Vision et synthèse des couleurs

Cette fiche explique les mécanismes de perception et de synthèse des couleurs.

I. Rappels

1. Nature de la lumière visible

• La lumière visible est constituée d'ondes électromagnétiques dont la longueur d'onde varie entre $400$ et $800$ nanomètres ($nm$).

• Cet intervalle est appelé le spectre visible et correspond aux radiations lumineuses que l'œil humain perçoit.

2. Perception des couleurs

• L'œil humain combine les signaux transmis par trois variétés de cônes tapissant la rétine pour produire la sensation visuelle dite de couleur.

• Les couleurs auxquelles sont sensibles les cônes sont le rouge, le vert et le bleu.

• La combinaison de ces couleurs permet d'obtenir l'ensemble des couleurs du spectre visible.

II. Définitions

$\textcolor{purple}{\text{a. Lumière polychromatique}}$

• Une lumière monochromatique est constituée de rayons lumineux d'une seule longueur d'onde.

• Exemples :

  $\circ\quad$ Un laser hélium-néon émet une lumière (quasi) monochromatique rouge de longueur d'onde $\lambda = 633 ~ nm$ ;

  $\circ\quad$ Les lampes à vapeur de sodium utilisées dans l'éclairage public émettent une lumière jaune-orangé (quasi) monochromatique ($\lambda \approx 590 ~ nm$).

$\textcolor{purple}{\text{b. Lumière polychromatique}}$

• Une lumière polychromatique est constituée de rayons lumineux de différentes longueurs d'onde : c'est donc un mélange de lumières colorées.

• Exemple : les écrans d'ordinateur émettent une lumière polychromatique.

$\textcolor{purple}{\text{c. Lumière blanche}}$

• La lumière blanche est constituée de rayons lumineux de toutes les longueurs d'onde du domaine visible.

• Exemples :

  $\circ\quad$ La lumière naturelle est une lumière blanche ;

  $\circ\quad$ Les lampes à incandescence émettent une lumière blanche.

III. La synthèse additive des couleurs

1. Description

• Ce mécanisme permet de synthétiser les différentes couleurs en additionnant les 3 couleurs primaires : le rouge, le vert et le bleu.

• Ces couleurs primaires correspondent à celles captées par la rétine de l'œil humain.

• En jouant sur leur combinaison et sur leur intensité, on peut obtenir toutes les teintes que l'homme peut percevoir.

2. Addition des couleurs primaires

• Si les couleurs primaires sont combinées (additionnées) avec des intensités lumineuses égales alors l'œil percevra les teintes suivantes :

  $\circ\quad$ Vert + rouge = jaune ;

  $\circ\quad$ Vert + bleu = cyan (bleu clair) ;

  $\circ\quad$ Rouge + bleu = magenta (violet clair) ;

  $\circ\quad$ Bleu + vert + rouge = blanc.

• La figure suivante résume ces combinaisons de couleurs primaires en synthèse additive :

• En additionnant des couleurs primaires d'intensités différentes, il est possible d'obtenir toutes les autres couleurs. La figure suivante montre un exemple de combinaisons possibles :

3. Couleurs complémentaires

• En synthèse additive, deux couleurs sont dites complémentaires si leur addition donne du blanc.

• Si deux radiations lumineuses rassemblent toutes les couleurs primaires alors elles sont complémentaires : ainsi le jaune (addition de rouge et de vert) est complémentaire du bleu.

• Les principales couleurs complémentaires sont :

  $\circ\quad$ Rouge et cyan ;

  $\circ\quad$ Jaune et bleu ;

  $\circ\quad$ Magenta et vert.

4. Application : les écrans

• Les ordinateurs, les téléphones ou encore les téléviseurs exploitent la synthèse additive pour afficher les couleurs : l'écran y est recouvert de minuscules pixels contenant chacun trois cellules (une rouge, une verte et une bleue) invisibles à l'œil nu : en activant ces cellules plus ou moins, on obtient un très grand nombre de pixels synthétisant des couleurs variées.

• Exemple : regardons par exemple la photo de lampadaire suivante, l'écran émet une combinaison de rouge, de vert et d'un peu de bleu qui nous apparaît jaune orangé.

• Remarque :

  $\circ\quad$ Comme on l'a vu précédemment, la lumière émise par une lampe à vapeur de sodium est une lumière (quasi) monochromatique : ce n'est pas ce qu'émet l'écran lorsqu'il affiche la photo !

  $\circ\quad$ L'écran imite (synthétise) la teinte jaune orangé en mélangeant du rouge, du vert et un peu de bleu. Le signal émis par l'écran est polychromatique, mais notre œil l'interprète comme de la lumière monochromatique jaune orangé (celle émise par le lampadaire lorsqu'on a pris la photo).

IV. La synthèse soustractive des couleurs

1. Description

• La synthèse soustractive est obtenue à partir d'une lumière polychromatique en supprimant une ou plusieurs lumières colorées, par absorption d'un ou plusieurs intervalles de longueurs d'onde du spectre visible.

• La synthèse soustractive peut être effectuée par exemple en associant plusieurs filtres colorés, ou en mélangeant des peintures.

2. Couleurs primaires

• En synthèse soustractive, les couleurs primaires sont : le cyan, le jaune et le magenta.

• Lorsque les absorptions sont totales on obtient les résultats suivants :

  $\circ\quad$ Jaune + cyan = vert ;

  $\circ\quad$ Jaune + magenta = rouge ;

  $\circ\quad$ Cyan + magenta = bleu ;

  $\circ\quad$ Jaune + cyan + magenta = noir.

• La figure suivante résume les combinaisons de couleurs primaires en synthèse soustractive :

• En combinant les couleurs primaires (cyan, jaune, magenta) avec des absorptions partielles, il est possible d'obtenir toutes les teintes : c'est ce que fait un peintre lorsqu'il mélange des couleurs sur sa palette.

• Remarque :

  Les couleurs primaires et complémentaires ne sont pas les mêmes en synthèse additive et en synthèse soustractive.

3. Soustraction de couleurs

• La lumière blanche étant composée de rouge, de vert et de bleu, le résultat d'un mélange peut être retrouvé en analysant les différentes soustractions de couleurs, sachant que :

  $\circ\quad$ Le jaune correspond à une absorption totale de bleu ;

  $\circ\quad$ Le cyan à une absorption totale de rouge ;

  $\circ\quad$ Le magenta à une absorption totale de vert.

• On en déduit que :

  $\circ\quad$ Le jaune combiné au magenta correspond à une absorption totale de bleu et vert, il ne reste donc que du rouge ;

  $\circ\quad$ Le jaune combiné au cyan correspond à une absorption totale de bleu et de rouge, il ne reste donc que du vert ;

  $\circ\quad$ Le cyan combiné au magenta correspond à une absorption totale de rouge et de vert, il ne reste donc que du bleu ;

  $\circ\quad$ La combinaison du jaune, du cyan et du magenta correspond à une absorption totale de vert, de rouge et de bleu, par conséquent il ne reste plus aucune lumière et on obtient du noir.

4. Couleurs complémentaires

• En synthèse soustractive, deux couleurs sont complémentaires si leur combinaison donne du noir (donc si tout le spectre visible est absorbé).

• Ainsi le jaune et le bleu sont complémentaires.

V. Couleur d'un objet

• Au sens usuel, la couleur d'un objet est celle que l'on perçoit lorsque l'objet est éclairé en lumière blanche : c'est ainsi que le ciel est bleu et l'herbe verte.

• En fait, la couleur d'un objet dépend de la manière dont l'objet diffuse la lumière, mais aussi de l'éclairage : le résultat sera différent selon que l'éclairage est en lumière blanche, colorée monochromatique ou colorée polychromatique.

1. Objet éclairé en lumière blanche

• Propriété :

  Tout objet opaque éclairé en lumière blanche absorbe une partie de cette lumière et ne diffuse que la lumière correspondant à sa couleur au sens usuel.

• Exemples :

  $\circ\quad$ Un objet vert absorbe le bleu et le rouge et ne diffuse que la lumière verte ;

  $\circ\quad$ Un objet jaune absorbe le bleu et diffuse les lumières rouge et verte, ce mélange nous apparaissant jaune ;

  $\circ\quad$ Un objet orange absorbe le bleu et une partie du vert, et diffuse le rouge et la partie restante de vert (non absorbée).

  $\circ\quad$ Un objet blanc n'absorbe aucune lumière, il réémet toute la lumière reçue.

  $\circ\quad$ Un objet noir absorbe toute la lumière et ne diffuse rien.

2. Objet éclairé en lumière monochromatique

• Pour rappel, une lumière monochromatique est constituée de rayons lumineux d'une seule longueur d'onde qui correspond à une couleur bien précise du spectre visible.

• Propriété :

  Si un objet est éclairé en lumière monochromatique, deux cas peuvent se présenter :

  $\circ\quad$ S'il absorbe la longueur d'onde correspondante, il apparaîtra noir ;

  $\circ\quad$ S'il diffuse cette longueur d'onde, il apparaîtra de la même couleur que la lumière incidente.

• Exemples :

  Imaginons que l'on utilise des filtres pour éclairer des objets en lumière (quasi) monochromatique. Un objet jaune (absorbant le bleu et ne diffusant que le vert et le rouge) :

  $\circ\quad$ Semblera vert avec une lumière monochromatique verte ;

  $\circ\quad$ Apparaîtra rouge avec une lumière rouge ;

  $\circ\quad$ Mais sera noir avec une lumière bleue !

3. Objet éclairé en lumière polychromatique

• Pour rappel, une lumière polychromatique est un mélange de lumières colorées : par exemple, le magenta (polychromatique) est un mélange de bleu et de rouge.

• Propriété :

  Pour déterminer la couleur d'un objet éclairé en lumière polychromatique, il faut retenir uniquement la ou les couleurs diffusées par l'objet et présentes dans la lumière incidente.

• Exemples : imaginons un éclairage polychromatique de teinte cyan (mélange de bleu et de vert) :

  $\circ\quad$ Un objet rouge semblera alors noir car il absorbe et le bleu et le vert ;

  $\circ\quad$ Un objet jaune semblera vert car il diffuse le vert mais absorbe le bleu.

VI. Application : le drapeau français est-il belge ?

• Cet exercice a pour but de montrer que la couleur d'un objet dépend de son éclairage et n'est donc pas une propriété de l'objet lui-même.

• Considérons un drapeau français éclairé en lumière blanche, comme indiqué sur la figure suivante, sur la gauche : comment apparaît-il s'il est éclairé avec une lumière polychromatique jaune (mélange de vert et de rouge) ?

• Pour répondre à cette question, il faut d'abord déterminer comment le drapeau diffuse la lumière blanche (considérée ici comme un mélange de rouge, de vert et de bleu).

  $\circ\quad$ La partie gauche est bleue : elle absorbe donc le rouge et le vert et ne diffuse que le bleu ;

  $\circ\quad$ La partie centrale est blanche : elle diffuse donc toute la lumière incidente ;

  $\circ\quad$ La partie droite est rouge : elle absorbe donc le bleu et le vert et ne diffuse que le rouge.

• Imaginons que l'on éclaire le drapeau français d'une lumière jaune (mélange de rouge et de vert). Que devient-il ?

• La matière du drapeau diffuse la lumière toujours de la même manière, mais la lumière incidente change : c'est désormais un mélange de vert et rouge (sans couleur bleue). Il faut donc déterminer comment ces 2 couleurs sont diffusées par le drapeau :

  $\circ\quad$ La partie gauche absorbe le rouge et le vert et apparaît donc noire (puisque la lumière jaune ne contient que du rouge et du vert) ;
  $\circ\quad$ La partie centrale diffuse toute la lumière incidente, donc ici le jaune ;
  $\circ\quad$ La partie droite absorbe le bleu et le vert et ne diffuse que le rouge, donc elle apparait en rouge puisque la lumière jaune contient du vert (absorbé) et du rouge (diffusé).

• En lumière jaune, le drapeau français devient donc belge !

• Pour terminer, voici l'aspect du drapeau français éclairé avec d'autres lumières :

_{= Merci à krinn pour avoir contribué à l'élaboration de cette fiche =}