Comment voit-on les couleurs ?

Par , le (édité le 10/07/2016)

Introduction

Qu'est-ce qu'une couleur? Et comment les perçoit-on? Bien que les couleurs soient un concept auquel on est très familier, car on est capable d'associer une couleur à la plupart des objets, le lien entre une lumière et la couleur perçue est assez complexe à appréhender. Cette page explique ce lien.


Qu'est-ce qu'une couleur?

Caractérisation physique d'une lumière

A une lumière donnée, on est capable d'associer une couleur. Si l'œil est capable de dire qu'une lumière a une couleur différente d'une autre, c'est qu'une propriété physique est différente entre les deux lumières.

Une lumière peut-être vue comme un ensemble de rayons lumineux qui sont chacun caractérisés par leur intensité et leur longueur d'onde. La luminance ou l'intensité représente le caractère clair ou sombre, et la longueur d'onde peut être associée à une teinte perçue. L'ensemble de rayons lumineux forme alors la lumière totale, qui est donc caractérisée par les longueurs d'onde et les intensités des rayons élémentaires qu'elle contient. C'est ce qu'on appelle un spectre, que l'on peut représenter par une courbe donnant l'intensité en fonction de la longueur d'onde:

Spectre du soleil
Spectre du soleil

Chaque longueur d'onde est associée à une teinte (ou à du noir, si cette longueur d'onde est invisible à l'œil). Pour la partie visible du spectre, les teintes vont du violet au rouge en passant par toutes les couleurs de l'arc-en-ciel pour des longueurs d'onde allant de 400 à 750 nanomètres environ. Un spectre peut donc être représenté par une sorte d'arc-en-ciel où:

  • les longueurs d'onde dont l'intensité est nulle dans le spectre sont représentées en noir,

  • les longueurs d'onde dont l'intensité est non nulle sont représentée par une couleur de la teinte de la longueur d'onde, avec une luminance proportionnelle à l'intensité.

Aligné sur le graphe ci-dessus, la représentation "en arc-en-ciel" du spectre du soleil est la suivante:

Spectre du soleil avec arc-en-ciel
Spectre du soleil avec représentation en arc-en-ciel. Les creux dans le graphe apparaissent sous la forme de franges sombres sur le spectre en arc-en-ciel. La couleur globale de ce spectre est blanc, car il additionne de manière quasi égale toutes les longueurs d'onde du spectre visible.

Avec des filtres, on peut changer la couleur d'une lumière. Par exemple, un filtre qui absorbe toutes les longueurs d'onde du spectre visible, sauf celles proches du bleu va transformer la lumière du soleil en un spectre comme celui ci-dessous. La couleur perçue par l'œil sera alors bleue:

Spectre de la lumière du soleil après un filtre bleu
Spectre de la lumière du soleil après un filtre bleu. Le spectre en en fait la multiplication du spectre du soleil avec une fonction d'absorption qui caractérise le filtre. Ainsi, on arrive encore à distinguer certains creux du spectre du soleil.

Perception par l'œil

Idéalement, pour avoir le plus d'information sur une lumière, l'œil devrait être capable de mesurer le spectre entier, c'est-à-dire qu'il devrait avoir différents détecteurs de lumière, chacun sensible à une longueur d'onde unique, avec l'ensemble des détecteurs couvrant toutes les longueurs d'onde. En pratique, ce n'est pas le cas, ce qui complique un peu le concept de "couleur". Les détecteurs de l'œil humain sont des cônes, et il n'y en a que trois types: S, M et L qui ont un maximum de sensibilité à ces longueurs d'onde:

  • S: 440 nm

  • M: 540 nm

  • L: 560 nm

Chaque type de cône est également sensible à des longueurs d'ondes proches de son maximum de sensibilité comme le montre le graphe suivant. Ceci permet à l'œil de détecter de la lumière dans un large spectre de longueurs d'ondes, et pas seulement à 440, 540 et 560 nm.

Sensibilité par cône de l'œil humain
Sensibilité de l'œil humain par cône (S, M ou L)

Lorsqu'une lumière tape un endroit de la rétine de l'œil, elle excite les cônes, et transmet une information au cerveau. De façon simplifiée, cette information est représentée par trois nombres qui sont la réponse de chaque type de cônes à la lumière. Voici quelques exemples:

  • Une lumière faite d'une seule longueur d'onde de 420 nm n'excitera, d'après le graphique ci-dessus, quasiment que les photorécepteurs S. Cette information sera perçue comme une couleur bleue.

  • Une lumière faite d'une seule longueur d'onde de 600 nm excitera principalement les photorécepteurs L, et, dans une moindre mesure M. Comme les capteurs sont excités différemment de l'exemple précédent, la couleur perçue est différente. Ici, ce sera rouge-orangé.

Le fait de n'avoir que trois capteurs limite les capacités de l'œil: différents spectres lumineux peuvent être perçus comme ayant la même couleur. Par exemple, les deux spectres suivants activent tous les deux les récepteurs S, M et L de la même façon, et la couleur perçue est jaune dans les deux cas:

Spectre de jaune pur
Spectre de vert et rouge vu jaune

Ceci est à la fois un inconvénient et un avantage. L'inconvénient est qu'on ne peut pas différencier certaines combinaisons de longueurs d'onde, ce qui limite notre perception du monde qui nous entoure. L'avantage, est que comme nous n'avons que trois capteurs, il est possible de générer toutes les couleurs observables avec seulement trois lumières. C'est le principe des écrans en couleur des télévisions, téléphones et ordinateurs, où chaque point d'une image est affiché en utilisant trois petites lampes, rouge, verte et bleue. Regarde cette page pour plus de détails sur les couleurs de la télévision.