La lumière et la vision : cours de CAP physique-chimie

Dans une pièce plongée dans le noir total, tu ne vois rien, même les yeux grands ouverts. Dès qu'on allume une lampe, les murs, les meubles et les visages réapparaissent. Ce simple geste montre l'idée centrale de ce chapitre : sans lumière, il n'y a pas de vision.

La lumière tient d'ailleurs une grande place dans la vie de tous les jours. Elle est indispensable à la vision et pèse sur le bien-être et sur la vie sociale.³ L'éclairage est même un métier à part entière, encadré par des règles légales.³ Dans un atelier, un garage, une cuisine professionnelle ou un chantier, savoir bien éclairer un poste de travail fait partie des compétences utiles.

Ce cours répond à trois questions :

• Comment la vision fonctionne-t-elle, et pourquoi voit-on des couleurs le jour mais seulement des gris la nuit ?
• Comment les humains ont-ils compris, au fil du temps, ce qu'est voir ?
• Comment mesure-t-on la lumière avec des appareils et des capteurs, et comment lit-on un résultat ?

Tu viens de travailler sur le son et l'audition : là aussi, un signal arrive à un récepteur qui le transforme en information. Tu retrouveras la même logique ici, avec la lumière et l'œil.

On dit souvent « l'œil voit ». C'est un raccourci. L'œil capte la lumière, puis des cellules de la rétine la transforment en influx nerveux. Le cerveau reçoit ces signaux et en tire une image qui a du sens pour nous.

Les sources de physiologie insistent sur ce dernier point : la vision est une perception complexe, une activité du cerveau dans laquelle plusieurs zones travaillent ensemble.³ Le cerveau compare ce qu'il reçoit avec ce qu'il a gardé en mémoire, et il y a des allers-retours entre ces zones.³ Autrement dit, ce que tu « vois » est déjà une construction, pas une photographie brute de la lumière qui entre dans l'œil.

Pourquoi est-ce utile de le savoir ? Parce que cela explique des situations concrètes. Quand tu fixes un objet, tu le regardes avec le centre de la rétine, là où la perception est la plus riche en couleurs. Ce qui se trouve sur les côtés de ton champ de vision, tu le perçois moins bien.

Tu l'as sûrement remarqué : dans une pièce très sombre, les couleurs disparaissent peu à peu. Une chemise rouge et une chemise verte paraissent toutes les deux grisâtres. Ce n'est pas un défaut de ton œil, c'est son fonctionnement normal.

La perception de la lumière change selon son intensité et selon l'endroit de la rétine qui la reçoit.³ On distingue deux grandes situations.

La vision de jour porte un nom : la vision photopique. Dans ce régime, ce sont les cônes qui transforment la lumière en influx nerveux et rendent la perception colorée possible.³ À faible lumière, on parle de vision scotopique.³

La lumière visible est un petit morceau d'un ensemble plus vaste de rayonnements. Les limites exactes du spectre visible ne sont pas nettes : la sensibilité de l'œil baisse progressivement quand on s'éloigne de son maximum, elle ne s'arrête pas d'un coup.³

Ce maximum n'est pas au même endroit selon l'éclairement :

Le nanomètre (nm) est une unité de longueur extrêmement petite : un milliardième de mètre. On l'emploie pour exprimer la longueur d'onde, qui repère chaque lumière colorée.

Ces deux valeurs ne sont pas identiques, et c'est normal : l'œil ne se comporte pas de la même façon dans les deux régimes. Retiens surtout l'idée suivante : la sensibilité de l'œil dépend de la lumière disponible.

Quand il y a assez de lumière, nous distinguons des couleurs qui correspondent à la répartition des différentes lumières qui arrivent à l'œil.³ Mais cette correspondance n'est pas une copie exacte du monde physique : le lien entre la lumière mesurée et ce que nous percevons est assez lâche.³

Prenons un exemple. Une feuille blanche te paraît blanche à l'ombre, sous un néon ou près d'une fenêtre, alors que la lumière qui arrive à ton œil n'est pas la même dans ces trois cas. Ton système visuel corrige. On attribue aux objets une couleur stable, même quand le rayonnement reçu varie.³

Aujourd'hui, l'idée que l'œil reçoit la lumière nous paraît évidente. Ce ne fut pas toujours le cas. Les philosophes de la Grèce antique se sont déjà demandé ce qu'était la lumière.³

Une de leurs explications s'appelle la théorie de l'extramission. Elle imagine la vision comme un sens proche du toucher : des rayons rectilignes, qu'on ne peut pas palper, partiraient de l'œil pour aller « toucher » les objets.³

Pourquoi cette théorie résiste-t-elle à l'examen ? Un test simple : si l'œil envoyait quelque chose vers les objets, il verrait aussi dans le noir complet. Or ce n'est pas le cas. Il faut de la lumière qui arrive à l'œil. Cette expérience de pensée, tu peux la refaire dans un placard fermé : les yeux ouverts, tu ne vois rien tant qu'aucune lumière n'entre.

Cette histoire est utile pour une raison pratique : elle te rappelle que la lumière vient de l'extérieur vers l'œil, et pas l'inverse. C'est aussi la logique de tous les capteurs que nous allons voir.

L'œil est un excellent récepteur, mais il n'est pas un instrument de mesure : son impression dépend de l'adaptation, de la fatigue, de l'habitude. Pour comparer deux postes de travail ou vérifier un éclairage, on a besoin de nombres. C'est le rôle de la photométrie, qui relie les mesures physiques à la vision humaine.³

Dans les ressources pédagogiques du programme de CAP, la grandeur retenue pour la quantité de lumière reçue est l'éclairement. Le professeur relie cette grandeur aux appareils de mesure.² En classe, on utilise un luxmètre, un appareil qui indique l'éclairement.¹

Un capteur de lumière transforme la lumière en une grandeur qu'on sait mesurer, comme une résistance ou une tension. Les ressources du programme en présentent plusieurs.

Ici, « linéaire » signifie « proportionnel » : quand l'éclairement est multiplié par deux, le signal l'est aussi. Le graphique correspondant est une droite qui part de l'origine. Pratique : un produit en croix permet de passer d'une valeur à l'autre.

Tu croiseras aussi la photorésistance. Dans une activité de classe, on lui associe un ohmmètre et une lampe.¹ Le principe : on fait varier la lumière qui arrive dessus et on lit à chaque fois sa résistance à l'ohmmètre.

Les capteurs ne servent pas seulement en laboratoire. Ton téléphone possède un capteur d'image. Les ressources du programme décrivent ce qu'on y trouve :

• des microlentilles, qui guident correctement la lumière jusqu'aux récepteurs ;²
• un filtre de Bayer, qui sépare la lumière en composantes rouge, verte et bleue (RVB) ;²
• des photodiodes, qui transforment la lumière en signal.²

On retrouve ici la logique de la vision humaine : trois composantes de couleur, comme les trois bandes analysées par la fovéa.³ C'est un rapprochement que tu peux faire toi-même : l'appareil photo imite, à sa façon, l'œil.

Une photorésistance donne une résistance en ohms, pas directement un éclairement. Comment passer de l'un à l'autre ? On utilise une courbe d'étalonnage.

Pour la construire, on place la photorésistance et un luxmètre côte à côte. On part avec la source de lumière allumée tout près, puis on l'éloigne progressivement, en relevant à chaque fois la résistance et l'éclairement.¹ On trace ensuite l'une en fonction de l'autre. Plus tard, quand on mesure seulement la résistance, on utilise la courbe pour retrouver l'éclairement : on lit sur la courbe la valeur d'éclairement qui correspond à la résistance mesurée.¹

Au travail, un mauvais éclairage fatigue les yeux et peut provoquer des erreurs ou des accidents. Un électricien, un cuisinier ou un mécanicien doit pouvoir distinguer une pièce, une étiquette ou une couleur de fil. Voici une démarche simple pour juger un poste.