L'œil est l'organe de la vision, organe creux d'environ 25 mm de diamètre. Entre les paupières, on distingue la cornée, transparente, prolongeant la sclère blanchâtre. Au centre, l'iris pigmenté et un diaphragme dont l'ouverture constitue la pupille. La couleur de l'iris dépend des caractères génétiquement transmis.
La lumière pénétrant dans l'œil va être focalisée par une lentille : le cristallin.
De part et d'autre de celui-ci, elle traverse des liquides transparents : l'humeur aqueuse et le corps vitré.
Les images produites par le cristallin se forment sur la rétine qui tapisse presque entièrement l'intérieur de l'oeil.
La rétine est un tissu nerveux, c'est un prolongement du cerveau.

 

La couleur de l'iris dépend des caractères génétiquement transmis.
Comme les empreintes digitales, l'iris est caractéristique de chaque individu. Actuellement des techniques de reconnaissance par l'iris sont développées.

L'arrivée des ordinateurs à très haute vitesse d'exécution permet le développement de la biométrie qui met en œuvre des techniques s'appuyant sur des caractéristiques quasiment immuables. Celle basée sur la reconnaissance de l'iris est d'une excellente fiabilité : notre iris est unique et extrêmement complexe ; le pourcentage de modification de l'iris est très faible car il est très stable dans le temps et n'est pas souvent sujet à accident.
On peut distinguer jusqu'à 244 points de comparaison, et le taux d'erreur des dispositifs de reconnaissance est, actuellement, proche de 0 %.
Le système est basé sur l'utilisation d'une caméra qui scannérise la forme de l'iris avec suffisamment de précision pour pouvoir la comparer avec celles enregistrées dans sa banque de données.

Certaines personnes ont des iris dépigmentés, c'est l'albinisme.
Chez les humains, l'albinisme affecte 1 individu sur 20 000, alors que chez les animaux la proportion est de 1 sur 100 000. La couleur de l'iris est régie par des gènes qui ont pour rôle de fabriquer des pigments. Chez certains membres d'une espèce, les gènes de la coloration ne sont pas fonctionnels, les pigments ne sont pas synthétisés par les cellules spécialisées, les mélanocytes. Les albinos sont extrêmement sensibles aux lumières naturelle et artificielle. De plus, ils souffrent souvent de troubles de la vue ; de gravité variable, ceux-ci vont parfois jusqu'à la cécité. Les albinos sont tous atteints d'intolérance excessive à la lumière, ou photophobie, car leur iris décoloré ne supporte pas les radiations lumineuses intenses. Si leurs yeux sont rouges, c'est parce que leur iris et leur choroïde, totalement dépigmentés, laissent paraître les vaisseaux sanguins des yeux.

L'iris est innervé par des fibres du système nerveux qui activent les muscles dilatateurs et sphincters (muscles annulaires).
Son diamètre en lumière normale est de 3 à 6 mm, mais peut varier dans certaines conditions. L'augmentation du diamètre de la pupille s'observe dans l'obscurité ; lors de l'excitation d'un nerf sensitif (ouïe, vue, odorat), de coma ou de mort et chez les diabétiques, les épileptiques, chez les usagers de cocaïne.
Une diminution du diamètre de la pupille accompagne souvent un excès de lumière, un clignement d'œil, un passage de la vision de loin à la vision de près et également chez les usagers de dérivés morphiniques ou de haschich.

 

Quelques propriétés de l'œil.

œil directeur.

Un des deux yeux est dominant dans la vision binoculaire (œil directeur). C'est en général l'œil droit pour les droitiers.
Il est important pour les archers de connaître leur œil directeur afin de choisir leur arc.

Tache aveugle. Les cellules photosensibles (cônes ou bâtonnets) sont reliées à des cellules nerveuses, elles-mêmes en liaison avec les cellules constituant le nerf optique.
La zone de la rétine où arrive le nerf optique est dépourvue de cellules photosensibles. Cette zone ne peut donc pas détecter la lumière reçue, elle est appelée tache aveugle ou tache de Mariotte.
Cela se traduit, dans le champ visuel, par une petite zone où on ne voit rien.

Vision en relief.

La vision en relief n'est possible que par la présence de deux yeux qui donnent d'un objet deux images légèrement différentes. Il suffit de fermer un œil pour se rendre compte de la perte de cette vision en relief. Dans la plupart des cas cela n'est pas évident car notre cerveau interprète les situations. Ainsi, une table qui cache une chaise est traduit par le cerveau par : la table est devant la chaise, même si la chaise a été placée devant la table après avoir subi un découpage approprié.
Il est possible de rendre la sensation de relief à partir de photographies planes. Il suffit de réaliser deux images différentes qui seront observées à travers des filtres de couleurs différentes (vert et rouge). Supposons que l'on veuille rendre le passage d'un éléphant derrière une haie et devant un arbre. L'image rouge de la haie sera décalée vers la droite par rapport à son image verte. Le décalage sera d'autant plus important que l'on voudra rendre la haie proche de l'observateur. Pour l'arbre que l'on veut faire paraître à l'arrière plan, on fera l'inverse ; l'image rouge sera décalée vers la gauche. Et pour l'éléphant, ses images rouge et verte seront superposées. Pour voir en relief, il faut alors se munir d'une paire de lunettes avec le filtre rouge à droite et le filtre vert à gauche.
Il est également possible de visionner des films en relief. Sur l'écran sont projetés deux films qui ont été pris avec une caméra munie de deux objectifs voisins. Les images des deux films sont légèrement décalées. Elles sont projetées sur l'écran à travers des filtres polarisants, et le spectateur est lui-même muni de lunettes à verres polarisants. Ainsi son œil droit voit une image, alors que son œil gauche voit l'autre image. Il voit ainsi en relief.

Le relief n'est rendu que par une vision binoculaire. En fait le cerveau superpose les images données par chaque œil. Si on oblige les deux yeux à observer des choses complètement différentes, la superposition donne une image inhabituelle ! Par exemple un trou dans la main...

 

Propagation de la lumière.

Avant d'aborder la formation des images sur la rétine et les défauts de l'œil, rappelons comment la lumière se déplace dans des milieux transparents.

La lumière se propage en ligne droite dans un milieu transparent, homogène et isotrope (mêmes propriétés dans toutes les directions).
Si le milieu n'est pas homogène (air chaud plus léger que de l'air froid) la lumière est déviée. C'est ce qui est à l'origine des mirages.

 

Habitué à la propagation rectiligne de la lumière, nous pensons voir A dans la direction de A' ?

Par exemple, lorsque l'œil voit le Soleil au raz de l'horizon, en fait celui-ci est déjà sous l'horizon. C'est également à cause de cette courbure des rayons lumineux (variable suivant la hauteur) que le Soleil apparaît aplati lorsqu'il est près de l'horizon.

Ce phénomène de réfraction est plus net lorsque l'on change brusquement de milieu. Quand le faisceau lumineux passe d'un milieu transparent dans un autre, il subit une cassure, une "fracture" d'où le nom de réfraction. L'angle de réfraction (r) dépend de l'angle d'incidence (i) et de la nature des milieux traversés (fig.1).

 

Dans la vie courante ceci est observable :

• un bâton à demi immergé semble "cassé" ;
• des objets vus à travers une vitre épaisse sont décalés ;
• vu de côté, un aquarium paraît toujours plus étroit qu'il n'est.

Ce phénomène de réfraction est toujours accompagné d'une réflexion (fig.2) et d'une dispersion (fig.3).

 

Il y a réflexion sur la surface de séparation. Suivant la nature des deux milieux et de l'angle d'incidence (i), la réflexion peut être plus ou moins importante.

C'est cette dispersion qui est à l'origine d'un certain nombre de phénomènes :

• Décomposition de la lumière par le bord d'une vitre ;
• Arcs-en-ciel (réfraction dans des gouttes d'eau) ;
• Halos, parhélies (réfraction dans des cristaux de glace).

 

Formation des images.

Il est possible de faire une analogie entre l'œil et un appareil photo. En effet celui-ci comprend un objectif -ensemble de lentilles- (cristallin qui est capable de se déformer pour faire la mise au point), un diaphragme (l'iris qui règle automatiquement l'ouverture de la pupille) et un détecteur sensible à la lumière, la pellicule (la rétine).

C'est ce modèle qui a été adopté pour réaliser les maquettes de l'œil. Pour comprendre la formation des images sur la rétine, on peut encore simplifier en remplaçant tous les éléments responsables de la convergence des faisceaux lumineux (cornée, humeur aqueuse, vitré, cristallin) par une lentille convergente et la rétine par un écran plan.

 

Image à l'envers.

La construction de l'image d'un objet est possible à partir de la connaissance des propriétés des lentilles minces convergentes :

 

• a - une lentille est caractérisée par sa distance focale (f). Une mesure approchée de celle-ci peut se faire en utilisant le Soleil comme source lumineuse située à l'infini. (fig.1). Le point F' est appelé foyer image de la lentille ;

   

• b - les rayons passant par le centre optique O ne sont pas déviés ;

   

• c - les rayons qui arrivent parallèlement à l'axe optique, ressortent de la lentille en passant par le foyer image F' de celle-ci.

La construction de l'image d'un objet AB, montre que, comme dans le cas d'un appareil photographique, l'image obtenue est renversée par rapport à l'objet. C'est le cerveau qui interprète les images reçues par la rétine et transmises par le nerf optique et qui nous rend un monde extérieur à "l'endroit".

 

Accommodation

Dans le cas d'un appareil photographique, la mise au point n'est pas la même pour un sujet proche ou un sujet éloigné.
Pour l'œil, il en est de même, mais la mise au point se fait automatiquement par la déformation du cristallin (sa distance focale est alors modifiée).
C'est l'accommodation. L'œil s'adapte pour "voir" nettement des objets placés à différentes distances. Plus l'objet est proche et plus le cristallin se courbe (sa distance focale diminue).

 

Défauts de l'œil

Myopie. Un œil myope est un œil trop convergent. Les images se forment en avant de la rétine. Pour corriger ce défaut, il suffit de placer devant l'œil une lentille divergente.

Hypermétropie. Un œil hypermétrope est un œil pas assez convergent. Il suffit de placer devant cet œil une lentille convergente pour en corriger le défaut.

Presbytie. En vieillissant, le cristallin ne peut plus accommoder. Les images, lors d'une vision de près se forment derrière la rétine. Il faut alors porter des verres correcteurs convergents.

Astigmatisme. Il provient de défauts des milieux transparents de l'œil, se traduisant par le fait que l'image d'un point lumineux n'est pas un point, mais une tache de dimension et de forme variées. Des verres spéciaux en permettent la correction.

 

Quelle est la partie de l'œil sensible à la lumière ?

C'est la rétine qui est constituée d'une mosaïque de cellules sensibles à la lumière. Elle permet de détecter la lumière, donc de "voir" (reconnaître des formes). Certaines cellules sensibles aux couleurs vont permettre la vision en couleur.
La rétine comporte deux types de cellules photosensibles : les cônes sensibles aux couleurs, mais pas aux faibles luminosités et les bâtonnets très performants aux faibles intensités lumineuses, mais pas sensibles aux couleurs.
Au centre de la rétine (sur l'axe optique), est située une zone (la fovéa) constituée surtout de cônes et moins épaisse. Chacune de ces cellules photosensibles n'est reliée qu'à une seule cellule nerveuse. Donc deux cellules voisines détecteront deux points lumineux différents et proches l'un de l'autre : ce sont ces cellules qui sont à l'origine de l'acuité visuelle.
La netteté des images n'est obtenue qu'au voisinage de l'axe optique. Les objets qui sont vus nettement sont situés près de cet axe. Notre œil ne voit donc nettement qu'une toute petite zone. Nous avons l'impression du contraire car les déplacements rapides du globe oculaire permettent de scruter l'ensemble d'un objet.

En s'éloignant de la fovéa, on rencontre des cônes et des bâtonnets. La population de ces derniers devient de plus en plus majoritaire au fur et à mesure de l'éloignement du centre de l'œil. De plus plusieurs cellules photosensibles sont reliées à une seule cellule nerveuse. Dans ces zones de la rétine, l'œil n'est donc pas performant en ce qui concerne le pouvoir séparateur.

Certains cônes sont surtout sensibles au vert, d'autres au rouge et d'autres au bleu. L'œil va ainsi pouvoir détecter des couleurs. La combinaison de ces trois couleurs va permettre d'obtenir toutes les autres. Le même type de structure a été réalisé sur les écrans des téléviseurs couleur en y déposant des luminophores verts, rouges et bleus. Ceux-ci sont observables à l'aide d'une loupe sur un appareil en fonctionnement.
Les cônes sont donc responsables de la vision en couleurs.
Les bâtonnets ne permettent qu'une vision en noir et blanc puisqu'ils ne sont sensibles qu'à l'intensité lumineuse. Mais ils sont très performants dans un autre domaine : la détection de faibles luminosités. Ce sont eux qui sont responsables de notre vision nocturne. Les cônes ne sont pas sensibles aux faibles luminosités, dans ce cas les couleurs ne sont pas visibles, d'où l'expression : la nuit tous les chats sont gris.

Les bâtonnets étant peu nombreux au voisinage de l'axe optique, un objet peu lumineux ne sera donc pas visible si on le regarde directement (en effet, dans ce cas son image se formerait sur la fovéa). Il faut donc regarder un peu à côté de l'objet pour que l'image de celui-ci se forme loin de la fovéa pour être détectée par les bâtonnets. Ceci est bien connu des amoureux du ciel dans le cas de l'observation de galaxies ou de nébuleuses (objets peu lumineux).

Les cellules photosensibles (cônes ou bâtonnets) sont reliées à des cellules nerveuses, elles-mêmes en liaison avec les cellules constituant le nerf optique. La zone de la rétine où arrive le nerf optique est dépourvue de cellules photosensibles. Cette zone ne peut donc pas détecter la lumière reçue, elle est appelée tache aveugle ou tache de Mariotte.

 

Illusions d'optique et le cerveau

Elles sont dues à des interprétations par le cerveau, des images obtenues par l'œil. Certaines sont dues aux relations existant entre les divers éléments du champ de perception. D'autres, aux acquis ou aux anticipations de l'individu.

Ce txete est là puor mnotrer que norte cervaeu ne tardiut pas excatenmt ce que viot norte oiel. Mias que infulencé par son aqucis, il reocnniat globaelmnet les mnots, sans se perocucper de l'odrre des letters. Les permèire et dernèire letetrs lui sufifsnet. Si l'oiel viot une sucssessoin de letrtes, le crevaeu prned le mot cmome un tuot et le comprae à un mot qu'il conanît.

L'information reçue par l'œil est déjà transformée au niveau de la rétine (corps ganglionnaires) et lors de chaque étape de la transmission au cerveau. L'image est complètement morcelée. Ainsi sont transmises par des voies différentes, à différentes zones du cerveau, d'abord des informations concernant le mouvement, puis celles concernant les formes et enfin celles pour les couleurs.
C'est l'œil qui reçoit l'information venant de l'extérieur (photons qui excitent les terminaisons des cônes et des bâtonnets). Mais l'information est transmise au cerveau qui l'interprète ensuite à partir des acquis et du vécu passé et récent et de l'environnement culturel.
Le rôle du cerveau est primordial dans la vision.
Nous voyons, en fait, avec notre cerveau.

 

LES COULEURS.

 

Décomposition de la lumière blanche.

Un phénomène naturel tel que l'arc-en-ciel permet de constater que la lumière blanche du Soleil est décomposée en lumières colorées. On a l'habitude de noter 7 couleurs : violet, indigo, bleu, vert, jaune, orangé et rouge.
En fait, il y a une infinité de nuances (par exemple des verts de plus en plus jaunes ou de plus en plus bleus). De part et d'autre de ce spectre (ensemble des couleurs) d'autres lumières ne sont pas détectées par nos yeux : les infrarouges et les ultraviolets.

 

Complément.

Les objets blancs renvoient toutes les couleurs ; pour utiliser un langage plus scientifique, on dirait toutes les radiations (à ne pas utiliser avec les élèves), même invisibles comme les infrarouges. Or l'interaction des infrarouges avec la matière va se traduire par de la chaleur et donc une élévation de température. C'est d'ailleurs la sensation que l'on a quand on s'expose au soleil ou en plaçant la main au voisinage d'un corps chaud (fer à repasser, plaque chauffante....). Certains composés, comme l'eau (le corps humain en contient 80%), absorbent bien les infrarouges. C'est pour cela, que placé devant un feu de bois, on peut constater que le visage est chaud, plus que des vêtements de couleur chair.
Les objets noirs absorbent par contre toutes les radiations. Suivant l'effet que l'on souhaite, on utilisera l'une ou l'autre couleur. En été, on s'habille en blanc, les pare-soleil placés dans les voitures sont blancs. Par contre, les plaques de cheminée sont noires, comme les panneaux solaires.

 

Mélange ou superposition ?

Toutes ces couleurs sont-elles nécessaires pour obtenir du blanc ? Il faut distinguer deux techniques : mélange de deux peintures (rouge et verte par exemple), superposition de deux filtres et superposition sur un écran blanc de lumières rouge et verte. Les manipulations proposées aux élèves montrent que le résultat n'est pas le même.

 

Quelles explications donner dans chaque cas ?

Projetons sur un écran blanc des lumières colorées. Pour les obtenir, on utilise une lampe donnant une lumière blanche et on intercale des filtres. Ainsi, un filtre Rouge arrêtera (comme son nom l'indique) toutes les couleurs sauf le Rouge et un filtre Vert ne laissera passer que la lumière verte.
Si sur un écran blanc on envoie un faisceau de lumière Rouge, l'écran paraîtra Rouge. En effet, l'écran renverra dans toutes les directions (phénomène de diffusion) de la lumière Rouge que des yeux placés à différents endroits détecteront.
Si une même surface de l'écran reçoit des lumières Rouge et Verte, il renverra ces deux couleurs et notre œil les recevra en même temps, il y a addition de ces deux couleurs et nous aurons la sensation de voir du Jaune (on parle de synthèse additive des couleurs).

 

Les trois couleurs primaires pour cette synthèse additive sont le Vert, le Rouge et le Bleu car par leur superposition et en faisant varier leur intensité, on peut obtenir toutes les autres couleurs, sauf le noir.

La superposition de ces lumières colorées donne les résultats suivants :

 

Nous avons signalé précédemment qu'un filtre Rouge ne laissait passer que de la lumière Rouge. Et bien un filtre Jaune laissera passer des lumières Verte et Rouge et le Cyan laissera passer le Bleu et le Vert. Que se passe-t-il si on superpose un filtre Jaune et un filtre Cyan ? Dans ce cas il ne passera que de la lumière Verte.

 

Le même raisonnement montre que par superposition d'un filtre Rouge et d'un filtre Vert on arrête toutes les couleurs (Þ noir).

L'utilisation d'un filtre supprime ou soustrait certaines couleurs (on parle de synthèse soustractive des couleurs).

Le Jaune, le Cyan et le Magenta sont les couleurs primaires pour la synthèse soustractive.
C'est ce que l'on réalise avec des peintures car par leur mélange dans des proportions convenables, on peut obtenir toutes les couleurs sauf le blanc.

Une peinture est une substance contenant des pigments différents suivant la couleur. Une peinture Rouge, recevant de la lumière blanche, ne va renvoyer que du Rouge et va paraître de cette couleur à l'œil.

En faisant le même raisonnement que pour les filtres, avec des peintures Jaune et Cyan, on constate qu'elles ne peuvent renvoyer en commun que le Vert lorsqu'on les mélange. On obtient le même effet avec la technique du pointillisme en peinture.

 

Un objet rouge est-il vraiment rouge ?

De même que les peintures, les objets colorés contiennent des pigments. Mais au fait, un objet coloré a-t-il une couleur qui lui est propre ? Un pull vert est-il vert ?
Il parait vert car les pigments qu'il contient renvoient de la lumière Verte quand ils reçoivent de la lumière blanche. Mais éclairé avec une lumière Rouge, il paraîtra noir. En effet, la lumière Rouge ne contenant pas de Vert, le pull ne peut renvoyer ni du Vert ni du Rouge, il paraîtra donc noir.

Ainsi, lors du choix de la couleur d'un tissu, il faut se méfier de l'éclairage artificiel des magasins. (Les carottes ne sont-elles pas vendues dans des sachets orangés ?).

 

Une ombre peut-elle être colorée ?

Que se passe-t-il si on place un objet opaque dans un faisceau lumineux ? A l'arrière de l'objet il y aura une zone d'ombre (absence de lumière) qui, interceptée par un écran, donnera une ombre portée noire (ou au moins sombre). Si l'objet se trouve sur deux faisceaux lumineux blancs, il y aura deux ombres sombres (ombres multiples d'un joueur de football la nuit sur un terrain).
Mais si les deux faisceaux sont colorés, on obtient des ombres colorées.

 

Dans la zone Jaune il y a superposition de Vert et de Rouge. Si un obstacle empêche la lumière Verte d'arriver en un point, ce point paraîtra Rouge puisque la lumière Rouge, elle, arrive et inversement.
Si on envoie sur un écran, des lumières Rouge, Verte et Bleue, on obtient du Blanc dans la zone de superposition. Dans cette zone, quel sera le nombre d'ombres d'un objet opaque ? Quelles seront leurs couleurs ?
Il y aura trois ombres puisqu'il y a trois faisceaux lumineux et elles seront Cyan, Magenta et Jaune. En effet, le Blanc correspond à la superposition de Rouge, de Vert et de Bleu. Si un obstacle empêche la lumière Bleue d'arriver dans une zone, celle-ci paraîtra jaune car les deux autres couleurs arriveront. Les couleurs des deux autres ombres se déduisent de la même manière. Si on approche l'obstacle, suffisamment près de l'écran, deux ombres peuvent se chevaucher.
Dans cette zone, il y a maintenant deux faisceaux colorés qui n'arrivent pas et la zone change de couleur. Par exemple en superposant les ombres Jaune et Cyan, on obtient du Vert.

Si dans une zone, les trois ombres se superposent, celle-ci paraît noire. En plaçant les doigts de la main dans les faisceaux, on peut observer six couleurs (Cyan, Magenta, Jaune, Bleu, Vert, Rouge) et le Noir.