Des couleurs plein les yeux !

Message 1, par Elzen

§ Posté le 31/05/2013 à 15h 57m 22

Bon, je disais dans mon dernier article que le mois d'avril avait été assez peu actif, et le mois de mai l'aura été encore moins. Toutes mes excuses. La chose est due à deux facteurs : d'une part, j'ai eu un emploi du temps assez chargé, ce qui commence heureusement – mais temporairement – à s'arranger ; d'autre part, j'arrive au bout de la liste des articles que je prévoyais depuis longtemps (il ne m'en reste que quatre ou cinq), et je manque pour le moment un peu d'inspiration pour la suite. Vous pouvez remédier à ce dernier point en me contactant pour me suggérer des sujets à aborder.


Bref, donc, attaquons cet article-ci. Pour vous récompenser de votre patience, il s'agira d'un article double : vous trouverez dans la section informatique quelques informations portant spécifiquement sur ce domaine, et cette page-ci traitera d'aspects plus généraux.

Car parler de couleurs, c'est faire le lien entre plusieurs choses : ce que sont exactement les couleurs, cela relève de la physique des ondes électromagnétiques (ça fait très pompeux dit comme ça, mais pas d'inquiétude 😉 ) ; comment nous les percevons, ça relève de la biologie de l'œil ; et ce que nous en faisons, ça relève… de l'art ?


Mais commençons par le début : qu'est-ce que la couleur, au juste ?

Pour répondre à cette question, il est nécessaire de commencer par dire un mot sur la lumière. Vous le savez peut-être, la lumière est une onde(1). Une de ces fameuses ondes électromagnétiques dont je viens de parler.

Nous donnons plein de noms différents aux ondes électromagnétiques – rayons γ (« gammas »), rayons X, ultraviolets, lumière visible, infrarouges, micro-ondes, térahertz et ondes radio –, mais elles ne diffèrent les unes des autres que par l'énergie qu'elles contiennent. Je vous parlerai peut-être plus en détail des ondes en général un peu plus tard(2), mais nous nous contenterons pour l'instant de signaler que cette énergie est liée à la longueur d'onde, c'est-à-dire la distance qu'il y a entre deux « bosses » ou deux « creux » successifs dans le dessin de l'onde. Lisez l'article de Wikipédia pour en savoir plus.

Plus l'énergie est grande, plus la longueur d'onde est petite – les rayons γ, qui ont la plus grande énergie, ont une longueur d'onde inférieure à dix picomètres (coupez un mètre en mille milliards de morceaux égaux, et prenez en dix), et les ondes radios, celles qui ont la plus basse énergie, ont une longueur d'onde qui dépasse allègrement le mètre.

Ce que nous appelons « lumière visible » a une énergie moyenne, et sa longueur d'onde peut aller d'à peu près 380 jusqu'à à peu près 780 nanomètres (milliardièmes de mètres). J'espère que je ne vous ai pas fait trop peur.


À chaque longueur d'onde possible dans la lumière visible correspond une couleur. Aux alentours de 380, nous trouvons quelque chose qui ressemble à du violet ; aux alentours de 780, nous trouvons quelque chose qui ressemble à du rouge(3). Entre les deux, toute la gamme des couleurs de l'arc-en-ciel… j'y reviendrai, mais si vous voulez voir ça un peu plus en détail, vous pouvez regarder ici : cette page vous permet (si JavaScript est activé) d'obtenir la couleur correspondant aux différentes longueurs d'ondes(4).

Maintenant, comment les couleurs arrivent-elles sur les objets que nous regardons ? Eh bien, à la base, nos sources de lumière (et en premier lieu, notre Soleil) émettent généralement de la lumière de plein de longueurs d'onde différentes, c'est-à-dire contenant un grand nombre de couleurs (exception notable : les faisceaux lasers sont conçus pour être monochromes). Cette lumière, vous le savez sans doute, est émise dans toutes les directions, puis, lorsqu'elle rencontre un obstacle, rebondit pour que finalement, une petite partie arrive jusqu'à nos yeux.

Ça, c'est l'idée générale. Mais si l'on entre un peu dans le détail, on s'aperçoit que toute la lumière ne suit pas ce schéma. Chaque objet, en fonction de sa composition, va absorber certaines parties de la lumière qu'il reçoit. Une partie bien précise, qui correspond à certaines longueurs d'ondes, et pas aux autres. Si cette partie absorbée fait partie de la lumière visible, alors la lumière renvoyée par l'objet vers nos yeux(5) est privée d'une partie de sa couleur d'origine – du coup, les autres couleurs ressortent un peu plus que d'habitude, et l'objet nous semble coloré.


Maintenant, comment font nos yeux pour les voir, ces couleurs, au juste ?

Comme je l'ai dit, la lumière visible n'a en fait strictement rien de particulier, par rapport aux autres ondes électromagnétiques – si ce n'est que ce sont les quelques longueurs d'ondes auxquelles nos yeux sont sensibles. Nos yeux sont des machines un peu spéciales destinées à capter la lumière, et sont équipés pour cela de deux sortes de récepteurs. Il y a d'abord, les bâtonnets, qui sont assez sensibles, et permettent de mesurer l'intensité de la lumière ; et puis il y a les cônes, qui sont ceux qui perçoivent les différentes couleurs. Les cônes ont besoin de recevoir plus de lumière que les bâtonnets pour fonctionner, c'est pourquoi nous éprouvons plus de difficultés à distinguer les couleurs dans l'obscurité.

Les cônes eux-mêmes sont de trois sortes. Certains sont sensibles aux lumières plutôt bleutées, d'autres aux lumières plutôt vertes, et les derniers aux lumières plus jaunes et rouges. Heureusement, ils ne sont pas bloqués sur un type en particulier : une lumière jaune va par exemple légèrement stimuler les cônes sensibles au vert ; et une lumière turquoise va stimuler à la fois les cônes sensibles au vert et ceux sensibles au bleu, ce qui nous permet de voir à peu près toutes les couleurs.

Mais ce fonctionnement a un aspect très intéressant : puisque nous sommes essentiellement sensibles au triplet rouge-vert-bleu, nous pouvons en fait reproduire à peu près toutes les couleurs visibles en mélangeant ces trois couleurs de base – c'est ainsi que fonctionnent nos écrans d'ordinateurs, comme je l'explique un peu plus en détail dans l'autre article.

Nous notons qu'il s'agit là d'une spécificité de l'œil humain : certains animaux ont une vision très proche de la nôtre, mais d'autres sont sensibles à d'autres longueurs d'onde, et voient donc les choses de manière assez différente – si un alien, même doté d'une vision très développée, tombait sur l'un de nos ordinateurs, il n'est pas dit qu'il arrive à voir quelque chose d'utile sur l'écran.

Et sans aller plonger jusque dans l'univers de la science fiction, il convient de noter que tous les humains ne distinguent pas les couleurs de la même façon. D'abord, certains ont des yeux qui ne perçoivent pas, ou perçoivent de manière curieuse, certaines couleurs. C'est par exemple le cas des différentes formes de daltonisme.

Mais même avec des yeux tout à fait semblables à ceux de la plupart des membres du genre humain, certains ont des perceptions différentes pour des raisons culturelles. La notion de couleur n'a en effet pas le même sens partout… puis-je faire confiance à mon sociologue préféré pour vous donner un peu plus de détails en commentaire ? 😊 Pour ma part, je me contenterai de rappeler, en tant qu'ancien prof. d'école, que la distinction des couleurs est bien le fruit d'un apprentissage(6).


Bon, revenons maintenant à ces histoires d'arc-en-ciel.

Comme je l'ai dit, la lumière que nous recevons du Soleil – ou d'autres dispositifs que nous avons inventé pour palier au manque de Soleil, et que certains de mes collègues oublient trop souvent d'éteindre – est constituée de plein de longueurs d'ondes différentes. Elle nous apparaît donc blanche, parce que « blanc » est le mot que nous avons choisi pour désigner ce qui n'a pas de teinte particulière. Les objets blancs sont ceux qui nous renvoient toute cette lumière, sans rien absorber (rien absorber de visible, en tout cas : ils absorbent probablement d'autres longueurs d'ondes, mais nos yeux ne s'en rendent pas compte).

La lumière blanche est donc composée de plein de lumières colorées différentes. En utilisant certains objets de forme assez particulière, qu'on appelle des prismes, il est possible de faire en sorte que les différentes longueurs d'onde qui composent cette lumière blanche soit déviées dans des directions un peu différentes, ce qui nous permet donc de voir toutes ces couleurs s'étaler sous nos yeux. Le célèbre Isaac Newton a pas mal travaillé là-dessus, fut une époque – je ne sais plus si c'était avant ou après qu'il se soit pris une pomme sur la tête.

Mais il n'est pas forcément nécessaire de fabriquer des objets spécialement pour ça : ce phénomène peut se produire tout seul dans la nature. En particulier, l'eau qui se trouve en suspension dans notre atmosphère peut produire cet effet. C'est très exactement ça, un arc-en-ciel : la lumière blanche du soleil qui, déviée par l'eau du ciel comme par un prisme, est décomposée en ses différentes couleurs.

Combien y a-t-il de couleurs dans cet arc-en-ciel, au juste ? C'est un sujet à débat. Les profanes comptent généralement de cinq à sept couleurs(7), mais la réponse du physicien chevronné serait peut-être de dire qu'il y en aura autant qu'il n'y avait de longueurs d'ondes différentes dans la lumière ainsi décomposée.


En tout cas, si l'objet qui nous renvoie toute la lumière blanche qu'il reçoit nous semble blanc, celui qui ne nous en renvoie presque pas nous semble noir – presque pas, mais quand même un peu, ce qui fait qu'il y a des noirs plus ou moins brillants que d'autres. Mais si la lumière reçue n'est pas blanche, des choses un peu plus curieuses se passent : un objet ne peux renvoyer, au mieux, que ce qu'il reçoit. Un objet qui semble blanc à la lumière blanche deviendra donc rouge à la lumière rouge, et bleu à la lumière bleue : il n'absorbe toujours aucune lumière visible, mais ne peut pas non plus fabriquer les lumières qu'il ne reçoit pas (sinon, il serait lui-même une source lumineuse).

Pour les objets colorés, le même phénomène se produit, mais ça se manifeste un peu différemment : éclairé à la lumière rouge, un objet rouge le restera, puisque c'est précisément la couleur qu'il n'absorbe pas. En revanche, un objet bleu absorbera la lumière rouge reçue, mais n'aura pas d'autre lumière à diffuser : il semblera donc noir(8).

Ce principe peut être exploité de plusieurs façons, pouvant être assez amusantes. Dans le jeu de société les mystères de Pékin, par exemple, certaines cartes, à fond blanc, sont couvertes de symboles à l'encre rouge qui empêche de lire le message qu'elles contiennent. En plaçant un filtre rouge sur cette carte, on fait en sorte que le fond blanc et les symboles rouges semblent unis, et l'on peut alors lire le message, qui du coup parvient à s'en détacher (D'autres astuces simples sont utilisées pour déchiffrer d'autres cartes du jeu, mais ce n'est pas le sujet ici).


Pour obtenir le rouge, dans ce dernier cas, nous avons filtré la lumière, c'est-à-dire que nous avons utilisé un objet qui laissait passer uniquement les longueurs d'onde correspondant à la lumière rouge. C'est une opération assez différente de ce dont nous parlions au début, à savoir le mélange de plusieurs longueurs d'onde. Un mélange de lumières est additif, c'est-à-dire que le résultat combinera les différentes couleurs utilisés et sera plus lumineux ; tandis qu'un mélange de filtres est soustractif, c'est-à-dire que le résultat sera privé de certaines de ses couleurs, et sera donc moins lumineux – jusqu'au noir complet, si l'on utilise deux filtres n'ayant pas de couleur en commun. Vous pouvez vous amuser sur cette page, conçue par mes soins, qui permet de tester les approches additives et soustractives.

Mais nous parlions jusque là de lumière. De l'autre côté du mécanisme, il y a les objets, et les différentes couleurs qu'ils absorbent. En peinture, on peut obtenir plein de couleurs différentes en mélangeant des pigments. Le principe est ici plutôt soustractif, dans la mesure où mélanger deux pigments, c'est ajouter des longueurs d'ondes qui seront absorbées par le produit final ; mais on peut obtenir des rendus plus particuliers en effectuant certains mélanges (du rose en mélangeant du rouge et du blanc, par exemple).

C'est ce qui donne les deux notions différentes de « couleurs primaires ». Pour un physicien, qui s'intéresse à la lumière, les couleurs primaires sont le bleu, le vert et le rouge – les trois auxquels nos yeux sont sensibles –, parce qu'on peut obtenir n'importe quelle couleur en mélangeant correctement ces trois couleurs (encore une fois, voyez l'autre article). Pour quelqu'un qui manipule des pigments, les couleurs « primaires » seront plutôt le jaune, le rouge et le bleu. Nous nous rappelons tous que mélanger la peinture jaune et la peinture bleue donne du vert, pas vrai ? Eh bien, avec de la lumière, c'est mélanger les longueurs d'onde vertes et rouges qui donne du jaune.

Avec des filtres, les choses sont encore un peu différentes : la lumière jaune étant le mélange des lumières vertes et rouges, un filtre jaune laissera passer ces deux-là, mais bloquera le bleu. Mais quand on mélange de la lumière verte et de la lumière bleue (ce qui bloque donc la lumière rouge), on n'obtient pas du bleu, mais du cyan ; et quand on mélange la lumière bleue et la lumière rouge (ce qui bloque donc la lumière verte), on n'obtient pas du rouge, mais du mangenta. C'est pourquoi les « couleurs secondaires » des physiciens sont le cyan, le jaune et le magenta, qu'on retrouve dans d'autres manières d'utiliser la couleur.

C'est aussi la raison pour laquelle, après avoir porté pendant longtemps des lunettes à verres teintés en magenta (ça m'est arrivé une fois ou deux quand j'étais môme), on a l'impression de voir tout en vert pendant un moment : nos yeux « redécouvrent » cette sorte de lumière dont ils ont été privés pendant un bon moment, et donc, ils y sont d'autant plus sensibles, le temps de se réhabituer.


Bon, il y aurait plein d'autres choses très intéressantes à dire sur le fonctionnement des yeux, ou de ces fameuses ondes électromagnétiques, donc je vais peut-être rajouter ça à la liste des articles que je prévois, mais ce ne sera pas pour tout de suite. À vous de réclamer si j'oublie 😉


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