L'optique de la photographie

   Au XVème  siècle, Léonard de Vinci fut le premier à étudier en détail le phénomène et à le comparer au mécanisme de la vision humaine. Un appareil restitue une vision monoculaire, c’est-à-dire ce que l’on voit quand on ferme l’œil.

On dois se demander sur quel modèle biologique l’homme s’est-il appuyé pour crée la photographie ? Quel lien y a-t-il entre l’œil et l’appareil ? Que peut-on dire de la lentille et du sténopé?

I/ L’œil et son fonctionnement

   A/ L’œil

L’œil est sensible aux longueurs d’ondes comprises entre 390 nm et 780 nm, mais aussi à une région limitée de l’ultraviolet (jusqu’à 310 nm) et de l’infrarouge (jusqu’à 1050 nm). Il faut étudier chaque partie qui compose l’œil.

1- La cornée, directement au contact de l'extérieur, est une membrane transparente de structure régulière et ordonnée composée de 5 couches. C'est la structure qui a la plus grande sensibilité tactile du corps humain. Son rôle est de protéger le globe oculaire sur la face avant.

2- Il fonctionne comme une lentille à focale variable, grâce à sa capacité de modifier sa courbure. Il est capable d'effectuer la mise au point pour obtenir la netteté à toute distance. La lumière entre par la cornée, traverse l'humeur aqueuse puis la pupille. Là, le cristallin fait converger les rayons sur la rétine.

3- C'est un liquide transparent, continuellement filtré et renouvelé qui, avec le vitré, maintient la pression et la forme du globe oculaire. 

4- Il fonctionne comme un diaphragme en dosant la quantité de lumière qui pénètre dans l'oeil. Son pigment détermine la couleur de l'oeil.

5- Il représente la deuxième paire de nerfs crâniens : le nerf optique, 35 à 55 mm de long, s'étend de la papille au (croisement en X, total ou partiel des fibres des 2 nerfs optiques). Il comporte environ un million de fibres réparties en un grand nombre de faisceaux séparés. Son rôle est de transmettre l'image rétinienne au cerveau.

6- Film très sensible sur lequel viennent se former les images. C'est une membrane nerveuse qui tapisse le fond de l'œil, d'environ 0,25 mm d'épaisseur et de surface à peu près égale à celle d'un timbre-poste dans laquelle se trouvent plus de 130 millions de cellules nerveuses.
Elle peut distinguer une lumière très faible, telle la flamme d'une bougie à une distance de 10 km dans l'obscurité totale. On peut distinguer plus de 100 nuances différentes et 750 niveaux de luminosité. La rétine contient deux types de cellules photosensibles: les cônes et les bâtonnets.

7- C'est une membrane pigmentée et vascularisée de l'oeil, située entre la rétine et la sclérotique, se continuant en avant par l'iris.

Lorsque l’œil est normal (sans défaut visuel ou emmétrope), et que l’objet se trouve loin, l’image se formant derrière la rétine est perçue avec netteté. Si, au contraire, l’objet est proche, l’image se forme derrière la rétine.
Le cristallin va se bomber, réalisant l’accommodation et ramènera l’image derrière la rétine. Le cerveau va donc recevoir une image parfaitement nette.

On définit pour chaque œil :
- un punctum remotum : c'est le point le plus éloigné que l'œil peut voir net sans accommoder ;
- un punctum proximum : c'est le point le plus proche que l'on peut voir net en accommodant au maximum ;
- la distance minimale de vision distincte : c'est la distance entre l'œil et le punctum proximum.

On peut à présent comparer l’œil et l’appareil photo:

II/ Le sténopé

Le sténopé est une boîte hermétiquement fermée à la lumière, dont une des faces est percée d'une minuscule ouverture circulaire.

                A/ Les caractéristiques de l'imgae produite par un sténopé

L'image produite par un sténopé est plus petite que l'objet et apparaît inversée par rapport à l'objet tant selon son axe vertical que son horizontal.

  Explication:

Les rayons qui partent de l'objet (ou du sujet) et entrent dans le sténopé sont convergents pour ce croiser au niveau du trou servant d'objectif.

Puis, à l'intérieur du sténopé, les rayons divergent.

Les inversions verticales et horizontales de l'image par rapport à l'objet s'expliquent donc par simple logique géométrique.

                B/ Avantages et limites du sténopé.

Il permet de photographier avec une grande profondeur de champ (les objets proches ou éloignés sont nets) et il est facile à fabriquer(Voir l'Expérience n°2 et l'Expérience n°3). Mais le trou doit être fait de façon très précise (s'il est trop grand, l'image est flou, s'il est trop petit, le temps de pose est trop long) et il est très difficile de photographier un mouvement.

III/ La lentille
    Une lentille est un élément, homogène, isotrope, transparent, traditionnellement en verre, dont au moins l’une des faces n’est pas plane et destiné à faire converger ou diverger la lumière.

             A/ Lentille convergente et divergente

Une lentille convergente transforme un faisceau de lumière parallèle (onde plane) en un faisceau qui converge vers un point situé en aval de la lentille.
Une lentille divergente transforme un faisceau de lumière parallèle (onde plane) en un faisceau divergent qui semble provenir d’un point situé en amont de la lentille.
On distingue six types de lentilles :
    Les lentilles convergentes :
a) lentille biconvexe : les deux dioptres sont sphériques, les centres des sphères sont situés chacun d’un côté du plan de la lentille ;
b) lentille plan-convexe : un des dioptres est sphérique, l’autre est plan ;
c) ménisque convergent : les deux dioptres sont sphériques, les centres des sphères sont situés du même côté du plan de la lentille ; 
    Les lentilles divergentes :
d) lentille biconcave : les deux dioptres sont sphériques, les centres des sphères sont situés chacun d’un côté du plan de la lentille ;
e) lentille plan-concave : un des dioptres est sphérique, l’autre est plan ;
f) ménisque divergent : les deux dioptres sont sphériques, les centres des sphères sont situés du même côté du plan de la lentille.

              B/ Les lentilles minces et les lentilles épaisses

Une lentille mince est une lentille qui remplie les trois conditions suivantes:

• L'épaisseur de la lentille est petite devant le rayon de la première face;
• L'épaisseur de la lentille est petite devant le rayon de la deuxième face;
• L'épaisseur de la lentille est plus petite que la valeur absolue de la différence entre le rayon de la première face et le rayon de la deuxième face.

Les lentilles épaisses n'ont pas les mêmes propriétés, (aussi simple) que les lentilles minces. Une lentille épaisse est une lentille dont l'épaisseur n'est pas négligeable devant les rayons de courbure de ses faces.

Les lentilles épaisses n'ont pas les mêmes propriétés que les lentilles minces. Les foyers focaux sont notamment définis à partir des plans principaux. De plus les distances focales objet et image ne sont en général pas égales.