Physique de la couleur

Physique de la couleur

Selon le dictionnaire de la langue française, la couleur est l'impression produite sur l'œil par la lumière. Cette lumière correspond aux radiations, telles qu'elles sont absorbées ou réfléchies par les corps. On définit la lumière comme un ensemble de rayons lumineux qui font partie du spectre lumineux et que l'on définit par leur longueur d'onde. Mais on peut se demander pourquoi une longueur d'onde particulière produit une couleur particulière.

Introduction

Afin de comprendre en quoi une longueur d'onde spécifique permet d'obtenir une lumière de telle ou telle couleur, il est important de détailler plusieurs connaissances utiles au lecteur et quelques notions de physique quantique. C'est pourquoi nous allons voir dans cet article quelques notions dans une partie intitulée Pré-requis.

Puis nous verrons quelques définitions qui ont traits à la couleur dans la partie Définition de la couleur. Finalement nous verrons pourquoi une longueur d'onde donnée correspond à une couleur particulière dans la partie Teinte et longueur d'onde.

Pré-requis

Quelques définitions qui doivent être sues et comprises avant la poursuite de ce document.

Particule élémentaire : terme conventionnel utilisé par les physiciens des particules, pour se référer à des objets tels que des électrons et des photons. Les particules élémentaires ont aussi des propriétés ondulatoires (qui définissent une onde).

Rayonnement électromagnétique : un rayonnement électromagnétique désigne un transfert d'énergie sous la forme d'ondes électromagnétiques. Une onde électromagnétique se caractérise par un flux quasi-continu de particules dépourvues de masse, tels les photons.

Température absolue : température d'une particule élémentaire. Celle-ci ne dépend pas de la concentration (densité) des particules. C'est une température « théorique ».

Densité d'énergie lumineuse : caractéristique de la lumière qui permet entre autres de définir la teinte de la lumière et d'apporter une corrélation entre énergie et température absolue d'une onde lumineuse. Cette énergie se mesure en quantité d'énergie par mètre cube.

Définition de la couleur

La couleur est définie en physique par plusieurs caractéristiques :

• la teinte ;
• la saturation ;
• la clarté ;
• l'éclat.

La teinte

On définit dans un premier temps un photon. Le photon est la particule élémentaire qui constitue le rayonnement électromagnétique. Lorsqu'ils se déplacent, les photons ont la propriété d'une onde d'énergie qui admet périodiquement des pics d'intensité. La longueur d'onde d'un photon correspond à la distance entre deux pics d'intensité. La lumière est composée de millions de photons qui peuvent avoir des longueurs d'ondes différentes. Lorsque toutes les longueurs d'ondes sont présentes en même quantité, la lumière est dite blanche. C'est le cas de la lumière du soleil.

La teinte est la notion qui nous est la plus familière et correspond à la longueur d'onde de la lumière reçue par l'œil.

La saturation

La lumière est toutefois rarement composée d'une seule et unique longueur d'onde, la teinte est due à la longueur d'onde la plus importante dans le flux lumineux. Nous nommoms spectre l'ensemble des longueurs d'ondes disponibles dans le flux. Nous différencions les quantités de chacune des ondes du spectre disponible dans une lumière.

Par exemple, nous percevons une lumière qui possède 70 % de bleu et 10 % de vert différemment d'une lumière contenant 91 % bleu et 3 % de vert. Ces proportions définissent la saturation d'une couleur.

La clarté

La clarté est un mélange d'une teinte avec un niveau de gris allant du blanc au noir. C'est donc une notion indépendante de la quantité d'éclairage qui permet de voir l'objet coloré.

L'éclat

L'éclat est directement lié à la quantité d'éclairage fournie. Ainsi un cube bleu plongé dans la pénombre apparaît noir, avec un éclairage normal il est donc bleu, et blanc si la lumière est très vive.

Teinte et longueur d'onde

Nous pouvons maintenant nous demander pourquoi une teinte (couleur) est associée à une certaine longueur d'onde.

Cette association a été observée, dans un premier temps, de manière empirique. Pendant de nombreuses années, seule l'expérimentation visuelle a permis de mettre en valeur des teintes différentes pour une lumière de longueur d'onde donnée. Cette notion de longueur d'onde était d'ailleurs bien connue des premiers physiciens qui ont étudiés les phénomènes lumineux (Maxwell, Faraday, à la fin du XIX^e siècle. C'est en effet par la différenciation de fréquence d'émission que l'on a pu mettre en évidence la notion de longueur d'onde.

On peut donc dire que les premiers résultats concernant la teinte des longueurs d'onde furent observés.

La lumière, une source d'énergie

C'est en 1913 qu'Albert Einstein postule sur l'existence des photons, particules qui pourraient expliquer la quantification de l'énergie transportée par la lumière. Ce sont les cellules photoréceptrices situées dans la rétine de l'œil, qui nous permettent de distinguer les couleurs. Comme leur nom l'indique, ces cellules sont touchées par les photons qu'émet la lumière. Photons qui, rappelons-le, sont portés par les ondes électromagnétiques qui déterminent la longueur d'onde de la lumière).

Teinte de la lumière et température de la source

La plupart des sources de lumière sont chaudes ; elles émettent de la lumière par incandescence. La lumière émise est composée d'une plage étendue de longueurs d'onde. La répartition énergétique des ondes émises selon leur longueur d'onde ne dépend que de la température de la source.

La quantité d'énergie émise par une source ne dépend que de la température absolue de la source. Soit une température absolue source T₀ qui correspond à une longueur d'onde λ₀. Une source à température absolue double T₁ émet à une longueur d'onde deux fois plus petite λ₁ (fréquence plus élevée $\Rightarrow$ émission de chaleur plus élevée) dans le spectre visible. On peut donc poser :

$T_1 = 2\times T_0 \Leftrightarrow \lambda_1 = \frac{\lambda_0}{2}$

avec u_i la densité d'énergie lumineuse d'une source i, et $i\in \{0,1\}$.

On peut donc ainsi conclure à une corrélation entre la densité d'énergie lumineuse et la longueur d'onde:

$u_1 = 16\times u_0 \Leftrightarrow \lambda_1 = \frac{\lambda_0}{2}$

La densité d'énergie lumineuse permet de définir la teinte de la lumière d'où le rapport entre longueur d'onde et teinte.

remarques : Rappelons que les propriétés vues ci-dessus (relations mathématiques) ne sont valables que pour le spectre lumineux visible.

La lumière émise par le Soleil à la température absolue de surface de 5700°C, est principalement constituée de lumière visible et de proche infra-rouge, alors que la Terre (température absolue de surface 20°C) émet plutôt des infra-rouges. Une photo satellite en lumière visible montre ce qui est réfléchie et diffusé par la Terre et les nuages à partir de l'éclairage du Soleil ; une photo en lumière infra-rouge thermique montre ce qui est émis par la surface de la Terre.

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