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Physique de la vision : lumière et capture d'images
La lumière est composée de photons, qui peuvent se comporter comme des particules ou des ondes. Chaque photon a une fréquence qui correspond à l'énergie du photon. Le processus par lequel les photons forment une image dans notre cerveau est assez complexe, mais nous pouvons le décomposer comme suit :
- Les photons sont émis par le soleil. Ils voyagent dans l'espace et pénètrent dans l'atmosphère où ils impactent les objets sur leur passage. Les photons à haute fréquence ont une énergie plus élevée, et les photons à courte fréquence ont une énergie plus faible.
- Lorsque les photons impactent un objet, ils sont réfléchis. Selon la structure des atomes de l'objet, certains photons seront réfléchis et d'autres seront absorbés. Les couleurs que nous voyons sont les photons réfléchis par les objets.
- Les photons réfléchis avec certaines énergies entrent dans nos yeux par la cornée, que les lentilles à l'intérieur de nos yeux vont focaliser.
- Les lentilles projettent le rayon de lumière composé de photons sur le fond de l'œil.
- Enfin, les photons excitent des cellules spéciales appelées cellules à cônes ou cellules à bâtonnets, chacune réagissant à une gamme différente d'énergies de photons. Ces gammes sont interprétées comme des couleurs dans notre cerveau.
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.
- 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.
- 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).
L'œil humain peut capturer des images dans des environnements sombres ou lumineux. La pupille s'ouvre à environ 8 mm en cas de faible luminosité et se contracte à 1,5 mm lorsqu'elle est exposée à une luminosité plus élevée.
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.
Physique de la vision - Points clés
- La vision dans l'œil est possible grâce aux photons émis par le soleil. Après avoir été émis, les photons ont un impact sur divers objets et, dans leurs interactions, une partie des photons est réfléchie et l'autre absorbée. La fréquence des photons réfléchis est à l'origine des couleurs que nous voyons.
- L'œil est un organe complexe. Ses parties comprennent la pupille, l'iris, les lentilles, la cornée, la rétine, le nerf optique, le muscle ciliaire, le corps ciliaire et l'humeur vitrée.
- Il existe deux principaux types de cellules sensibles à la lumière : les bâtonnets et les cônes.
- Les bâtonnets sont des cellules spécialisées qui nous aident à voir dans l'obscurité.Ils produisent des couleurs blanches et noires .
- La vision des couleurs est possible grâce aux différentes sensibilités des cellules coniques. Les cellules coniques sont divisées en trois types avec une plage de sensibilité différente, et le cerveau utilise chaque plage pour interpréter les couleurs.
Images
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
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