N DES COULEURS Chapitre PERCEPT 17 Couleur des objets 1) COULEURS SPECTRALES ET LUMIÈRE BLANCHE : Parmi les ondes électromagnétiques, le domaine réservé aux ondes lumineuses va des ultra-violets aux infrarouges. Et parmi les ondes lumineuses, les ondes lumineuses visibles par l’œil humain ont des longueurs d’ondes comprises entre 400nm et 800nm. 400 500 600 700 800 λ (nm) U.V. v b bv vj j jo or r I.R. La lumière blanche est celle que nous recevons du Soleil ou, plus généralement, celle produit par une source très chaude. Elle peut être décomposée par un prisme. On appelle « spectre » la figure obtenue ainsi et observable sur l’écran. La lumière blanche est alors définie par le fait que son spectre contient l’ensemble continu des radiations colorées du rouge au violet. La lumière blanche est donc composée d’un ensemble de radiations (onde électromagnétique) monochromatiques, c’est à dire d’une seule couleur. Chaque radiation composant la lumière blanche est donc repérée par sa position dans le spectre, c’est à dire par sa couleur et est caractérisée par sa longueur d’onde λ dans le vide (voir compléments chapitre OBS.4). Une radiation monochromatique est aussi appelée « couleur spectrale ». Son spectre ne présente qu’une seule raie et donc une couleur unique. Une couleur est non spectrale si son spectre n’est pas limité à une seule raie. Animation : « spectre de la lumière blanche et spectre monochromatique » COULEURS PERÇUES : A) PROBLÉMATIQUE : La couleur n’est pas une caractéristique intrinsèque de la lumière, mais la perception subjective qu’en a l’être humain à travers une chaîne complexe impliquant l’œil et le cerveau. La couleur perçue d’une lumière est l’impression visuelle qu’elle nous donne. D'un côté, l'étude de la décomposition de la lumière nous apprend que les couleurs pures sont monochromatiques, que le vert a sa longueur d'onde caractéristique, le bleu a une autre longueur d'onde caractéristique, et le jaune, une autre encore. D'un autre côté, lorsqu’on mélange deux lumières de couleur telles que le vert et le rouge, on voit une couleur jaune. Question : comment la somme de deux lumières monochromatiques (spectrales) qui sont représentables par deux ondes (sinusoïdes ; voir page précédente) de longueurs d’ondes différentes (550 nm pour le vert et 750 nm pour le rouge) peut mathématiquement donner une onde (sinusoïde) de longueur d’onde correspondant au jaune (600 nm) ? Réponse : en fait ce n’est pas du tout le cas. Cela ne fonctionne pas du tout comme cela. Mais alors, comment expliquer ce phénomène ? Pour expliquer la sensation produite par le mélange, il faut faire appel à la physiologie de l'œil. B) PHYSIOLOGIE DE L’ŒIL : La rétine, et notamment la fovéa, est tapissée de plusieurs couches de cellules cellules. Des cellules photosensibles (cônes et bâtonnets) dans la couche la plus profonde. Elles transforment la lumière reçue en message électrochimique. Des cellules bipolaires qui sont le relais entre photorécepteurs et neurones (cellules ganglionnaires) dont le très axone constitue le nerf optique relié au cerveau. Des cellules horizontales qui organisent et compressent le volume de données électrochimiques transmises aux cellules ganglionnaires. cellules photosensibles : cônes et bâtonnets cellules bipolaires cellules ganglionnaires nerf optique cellules transversales Sens de circulation des messages électrochimiques vers le cerveau Il y a deux types de cellules photosensibles : Les bâtonnets sensibles aux très faibles lueurs et qui permettent la vision de nuit. Les cônes sensibles aux fortes intensités lumineuses. Ils perçoivent les détails et les couleurs. Ces sont ces cellules qui vont directement nous intéresser dans ce chapitre sur la perception des couleurs. C) COMMENT LES CÔNES INTERPRÈTENT-ILS LA COULEUR DE LA LUMIÈRE ? Il existe trois types de cônes qui répondent de façons différentes aux lumières colorées qu’ils reçoivent : les cônes « S » plus sensibles à la couleur bleue. les cônes « M » plus sensibles à la couleur verte. les cônes « L » plus sensibles à la couleur rouge. Lorsqu’un cône reçoit de la lumière, il produit un signal électrochimique en rapport avec la quantité de lumière absorbée. Si on mesure les variations de ce courant en fonction de la couleur de la lumière, c'est-à-dire de sa longueur d'onde, on relève la courbe de sensibilité du cône comme cidessus. On remarque que chaque type de cône n’est pas sensible qu’à une seule couleur spectrale (bleue, verte ou rouge) mais plutôt des parties entières du spectre visible. Ainsi, comme il y a trois types de cônes dans la rétine, lorsque cette dernière reçoit de la lumière, chaque type de cônes réagit en fonction de sa sensibilité et donc, trois types d’impulsions nerveuses sont transmis au cerveau. Ainsi, notre cerveau code tout signal lumineux, même s’il est monochromatique (couleur spectrale) par trois valeurs émises par trois types de cônes. Exemple : reprenons le cas d’un mélange de lumière rouge et verte qui apparaît comme une lumière jaune. Mélange d’une lumière monochromatique verte et d’une lumière monochromatique rouge : Lumière monochromatique jaune : Les cônes « S » transmettent un signal extrêmement faible Les cônes « S » transmettent un signal extrêmement faible Les cônes « M » transmettent un signal très fort (stimulés par la lumière verte et la rouge : somme des 2 stimulations) Les cônes « M » transmettent un signal très fort (stimulés par la lumière jaune seule) Les cônes « L » transmettent un signal très fort (stimulés par la lumière verte et la rouge : somme des 2 stimulations) Les cônes « L » transmettent un signal très fort (stimulés par la lumière jaune seule) Dans les deux cas, le cerveau reçoit pratiquement le même code de 3 impulsions nerveuses globalement de même niveau. Donc pour lui, il ne fait pas de différence entre un mélange de vert et de rouge et du jaune. Au sens physique, le cerveau est leurré ! SYNTHÈSE ADDITIVE : A) DÉFINITION : Thomas Young, médecin et physicien anglais (1773 – 1829) établit qu’il n’est pas nécessaire de superposer toutes les lumières colorées du spectre pour former la lumière blanche. En superposant trois lumières colorées (rouge, verte et bleue) d’intensités identiques, on obtient une lumière blanche et en superposant ces trois lumières colorées avec des intensités réglables, on peut obtenir la plupart des couleurs. Thomas Young La synthèse additive est l’impression visuelle que l’on a lorsqu’on superpose 1, 2 ou 3 faisceaux colorés rouge, vert ou bleu. C’est l’œil et le cerveau qui réalisent cette synthèse additive. B) SYNTHÈSE ADDITIVE : Eclairé par l’un avec les trois faisceaux, de mêmes intensités, de lumières colorées rouge, vert et bleu, l’écran semble diffuser de la lumière blanche (triangle central). Les couleurs primaires de la synthèse additives sont donc le rouge, vert et bleu : c’est le système RVB. rouge La suppression de l’un de ces trois faisceaux fait apparaître une nouvelle couleur appelée couleur complémentaire de la couleur manquante. Cette couleur est une interprétation du cerveau qui fait la synthèse additive des deux faisceaux restants. Il arrive que le résultat de cette synthèse soit un pur produit subjectif de notre cerveau comme le magenta qui ne fait pas partie du spectre de la lumière visible. jaune magenta blanc bleu cyan vert Le jaune est la couleur complémentaire du bleu. Le magenta est la couleur complémentaire du vert. Le cyan est la couleur complémentaire du rouge. Animation : « synthèse additive » Les couleurs précédentes sont obtenues en superposant des faisceaux colorés de mêmes intensités lumineuses. En modifiant les intensités, on peut obtenir la plupart des couleurs. 4) SYNTHÈSE SOUSTRACTIVE ; LES COULEURS DES OBJETS : A) COMPORTEMENT DES OBJETS FACE À LA LUMIÈRE : Les objets qui nous entourent sont visibles car ils nous renvoient de la lumière. Cette lumière qu’ils nous renvoient provient généralement d’une source extérieure (Soleil, lampe…). Lorsqu’un objet reçoit de la lumière, il peut : lumière incidente diffusion objet absorption transmission l’absorber, c'est-à-dire ne pas la renvoyer. la transmettre si la lumière peut le traverser (filtres, solutions transparentes…) la diffuser, c'est-à-dire la renvoyer dans toutes les directions. Les objets opaques ne transmettent pas la lumière. La plupart d’entre eux diffusent une partie de la lumière et absorbent le reste. Les objets comme les miroirs réfléchissent la lumière : ils la renvoient totalement dans une direction privilégiée. SYNTHÈSE SOUSTRACTIVE ; CAS DES OBJETS OPAQUES : Les objets opaques ne transmettent pas la lumière. Ils en absorbent une partie et diffusent le reste. Ils n’ont pas de couleur par eux-mêmes. La couleur d’un objet opaque dépend : lumière incidente diffusion de la nature de la lumière incidente. de l’absorption et de la diffusion de la lumière reçue par l’objet. de la synthèse par le cerveau des lumières reçues par l’œil. absorption objet opaque Exemple : un extincteur rouge est éclairé par une lumière blanche, puis verte et enfin jaune : Lorsqu’il est éclairé par de la lumière blanche, l’extincteur apparaît rouge parce qu’il absorbe les lumières vertes et bleues du spectre et ne diffuse que la lumière rouge. Lorsqu’il est éclairé par de la lumière verte (ou de la lumière bleue), l’extincteur apparaît noir. En effet, on sait que cet objet absorbe les lumières vertes et bleues du spectre. Il va donc absorber intégralement la lumière qu’il reçoit et ne rien diffuser. Lorsqu’il est éclairé par de la lumière jaune (superposition de vert et de rouge), l’extincteur apparaît rouge. En effet, on sait que cet objet absorbe la lumière verte et diffuse la lumière rouge. Il va donc absorber intégralement la partie verte de lumière qu’il reçoit et diffuser sa partie rouge. On parle donc de « synthèse soustractive » car on commence par regarder ce que l’objet soustrait à la lumière qu’il reçoit et ensuite, on fait la synthèse additive des couleurs restantes, c'est-à-dire des lumières diffusées par l’objet. Animation : « la couleur du drapeau français » Remarque : Un objet paraît blanc s’il diffuse de manière équivalente toutes les lumières du spectre. Un objet paraît noir s’il absorbe toutes les lumières du spectre. SYNTHÈSE SOUSTRACTIVE ; CAS DES OBJETS TRANSPARENTS (FILTRES) : Les filtres sont des objets transparents. Ils en absorbent une partie de la lumière et transmettent le reste. La couleur à la sortie d’un filtre dépend : de la nature de la lumière incidente. de l’absorption et de la transmission de la lumière reçue par le filtre. de la synthèse par le cerveau des lumières reçues par l’œil. Les filtres rouge, vert et bleu ne transmettent qu’une couleur. On les appelle filtres primaires Filtre rouge Laisse passer le rouge et bloque le vert et le bleu Filtre vert Laisse passer le vert et bloque le rouge et le bleu Filtre bleu Laisse passer le bleu et bloque le rouge et le vert Les filtres jaune, cyan et magenta transmettent deux des trois couleurs de base : rouge, vert ou bleu. On les appelle filtres secondaire. lumière incidente filtre absorption transmission Lorsqu’on superpose deux filtres, on regarde quelles couleurs sont bloquées et quelles couleurs sont transmises Filtre magenta Filtre magenta + Filtre jaune Laisse passer le magenta (rouge et bleu) et bloque le vert Le filtre magenta bloque le vert et le filtre jaune bloque le bleu : il reste le rouge Filtre jaune Filtre magenta + Filtre cyan Laisse passer le jaune (rouge et vert) et bloque le bleu Filtre cyan Laisse passer le cyan (vert et bleu) et bloque le rouge Le filtre magenta bloque le vert et le filtre cyan bloque le rouge : il reste le bleu Filtre cyan + Filtre jaune Le filtre cyan bloque le rouge et le filtre jaune bloque le bleu : il reste le vert Remarque : Si on superpose deux filtres de couleurs complémentaires (magenta et vert ; cyan et rouge ; jaune et bleu), à la sortie il n’y a pas de lumière : c’est noir ! REPRODUCTION DES COULEURS : A) IMPRESSION COULEUR ; SYNTHÈSE SOUSTRACTIVE : Pour imprimer en couleur (imprimantes ; imprimerie ; photos…) on utilise trois encres : cyan, jaune et magenta. Ces trois encres se comportent comme autant de filtres. On superpose alors trois « images » : une en cyan, une en jaune et une en magenta. Chacune de ces trois images est différente car si on superposait aux mêmes endroits autant de cyan que de jaune et que de magenta, toute la lumière serait « bloquée » et on n’obtiendrait plus rien, c'est-à-dire plus que du noir. Exemple : comment obtenir du rouge par impression ? On peut considérer la lumière blanche incidente comme la somme de trois lumières colorées (RVB). A l’aller, l’encre jaune, la première rencontrée par la lumière incidente, se comporte comme un filtre qui absorbe le bleu et laisse passer le rouge et le vert. Donc après le passage à travers l’encre jaune, il ne reste plus qu’une lumière rouge et une lumière verte. Ces deux lumières colorées vont ensuite rencontrer l’encre magenta qui, elle, bloque le vert. Ainsi, à l’aller, seule la lumière rouge passe. Elle est ensuite diffusée par le papier blanc (il diffuse toutes les couleurs) et est renvoyée à travers l’encre magenta puis l’encre jaune sur son trajet retour. Ainsi, la lumière diffusée par le papier recouvert d’encre magenta et d’encre jaune et une lumière rouge : on voit du rouge ! Cyan : vert et bleu Jaune : vert ert et rouge Magenta : rouge et bleu La lumière blanche filtrée par du jaune et du magenta apparaît rouge : pour obtenir ce rectangle rouge, il faut placer à cet endroit, un rectangle jaune et un autre magenta superposés, mais aucun cyan, sinon, avec les trois filtres superposés, cela apparaîtrait noir comme ici. Remarques : La peinture fonctionne aussi sur le principe de la synthèse soustractive. En imprimerie, pour améliorer le contraste, on ajoute une quatrième « image » en noir et blanc. On dit que l’on travaille en quadrichromie. B) ECRAN TV ; SYNTHÈSE ADDITIVE : Quelque soit l’écran, le principe utilisé est toujours le même : chaque point de l’image, ou pixel, est formé de trois luminophores qui émettent des lumières rouge, verte ou bleue avec des intensités lumineuses variables. Si l’œil est situé suffisamment loin il ne fait pas la distinction entre les trois luminophores d’un même pixel. Donc pour chaque pixel, l’œil et le cerveau réalisent la synthèse additive des trois lumières émises par les trois luminophores. tit QC sur les couleurs F he technicien ou régisseur lumière »
