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Physiologie de l’oeil

L'œil : un système optique

Considérer l’oeil comme un système optique ne suffit pas à décrire la perception visuelle de l’homme : cette perception ne repose pas sur la représentation d’un environnement donné sur la rétine, mais sur l’interprétation de cette représentation, sur la distinction entre des objets aux propriétés constantes et un environnement instable.

Système optique

Système optique

Aberration sphérique. Les objets représentés sont déformés par la courbure de la rétine.

Système optique

Aberration chromatique. Les objets représentés sont flous et leurs contours irisés en raison d’une réfraction divergente des couleurs spectrales.

Oeil et appareil photo

Pour tenter de comprendre le processus de perception, on compare l’oeil à un appareil photo : via un système lenticulaire réglable, l’appareil photo projette sur un film l’image inversée d’un objet ; un diaphragme assure alors le réglage de la quantité de lumière. Après développement et inversion par agrandissement, on obtient enfin une image bidimensionnelle de l’objet. De la même façon avec l’oeil, une lentille déformable projette une image inversée sur le fond de l’oeil, l’iris fait office de diaphragme et la rétine, photosensible, joue le rôle du film. De la rétine, l’image est transmise au cerveau par le nerf optique pour y être rétablie dans une zone déterminée - le cortex visuel - et être rendue consciente.
L’oeil induit cependant des différences entre la perception réelle et l’image sur la rétine. Il s’agit de prendre en compte la déformation spatiale de l’image par la projection sur la surface incurvée de la rétine et l’aberration chromatique : une lumière de différentes longueurs d’ondes est plus ou moins réfractée, générant une irisation du contour des objets. Mais ces défauts sont corrigés au moment du traitement de l’image par le cerveau.

Système optique

Perception constante d’une forme malgré l’altération de l’image de la rétine due au changement de perspective.

Perspective

Mettons Prenons des objets répartis dans l’espace : les images perçues par la rétine sont déformées par la perspective. Ainsi, un rectangle y sera-t-il apparenté à un trapèze. Or cette image peut également résulter d’une surface trapézoïdale vue de front. Une seule forme est perçue : le rectangle qui a donné lieu à cette image. La perception d’une forme rectangulaire peut même être constante si l’observateur ou l’objet bougent, alors que le changement de perspective modifie constamment la forme de l’image projetée sur la rétine.

Récepteurs

Récepteurs

Récepteurs

Deux types de récepteurs existent: les cônes et les bâtonnets. Quant à la répartition spatiale, elle n’est pas uniforme. Un point, la tache aveugle, est dépourvu de tout récepteur. Il s’agit de la zone située sur la rétine, où le nerf optique rejoint le globe oculaire.

Récepteurs

Nombre N de cônes et de bâtonnets sur le fond de l’oeil en rapport avec l’angle visuel.

Densité des récepteurs

La densité des récepteurs est particulièrement élevée sur la zone de la rétine située au centre de la macula : la fovéa. Le nombre de cônes y est particulièrement important. Il décroît progressivement vers la périphérie où se trouvent les bâtonnets, complètement absents de la fovéa.

Récepteurs

La sensibilité relative des cônes V et des bâtonnets V’ par rapport à la longueur d’onde.

Bâtonnets

Par rapport aux cônes, les bâtonnets constituent le plus vieux système de l’histoire de l’évolution. Entre autres caractéristiques, ils sont très photosensibles et très perceptifs aux mouvements intervenant dans l’ensemble du champ visuel. En revanche, les bâtonnets ne permettent pas de voir les couleurs; l’acuité visuelle est faible et aucun objet ne peut être fixé ni donc observé avec précision au centre du champ visuel. En raison de leur très grande photosensibilité, ils ne sont activés que pour la vision nocturne, au-dessous d’environ 1 lx. La vision nocturne se caractérise essentiellement par la disparition des couleurs, la faiblesse de l’acuité visuelle et la meilleure visibilité des objets peu lumineux en périphérie du champ visuel. Ces particularités sont directement liées aux propriétés du système de photorécepteurs à bâtonnets.

Récepteurs

La sensibilité chromatique spectrale des cônes par rapport à la longueur d’onde.

Cônes

Les cônes forment un système aux propriétés diverses, qui détermine notre vision en cas de forte luminosité, autrement dit de jour ou en présence de lumière artificielle. Les cônes sont peu photosensibles et sont concentrés au centre, autour de la fovéa. Ils permettent de voir les couleurs et d’observer avec une acuité visuelle aiguë les objets fixés, dont l’image est par conséquent au niveau de la fovéa. A l’inverse des bâtonnets, le système de photorécepteurs à cônes ne perçoit pas l’ensemble du champ visuel de manière homogène ; il en perçoit avant tout le centre. Le pourtour du champ visuel n’est toutefois pas sans influence : si des phénomènes intéressants s’y produisent, le regard se dirigera automatiquement vers le point concerné, qui sera alors représenté dans la fovéa pour être mieux perçu. Outre des mouvements soudains et des couleurs ou des motifs voyants, la présence de luminances élevées attire également considérablement le regard. Notre attention peut donc être dirigée par le biais de la lumière.

Adaptation

Adaptation

Eclairement E et luminance L typiques en présence de lumière naturelle et artificielle.

Adaptation

Jour et nuit

L’oeil se distingue notamment par sa capacité d’adaptation à différentes conditions d’éclairage. Nous percevons en effet notre environnement tant au clair de lune qu’à la lumière solaire, pour un écart d’éclairement d’environ 100 000 fois supérieur. L’oeil est même capable de percevoir une étoile peu lumineuse dans le ciel nocturne, qui n’atteint que 10 à 12 lx d’éclairement au niveau de l’oeil.

Adaptation

Plages de luminance L du système de photorécepteurs à bâtonnets (1), de la vision mésopique (2) et du système à cônes (3). Luminances (4) et luminances privilégiées (5) en intérieur. Seuil visuel absolu (6) et seuil d’éblouissement absolu (7).

Luminance

L’oeil doit sa faculté d’adaptation à l’éclairement à la pupille, pour une infime part, mais surtout à la rétine. Les systèmes de photorécepteurs à bâtonnets et à cônes couvrent alors des plages d’intensités lumineuses diverses, celui des bâtonnets pour vision nocturne (vision scotopique), celui des cônes pour la vision diurne (vision photopique), les deux intervenants ensemble pour les phases de transition de la vision crépusculaire (vision mésopique).
Si la vision est possible sur une vaste plage de luminances, la perception des contrastes est nettement limitée selon les différentes situations d’éclairage. En effet, l’oeil est incapable de couvrir la totalité des plages des luminances visibles ; il s’adapte chaque fois à une intime partie, ce qui permet une perception différenciée. Les objets assortis de luminances trop élevées pour un niveau d’adaptation donné deviennent aveuglants; ils donnent l’impression d’une clarté intense et uniforme. A l’inverse, les objets peu lumineux semblent uniformément sombres.

Adaptation

Temps d’adaptation

L’adaptation à des situations plus lumineuses est relativement rapide, contrairement à l’adaptation à l’obscurité qui peut nécessiter nettement plus de temps. Le passage de l’obscurité d’une salle de cinéma à la lumière du jour, ou l’aveuglement provisoire causé de nuit par l’entrée dans un local très faiblement éclairé sont de parfaits exemples de sensibilité à l’éblouissement. De même, l’oeil ne peut traiter les contrastes de luminance que dans une certaine mesure et l’adaptation à un nouveau niveau d’éclairement demande du temps. Tout cela n’est évidemment pas sans incidence sur les études d’éclairage, notamment lorsqu’il s’agit d’établir différents niveaux de luminance dans une pièce ou d’adapter les niveaux d’éclairement des zones limitrophes.