Rôle de la physique
La couleur c'est d'abord et avant tout de la lumière. Et la lumière, c'est le domaine privilégié de la physique. Comprendre la lumière c'est déjà comprendre un peu la couleur puisque, sans lumière, il n'y a pas de couleur.
Décomposition de la lumière par un prisme : un faisceau de lumière est dispersée, optiquement, par le passage d'un milleu à autre.
Rayons lumineux colorés
La lumière est hétérogène
On doit la découverte des rayons lumineux colorés à Isaac Newton. En effet, en 1666, il fut le premier scientifique à observer la décomposition de la lumière "blanche" à travers une fente pratiquée on ne sait comment dans le mur de son salon, et traversant un prisme à trois faces. L'histoire dit qu'il cherchait à améliorer ses observations astro-nomiques et qu'il eut l'idée de placer diverses optiques entre lui et sa lunette. Cet étonnant comportement de la lumière, qu'il a eu le premier le bonheur d'observer, on le sait maintenant, est dû à un ralentissement sélectif de la lumière, au passage entre l'air et le verre (du prisme). C'est ce phénomène qui est au coeur de ce qui nous apparait, au hasard d'un jour pluvieux, comme un arc-en-ciel. En réalité, il s'agit de l'étalement de la lumière visible en ses diverses composantes.
Onde sinusoïdale : tout ce qui vibre dans l'univers obéit à ce mouve-ment, incluant la lumière.
Oscillations périlleuses
Changements périodiques du champ É.M.
Il y a plusieurs façons d'entrevoir la lumière. La première et sans doute la plus répandue dans l'enseignement, c'est que la lumière est une onde. Dans ce modèle, on compare la lumière à une vague. On se sert d'ailleurs du bac à vagues (ou à ondes) pour démontrer les principes physiques de la nature ondulatoire de la lumière aux étudiants du secondaire. Il est intéressant de noter à ce propos que, dans la langue anglaise, on ne fait pas de distinction comme on le fait en français entre le mot "ondes" et le mot "vagues"; on dit simplement "wave" pour référer onde et vague. Singulier. Dans la langue française, par contre, pour des raisons étymologiques que j'ignore, nous employons deux mots différents pour référer à ces deux phénomènes. C'est vrai qu'il y a dans les "vagues" quelque chose d'une onde, de périodique. Mais onde est un concept abstrait qui n'a pas d'analogue physique direct à mon sens. Alors que, de la vague on va à ondes. Ceci dit, le modèle "onde", pour parler de la lumière, est le plus répandue dans l'esprit populaire. Fait à noter, la lumière n'oscille ou n'ondule pas que dans un seul plan, comme le suggère la figure ci-contre, de haut en bas seulement, par exemple, mais dans tous les plans, toutes les directions, simultanément, formant un "nuage" d'ondes, réparti au hasard. Cette propriété nous amènera, plus tard, à comprendre la polarisation.
Photons : difficile de se représenter les photons, sans masse, la science nous apprend qu'ils se déplaçant à la vitesse de la lumière. C'est pour-tant eux qui sont responsables de l'effet photo-électrique.
Des grains de lumière
De la dualité onde-corpuscule
Après Newton, bien d'autres physiciens se sont succédés à la tête des découvertes physiques sur la lumière. Plus près de nous, on doit la naissance du photon à Max Planck et Albert Einstein. L'aspect ondulatoire de la lumière a permis l'essor de l'optique, discipline physique qui explique la déviation de faisceaux lumineux à travers des prismes, des lentilles et des fentes. C'est l'aspect classique de la lumière. À l'époque de Newton, l'électricité n'était pas inventé encore.
Le concept de photon, associé à la lumière, nous catapulte en pleine modernité puisqu'il a été responsable de tout le développment subséquent de l'électronique, de la radio, de la télévision et des télécommunications. Que l'on pense seulement à l'importance de la fibre optique et à la quantité phénoménale d'information qu'il a été permis de transmettre par ce nouveau médium et il est aisé de comprendre les services que ce développment de la science a rendu à l'humanité. Les photons sont chargés électriquement. Ils n'ont pas de poids et voyagent à la vitesse de la lumière. Quand les puissants radio-téléscopes scrutent le ciel la nuit, c'est les photons émis par les étoiles lointaines qui permettent de mettre leur existence en évidence.
Pas de chance Hulk : voilà, selon Marvel Comics, ce qui arrive à un être humain exposé aux rayons gamma. On ne parlera pas de Thernobyl, ça ce n'est pas de la science fiction...
Radiations lumineuses
Une autre façon de voir la lumière
Vous avez entendu de l'irradiation des aliments? Ou de l'irradiation de l'eau, dans le traitement des eaux usés? Dans un cas comme dans l'autre, l'irradiation sert les mêmes fins: tuer les bactéries et microbes par l'exposition à la lumière ultraviolet. Ce n'est pas toute la lumière ultraviolet qui soit néfaste pour la santé. Depuis plus d'une dizaine d'années, une certaine partie de la population de nos pays occidentaux a appris à se soumettre à des séances d'irradiation de lumière ultraviolet dans des salons dits de bronzage, dans le but express d'avoir un teint en santé. Peu importe la finalité, cela demeure de l'irradiation. L'exposition aux "rayons" lumineux ou "radiations" lumineuses est la même chose. En fait, là où je veux en venir c'est que la lumière est une forme de radiation et entretient des liens étroits de parenté avec les autres formes de radiations connues dans l'univers. Il y a les rayons gamma (le cas de Hulk), les rayons X, les rayons ultraviolets, les rayons infra-rouges, les micro-ondes, les ondes de télévision, les ondes radios et les ondes audio : tout ce beau monde appartient à ce qu'on appelle le spectre électromagnétique. La lumière est une onde électro-magnétique. Chez l'humain, elle est détectée grâce à la sensibilité innée aux radiations électro-magnétiques de nos yeux, que nous verrons plus loin, sur la vision.
Spèctre ÉM : on en rencontre une foule de représentations, plus ou moins heureuses mais l'important est de retenir où se situe la lumière visible, car c'est là qu'origine la sensation colorée.
Spectre électromagnétique
Notre mère à tous
Qu'est-ce qui différencie les rayons Gamma des rayons X, des UV aux infra-rouges, des micro-ondes aux signaux radio et de télévision? La principale caractéristique physique tient à la "longueur" de ces ondes -- elles ont toutes des longueur d'onde différentes. Avez-vous déjà 'vu' une onde radio? Avez-vous déjà 'vu' une onde sonore? Avez-vous déjà 'vu' une radiation ultra-violet ou infra-rouge? Non, mais vous l'avez certainement ressenti sur votre peau. En fait, on ne 'voit' les ondes électromagnétique que dans une infime bande de radiations très étroite du spectre électromagnéique, celle située entre 400 nanomètre et 700 nanomètre (un dix milliardième de mètre ou 0.00001 m). On abrévie nanomètre par "nm". C'est une unité de mesure de longueur utilisée par la physique pour rendre compte de la mesure de la lumière. On dira "longueur d'onde" en parlant de nanomètres. Par exemple, on dira 660nm, pour parler de la longueur d'onde d'un laser Hélium-Néon. Ou 547nm pour parler d'un des pics du mercure. La longueur d'onde est une unité fondamentale en science. Elle est employée par les chimistes autant que les physiciens. C'est une propriété de la matière qui explique beaucoup de choses.
On peut comparer des "ondes" ou "radiations" à des élastiques: on peut les étirer. Qu'est-ce qu'on obtient quand on étire une onde: une onde plus grande! Ce qui nous importe dans une onde c'est sa 'longueur' : la distan-ce qui sépare deux sommets consécutifs comme l'illustre le graphique ci-contre.
Longueur d'onde et couleur
Quelle relation?
Il existe définitivement une relation entre la longueur d'une onde et sa couleur percue. Plus la distance est grande entre deux sommets (ou crêtes) d'une onde et plus on dit que cette onde est 'longue'. Au contraire, plus la distance est petite entre deux sommets et plus on dit que cette onde est 'courte' et plus on dit aussi de cette onde qu'elle est 'énergétique'. Les rayons gamma, par exemple, sont des ondes extrêmement courtes. En revanche, les ondes radio et télévision sont extrêmement longues -- de l'ordre du kilomètre! Vous immaginez.
Dans la couleur, la plage de longueur d'onde qui nous intéresse se situe entre 400 nanomètres et 700 nanomètres, parce qu'en deça et au dessus de ces borness, hélas!, il n'y a rien de détectable pour nos yeux.
Spectre des couleurs visible
de 400nm à 700nm
Vous remarquez sur le graphique ci-contre que plus on s'approche des 700 nanomètres, à droite, et plus l'apparence de l'onde de lumière correspondante évoque la sensation du "rouge". À l'opposé, à gauche, plus on s'approche des 400 nanomètres, plus l'apparence coloré tire sur le violet. Entre ces deux extrêmes, se situe toute la gamme des couleurs visibles. C'est pourquoi on appelle ce graphique "le spectre visible". Chacune des positions discriminables dans ce spectre correspond à une longueur d'onde physique, définie par sa fréquence ou ondulations par secondes ou cycles par secondes, c'est la même chose. L'aspect le plus difficile dans l'apprentissage de la couleur, comme dans tout apprentissage, d'ailleurs, est de dépasser le stade des mots. Au-delà des mots, se cachent les concepts et c'est les concepts qui nous intéressent. Ce qui est important de retenir c'est le la lumière n'est pas homogène, elle est composée d'une infinité de radiations que l'on peut observer individuellement via divers dispositifs optiques, comme un prisme. C'est justement ces radiations prises individuellement qui sont responsables de nos sensations colorées. Le longueurs d'onde "longues", de 600nm à 600nm, sont responsables des couleurs "chaudes" comme le jaune, l'orangé et le rouge. Les longueurs d'onde "courtes", de 400nm à 500nm, provoquent en nous des sensations de couleur "froides" comme le bleu et le violet. Entre les deux, de 500 à 600nm, se trouvent les longueurs d'ondre "moyenne" comme les verts. C'est le millieu du spectre visible et là où se situe notre pic de sensibilité visuelle.
Synthèse de couleur
En général, ce qu'on retrouve au chapître des systèmes de couleur, ce sont les modèles usuels de mélange additif et soustractif, basés sur le mélanges de lumières colorées et de pigments. Nous allons bien sûr d'abord présenter ces modèles importants que nous allons compléter par la contribution de nombreux chercheurs sur la couleur, pour enfin aboutir au système de la CIE.
Mélange additif de lumières colorées
R=Rouge V=Vert B=Bleu
En synthèse additive, 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.
Mélange soustractif de pigments colorées
C=Cyan M=Magenta J=Jaune (K=Noir)
En synthèse soustractive, on se préocuppe de ce qui 'reste' de la lumière initiale. En fait, c'est 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 projete sur le papier où sont appliqués 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.
Représentation HSB
H=Hue S=Satur B=Bright
La représentation HSB est une alternative aux représentations RVB et CMJ, qui sont considérés comme des représentations 'machine' de la couleur -- surtout dans le monde de la couleur numérique d'aujourd'hui. HSB est considéré comme un mode de représentation 'perceptuelle' de la couleur plus près de notre naturel de pensée. Il est vrai que RVB représente à la base des intensités de trois lumières colorées, à partir desquelles on peut générer un très grand nombre de couleurs différentes. Même chose pour CMJ. Mais HSB permet une spécification 'abstraite' de la couleur, plus près de notre manière symbolique de manipuler les concepts dans notre esprit comparativement à RVB et CMJ qui "codent" des intensités de matières colorées réelle, soit des lampes ou des pigments. Pour la création, RVB et CMJ sont plutôt pénibles.
Exemples de modèle additif
de la couleur
Voici un écran de visualisation type qui utilise le mélange de trois lumières colorées. Ci-dessous, un agrandissement des luminophores RVB.
Exemples de modèle soustractif de la couleur
Voici la sortie d'une presse offset qui utilise des pigments colorés transparents pour recouvrir le papier blanc. Ci-dessous, on apperçoit une imprimante à jet d'encre. Ces imprimantes comme les presses utilisent le procédé CMJ.