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Les couleurs primaires et le cercle chromatique

Dossier - La couleur et ses mystères
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Nous vivons dans un monde en couleurs. La nature et le vivant nous émerveillent par la variété des effets colorés qu'ils offrent. L'art s'est inspiré de la couleur, tout comme la mode et le marketing. La couleur, si elle nous apparaît toujours comme naturelle, est devenue un enjeu économique.

  
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Le cercle chromatique permet une représentation des couleurs existantes. Les couleurs primaires sont des couleurs qui ne peuvent se reproduire en mélangeant d'autres couleurs : en synthèse soustractive (celle utilisée en peinture ou en imprimerie), il s'agit du cyan, du magenta et du jaune tandis qu'en synthèse additive (utilisée en télévision ou sur les écrans d'ordinateurs), il s'agit du rouge, du vert et du bleu.

« 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.

Ce dernier publia ses théories sur la gravitation en 1687, dans son ouvrage Principes mathématiques de la philosophie naturelle. À cette époque, il avait compris depuis longtemps que la lumière blanche est constituée de rayons colorés.

Cercle chromatique. © Malte Ahrens, DP

Newton et la diffraction de la lumière blanche à travers un prisme

En 1672, Newton envoya à la Royal Society de Londres un mémoire intitulé « A new theory of light and colours ». En 1671, alors que la peste menaçait la capitale anglaise, il s'était retiré dans le comté du Lincolnshire. Il y 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 ainsi 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. © DR

Les sept couleurs primaires de Newton

Les couleurs sont indiquées par des cercles de tailles décroissantes (voir l'image ci-dessus), 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.

Cependant, 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 donc des motifs plus esthétiques que scientifiques. Il reste que le cercle chromatique du physicien anglais marquait une étape décisive.

La 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'œil humain.

En synthèse additive, il est donc possible de faire les associations de couleurs suivantes :

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.

La synthèse additive des couleurs. © DR

En synthèse additive, dans le système RVB (pour Rouge, vert, bleu), 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 (Commission Internationale de l'éclairage) .

La synthèse soustractive des couleurs

La méthode soustractive, dans le système CMJ (pour Cyan, magenta et jaune), 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
La synthèse soustractive des couleurs. © DR

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.

L'œil et la perception des couleurs

Il existe 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 œil est capable de discerner plus de 350.000 couleurs. Pour pouvoir utiliser ces couleurs, il est utile d'en avoir un classement !

Le classement des couleurs

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.

La température des couleurs

La température des couleurs 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 kelvin (K). Les lampes qui produisent une lumière très chaude sont à 2.700 K (codes 827, 927). Celles qui donnent une lumière chaude sont à 3.000 K (codes 830, 930). Celles de type lumière du jour sont à environ 4.500 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.

Saturation et pureté des couleurs

En théorie des couleurs, la saturation 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 (pour Hue, saturation, light en anglais) ou HLS (pour 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. © DR

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. © DR

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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