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4. Physique de la couleur

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La physique est la science qui a pour objet l’étude des phénomènes accidentels ou permanents qu'éprouvent les corps matériels sans que leur composition ne soit altérée.
4.1. La synthèse additive

C’est en 1669 que Isaac Newton (1642-1726) découvrit le procédé de décomposition de la lumière.

Prisme et diffraction de la lumière solaire


Dans un laboratoire dont l'obscurité était complète, il laissa passer par un tout petit trou, un mince filet de lumière solaire; il dirigea ce rayon à l’aide d’un prisme de verre de forme triangulaire et décomposa la lumière blanche dans les couleurs du spectre:
 
En 1672 Newton met au point la premier cercle chromatique.
 
Dans sa théorie « Optiques » Newton avait la bonne idée de diviser les couleurs du prisme dans un cercle et de relier les couleurs. Cependant certaines couleurs choisies n’étaient pas les bonnes. Les couleurs magenta et cyan étaient absentes.
 
En effet la couleur lumière magenta ne se manifeste pas dans un prisme de cristal.
 
Pour reconstituer la couleur lumière Magenta les deux couleurs lumière situées de part et d’autre du spectre (le Rouge et le Bleu) doivent être recomposées à l'aide de deux miroirs.
 
 BLEU
 CYAN
 VERT
 JAUNE
 ROUGE

 
Plus tard, le physicien Thomas  Young (1773-1829) fit le contraire de Newton.
Alors que ce dernier avait décomposé la lumière dans les principales couleurs du spectre en utilisant un prisme, Young lui recomposa la lumière.
 
Pour réaliser son expérience, il prit six projecteurs et fit converger six faisceaux de lumière des six couleurs du spectre et obtint de nouveau la lumière blanche.
 
Young a également démontré quelque chose de très important.
 
En faisant des recherches avec des projecteurs de couleurs lumière,
il a déterminé, par élimination, que les six couleurs du spectre pouvaient
être réduites à trois couleurs de base, pour le même spectre.
 
Avec seulement trois couleurs lumière Rouge, Verte et Bleue,
on peut recomposer la lumière blanche. Il remarqua qu'en mélangeant
ces couleurs deux par deux, il obtenait les trois autres, Cyan, Magenta et Jaune.
 
Il a ainsi déterminé quelles sont les couleurs primaires et secondaires du spectre visible par l’œil humain.

Voici un petit outil qui vous aidera à mieux comprendre le phénomène additif des couleurs du spectre chromatique.

Modèle raffiné de l'expérience de Young. Il est possible avec cet outil
de générer 16,777,216 couleurs lumière différentes. Une traduction hexadécimale
pour programmer les couleurs est incluse.


Pour résumer la synthèse additive, pas de lumière, pas de couleur.
Pour l’œil ce sera alors la perception du Noir, donc de l’absence de lumière blanche.
Couleurs lumière primaires

Rouge
Vert
Bleu


Couleurs lumière secondaires
(Obtenues en mélangeant les primaires deux par deux.)

1° Lumière ROUGE + Lumière BLEUE = Lumière MAGENTA
2° Lumière VERTE + Lumière ROUGE = Lumière JAUNE
3° Lumière BLEUE + Lumière VERTE = Lumière CYAN

4.2 Synthèse chromatique additive

[Fig.25 ]  Modèle simplifié, chacune des couleurs est identifiée par un acronyme
Voici le tableau de base :

+ : Blanc
R : Rouge
V : Vert
B : Bleu
J : Jaune
M : Magenta
C : Cyan
RM : Rouge magenta
BM : Bleu Magenta
BC : Bleu Cyan
VC : Vert Cyan
JV : Jaune Vert
JR : Jaune Rouge (Orange dans le langage courant).

Le sens des flèches indique dans quelles directions les mélanges s'effectuent.
Ainsi, si nous examinons les trois primaires lumière, nous voyons qu'une de leur flèche est orientée vers le centre Blanc. Ceci nous indique qu'à mélange égal de lumière venant des trois sources nous obtenons du Blanc. En effet, nous sommes en synthèse additive ou le Noir lui représente l'absence de lumière donc de couleur.
4.3 Propriétés de la lumière colorée

Nature de la lumière émise par les objets qui nous entourent :

Sources lumineuses primaires
Certains objets émettent de la lumière par eux-mêmes, en l'absence de source lumineuse extérieure, comme les lampes, le soleil, les étoiles, etc.

Sources lumineuses secondaires
Ils deviennent lumineux que s'ils sont éclairés, ce sont les sources lumineuses secondaires. La plupart des objets que nous rencontrons dans la vie courante sont des sources lumineuses secondaires. Les origines de la couleur de ces objets peuvent être très variées.
Animation chromatique
Voici une animation qui illustre de façon simple les principaux mécanismes
mis en oeuvre (émission, transmission, absorption, diffusion et réflexion) dans la perception des couleurs et la relation entre les ondes (photons) et les pigments (matière).

4.3.1. Émission

L'émission lumineuse est le phénomène de base qui se produit quand une source lumineuse primaire projette dans l'espace des photons sous différentes longueurs d'ondes. Voir la section 2.3.

4.3.2 Transmission

Lorsqu'un objet est éclairé, la lumière qui arrive à l'observateur
peut provenir de différentes origines. Il peut s'agir, si l'objet n'est pas opaque, de lumière qui a traversé tout le matériauet qui nous arrive par transmission. Certaines couleurs, sur un trajet aussi important, peuvent être notablement absorbées. C'est ainsi que la lumière transmise par certains matériaux est colorée.
 

4.3.3. Absorption

Comme nous l'avons vu à la section 2 sur la lumière, lorsqu'une particule (atome/molécule) est frappée par une onde dont la fréquence correspond à une fréquence de résonance de celle-ci, la particule "capte" l'énergie de cette onde, l'énergie de l'onde est communiquée aux particules voisines et sert à les faire bouger ou vibrer, ou encore l'énergie est utilisée pour une réaction chimique.
L'énergie de l'onde devient de l'énergie thermique ou chimique.
Dans ce cas, on dit qu'il y a eu absorption de l'onde (ou, plus précisément, absorption dissipative de l'onde).

4.3.4. Diffusion

Dissémination des rayons lumineux produits par transmission à travers un milieu trouble (par diffraction), gazeux ou condensé et à densité irrégulière.
De nombreuses surfaces présentent des inhomogénéités ou des irrégularités...
Si celles-ci sont d'un ordre de grandeur supérieur à la longueur d'onde de la lumière reçue, celle-ci peut être diffusée.

Nous constatons que de la lumière qui est réfléchie "comme sur un miroir"
(réflexion spéculaire) par un matériau dont la surface est très lisse
se comporte très différemment sur une surface rugueuse du même matériau :
cela tient à la présence d'irrégularités plus grandes que la longueur d'onde de la lumière incidente.

La lumière qui entre dans ce matériau, du fait de ces irrégularités ou de ces inhomogénéités, accomplit un long trajet chaotique à l'intérieur du matériau avant de ressortir dans une direction aléatoire. On obtient alors de la lumière diffusée, qui est réémise dans toutes les directions.Sur cette distance, l'absorption n'est plus négligeable et la lumière qui ressort est colorée.
 
4.3.5. Réflexion

Une partie de l'énergie lumineuse reçue peut être réfléchie.
Cette réflexion peut être de deux sortes : la réflexion spéculaire et la réflexion diffuse.
La réflexion spéculaire est la réflexion qui se produit entre autres sur un miroir,
La réflexion diffuse aussi appelée diffusion de la lumière est la réflexion qui se produit quand elles réémettent vers l'observateur une partie de la lumière qu'elles reçoivent.

La lumière réfléchie via une réflexion spéculaire n'est entrée à l'intérieur du matériau que sur une longueur de l'ordre d'une demi-longueur d'onde. Sur un trajet aussi faible, les effets d'absorption sont négligeables et le spectre de la lumière réfléchie est identique à celui de la lumière reçue.
Ainsi, lorsque la lumière qui éclaire l'objet est blanche, la réflexion spéculaire est blanche elle aussi.

Couleur de la réflexion spéculaire et couleur de la lumière transmise

Il y a une différence majeure entre la lumière réfléchie par réflexion spéculaire et la lumière transmise.

Lorsque la lumière rencontre un atome ou une molécule , elle est réémise dans toutes les directions. Cependant, il y a des interférences entre les ondes lumineuses réémises par des atomes différents et seules les ondes réémises dans les directions données pour la réflexion et pour la réfraction sont le siège d'interférences constructives.