Astronomie

Une question [très basique ?] sur la diffusion de la lumière et les couleurs

Une question [très basique ?] sur la diffusion de la lumière et les couleurs


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Depuis la nuit d'il y a deux jours, la lune ici en Israël semble être orange lorsqu'elle se lève, puis devient progressivement blanche au fur et à mesure qu'elle continue de voyager dans le ciel.

Ce phénomène arrive à point nommé car je commence à m'intéresser à l'astronomie (j'ai non connaissances spéciales en astronomie, juste pour que ce soit clair). J'ai donc cherché sur Google et suis tombé sur cette explication.
Je vais essayer de résumer : il dit que cela se produit à cause de l'atmosphère terrestre, qui a tendance à disperser les longueurs d'onde courtes (comme le bleu et le vert) et à laisser passer les longues longueurs d'onde (comme le rouge et l'orange). Lorsque la lune se lève, c'est dans la position où la lumière qu'elle envoie à nos yeux traverse la couche la plus épaisse de l'atmosphère (par opposition à lorsqu'elle est haute dans le ciel nocturne) et cela donne l'effet orange. Je comprends tout à fait cette explication, mais elle soulève pour moi quelques questions, dont je n'ai pas pu trouver les réponses. Peut-être pourriez-vous m'aider.

  1. Pourquoi le phénomène de la lune orange ne se produit-il pas tout le temps ?
    Cela n'arrive pas assez souvent. Qu'y a-t-il de si spécial ces trois dernières nuits ? Je veux dire, la lumière de la lune montante doit toujours traverser une épaisse couche d'atmosphère, n'est-ce pas ?
  2. Ce n'est peut-être pas entièrement astronomique, mais, pour compléter le tableau - pourquoi notre atmosphère diffuse-t-elle de courtes longueurs d'onde ?
  3. Cette explication suggère que toute la lumière qui nous vient du soleil est (au moins) légèrement rougeâtre. Est-ce mesurable (si vrai) ? Car à l'œil nu, la lumière du soleil réfléchie à travers un prisme ne montre aucune tendance au rouge.

Merci d'avoir pris le temps de lire la question, j'espère que vous pourrez me sauver de mon ignorance…


  1. Il peut y avoir un effet particulier. La fumée des incendies de forêt ou des villes, la poussière fine dans l'atmosphère, etc. peuvent avoir pour effet de rendre la lune plus rouge. Cependant, il s'agit très probablement d'un exemple de biais d'observation. Vous avez remarqué que la lune apparaissait orange, et les nuits suivantes, vous recherchiez cet effet. En fait, cela arrive à chaque lever de lune. Vous ne l'avez tout simplement pas remarqué auparavant (ou si vous l'avez fait, cela ne vous a pas suffisamment impressionné.)

  2. Deux formes de diffusion sont applicables. diffusion Rayleigh et diffusion Mie. Il y a aussi une absorption de certaines couleurs. La diffusion Rayleigh se produit lorsque l'onde électromagnétique qu'est la lumière fait que les molécules de l'air agissent comme de petits dipôles électriques. La lumière rebondit alors de ces molécules électriquement actives. Les longueurs d'onde plus courtes sont plus affectées que les plus longues.

  3. La lumière émise par le soleil est très légèrement jaune. Il est légèrement rougi par diffusion dans l'atmosphère. Cependant, il contient toujours un mélange de toutes les couleurs visibles, et donc un prisme montrera toujours un arc-en-ciel complet. La rougeur n'est pas apparente à l'œil, mais peut être mesurée par des instruments.


Outre les arguments de la réponse précédente ainsi que dans les commentaires, considérez ce qui suit.

1) la lune montante n'est pas toujours la même orange ou rouge simplement parce que cela dépend de la hauteur du soleil, comme cela devrait être clair si la diffusion est prise en compte (voir point 2). C'est la principale raison/réponse à votre question principale.

2) par approximation, l'intensité de la diffusion dépend inversement de la quatrième puissance de la longueur d'onde. Cette dépendance est ce qui amplifie les différences entre la lumière du soleil qui atteint nos yeux directement (ou "directement mais réfléchie" par la lune) et la lumière qui a été diffusée en premier. Une explication simple mais correcte de la relation dix à -4 est donnée par Wikipedia sous la diffusion Rayleigh.

3) Ne pas négliger la réponse de nos yeux. Il n'est pas linéaire en termes d'intensité et la sensibilité n'est pas la même à différentes longueurs d'onde. Tout ce que vous regardez, dans l'atmosphère ou hors de celle-ci, sera différent d'un spectromètre. Le nombre maximum de photons émis par le Soleil se situe dans la région que nous percevons comme verte, par exemple. Cela est vrai à la fois dans l'espace ou après avoir passé l'atmosphère.


Diffusion atmosphérique

Dispersion de Rayleigh se produit lorsque le rayonnement (lumière) interagit avec des molécules et des particules dans l'atmosphère qui sont plus petit de diamètre que la longueur d'onde du rayonnement entrant. Les longueurs d'onde plus courtes sont plus facilement diffusées que les longueurs d'onde plus longues. La lumière à des longueurs d'onde plus courtes (comme la lumière visible bleue et violette) est diffusée par de petites particules contenant du NO2 et ô2. Étant donné que la lumière bleue se trouve à l'extrémité courte longueur d'onde du spectre visible, elle est plus fortement dispersée dans l'atmosphère que la lumière rouge à longueur d'onde plus longue. La dispersion de Rayleigh est responsable de la couleur bleue du ciel. La diffusion de Rayleigh peut également produire une brume dans les images. En photographie aérienne, des filtres spéciaux sont utilisés pour filtrer la diffusion de la lumière bleue afin de réduire la brume. Dans les images numériques, différentes techniques sont utilisées pour minimiser les impacts de la diffusion de Rayleigh.

Au lever et au coucher du soleil, la lumière du soleil entrant parcourt une plus longue distance (longueur du trajet) à travers l'atmosphère. Le chemin le plus long conduit à une dispersion des longueurs d'onde courtes (bleues) qui est si complète que nous ne voyons que les longueurs d'onde plus longues de la lumière, le rouge et l'orange. En l'absence de particules et de diffusion, le ciel apparaîtrait noir.

Source de l'image : Principes de la télédétection (Tempfli et al.)


Question de base sur la diffusion et la compréhension des couleurs

Les solides tirent leur couleur de leur structure moléculaire.
Une partie de la lumière visible frappant l'objet est absorbée (et réémise sous forme de tête - que vous ne pouvez pas voir).
Le reste de la lumière visible est diffusé. la couleur diffuse, ce que vous avez l'habitude de considérer comme la couleur de l'objet, est le résultat de ces longueurs d'onde qui sont dispersées sur la surface.

Mais vous avez raison, il y a plus à colorier que le simple modèle que vous avez.

Non, sauf s'il est en verre ou quelque chose comme ça qui peut être solide et diffuser la lumière.

Pour absorber le rayonnement à une fréquence donnée, il doit y avoir une transition énergétique correspondante pour une particule dans le matériau. Pour émettre un rayonnement à une fréquence donnée, il doit également y avoir une transition correspondante. Ceci est le résultat de l'équation d'énergie photonique ##E=frac<λ>##. La physique quantique nous dit qu'il peut y avoir une pénurie d'états disponibles à certains niveaux d'énergie. Il peut même y avoir des vides complets à certains niveaux d'énergie. Ceci est prédit par les solutions de l'équation de Schrödinger à l'intérieur du matériau. Ce calcul peut être fait pour certains cristaux mais n'est en général pas facile à réaliser.

Si les états sont rares à certains niveaux d'énergie, alors certaines transitions seront plus courantes que d'autres. Cela signifie qu'un matériau peut mieux absorber certaines longueurs d'onde et moins bien absorber d'autres. De même, le matériau peut mieux émettre certaines longueurs d'onde lorsqu'il est chauffé.

Les solides tirent leur couleur de leur structure moléculaire.
Une partie de la lumière visible frappant l'objet est absorbée (et réémise sous forme de tête - que vous ne pouvez pas voir).
Le reste de la lumière visible est diffusé. la couleur diffuse, ce que vous avez l'habitude de considérer comme la couleur de l'objet, est le résultat de ces longueurs d'onde qui sont dispersées sur la surface.

Mais vous avez raison, il y a plus à colorier que le simple modèle que vous avez.

"indigo", était la couleur ajoutée - c'est le nom d'une plante dont vous obtenez une sorte de dé bleu.
J'ai toujours pensé que c'était une sorte de placement de produit. même si c'était probablement plus parce qu'il y avait une sorte de mode indigo sur la cravate dont il nommait les couleurs.
https://en.wikipedia.org/wiki/Indigo

autre: magenta est, notoirement, une couleur qui ne correspond pas à une longueur d'onde de la lumière - ce qui signifie que nous devons faire la distinction entre l'expérience humaine de la couleur et les propriétés qui leur donnent naissance. Le magenta est la réponse de l'œil/de l'esprit à l'absence de lumière verte d'une source par ailleurs raisonnablement blanche, c'est-à-dire. c'est un artefact du fonctionnement du système visuel humain. L'expérience du magenta est ce qui nous permet de dessiner des roues de couleurs lorsque le spectre électromagnétique ne fonctionne pas comme ça.

Ce que j'ai dit à propos de la lumière visible s'applique aussi à la lumière non visible. c'est-à-dire : tout le spectre électromagnétique. Cependant, la situation devient plus compliquée que la couleur de quelque chose. c'est à dire. les rayons gamma se dispersent de la matière. mais aussi faire d'autres choses et peut avoir des interactions nucléaires plus que moléculaires ou atomiques. Les questions sur la couleur portent généralement plus sur le système visuel humain que sur les longueurs d'onde de toute façon, j'ai inclus ce morceau juste pour donner un aperçu de la taille du sujet.


(question d'examen ntse) La couleur blanche du nuage est due à : (1) réflexion de sept couleurs de lumière (2) réfraction de sept couleurs de lumière (3) diffusion de sept couleurs de lumière (4) absorption de sept couleurs de lumière

Nous percevons un objet lorsque les rayons lumineux (avec certaines couleurs) d'un objet atteignent nos yeux.

Lorsque les rayons lumineux, provenant d'une source de notre côté, sont réfléchis par un objet, nos yeux voient l'objet. C'est comme une chemise blanche ou un mur blanc.

Lorsque les rayons lumineux de l'autre côté de l'objet sont réfractés de cet objet, nous voyons cet objet. C'est pour une vitre sur les fenêtres, les voitures, etc.

Lorsque la lumière de petites gouttes d'eau dans le nuage diffuse des rayons lumineux dans toutes les directions, ces rayons atteignent nos yeux et nous voyons ensuite les nuages. Les nuages ​​ne sont pas transparents, cela signifie donc qu'ils ne réfractent pas les rayons. Ils ne font que diffuser les rayons lumineux dans toutes les directions. Depuis, les nuages ​​sont blancs (donné), alors tous les rayons de couleur atteignent nos yeux.


Une question [très basique ?] sur la diffusion de la lumière et les couleurs - Astronomie


Eh bien, ce n'est pas tout à fait vrai. Même quelque chose d'aussi petit que des molécules d'air peut diffuser la lumière. Nous n'avons pas pu voir la lumière laser diffusée par l'air car la lumière diffusée était trop faible. Si le faisceau laser avait été plus intense ou si nous avions pu ajouter plus de molécules à l'air de la pièce, nous aurions pu voir la lumière laser diffusée par l'air.

La lumière du soleil est très intense et lorsqu'elle brille à travers toute l'atmosphère, où il y a beaucoup d'air, nous pouvons voir la lumière du soleil dispersée. L'atmosphère contient également des particules et des nuages ​​qui diffusent la lumière du soleil.

Nous allons considérer tout cela maintenant. Mais d'abord, nous allons voir ce qui se passerait, ce que vous verriez si la terre n'avait pas d'atmosphère.

Si vous alliez dehors et regardiez le soleil (vous ne devriez pas faire cela bien sûr), vous verriez un soleil brillant sur un fond noir. Vous verriez le soleil parce que vous regardez en arrière dans la direction de l'un des rayons de lumière provenant du soleil. Ce serait comme mettre la tête au bout du faisceau laser dans la démonstration de l'autre jour et regarder en arrière vers le laser.

Si vous regardiez loin du soleil et vers le ciel, vous ne verriez rien. Le ciel apparaîtrait noir. C'est parce qu'il n'y a rien pour disperser ou rediriger la lumière du soleil. C'est comme lorsque vous ne pouviez pas voir le faisceau laser alors qu'il traversait le devant de la classe. Vous ne pouviez pas voir le faisceau à moins que quelque chose ne soit mis dans le faisceau pour disperser une partie de la lumière laser.

Pour vous donner une idée de ce à quoi ressemblerait le ciel noir, voici une célèbre photographie de la Terre prise la veille de Noël (24 décembre 1968) par les astronautes d'Apollo 8 alors qu'ils tournaient autour de la lune (la source de cette image).



Le soleil brille évidemment sur la photo, on peut le voir se refléter par la surface de la lune et de la terre au loin. La lumière du soleil brille également à travers l'espace entre la lune et la terre, mais il n'y a rien là pour disperser la lumière. Donc vous voyez juste du noir, c'est à quoi ressemblerait le ciel si la terre n'avait pas d'atmosphère.

Avant de passer à l'étape suivante, nous devons nous rappeler que la lumière blanche est en fait un mélange de violet, bleu, vert, jaune, orange et rouge.



Dans l'image suivante, nous allons ajouter une atmosphère. Juste des molécules d'air, pas de particules ou de nuages.



Le violet a la longueur d'onde la plus courte et est le plus dispersé. Cependant, il n'y a pas autant de violet au soleil que de bleu et de vert. Il y a beaucoup de lumière verte au soleil (plus que toute autre couleur en fait) mais elle n'est pas aussi dispersée que le bleu. Le résultat final est donc que nous voyons de la lumière bleue venir du ciel. C'est pourquoi le ciel est bleu. Lorsque l'air est propre (à partir de particules), le ciel a une couleur bleu foncé.
La réponse de nos yeux est aussi en cause, voici un peu plus d'explications.

Nous avons pris soin de ne pas regarder directement le faisceau de lumière laser lors de la démonstration en classe. C'est trop intense et pourrait endommager nos yeux. Il en est de même du soleil. Nous ne regardons pas directement le soleil. Il est prudent de regarder la lumière diffusée venant du ciel. Il est beaucoup plus faible, seule une petite partie du faisceau de lumière solaire intense est diffusée.

Dans notre prochaine image, nous ajouterons un nuage à l'image. Comme nous l'avons vu dans la démonstration du laser, les gouttelettes de nuages ​​et les cristaux de glace sont de bons diffuseurs de lumière. Les gouttelettes de nuage et les cristaux de glace sont cependant beaucoup plus gros que les molécules d'air. Pour cette raison, ils dispersent toutes les couleurs en quantités égales.


Lorsque la lumière blanche frappe un nuage, la lumière blanche est dispersée et réfléchie. C'est pourquoi les nuages ​​sont blancs (avec quelques nuances de gris mélangées si le nuage est épais). Lorsque vous regardez un nuage, vous voyez un nuage blanc (la lumière du soleil étant dispersée par des gouttelettes de nuage) entouré de ciel bleu (la lumière du soleil étant dispersée par des molécules d'air).

Et les particules ? Les particules sont beaucoup plus grosses que les molécules d'air et un peu plus petites que les gouttelettes des nuages. Ils diffusent la lumière de la même manière que les gouttelettes de nuages ​​et les cristaux de glace le font. La lumière diffusée par les particules est blanche.



Voici une assez bonne illustration de la lumière du soleil dispersée par des particules. Il doit y avoir beaucoup de poussière et de particules dans l'air sur cette photo car vous pouvez voir les rayons du soleil briller à travers les fenêtres du dôme de la basilique Saint-Pierre (Cité du Vatican). Notez que la lumière diffusée est blanche. (la source de cette image) Vous pouvez voir quelque chose comme ça à l'extérieur lorsque la lumière du soleil brille à travers des failles ou des trous dans les nuages, les faisceaux de lumière sont appelés rayons crépusculaires.


Et si vous participiez et aérez ensemble ? Que voyez-vous maintenant lorsque vous regardez le ciel ? Cela dépend de la quantité de particules présentes dans l'air. Lorsque l'air est pur et ne contient pas beaucoup de particules, le ciel est d'un bleu profond. Vous ne voyez que la lumière du soleil dispersée par les molécules d'air. Au fur et à mesure que la concentration de particules augmente, vous mélangez de plus en plus de lumière blanche. La couleur du ciel peut passer du bleu profond au bleu blanchâtre lorsque la concentration en particules est élevée.

Parce que vous avez appris un peu sur la diffusion de la lumière, vous pouvez comprendre pourquoi les particules affectent la visibilité


Dans cette première image, nous commençons avec de l'air pur. Lorsque nous regardons une montagne, nous voyons la lumière qui se reflète sur le sol et les arbres de la montagne (illustré à gauche ci-dessus). J'ai coloré ce reflet en vert clair et marron. Lorsque vous regardez la montagne, elle est verte et brune (figure de droite ci-dessus).


Maintenant, nous allons ajouter quelques particules. Lorsque vous regardez la montagne, vous voyez une lumière brune et verte ainsi qu'une lumière blanche provenant de la lumière du soleil diffusée par les particules (la lumière blanche est colorée en jaune sur la figure de gauche). Quelques points blancs de lumière se sont superposés à la vue de la montagne à droite.



Encore plus de particules. Maintenant, la lumière blanche provenant de la diffusion des particules commence à dominer. Finalement, il devient même difficile de distinguer la montagne à cause de toute la lumière diffusée. La lumière de la montagne pénètre également dans les particules lorsqu'elle se dirige vers vos yeux et est redirigée pour que vous ne la voyiez pas. Bien sûr, il y avait une licence artistique considérable utilisée dans cette illustration.
Vous pourriez penser que lorsque l'air est pur, cette visibilité peut être illimitée. Ce n'est pas le cas. Diffusion de la lumière solaire par les molécules d'air seul limite la visibilité. La figure suivante tente d'expliquer pourquoi il en est ainsi.


Au fur et à mesure que la montagne s'éloigne, vous commencez à voir des quantités croissantes de lumière bleue (lumière du soleil dispersée par l'air entre vous et la montagne) s'ajoutant à la lumière réfléchie brune et verte. C'est parce qu'il y a plus d'air entre vous et la montagne. La montagne à moyenne distance apparaît maintenant brune, verte et bleue. Au fur et à mesure que la montagne s'éloigne, la quantité de cette lumière bleue du ciel augmente et la lumière verte et brune de la montagne s'affaiblit. La montagne la plus éloignée sur la photo ci-dessus est maintenant bleue. Finalement, la montagne s'éloigne tellement que vous ne voyez que la lumière bleue du ciel et aucune lumière réfléchie par la montagne elle-même. La montagne a disparu de la vue.

Voici une photo des Blue Mountains en Australie (la source de cette image)







Lorsque les rayons du soleil empruntent un chemin plus long à travers l'atmosphère, une plus grande diffusion peut se produire. Avec une diffusion suffisante, presque toutes les longueurs d'onde les plus courtes peuvent être supprimées du faisceau de lumière solaire d'origine. Cela transforme la lumière non diffusée en orange ou en rouge et est indiqué au point 4 ci-dessus.


Voici une exposition multiple assez impressionnante montrant la couleur changeante du soleil couchant (source de l'image). Notez également que la lumière non diffusée devient moins intense à mesure que le soleil se rapproche de plus en plus de l'horizon (même si vous ne devriez pas regarder directement le soleil).

Il n'est pas nécessaire de risquer de regarder directement le soleil pour observer comment sa couleur change au fur et à mesure qu'il se couche. Au lieu de cela, vous pouvez simplement regarder la lumière du soleil qui est réfléchie par les nuages ​​près de l'horizon.



Parce que la lumière du soleil qui frappe les nuages ​​au coucher du soleil (ou au lever du soleil) est orange ou rouge, les nuages ​​eux-mêmes apparaîtront orange ou rouge.


Sur la page des liens, nous avons rassemblé des références à des sites Internet intéressants et utiles.

En résumé, la luminosité de la source lumineuse et la qualité de sa collimatation sont importantes, mais la vraie réponse à votre question réside dans des facteurs extérieurs à la source lumineuse. Le faisceau lumineux ne s'arrête pas - il devient de plus en plus difficile à voir et finit par disparaître dans l'arrière-plan.
Retour au répertoire

Le changement de direction et la réflexion se produisent parce que les propriétés optiques du verre et de l'air sont différentes. Cependant, les propriétés optiques de l'huile sont beaucoup plus proches de celles du verre, de sorte que ces effets sont moins importants. Ainsi, un objet en verre dans de l'huile de cuisson est difficile à voir. Et si vous choisissez du verre pyrex (et non le verre "doux" le plus courant) et de l'huile de cuisson Wesson (et pas n'importe quoi du commerce), le match devient extrêmement bon. Il n'y a pas de reflet à la surface, et le changement de direction est très léger -- l'objet est presque invisible.

La partie de la tige de verre qui est encore en l'air est toujours aussi visible, car la lumière y passe de l'air au verre et vice-versa. Il semble se terminer brusquement lorsqu'il pénètre dans l'huile.Le conteneur a l'air d'être plein d'huile - car il est plein de choses qui ont les mêmes propriétés optiques (en particulier, le même indice de réfraction).
Retour au répertoire

Vous pointez votre lampe de poche sur l'étoile rouge, puis vous la basculez sur l'étoile violette une seconde plus tard. Voyageant à la vitesse de la lumière, il faut un an pour que les signaux atteignent les étoiles. Une étoile voit un clignotement, et 1 seconde plus tard, l'autre étoile voit un clignotement. Ainsi, l'ombre (ou la fin du faisceau lumineux) peut se déplacer d'une demi-année-lumière en une seconde. Mais ce n'est pas un moyen pour l'étoile rouge de dire quoi que ce soit à l'étoile violette en 1 seconde - tout ce que les violets découvrent, c'est que vous avez décidé de pointer une lampe de poche sur eux, il y a un an.

Si la lune était un miroir parfait, orienté pour refléter toute la lumière vers la terre, le clair de lune serait toujours moins brillant que la lumière du soleil, car la terre est plus grande que la lune. Mais en fait, la lune reflète la lumière du soleil qui frappe dans toutes les directions, seule une petite partie de la lumière du soleil est redirigée vers la terre. Enfin, la lune absorbe la majeure partie de la lumière qui la frappe (une roche lunaire est en fait presque noire).
Retour au répertoire
Mon commentaire : "Prendre une photo au flash à travers une fenêtre"
Je regardais un ami enregistrer une chanson dans un studio d'enregistrement et j'ai décidé de prendre des photos au flash à travers la vitre. Une dame du studio m'a dit qu'elle était photographe professionnelle et que je ne serais pas capable de prendre des photos au flash à travers la vitre. Je me suis souvenu de ce que j'avais appris sur la façon dont la lumière se réfléchit dans la section des miroirs du Atelier virtuel sur la lumière, et lui a demandé si cela ferait une différence si je tirais de biais au lieu de tout droit. Elle a dit que cela ne ferait probablement aucune différence. Je l'ai ignorée et j'ai orienté mon appareil photo. J'ai les photos pour prouver que cela fonctionne. J'ai aussi quelques mauvais plans directs pour prouver que cela ne fonctionne pas.
Commentaires de Joe C'est une belle application pour comprendre le fonctionnement des miroirs. Environ 5% de la lumière frappant une surface en verre est réfléchie - et 5% de la puissance totale du flash est beaucoup plus lumineuse que la scène que vous essayez de photographier. Mettre votre main ou un écran en papier noir pour bloquer tous les chemins possibles du flash à l'appareil photo (en se reflétant sur le verre) peut également être une bonne idée.
Voici deux photos que j'ai prises à travers ma porte d'entrée. Pour l'un, j'étais aussi près que possible de la fenêtre en verre, tandis que pour l'autre, je me tenais en retrait de 8 pouces.

Sur la deuxième photo, vous pouvez voir le reflet du flash, ainsi que le reflet de la maison de l'autre côté de la rue.

Un exemple connexe -- la lune semble plus petite que mon pouce, mais quand la lune est basse dans le ciel, je découvre qu'elle est derrière les arbres de l'autre côté de la vallée et nettement plus grande qu'ils ne le sont -- j'ai été forcé de réaliser que le la lune est plus loin (et plus grosse) que je ne le pensais.
Retour au répertoire
Ma question : "Taille et forme des longues ombres"
En fin d'après-midi, mon ombre a l'air vraiment drôle : elle a de très gros pieds et une toute petite tête. Pourquoi?
le commentaire de Joe
Hé, c'est le cas, n'est-ce pas ! Voici deux photos que j'ai prises de moi, juste après le lever du soleil. Si vous regardez l'ombre de quelqu'un d'autre, elle sera très étirée, mais la tête est dans la même proportion que les pieds. Mais quand vous regardez votre propre ombre, la partie de la tête est vraiment loin, tandis que vos pieds sont tout aussi loin que d'habitude. Donc votre tête semble petite, pour la même raison que tout ce qui est loin semble petit (voir l'explication de Sally à ce sujet,
dessus).
Retour au répertoire
Ma question : "Taille de l'ombre d'un avion"
« Est-ce que la taille de l'ombre d'un avion change à mesure qu'elle s'élève ? »
le commentaire de Joe
Je sais qu'il semble qu'il le devrait. Il est généralement vrai que lorsque vous rapprochez l'objet faisant de l'ombre de la source lumineuse, l'ombre s'agrandit. En effet, les rayons lumineux se déplacent en ligne droite et divergent les uns des autres.

Mais pour les ombres du soleil, les chiffres ne fonctionnent pas : le fait est que le soleil est à 93 millions de kilomètres et que vous ne pouvez vous en rapprocher que de quelques kilomètres en avion. Pour que l'ombre de l'avion soit deux fois plus grande, il faudrait qu'elle soit à mi-chemin du soleil.

L'occasion où j'ai réalisé cela, c'est lorsque j'ai essayé d'estimer la taille des nuages. Je peux voir les ombres des nuages ​​sur un champ depuis le sommet d'une colline, ou sur une ville depuis un grand bâtiment. Les ombres sont des kilomètres de côté. Et c'est aussi la taille des nuages.

  • Ramassez de grosses boîtes. Si vous n'avez pas trop de fenêtres trop grandes, vous pouvez leur faire des couvertures en découpant un morceau de carton de la bonne taille.
  • Pour certaines activités, vous pouvez rapprocher la source de lumière de l'écran - elle l'éclairera alors plus fort et la lumière de l'extérieur n'aura pas tant d'importance (cela ne fonctionnera malheureusement pas pour les activités de l'objectif).
  • Vous n'avez pas besoin d'obscurcir toute la pièce - juste l'endroit dans les stations d'activité où se trouve l'écran de visualisation. La première chose à faire est d'orienter la station de sorte que la fenêtre soit de l'autre côté de l'écran et que la lumière de la fenêtre ne frappe pas le côté que vous utilisez.
  • Vous pouvez mettre la partie de l'activité qui est censée être dans l'obscurité à l'intérieur d'une boîte ouverte d'un côté. Une boîte en papier peut être assez grande.

La réponse est que l'effet du réseau de diffraction est dû à une comparaison de la longueur d'onde de la lumière avec l'espacement d'un réseau de rainures parallèles sur le réseau de diffraction (les rainures ne mesurent que 1/10000" de large, vous ne pouvez donc pas voir les ou les sentir, mais ils sont vraiment là). Les longueurs d'onde qui sont petites par rapport à 1/10000" ne sont pas beaucoup déviées, tandis que les longueurs d'onde plus longues sont davantage déviées. La lumière bleue a une longueur d'onde plus courte que la rouge, presque d'un facteur deux, et elle est donc moins déviée que la rouge. Si la lumière va être déviée vers la droite, elle va également être déviée vers la gauche (pensez à ce qui se passe lorsque vous retournez le réseau de diffraction, de sorte que le haut devienne le bas - l'ancienne droite devient la nouvelle gauche) . Nous avons donc la symétrie que vous observez.

Les arcs-en-ciel et les prismes font leur spectre d'une manière complètement différente, de sorte qu'il n'y a pas de symétrie - un prisme ne fait qu'un seul spectre, et le deuxième arc-en-ciel que vous voyez parfois est plus faible et plus large (les couleurs sont dans l'ordre inverse, mais c'est parce que cet arc-en-ciel provient d'un reflet supplémentaire à l'intérieur des gouttes d'eau).
Retour au répertoire

Ma question : si la lumière du soleil dispersée rend le ciel bleu, pourquoi le clair de lune dispersé ne rend-il pas aussi le ciel bleu ?
Sally explique :
C'est bleu! Mais ce n'est pas très lumineux. La lune est un million de fois moins brillante que le soleil, et donc le bleuissement du ciel qui en résulte est également un million de fois moins brillant. Nos yeux ne le remarquent tout simplement pas. Cependant, si vous faites une photographie à exposition temporelle, de sorte qu'une scène au clair de lune ressemble à un jour, le ciel est bleu - avec des étoiles dedans ! Voici une partie d'une photographie d'une scène à la pleine lune prise par Michael Martin. Il photographiait le moonbow à Cumberland Falls (plus d'informations à ce sujet sur son site Web), qui est le flou coloré en bas, le ciel est bleu, et si vous regardez attentivement, vous verrez les traces laissées par les étoiles les plus brillantes de cette époque- photographie d'exposition.

La réponse courte est donc que lorsque la molécule absorbe de la lumière, elle peut subir une sorte de réaction physique ou chimique et devenir une molécule différente, et maintenant c'est une couleur différente.

Cependant, une réponse plus longue et plus intéressante concerne la façon dont la lumière fournit de l'énergie. Il s'avère qu'il s'agit de petits morceaux appelés photons ou quanta, et que les quanta sont plus gros pour la lumière bleue que pour la lumière rouge (c'est précisément pour cette idée qu'Einstein a remporté le prix Nobel. Vous posez la bonne question, sauf que vous avez 100 ans de retard sur celui-ci. Mais Einstein n'a pas non plus obtenu de prix Nobel pour son projet d'expo-sciences, alors accrochez-vous). En pensant à l'énergie comme à de l'argent, un faisceau de lumière est une pluie de pièces de cinq cents rouges et de dix sous bleus, au lieu d'un flux constant d'argent. Le résultat est que la lumière bleue est plus susceptible de provoquer des changements physiques et chimiques que la lumière rouge. (Parce que les colorants sont comme une machine à bonbons qui "absorbera" un centime et vous donnera un paquet de gomme, mais si vous mettez un nickel dedans, rien ne se passe si un quart ultraviolet arrive, cela provoquera certainement quelque chose).

L'exemple le plus évident est que la lumière UV provoque des coups de soleil. Plus subtilement, les matériaux lumineux (les trucs qui brillent dans le noir) sont activés par la lumière bleue et non la lumière rouge. Les anciens types de pellicules photographiques en noir et blanc, le processus de plan et les premiers photocopieurs ne pouvaient pas voir la lumière rouge (les lettres rouges étaient sombres, les lettres bleues étaient claires, et c'est pourquoi les crayons bleus étaient utilisés pour annoter les dessins qui allaient être tracé). Et c'est mon observation que les photographies en couleur qui ont été exposées deviennent bleues avec l'âge : les colorants rouges absorbent la lumière bleue et sont tués, les colorants bleus reflètent la lumière bleue et survivent.

Les champs électriques et magnétiques ont tendance à être des courbes lisses - ils aimeraient vraiment être des lignes droites. Les cordes de violon et les cordes à linge aiment aussi être droites. Si vous faites dévier une corde à linge à un moment donné en la frappant avec un bâton, vous créerez une vague qui descendra le long de la ligne. De la même manière, si vous faites un pli dans une ligne de champ électrique, elle s'enfuira également. Cependant, il fonctionne très vite et (dans le cas de la lumière visible) la longueur du "kink" est vraiment courte - nous ne réalisons donc pas ce que nous regardons. Il y a 150 ans, lorsque la relation entre la lumière et l'électricité et le magnétisme a été réalisée pour la première fois, la connexion n'était guère plus qu'une métaphore - la lumière voyage à la vitesse que prédit la théorie électrique et a des caractéristiques communes (par exemple, la lumière peut être polarisé, et sera dispersé d'une manière spécifique à la couleur par quelque chose avec un motif de fines rainures dessus, comme un CD). Mais aujourd'hui, nous savons comment générer des ondes radio beaucoup plus petites qu'un millimètre, et nous pouvons générer et détecter une lumière infrarouge qui a une longueur d'onde beaucoup plus grande que la lumière visible, au point que pour un physicien ou un ingénieur électricien, il est aucune distinction réelle entre les ondes électromagnétiques (radio) et la lumière.

Voici quelques méthodes :
1. Brouillard réel, fait en soufflant de l'air chaud et humide sur quelque chose qui est froid (un ventilateur, un seau d'eau chaude et des briques de glace sèche est une méthode spécifique dont j'ai entendu parler). L'avantage est que le brouillard n'est que de l'eau et disparaît sans laisser de trace. Les problèmes sont que le brouillard peut disparaître immédiatement si l'air dans la pièce est sec (comme c'est souvent le cas en hiver) et que vous avez besoin de toute la machinerie - seaux, ventilateurs, glace sèche.
2. Fumée réelle. Brûler de l'encens ou des cigarettes pourrait le faire. Les avantages sont qu'il est assez simple à faire, les inconvénients sont qu'il est sale et sent un peu l'endroit. Cependant, le simple fait de préparer des crêpes pour le petit-déjeuner rend l'air de ma maison suffisamment enfumé pour donner un effet de faisceau lumineux clair (la porte a un motif de panneaux de verre, qui donnent naissance aux faisceaux lumineux que la fumée révèle). Vous remarquerez que le fond sombre est important pour rendre les faisceaux lumineux visibles.
3. Brouillard fabriqué. Il existe des appareils qui produisent un brouillard d'huile, utilisés occasionnellement dans des présentations dramatiques. Je crois que ceux-ci peuvent être loués. L'huile empêche le brouillard de s'évaporer trop vite. Je ne pense pas que beaucoup d'huile soit réellement impliquée, mais je suppose qu'elle se retrouvera sur les murs et les fenêtres.
4. Pour un petit écran, une bombe aérosol pleine de désodorisant pourrait faire assez de nuage, même si je ne sais pas combien de temps cela durerait. Un magasin de matériel de théâtre ou de fournitures de magicien peut avoir quelque chose conçu à cet effet.
5. Le simple fait de faire fonctionner un aspirateur pendant un certain temps peut rendre l'air suffisamment poussiéreux !

L'idée de base est de faire un bol qui a à peu près la forme d'une partie d'une sphère, puis de faire réfléchir la surface intérieure. Cette forme reflétera les rayons du soleil afin qu'ils se rejoignent tous (presque) au même point. Nous voulons un miroir large, pour qu'il capte beaucoup de soleil, mais rendre le miroir plus large que ce que mon image indique (la partie en dessous de la ligne violette) ne gagne pas beaucoup et ajoute beaucoup d'efforts dans la construction. Le point focal est à mi-chemin entre le centre de la sphère et la surface de la sphère. J'ai fait un miroir de ce genre une fois qui mesurait 4 pieds de large. Je m'intéressais à la réflexion du son plutôt que de la lumière, ce qui signifiait que la surface n'avait pas besoin d'être argentée. La façon la plus simple de le faire est de trouver une grosse boule ronde assez ronde et lisse. Un ballon de football ou un ballon de plage pourrait faire l'affaire. Espérons que cela soit assez bien gonflé, de sorte qu'il ne soit pas squameux et affaissé. Nous pouvons capturer la forme de la balle en collant plusieurs couches de bandes de papier sur la balle (pour faire un bol en papier mâché). Lorsque la colle a séché, retirez le bol de la balle, puis collez des bandes de papier d'aluminium à l'intérieur.

Essayez le capteur solaire en le faisant face au soleil (sur ma photo, j'ai supposé que le soleil est droit, ce qui n'est presque jamais le cas), cela devrait produire un point lumineux (et chaud) où les rayons du soleil se rencontrent.


Contenu

fin du moyen anglais opake, du latin opacus « obscurci ». L'orthographe actuelle (rare avant le XIXe siècle) a été influencée par la forme française.

Radio-opacité est préférentiellement utilisé pour décrire l'opacité des rayons X. En médecine moderne, les substances radiodenses sont celles qui ne permettent pas le passage des rayons X ou des rayonnements similaires. L'imagerie radiographique a été révolutionnée par les produits de contraste radiodenses, qui peuvent être passés dans la circulation sanguine, le tractus gastro-intestinal ou dans le liquide céphalo-rachidien et utilisés pour mettre en évidence des images tomodensitométriques ou radiographiques. La radio-opacité est l'une des considérations clés dans la conception de divers dispositifs tels que les fils de guidage ou les stents qui sont utilisés lors d'une intervention radiologique. La radio-opacité d'un dispositif endovasculaire donné est importante car elle permet de suivre le dispositif au cours de la procédure interventionnelle.

Les mots « opacité » et « opaque » sont souvent utilisés comme termes familiers pour des objets ou des supports ayant les propriétés décrites ci-dessus. Cependant, il existe également une définition quantitative spécifique de "l'opacité", utilisée en astronomie, en physique des plasmas et dans d'autres domaines, donnée ici.

Pour un milieu donné à une fréquence donnée, l'opacité a une valeur numérique pouvant aller de 0 à l'infini, avec des unités de longueur 2 /masse.

L'opacité dans les travaux sur la pollution de l'air fait référence au pourcentage de lumière bloquée au lieu du coefficient d'atténuation (c'est-à-dire coefficient d'extinction) et varie de 0 % de lumière bloquée à 100 % de lumière bloquée :

Opacités de Planck et Rosseland Modifier

Il est d'usage de définir l'opacité moyenne, calculée à l'aide d'un certain schéma de pondération. Opacité de Planck (également connu sous le nom de Planck-Mean-Absorption-Coefficient [1] ) utilise la distribution normalisée de la densité d'énergie de rayonnement du corps noir de Planck, B ν ( T ) (T)> , comme fonction de pondération, et fait la moyenne de κ ν > directement :

κ f f ( ρ , T ) = 0,64 × 10 23 ( ρ [ g c m − 3 ] ) ( T [ K ] ) − 7 / 2 c m 2 g − 1 >( ho ,T)=0.64 imes 10^<23>( ho [< m >


Exemples d'effet Tyndall

  • Faire briller un faisceau de lampe de poche dans un verre de lait est une excellente démonstration de l'effet Tyndall. Vous pouvez utiliser du lait écrémé ou diluer le lait avec un peu d'eau pour voir l'effet des particules colloïdales sur le faisceau lumineux.
  • Un exemple de la façon dont l'effet Tyndall diffuse la lumière bleue peut être vu dans la couleur bleue de la fumée des motos ou des moteurs à deux temps.
  • Le faisceau visible des phares dans le brouillard est provoqué par l'effet Tyndall. Les gouttelettes d'eau diffusent la lumière, rendant les faisceaux des phares visibles.
  • L'effet Tyndall est utilisé dans des environnements commerciaux et de laboratoire pour déterminer la taille des particules d'aérosols.
  • Le verre opalescent affiche l'effet Tyndall. Le verre apparaît bleu, mais la lumière qui le traverse apparaît orange. provient de la diffusion de Tyndall à travers la couche translucide recouvrant l'iris de l'œil.

La couleur bleue du ciel résulte de la diffusion de la lumière, mais c'est ce qu'on appelle la diffusion Rayleigh et non l'effet Tyndall car les particules impliquées sont des molécules dans l'air. Elles sont plus petites que les particules d'un colloïde. De même, la diffusion de la lumière par les particules de poussière n'est pas due à l'effet Tyndall car les tailles de particules sont trop grandes.


Vision humaine et perception des couleurs

La vision stéréoscopique humaine des couleurs est un processus très complexe qui n'est pas complètement compris, malgré des centaines d'années d'études et de modélisation intenses. La vision implique l'interaction presque simultanée des deux yeux et du cerveau à travers un réseau de neurones, de récepteurs et d'autres cellules spécialisées. Les premières étapes de ce processus sensoriel sont la stimulation des récepteurs lumineux dans les yeux, la conversion des stimuli lumineux ou des images en signaux et la transmission de signaux électriques contenant les informations visuelles de chaque œil au cerveau par le biais de la nerfs optiques. Ces informations sont traitées en plusieurs étapes, atteignant finalement le cortex visuel du cerveau.

L'œil humain est équipé d'une variété de composants optiques, notamment la cornée, l'iris, la pupille, les humeurs aqueuse et vitrée, une lentille à focale variable et la rétine (comme illustré à la figure 1). Ensemble, ces éléments forment des images des objets qui tombent dans le champ de vision de chaque œil. Lorsqu'un objet est observé, il est d'abord focalisé à travers le convexe cornée et des éléments de lentille, formant une image inversée sur la surface du rétine, une membrane multicouche qui contient des millions de cellules photosensibles. Pour atteindre la rétine, les rayons lumineux focalisés par la cornée doivent traverser successivement le humeur aqueuse (dans la chambre antérieure), le cristallin, le corps vitré gélatineux et les couches vasculaires et neuronales de la rétine avant qu'elles n'atteignent les segments externes photosensibles des cônes et des bâtonnets. Ces cellules photosensorielles détectent l'image et la traduisent en une série de signaux électriques à transmettre au cerveau.

Malgré certaines idées fausses dues au large éventail de terminologies utilisées pour décrire l'anatomie de l'œil, c'est la cornée, et non le cristallin, qui est responsable de la majeure partie du pouvoir réfractif total de l'œil. Étant lisse et claire comme du verre, mais aussi flexible et durable que le plastique, la partie antérieure, fortement incurvée et transparente de la paroi extérieure du globe oculaire permet aux rayons lumineux formant l'image de passer à l'intérieur. La cornée protège également l'œil en fournissant une barrière physique qui protège l'intérieur de l'œil des micro-organismes, de la poussière, des fibres, des produits chimiques et d'autres matériaux nocifs. Bien que beaucoup plus mince en largeur que le cristallin, la cornée fournit environ 65 pour cent de la puissance de réfraction de l'œil. La plus grande partie de la puissance de courbure de la lumière réside près du centre de la cornée, qui est plus arrondie et plus mince que les parties périphériques du tissu.

En tant que fenêtre qui contrôle l'entrée de la lumière dans l'œil, la cornée (Figure 2) est essentielle à une bonne vision et agit également comme un filtre de la lumière ultraviolette.La cornée élimine certaines des longueurs d'onde ultraviolettes les plus dommageables présentes dans la lumière du soleil, protégeant ainsi davantage la rétine et le cristallin hautement sensibles des dommages. Si la cornée est trop courbée, comme dans le cas de la myopie, les objets distants apparaîtront comme des images floues, en raison d'une réfraction imparfaite de la lumière vers la rétine. Dans un état connu sous le nom astigmatisme, les imperfections ou les irrégularités de la cornée entraînent une réfraction inégale, ce qui crée une distorsion des images projetées sur la rétine.

Contrairement à la plupart des tissus du corps, la cornée ne contient pas de vaisseaux sanguins pour se nourrir ou pour la protéger contre les infections. Même les plus petits capillaires interféreraient avec le processus de réfraction précis. La cornée se nourrit des larmes et de l'humeur aqueuse, qui remplit les chambres derrière la structure. La couche épithéliale externe de la cornée est remplie de milliers de petites terminaisons nerveuses, ce qui rend la cornée extrêmement sensible à la douleur lorsqu'elle est frottée ou grattée. Constituant environ 10 pour cent de l'épaisseur du tissu, la couche épithéliale de la cornée empêche les corps étrangers de pénétrer dans l'œil tout en offrant une surface lisse pour l'absorption d'oxygène et de nutriments. La couche centrale de la cornée, connue sous le nom de stroma, comprend environ 90 % du tissu et consiste en un réseau de protéines fibreuses saturées d'eau qui fournit force, élasticité et forme pour soutenir l'épithélium. Des cellules nourrissantes complètent le reste de la couche de stroma. Étant donné que le stroma a tendance à absorber l'eau, la tâche principale du tissu endothélial est de pomper l'excès d'eau du stroma. Sans cette action de pompage, le stroma se gonflerait d'eau, deviendrait trouble et finirait par rendre la cornée opaque, rendant l'œil aveugle.

La perte partielle ou totale de transparence par le cristallin, ou sa capsule, entraîne une affection courante connue sous le nom de cataracte. Les cataractes sont la principale cause de cécité dans le monde et représentent une cause importante de déficience visuelle aux États-Unis. Le développement de la cataracte chez l'adulte est lié au vieillissement normal, à l'exposition au soleil, au tabagisme, à une mauvaise alimentation, aux traumatismes oculaires, aux maladies systémiques telles que le diabète et le glaucome, et aux effets secondaires indésirables de certains produits pharmaceutiques, y compris les stéroïdes. Au début, une personne souffrant de cataracte perçoit le monde comme flou ou flou. Une vision claire est empêchée par une réduction de la quantité de lumière qui atteint la rétine et par l'obscurcissement de l'image (par diffraction et diffusion de la lumière) comme si l'individu observait l'environnement à travers un brouillard ou une brume (voir Figure 3). Retrait du cristallin opaque pendant la chirurgie de la cataracte, avec remplacement ultérieur par un cristallin en plastique (implants de lentille intraoculaire), se traduit souvent par une vision corrigée pour des conditions indépendantes telles que la myopie ou l'hypermétropie.

La fonction de la rétine est similaire à la combinaison d'un capteur d'image numérique (tel qu'un dispositif à couplage de charge (CCD)) avec un convertisseur analogique-numérique, comme dans les systèmes d'appareils photo numériques modernes. Les récepteurs de capture d'images des yeux, appelés tiges et cônes, sont reliés aux fibres du faisceau nerveux optique par une série de cellules spécialisées qui coordonnent la transmission des signaux au cerveau. La quantité de lumière autorisée à entrer dans chaque œil est contrôlée par le iris, un diaphragme circulaire qui s'ouvre largement à faible luminosité et se ferme pour protéger le élève (l'ouverture) et la rétine à des niveaux d'éclairement très élevés.

Au fur et à mesure que l'éclairage change, le diamètre de la pupille (positionnée devant le cristallin) varie par réflexe entre une taille d'environ 2 à 8 millimètres, modulant la quantité de lumière qui atteint la rétine. Lorsque l'éclairage est très brillant, la pupille se rétrécit et les parties périphériques des éléments réfractiles sont exclues du chemin optique. Le résultat est que moins d'aberrations sont rencontrées par les rayons lumineux de formation d'images, et l'image sur la rétine devient plus nette. Une pupille très étroite (environ 2 millimètres) produit des artefacts de diffraction qui diffusent l'image d'une source ponctuelle sur la rétine.

Dans le cerveau, les fibres neurales des nerfs optiques de chaque œil se croisent au chiasma optique où les informations visuelles des deux rétines voyageant dans des voies parallèles sont corrélées, un peu comme la fonction d'un générateur de correction de base de temps dans un magnétoscope numérique. De là, l'information visuelle voyage à travers le tractus optique en forme de genou noyaux genouillés latéraux dans le thalamus, où les signaux sont distribués via le rayonnements optiques aux deux cortex visuel situé sur la partie arrière inférieure de chaque moitié du cerveau. Dans les couches inférieures du cortex, les informations de chaque œil sont conservées sous forme de colonnes bandes de dominance oculaire. Lorsque les signaux visuels sont transmis aux couches supérieures du cortex, les informations des deux yeux sont fusionnées et une vision binoculaire est formée. Dans des conditions ophtalmiques anormales telles que phories (désalignements) des yeux, y compris strabisme (mieux connu sous le nom de yeux croisés), la stéréovision est perturbée, de même que les repères et la perception de la profondeur de l'individu. Dans les cas où la chirurgie ophtalmique n'est pas justifiée, des verres prismatiques montés dans des lunettes peuvent corriger certaines de ces anomalies. Les causes d'interruption de la fusion binoculaire peuvent être un traumatisme crânien ou à la naissance, une maladie neuromusculaire ou des malformations congénitales.

le fovéa centrale est situé dans une zone proche du centre de la rétine, et positionné directement le long de la axe optique de chaque œil. Connue aussi sous le nom de « point jaune », la fovéa est petite (moins de 1 millimètre carré), mais très spécialisée. Ces zones contiennent exclusivement des cellules coniques à haute densité et très compactes (plus de 200 000 cônes par millimètre carré chez l'homme adulte, voir Figure 4). La fovéa centrale est la zone de vision la plus nette et produit la résolution maximale de l'espace (résolution spatiale), du contraste et de la couleur. Chaque œil est peuplé d'environ sept millions de cellules coniques, qui sont très minces (3 micromètres de diamètre) et allongées. La densité des cellules coniques diminue à l'extérieur de la fovéa au fur et à mesure que le rapport entre les cellules en bâtonnets et les cellules en cônes augmente (Figure 4). À la périphérie de la rétine, le nombre total des deux types de récepteurs lumineux diminue considérablement, provoquant une perte dramatique de la sensibilité visuelle aux frontières rétiniennes. Ceci est compensé par le fait que les humains scannent constamment les objets dans le champ de vision (en raison de mouvements oculaires rapides involontaires), ce qui donne une image perçue uniformément nette. En effet, lorsque l'image est bloquée par rapport à la rétine (via un dispositif de fixation optique), l'œil ne capte plus d'image au bout de quelques secondes.

La disposition des récepteurs sensoriels dans les segments externes de la rétine détermine en partie la limite de résolution dans différentes régions de l'œil. Afin de résoudre une image, une rangée de photorécepteurs moins stimulés doit être interposée entre deux rangées de photorécepteurs fortement stimulés. Sinon, il est impossible de distinguer si la stimulation provient de deux images rapprochées ou d'une seule image qui s'étend sur les deux rangées de récepteurs. Avec un espacement de centre à centre compris entre 1,5 et 2 micromètres pour les cônes de la fovéa centrale, les stimuli optiques ayant une séparation d'environ 3 à 4 micromètres devraient produire un ensemble d'intensités résolubles sur la rétine. Pour référence, le rayon du premier minimum pour un motif de diffraction formé sur la rétine est d'environ 4,6 micromètres avec une lumière de 550 nanomètres et un diamètre de pupille de 2 millimètres. Ainsi, la disposition des éléments sensoriels dans la rétine déterminera la résolution limite de l'œil. Un autre facteur, appelé acuité visuelle (la capacité de l'œil à détecter de petits objets et à résoudre leur séparation), varie avec de nombreux paramètres, y compris la définition du terme et la méthode par laquelle l'acuité est mesurée. Au-dessus de la rétine, l'acuité visuelle est généralement la plus élevée dans la fovéa centrale, qui couvre un champ visuel d'environ 1,4 degrés.

La disposition spatiale des cellules en bâtonnets et en cônes et leur connexion aux neurones de la rétine est présentée à la figure 5. Les bâtonnets en bâtonnets, ne contenant que le photopigment rhodopsine, ont une sensibilité maximale à la lumière bleu-vert (longueur d'onde d'environ 500 nanomètres), bien qu'ils affichent une large gamme de réponse dans tout le spectre visible. Ce sont les cellules réceptrices visuelles les plus courantes, chaque œil contenant environ 125 à 130 millions de bâtonnets. La sensibilité à la lumière des cellules en bâtonnets est environ 1 000 fois supérieure à celle des cellules en cônes. Cependant, les images générées par la stimulation par tige seule sont relativement floues et confinées à des nuances de gris, similaires à celles trouvées dans une image photographique en noir et blanc à mise au point douce. La vision en bâtonnets est communément appelée scotopique ou alors crépuscule vision parce que dans des conditions de faible luminosité, les formes et la luminosité relative des objets peuvent être distinguées, mais pas leurs couleurs. Ce mécanisme de adaptation sombre permet la détection de proies et de prédateurs potentiels via la forme et le mouvement d'un large éventail de vertébrés.

La réponse du système visuel humain est logarithmique et non linéaire, ce qui permet de percevoir une plage de luminosité incroyable (interscène plage dynamique) de plus de 10 décennies. En plein jour, les humains peuvent visualiser des objets dans la lumière éblouissante du soleil, tandis que la nuit, les gros objets peuvent être détectés à la lumière des étoiles lorsque la lune est sombre. À au seuil sensibilité, l'œil humain peut détecter la présence d'environ 100 à 150 photons de lumière bleu-vert (500 nanomètres) entrant dans la pupille. Pour les sept décennies supérieures de luminosité, photopique la vision prédomine et ce sont les cônes rétiniens qui sont principalement responsables de la photoréception. En revanche, les quatre décennies inférieures de luminosité, appelées scotopique vision, sont contrôlés par les bâtonnets.

Adaptation de l'œil permet à la vision de fonctionner sous de tels extrêmes de luminosité. Cependant, pendant l'intervalle de temps avant que l'adaptation ne se produise, les individus peuvent ressentir une plage de luminosité couvrant seulement environ trois décennies. Plusieurs mécanismes sont responsables de la capacité de l'œil à s'adapter à une gamme élevée de niveaux de luminosité. L'adaptation peut se produire en quelques secondes (par réaction pupillaire initiale) ou peut prendre plusieurs minutes (pour l'adaptation à l'obscurité), selon le niveau de changement de luminosité. La pleine sensibilité du cône est atteinte en environ 5 minutes, alors qu'il faut environ 30 minutes pour passer d'une sensibilité photopique modérée à la pleine sensibilité scoptique produite par les cellules bâtonnets.

Lorsqu'il est entièrement adapté à la lumière, l'œil humain présente une réponse en longueur d'onde d'environ 400 à 700 nanomètres, avec une sensibilité maximale à 555 nanomètres (dans la région verte du spectre de la lumière visible). L'œil adapté à l'obscurité répond à une gamme inférieure de longueurs d'onde entre 380 et 650 nanomètres, le pic se produisant à 507 nanomètres. Pour la vision photopique comme pour la vision scope, ces longueurs d'onde ne sont pas absolues, mais varient avec l'intensité de la lumière. La transmission de la lumière à travers l'œil diminue progressivement à des longueurs d'onde plus courtes. Dans la région bleu-vert (500 nanomètres), seulement environ 50 pour cent de la lumière entrant dans l'œil atteint le point d'image sur la rétine. À 400 nanomètres, cette valeur est réduite à 10 % à peine, même chez un jeune œil. La diffusion et l'absorption de la lumière par les éléments du cristallin contribuent à une perte supplémentaire de sensibilité dans le bleu lointain.

Les cônes sont constitués de trois types de cellules, chacune "réglée" sur un maximum de réponse de longueur d'onde distinct centré à 430, 535 ou 590 nanomètres. La base des maxima individuels est l'utilisation de trois photopigments différents, chacun avec un spectre d'absorption de lumière visible caractéristique. Les photopigments modifient leur conformation lorsqu'un photon est détecté, leur permettant de réagir avec transducine pour initier une cascade d'événements visuels. La transducine est une protéine qui réside dans la rétine et est capable de convertir efficacement l'énergie lumineuse en un signal électrique. La population de cellules coniques est beaucoup plus petite que celle des cellules bâtonnets, chaque œil contenant entre 5 et 7 millions de ces récepteurs de couleur. La vraie vision des couleurs est induite par la stimulation des cellules coniques. L'intensité relative et la distribution de longueur d'onde de la lumière ayant un impact sur chacun des trois types de récepteurs coniques déterminent la couleur qui est imagée (sous forme de mosaïque), d'une manière comparable à un additif RVB moniteur vidéo ou caméra couleur CCD.

Un faisceau de lumière qui contient principalement un rayonnement bleu à courte longueur d'onde stimule les cellules des cônes qui répondent à une lumière de 430 nanomètres dans une bien plus grande mesure que les deux autres types de cônes. Ce faisceau activera le pigment de couleur bleue dans des cônes spécifiques, et cette lumière est perçue comme bleue. La lumière avec une majorité de longueurs d'onde centrée autour de 550 nanomètres est considérée comme verte, et un faisceau contenant principalement des longueurs d'onde de 600 nanomètres ou plus est visualisé comme rouge. Comme mentionné ci-dessus, la vision conique pure est appelée vision photopique et est dominante à des niveaux de lumière normaux, à la fois à l'intérieur et à l'extérieur. La plupart des mammifères sont dichromates, généralement capable de distinguer uniquement les composants de couleur bleuâtre et verdâtre. En revanche, certains primates (notamment les humains) présentent trichromatique vision des couleurs, avec une réponse significative aux stimuli de lumière rouge, verte et bleue.

La figure 6 illustre les spectres d'absorption des quatre pigments visuels humains, qui affichent des maxima dans les régions rouges, vertes et bleues attendues du spectre de la lumière visible. Lorsque les trois types de cellules coniques sont stimulés de manière égale, la lumière est perçue comme étant achromatique ou blanc. Par exemple, la lumière du soleil de midi apparaît comme une lumière blanche pour les humains, car elle contient des quantités approximativement égales de lumière rouge, verte et bleue. Une excellente démonstration du spectre de couleurs de la lumière du soleil est l'interception de la lumière par un prisme de verre, qui réfracte (ou plie) différentes longueurs d'onde à des degrés divers, répartissant la lumière dans ses couleurs composantes. La perception humaine des couleurs dépend de l'interaction de toutes les cellules réceptrices avec la lumière, et cette combinaison entraîne une stimulation presque trichrome. Il y a des changements dans la sensibilité des couleurs avec des variations dans les niveaux de lumière, de sorte que les couleurs bleues semblent relativement plus lumineuses dans une faible lumière et les couleurs rouges semblent plus brillantes dans une lumière vive. Cet effet peut être observé en pointant une lampe de poche sur une impression couleur, ce qui fera que les rouges apparaîtront soudainement beaucoup plus brillants et plus saturés.

Ces dernières années, la prise en compte de la sensibilité visuelle des couleurs humaines a conduit à des changements dans la pratique de longue date consistant à peindre les véhicules d'urgence, tels que les camions de pompiers et les ambulances, entièrement en rouge. Bien que la couleur soit destinée à être facilement visible et à répondre aux véhicules, la distribution des longueurs d'onde n'est pas très visible à de faibles niveaux de lumière et apparaît presque noire la nuit. L'œil humain est beaucoup plus sensible aux teintes jaune-vert ou similaires, en particulier la nuit, et maintenant la plupart des nouveaux véhicules d'urgence sont au moins partiellement peints d'un vert jaunâtre ou blanc vif, conservant souvent des reflets rouges dans l'intérêt de la tradition.

Lorsque seulement un ou deux types de cellules coniques sont stimulés, la gamme de couleurs perçues est limitée. Par exemple, si une bande étroite de lumière verte (540 à 550 nanomètres) est utilisée pour stimuler toutes les cellules des cônes, seules celles contenant des photorécepteurs verts réagiront pour produire une sensation de voir la couleur verte. La perception visuelle humaine des couleurs soustractives primaires, telles que le jaune, peut survenir de deux manières. Si les cellules coniques rouges et vertes sont stimulées simultanément avec une lumière jaune monochromatique ayant une longueur d'onde de 580 nanomètres, les récepteurs des cellules coniques répondent chacun presque également car leur chevauchement spectral d'absorption est approximativement le même dans cette région du spectre de la lumière visible. La même sensation de couleur peut être obtenue en stimulant individuellement les cellules coniques rouges et vertes avec un mélange de longueurs d'onde rouges et vertes distinctes sélectionnées dans des régions des spectres d'absorption des récepteurs qui n'ont pas de chevauchement significatif. Le résultat, dans les deux cas, est une stimulation simultanée des cellules coniques rouges et vertes pour produire une sensation de couleur jaune, même si le résultat final est obtenu par deux mécanismes différents. La capacité de percevoir d'autres couleurs nécessite la stimulation d'un, deux ou les trois types de cellules coniques, à des degrés divers, avec la palette de longueurs d'onde appropriée.

Bien que le système visuel humain comporte trois types de cellules de cônes avec leurs pigments de couleur respectifs ainsi que des cellules en bâtonnets réceptrices de lumière pour la vision scotopique, c'est le cerveau humain qui compense les variations des longueurs d'onde lumineuses et des sources lumineuses dans sa perception de la couleur. Métamères sont des paires de spectres lumineux différents perçus comme de la même couleur par le cerveau humain. Fait intéressant, les couleurs interprétées comme identiques ou similaires par un humain sont parfois facilement reconnaissables par d'autres animaux, notamment les oiseaux.

Les neurones intermédiaires qui transportent les informations visuelles entre la rétine et le cerveau ne sont pas simplement connectés un à un avec les cellules sensorielles. Chaque cône et chaque bâtonnet de la fovéa envoie des signaux à au moins trois cellules bipolaires, tandis que dans les régions plus périphériques de la rétine, les signaux provenant d'un grand nombre de bâtonnets convergent vers une seule cellule ganglionnaire. La résolution spatiale dans les parties externes de la rétine est compromise par le fait qu'un grand nombre de cellules en bâtonnets alimentent un seul canal, mais le fait que de nombreuses cellules sensorielles participent à la capture des signaux faibles améliore considérablement le seuil de sensibilité de l'œil. Cette caractéristique de l'œil humain est quelque peu analogue à la conséquence de regroupement dans les systèmes de caméras numériques CCD à balayage lent.

Les cellules sensorielles, bipolaires et ganglionnaires de la rétine sont également interconnectées à d'autres neurones, fournissant un réseau complexe de voies inhibitrices et excitatrices. En conséquence, les signaux des 5 à 7 millions de cônes et 125 millions de bâtonnets de la rétine humaine sont traités et transportés vers le cortex visuel par seulement environ 1 million de fibres nerveuses optiques myélinisées. Les muscles oculaires sont stimulés et contrôlés par les cellules ganglionnaires du corps genouillé latéral, qui agit comme un rétrocontrôle entre la rétine et le cortex visuel.

Le réseau complexe de voies excitatrices et inhibitrices de la rétine est organisé en trois couches de cellules neuronales qui proviennent d'une région spécifique du cerveau au cours du développement embryonnaire. Ces circuits et boucles de rétroaction entraînent une combinaison d'effets qui produisent une netteté des contours, une amélioration du contraste, une sommation spatiale, une moyenne du bruit et d'autres formes de traitement du signal, dont certaines n'ont peut-être pas encore été découvertes. Dans la vision humaine, un degré important de traitement de l'image a lieu dans le cerveau, mais la rétine elle-même est également impliquée dans un large éventail de tâches de traitement.

Dans un autre aspect de la vision humaine connu sous le nom de invariance de couleur, la couleur ou la valeur de gris d'un objet ne semble pas changer sur une large plage de luminance. En 1672, Sir Isaac Newton a démontré l'invariance des couleurs dans la sensation visuelle humaine et a fourni des indices pour la théorie classique de la perception des couleurs et du système nerveux. Edwin H. Land, fondateur de la Polaroid Corporation, a proposé le Rétinex théorie de la vision des couleurs, basée sur ses observations de l'invariance des couleurs. Tant que la couleur (ou une valeur de gris) est visualisée sous un éclairage adéquat, un patch de couleur ne change pas de couleur même lorsque la luminance de la scène est modifiée. Dans ce cas, un dégradé d'éclairage sur la scène ne modifie pas la couleur perçue ou le niveau de gris d'un patch. Si le niveau de luminance atteint le seuil de vision scotopique ou crépusculaire, la sensation de couleur disparaît. Dans l'algorithme de Land, les valeurs de luminosité des zones colorées sont calculées et l'énergie d'une zone particulière de la scène est comparée à toutes les autres zones de la scène pour cette bande d'ondes. Les calculs sont effectués trois fois, un pour chaque bande d'ondes (ondes longues, ondes courtes et ondes moyennes), et le triplet de valeurs de luminosité qui en résulte détermine une position pour la zone dans la zone tridimensionnelle. espace colorimétrique défini par la théorie Retinex.

Le terme daltonisme est quelque peu impropre, étant largement utilisé dans les conversations familières pour désigner toute difficulté à distinguer les couleurs. Le vrai daltonisme, ou l'incapacité de voir n'importe quelle couleur, est extrêmement rare, bien que jusqu'à 8 pour cent des hommes et 0,5 pour cent des femmes naissent avec une forme de défaut de vision des couleurs (voir le tableau 1). Les déficiences héréditaires de la vision des couleurs sont généralement le résultat de défauts dans les cellules photoréceptrices de la rétine, une neuro-membrane qui fonctionne comme la surface d'imagerie à l'arrière de l'œil. Les défauts de la vision des couleurs peuvent également être acquis à la suite d'une maladie, d'effets secondaires de certains médicaments ou de processus normaux de vieillissement, et ces déficiences peuvent affecter des parties de l'œil autres que les photorécepteurs.

Les cônes normaux et la sensibilité aux pigments permettent à un individu de distinguer toutes les différentes couleurs ainsi que de subtils mélanges de teintes. Ce type de vision normale des couleurs est appelé trichromatie et repose sur l'interaction mutuelle des plages de sensibilité qui se chevauchent des trois types de cônes photorécepteurs. Une déficience légère de la vision des couleurs se produit lorsque le pigment de l'un des trois types de cônes présente un défaut et que sa sensibilité maximale est déplacée vers une autre longueur d'onde, produisant une déficience visuelle appelée trichromatie anormale, l'une des trois grandes catégories de défauts de vision des couleurs. Dichromatie, une forme plus grave de daltonisme, ou déficience de couleur, se produit lorsque l'un des pigments est sérieusement déviant dans ses caractéristiques d'absorption, ou que le pigment particulier n'a pas été produit du tout. L'absence totale de sensation de couleur, ou monochromatie, est extrêmement rare, mais les individus atteints de daltonisme total (monochromates en bâtonnets) ne voient que divers degrés de luminosité, et le monde apparaît en noir, blanc et nuances de gris. Cette condition ne survient que chez les personnes qui héritent d'un gène de la maladie des deux parents.

Les dichromates peuvent distinguer certaines couleurs, et sont donc moins affectés dans leur vie quotidienne que les monochromates, mais ils sont généralement conscients qu'ils ont un problème avec leur vision des couleurs. La dichromatie est subdivisée en trois types : protanopie, deutéranopie, et tritanopie (voir la figure 7). Environ deux pour cent de la population masculine hérite de l'un des deux premiers types, le troisième étant beaucoup plus rare.

Test de daltonisme d'Ishihara

Le daltonisme, une perturbation du fonctionnement normal de la vision photopique humaine, peut être causé par une multitude de conditions, y compris celles dérivées de la génétique, de la biochimie, des dommages physiques et des maladies. Ce didacticiel interactif explore et simule la façon dont les images en couleur apparaissent aux individus daltoniens, et compare ces images au test de diagnostic daltonien d'Ishihara.

La protanopie est un défaut rouge-vert, résultant d'une perte de sensibilité au rouge, ce qui entraîne une absence de différence perceptible entre le rouge, l'orange, le jaune et le vert. De plus, la luminosité des couleurs rouge, orange et jaune est considérablement réduite par rapport aux niveaux normaux. L'effet d'intensité réduite peut entraîner des feux rouges qui apparaissent sombres (éteints) et des teintes rouges (en général), qui apparaissent en noir ou gris foncé. Les protanopes apprennent souvent à distinguer correctement le rouge du vert et le rouge du jaune, principalement en fonction de leur luminosité apparente, plutôt que de toute différence de teinte perceptible. Le vert apparaît généralement plus clair que le rouge pour ces individus. Parce que la lumière rouge se produit à une extrémité du spectre visible, il y a peu de chevauchement de sensibilité avec les deux autres types de cônes, et les personnes atteintes de protanopie ont une perte prononcée de sensibilité à la lumière à l'extrémité longue longueur d'onde (rouge) du spectre. Les personnes atteintes de ce défaut de vision des couleurs peuvent faire la distinction entre les bleus et les jaunes, mais la lavande, le violet et le violet ne peuvent pas être distingués des différentes nuances de bleu, en raison de l'atténuation de la composante rouge dans ces teintes.

Les personnes atteintes de deutéranopie, qui est une perte de sensibilité au vert, ont bon nombre des mêmes problèmes de discrimination de teinte que les protanopes, mais ont un niveau de sensibilité assez normal dans tout le spectre visible. En raison de l'emplacement de la lumière verte au centre du spectre de la lumière visible et du chevauchement des courbes de sensibilité des récepteurs coniques, il existe une certaine réponse des photorécepteurs rouges et bleus aux longueurs d'onde vertes. Bien que la deutéranopie soit associée au moins à une réponse de luminosité à la lumière verte (et à une faible réduction d'intensité anormale), les noms rouge, orange, jaune et vert semblent au deutéranope être trop de termes pour des couleurs qui apparaissent identiques. De la même manière, les bleus, les violets, les violets et les lavandes ne se distinguent pas par les personnes atteintes de ce défaut de vision des couleurs.

Incidence et causes du daltonisme
CLASSIFICATIONCAUSE DU DÉFAUTINCIDENCE
(%)
Trichromatie anormale 6.0
ProtanomaliePigment de détection du rouge anormal1.0
DeutéranomaliePigment anormal à détection de vert5.0
TritanomaliePigment de détection de bleu anormal0.0001
Dichromatie 2.1
ProtanopiePigment de détection de rouge absent1.0
DeutéranopiePigment à détection de vert absent1.1
TritanopieAbsence de pigment à détection de bleu0.001
Rod MonochromatiePas de cônes fonctionnels< 0,0001
Tableau 1

La tritanopie est l'absence de sensibilité au bleu et produit fonctionnellement un défaut bleu-jaune dans la vision des couleurs. Les personnes atteintes de cette déficience ne peuvent pas distinguer les bleus et les jaunes, mais enregistrent une différence entre le rouge et le vert. La condition est assez rare, et se produit à peu près également dans les deux sexes. Les tritanopes n'ont généralement pas autant de difficultés à effectuer des tâches quotidiennes que les individus présentant l'une des variantes rouge-vert de la dichromatie. Étant donné que les longueurs d'onde bleues ne se produisent qu'à une extrémité du spectre et qu'il y a peu de chevauchement de sensibilité avec les deux autres types de cônes, la perte totale de sensibilité à travers le spectre peut être assez grave dans cette condition.

Lorsqu'il y a une perte de sensibilité par un récepteur de cône, mais que les cônes sont toujours fonctionnels, les déficiences de la vision des couleurs qui en résultent sont considérées comme une trichromatie anormale, et elles sont classées de la même manière que les types de dichromatie. La confusion survient souvent parce que ces conditions sont nommées de la même manière, mais accompagnées d'un suffixe dérivé du terme anomalie. Ainsi, protanomalie, et deutéranomalie produisent des problèmes de reconnaissance de teinte similaires aux défauts de dichromie rouge-vert, mais pas aussi prononcés. La protanomalie est considérée comme une "faiblesse rouge" de la vision des couleurs, le rouge (ou toute couleur ayant une composante rouge) étant visualisé comme plus clair que la normale et les teintes décalées vers le vert. Un individu deutéranomal présente une "faiblesse verte" et a des difficultés similaires à discriminer entre de petites variations de teintes tombant dans la région rouge, orange, jaune et verte du spectre visible. Cela se produit parce que les teintes semblent être décalées vers le rouge. En revanche, les individus deutéranomalies n'ont pas le défaut de perte de luminosité qui accompagne la protanomalie. De nombreuses personnes atteintes de ces variantes trichromatiques anormales ont peu de difficulté à effectuer des tâches qui nécessitent une vision des couleurs normale, et certaines peuvent même ne pas être conscientes que leur vision des couleurs est altérée. Tritanomalie, ou faiblesse bleue, n'a pas été signalé comme un défaut héréditaire. Dans les quelques cas où la déficience a été identifiée, on pense qu'elle a été acquise plutôt qu'héritée. Plusieurs maladies oculaires (comme le glaucome, qui attaque les cônes bleus) peuvent entraîner une tritanomalie. La perte de cône bleu périphérique est la plus fréquente dans ces maladies.

Malgré les limitations, le daltonisme présente certains avantages en termes d'acuité visuelle, tels que la capacité accrue de discriminer les objets camouflés. Les contours, plutôt que les couleurs, sont responsables de la reconnaissance des formes, et des améliorations de la vision nocturne peuvent se produire en raison de certaines déficiences de la vision des couleurs. Dans l'armée, les tireurs d'élite et les observateurs daltoniens sont très appréciés pour ces raisons. Au début des années 1900, dans le but d'évaluer la vision anormale des couleurs chez l'homme, l'anomaloscope de Nagel a été développé. En utilisant cet instrument, l'observateur manipule les boutons de commande pour faire correspondre deux champs colorés pour la couleur et la luminosité. Une autre méthode d'évaluation, le test de plaque pseudoisochromatique d'Ishihara pour le daltonisme, du nom du Dr Shinobu Ishihara, fait la distinction entre la vision normale des couleurs et le daltonisme rouge-vert (comme présenté dans le didacticiel et la figure 7). Un sujet de test avec une vision des couleurs normale peut détecter la différence de teinte entre la silhouette et l'arrière-plan. Pour un observateur présentant une déficience rouge-vert, les plaques semblent isochromatiques sans discrimination entre les figures et le motif de conception.

En tant que partie naturelle du processus de vieillissement, l'œil humain commence à percevoir les couleurs différemment au cours des dernières années, mais ne devient pas « daltonien » au vrai sens du terme. Le vieillissement se traduit par le jaunissement et le noircissement du cristallin et de la cornée, effets dégénératifs qui s'accompagnent également d'un rétrécissement de la taille de la pupille. Avec le jaunissement, les longueurs d'onde plus courtes de la lumière visible sont absorbées, de sorte que les teintes bleues apparaissent plus sombres. En conséquence, les personnes âgées éprouvent souvent des difficultés à distinguer les couleurs qui diffèrent principalement par leur teneur en bleu, comme le bleu et le gris ou le rouge et le violet. À 60 ans, par rapport à l'efficacité visuelle d'un jeune de 20 ans, seulement 33 % de la lumière incidente sur la cornée atteint les photorécepteurs de la rétine. Cette valeur tombe à environ 12,5% au milieu des années 70.

Hébergement de l'œil humain

L'accommodation de l'œil fait référence à l'acte physiologique d'ajustement des éléments du cristallin pour modifier le pouvoir de réfraction et mettre au point les objets les plus proches de l'œil. Ce didacticiel explore les changements dans la structure de la lentille à mesure que les objets sont déplacés par rapport à l'œil.

Hébergement de l'œil fait référence à l'action d'ajuster physiologiquement l'élément du cristallin pour modifier le pouvoir de réfraction et mettre au point les objets les plus proches de l'œil. Les rayons lumineux initialement réfractés à la surface de la cornée sont davantage convergés après avoir traversé le cristallin. Pendant l'accommodation, la contraction des muscles ciliaires relâche la tension sur le cristallin, entraînant des modifications de la forme du tissu transparent et élastique, tout en le déplaçant légèrement vers l'avant. L'effet net des modifications de la lentille est d'ajuster la distance focale de l'œil pour mettre l'image exactement au point sur la couche photosensible de cellules résidant dans la rétine. L'accommodation relâche également la tension appliquée au cristallin par les fibres de la zonule et permet à la surface antérieure du cristallin d'augmenter sa courbure. Le degré de réfraction accru, associé à un léger décalage vers l'avant de la position de l'objectif, met au point les objets plus proches de l'œil.

La mise au point dans l'œil est contrôlée par une combinaison d'éléments, notamment l'iris, le cristallin, la cornée et le tissu musculaire, qui peuvent modifier la forme du cristallin afin que l'œil puisse se concentrer à la fois sur les objets proches et distants. Cependant, dans certains cas, ces muscles ne fonctionnent pas correctement ou la forme de l'œil est légèrement modifiée et le point focal ne coupe pas la rétine (une condition appelée vision convergente). À mesure que les individus vieillissent, le cristallin devient plus dur et ne peut pas être correctement focalisé, ce qui entraîne une mauvaise vision. Si le point de focalisation est en deçà de la rétine, la condition est appelée myopie ou myopie, et les personnes atteintes de cette affection ne peuvent pas se concentrer sur des objets distants. Dans les cas où le point focal est derrière la rétine, l'œil aura du mal à se concentrer sur les objets proches, créant une condition connue sous le nom d'hypermétropie ou hypermétropie. Ces dysfonctionnements de l'œil peuvent généralement être corrigés avec des lunettes (Figure 8) utilisant une lentille concave pour traiter la myopie et une lentille convexe pour traiter l'hypermétropie.

La vision convergente n'est pas totalement physiologique et peut être influencée par l'entraînement, si les yeux ne sont pas défectueux. Des procédures répétitives peuvent être utilisées pour développer une vision convergente forte. Les athlètes, comme les arrêts-courts de baseball, ont une vision convergente bien développée. Dans chaque mouvement, les deux yeux doivent traduire à l'unisson pour préserver la vision binoculaire, avec un appareil neuromusculaire précis et réactif qui n'est généralement pas sujet à la fatigue, contrôlant leur motilité et leur coordination. Les changements de convergence oculaire ou de mouvement de la tête sont pris en compte dans les calculs effectués par le système oculaire complexe pour produire les entrées neuronales appropriées vers les muscles oculaires. Un mouvement oculaire de 10 degrés peut être effectué en environ 40 millisecondes, les calculs se produisant plus rapidement que l'œil ne peut atteindre sa cible prévue. Les petits mouvements oculaires sont appelés saccades et les mouvements plus importants d'un point à un autre sont appelés versions.

Le système visuel humain doit non seulement détecter la lumière et la couleur, mais en tant que système optique, doit être capable de discerner les différences entre les objets, ou un objet et son arrière-plan. Connu comme contraste physiologique ou alors discrimination de contraste, la relation entre la luminosité apparente de deux objets qui sont vus soit en même temps (contraste simultané) ou séquentiellement (contraste successif) dans un contexte, peut être ou ne pas être le même. Dans le système visuel humain, le contraste est réduit dans l'obscurité de l'environnement et chez les individus souffrant de déficiences visuelles des couleurs telles que le daltonisme rouge-vert. Le contraste dépend de la vision binoculaire, de l'acuité visuelle et du traitement de l'image par le cortex visuel du cerveau. Un objet à faible contraste, qui ne peut être distingué de l'arrière-plan à moins qu'il ne soit en mouvement, est considéré camouflé. Cependant, les personnes daltoniennes sont souvent capables de détecter des objets camouflés en raison d'une vision accrue des bâtonnets et de la perte d'indices de couleur trompeurs. L'augmentation du contraste se traduit par une visibilité accrue, et une valeur numérique quantitative pour le contraste est généralement exprimée en pourcentage ou en rapport. Dans des conditions optimales, l'œil humain peut à peine détecter la présence d'un contraste de deux pour cent.

Avec la vision humaine, une augmentation apparente du contraste est perçue dans une zone étroite de chaque côté de la frontière entre deux zones de luminosité et/ou de chromaticité différentes. A la fin du XIXe siècle, le physicien français Michel Eugène Chevreul découvre le contraste simultané. En tant que fonction spéciale de la perception visuelle humaine, les bords ou le contour d'un objet sont mis en évidence, éloignant l'objet de son arrière-plan et facilitant l'orientation spatiale. Lorsqu'elle est positionnée sur un arrière-plan clair, la région au bord d'un objet sombre apparaît plus claire que le reste de l'arrière-plan (en effet, le contraste est amélioré). Avec ce phénomène de perception, la couleur avec le contraste le plus fort, la couleur complémentaire, est créée (par le cerveau) au bord. Parce que la couleur et son complément sont perçus simultanément, l'effet est connu sous le nom contraste simultané. Les frontières et autres lignes de démarcation qui séparent les zones contrastées ont tendance à atténuer l'effet (ou illusion d'optique) en éliminant le contraste marginal. De nombreuses formes de microscopie optique, notamment l'éclairage à contraste de phase, tirent parti de ces caractéristiques du système visuel humain. En augmentant le contraste physique d'une image sans avoir à changer l'objet par coloration ou autre technique, l'échantillon à contraste de phase est protégé contre les dommages ou la mort (dans le cas d'échantillons vivants).

le fréquence spatiale La réponse de l'œil humain peut être évaluée en déterminant la capacité à détecter une série de bandes dans un réseau sinusoïdal modulé. Les réseaux de test comportent des régions (bandes) alternées de lumière et d'obscurité, qui augmentent linéairement des fréquences les plus élevées aux plus basses le long de l'axe horizontal tandis que le contraste diminue de manière logarithmique de haut en bas. La limite des bandes qui ne peuvent être distinguées que par les individus ayant une vision normale se situe entre 7 et 10 cycles par degré. Pour la vision achromatique, lorsque la fréquence spatiale est très faible (espacement des lignes large), un contraste élevé est nécessaire pour détecter l'intensité variant de manière sinusoïdale. À mesure que la fréquence spatiale augmente, les humains peuvent détecter des périodes avec moins de contraste, atteignant un pic d'environ 8 cycles par degré dans le champ visuel. Au-delà de ce point, un contraste plus élevé est à nouveau nécessaire pour détecter les bandes sinusoïdales plus fines.

Examen de la fonction de transfert de modulation (MTF) du système visuel humain révèle que le contraste nécessaire pour détecter la variation de luminance dans les réseaux sinusoïdaux normalisés augmente à la fois aux fréquences spatiales supérieures et inférieures. À cet égard, l'œil se comporte tout à fait différemment d'un simple appareil d'imagerie (comme un appareil photo argentique ou un capteur CCD). La fonction de transfert de modulation d'un système de caméra simple et focalisé affiche une modulation maximale à une fréquence spatiale nulle, le degré de modulation tombant de manière plus ou moins monotone à zéro à la fréquence de coupure de la caméra.

Lorsque la luminance d'une scène fluctue périodiquement plusieurs fois par seconde (comme c'est le cas avec les écrans de télévision et d'ordinateur), les humains perçoivent une sensation irritante, comme si les scènes séquentielles étaient disjointes. Lorsque la fréquence de fluctuation augmente, l'irritation augmente et atteint un maximum à environ 10 hertz, en particulier lorsque des éclairs lumineux alternent avec l'obscurité. À des fréquences plus élevées, la scène n'apparaît plus décousue et les objets déplacés d'une scène à l'autre sont désormais perçus comme se déplaçant en douceur. Communément appelé vaciller, la sensation gênante de flottement léger peut persister jusqu'à 50-60 hertz. Au-delà d'une certaine fréquence et luminance, dite fréquence de scintillement critique (CFF), le scintillement de l'écran n'est plus perçu.C'est la principale raison pour laquelle l'augmentation du taux de rafraîchissement d'un écran d'ordinateur de 60 à 85-100 hertz produit un affichage stable et sans scintillement.

Les progrès de la technologie de fabrication des semi-conducteurs, en particulier les semi-conducteurs à oxyde métallique complémentaire (CMOS) et CMOS bipolaire (BiCMOS), a conduit à une nouvelle génération de photodétecteurs miniatures dotés d'une plage dynamique extraordinaire et d'une réponse rapide. Récemment, des matrices de puces de capteur CMOS ont été agencées pour modéliser le fonctionnement de la rétine humaine. Ces soi-disant éclats d'oeil, en combinant l'optique, la vision humaine et les microprocesseurs, font progresser l'ophtalmologie dans le nouveau domaine de optobionique. Rétines endommagées résultant de maladies visuelles débilitantes, telles que rétinite pigmentaire et dégénérescence maculaire, ainsi que le vieillissement et les lésions de la rétine, qui nuisent à la vision, sont corrigés grâce aux puces oculaires implantées. Les puces oculaires en silicium contiennent environ 3 500 détecteurs de lumière miniatures attachés à des électrodes métalliques qui imitent la fonction des bâtonnets et des cônes humains. Les détecteurs de lumière absorbent la lumière incidente réfractée par la cornée et le cristallin et produisent une petite quantité de charge électrique qui stimule les neurones rétiniens. Avec un diamètre de deux millimètres (voir Figure 9), la rétine de remplacement est deux fois moins épaisse qu'un morceau de papier typique et est implantée dans une poche sous la rétine endommagée.

Comme alternative à la puce oculaire, une prothèse rétinienne utilisant un processeur de signal numérique et une caméra montée sur une paire de lunettes, capture et transmet une image d'un objet ou d'une scène. Sans fil, l'image est envoyée à une puce réceptrice intégrée près des couches rétiniennes où les impulsions nerveuses sont envoyées au cerveau. Les rétines artificielles, cependant, ne traiteront pas le glaucome ou les déficiences visuelles qui endommagent les fibres nerveuses menant au nerf optique. À mesure que l'optobionique progresse, la compréhension scientifique du système visuel humain complexe fait de même.

Auteurs contributeurs

Kenneth R. Printemps - Consultant scientifique, Lusby, Maryland, 20657.

Thomas J. Fellers et Michael W. Davidson - National High Magnetic Field Laboratory, 1800 East Paul Dirac Dr., The Florida State University, Tallahassee, Floride, 32310.


Le ciel est-il bleu sur d'autres planètes aussi ?

Tout dépend de ce qu'il y a dans l'atmosphère ! Par exemple, Mars a une atmosphère très fine composée principalement de dioxyde de carbone et remplie de fines particules de poussière. Ces fines particules diffusent la lumière différemment des gaz et des particules de l'atmosphère terrestre.

Les photos des rovers et atterrisseurs de la NASA sur Mars nous ont montré qu'au coucher du soleil, il y a en fait le contraire de ce que vous vivriez sur Terre. Pendant la journée, le ciel martien prend une couleur orange ou rougeâtre. Mais au coucher du soleil, le ciel autour du soleil commence à prendre une teinte bleu-gris.

L'image du haut montre le ciel martien de couleur orange pendant la journée et l'image du bas montre le ciel bleu au coucher du soleil. Les deux images ont été capturées par Mars Pathfinder Lander de la NASA. Crédit : NASA/JPL