La physique des couleurs

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1 La physique des couleurs Les étoiles, les lampes, les lasers sont des sources de lumière ; la Lune, l écran de cinéma ou la plupart des objets qui nous entourent diffusent la lumière qu ils reçoivent. La couleur est une sensation optique qui peut être décrite physiquement : voyons comment. Sources (primaires) de lumière Lumière monochromatique, lumière polychromatique La lumière émise par une source peut être analysée par un prisme ou par un réseau - Si la lumière n est pas décomposée, elle est monochromatique et correspond à une radiation unique. - Si la lumière est décomposée, elle est polychromatique : c est un ensemble de plusieurs radiations. La lumière laser (à gauche) est monochromatique : elle n est pas dispersée par le prisme, au contraire de la lumière blanche (à droite). Le réseau est une simple diapositive gravée finement (530 traits/mm ici) : comme le prisme, il disperse la lumière blanche. 1.2 Longueur d onde dans le vide d une radiation lumineuse La lumière fait partie des ondes électromagnétiques. Sa vitesse de propagation dans le vide ou dans l air est c = 3, m.s 1. Chaque radiation peut être caractérisée par sa longueur d onde dans le vide notée exprimée en mètres (voir chap. 3). L œil humain est un récepteur qui n est sensible qu à des radiations dont la longueur d onde est comprise entre 400 nm et 800 nm : la couleur d une lumière visible est ainsi caractérisée par. Les UV ou les infrarouges sont également des ondes électromagnétiques, mais ne sont pas visibles par l œil humain. 1.3 Synthèse additive des couleurs-lumière La lumière blanche contient une infinité de radiations différentes qui ne sont pas distinguées par l œil, comme si elles étaient superposées. Au XIX ème siècle, le physicien anglais Thomas Young montre qu il n est pas nécessaire d ajouter toutes les lumières colorées du spectre pour former de la lumière blanche : un écran blanc éclairé de trois faisceaux de lumière de couleur rouge, verte et bleue semble diffuser de la lumière blanche : c est parce que le cerveau opère une synthèse additive des lumières reçues par l œil. La suppression de l un des faisceaux fait apparaître une nouvelle couleur, appelée couleur complémentaire de la couleur manquante. 1

2 Couleur supprimée Rouge Bleu Vert Couleur complémentaire Cyan Jaune Magenta Ainsi, les couleurs complémentaires sont obtenues en superposant deux faisceaux de même intensité lumineuse : en modifiant ces intensités, on peut obtenir la plupart des couleurs. A la fin du XVII ème siècle, Isaac Newton trace le premier cercle chromatique : sur cette représentation, les couleurs complémentaires sont diamétralement opposées. 1.4 Couleur des corps chauffés Un corps dense émet un rayonnement électromagnétique que l on appelle rayonnement thermique ; le spectre de ce rayonnement est continu et dépend de la température du corps. Plus l intensité du courant qui le traverse est élevée, plus le filament de l ampoule est chaud. La lumière qu il émet s enrichit alors de radiations de faible longueur d onde (bleu, violet). Tout comme le filament, le corps humain est chauffé, mais à une température beaucoup plus basse : le spectre de la lumière qu il émet est principalement constitué de radiations dans le domaine infrarouge. L imagerie par thermographie utilise des caméras sensibles aux infrarouges pour identifier les zones de températures différentes au niveau du corps, mais aussi d une maison (détermination des flux thermiques, bilan d isolation). 2

3 Dès 1893, Wilhelm Wien ( ) montre expérimentalement que le spectre continu du rayonnement thermique émis par un corps à la température T a une intensité maximale pour une longueur d onde max donnée par la relation 3 max T 2,90.10 K. m avec T(K) = ( C) température absolue en kelvins Cette relation, comme celle de Boyle-Mariotte entre pression et volume d un gaz, traduit que max est inversement proportionnel à T : plus le corps est chaud, plus sa longueur d onde d intensité maximale est faible. La loi de Wien n est pas suffisante pour prévoir la couleur d un corps chauffé : cette couleur dépend de l ensemble des radiations visibles émises. En 1900, Max Planck a montré qu il est possible de calculer l intensité du rayonnement thermique émis par un corps idéal (appelé corps noir) pour une température donnée : les courbes correspondantes permettent de présumer la couleur de ce corps. Certains corps réels ont un comportement qui se rapproche de ce modèle de corps noir : c est le cas, par exemple, des étoiles. Ainsi, la plupart des étoiles émettent de la lumière blanche, mais avec une dominante caractéristique de leur température de surface : Bételgeuse paraît rougeâtre, Rigel bleutée Bételgeuse (α-orionis) est une étoile géante vieillissante dont la température de surface atteint les K : son maxima d intensité est situé dans le domaine infrarouge, et elle apparaît blanche-rougeâtre. Rigel (β-orionis) est une étoile supergéante jeune dont la température de surface de K. 1.5 Sources de lumière courantes 3

4 2 (Sources) secondaires de lumière : couleur des objets 2.1 Absorption, transmission, diffusion Les objets qui nous entourent sont visibles car ils nous envoient de la lumière ; cette lumière provient généralement d une source extérieure : Soleil, lampe, etc. Lorsqu il reçoit de la lumière, un objet peut 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 La plupart des objets opaques diffusent une partie de la lumière reçue et absorbent le reste. 2.2 Synthèse soustractive des couleurs-matière Les objets n ont pas de couleur par eux-mêmes. Ce que l on en voit dépend de la nature de la lumière incidente, de l absorption et de la diffusion qu il en fait de la synthèse des lumières reçues par l œil Ainsi, un objet qui paraît blanc a la propriété de diffuser de manière équivalente toutes les couleurs du spectre ; un objet est dit noir s il absorbe toutes les radiations. Prenons l exemple d un objet rouge : un extincteur. S il est dit rouge, c est qu éclairé en lumière blanche, il diffuse la lumière rouge (celle que l on observe) et qu il absorbe les lumières verte et bleue. Eclairé en lumière verte ou bleue, il paraît noir : il absorbe cette lumière et ne diffuse rien car il ne reçoit pas de lumière rouge. Eclairé en lumière jaune (rouge et verte), il paraîtra rouge : la lumière verte est absorbée, et seule la lumière rouge est diffusée. 4

5 Les filtres colorés (ou les solutions transparentes) se comportent comme les objets diffusants. Les filtres rouge, vert et bleu ne transmettent qu un couleur : ce sont des filtres primaires. Ainsi, un filtre bleu ne transmet que la lumière bleue et absorbe les radiations verte et rouge. Les filtres jaune, cyan et magenta transmettent deux des trois couleurs : ce sont des filtres secondaires. Le filtre jaune absorbe toute la lumière bleue (sa couleur complémentaire) et laisse passer les lumières rouge et verte. On parle alors de synthèse soustractive : la couleur est obtenue en retirant des lumières colorées à la lumière incidente. La figure cicontre considère trois filtres de même pouvoir absorbant. On obtient la plupart des couleurs en modifiant le pouvoir absorbant des filtres. 3 Reproduction et vision des couleurs 3.1 Couleur perçue et couleur spectrale Les lumières colorées et la lumière blanche que nous percevons peuvent être obtenues par synthèse trichromatique à partir des lumières rouge, verte et bleue (RVB) correctement choisies. Si un écran est éclairé avec une lumière L, il est possible d obtenir une lumière L produisant la même sensation colorée à partir de sources de lumière rouge, verte et bleue : pourtant, les spectres de ces deux lumières L et L peuvent ne pas être identiques! 5

6 Ce principe est à l œuvre dans la comparaison entre la lumière émise par une lampe à incandescence (rayonnement thermique continu) et par une lampe à économie d énergie (lampe spectrale). Spectre d une ampoule halogène Toutes les couleurs du spectre sont présentes. Spectre d une ampoule fluocompacte Seules quelques couleurs sont présentes : c est le cerveau qui réalise la synthèse additive de ces couleurs. 3.2 Mécanisme de vision des couleurs Lorsque la lumière pénètre dans l œil, elle atteint la rétine qui contient des cellules réceptrices : les cônes et les bâtonnets. Les bâtonnets sont sensibles aux lumières de faible intensité mais ne permettent pas de percevoir les couleurs. Les cônes, essentiellement concentrés dans la zone appelée fovéa, sont de trois types sensibles principalement au rouge, au vert et au bleu, à condition que l intensité lumineuse soit suffisante. C est l addition des signaux produits par l excitation des différents types de cônes qui va produire la sensation de couleur. Par exemple, si l œil reçoit une lumière monochromatique jaune, les cônes sensibles au vert et au rouge produiront des signaux qui pourront être les mêmes que s ils recevaient des lumières rouge et verte : pour l observateur, la sensation colorée sera alors la même bien que les lumières reçues n aient pas la même composition spectrale. Le daltonisme est une anomalie de la perception des couleurs due à l absence ou au manque de sensibilité d un ou plusieurs types de cônes. La forme la plus fréquente, appelée deutéranopie, se manifeste par une modification de la perception du vert et du rouge. 6

7 Cette anomalie de la vision est plus fréquente chez les hommes (1/100) que chez les femmes (1/1000) et peut être diagnostiquée par le test chromatique d Ishihara. 3.3 Reproduction des couleurs Impression couleur Les encres utilisées par une imprimante se comportent comme des filtres : la superposition sur un papier blanc de trois encres jaune, magenta et cyan permet de reproduire toutes les couleurs. La photographie, la peinture utilisent la synthèse soustractive des couleurs. En imprimerie, pour améliorer le contraste, on ajoute une quatrième image en «noir et blanc» : on parle alors de quadrichromie. La quadrichromie au cœur d une imprimante à jet d encre : la grosse cartouche d encre noire (à droite) est utilisée pour le texte ; les trois cartouches colorées (magenta, cyan, jaune) et la petite cartouche noire réalisent les impressions d images en quadrichromie. 7

8 Remarque : il n est pas possible à l impression de jouer sur l épaisseur de l encre pour le rendu des différentes couleurs : on ne pourrait imprimer que du jaune, du cyan, du magenta, du rouge (M+J), du vert (C+J), du bleu (C+M). La solution : exploiter une faiblesse de notre cerveau : face à une image regardée dans sa globalité et de suffisamment loin, il ne réalise pas une analyse point par point de l image mais plutôt zone de couleur par zone de couleur. Pour imprimer une image, on la découpe en rectangles dont la taille dépend de la distance à laquelle sera vue l impression (pour de grandes affiches publicitaires, les rectangles peuvent être particulièrement grands). Au lieu d appliquer des zones totalement remplies de couleurs superposées, des points sont imprimés dans les rectangles définis précédemment ; la forme, l espacement et la position de chaque couleur sont savamment calculés pour que notre cerveau soit trompé et voit des couleurs là où il n y en a pas. Ce procédé est appelé tramage. Ainsi, chaque filtre de couleur est constitué d une trame dont l angle par rapport à l image lui est propre afin d éviter que les points ne se chevauchent ; en jouant sur la taille des points, il est possible de restituer les différentes nuances de couleurs Ecrans plats, anaglyphes 3D Téléviseurs, ordinateurs, GPS, consoles de jeux, calculatrices de nombreux appareils quotidiens sont dotés d écrans plats en couleur. Si la technologie varie d un écran à l autre (LCD, plasma, LED ) le principe utilisé est toujours le même : chaque point de l image ou pixel est formé de trois luminophores qui diffusent des lumières rouge, verte et bleue avec des intensités variables. Ces luminophores sont trop proches les uns des autres pour que l œil puisse les distinguer : pour chaque pixel, le cerveau fait donc la synthèse additive des lumières RVB reçues par l œil. Le pixel n a pas de taille définie : il est d autant plus petit que l écran est petit et sa définition est grande. Pour obtenir le label HD, un écran possède lignes de pixels en «Full HD» et 720 lignes de pixels en «HD Ready». 8

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