Colorimétrie : caractéristiques de l’œil humain – spectre des couleurs

I – Caractéristiques physiques et physiologiques de la vision

Avant d’examiner les caractéristiques et phénomènes de la vision, il est nécessaire de bien connaître la constitution de l’œil.

A) Constitution de l’œil

L’œil est un des organes les plus importants mis à notre disposition par la nature : c’est un des organes des sens qui nous permet le mieux de connaître le monde extérieur.

Il est remarquable de constater que l’œil est un des premiers organes à apparaître sur l’embryon : cette précocité rappelle, sans doute, le rôle de la lumière dans l’origine de la vie.

Le globe oculaire de l’homme a la forme d’une sphère de 23 mm de diamètre environ (figure 1) .

1) L’enveloppe de l’œil, constituée par l’enveloppe externe, la sclérotique, membrane protectrice très résistante de nature fibreuse et épaisse. Vers l’avant, elle devient plus bombée et transparente et forme la cornée.

Sur la face interne de la sclérotique se trouve la choroïde, pigmentée en noir et qui transforme l’œil en chambre noire. Vers l’avant, la choroïde prend une forme circulaire plane, l’iris, percé d’un trou appelé pupille. L’iris peut être diversement coloré(yeux bleus, verts, bruns…).

2) La cornée : calotte sphérique de 16 mm de diamètre et de 2 mm d’épaisseur d’environ.

3) L’humeur aqueuse : liquide transparent remplissant la cavité comprise entre la cornée et le cristallin. Son indice de réfraction est de 1,337. Elle est constituée d’eau et de sels minéraux.

4) Le cristallin : il forme une lentille convexe dont la convergence est commandée, selon la distance de l’objet regardé, par les contractions du muscle ciliaire situé à la périphérie. Cette souplesse de déformation diminue avec l’âge.

Le noyau central est plus réfringent que les couches externes. De l’extérieur jusqu’au noyau, l’indice croît de 1,337 (indice de l’humeur aqueuse), jusqu’à 1,437, ce qui a pour effet de corriger l’excès de convergence des bords.

5) L’humeur vitrée : elle remplit le globe oculaire entre le cristallin et la rétine. C’est un liquide transparent et gélatineux d’indice de réfraction égal à 1,35.

6) La rétine : le fond de l’œil est tapissé par une membrane très fragile, jaunâtre et transparente. C’est la partie sensible de l’œil. Cette sensibilité est due à deux sortes de cellules :

Les bâtonnets : comme leur nom l’indique, ces cellules ont une forme allongée (figure 2) . Ils sont colorés en rose par le pourpre rétinien qui les rend sensibles à la lumière. Ils ne sont pas sensibles à la couleur et travaillent essentiellement en vision crépusculaire. On compte environ 120 millions de bâtonnets dans la rétine humaine.

Les cônes : ce sont les seuls à être sensibles à la couleur. Ils participe essentiellement à la vision diurne.

Les cônes ont des dimensions et des formes assez variables et sont au nombre de 7 millions seulement. Ils contiennent très peu de pourpre rétinien et sont beaucoup moins sensibles à la lumière que les bâtonnets, ils sont, par contre, sensibles aux différences de couleur.

Ceci explique pourquoi à la lumière de la lune, on ne perçoit plus les couleurs, l’intensité de la lumière est trop faible pour exciter les cônes et seuls les bâtonnets sont excités.

Cônes et bâtonnets constituent donc les récepteurs de lumière de l’œil. Ceux-ci sont reliés par les neurones bipolaires et multipolaires, véritables cellules de transmission des influx nerveux au nerf optique. Ce dernier se détache du fond de l’œil à partir d’un point appelé le point aveugle (en effet, ce point n’est pas sensible aux excitations lumineuses).

B) Fonctionnement de l’œil

1) formation des images

l’œil fonctionne comme un appareil photographique. Il comprend donc un objectif qui est le cristallin, un diaphragme qui est l’iris, une chambre noire, l’intérieur de l’œil, une plaque sensible, la rétine (figure 3) .

Il peut être assimilé à une lentille convergente dont la distance focale serait de :

f = 0,015 mètre (figure 3 b)

Sa convergence (inverse de la distance focale exprimée en mètre) est donc de  :

C = = = 66 dioptries

2) mise au point des images (accommodation)

Fonctionnement normal : un objet éloigné est vu net (par l’œil normal). Si l’on rapproche l’objet de plus en plus, on constate une variation de la courbure de la face antérieure du cristallin qui entraîne une variation de la convergence des milieux transparents de l’œil : le cristallin se déforme (figure 4) .

C’est grâce à cette déformation du cristallin que l’image reste nette sur la rétine : c’est l’accommodation.

Le point le plus rapproché que l’œil peut voir nettement sans accommodation est le punctum remotum.

Le point le plus rapproché correspondant au maximum d’accommodation est le punctum proximum.

L’intervalle qui sépare le punctum remotum et le punctum proximum s’appelle l’intervalle d’accommodation.

La valeur maximum de cet intervalle est l’amplitude d’accommodation. En pratique, on ne peut soutenir longtemps, sans fatigue, qu’environ les 2/3 de l’amplitude d’accommodation.

Dans un œil normal, le punctum remotum est à 60 m environ(les objets plus éloignés sont vus sans accommodation) et le punctum proximum est à 15 cm environ, les objets plus rapprochés ne peuvent pas être vus nets (figure 5) .

Défauts d’accommodation : deux cas peuvent se présenter :

La myopie : l’intervalle de distance pour lequel s’effectue l’accommodation est beaucoup plus faible et variable selon le degré de myopie. La correction de ce défaut se fait par l’usage de lentilles divergentes.

L’hypermétropie : la distance minimale de vision nette est supérieure à la normale. La correction de ce défaut s’effectue au moyen de lentilles convergentes.

3) Sensibilité de l’œil et action du diaphragme

L’épiderme, chez l’homme, possède une sensibilité assez développée, un aveugle par exemple, en approchant la main d’un mur sent l’obstacle par la chaleur réfléchie. Mais la sensibilité de la rétine de l’œil est environ cent milliards de fois plus grande.

Si l’intensité lumineuse augmente, un phénomène réflexe automatique, rétrécit le diamètre de la pupille, empêchant ainsi l’éblouissement.

4) Facteurs d’excitation de la rétine

Les facteurs commandant l’excitation de la rétine par la lumière, sont au nombre de trois.

a) La longueur d’onde

Les radiations lumineuses, c'est-à-dire celles qui sont perçues par l’œil sont comprises entre 0,4 et 0,7 microns de longueur d’onde. L’œil humain distingue ainsi les radiations comprises entre le violet (0,4 ) et le rouge (0,7 ) (figure 6) . L’œil humain ne peut pas distinguer les radiations au-delà de ces limites.

Il ne peut pas voir l’ultra violet et l’infra rouge (à remarquer par exemple que l’œil de l’abeille, lui, est sensible à l’ultra violet).

b) L’intensité

Pour qu’une lumière soit perçues, il faut que son intensité lumineuse soit supérieure à un certain seuil limite.

c) La durée

Pour qu’un éclat lumineux soit perçu, il faut que sa durée soit au minimum de 1 s (c'est-à-dire un millionième de seconde : 1s = 10 seconde).

5) Propriétés de la vision

a) Acuité visuelle

La tache jaune, approximativement dans l’axe de l’œil, est le point sensible de la rétine. Lorsque nous fixons un objet, nous dirigeons instinctivement nos yeux de façon que l’image se forme sur la tache jaune. Dans ces conditions, un œil normale est capable de distinguer à une distance de 20 cm, deux points distants de 0,05 mm. Ceci correspond à un angle de 1 minute (figure 7) .

Les images de ces deux points sur la rétine sont séparées alors par un intervalle de 4 qui est de l’ordre de grandeur du diamètre d’un cône. Ainsi donc, pour que deus points soient vus distinctement, il faut que leurs images sur la rétine soient séparées au moins par un cône non excité.

L’angle de la (figure 7) mesure donc l’acuité visuelle (on dit aussi pouvoir séparateur) de l’œil au niveau de la tache jaune.

Si l’on s’éloigne de la tache jaune, l’acuité visuelle diminue et devient environ 150 fois plus faible.

De cette propriété de l’œil, il découle immédiatement que le nombre de lignes qui composent une image de télévision devra être égal ou supérieur à un certain minimum. Pour que la trame de la ( figure 8) ne soit pas visible, il faudra que le nombre de lignes soit supérieur à un certain nombre. Si l’on nomme ’ l’angle sous lequel un observateur voit son écran de téléviseur de hauteur égale à trois et placé à une distance D = 20 de celui-ci, on a :

’ = et tg’ = = = 0,075

Soit ’ = 4° 18’ soit 258 minutes.

L’angle ’ est donc de 516 minutes soit 516 fois le pouvoir séparateur de l’œil.

Le nombre de lignes minimum visibles devra donc être de 516 environ et comme le total de lignes est environ 10 % supérieur, on devra avoir : L 516 + 51 = 567 lignes environ.

C’est pourquoi on a choisi 625 lignes pour le standard européen.

b) Persistance rétinienne

Sous l’action de la lumière, des influx nerveux apparaissent au niveau de la rétine. Ces influx persistent sur celle-ci pendant 1/50 à 1/30ème de seconde après la fin de l’excitation lumineuse.

Ceci est en parfait accord avec l’hypothèse d’une excitation chimique qui nécessite une certaine durée.

La persistance rétinienne permet en particulier la cinématographie et la télévision. En effet, une succession rapide d’images fixes donne l’illusion du mouvement.

Ainsi par exemple, le cinéma d’amateur utilise une succession de 16 images par seconde (ce qui correspond à un temps de 1/32éme de seconde de projection par image) tandis que le cinéma professionnel utilise une succession de 24 images par seconde (temps de projection de chaque image 1/48^ème de seconde).

c) Appréciation des contrastes

La rétine est sensible aux différence d’intensité lumineuse.

On appelle contraste, la différence d’impression lumineuse produite sur l’œil par deux éléments de surface différemment illuminés (on dit de luminance différente).

On a déterminé, expérimentalement, que pour percevoir cette différence, il fallait que les deux luminances différent d’au moins 1 %.

d) Appréciation des couleurs

C’est la présence des cônes dans la rétine qui permet la perception des différentes couleurs.

Ces couleurs ne sont perçues qu’à partir d’une certaine intensité du faisceau lumineux appelée seuil chromatique.

D’autre part, la sensibilité de l’œil en fonction de la longueur d’onde de la radiation perçue, n’est pas constante tout au long du spectre visible, qui s’étend, nous l’avons vu, d’environ 0,4 à 0,7 microns (figure 6) . La figure 9a) montre que cette réponse est en forme de cloche avec un maximum de sensibilité pour la lumière jaune vert et deux minima pour les lumières rouge et bleue.

Cette courbe est valable pour un éclairage moyen normal. Lorsque l’intensité de l’éclairage diminue, on s’aperçoit que la réponse de l’œil se décale vers la gauche, c’est dire que le maximum de sensibilité correspond alors à la couleur verte (figure 9 b) .

Lorsque l’éclairement diminue encore (vision nocturne), toute notion de couleur disparaît : on ne perçoit plus alors le monde qu’en noir et gris.

Signalons enfin que les daltoniens sont aveuglent à toutes les couleurs puisque leur rétine ne possède pratiquement pas de cônes. Ils ne voient les images qu’en noir, gris et blanc uniquement. Ces cas extrêmes sont assez rares.

II – Définition de la couleur

La définition de la couleur n’est pas la même pour un physiologiste, un physicien ou un peintre.

Pour un physiologiste qui étudie les fonctions organiques de la vision, la couleur est une sensation colorée.

Pour un physicien, la couleur n’est que le résultat de la décomposition de la lumière blanche. Pour lui, la couleur est donc synonyme de lumière colorée. Cette lumière colorée est définie par sa longueur d’onde exprimée en microns () ou Angström symbole Å (m).

La longueur d’onde, la fréquence et la période d’une onde électromagnétique sont liées par le relation :

= C . T = où C est la vitesse de la lumière dans le vide (C 300 000 Km/s). T la période de la vibration lumineuse et F sa fréquence.

Pour un peintre, un teinturier, un imprimeur, la couleur est la matière colorée utilisée pour produire la colorisation.

III – Dispersion de la lumière par un prisme

Prenons un prisme et projetons sur celui-ci de la lumière blanche, provenant par exemple d’une fente éclairée par le soleil. Un magnifique spectre coloré (figure 10) apparaît alors sur l’écran (feuille de papier blanc) que nous aurons pris soin de disposer derrière le prisme (figure 11) .

Les radiations qui traversent la substance transparente, en l’occurrence notre prisme (en verre par exemple) prennent des vitesses différentes selon leur longueur d’onde. Les vitesses sont de plus en plus faibles lorsque la longueur d’onde de la radiation diminue.

Le prisme est caractérisé par son indice de réfraction n qui croît du rouge au violet. On appelle indice de réfraction n, le rapport des vitesses de la lumière dans le vide et dans le milieu considéré :

n = =

IV – Couleur des objets

La couleur, telle qu’elle est perçue par le cerveau est une sensation physiologique impérativement liée à trois facteurs :

1) Nature de l’objet

Si nous regardons en lumière blanche différents papiers colorés et que nous disons que l’un est rouge, l’autre jaune et le troisième bleu, cela veut dire tout simplement que le premier absorbe toutes les radiations sauf le rouge, que le second de même renvoie uniquement les radiations jaunes après avoir absorbé toutes les autres et de même pour le papier bleu (figure 12) .

Une feuille de papier blanc, renvoie en principe toutes les radiations. Un corps de couleur noir absorbe au contraire toutes les radiations.

2) Nature de la lumière qui éclaire cet objet et permet à l’œil d’en recevoir le message

La couleur d’un objet est liée à la lumière qui l’éclaire. En effet, prenons par exemple un objet qui paraît de couleur jaune à la lumière du jour. Eclairé par une lumière rouge, ce corps paraîtra rouge clair. Eclairé par une lumière verte, il paraîtra brun.

3) Propriétés de l’œil qui perçoit le message et le transmet au cerveau

Jusqu’à présent, nous avons considéré que l’œil de l’observateur était normal.

Le sujet normal est considéré comme trichromatique, c'est-à-dire que son œil est sensible à trois couleurs fondamentales (rouge, vert et bleu), ce qui lui suffit pour avoir la sensation de toutes les couleurs.

Il existe par ordre de gravité croissante, les anomalies suivantes :

Le trichromatisme anormal : le sujet conserve la vision de trois couleurs fondamentales, mais la courbe spectrale de son œil s’écarte beaucoup de la moyenne. C’est souvent vers les couleurs rouge, rouge orangé que se manifestent les déficiences.

Le dichromatisme : le sujet ne voit plus que deux des couleurs fondamentales. Il présente une cécité totale soit au vert, soit au rouge.

L’achromatisme : le sujet ne perçoit le monde qu’en noir, gris et blanc. Ce cas est extrêmement rare.

Ces anomalies de la vision ont été étudiées par le célèbre chimiste Dalton, d’où le nom de daltoniens donné aux malades les plus marqués.

V – Vision des couleurs

1) Contraste des couleurs

Nous savons que lorsque notre œil perçoit une couleur, il l’enregistre et en transmet un message codé par les nerfs optiques. Ainsi par exemple, si la vision est prolongée, il apparaît une sorte de fatigue des éléments photosensibles de la rétine.

Notre œil ne voit donc pas de la même manière, une surface colorée au début et au bout d’un certain temps.

Pour appuyer cette affirmation, réalisons l’expérience suivante : la (figure 13) représente un rond de couleur rouge vif sur un fond blanc.

Fixons le attentivement pendant environ 30 secondes, puis, brusquement, détournons le regard pour fixer une feuille de papier blanc. Un rond de couleur bleu vert (couleur complémentaire apparaît après quelques secondes.

Ce phénomène est celui des contrastes successifs. Il est du au fait que pendant le temps de la vision du cercle rouge, les éléments sensibles au rouge de la rétine se sont fatigués, pendant que les éléments sensibles au vert se sont reposés. La couleur verte se trouve alors exaltée. Ce phénomène fondamental de l’adaptation visuelle est très important.

Voyons maintenant un autre phénomène voisin. La juxtaposition de deux couleurs produit des effets différents, selon que les teintes sont voisines ou au contraire opposées.

Plaçons un objet rouge foncé sur un fond de grande surface de couleur rouge pâle par exemple ( figure 14 a) .

Les couleurs sont voisines : il va en résulter un effet très doux.

La couleur rouge foncé va paraître moins sombre que si le corps était placé sur un fond blanc.

Par contre, si nous plaçons le même objet rouge foncé sur un fond vert, le contraste va être violent, le fond vert semblant devenir plus vert et le rouge foncé plus rouge encore (figure 14 b) .

C’est ce que l’on appelle le contraste simultané. La vision simultané de deux surfaces différentes colorées qui se touchent, modifie réciproquement les sensations colorées : la plus claire apparaît plus claire qu’elle ne l’est réellement et la plus foncé paraît se foncer davantage.

2) Teinte – Pureté – Intensité

L’œil rattache à une couleur quelconque les trois facteurs suivants :

La teinte : c’est la caractéristique qui se traduit dans le langage courant par des adjectifs tels que : rouge, vert, jaune, pourpre, etc. ou par des combinaisons telles que : bleu vert, rouge orange, vert jaune, etc..

Elle est déterminée en colorimétrie par une longueur d’onde dominante de la couleur considérée.

Par exemple, la couleur jaune vert a une longueur d’onde de 0,555 microns.

La teinte d’une couleur indique celle des couleurs pures dont la couleur se rapproche le plus. Par exemple, une certaine couleur de teinte bleu vert se rapproche de la couleur bleu vert pure de l’arc en ciel (ou celle du spectre coloré donné par le prisme).

La pureté : indique comment la couleur considérée se rapproche plus ou moins de la couleur pure correspondante. Dans le langage courant, la pureté se traduit par les adjectifs pur (ou saturé) ou lavé de blanc (ou lavé tout simplement).

La pureté est également appelé saturation. Prenons par exemple une couleur rouge vif et ajoutons y par mélange, de plus en plus de blanc.

Notre magnifique rouge vif va devenir de plus en plus rose, au fur et à mesure que la proportion de blanc va augmenter. La (figure 15) représente une expérience permettant de le vérifier.

Le projecteur 1 donne la lumière désirée (par exemple rouge vif), le projecteur 2 donne une lumière blanche variable en intensité par l’intermédiaire du rhéostat Rh.

On obtient ainsi toute une gamme de rouges plus ou moins lavés de blanc.

On suppose que le fait de faire varier le rhéostat ne modifie pas la qualité de la lumière blanche, c'est-à-dire on suppose que la lumière reste toujours blanche, mais que seul son intensité varie (ce n’est pas tout à fait exact, car en réalité, la lumière blanche devient plus rouge quand son intensité diminue).

L’intensité : se traduit dans le langage courant pour une source, par des adjectifs intense (ou faible) et par des substantifs luminosité ou brillance.

Pour un objet, on traduira par l’adjectif clair ou foncé et par le substantif clarté.

La caractéristique d’intensité peut être mesurée avec une cellule photoélectrique par exemple. C’est la luminance ou le facteur de luminance.

Si vous lisez votre journal éclairé par une lampe de 25 watts ou par une lampe de 100 watts, l’effet est totalement différent. De même, si vous faites varier à l’aide d’un rhéostat, l’intensité lumineuse de votre projecteur rouge (figure 15) ( le projecteur de lumière blanche étant éteint maintenant), vous pouvez obtenir toute une gamme d’intensité différentes quoique de même couleur fondamentale. Le rouge passera par exemple du foncé (lorsque l’intensité de la lumière sera faible) au rouge clair (lorsque la lumière sera intense).

3) Bases de la colorimétrie

Afin de pouvoir reproduire une couleur avec une précision suffisante comme l’exigeaient de nombreuses techniques (photographie, cinématographie, télévision en couleurs …), on a cherché à la caractériser plus rigoureusement par des données numériques.

Nous avons vu précédemment que la vision colorée pouvait différer d’un individu à l’autre. Il n’est donc pas question de comparer entre elles les sensations de deux observateurs. Mais par contre, nous pouvons demander à chacun d’eux de régler séparément la composition et l’intensité d’une (ou plusieurs) lumière (s), de façon à équilibrer pour que deux plages voisines, vues simultanément, paraissent identiques.

Comme nous allons le voir très bientôt, il est possible de représenter presque n’importe quelle couleur de la nature, en mélangeant dans des proportions bien déterminées trois couleurs seulement, judicieusement choisies parmi toutes les couleurs du spectre.

Comme nous venons de le voir, l’œil, dans une couleur, distingue trois qualités : la teinte, la pureté et la brillance(ou intensité).

Un mélange de trois couleurs bien déterminées permet de reproduire les trois qualités d’une couleur quelconque : on dit que l’on fait alors de la synthèse trichrome.

La représentation trichromatique des couleurs repose sur trois principe fondamentaux que nous allons voir maintenant et qui sont encore connus sous le nom de lois de Grassmann.

VI – Lois de Grassmann

1^ère loi

On peut reproduire n’importe quelle couleur (ou presque) par un mélange additif de trois couleurs (dites primaires).

Les quantités de chacune des trois primaires définissent la couleur reproduite.

2^ème loi : Principe d’additivité :

Soit une couleur C obtenue par un mélange additif de trois couleurs primaires en quantités m, n et p.

Soit une autre couleur C obtenue par un mélange additif des trois couleurs primaires en quantités m’, n’ et p’.

On mélange maintenant les couleurs C et C pour obtenir une couleur C.

La couleur C peut être reproduite directement par un mélange additif des trois couleurs primaires en quantités :

m’’ = m + m’

n’’ = n + n’

p’’ = p + p’

3^ème loi : Principe de multiplicité :

Soit une couleur C obtenue par un mélange additif de trois couleurs primaires en quantités m, n et p.

Soit une autre couleur C définie par km, kn et kp (k est un nombre positif pouvant être plus grand (>) ou plus petit (<) que 1.

La couleur C possède la même teinte et la même pureté que la couleur C, mais elle a une brillance différente.

Si k > 1 la couleur C est plus brillante que C

Si k < 1 la couleur C est moins brillante que C

Il en résulte de ces trois lois que la qualité d’une couleur (teinte et pureté) ne dépend que des proportions relatives des primaires :

La couleur dépend de :

L’intensité de la couleur (brillance), dépend de chacune des quantités des primaires. L’intensité de la couleur dépend de km, kn et kp. Une couleur quelconque se trouve ainsi entièrement caractérisée par trois nombres.

VII – Reproduction d’une couleur quelconque à l’aide de la synthèse trichromatique additive

L’expérience réalisant une synthèse additive des trois couleurs rouge, vert et bleu est représentée (figure 16) . les trois couleurs ont été choisies judicieusement. Elles correspondent aux longueurs d’ondes suivantes :

Lumière rouge R = 0,630 microns

Lumière verte G = 0,528 microns

Lumière bleue B = 0,457 microns

On projette sur l’écran E la lumière colorée X que l’on désire reproduire.

Sur l’écran E’, on superpose trois faisceaux R, G et B, dont on peut régler l’intensité lumineuse, à l’aide de rhéostats en série avec les lampes. On règle ces trois faisceaux de façon à obtenir la même impression lumineuse que sur l’écran E.

Si l’on a pris soin de munir les trois rhéostats d’une échelle graduée divisée en 100 parties égales par exemple, on pourra admettre en première approximation que l’intensité lumineuse est donnée par le nombre indiqué par la position du curseur du rhéostat (0 indiquant que la lampe est éteinte, 100 que la lampe est complètement illuminée, rhéostat hors circuit).

Si on obtient l’équilibre avec le curseur du rhéostat rouge réglé sur 60 par exemple, on pourra dire qu’il y a 60% de lumière rouge émise.

Si le curseur du rhéostat bleu est sur 30, on dira qu’il y a 30% de la lumière bleue et 20% de lumière verte, si au même moment le curseur du rhéostat vert est sur la graduation 20. On aurait dans ce cas :

X = 0,6 r + 0,3 b + 0,2 g

Bien entendu, ces chiffres sont pour le moment arbitraires (graduation des rhéostats).

A) Première série d’expériences

Voyons ce que nous pouvons obtenir déjà comme reproductions colorées, en utilisant par exemple deux projecteurs seulement.

Eteignons donc pour commencer le projecteur bleu (rhéostat sur 0) et examinons les couleurs que nous pouvons obtenir avec les projecteurs vert et rouge seuls.

1) Si le projecteur rouge est seul allumé, nous avons évidemment la couleur rouge seule (r = 100% , g = 0).

2) Si le projecteur vert est seul allumé, nous avons la couleur verte seule (r = 0 , g = 100%).

3) Si ces deux projecteurs rouge et vert sont allumés et si les deux curseurs sont simultanément réglés sur 50, nous obtenons une lumière jaune (l’expérience le prouve, r = 50%, g = 50%).

4) Si les curseurs sont réglés comme sur la (figure 17) , nous obtenons les différentes couleurs s’étendant du vert au rouge, en passant par le vert jaune, le jaune et l’orange.

B) deuxième série d’expériences

Nous utiliserons maintenant, seulement les projecteurs bleu et rouge (le vert sera constamment éteint). Nous obtiendrons une nouvelle échelle des teintes (figure 18) , s’échelonnant du bleu au rouge, en passant par les pourpres.

C) troisième série d’expériences

Si nous éteignons maintenant le projecteur rouge en utilisant uniquement les projecteurs bleu et vert, nous obtiendrons une autre gamme de teintes, comprises entre le bleu et le vert, en passant par les bleu vert (figure 19) .

D) Cercle de couleurs

Portons sur un cercle les trois primaires : rouge vert et bleu aux sommets d’un triangle équilatéral. Nous voyons que par combinaison de deux d’entre elles, nous obtenons les teintes intermédiaires : jaune, cyan et magenta (figure 20) .

Exemple : Rouge + vert = jaune

Bleu + vert = cyan (ou bleu vert)

Bleu + rouge = magenta (ou pourpre)

Si nous allumons maintenant les trois projecteurs simultanément, les trois curseurs réglés sur 100 par exemple, la superposition des trois faisceaux colorés va nous donner du blanc.

Si nous déplaçons simultanément et de la même façon les trois curseurs, nous constatons que nous avons toujours de la lumière blanche, mais de moins en moins lumineuse.

Il est évident que la lumière blanche, dans ce cas, étant la somme de trois lumières de couleur primaire, sera d’autant plus intense(lumineuse, brillante) que les trois lumières qui la composent sont elles mêmes plus intenses.

On a pris l’habitude de placer la couleur blanche au centre du cercle, c'est-à-dire au centre du triangle équilatéral RGB : le blanc est repéré par W(White = blanc en anglais).

Ce cercle permet de se rappeler facilement les résultats des mélanges aditifs. En effet, lorsque l’on a placé les trois couleurs primaires rouge, verte et bleue, les couleurs complémentaires seront obtenues par mélange additif des couleurs primaires prises deux à deux.

Ensuite, en mélangeant une couleur primaire (par exemple, rouge), avec sa couleur complémentaire (par exemple cyan), on obtiendra du blanc, il suffit de joindre par la pensée les points rouge et cyan du cercle. Cette droite passant par le centre, le milieu tombe bien au centre du cercle qui est le blanc.

De même : Vert + magenta = blanc

Bleu + jaune = blanc

On a démontré, en effet, que la lumière jaune par exemple pouvait être réalisée par un mélange additif du rouge et du vert. On revient donc bien à une synthèse additive trichrome et si les quantités de lumière sont égales, on retrouve bien du blanc.

Bleu + jaune = bleu + (rouge + vert) = blanc

On peut, de même, retrouver facilement les résultats de mélanges de couleurs complémentaires prises deux à deux, en se rappelant le cercle des couleurs, ainsi par exemple :

Cyan + jaune = vert

Cyan + magenta = bleu

Jaune + magenta = rouge

On dit alors que les couleurs rouge, bleue et verte sont des couleurs primaires.

On appelle couleurs complémentaires, les couleurs cyan, magenta et jaune. Ainsi, la couleur complémentaire de la couleur rouge est le cyan.

Couleurs primaires Couleurs complémentaires

Rouge cyan ou bleu vert

Bleu jaune

Vert magenta ou pourpre

VIII – Synthèse soustractive

Nous avons vu jusqu’à maintenant les résultats que l’on pouvait obtenir en superposant (en additionnant) des lumières. Voyons maintenant ce que nous allons obtenir en soustrayant plusieurs couleurs de la lumière blanche.

Supposons trois filtres : rouge, vert et bleu.

Le filtre bleu soustrait à partir de la lumière blanche, les lumières rouge, jaune et verte (figure 21 a) .

Le filtre rouge soustrait à partir de la lumière blanche, les lumières verte, cyan et bleue (figure 21 b) .

Le filtre vert soustrait à partir de la lumière blanche, les lumières rouge, bleue et magenta (figure 21 c) .

Si nous superposons maintenant un filtre bleu et un filtre rouge et que nous regardons au travers de cet ensemble, la lumière blanche, que verrons nous ?

Il suffit pour cela de superposer par la pensée, les surfaces des filtres bleu et rouge de la (figure 21) . On voit que seule la lumière magenta passera.

Lumière blanche + filtre rouge + filtre bleu : reste lumière magenta.

Lumière blanche + filtre rouge + filtre vert  : reste lumière jaune.

Lumière blanche + filtre bleu + filtre vert  : reste lumière cyan.

En super posant maintenant les trois filtres :

Lumière blanche + filtre bleu + filtre vert + filtre rouge : reste zéro.

Dans la synthèse soustractive, la superposition des trois filtres supprime toutes les radiations : plus rien ne passe.

Donc : Rouge + vert + bleu = noir

De même : Cyan + magenta + jaune = noir

Le mélange des encres colorées, des peintures, des vernis, ne conduit pas à des résultats aussi nets que ceux obtenus à l’aide de filtres.

Ainsi, le mélange de couleurs rouge, bleue et verte, à partir d’une boîte d’aquarelles, ne donnera pas tout à fait une couleur noire, mais plutôt un brun très foncé. Ceci est du au simple fait que les courbes d’absorption de ces encres ne sont pas aussi bonnes que celles des filtres précédents, et par conséquent, la soustraction des lumières n’est plus parfaite.

La (figure 22 a) représente en couleurs, la synthèse additive et la (figure 22 b) , la synthèse soustractive.

IX – Triangle des couleurs

Nous avons vu que nous pouvions représenter pratiquement toutes les teintes en mélangeant de façon appropriée, trois couleurs fondamentales, appelées aussi primaires.

Supposons que nous ayons choisi, comme couleurs primaires, les couleurs rouge, bleu et vert et que nous obtenions à partir de trois projecteurs dont les intensités sont réglables par rhéostats comme nous l’avons fait précédemment.

En faisant varier les intensités lumineuses entre 0 et 100, nous pouvons reporter les résultats obtenus sur le triangle de la (figure 23) , ce triangle prend alors le nom de triangle des couleurs ou encore triangle R.G.B. ou encore, triangle de Maxwell.

L’échelle rouge est la hauteur du triangle partant du sommet R (rouge).

L’échelle bleue est la hauteur du triangle partant du sommet B (bleu).

L’échelle verte est la hauteur du triangle partant du sommet G (vert).

La (figure 24) donne la version en couleurs de ce triangle R.G.B.

Une couleur quelconque peut être représentée par trois pourcentages déterminés. Par exemple la couleur A (figure 23) peut être réalisée par 90% de lumière verte(g = 0,9) , 5% de lumière rouge (r = 0,05) et 5% de lumière bleue(b = 0,05).

L’équation colorimétrique s’écrit donc (pour la couleur A) :

A = 0,05 R + 0,90 G + 0,05 B

La couleur au centre du triangle (point W) se trouve sur l’intersection des trois hauteurs. Ses coordonnées sont donc :

r = g = b 1/3 ( = 0,33)

Dans un triangle équilatéral, la somme des trois perpendiculaires abaissées d’un point du triangle est égale à la hauteur du triangle (une des propriétés fondamentales du triangle équilatéral).

Ainsi, dans l’exemple du point W, on a :

r + g + b = 1/3 + 1/3 + 1/3 = 1

A) Exemples

1) Soit à chercher le point représentatif d’une couleur pour laquelle r = 100% et g = b = 0.

C’est évidemment le sommet rouge du triangle qui représente la couleur recherchée (figure 23) .

2) Soit le point M, pour lequel :

r = 50% g = 50% b = 0%

On trace la droite perpendiculaire à l’échelle rouge au point 50%.

On trace la droite perpendiculaire à l’échelle verte au point 50%.

Ces deux droites se coupent au point M qui correspond bien à b = 0%

On sait d’ailleurs que le point M représente la couleur jaune.

3) Soit à rechercher le point H pour lequel :

r = 17% g = 5% b = 78%

On trace la droite perpendiculaire à l’échelle rouge au point 17%.

On trace la droite perpendiculaire à l’échelle verte au point 5%.

Par l’intersection de ces deux droites (point H), la droite perpendiculaire à l’échelle bleue, passe bien par le point 78%.

Ces résultats sont très intéressants. On voit en effet que la somme des trois coefficients r, g et b est toujours égale à 1 comme nous l’avons vu ci-dessus.

Dans le 1^er cas on a : r + g + b = 100% + 0% + 0% = 100% = 1

Dans le 2^ème cas on a : r + g + b = 50% + 50% + 0% = 100% = 1

Dans le 3^ème cas on a : r + g + b = 17% + 5% + 78% = 100% = 1

Et pour le point W (blanc) :

r + g + b = 100% + 100% + 100% = 100% = 1

D’où le résultat fondamental suivant :

Dans une couleur (du triangle), il suffit de connaître deux coefficients quelconques, pour déterminer immédiatement le troisième.

Si on connaît : r et g, on aura b = 1 – (r + g)

Si on connaît : b et g, on aura r = 1 – (b + g)

Si on connaît : r et b, on aura g = 1 – (r + b)

De toute façon, on a toujours : r + g + b = 1 (équation 1)

Et l’équation colorimétrique pour une couleur C quelconque s’écrira :

C = rR + gG + bB (équation 2)

En désignant par R, G et B, les quantités de lumière rouge, verte et bleue, les pourcentages des couleurs primaires sont donc définies comme ci-dessous :

Pourcentage de rouge : r = x 100

Pourcentage de vert : g = x 100

Pourcentage de bleu : b = x 100

B) Reproduction des couleurs spectrales

On se propose de reproduire n’importe quelle couleur du spectre solaire, à l’aide d’un mélange additif de trois couleurs primaires.

Pour cela, il faut commencer par définir exactement les couleurs primaires que l’on se propose d’utiliser.

Mesures de Wright : En 1929, Wright entreprend des mesures colorimétriques fo