Les illusions d'optique
I) Le système visuel
1- Structure de l'oeil
L’œil est un organe complexe et fragile. C’est l’un de nos cinq sens qui nous permet d’analyser et d’interagir avec notre environnement. Le système visuel est défini en différentes parties :
L'iris : partie colorée de notre œil (en marron, vert ou bleu). Elle laisse rentrer plus ou moins de lumière par l'orifice noir de notre œil.
La pupille : se rétrécit pour que nous ne soyons pas éblouis. Dans une pièce sombre, la pupille s'agrandit : les rayons lumineux passent plus, nous voyons mieux les objets.
Le cristallin : Il joue un rôle de lentille convergente et focalise la lumière sur la rétine . Par ailleurs, le cristallin est responsable du phénomène d'accommodation, c'est-à-dire qu'il permet la vison nette d'objets plus ou moins proches. Pour cela, il est capable, en se déformant, de modifier sa vergence ce qui assure la netteté des images rétiniennes.
La rétine: C'est la menbrane interne de l'oeil sur laquellle se forme l'image des objets vus.
La cornée: C'est une membrane transparente, elle assure environ 80 % de la réfraction des rayons lumineux. La cornée réfracte les rayons lumineux et les projette sur la rétine.
La sclérotique (ou sclère) : C'est une enveloppe dure et très résistante qui recouvre l'œil sur la quasi-totalité de sa surface, de coloration blanche, se prolongeant par la cornée en avant et par une petite ouverture postérieure laissant le passage au nerf optique.
Humeur aqueuse: C'est un liquide clair présent dans l’œil. Ce liquide protège le cristallin, nourrit la cornée et sert également à réguler la pression à l'intérieur de l'oeil.
Humeur vitrée: Il contient principalement une substance gélatineuse et transparente qui occupe 90% du volume de l’œil. il a pour rôle d'amortir les chocs, de préserver la rigidité du globe oculaire et de maintenir la rétine bien en place.
Le nerf optique: Son rôle est de transmettre les informations reçues via le cerveau. Ce dernier enregistre, interprète et traduit les informations reçues en images.
2- Réception de l'image
L'oeil fonctionne sur le principe de la chambre noire. C'est une boite complètement fermée avec juste un petit trou au milieu de la face avant. Pour l'oeil le petit trou qui laisse passer la lumière, c'est la pupille. Le mur au fond de la boite opposé au trou, sert d'écran. L'image se forme donc sur le fond de l'oeil, la rétine. On met ensuite une lentille dans le trou pour focaliser la lumière, pour l'oeil c'est le cristallin. Une lentille mince c'est un milieu transparent séparé par 2 surfaces dont l'une au moins n'est pas plane. Une lentille convergeante transforme un faisceau incident parallèle en un faisceau émergent convergent. Donc quand on se place devant la boite, la lumière venant de notre tête passe par le trou, elle finit sa route en bas de l'écran. Et la lumière venant de nos pieds finit en haut de l'écran. La rétine reçoit donc une image inversée. Tous les rayons lumineux qui passent par le centre optique ne sont pas déviés.
Le foyer objet F et le foyer image F ' situés sur l'axe optique sont symétriques par rapport au centre optique O. Une lentille convergeante est caractérisée par sa distance focale f ou f ' qui est égale à la valeur algébrique de OF ' .
La taille de l'image sur le fond de la rétine, dépend uniquement de la distance entre la lentille et la rétine. Les deux lentilles situées de part et d'autre de la pupille, la cornée et le cristallin, permettent d'ajuster la taille et la nettement de l'image sur la rétine. Ce dernier à la propriété de se déformer, il change de distance focale, on dit que l'oeil accommode.
On peut retrouver la position et la taille de l'image par le calcul.
Pour la position, il y a la formule de conjugaison :
Pour la taille, il y a la formule de grandissement :
3- Transmission de l'oeil au cerveau
La rétine de l’œil reçoit donc une image inversée. Elle est composée de 3 couches de cellules spécialisées pour pouvoir comprendre cette image.
Tout d’abord, les photorécepteurs vont transformer l’énergie lumineuse en énergie électrique (signo électrochimique). Ces photorécepteurs désignent un neurone sensoriel sensible à la lumière qui se trouve sur la couche supérieure de la rétine. Il existe 2 sortes de photorécepteurs : ceux en forme de cônes (il en existe trois formes) et ceux en forme de bâtonnets. Les trois types de cône ont une sensibilité plus grande à certaines longueurs d'onde lumineuse: les cônes bleus (437 nm), les cônes verts (533 nm), et les cônes rouges (564 nm). Ceux en bâtonnets permettent de reconnaître l'intensité de la lumière, et ceux en cônes permettent de reconnaître les couleurs.
Les photorécepteurs présents contiennent des protéines, les opsines, sur lesquels se fixe les isomères rétinaux1. Lorsque la lumière, transportant de l’énergie, arrive sur l'isomère Z rétinal, ce dernier absorbe un photon et subit une isomérisation. Il se transforme en E rétinal : la géométrie de la molécule dans l’espace changeant, celle-ci se détache de l’opsine. Au cours de ce changement, un message nerveux est produit par le photorécepteur et est transmis au nerf optique.
La transformation des informations sous forme de signal électrique est effectuée grâce au nerf optique de chaque oeil, qui est un câble composé de fibres optiques, issues de cellules visuelles et convergeant vers un point particulier de la rétine : la papille.
Les deux nerfs optiques quittent les yeux au niveau du disque optique, et se croisent dans le chiasma optique.
Le signal de la rétine est alors transporté jusqu'au corps genouillé latéral par des cellules ganglionnaires regroupées dans le nerf optique : les axones.
Le chiasma optique permet la décussation, c'est-à-dire le changement de côté, d'environ la moitié des axones en provenance de la rétine, afin que chaque demi-champ visuel se projette dans l'hémisphère opposé, et ainsi assurer le traitement croisé de l'information visuelle.
Enfin, les axones parviennent au cortex primaire du lobe occipital du cerveau : l'aire visuelle. C'est ici que s'achève le long chemin de l'information visuelle.
