Cours : Couleurs

Couleur blanche et trichromie

Les couleurs sont une construction de notre cerveau qui permettent de distinguer des rayonnements lumineux de fréquences différentes.

Couleur blanche

Le blanc, tout comme le noir, comme nous le verrons dans le paragraphe suivant, n’est pas vraiment une couleur. Le blanc est considéré comme « la somme de toutes les couleurs ». Nous allons voir cela ensemble.

Définition

Couleur blanche :

Un spectre lumineux continu et complet du violet jusqu’au rouge apparaît blanc.

Structure de l’œil

L’œil est un organe merveilleux qui est responsable non seulement de la perception des images, mais également de leur différenciation en différentes couleurs.

La rétine est tapissée de cellules photosensibles :

• les bâtonnets, qui sont sensibles à la luminosité ;
• les cônes, qui sont sensibles à la fréquence de l’onde lumineuse.

Définition

Bâtonnets :

Les bâtonnets sont des cellules photosensibles présentes sur la rétine de l’œil.
D’une taille de $100$ microns de long pour $2$ microns de diamètre, ils constituent près de $95\ \%$ de la rétine et sont près de $90$ millions sur chaque rétine.

Ces cellules sont sensibles à la luminosité, mais ne font que peu de différences entre deux rayonnements lumineux de fréquences différentes. Les bâtonnets sont sensibles sur une large gamme de fréquence et sont responsables de la perception de la luminosité et du contraste lumineux.

• Ils sont si sensibles qu’ils peuvent réagir à la réception d’un unique photon.

Définition

Cônes :

Les cônes sont aussi des cellules photosensibles présentes sur la rétine de l’œil.
D’une longueur de $40$ à $50$ microns pour un diamètre allant de $0,5$ à $4$ microns, ils sont près de $6$ à $7$ millions sur chaque rétine.

Ces cellules se distinguent en trois catégories, cônes rouges ($\text{L}$), verts ($\text{M}$) ou bleus ($\text{S}$), chacune présentant un maximum de sensibilité pour une longueur d’onde différente.

• Environ cent fois moins sensibles à la luminosité que les bâtonnets, les cônes sont les principaux responsables de la perception des couleurs.

Le schéma ci-dessous donne le seuil de sensibilité des cônes et des bâtonnets, c’est-à-dire la plus petite intensité lumineuse capable de déclencher une réponse visuelle pour une longueur d’onde donnée.

Trichromie

L’œil humain est sensible à seulement trois couleurs de base, qui sont le rouge, le vert et le bleu.

• Toutes les couleurs que nous percevons sont une construction à partir de ces trois couleurs.

À retenir

Lorsque nous observons un objet, la lumière de cet objet va exciter plus ou moins fort les bâtonnets et ainsi nous donner une perception de la luminosité de cet objet.

Les cônes seront également excités plus ou moins fort selon leur sensibilité à la longueur d’onde donnée du rayonnement. Les signaux électriques transmis par ces cellules vont parvenir au cerveau, qui va ainsi pouvoir décomposer l’image en différentes couleurs.

Attention

La perception d’une couleur est très subjective et peut varier sensiblement d’une personne à l’autre. Ainsi, dans le daltonisme, il y a un défaut de perception des couleurs par déficience d’un ou plusieurs types de cônes.

Synthèse des couleurs

Nous venons de voir que l’œil est en fait sensible à trois couleurs de base, qui sont le vert, le bleu et le rouge. Mais il existe d’autres couleurs qui sont une combinaison de ces couleurs.

• Cette réalisation peut se faire de deux manières distinctes : la synthèse additive ou la synthèse soustractive.

Synthèse additive

La synthèse additive des couleurs est le procédé par lequel notre cerveau construit une couleur à partir de rayonnements lumineux de fréquences différentes.

Définition

Synthèse additive :

On parle de synthèse additive lorsque des faisceaux lumineux de longueurs d’onde différentes sont combinés pour éclairer une même surface. Il s’agit ici d’additionner des couleurs pour en former de nouvelles.

Définition

Couleurs primaires :

Les couleurs primaires sont les trois couleurs de base qui, par combinaison, vont donner, à la suite d’une synthèse, différentes couleurs secondaires.

À retenir

Les trois couleurs primaires de la synthèse additive sont le vert, le rouge et le bleu.

• La synthèse additive du vert et du rouge dans les mêmes proportions donnera du jaune.
• La synthèse additive du vert et du bleu dans les mêmes proportions donnera du cyan.
• La synthèse additive du rouge et du bleu dans les mêmes proportions donnera du magenta.
• La synthèse additive du vert et du rouge et du bleu dans les mêmes proportions donnera du blanc.

Exemple

• En informatique, on peut désigner une couleur par son code RVB, c’est-à-dire par les quantités de rouge, de vert et de bleu qui la composent.
• C’est sur ce principe de la synthèse additive que fonctionnent les écrans (LCD, smartphone). L’écran est subdivisé en très petits pixels, invisibles mais dont l’œil peut percevoir la couleur.

Synthèse soustractive

La synthèse soustractive est le procédé par lequel un mélange de deux espèces colorées va donner une nouvelle couleur.

Définition

Synthèse soustractive :

La synthèse soustractive est réalisée quand on superpose, sur le trajet d’un même faisceau lumineux blanc, des filtres de différentes couleurs. Il s’agit ici de retrancher, à une couleur, différentes couleurs pour en obtenir une nouvelle.

Comme nous l'avons vu dans la partie consacrée à la synthèse additive, on peut former une troisième couleur à partir de deux couleurs primaires parmi une sélection de trois couleurs de base.
Chacune des deux couleurs d'un couple de couleurs secondaires obtenues par synthèse additive partage donc une couleur primaire commune ayant servi à la synthèse des deux couleurs.

• Lors de la synthèse soustractive entre les deux couleurs de ce couple, c'est cette couleur commune qui est obtenue.

À retenir

Les trois couleurs primaires de la synthèse soustractive sont le cyan, le magenta et le jaune.

• La synthèse soustractive du cyan et du magenta dans les mêmes proportions donnera du bleu.
• La synthèse soustractive du cyan et du jaune dans les mêmes proportions donnera du vert.
• La synthèse soustractive du magenta et du jaune dans les mêmes proportions donnera du rouge.
• La synthèse soustractive du vert et du rouge et du bleu dans les mêmes proportions donnera du noir.

Exemple

En imprimerie, c’est ce principe de synthèse soustractive qui est utilisé.

Couleurs complémentaires

À chaque couleur est associée une couleur complémentaire.

Définition

Couleurs complémentaires :

Deux couleurs sont complémentaires si :

• par leur synthèse additive, on obtient du blanc ;
• par leur synthèse soustractive, on obtient du noir.

Astuce

Pour trouver facilement la couleur complémentaire d’une couleur, on utilisera un cercle chromatique. La complémentaire à une couleur est celle située à son exact opposé sur le cercle.

Exemple

Par exemple, la couleur complémentaire du jaune est le bleu : bleu, rouge et vert en égales proportions donneront du blanc par synthèse additive.

À retenir

• La synthèse additive d’une couleur et de sa couleur complémentaire réalisera une addition de toutes les couleurs et donnera donc du blanc.
• La synthèse soustractive d’une couleur et de sa couleur complémentaire réalisera une soustraction de toutes les couleurs et donnera donc du noir.

Les couleurs primaires de la synthèse soustractive sont les couleurs complémentaires des couleurs primaires de la synthèse additive, et réciproquement.

Comportement d’un objet vis-à-vis de la lumière

Un objet va réagir différemment selon la longueur d’onde du rayonnement lumineux auquel il est soumis. Il y a trois mécanismes à connaître qui vont déterminer la couleur apparente de l’objet.

Diffusion

Un objet peut diffuser certaines longueurs d’onde, c’est-à-dire que lumière correspondant à ces longueurs d’onde va se réfléchir sur l’objet sans être perturbée.

Absorption

Un objet peut absorber certaines longueurs d’onde, c’est-à-dire que la lumière réfléchie par cet objet sera amputée de certaines longueurs d’onde. On dit que l’objet est opaque pour ces longueurs d’onde.

Transmission

Un objet peut laisser passer certaines longueurs d’onde à travers lui sans les perturber, on dit qu’il est transparent pour ces longueurs d’onde. C’est le cas des filtres qui vont absorber certaines longueurs d’onde et laisser passer les autres.

À retenir

Si on additionne les longueurs d’onde absorbées par un objet à celles diffusées par cet objet, on obtient un spectre de lumière blanche. Un objet est donc de la couleur complémentaire des radiations qu’il absorbe.

Un objet est le siège d’une synthèse soustractive. Chaque espèce colorée absorbe une certaine bande de couleurs et diffuse les autres. En mélangeant ces espèces, on obtient un mélange qui absorbe l'ensemble des longueurs d'onde absorbées par les différents constituants et diffusera le reste. Un mélange d’espèces colorées aura donc une couleur obtenue par synthèse soustractive des couleurs de ces espèces prises à part.

Exemple

La synthèse additive du jaune et du cyan donne du blanc, mais, lorsque l'on mélange de la peinture jaune à de la peinture cyan, on obtient du vert qui est la couleur de base commune qui permet d'obtenir par synthèse additive du jaune, lorsque combinée avec du rouge, ou du cyan, lorsque combinée avec du bleu.

Exemple

Prenons pour exemple un stylo bleu dont le corps serait transparent.

• En lumière blanche, les parties opaques du stylo absorbent le rouge et le vert, et diffusent le bleu. C’est pour cela que nous voyons le capuchon bleu. Le corps du stylo laisse passer les rayons lumineux, c’est pour cela que l’on voit à travers lui.

• S’il était éclairé par une lumière rouge, ce stylo serait vu noir, car l’objet absorberait le rouge, mais ne pourrait renvoyer la lumière bleue, faute d’en recevoir.