Biophysique de la vision PDF

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Biophysique sensorielle de la vision Dioptrique oculaire - Acuité visuelle Objectifs - La lumière - Les dioptres sphériques - L’anatomie optique de l’œil - Acuité visuelle - Les troubles de la réfraction - La transduction rétinienne - Vision des couleurs

I.

La lumière

Ce sont 2 variables couplées qui se poussent l’une et l’autre. Un champ magnétique qui varie crée un champ électrique et inversement. La lumière est une onde électromagnétique (Maxwell 19es) une association d’un champ électrique et d’un champ magnétique orthogonaux qui met environ 1s pour trajet Terre-Lune soit :  C = 3. 108 m.s-1 Si la lumière va à la même vitesse, c’est que le temps et l’espace sont modifiés. L’addition des vitesses dans le train ne fonctionne pas avec la lumière. Dans les milieux réels la lumière est différente. n = indice du milieu. Dans les tissus transparents la célérité est plus faible, l’indice du milieu est le rapport des vitesses :  n=c/v vide : n=1 / air : n = 0,0029 ≈ 0 La lumière est un cas particulier d’onde électromagnétique. Les courants électriques à 50Hz, engendrent un courant magnétique perpendiculaire au premier, ces ondes sont mesurables. 2 GHz : téléphone portable. Tout corps chaud génère de la lumière surtout un corps ayant la T° du soleil = 6700°C en surface arrive au corps noir. Les rayons infra-rouges transmettent de la chaleur, elles s’étendent de 10-6 à 10 -4m. Le domaine du visible est le domaine de la lumière, il se situe entre 400 et 800 nm. L’atmosphère n’est plus transparente. Dans les UV proches : A partir d’une certaine énergie, les photons interagissent avec les électrons, les rayonnements deviennent ionisants, ils acquièrent un effet chimique, dangereux pour la vie, les cellules, l’ADN, en dessous on a des énergies non ionisantes.  Les pigments rouges sont photo-détruits par la lumière ambiante. Rayons X et γ dangereux.

1. Description d’une onde    

ν = fréquence : nombre de tours par seconde et ν = 1 / T (période) ω = Pulsation : 2π .ν (parcourt de l’onde en 1s) λ = Longueur d’onde = c/ν = c.T K = Nombre d’onde = nombre de longueurs d’ondes contenues dans 2π mètres : K = ω / C = 2π / λ

Equation type d’une onde : si elle se propage dans l’axe z (direction de la propagation):

Ex = Eox. Cos (ωt – kz) Amplitude = amplitude du champ en Volt/m ou en Tesla.  Une onde qui se propage = t-z/c temps que met l’onde pour arriver à z.

2. Le concept de photon Energie minimum de lumière : h.ν Infrarouge : nous réchauffe On envoie de la lumière sur des plaques de métal dans des tubes à vide, on mesure le courant qui en résulte : pour certains types de lumière, on n’obtient pas de courant (lumière rouge) alors que les UV (éclaire les plaques et met une ddp entre une cathode et regarde s’il existe un courant ans le vide) entrainent un courant important avec une électrode et des champs électriques qui permettaient d’aspirer les électrons : que avec la lumière violette, pas la lumière rouge, ça ne dépend pas de la quantité de lumière rouge qu’on mettait. Quand on change la fréquence de la lumière, certaines ne font pas sortir d’électrons, d’autres oui (P.Lénard). Ce courant était proportionnelle à la quantité de lumière qui arrivait mais quand on changeait la lumière non.  Photocourant = Courant électrique dans le vide provoqué par une lumière. Einstein explique que la lumière n’est pas une vague mais est composée de grains d’énergie (ayant une énergie quantifiée), qui ont ou pas suffisamment d’énergie pour faire sortir les électrons. L’effet photoélectrique, l’énergie ne vient pas sous forme continue comme des vagues, il y a une valeur minimum, qui correspond à une quantité d’énergie minimale : le photon.  La lumière est transmise par grain d’énergie qui a une valeur E = h.ν : elle est donc quantifiée. Si les boules de billards n’ont pas l’énergie suffisante pour arracher les électrons et peut mettre autant de force si les photons n’ont pas d’énergie on observera rien (Obtient prix Nobel de physique pour l’effet photoélectrique). Interprétation les ondes électromagnétiques (= lumière) se comportent comme des particules d’énergie E quantifiée. E = hv Parfois la lumière est une sinusoïde et d’autre fois, des grains d’énergie.

3. Les sources de lumière a) Corps chauds (le plus courant) ère

1 source de lumière : Le soleil. La fabrication de la lumière se fait à la surface du soleil à 6000°K. Quand les atomes ont une certaine T° les niveaux d’énergies sont couplés au niveau électromagnétique. Un corps chaud entretient autour de lui un nuage de photon avec une T° lui correspondant. Loi de Planck donne la répartition des spectres énergétiques des photons en fonction de leur T°. Un corps noir émet de la lumière uniquement par sa température. La nuit, on peut percevoir des corps chauds. Quand on a un corps très chaud, les atomes et molécules s’agitent beaucoup : Agitation thermique. Les photons sont porteurs de charges, ce sont des sources de champs électriques, comme une antenne : Quantité importante de lumière produite, ces charges qui s’agitent sont couplées avec des ondes électromagnétiques, ce sont des photons thermiques.

Si on met un objet froid et un chaud dans le vide : le chaud envoie des photons qui réchauffent petit à petit le corps froid selon le 2 nd principe de la thermodynamique. Plus c’est chaud, plus ça bouge vide, plus il émet des IR. Tout corps qui n’est pas à la température absolue de 0°K agite ses électrons, l’agitation provoque un champ Em. Statistique qui relie le spectre lumineux avec la température.  Quand la T°C augmente, l’énergie lumineuse augmente. Un radiateur en fonte produit des IR. (Elles chauffent mais on ne les voit pas, lunettes IR pour repérer un individu). La couleur du corps est indicative de la température qu’elle atteint. Un corps humain émet des rayons infrarouges. Braise : atteint le rouge. Acier : rouge orange jaune puis blanc : spectre de plus en plus large. Le soleil est jaune, vert : représenté par la courbe du bas sur le graphique, E = 6000K production d’énergie lumineuse énorme même si la distance Terre-Soleil est importante, il est dangereux de regarder la source lumineuse, les rayons altèrent certaines parties de l’œil. Energie maximale de rayonnement = vert = 555nm. - Les étoiles rayonnent dans le bleu (UV) = 12 000°C  Loi des spectres du corps noir. -

b) 2e type de lumière : les cascades électroniques : transitions quantiques Les excitations électroniques redescendent, émettant de la lumière (photons pour libérer l’énergie absorbée), fréquence particulière de spectres de raies. Les électrons peuvent transiter d’un niveau à l’autre, la transition se fait sous forme de photons. Les photons énergétiques montrent des séries de transitions. Exemple : Lampes à vapeur de sodium (on excite un gaz de sodium). Idem pour le Néon. Si on excite n’importe quel atome, il a des transitions qui le font descendre. Quand l’intervalle de redescente est dans les quelques eV on est dans le domaine du visible (400nm  800nm). Entre 0,75 micron et 1,5 micron on passe du rouge au bleu. - Série de Lyman à 10eV c’est de l’UV. - Série de Balmer à 1,9eV : visible. - Série de Paschen : IR.  Les sources lasers utilisent ces transitions.

4. La transparence de l’atmosphère Courte λ = γ + RX Les UV sont arrêtés dans la haute atmosphère par l’ozone. Quand les UV interagissent en haute atmosphère avec H aboutie à la création de l’O3. Il y a peu d’UV qui descendent jusqu’au sol mais y en a quand même expliquant le bronzage, les cancers de la peau et la lumière est un des principaux facteurs de vieillissement de la peau. L’atmosphère est indispensable à la vie. Elle a des degrés de transparence variable en fonction des ondes électromagnétiques. -

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L’atmosphère n’est pas transparente à toutes les ondes électromagnétiques, elle présente une grande opacité vis à vis des rayons γ. Ils sont arrêtés par la haute atmosphère. La couche d’ozone nous protège des UV, permet d’éviter les cancers cutanés. Une grande partie des rayons visibles passent au travers, ils sont non ionisants. Les IR passent mal, les ondes radio passent, elles nous permettent de correspondre avec les satellites.

Les longueurs d’onde les plus basses sont dans le rouge et les plus énergétiques dans le bleu. Les ondes lumineuses subissent les lois de la réfraction. Notre vision s’est donc développée dans le domaine visible. L’atmosphère est très transparente dans la lumière visible. Le développement des organes sensitifs a permis de voir le rouge et le bleu. Quand les longueurs d’ondes augmentent la vapeur d’eau, l’éclairage atmosphérique disparait. Les ondes radios sont aussi transparentes utiles en astronomie.

5. Pourquoi les objets ont-ils une couleur ? Interactions de la lumière : Energie diffusée par les objets : Une feuille absorbe le bleu et le rouge : elle diffuse et réfléchit le vert (non absorbés). Une source lumineuse arrive sur un objet, qui a des propriétés de diffusion de la lumière différente selon la couleur. La chlorophylle par exemple absorbe préférentiellement le bleu et le rouge et diffuse le vert. Chaque couleur, chaque fréquence a un taux de réflexion et de diffusion qui lui est propre entre 0 et 100. Réflexion a une direction différente.

6. La couleur du ciel Si on est du côté de la Lune même la journée le ciel est noir. La couleur bleue vient du voisinage de la terre : l’atmosphère. La lumière diffuse à travers l’atmosphère via une diffusion de Rayleigh. La fréquence du bleu est 2 fois celle du rouge . Elle est lumineuse à condition d’être éclairée par le soleil. Les rayons bleus sont privilégiés par rapport aux autres, parce que la diffusion de la lumière est proportionnelle à la fréquence à la puissance 4. La fréquence du bleu vaut 2 donc le bleu est 16 fois plus diffusé que le rouge . Les rayons directs qui viennent du soleil le soir ont traversé plus de distance dans l’atmosphère, le soleil devient alors rouge, amputés du jaune, vert, etc. si le rayon est tangentiel, on voit un rayon vert (rarement visible !). Le ciel bleu : si le sujet regarde dans une direction différente du soleil, le ciel est bleu. Le soleil envoie des photons interagissant avec l’atmosphère et il est bleu. Interaction = diffusion de Rayleigh. Dans l’atmosphère il y a des gaz, H et azote : ces fluctuations de concentrations en sont à l’origine. La diffusion est proportionnelle à v4. - Si on a des molécules et regardent la diffusion liés aux rayons rouge = 1 unité arbitraire. - Le bleu est 2 fois plus élevé que le rouge (=16). Si fait 2 4 => bleu est 16 fois plus diffusé que le rouge. Quand on va très haut en altitude la couche d’atmosphère étant plus faible le ciel devient plus sombre. Quand on est très haut le ciel est noir car il n’y a plus de diffusion de Rayleigh possible, même la journée.

II.

Quelques définitions

Réflexion – réfraction Pour voir quelque chose on doit avoir dans un premier temps des sources de lumières (rayons). Le rayon incident arrive sur une surface, les rayons sont soit transmis, soit réfléchis. Ceux réfléchis permettent de voir la couleur de la surface.

Faisceau incident rencontre une interface : dioptre : surface séparant 2 milieux dont les propriétés optiques sont différentes. Faisceau réfléchi dans un milieu incident : reste dans le même milieu que le rayon incident. Faisceau réfracté : faisceau (énergie) qui change de milieu. Angle de réfraction dépend des indices selon la loi de Descartes (sur surface plane téta 1 = téta 2). Air : n = 1 Eau : n =1,5  Réflexion et un 2ème rayon (loi de Descartes) est réfracté avec un angle différente.

Diffusion : Une onde lumineuse rencontre une multitude de réflecteurs (diffuseurs) de petite taille, l’énergie lumineuse repartie dans toutes les directions à chaque interaction. Perte de la direction d’origine, diffusion dépend de la longueur d’onde.  Les diffuseurs ne se comportent pas comme des miroirs.  La lumière nous entoure complètement, c’est de la lumière diffuse. Un ciel nuageux où on ne sait plus où est le Soleil. La lumière est arrivée dans la masse nuageuse qui a répartie les rayons dans toutes les directions = lumière diffuse. La lumière diffuse quand elle rencontre des milliards de dioptres, pleins d’interfaces différentes et interagie en permanence avec son milieu.

2 grandes classes de diffusions : - Diffuseurs < λ : la diffusion se fait partout : diffusion de Rayleigh (isotrope). Ex : molécules d’air (N2 ou O), c’est pour ça que le ciel est bleu car les molécules d’air sont petites devant la longueur d’onde. - Diffuseurs ≈ λ (= taille des objets) : diffusion de Mie (vers l’avant) pas de perte d’information concernant l’origine de l’onde (un peu plus vers l’avant). Les longueurs d’ondes sont à peu près diffusées de la même manière.  Dans un bol de lait : quand la lumière rencontre une gouttelette de graisse (~longueur d’onde) en donnant de la lumière dans toutes les directions : le spectre diffusé est à peu près le même que le spectre incident. Le lait et la neige sont blancs car transmettent le spectre de la lumière blanche (c’est la taille qui le permet).  Dans la diffusion de Rayleigh, la diffusion est proportionnelle à ν4 : le nuage est fait de gouttelettes d’eau : Diffusion de Mie (il est blanc).

III.

Lentille optique

Si on envoie une onde plane et veut que tous les rayons lumineux arrivent au même endroit, il faut que tous les parcours aient la même durée. Faire en sorte que les trajets directs les plus court aient un lent chemin et ceux ayant un long trajet aient une vitesse rapide.  n> 1 donc la lumière ralentit dans la lentille. Le faisceau 1 a plus de trajet mais comme il va plus vite il met le même temps pour le faire (plus vite car il traverse moins de matière). Loi de Descartes : les ondes lumineuses suivent le trajet qui minimise les ondes parcourues. - Centre optique de la lentille O

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Foyer F = endroit où se focalisent l’ensemble des faisceaux lumineux parallèles provenant de l’infini. Distance focale = distance OF.

Cair = Cvide = 1 On veut focaliser donc on veut que l’onde soit courbée en passant la lentille, on ne sait pas accélérer mais on peut ralentir une onde . L’onde qui arrive au centre est plus lente, celle qui arrive aux bords est plus rapide donc on a une focalisation en un point. L’indice dans le verre ≈ 1,5. Quand un rayon lumineux arrive à une interface entre l’air et le verre (dioptre) il y a défection du faisceau. Lorsque le dioptre est sphérique, les faisceaux lumineux convergent en un point. Au niveau du front d’onde, on arrive dans un milieu qui ralentit la lumière , le front d’onde sortant du dioptre est très ralenti, donc converge vers le foyer.

1. Différents types de lentille Les lentilles divergentes rapetissent , les convergentes grossissent. Divergente = myope Convergente = hypermétrope. - Bord mince = convergentes car le trajet le plus important est celui au centre de la lentille et les ondes sont ramenés vers l’axe. - Bord épais = divergentes car les trajets les plus rapides sont ceux du centre.

Lois qui expliquent le fonctionnement des lentilles : Dioptres sphériques dans l’air : Dans un système optique, A et A’ sont 2 points conjugués si les rayons lumineux passant par A se croisent aussi en A’. Application : Objet très loin > 5m, les rayons lumineux sont parallèles  1/OA’ – 1/OA = 1/f (la distance focale de la lentille en mètre). Ce sont les inverses des distances qui comptent et non la distance. La barre indique les distances sont orientées (axe des abscisses orienté) Ex : OA est négatif et OA’ est positif et f est aussi + ou -.  Les lentilles divergentes ont des flèches dans l’autre sens.  Les lentilles convergentes sont + et les divergentes sont -. Lorsqu’on a un objet à l’infini A (OA = -l’infini) son image se situe dans le plan focal image, la distance se situe au foyer de la lentille. (Infini = grand son inverse = 0 : A’ = f’). Vergence : inverse des distances  1/f = puissance ou vergence de la lentille : unité = m-1 = dioptrie. Ex : +3D convergente f=33cm = 1/3m => OF’ = 33cm les rayons provenant de l’infini se croisent de l’autre côté de la lentille. Met les flèches dans le sens usuel (bords minces).

Si la source lumineuse est à l’infini, les rayons lumineux se focalisent au foyer. Donc si on regarde avec une loupe on peut bruler une feuille de papier. Lentille à bords épais (divergente) : si envoie des faisceaux parallèles, f- 3 D myopie) 10 min 1/ 10 - 3 D - Quelqu’un qui voit a 10/10 e voit des détails 10 e 5 min 2/ 10 - 2 D fois plus petits que quelqu’un qui a 5/10 e e e 2,5 m in 4/ 10 1 D - 2/10 = 1/5 de 10/10 = 5min d’arc. 1,66 min 6/ 10 - 0,5 D - 9/10e : à peine corrigeable 1,11 min - 0,25 D e 9/ 10 - 6/10 : pas énorme mais utile de nos jours : conduire / Pc - Si on a 2/10e leur AV est 5 fois moins bonne que la normale. Cette AV sans correction, décroit très vite. - 5/10e c’est voir 2 min d’angle. - Si on a une petite myopie de 2 D, sans correction on ne voit que 2/10 e Une faible AV se mesurant avec des verres à -3D on a 1/10 e. Des gens voient moins bien qu’1/20e, donc on leur demande de compter les doigts à 5m, 3m, 1m… il est différent d’être dans la cécité totale (noir) ou d’avoir des perceptions lumineuses, il peut savoir de quel côté il y a de la lumière. Pour faire un trajet connu c’est différent. Avoir quelques éléments de vision est une hiérarchie dans le handicap. ième

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LogMAR : L’AV s’exprime maintenant en LogMAR : Decimal Logarithm of Minimum Angle Resolution. Pour des raisons statistiques sur la population. LogMAR = - log (AV décimale) AV décimale = 10(-logMAR) Exemple : minimum séparable à 2min d’arc : AV = 5/10ème -log(0,5) = log 2 = 0,3 Donc 5/10ème correspond à 0,3 LogMAR Idem 1/10ème correspond à 1 logMAR

Optotype : objet standardisé fait que chaque détail vaut 1min d’angle, le E avec fond noir sur fond blanc. Visualiser les optotypes à 5m. Le E fait 7 mm de haut.

AV en vision de loin : monoculaire puis binoculaire, inventé par Ferdinand. Le plus utilisé : échelle de Monoyer. En partant du bas : 1ère ligne : 1/10e, 2ème ligne : 2/10e jusqu’à 10/10e.  Optotypes à une distance de 5m. AV en vision de près : - Même principe - En pratique : échelle de Parinaud : chaque alinéa correspond à une valeur donnée de l’AV, notée P14 à P1 (valeur normale : P2).  Test optométrique : Distance de lecture = 33cm . S’il lit Parinaud 2 il voit encore.

Réfraction Trouble de la vision : l’œil ne forme pas des images de qualité suffisante sur la rétine (cause de baisse de la vision : association alcool/tabac). - Œil emmétrope = Normal - Œil myope / hypermétrope = Amétropies sphériques. - Œil astigmate = Amétropie non sphérique.

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Œil presbyte : vieillissement du cristallin (pas une maladie).

Le parcours d’accommodation : [PR - Vision nette - PP – œil] Pouvoir d’accommodation = PR – PP (en dioptries ou cm) zone dans laquelle un œil donné est capable d’avoir une vision nette. Si voit nette à l’infini (œil normal) le PR a reculé à -20cm son parcourt d’accommodation 0D et -5D : 0-(-5) = 5D. - PR : Punctum Remotum : correspondant optique de la rétine pour un œil au repos. Œil normale : 0 dioptries donc PR = à moins l’infini. - PP : Punctum Proximum : correspondant optique de la rétine pour un œil en accommodation maximale. Œil normal à 20 ans : -10 Dioptries donc PP à -10cm La myopie :  œil trop long ou puissance convergente trop forte.  Le point focal est en avant de la rétine. Œil myope : Converge trop fort par rapport à sa longueur. Si l’image est à l’infini, l’image se forme en avant de la rétine. Œil trop long / courbures trop fortes.  On quantifie les amétropies en PP. Dans l’autre sens : On regarde le PR de l’œil, si il a encore une image nette au repos, le PR est trop près, le myope voit mal de loin. Le degré de myopie est lié à la distance du PR. o – 2m en avant de l’œil : -0,5D degré de myopie. o - 1m : -1D o - 0,5m : -2D Myope fort a -8 dioptries  ne v...