I. Ressemblance entre l`œil et l`appareil photo numérique

La capture d’images biologique et numérique
Ces dernières années, les appareils photo numériques ont connu un très fort
succès. C’est pourquoi nous avons choisi de nous y intéresser pour en comprendre le
fonctionnement et ses possibilités. Lors de nos recherches générales nous avons pu
conclure que le fonctionnement de l’appareil photo numérique est proche de celui de
l’œil humain.
C’est pourquoi ce TPE tente de répondre à la question : « Quel est le
fonctionnement de l’œil et peut on penser que l’homme a essayé de l’imiter afin de
créer les appareils photo numériques ?
Nous allons traiter tout d’abord, la ressemblance entre l’œil et l’appareil photo
numérique. Pour cela, il parait important de définir la lumière qui est indissociable de
la capture d’images, puis nous comparerons iris avec diaphragme, et enfin cristallin
et cornée avec lentilles. Dans une seconde partie, nous étudierons en détail les deux
dispositifs de capture d’images que sont la rétine et le capteur CCD, pour finir nous
envisagerons une possible mise en place d’un œil numérique afin de faciliter la vie
des personnes malvoyantes
Ressemblance entre l’œil et l’appareil photo numérique
On appelle communément, lumière l’ensemble des rayonnements magnétiques
visibles, c’est à dire, susceptibles d’être directement perçus par l’œil humain. C’est
aussi elle qui permet de créer un courant à la sortie d’un capteur CCD.
Il paraît donc essentiel de la définir avant d’étudier le fonctionnement de l’œil et celui
de l’appareil photo numérique.
1)Définition de la lumière
La lumière n’est pas une onde mécanique car elle se propage dans le vide :
notre environnement est en fait un champ magnétique créé par la présence de
particules chargées et leur déplacement. Si on perturbe ce champ, une onde
électromagnétique se propage. Elle a donc la propriété de pouvoir se déplacer dans
le vide. De plus on peut prouver son caractère ondulatoire grâce à l’expérience de
diffraction. Comme toute onde, la lumière transporte de l’énergie. Elle est donc
caractérisée par sa fréquence, f. Cependant, tout au long de notre TPE, nous allons
travailler uniquement dans l’air, qui peut être assimilé au vide quant à sa vitesse et
sa longueur d’onde. Sa célérité, dans le vide est de C = 3.10^8 m/s, sa longueur
d’onde se note
λ, et C = λ.f
Mais la lumière perçue n’est en fait qu’une fenêtre étroite de l’ensemble des
ondes électromagnétiques : le spectre du visible s’étend, à peu près, de 400 nm à
800 nm
2)Iris – Diaphragme
Avant d’étudier certaines parties de l’œil, il paraît important de les fixer sur un
schéma.
a)Iris
L’iris est la partie colorée de l’œil. Il limite l’intensité de la lumière pénétrant
dans l’œil en faisant varier le diamètre d’ouverture de la pupille.
Vision en pénombre : la pupille est dilatée, l’iris lui permet de s’ouvrir
largement afin de laisser passer un maximum de lumière.
Vision en plein jour : la pupille est rétractée, son diamètre se réduit afin de
diminuer la quantité de lumière qui pénètrent dans l’œil.
b)Diaphragme
Le diaphragme est mécanisme présent sur l’objectif permettant de faire varier
l’intensité du faisceau lumineux entrant dans celui-ci.
Le diaphragme peut donc être considéré comme l’iris de l’appareil photo numérique
car il remplit la même fonction que ce dernier, à savoir la limitation de l’intensité
lumineuse admise dans l’appareil optique, quel qu’il soit.
3)Cristallin et cornée – lentilles
a)Cristallin et cornée
Les rayons lumineux entrent par la cornée, traversent l'humeur aqueuse puis la
pupille. Là, le cristallin les fait converger, grâce à ses contractions, sur la rétine. Il
possède, en effet, la propriété de changer de forme suivant la distance à laquelle on
regarde. Si l'objet est près, il se bombe. On dit qu'il converge. S'il est lointain, il
s'aplatit. Cette capacité de mise au point est l'accommodation. Elle fonctionne à
partir d'une dizaine de centimètres jusqu'à l'infini.
b)Lentilles
Dans un appareil photo numérique, l’accommodation se fait grâce à un duo de
lentilles : une étant mobile et l’autre, fixe. Ainsi, ce jeu de lentilles peut être
considéré comme une seule lentille convergente de vergence variable.
Ainsi, la cornée et le cristallin jouent le rôle de lentilles convergentes et focalisent les
rayons de lumière sur la rétine, le capteur CCD dans le cas d’un appareil photo
numérique.
Nous pouvons donc conjecturer que le fonctionnement d’un appareil photo
numérique est proche de celui de l’œil : nous pouvons donc penser que les
« inventeurs » de l’appareil photo se sont inspirés de notre appareil visuel.
Afin de vérifier si cette hypothèse est vraie, nous allons étudier plus particulièrement
les deux principaux éléments restants : la rétine et le capteur CCD
II.
La capture d’images en détail
1)la rétine
La rétine constitue l’organe sensitif de la vision proprement dit : au fond de celle-ci
se trouvent des photorécepteurs (cônes et bâtonnets), qui transforment l’énergie
lumineuse en potentiels nerveux. La rétine est un tapis neuronal très fin (de l’ordre
de 01 à 0.5 mm d’épaisseur) organisée en plusieurs couches successives, qui ont
chacune une fonction précise.
Cependant, pour simplifier nous parlerons ici uniquement des trois couches
principales :
-
la couche des cellules photosensibles
la couche granuleuse interne
la couche des cellules ganglionnaires
On arrive donc à ce schéma simplifié :
On constate que la rétine est inversée car la lumière doit traverser la rétine avant de
pouvoir atteindre les photorécepteurs, sensibles à la lumière et c’est paradoxalement
la couche des ganglionnaires qui assure la transmission du message nerveux au
cerveau.
Afin de comprendre comment la rétine transforme l’énergie lumineuse en trains
d’influx véhiculés dans le nerf optique, nous allons diviser l’étude en deux parties : la
perception des couleurs par les cellules photoréceptrices et la transmission des
messages nerveux au cerveau
A ) La couche des photorécepteurs
La couche des photorécepteurs comporte environ 125 millions de cellules
photosensibles différentes, portant des noms reflétant leur forme :
les 120 millions bâtonnets qui permettent de voir en nuances de gris dans des
conditions de faible luminosité. Ils sont donc responsables de la vision nocturne mais
ne sont sensibles qu’à la différence entre obscurité et lumière.
Les 5 millions de cônes, plus petits et plus larges, sont sensibles à la couleur
dans des conditions de forte luminosité. Ils sont responsables de la vision diurne et
font la différence entre les couleurs.
Ainsi, la résolution d’une image vue par l’œil, qui est définie comme parfaite est
comparable à une image d’environ 50 à 70 Mégapixels.
1) les cônes
Les cônes sont donc responsables de la vision en couleur. Evidemment il n’y a pas un
cône par couleur, ce qui ne serait ni fiable ni économique en termes d’énergie et
d’encombrement.
La nature a en effet mis au point un système plus ingénieux mais aussi plus robuste.
Il existe trois types de cônes différents, chaque type étant sensible à une gamme de
longueurs d’onde différente :
Les cônes S atteignent leur maximum d’excitation pour une longueur d’onde
de 420 nanomètres, soit la couleur bleue
Les cônes M sont excités pour des longueurs d’onde proche de 530
nanomètres, correspondant au vert
Les cônes L sont excités au maximum lorsqu’une longueur d’onde de 560
nanomètres les atteint, ils restent sensibles pour des longueurs d’onde qui
correspondent au rouge ( 800 nanomètres )
Spectre d’absorption des cônes
Ainsi lorsqu’ils sont percutés par les photons (particules de lumière, cf. partie I),
porteurs d’une quantité d’énergie proportionnelle à la longueur d’onde du rayon
lumineux, les cônes assurent une transformation.
A noter, plus la longueur d’onde sera éloignée du pic d’absorption, mois les cônes
seront activés. Ainsi, selon les longueurs d’onde perçues, des signaux d’intensité
variables sont produits dans chacune des trois catégories de cônes, ce qui va
permettre au système visuel de déduire toute la gamme de coloris que peut
percevoir le cerveau humain.
En fait, les photons modifient la forme d’une petite molécule facilement malléable, le
rétinal , située à l’intérieur d’un pigment appelé opsine, lui-même situé dans le
segment externe d’un cône : ces deux molécules forment la iodopsine.
Représentation d’une molécule de iodopsine M :
-
au centre, en rouge : le rétinal
en diverses couleurs : les 7 hélices de l’opsine qui l’entoure
Le rétinal est une molécule dérivée de la vitamine A, liée à l’opsine par liaison C = N.
Il a la capacité de s’isomériser en contact avec un photon, ce que l’on appelle la
photoisomérisation, il passe alors de sa forme 11-cis-rétinal en tout-trans-rétinal.
Rétinal
La déformation du rétinal entraîne à son tour la déformation de l’opsine, ce qui
déclenche une cascade de réactions biochimique conduisant finalement, à la
production d’un signal nerveux.
Il est important de préciser que ce rétinal est le même pour les différents types de
cônes (mais aussi pour les bâtonnets)
Par contre, l’opsine diffère pour les photorécepteurs différents et est constituée d’un
enchaînement d’acides aminés enroules en sept hélices alpha. Ces différences
suggèrent que la plage de longueur d’onde absorbée est déterminée par la molécule
d’opsine et que donc, la sensibilité du rétinal est conditionnée par la protéine qui
l’entoure.
b) les bâtonnets
Les bâtonnets sont des photorécepteurs extrêmement sensibles à la lumière, ils sont
répartis sur toute la surface de la rétine. Ils permettent de voir dans des conditions
d'éclairage faible, la nuit par exemple. Ils sont tous identiques et ainsi ne permettent
qu'une vision en nuances de gris (c’est à dire en noir et blanc). La vision, dans des
conditions de faible éclairage, est donc exempte de couleurs.
Dans le cas des bâtonnets, le rétinal (qui est le même pour tous les photorécepteurs)
s’accroche aussi à une molécule d’opsine. Le regroupement ainsi formé s’appelle la
rhodopsine qui a un maximum d'absorption à 496 nm.
On en conclut que pour que chaque photorécepteur ait une fonction particulière il
faut que les opsines soient différentes : chaque opsine est codée par un gène. Tous
les photorécepteurs possèdent les 4 gènes, mais le gène rho ne s'exprime que dans
les bâtonnets, le gène S dans les cônes S, etc : toutes les opsines sont donc des
protéines membranaires très proches.
Revenons à la production du signal nerveux grâce à la déformation du rétinal, nous
allons maintenant étudier comment ce signal nerveux est transmis au cerveau.
B) La couche granuleuse interne
La couche suivante, dénommée couche granuleuse interne, comporte une variété de
neurones rétiniens :
-
les cellules horizontales
les cellules bipolaires
les cellules amacrines
Les neurones bipolaires sont un passage obligé entre les photorécepteurs et les
cellules ganglionnaires (de la couche des ganglionnaires, que l’on étudiera après)
tant pour la voie directe que pour la voie indirecte faisant intervenir les cellules
horizontales. Le signal nerveux s’y transmet sous forme de potentiel gradué. Celui-ci
peut être autant une dépolarisation qu’une hyperpolarisation de la membrane de la
cellule
Ce mécanisme est résumé à travers ce schéma simplifié
On comprend bien grâce à ce schéma mais aussi à celui présentant les différentes
couches de la rétine que les cellules bipolaires sont indispensables dans la
transmission du message entre les cellules photo réceptrices et les cellules
ganglionnaires de la 3eme couche que nous étudierons plus tard.
Les cellules horizontales sont connectées latéralement à plusieurs cônes, bâtonnets
et neurones bipolaires, leur rôle est d’inhiber l’activité des cellules avoisinantes et
donc d’augmenter l’acuité d’un signal sensoriel. Dans le cas de la vision, quand une
source lumineuse atteint la rétine, elle peut illuminer fortement certains
photorécepteurs et d’autres beaucoup moins. En supprimant le signal de ces
photorécepteurs moins illuminés, les cellules horizontales assurent que seul le signal
des photorécepteurs bien illuminés est transmis aux cellules ganglionnaires,
améliorant ainsi le contraste et la définition du stimulus visuel.
Les cellules amacrines relient les neurones bipolaires aux ganglionnaires : elles
forment une route alternative indirecte entre ceux-ci
Ces deux derniers groupes de neurones forment un système de contrôle, qui permet
d’adapter le système rétinien aux contrastes, au mélange des couleurs etc …
C) La couche des ganglionnaires
Cette dernière couche nerveuse de la rétine, est composée d’environ 1 million de
cellules ganglionnaires. C’est l’étage de sortie vers le cerveau : les ganglionnaires
sont reliés d’une part aux cellules bipolaires et ont, d’autre part, des axones qui se
rejoignent au niveau de la papille pour former le nerf optique, relié au cerveau
2) Le capteur CCD
Le capteur CCD sert d’interface de transformation de la lumière en charges
électriques. C’est une surface compartimentée en « photosites » sensibles à la
lumière.
Lorsque les photons frappent le capteur, leur énergie est transmise à la matière et
des électrons sont expulsés de leur orbite. C’est comme cela que le capteur détecte
la présence de lumière.
Il s’agit en fait d’un matériau semi conducteur compartimenté, le silicium est le plus
utilisé. (Capteur photosensibles, microprocesseur …).
Pure le silicium est un conducteur « intrinsèque », il conduit très mal les charges
électriques. Par exemple, le cuivre est 29 Milliards de fois plus conducteur. Ses
atomes possèdent 4 électrons périphériques, on va alors injecter des atomes à 3
électrons périphériques (bores, aluminium, gallium, indium). On a ainsi dopé le semi
conducteur et l’on peut ainsi plus facilement détecter les électrons expulsés.
Mais quels électrons sont précisément expulsés ? En fait, les électrons du capteur ne
peuvent devenir électrons libres que s’ils reçoivent une certaine quantité d’énergie.
Par conséquent, les photosites ne recevant pas assez de luminosité ne détecterons
pas la lumière qui les frappe. L’effet inverse est aussi observer, une chaleur
excessive peut parasiter l’image, on nomme cela le « bruit ». Certains téléscopes du
commerce sont d’ailleurs équipé de dispositif de refroidissement avancé (plaque à
effet Peltier) afin d’obtenir une image moins bruitée.
Revenons à la lumière. L’énergie apportée par un photon dépend directement
de sa longueur d’onde notée λ. L’énergie d’un photon est exprimé avec la
formule d’Einstein: H x (c/ λ) où c est la vitesse de la lumière et h la constante de
Planck (6,621034 Js).
L’énergie requise par un électron pour passer du stade d’électron périphérique à celui
d’électron libre est notée W. Ainsi L’énergie fournie par le photon doit être supérieur
à W. On à donc :
(h(c/ λ)) > W
Soit :
(h(c/ W)) > λ .
Pour le silicium, λ doit être inférieur à 1 100nm afin que la lumière soit captée. On
remarque donc que le silicium est sensible jusqu’à l’infrarouge proche, c’est pour cela
qu’il est utilisé dans ce domaine !
Dans la pratique, l’absorption sera également limitée dans le domaine de l’ultraviolet
à cause de l’écran créé par les électrodes de polarisation que nous voyons à présent.
A) Electrodes de polarisation
Les électrons ainsi éjectés par les photons sont maintenant dans un état d’électrons
libres. Afin de les empêcher de regagner l’orbite d’un atome et ainsi perdre trace de
toute lumière reçu, les électrons doivent être retenus dans un « coin » du photosite.
Pour cela, on utilise des électrodes, isolé du silicium par une couche d’isolant. Pour
résumer, nous avons une coupe de ce type :
En récapitulant, les photons traversent les électrodes, puis l’isolant, avant de frapper
le silicium. Des électrons sont éjecté grâce à l’énergie reçue sont instantanément
attirés par les électrodes. La couche d’isolant est là pour les retenir.
B) Le transfert des charges
Les charges retenues par les électrodes sur chaque photosite ne peuvent être
déchargées instantanément, sinon tous les électrons arriveraient dans un ordre
chaotique et il serait impossible de recréer une image à partir de ceux-ci.
Les capteurs possèdent plusieurs horloges qui régulent les décharges des électrodes
pour transférer les électrons de photosite en photosite. Les charges sont déplacées
lignes par lignes vers un dispositif de comptage disposé d’une « ligne de registre » et
d’un étage de lecture :
Ainsi lors de la capture d’une image le transfert vers l’étage de lecture se fait de
cette manière :
Remarque :
Dans la pratique, les électrodes de chaque cellule photosensible permettent d’attirer
et de repousser successivement les électrons : on déplace alors les électrons sans
mélanger ceux des différents photosites :
C) Les Filtres
Pour le moment, les photosites ne sont capables de détecter que la présence de
lumière et non sa couleur. On utilise pour cela un filtre de Bayer. Pour chaque pixel
final, on a en fait 4 photosites chacun recouvert d’un filtre de couleurs. 2 verts, 1
bleue et 1 rouge. Car l’œil humain est deux fois plus sensible au vert qu’au rouge et
au bleue. Ceci afin de respecter au mieux la sensibilité de l’œil humain. Un pixel est
donc « composé » de 4 photosites ainsi disposés :
A ce stade, nous avons donc vu comment la lumière est différenciée puis capturée
par l’appareil photo numérique. Le signal analogique en sortie du capteur CCD passe
par un convertisseur analogique/numérique, avant d’être compressé et stocké sur la
carte mémoire de l’appareil.
3)Œil numérique
En comparant, le fonctionnement de la rétine de l’œil humain et le capteur CCD d’un
appareil photo numérique, on peut dire que leur fonctionnement est proche :
- iris et diaphragme qui limitent l’intensité lumineuse pénétrante
- cristallin-cornée et lentilles convergentes qui focalisent les rayons lumineux
- système de cônes qui se rapproche du système de filtre de Bayer ( chaque
structure capte un domaine de longueur d’onde ).
Cependant, les photosites du capteur CCD ne sont sensibles qu’à une seule couleur
alors qu’un cône absorbe aussi légèrement les autres couleurs : par exemple un cône
M sera un peu excité lorsqu’il sera frapper par un rayon de couleur jaune.
On peut tout de même admettre, que la sensibilité d’un capteur numérique serait
suffisante pour une personne malvoyante, nous allons maintenant étudier les autres
différentes contraintes.
a) la taille
En effet, il est impératif de créer un dispositif pouvant remplacer directement un œil
biologique et donc de prendre sa place. En effet, il est difficile de faire
tenir le contenu d'une caméra ultra perfectionnée dans une boule de 2,5 cm de
diamètre soit 6,5 cm3 ce qui est extrêmement petit pour un appareil de haute
précision
b) la forme
La rétine tapisse le fond de l’œil et a une forme courbe. Il est impossible de fabriquer
un capteur de cette forme. La solution serait alors de mettre le capteur CCD au
milieu du globe oculaire mais l’angle de vue serait modifié. De plus, la taille minimale
d’un photosite est de 5 microns de coté. En plaçant le capteur au milieu de l’œil on
pourrait donc utiliser un capteur de 19,6 millions de photosites, ce qui donnerait une
image d’environ 4.9 mégapixels, ce qui est bien peu au regard des 125 millions de
cellules photosensibles
c) la rapidité
Un capteur numérique actuel ne peut pas prendre des vues en rafale, en effet le
transfert des charges vers l’étage de lecture nécessite un temps considérable. De
plus, il faudrait transformer le signal électrique du capteur en signal nerveux, ce qui
nécessiterait un convertisseur, qui amplifierait les problèmes soulevés avant mais
aussi un problème de consommation d’énergie et de chaleur.
d) la consommation d’énergie et la chaleur
Ce dispositif necessiterait la mise en place d’un circuit électronique dont la chaleur
dégagée par effet JOULE s’ajouterait à la température du corps humain et donc
augmenterait l’effet de « bruit », ce qui nuirait à la qualité du fonctionnement du
capteur CCD.
De plus, un tel dispositif nécessiterait aussi une alimentation. Le choix de batteries
pose à nouveau le problème de place. Et essayer de transformer une quelconque
énergie corporelle en énergie électrique (nécessaire au circuit) parait bien trop
complexe
On peut imaginer un tel œil numérique ainsi :
A travers le monde, des chercheurs tentent de vaincre ces contraintes et on
assiste peu à peu à la réussite de leurs expériences qui peuvent faciliter la vie des
malvoyants
Ainsi, des chercheurs japonais ont testé un «oeil électronique», en fait une minuscule
caméra ultra-perfectionnée, reconnaissant les bandes blanches des passages piétons
et les feux de signalisation, qui pourrait à terme aider les aveugles à traverser aux
carrefours.
Les résultats de l'expérience sont publiés dans la revue Measurement Science and
Technology datée de novembre 2004. Elaboré par l'Institut de technologie de Kyoto,
le système pourrait un jour être amélioré pour permettre aux aveugles et malvoyants
de se déplacer sans l'aide d'une canne ou d'un chien dressé, soulignent les
chercheurs.
De même, un Canadien qui avait perdu la vue dans un accident il y a près de 20 ans
fait partie d'un groupe de personnes qui vont récupérer une partie de leur vision
grâce à l'implantation d'yeux électroniques dans le cerveau. Les patients portent des
lunettes spéciales équipées d'une caméra miniature et portent un micro-ordinateur et
un stimulateur à la ceinture ou dans un sac. L'équipement est relié par un câble à un
minuscule appareil situé dans le crâne et qui branche deux électrodes à la surface de
la partie du cerveau qui commande la vue.
Ou encore comme ce neurochirurgien portugais le Dr Joao Lobo Antunes, qui vient
de rendre la vue à huit aveugles après leur avoir implanté un oeil électronique. Le
dispositif consiste en une petite plaque de plastique munie de 16 électrodes qui est
implantée dans le crâne afin de stimuler le cortex visuel. Une caméra miniature fixée
sur les lunettes du patient retransmet les images à un petit ordinateur porté en
bandoulière et relié par des électrodes au cortex.
Quelques mois après l’intervention pratiquée dans un hôpital de Lisbonne, les
patients parviennent à s’orienter dans l’espace tout seul et à distinguer les formes de
personnes ou d’objets. Quatre d’entre eux perçoivent les couleurs. L’implant de l’œil
ne peut toutefois être réalisé que sur des non-voyants qui ne sont pas aveugles de
naissance ou dont le cortex visuel n’est pas endommagé.
En conclusion, on peut dire que l’homme s’est inspiré du fonctionnement de
l’œil afin de mettre au point les appareils photo numériques. Cependant, on peut
affirmer qu’il n’a pas réussi à égaler les performances au niveau de la résolution, de
la rapidité.
Tout de même, ce progrès technologique peut s’appliquer au domaine médical et va
permettre, dans les décennies futures, de rendre la vue aux personnes nonvoyantes, même si les problèmes restent nombreux, on peut penser que dans un
avenir proche, les ingénieurs vaincront ces contraintes.