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Première S – Sciences Physiques Cours
Chapitre 2
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La physique des couleurs
Les étoiles, les lampes, les lasers sont des sources de lumière ; la Lune, l’écran de cinéma ou la plupart des
objets qui nous entourent diffusent la lumière qu’ils reçoivent. La couleur est une sensation optique qui peut
être décrite physiquement : voyons comment.
Sources (primaires) de lumière
Lumière monochromatique, lumière polychromatique
La lumière émise par une source peut être analysée par un prisme ou par un réseau
- Si la lumière n’est pas décomposée, elle est monochromatique et correspond à une radiation unique.
- Si la lumière est décomposée, elle est polychromatique : c’est un ensemble de plusieurs radiations.
La lumière laser (à gauche) est monochromatique : elle n’est pas
dispersée par le prisme, au contraire de la lumière blanche (à droite). Le réseau est une simple diapositive gravée finement
(530 traits/mm ici) : comme le prisme, il disperse la
lumière blanche.
1.2 Longueur d’onde dans le vide d’une radiation lumineuse
La lumière fait partie des ondes électromagnétiques.
Sa vitesse de propagation dans le vide ou dans l’air est c = 3,00.108 m.s
1.
Chaque radiation peut être caractérisée par sa longueur d’onde dans le vide notée exprimée en mètres
(voir chap. 3). L’œil humain est un récepteur qui n’est sensible qu’à des radiations dont la longueur d’onde
est comprise entre 400 nm et 800 nm : la couleur d’une lumière visible est ainsi caractérisée par .
Les UV ou les infrarouges sont également des ondes électromagnétiques, mais ne sont pas visibles par l’œil
humain.
1.3 Synthèse additive des couleurs-lumière
La lumière blanche contient une infinité de radiations différentes qui ne sont pas distinguées par l’œil,
comme si elles étaient superposées. Au XIXème
siècle, le physicien anglais Thomas Young montre qu’il n’est
pas nécessaire d’ajouter toutes les lumières colorées du spectre pour former de la lumière blanche : un écran
blanc éclairé de trois faisceaux de lumière de couleur rouge, verte et bleue semble diffuser de la lumière
blanche : c’est parce que le cerveau opère une synthèse additive des lumières reçues par l’œil.
La suppression de l’un des faisceaux fait apparaître une nouvelle couleur, appelée couleur complémentaire
de la couleur manquante.
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Couleur supprimée Couleur complémentaire
Rouge Cyan
Bleu Jaune
Vert Magenta
Ainsi, les couleurs complémentaires sont obtenues en superposant deux
faisceaux de même intensité lumineuse : en modifiant ces intensités, on
peut obtenir la plupart des couleurs.
A la fin du XVIIème
siècle, Isaac Newton trace le premier
cercle chromatique : sur cette représentation, les couleurs
complémentaires sont diamétralement opposées.
1.4 Couleur des corps chauffés
Un corps dense émet un rayonnement électromagnétique que l’on appelle rayonnement thermique ; le
spectre de ce rayonnement est continu et dépend de la température du corps.
Plus l’intensité du courant qui le
traverse est élevée, plus le filament de
l’ampoule est chaud. La lumière qu’il
émet s’enrichit alors de radiations de
faible longueur d’onde (bleu, violet).
Tout comme le filament, le corps humain est chauffé,
mais à une température beaucoup plus basse : le
spectre de la lumière qu’il émet est principalement
constitué de radiations dans le domaine infrarouge.
L’imagerie par thermographie utilise des caméras
sensibles aux infrarouges pour identifier les zones de
températures différentes au niveau du corps, mais aussi
d’une maison (détermination des flux thermiques, bilan
d’isolation).
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Dès 1893, Wilhelm Wien (1864-1928) montre expérimentalement que le spectre continu du rayonnement
thermique émis par un corps à la température T a une intensité maximale pour une longueur d’onde max
donnée par la relation 3
max 2,90.10 .T K m avec T(K) = (°C) + 273 température absolue en kelvins
Cette relation, comme celle de Boyle-Mariotte entre pression et volume d’un gaz, traduit que max est
inversement proportionnel à T : plus le corps est chaud, plus sa longueur d’onde d’intensité maximale est
faible.
La loi de Wien n’est pas suffisante pour prévoir la
couleur d’un corps chauffé : cette couleur dépend
de l’ensemble des radiations visibles émises.
En 1900, Max Planck a montré qu’il est possible de
calculer l’intensité du rayonnement thermique émis
par un corps idéal (appelé corps noir) pour une
température donnée : les courbes correspondantes
permettent de présumer la couleur de ce corps.
Certains corps réels ont un comportement qui se
rapproche de ce modèle de corps noir : c’est le cas,
par exemple, des étoiles.
Ainsi, la plupart des étoiles émettent de la lumière
blanche, mais avec une dominante caractéristique
de leur température de surface : Bételgeuse paraît
rougeâtre, Rigel bleutée…
1.5 Sources de lumière courantes
Bételgeuse (α-Orionis) est une étoile géante
vieillissante dont la température de surface atteint les
3 000 K : son maxima d’intensité est situé dans le
domaine infrarouge, et elle apparaît blanche-rougeâtre.
Rigel (β-Orionis) est une étoile supergéante jeune dont
la température de surface de 10 000 K.
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2 (Sources) secondaires de lumière : couleur des objets
2.1 Absorption, transmission, diffusion
Les objets qui nous entourent sont visibles car ils nous envoient de la lumière ; cette lumière provient
généralement d’une source extérieure : Soleil, lampe, etc.
Lorsqu’il reçoit de la lumière, un objet peut
l’absorber, c’est-à-dire ne pas la renvoyer
la transmettre si la lumière peut le traverser (filtres, solutions transparentes)
la diffuser, c’est-à-dire la renvoyer dans toutes les directions
La plupart des objets opaques diffusent une partie de la lumière reçue et absorbent le reste.
2.2 Synthèse soustractive des couleurs-matière
Les objets n’ont pas de couleur par eux-mêmes. Ce que l’on en voit dépend
de la nature de la lumière incidente,
de l’absorption et de la diffusion qu’il en fait
de la synthèse des lumières reçues par l’œil
Ainsi, un objet qui paraît blanc a la propriété de diffuser de manière équivalente toutes les couleurs du
spectre ; un objet est dit noir s’il absorbe toutes les radiations.
Prenons l’exemple d’un objet rouge : un extincteur.
S’il est dit rouge, c’est qu’éclairé en lumière blanche, il diffuse
la lumière rouge (celle que l’on observe) et qu’il absorbe les
lumières verte et bleue.
Eclairé en lumière verte ou bleue, il paraît noir : il absorbe
cette lumière et ne diffuse rien car il ne reçoit pas de lumière
rouge.
Eclairé en lumière jaune (rouge et verte), il paraîtra rouge : la
lumière verte est absorbée, et seule la lumière rouge est
diffusée.
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Les filtres colorés (ou les solutions transparentes) se comportent comme les objets diffusants.
Les filtres rouge, vert et bleu ne transmettent qu’un
couleur : ce sont des filtres primaires. Ainsi, un filtre
bleu ne transmet que la lumière bleue et absorbe les
radiations verte et rouge.
Les filtres jaune, cyan et magenta transmettent deux des trois couleurs : ce sont des filtres
secondaires. Le filtre jaune absorbe toute la lumière bleue (sa couleur complémentaire) et laisse
passer les lumières rouge et verte.
On parle alors de synthèse soustractive : la couleur est obtenue en
retirant des lumières colorées à la lumière incidente. La figure ci-
contre considère trois filtres de même pouvoir absorbant. On
obtient la plupart des couleurs en modifiant le pouvoir absorbant
des filtres.
3 Reproduction et vision des couleurs
3.1 Couleur perçue et couleur spectrale
Les lumières colorées et la lumière blanche que nous percevons peuvent être obtenues par synthèse
trichromatique à partir des lumières rouge, verte et bleue (RVB) correctement choisies.
Si un écran est éclairé avec une lumière L, il est
possible d’obtenir une lumière L’ produisant la
même sensation colorée à partir de sources de
lumière rouge, verte et bleue : pourtant, les spectres
de ces deux lumières L et L’ peuvent ne pas être
identiques !
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Ce principe est à l’œuvre dans la comparaison entre la lumière émise par une lampe à incandescence
(rayonnement thermique continu) et par une lampe à économie d’énergie (lampe spectrale).
Spectre d’une ampoule halogène
Toutes les couleurs du spectre sont présentes.
Spectre d’une ampoule fluocompacte
Seules quelques couleurs sont présentes : c’est le cerveau qui réalise la synthèse additive de ces couleurs.
3.2 Mécanisme de vision des couleurs
Lorsque la lumière pénètre dans l’œil, elle atteint la rétine qui contient des cellules réceptrices : les cônes et
les bâtonnets.
Les bâtonnets sont sensibles aux lumières de faible intensité
mais ne permettent pas de percevoir les couleurs. Les cônes,
essentiellement concentrés dans la zone appelée fovéa, sont
de trois types sensibles principalement au rouge, au vert et
au bleu, à condition que l’intensité lumineuse soit
suffisante.
C’est l’addition des signaux produits par l’excitation des différents types de cônes qui va produire la
sensation de couleur.
Par exemple, si l’œil reçoit une lumière monochromatique jaune, les cônes sensibles au vert et au rouge
produiront des signaux qui pourront être les mêmes que s’ils recevaient des lumières rouge et verte : pour
l’observateur, la sensation colorée sera alors la même – bien que les lumières reçues n’aient pas la même
composition spectrale.
Le daltonisme est une anomalie de la perception des couleurs due à l’absence ou au manque de sensibilité
d’un ou plusieurs types de cônes. La forme la plus fréquente, appelée deutéranopie, se manifeste par une
modification de la perception du vert et du rouge.
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Cette anomalie de la vision est plus fréquente
chez les hommes (1/100) que chez les femmes
(1/1000) et peut être diagnostiquée par le test
chromatique d’Ishihara.
3.3 Reproduction des couleurs
3.3.1 Impression couleur
Les encres utilisées par une imprimante se comportent comme des filtres : la superposition sur un papier
blanc de trois encres jaune, magenta et cyan permet de reproduire toutes les couleurs.
La photographie, la peinture utilisent la synthèse soustractive des couleurs. En imprimerie, pour améliorer le
contraste, on ajoute une quatrième image en « noir et blanc » : on parle alors de quadrichromie.
La quadrichromie au cœur d’une imprimante à jet
d’encre : la grosse cartouche d’encre noire (à droite) est
utilisée pour le texte ; les trois cartouches colorées
(magenta, cyan, jaune) et la petite cartouche noire
réalisent les impressions d’images en quadrichromie.
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Remarque : il n’est pas possible à l’impression de jouer sur l’épaisseur de l’encre pour le rendu des
différentes couleurs : on ne pourrait imprimer que du jaune, du cyan, du magenta, du rouge (M+J), du vert
(C+J), du bleu (C+M).
La solution : exploiter une faiblesse de notre cerveau : face à une image regardée dans sa globalité et de
suffisamment loin, il ne réalise pas une analyse point par point de l’image mais plutôt zone de couleur par
zone de couleur.
Pour imprimer une image, on la découpe en
rectangles dont la taille dépend de la distance à
laquelle sera vue l’impression (pour de
grandes affiches publicitaires, les rectangles
peuvent être particulièrement grands). Au lieu
d’appliquer des zones totalement remplies de
couleurs superposées, des points sont
imprimés dans les rectangles définis
précédemment ; la forme, l’espacement et la
position de chaque couleur sont savamment
calculés pour que notre cerveau soit trompé et
voit des couleurs… là où il n’y en a pas. Ce
procédé est appelé tramage. Ainsi, chaque
filtre de couleur est constitué d’une trame dont
l’angle par rapport à l’image lui est propre afin
d’éviter que les points ne se chevauchent ; en
jouant sur la taille des points, il est possible de
restituer les différentes nuances de couleurs.
3.3.2 – Ecrans plats, anaglyphes 3D
Téléviseurs, ordinateurs, GPS, consoles de jeux, calculatrices… de nombreux appareils quotidiens sont dotés
d’écrans plats en couleur. Si la technologie varie d’un écran à l’autre (LCD, plasma, LED…) le principe
utilisé est toujours le même : chaque point de l’image ou pixel est formé de trois luminophores qui diffusent
des lumières rouge, verte et bleue avec des intensités variables. Ces luminophores sont trop proches les uns
des autres pour que l’œil puisse les distinguer : pour chaque pixel, le cerveau fait donc la synthèse additive
des lumières RVB reçues par l’œil.
Le pixel n’a pas de taille définie : il est d’autant plus
petit que l’écran est petit et sa définition est grande.
Pour obtenir le label HD, un écran possède 1 080 lignes
de 1 920 pixels en « Full HD » et 720 lignes de 1 280
pixels en « HD Ready ».