Combien de fois quelqu'un vous a-t-il dit : "Si tu manges toutes tes carottes, tu pourras voir dans le noir."
Si c'était vrai, les soldats, les marins et les pilotes n'iraient nulle part sans une carotte dans leur poche.
En réalité, les lunettes infrarouges sont beaucoup plus utiles pour transpercer l'obscurité que n'importe quel fruit ou légume.
Un peu comme si vous aviez de yeux électroniques qui multipliaient la capacité de vision nocturne de vos yeux.
Pour se déplacer facilement et observer la vie sauvage dans la pénombre, les lunettes ou jumelles de vision nocturne sont la solution.
Mais comment ces équipements intelligents transforment-ils l'obscurité en lumière grâce à l'infrarouge ?
Voyons cela de plus près !
Quel type de vision nocturne les animaux utilisent-ils ?
Les humains sont conçus pour vivre le jour et dormir lorsqu’il fait nuit. La rétine (la partie de nos yeux sensible à la lumière) comporte des cellules appelées cônes (pour voir la lumière colorée) et bâtonnets (pour détecter les mouvements et la lumière faible).
Nous avons 20 fois plus de bâtonnets que de cônes (120 millions de bâtonnets et seulement 6 millions de cônes), mais les capacités humaines de vision nocturne restent médiocres.
Un aye aye, petit noctambule Malgache peu ordinaire.
Les animaux qui vivent dans l'obscurité ont tendance à avoir des pupilles (trous devant les yeux) beaucoup plus grandes que les nôtres, afin de laisser entrer davantage de lumière.
Les tarsiers, par exemple, ont des yeux énormes par rapport à la taille de leur corps. Comme chez les autres espèces nocturnes, leur rétine contient beaucoup plus de bâtonnets que l'œil humain.
Les chats, qui passent également une grande partie de leur temps à chasser la nuit, font partie des créatures dont les yeux contiennent un tapetum. Il s'agit d'un miroir naturel qui renvoie la lumière hors de l'œil.
Son rôle est de faire rebondir deux fois la lumière entrante à travers la rétine afin que l'animal ait deux fois plus de chances de voir les choses.
C'est pourquoi les chats sont si doués pour voir dans l'obscurité - et lorsque vous les éclairez avec une lampe de poche, leurs yeux renvoient la lumière comme un miroir.
Les humains ne peuvent utiliser aucune de ces astuces. Nos pupilles s'ouvrent plus largement en cas de faible luminosité, mais pas suffisamment pour nous aider à y voir clair de nuit. Nos yeux n'ont pas assez de bâtonnets et nous n'avons pas de tapetum.
Que pouvons-nous donc faire pour voir la nuit ?
Nous pouvons recourir à la technologie !
Comment a été inventée la vision nocturne infrarouge ?
Lunette infrarouge de vision nocturne
Imaginez que votre travail consiste à inventer une paire de jumelles ou une lunette qui aidera les gens à voir la nuit.
Ce que vous devez faire est évident.
Les rayons lumineux pénètrent dans les lunettes par l'avant. Vous devez donc les capturer d'une manière ou d'une autre, les renforcer, puis les envoyer dans les yeux de la personne.
Mais comment capturer et amplifier la lumière ?
Les jumelles, les télescopes et même les lunettes ordinaires focalisent la lumière, mais ne la rendent pas plus brillante.
Il est facile d'inventer une paire de lunettes qui atténue la lumière : il suffit d'enduire les verres d'un produit qui absorbe une partie de la lumière - c'est ainsi que fonctionnent les lunettes de soleil. Mais des lunettes qui rendent les choses plus lumineuses, ce n'est pas si évident.
En revanche, il est très facile d'augmenter la puissance électrique.
Les gens ont inventé toutes sortes d'appareils électriques qui prennent un petit courant électrique (flux d'électricité) à une extrémité et produisent un flux plus important de l’autre côté.
C’est ce que l’on appelle un amplificateur.
Un appareil auditif, par exemple, utilise un minuscule composant électronique appelé transistor pour amplifier les sons (augmenter leur volume) captés par un microphone afin qu'une personne malentendante puisse entendre plus facilement.
Une guitare électrique utilise un amplificateur beaucoup plus puissant pour transformer les sons produits par le pincement des cordes en sons capables de remplir un stade.
C’est sur ce principe d’amplification associé à la lumière que les appareils de vision nocturne infrarouges ont été développés.
Et si on transformait la lumière en électricité, qu'on amplifiait l'électricité, puis qu'on retransformait l'électricité amplifiée en lumière ?
Cela devrait rendre la lumière beaucoup plus brillante et nous permettre de voir même la nuit…
Et c’est ce qui c’est produit.
Comment fonctionnent les lunettes de vision nocturne ?
En théorie
Les lunettes de vision nocturne amplifient une scène obscure en une série d'étapes simples :
1-La faible lumière d'une scène nocturne pénètre dans l'objectif situé à l'avant. Cette lumière est composée de photons (particules de lumière) de toutes les couleurs.
2-Lorsque les photons entrent dans les lunettes, ils frappent une surface sensible à la lumière appelée photocathode. C'est un peu comme un panneau solaire ultra-sensible : son rôle est de convertir les photons en électrons (les minuscules particules subatomiques qui transportent l'électricité dans un circuit).
3-Les électrons sont amplifiés par un photomultiplicateur, une sorte de cellule photoélectrique. Chaque électron entrant dans le photomultiplicateur entraîne la sortie de nombreux autres électrons.
4-Les électrons qui quittent le photomultiplicateur frappent un écran phosphoreux, semblable à l'écran d'une télévision ancienne. Lorsque les électrons frappent le phosphore, ils créent de minuscules éclairs de lumière.
5- Comme il y a beaucoup plus de photons que ceux qui sont entrés dans les lunettes, l'écran produit une version beaucoup plus lumineuse de la scène originale.
Photo : Illustration réalisée par explainthatstuff.com à partir de la photo ci-dessus, avec l'aimable autorisation de l'armée américaine. Veuillez noter qu'il s'agit d'une illustration générale de ce qui se passe dans les lunettes de vision nocturne ; elle ne représente pas précisément le fonctionnement du dispositif illustré sur la photo.
En pratique
En réalité, comme vous pouvez le voir sur cette illustration de brevet d'un monoculaire de vision nocturne de type Land Warrior conçu par Gary Palmer d'ITT, la photocathode et le photomultiplicateur - les composants de l'intensificateur d'image - ne représentent que la partie centrale d'un système optique plus complexe (mais encore relativement conventionnel).
Ne vous laissez pas déconcerter par tous ces détails ; j'ai colorié et surligné quelques-uns des éléments clés pour montrer comment tout s'assemble.
En utilisant les chiffres du dessin et en travaillant de gauche à droite :
40 est l'objectif (la lentille la plus proche de l'objet que vous regardez) ; 42 est essentiellement un mécanisme de mise au point ; 50 est l'unité d'intensification de l'image (correspondant aux parties 2, 3 et 4 de mon dessin simplifié ci-dessus) ; 54 est un collimateur qui rétrécit et aligne les rayons lumineux qui le traversent ; 58 et 62 sont des miroirs ; 14 est l'oculaire. En bas, 78 est un régulateur de tension et 81 est le bloc-piles.
Pourquoi la vision nocturne est-elle souvent affichée de couleur verte ?
Même la nuit, les photons qui frappent la lentille à l'avant des lunettes de vision nocturne sont porteurs de lumière de toutes les couleurs.
Cependant, lorsque les photons sont convertis en électrons, il n'y a aucun moyen de préserver cette information.
En fait, la lumière colorée entrante est transformée en noir et blanc.
Pourquoi, alors, les lunettes de vision nocturne n'apparaissent-elles pas toujours en noir et blanc ?
Les phosphores des écrans de matériel de vision nocturne sont délibérément choisis pour produire des images vertes, car nos yeux sont plus sensibles à la lumière verte.
Il est également plus facile de regarder des écrans verts pendant de longues périodes que de regarder des écrans en noir et blanc (c'est pourquoi les premiers écrans d'ordinateur étaient généralement verts).
Les images de vision nocturne sont généralement de couleur vertes.
Le matériel infrarouge permet-il de voir dans l’obscurité totale ?
Les lunettes de vision nocturne comme celles décrites ci-dessus sont parfois appelées intensificateurs d'image, car elles prennent la petite quantité de lumière disponible dans la quasi-obscurité et l'augmentent suffisamment pour que nos yeux puissent voir.
Lorsqu’il n'y a pas assez de lumière à collecter, les lunettes à intensification d'image ne fonctionnent tout simplement pas.
Supposons, par exemple, que vous soyez un pompier essayant de voir si quelqu'un est coincé dans un bâtiment enfumé, un intensificateur d'image serait aussi inutile que vos propres yeux.
Les puissantes caméras à imagerie thermique sont très utiles aux pompiers qui travaillent dans des endroits où la fumée dense limite la visibilité.
L'alternative consiste à utiliser ce que l'on appelle l'imagerie thermique. Au lieu de rechercher la lumière que les objets reflètent, nous recherchons la chaleur qu'ils dégagent.
En général, les êtres vivants qui se déplacent dans l'obscurité sont plus chauds que leur environnement, tout comme les véhicules et les machines.
Les objets chauds émettent un rayonnement infrarouge, qui est une énergie similaire à celle de la lumière, mais avec une longueur d'onde légèrement supérieure (fréquence inférieure).
Il est relativement facile de fabriquer une caméra qui capte le rayonnement infrarouge et le convertit en lumière visible : elle fonctionne comme un appareil photo numérique, sauf que la puce du détecteur d'images (un dispositif à couplage de charge (CCD) ou un capteur d'images CMOS) réagit à l'infrarouge au lieu de la lumière visible ; elle produit néanmoins une image visible sur un écran de la même manière qu'un appareil photo numérique ordinaire.
D'autres types de caméras thermiques utilisent des couleurs différentes pour indiquer des objets de température différente. Elles sont couramment utilisées pour faire apparaître certains types d'informations, comme par exemple la perte de chaleur d'un bâtiment mal isolé.
Comment fonctionne un capteur d'images thermiques ?
Les secouristes et les pompiers n'ont pas toujours les mains libres pour transporter des objets, c'est pourquoi toutes les caméras thermiques qu’ils utilisent sont rarement portatives.
Voici une caméra pratique montée sur un casque, conçue spécialement pour ce genre de situations extrêmes. J'ai colorié la plupart des principaux composants pour faciliter le suivi.
L'unité de caméra infrarouge (grise) montée sur la calotte du casque (jaune) capture une image thermique, que les circuits à l'intérieur (vert) décodent, amplifient et convertissent sous une forme qui peut piloter un écran traditionnel (rouge).
Un câble souple et articulé (bleu) transporte les signaux électriques de ces circuits jusqu'à l'écran, qui (dans cet exemple) est placé devant l'œil droit du porteur.
Les principaux composants de l'image sont :
12 et 12A. Casque et casquette de protection (jaune).
- Boîtier pour l'unité de capteur d'image (gris).
18A. Ouverture pour l'objectif de la caméra et le capteur d'images (orange).
- Affichage de l'oculaire monoculaire (rouge).
- Bras flexible transportant les câbles du capteur d'image à l'écran (bleu clair).
- Interrupteur marche/arrêt (violet).
L'image de droite (éclatée) montre également :
- Caméra infrarouge (jaune).
- Batterie (orange).
40 et 42. Circuits imprimés de traitement et d'affichage de l'image (vert)
Existe-t- il d’autres moyens pour voir dans l’obscurité ?
Les avions, les navires et les sous-marins s'orientent facilement, même lorsqu'il n'y a que peu ou pas de lumière pour guider les pilotes et les capitaines.
Au lieu de chasser avidement tous les photons qu'ils peuvent trouver, ils utilisent une variété d'outils de navigation et de capteurs sophistiqués, dont le radar (vision par ondes radio), le sonar (navigation par le son), le GPS (navigation par satellite), les boussoles et le lidar (une sorte de radar à laser).
Les voitures à conduite autonome utilisent un mélange similaire de technologies pour conduire de jour comme de nuit.
On ne peut pas vraiment qualifier ce type de technologie de "vision" : elle ne prend pas en compte l'ensemble des fonctions de nos yeux et de notre cerveau, de la reconnaissance des objets en 3D à la perception des couleurs, en passant par la détermination des distances, etc… mais l’enjeu reste finalement de visualiser son environnement du mieux possible.
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