La vision

L’oeil nous permet de prendre connaissance de notre environnement en interprétant le flux lumineux qui le pénètre. Vu la grande vitesse de la propagation de la lumière, ce mode de perception à distance se fait pratiquement en temps réel, sauf pour les corps célestes éloignés ou lors de changements brutaux de niveaux d’éclairement.

Un rayon lumineux, qui atteint notre oeil, traverse successivement:

• la cornée (a), paroi transparente bombée,
• l’humeur aqueuse (b),
• la pupille (c), ouverture variable au centre de l’iris (d),
• le cristallin (e), lentille souple transparente,
• le corps vitré (f),

avant de rencontrer la rétine (g), couche de cellules tapissant le globe oculaire.

La sensation de perception visuelle implique la pénétration d’un rayon lumineux, en provenance d’une source de lumière directe ou indirecte, dans le globe oculaire et son absorption par la rétine, partie photosensible de l’oeil. Les récepteurs photosensibles de la rétine transforment alors l’énergie lumineuse en un influx nerveux, qui est acheminé par le nerf optique (h) jusqu’au cerveau. Celui-ci procède à l’interprétation du signal reçu et reconstitue l’image d’origine.

Il faut distinguer trois zones sur la rétine: la fovea, la macula et la périphérie.

Au centre de la rétine, à peu près dans l’axe optique, une région à structure plus fine présente un meilleur pouvoir de résolution: la fovéa (i).

Elle permet à l’individu moyen de voir avec une très grande précision. C’est la zone de la rétine où se situent la majorité des cellules de perception des couleurs.

Autour de la fovea se trouve la macula. La vision maculaire est colorée et très claire mais elle n’est pas aussi aigüe que la vision fovéale, parce que la densité de cellules y est moindre. L’homme utilise en particulier la macula pour la lecture.

La périphérie permet de percevoir les mouvements sur les côtés quand le sujet regarde droit devant lui. La vision liée à la zone périphérique est beaucoup plus grossière et privilégie la perception du mouvement. C’est la vision d’alerte.

L’oeil est un organe sensoriel qui possède des capacités d’adaptation extraordinaires.

Le contrôle de la quantité de lumière admise sur la rétine est possible grâce à la pupille, ce diaphragme d’ouverture variable. La réaction de l’oeil face au flux de lumière reçu se manifeste également par une lente adaptation de la sensibilité de la rétine.

Pour qu’une image se forme avec netteté sur la rétine, il faut que les rayons lumineux s’y focalisent. La cornée, dont la courbure est invariable, est en grande partie responsable de la déviation des rayons.

Lorsque l’oeil est au repos, une image située à l’infini converge exactement sur la rétine. Pour voir nettement un objet situé plus près, il faut augmenter la réfraction des rayons lumineux pour les concentrer sur la rétine. Ce rôle est réservé au cristallin dont le rayon de courbure peut varier sous l’action des muscles qui l’entourent. La figure ci-contre montre comment le cristallin assure la netteté des images qui atteignent la rétine: l’image de la source S, qui se forme en S1 par l’intermédiaire de la cornée, est ramenée sur la rétine en S2 grâce à la modification de la courbure du cristallin. Ce phénomène, appelé accommodation, est commandé par une intention délibérée, quoique trop rapide pour émerger à la conscience, de faire le point sur un des éléments de notre champ visuel.

Ce système optique peut être défectueux; il entraîne des troubles de la vision tels que la myopie (convergence des rayons lumineux en avant de la rétine), l’hypermétropie (convergence des rayons lumineux au-delà de la rétine), ...

La vision des formes peut être obtenue d’un seul oeil. Elle repose sur l’analyse cérébrale de l’image réelle inversée sur la rétine. Par contre, la vision en trois dimensions se fonde sur l’interprétation cérébrale de la comparaison entre les deux images, légèrement différentes, fournies simultanément par nos deux yeux.

La perception des mouvements est due à la courte persistance des images sur la rétine. Le cerveau compare les positions successives d’un objet et en déduit sa différence. Pour les grands mouvements, le regard se déplace et le cerveau en perçoit les sensations musculaires.

Ce sont les modifications du cristallin qui nous permettent de mesurer les espaces et les objets. Le cerveau évalue leurs dimensions en fonction des mouvements des muscles oculaires. Sans ce moyen de mesure interne, nous ne pourrions pas percevoir la taille des objets puisque toutes les images ont la même grandeur sur la rétine.

La perception de l'intensité lumineuse

Zoom sur les terminaisons nerveuses de la rétine

les cellules réceptrices de la rétine : les cônes et les bâtonnets

La rétine

La rétine a pour fonction de transformer l’information lumineuse en un signal électrique, transmis au cerveau par les fibres du nerf optique. Cette opération s’effectue selon une séquence en quatre temps: signal lumineux, réaction chimique, ionisation, signal électrique. En parvenant aux cellules de la rétine, les photons entraînent une modification des molécules de pigment qui s’y trouvent. Il s’en suit une cascade de réactions chimiques qui vont en s’amplifiant et aboutissent à une modification de la composition ionique de la cellule. Grâce à ces variations ioniques, le signal chimique devient signal électrique.

Les pigments qui réagissent à la lumière sont appelés photosensibles. A la différence d’une pellicule photographique, les réactions chimiques sont ici réversibles mais le retour à l’état initial n’est pas immédiat. En effet, lorsque nous fixons un objet lumineux, son image persiste un court instant après que nous ayons détourné le regard. A un degré plus élevé d’intensité lumineuse, de nombreuses cellules sont activées au même moment et donc incapables de percevoir d’autres images tant qu’elles ne sont pas revenues à leur état de repos: tel est le phénomène de l’éblouissement. L’oeil humain possède un fonctionnement hybride car il s’adapte aux activités nocturnes comme aux diurnes. La rétine comporte deux types de cellules réceptrices: les cônes (7 millions), principalement situés au centre, dans la zone de la fovéa, et les bâtonnets (120 millions), dominant en périphérie.

Les cônes

• Ils sont sensibles à des intensités lumineuses moyennes ou fortes et sont donc responsables de la vision diurne ou photopique.
• Ils ont une vitesse de réaction très rapide (25 millisecondes).
• Ils possèdent trois types de pigments qui permettent la vision en couleur.
• Ils assurent une vision très nette en raison de leur forte densité.
• Ils ont une sensibilité spectrale maximale dans la région des jaune-vert à 555 nm.

Il y a trois types de cônes: chacun donne une réponse sélective au spectre des couleurs mais ils créent ensemble une impression de couleur. Leur sensibilité spectrale est maximale à 450 nm pour les cônes bleus, à 540 nm pour les verts et à 610 nm pour les rouges.

Les bâtonnets

• Ils sont sensibles à de faibles intensités lumineuses et entrent donc en jeu pour la vision nocturne ou scotopique.
• Ils ont une vitesse de réaction plus lente (0.2 seconde).
• Ils possèdent un seul type de pigment qui ne permet qu’une vision monochromatique.
• Ils n’assurent qu’une faible netteté (vision floue).
• Répartis sur toute la rétine, ils sont responsables de la perception du mouvement.
• Ils ont une sensiblité spectrale maximale dans la région des bleu-vert à 507 nm.

Courbe de sensibilité spectrale de l'oeil humain en vision diurne et en vision nocturne

Ainsi, de jour, nous avons une bonne vision centrale, en couleurs, avec une acuité visuelle performante et rapide. Par contre, notre vision nocturne est périphérique, avec une zone centrale aveugle correspondant à la fovéa, qui ne comporte pas de bâtonnets. Elle est unicolore et l’acuité visuelle, moins fine, nécessite une seconde pour être à son maximum.

Le seuil de perception de sensation lumineuse est de l’ordre de 10^-6cd/m². Jusqu’à 10^-3 cd/m², il s’agit de la vision nocturne; au-dessus de quelques cd/m², de la vision diurne. Entre ces deux seuils, nous conjuguons les deux modes de vision: c’est la vision mésopique, assez inconfortable. Bien que l’oeil humain perçoive des niveaux de luminance allant de 10^-3 cd/m² à 10⁵ cd/m², il n’est pas sensible à des variations de luminance inférieures à 20% car il ne peut que comparer et non mesurer ses sensations lumineuses.

Le phénomène d’adaptation de l’oeil dépend des luminances de départ et d’arrivée et de tout changement de brillance. Il est plus rapide lorsque la lumière est naturelle, ce qui met en évidence l’adéquation harmonieuse entre la lumière du jour et le système visuel.

L’adaptation à l’obscurité prend plus de temps qu’à la lumière. L’oeil nécessite environ 30 minutes pour s’adapter aux conditions extérieures d’obscurité au sortir d’une pièce de travail classique alors qu’il ne nécessite que quelques secondes pour s’adapter à la lumière en quittant un environnement obscur.

L’adaptation complète de l’oeil passant de la lumière du soleil à des luminances intérieures cent fois plus faibles, fournies par l’éclairage artificiel, demande environ 15 minutes, bien que 70% de l’adaptation soient réalisés après 90 secondes. Mais si l’espace intérieur est éclairé naturellement, l’adaptation est deux fois plus rapide.

La sensibilité aux contrastes

La sensibilité aux contrastes est l’aptitude à distinguer des différences de luminance. Sous des conditions d’éclairement pauvres, il peut être impossible de distinguer de faibles contrastes.

Bien que l’oeil s’adapte à la luminosité d’ambiance de son champ visuel, il est plus impressionné par la luminance des zones situées dans sa vision fovéale. La présence de deux niveaux de luminance très différents, adjacents dans le champ visuel, est une source d’inconfort et diminue l’acuité visuelle.

Nous sommes sensibles aux contrastes de luminance: en un point, notre cerveau compare l’intensité lumineuse à celle qui existait antérieurement ainsi qu’à celles des régions voisines. De jour, cette analyse cérébrale ne constitue qu’un des éléments de la reconnaissance de notre environnement mais de nuit, en l’absence de la différenciation des couleurs, les contrastes de luminance deviennent des repères de perception très importants.

Par effet de contraste, le rectangle intérieur de la figure ci-dessous paraît plus clair à l’extrême droite qu’à l’extrême gauche, alors qu’ils présentent tous la même couleur en réalité.

La perception des distances

L’évolution des espèces, en ramenant les deux yeux de l’homme dans le plan frontal, lui a fait perdre une partie du périmètre du champ visuel vers l’arrière par rapport aux animaux qui possèdent des yeux latéraux. Cependant, si l’être humain est moins bien informé des proies et des prédateurs qui peuvent surgir derrière lui, il gagne un plus large secteur de superposition des deux yeux et donc de vision en trois dimensions. Or la perception du relief se révèle l’un des principaux facteurs qui concourent à notre évaluation des distances.

Grâce à la synthèse immédiate de toutes ces informations, nous situons en permanence l’éloignement des objets qui nous entourent, ou plutôt nous croyons les situer. En effet, le cerveau peut se tromper s’il est mis en présence de caractéristiques inhabituelles de dimensions ou de perspectives. La modification de certains paramètres, dont l’éclairage, peut également l’induire en erreur. Ainsi, dans un environnement obscur, un objet vivement éclairé paraît plus proche. Ces procédés sont bien connus en architecture.

La distinction des couleurs

La courbe spectrale de sensibilité de l’oeil montre qu’un flux lumineux de couleur bleu foncé ou rouge moyen reçu par une surface doit être fourni par une source lumineuse de puissance environ 20 fois plus importante qu’un flux lumineux de couleur verte ou jaune pour produire la même sensation de luminosité.

La vision des couleurs a pour base une très légère diffusion de la lumière dans l’oeil humain. Les trois types de cônes sensibles à la couleur ne voient que leur partie du spectre. Selon les longueurs d’onde qui les frappent, les récepteurs de la rétine envoient des messages sensoriels différents au cerveau. Celui-ci analyse la proportion des radiations que chaque type de cône reçoit et la synthétise en une sensation colorée.

A la différence des cônes, les bâtonnets, qui entrent en jeu quand la luminance devient très faible, ne possèdent qu’un type de pigment et ne nous permettent plus de distinguer les couleurs. Un paysage qui offre de jour des teintes variées nous apparaît uniformément bleuté la nuit, avec seulement des variations d’intensité, bien qu’aucune des surfaces présentes n’ait changé de substance.

Simple dans son principe, le système est compliqué par l’interprétation qu’en fait le cerveau. S’il vient de percevoir une surface blanche ou un élément bleu, il maintiendra son jugement même si les conditions d’éclairage changent.

De plus, notre cerveau analyse la couleur d’un objet par rapport à celle des objets qui l’entourent. Ce phénomène, largement exploité par les peintres, intervient constamment dans notre perception quotidienne.

Notre cerveau utilise des références préalables et des comparaisons d’informations. Sans ces ajustements cérébraux, la couleur perdrait sa constance et ne serait plus une valeur de reconnaissance.

L'acuité visuelle

L’acuité visuelle indique la capacité de l’oeil à distinguer de fins détails. Elle diminue avec le vieillissement de l’oeil.

Une bonne visibilité d’un objet nécessite impérativement quatre conditions: une dimension minimale de l’objet à observer, un minimum de temps nécessaire à l’oeil pour percevoir l’objet présenté, une luminance minimale et un minimum de contraste entre l’objet et l’environnement proche.

Les objets à percevoir doivent avoir une dimension minimale. Sous les mêmes conditions d’éclairage, un texte peut être parfaitement lisible s’il est suffisamment grand alors qu’un texte écrit en petits caractères deviendra plus difficile à lire.

L’oeil humain a besoin d’un minimum de temps pour percevoir un objet présenté. Un objet qui se déplace trop vite est invisible. Ainsi, il est impossible de suivre la trajectoire d’une balle de revolver, son mouvement étant trop rapide.

Jusqu’à un certain point, l’acuité visuelle est favorisée par une augmentation de la luminosité de la tâche visuelle. Une luminance minimale est nécessaire pour une bonne vision des éléments de petite dimension. Des objets qui peuvent être reconnus facilement et dont on peut distinguer aisément les détails peuvent devenir indistincts et même imperceptibles lorsqu’il fait plus sombre ou obscur.

Pour voir clairement un objet, il faut un minimum de contraste de luminance ou de couleur entre l’objet et son environnement proche.

L'influence du psychisme

Notre vision est également influencée par des facteurs d’ordre psychologique. Citons un phénomène: les muscles de la pupille réagissent à la lumière mais aussi aux images émotionnelles. La pupille se dilate face à un spectacle agréable et se contracte devant ce qui nous gêne ou nous déplaît.

De nombreux jeux d’enfants sont axés sur le plaisir de fermer les yeux. Nous pouvons nous servir à volonté de notre sens de la vue et nous sommes libres d’orienter notre regard. En tournant la tête ou simplement les yeux, nous pouvons faire disparaître un objet du champ visuel ou, au contraire, le placer en son centre. Nous pouvons également accommoder notre oeil sur un objet pour en saisir nettement les détails, tout en continuant à percevoir l’ensemble du champ visuel mais notre oeil ne peut s’accommoder que sur un seul objet à la fois, d’où la nécessité d’opérer des choix.

En outre, tant pour les couleurs que pour la distribution de l’espace, notre perception est soumise à des a priori. Nous n’analysons jamais une information isolément mais toujours en fonction du contexte et des expériences mémorisées antérieurement.

Enfin, chaque élément perçu par l’oeil est porteur de sens, qu’on le veuille ou non. Les objets nous paraissent agréables ou laids; ils constituent des signaux d’avertissement, des messages écrits ou
symbolisés. Deux personnes qui décrivent un même bâtiment n’en font pas une description identique. Elles ne portent pas leur attention ni ne font le point sur les mêmes éléments; elles n’interprètent pas les choses vues de la même manière, et cela bien souvent sans qu’elles puissent donner des raisons conscientes de leurs choix.

Ces variations émotionnelles relèvent de raisons culturelles mais aussi de fondements individuels. En effet, les individus voient la réalité différemment selon leur culture, leur personnalité, leur état d’âme, leur âge, leurs expériences précédentes, ... Ainsi, une même église, éclairée de la même manière, apparaît différente à un belge et à un indien, à un croyant et à un athée, à un enfant et à un vieillard, lors d’un mariage ou d’un enterrement.