biophysique de la vision
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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
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