Cours sur la physique de la vision PACES (première année de médecine)

Thèmes abordés

Cours, physique de la vision, PACES, médecine, vision, perception visuelle

Résumé du document

Aspect ondulatoire dc Rayonnements très énergétiques
Equations de Maxwell = association champ électrique périodique sinusoïdal E et champ magnétique sinusoïdal B de même période et qui lui est perpendiculaire (E=c.B)
Lumière = onde EM, vibration transversale, fréquence élevée donc période faible, longueur d'onde en m, bande étroite du spectre (lumière visible 400-700nm,
lumière atteignant la rétine 350-1400nm), transport NRJ sans transport de matière.
Fréquence fixe (lumière monochromatique) ou gamme de fréquences (polychromatique).

Extraits

[...] Dioptre stigmatique = objet ponctuel donne image ponctuelle (conjugués) Dioptre sphérique = Approximation de Gauss dioptre stigmatique si faisceau intérieur est étroit (pinceau) et paracentral (peu incliné sur l'axe du dioptre) n Puissance d'un dioptre D = en dioptrie r=SC r Puissance diminue distance focale image courte et augmente convergence Foyers et distances focales Image Foyer image (point à l'infini) = réel (dioptre convergent) ou virtuel (divergent) Distance focale image f = -n1/D Objet = Foyer objet + Distance focale objet = n2/D Convention de signe = axe SC de gauche à droite (sens des rayons lumineux), origine des abscisses = S (sommet du dioptre), dioptre convergent = SC+ (Puissance lentille convexe), divergent = (Puissance lentille concave) Rayons remarquables Rayon qui passe par centre optique n'est pas dévié Rayon qui arrive parallèle à axe optique passe par foyer image du syst Rayon qui passe par foyer objet du syst ressort parallèle à axe optique Proximité P = 1/d Objet : P0 = 1/d0 / Image : Pi = 1/di (distance au dioptre en P0 + nPi = D si milieu d'indice n1 est l'air Champ visuel = haut, bas, nasal, 100° temporal Vision binoculaire f1 et f2 sont correspondants car intersection f-C (centres visuels) au niveau de fovéa 2 points a1 et a2 sont correspondants si image sur le cercle (relief) sinon image dble Dioptres de l'oeil Dioptre cornéen ant = air / cornée (n=1,377) le plus puissant 48 dioptries Dioptre cornéen post = cornée (n=1,377) / humeur aqueuse (n=1,336) faible Dioptre cristallin ant = humeur aqueuse (n=1,336) / cristallin [...]

[...] VISION Le signal physique La lumière Aspect ondulatoire Rayonnements très énergétiques Equations de Maxwell = association champ électrique périodique sinusoïdal E et champ magnétique sinusoïdal B de même période et qui lui est perpendiculaire (E=c.B) Lumière = onde EM, vibration transversale, fréquence élevée (υ=1015Hz) donc période faible longueur d'onde en m bande étroite du spectre (lumière visible 400-700nm, lumière atteignant la rétine 350-1400nm), transport NRJ sans transport de matière Fréquence fixe (lumière monochromatique) ou gamme de fréquences (polychromatique) Aspect corpusculaire = ensemble de photons dont masse au repos est nulle se propageant le long de l'axe Ox (E=hυ) Rayonnements peu énergétiques Dualité onde-corpuscule = à tte onde on peut associer un corpuscule et réciproquement longueur d'onde de Broglie λ=h/(mv) corpuscules de masse faible (particules) Sources lumineuses = primaires (produisent lumière) ou secondaires (renvoient lumière = objets) Rayonnement solaire = UV visible IR Absorption atmosphérique 0-270nm + absorption oculaire 270-350nm et >1400nm Radiométrie = mesure de paramètres physiques Flux énergétique Φ = NRJ transportée par seconde (Watt) Eclairement énergétique ε = Φ ramené à unité de surface puissance surfacique Intensité énergétique I (source ponctuelle) = Φ ramené à angle solide (Watt/Stéradian) I=dΦ/dΩ Brillance énergétique B (source non ponctuelle) = luminance = I ramenée à la surface de la source (Watt/m².Stéradian) Angle solide = surface découpée par un cône sur une sphère de centre O (sommet du cône) et de rayon égal à l'unité Stéradian = angle solide pour lequel la surface découpée est II] Le message sensoriel Système monochromatique Sensation lumineuse codée par 3 qualités physio Luminance L = intensité de la lumière perçue (associée à brillance) Tonalité = teinte de lumière perçue qualité chromatique (associée à λ dominante) Saturation = % de blanc qui délave une teinte donnée qualité chromatique (associée à facteur de pureté p = Lλ/Lλ+LW) L = Lλ + LW Photométrie = mesure de la luminance A papillotement (alternance sur une même plage d'une lumière de référence et d'une lumière réglable disparition des couleurs entre 6 et 10Hz, des luminances au-dessus de 10Hz) ou à plages juxtaposées (alternance sur 2 plages voisines de 2 lumières proches en λ égalité des luminance ne veut pas dire égalité des brillances) max Courbe d'efficacité lumineuse (coeff intensité lumineuse V (de 0 à en de λ) : V = Vision photopique λmax=555nm, k=683 (unités photométriques pour 1 radiométrique) Vision scotopique λmax = 510nm, k=1699 (unités photométriques pour 1 radiométrique) L = k V B ; I = k V ϒ ; E = k V ε ; F = k V Φ V=0,402 Unités photométriques PHOTOMETRIE (sensoriel) Intensité lumineuse I en Candela (1cd=1W/sr) Flux lumineux F en Lumen (Candela x stéradian) Eclairement lumineux E en Lux (Lumen/m²) RADIOMETRIE (physique) Intensité énergétique ϒ en Watt/stéradian Flux énergétique Φ en Watt Eclairement énergétique ε en Watt/m² Luminance L en Nits (Candela/m²) Brillance énergétique B en Watt/m²/stéradian Marche nécessite au moins 5lx, lecture environ 150lx Effet Purkinje = différence de sensibilité oeil en vision diurne et nocture récepteurs rétiniens) Vision photopique L>10NITS, vision trivariante couleurs, luminance=sensation lumineuse Scotopique Lrouge (effet Purkinje) Vision crépusculaire = courbe non stable, se déplace progressivement vers courtes λ Seuil différentiel = ΔL tel que L perçu différemment de L+ΔL (papillotement) Loi de BouguerMasson : ΔL/L=cste Seuil absolu et adaptation au niveau de luminance = lien entre sensation lumineuse et cellules photoréceptrices de la rétine (cône+bâtonnets) Adaptation plus rapide de l'ombre à la lumière vive Seuil absolu = plus petite luminance susceptible d'être perçue, dpd de L qui excitait oeil avant Expériences de Hecht = forte luminance (5000-10000NITS) puis obscurité, courbe adaptation obscurité Expérience 1 = plage large (fovea+périphérie) en lumière blanche = adaptation rapie puis cassure et phase lente qui tend vers minimum minimorum Expérience 2 = plage étroite (fovea ou périphérie) en lumière blanche = adaptation rapide mais incomplète pour les cônes (fovea), lente mais plus complète pour les bâtonnets (périphérie) fovéa plus sensible à forte L et moins à faible L Expérience 3 = plage large en lumière chromatique = pas de cassure pour le rouge (n'excite que les cônes), pour les autres couleurs cassure d'autant plus précoce que λ est petite Couleurs et saturation Dispersion lumière blanche par un prisme = déviation plus importante pour rouge que violet Classement des couleurs = sensation de tonalité et saturation 6 couleurs fondamentales (violet 390-455nm, bleu 455-492, vert 492-577, jaune 577-597, orange 597-622, rouge 622-780) + 200 spectrales + 200 échelles de pourpres + teintes rabattues (contracte avec couleur de forte 17000 teintes Mélanges additifs : jaune=R+V ; magenta=R+B ; cyan=V+B ; blanc=R+B+V Mélanges soustractifs : R=jaune-magenta ; V=jaune-cyan ; B=magenta-cyan ; noir=M-J-C Sensibilité différentielle le lg du spectre = plus petite différence Δλ/λ de tonalité (plus faible pour jaune-orangé) Couleurs désaturés = délavées de blanc Superposition de 2 lumières monochromatiques λ1 et λ2 Sensation = couleur blanche 2 lumières sont complémentaires Δλ Δλ de 2 complémentaires tonalité pourpre (complémentR de vert : Lpourpre = LW - Lvert) Système polychromatique Sensation visuelle = superposition 3 teintes primaires : L = LR + LV + LB (rouge 700nm, vert 546nm, bleu 436nm) mélange trichrome moins saturé que la couleur qu'il veut reproduire (plus délavé) Espace chromatique = 3D, plan de même luminance axes correspondant aux 3 primaires sur lesquels on reporte luminance, pour ts les points d'une même droite OM passant par l'origine on a mêmes qualités chromatiques (tonalité et saturation) mais des luminances droites OM des couleurs spectrales autres que les primaires, et les pourpres sont en dehors du trièdre Triangle des couleurs = un triangle pour chaque valeur de luminance, un même point correspond à 2 sensations de même couleur (tonalité et saturation), point caractérisé par 3 coeff trichromatiques IV, IB) Couleurs complémentaires sur positions opposées (vert/pourpre) Droites joignant les complémentaires passent par W (à l'intérieur du triangle mais très excentré, courbe spectrale de toutes les couleurs saturées en dehors du triangle) On modifie les unités des axes des 3 primaires pour que W soit le centre de gravité du triangle Lois de Grassman validité = oeil normal au repos, vision dirune, pas de teintes rabattues L = Lλ + Lw ou L = kL = kL' 1ère loi de Grassman L + = + 2ème loi de Grassman L = LR + LV + LB Lλ + Lw = LR + LV + LB kLλ + kLw = kLR + kLV + kLB IR = LR / (LR + LV + LB) IV = LV / (LR + LV + LB) IB = LB / (LR + LV + LB) IR + IV + IB = 1 IR = IV = IB = 1/3 III] Chaîne de perception visuelle Anatomie L'oeil Paroi formée de 3 tuniques Externe (fibreuse) = sclérotique, transparente en avant (cornée) Moyenne (vasculaire) Choroïde = nutrition + oxygénation, pigments absorbent rayons lumineux ayant traversés la rétine et préviennent phénomène de réflexion. [...]

[...] Neurone 2 = cellules ganglionnaires = parfois connexion avec 1 bipolaire et 1 cône, axones donnent nerf optique Cellules transversales (réseau) = horizontales entre cônes et bâtonnets, amacrines entre bipolaires et ganglionnaires. [...]

[...] SNC Neurone 2 = nerfs optiques, chiasma optiques Neurone 3 = neurone thalamo-cortical Neurone 4 = intra-cortical Milieux transparents de l'oeil Optique géométrique Indice de réfraction n = (vitesse lumière ds vide) / (vitesse lumière ds milieu) Loi de Descartes : n1 sin i1 = n2 sin i2 Dioptre Dioptre = surface séparant 2 milieux d'indices de réfraction dévie rayon qui ne le frappe pas perpendiculairement. [...]

[...] Iris (pupille bleue + iris mauve + cils nouriciers rouges, sites d'attachement des filaments suspenseurs verts/jaunes du cristallin) Corps ciliaire = cils suspenseurs bleus, cristallin marron, fibres zonulaires jaunes Interne (nerveuse) = rétine nerf optique La rétine centrale = fovéa Fovea centralis foveola) = intersection axe visuel-rétine, uniquement des cônes, zone la plus discriminative de rétine (AV = 10/10ème) Région para/périfovéale = prédominance cônes, apparition progressive bâtonnets La rétine périphérique = uniquement des bâtonnets Axe optique : plus les axes optiques divergent, plus les yeux sont latéraux Diaphragme pupillaire = variation entre 3 et 8 mm, fermeture rapide après éblouissement, ouverture plus lente à l'obscurité, si mydriase (très ouvert) sortie des approximations de Gauss (dioptre sphérique stigmatique), si myosis (très fermé) flou de diffraction Cavité oculaire transparence du cristallin due à absence noyau et précision arrangemt cellulaire La rétine Récepteurs Bâtonnets Caractéristiques Localisation Domaine Sensibilité Précision Variance Adaptation 130 millions, fins, entre cônes, uniformes Rétine périphérique uniquement Nocturne (scotopique) Forte sauf au rouge Faible Univariante Importante et lente Cônes 6-7 millions, bulbes, polymorphes Surtout fovéa Diurne (photopique) Faible Forte Trivariante Faible et rapide 3 pigments distincts Pigment 1 seul pigment = rhodopsine (partie sup) Voies de transmission (rétine périphérique Photorécepteurs Neurone 1 = cellules bipolaires = certaines en connexion avec un nbre limité de cônes (parfois 1 seul), d'autres en connexion avec cônes et bâtonnets. [...]