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Lorsqu’une onde lumineuse n’est composée que de rayons de même longueur d'onde, la couleur est dite pure et la lumière, monochromatique. La plupart du temps, cependant, elle est composée. Ainsi, la lumière du soleil est constituée d'un ensemble de rayonnements dont les longueurs d'onde se situent entre 0,4 et 0,7 mm environ et qui correspondent aux longueurs d’ondes visibles par l’œil humain.
Nous ne parvenons à percevoir que cette portion de rayonnements, car le cristallin humain n’est pas assez transparent pour laisser passer les radiations des ultraviolets ; quant aux infrarouges, nous ne possédons pas de pigments visuels adaptés à cette longueur d’onde.
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Le spectre des ondes électromagnétiques |
On peut, si on fait passer par un prisme un « rayon de soleil », observer à sa sortie la décomposition du faisceau lumineux. Les propriétés du prisme font dévier les rayons lumineux dont la longueur d'onde est différente, le faisceau initial d’étale, et apparaît sous la forme d'une juxtaposition de radiations colorées, rangées dans l'ordre progressif de leurs longueurs d'onde partant du violet, dont la déviation est maximale, et arrivant au rouge dont la déviation est minimale. On dit que le prisme a décomposé la lumière du soleil.
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Le prisme décompose la lumière blanche : on peut observer les différentes longueurs d'onde qui composent le spectre visible. |
La lumière blanche est une lumière composée par combinaison de toutes les couleurs du spectre visible. C'est Isaac Newton qui fit cette observation pour la première fois, en 1666. Il démontra, en outre, qu'un phénomène inverse était possible. En animant un disque qui présente des secteurs colorés d’un mouvement de rotation rapide, il devient blanc.
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L'association de plusieurs couleurs conduit à une infinité de teintes et de nuances. On remarque en effet que la combinaison de trois lumières monochromatiques, le rouge, le vert et le bleu, permet d'obtenir toutes les couleurs (sauf le pourpre).
James Clerk Maxwell a proposé un étalonnage de couleurs, mais d'autres
choix sont possibles, comme le montre la variété de rendus des couleurs sur les
écrans de télévision et les photographies en couleur.
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La rétine de l'œil, on a pu le voir, comporte des cellules photoréceptrices, les cônes, qui fonctionnent comme des récepteurs sensibles à la couleur. Il existe en réalité trois sortes de cônes, qui correspondent approximativement à la perception d'une des couleurs de base. Leurs molécules sont sensibles à des longueurs d’ondes différentes, dont les pics se situent dans le bleu, le vert et le rouge. L’ensemble des longueurs d’onde perçues constitue le spectre visible. La perception des couleurs chez l'homme est appelée pour cette raison "trichromatique".
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On peut voir sur ce graphe les différents pics d'intensité lumineuse des trois couleurs sur lesquelles se base la vision trichromatique de l'homme: on remarque ainsi, qu'un vert sera naturellement plus lumineux qu'un rouge ou qu'un bleu. |
Toutefois, la perception des couleurs est un processus physiologique complexe et la longueur d'onde de la lumière n’est pas l'unique facteur constituant la sensation colorée.
La sensation produite par une lumière quelconque provient du mélange, dans un rapport donné, d'une lumière blanche et d'une lumière monochromatique dite dominante. On peut ainsi définir la lumière selon trois aspects différents : physique, psychophysique et psychosensorielle. Ces différents aspects prennent plus ou moins compte de l’interprétation que fait l’individu de la couleur, mais ils prennent en compte les mêmes caractéristiques.
| Aspect physique | Aspect psychophysique | Aspect psychosensoriel
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| Longueur d’onde |
Tonalité
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 bleu, vert, rouge… |
| Luminance |
Luminosité
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  L'image de droite est plus lumineuse. |
| Pureté | Saturation |
 Couleur délavée, pure… |
La teinte s’exprime par le nom de la couleur et est caractérisée par sa longueur d’onde. La plus petite variation provoque l’apparition d’une tonalité différente : c’est la « sensibilité différentielle ». Cette sensibilité varie dans le spectre : elle est mauvaise aux extrémités du spectre, en revanche très fine en son centre. Ainsi, à 490 et 590 nm, une variation de 1 nm marque un seuil différentiel chromatique, c’est-à-dire la perception d’une évolution de la tonalité.
Dans le spectre lumineux, un sujet normal peut individualiser quelques 150 tonalités différentes. La modification de la tonalité est entraînée par celle de la longueur d’onde et celle de l’intensité.
La luminosité, correspond aux différences entre les teintes claires et sombres. La luminosité résulte du niveau énergétique du rayonnement : ce n’est donc pas un facteur chromatique. A énergie égale, un vert paraît plus lumineux qu’un bleu. C’est ce qu’on appelle « l’efficacité lumineuse de la couleur », qui atteint son maximum à une longueur d’onde de 560 nm. On peut retrouver ce résultat avec les courbes d’intensités lumineuses en fonction des différents cônes, dans le graphe précédent.
La saturation, ou pureté, correspond quant à elle, à la quantité nécessaire de couleur pour faire varier le blanc : plus elle est importante, moins la couleur est dite saturée, ce qui correspond au centre du spectre, à la couleur jaune, par exemple. Au contraire, aux extrémités du spectre, les couleurs sont très fortement saturées.
La combinaison des échelons de tonalité et de saturation permet à un œil normal de percevoir près de 17 000 sensations différentes.
Deux lumières sont
complémentaires quand, agissant simultanément et en proportions convenables sur
l'oeil moyen, elles lui donnent l'impression d'une lumière blanche.
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L’éclairement, et donc l’environnement influencent la couleur d’un objet. Lorsqu'il est éclairé, sa couleur dépend des radiations qu'il « diffuse ».
Il est transparent et incolore s'il transmet toutes les radiations du spectre visible ; il est blanc s'il diffuse, également dans toutes les directions, toutes les radiations lumineuses qu'il reçoit ; il apparaît noir s'il absorbe intégralement toutes les radiations visibles incidentes.
Illuminé par de la lumière blanche objective, il apparaîtra d'une couleur donnée s'il diffuse les radiations correspondant à cette couleur et absorbe les autres radiations du spectre visible.
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Une
surface blanche renvoie toute la lumière.
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Une
surface noire ne renvoie aucune lumière.
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Une
surface verte renvoie les rayonnements verts et absorbe toutes les autres
couleurs.
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La colorimétrie consiste à étudier la part de chaque paramètre dans une couleur : la teinte, la luminosité et la pureté. On peut, grâce à cette étude, expliquer la coloration des objets, ou analyser la composition spectrale de la lumière.
Les objets absorbent certaines longueurs d’ondes de la lumière et réfléchissent les autres qui se combinent pour donner une nouvelle couleur. Ainsi, comme on l’a déjà vu, un objet blanc renvoie toutes les longueurs d’ondes, tandis qu’un objet noir les absorbe toutes. Avec les trois couleurs primaires rouge, bleu-violet et vert, on peut recréer toutes les nuances possibles, en en absorbant une ou plusieurs : on parle de synthèse soustractive. C’est le phénomène utilisé en peinture, et qui permet aux objets d’avoir une couleur.
En revanche, en combinant les couleurs, on parle de synthèse additive, c’est l’œil qui fait le mélange. On peut retrouver ce phénomène en projetant des lumières colorées sur un écran. La synthèse additive est utilisée par l’homme dans les écrans de télévision notamment.
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