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Vision : théorie

Introduction

La vision est un phénomène physiologique et psychologique qui nous permet d’appréhender la lumière.

La vision permet de se représenter des formes, des couleurs, des mouvements ou des distances par un processus complexe impliquant l’œil, le nerf optique puis certaines zones du cerveau.

Fonctionnement de la vision

L’œil est un organe complexe qui intervient en premier dans le processus de la vision : la lumière traverse la cornée puis la pupille et le cristallin (qui joue un rôle de lentille biconvexe) et vient se projeter à l’envers sur la rétine qui dispose de trois familles de photorécepteurs (les bâtonnets – pour la vision de nuit -, trois types de cônes – pour la vision de jour – ainsi que les cellules à mélanopsine – qui servent à réguler le rythme circadien et non à la vision).
La vision centrale d’analyse détaillée est rendu possible par la présence de nombreux cônes dans la partie centrale de la rétine (et notamment dans la macula au centre).
La vision périphérique quant à elle est plus grossière mais également plus rapide et dirigée vers des parties du cerveau orientée vers la vigilance (les bâtonnets sont très présents en périphérie de la macula et dans la zone périphérique de la rétine).

La fovéa – partie en creux au centre de la macula – ne contient pour sa part que des cônes et renforce encore ce phénomène de grande acuité centrale et de vision globale périphérique.

Ensuite, des signaux électriques générés par la rétine et correspondant à l’image reçue par les cônes et les bâtonnets sont transmis par le nerf optique au cerveau qui pourra décoder et interpréter ces impulsions électriques en une image perçue par l’être humain.

L’image projetée sur la rétine (et la qualité de celle-ci) est capitale dans le processus de la vision mais ce n’est pas le seul élément important : en effet, l’interprétation par le cerveau joue un rôle également capital, comme peuvent nous le montrer les illusions d’optique.

Sensibilité de la vision

Introduction

Comme expliqué ci-dessus, la vision est un processus complexe impliquant nombre d’organes mais où les cellules photosensibles jouent un rôle particulier.

En effet, ces différentes photorécepteurs ont des sensibilités qui dépendent de la longueur d’onde, ce qui a des conséquences importantes : cela explique d’une part le passage de la radiométrie à la photométrie (voir les différentes définitions photométriques ci-dessous) et cela permet d’autre part de comprendre les différents types de vision – en faible et forte luminosité – ainsi que la perception des couleurs.

Les cellules photosensibles

Les photorécepteurs transforment le flux électromagnétique de la lumière visible en un signal électrique transmis par le nerf optique au cerveau. Il existe donc trois types de photorécepteurs :
– trois type de cônes (vert, rouge et bleu) pour la vision en forte luminosité (vision diurne dite photopique), sensibilité maximale globale à 555 nm
– des bâtonnets pour la vision en luminosité faible (vision nocturne, dite scotopique), sensibilité maximale à 510 nm
– les cellules dites à mélanopsine qui ne servent pas à la vision mais gèrent le rythme circadien, sensibilité maximale à 480 nm

Détails des cellules

La-Vision_ cones et batonnets

Sensibilité spectrale des photorécepteurs

Les trois types de cellules ont des pics de sensibilité différents.

Sensibilite-spectrale cones batonnets mélanopsine

Les bâtonnets

Les bâtonnets sont plus de 20 fois plus nombreux que les cônes (130 millions contre 6 millions et demi), sont plus larges et plus longs et nécessitent donc moins de lumière. Ils sont situés en périphérie de la rétine et sont plus connectés à des zones de vigilance du cerveau. Ils ont une sensibilité maximum à 510 nm (vert/bleu).

Les cônes

Les cônes sont a contrario plus petits et plus centraux et permettent d’avoir une plus grande sensibilité de l’œil dans son axe visuel. L’œil en possède environ 6 millions et demi. Ils sont de trois types correspondant à trois longueurs d’onde différentes :
– les cônes B (bleu), ayant un maximum de sensibilité à 437 nm
– les cônes V (vert), ayant un maximum de sensibilité à 533 nm
– les cônes R (rouge), ayant un maximum de sensibilité à 564 nm

La résultante pondérée de ces trois cônes donne un maximum de sensibilité global pour les cônes à 550 nm.

sensibilité cones

Les cellules à mélanopsine

Les cellules à mélanopsine ne sont pas reliées par le même système nerveux que les cônes ou les bâtonnets. Le signal transmis à l’horloge interne provoque la synchronisation des rythmes propres des individus sur le jour solaire c’est à dire 24h. Cette fonction permet la régulation de l’humeur, de la mémoire, de la cognition et du sommeil.

Il semble que les cônes et les bâtonnets jouent d’ailleurs également un rôle dans la régulation de l’horloge biologique mais ceci constitue encore un sujet de recherche.

Les cellules à mélanopsine sont responsables des dérégulations observées par la “lumière bleue” sur le rythme circadien et expliquent la mise en place d’outils pour diminuer la présence de ces longueurs d’onde (passage à une lumière chaude sur les écrans le soir, lunettes spécifiques….).

La vision photopique, scotopique et mésopique

Ces différentes sensibilités en fonction de la luminosité ont conduit à distinguer trois types de vision correspondant aux cellules photosensibles sollicitées :
– la vision photopique correspond à la vision à forte luminosité, donc à la vision de jour (diurne) où les cônes sont sollicités. La vision photopique a une faible sensibilité mais une forte résolution et propose une bonne perception des rouges.
– la vision scotopique correspond à la vision à faible luminosité, donc à la vision de nuit (nocturne) où les bâtonnets sont sollicités. La vision scotopique a une forte sensibilité mais une faible résolution et propose une bonne perception des bleus.
– la vision mésopique correspond à un stade intermédiaire entre les visions photopique et scotopique et à la fois les cônes et les bâtonnets sont sollicités, les performances de la vision dépendant de la proportion de chacun des photorécepteurs sollicités.

Définitions photométriques : candela, lux et lumen photopique, scotopique, mésopique et mélanopique

Les grandeurs photométriques sont calculées en prenant en compte la sensibilité de l’œil (qui joue un rôle de filtre suivant les longueurs d’onde) par rapport aux grandeurs physiques objectives (énergie par exemple) des ondes électromagnétiques visibles : l’efficacité lumineuse d’un rayonnement et donc les sensibilités de l’œil aux différentes ondes électromagnétiques sont donc indispensables pour calculer ces notions.

Or, comme expliqué ci-dessus, les sensibilités des trois cellules sont différentes suivant les longueurs d’onde : il est donc indispensable de définir les grandeurs photométriques suivant les cellules photosensibles impliquées.

Dans la pratique, le type de cellules impliqué (bâtonnet, cône ou mélanopsine) n’est pas spécifié lorsque les candela, lux et lumen sont cités : la raison est qu’il s’agit quasiment toujours de la vision de jour de type photopique. Pourtant, si des études sont faites par faible luminosité, il est indispensable de prendre les candela, lux et lumen scotopique.
Et de même, lors d’études sur le respect du rythme circadien il est indispensable de prendre les candela, lux et lumen mélanopique (appelé également circadien).

Effet Purkinje

L’effet Purkinje (du nom de son découvreur : Jan Evangelista Purkinje) traduit le fait que la perception des couleurs dépend de la luminosité et est donc une conséquence directe des explications précédentes : en effet, comme la sensibilité des photorécepteurs en forte luminosité (les cônes) a un maximum à 550 nm et que celles des bâtonnets (en basse luminosité) est à 510 nm, les rouges seront mieux perçus de jour et les bleus la nuit.

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