cours biophysique pcem1

BIOPHYSIQUE de la VISION

CHO ^{lumière roug e}

lumière vert e lumière

bleu e

michel.cherel@univ-nantes.fr

Message physique

Recueil Transduction

Transmission Interprétation

Sensation

Radiation électromagnétique

Globe occulaire Rétine

Voies optiques

Aires 17, 18 et 1 9 du cortex Sensations visuelles

Codage

Vibration sonore

Oreille externe et moyenne Cochlée

Voies auditives

Aires 41 et 42 du cortex Sensations sonores

Fonctions sensorielles :

l’audition, la vision

L’œil

Chapître 1

Signal physique

PLAN

I - La lumière

1.1. Aspect Ondulatoire 1.2. Aspect corpusculaire 1.3. Sources lumineuses II - Radiométrie

2.1. Flux énergétique φ.

2.2. Eclairement énergétique ε.

2.3. Intensité énergétique Ι.

2.4. Brillance énergétique B.

La lumière : onde ou corpuscule ?

La lumière est-elle une onde ou un corpuscule (matière) ?

Jeune femme ou vieille sorcière ?

Tout dépend de ce que l’on regarde…

La lumière

1. La lumière

1.1 Description ondulatoire

Ö Equations de Maxwell

∀ x et t,

E(x,t) ⊥ B(x,t) E(x,t) = c.B(x,t),

Avec c, vitesse de la lumière dans le vide (3.10⁸ m/s)

Fréquence ν, Période T = 1/ν et Longueur d’onde λ = c.T Ö Explique parfaitement l’optique géométrique et physique (interférences)

La lumière

Description ondulatoire

- Onde électromagnétique (EM) - Fréquence élevée (Hz)

- Longueur d’onde (λ = c/ν) en m - Bande étroite du domaine spectral.

1.1 Description ondulatoire ^{La lumière}Description ondulatoire

Classement des ondes (EM) suivant leur longueur d’onde dans le vide

La lumière est :

λ

Lumière atteignant la rétine : 350 nm à 1400 nm Lumière solaire visible : 400 nm à 700 nm

Fréquence fixe

= Onde ou lumière monochromatique exemple: couleur bleue

Gamme de fréquences

= Lumière polychromatique exemple: couleur blanche

1.1 Description ondulatoire (suite) ^{La lumière}Description ondulatoire

1.2 Description corpusculaire

Ö Le rayonnement est un ensemble de particules (photons) se propageant à la vitesse de la lumière le long de l’axe Ox

Ö La masse des photons au repos est nulle

Ö E = h ν, avec h constante de Planck

(Remarque : h = 6,62.10^-34 J.s, E en J, ν fréquence en Hz)

La lumière

Description corpusculaire

Dualité onde - corpuscule

Complémentarité des deux descriptions

Ö Corpusculaire :

Rayonnements très énergétiques, les phénomènes

ondulatoires ont une influence trop faible pour être pris en compte

Ö Ondulatoire :

Rayonnements peu énergétiques, les photons ont une énergie trop faible pour interagir avec la matière

La lumière

Dualité onde - corpuscule

Ö A toute onde, on peut associer un corpuscule de masse m et réciproquement (vitesse v)

Longueur d’onde de de Broglie alors λ = h / (m.v)

Ö Utile pour les corpuscules de masse faible (particules) Ö Pour les masses importantes, λ << distances rencontrées ex : voiture à 90 km/h, pesant une tonne...

λ = 2,65 10^-38 m

La lumière

1.3 Sources lumineuses 1.3 Sources lumineuses

Sources primaires : produisent de la lumière.

(Lampes, soleil, étoiles…)

Sources secondaires : objets qui renvoient une partie de la lumière qu’ils reçoivent.

La lumière

Les sources lumineuses

Spectre de transmission d'une pomme

spectre d'émission

(lumière solaire) spectre transmis

1.3 Sources lumineuses (suite) ^{La lumière}Les sources lumineuses

infrarouge 59 % Rayonnement solaire

longueur d'onde dans le vide (en nm)

visible 40 % absorption

atmosphérique filtration par l'atmosphère

traverse la cornée

atteint la rétine irritant

pour l'œil

0 300 400 750 1400

absorption oculaire

350

ultraviolet 1 %

absorption oculaire

270

350 QuickTime™ et un 1400

décompresseur TIFF (non compre sont requis pour visionner cette ima

LUMIERE SON

Transport d’énergie sans transport de matière

Vibration d’1 champ EM Vibration d’1 milieu matériel Propagation dans le vide :

OUI NON

Vibration transversale Vibration longitudinale Fréquence 10¹⁵Hz Audible 20 Hz - 20 kHz

US 20 kHz - 150 MHz 1.3 Sources lumineuses (suite) ^{La lumière}Les sources lumineuses

Application

•

Le bleu du ciel

Ö Interactions lumière blanche du Soleil avec l’atmosphère terrestre (O₂,N₂)

Ö Couleur du ciel dépend de l’épaisseur d’atmosphère traversée et de λ

Ö Atmosphère diffuse la lumière en fonction de λ (vibrations moléculaires)

Plus la longueur d’onde est petite, plus la diffusion est importante

Application (suite)

•

Le bleu du ciel

Ö La journée, trajet court, le bleu est la couleur la plus diffusée

Ö Le ciel est bleu

Ö Le matin (et le soir), trajet plus long, le rouge est la couleur la plus diffusée

Ö Le ciel est rouge

Radiométrie

II - RADIOMETRIE = Mesure de paramètres physiques 2.1. Flux énergétique φ.

= Energie transportée / seconde (Watt) 2.2. Eclairement énergétique ε.

= φ ramené à l’unité de surface du milieu (Watt / m²)

= Puissance surfacique (cible)

Radiométrie

S φ

dS dφ

M ε = dφ / dS

Radiométrie

Angle solide

Soit un cône de sommet O et de rayon r

L’angle solide de ce cône est la surface qu’il découpe sur la sphère de centre O et de rayon égale à l’unité.

Stéradian

Angle solide d’un cône de sommet le centre d’une sphère d’un mètre de rayon et de base une surface de 1 m² découpée sur une sphère

Radiométrie

O

P

dΩ

dΦ

dS r (unité)

Radiométrie

2.3. Intensité énergétique Ι. (source ponctuelle)

= φ ramené à l’angle solide (Watt / Stéradian) 2.4. Brillance énergétique B.

(source non ponctuelle)

= Luminance énergétique

= Intensité énergétique rapportée à la surface de la source.

(Watt / m². Stéradian = W.m^-2.sr^-1)

Radiométrie

I = dφ / dΩ