1S. O1.2. Couleur des objets

Les élèves doivent savoir
  • Interpréter la couleur observée d’un objet éclairé à partir de celle de la lumière incidente ainsi que des phénomènes d’absorption, de diffusion et de transmission.
  • Utiliser les notions de couleur blanche et de couleurs complémentaires.
  • Prévoir le résultat de la superposition de lumières colorées et l’effet d’un ou plusieurs filtres colorés sur une lumière incidente.
  • Pratiquer une démarche expérimentale permettant d’illustrer et comprendre les notions de couleurs des objets.
  • Distinguer couleur perçue et couleur spectrale.
  • Recueillir et exploiter des informations sur le principe de restitution des couleurs par un écran plat.

Mise en situation

Pourquoi tous les objets n’ont-ils pas la même couleur ? Pourquoi des lampes « blanches » différentes vendues dans le commerce ne semblent pas de la même couleur ? Comment notre oeil perçoit-il la couleur et comment peut-on créer des couleurs ? Autant de questions qui ont évoluées au fil du temps.

D’un point de vue physique, la notion de « couleurs » contenues dans la lumière blanche a été abordée par Isaac Newton au XVIIe siècle lorsqu’il a décomposé la lumière du soleil à l’aide d’un prisme et s’est rendu compte que celle-ci contenait de nombreuses couleurs spectrales.

Différentes façons d’interagir avec la lumière

interactioncouleur

Les objets ont différentes manières de réagir quand ils sont éclairés par une source de lumière :

  • Diffusion : c’est le cas le plus commun, l’objet renvoi toute la lumière ou seulement une partie d’entre elle. Cette diffusion peut se faire dans toutes les directions ou dans une direction bien précise, comme avec un miroir, on parle alors de réflexion.
  • Absorption : tout ou une partie de la lumière est absorbée par l’objet. Les objets noirs absorbent toute la lumière alors que les objets blancs vont diffuser toute la lumière.
  • Transmission : Certains objets vont laisser passer la lumière. Si toute la lumière passe à travers l’objet on dit que l’objet est transparent. Si seulement une partie de la lumière passe à travers l’objet on dit que l’objet est translucide. Un objet opaque ne laissera passer aucune lumière mais va la diffuser ou l’absorber.

Dans l’illustration ci-dessus, la lampe éclaire la table qui diffuse une partie de la lumière et en absorbe une autre partie. Le verre transmet l’essentiel de la lumière et est donc transparent.

Couleur d’un objet

En collège nous avions vu que les sources de lumière blanche, comme les lampes à incandescence, fluocompactes, halogènes, le soleil… émettaient une lumière qui pouvait être décomposée par un CD, un prisme, un réseau ou des gouttes d’eau pour dévoiler un arc-en-ciel de couleurs appelé spectre continu de la lumière blanche.

lumiereblanche

Un appareil nommé spectromètre permet d’analyser plus finement ces lumières et de déterminer les couleurs, appelées couleurs spectrales qu’elles contiennent ainsi que l’intensité de chaque couleur spectrale, comme sur le profil de tube fluorescent ci-dessus.

On constate que même si une source de lumière blanche contient bien toutes les couleurs, elle émet certaines couleurs spectrales plus intensément que d’autres.

Lorsque cette lumière blanche arrive sur un objet, on parle alors de lumière incidente, la couleur de cet objet va dépendre de la façon dont celui-ci interagit avec la lumière incidente.

La couleur d’un objet est la couleur de la lumière diffusée, ou transmise dans le cas d’un objet transparent coloré (comme un filtre) , par l’objet. Les autres couleurs spectrales sont absorbées par l’objet.

Exemple : Un objet rouge diffuse la lumière rouge et va donc absorber les autres couleurs spectrales, que l’on appèle couleurs complémentaires.

Additionner des couleurs : synthèse additive

Pour créer des couleurs sur un écran d’ordinateur, un téléviseur, un téléphone portable ou une salle de spectacle, on va utiliser le principe de l’addition des couleurs : la synthèse additive des couleurs.

Trois couleurs, appelées couleurs primaires, servent de base à cette synthèse additive des couleurs : le rouge, le vert et le bleu. En observant le spectre de la lumière blanche on remarque que ces trois couleurs sont réparties régulièrement dans le spectre et elles correspondent également aux couleurs perçues par les cônes de nos yeux qui sont les cellules photo-réceptrices de la rétine.

syntheseadditive

En faisant varier l’intensité lumineuse de ces trois couleurs et en les superposant il est possible de créer toutes les couleurs que l’oeil humain est capable de percevoir (et même davantage).

En additionnant les couleurs primaires deux à deux on obtient des couleurs nommées couleurs secondaires : le cyan, le magenta et le jaune :

  • Bleu + Vert = Cyan
  • Bleu + Rouge = Magenta
  • Vert + Rouge = Jaune

La superposition des trois couleurs primaires donnant à nouveau la lumière blanche. On parle alors de synthèse RVB ou RGB (en anglais : red, green, blue)

En fait, seule l’addition de deux couleurs est nécessaire pour créer la lumière blanche à condition que ces couleurs soient complémentaires :

  • Bleu + Jaune = Blanc
  • Rouge + Cyan = Blanc
  • Vert + Magenta = Blanc

Vu que le jaune est déjà l’addition du rouge et du vert, il est normal que si on rajoute encore du bleu on obtienne du blanc.

Si nous revenons à l’objet rouge cité précédemment, nous voyons qu’il diffuse une couleur primaire, le rouge, et absorbe les couleurs complémentaires : le cyan qui est composé de bleu et de vert (vous pouvez vérifier sur l’illustration ci-dessus).

Sur un écran, on effectue l’addition de couleurs en utilisant des sous-pixels rouge, vert et bleu. Trois de ces sous-pixels forment un point (un pixel) de l’écran par addition de leurs couleurs. Il existe plusieurs technologies pour créer ces sous-pixels : cristaux liquides (LCD), diodes électro-luminescentes ou organo-luminescentes (OLED).

couleursLCD

Filtrer les couleurs et dessiner : synthèse soustractive

Lorsque l’on dessine, la feuille de papier est généralement blanche et les couleurs que l’on va appliquer vont donc venir absorber certaine couleurs spectrales, ce qui va donc modifier la feuille.

Le même principe va être utilisé si on superpose plusieurs filtres colorés sur la lumière.

Les trois couleurs de bases sont alors les couleurs primaires de synthèse soustractives : le cyan, le magenta et le jaune. Lorsque ces trois couleurs sont superposées, elles absorbent toutes les couleurs spectrales de la lumière et ne vont donc plus rien diffuser, ce qui donne du noir :

synthesesoustractive

Cette méthode de synthèse de couleurs est utilisée dans l’imprimerie où l’on ajoute souvent une encre noire aux trois encres cyan, magenta et jaune afin d’obtenir un noir plus profond et moins coûteux que la superposition de trois encres. Le procédé est alors identifié en impression CMJN ou CMYB (en anglais : cyan, magenta, yellow and black).

L’oeil et les couleurs

Notre oeil possède deux types de cellules sur la rétine pour capter la lumière :

  • Des bâtonnets sensibles à la luminosité et qui nous permettent de voir quand nous sommes dans l’obscurité (mais uniquement en noir et blanc).
  • Des cônes qui sont sensibles aux couleurs. Nous en avons trois sortes : des cônes sensibles au vert, au bleu et au rouge

Chaque couleur spectrale perçue par notre oeil correspond à une longueur d’onde différente :

 

Couleur perçue Longueur d’onde dans le vide (nm)
Rouge 800-605
Orange 605-584
Jaune 584-573
Vert 573-490
Bleu 490-466
Violet 466-380

Nos yeux sont sensibles de façon différente selon la longueur d’onde de la couleur spectrale perçue :

sensibilitéoeil

Ainsi nous voyons que certaines couleurs seront perçues avec davantage de nuances, en particulier dans le vert-jaune car cela correspond à un maximum d’absorbance par les cônes verts et rouges.

Défauts de vision

Certaines personnes ont des défauts de visions dus au mauvais fonctionnement de la perception par un ou plusieurs types de cônes, c’est le Daltonisme. Ce défaut est généralement d’origine génétique et a été décrit par le physicien britannique John Dalton au XVIIIe siècle, qui souffrait de ce défaut. John Dalton est également à l’origine de nombreuses avancées dans le domaine de la découverte des propriétés des atomes.

Le daltonisme est utilisé de façon général pour désigner un trouble de perception des couleurs mais correspond en fait à la deutéranopie, qui est l’absence de perception du vert, qui est seulement l’un des nombreux troubles de ce type nommé dyschromatopsie.

Ces troubles vont de l’achromatopsie, qui est l’absence totale de perception des couleurs (les personnes ayant ces symptômes ne perçoivent que la luminosité avec les bâtonnets et voient donc tout en noir, blanc et nuances de gris), à la tritanomalie qui est une baisse de sensibilité dans la perception du bleu, en passant par des déficiences de réceptions de l’une des trois couleurs primaires.

Dans tous les cas, la couleur perçue par notre oeil correspond aux différentes couleurs spectrales perçues par notre oeil.

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