Léonard de Vinci (1452-1519)

Physiologie de la vision

Dans ses toutes premières notes sur la vision, il défend la théorie Galénique de l'Emission puis change d'avis à la suite de nombreuses expériences. Il rejoint la théorie d'Alhazen selon laquelle l'objet éclairé envoie une sphère de rayons droits divergents, de la chaleur et une infinité d'images de lui même (Ms. Ashburham).

"Le monde, soumis à la lumière ou à l'ombre, remplit l'air environnant d'infinies images de lui même et celles-ci, à travers d'infinies pyramides projetées dans l'air représentant le sujet, partent dans l'espace dans toutes les directions. Chaque pyramide visuelle est composée du prolongement d'une multitude de rayons et chaque objet comprend un nombre infini de pyramides, chacune ayant le pouvoir de toutes et toutes de chacune."

Les images des objets sont en tout point de l'atmosphère et Léonard prouve que si nous regardons par un trou d'aiguille de 1 mm fait dans une feuille de carton, nous embrasons la totalité du paysage qui se trouve derrière l'obstacle. Ceci est dû à une infinité de pyramides de rayons ayant une base commune sur l'objet et autant de sommets qu'il y a de points sur la cornée.

L'oeil reçoit alors l'image des objets. Léonard associe géométriquement le rayon lumineux et le rayon visuel. L'oeil donc n'émet rien car, étant obscur, il ne peut que recevoir passivement des images. Il s'empresse d'expliquer à ses détracteurs que si l'oeil du chat brille la nuit, ce n'est pas dû à une émission quelconque de l'oeil de l'animal mais à la réflexion de la lumière sur la cornée du chat.

Les rayons visuels venant frapper la cornée ont une influence sur la pupille. La pupille convexe par sa courbure se situe en arrière de la cornée, qui donne de l'objet tout entier une image en chacun de ses points. Comme la cornée est transparente Léonard pense que tout point de la pupille voit tout l'objet. Il constate qu'un objet moins étendu que la pupille, comme une aiguille, mis devant l'oeil ne cache rien à celui-ci et l'objet quoique dense semble transparent. "La vertu visuelle est donc infuse en tout point de la pupille."

Mais la répartition de la vertu visuelle n'est pas la même en tout point de la cornée.

L'aiguille que Léonard promène devant son oeil "n'est pas connue et présente au jugement une détermination confuse de la chose." Par contre, il remarque que le maximum de netteté est le long d'un seul rayon qui représente l'axe antéro-postérieur du globe, perpendiculaire à la cornée.

"L'oeil a une seule ligne centrale et toutes les choses qui viennent à l'oeil par cette ligne sont bien vues. Autour de cette ligne, il y a une infinité d'autres lignes adhérentes à cette ligne centrale qui ont d'autant moins d'importance qu'elles sont éloignées de la centrale."
Q. IV folio 12 verso.

Avec son rayon visuel principal, Léonard met en évidence une chose très importante : c'est la zone optique centrale de la cornée. Traversant cette zone l'image passe par la pupille pour rejoindre le nerf optique.

Puis Léonard étudie longuement les phénomènes pupillaires et s'étonne de certains d'entre eux. C'est la raison pour laquelle l'objet qui s'éloigne devient de plus en plus petit, pourquoi la perspective et l'éloignement donnent des images identiques d'objets différents ? Pourquoi deux bougies qui s'éloignent, finissent par ne plus faire qu'une seule lueur ? Toutes ces questions l'amènent à penser que ce jeu psychique est uniquement causé par la modification d'un élément géométrique qui ne peut-être que la variation du diamètre pupiIlaire.Curieusement, avant lui, ni Galien ni Aristote n'avaient observé ce phénomène, seulement quelques auteurs arabes avaient noté le changement du diamètre pupillaire, sans aller plus loin. Léonard veut comprendre :

"La pupille de l'oeil se change en différentes grandeurs selon la variation de la clarté et de l'obscurité des objets qui se présentent devant elle. En ce cas, la nature est venue au secours de la vertu visuelle quand elle offensée par l'excès de lumière en faisant restreindre la pupille de l'oeil et lorsqu'elle est blessée par l'excès de l'obscurité, elle fait s'élargir circulairement la pupille. La nature fait ici une constante équation en diminuant ou augmentant, grâce à la diminution ou l'augmentation de la pupille selon la clarté ou l'obscurité.»

Après l'observation, Léonard essaye de trouver une systématisation pupillaire. Il va même jusqu'à dicter cinq lois sur la pupille (Ms E folio 17), lui permettant de mettre en évidence la notion de grandeur apparente. A tort il pense qu'une grande pupille fait voir les images plus grandes qu'une petite pupille, car il s'est laissé tromper par les aberrations sphériques qui élargissent en un tube un point lumineux comme le montre le passage suivant :

"Si tu fais une ouverture aussi petite qu'il peut en être une dans un papier et que tu l'approches de l'oeil autant qu'il se peut et que par le trou tu regardes une étoile, il ne peut opérer qu'une petite partie de la pupille ; et elle voit l'étoile si petite que presque aucune autre chose chose ne puisse être plus petite. Si tu fais l'ouverture près du bord, tu pourras voir en même temps l'étoile avec l'autre oeil et elle te paraîtra plus grande."
Codex D folio 5 recto.

Il ne tient pas compte du réflexe pupillaire consensuel, qui rend sa conclusion impossible. Comme nous l'avons vu Léonard se penche sur les mouvements pupillaires :

"Quand la lumière décroit, la pupille se dilate ... Ces changements tiennent uniquement à la pupille."

Lui qui observe les pupilles et connait la solidarité des deux yeux, il a fait ses expériences sur l'inégalité pupillaire, comme celle citée ci-dessus, sans découvrir que cette inégalité n'existe pas en réalité. Poussant plus loin ses études sur les mouvements de la pupille lors de l'adaptation à la lumière et lors de l'éblouissement, Léonard remarque :

"Si l'oeil qui sort d'un lieu obscur voit des objets d'éclat modéré, il lui semble brillants à l'extrême, parce que la pupille se dilate dans les lieux obscurs. Quand l'oeil se détourne d'un objet illuminé tout ce qu'il voit lui semble obscur : l'oeil avait contracté sa pupille ... A pupille faible toute petite clarté parait ténébreuse et si elle croit en puissance toute grande obscurité lui parait éclairée."

Il décrit ainsi l'adaptation à la lumière qui permet de mieux voir des objets de faible éclairement, car la pupille est en mydriase. De même l'éblouissement empêche de bien voir des objets même s'ils sont bien éclairés.

Léonard avait-il pressenti l'accommodation pupillaire à la distance quand il nous dit:
"Regarde ta pupille et fais lui regarder la lumière que tu approcheras de lui peu à peu. Tu verras sa pupille se resserrer à mesure que la lumière approchera."

Il semble que non car plus loin, il attribue la variation pupillaire au fait que l'objet plus proche est plus lumineux.

Toutes ses études ont été faites par Léonard pour mieux comprendre la vision. Adoptant la théorie de l'émission d'images par l'objet, il remarque dans son traité sur la peinture l'importance du phénomène d'irradiation, utile notamment pour son art de peintre. Dans le Ms. C folio 6 recto il suggère une expérience montrant que l'irradiation est dûe à l'oeil.:

"Si l'oeil regarde la lumière d'une chandelle éloignée de 400 brasses cette lumière apparaîtra à l'oeil qui la regarde agrandie 100 fois de sa quantité véritable. Mais si vous mettez devant elle un bâton un peu plus gros que cette lumière, il occupera cette lumière qui paraissait large de 2 brasses. Donc cette erreur vient de l'oeil."

Dans le paragraphe 254 de son traité sur la peinture, il donne même une définition de l'irradiation :"La chose claire grandit sur un champ sombre".

Au sujet des impressions ressenties par l'oeil, il est un phénomène fréquemment répété dans les manuscrits qu'il décrit de façon plus précise que R.Bacon, c'est la persistance de l'image rétinienne :

"Si l'oeil qui regarde l'étoile se tourne rapidement de la partie opposée, il lui semblera que cette étoile se compose en une ligne courbe enflammée. Et cela arrive parce que l'oeil réserve pendant un certain espace la similitude de la chose qui brille et parce que cette impression de l'éclat de l'étoile persiste plus longtemps dans la pupille que n'a fait le temps de son mouvement."
Codex K folio 120 recto.

Cette hypothèse avait déjà était émise par Alhazen.

L' existence d'un punctum maximum de vision distincte est clairement affirmé par Léonard :

"Si l'oeil doit voir une chose de trop près, il ne peut pas bien la juger, comme il arrive à celui qui veut voir le bout de son nez. Donc en règle générale, la nature enseigne qu'on ne verra pas parfaitement une chose si l'intervalle qui se trouve entre l'oeil et la chose vue n'est au moins de la grandeur du visage."

Codex Atlantico 38 verso b.

Il va même jusqu'à codifier la distance de la vision distincte qu'il précise dans le Codex Atlantico folio 250 verso a comme égale au quadruple de la distance inter-pupillaire, ce qui est parfaitement juste.

Après la vision monoculaire, Léonard s'intéresse beaucoup à la vision binoculaire et surtout au champ visuel. Avant Kepler, il remarque que le champ visuel embrassé par l'oeil est supérieur à 180 degrés (Ms D folio 8 verso.). Cet effet de "grand angulaire" est dû à la cornée comme le montre l'expérience décrite dans le Ms K folio 118 verso :

"Pour voir le rôle que joue la cornée dans la pupille, fais faire en cristal une chose semblable à la cornée de l'oeil."

La lentille plan-convexe étant difficile à acquérir, il utilise à la place une demi sphère de cristal.

"Si vous prenez une demi-boule de verre et y mettez à l'intérieur votre visage et si vous l'appliquez strictement aux bords du visage puis si vous la remplissez d'eau, vous verrez toutes les choses aperçues de cette boule de façon que vous verrez presque derrière vos épaules."

Codex Atlantico folio 222 recto a .
C'est l'effet de "Fish-eye des objectifs de basse focale de nos appareils photographiques. Ce
système présente, selon un principe cher à Léonard, une netteté maximale au
centre de l'axe optique, et la netteté diminue progressivement en s'approchant des bords.

"L'oeil a une seule ligne centrale et toutes les choses qui viennent à l'oeil par cette ligne sont bienvenues. Autour de cette ligne, il y a une infinité d'autres lignes adhérentes à cette ligne centrale qui ont d'autant moins d'importance qu'elles sont plus éloignées de la centrale."

Quaderni IV folio 12 verso.

Cette bonne définition du champ visuel, Léonard aime la répéter tout au long de ses manuscrits.
Pour un peintre, le relief est l'âme de la peinture. Ce relief dépend de plusieurs facteurs : la vision binoculaire associée à la profondeur de champ mais aussi les ombres et la perspective. Léonard affirme avant Kepler que ce sont les deux yeux qui sont responsables de la perception du relief stéréoscopique. (Traité sur la peinture & 113 à 482 et & 484 à 811).

Il illustre abondamment et approfondit ce concept sans le faire réellement progresser. Il constate toutefois que la faculté de voir en relief, grâce à la vision binoculaire, décroît au fur et à mesure que s'accroît la distance des objets. (Traité sur la peinture § 483). De même la diminution de l'impression de ce relief peut être accentuée par l'absorption de la lumière dans l'air, interposé entre l'oeil et l'objet. (Traité sur la peinture § 474). Chaque oeil voit une image distincte et c'est la fusion qui nous supprime la diplopie. En reg ardant, à travers une fenêtre, à quelque distance de celle-ci fixons un point sur la vitre. Si nous fermons un oeil, nous voyons un arbre au loin et si nous fermons l'autre nous voyons un clocher. Maintenant en ouvrant les deux yeux et en fixant toujours le même point sur la vitre, nous voyons l'arbre et le clocher superposés.

Cette expérience faite par Léonard dans ses carnets sera attribuée à Hering. La perte de la fusion des deux images oculaires entraîne non seulement la perte du relief, mais se traduit par l'apparition d'une diplopie. Léonard remarque que les objets situés en dehors du point de fixation, se dédoublent : c'est la diplopie physiologique. (Quaderni IV folio 12 verso.)

"Les nombreuses choses placées l'une après l'autre devant les yeux, possédant des espaces communs et précis, paraîtront toutes doubles, sauf celle qui sera
le mieux vue..."

Mais pourquoi le même objet regardé avec les deux yeux n'est il pas toujours vu double? Cette question qui avait troublé Aristote et à laquelle Galien ne sut répondre, inspire à Léonard une expérience.

"Si sous un ciel étoilé, on regarde une chandelle, on voit double une étoile. Si on ferme l'oeil droit on éteint l'étoile de droite. Et si on fixe l'étoile, elle est encadrée par deux images de la chandelle, et en fermant l'oeil droit la chandelle s'éteint."

Cela signifie qu'au delà de l'objet fixé, la diplopie est directe, et qu'en deça elle est croisée. Léonard, à l'aide de nombreuses figures, donne à ce phénomène une explication intéressante à la fois physique et géométrique (Ms D folio 8 verso et Quaderni IV folio 12 verso). Par exemple, lors de la vision monoculaire à travers un petit trou percé dans une feuille de papier, et approché de l'oeil, si une aiguille est interposée entre l'oeil et le papier, nous voyons deux images de cette aiguille, une en avant du papier et l'autre en arrière. L'image antérieure est à l'endroit et l'image postérieure est inversée (Ms D folio 2 verso).

Cette expérience redécouverte quelques années plus tard fait partie de "l'expérience de Scheiner"

Léonard s'intéresse également à ce qu'il appelle le "conflit entre les deux yeux" plus connu sous le nom de Paradoxe de Fechner. Tout ceci commence par une question :

"Quel part du champ voit chacun des deux yeux qui regardent par quelque soupirail ?"

Par cette expérience, il impose aux deux yeux, deux images différentes et les analyse :

"Le droit a voit le champ cg et voit le reste comme couvert par la paroi SH. L'oeil b voit fd et le reste occupé par la paroi IT. L'espace cde n'est pas vu. Chaque oeil le cache en portant dessus un côté de la paroi ... Puis on comprend que l'oeil droit. bien qu'il voit la chose gauche du côté gauche croît la voir avec l'oeil gauche sans que le sens ne s'aperçoive s'être trompé."

Les deux yeux regardant par le trou HI, quand b voit la plage éclairée d.f, c'est l'oeil a qui obscurcit df par l'obscurité de la paroi sh. Si on ferme a, df s'éclaire, l'obscurité de l'oeil a fermé et l'écran obscur devant l'oeil a ouvert ont un rôle psychologique différent. Donc dans cette expérience avec un oeil la vue est plus grande qu'avec les deux : c'est le paradoxe de Fechner. (86)

Connaissant l'harmonie motrice des yeux et les mouvements de rotation de chacun d'eux, Léonard essaye de savoir quel est le nerf responsable du mouvement symétrique du second oeil par rapport au premier (An. B folio 21 recto).

Il trouve comme responsable de la synergie oculaire " la bifurcation " du nerf optique, mais n'en n'est pas réellement satisfait. Malgré une bonne connaissance de la motilité des globes oculaires ainsi que de leur pathologie, comme les strabismes et les paralysies oculaires et leurs conséquences visuelles, il reste cependant réservé sur l'origine du mouvement des deux yeux.

La théorie et la pratique sensorielle de la relativité des mouvements oculaires l'intéresse, afin d'expliquer les phénomènes d'illusion motrice. Par exemple lorsqu'il fixe un objet proche, immobile et qu'il tourne la tête de droite à gauche, il a l'impression que les objets lointains se déplacent rapidement. Mais il lui manque trop de données pour arriver à la fin de ses démonstrations.

Les grecs connaissaient les principes fondamentaux de la perspective ainsi que les romains, mais elle est réellement née en Italie à l'aube de la Renaissance. Les lois géométriques en furent exposées par Pietro del Borgo, et complétées après Léonard par Ubalda del Monte en 1600.

Léonard, entre les deux, décrit trois perspectives. Une perspective linéaire qui. diminue la taille des objets qui s'éloignent. Une perspective des couleurs qui joue sur la variation des couleurs s'éloignant de l'oeil. Et enfin la perspective d'expédition où les choses sont moins finies au fur et à mesure qu'elles s'éloignent.

Le principe fondamental de la projection de la perspective est décrit dans le Ms. A folio 1 verso, et consiste à mettre sur une même surface plane externe tout ce qui est en arrière d'un plan antérieur fixé et qu'une construction pyramidale ramène à l'oeil. Ce dessin porte enfin son nom : c'est "la fenêtre de Léonard de Vinci".