Notes sur les couleurs, Notes de Concepts de physique
Eleonore_sa
Eleonore_sa14 January 2014

Notes sur les couleurs, Notes de Concepts de physique

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Notes de physique sur les couleurs. Les principaux thèmes abordés sont les suivants: Définition de couleur, Schéma de la synthèse soustractive, les exemples.
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Définition: Nous nommons "couleur" la perception d'un excitation lumineuse suite à un

processus neurophotochimique par l'oeil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes lumineuses

avec une (ou des) amplitude(s) donnée(s).

Remarque: Il importe de ne jamais confondre "couleur", notion perceptive, et "longueur d'onde",

notion physique. Ainsi, l'oeil humain est le plus souvent incapable de distinguer un jaune

monochromatique théorique (une seule longueur d'onde) d'une composition correspondante de

vert et de rouge. Cette illusion permet d'afficher du jaune sur nos écrans d'ordinateur, et, plus

généralement n'importe quelle couleur

De par le fait que la partie sensible de la rétine de l'oeil humain est composée d'éléments

appelés "cônes" sensibles chacun à un petit intervalle correspondant respectivement au rouge

(via la molécule d'érythrolable), au vert (via la molécule de chlorolabe) et au bleu (via la

molécule d'érythrolabe), nous pouvons créer n'importe quelle couleurs en additionnant ces trois

couleurs de base appelées "couleurs fondamentales additives" (ou "couleurs primaires

additives"). Cela s'appelle la "synthèse additive" des couleurs.

L'associations française de normalisation (AFNOR) a défini au 20ème siècle la principe de

trivariance visuelle de la manière suivante: Un rayonnement de couleurs quelquonque peut être

produite visuellement à l'identique par le mélange algébrique, en proportions définies de

manière unique, des flux lumineux de trois rayonnements qui peuvent être arbitrairement

choisis, sous réserver qu'aucune d'eux ne puisse être reproduit par un mélange des deux

autres.

Dans ce qui suit, nous noterons le rouge (R), le vert (V), le bleu (B), le blanc (W), le noir (N).

Couleur Longueur d'onde

[nm] Fréquence [THz]

rouge ~ 625-740 ~ 480-405

orange ~ 590-625 ~ 510-480

jaune ~ 565-590 ~ 530-510

vert ~ 520-565 ~ 580-530

cyan ~ 500-520 ~ 600-580

bleu ~ 446-500 ~ 690-600

violet ~ 380-446 ~ 790-690

Tableau: 39.1 - Valeurs de quelques longeurs d'onde et fréquences

Il est claire que vu les fréquences du spectre visible ce ne sera pas demain qu'avec les

matériaux connus au début du 21ème siècle que nous allons construire des antennes ou

paraboles capables d'émettre à de telles fréquences! Déjà que 120 [GHz] c'est un exploit alors

500 [THz] demain....

Remarque: Les cônes L de la rétine sons sensibles aux ondes longues (580 [nm]), donc les

rouges. Les cônesM, sensibles aux ondes moyennes (545 [nm]), donc les verts. Les cônes S,

sensibles aux ondes courtes (440 [nm]), donc les bleus. Quand au choix de cette gamme précise

du spectre électromagnétique par la Nature, il suffit de regarder le spectre d'absorption de l'eau

pour voir que ça tombe pile dans une fenêtre où l'eau absorbe très peu. Du coup, nous pouvons

voir loin même par temps humide.

En pointant trois faisceaux lumineux (R, V et B) au même endroit, nous pouvons obtenir (au fait

il serait plus rigoureux de dire "percevoir" car ceci est propre seulement à certains mammifères

trichromates) de la lumière blanche. Nous disons alors que le blanc (dans le sens humain du

terme) est la somme des trois couleurs fondamentales additives (rappelons qu'au fait le blanc

est rigoureusement la somme des toutes les couleurs du spectre - donc que le blanc est

constitué d'un spectre lumineux continu). Toutes les couleurs imaginables sont obtenues en

variant l'intensité de chacun des trois faisceaux. Le noir est obtenu quand nous n'envoyons

aucune lumière du tout.

Par exemple, si nous additionnons (dans le sens théorique du terme : avec des composants de

couleurs infiniment petits et transparents...) juste du rouge et du vert, nous obtenons du jaune

(J), si nous additionnons se du rouge et du bleu, nous obtenons du Magenta (M), si nous

additionnons du vert et du bleu, on obtient du Cyan (C). Nous pouvons donc résumer cela par

les équations suivantes :

(39.3)

Ces trois couleurs (J, M, C) obtenues en additionnant deux couleurs fondamentales additives

sont appelées "couleurs secondaires additives".

Schéma de la synthèse additive :

(39.4)

L'existence de ces trois types de pigment dans les photorécepteurs des cônes sert de base

physiologique au "modèle trichromatique" ou de "trivariance visuelle".

Définition: Une couleur est dite "couleur complémentaire" d'une autre si elles donnent du blanc

quand on les additionne. Par exemple, le jaune est la couleur complémentaire du bleu :

(39.5)

A l'opposé de la synthèse additive, il existe la "synthèse soustractive des couleurs" : c'est celle

dont nous parlons quand nous enlevons de la couleur à une couleur de base. C'est par exemple

le cas de l'encre ou des filtres colorés (dans le sens où il y a un support de base dont il faut

traiter la couleur).

Pour comprende quoi il s'agit, posons un filtre rouge sur un rétroprojecteur. La lumière projetée

sera rouge. Nous remarquons donc que le filtre a enlevé de la couleur à la lumière

blanche : W est devenu R mais comme W = RVB, cela veut dire que le filtre rouge a enlevé les

couleurs VB à la lumière blanche du rétroprojecteur. Avec le même raisonnement, nous

comprenons qu'un filtre V soustrait les couleurs RB et un filtre B soustrait RV.

Si nous empilons deux filtres de couleurs fondamentales différentes : par exemple, un filtre R et

un filtre V, nous n'obtiendra rien du tout, autrement dit, du N. En effet, le filtre R ne laisse

passer que la lumière rouge et le filtreV soustrait cette couleur (ainsi que le B). Il ne reste donc

plus aucune couleur, autrement dit du N.

Nous remarquons donc que les filtres R, V et B ne permettent pas de synthétiser différentes

couleurs par soustraction puisque nous obtenons du noir dès que nous en superposons deux

différents. Ce qui est très embêtant lorsque le support concerné est du papier et que l'objectif

est d'imprimer quelque chose de coloré.

Il est donc plus utile d'utiliser les filtres jaunes, magenta et cyan (J, M, et C) des couleurs

additives secondaires. En effet, un filtre J laisse passer du jaune, c'est-à-dire RV. Il ne soustrait

donc que le B à la lumière blanche d'origine. Selon le même principe, un filtre M soustrait V et

un filtre C soustrait R

Nous remarquons alors que la superposition de deux filtres de ces couleurs secondaires donne

une nouvelle couleur sur un support existant. Nous pouvons ainsi synthétiser n'importe quelle

couleur en variant l'intensité de chacun des trois filtres (J, M et C) que nous superposons (sur le

rétroprojecteur ou le papier par exemple). Nous appelons ces trois couleurs les "couleurs

fondamentales soustractives".

Schéma de la synthèse soustractive :

(39.6)

Exemples:

E1. Un écran de télévision ou d'ordinateur fonctionne sur le principe de la synthèse additive des

couleurs. En effet, en regardant l'écran à la loupe, on peut se rendre compte qu'il est rempli de

petits groupes de trois luminophores (zone brillant quand on l'excite) R, V et B. Ces

luminophores sont tellement proches que quand ils s'allument ensemble, ils donnent

l'impression de se confondre et on perçoit uniquement la synthèse additive des trois (pixel). Par

exemple, sur un écran de télévision entièrement rouge, seuls les luminophores rouges brillent.

Par contre, si l'écran vire au jaune, cela veut dire que les luminophores verts brillent en même

temps que les rouges.

E2. A l'opposé de la télévision, nous trouvons les procédés d'imprimerie qui fonctionnent en

synthèse soustractive. En effet, la feuille est blanche et il faut lui enlever des couleurs pour

obtenir celle que nous désirons. La technique est la même que celle des filtres : les encres

contiennent des pigments qui filtrent certaines couleurs. En utilisant des encres J, M et C, nous

pouvons obtenir toutes les couleurs du spectre visible. Toutefois, les pigments ne sont pas

parfaits et le noir est très difficile à obtenir (surcharge d'encre et teinte plutôt brun foncée).

Nous avons donc recours au noir comme quatrième couleur. Ce système s'appelle "l'impression

en quadrichromie". Il est utilisé par exemple par la plupart des imprimantes couleurs et dans

les rotatives de journaux.

Il est intéressant maintenant de s'intéresser aux phénomènes qui superposent les deux

concepts (si nous pouvons dire...). Ainsi, un système qui projette de la couleur selon le système

RVB additif ou soustractif peut lui-même être éclaire par un système équivalent. Il en résulte

ainsi une superposition d'effets.

Ainsi, quand nous parlons de la couleur des objets, nous nous référons normalement à l'aspect

qu'ils ont quand ils sont éclairés par de la lumière blanche.

Exemple:

Une tomate rouge, absorbe une partie de la lumière blanche W (VB) et diffuse le reste (R). C'est

pour cela qu'elle nous apparaît rouge quand on l'éclaire avec de la lumière blanche. Un citron,

lui, apparaît jaune car il absorbe le bleu de la lumière blanche W et diffuse le reste (RV).... Mais

qu'en est-il d'une tomate éclairée par une lumière bleue? A quoi ressemble le citron si nous

l'éclairons en rouge ?

Nous pouvons répondre en raisonnant comme suit : comme la tomate absorbe VB et donc

intrinsèquement le bleu (B), il ne reste donc rien. Elle apparaît alors noire. Quant au citron,

comme il absorbe le bleu (B) et diffuse la lumière R+V alors si nous l'éclairons seulement avec

du rouge R il ne diffusera que du rouge et apparaîtra donc rouge.

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