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La couleur et ses mystères

Nous vivons dans un monde en couleurs : l'art, la mode, le marketing... La couleur, qui apparaît comme naturelle, est un enjeu économique (développement de matériaux et de produits) et s'accompagne de recherches importantes.

Page 3 / 16 - Le cercle chromatique Sommaire
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Claire König Enseignante Sciences Naturelles

"Newton a fait du blanc avec toutes les couleurs. La belle affaire, vraiment, pour que vous en fassiez une telle histoire". Goethe polémiquait en ces termes contre le grand physicien anglais Newton.

Cercle chromatique
Cercle chromatique

Newton publia ses théories sur la gravitation en 1687, dans son ouvrage « Principes mathématiques de la philosophie naturelle ». A cette époque, il avait compris depuis longtemps que la lumière blanche est constituée de rayons colorés. En 1672, il envoie à la Royal Society un mémoire « A new theory of light and colours ». En 1671, alors que la peste menaçait Londres, Newton s’était retiré dans le comté du Lincolnshire. Il étudia la diffraction de la lumière blanche à travers un prisme et se convainquit que les rayons continuaient en ligne droite après diffraction dans le prisme. Il fit passer les rayons diffractés à travers un second prisme et constata que, s’ils étaient de nouveau diffractés, ils n’étaient pas décomposés davantage : les couleurs sont les éléments constitutifs originels de la lumière blanche. La palette de couleurs est appelée le spectre chromatique et ses composantes sont les couleurs du spectre.

Newton chercha à élucider d’autres questions sur les couleurs dans sa deuxième œuvre fondamentale, intitulée Optique, parue en 1704, qui renferme le cercle chromatique.

Cercle chromatique de Newton
Cercle chromatique de Newton

Les couleurs sont indiquées par des cercles de taille décroissante, du rouge au violet correspondant à la diffraction : minimum pour le rouge, maximum pour le violet. Les secteurs ont une taille proportionnelle à l’intensité de la couleur.  Mais le cercle chromatique de Newton reste incomplètement expliqué, on sait que Newton choisit sept couleurs parce qu’une octave musicale comporte sept intervalles: le choix de sept couleurs primaires a finalement des motifs plus esthétiques que scientifiques. Il reste que le cercle chromatique du physicien anglais marquait une étape décisive.

1 - Synthèse additive des couleurs

Par addition de trois faisceaux lumineux de couleur rouge, verte et bleue, il est possible de d'obtenir pratiquement toutes les couleurs visibles. Cette méthode est basée sur la sensibilité trichromatique de l'oeil humain.

Rouge + vert => jaune
Rouge + bleu => magenta
Bleu + vert => cyan
Rouge + vert + bleu => blanc

Les couleurs intermédiaires sont reproduites en faisant varier l'intensité des faisceaux lumineux. Ce principe est utilisé pour la reconstitution des couleurs en télévision ou sur les écrans d'ordinateurs.

Addition
Addition

En synthèse additive, système RVB, la couleur obtenue résulte du mélange "additif" des couleurs de départ. Additif, dans ce contexte, signifie que l'énergie lumineuse de la couleur résultante est la somme des énergies lumineuses des couleurs de départ. Ainsi le jaune est une couleur plus énergétique et donc plus lumineuse que le sont le vert et le rouge individuellement.

Dans la pratique, il est impossible de restituer toutes les couleurs avec trois sources lumineuses RVB. Pour cette raison, les physiciens travaillent avec des sources fictives idéales, comportant des composantes négatives dans certaines longueurs d'onde. Ces sources fictives sont à la base des calculs colorimétriques utilisés pour réaliser les espaces colorimétriques de la CIE.

2 - Synthèse soustractive des couleurs

La méthode soustractive, système CMJ,  consiste à soustraire à la lumière blanche ses composantes bleues, vertes et rouges à l'aide de filtres respectivement jaunes, magenta et cyan .

- Jaune + magenta => rouge
- Jaune + cyan => vert
- Magenta + cyan => bleu
- Jaune + magenta + cyan => noir

Soustraction
Soustraction

Les nuances intermédiaires sont obtenues en faisant varier l'absorption des filtres. Ce principe est essentiellement utilisé pour l'impression des couleurs. Dans la pratique, comme les pigments ne sont pas parfaits, on leur adjoint une quatrième nuance, le noir, afin d'obtenir des noirs denses et neutres.

En synthèse soustractive, on se préoccupe de ce qui reste de la lumière initiale. En fait, c'est véritablement un système de couleur soustractif où on soustrait une couleur d'une autre par l'emploi de filtres de couleur. On commence avec une lumière dite blanche que l'on projette sur le papier où sont appliquées les couches de pigments de couleur superposés. On suppose ici des pigments transparents de telle sorte que la lumière qui nous parvient de la plage verte est le résultat de la soustraction du jaune et du cyan de la lumière blanche, ce qui donne l'apparence du vert.

3 - Trois paramètres physiques pour définir une couleur

  • La longueur d'onde (lambda) : s'exprime en nanomètres. Elle correspond aux termes de "teinte" (langage courant) ou de "tonalité" (psychométrie).
  • La pureté d'excitation (pe) : la vivacité d'une teinte, c'est-à-dire la force de la sensation colorée. La pureté d'excitation s'exprime en pourcentage (pur = 100%, neutre = 0%). Elle correspond aux termes de "pureté" (langage courant) et de "saturation" (psychométrie).
  • Le facteur de luminance (bêta) : énergie globale réfléchie par la couleur, et s'exprime en pourcentage, par comparaison avec un blanc de référence. Le facteur de luminance correspond aux termes de "luminosité" (langage courant) et de "clarté" (psychométrie).

En moyenne, notre oeil est capable de discerner plus de 350 000 couleurs. Pour pouvoir utiliser ces couleurs, il est utile d'en avoir un classement !

4 - Il existe trois manières de classer les couleurs.

- Selon une approche visuelle : Chevreul, Munsell, Ostwald, etc....
- Selon une approche physique : RVB, CIE (Commission Internationale de l’éclairage) XYZ...
- Selon une approche physique, corrigée par la psychométrie: CIE Lab, CIE Luv.

Dans le but d'établir une certaine harmonie dans les méthodes ou principes utilisés pour l'observation ou la mesure des couleurs, la CIE recommande l'emploi des sources normalisées suivantes:

- Illuminant A : version normalisée de l'éclairage à incandescence
- Illuminant B : représente la lumière directe du soleil
- Illuminant C : lumière moyenne du jour, sans UV
- Illuminant D65 : lumière moyenne du jour, avec UV

5 - Température de couleur

C'est la gamme de couleurs que produit une lampe : depuis les teintes chaudes, comme si les objets étaient éclairés par le soleil couchant, jusqu'aux teintes froides où les bleus dominent, comme sous le soleil intense de midi.

La température de couleur est donnée en degrés Kelvin (K). Les lampes qui produisent une lumière très chaude sont à 2700 K (codes 827, 927). Celles qui donnent une lumière chaude sont à 3000 K (codes 830, 930). Celles de type lumière du jour sont à environ 4500 K (codes 840, 940). Au-delà, la lumière paraît plus crue (codes 850, 860, 950, 960).

La température de couleur et l'IRC-indice de rendu des couleurs sont deux choses différentes (bien que liées): ce n'est pas parce qu'un tube lumineux porte la mention "type lumière du jour" qu'il a forcément la capacité de bien rendre les couleurs.

6 - Saturation ou pureté

En théorie des couleurs, c’est l'intensité d'une teinte spécifique. Elle est basée sur la pureté de la couleur ; une teinte hautement saturée a une couleur vive et intense tandis qu'une teinte moins saturée paraît plus fade et grise. La saturation est le taux de pureté de la couleur (appelée aussi pureté d'excitation) depuis 0% qui correspond au gris jusqu'à 100% pour la couleur pure ; enfin, la lumière est la luminance, depuis 0% qui correspond au noir jusqu'à 100%, pour la luminosité maximale permise par le support. La teinte a pour correspondance physique la longueur d'onde de la couleur pure. TSL (teinte, saturation, lumière) ou HSL (hue, saturation, light) ou HLS (hue, light, saturation) est un espace de représentation des couleurs.

Quand on a une couleur saturée on peut la « désaturer » au blanc ou au gris ou encore au noir comme dans l’exemple du rouge ci-dessous :

Désaturation du rouge
Désaturation du rouge

7 - La couleur dans la matière

La production d'énergie lumineuse se fait grâce aux électrons. Ces derniers occupent des orbitales très précises au sein de l'atome, mais si on excite l'atome par un apport d'énergie, par exemple de la chaleur, les électrons absorbent cette énergie et sautent sur des orbitales supérieures. Les positions d'excitation sont très instables, et dès que l'apport d'énergie cesse, les électrons ont tendance à reprendre spontanément leurs positions d'origine, en restituant leur surplus d'énergie sous la forme de photons.

Atomes excités et émission de lumière
Atomes excités et émission de lumière

L'énergie des photons ainsi émis, donc leurs longueurs d'ondes, varie en fonction de l'importance du "saut" effectué par l'électron pour rejoindre son orbitale stable. Comme chaque électron possède de nombreuses orbitales d'excitation, un même atome peut émettre des photons de longueurs d'ondes très différentes les uns des autres.

L’effet photoélectrique est le processus par lequel la lumière arrache des électrons à la matière : cette interaction directe matière (atome de métal)-lumière fut une des expériences de base de la mécanique quantique

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