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L'œil, du réel au modèle

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Introduction :

L’œil est une structure complexe que les scientifiques ont toujours essayé de comprendre. Il nous donne des renseignements sur l’objet que l’on regarde : sa forme, sa couleur, sa position dans l’espace, etc.
Cependant, l’œil peut être trompé. C’est le cas par exemple lorsqu’on regarde certaines images comme celle-ci :

Alt texte Illusion d’optique - ©designmilk - CC BY-SA 2.0

Les lignes horizontales sont toutes parallèles contrairement à ce qu’on a l’impression de voir. De plus, les trois lignes ont exactement la même longueur. On parle d’illusion d’optique.

Ce cours traitera dans un premier temps l’histoire de la vision en nous plongeant dans les théories scientifiques établies depuis le Ve siècle avant J.-C.
La deuxième partie abordera les conditions de visibilité d’un objet, puis nous comment l’œil est organisé. Enfin, nous verrons dans une quatrième partie ce que l’on appelle le « modèle réduit » de l’œil.

Histoire de la vision

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À retenir

Les premières théories tentant d’expliquer la vision datent du Ve siècle avant J.-C. À cette époque, deux théories principales s’opposent :

  • la théorie de l’intromission ;
  • et la théorie de l’émission.
  • La théorie de l’intromission est défendue par Aristote et ses disciples. Ils défendent l’idée que la vision provient d’une « image » qui émane de l’objet et qui entre dans l’œil.
  • La théorie de l’émission, elle, explique la vision par le fait que l’œil envoie sur l’objet une entité qui n’est pas clairement définie. Ainsi, Platon décrit la vision par l’envoi d’un « feu visuel » des yeux vers l’objet. Ce « feu » des yeux rencontrerait alors le « feu » des objets.

Un peu plus tard, Euclide, mathématicien de la Grèce antique, est le premier à parler de « rayons ». D’après lui, la lumière se propage par des rayons lumineux qui se déplacent en ligne droite.

Ce n’est que beaucoup plus tard, au XIe siècle, qu’un savant perse appelé Alhazen décrit plus précisément le mécanisme de la vision. Il écrira un traité d’optique, fruit de six années d’études et d’expérimentations.

  • Selon lui, ce sont des rayons lumineux émanant de chaque point des objets et parvenant à l’œil qui permettent la vision.

Il offrira une description précise de l’anatomie d’un œil sans pour autant expliquer où se localise l’image dans l’œil.

Frise chronologique : l’histoire de la vision Frise chronologique : l’histoire de la vision

On doit la théorie actuelle de la vision aux scientifiques autrichiens et français Kepler et Descartes. Au XVIIe siècle, ils montrent que les rayons lumineux provenant des objets pénètrent dans l’œil, se croisent et forment une image renversée sur la rétine située au fond de l’œil.

Conditions de visibilité d’un objet

Pour voir un objet, l’œil doit percevoir les rayons lumineux qui en émanent. On dit que l’objet diffuse la lumière.

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Définition

Diffusion :

La diffusion est le renvoi dans toutes les directions de la lumière qui frappe la surface d’un corps.

Pour pouvoir diffuser de la lumière, l’objet doit être éclairé par une source lumineuse. Cela peut être le Soleil, la Lune, les étoiles ou une source de lumière artificielle.

De plus, il faut que les rayons lumineux émanant de l’objet entrent en ligne droite directement dans l’œil. En effet, s’il y a un mur entre l’objet et l’œil, les rayons lumineux ne pénètrent pas dans l’œil et l’objet n’est pas visible.

Diffusion de la lumière sciences première La diffusion de la lumière

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À retenir

Les trois conditions indispensables à la visibilité d’un objet sont donc :

  • que l’objet soit éclairé par une source lumineuse  ;
  • que cet objet diffuse les rayons lumineux  ;
  • que les rayons lumineux entrent directement dans l’œil.

Organisation de l’œil

Anatomie de l’œil humain sciences première Anatomie de l’œil humain

  • La surface bombée de l’œil correspond à la cornée et à l’humeur aqueuse.
  • La cornée permet de faire converger les rayons lumineux vers le centre de l’œil.
  • L’humeur aqueuse est un liquide transparent peu visqueux qui a pour fonction de maintenir la pression interne de l’œil et de nourrir les cellules avoisinantes car elle est riche en glucose.
  • Comme la cornée, le cristallin, situé en aval de l’humeur aqueuse, à un rôle dans la convergence des rayons lumineux.
  • Le ligament suspenseur du cristallin rattache le cristallin aux muscles ciliaires.
  • Les muscles ciliaires permettent au cristallin de se bomber, on appelle ce phénomène l’accommodation.
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Définition

Accommodation :

On appelle accommodation les modifications effectuées par le cristallin pour adapter la vue lorsque la distance entre le sujet et l’objet regardé est modifiée.

  • L’iris est la partie colorée de l’œil. Lorsqu’on dit d’une personne qu’elle a les yeux bleus ou marron, on parle de la couleur de son iris. L’iris est percé en son centre par la pupille.
  • En arrière du cristallin, le globe oculaire est rempli d’une substance gélatineuse : l’humeur vitrée. Elle permet de garantir la rigidité de l’œil et de maintenir la place de la rétine contre la paroi de l’œil.
  • La rétine est l’organe sensitif de la vision qui est situé sur la partie postérieure de l’œil. Elle est prolongée par le nerf optique qui relie les yeux au cerveau.

La paroi de l’œil est constituée de plusieurs couches superposées.

  • La plus externe est la sclérotique. C’est une membrane fibreuse, blanchâtre qui entoure l’œil et le protège.
  • Entre la rétine et la sclérotique, on trouve la choroïde. Cette couche est très vascularisée c’est-à-dire qu’il y a de nombreux capillaires sanguins. Elle a pour rôle de nourrir la rétine.

Le modèle de l’œil réduit

L’œil peut être comparé à un appareil photo.

Comparatif de principes : l’œil humain et l’appareil photographique sciences première L’œil humain et l’appareil photo

  • L’iris de l’œil correspond au diaphragme de l’appareil photo. L’appareil photo et l’œil régulent la quantité de lumière qui pénètre dans le système optique. La luminosité de l’image est alors régulée.
  • Le cristallin est comparable à l’objectif de l’appareil photo. L’appareil photo et l’œil concentrent les rayons lumineux vers la zone où doit se former l’image. L’image alors captée est formée sur la rétine ou le capteur de l’appareil photo.

On peut modéliser le système optique : on parle de modèle réduit de l’œil. Ce système permet de comprendre le comportement de l’œil en laboratoire.

Le schéma suivant montre que l’iris est alors modélisé par un diaphragme, le cristallin par une lentille convergente et la rétine par un écran.

Modélisation de l’œil en laboratoire Modélisation de l’œil en laboratoire