TPE
Illusions d'optique
La lumière:
élément indispensable à la vision
L’anatomie de l’œil permet de recevoir de la lumière, élément indispensable à la vision. C’est à partir du V° siècle avant JC que les penseurs de l’Antiquité commencent à vraiment s’intéresser à la vision. Deux principales théories sont échafaudées. L’intromission explique tout d’abord la vision comme l’entrée dans l’œil d’une image formée directement à partir de l’objet. Ensuite, l’émission consiste en l’envoi d’une partie de soi depuis l’œil jusque l’objet. Platon considère cette partie de soi comme le prolongement de l’âme. C’est par la suite que, notamment d’après les travaux d’anatomie de Galien, Alhazen propose une nouvelle explication au fonctionnement de la vision. C’est cette explication qui se rapprochera le plus des théories actuelles. Voici un extrait de la définition de la lumière, finalement adoptée en 1781 par l’Académie Royale des Sciences :
« Fluide très délié, qui en affectant notre œil de cette impression vive que l’on nomme clarté, rend les objets visibles. Ce fluide réside, comme intermède, entre l'objet visible et l'organe qui en reçoit l'impression et il occupe, par lui-même et par son action l'intervalle qui les sépare. Ce qui rend la clarté, ce qui rend les objets visibles est donc une matière, dont l'action peut être plus ou moins forte suivant les circonstances ».
Ainsi, les rayons lumineux qui arrivent jusqu’à l’œil y traversent plusieurs surfaces transparentes, qui jouent le rôle d’une lentille convergente : la cornée et l’humeur aqueuse constituent la surface bombée séparant l’œil du milieu extérieur, tandis que le cristallin est une lentille transparente maintenue par les ligaments suspenseurs. Ces derniers lui permettent de modifier sa vergence et adapter sa distance focale, afin de fixer les images sur la rétine, qui fait office d’écran. On appelle accommodation ce phénomène d’adaptation du cristallin. Rappelons qu’une lentille convergente est un milieu transparent délimité par deux faces dont au moins l’une est sphérique et bombée vers l’extérieur. Elle fait converger tous les rayons qui arrivent parallèlement à son axe optique en un point, le foyer image. Tous les rayons qui passent par le foyer objet de la lentille en ressortent parallèles à l’axe optique. Ensuite, l’iris est une cloison en forme de disque coloré, dont l’ouverture centrale, la pupille, a une taille variable. De cette manière, elle joue le rôle de diaphragme et régule la quantité de lumière entrant dans l’œil. Un schéma de l'atomie de l'oeil, avec en bleu les milieu transparents évoqués, est représenté ci-dessous.
L’œil peut donc être simplifié par un diaphragme, une lentille convergente et un écran pour schématiser son fonctionnement :
La découverte de la décomposition de la lumière revient à Isaac Newton, célèbre mathématicien et physicien du XVII° siècle. Durant ses expériences de 1666, celui-ci fait passer un rayon lumineux préalablement isolé au travers d’un prisme, et observe la décomposition de la lumière. En effet, en changeant de milieu entre l’air et le verre, puis inversement, les rayons qui composent la lumière blanche sont déviés. Il est le premier à comprendre que la lumière blanche est un mélange de plusieurs rayons colorés, et observe le spectre de la lumière blanche, qui va du rouge au violet, et qu’il décomposera en six couleurs principales : le rouge, l’orange, le jaune, le vert, le bleu et le violet. Par la suite, l’indigo sera rajouté à cette liste (entre le bleu et le violet), car le 7 était un chiffre symbolique à cette époque et présent dans de nombreux domaines. C’est un peu plus tard, en 1801, que le physicien Thomas Young prouvera que la lumière est une onde qui se propage rectilignement. Il prouvera également le premier que c’est la déformation du cristallin qui permet l’accommodation et donc la vision.
De nombreuses illusions d’optique peuvent survenir suite à la réflexion ou réfraction des rayons lumineux. C’est le cas des mirages, illusions dues à la réfraction des rayons lumineux émis par un objet dans des couches d’aires de température et de densités différentes. Le rayon réfracté, contrairement à celui lors d’un mirage, est normallement rectiligne. Prenons l’exemple des mirages observables dans le désert comme sur l’image qui suit. La température du sol étant plus importante que celle de l’atmosphère dans ce milieu, une couche d’air située au ras du sol possède un indice de réfraction qui varie. Ainsi, les rayons lumineux qui arrivent en ligne droite sur le sol sont recourbés vers le haut, et les objets se doublent. On a alors la sensation d’observer leur reflet dans un plan d’eau. Le schéma qui suit illustre ce phénomène, et la manière dont l’œil est trompé par ces rayons qui lui arrivent courbés : il les prend pour des rayons rectilignes et visualise donc un reflet de l’objet. Ainsi, les illusions sont des phénomènes qui existent aussi bien dans les arts qu’à l’état naturel.
Les phénomènes entoptiques sont quant à eux des effets visuels, dont l’origine vient de la lumière entrante dans l’œil. La plupart d’entre eux sont décrits par le scientifique du XIX° siècle Helmholtz comme dus à une cause physiologique. On peut prendre comme exemple les images de Purkinje, décrites dans un dictionnaire médical comme les quatre images d’un même objet, dues aux réflexions des rayons lumineux sur la cornée puis sur les deux faces du cristallin. Elles sont nommées par P1, P2, P3 et P4 sur le schèma ci-dessous. En général, on s’adapte facilement à ces différentes images qui arrivent à l’œil, finissant pas les ignorées. La première et la quatrième images de Purkinje ont été utilisées en oculométrie, pour mesurer la position de
l’œil. Aujourd’hui, l’une des techniques employées pour analyser le centre pupillaire est celle du reflet cornéen : une lumière infrarouge est envoyée au centre de la pupille, et une caméra infrarouge détecte ensuite le reflet renvoyé par la cornée. On peut en voir un cas sur la photographie ci-contre.
De plus, la couleur des objets n’est pas fixée : elle dépend de la lumière incidente sur l’objet. Ainsi, un objet peut laisser passer une partie de cette lumière, c’est le phénomène de transmission, en renvoyer une partie, c’est-à -dire la diffusée, ou encore l’absorbée. Ces différentes étapes sont représentées sur le schéma ci-contre. C’est suivant le principe de la synthèse soustractive que l'absorbance à lieu : un objet absorbe les radiations qu’il n’est pas capable d’émettre. En synthèse soustractive, contrairement à la synthèse additive, la superposition des couleurs secondaires, le cyan, le magenta et le jaune, produit une couleur noire. C’est sur ce principe que joue la peinture, pour faire état de la couleur d’un objet. En effet, pour peindre sur un médium tel qu’une toile blanche, on a recours à la synthèse soustractive. Ce même principe est également réutilisé aujourd’hui par une imprimante par exemple, en projetant sur une feuille blanche des encres magenta, jaune et cyan. Ci-dessous sont présentées les différentes couches d'encres nécéssaires à l'impression d'une image :
La couleur d'un objet dépend donc à la fois de l'observateur, de la lumière et des couleurs que cet objet absorbe ou diffuse. L’intérêt d’un support blanc, en peinture par exemple, est que, la lumière blanche étant composée de toutes les couleurs du spectre, celui-ci n’absorbe aucune couleur. Ainsi, toutes les couleurs peuvent être représentées. Sur une feuille jaune par exemple, il est impossible de représenter du magenta. En effet, un rectangle initialement magenta apparaîtrait rouge, car la feuille jaune, ne laissant passer que le rouge et le vert, absorbe le bleu, l’une des deux composantes du magenta avec le rouge. Pendant longtemps, on considérait inachevée une toile dont la surface n’était pas entièrement recouverte de peinture. La question du fini/non-fini se posera un peu plus tard, et certains peintres oseront finalement ne recouvrir que partiellement leur toile, ce qui sera d’abord très mal accepté.