Chapitre 19 Sciences Physiques - BTS Lumière et couleur 1 Introduction. La lumière fait partie des ondes électromagnétiques qui vont des rayons cosmiques aux ondes radar. Ces ondes se différencient par leur longueur d onde et par l énergie qu elles transportent. Elles se déplacent dans le vide et correspond à la variation du champ électrique et du champ magnétique. L étude de la lumière est un domaine de la physique assez complexe car elle mélange 2 phénomènes : le corpusculaire et l ondulatoire En tant qu onde, la lumière est considérée comme vision immatérielle mais elle est corpusculaire car composée de particules de lumière sans masse appelées Photons. (Le photon fait parti du groupe des bosons) 2 Rayonnement polychromatique et monochromatique. Un rayon de lumière blanche est fait de la superposition de plusieurs rayonnements de fréquences différentes se propageant sur la même droite. On dit que la lumière blanche est polychromatique. Par contre un rayon de fréquence unique est dit monochromatique. Sa couleur est caractéristique de sa fréquence ( et de sa longueur d onde ) Rappels : c T et T 1 f 1 nanomètre = 10-9 m = 1 nm c = 300 000 km/s Enveloppe du Bâtiment Page 1
3 Dispersion de la lumière blanche par un prisme. Le prisme n a pas la même «attitude» vis à vis de rayons de fréquence différente car l indice de réfraction du verre dépend de la fréquence du rayon qu il réfracte : le verre est un milieu dispersif. L eau est aussi un milieu dispersif : arc en ciel 3.1 Spectre continu : spectre de la lumière blanche Le spectre est continu car toutes les longueurs d onde sont représentées. 3.2 Spectre de raies. Ce spectre est obtenu en utilisant un spectromètre. Le spectre est discontinu car seules certaines couleurs sont présentes, sur de très courtes plages de longueur d onde. Enveloppe du Bâtiment Page 2
4 Infrarouges et Ultraviolets. Les radiations visibles à l œil sont celles qui vont du violet (380 nm) au rouge (780 nm). Aux extrémités du spectre, on trouve les Ultraviolets et les infrarouges 4.1 Le rayonnement infrarouge ( I. R. ) Ce sont les rayons émis par les corps chauds. Ils sont détectables par des capteurs à base de phototransistors ou de photodiodes. Applications : Les télécommandes : le rayon I.R. est codé en langage binaire. La mise au point automatique en photographie : autofocus. Les alarmes : détection de la chaleur corporelle. Exemple de photodiodes : 4.2 Le rayonnement ultraviolet ( U.V. ) Essentiellement émis par le soleil et certaines lampes, il correspond à de très courtes longueurs d onde : de 10 à 380 nm Application : Ils excitent la luminescence de certaines substances : bande sur les billets de banque. Ils permettent aux organismes vivant d assimiler le calcium. Synthèse de la chlorophylle par les plantes. Ils favorisent le bronzage. Enveloppe du Bâtiment Page 3
5 Mesure de la lumière : Photométrie. Une lampe consomme de l énergie électrique, et fournit, entre autre de l énergie lumineuse. On appelle flux énergétique d un faisceau l énergie que celui-ci transporte par seconde. Il se note F et s exprime en Watt. A titre indicatif, une lampe d une puissance de 100W rayonne un flux énergétique de 72W. 6 Synthèse additive de lumière. 6.1 L œil : un capteur RVB. La rétine de l œil contient 2 sortes de cellules : Les bâtonnets sensibles à la lumière Les cônes, sensibles aux couleurs : (64% des cônes) (32% des cônes) des cônes) Les cônes L, sensibles aux ondes longues (700 nm), donc les rouges Les cônes M, sensibles aux ondes moyennes (546 nm), donc les verts Les cônes S, sensibles aux ondes courtes (436 nm), donc les bleus (4% Remarque : Des recherches actuelles tendent à prouver que chez un certain pourcentage d hommes (10%) et de femme (50%), il existerait un quatrième type de cônes sensibles aux oranges. 6.2 Couleurs primaires et lumière Les couleurs primaires sont : le bleu, le vert et le rouge (RVB). Elles sont dites primaires car on ne peut pas obtenir l une en mélangeant les deux autres. 6.3 Synthèse additive : principe lumineux! Elle consiste à créer une couleur en superposant des rayons monochromatiques. Enveloppe du Bâtiment Page 4
6.3.1 Reconstitution de la lumière blanche. Rouge + Vert + Bleu = Blanc 6.3.2 Couleurs secondaires en additif Les couleurs secondaires sont obtenues par mélange en égale proportion de 2 couleurs primaires. Bleu + Rouge = Magenta Bleu + vert = Cyan Rouge + Vert = Jaune 6.3.3 Couleurs tertiaires en additif Les couleurs tertiaires sont obtenues en mélangeant en égales proportions une couleur primaire et une couleur secondaire. (Orange, vert citron, émeraude, bleu pervenche, violet, framboise.) 6.3.4 Couleurs fondamentales Les couleurs dites fondamentales sont les 7 couleurs de l'arc-en-ciel: violet, indigo, bleu, vert, jaune, orangé et rouge. 6.3.5 Couleurs complémentaires en additif. Deux couleurs sont dites complémentaires si additionnées dans des proportions convenables, elles donnent à l œil l impression de blanc. Dans la figure suivante, les couleurs diamétralement opposées sont complémentaires. Enveloppe du Bâtiment Page 5
6.3.6 Trichromie En additionnant 3 couleurs primaires dans les proportions convenables, on peut obtenir n importe quelle couleur désirée. C est suivant ce principe que fonctionne la télévision couleur : sur l écran, chaque pixel est constitué de trois luminophores rouge, vert et bleu. Chaque canon à électrons envoie un faisceau sur un type de luminophore. Selon l information du signal, les 3 luminophores sont plus ou moins activés ce qui permet de reconstituer n importe quelle couleur. 6.3.7 Couleurs métamères. Exemple : 590nm. le rayonnement jaune existe. Sa longueur d onde est comprise entre 565nm et Le rayonnement rouge a une longueur d onde de 625nm à 740nm Le rayonnement vert a une longueur d onde de 520nm à 565nm l œil ne fait pas la différence entre une excitation provenant d un rayon monochromatique jaune et la superposition d un rayon rouge et vert. Des ensembles lumineux de composition spectrale différente qui produisent la même impression colorée sur l'œil sont appelés couleurs métamères. 6.3.8 Lumière noire. Elle est composée de violet peu éclairant autour de 405 nm et de proche ultraviolet autour de 375 nm. Cette lumière est absorbée et réémise sous forme de lumière visible par les substances fluorescentes présentes dans certain textiles ou certaines lessives. Enveloppe du Bâtiment Page 6
7 Synthèse soustractive des couleurs. 7.1 Principe. En mélangeant 3 peintures de couleurs primaires, on n obtient jamais du blanc mais plutôt quelque chose de marron : le mélange de teinte fonctionne donc autrement que précédemment. Dans la photographie, la peinture ou l imprimerie, on obtient les couleurs voulues par synthèse soustractive. Les pigments ne jouant que le rôle de filtres apposés sur fond blanc. Le filtre ne laisse passer que le ou les rayons monochromatiques correspondant à sa couleur. 7.2 Application : la quadrichromie : système CMJN La quadrichromie (impression, imprimerie ) utilise 3 couleurs complémentaires : jaune, magenta et cyan, ainsi que le noir. Dans le domaine de l impression, ces 3 premières couleurs peuvent, dans certains documents, porter le nom de couleurs primaires. Dans une imprimante, un texte rouge est obtenu en 2 passages : une première impression en magenta et une seconde en jaune. 7.3 Vocabulaire : le gamut de couleurs. Le gamut représente l étendue de l espace de couleurs qu un certain type de matériel permet de reproduire : le gamut d une imprimante n est pas le même que celui d un écran. (Musique médiévale : Gamma Ut : étendue des notes jouables du sol le plus grave au do le plus aigu) Enveloppe du Bâtiment Page 7
8 Dyschromatopsie - Le daltonisme. John Dalton 8% des hommes en France, 0,45% des femmes) Le cerveau synthétise une impression colorée à partir de trois informations de couleurs données par l œil : les quantités de bleu, de rouge et de vert. Ces informations sont fournies par trois types de cellules (les cônes) de la rétine. Deutéranopie : absence de cônes pour le vert. Protanopie : absence de cône pour le rouge. Tritanopie : absence de cônes pour le bleu. Enveloppe du Bâtiment Page 8
Test de Ishihara Enveloppe du Bâtiment Page 9
9 Emission de lumière 9.1 Fluorescence Une molécule fluorescente possède la propriété d absorber de l énergie lumineuse et de la restituer rapidement sous forme de lumière fluorescente de longueur d onde non nécessairement de même longueur d onde. Ces molécules sont des fluorophore ou fluorochrome. Lorsque la fluorescence se traduit par l émission de lumière visible à partir d une source invisible comme des ultraviolets, les objets fluorescents paraissent plus lumineux que des objets de même teinte mais non fluorescent. Les molécules opèrent un transfert de fréquence entre la réception et l émission. Exemple 1 : Au soleil, le tissu parait très lumineux car il renvoie plus d énergie lumineuse visible qu il en a reçue. Lumière blanche Lumière UV invisible Tissu Blanc lavé avec une lessive contenant des molécules fluorescentes Réémission de la lumière blanche + lumière bleutée de la fluorescence Dans une pénombre éclairée en lumière UV invisible (lumière noire 375 nm), aucun textile ne renvoie de lumière sauf les blancs fluorescents qui vont renvoyer de l énergie lumineuse visible bleutée. Sur le textile jauni, la florescence permet au textile de renvoyer naturellement un peu de bleu qui, additionné au jaune, donne du blanc. Exemple 2 : Les détecteurs de faux billets de banque utilisent une petite lampe produisant de la lumière noire. La lumière noire met en luminescence les fibres synthétiques. Or le papier des vrais billets ne contient pas de fibres synthétiques. Exemple 3 : Les tubes fluorescents (tube luminescent) appelés par erreur «tube néon» contiennent des vapeurs de mercures ou de l argon qui émettent une lumière ultraviolette invisible lorsqu ils sont ionisés. C est la poudre fluorescente qui recouvre la paroi intérieure qui transforme cette lumière dans le domaine du visible en s approchant du blanc. Remarque : La luciole (ou le ver luisant) n est ni fluorescente, ni phosphorescente. Il s agit d une réaction biochimique entre la luciférase et la luciférine qui produit de la lumière. Enveloppe du Bâtiment Page 10
9.2 La phosphorescence On nomme phosphorescence le phénomène observé lorsqu'une matière continue à émettre lentement de la lumière après avoir été éclairée. Il s'agit d'une suite de pertes d'énergie par des électrons qui ont été excités et qui retournent à des niveaux d'énergie plus bas. Cette réémission est surtout visible dans le noir. 9.3 Principe d émission lumineuse La production d'énergie lumineuse se fait grâce aux électrons. Apport d énergie absorption saut sur une orbitale supérieure retour à un état stable en libérant un photon. Enveloppe du Bâtiment Page 11
Chapitre 19 Sciences Physiques - BTS Exercices Exercice 1 1. Un objet jaune est éclairé avec une lumière bleu. De quelle couleur est vu cette objet? 2. Pourquoi une plante verte éclairée qu avec une lumière verte risque de déperrir? 3. Combien de passage doit opérer une imprimante pour imprimer du texte en rouge? Exercice 2 Enveloppe du Bâtiment Page 12