Cours 5 - Biophysique - Vision (partie 3) 2024-2025 PDF

# OS BIOPHYSIQUE ## COURS 5 ## Vision (partie 3) 01/10/2024 2024 - 2025 # CHAPITRE 3: CHAÎNE DE PERCEPTION VISUELLE ## 1. ANATOMIE DE L'ŒIL ### COUPE TRANSVERSALE - ŒIL DROIT VU DU DESSUS - Oui, c'est une coupe transversale ci-dessus, pour voir la différence axe visuel/axe optique (cf. sui...

# OS BIOPHYSIQUE ## COURS 5 ## Vision (partie 3) 01/10/2024 2024 - 2025 # CHAPITRE 3: CHAÎNE DE PERCEPTION VISUELLE ## 1. ANATOMIE DE L'ŒIL ### COUPE TRANSVERSALE - ŒIL DROIT VU DU DESSUS - Oui, c'est une coupe transversale ci-dessus, pour voir la différence axe visuel/axe optique (cf. suite) | | **Externe = fibreuse** | **Moyenne = vasculaire** | **Interne = nerveuse** | | :---- | :--------------------------: | :---------------------------: | :--------------------------: | | **Sclérotique** | Membrane blanche et opaque (<< blanc >> de l'œil) *Formée d'un tissu conjonctif dense et peu vascularisé * De structure tendineuse → tunique très résistante * Épaisseur : 1 à 2 mm * Rôle mécanique: contient la pression interne de l'œil et le protège des agressions mécaniques * Se poursuit en avant par la cornée, qui elle est transparente | * Rôle nutritionnel + participe à l'oxygénation des tissus * Ses pigments absorbent les rayons lumineux ayant traversé la rétine, et empêchent le phénomène de réflexion * Produisent l'humeur aqueuse * Associés à des muscles ciliaires * Responsable de la coloration de l'œil * Joue un rôle de diaphragme traversé par la lumière et délimitant un orifice, la pupille | Enveloppe la plus profonde du globe oculaire * Contient les cellules sensorielles de la vision: cônes et bâtonnets * Prolongée en arrière par le nerf optique | # PAROI DE L'ŒIL = 3 TUNIQUES ## 4 MILIEUX TRANSPARENTS DE L'ŒIL - Ils sont successivement traversés par la lumière. - Leur indice de réfraction, différent de celui de l'air, est responsable de la convergence qui assure la formation de l'image lumineuse sur la rétine (sera largement revu). | | **Cornée** | **Humeur aqueuse** | **Cristallin** | **Corps vitré** | | :---- | :-------------: | :------------------: | :------------: | :----------------: | | / | / | Solution saline: liquide riche en NaCl | * Lentille biconvexe * Relié aux corps ciliaires par les zonules de Zinn et les muscles ciliaires, dont l'action sur le cristallin participe au phénomène d'accommodation (sera revu) * La transparence des cellules du cristallin est due : * à l'absence de noyau * à la précision de l'arrangement cellulaire, qui permet aux cellules de coulisser les unes sur les autres lors du phénomène d'accommodation | = Humeur vitrée * Il s'agit d'un gel colloïdal | ## RÉTINE CENTRALE ET PÉRIPHÉRIQUE - Cet examen ophtalmologique permet de repérer ici sur un œil droit la papille et la fovéa. Cette illustration est hors cours mais peut vous aider à situer les éléments dans les 3 dimensions. - Zone de la rétine où se forme l'image d'un point que l'on regarde | | **Fovéa = fovéa centralis** | **Régions parafovéale et périfovéale** | **Papille (terme non mentionné)** | **Rétine périphérique** | | :------------ | :-------------------------------: | :------------------------------------: | :-------------------------------: | :-------------------------: | | **Rétine centrale** | * Située à l'intersection entre l'axe visuel et la rétine * Sa partie la plus centrale = fovéola : - Est constituée uniquement de cônes - Représente la zone la plus discriminative de la rétine, avec une acuité visuelle maximale : AV = 10/10ème - On fait l'amalgame entre fovéa et fovéola généralement, no piège au CC si on vous dit que la fovéa est constituée uniquement de cônes c'est vrai | * Surtout constituées de cônes * Apparition progressive des bâtonnets au fur et à mesure que l'on se dirige vers la rétine périphérique | * Zone d'émergence du nerf optique * Zone dépourvue de photorécepteurs: on parle de tâche noire, tâche aveugle de l'œil, il n'a aucune vision possible à cet endroit (mais il y a reconstruction de l'image en aval par superposition des champs visuels) | * Présente uniquement des bâtonnets | ## AXE OPTIQUE ET AXE VISUEL - Décalage de 5° entre les 2 axes. | | **Axe optique** | | :---- | :----------------: | | / | * Pour les exercices, on fera comme si les deux axes étaient confondus * Plus les axes optiques divergent, plus les yeux sont latéraux (par ex chez le lièvre) | ## DIAPHRAGME PUPILLAIRE = DIAPHRAGME IRIEN - Le diamètre de la pupille diminue en plein soleil: il y a fermeture rapide après éblouissement. - Le diamètre de la pupille augmente dans l'obscurité, mais cette ouverture est plus lente. | | **Variations de diamètre: entre 3 et 8 mm** | | :------------ | :-------------------------------------: | | **Mydriase** | * Augmentation du diamètre de la pupille = ouverture de la pupille - sortie des approximations de Gauss (les approximations de Gauss permettent d'évaluer la vision en santé, où l'on considère un œil comme un dioptre sphérique stigmatique) | | **Myosis** | * Diminution du diamètre de la pupille = fermeture de la pupille - Si myosis très serré, il y a flou de diffraction - Un myosis s'obtient plus rapidement qu'une mydriase (cf. 1ère ligne) - Élimination des rayons marginaux (ceux qui arrivent sur les bords de la pupille) | | **Double rôle du diaphragme** | * Protège la rétine d'un excès de luminosité | | **Aspect évolutif** | * Les animaux nocturnes ont une pupille ronde et large (ce qui augmente le nombre de photons qui arrive sur la rétine) * Les animaux nocturnes qui émergent le jour ont une pupille en fente qui peut s'obturer complètement (ex: crocodile | - Remarque: l'anisocorie se définit par une différence de taille entre les deux pupilles; une des deux pupilles est atteinte et est soit en mydriase, soit en myosis. ## 1.1 Structure nerveuse de la rétine ### 1.1.1 Voie de transmission au sein de la rétine: suite de 3 cellules - Les cônes et les bâtonnets font synapse avec des cellules bipolaires. - Les cellules bipolaires sont ainsi les 2èmes cellules, et les cellules ganglionnaires sont les 3èmes cellules. - La transmission de l'information se fait ainsi de la partie externe de la rétine vers le partie interne, tandis que la lumière suit le chemin inverse : la lumière passe à travers les cellules ganglionnaires, puis les cellules bipolaires, et atteint ensuite les photorécepteurs. ## STRUCTURE DE LA RÉTINE - En termes de nombre de cellules, on a photorécepteurs > bipolaires > ganglionnaires. | | **Cellules bipolaires** | **Cellules ganglionnaires** | **Cellules transversales (structure en réseau)** | | :-- | :--------------------------: | :---------------------------: | :---------------------------------: | | / | * Certaines en connexion avec un nombre limité de cônes (parfois seulement avec un cône) * Certaines en connexion avec des cônes et des bâtonnets * Dans la rétine périphérique, en connexion avec de nombreux bâtonnets | * Certaines en connexion avec une seule cellule bipolaire, d'autres avec plusieurs cellules bipolaires * Leurs axones forment le nerf optique | * Entre cônes et bâtonnets | | | | | * Cellules horizontales * Cellules amacrines | - Les synapses entre les cellules bipolaires, les cellules amacrines et les cellules horizontales permettent de moduler le signal, car on a moins de récepteurs que l'on reçoit de photons. ## RÉTINE - CELLULES SENSORIELLES, BIPOLAIRES ET GANGLIONNAIRES - - Ci-dessus et ci-dessous: schémas additionnels pour visualiser l'aspect << sens inverse >> pour la lumière et l'information, au sein de la rétine. ## 1.1.2 Les photorécepteurs : bâtonnets et cônes - Les photorécepteurs présentent : - Un segment externe: composés de différents disques enveloppés dans la membrane cellulaire (c'est à cet endroit que se déroule l'interaction rayonnement-matière; sera revu ultérieurement). Il est plus long chez les bâtonnets que chez les cônes. - Un segment interne: toute la structure classique d'une cellule (mitochondrie, noyau...). - Une synapse terminale avec une cellule bipolaire. ## COMPARAISON DES BÂTONNETS ET DES CÔNES | | **Bâtonnets** | **Cônes** | | :------------- | :-----------------: | :-----------: | | **Topographie** | Rétine périphérique | Surtout la fovéa | | **Nombre** | Absents au niveau de la fovéa | 6 à 7 millions | | **Domaine de vision** | 130 millions | Diurne = photopique | | **Sensibilité** | Nocturne = scotopique | Faible | | **Acuité visuelle** | Forte (sauf au rouge) | Forte | | **Variance** | Faible | Vision trivariante = colorée | | **Adaptation** | Vision univariante = non colorée | Faible et rapide | | **Variance** | = Vision des contrastes | 3 pigments distincts | | **Adaptation** | Importante et lente | (cellules polymorphes) | | **Pigment** | Rhodopsine (cellules uniformes) | | - Remarque: la topographie particulière des photorécepteurs explique qu'en vision scotopique, on ne voit presque rien en vision centrale, dépourvue de bâtonnets, car les cônes ont un seuil trop élevé pour être stimulés. Dans ces conditions, pour voir un objet, il ne faut pas le fixer directement (cf. étoiles et cours précédent). # II. MILIEUX TRANSPARENTS DE L'ŒIL ## 2.1 Optique géométrique - On retrouve plusieurs phénomènes en optique géométrique: | | **Réfraction** | **Transmission** | **Réflexion** | **Diffusion** | | :---- | :-----------------: | :-------------: | :-----------------: | :-------------: | | / | / | / | / | / | ## DÉFINITIONS - **Indice de réfraction d'un milieu = indice optique** - n est sans unité - n = 1 pour l'air - → n > 1 pour tout autre milieu - **Vitesse de propagation v** - v≤c (ne pas confondre v la vitesse en m. s-¹ et v la fréquence en Hz) - $c = 3.10^8$ - $v = \frac{c}{n}$ - **Dioptre** - Ex: n = 1,3 pour l'eau : la lumière se propage 1,3 fois moins vite dans l'eau que dans l'air - Ex: n = 1,5 pour le verre : la lumière se propage 1,5 fois moins vite dans le verre que dans l'air - = Surface séparant 2 milieux d'indice de réfraction différents (n₁ et n₂, ou n et n') - Dévie tout rayon qui ne le frappe pas perpendiculairement (sinon, il y a transmission) - **Dioptre stigmatrique** - Dioptre qui pour un objet ponctuel donne une image ponctuel le - = Fait converger en un même point tous les rayons lumineux provenant d'un même point - Le point et l'image sont dit conjugués l'un de l'autre - **Système optique** - = Milieu transparent contenant des miroirs ou des dioptres - Système dioptrique = sans miroirs - Système catadioptrique = avec des miroirs - Système optique centré = admettant un axe de révolution - **Milieu optique dispersif** - (je détaille un peu parce que sinon ça picote) - L'indice optique d'un milieu dispersif augmente avec la fréquence du rayonnement qui le traverse: n varie donc pour chaque << couleur >>> - Si v↑, alors n ↑ (la fréquence augmente du rouge vers le bleu) - Donc si λ ↑, n ↓ car λ = $\frac{ν}{v}$ (la longueur d'onde augmente du bleu vers le rouge) - Exemple : le verre est un milieu dispersif, donc nbleu,verre > nrouge,verre - Or, plus l'indice de réfraction est grand, et plus la vitesse de propagation de la lumière est faible (cf. définition de n) - → Dans le verre, le bleu se propage moins vite que le rouge - Généralisation: dans un milieu dispersif, la vitesse de propagation de la lumière diminue lorsque la fréquence de l'onde électromagnétique augmente - Autre conséquence: un milieu dispersif va << diffracter >> les rayonnements qui le traversent : l'eau est un milieu dispersif, ce qui permet l'observation d'arc-en-ciel. - **Milieu et longueur d'onde** - La longueur d'onde dépend du milieu : - $\lambda_{milieu} = \frac{\lambda_{vide}}{n}$ - Ex: $\lambda_{rouge,vide}$ = 700 nm; dans le verre on obtiendra $\lambda_{rouge,verre}$ = $\frac{700}{n_{rouge,verre}}$ ## LOIS DE SNELL-DESCARTES - On considère: - la normale (perpendiculaire) au plan de séparation (le dioptre) - i₁: l'angle entre le rayon incident et la normale ; - i₂: l'angle entre le rayon réfracté et la normale ; - r: l'angle entre le rayon réfléchi et la normale; - n₁: indice de réfraction du milieu 1; - n₂: indice de réfraction du milieu 2 - Rayons considérés - Considérons l'espace constitué de 2 milieux isotropes et homogènes. - On appelle rayon incident le rayon lumineux se propageant dans le premier milieu. - À l'interface de ces 2 milieux, 2 nouveaux rayons sont créés : - Un rayon réfléchi qui se propage dans le même milieu que le rayon incident - Un rayon réfracté qui se propage dans le deuxième milieu - Les rayons incident, réfléchi et réfracté sont contenus dans un plan normal à la surface, appelé plan d'incidence - Pour une lumière monochromatique - Les angles i₁ et r sont égaux - Les angles i₁ et i₂ sont tels que: - $n_1 \times sin(i_1) = n_2 \times sin(i_2)$. - Trajet suivi par la lumière - Indépendant de son sens de propagation - La lumière << choisit >> le chemin le plus rapide, elle va faire l'optimum (et non le minimum) du chemin - Propagation dans des milieux non homogènes - exemple des mirages: si la lumière doit traverser des couches d'air de densités différentes, la lumière va à chaque fois être réfractée. L'air froid étant plus dense que l'air chaud (et l'air froid étant à une altitude moins importante que l'air chaud), l'indice de réfraction décroît avec l'altitude, et on obtient des mirages (nul besoin d'en savoir plus, annoncé comme intombable même si bon, je me méfie toujours un peu). ## LE DIOPTRE SPHÉRIQUE - L'œil est assimilé à un dioptre sphérique. | **Notations** | **S: sommet du dioptre** | **C: centre optique** | **R: rayon de courbure du dioptre = mesure algébrique de SC (en m)** | | :---------- | :--------------------------: | :---------------------: | :----------------------------------------------------: | | / | / | / | / | | | / | / | / | | | / | / | / | | | / | / | / | | | / | / | / | | / | / | / | / | | / | / | / | / | | / | / | / | / | | / | / | / | / | | / | / | / | / | | / | / | / | / | | / | / | / | / | | / | / | / | / | | / | / | / | / | | / | / | / | / | | / | / | / | / | | / | / | / | / | | / | / | / | / | | / | / | / | / | | / | / | / | / | | / | / | / | / | - Un dioptre sphérique est dit stigmatique si le faisceau incident est : - Étroit (en pinceau) - Peu incliné sur l'axe du dioptre - Paracentral = proche du sommet S du dioptre - Exemples de dioptres non stigmatiques - Faisceau trop large - Faisceau trop incliné - Faisceau trop loin de l'axe - Exemples de dioptres stigmatiques - / - Un rayon qui passe par le centre optique n'est pas dévié - Un rayon qui arrive parallèle à l'axe optique passe par le foyer image (Fi) du système - Un rayon qui passe par le foyer objet (Fo) du système ressort parallèle à l'axe optique: ## Approximation de Gauss - On utilisera toujours des mesures algébriques = nombre affecté d'un signe - Origine des abscisses = S = sommet du dioptre - Tout ce qui est en avant de S sera négatif - Tout ce qui est en arrière de S sera positif ## Convention de signe pour les distances - On constate que l'image se forme à l'envers sur la rétine, elle est remise à l'endroit par le cerveau. - À partir d'ici, certaines notions ont été vues très vite ou un peu moins vite en cours, et d'autre pas encore vues (mais qui sont 3-4 diapos plus loin dans le cours): je fais le choix de vous mettre un << tout >> pour qu'on puisse avancer et avoir de quoi s'amuser pour l'ED1 la semaine du 14/10. ## FOYERS ET DISTANCES FOCALES - L'image d'un objet à l'infini sur l'axe est le foyer image Fi (parfois noté F'). | | **Foyer image Fi** | **Distance focale image** | **Foyer objet Fo** | **Distance focale objet** | | :--------------- | :--------------------------------------------: | :-------------------------------------------: | :-----------------------------------------: | :--------------------------------------------: | | / | * Pour un œil emmétrope (= normal), le foyer image se trouve sur la rétine * | * Distance algébrique (en m) entre le sommet du dioptre et le foyer image Fi * Positive pour un dioptre convergent | * Un objet placé au foyer objet Fo (ou F) aura pour image un point à l'infini sur l'axe | * Distance algébrique (en m) entre le sommet du dioptre et le foyer objet * Négative pour un dioptre convergent | - Pour la suite (surtout dans 2 pages): ne pas confondre distance focale objet (propriété du dioptre) et distance objet (là où on met un objet). ## CONVERGENCE, DIVERGENCE | | **Dioptre convergent = convexe** | **Dioptre divergent = concave** | | :--------------- | :-----------------------------------------------------------------------------------: | :-----------------------------------------------------------------------------------: | | / | * SC > 0 * Fi réel = en arrière du dioptre * Puissance II positive ■ Si le dioptre associé à l'œil est trop convergent, l'image se formera devant la rétine ■ Si le dioptre associé à l'œil n'est pas assez convergent, l'image se formera derrière la rétine | * | | | | * SC < 0 * Fi virtuel car il se forme en avant du dioptre * Puissance II négative ■ → Distance focale image négative ■ → Distance focale objet positive | ## FORMULES ESSENTIELLES - **Puissance = vergence II d'un dioptre** - Π = $\frac{n_2-n_1}{R}$ - Traduit l'importance de la déviation du faisceau. - Plus le dioptre est puissant, plus la distance focale image est courte (ici dioptre B plus puissant que le A). - Π s'exprime en dioptrie (δ ou Dou dp). - $1 δ = 1 m^{-1}$ - $n_1 = 1 $ si air ou vide. - R = rayon de courbure du dioptre = mesure algébrique de SC (en m) - Po en dioptrie = $m^{-1}$ - do: distance algébrique entre un objet et le sommet du dioptre (m): on met généralement l'objet en avant donc $d_o < 0$. - Pi en dioptrie = $m^{-1}$ - di: distance algébrique entre l'image de l'objet et le sommet du dioptre (m) - **Proximité objet P_o** - P_o = $\frac{1}{d_o}$ - **Proximité image P_i** - P_i = $\frac{1}{d_i}$ - **Relation de conjugaison des dioptres sphériques: expressions de la puissance (en fonction des données qu'on a dans l'énoncé)** - Π = $\frac{n_2 - n_1}{R}$ - Π = $\frac{n_2}{n_1} \times \frac{SB - SA} {d_i - d_o}$ - Π = $\frac{n_2 }{n_1} \times \frac{S}{d_i} = n_2 P_i - n_1 P_o$ - Dans les conventions du schéma, on a SA = $d_o$ < 0 et SB = $d_1$ > 0. - Comment passe-t-on de l'expression avec R aux autres ? Par pure MAGIE (en vrai, la démo ferait beaucoup plus de mal que de bien donc on apprend par cœur ) - Remarque: la proximité de la rétine (Pi) est une donnée invariable, fixée anatomiquement. Pour que l'image d'un point à l'infini (donc de proximité Po = 1 = 0 ) se forme sur la rétine, l'œil doit avoir une puissance qui vérifie dans l'air: Π = $n_2 P_i - P_o = n_2 P_i = \frac{1}{d_{retine}}$ - **Fin du cours**