Lumière, réfraction et lentilles minces
La lumière visible est une onde électromagnétique de 380 à 750 nm. Dans un milieu transparent elle ralentit (v = c/n) et change de direction à chaque interface : c’est la réfraction, loi de Snell-Descartes n₁ sin i = n₂ sin r. Une lentille convergente (bords minces) ramène des rayons parallèles en un foyer à la distance focale f ; une divergente (bords épais) les écarte comme s’ils venaient d’un foyer virtuel.
L’œil : une caméra de 60 dioptries et 24 millimètres
Au repos, l’œil emmétrope (normal) a une vergence d’environ 60 D : l’image d’un objet lointain tombe exactement sur la rétine, 24 mm plus loin. Pour voir net de près, le muscle ciliaire se contracte, le cristallin se bombe et gagne des dioptries : c’est l’accommodation. Un jeune adulte gagne ainsi 10 D et voit net de l’infini (punctum remotum) à une dizaine de centimètres (punctum proximum). Cette amplitude diminue avec l’âge : moins de 1 D à 60 ans, c’est la presbytie, et les lunettes de lecture apportent les +2 à +3 D manquants.
| Appareil photo | Œil | Rôle |
|---|---|---|
| Objectif | cornée + cristallin | former l’image, 60 D |
| Diaphragme | iris et pupille | doser la lumière, régler la profondeur de champ |
| Autofocus | accommodation | déformer le cristallin plutôt que déplacer l’objectif |
| Capteur | rétine | cônes au centre (couleur, détail), bâtonnets en périphérie (pénombre) |
| Câble | nerf optique | un million de fibres, un trou dans l’image : la tache aveugle |
Myopie, hypermétropie, astigmatisme : où tombe l’image ?
Acuité visuelle, résolution et perception
L’acuité mesure le plus petit angle sous lequel deux détails restent séparés. L’acuité normale, 10/10, correspond à une minute d’arc (1/60 de degré) : à 5 mètres, c’est un détail de 1,5 mm, l’épaisseur des barres du E de Snellen. Quelqu’un à 5/10 doit se rapprocher deux fois plus pour lire la même ligne.
Ce que l’œil perçoit n’est pas ce qu’il reçoit
L’éclairement se mesure en lux : 500 lx pour un bureau, 100 000 lx en plein soleil, 0,001 lx par nuit sans lune. La perception, elle, comprime cette gamme d’un facteur cent millions. La loi de Stevens décrit la relation : la sensation S croît comme une puissance du stimulus, S = k · In, avec n ≈ 0,33 pour la luminosité (doubler la lumière ne donne que 26 % de plus de clarté perçue), n ≈ 0,6 pour l’intensité sonore et n ≈ 3,5 pour une décharge électrique, où la douleur explose. C’est la psychophysique, la même qui permet de construire un audiogramme ou une échelle de douleur.
Le laser et la lumière qui soigne
Un atome excité peut retomber spontanément en émettant un photon dans n’importe quelle direction : c’est l’émission spontanée, celle d’une ampoule. Mais si un photon de la bonne énergie passe près de lui, il déclenche l’émission d’un photon identique : même longueur d’onde, même direction, même phase. C’est l’émission stimulée, prédite par Einstein en 1917. Un laser, c’est un milieu où l’on maintient plus d’atomes excités que d’atomes au repos (le pompage), entre deux miroirs qui font passer et repasser la lumière pour amplifier ce phénomène.
| Laser | Longueur d’onde | Cible | Usage |
|---|---|---|---|
| Excimer ArF | 193 nm (UV) | liaisons du collagène cornéen | LASIK, PRK : photoablation de la cornée |
| Argon, KTP | 514 à 532 nm (vert) | hémoglobine, mélanine | photocoagulation rétinienne, rétinopathie diabétique, vaisseaux cutanés |
| Nd:YAG | 1064 nm (IR) | peu absorbé, pénètre | capsulotomie après cataracte, détatouage, coagulation profonde |
| CO₂ | 10,6 µm (IR lointain) | eau des tissus | bistouri laser : coupe et coagule en surface |
| Diode | 660 et 940 nm | HbO₂ et Hb absorbent différemment | oxymètre de pouls : la SpO₂ au bout du doigt |
La lumière sans laser
Les UV-B (280 à 315 nm) fabriquent la vitamine D et provoquent le coup de soleil et, à long terme, les cancers cutanés ; les UV-A font vieillir la peau. La lumière bleue vers 460 nm transforme la bilirubine du nouveau-né ictérique en dérivés solubles : c’est la photothérapie. Et l’infrarouge proche traverse quelques centimètres de tissu, ce qui permet l’oxymétrie et la spectroscopie du cerveau du prématuré.
À toi de calculer
Distances en mètres pour les dioptries. Réponds avec un nombre, signe compris pour les lentilles divergentes.
Huit questions, une réponse juste par question
La fiche en huit lignes
1/f = 1/dₒ + 1/dᵢ · m = −dᵢ/dₒD = 1/f (dioptrie = m⁻¹) · accolées : D = D₁ + D₂≈ 60 D · cornée 43 D · cristallin 20 D · 24 mmlire à 25 cm = +4 D · presbytie = amplitude < 1 Dimage devant · verre divergent · D = −1/PRimage derrière · verre convergent1 minute d’arc · diffraction θ = 1,22 λ/Démission stimulée · monochromatique · cohérent · directif