Spectre visible
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Lespectre visibleest la partie duspectre électromagnétiquequi estperceptible par l'humain.Le spectre se décompose en rayonnementsmonochromatiquespar le passage de lalumièreà travers un dispositif disperseur (prisme ou réseau diffractant): c'est l'analyse spectrale.
La sensibilité de l'œil selon lalongueur d'ondedu rayonnement électromagnétique diminue progressivement de part et d'autre d'un maximum entre 495 et 555 nanomètres (nm) selon ledomaine de visionet les conditions de la mesure. On ne peut donner de limites exactes au domaine des rayonnements visibles. LaCommission internationale de l'éclairagedéfinit la vision de l’observateur de référencejusqu'à une valeur 50 000 fois plus faible que le maximum, pour une longueur d'onde dans levidede 380 à 780nm.
Le spectre visible occupe la majeure partie de lafenêtre optique,une gamme de longueurs d'onde bien transmises par l'atmosphère terrestre,qui recoupe celle où l'éclairement énergétiquesolaireest maximal à la surface de laTerre.Des longueurs d'onde plus courtes endommageraient la structure des molécules organiques, tandis que l'eau, constituant abondant du vivant, absorbe celles plus longues.
Histoire d'un terme étrange
[modifier|modifier le code]Le termespectre,signifiant « apparence immatérielle », « illusion » s'appliquait, auXVIIesiècle, à tous les phénomènes optiques qu'on ne s'expliquait pas. Synonyme decouleur accidentelle,il servait pour les impressions rétiniennes ducontraste simultanéou successif aussi bien que pour les irisations vues au bord d'un objet regardé à travers unprisme[1],[2].
Newtonutilise une seule fois le terme«Spectrum»pour présenter sesexpériencesen optique dans son article publié en 1671 à propos de« sa nouvelle théorie sur la lumière et les couleurs[3]».Procédant avec soin, il projette un rayon de lumière blanche dusoleilpassant au travers d'un volet par un trou de 6mmde diamètre et dévié par un prisme sur un mur, et obtient unspectre(op. cit.,p.3076) environ cinq fois plus long que large. Éliminant toutes les autres causes possibles, Newton conclut que la lumière blanche est« un mélange hétérogène de rayons différemment réfrangibles »(op. cit.,p.3079). Les couleurs ne sont pas, dit-il, desqualifications de la lumière,comme on l'estimait depuisAristote,mais des propriétés originales, différentes dans chaque rayon; les moins réfrangibles sont de couleur rouge, et les plus réfrangibles sont d'un violet profond, et cette association de propriétés ne peut être brisée par aucun moyen (op. cit.,p.3081). Les transmutations de couleurs ne se produisent que lorsqu'il y a mélange de rayons. Ce sont ces couleurs obtenues par mélange, et non celles séparées par le prisme, qui sont illusoires, fugaces et apparentes.« Les couleurs originales ou premières sont lerouge,lejaune,levert,lebleuet unviolet-pourpre,ensemble avec l'orange, l'indigo, et une variété indéfinie de gradations intermédiaires[4]».Toute une série de phénomènes optiques s'expliquent ainsi, y compris la coloration des objets: il conclut ainsi sur ce point que« les couleurs des objets naturels n'ont pas d'autre origine que celle-ci: ceux-ci sont variablement constitués pour réfléchir une sorte de couleur en plus grande quantité que d'autres »(op. cit.,p.3084). Avec ces conclusions, il est clair que Newton n'emploiera plus le terme despectre.Les« couleurs prismatiques »(op. cit.,p.3087) ne sont pas illusoires ou immatérielles: les autres couleurs le sont.
La théorie de Newton est immédiatement adoptée par le public, mais des savants influents, commedu Fay[5],doutent. Ils relèvent que Newton présente comme unfaitce qui en réalité n'est qu'unehypothèse plausible,son expérience ne suffisant pas à prouver que le prisme ne crée pas des rayons lumineux colorés, différents par nature de la lumière blanche[6].Voltairedéfend la théorie de Newton avec une interprétation particulière qui transforme le spectre continu en sept rayons principaux[7],[8].Le jésuiteCastels'oppose avec détermination à ce qu'il considère comme un phénomène de mode[9].Quelles sont, dit-il, cesseptcouleurs que le savant anglais discerne, par rapport auxtroisqui, comme les peintres et les teinturiers le savent depuis fort longtemps, suffisent pour en reconstituer une infinité[10]?
Après plus d'un siècle, des intellectuels et philosophes commeGoethe[11]suivi parSchopenhauer[12]contestent toujours les constructions de la physique. Pour eux, les couleurs prismatiques sont un « spectre », une illusion. L'explication par des causes physiologiques, avec la théorie deYoungetHelmholtz,de la synthèse trichrome des couleurs, résoudra l'apparente contradiction entre les pratiques des coloristes et les expériences des physiciens.
Au début duXIXesiècle, des expériences avec la lumière solaire montrent qu'il existe un rayonnement invisible de part et d'autre de celui que le prisme étale en rayons colorés. En 1800,William Herscheldécouvre qu'on peut échauffer un thermomètre en l'exposant à l'obscurité du côté du rouge; l'année suivanteJohann Wilhelm Ritterobserve que le papier imbibé dechlorure d'argentnoircit quand il l'expose à l'obscurité du côté du violet, plus vite que lorsqu'il l'expose au violet. Les couleurs prismatiques se prolongent donc par des parties invisibles,infrarougesetultraviolets.
James Clerk Maxwellmontre en 1864 que la lumière est une perturbation électromagnétique. Le modèle de description des phénomènes périodiques lui est applicable. Des formules qui servaient à l'acoustiquedécrivent les vibrations électromagnétiques; elles ressortent de l'analyse fréquentielle issue de l'analyse harmonique développée depuisJoseph Fourierpour toutphénomène périodique.La lumière n'est plus qu'un cas particulier d'onde électromagnétique. La physique adopte le termespectre,au sens de« description d'un signal par les fréquences ou les longueurs d'onde (voire les énergies) qui le composent[13]»,qu'on obtient à partir de la description temporelle par latransformation de Fourier.Il faut dès lors préciserspectre visiblequand on parle de celui de la lumière[14].
Après la séparation des recherches optiques et de celles sur la perception, les arts de lacouleuret lacolorimétrieadoptent une série de caractérisations de la couleur qui leur est propre.
Le spectre visible dans le spectre électromagnétique
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Du point de vue de laphysique,lalumièreest unrayonnement électromagnétique.Elle occupe une très petite fraction du spectre de l'ensemble de ces rayonnements; le rapport de la plus grandelongueur d'ondevisible à la plus courte est d'environ 2, tandis que les extrêmes du spectre électromagnétique sont dans un rapport 1015.
Cette infime région du spectre électromagnétique représente la plus grande partie de lafenêtre optique,expression qui désigne une gamme de longueurs d'onde que l'atmosphère terrestretransmet bien. Elle recoupe celle où l'éclairement énergétiquesolaire est maximal à la surface de laTerre[15].Cette fraction duspectre solairejoue un rôle important pour le développement de la vie; des longueurs d'onde plus courtes endommageraient la structure des molécules organiques, tandis que l'eau, constituant abondant du vivant, absorbe celles plus longues[16].Le spectre visible correspond à des énergies photoniques proches de2eV,parmi les plus faibles de celles qui peuvent provoquer des réactions chimiques. La partie la plus énergétique se prolonge dans lesultraviolets,tandis que de la partie la moins énergétique se prolonge dans lesinfrarouges,invisibles mais qui transportent une énergie transformée en chaleur lorsqu'elle est absorbée.
Longueurs d'onde
[modifier|modifier le code]On a coutume, enoptique,de caractériser les rayonnementsmonochromatiquespar leurlongueur d'ondedans levide;cette grandeur est pratique dans plusieurs applications. Lavitesse de la lumièredans un matériau est inférieure à celle dans levide.Le rapport de ces vitesses est l'indice de réfractiondu matériau. Lorsqu'un rayon lumineux passe obliquement la limite entre deux matériaux d'indices de réfraction différent, il subit une déviation qui dépend du rapport de ces indices. Dans les matièresdispersives,la vitesse de propagation du rayonnement, et donc l'indice de réfraction, dépendent de lafréquenceou énergiephotonique.La déviation, au passage dans un tel milieu, dépend de cette différence de vitesse. Les composantes d'une lumière qui contient un mélange de fréquences se trouvent ainsi étalées. L'eau est une de ces matières, et le passage de la lumière solaire dans des gouttelettes d'eau en suspension dans l'air produit unarc en ciel.Lesverres optiquessont plus ou moins dispersifs. On peut les utiliser pour décomposer la lumière blanche avec unprisme:c'est l'expérience de Newton à l'origine du termespectre.Unréseau de diffractionpermet aussi, par l'effet des interférences, la dispersion des rayons lumineux selon la fréquence. C'est le principal procédé aujourd'hui pour l'analyse du spectre.
En optique, on décrit généralement le spectre en fonction de lalongueur d'ondedu rayonnement dans le vide. En passant dans un milieu quelconque, la vitesse de la lumière décroît, tandis que lafréquenceet l'énergie photonique qui lui est équivalente restent identiques. La longueur d'onde varie donc d'un milieu à l'autre selon laréfringence.Il serait plus rigoureux de définir le rayonnement en fonction de l'énergie photonique, mais pour des raisons historiques et surtout pratiques, on parle de longueur d'onde, en sous-entendantdans le vide.
Limites du visible
[modifier|modifier le code]La sensibilité de l'œil diminue progressivement selon la longueur d'onde, et varie selon les individus, de sorte qu'on peut donner plusieurs limites au spectre visible. LaCommission internationale de l'éclairagedéfinit la vision de l’observateur de référenceentre une longueur d'onde dans le vide à partir de 380nanomètres(nm),perçue comme unvioletextrêmement sombre, et jusqu'à 780nm,correspondant à unrougeégalement à peine perceptible[17].
Dans des conditions exceptionnelles, comme la suppression ducristallinaprès une opération de la cataracte, ces limites de la perception humaine peuvent s'étendre jusqu'à 310nmdu côté desultravioletset jusqu'à 1 100nmdans le procheinfrarouge[18],[19].
Spectroscopie
[modifier|modifier le code]L'étude scientifique des objets fondée sur l'analyse de la lumière qu'ils émettent est nomméespectroscopie.Enastronomie,c'est un moyen essentiel de l'analyse d'objets distants. Laspectroscopie astronomiqueutilise des instruments à forte dispersion pour observer le spectre à de très hautesrésolutions.
En spectroscopie, la limite du visible a souvent peu d'importance, et l'analyse déborde largement sur les infrarouges et les ultraviolets. On caractérise parfois le rayonnement par une variante dunombre d'onde,l'inverse de la longueur d'onde dans le vide. Dans cette échelle, la partie visible du spectre s'étend à peu près, du rouge au bleu-violet, de 1 500 à 2 300cm−1.
Fraunhoferrepéra le premier l'existence deraies obscuresdans la lumière du Soleil décomposée par le prisme. Les raies attestent de l'émission ou de l'absorption de la lumière par deséléments chimiques.Leur position dans le spectre renseigne sur la nature des éléments chimiques présents; l'effet Doppleraffecte légèrement cette position, d'où on déduit lavitesse radialedes astres. L'analyse du spectre des étoiles a atteint une si grande résolution que des variations de leur vélocité radiale de quelques mètres par seconde ont pu être détectées, ce qui a fait conclure à l'existence d'exoplanètes,révélée par leur influence gravitationnelle sur les étoiles analysées.
Couleurs et spectre
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Lavision humainedistingue les couleurs endomaine photopique(diurne), c'est-à-dire avec uneluminancede 3 à 5 000cd/m2[20].Comparant l'effet de rayonnements monochromatiques de mêmeluminance énergétique,la perception est maximale pour un rayonnement de longueur d'onde voisine de 555nm,ce qui correspond à unvert-jaunâtre. Ce rayonnement, proche du maximum énergétique durayonnement solaire,correspond à la plus grande sensibilité visuelle.
Chaque « couleur spectrale » correspond à une longueur d’onde précise; cependant, le spectre des lumières présentes dans la nature comprend en général l'ensemble des rayonnements, en proportion variables. La spectrométrie étudie les procédés de décomposition, d’observation et de mesure des radiations en étroites bandes de fréquence.
Unspectromètredu spectre visible (et longueurs d'onde voisines) est devenu un instrument assez courant, analysant la lumière par bandes de longueur d'onde de 5 à 10nm.
Un tel appareil, capable de donner cent niveaux différents pour chacune de ses quarante bandes, peut représenter 10040spectres différents.
Dans certaines régions du spectre, un humain normal peut distinguer des ondes de longueur d'onde différant de moins de 1nm,et plus d'une centaine de niveaux de luminosité[21].Pourtant, la description d'une couleur n'a pas besoin d'autant de données que pourrait laisser croire la spectroscopie. Les humains n'ont en vision diurne que trois types de récepteurs, et il suffit de trois nombres pour décrire une couleur perçue. De nombreuses lumières mélangées de plusieurs radiations de longueurs d'onde différentes, ditesmétamères,se perçoivent identiquement. Les lumières monochromatiques n'ont pas de métamère, sauf à utiliser un mélange de deux rayonnements proches pour donner à percevoir un intermédiaire entre eux.
Lacolorimétriedécrit la couleur perçue; mais la spectrométrie a une grande utilité lorsqu'il s'agit de couleurs de surface. Une surface colorée renvoie une partie du spectre de l'illuminantqui l'éclaire, absorbant le reste. Changer l'illuminant, c'est changer la lumière émise par la surface. Deux surfaces peuvent apparaître identiques sous un illuminant, mais, leurréflectance spectraleétant différente, ne plus être métamères sous un autre. Pour résoudre les problèmes que cela peut susciter, sans avoir à expérimenter avec tous les illuminants possibles, il faut étudier leur spectre.
On utilise parfois par extension le termelumièrepour désigner les rayonnementsultraviolets(UV), comme dans l'expression « lumière noire », ouinfrarouges(IR), bien que ces rayonnements ne soient pas visibles[22].
Longueurs d'onde approximatives des couleurs spectrales
[modifier|modifier le code]Bien que le spectre soit continu et qu'il n’y ait pas de frontière claire entre une couleur et la suivante, la table suivante donne les valeurs limites des principauxchamps chromatiques,avec les noms et limites de longueur d'onde dans le vide indiqués par la norme française AFNOR X080-10 « Classification méthodique générale des couleurs »[23].
La fréquence du rayonnement enhertzs'obtient en divisant la vitesse de la lumière, environ 3 × 108m/s,par la longueur d'onde enmètres.La fréquence entérahertz(THz) s'obtient donc en divisant 300 000 (la vitesse de la lumière exprimée enkm/s) par la longueur d'onde en nanomètres (nm,10−9m): 103× 109= 1012,le multiplicateur correspondant aupréfixetéra.
| Longueur d'onde(nm) | Champ chromatique | Couleur | Commentaire |
|---|---|---|---|
| 380 — 449 | Violet | 445 | primaireCIE1931 435,8 |
| 449 — 466 | Violet-bleu | 455 | primairesRGB: 464 |
| 466 — 478 | Bleu-violet | 470 | indigoentre le bleu et le violet (Newton) |
| 478 — 483 | Bleu | 480 | |
| 483 — 490 | Bleu-vert | 485 | |
| 490 — 510 | Vert-bleu | 500 | |
| 510 — 541 | Vert | 525 | |
| 541 — 573 | Vert-jaune | 555 | CIE1931: 546,1; primaire sRGB: 549. |
| 573 — 575 | Jaune-vert | 574 | |
| 575 — 579 | Jaune | 577 | |
| 579 — 584 | Jaune-orangé | 582 | |
| 584 — 588 | Orangé-jaune | 586 | |
| 588 — 593 | Orangé | 590 | |
| 593 — 605 | Orangé-rouge | 600 | |
| 605 — 622 | Rouge-orangé | 615 | primaire sRGB: 611 |
| 622 — 780 | Rouge | 650 | primaireCIE1931: 700 |
Les couleurs primaires d'instrumentation de la CIE (1931) correspondent à desraies spectralesdumercurepour celles à 435,8 et 549nm,et à une valeur arbitraire pour celle à 700nm,dont la luminance n'est que de 0,004 102 fois le maximum (atteint vers 555nm). Dans la région du rouge, le seuil de discrimination entre longueurs d'onde est élevé, et les expérimentateurs n'ont pas besoin de définir le rayonnement avec autant de précision[24].
Notes et références
[modifier|modifier le code]Notes
[modifier|modifier le code]- Les écrans ne peuvent pas représenter les couleurs monochromatiques.
- L'algorithme de calcul des couleurs se trouve dans l'articleEfficacité lumineuse spectrale.
Références
[modifier|modifier le code]- Trésor de la langue française.[réf. incomplète]
- Oxford English Dictionnary.[réf. incomplète]
- (en)«A letter from M. Isaac Newton (…) containing his new theory about Light and Colors»,Philosophical Transactions,,p.3075-3087(lire en ligne)
- «The Original or primary colours are,Red,Yellow,Green,Blew,and aViolet-purple,together with Orange, Indico, and an indefinite variety of Intermediate gradations»(op. cit.,p.3082)
- Charles François de Cisternay du Fay,«Observations physiques sur le mélange de quelques couleurs»,Mémoires présentés à l'Académie des sciences,(lire en ligne);pour plus de noms et résumés des opinions, voirAlexandreSavérien,Dictionnaire universel de mathématique et de physique,Paris,(lire en ligne),p.229-234 « couleurs ».
- (en)EvanThompson,Colour Vision: A Study in Cognitive Science and Philosophy of Science,Routledge,(présentation en ligne),p.8-9.
- Déribéré 2014,p.21-30.
- Voltaire,Éléments de la philosophie de Newton mis à la portée de tout le monde,Amsterdam,(lire en ligne),p.117
- Louis-BertrandCastel,L'optique des couleurs: fondée sur les simples observations & tournée sur-tout à la pratique de la peinture, de la teinture & des autres arts coloristes,Paris, Briasson,(lire en ligne),introduction et chapitre 1.
- Voir par exempleJacob ChristophLe Blon,Coloritto: L'Harmonie du coloris dans la peinture; reduite en pratique mecanique et à des regles sures & faciles: avec des figures en couleur, pour en faciliter l'intelligence, non seulement aux peintres, mais à tous ceux qui aiment la peinture.,Londres, sans nom d'éditeur,(lire en ligne).
- Traité des couleurs,1810.[réf. incomplète]
- Sur la vue et les couleurs,1816.[réf. incomplète]
- Dic. Phys.,p.635 « Spectre ».
- L'expression « spectre visible » est attestée en 1890,Royal Society of London,Catalogue of scientific papers,vol.17 MARC-P (1884-1900),(lire en ligne),p.596.
- Sève 2009,p.43.
- NeilCampbellet JaneReece,Biologie,Pearson,,7eéd.(ISBN978-2-7440-7223-9),p.198
- Valeurs tabulées des fonctions colorimétriques de 380 à 780 nm par pas de 5 nm:(en)«Selected Colorimetric Tables», surcie.co.at(consulté le).
- (en)D. H. Sliney, «What is light? The visible spectrum and beyond»,Eye,no2,,p.222–229(ISSN1476-5454,DOI10.1038/eye.2015.252).
- (en)W. C. Livingston,Color and light in nature,Cambridge, UK, Cambridge University Press,(ISBN0-521-77284-2,lire en ligne).
- Pour un champ de2°.Pour un champ large, il faut porter le minimum à 200cd/m2(Sève 2009,p.84).
- Sève 2009,p.121-122.
- Dic. Phys.,p.406 « Lumière ».
- Sève 2009,p.248. Les fonctions colorimétriques donnent des valeurs converties encodes informatiquesau mieux pour un écran conforme aux préconisationssRGB;lesluminancescorrespondent à la luminance relative de la couleur spectrale. Le nombre inscrit dans la couleur est la longueur d'onde dominante représentée.
- Sève 2009,p.72.
Annexes
[modifier|modifier le code]Bibliographie
[modifier|modifier le code]- MauriceDéribéré,La couleur,Paris,PUF,coll.« Que Sais-Je » (no220),,12eéd.(1reéd.1964)
- YvesLe Grand,Optique physiologique: Tome 2, Lumière et couleurs,Paris, Masson,,2eéd..
- RobertSève,Science de la couleur: Aspects physiques et perceptifs,Marseille, Chalagam,,374p.(ISBN978-2-9519607-5-6et2-9519607-5-1)
- RichardTaillet,LoïcVillainet PascalFebvre,Dictionnaire de physique,Bruxelles,De Boeck,,p.635
Articles connexes
[modifier|modifier le code]Liens externes
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- Notice dans un dictionnaire ou une encyclopédie généraliste:
- Tout savoir sur la photosynthèse et le photovoltaïsme
