L'oeil

I- A quoi servent les yeux?

La vision est l'un de nos 5 sens, dans lequel l'oeil joue un rôle important : c'est par lui que passe l'image, et c'est lui qui la transmet au cerveau par le nerfs optique. La fonction de l'oeil est donc de recevoir et de transformer les vibrations électromagnétiques de la lumière, en influx nerveux.

L'oeil humain capte les rayonnement lumineux de certaines longueures d'onde : 390 nm (les ultraviolets) et 700 nm (les infrarouges). De plus, l'oeil à la faculté de s'adapter à l'intensité de la lumière : ainsi on perçoit avec une même sensibilité une image en plein soleil ou sous le clair de la pleine lune, soit avec une intensité lumineuse 10 000 fois moindre!

II- La constitution d'un oeil

Voici une animation flash qui détaille les principaux organes de l'oeil :

1- la sclérotique

C'est l'enveloppe de protection qui recouvre environ les ⁵/₆ de la surface de l'oeil. De consistance tendineuse, elle donne à l'oeil sa couleur blanche et sa rigidité.

2- La cornée

La cornée est la partie extérieure et transparente du globe oculaire. En forme de lentille, elle est légèrement saillante, et c'est le premier organe qui réfracte la lumière (d'où sa forme).
La cornée couvre environ un cinquième de la surface du globe avec un diamètre d'environ 1,1 centimètre. Son épaisseur varie en tre 500 µm au centre et 600µm à la périphérie. La cornée est très hydratée en permanance par les glandes lacrimales (qui sécrètent l'humeur aqueuse).

3- L'iris

L'iris est la partie colorée de l'oeil. C'est une membrane circulaire et contractile de la face antérieure du globe oculaire. Elle peut donc se contracter grâce aux muscles sphincters ce qui lui permet de dilater plus ou moins la pupille en fonction de la luminosité. Par exemple si la lumière est forte, l'iris se contracte, réduisant la taille de la pupille, et inversement. Ainsi l'oeil rêgle la quantité de lumière qui vient frapper la rétine.

4- Le cristallin

Le cristallin est une lentille biconvexe. Comme toute lentille, elle permet de faire converger la lumière avant qu'elle n'arrive sur la rétine, ce qui permet une mise au point. La zonule est un petit ligament qui le relie au muscle ciliaire qui se contracte plus ou moins pour déformer le cristallin afin de régler cette convergence de la lumière.

5- La rétine

La rétine est une mince surface d'environ 0,5 mm d'épaisseur située au fond de chaque œil, couvrant environ 75% du globe oculaire. Cet organe constitue la partie sensitive de la vision puisqu'il reçoit l'image et transforme ce signal lumineux en un signal de potentiels d'action. En fait il s'agit tout simplement d'un morceau de cerveau isolé!

La rétine est composée de plusieurs couches sur lesquelles se répartissent des photorecepteurs:

• La macula, est une zone de la rétine, de 2mm de diamètre, qui se trouve dans l'axe de la pupille, et où se concentrent les cônes, les fameux photorécepteurs qui nous permettent de distinguer les couleurs
  et de transformer la lumière en un potentiel d'action qui est ensuite transmis au cerveau par le nerf optique. Dans l'œil humain, il existe trois types de cônes qui réagissent aux couleurs bleu jaune et vert.
• Au centre de la macula, on trouve la fovéa, principalement composée de cône, et c'est donc la zone de l'oeil, qui permet la vision la plus précise. La fovéa permet de capter les mouvements, les détails et les couleurs.
• Les bâtonnets sont aussi des photorecepteurs, de forme allongée se trouvant à la périphérie de la fovéa. Ils sont très sensibles à la lumière et permettent de capter les rayons lumineux de très faible intensité la nuit : ils permettent la vision de nuit. Cependant ils ne permettent pas de percevoir les détails et les couleurs. Ils contiennent de la rhodopsine. C'est cette molécule qui génère un courant électrique dès qu'un rayon lumineux la touche.

6- Le nerf optique

Le nerf optique est formé d'un grand nombre de cellules ganglionnaires terminées par des fibres nerveuses reliées entre elles. Il traverse un canal osseux (le canal optique) et rejoint le deuxième nerf optique au niveau du chiasma optique. Il mesure environ 5 cm de long.

III- Fonctionnement de l'oeil

La vision se déroule en plusieurs étapes :

• Pour commencer les rayons lumineux sont orientés vers le centre de l'oeil par la cornée. En même temps, l’iris en se contractant et en se dilatant va définir la quantité de lumière nécessaire à l’œil
• Puis le cristallin, retourne l’image et la "met au point" (c'est l'accomodation) grâce au muscle ciliaire. L'image arrive alors sur la rétine
• La rétine transforme les rayons lumineux en un message nerveux sensitif (ou afférent)grâce aux photorecepteurs.
• Les informations sont ensuite transmises au nerf optique par l'intermédiaire de liaisons nerveuses.
• Le nerf optique est relié au cerveau qui traduit le message nerveux et forme l'image perçue par notre oeil.

Remarque : L'image qui se forme sur la rétine, est inversée par les phénomènes de réfraction. C'est le cerveau qui rétablit l'image "à l'endroit".

L'appareil photographique

I- Qu'est-ce qu'un appareil photo?

La photographie est la technique qui permet de créer des images par l'action de la lumière, et par extension, c'est le nom de l'image ainsi obtenue.

Il existe plusieurs procédés photographiques et donc plusieurs types d'appareils photo, dont les principaux sont les numériques et les argentiques. La grande différence réside dans les supports sur lesquels s'inscrit l'image photographiée.

Dans le cas de l'argentique, il s'agit d'une pellicule recouverte d'une solution sensible à la lumière, et pour les appareils numériques, c'est un capteur photographique electronique servant à convertir un rayonnement lumineux composé de photons en un signal électrique.
Nous parlerons ici des appareils photo argentiques.

Ci-contre, le schéma d'un appareil photographique de base

1- L'objectif

C'est un système optique (un système transparent dans lequel passe la lumière, et permet de "déformer" les rayons lumineux) qui permet la prise de vue du sujet situé à l’avant de l’appareil.

Il est composé de plusieurs lentilles dont le but est de former une image sur le film. Une lentille est un dispositif qui permet de faire diverger ou converger des rayons lumineux (cf scémas ci-dessous) . L'objectif est responsable de la qualité de la prise de vue.

En effet, un objectif fait varier le nombre (de 4 à 8 environ), la taille, et la forme des lentilles. Ces paramètres définissent la distance focale, qui détermine le grossissement et le champ de vision. Plus la "focale est courte" plus le champ de vision est large. Plus la "focale est longue" et plus le champ de vision est faible.

Sur le schéma ci-contre, la distance focale est indiquée en mm. Toutes les photos ont été prises d'un même point de vue.

2- Le diaphragme

C'est un disque opaque qui dispose d'une ouverture réglable, pour faire entrer plus ou moins de lumière sur le film, pour que la photographie soit nette. Il est composé de fines lamelles qui se chevauchent. Plus le diaphragme est ouvert moins la profondeur de champs est élevée. Au contraire plus l’ouverture du diaphragme diminue plus la profondeur de champs de l’image augmente. Pour une ouverture faible, et donc une forte profondeur de champs, un temps d’adaptation sera nécessaire pour que l’image soit nette car il faut plus de temps pour que la lumière pénètre l’objectif. La profondeur de champs est la distance de netteté existant avant et après le sujet sur lequel on fait la mise au point

Sur ce schéma, les arbres foncés sont les arbres nets sur la photographie; et les arbres clairs sont les arbres flous. Ici on voit bien que plus la profondeur de champs est grande, plus les arbres sont nets sur une grande distance.

3- L'obturateur

C'est le dispositif qui gère l'exposition (la quantité de lumière reçue par l'appareil) en laissant entrer la lumière sur le film plus ou moins longtemps.

L'obturateur peut être situé au centre de l'objectif ou juste devant le film. Il est composé de lamelles métalliques qui se recouvrent mutuellement, dont le but est de laisser passer la lumière ou non (il n’existe qu’une position ouverte ou fermée à ne pas confondre avec le diaphragme). Lors de l'appui sur le déclencheur, l'obturateur s'ouvre puis se referme. La durée durant laquelle il reste ouvert est appelée temps de pose ou vitesse d’obturation. Le couple diaphragme/obturateur permet donc de régler l'exposition, c'est à dire la quantité de lumière reçue par le film ou le capteur. On parle alors de couple ouverture/vitesse.

4- La pellicule (ou film photographique)

Le film photographique (ou pellicule photographique) : c'est un support souple recouvert d'une émulsion. Une émulsion est d'après l'encyclopédie Wikipedia un mélange de deux substances liquides non miscibles (qui ne se mélangent normalement pas), comme l’eau et l’huile. Une substance est dispersée dans la seconde substance sous forme de petites gouttelettes. Le mélange reste stable grâce à un troisième ingrédient appelé émulsifiant. Cependant, si le nom est resté, la pellicule n'est aujourd'hui plus recouverte d'une émulsion au sens scientifique du terme. Il s'agit en fait souvent d'une solution de Bromure d'argent, sensible à la lumière.

C'est un sel (Ag+Br-) qui se présente sous forme de cristaux. Chaque cristal constitue un "pixel" qui sera touché plus ou moins par la lumière, selon les rayons lumineux qui se dégagent du sujet de la photographie.

Fonctionnement d'un appareil photo argentique

Lors de l'appui sur le déclencheur, l'obturateur s'ouvre afin de laisser passer la lumière par l'objectif qui va fournir une image nette du sujet à photographier au film. La quantité de lumière entrante est déterminée par le temps durant lequel l'obturateur va rester ouvert et par la taille de l'ouverture du diaphragme. A la fin de l'exposition, l'obturateur reprend sa position fermée initiale.

II- Formation de l'image sur le film

Pendant l'exposition, les rayons lumineux entrent en contact avec les cristaux présents sur la pellicule. Ceux-ci réagissent et "impriment" en quelque sorte l'image sur la pellicule sous forme d'un négatif. En effet, lorsque les photons parviennent sur les ions AG+, ceux-ci se transforment en atomes Ag. L'image ainsi obtenue est invisible, c'est l'image latente

Pour amplifier la différence entre les cristaux éclairés ou non, on utilise un bain révélateur : c'est l'étape de la révélation Les cristaux contenant quelques atomes d'argent sont alors complètement transformés en particules d'argent métallique noir visibles.

Au cours de l'ultime étape du fixage les cristaux trop peu éclairés, et donc non transformés en argent métallique lors de la révélation, sont éliminés par un passage dans le bain de fixage. En effet si ces particules restent sur la pellicule, elles seraint touchées par la lumière dès leur sortie du laboratoire de développement, et noirciraient à leur tour.

Résultat : sur le négatif ainsi obtenu, les zones éclairées sont noires, et les zones moins éclairées sont transparentes. Le négatif sert à tirer des positifs sur un papier à fond blanc

III- Formation de l'image sur le papier

Le tirage photographique permet de restituer une image présente sur la pellicule (en négatif donc) sur du papier. Le principe est le même que pour l'impression sur le film photographique.

• L'exposition : c'est l'étape où le film est traversé par un rayon de lumière qui va ensuite frapper le papier recouvert d'une couche photosensible. A la manière d'une diapositive, l'image est agrandie
• La révélation : Le papier est plongé dans un bain révélateur qui dévoile l'image
• Le rinçage : La photo passe par une bain de rinçage (une solution d'eau et d'acide acétique) qui stoppe la réaction de révélation
• La fixation : C'est l'élimination des petits grains d'argent photosensbibles qui pourraient encore réagir au contact de la lumière
• Le lavage et le séchage : La photo est lavée a l'eau douce pour éviter qu'elle ne se dégrade ensuite, puis elle est séchée.

IV- La photo numérique

Contrairement a un appareil argentique, l'image prise ne se "dépose" pas sur un film photosensible, mais sur des capteurs électroniques capables de convertir un rayonnement lumineux constitué de photon en un signal électrique traité et numérisé, pour obtenir une image visible sur un support informatique par exemple.

Comparaisons

L'oeil et l'appareil photo (et même la plupart des appareils d'optique) ont une structure similaire : Un objectif qui permet de faire rentrer dans l'appareil une certaine intensité lumineuse jusqu'aux photorecepteurs qui tapissent le fond de l'appareil. Ensuite le fonctionnement peut différer suivant le modèle d'appareil.

I- La réfraction, un phénomène identique pour l'oeil et un appareil photographique

L'oeil et l'appareil photo (et même la plupart des appareils d'optique) possèdent un objectif à double fonction.

D'abord ils permettent de réfracter la lumière. La réfraction est un phénomène de déviation des rayons lumineux lorsque ceux-ci traversent un milieux transparent. Voici une illustration de ce phénomène : le clou parait tordu à l'endroit où il entre en contact avec l'eau, alors qu'il ne s'agit que d'une déviation des rayon lumineux qui provoque cette illusion. Le schéma suivant montre bien la déviation du rayon incident au point de contact avec entre le milieu 1 et le milieu 2. Ces deux milieux réfractant la lumière d'une façon différente, le rayon lumineux se "tord". Ce sont des lentilles qui permettent la réfraction.

L'oeil possède deux lentilles : la cornée et le cristallin. Le cristallin peut modifier sa forme pour adapter l'intensité de la réfraction pour que l'image qui arrive sur la rétine soit nette.

Pour un appareil photographique, les lentilles sont généralement en verre, mais le principe est exactement le même : elles réfractent la lumière pour que l'image soit nette sur le film photographique (pour les appareils argentiques) ou les cellules photosensibles (dans le cas des appareils numériques).

Le réglage de la netteté de l'image est donc un mécanisme différent : l'oeil fait varier l'épaisseur du cristallin, alors que l'appareil photo joue sur la distance entre les lentilles situées dans son objectif.

II- Le réglage de l'intensité lumineuse : l'iris et le diaphragme

On peu rêgler l'exposition d'une image avec un appareil photo, grâce au diaphragme/obturateur qui permet de laisser passer plus ou moins de lumière. Si trop de lumière parvient sur les photorecepteurs de l'appareil, l'image est surexposée, et donc illisible. Au contraire, la photo risque d'être sous-exposée si le diaphragme est trop fermé ou que l'obturateur ne s'ouvre pas assez longtemps . Attention cependant, même si le diaphragme a une influence sur l'exposition de la photo,il permet a l'origine de rêgler la profondeur de champs.

L'oeil aussi dispose de mécanismes permettant de rêgler la quantité de lumière qui atteind la rétine. C'est le rôle le l'iris, qui en se contractant ou en se relâchant augmente ou réduit la taile de la pupille. Cela permet d'éviter d'être trop éblouit en cas de forte luminosité.

Le diaphragme a donc le même fonctionnement que l'iris : un trou plus ou moins grand laisse passer la lumière suffisante pour obtenir une bonne vision de l'image.

III- Des organes photosensibles

Ce n'est pas le tout de recevoir l'image, il faut encore la "voir". C'est le travail de photorecepteurs : pour l'appareil photo il peut s'agir d'une pellicule ou de cellules électroniques, et pour l'oeil il s'agit des cônes et des bâtonnets.

On constate que les photorecepteurs des appareils numériques sont très similaires à ceux des yeux. Ainsi même si les appareils numériques fonctionnent à partir de cellules photosensibles electroniques alors que l'oeil dispose de cellules vivantes, les deux types de photorecepteurs traduisent le rayonnement lumineux en un signal électrique qui est ensuite analysé et traduit par un système approprié.

En revanche, on s'aperçoit que les appareils photo argentiques ont un fontionnement totalement différent, qui ne passe pas par la traduction des ondes lumineuses en un signal électrique, mais par une réaction chimique d'une autre nature.

IV- L'appareil photo plus performant que l'oeil?

Une caractérisique très intéressante de l'appareil photo est le zoom. Il est en effet capable de grossir une image, une faculté que l'oeil humain ne possède pas. Cependant, les yeux permettent un champs de vision bien plus large que celui de l'appareil photo, puisque chaque oeil voit une partie différente de notre environnement, et le cerveau fond les deux images en une seule, bien plus large.