Dans l'espace libre, la lumière se propage en ligne droite, à une vitesse constante. Dans le vide, cette vitesse est de 299 792,458 km/s. Dans un milieu transparent, cette vitesse est plus faible. Elle est divisée par l'indice de réfraction n du milieu. Cet indice est une caractéristique physique du milieu. Par exemple, pour le verre, n = 1.5, et la vitesse de la lumière dans le verre est donc environ 200 000 km/s.

La lumière est à la fois un corpuscule, qu'on appelle photon, et une onde. On peut donc caractériser la lumière par la longueur d'onde de l'onde associée, et par l'énergie du photon. Ces deux quantités n'en forment en fait qu'une seule, liées par la vitesse de la lumière. Pour en savoir plus, voir le complément « la lumière ».

Il existe plusieurs situations où la lumière ne se comporte plus comme un photon se propageant en ligne droite. Quelques exemples :

• Quand la lumière passe d'un milieu à un autre et que ces deux milieux n'ont pas le même indice de réfraction, elle est réfractée, c'est-à-dire qu'elle peut être déviée.

• Quand la lumière passe par un trou dont la taille est de l'ordre de grandeur de sa longueur d'onde, elle est diffractée et il se crée des phénomènes d'interférence.

• Quand la lumière passe au voisinage d'un objet extrêmement lourd (à l'échelle astronomique), elle est déviée.

La lumière visible est une onde électromagnétique, c'est à dire qu'elle est à la fois une onde et un corpuscule appelé photon. On peut donc la caractériser à la fois par les propriétés de l'onde – la longueur d'onde ou la fréquence – et par celles du corpuscule – son énergie. Longueur d'onde, fréquence et énergie sont reliées par des relations très simples, car elles sont en fait les différentes facettes d'une même propriété, qui est la couleur. Toutes les ondes électromagnétiques ne sont pas visibles par l'œil humain. C'est le cas par exemple de l'infrarouge, des ondes radios ou des rayons X. La seule différence entre la lumière visible et ces autres ondes électromagnétiques est leur couleur. Alors que les ondes radio ont une longueur d'onde de plusieurs millimètres ou centimètres, ou que les rayons X ont des longueurs d'onde au plus de 10 nanomètres, la lumière visible se situe entre 400 et 800 nanomètres, de l'indigo au marron. Ou, si l'on préfère, du violet foncé au rouge très foncé. L'énergie d'un photon est inversement proportionnelle à cette longueur d'onde : chaque photon de la lumière indigo renferme donc deux fois plus d'énergie que chaque photon de la lumière marron. L'image ci-dessous donne une vue d'ensemble du spectre électromagnétique.

Pour en savoir plus, voir les kezakos suivants :

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• D'où viennent les couleurs changeantes des ailes de papillons

• Comment fonctionne une IRM

• Pourquoi le ciel est bleu

• Comment fonctionne un écran LCD

La chambre noire, qu'on appelle aussi sous le nom latin de Camera Obscura, est connue depuis l'antiquité, et fut utilisée bien avant l'invention de la photographie, par exemple par les peintres. Le principe est rappelé sur la figure ci-dessous.

On trouvera ici un bref historique et des détails sur son principe. Il existe de nombreuses camerae obscurae dans le monde, conçues comme attractions touristiques. Voir par exemple le site web de celle de Cadiz, en Espagne, où on pourra trouver de nombreux détails sur le principe et la réalisation d'une chambre noire.

Les appareils photos et caméras d'aujourd'hui utilisent deux types de capteurs (CCD ou CMOS), mais qui relèvent du même principe : l'écran est tapissé de petits circuits électroniques sensibles à la lumière, qu'on appelle des photodiodes. Ces photodiodes sont groupées par trois, avec un filtre de couleur différente devant chacune, si bien que l'une des photodiodes n'est sensible qu'à la lumière rouge, une autre à la lumière verte, et la dernière à la lumière bleue. L'ensemble des trois photodiodes forment un pixel du capteur. Chaque pixel permet donc de recueillir les composantes rouge, verte et bleue de la lumière qu'il reçoit, et donc de reconstituer la couleur et l'intensité de cette lumière.

Pour en savoir plus...

Cette animation 3D interactive permet de « visiter » toutes les parties de l'œil, depuis la cornée jusqu'au nerf optique. Cette autre animation 3D interactive (cliquer sur anatomie) permet de découvrir comment le nerf optique est connecté au thalamus.

La rétine tapisse le fond de l'œil. Elle est notamment constituée de capteurs qui transforment l'énergie de la lumière entrant dans l'œil en un signal électrique transmis au cerveau. Sur l'image ci-dessous, on voit que deux zones se singularisent sur la rétine : le départ du nerf optique, zone complètement aveugle sans le moindre capteur, et la macula, située dans l'axe de la pupille, là où arrivent les rayons lumineux venant de la région fixée par l'œil. Au centre de la macula, on trouve une petite dépression, la fovéa.

On trouve deux types de capteurs sur la rétine : les cônes et les bâtonnets, répartis de la façon suivante : dans la fovéa, presque uniquement des cônes ; dans le reste de la macula, une grande majorité de cônes ; dans le reste de la rétine, essentiellement des bâtonnets. L'image ci-dessous montre en coupe la structure de la rétine.

L'image ci-dessus montre une photo de la rétine d'un batracien obtenue grâce à un microscope électronique à balayage. On distingue nettement deux types de photorécepteurs, en forme de cône et en forme de bâtonnet. Il existe en fait une seule sorte de bâtonnet, mais trois types de cônes, appelés respectivement cônes bleus, verts et rouges. La figure ci-dessous montre les caractéristiques de ces quatre capteurs. La première colonne indique le photorécepteur considéré (un rectangle pour les bâtonnets, un triangle et le code couleur correspondant pour les cônes). La deuxième colonne indique la couleur pour laquelle le photorécepteur est le plus sensible (par exemple, un vert proche du jaune pour les cônes dits rouges).

En forte lumière, le signal électrique délivré par les bâtonnets sature, et on voit donc avec les cônes (en couleur !). Faible lumière : le signal électrique délivré par les cônes est faible, et on voit donc avec les bâtonnets (vision monochrome).

L'image ci-dessus montre une photo de la rétine d'un batracien obtenue grâce à un microscope électronique à balayage. On distingue nettement deux types de photorécepteurs, en forme de cône et en forme de bâtonnet. Il existe en fait une seule sorte de bâtonnet, mais trois types de cônes, appelés respectivement cônes bleus, verts et rouges. La figure ci-dessous montre les caractéristiques de ces quatre capteurs. La première colonne indique le photorécepteur considéré (un rectangle pour les bâtonnets, un triangle et le code couleur correspondant pour les cônes). La deuxième colonne indique la couleur pour laquelle le photorécepteur est le plus sensible (par exemple, un vert proche du jaune pour les cônes dits rouges).

En forte lumière, le signal électrique délivré par les bâtonnets sature, et on voit donc avec les cônes (en couleur !). Faible lumière : le signal électrique délivré par les cônes est faible, et on voit donc avec les bâtonnets (vision monochrome).

L'image ci-dessus montre une photo de la rétine d'un batracien obtenue grâce à un microscope électronique à balayage. On distingue nettement deux types de photorécepteurs, en forme de cône et en forme de bâtonnet. Il existe en fait une seule sorte de bâtonnet, mais trois types de cônes, appelés respectivement cônes bleus, verts et rouges. La figure ci-dessous montre les caractéristiques de ces quatre capteurs. La première colonne indique le photorécepteur considéré (un rectangle pour les bâtonnets, un triangle et le code couleur correspondant pour les cônes). La deuxième colonne indique la couleur pour laquelle le photorécepteur est le plus sensible (par exemple, un vert proche du jaune pour les cônes dits rouges).

En forte lumière, le signal électrique délivré par les bâtonnets sature, et on voit donc avec les cônes (en couleur !). Faible lumière : le signal électrique délivré par les cônes est faible, et on voit donc avec les bâtonnets (vision monochrome).

Le cerveau réalise une synthèse additive des trois informations envoyées par les trois types de cônes pour reconstituer la couleur. Par exemple, si les cônes rouges envoient un signal beaucoup plus important que les cônes verts, tandis que les cônes bleus ne voient rien, on peut en déduire que la couleur de la lumière est située aux longueurs d'onde les plus élevées de la fenêtre de sensibilité des cônes rouges, et que c'est donc du rouge. Si au contraire, les signaux des cônes verts et rouges sont à peu près identiques, cela signifie que l'on est sur une longueur d'onde située entre les deux pics de sensibilité de ces cônes, donc dans le vert.

Du coup, il est assez simple de « tromper » le cerveau : si au lieu d'envoyer du jaune, on envoie du vert et du rouge, les cônes vont réagir de la même façon. Et on a donc créé une couleur en mélangeant simplement deux autres couleurs. Physiquement, les deux faisceaux de lumière sont très différents, puisque on n'a pas les mêmes longueurs d'onde. Mais physiologiquement, on a le même résultat.

Le principe de la synthèse additive consiste donc à choisir 3 couleurs dites primaires, et de réaliser toutes les autres couleurs par mélange. La synthèse additive est utilisée en particulier pour tous les écrans de télévision, d'ordinateurs, etc. Pour découvrir en détail la synthèse des couleurs, voir ce site avec des applets qui permettent de réaliser des tests. Voir aussi le kezako sur les écrans LCD.

L'image ci-dessus montre une photo de la rétine d'un batracien obtenue grâce à un microscope électronique à balayage. On distingue nettement deux types de photorécepteurs, en forme de cône et en forme de bâtonnet. Il existe en fait une seule sorte de bâtonnet, mais trois types de cônes, appelés respectivement cônes bleus, verts et rouges. La figure ci-dessous montre les caractéristiques de ces quatre capteurs. La première colonne indique le photorécepteur considéré (un rectangle pour les bâtonnets, un triangle et le code couleur correspondant pour les cônes). La deuxième colonne indique la couleur pour laquelle le photorécepteur est le plus sensible (par exemple, un vert proche du jaune pour les cônes dits rouges).

En forte lumière, le signal électrique délivré par les bâtonnets sature, et on voit donc avec les cônes (en couleur !). Faible lumière : le signal électrique délivré par les cônes est faible, et on voit donc avec les bâtonnets (vision monochrome).

On distingue trois modes de fonctionnement de l'œil : la vision photopique, de jour, qui se fait grâce aux cônes, la vision scotopique, de nuit, qui se fait grâce aux bâtonnets, et enfin la situation intermédiaire, dans la pénombre, dite vision mésopique. L'intervalle entre le seuil de vision scotopique, c'est-à-dire la plus petite quantité de lumière visible par l'œil, et les niveaux de lumière pouvant détruire l'œil, s'étale sur 14 ordres de grandeur en luminance. En d'autres termes, la quantité de lumière maximale perceptible par l'œil avant qu'il ne s’abîme est 100 000 milliards de fois plus élevée que la plus petite quantité de lumière perceptible. La figure ci-dessous donne quelques ordres de grandeur.

On ne voit pas qu'avec ses yeux : le cerveau accomplit un travail de traitement considérable. Voici quelques résultats de recherches donnant une idée de la puissance d'adaptation du cerveau :

• Tromper le cerveau pour le guérir

• Le cerveau obéit plus au doigt qu'à l'œil

• L'expérience qui montre que nous nous adaptons rapidement à regarder notre environnement à l'envers.