Principes généraux de la perception visuelle 1 La lumière 1.1 La lumière est une onde Une onde est un phénomène physique lié à la vibration d'un corps. Ce phénomène possède une double périodicité: spatiale, la longueur d'onde λ exprimée en m temporelle, T exprimée en seconde LA lumière est une onde ( au même titre que le son). En outre, la lumière est un rayonnement électromagnétique. Les atomes et les molécules d un corps porté à un certain niveau d énergie émettent des radiations détectées par l œil. Ces radiations sont caractérisées par leur longueur d onde λ. c λ = f 1.2 La lumière résulte aussi d'un mouvement de corpuscules L onde transporte des petits grains d énergie, appelés photons, d énergie W = h υ. L effet des ondes électromagnétiques diffère suivant l énergie transportée, donc suivant la longueur d onde. Il existe une bande privilégiée perceptible par l ensemble œil cerveau. Ces deux équations traduisent la dualité onde corpuscule de la lumière 2 Cas particulier de la lumière blanche 2.1 Notion de spectre Lorsqu'un atome est chauffé ou qu'il subit une décharge électrique, un de ses électrons de sa couche périphérique (ou plus rarement des couches internes) passe du niveau fondamental à un niveau d'énergie supérieur appelé niveau d'état excité. Ce phénomène s'appelle l'absorption. Lorsque l'électron redescend, il réémet de l'énergie sous forme lumineuse (photon) : c'est l'émission. On parle alors de spectre d'émission ou spectre d'absorption 2.2 Obtention des spectres: mise en évidence expérimentale Spectre par réfraction: spectromètre à prismes Physique page 1
Spectres continus d'émission Un corps chaud (solide, liquide ou gaz à haute pression) émet un rayonnement dont le spectre continu s'enrichit en radiations de courtes longueurs d'onde (violet) quand la température augmente. Spectres de raies d'émission Un gaz à basse pression, excité par des décharges électriques ou porté à haute température, émet un rayonneement dont le spectre est constitué de raies: c'est un spectre de raies d'émission caractéristique de l'entité chimique (ion ou atome) présente dans le gaz. Spectres de raies d'absorption La lumière transmise par un gaz éclairé en lumière blanche donne un spectre constitué de raies noire sur le fond coloré du spectre de la lumière blance: c'est un spectre d'absorption. Les raies noires correspondent aux radiations absorbées par les entités ' atomes ou ions). Elles caractérisent ces entités Spectres de bandes d'absorption La lumière transmise par une solution éclairée en lumière blanche donne un spectre de bandes d'absorption. Ce spectre d'absorption, constitué de bandes noires sur le fond coloré du spectre de la lumière blanche, ccaractérise les ions ou les molécules contenus dans la solution 2.3 Dispersion de la lumière blanche Physique page 2
3 Mécanisme de la vision 3.1 Fonctionnement optique La cornée est une membrane formant une loupe à foyer fixe : elle contribue à la formation de l image. L iris est une membrane pigmentée responsable de la coloration de notre œil. Il est percé en son centre d une ouverture appelée pupille dont la surface varie en fonction de la lumière et joue le rôle de diaphragme. Le cristallin est formé de fines lamelles qui glissent les unes par rapport aux autres. Un muscle qui le maintient en suspension permet d en augmenter ou d en diminuer la convexité. Le cristallin surtout, et la cornée forment un système centré qui permet aux images de se former à l arrière globe oculaire, sur la rétine. L œil diffère des instruments d optique essentiellement par le fait que le cristallin, parce qu il est mou, peut focaliser différemment l image qu il reçoit afin de la rendre nette sur la rétine. Il s agit donc d une loupe à foyer variable. L amplitude de ce phénomène ( accommodation ) diminue avec l'âge du fait du durcissement du cristallin notion de vitesse de perception. Physique page 3
3.2 Décodage de l image La rétine contient 2 types de cellules réceptrices de la lumière : il s agit en fait de cellules photoélectriques qui, reliées au cerveau par le nerf optique, émettent sous forme d influx nerveux des signaux en accord avec leur excitation lumineuse. Les cônes : au nombre de 7 millions, ils sont situés dans la région centrale de la rétine, appelée fovéa, et sont excités par les hauts niveaux d éclairement (vision diurne ou photopique) : ils assurent la perception des couleurs. Les bâtonnets : au nombre de 120 millions, ils sont excités par les bas niveaux d éclairement ( vision scotopique, soit jour nuit) La vision intermédiaire est qualifiée de mésopique 3.3 Performance de l œil La distinction des couleurs s effectue une fois l œil fixé : ceci est dû à la position centrale des cônes. Le pouvoir séparateur de l œil vaut 17.10-3 pour une vision à 10/10 ème. La sensibilité de l œil aux radiations dépend de la longueur d onde. λ pour laquelle la sensation de lumière est max.. Tout dépend d où va converger le rayon. On définit alors la fonction v(λ) d efficacité lumineuse relative à l œil. 3.4 Défauts de l œil. Myopie : Au repos, l œil est trop convergent, les objets situés au delà d'une limite ne sont plus nets. Ce point maximum de vision distincte s'appelle le punctum remotum. Le punctum proximum est plus rapprochée qu'un œil normal. On corrige ce défaut par une lentille divergente. Physique page 4
Hypermétropie: c'est le contraire de la myopie. On la corrige par une lentille convergente. Elle est plus rare et moins forte que la myopie. Ces deux défauts sont dus à la forme de l œil. Presbytie : un œil perd, en vieillissant, sa faculté d'accommodation. Son punctum proximum s'est éloigné. Pour voir nettement des objets rapprochés, on lui adjoint des lentilles convergentes. Astigmatisme : la distance focale n'est pas le même dans deux plans perpendiculaires, on ne voit pas nettement, en même temps les deux branches d'une croix. On corrige par des verres différemment bombés suivant la direction. Physique page 5