Tous les objets et images doivent être examinés par l'œil qui constitue ainsi le récepteur de lumière le plus important pour nous. Nous ne considérons ici l'œil que sous son aspect d'instrument d'optique.
1. Description :
Compléments.
* La cornée a un indice optique d'environ 1,377
* Les humeurs vitrées et aqueuses ont un indice proche de l'eau (1,33)
* Le cristallin.
Le cristallin constitue l'élément optique essentiel d'un ensemble de systèmes dioptriques destinés à former des images réelles sur la rétine. Il peut être considéré comme une lentille épaisse dont la caractéristique essentielle est d'avoir une vergence variable. De plus son indice n'est pas constant comme s'il était formé de plusieurs couches (n = 1.42 à1.36)
* La rétine.
L'œil peut être considéré comme un globe dont le fond, la rétine, est tapissé d'environ 100 millions de récepteurs microscopiques sensibles à la lumière. Ces
récepteurs sont reliés au nerf optique dont le but est de transmettre au cerveau les impressions lumineuses recueillies par les cellules photosensibles. Le "cerveau"
interprète ensuite ces messages.
La sensibilité de la rétine est surtout importante sur une toute petite région appelée "tache jaune".
Ces récepteurs ne sont pas tous identiques et leur répartition spatiale n'est pas uniforme, on distingue :
- les cônes utilisés pour la vision diurne sont dans la zone centrale
- les bâtonnets très sensibles pour la vision nocturne sont dans la zone périphérique.
Les cônes se trouvent essentiellement sur une petite surface du fond de la rétine appelée fovéa.
Les bâtonnets sont répartis sur l'ensemble de la rétine. Les bâtonnets et les cônes sont imbriqués sur la tache jaune ou macula voisine de la fovéa.
En conséquence, la finesse des détails dépend de la nature des cellules impressionnées : elle est maximale pour celles de la fovéa, elle diminue ensuite pour la macula et le reste de la rétine.
Notons aussi qu'il existe sur la rétine, à côté de la tache jaune, une petite zone ne possédant pas de récepteurs : c'est le point aveugle. C'est à cet endroit que les cellules nerveuses rejoignent le nerf optique par lequel les informations parviennent au cerveau.
Lorsque la lumière pénètre dans l'œil, elle rencontre successivement :
- la cornée transparente (1 mm d'épaisseur) - l'humeur aqueuse (4 mm d'épaisseur) - l'iris (partie colorée) et la pupille (orifice circulaire de 2 à 8 mm de diamètre) - le cristallin, lentille biconvexe, élastique épaisseur moyenne de 4 mm.
- l'humeur vitrée, milieu gélatineux d'épaisseur 15 mm environ.
- la rétine, membrane transparente qui couvre le fond de l' œil.
2. Modélisation de l'œil
En première approximation, on peut considérer l'œil comme étant un système optique formé de trois éléments essentiels :
La petite taille du diaphragme et de la région utile de la rétine fait que la formation des images sur la rétine se fait dans les conditions de Gauss.
3. Accommodation
Pour un objet à l'infini l'image se forme naturellement sur le fond de l'œil, sans que ceci provoque une fatigue de celui-ci : il est au repos.
Lorsque l'objet se rapproche, l'image se déplace dans le même sens et se formerait donc derrière la rétine; à ce moment l'œil accommode, c'est-à-dire que par diminution du rayon de courbure de la face avant du cristallin, la vergence de celui-ci augmente. L'intervalle de variation de la vergence chez une personne dépend de son âge. Pour un oeil n'ayant aucune anomalie, elle est de 13 dioptries à 10 ans et de 5 dioptries à 40 ans.
Le point le plus éloigné visible sans accommodation est appelé punctum remotum (ce point est à l'infini pour un oeil normal.)
Le point le plus rapproché visible avec accommodation mais sans fatigue visuelle est le punctum proximum (ce point est situé à une dizaine de centimètres pour un jeune enfant et s'éloigne avec l'âge, au fur et à mesure que la faculté d'accommodation diminue et que l' œil devient presbyte).
On appelle amplitude dioptrique d'accommodation la grandeur
min max
1 1
A = -
d D
(A est donné en dioptries)
On peut montrer que A = Cmax - Cmin (différence des vergences extrêmes de l'œil).
* une lentille mince, convergente de centre optique O, C'est ce point qui est considéré lorsqu'on parle de la position de l'œil.
* Une petite surface sensible entourant la tache jaune et qui joue le rôle d'un écran sur laquelle se forment les images (réelles et renversées !)
* Un diaphragme (iris) dont le diamètre se modifie automatiquement pour laisser entrer la quantité de lumière adéquate.
4. Défauts optiques de l'œil
Rares sont les personnes dont la vision reste parfaite tout au long de sa vie, des défauts apparaissent plus ou moins rapidement, ou existent même dès la naissance. L'œil normal est appelé emmétrope.
Un défaut de l'œil est appelé une amétropie.
4.1 Oeil myope.
4.2 Oeil hypermétrope.
L'œil myope est trop long ou le cristallin trop convergent, ce qui entraîne qu'un objet à l'infini a une image située devant la rétine, donc sa vision est floue.
Son punctum remotum se trouve à distance finie (quelques mètres et moins), son punctum proximum est également plus proche que celui d'un oeil normal.
La correction se fait à l'aide d'un verre divergent (pour augmenter la distance focale de l'ensemble cristallin + verre correcteur).
L'œil hypermétrope est trop court ou le cristallin pas assez convergent, il est obligé d'accommoder pour un objet à l'infini.
Par contre, dans certaines conditions il peut voir des objets virtuels (ce qu'un œil normal ne peut pas faire) Son punctum proximum est plus éloigné que celui d'un oeil normal.
La correction se fait à l'aide d'un verre convergent (pour diminuer la distance focale de l'ensemble cristallin + verre correcteur)
4.3 Oeil presbyte.
Avec l'âge (vers 40 ou 50 ans), la souplesse du cristallin diminue. La vision de loin n'est pas perturbée mais comme le cristallin devient moins convergent, le Punctum proximum s'éloigne et la vision de près est perturbée : on corrige ce défaut en portant des verres convergents pour lire ou voir de près.
4.4 Oeil astigmate.
C'est un défaut de la sphéricité de l'œil ou du cristallin : la distance focale n'est pas la m^me dans deux plans perpendiculaires. Si l'on observe un cercle avec des rayons, certains rayons seront nets alors que ceux qui sont perpendiculaires seront flous. On corrige ce défaut par des verres non sphériques et qui doivent être placés avec précision devant l'œil pour être efficaces.
N.B. Citons encore le strabisme qui est un défaut de parallélisme entre les axes optiques des deux yeux et le daltonisme qui affecte de façon plus ou moins grave la vision des couleurs
5. Limite de résolution de l' œil.
Une des conséquences de la structure discontinue de la rétine est que l'œil ne pourra séparer deux points que s'ils donnent deux images situées sur deux photorécepteurs distincts.
On peut tester cette propriété en mesurant la distance maximale à laquelle on peut encore distinguer les traits de 1 mm d'épaisseur et distants de 1 mm.
En moyenne, cette distance est de 3,3 m , dont tan α = 1/3300 donc α = 3.10-4 rad La limite de résolution est donc de l'ordre de la minute d’arc.
Remarque : On peut retrouver cette même valeur en considérant qu'un cône de la rétine a une taille de 5 μm et que la distance focale d'un œil normal au repos est de 15 mm. Pour que deux objets soient distingués, il faut que leur image tombe sur deux cônes voisins (dont les centres sont donc distants de 5 μm.
On retrouve donc tan α
=
α (car l'angle est très faible) = 5.10-6/15.10-3 = 3,3 10-4 rad, ce qui est sensiblement la même valeur que celle donnée plus haut.6.Visibilité
L'œil ne voit pas avec la même sensibilité pour toutes les radiations lumineuses.
En vision diurne, la plus grande sensibilité se trouve pour une longueur d'onde de λ = 0,555 μm donc pour une lumière jaune-verdâtre. C'est pour cela que l'on utilise souvent la lampe à vapeur de sodium dans les réglages optique (0,6 μm environ).
En vision nocturne, le maximum de sensibilité se trouve vers λ = 0,510 μm ce qui correspond à une lumière bleue.