L’œil, un organe complexe

Les yeux sont le miroir de l'âme. Tu ne vas pas en croire tes yeux. Attention les yeux !
Ces organes sont présents partout autour de nous. On en parle dans les textes, on les utilise pour observer et analyser notre environnement, et quand on parle à quelqu'un, on le regarde souvent dans les yeux.
C'est pourquoi il faut s'en occuper comme la prunelle de nos yeux !

L’œil correspond, chez les animaux, à l'organe de la vision sensible à la lumière allant de structures simples capables uniquement de capter la lumière à un organe complexe comme chez l'Homme ou d'autres Mammifères qui, eux, peuvent distinguer des variations infimes de forme, de couleur, de luminosité et de distance. Le processus réel de la vision est effectué par le cerveau plutôt que par l’œil. La fonction de l’œil est de recevoir et transformer les vibrations électromagnétiques de la lumière en influx nerveux qui sont transmis au cerveau.

Description

Cristallin

Il s'agit de la lentille située dans l’œil, en arrière de l'iris. Ses modifications survenant vers 45 ans sont à l'origine de la presbytie, puis de son opacification ou cataracte.

Cornée

La cornée est la partie avant ou antérieure de l’œil, transparente, sur laquelle sont posées les lentilles de contact. C'est le dioptre le plus puissant de l’œil. Elle permet la convergence des rayons lumineux. Une très légère modification de la courbure de sa face antérieure permet de corriger les myopies, les hypermétropies et les astigmatismes.

Humeur aqueuse

Il s'agit du liquide circulant dans l’œil. Sécrétée par le corps ciliaire situé entre le cristallin et la rétine, elle passe à travers la pupille et est résorbée au niveau du trabéculum. Les anomalies de résorption dues à un dysfonctionnement du trabéculum sont responsables d'une augmentation de la pression oculaire et du glaucome.

Iris

L'iris est le diaphragme permettant de faire varier la taille de la pupille en fonction de la lumière. Sa couleur détermine la couleur de l’œil : bleu, vert, marron.

Nerf optique

Le nerf optique est le nerf transmettant les informations visuelles de l’œil au cerveau.

Papille

Elle est l'origine du nerf optique situé en arrière de l’œil.

Rétine

La rétine est le tissu nerveux sensible à la lumière sur lequel convergent les rayons lumineux. La rétine est formée de plusieurs couches de cellules nerveuses qui sont sensibles à la lumière et transmettent les informations au cerveau par les fibres nerveuses qui cheminent par le nerf optique et les voies optiques. Elle est collée à l'intérieur de l’œil contre la paroi sclérale, au contact de l'épithélium pigmentaire et la choroïde, nécessaires à la survie des cellules rétiniennes.

Axe optique

C'est l'axe défini par la ligne passant par le centre de la cornée et le centre optique de l’œil.

Axe visuel

C'est l'axe défini par la ligne allant de l'objet fixé à la région la plus sensible de la rétine en passant par le centre optique de l’œil.

La fovéa

La fovéa est la zone centrale de la macula, est la zone de la rétine où la vision des détails est la plus précise. Elle est située dans le prolongement de l'axe optique de l’œil.

Rayons lumineux et mirages : ne pas croire ce que l'on voit

Les rayons lumineux peuvent parfois se jouer de nous et nous faire croire en des choses qui ne sont pourtant pas réelles. Comment fonctionne ce mécanisme ?

La réfraction

Définition : La réfraction de la lumière correspond au changement de direction du rayon lumineux lorsque celui-ci traverse une surface séparant deux milieux d'indices de réfraction différents.

En effet, la loi de Snell-Descartes de la réfraction exprime le changement de direction d'un faisceau lumineux lors de la traversée d'une paroi qui sépare deux milieux différents. Il faut d'abord savoir que chaque milieu est caractérisé par sa capacité à « ralentir » la lumière.

On modélise cette caractéristique par son indice de réfraction n qui s'exprime sous la forme :

    \[n = \frac{c}{v}\]

v est la vitesse de la lumière dans ce milieu et c est la vitesse de la lumière dans le vide (souvent arrondie à 3.108 m.s-1

Il est important de savoir que :

  • Le rayon lumineux est dit incident avant d'avoir rencontré la surface réfractante (appelée dioptre), il est dit réfracté après avoir rencontré cette dernière.
  • Le point de rencontre du rayon incident et du dioptre est appelé point d'incidence.
  • Le plan contenant le rayon incident et la normale au dioptre, au point d'incidence est dit plan d'incidence.
  • L'angle orienté i1 pris entre la normale au point d'incidence et le rayon incident est dit angle d'incidence.
  • L'angle orienté i2 pris entre la normale au point d'incidence et le rayon réfracté est dit angle de réfraction.
  • Les angles i1 et i2 sont positifs si ils sont orientés dans le sens trigonométrique (sens inverse des aiguilles d'une montre), négatifs sinon.

On prend n1 l'indice de réfraction du milieu dans lequel se propage le rayon incident et n2 celui du milieu dans lequel se propage le rayon réfracté.

Pour pouvoir énoncer la loi de la réfraction, il faut que le rayon réfracté, le rayon incident et la normale (au dioptre) soient dans un même plan qui est appelé le plan d'incidence et que le rayon incident et le rayon réfracté soient situés de part et d'autre de la normale.

Lorsque n> n2 (et respectivement n< n2) le rayon réfracté (et respectivement : incident) se rapproche plus rapidement du dioptre que le rayon incident (ou réfracté). Cependant, il existe un cas particulier où le rayon réfracté (ou incident) se retrouve mathématiquement sur le dioptre (sa limite) : il y a alors réflexion totale.

Les mirages : la réfraction atmosphérique

Dans le désert, nos yeux peuvent être notre meilleur allié, mais il est bien souvent notre pire ennemi.

Principe physique

La réfraction atmosphérique correspond à un phénomène optique consistant en une trajectoire non rectiligne de la lumière lorsque celle-ci traverse l'atmosphère. Cela est principalement dû à une variation de la densité de l'air avec l'altitude.

L’atmosphère est la couche de gaz qui entoure la Terre. Cette dernière joue un rôle de protection en nous protégeant de ce qui se trouve au delà, dans l’espace, comme les rayons du soleil ou les corps étrangers. L’air que contient l’atmosphère est constitué à 78 % de diazote, de 21 % de dioxygène et le dernier pourcent représente une multitude d’autres gaz tels que le méthane, l’ozone, le dioxyde de carbone, l’argon, néon, krypton, xénon, etc.

Ainsi, pour tous les objets dits immergés dans l'atmosphère, le phénomène se renomme réfraction terrestre. Ce sont d'ailleurs ces réfractions terrestres qui conduisent aux mirages mais aussi aux effets de miroitement et d'ondulation en ce qui concerne les objets lointains.

De ce fait, en astronomie d'observation, la réfraction atmosphérique peut provoquer des erreurs en ce qui concerne l'évaluation de la position angulaire réelle de l'astre qui est observé. En effet, cet astre sera observé plus haut dans le ciel qu'il ne l'est dans sa position réelle. C'est pour cela qu'il est nécessaire, voire obligatoire, d'observer une correction de hauteur, également appelé de réfraction atmosphérique.

Cependant, il faut savoir que ce phénomène ne se contente pas d'affecter les rayons lumineux mais, de façon plus générale, il impacte toutes les ondes électromagnétiques. De fait de sa relation avec la longueur d'onde, on appelle cela le phénomène de dispersion, la lumière bleue sera plus fortement affectée par le phénomène que le serait la lumière rouge. C'est donc pour cela que, à cause de leur spectre, certain objets astronomiques peuvent voir les images en haute résolution s'étaler.

Notons que la lumière verte peut, en partie, être interprété par la réfraction atmosphérique mais aussi par la dispersion.

Un autre phénomène bien connu, l'observation du Soleil sous forme oblongue -donc légèrement aplati- lorsqu'il est à l'horizon, est un autre phénomène provoqué par la réfraction atmosphérique. Ce phénomène est d'ailleurs également observable pour la Lune.

Notons cependant que la réfraction atmosphérique est beaucoup plus importante pour tout objets proche de l'horizon par rapport aux objets qui seront plus près du zénith. C'est pour cela que les astronomes, dans le but de limiter les effets de la réfraction atmosphérique, préfèrent l'observations des objets lorsqu'ils se situent à leur point culminant de leur trajectoire dans le ciel. Mais c'est également pour cela que les marins, afin de se guider, ne visent pas les étoiles proches de l'horizon mais plutôt celles qui se trouvent au moins à 20° au-dessus de cet horizon.

Malgré tout, s'il n'est pas possible d'éviter les observations proches de l'horizon, il est tout à fait possible, sur certains instruments d'optique, de compenser les décalages observés à cause de la réfraction atmosphérique mais également ceux à cause de la dispersion.

Il faut tout de même savoir que la réfraction atmosphérique dépend également de la pression atmosphérique et également de la température. C'est pour cela que les instruments permettant de corriger les effets précédemment cités causés par la réfraction atmosphérique et la dispersion se doivent d'être technologiquement complexe. De ce fait, leur coût élevé minimise leur expansion.

Le problème est encore plus ancré dans le cas où la réfraction atmosphérique est non-homogène, principalement à cause de la présence de turbulences dans l'air. Ce sont ces mêmes turbulences qui provoquent d'ailleurs le phénomène de scintillation des étoiles.

Les mirages

Comme vu précédemment, les mirages correspondent à un phénomène optique découlant de la déviation des faisceaux lumineux par des superposition de couchers d'air ayant des températures différentes. On se trouve alors dans le cas d'une propagation anormale de la lumière au sein d'une atmosphère dans laquelle la température, la pression ainsi que l'humidité restent constante verticalement selon la normale. Ainsi, la déviation des rayons lumineux peuvent donner l'impression que l'objet observé se situe autre que sa localisation réelle.

De ce fait, il serait incorrect de définir un mirage comme une illusion d'optique ou encore comme une hallucination : il est possible de photographier un mirage ! En effet, il s'agit plutôt d'une déformation mentale d'une image provoquée par une interprétation fausse du cerveau.

Le cerveau va ensuit interpréter les mirages observer comme des images qui lui sont connues :

  • Les mirages dits inférieurs peuvent prendre l'aspect d'étendue d'eau ;
  • Les Fata Morgana peuvent, quant à elle, ressembler à des château ou autres constructions complexes.

Notons également qu'il existe trois catégories différentes de mirages :

  1. Les mirages supérieurs ;
  2. Les mirages inférieurs ;
  3. Et les Fata Morgana, qui correspondent à des mirages plus complexes composés de plusieurs images superposées l'une à l'autre.

Conclusion

Nous avons vu précédemment que les mirages et donc la réfraction atmosphérique étaient dû à la déviation des rayons lumineux par des couches d'air de température différentes.

En effet, au sein de ces couches, l'indice de réfraction de l'air n'est pas constante puisque celui-ci peut évoluer en fonction de la température, de la pression atmosphérique mais aussi en fonction de l'humidité et de la composition de l'air.

De ce fait, les couches d'air froid sont plus denses que les couches d'air chaud et leur indice de réfraction est donc plus élevé puisque celui-ci évolue de façon proportionnelle à la pression mais de façon inversement proportionnelle à la température.

La superposition de couches d'air de plus en plus chaudes ou, au contraire, de plus en plus froides, va provoquer la création d'un gradient de température mais aussi de pression et par conséquence d'indice de réfraction pour l'air.

Exercice : transformation du papier quadrillé

On réalise à l'aide d'une lentille convergente de vergence 5 m-1 l'image sur un écran d'une feuille de papier millimétré assez transparente et éclairée par un faisceau de lumière parallèle monochromatique. On note OZ  l'axe de la lentille. L'objet est contenu dans XOY.

  1. Représenter schématiquement le dispositif expérimental.
  2. On souhaite obtenir une image agrandie 5 fois de l'objet. Où doit-on placer l'écran ? Préciser la distance objet-lentille.
  3. Définir le plan de Fourier. Pourquoi s'appelle t-il ainsi ?
  4. Montrer que l'objet contient deux périodicités spatiales, les mêmes en variables X et Y en précisant leurs valeurs.
  5. En déduire la figure de diffraction en ne conservant que les taches les plus lumineuses (ordre 0 ou1 en X et Y).
  6. Quel cache doit-on placer dans le plan de Fourier pour que le papier millimétré se transforme en grille de sudoku ?

Avez-vous déjà essayé de compléter une grille pour vous détendre ?

Données

formules de conjugaison et de grandissement d'une lentille :

    \[ \frac { 1 } { OA' } - \frac { 1 } { OA } = \frac { 1 } { f' } \]

    \[FA \times F'A' = - f' _ { 2 } \]

    \[ \gamma = - \frac { OA' } { OA } = \frac { F'A' } { F'O } \]

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Joy

Freelancer et étudiante en Sciences de la Vie et de la Terre, je suis un peu une grande sœur qui épaule et aide les autres pour observer et comprendre le monde qui nous entoure et ses curieux secrets !