Fonctionnement optique de l'œil

L'œil est l'organe de la vision, il nous permet de capter la lumière de notre environnement et de la convertir en message nerveux, lequel est transmis au cerveau qui l'analyse.
Physiquement, l'œil est avant tout un système optique qui modifie le trajet des rayons lumineux… Comment ? Et comment expliquer les défauts de la vision, qui conduisent plus de 70 % des français à porter des lunettes ou des lentilles de contact ?

1. À quelle condition voit-on un objet ?

Dans un milieu transparent et homogène, la lumière se propage en ligne droite (c'est le principe de propagation rectiligne de la lumière).
On représente la direction de propagation de la lumière par une ligne orientée appelée rayon lumineux.
Pour qu'un objet soit visible pour un observateur, deux conditions doivent être réunies :

• cet objet doit émettre de la lumière (soit produire sa propre lumière – on parle alors desource primaire ; soit diffuser la lumière qu'il reçoit – on parle alors de source secondaire ou d'objet diffusant) ;
• une partie de la lumière émise par l'objet doit pénétrer dans l'œil (autrement dit, il ne doit pas y avoir d'obstacle entre l'objet et l'œil).

Zoom

Trajet de la lumière

L'œil est un organe complexe composé de nombreux éléments mais, pour expliquer la formation des images dans l'œil, nous ne nous intéresserons qu'à trois d'entre eux :

• le cristallin, qui joue le rôle d'une lentille convergente ;
• la rétine, qui joue le rôle de l'écran sur lequel se forment les images ;
• l'iris, partie colorée de l'œil, qui joue le rôle de diaphragme en régulant la quantité de lumière qui pénètre dans l'œil.

Zoom

Modèle simplifié de l'œil ou « œil réduit »

Exercice n°1Exercice n°2

2. Quelles sont les caractéristiques d'une lentille mince convergente ?

Une lentille optique est un objet transparent et homogène limité par deux surfaces dont l'une au moins n'est pas plane. Une lentille modifie la direction de propagation de la lumière.

• Les lentilles dont les bords sont plus minces que le centre sont des lentillesconvergentes  : elles font converger les rayons lumineux.
• Les lentilles dont les bords sont plus épais que le centre sont des lentilles divergentes  : elles font diverger les rayons lumineux.

On peut aussi distinguer une lentille convergente d'une lentille divergente en la plaçant près d'un objet et en regardant à travers : une lentille convergente aura un effet loupe et fera paraître l'objet plus gros, alors qu'une lentille divergente aura l'effet inverse.

Zoom

Les deux types de lentilles

Chaque lentille est caractérisée par :

• l'axe optique (ou axe principal) : c'est l'axe de symétrie de la lentille ;
• le centre optique O : c'est le centre de symétrie de la lentille – tout rayon passant par le centre optique n'est pas dévié ;
• le foyer focal image F' : il est situé sur l'axe optique – tout rayon arrivant parallèlement à l'axe optique passe par le foyer focal image F' ;
• le foyer focal objet F : il est aussi situé sur l'axe optique, symétrique de F' par rapport à O.

La distance focale f est la distance du foyer F' au centre optique O.
La vergence C est l'inverse de la distance focale : , f étant exprimée en mètre (m) et C en dioptrie (). 

Exercice n°3Exercice n°4Exercice n°5Exercice n°6

3. Comment déterminer l'image d'un objet par une lentille convergente ?

Tous les rayons optiques issus d'un point-objet (B par exemple) qui entrent dans la lentille en ressortent en passant par le point-image correspondant (B' par exemple). Il faut donc tracer au moins deux rayons pour déterminer leur point d'intersection, qui sera le point-image.
Pour ce faire, on dispose de deux règles :

• tout rayon lumineux passant par le centre optique de la lentille ressort sans être dévié ;
• tout rayon lumineux arrivant parallèle à l'axe optique de la lentille ressort en passant par le foyer focal image de la lentille.

Zoom

Construction de l'image A'B' d'un petit objet AB par une lentille convergente

Lorsqu'on a déterminé la place du point-image B', on place le point A' sur l'axe optique, sachant que si l'objet AB est un petit objet plan parallèle à la lentille, alors son image A'B' est aussi plane et parallèle à la lentille.

Exercice n°7

4. Comment les images se forment-elles sur la rétine ?

Lorsqu'on observe un objet lointain, l'œil normal (aussi appelé œil emmétrope) est au repos. La distance focale du cristallin (lentille) est telle que l'image se forme au niveau de la rétine (écran).
Lorsque l'objet se rapproche, l'œil doit modifier sa distance focale pour que l'image se forme toujours sur la rétine : le cristallin se bombe pour devenir plus convergent, sa distance focale diminue, savergence augmente. 

Le punctum proximum (PP) est le point le plus proche que l'œil permet de voir distinctement (accommodation maximale) ; il est situé entre 15 et 20 cm de l'œil.
Le punctum remotum (PR) est le point le plus éloigné que l'œil permet de voir, sans accommodation ; pour un œil normal il est situé à l'infini.

Exercice n°8

5. Qu'est ce que la myopie ? Comment la corrige-t-on ?

La myopie se traduit par une gêne pour voir les objets éloignés.
Un œil est myope si le cristallin est trop convergent : l'image d'un objet éloigné se forme en avant de la rétine. Le cerveau reçoit une image floue.
Le PR d'un œil myope ne se situe pas à l'infini mais à une distance finie D qui est d'autant plus courte que l'œil est myope. Le PP se rapproche aussi : il ne se situe plus qu'à quelques centimètres de l'œil. 

Zoom

L'œil myope au repos : un système trop convergent

Pour corriger la myopie, puisque l'œil est trop convergent, on le corrige par des verres divergents (verres de lunettes ou lentilles de contact), ou en diminuant la courbure de la cornée (opération au laser). 

Zoom

L'œil myope au repos corrigé par une lentille divergente

6. Qu'est ce que l'hypermétropie ? Comment la corrige-t-on  ?

Au contraire, le cristallin d'un hypermétrope n'est pas assez convergent et l'image d'un objet éloigné se formerait en arrière de la rétine. Le cerveau reçoit également une image floue. L'hypermétrope peut cependant corriger seul le défaut en contractant son cristallin de façon à le rendre plus convergent : l'œil est alors obligé d'accommoder en permanence, ce qui le fatigue et peut provoquer des maux de tête fréquents.
Le PR d'un œil hypermétrope se situe à l'infini mais l'œil doit accommoder. L'œil hypermétrope ne peut donc pas accommoder autant qu'un œil normal : son PP est plus loin de l'œil (30 cm environ). 

Zoom

L'œil hypermétrope au repos : un système pas assez convergent

Pour corriger l'hypermétropie, puisque l'œil n'est pas assez convergent, on le corrige par des verres convergents, ou en augmentant la courbure de la cornée. 

Zoom

L'œil hypermétrope au repos corrigé par une lentille convergente

7. Et la presbytie ?

Avec l'âge la faculté d'accommodation diminue : c'est la presbytie. Le PP s'éloigne et la vision des objets proches devient difficile (on éloigne le journal par exemple).
Il faut corriger avec des verres convergents pour la vision de près. On ne peut pas traiter la presbytie par chirurgie de la cornée.
Si la personne était déjà myope ou hypermétrope, elle devra porter des verres « progressifs » ou « à double foyer », l'œil devant être corrigé différemment pour la vision au loin et pour la vision de près. 

Exercice n°9Exercice n°10

À retenir

• L'œil est un système optique. Le cristallin joue le rôle d'une lentille convergente, tandis que la rétine joue le rôle de l'écran sur lequel se forment les images.
• Comme toute lentille convergente, le cristallin modifie la direction de propagation de la lumière. Sa distance focale est telle que l'image d'un objet éloigné se forme naturellement sur la rétine. Pour un objet plus proche, le cristallin se bombe pour devenir plus convergent.
• Si le cristallin est trop convergent, l'œil est myope. On corrige la myopie par des verres divergents.
• Si le cristallin n'est pas assez convergent, l'œil est hypermétrope. On corrige l'hypermétropie par des verres convergents.
• Enfin, avec l'âge la faculté d'accommodation diminue : c'est la presbytie. On corrige la presbytie avec des verres convergents pour la vision de près.