La vision des couleurs
L'œil est l'organe de la vision. Il perçoit les différentes couleurs constituant la lumière blanche grâce à des photorécepteurs.
La lumière blanche
On qualifie de « lumière blanche » une lumière similaire à celle émise par le Soleil et comprenant l'ensemble des longueurs d'onde entre 400 et 800 nm.
Lumière blanche
Une lumière blanche est une lumière polychromatique, composée de l'ensemble des radiations dont les longueurs d'onde \lambda sont comprises entre 400 et 800 nm environ.
Spectre de la lumière blanche
Un corps incandescent (filament d'une ampoule, braise, etc.) suffisamment chaud émet une lumière blanche.
La perception des couleurs par l'œil
Le phénomène de vision est rendu possible par les capteurs de lumière (photorécepteurs) que possède l'œil : les bâtonnets et les cônes.
Dans l'œil, les images se forment sur la rétine.
Celle-ci est tapissée de deux types de cellules sensibles à la lumière, appelés photorécepteurs :
- Les bâtonnets, très sensibles à l'intensité lumineuse mais pas aux couleurs. Ils permettent de voir lorsque la luminosité est très faible, et sont aussi sensibles au mouvement.
- Les cônes, de trois types : les cônes S qui captent essentiellement la lumière bleue, les cônes M qui captent essentiellement la lumière verte et les cônes L qui captent essentiellement la lumière rouge. Comme leur nom l'indique, chacun est sensible à une gamme de longueur d'onde donnée.
Le cerveau traite les signaux émis par les cônes pour former une image colorée.
Trichromie
La trichromie est le principe permettant à l'œil de reproduire un très grand nombre de couleurs à partir de trois photorécepteurs sensibles aux couleurs rouge, vert et bleu.
Sensibilités des trois cônes
Le daltonisme est une anomalie de la vision des couleurs due à la déficience d'un ou de plusieurs des trois types de cônes de la rétine, assurant la perception des couleurs.
Pour une personne atteinte d'une déficience du cône rouge, le rouge est perçu vert.
Les deux types de synthèse des couleurs
Il existe deux types de synthèse des couleurs : la synthèse additive et la synthèse soustractive.
La synthèse additive
Dans les écrans lumineux (de télévision, d'ordinateur, de téléphone, etc.) les couleurs sont obtenues par synthèse additive.
Synthèse additive des couleurs
La synthèse additive des couleurs consiste à superposer des faisceaux colorés issus de plusieurs sources dans le but d'obtenir un faisceau d'une nouvelle couleur.
Synthèse additive
La superposition d'un faisceau rouge et d'un faisceau vert produit un faisceau jaune.
Couleurs primaires de la synthèse additive
Les couleurs primaires de la synthèse additive sont le rouge, le vert et le bleu. Elles permettent d'obtenir, par superposition et selon leur proportion, toutes les autres couleurs.
La superposition de faisceaux colorés de même intensité lumineuse des trois couleurs primaires de la synthèse additive (rouge, vert et bleu) donne un faisceau de lumière blanche.
Les écrans lumineux sont constitués de pixels, eux-mêmes composés de trois sous-pixels qui peuvent prendre une couleur verte, bleue ou rouge. Ces sous-pixels sont si petits que l'œil humain ne les distingue pas. En revanche, il perçoit la superposition des lumières qu'ils émettent.
Pour qu'un pixel soit perçu jaune, il faut que les sous-pixels rouge et vert soient activés.
Le pointillisme est une technique de peinture où les couleurs sont produites par synthèse additive : le peintre compose le tableau par un ensemble de points colorés très petits afin que l'œil humain ne les distingue pas mais perçoive la superposition des lumières qu'ils émettent (à la manière de sous-pixels d'un écran). Il n'y a pas le mélange de filtres (pigments) nécessaires à la synthèse soustractive.
Un tableau de Georges Lemmen employant la technique du pointillisme.
Plage à Heist de Georges Lemmen
© Wikimedia Commons
La synthèse soustractive
En dessin, peinture ou impression, les couleurs sont obtenues par synthèse soustractive.
Synthèse soustractive des couleurs
La synthèse soustractive des couleurs consiste à superposer des filtres colorés (ou des pigments) dans le but d'obtenir une nouvelle couleur.
Synthèse soustractive
La superposition d'un filtre jaune et d'un filtre cyan produit la couleur verte.
Couleurs primaires de la synthèse soustractive
Les couleurs primaires de la synthèse soustractive sont le cyan, le magenta et le jaune. Elles permettent d'obtenir, par superposition et selon leur proportion, toutes les autres couleurs.
La superposition de filtres colorés des trois couleurs primaires de la synthèse soustractive (cyan, magenta et jaune) donne du noir.
Chaque pigment composant la peinture ou le crayon agit comme un filtre qui absorbe une couleur. La couleur d'un mélange s'obtient par synthèse soustractive des couleurs de chaque pigment.
Si l'on veut produire de la peinture verte il faut mélanger des pigments cyan et jaune dans les mêmes proportions. Par synthèse soustractive leur mélange produit du vert.
Les couleurs complémentaires
Chaque couleur a une couleur complémentaire que permet d'obtenir le cercle chromatique. Lorsque deux couleurs sont complémentaires, elles donnent du blanc en synthèse additive et du noir en synthèse soustractive.
Couleurs complémentaires
Deux couleurs complémentaires sont deux couleurs dont le mélange en synthèse additive donne une lumière blanche. Cela équivaut à ce que, en synthèse soustractive, la superposition de filtres de ces couleurs donne du noir.
La figure illustrant la synthèse additive montre que le magenta mélangé au vert donne du blanc : le magenta et le vert sont donc deux couleurs complémentaires. De plus, la figure illustrant la synthèse soustractive montre que superposer un filtre magenta et un vert conduit à de la lumière noire : cela montre aussi que le magenta et le vert sont des couleurs complémentaires.
Les spectres de faisceaux lumineux de couleurs complémentaires se complètent pour donner le spectre entier de la lumière blanche.
Spectres de deux faisceaux colorés complémentaires
Les spectres du magenta et du vert ne présentent aucune longueur d'onde en commun mais, en les ajoutant, on obtient le spectre entier de la lumière blanche. Ces deux couleurs sont bien complémentaires.
Pour facilement déterminer la couleur complémentaire d'une couleur donnée, on utilise le cercle chromatique ci-dessous.
Deux couleurs diamétralement opposées sur le cercle sont complémentaires.
Cercle chromatique
Dans le cercle chromatique, les couleurs jaune et bleu sont opposées : ce sont donc des couleurs complémentaires. En effet, la superposition de faisceaux colorés jaune et bleu donne un faisceau de lumière blanche, par synthèse additive. De plus, la superposition de filtres colorés jaune et bleu donne du noir, par synthèse soustractive.
Les interactions lumière-matière
La matière est capable d'absorber, de diffuser ou de transmettre de la lumière. Ces interactions entre la lumière et la matière agissent sur la perception des couleurs d'un objet.
L'absorption, la diffusion et la transmission de la lumière
Lorsqu'un faisceau lumineux rencontre de la matière, trois types d'interaction sont possibles : l'absorption, la diffusion et la transmission.
Selon leur nature, les objets interagissent différemment avec la lumière. Lors de cette interaction, les phénomènes physiques mis en jeu sont :
- l'absorption : l'objet éclairé absorbe une partie de la lumière incidente ;
- la diffusion : l'objet éclairé renvoie dans toutes les directions une partie de la lumière incidente ;
- la transmission : l'objet éclairé est traversé par une partie de la lumière incidente.
Interactions entre un objet et la lumière
Pour un objet transparent, la transmission est le phénomène prépondérant, tandis que pour un objet noir, c'est l'absorption qui est le phénomène prépondérant.
Les couleurs d'un objet
La couleur d'un objet dépend de plusieurs paramètres : de ce qu'il absorbe, de la lumière incidente et de l'observateur.
La couleur avec laquelle on perçoit un objet résulte de la synthèse additive des couleurs qu'il diffuse. Elle est donc complémentaire de la couleur qu'il absorbe.
Un objet qui absorbe la couleur bleue sera perçu, lorsqu'il est éclairé par une lumière blanche, comme jaune.
En effet, les couleurs présentes dans la lumière blanche incidente qu'il diffuse sont le rouge et le vert qui donnent, par synthèse additive, du jaune (couleur complémentaire de la couleur bleue absorbée).
Ainsi, la couleur perçue d'un objet dépend de trois facteurs :
- de la couleur qu'il absorbe ;
- de la couleur de la lumière incidente ;
- de l'observateur (cas du daltonisme, par exemple).
Un objet qui absorbe le bleu est perçu jaune quand il est éclairé par une lumière blanche car le jaune est la couleur complémentaire du bleu.
Mais la couleur dont on le perçoit peut être modifiée en faisant varier la couleur de la lumière qu'il l'éclaire :
- Éclairé par une lumière cyan, il sera perçu vert : à partir de la lumière incidente cyan, composée de vert et de bleu, il diffusera uniquement la lumière verte (le bleu étant absorbé).
- Éclairé par une lumière bleue, il sera perçu noir car il absorbe alors toute la lumière incidente et n'en diffuse aucune.