La lumière, blanche et multiple

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1 LA LUMIERE DANS TOUS SES ETATS UTA / UO Rouge sang, bleu pervenche Les couleurs du monde G. Adam 1 La lumière, blanche et multiple La lumière, blanche et multiple Les irisations d un éclat de verre Newton : 1666, «l année merveilleuse» La lumière est composée de couleurs élémentaires... Que l on peut recomposer pour obtenir à nouveau du blanc 2 Filtres et lumières colorées 1

2 Le spectre d une lumière Le spectre du Soleil La «couleur d une lumière» est un concept subjectif On utilise la notion de longueur d onde Petites longueurs d onde : bleu Grandes longueurs d onde : rouge On mesure les intensités relatives des diverses longueurs d onde composant une lumière C est le spectre de cette lumière Le spectre d un pique-feu rougi Colorer la lumière blanche On place un filtre, c est-à-dire une matière transparente et colorée, sur le trajet de la lumière Un filtre est comme une porte qui ne s ouvrirait que pour certaines couleurs Colorer la lumière Les lumières de la scène Le mélange de lumières des trois couleurs primaires rouge, vert, bleu, permet de recréer n importe quelle lumière C est la synthèse additive 2

3 Synthèse additive 3 Pigments et surfaces colorées Les couleurs des objets Elles sont dues à la présence de certaines molécules qui absorbent ou renvoient la lumière, selon sa longueur d onde Une telle molécule est un pigment Les pigments sont à la réflexion ce que les filtres sont à la transmission : Des portes qui ne s ouvrent que pour certaines couleurs de lumière La couleur des tomates Le mélange de pigments Comme on peut mélanger des lumières colorées et obtenir par addition diverses teintes on peut mélanger des pigments Mais cette fois, chacun absorbe tout sauf la couleur qui lui est propre Si un des pigments absorbe tout ce que laisse passer l autre, il ne reste plus rien! 3

4 Rouge + Vert + Bleu = Noir! En résumé La quadrichromie Bleu Jaune Vert Magenta Synthèse additive avec des sources de lumière Synthèse soustractive avec les pigments d une surface Rouge Cyan Noir Dans la vie de tous les jours, la lumière est «toujours la même» : celle du Soleil Ce sont donc les pigments qui donnent essentiellement les couleurs des objets Par exemple : La peau humaine Poils et cheveux Le pull de tante Amélie 4

5 4 La vision : rappel Le principe physique Les trois types de cônes, et les bâtonnets La vision des couleurs Les couleurs du monde Des éléphants gris, des fraises des bois rouges La couleur sous laquelle nous percevons les objets dépend essentiellement de leur pigmentation mais pas seulement! Interviennent aussi : Les caractéristiques de notre système visuel La qualité de la lumière ambiante L interprétation qu en fait notre cerveau La sensibilité des cônes rétiniens La sensibilité globale (trichrome) de l œil Le corps noir C est une enceinte close, parfaitement isolée, à température stable et uniforme Étant parfaitement isolée, elle n émet pas de rayonnement, elle est donc «noire» Son intérêt vient de ce que le rayonnement interne à la cavité est parfaitement connu dès qu on connaît la température 5

6 Un léger problème Il est hélas impossible de construire un corps noir, qui reste un «objet idéal» Il doit être parfaitement isolé du reste de l Univers Il doit donc être clos : quel intérêt, dès lors? Alors on triche : on se permet de faire un petit trou dans l enceinte pour pouvoir observer ce fameux rayonnement interne! Le rayonnement de corps noir La forme de son spectre est fixée par la Loi de Planck Le rayonnement se décale vers les courtes longueurs d onde quand la température augmente (loi de Wien) Plus le corps noir est chaud, plus il émet de rayonnement (loi de Stefan) L augmentation est très rapide, comme T 4! Son étude, à la fin du XIXe siècle, est à l origine de la Théorie des Quanta Univ. Strasbourg La température de couleur C est la principale caractéristique de la lumière délivrée par une lampe On «compare» la lumière à celle donnée par un corps noir dont on fait varier la température Quand les deux lumières ont «la même couleur», on relève la température du corps noir La physique du rayonnement utilise la température absolue, qui se mesure en Kelvin (en abrégé K, de W. Kelvin) T absolue = T degrés Celsius 273,15 0 K = 273,15 C C est la température où tous les états d énergie sont minimaux Il n y a donc pas de température inférieure à 0 K 6

7 Les températures de couleur de la vie courante Bougie 2500 K Ampoule à filament 2800 à 3200 K Tubes fluorescents 2700 à 6500 K Flash électronique 5600 K Soleil 5700 K Lumière du jour 4000 à K Remarquons que si la source est froide, la lumière tire sur le rouge C est ce que les artistes appellent une lumière chaude (!) Quand la source est plus chaude, la lumière émise vire vers le bleu C est une lumière froide (!) Esthétique et physique (rendement!) imposent de ne pas éclairer une pièce à ambiance «chaude» avec une lumière «froide», et réciproquement Un bouquet au soleil Un bouquet au soleil Mais alors, et là?.. Vision sous-marine 7

8 Humuhumunukunukuapua ha (baliste hawaïen) 5 La dischromatopsie De la difficulté d apprécier les couleurs Le métamérisme Charte standard vue sous divers éclairages fluorescents Le même objet, vu sous deux éclairages différents, ne semble pas «de la même couleur» Les fabricants de sources d éclairage, les vendeurs de vêtements, les restaurateurs, etc connaissent le problème Mais doivent composer avec les contraintes techniques et économiques

9 Les fabricants utilisent un indice de restitution des couleurs qui va jusqu à IRC = 100 Tout ceci est imprimé sur les lampes fluorescentes : XXX nnw / NTc N = 8 IRC. 85 N = 9 IRC. 95 Tc = 27 Tc = 65 Température 2700 K Température 6500 K Sinon, lampe R. P. C. : à fuir! Les capteurs des appareils photographiques, les pigments d impression Les fabricants cherchent avant tout à rendre correctement : Les tons «chair» Les teintes de référence : le blanc des nuages, le bleu du ciel, le vert de l herbe, Pour le reste, chimie, physique et économie imposent des compromis L effet ageratum C est un cas de réflectance anormale Il démontre simplement que l image enregistrée dépend aussi des caractéristiques du détecteur La fleur est vue bleue, mais photographiée rougeâtre Simplement parce que l œil et le film n ont pas du tout la même sensibilité spectrale Ageratum au soleil Œil Capteur CMOS Kodachrome 25 9

10 On voit que film (un peu) et capteurs électroniques (beaucoup) doivent contrôler leur sensibilité excessive dans le rouge lointain et l IR On place un filtre anti-ir devant le capteur On adapte l algorithme de traitement Pour le film, l effet ageratum peut être maîtrisé avec une quatrième couche sensible au cyan (Fuji Superia ) 6 La palette cosmique Les luminaires cosmiques sont dans leur grande majorité très différents de simples corps noirs Souvent leur spectre montre des raies brillantes, caractéristiques de l atome émetteur Par exemple, très souvent, les raies de l hydrogène, de l oxygène, Définir leur couleur n est donc pas toujours simple Spectre d une radiogalaxie : bien loin du corps noir Une image astronomique est le résultat d un très important traitement électronique et informatique Le CCD ne voit que «noir et blanc» On doit donc réaliser trois clichés R,V et B L élimination des divers bruits est très complexe, car le signal est faible M16 STSCI 10

11 Même si l on pouvait s approcher de cette nébuleuse, sa brillance superficielle serait toujours aussi faible, et notre œil, par ses seuls bâtonnets, ne percevrait qu une faible lueur blanchâtre Souvent, les longueurs d ondes intéressantes sont très loin du domaine «visible» M8 STSCI Cygnus A, image radio VLA 7 Un filtre coloré (transparent) absorbe dans la lumière qui le traverse toutes les couleurs sauf la sienne Ce qu il faut retenir Un mélange de trois lumières colorées permet de reconstituer une lumière blanche : c est la synthèse additive D où l art du metteur en scène, etc Un pigment (opaque) absorbe dans la lumière qui le frappe toutes les couleurs sauf la sienne Un mélange de pigments colorés permet de reconstituer toute couleur de surface, par synthèse soustractive D où l art du peintre, celui du teinturier, etc La couleur apparente d un objet dépend : Des propriétés de sa surface (pigmentation) Des conditions d observation : couleur dominante de la lumière, filtrage(s) Des propriétés du détecteur utilisé (œil, film, CCD, etc ) Et bien sûr de l interprétation qu en fait notre système visuel Avec au passage, éventuellement, l ajout du système [ algorithme de traitement + écran + imprimante ]! 11

12 Embryon de bibliographie... Dans les belles images de l astronomie, la couleur est un puissant moyen d aide à la compréhension Mais au-delà des objets de notre Système Solaire, se demander si ce sont les «vraies couleurs» n a souvent guère de sens www-obs.univ-lyon1.fr/labo/perso/gilles.adam etc etc etc... J.-P. Maury, Newton et la mécanique céleste, Découvertes, Gallimard Le secret des couleurs, CD-ROM, Carré Multimédia 12