Les couleurs

La lumière est une forme d'énergie qui se propage sous forme d'ondes électromagnétiques. Ce que nous appelons la lumière blanche n'est pas une couleur unique, mais un mélange de plusieurs couleurs.

La lumière blanche est un mélange de toutes les couleurs de l'arc-en-ciel.

• Spectre visible : Nos yeux ne peuvent percevoir qu'une petite partie du spectre électromagnétique, appelée le spectre visible. Ce spectre va du violet (longueur d'onde courte, environ 400 nm) au rouge (longueur d'onde longue, environ 700 nm). Chaque couleur correspond à une longueur d'onde spécifique.

  • Longueur d'onde ($\lambda$) : C'est la distance entre deux crêtes successives d'une onde. Elle est mesurée en nanomètres (nm).

• Décomposition de la lumière : La lumière blanche peut être séparée en ses couleurs composantes. C'est ce que l'on observe avec un prisme ou un arc-en-ciel. Chaque couleur est une lumière monochromatique (une seule couleur, une seule longueur d'onde).

• Dispersion par un prisme : Un prisme est un bloc de verre ou de plastique transparent. Lorsque la lumière blanche le traverse, elle est déviée. Cependant, la déviation n'est pas la même pour toutes les couleurs. La lumière violette est plus déviée que la lumière rouge. Ce phénomène, appelé dispersion, sépare la lumière blanche en son spectre de couleurs.

  • C'est un peu comme une course d'obstacles où chaque coureur (couleur) a une vitesse légèrement différente selon l'obstacle (le prisme).

Notre capacité à voir les couleurs est un processus complexe impliquant la lumière et notre système visuel.

• Rétine : C'est la partie de l'œil située au fond, qui tapisse l'intérieur. Elle contient des cellules sensibles à la lumière, appelées photorécepteurs.

• Cônes et bâtonnets : Il existe deux types principaux de photorécepteurs :

  • Les bâtonnets : Ils sont très sensibles à la lumière, mais ne distinguent pas les couleurs. Ils sont responsables de la vision en basse lumière (vision nocturne) et de la perception des mouvements.
  • Les cônes : Ils sont moins sensibles à la lumière, mais sont responsables de la vision des couleurs et de la vision des détails. Nous avons trois types de cônes, chacun étant plus sensible à une certaine gamme de longueurs d'onde.

• Vision trichromatique : C'est la capacité de l'œil humain à percevoir toutes les couleurs en combinant trois couleurs primaires. Nos trois types de cônes sont principalement sensibles :

  • Aux longueurs d'onde "rouges" (L pour long)
  • Aux longueurs d'onde "vertes" (M pour medium)
  • Aux longueurs d'onde "bleues" (S pour short) Le cerveau interprète les signaux envoyés par ces trois types de cônes pour créer la sensation de couleur. Par exemple, si les cônes "rouges" et "verts" sont activés simultanément, nous percevons du jaune.

Selon la manière dont nous mélangeons les couleurs (lumière ou pigments), nous utilisons des couleurs primaires différentes.

• Synthèse additive (RVB) : Concerne le mélange de lumières colorées.

  • Les couleurs primaires additives sont le Rouge, le Vert et le Bleu (RVB).
  • En mélangeant ces trois lumières colorées en différentes proportions, on peut recréer presque toutes les couleurs du spectre visible.
  • Rouge + Vert = Jaune
  • Vert + Bleu = Cyan
  • Bleu + Rouge = Magenta
  • Rouge + Vert + Bleu = Blanc (toutes les lumières mélangées donnent du blanc)
  • C'est le principe utilisé par les écrans de télévision, d'ordinateurs ou de smartphones.

• Synthèse soustractive (CMJ) : Concerne le mélange de pigments ou d'encres (matière).

  • Les couleurs primaires soustractives sont le Cyan, le Magenta et le Jaune (CMJ).
  • Ces pigments "absorbent" certaines couleurs de la lumière blanche et "réfléchissent" les autres.
  • Cyan + Jaune = Vert
  • Jaune + Magenta = Rouge
  • Magenta + Cyan = Bleu
  • Cyan + Magenta + Jaune = Noir (en théorie, en réalité un marron sale car les pigments ne sont pas parfaits)
  • Ce principe est utilisé en imprimerie et en peinture.

• Couleurs complémentaires : Deux couleurs sont dites complémentaires si leur mélange (en synthèse additive) donne du blanc, ou si leur mélange (en synthèse soustractive) donne du noir.

  • En synthèse additive (RVB) :
    • Rouge et Cyan
    • Vert et Magenta
    • Bleu et Jaune
  • En synthèse soustractive (CMJ) :
    • Le complémentaire du Rouge est le Cyan.
    • Le complémentaire du Vert est le Magenta.
    • Le complémentaire du Bleu est le Jaune.

Lorsqu'un rayon lumineux frappe un objet, plusieurs phénomènes peuvent se produire :

• Absorption : L'énergie lumineuse est absorbée par la matière et souvent convertie en chaleur. C'est pourquoi un vêtement noir chauffe plus vite au soleil qu'un vêtement blanc.
• Diffusion : La lumière est renvoyée dans toutes les directions par la surface de l'objet. C'est ce qui nous permet de voir des objets qui ne sont pas des sources lumineuses.
  • La diffusion spéculaire est une réflexion dans une direction privilégiée (comme un miroir).
  • La diffusion diffuse (ou réflexion diffuse) est une réflexion dans toutes les directions (comme une feuille de papier mat).
• Transmission : La lumière traverse l'objet. C'est le cas des objets transparents comme le verre ou l'eau.

La couleur d'un objet dépend des longueurs d'onde qu'il absorbe, diffuse ou transmet.

• Loi de Beer-Lambert (qualitatif) : Cette loi décrit comment l'absorption de la lumière par une substance dépend de la concentration de cette substance et de l'épaisseur du milieu traversé. Qualitativement, plus il y a de matière absorbante, moins il y a de lumière qui traverse.
  • $A = \epsilon \cdot l \cdot C$ (où $A$ est l'absorbance, $\epsilon$ le coefficient d'extinction molaire, $l$ la longueur du trajet optique, $C$ la concentration). Pour nous, il suffit de comprendre que l'absorption est proportionnelle à la quantité de matière rencontrée.

Un objet opaque est un objet qui ne laisse pas passer la lumière. Sa couleur est déterminée par les couleurs qu'il diffuse.

• Absorption sélective : Lorsqu'un objet opaque est éclairé par de la lumière blanche, il absorbe certaines longueurs d'onde et en diffuse d'autres.

  • Un objet nous apparaît rouge parce qu'il absorbe toutes les couleurs de la lumière blanche SAUF le rouge, qu'il diffuse.
  • Un objet noir absorbe presque toutes les longueurs d'onde.
  • Un objet blanc diffuse presque toutes les longueurs d'onde.

• Diffusion de la lumière : La lumière diffusée par l'objet est celle qui parvient à nos yeux et que nous interprétons comme sa couleur.

  • Si vous éclairez un objet bleu avec de la lumière rouge, il apparaîtra noir (ou très sombre) car il absorbe le rouge et n'a pas de bleu à diffuser.
  • La couleur perçue d'un objet opaque dépend de la lumière qui l'éclaire et des couleurs qu'il diffuse.

Un objet transparent (ou translucide) est un objet qui laisse passer la lumière. Sa couleur est déterminée par les couleurs qu'il transmet.

• Transmission sélective : Un objet transparent coloré absorbe certaines longueurs d'onde et laisse passer les autres.

  • Un filtre vert transmet la lumière verte et absorbe les autres couleurs (rouge, bleu, etc.).
  • Si vous placez un filtre rouge devant une lumière blanche, seule la lumière rouge le traverse.
  • Si vous placez ensuite un filtre bleu après le filtre rouge, aucune lumière ne passera, car le filtre rouge a déjà bloqué le bleu, et le filtre bleu bloquera le rouge.

• Filtres colorés : Ce sont des matériaux transparents conçus pour absorber sélectivement certaines couleurs de la lumière, ne laissant passer que les couleurs désirées. Ils sont utilisés en photographie, en éclairage de scène, etc.

• Spectre d'absorption : C'est le graphique qui montre les longueurs d'onde de la lumière qu'une substance absorbe le plus. Chaque substance colorée a un spectre d'absorption unique. Les couleurs que nous voyons sont celles qui ne sont PAS absorbées.

Comme mentionné précédemment, la synthèse additive concerne le mélange de lumières colorées.

• Rouge, Vert, Bleu (RVB) : Ce sont les trois couleurs primaires de la synthèse additive.
  • Rouge (R)
  • Vert (V)
  • Bleu (B)
• Écrans (TV, ordinateurs, smartphones) : Ces appareils utilisent de minuscules points lumineux appelés pixels. Chaque pixel est composé de trois sous-pixels : un rouge, un vert et un bleu. En faisant varier l'intensité de chaque sous-pixel, l'écran peut produire des millions de couleurs différentes. Par exemple, pour afficher du jaune, les sous-pixels rouge et vert sont allumés à pleine intensité, tandis que le bleu est éteint. Pour afficher du blanc, les trois sous-pixels sont allumés à pleine intensité.
• Mélange de lumières colorées : C'est le principe derrière les projecteurs de scène ou les éclairages de discothèque. En combinant des faisceaux lumineux RVB, on peut créer des ambiances colorées variées.

La synthèse soustractive concerne le mélange de pigments ou d'encres.

• Cyan, Magenta, Jaune (CMJ) : Ce sont les trois couleurs primaires de la synthèse soustractive.
  • Cyan (C) : Absorbe le rouge, réfléchit le vert et le bleu.
  • Magenta (M) : Absorbe le vert, réfléchit le rouge et le bleu.
  • Jaune (J) : Absorbe le bleu, réfléchit le rouge et le vert.
  • Souvent, on ajoute le Noir (K pour Key ou Black) pour obtenir des noirs plus profonds et économiser les autres encres. C'est le modèle CMJN.
• Impression (encres, peintures) : Les imprimantes couleur utilisent les encres CMJN. En superposant des couches de ces encres, elles filtrent sélectivement les couleurs de la lumière blanche réfléchie par le papier.
  • Par exemple, pour imprimer du vert, l'imprimante dépose des encres cyan et jaune. Le cyan absorbe le rouge, le jaune absorbe le bleu. Seul le vert est réfléchi vers nos yeux.
• Mélange de pigments : C'est aussi le principe de la peinture. Quand un peintre mélange du bleu et du jaune, il obtient du vert. La peinture bleue absorbe le rouge et le jaune, elle diffuse le bleu et un peu de vert. La peinture jaune absorbe le bleu et diffuse le rouge et le vert. La seule couleur que les deux pigments diffusent en commun est le vert.

Nous avons déjà défini les couleurs complémentaires. Elles ont des applications pratiques intéressantes.

• Définition des couleurs complémentaires : Deux couleurs sont complémentaires si leur mélange en synthèse additive donne du blanc, ou si l'une absorbe la couleur que l'autre diffuse.
  • Exemples : Rouge et Cyan, Vert et Magenta, Bleu et Jaune.
• Annulation des couleurs : En synthèse soustractive, mélanger des pigments complémentaires conduit à une absorption maximale, donc à du noir ou du gris foncé. C'est pourquoi il faut éviter de mélanger trop de couleurs différentes en peinture si l'on veut éviter d'obtenir une boue marron.
• Applications artistiques et techniques :
  • Contraste et dynamisme : Les artistes utilisent les couleurs complémentaires pour créer un contraste visuel fort et attirer l'attention. Par exemple, une touche de rouge sur un fond vert.
  • Correction des couleurs : En photographie ou en vidéo, on utilise des filtres ou des réglages de couleurs complémentaires pour neutraliser des teintes indésirables. Si une image a une dominante jaune, on peut ajouter du bleu pour la corriger.
  • Théorie des couleurs : Comprendre les complémentaires est essentiel pour la conception graphique, la mode, et l'aménagement intérieur.

Pourquoi le ciel est-il bleu le jour et rouge-orange au coucher du soleil ? C'est le résultat d'un phénomène appelé la diffusion de Rayleigh.

• Diffusion de Rayleigh : Ce type de diffusion se produit lorsque la lumière interagit avec des particules beaucoup plus petites que sa longueur d'onde (comme les molécules de gaz de l'atmosphère).

  • Les ondes lumineuses de courte longueur d'onde (bleu, violet) sont diffusées beaucoup plus efficacement que les ondes de longue longueur d'onde (rouge, orange).
  • La diffusion de Rayleigh est inversement proportionnelle à la quatrième puissance de la longueur d'onde ($\frac{1}{\lambda^4}$). Cela signifie que le bleu est diffusé environ 16 fois plus que le rouge !

• Atmosphère terrestre : Pendant la journée, lorsque le soleil est haut dans le ciel, la lumière du soleil traverse une couche d'atmosphère relativement mince. Le bleu est fortement diffusé dans toutes les directions, ce qui donne au ciel sa couleur bleue. La lumière directe du soleil qui nous parvient a perdu une partie de son bleu, mais elle reste globalement blanche.

• Longueur d'onde : Au lever et au coucher du soleil, la lumière doit traverser une couche beaucoup plus épaisse de l'atmosphère. Pendant ce long trajet, presque tout le bleu et le vert sont diffusés hors de notre ligne de vision. Il ne reste alors que les longueurs d'onde plus longues (rouge et orange) pour nous parvenir directement, créant ainsi les magnifiques couchers de soleil.

Un arc-en-ciel est un phénomène optique et météorologique qui se produit lorsque le soleil brille sur des gouttes d'eau en suspension dans l'air.

• Dispersion de la lumière : La lumière du soleil (blanche) pénètre dans une goutte d'eau. Comme un prisme, la goutte d'eau disperse la lumière en ses couleurs constitutives, car chaque couleur est réfractée (déviée) sous un angle légèrement différent.
• Réflexion et réfraction :
  1. La lumière pénètre dans la goutte d'eau et est réfractée (déviée).
  2. Elle atteint le fond de la goutte et est réfléchie (comme par un miroir).
  3. Elle ressort de la goutte et est à nouveau réfractée en sortant.
• Gouttes d'eau : Des millions de gouttes d'eau agissent comme de minuscules prismes et miroirs, séparant et réfléchissant la lumière du soleil. Chaque goutte d'eau produit un spectre complet, mais en raison de l'angle d'observation, nous ne voyons qu'une seule couleur par goutte à un instant donné. L'arc-en-ciel est un phénomène collectif où des milliards de gouttes d'eau renvoient des couleurs différentes vers nos yeux, formant un arc.
  • Pour voir un arc-en-ciel, le soleil doit être derrière vous et la pluie (ou les gouttelettes d'eau) devant vous.

Contrairement aux couleurs pigmentaires (qui absorbent certaines longueurs d'onde), les couleurs structurelles ne proviennent pas de pigments mais de la structure physique d'un matériau. Elles sont souvent appelées iridescence.

• Interférences : L'iridescence est principalement due à des phénomènes d'interférence lumineuse. Lorsque la lumière frappe des structures très fines (de l'ordre de la longueur d'onde de la lumière), elle est réfléchie par plusieurs surfaces proches. Ces ondes réfléchies peuvent se superposer et interférer.

  • Si les ondes s'ajoutent (interférence constructive), la couleur est intensifiée.
  • Si les ondes s'annulent (interférence destructive), la couleur disparaît.
  • La couleur perçue change avec l'angle d'observation, car la distance parcourue par la lumière entre les différentes surfaces change.

• Diffraction : La diffraction est la déviation des ondes lumineuses lorsqu'elles rencontrent un obstacle ou une ouverture. Dans le cas des couleurs structurelles, la lumière est diffractée par des réseaux de microstructures régulières.

• Exemples naturels (ailes de papillons, bulles de savon) :

  • Ailes de papillons : Les ailes de papillons morpho, par exemple, ne contiennent pas de pigment bleu. Leur couleur bleue éclatante provient de nanostructures en forme de sapin sur leurs écailles qui interfèrent avec la lumière, ne laissant passer que le bleu selon l'angle.
  • Bulles de savon : La fine couche d'eau et de savon d'une bulle est si mince que la lumière se réfléchit sur les surfaces intérieure et extérieure de la couche. Ces réflexions interfèrent entre elles, créant les motifs colorés changeants que nous voyons. L'épaisseur de la bulle et l'angle de vue déterminent les couleurs observées.
  • Plumes de paon, coquilles d'huîtres, CD/DVD sont d'autres exemples courants d'iridescence.

Ce chapitre nous a permis de comprendre que les couleurs sont bien plus qu'une simple sensation : elles sont le résultat fascinant des interactions entre la lumière, la matière et notre système visuel.