Comment fonctionne les appareils de vision nocturne ?

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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 fourrée dans leur poche. Sur le champ de bataille, les lunettes de vision nocturne sont bien plus utiles : des yeux électroniques qui transforment une vision nocturne faible en quelque chose de bien plus puissant. Si vous voulez faire la guerre la nuit ou observer la faune et la flore au crépuscule, les lunettes de vision nocturne sont faites pour vous. Mais comment ces astucieuses pièces d’équipement transforment-elles exactement l’obscurité en lumière ? Regardons de plus près !

Comment les animaux voient dans l’obscurité

Les humains sont faits pour vivre le jour et dormir dans l’obscurité. La rétine (la partie de nos yeux qui est sensible à la lumière) possède des cellules appelées cônes (pour voir la lumière colorée) et bâtonnets (pour détecter les mouvements et la faible lumière). Nous avons 20 fois plus de bâtonnets que de cônes (120 millions de bâtonnets et seulement 6 millions de cônes), mais nous ne sommes pas encore très bons pour voir dans l’obscurité.

D’autres animaux sont construits différemment. Les créatures qui vivent dans l’obscurité ont tendance à avoir des pupilles beaucoup plus grandes (des trous devant les yeux) pour laisser entrer plus de lumière. Les tarsiers, par exemple, ont des yeux énormes par rapport à leur taille. Comme les autres créatures 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 la lumière entrante deux fois 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 pourquoi, lorsque vous les éclairez à la torche, leurs yeux renvoient la lumière directement comme des miroirs.

Les humains ne peuvent utiliser aucune de ces astuces. Nos pupilles s’ouvrent plus largement dans la lumière faible, mais pas assez pour nous aider autant la nuit. Nos yeux n’ont pas assez de bâtonnets et nous n’avons pas de tapetum. Alors que pouvons-nous faire pour voir la nuit ? Nous pouvons recourir à la technologie !

Comment à été inventée la vision nocturne ?

imaginez votre travail consiste à inventer une paire de lunettes qui aidera les gens à voir la nuit. Ce que vous devez faire est évident. Les rayons lumineux vont voyager dans les lunettes à 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 pouvez-vous capturer et renforcer la lumière ? Les jumelles, les télescopes et même les lunettes ordinaires permettent de focaliser la lumière, mais ils ne la rendent pas plus brillante. Il est facile d’inventer une paire de lunettes qui rendent les choses plus sombres : il suffit d’enduire les verres de quelque chose 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 sont un défi de taille.

L’électricité, en revanche, est très facile à renforcer. Les gens ont inventé toutes sortes d’appareils électriques qui absorbent un petit courant électrique (flux d’électricité) à une extrémité et produisent un flux plus important à l’autre. Ce dispositif s’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 les écouter plus facilement. Une guitare électrique utilise un amplificateur beaucoup plus puissant pour transformer les sons de pincement des cordes en sons qui peuvent remplir un stade.

Voici donc une façon d’inventer des lunettes qui augmentent la lumière. Et si nous transformions la lumière en électricité, que nous augmentions la puissance de l’électricité, puis que nous transformions à nouveau l’électricité augmentée en lumière ? Cela devrait rendre la lumière beaucoup plus brillante pour que nous puissions voir même la nuit. Cette astuce improbable fonctionne vraiment, et c’est ainsi que les lunettes de vision nocturne nous aident à voir.

Comment fonctionnent les lunettes de vision nocturne ?

En théorie

Les lunettes de vision nocturne permettent d’améliorer une scène sombre en une série d’étapes simples :

  1. La faible lumière d’une scène de nuit entre dans l’objectif à l’avant. La 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 très précis : 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 qui entre dans le photomultiplicateur fait sortir beaucoup d’autres électrons de celui-ci.
  4. Les électrons qui quittent le photomultiplicateur frappent un écran phosphorescent, semblable à celui d’une télévision à l’ancienne. Lorsque les électrons frappent le phosphore, ils créent de minuscules flashs de lumière.
  5. Comme il y a beaucoup plus de photons que ceux qui sont entrés dans les lunettes, l’écran fait une version beaucoup plus lumineuse de la scène originale.

En pratique

En réalité, comme vous pouvez le voir dans cette illustration brevetée d’un monoculaire de vision nocturne de type Land Warrior conçu par Gary Palmer d’ITT, la photocathode et le photomultiplicateur d’image – 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 tromper par tous les détails ; j’ai colorié et mis en évidence quelques uns des éléments clés pour montrer comment tout s’assemble. En utilisant les chiffres de la maquette 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 ma ma maquette simplifiée 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 la batterie.

Pourquoi tout semble vert à travers les lunettes de vision nocturne ?

Même la nuit, les photons qui frappent l’objectif à l’avant des lunettes de vision nocturne transportent de la lumière de toutes les couleurs. Mais lorsqu’ils sont convertis en électrons, il n’y a aucun moyen de préserver cette information. En effet, la lumière colorée entrante est transformée en noir et blanc. Pourquoi, alors, les lunettes de vision nocturne n’ont-elles pas l’air noires et blanches ? Les phosphores sur leurs écrans sont délibérément choisis pour faire des images vertes parce que nos yeux sont plus sensibles à la lumière verte. Il est également plus facile de regarder un écran vert pendant de longues périodes que de regarder un écran noir et blanc (c’est pourquoi les premiers écrans d’ordinateur avaient tendance à être verts). C’est pourquoi les lunettes de vision nocturne ont leur lueur verte caractéristique et inquiétante.

Et s’il n’y a vraiment pas de lumière ?

Les lunettes de vision nocturne comme celles décrites ci-dessus sont parfois appelées intensificateurs d’image, car elles prennent la minuscule quantité de lumière disponible dans l’obscurité presque totale et l’amplifient suffisamment pour que nos yeux puissent voir. Mais parfois, il n’y a tout simplement pas assez de lumière pour faire cela et 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 à l’intérieur d’un bâtiment rempli de fumée, un intensificateur d’image serait aussi inutile que vos propres yeux.

L’alternative est d’utiliser ce que l’on appelle l’imagerie thermique. Au lieu de chercher la lumière que les objets reflètent, nous cherchons plutôt la chaleur qu’ils dégagent. En général, les êtres vivants qui se déplacent dans l’obscurité vont être plus chauds que leur environnement ; cela vaut aussi pour les véhicules et les machines. Les objets chauds émettent un rayonnement infrarouge, qui est un type d’énergie similaire à la lumière mais avec une longueur d’onde légèrement plus longue (fréquence plus basse). Il est relativement facile de fabriquer un appareil photo qui capte le rayonnement infrarouge et le convertit en lumière visible : il fonctionne comme un appareil photo numérique, sauf que la puce du détecteur d’images (soit un dispositif à couplage de charge (CCD) ou un capteur d’images CMOS) réagit à l’infrarouge au lieu de la lumière visible ; il produit toujours 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 et sont couramment utilisées pour montrer des choses comme les pertes de chaleur de bâtiments mal isolés.

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 ne sont pas tenues à la main. Voici une caméra pratique montée sur casque, conçue spécialement pour ce genre de situations extrêmes. J’ai coloré la plupart des composants principaux pour la rendre un peu plus facile à suivre. L’unité de caméra thermique (en gris) montée sur la calotte du casque (en jaune) capture une image thermique, que les circuits à l’intérieur (en vert) décodent, amplifient et convertissent en une forme qui peut piloter un affichage traditionnel (en rouge). Un câble articulé (bleu) transporte les signaux électriques de ces circuits vers l’écran, qui (dans cet exemple) est placé devant l’œil droit du porteur.