Cours n 13 : Vision, couleurs et sources de lumière colorée 1) Perception des couleurs par l œil 1.1) Cellules photosensibles de la rétine L image d un objet observé par l œil se forme sur la rétine. Sur celle ci, se trouvent des cellules photosensibles, qui transforment les informations lumineuses en signaux électriques : les bâtonnets réagissent aux faibles luminosités et permettent la vision nocturne, mais sont insensibles à la couleur ; les cônes, de trois types, sont sensibles aux fortes luminosités de couleurs rouge, verte et bleue. L'œil est sensible aux radiations électromagnétiques dont la longueur d'onde dans le vide est comprise entre 400 et 700 nm environ. Chaque type de cône n est sensible qu à une couleur : les cônes L, sensibles aux ondes longues, de 470 à 630 nm, avec un maximum à 564 nm donc dans le jaune vert les cônes M, sensibles aux ondes moyennes, de 440 à 595 nm, avec un maximum à 534 nm donc dans le vert les cônes S, sensibles aux ondes courtes, d'environ 290 à 470 nm avec un maximum à 420 nm donc dans le violet. Les bâtonnets correspondent au second type de cellules sensibles de l œil humain. Ils sont spécialisés dans la perception de l intensité lumineuse. Ils ne sont actifs que dans la pénombre.et sont saturés à partir de 500 photons par seconde. Les cônes ne commencent à s activer qu à partir de 10 photons par seconde, ce qui explique pourquoi on voit en noir et blanc quand la lumière est faible. Sur la figure suivante est représentée la zone de sensibilité des trois types de cônes S, M et L et des bâtonnets R en fonction de la longueur d onde. Dr A. Sicard CapeSup Grenoble Page 1
1.2) Restitution des couleurs par l œil La couleur est la perception qu a un homme d une ou plusieurs fréquences lumineuses. La sensation de couleur, pour un humain, est un mélange de rouge, de bleu et de vert, qui correspondent aux maximums d'absorption des 3 types de cônes de la rétine. L'intensité totale perçue par ces cellules sensorielles correspond à la notion de luminosité (clair ou sombre), tandis que les intensités relatives perçues (leur proportion) sont interprétées comme couleur. L activité relative des trois types de cônes, chacun sensible à un type de lumière colorée (rouge verte ou bleue) permet au cerveau de restituer toutes les couleurs. 1.3) Anomalie de perception des couleurs : Le dysfonctionnement ou l absence de certains types de cônes entraine l altération de la vision des couleurs. Les problèmes de vision des couleurs, ou dyschromatopsies, sont souvent regroupés sous le terme de daltonisme. L'absence totale de vision des couleurs est appelée achromatopsie. Les daltoniens confondent certaines teintes de rouge et de vert. Les achromates, eux, ne différencient pas les couleurs. 2) Formation de lumières colorées Les radiations lumineuses séparées par un prisme redonnent, quand on les superpose, la lumière initiale. Le spectre de la lumière blanche est composé de toutes les couleurs de l arc en ciel. La lumière blanche résulte donc de la superposition de toutes les radiations monochromatiques du spectre visible. 2.1) Synthèse additive d une lumière colorée Le spectre continu de la lumière blanche obtenu à l aide du prisme peut grossièrement être subdivisé en trois zones : rouge, vert et bleu. Ces trois couleurs sont appelées couleurs primaires. Toute lumière colorée peut être reproduite en superposant, en certaines proportions, trois faisceaux lumineux de couleurs primaires. Ce procédé porte le nom de synthèse additive trichromatique RVB (RGB en anglais). La superposition du rouge et du vert donne du jaune : La superposition du rouge et du bleu donne du magenta : La superposition du bleu et du vert donne du cyan : Le jaune, le magenta et le cyan sont appelées couleurs secondaires. Dr A. Sicard CapeSup Grenoble Page 2
La superposition des trois couleurs primaires donne du blanc. Le noir résulte de l absence totale de lumière. Deux couleurs sont complémentaires l une de l autre si, par synthèse additive, elles forment une lumière blanche. Le jaune est la couleur complémentaire du bleu : Le cyan est la couleur complémentaire du rouge : Le magenta est la couleur complémentaire du vert : La synthèse additive est utilisée pour les sources lumineuses des écrans LCD, les vidéoprojecteurs, Dans un écran LCD, chaque pixel de l image est en fait constitué par 3 sous pixels (rouge, vert, bleu). La synthèse additive RVB peut se résumer selon le schéma suivant : 2.2) Synthèse soustractive La surface d un objet éclairé peut : laisser passer une partie de la lumière incidente : c est le phénomène de transmission ; renvoyer une partie de la lumière incidente dans toutes les directions : c est le phénomène de diffusion ; ne pas renvoyer une partie de la lumière incidente : c est le phénomène d absorption. Un objet blanc diffuse toutes les radiations qu il reçoit. S il est coloré, il diffuse une partie de la lumière incidente et en absorbe une autre. Un objet noir absorbe toutes les radiations. Dr A. Sicard CapeSup Grenoble Page 3
La lumière blanche étant constituée d une infinité de radiations monochromatiques, toutes les couleurs peuvent être obtenues en sélectionnant, à l aide de filtres colorés, certaines des radiations lumineuses qui la constituent. Ce procédé porte le nom de synthèse soustractive trichromatique. Un filtre coloré absorbe certaines couleurs et transmet les autres : la couleur que nous lui attribuons est celle qu il laisse passer. Filtres primaires : rouge, bleu et vert Le filtre vert «soustrait» le bleu et le rouge et laisse passer le vert. Le filtre bleu «soustrait» le vert et le rouge et laisse passer le bleu. Le filtre rouge «soustrait» le bleu et le vert et laisse passer le rouge. Filtres secondaires : jaune, magenta et cyan Le filtre magenta «soustrait» le vert et transmet le (rouge + bleu). Le filtre jaune «soustrait» le bleu et laisse passer le (rouge + vert). Le filtre cyan «soustrait» le rouge et transmet le (bleu + vert). La synthèse soustractive peut se résumer sur le schéma suivant : Cyan Jaune Magenta Dr A. Sicard CapeSup Grenoble Page 4
En synthèse soustractive, la superposition de couleurs complémentaires produit le noir. Un mélange des trois couleurs cyan, magenta et jaune, dans des proportions différentes et convenables, permet de restituer l ensemble des autres couleurs. Ce procédé, qui consiste à soustraire une couleur à une autre, est utilisé en peinture pour colorer un objet diffusant, en photographie pour le tirage papier à partir d un négatif couleur, en stéréoscopie (technique de vision du relief) et en imprimerie. Couleur d un objet Notre œil perçoit des objets colorés car leur surface, telle un filtre, absorbe et diffuse certaines des radiations de la lumière incidente. La couleur que possèdent les objets qui nous entourent dépend de la composition de la lumière qu ils diffusent. Un objet n a pas de couleur propre : celle ci dépend de la lumière qu il reçoit et des radiations qu il absorbe. Eclairé par une lumière blanche, un objet possède la couleur de la lumière qu il n absorbe pas. Si un objet n est éclairé que par des lumières qu il absorbe, il semblera noir. Par exemple un objet rouge éclairé par une lumière bleue apparaît noir. Si un objet est éclairé par une lumière qui comporte la couleur qu il n absorbe pas, il garde sa couleur d origine. Par exemple un objet rouge éclairé par une lumière jaune (mélange de rouge et de vert) apparaît rouge. 3) Sources de lumière colorée 3.1) Les sources de lumière La lumière est soit d origine naturelle, soit d origine artificielle. Elle est produite par incandescence ou par luminescence. 3.1.1) Les sources à incandescence Tout corps chaud émet un rayonnement électromagnétique dans le visible lorsqu il est maintenu à une température suffisamment élevée : c est le phénomène d incandescence. Le soleil est une source naturelle incandescente dont la température de surface est maintenue à 5500 C par les réactions nucléaires internes. Dans les lampes à incandescence, le filament de tungstène est maintenu à haute température (de 2400 à 2800 C) par passage d un courant électrique. Il existe d autres sources à incandescence : la lave en fusion, les flammes, la braise incandescente 3.1.2) Les sources à luminescence Tous les processus d émission de lumière autres que l incandescence sont qualifiés de luminescence. Dans les lampes à décharge, un arc électrique provoque l émission d un rayonnement visible ou ultraviolet dans un gaz (sodium, néon, mercure, zinc ). Dr A. Sicard CapeSup Grenoble Page 5
Dans les lampes fluorescentes, des vapeurs de mercure, sous l action d une décharge électrique, émettent un rayonnement ultraviolet qui excite la poudre fluorescente présente sur la paroi du tube. Il y a alors émission de lumière visible. Les diodes électroluminescentes (DEL) sont constituées de composants semi conducteurs. Il existe d autres sources à luminescence : le laser, les éclairs dans les orages, les lucioles, certaines espèces animales marines 3.2) La lumière colorée La lumière est l ensemble des ondes électromagnétiques visibles, c est à dire susceptibles d être perçues par le système visuel humain. 3.2.1) Source polychromatique ou monochromatique Une source monochromatique (d une seule couleur) émet une lumière qui ne peut pas être décomposée par un système dispersif (prisme ou réseau). Elle est caractérisée par une longueur d onde dans le vide. Le domaine visible est constitué par une infinité de lumières monochromatiques, dont les longueurs d onde vont de 380 nm (violet) à 780 nm (rouge). Il est limité aux faibles longues d ondes par l ultraviolet (UV) et aux grandes longueurs d onde par l infrarouge (IR). Chaque lumière monochromatique a une couleur spécifique. Les sources de lumière naturelles ou artificielles sont en général polychromatiques : la lumière qu elles émettent est constituée d un ensemble de lumières monochromatiques de longueurs d onde différentes. 3.2.2) Composition colorée d une source La couleur d une lumière polychromatique résulte de la superposition de l ensemble des lumières monochromatiques qui la composent. Une lumière polychromatique peut provoquer la même sensation colorée qu une lumière monochromatique. Par exemple, l œil ne peut différencier le jaune issu d une lumière monochromatique d un jaune que l on a obtenu par synthèse additive d une lumière rouge et d une lumière verte. La couleur d une source lumineuse est caractérisée par son profil spectral, c est à dire la courbe donnant l intensité lumineuse de chaque lumière monochromatique présente dans la lumière qu elle émet. Dr A. Sicard CapeSup Grenoble Page 6
La courbe spectrale d une lampe à incandescence est continue et régulière alors que celle d une lampe fluorescente présente des pics d émission, avec un fond continu. 3.3) Couleur des corps chauffés 3.3.1) Lumière produite par un corps chauffé Tout corps solide porté à haute température émet un spectre continu. Par exemple, le filament de tungstène d une ampoule est traversé par un courant électrique, sa température augmente fortement (entre 2200 C et 2500 C), ce qui provoque une émission de lumière blanche. Le rayonnement thermique émis par un corps chauffé correspond à l émission d ondes électromagnétiques. 3.3.2) Rayonnement du corps noir Un corps noir est un objet théorique qui absorbe toutes les radiations qu il reçoit (d où son nom de corps noir) et qui émet toutes les longueurs d onde quand il est chauffé. Son spectre d emission est continu et ne dépend que de sa température. Exemples se rapprochant d un corps noir : le Soleil, le filament d une lampe, 3.3.3) Loi de Wien Le profil spectral d un corps noir est la courbe représentant l intensité de la lumière (ou une grandeur comme la luminance) émise par ce corps en fonction de la longueur d onde pour une température donnée. Dr A. Sicard CapeSup Grenoble Page 7
Selon la loi de Wien, la longueur d onde en à laquelle un corps noir émet un maximum d intensité lumineuse est inversement proportionnelle à sa température en : 2,898 10 Dr A. Sicard CapeSup Grenoble Page 8