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Chap 17 couleur des objets 2020

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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 »
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