intégrant un tube amplificateur de lumière donc le flux lumineux est renvoyé dans deux œilletons.
Ces jumelles sont utilisées sur tous les terrains où il est utile d’avoir un équipement de grossissement de de vision nocturne comme le sauvetage en mer et en montage, la chasse, le domaine militaire, la survie, la randonnée ou l’observation de la faune.
Monoculaire de vision nocturne
Dans la même lignée que les jumelles, on retrouve des monoculaires à vision nocturne infrarouge ou thermique, analogique ou numérique qui présente l’avantage d’être plus compact que les jumelles.
De même, de nombreux modèles de jumelles à vision nocturne ne contiennent qu’un tube amplificateur (binoculaires non symétriques) et n’offrent pas de réelle vision binoculaire, ce qui aplatit l’image. A ce compte, il est préférable d’utiliser un monoculaire.
Caméra à vision nocturne
Les caméras de surveillances sont de plus en plus souvent équipées d’une optique à vision nocturne active, donc avec un projecteur infrarouge. Ces caméras, accessibles pour le grand public servent à la fois aux professionnels et aux particuliers.
On peut les utiliser à des usages de surveillance d’une maison ou de tous locaux privés ainsi que dans des usages d’expertise de performance thermique de bâtiments, dans le cas d’utilisation d’une caméra thermique.
Les principales limites des appareils de vision nocturne
Si les appareils à vision nocturne peuvent s’apparenter à des dispositifs optiques offrant les mêmes capacité qu’un appareil classique mais pouvant fonctionner la nuit, cette hypothèse présente en fait des limites.
Tout d’abord, les appareils à vision nocturne sont très chers comparés à un simple dispositif classique.
Ensuite, ils sont une durée de vie limitée en raison de l’usure progressive des composants de la photocathode (elle s’exprime toutefois en milliers d’heures) et ont besoin d’une alimentation électrique pour fonctionner.
De plus, la plupart des appareils de vision nocturnes analogiques ne peuvent pas être utilisés en plein jour au risque de dégrader fortement l’équipement. Pour réduire le risque, ils disposent généralement d’un filtre permettant de réduire les hauts flux lumineux. Mais ce filtre vient aussi dégrader la qualité de l’image renvoyé au bout du tube amplificateur de lumière.
Jumelles à vision nocturne : que dit la loi ?
Qu’en est-il de la législation ? A-t-on le droit d’acheter et d’utiliser un appareil de vision nocturne en France ?
La règlementation est assez simple sur le sujet. Il est possible d’acheter et d’utiliser un appareil de vision nocturne de génération 1, 2, 3 ou 4 sans autorisation préalable. Ces équipements sont proposés en vente libre.
La seule règle est relative à l’utilisation qui est faite de l’équipement. Il n’est pas possible de l’utiliser comme une arme et un appareil de vision nocturne disposant d’un mode main libres, comprendre une fixation, sera classifié comme une arme de catégorie 2 (Article R311-2 alinéa 14 du Code de la sécurité intérieure)
Il n’y a donc que très peu d’intérêt à acheter une lunette de vision nocturne ou des jumelles à vision nocturne avec fixation pour casque puisque vous n’aurez pas le droit l’utiliser.
