Physique de la vision

Physique de l'œil et de la vision

Nous examinons ci-dessous la structure de l'œil humain et la façon dont nous pouvons voir.

L'œil

L'œil est un organe complexe composé de lentilles, de muscles, de nerfs et de tissus. Il capte la lumière incidente et la convertit en un signal électrique qui est envoyé au cerveau. Voici quelques-unes des principales parties de l'œil :

• L'iris. C'est la zone qui entoure l'ouverture de l'œil, et sa couleur dépend de facteurs génétiques. Cette zone se ferme ou s'ouvre pour laisser entrer plus ou moins de lumière dans l'œil.
• Les lentilles. Les lentilles sont une structure semi-transparente située directement derrière l'ouverture principale des yeux. Leur fonction unique est de concentrer les rayons lumineux pour modifier la mise au point des images à différentes distances. La réfraction est également présente dans les lentilles.
• Cornée. C'est la partie cristalline avant de l'œil qui permet à la lumière d'entrer.
• Pupille. La partie noire située au centre de l'œil est la pupille. C'est l'ouverture par laquelle la lumière entre.
• L'humeur vitrée. Cette substance gélatineuse remplit l'œil et se trouve entre les lentilles et la rétine.
• Le corps et le muscle ciliaires. Le muscle ciliaire est chargé de modifier la taille du foyer de l'œil lorsque nous faisons la mise au point sur un objet proche. Le corps ciliaire, qui contient le muscle ciliaire, produit un liquide appelé humeur aqueuse. L'humeur aqueuse maintient la pression interne de l'œil et transporte les nutriments.
• Rétine. La rétine est la surface située à l'arrière de l'œil qui est responsable de la détection, et elle est remplie de cellules à cônes et à bâtonnets.
• Nerf optique. C'est le nerf qui envoie le signal au cerveau.

Physique de la vision

Étudions brièvement comment nous sommes capables de voir !

Contrôle de la quantité de lumière

Une certaine quantité de lumière est nécessaire pour que nous puissions voir. Une ouverture appelée pupille régule la quantité de lumière qui entre dans l'œil. Cette ouverture est circulaire et tu peux la voir en noir lorsque tu regardes tes yeux dans le miroir.

Le rayon de l'ouverture est régulé par l'iris, qui est relié au muscle ciliaire. Le muscle se dilate et se contracte en fonction des conditions de luminosité. Lorsque l'intensité est plus forte, les muscles se contractent, et lorsqu'elle est plus faible, les muscles se dilatent.

Formation d'une image nette

La lumière qui pénètre dans l'œil traverse la cornée. La cornée modifie sa forme en fonction de la distance de l'objet. Dans ce cas, lorsque le muscle ciliaire se contracte, il modifie la forme des lentilles, ce qui changera la distance à laquelle nous pouvons faire la mise au point d'un objet.

Sensibilité de l'œil

Le photodétecteur de l'œil est la rétine. Elle contient environ 130 millions de cellules sensibles à la lumière. Chaque cellule réagit à la lumière provenant d'un seul petit point. Un photopigment est une substance présente dans les cellules sensibles à la lumière. Les molécules de photopigment absorbent la lumière et excitent la cellule, ce qui entraîne une impulsion électrique qui traverse un réseau de neurones jusqu'au nerf optique et, finalement, au cerveau.

Il existe deux principaux types de cellules sensibles à la lumière : les bâtonnets et les cônes.

1. Lesbâtonnets sont des cellules spécialisées qui nous aident à voir dans l'obscurité. Ils sont sensibles à une large gamme de longueurs d'onde du spectre. Elles ont également une faible résolution et sont beaucoup plus sensibles aux photons entrants que les cellules à cônes. Malgré cela, elles produisent des couleurs blanches et noires.
2. Lescônes sont des cellules spécialisées qui se déclinent en trois types : les cellules à cônes rouges, verts et bleus. Chaque type de cellule réagit à une gamme différente de fréquences lumineuses (longueurs d'onde). Ils peuvent également être divisés en cônes L (sensibles au rouge et au jaune), en cônes M (sensibles au vert) et en cônes S (sensibles au bleu).

La vision des couleurs

Les cellules à bâtonnets et à cônes peuvent détecter des ondes électromagnétiques d'une longueur d'onde comprise entre 380 nanomètres et 750 nanomètres (nm). Les cellules en bâtonnet sont sensibles à presque toute la gamme de longueurs d'onde, avec un pic de réponse à 500 nm. Les cellules du cône, quant à elles, contiennent l'un des trois photopigments, chacun ayant une fréquence particulière/une plage de longueur d'onde de réponse avec son propre pic et sa propre réception.

L'un de ces photopigments dans une cellule conique peut absorber un photon de lumière lorsqu'il atteint la rétine. La longueur d'onde de la lumière influence la probabilité d'absorption. Une certaine longueur d'onde excitera l'un des trois types de cellules coniques dans un rapport spécifique. Cela permet au cerveau de reconnaître les longueurs d'onde et de générer le sens des couleurs.

Résolution spatiale

La résolution spatiale d'un œil est sa capacité à voir un objet plus en détail. Dans l'œil humain, cette résolution équivaut à environ un arc par minute, soit un degré entre 160. Cette résolution nous permet de voir des objets à un kilomètre, qui sont séparés par pas moins de 30 cm. Si l'on fait l'analogie avec un appareil photo, la résolution globale de l'œil humain est de plus de 576 mégapixels par œil.

1. Diagramme montrant les parties de l'œil. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Diagram_showing_the_parts_of_the_eye_CRUK_326.svg

2. Vue d'ensemble des photorécepteurs de la rétine. Sensibilité spectrale des photorécepteurs de l'œil humain. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Overview_of_the_retina_photoreceptors_(b).png