La nature de la lumière a toujours prêté à discussion. Parmi les Anciens, certains pensaient que l’œil émettait des rayons rendant les objets visibles ; il fallut attendre la Renaissance pour que cette opinion soit invalidée.
Plusieurs approches ont été proposées pour expliquer la nature de la lumière.
L’optique géométrique considère que la lumière se propage en ligne droite sous forme de rayons lumineux ; lorsque ceux-ci rencontrent un obstacle, ils se réfléchissent si la surface est lisse, sont absorbés si le corps est opaque en lui donnant sa couleur, tel le bleu du ciel, ou se réfractent, c’est-à-dire changent de direction, lorsqu’ils pénètrent dans un milieu transparent différent.
La réfraction (refringere = briser) sera traitée dans la première partie de cette étude.
Mais l’optique géométrique et son corollaire, la réfraction, n’explique pas tous les phénomènes observés.
Il faut faire appel à l’optique physique ou ondulatoire, assimilant la lumière à une onde électromagnétique, pour comprendre d’autres applications utilisées en optique et en ophtalmologie.
Dans ce cas, la réfraction fait place à la diffraction, les rayons ne se propagent plus en ligne de droite, mais subissent des inflexions au voisinage d’obstacles de petite taille.
La diffraction est à l’optique microscopique, ce qu’est la réfraction à l’optique macroscopique.

L’optique géométrique

Ses lois générales furent énoncées par Descartes (1 637) :

• La lumière se propage en ligne droite ; le sens positif est compté de la gauche vers la droite.
• Le retour inverse de la lumière s’applique ; ce principe est mis à profit dans les tests de lecture projetés sur un miroir et toujours lus en sens direct.
• Dans tout système optique, objet et image se déplacent toujours dans le même sens.
• Un rayon lumineux changeant de milieu transparent subit une déviation lorsqu’il heurte une surface de séparation appelée dioptre, ainsi qu’une réflexion ; les trois rayons, incident, réfléchi et réfracté sont dans le même plan contenant la perpendiculaire à la surface au point de contact.
• L’angle d’incidence est égal à l’angle réfléchi par rapport à cette perpendiculaire.
• L’angle du rayon réfracté suit la loi des sinus (figure n° 1) énoncée empiriquement par Descartes et démontrée mathématiquement par Fermat.

En optique géométrique, la réfraction est mise à profit dans la construction des lentilles, minces et épaisses, ainsi que des prismes.

Les différents types de lentilles

On distingue les lentilles minces et les lentilles épaisses, les lentilles sphériques, cylindriques, toriques, asphériques, définies par leurs rayons de courbure, foyers, centres optiques et plans principaux.

Les lentilles minces sphériques

Dans une lentille mince, l’épaisseur est négligée et n’intervient pas dans les calculs ; il s’agit d’une lentille idéale se définissant uniquement par sa puissance, positive si convergente, négative si divergente.

Les lentilles épaisses sphériques

En fait, toute lentille présente une épaisseur en son centre ; lorsque celle-ci atteint une certaine valeur, la lentille n’est plus considérée comme un dioptre simple, mais comme l’association de deux dioptres correspondant à ses faces antérieure et postérieure.
Ces surfaces sont sphériques ou non (asphériques), en général asymétriques, avec un sommet antérieur et postérieur ; la distance entre les sommets et les foyers est asymétrique expliquant ainsi les différentes de puissance mesurées entre la face avant et la face arrière du verre.
Enfin les lentilles épaisses n’obéissent plus à une simple additivité, mais répondent à la loi d’association des systèmes centrés.

L’espace transformé

La correction optique par verres, dite correction aérienne, modifie l’espace visuel du sujet ; cette notion d’espace transformé est capitale dans la correction des amétropies fortes.
La vision nette d’un œil s’effectue naturellement entre le punctum remotum PR (éloigné) et le punctum proximum PP (rapproché) grâce à l’amplitude accommodative.
Dans l’œil amétrope, le PR n’est plus à l’infini ; il est proche chez le myope en avant de l’œil, ou virtuel en arrière de l’œil chez l’hypermétrope.
La correction optique a pour but de replacer le PR amétrope à l’infini en faisant coïncider le PR avec le foyer image du système correcteur.
Dans ces conditions, toute la zone de vision nette de l’amétrope (ou zone accommodative), sera spatialement déplacée par la correction optique, illustrant ainsi la notion d’espace transformé.
Le nouvel espace visuel ainsi défini sera le conjugué virtuel de l’espace naturel à travers le verre correcteur, induisant des déformations (anamorphoses) statiques et dynamiques, liées à la distance verre-œil et aux effets prismatiques.

Les prismes

Définition
Un prisme est un solide comportant une base polygonale d’où partent des faces, en général perpendiculaires, séparées par des arêtes parallèles (schéma).
NB. La pyramide serait un prisme dont les faces convergent vers un sommet.
Le prisme va donc se définir par son sommet ou arête et ses deux faces formant un angle a.

L’optique physique

Elle est encore appelée optique ondulatoire en référence à la nature d’onde vibrante de la lumière.
Il existe divers abords de la nature de la lumière dont l’essence profonde reste toujours un mystère.
Les « rayons  » du soleil laisseraient supposer une nature rectiligne comme des flèches lancées par un projecteur ; ces rayons se propagent en ligne droite, subissent des déviations en fonction des obstacles rencontrés, c’est l’optique géométrique.
Cette conception n’explique pas tout, en particulier les réactions chimiques dues à la lumière, comme la photosynthèse des plantes, les transmissions électrochimiques dans la rétine, ou le fonctionnement d’une cellule photoélectrique d’un appareil photographique ; il faut faire appel à la notion de photons, ou grains de lumière ; c’est l’optique corpusculaire.
Louis de Broglie a associé une onde à toute particule ; cette longueur d’onde λ est égale au produit de la masse m de la particule par sa vitesse v : λ = mv. Cette conception marque la transition avec l’optique ondulatoire.

Composition de la lumière

La lumière est-elle faite de particules, les « grains de lumière  » ou photons, ou d’ondes électromagnétiques ?
Lorsque les obstacles rencontrés par la lumière deviennent de plus en plus petits, les lois de la réfraction ne s’appliquent plus ; on parle de diffraction, c’est l’optique ondulatoire ou optique physique.
La diffraction se produit lorsqu’un obstacle, dont la taille est voisine de la grandeur de l’onde, est placé sur son trajet ; dès lors l’onde subit une déviation multidirectionnelle, comme le font les vagues à la pointe d’une jetée ; l’obstacle devrait faire barrage à la propagation des ondes tel un écran, or celles-ci contournent l’obstacle et dévient de leur trajectoire : telle est la diffraction (figure n° 14).
Les rayons lumineux ne suivent plus les lois de l’optique géométrique mais celles de l’optique ondulatoire où la lumière devient une onde électromagnétique classique, avec amplitude, longueur d’onde et fréquence.
Lorsqu’un front d’onde rencontre des obstacles matérialisés par des milieux transparents d’indices différents, il apparaît des retards ponctuels liés à la nature de ces milieux dans lesquels la lumière ne se propage plus à la même vitesse ; on parle de modification ou de déformation du front d’onde.
La nature de ces obstacles est diverse :

• Un simple trou minuscule crée de la diffraction : lorsque la lumière passant par ce trou parvient sur un écran situé à proximité, on observe des raies concentriques (taches décrites par l’astronome anglais Airy en 1 880) ; cette diffraction limite le pouvoir résolutif d’un appareil en optique conventionnelle.
• Les ondes lumineuses provenant de deux sources proches forment des franges d’interférences dessinant successivement des bandes claires (superposition de lumière) ou sombres (annulation de lumière) ; ce phénomène a été mis à profit en ophtalmologie pour mesurer l’acuité visuelle maculaire derrière des milieux opaques (visiomètre de Lotmar).
• Les réseaux optiques sont formés de fentes juxtaposées qui diffractent la lumière selon le même principe ; la structure moléculaire du stroma cornéen faite de fibres collagènes, successivement parallèles et perpendiculaires, dont la taille est voisine de celle de la longueur d’onde de la lumière qui la traverse, fonctionne comme un réseau qui décompose la lumière puis la recompose par le biais d’interférences, assurant ainsi la transparence de l’organe. Toute perturbation de cette régularité en altérera la transparence.

Le phénomène de diffraction a été mis à profit dans la construction des lentilles diffractives utilisées en optique.
De nouvelles possibilités technologiques utilisant des microstructures maîtrisent le phénomène de la diffraction. L’intérêt réside dans un poids beaucoup plus léger des structures utilisant la diffraction que dans la réfraction classique. Une lentille diffractive est constituée d’anneaux concentriques clairs et opaques dont la distance est calculée de telle sorte que les ondes lumineuses qui la traversent se superposent partout de manière destructive, sauf au point focal ou elles se renforcent et produisent un point de grande luminosité (figure n° 17).
NB. L’angle de diffraction a est tel que sin(a) = K×(l/g). K = nombre entier ou ordre de diffraction, l longueur d’onde de la lumière, g largeur de l’anneau.
Cette approche permet de construire des lentilles de très forte puissance, peu encombrantes et légères, qui seront incorporées dans les systèmes optiques d’aide visuelle (type lunettes et Galilée).
Lorsqu’un front d’onde traverse des milieux transparents, comme ceux de l’œil, il subit des déformations ou aberrations de nature multiple, optiques, chromatiques et diffractives. L’œil à cet égard est un piètre instrument d’optique puisqu’il génère un nombre considérable d’aberrations.
L’analyse d’un front d’onde, issu de l’œil après réflexion sur la rétine, constitue l’aberrométrie, à laquelle sera consacré un chapitre particulier.
La cornée humaine est formée de microfibrilles de collagène ordonnées et parallèles ; leur diamètre est légèrement inférieur à une demie longueur d’onde lumineuse (250 nm) et leur indice voisin de celui de la substance fondamentale qui les baigne ; ces conditions assurent la transparence de la cornée (cf. structure en réseaux).