Couleur et vision : cours de Première spécialité

Une tomate te paraît rouge, un ciel d'été bleu, une feuille verte. Pourtant, ni la tomate, ni le ciel, ni la feuille ne « contiennent » de la couleur au sens où ils contiendraient de la peinture. Ce qui arrive à ton œil, c'est de la lumière, c'est-à-dire un rayonnement électromagnétique. La couleur est ce que ton système visuel en fait. Ce cours suit ce chemin : d'abord la lumière et son spectre, puis le mélange des lumières, puis le fonctionnement de la vision, enfin les limites du mot « couleur ».

Tu as déjà rencontré les ondes périodiques : une onde a une fréquence et une longueur d'onde. Elles vont servir ici, car ce sont elles qui distinguent les couleurs.

Dans ce domaine, on distingue les différentes couleurs par leur longueur d'onde : dans l'ordre, violet, indigo, bleu, vert, jaune, orange, rouge. ⁵ Le prisme rend cette décomposition visible : il étale la lumière en faisant apparaître les couleurs de l'arc-en-ciel. ¹

Une même couleur peut aussi se décrire par une fréquence. Une onde lumineuse qui oscille dans une certaine plage de fréquences est interprétée par le cerveau comme une couleur donnée. ¹ Longueur d'onde et fréquence sont liées par la célérité de la lumière : plus la fréquence est grande, plus la longueur d'onde est petite. Tu l'as vu pour les ondes périodiques ; ici, le rouge est donc du côté des grandes longueurs d'onde et des basses fréquences, le violet du côté opposé.

Sur un tel graphique, une lumière formée d'une seule fréquence donne un pic unique. Une lumière qui contient beaucoup de fréquences donne un tracé étalé. Les lampes à incandescence, par exemple, émettent une lumière blanche : sa description passe par un spectre qui s'étend sur un large domaine. ⁵

La représentation par la longueur d'onde en abscisse est équivalente. Pour un spectre de raies obtenu au spectroscope à prisme, on mesure une position d, on utilise une courbe d'étalonnage pour retrouver la longueur d'onde $\lambda$, puis on note la couleur observée pour chaque raie dans un tableau. ⁵ Ce travail de mesure fait partie des compétences expérimentales attendues.

Un écran d'ordinateur illustre ce principe : en pointant la fibre optique d'un spectromètre vers différentes zones colorées de l'écran, on constate que les couleurs sont créées par synthèse additive des trois primaires RVB. ³ Chaque point lumineux de l'écran est en réalité composé de petites sources rouge, verte et bleue dont on règle l'intensité.

Tes connaissances sur les ondes aident à comprendre : ajouter des lumières, c'est ajouter des radiations au spectre. Le spectre de la lumière obtenue contient les radiations de chaque source.

Pour distinguer des couleurs, il faut des capteurs dont la sensibilité dépend de la longueur d'onde. Un seul type de capteur ne le permet pas : il indiquerait seulement « plus ou moins de lumière », sans dire de quelle couleur il s'agit.

Les domaines de sensibilité des cônes se recouvrent en partie, mais leurs maxima ne coïncident pas. ⁶ Une lumière donnée excite donc les trois types de cônes à des degrés différents. C'est le trio de signaux (S, M, L) qui renseigne sur la lumière reçue, jamais un cône seul.

Par exemple, une radiation de grande longueur d'onde excite surtout les cônes de type L. Une radiation de longueur d'onde plus courte excite davantage les cônes de type M ou S. Le rapport entre les trois réponses code l'information de couleur.

Posséder des capteurs aux sensibilités différentes ne suffit pas pour voir en couleurs. Il faut aussi des circuits de neurones qui confrontent les messages nerveux envoyés par les cônes. ⁶ La couleur n'est donc pas mesurée directement par l'œil : elle est construite par le système visuel.

Pour imaginer cela, prends deux cônes dont les signaux sont $a$ (type M) et $b$ (type L). La somme $a+b$ renseigne sur la clarté, la différence $a-b$ sur l'équilibre entre vert et rouge. Si $a-b$ est proche de zéro, la lumière n'est ni plutôt rouge, ni plutôt verte. C'est une image pédagogique : le traitement réel est plus complexe. ⁶

Autrement dit, le fait que le rouge soit « le contraire » du vert vient de notre vision, non de la lumière. Le spectre, lui, est un continuum de fréquences.

La notion de couleur s'étend aussi à des usages scientifiques : on cherche à distinguer des corps par la répartition spectrale de la lumière qu'ils renvoient. ⁶ Identifier des éléments chimiques d'après leur spectre d'émission ou d'absorption oblige à découper le spectre en plusieurs dizaines de bandes, et ce découpage ne suit pas forcément celui de la vision humaine. ⁶ Un spectromètre est ainsi bien plus précis que l'œil.

Chez les animaux, on ne peut pas demander ce qu'ils voient. On vérifie la vision en couleurs chez les espèces capables d'apprentissage en faisant varier la couleur d'un stimulus lié à une punition ou une récompense, tout en s'assurant que l'animal réagit à la teinte et non à la luminosité. ⁶ Certains papillons ont même une vision tétrachromatique. ⁶