Ombre & LumièreComment nous voyons le monde qui nous entoure...

Frédéric KapalaIUFM de Franche-Comté - 22 septembre 2005

Sommaire

Conditions de visibilité d'un objet ! 3

Opacité et transparence ! 3

Sources de lumière ! 3

Ombre et ombres projetées ! 3

Le trajet de la lumière ! 4

Dioptres! 5

Propriétés Physiques de la lumière ! 11

Les mécanismes de la vision! 15

La chambre noire ! 20

Sources! 22

Conditions de visibilité d'un ob-jet

Pour qu'un objet soit visible, il faut que no-tre oeil reçoive de l'information lumineuse (de la lumière) en provenance de cet objet ; cette lumière que l'objet vu nous envoie peut être produite par l'objet lui-même ; elle peut aussi provenir d'un autre objet et être diffusée, réfléchie par l'objet vu.

Opacité et transparence

Quelques définitions...

• Opaque : un corps est dit opaque s'il ne laisse pas passer la lumière visible (feuille de carton) .

• Transparent : un corps est dit transparent s'il laisse passer la lumière visible et si l'on peut voir à travers (verre).

• Translucide : un corps est dit translucide s'il laisse passer la lumière visible et si l'on ne peut pas voir à travers (papier calque).

Pourquoi certains corps sont opaques, d'autres transpa-rents ?

Souvent, ce sont les solides qui sont opa-ques. Il existe plusieurs manières de ne pas laisser passer la lumière, et donc d'être opaque : le corps peut l'absorber (grâce à des pigments ), mais il peut aussi la réfléchir totalement (c'est le cas d'un miroir).

Sources de lumière

Sources primaires

Un objet qui produit lui-même de la lu-mière est dit "source primaire" de lumière ; le soleil, la flamme de la bougie, le fila-ment de l'ampoule électrique sont des sources primaires de lumière.

Sources secondaires

Un objet qui ne produit pas de lumière mais qui la réfléchit ou la diffuse est dit "source secondaire" de lumière ; la Lune, le corps de la bougie, mon chien, sont des sources secondaires de lumière.

Ombre et ombres projetées

Zone d'ombre

Dans un espace donné, on se donne un objet opaque et une source de lumière. La zone de l'espace depuis laquelle la source

de lumière n'est pas visible, est "cachée" par l'objet correspond à la zone d'ombre créée par l'objet par rapport à la source.

La zone d’ombre produite par l’interception de la lumière produite par une source ponctuelle.

Dans cette zone de l'espace, aucune in-formation lumineuse, aucun "rayon" de lu-mière ne parvient en provenance de la source de lumière.

Conditions de formation d'une ombre projetée

Pour former une ombre projetée, il faut une source de lumière, un objet qui inter-cepte la lumière et une surface dont l'inter-section avec la zone d'ombre formée par l'objet à partir de la source définit l'ombre projetée.

Pénombre

Quand on a une source de lumière ponc-tuelle ou une source de lumière étendue mais éloignée, l'ombre projetée possède des contours définis ; dans le cas d'une source de lumière étendue proche, les contours de l'ombre sont flous ; chaque point d'une source étendue se comporte comme autant de sources ponctuelles ; les ombres projetées qui correspondent à toutes ces sources ponctuelles "élémentai-res" sont décalées sur l'écran de projec-tion ; il en résulte un gradient d'éclairement

qui constitue la pénombre entourant l'om-bre projetée.

Le trajet de la lumière

Propagation de la lumière

La lumière se propage en ligne droite dans un milieu homogène.

Célérité de la lumière

Vitesse de la lumière dans le vide

Les deux points extrêmes d’une source étendue permettent de délimiter les zones d’ombre totale et de pénombre et leur pro-jection sur la surface.

Une source ponctuelle placée “loin”, eu égard aux dimensions de l’objet et de sa distance à la surface de projection, définit un éclairage quasi-parallèle.

Placée “loin”, eu égard aux dimensions de l’objet et à sa distance à la surface de pro-jection, une source étendue tend à se com-porter comme une source ponctuelle (ré-duction de la pénombre).

La lumière possède une vitesse de propa-gation (célérité) ; dans le vide la lumière se propage à une vitesse d'environ c = 300 000 km/s (299 792 458 m/s).

Ainsi, la lumière du Soleil situé à environ 150 millions de km de la Terre met (150 106)÷(3 105) = 500 s = 8 mn et 20 s pour nous arriver. Le soleil que nous voyons est un Soleil vieux de plus de 8 mn... Observer les astres dans l’espace c’est donc regarder le passé !

Vitesse de la lumièredans certains milieux

Dans les milieux matériels, la lumière se déplace moins vite, du fait des interactions avec la matière . Le rapport entre la célé-rité de la lumière dans le vide c et la vi-tesse de la lumière dans ce milieu v donne ce qu'on appelle l'indice du milieu n = c/v.

Matériau Indice

Diamant 2,42

Cristal 1,6 à 1,8

Verre ordinaire 1,52

Plexiglas 1,49

Alcool ordinaire 1,36

Eau 1,33

Air ≈ 1

Dioptres

On appelle “dioptre” la séparation entre deux milieux d’indices différents. Une par-tie de la lumière incidente est réfléchie sur le dioptre vers le premier milieu, une autre partie est transmise dans le deuxième milieu, on dit qu’elle est réfractée.

Réflexion

L'angle incident et l'angle réfléchi sont égaux

La figure suivante montre la réflexion sur une surface plane réfléchissante comme un miroir.

La figure suivante montre la diffusion de la lumière par réflexion sur une surface irré-gulière.

Réfraction

Le fait que la lumière ne se propage pas à la même vitesse dans deux milieux d’indi-ces différents induit une déviation de la direction du rayon lumineux au change-ment de milieu (selon le principe de moin-dre action qui a été une des découvertes scientifiques majeures du 17ème siècle à laquelle les plus grands noms des mathé-matiques - Fermat, Maupertuis, Euler, La-grange, Hamilton, Jacobi - ont contribué ; on donne une analogie du principe de moindre action en exposant le problème posé à un maître-nageur de choisir le chemin le plus rapide pour aller sauver un baigneur de la noyade, en assurant le meilleur compromis possible entre course sur la plage et nage dans l’eau en fonction

de ses vitesses de déplacement dans les deux milieux).

L’angle de réfraction est donné par la loi de Snell-Descartes :

n1 × sin (i1) = n2 × sin (i2)

On a tracé les figures en prenant n1 = 1 (air) et n2 = 1,3 (eau). Tout ceci est valable que le rayon incident vienne du milieu 1 ou du mileu 2.

Angle limite de réfraction

La loi de Snell-Descartes induit que quand l’angle incident se rapproche de l’angle droit (incidence rasante du dioptre) l’angle réfracté s’approche d’une limite (l’angle

réfracté dans notre cas précis approche les 50°). Inversement, tous rayon en pro-venance du milieu 2 avec une incidence supérieure à cet angle limite (zone grisée) ne sera pas réfracté dans le milieu 1, mais totalement réfléchi au sein du milieu 2 (cf. activité Sciences & Vie Junior).

Lentilles minces

Une lentille est dit “mince” quand son épaisseur est petite devant les rayons de courbure de ses faces.

Conditions de Gauss

• Le faisceau doit traverser la lentille au voisinage du centre optique.

• Les rayons incidents doivent faire un an-gle faible avec l'axe optique de la lentille.

Centre et FoyersLentilles convergentes

L’application des lois de Snell-Descartes au deux changements de milieux repré-

sentés par la lentille (air-verre-air) montre le rôle particulier de trois points :

• le centre de la lentille : tout rayon de lu-mière qui passe par le centre optique O de la lentille n’est pas dévié ;

• Les deux foyers F1 et F2, symétriques par rapport au centre optique : tout rayon venant de gauche passant par F1 res-sort à droite parallèle à l’axe optique ; tout rayon venant de gauche parallèle à l’axe optique est dévié de manière à passer par F2.

Formules de conjugaison

On a un objet réel CD. On veut savoir où se trouve l’image réelle de CD (image qu’on peut projeter), notée HG, c’est-à-dire

exprimer la distance OH avec les caracté-ristiques du système. On constate déjà que par construction l’image est inversée.

Adoptons les notations suivantes :

• F1O = OF2 = f,• CD = h et GH = h’,• CO = p et OH = q, c’est cette dernière

quantité qu’on recherche.

Par construction, en appliquant le théo-rème de Thalès :

F2H

GH=

OF2

OM

Or F2H = (q-f) et OM = CD = h donc

(q − f)h′ =

f

h

d’autre part

CF1

CD=

F1O

NO

or CF1 = CO - F1O = p - f et NO = GH = h’

(p− f)h

=f

h′

donc

h′

h=

f

(p− f)=

(q − f)f

Notons au passage que ce dernier rapport donne l’agrandissement du système. On a donc

f2 = pq − pf − fq + f2

soit

q(p− f) = pf

et donc

1q

=1f− 1

p

NB : Si l’objet est situé entre le foyer et le centre optique, l’image devient virtuelle :

Lentilles divergentes

Dans le cas des lentilles divergentes, il n’y a pas d’image réelle de l’objet. Les deux figures qui suivent indiquent les construc-tions des images virtuelles.

Comme pour les lentilles convergentes, les rayons qui passent par le centre opti-que ne sont pas déviés ; les rayons inci-dents parallèles à l’axe optique sortent en divergeant en suivant la direction donnée par le foyer et le point d’incidence.

Changements continus au sein d'un milieu hétérogène

Quand le milieu de propagation de la lu-mière n’est pas homogène, le trajet de la lumière n’est pas rectiligne.

Fibres optiques

La fibre optique est un guide d'onde qui exploite les principes de réfraction de la lumière. Elle est habituellement constituée

d'un cœur entouré d'une gaine. Le cœur de la fibre a un indice de réfraction légè-rement plus élevé (différence de quelques millièmes) que la gaine et peut donc confi-ner la lumière qui se trouve entièrement réfléchie de multiples fois à l'interface en-tre les deux matériaux (en raison du phé-nomène de réflexion totale interne). L’en-semble est généralement recouvert d’une gaine plastique de protection.

Il existe plusieurs types de fibre optique. Dans la fibre à saut d'indice, l'indice de ré-fraction change brutalement entre le cœur et la gaine. Dans la fibre à gradient d'in-dice, ce changement d'indice est beau-coup plus progressif.

Considérons donc une fibre optique à gra-dient d’indice. On a une symétrie cylindri-que, et l’indice décroît en allant du centre à la périphérie de la fibre. On peut modéli-ser cela en imaginant des enveloppes cylindriques emboîtées d’épaisseur suffi-samment fine pour qu’on puisse considé-rer que l’indice est constant au sein d’une enveloppe.

La lumière, en passant d’une tranche à l’autre à partir du centre, est réfractée à chaque saut d’enveloppe ; l’angle d’inci-dence s’incline de plus en plus à chaque passage jusqu’à être inférieur à l’angle de réfraction limite ; le rayon est alors totale-ment réfléchit et “repart” vers l’intérieur de la fibre et ainsi de suite...

Dans les figures sui suivent, on a repré-senté un gradient d’indice ascendant ; quand on passe d’une couche horizontale à celle qui lui est supérieure, l’indice est divisé par 1,1. Les rayons réfractés sont représentés en rouge ; on a représenté qu’un rayon réfléchi et une de ses réfrac-tions ultérieures en violet.

Sur les deux figures suivantes, il y a un rayon réfracté et un rayon réfléchi ; plus on

s’approche de l’angle de réfraction limite et plus l’angle réfracté est proche de l’hori-zontale.

Sur la figure qui suit, l’incidence au point supérieur à dépassé l’angle de réfraction limite ; il n’y a donc plus de rayon réfracté, la totalité du rayon est réfléchi (réflexion totale) ; ce rayon réfléchi va à nouveau se réfracter sur les couches qu’il va rencon-trer en descendant...

Ainsi dans une fibre optique la lumière est “emprisonnée”, elle suit des trajets de ty-pes sinusoïdaux qui la confine au sein du matériau.

Mirages

(cf. article Sciences & Vie Junior)

Le mirage est une illusion d'optique créée par les différences de température de l'air.

En effet, ces différences de température génèrent des différences de densité des couches d’air et donc des différences d’in-dice.

Si le sol est chaud (désert, route d’été...) la température diminue avec l’altitude ; la densité des couches d’air augmente donc avec l’altitude ainsi que l’indice ; des rayons qui étaient dirigés vers le sol sont “remontés”.

Si le sol est froid (zones polaires) la tem-pérature augmente avec l’altitude ; la den-sité des couches d’air diminue donc avec l’altitude ainsi que l’indice ; des rayons qui étaient dirigés vers le ciel sont “rabattus”.

Les mirages s’observent donc aussi bien dans les régions très chaudes (désert) que très froides (banquise).

Le mirage n'a rien de subjectif : on peut le photographier. Le mirage n'a rien d'irra-tionnel : il s'explique par l'optique géomé-trique et les lois de la réfraction.

À l’origine d’un mirage il y a toujours un objet réel ; si on voit des choses là où elles ne sont pas, c’est que le cerveau intègre des informations lumineuses captées par l’oeil qui n’ont pas pris le chemin habituel (la ligne droite). La scène est reconstruite par notre cerveau à partir de l’endroit où l’information arrive sur la rétine, pas à par-tir de l’endroit d’où elle part réellement !

Propriétés Physiques de la lu-mière

Spectre électromagnétique

Nature ondulatoire de la lu-mière

La lumière désigne un rayonnement élec-tromagnétique visible par l'œil humain. Les ondes radio, les rayons X et γ sont égale-ment des ondes électromagnétiques.

Une onde électromagnétique se caracté-rise par un flux quasi-continu de particules dépourvues de masse, les photons, asso-cié à des champs magnétiques et électri-ques oscillants. L’onde ainsi définie est caractérisée par sa longueur d’onde λ in-versement proportionnelle à l’énergie vé-hiculée par l’onde :

E =hc

λ

h est la constante de Planck,

C la célérité de la lumière.

Spectre

Un spectre électromagnétique est la dé-composition d'un rayonnement électroma-gnétique en fonction de sa longueur d'onde, ou, de manière équivalente, de sa fréquence.

Pour des raisons historiques, les ondes électromagnétiques sont désignées par différents termes, en fonction des gammes de fréquence (ou de longueur d'ondes). Par longueur d'onde décroissante, ce sont :

• les ondes radio et les ondes radar sont produites par des courants électriques haute fréquence ;

• les ondes infrarouges, la lumière visible et le rayonnement ultraviolet sont pro-duits par des transitions électroniques

dans les atomes, concernant les élec-trons périphériques, ainsi que par le rayonnement thermique ; les ondes ul-traviolettes ont des effets sur la peau (bronzage, coups de soleil, cancer de la peau) ;

• les rayons X peuvent être par exemple produits par radioactivité (désintégration d'un noyau atomique instable), par frei-nage d'électrons (tube à rayons X) ou par rayonnement synchrotron (par dévia-tion de faisceau d'électrons relativistes); les rayons X durs correspondent à des photons de plus haute énergie, et les rayons X mous à des photons de plus faible énergie ;

• le rayonnement γ est produit par radio-activité ; ils peuvent exciter les noyaux des atomes et provoquer des réactions nucléaires.

Décomposition de la "lumière blanche"

Si on envoie un faisceau de lumière blan-che sur la face d’un prisme voilà ce qu’on obtient :

La lumière subit deux réfractions et ce phénomène illustre que :

• La lumière blanche est composée de plusieurs longueurs d’onde ;

• l’indice du milieu (et donc la déviation par réfraction) dépend en fait de la longueur d’onde.

La longueur d’onde la plus déviée est le bleu, la moins déviée est le rouge.

Spectre de la lumière blanche

Sur cette figure on montre le spectre de décomposition de la lumière blanche où on indique les longueurs d’onde en nm.

Arc-en-ciel

On peut observer l'effet d'arc-en-ciel toutes les fois où il y a de l'eau en suspension dans l'air et que la lumière du soleil brille derrière l'observateur. Les arcs-en-ciel les plus spectaculaires ont lieu lorsque la moi-tié du ciel est toujours obscurcie par les

nuages mais que l'observateur est à un endroit où le ciel est clair. Un autre endroit commun où l'on peut voir cet effet est à proximité de chutes d'eau. On peut aussi créer artificiellement cet effet en dispersant des gouttelettes d'eau dans l'air pendant un jour ensoleillé (lors d'un arrosage par exemple).

L'arc-en-ciel est provoqué par la disper-sion de la lumière du soleil par des gouttes de pluie approximativement sphériques. La lumière est d'abord réfractée en péné-trant la surface de la goutte, subit ensuite une réflexion totale à l'arrière de cette goutte et est réfractée à nouveau en sor-tant. L'effet global est que la lumière en-trante est réfléchie vers l'arrière sous un angle d'environ 40-42°, indépendamment de la taille de la goutte. La valeur précise de l'angle de réflexion dépend de la lon-gueur d'onde (la couleur) des composan-tes de la lumière. La lumière bleue est ré-

fractée à un plus grand angle que la lu-mière rouge, mais en raison de la réflexion totale, la lumière rouge apparaît plus haut dans le ciel et forme la couleur externe de l'arc-en-ciel.

Un arc-en-ciel n'a pas réellement d'exis-tence physique mais est une illusion opti-que dont la position apparente dépend de la position de l'observateur. Toutes les gouttes de pluie réfractent et reflètent la lumière du soleil de la même manière, mais seulement la lumière d'une petite partie des gouttes de pluie atteint l'œil de l'observateur. C'est l'image formée par la lumière de ces gouttes de pluie que nous voyons sous forme d'arc-en-ciel.

Sa position est toujours dans la direction opposée au soleil par rapport à l'observa-teur. Le centre de l'arc est toujours dans la direction de l'ombre de l'observateur ; l'arc lui-même apparaissant sous un angle ap-proximatif de 40-42° au-dessus de cette ligne soleil-observateur-centre de l'arc.

Parfois, un second arc-en-ciel, moins lu-mineux, peut être aperçu au-dessus de l'arc primaire. Il est provoqué par une dou-ble réflexion de la lumière du soleil à l'inté-rieur des gouttes de pluie et apparaît sous un angle de 50-53°.

En raison de la réflexion supplémentaire, les couleurs de ce second arc sont inver-sées par rapport à l'arc primaire, avec le bleu à l'extérieur et le rouge à l'intérieur.

D'un avion on peut voir le cercle entier de l'arc-en-ciel avec l'ombre de l'avion en son centre. Cela se voit aussi lors du survol

d'un nuage, comme on peut le voir sur la photo.

Les mécanismes de la vision

L’oeil

L’humeur aqueuse et l’humeur vitrée jouent un rôle fondamental dans la focali-sation de l’image sur la rétine grâce au phénomène de réfraction.

Des vaisseaux sanguins pénètrent dans l’œil en passant par une région circulaire décolorée de la rétine appelée le disque optique. Étant donné l’absence de photo-récepteurs à cet endroit, l’œil y est insen-sible à la lumière, tout comme d’ailleurs à l’endroit où passent les plus gros vais-seaux sanguins. C’est pour cette raison que le disque optique reçoit aussi l’appel-lation de point aveugle. Pourtant, nous ne ressentons pas d’interruption dans notre champ visuel au point aveugle car le cer-

veau « compense » d’une certaine façon la perception visuelle à ces endroits.

Au centre de la rétine se trouve une partie plus sombre, la macula, qui est pratique-ment dépourvue de vaisseaux sanguins afin d’optimiser la vision centrale (par op-position à la vision périphérique). Au cen-tre de la macula, une petite dépression crée une tache noire d’environ 2 mm de diamètre. C’est la fovéa, le point de la ré-tine constitué exclusivement de cônes où l’acuité visuelle est la meilleure.

La courbure de la cornée accentue aussi la réfraction des rayons lumineux virtuel-lement parallèles provenant d’objets très éloignés. Les rayons qui arrivent au centre de la cornée la frappent perpendiculaire-ment et, n’étant pas déviés, continuent tout droit jusqu’au centre de la rétine. Les autres rayons qui arrivent sur la courbure de la cornée seront déviés vers l’intérieur et arriveront exactement sur le même point central de la rétine pour former une image

au foyer chez la personne qui n’a pas de troubles de la vision.

Si la cornée est responsable de la ma-jeure partie de la réfraction de la lumière dans l’œil, le cristallin contribue égale-ment, mais dans une moindre mesure, à réfracter les rayons lumineux venant de loin pour qu’ils convergent en un seul point sur la rétine.

Mais à plus courte distance, à partir de 9 mètres et moins environ, le cristallin joue un rôle beaucoup plus actif pour nous ai-der à faire la mise au point. Car dans la formation de l’image des objets plus rap-

prochés, les rayons qui parviennent à l’œil sont plutôt divergents et la réfraction doit être plus forte pour les faire converger sur la rétine. Cette mise au point supplémen-taire se fait par la modulation de la forme du cristallin.

Troubles de la vision

Plusieurs troubles de la vision peuvent surgir quand les rayons lumineux ne con-vergent pas exactement sur la rétine.

Si le globe oculaire est trop court d’avant en arrière par exemple, les rayons conver-gent au-delà de la rétine. Ce défaut appelé hypermétropie se corrige en plaçant une lentille convexe devant l’œil, lentille qui va accentuer la convergence et ramener le foyer sur la rétine.

Dans le cas de la myopie, la convergence se fait en avant de la rétine lorsque le globe oculaire est trop long par exemple. On corrige la myopie par le port de verres concaves.

Un autre trouble de la vision, la presbytie, vient d’un durcissement du cristallin lié à l’âge. Ce durcissement diminue l’élasticité du cristallin, l’empêchant de prendre une forme suffisamment arrondie lors de l’ac-commodation, et de s’aplatir assez au cours de la relaxation. La correction de la presbytie fait appel à une lentille bifocale, la partie supérieure étant concave pour la

vision de loin, et la partie inférieure con-vexe pour la vision de près.

Synthèses additive et soustrac-tive des couleurs

Synthèse additive

On parle de synthèse additive quand - pour construire une couleur - on utilise

plusieurs lumières colorées de base (le rouge, le vert et le bleu). La synthèse ad-ditive se fait par projection de ces lumières colorées sur un support .

Les couleurs de base additionnées don-nent le blanc. Leur absence donne le noir.

Compositions deux à deux :

Rouge Vert Bleu

Rouge Rouge Jaune MagentaVert Jaune Vert CyanBleu Magenta Cyan Bleu

Un exemple traditionnel de la synthèse additive sont les écrans cathodiques ou

LCD où un point blanc est composé de la combinaison de points lumineux colorés proches les uns des autres.

Synthèse soustractive

On parle de synthèse soustractive quand — pour construire une couleur — on utilise plusieurs couleurs de base (le plus sou-vent le cyan, le magenta et le jaune) en retirant directement leurs couleurs de la lumière (par exemple avec des filtres colo-rés).

La synthèse soustractive des lumières colorées peut aussi être réalisée par diffu-sion de la lumière par des objets. En effet, un objet ne peut diffuser une lumière que si la couleur de celle-ci est comprise dans sa propre couleur, sinon il l'absorbe. Par exemple, un objet jaune peut diffuser non seulement une lumière jaune mais aussi des lumières verte et rouge (synthèse ad-ditive). Par contre s'il est éclairé par une lumière bleue il sera vu gris (foncé) car il

ne peut pas la diffuser. Les objets blancs ont la propriété de diffuser n'importe quelle lumière colorée donc ils sont vus de la couleur de la lumière qui les éclaire (quelle est la couleur du cheval blanc d'Henri IV ? Cela dépend !)

La méthode est moins rigoureuse que la synthèse additive, car il n'existe pas dans la nature une lumière blanche mais des lumières blanches, chacune ayant sa tem-pérature de couleur.

Les couleurs de base retirées ou sous-traites donnent le noir. Aucun retrait laisse le blanc de base.

Trichromie

La trichromie est le principe (utilisé no-tamment en photographie, en cinéma, et en télévision) permettant de reproduite toutes les couleurs à partir de trois seule-ment.

On utilise les propriétés biologiques de l'homme, et sa façon de voir les couleurs. L'homme est une espèce trichromate, car son œil possède trois sortes de cônes, chaque type de cône ayant une sensibilité différente aux différentes longueurs d'onde qui composent le spectre de la lumière visible.

En trichromie :

• pour un ensemble de primaires correc-tement choisies,

• pour une lumière donnée monochromati-que ou non,

il existe une combinaison des primaires telle que la combinaison des primaires procure la même sensation (même cou-leur) que cette autre lumière. La trichromie permet donc la synthèse et la reproduction satisfaisantes des couleurs.

Vision des couleurs

•La perception des couleurs est le résultat d'une interprétation par le cerveau des informations lumineuses (localisation et composition de la lumière) reçues par l'œil, au moyen de « capteurs » différen-

ciés, sensibles à des plages de longueur d'ondes différentes.

Chez l'homme, la vision diurne s'effectue grâce aux cônes de la rétine, répartis en cônes sensibles au rouge, cônes sensibles au vert, et cônes sensibles au bleu. Le spectre visible, variable suivant les indivi-dus, comprend généralement les rayon-nements dont la longueur d'ondes est comprise entre 380 nm (limite de l'ultra-violet) et 780 nm (limite de l'infra-rouge) ; la sensibilité maximale correspond à un rayonnement de 555 nm (vert-jaune).

La vision nocturne s'effectue principale-ment grâce aux bâtonnets de la rétine, beaucoup plus sensibles que les cônes ; ils ne permettent pas, à eux seuls, de dis-tinguer les couleurs, et leur sensibilité maximale correspond à un rayonnement d'environ 500 nm (vert).

Persistance rétinienne

Un certain nombre d’illusions visuelles est dû au phénomène de la persistance réti-nienne.

La Persistance rétinienne est la capacité ou défaut de l'œil à conserver une image vue. Ceci est du en partie au temps de traitement biochimique du signal optique. En effet quand un photorécepteur (cône, bâtonnet) reçoit de la lumière, une cas-cade de réactions bio-physico-chimiques

se déclenchent. Avant que ce photoré-cepteur puisse à nouveau traiter de l’in-formation, il lui faut du temps. On admet ainsi que le système visuel ne peut pas séparer des événements en dessous du dixième de seconde.

Le cinéma se sert de la persistance réti-nienne pour donner l'illusion du mouve-ment.

Les tâches noires qu’on “voit” après avoir fixé une source de lumière intense illus-trent ce phénomène.

La chambre noire

Planche de l'Encyclopédie de Diderot sur la camera obscura

Le principe de base d’un appareil photo-graphique est celui de la chambre noire (camera obscura) où une image est con-centrée par un objectif sur un support im-pressionnable (un film, un verre ou un capteur numérique).

La camera obscura, ou chambre noire, est un procédé optique permettant d'obtenir une projection de la lumière sur une sur-face plane, c'est-à-dire d'obtenir une vue en deux dimensions très proche de la vi-sion humaine.

Le principe

Le principe de base est très simple : la lu-mière est réfléchie par les objets dans tous les sens ; si l'on place une feuille blanche à un endroit, chaque point de la feuille reçoit des rayons lumineux issus de tous les objets alentours qui se mélangent et se combinent (synthèse additive). La feuille apparaît donc blanche (ou de la couleur éclairant l'environnement modifié par la teinte majoritaire alentour).

Dès lors, il suffit de filtrer la lumière exté-rieure de façon à ce qu'elle ne rentre que par un seul point dans une chambre obs-cure, la lumière continue son chemin en ligne droite jusqu'à rencontrer la feuille blanche : chaque point de la feuille n'est éclairé que par le rayon issu d'un seul

point d'un objet. On voit se former l'image inversée de la réalité extérieure sur la feuille.

Le principe en est décrit dès Aristote et plusieurs fois évoqué par des auteurs du XIIIe siècle (Roger Bacon, Guillaume de Saint-Cloud).

Mise en œuvre

Pourtant on ne commença à utiliser cet appareil qu'au XVIe siècle, notamment pour des travaux topographiques. On éla-bora un dispositif portable afin de pouvoir suivre les contours de l'image projetée sur une feuille de papier ou une plaque de verre et de la reporter sur un autre sup-port.

En 1515, Léonard de Vinci explique : En

laissant les images des objets éclairés pé-

nétrer par un petit trou dans une chambre

très obscure tu intercepteras alors ces

images sur une feuille blanche placée

dans cette chambre. [...] mais ils seront

plus petits et renversés.

La camera obscura est progressivement perfectionnée par l'ajout d'une lentille (vers 1550) puis d'un diaphragme et parfois d'un miroir incliné à 45°, l'ancêtre du reflex.

C'est ce procédé qui sera utilisé par la photographie en remplaçant l'écran par une surface photosensible fixant la lu-mière. Dans le cas d'une camera obscura simple, sans diaphragme ni lentille, l'appa-reil photographique ainsi constitué se nomme un sténopé.

Sources

http://fr.wikipedia.org/

http://perso.wanadoo.fr/olivier.granier/optique/liens.html

http://www.lecerveau.mcgill.ca/ (Site en copyleft)

Les images réputées “libres de droits” utili-sées dans ce document ont été téléchar-gées sur :

http://commons.wikimedia.org/

Les dessins géométriques ont été réalisés avec le logiciel Géogébra :

http://www.geogebra.at/