Biophysique de La Vision

BIOPHYSIQUE de la VISION

CHO

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lumière rouge

lumière vert e

lumière bleu e

michel.cherel@univ-nantes.fr

Message physique

Recueil

Transduction

Transmission

Interprétation

Sensation

Radiation électromagnétique

Globe occulaire

Rétine

Voies optiques

Aires 17, 18 et 1 9 du cortex

Sensations visuelles

Codage

Vibration sonore

Oreille externe et moyenne

Cochlée

Voies auditives

Aires 41 et 42 du cortex

Sensations sonores

Fonctions sensorielles :l’audition, la vision

L’œil

Chapître 1Signal physique

PLANLe signal physique

I - La lumière1.1. Aspect Ondulatoire1.2. Aspect corpusculaire 1.3. Sources lumineuses

II - Radiométrie2.1. Flux énergétique φ.2.2. Eclairement énergétique ε.2.3. Intensité énergétique Ι.2.4. Brillance énergétique B.

La lumière : onde ou corpuscule ?

La lumière est-elle une onde ou un corpuscule (matière) ?

Jeune femme ou vieille sorcière ?

Tout dépend de ce que l’on regarde…

Le signal physiqueLa lumière

1. La lumière

1.1 Description ondulatoireEquations de Maxwell

∀ x et t,

E(x,t) ⊥ B(x,t)

E(x,t) = c.B(x,t),Avec c, vitesse de la lumière dans le vide (3.108 m/s)

Fréquence ν, Période T = 1/ν et Longueur d’onde λ = c.T

Explique parfaitement l’optique géométrique et physique(interférences)

Le signal physiqueLa lumièreDescription ondulatoire

- Onde électromagnétique (EM)- Fréquence élevée (Hz)- Longueur d’onde (λ = c/ν) en m- Bande étroite du domaine spectral.

1.1 Description ondulatoireLe signal physiqueLa lumièreDescription ondulatoire

Classement des ondes (EM) suivant leur longueur d’onde dans le vide

La lumière est :

λ

Lumière atteignant la rétine : 350 nm à 1400 nm

Lumière solaire visible : 400 nm à 700 nm

Fréquence fixe = Onde ou lumière monochromatique exemple: couleur bleue

Gamme de fréquences = Lumière polychromatiqueexemple: couleur blanche

1.1 Description ondulatoire (suite)Le signal physiqueLa lumièreDescription ondulatoire

1.2 Description corpusculaire

Le rayonnement est un ensemble de particules (photons) se propageant à la vitesse de la lumière le long de l’axe Ox

La masse des photons au repos est nulle

E = h ν, avec h constante de Planck

(Remarque : h = 6,62.10-34 J.s, E en J, ν fréquence en Hz)

Le signal physiqueLa lumièreDescription corpusculaire

Dualité onde - corpuscule

Complémentarité des deux descriptions

Corpusculaire :

Rayonnements très énergétiques, les phénomènes ondulatoires ont une influence trop faible pour être pris en compte

Ondulatoire :

Rayonnements peu énergétiques, les photons ont une énergie trop faible pour interagir avec la matière

Le signal physiqueLa lumière

Dualité onde - corpuscule

A toute onde, on peut associer un corpuscule de masse m et réciproquement (vitesse v)

Longueur d’onde de de Broglie

alors λ = h / (m.v)

Utile pour les corpuscules de masse faible (particules)

Pour les masses importantes, λ << distances rencontrées

ex : voiture à 90 km/h, pesant une tonne...

λ = 2,65 10-38 m

Le signal physiqueLa lumière

1.3 Sources lumineuses

1.3 Sources lumineuses

Sources primaires : produisent de la lumière.

(Lampes, soleil, étoiles…)

Sources secondaires : objets qui renvoient une partie de la lumière qu’ils reçoivent.

Le signal physiqueLa lumièreLes sources lumineuses

Spectre de transmission d'une pommespectre d'émission

(lumière solaire) spectre transmis

1.3 Sources lumineuses (suite)Le signal physiqueLa lumièreLes sources lumineuses

infrarouge 59 %

Rayonnement solaire

longueur d'onde dans le vide (en nm)

visible 40 %

absorption atmosphérique filtration par l'atmosphère

traverse la cornée

atteint la rétine

irritantpour l'œil

0 300 400 750 1400

absorption oculaire

350

ultraviolet 1 %

absorption oculaire

270

350 1400QuickTime™ et undécompresseur TIFF (non compresont requis pour visionner cette ima

LUMIERE SON

Transport d’énergie sans transport de matière

Vibration d’1 champ EM Vibration d’1 milieu matériel

Propagation dans le vide :

OUI NON

Vibration transversale Vibration longitudinale

Fréquence 1015Hz Audible 20 Hz - 20 kHzUS 20 kHz - 150 MHz

1.3 Sources lumineuses (suite)Le signal physiqueLa lumièreLes sources lumineuses

Application

• Le bleu du cielInteractions lumière blanche du Soleil avec l’atmosphère terrestre (O2,N2)

Couleur du ciel dépend de l’épaisseur d’atmosphère traversée et de λ

Atmosphère diffuse la lumière en fonction de λ (vibrations moléculaires)

Plus la longueur d’onde est petite,

plus la diffusion est importante

Le signal physique

Application (suite)

• Le bleu du cielLa journée, trajet court, le bleu est la

couleur la plus diffusée

Le ciel est bleu

Le matin (et le soir), trajet plus long, le rouge est la couleur la plus diffusée

Le ciel est rouge

Le signal physique

Radiométrie

II - RADIOMETRIE = Mesure de paramètres physiques

2.1. Flux énergétique φ.= Energie transportée / seconde (Watt)

2.2. Eclairement énergétique ε.= φ ramené à l’unité de surface du milieu (Watt / m2) = Puissance surfacique (cible)

Le signal physiqueRadiométrie

S

φ

dS

dφ

Mε = dφ / dS

Radiométrie

Angle solide

Soit un cône de sommet O et de rayon r

L’angle solide de ce cône est la surface qu’il découpe sur la sphère de centre O et de rayon égale à l’unité.

Stéradian

Angle solide d’un cône de sommet le centre d’une sphère d’un mètre de rayon et de base une surface de 1 m2 découpée sur une sphère

Le signal physiqueRadiométrie

OP

dΩ

dΦ

dS

r (unité)

Radiométrie

2.3. Intensité énergétique Ι.(source ponctuelle)

= φ ramené à l’angle solide (Watt / Stéradian)

2.4. Brillance énergétique B.

(source non ponctuelle)

= Luminance énergétique = Intensité énergétique rapportée à la surface de la source.(Watt / m2. Stéradian = W.m-2.sr-1)

Le signal physiqueRadiométrie

I = dφ / dΩ