Biophysique de la vision

Introduction

La lumière naturelle est une superposition d'ondes électromagnétiques de longueurs d'onde différentes. Dans un milieu transparent, homogène et isotrope, un rayon lumineux se propage en LIGNE DROITE ; à la surface séparant deux milieux, il obéit aux lois de Snell-Descartes. L'œil est un système optique complexe, dont la compréhension nécessite un retour à l'optique géométrique : c'est parce que la cornée et le cristallin sont des dioptres, obéissant aux mêmes lois physiques que n'importe quelle lentille, que l'on peut expliquer les anomalies de la réfraction (amétropies) et leurs corrections. La vision comporte une seconde dimension biophysique, la photométrie, qui explique comment l'œil perçoit l'intensité et la couleur de la lumière. Nous verrons les rappels d'optique géométrique, la dioptrique de l'œil normal, l'accommodation, les amétropies, puis la photométrie et la vision des couleurs.

I. Rappels d'optique géométrique

A. Réfraction et dioptre

• Réfraction : déviation de la lumière au passage d'une surface séparant deux milieux transparents d'indices différents. Indice de réfraction : n = c/v, où c est la vitesse de la lumière dans le vide et v sa vitesse dans le milieu. n(air) = 1 ; n(eau) = 1,33 ; n(cristallin) = 1,42.
• Dioptre : surface séparant deux milieux transparents d'indices de réfraction différents.
• Loi générale de Descartes : −n1/p1 + n2/p2 = (n2 − n1)/r. Puissance d'un dioptre : Π = (n2 − n1)/r, exprimée en DIOPTRIES (D).
• Distance focale image : f2 = SF2 = n2/Π. Le signe de f2 est celui de Π : si Π > 0, le foyer est RÉEL, le dioptre est CONVERGENT ; si Π < 0, le foyer est VIRTUEL, le dioptre est DIVERGENT.

B. Dioptres cylindriques et toriques

• Dioptre cylindrique : empilement de dioptres circulaires. Dans le plan perpendiculaire à l'axe du cylindre, les rayons convergent et forment une FOCALE (segment de droite parallèle à l'axe) ; dans le plan parallèle à l'axe, la puissance est NULLE, pas de déviation. Résultat : DEUX images focales pour un même point lumineux.
• Dioptre torique : DEUX rayons r et r' différents, donc DEUX puissances π et π' différentes, chacune donnant une focale perpendiculaire au plan du rayon qui l'a provoquée.
• Association de dioptres accolés : la puissance résultante est la SOMME des puissances des dioptres constitutifs : Π = Σ πi.

II. Dioptrique de l'œil normal

A. Définitions

• L'essentiel du développement des structures oculaires se fait au cours des 2 premières années de vie : l'emmétropie est atteinte vers l'âge de 2-3 ans.
• Condition de vision nette : l'image d'un objet doit se former dans le plan RÉTINIEN. La diplopie (vision double, par échec de fusion des deux images rétiniennes) doit être distinguée de l'amblyopie (diminution de l'acuité visuelle).

B. Calcul des puissances des dioptres de l'œil

• Puissance totale de l'œil au repos (calcul théorique) : Π = 48 − 6 + 8 + 14 = 64 D. En réalité, la puissance de l'œil au repos est de 60 D (les dioptres réels sont distants les uns des autres, contrairement à l'approximation du calcul).
• Œil réduit : un œil normal au repos peut être assimilé à UN SEUL dioptre sphérique, de puissance 60 D, séparant l'air (n=1) de l'eau (n=1,337). Rayon r = 5,6 mm ; distance focale image f2 = 1,337/60 = 22 mm. Le centre optique est à 17 mm en avant de la rétine.

III. Accommodation

A. Définitions

• Accommodation : augmentation de la puissance de l'œil par augmentation de la puissance du CRISTALLIN, permettant la mise au point sur la rétine d'un objet qui se rapproche — assurée par les corps ciliaires.
• Punctum Proximum (PP) : point conjugué de la rétine en accommodation MAXIMALE. Punctum Remotum (PR) : point conjugué de la rétine, œil AU REPOS (à l'infini pour un œil normal).
• Amplitude d'accommodation : AA = π' − π = 1/Pp − 1/Pr.

B. La presbytie

• Presbytie : perte progressive du pouvoir accommodatif avec l'âge, liée à la perte d'élasticité du cristallin et à l'affaiblissement du muscle ciliaire. S'installe vers 45 ans, complète vers 65 ans (Π ≈ +3 D). Définition : AA < 4 D, ou Pp > 25 cm. Concerne TOUS les individus.
• Correction maximale nécessaire : +3,50 D, par verres sphériques CONVERGENTS : verres monofocaux, bifocaux, ou progressifs ; ou lentilles de contact. La chirurgie n'est pas validée pour la presbytie.
• Autres pathologies de l'accommodation : paralysie totale (botulisme, diphtérie) ; spasme (impossibilité de relâcher l'accommodation) ; aphakie (absence de cristallin, corrigée par des lentilles de +12 D).

IV. Les amétropies

A. Généralités

• Amétropie : anomalie de la réfraction — l'image d'un objet à l'infini ne se forme PAS sur la rétine. Signes fonctionnels : vision floue, céphalées, rougeur oculaire, picotement, larmoiement, disparaissant après correction.
• Amétropies SPHÉRIQUES : tous les dioptres sont sphériques, mais l'image ne se forme pas sur la rétine (myopie, hyperopie).
• Amétropies NON SPHÉRIQUES (astigmatisme) : au moins un dioptre est non sphérique ; l'image d'un point n'est plus ponctuelle mais formée de deux lignes perpendiculaires.

B. La myopie

• Chez le myope, l'image d'un objet à l'infini se forme EN AVANT de la rétine — œil trop puissant ou trop long. Le PR est à distance FINIE devant l'œil. Degré de myopie DM = 1/PR. Pp et PR sont très RAPPROCHÉS de l'œil.
• Vision du myope : nette entre PR et PP, floue au-delà du PR. Le myope devient presbyte plus TARDIVEMENT que la normale (son Pp étant déjà proche).
• Correction : verres sphériques DIVERGENTS, de puissance │π│ = DM = 1/Pr. Lentilles de contact (puissance = DM) ou verres de lunettes (f = r − b, avec b la distance verre-œil ≈ 1 cm ; π = 1/(r−b)).
• Chirurgie réfractive : photo-ablation au laser Excimer (myopies faibles/moyennes) ; extraction du cristallin + implant, ou implant additionnel en œil phake, pour les fortes myopies.

Exercice d'application (myopie) : un sujet myope de 4 D a, sans correction, un Pp situé à 10 cm en avant de l'œil. AA normale = 6 D. Quelle est la position du PR ? Ce sujet est-il presbyte ?

• Résolution : PR = 1/DM = 1/4 = 0,25 m = 25 cm en avant de l'œil. AA = 1/Pp − 1/PR = 10 − 4 = 6 D : l'AA est NORMALE, ce sujet n'est PAS presbyte.

C. L'hyperopie

• Chez l'hyperope, l'image d'un objet à l'infini se forme EN ARRIÈRE de la rétine — œil trop court ou pas assez puissant. L'hyperope au repos est TOUJOURS en accommodation. Le PR est VIRTUEL, situé en arrière de la rétine.
• Degré d'hyperopie DH = │1/Pr│. Signes : céphalées en barre sus-orbitaires à l'effort visuel de près — à évoquer chez l'écolier céphalalgique. Peut causer un strabisme convergent « accommodatif », guéri par la simple correction optique.
• L'hyperope devient presbyte plus PRÉCOCEMENT que la normale. Correction : verres sphériques CONVERGENTS, de puissance π = DH.

D. Origine des amétropies sphériques

E. L'astigmatisme

• Trouble de la réfraction résultant de l'INÉGALITÉ de la distance focale selon les différents méridiens de l'œil, le plus souvent par défaut de sphéricité de la face antérieure de la cornée.
• Astigmatismes IRRÉGULIERS : pas de loi géométrique (maladies, traumatismes cornéens). Astigmatismes RÉGULIERS : variation progressive des rayons de courbure.

• Correction de l'astigmatisme SIMPLE : verre PLAN CYLINDRIQUE (puissance nulle sur un méridien, non nulle sur l'autre — axe du cylindre parallèle à la focale à corriger). Différence des 2 puissances = degré d'astigmatisme (DA).
• Correction de l'astigmatisme COMPOSÉ : verre SPHÉRO-CYLINDRIQUE (torique) = correction cylindrique (DA) + correction sphérique de l'amétropie résiduelle. Toutes les corrections sont également possibles par lentilles de contact ou chirurgie au laser Excimer.

V. Photométrie et vision des couleurs

A. Le message lumineux

• Le message lumineux est une onde électromagnétique, caractérisée par λ (longueur d'onde), ν (fréquence) et c (célérité), liées par λν = c. Le domaine visible se situe entre 400 nm (violet) et 750 nm (rouge).

• L'œil est un RÉCEPTEUR SÉLECTIF : la sensation visuelle traduit deux composantes du message lumineux : l'INTENSITÉ et la TEINTE (couleur).

B. Radiométrie

• Source ponctuelle — intensité énergétique : I = dΦ/dΩ, avec dΦ le flux énergétique (W) et dΩ l'angle solide (stéradians).
• Source étendue — éclairement énergétique : E = dΦ/dS ; brillance énergétique : B = dI/dS.

C. Sensibilité de l'œil à la lumière

• La sensation de luminance est liée à l'éclairement énergétique de la rétine, proportionnel à la brillance énergétique de la source.
• Papillotement : à une fréquence d'alternance N = 6 à 10/s, les différences de TEINTE disparaissent alors que les différences de LUMINANCE persistent. À fréquence plus élevée, le papillotement disparaît, avec égalité des L mais inégalité des B.
• Sensibilité maximale de l'œil : λm = 555 nm en vision DIURNE (photopique, bleu-vert) ; λm = 510 nm en vision NOCTURNE (scotopique, sans sensation colorée).
• Coefficient d'efficacité lumineuse : Vλi = Bλm/Bλi. Luminance L = k·Bλm = k·Vλi·Bλi, exprimée en CANDELA/m² (nit).

• Effet PURKINJE : en vision crépusculaire, la nuit, l'œil voit mieux le BLEU que le ROUGE.

D. Trivariance visuelle

• Système HLS (Hue-Luminance-Saturation), dit monochromatique : LUMINANCE (intensité perçue), TONALITÉ (teinte, λ), SATURATION (% de lumière blanche délavant la teinte). Facteur de pureté P = Lλ/L : P = 0 → lumière blanche ; P = 1 → lumière spectrale pure.
• Système RVB (trichrome) : toute sensation lumineuse est reproductible par superposition de 3 primaires — ROUGE, VERTE, BLEUE : L = Lr + Lv + Lb.
• Couleurs fondamentales du spectre : rouge, orange, jaune, vert, bleu, indigo, violet. Le blanc pur = somme de tout le spectre visible. Pourpres = rouge + violet (hors spectre). Teintes rabattues (brun, gris) = couleur spectrale + noir.
• Mélange de couleurs spectrales : λ1 et λ2 très différentes → BLANC (couleurs COMPLÉMENTAIRES, ex. vert/rouge). Écart faible → couleur spectrale intermédiaire (ex. rouge+jaune→orange). Écart important → POURPRE.
• Triangle de Maxwell : sommets = 3 primaires (r, v, b) ; centre de gravité = blanc. Coefficients trichromatiques : r = Lr/(Lr+Lv+Lb), et de même pour v et b.

VI. Dyschromatopsies

• Dyschromatopsies : anomalies de la vision des couleurs.

• Hérédité : le code génétique de la vision des couleurs est porté par le CHROMOSOME X. Femme (X normal/X anormal) : vision normale (portrice). Homme (X anormal/Y) : vision déficiente.
• Diagnostic : planches d'Ishihara. Aucune correction possible. Dépistage important pour certaines professions (transports, sécurité publique, métiers de la couleur/du tri) où le daltonisme est une contre-indication.

Conclusion

L'œil est un système dioptrique complexe, dont la puissance totale au repos (60 D, modélisable par l'œil réduit) résulte de la somme des puissances de la cornée et du cristallin. Sa capacité à faire varier cette puissance — l'accommodation, mesurée par l'amplitude AA = 1/Pp − 1/PR — décline physiologiquement avec l'âge (presbytie). Les anomalies de la réfraction, ou amétropies, se répartissent en anomalies sphériques (myopie : œil trop convergent/long, correction divergente ; hyperopie : œil pas assez puissant/court, correction convergente) et non sphériques (astigmatisme, lié à un défaut de sphéricité d'un dioptre, corrigé par un verre cylindrique ou torique). Au-delà de la formation géométrique de l'image, la vision repose sur la photométrie : la sensibilité de l'œil, maximale à 555 nm en vision photopique (cônes) et 510 nm en vision scotopique (bâtonnets), et la trivariance visuelle (systèmes HLS et RVB) expliquent la perception des couleurs, dont les anomalies — dyschromatopsies, à transmission liée au chromosome X — sont dépistées par les planches d'Ishihara. Ce dernier chapitre clôt l'étude de la biophysique des rayonnements et des grandes fonctions sensorielles au programme de cette matière.