Spectre visible

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Le spectre visible obtenu par décomposition de la lumière blanche par un prisme

Le spectre visible ou spectre optique est la partie du spectre électromagnétique visible pour l'œil humain, c'est-à-dire une représentation de l'ensemble des composantes monochromatiques de la lumière visible.

On ne peut pas définir de façon absolue les limites en longueur d'onde des rayonnements perceptibles ; la sensibilité de l'œil diminue progressivement, et varie selon les individus. La Commission internationale de l'éclairage définit la vision de l’observateur de référence entre une longueur d'onde dans le vide de 390 nanomètres (nm), perçue comme un violet, et celle de 780 nm, correspondant à un rouge[1].

Le spectre visible occupe la majeure partie de la fenêtre optique, une gamme des longueurs d'onde qui sont facilement transmises par l'atmosphère terrestre. Cette région du spectre électromagnétique recoupe celle où l'éclairement énergétique solaire est maximal à la surface de la Terre[2]. Des longueurs d'ondes plus courtes que 380 nm endommageraient la structure des molécules organiques tandis que l'eau, constituant abondant du vivant, absorbe celles plus longues que 720 nm[3].

Utilisation historique du terme[modifier | modifier le code]

Le terme spectre, signifiant « apparence immatérielle », « illusion » s'appliquait, au XVIIe siècle, à tous les phénomènes optiques qu'on ne s'expliquait pas. Synonyme de couleur accidentelle, il servait pour les impressions rétiniennes du contraste simultané ou successif aussi bien que pour les irisations vues au bord d'un objet regardé à travers un prisme[4].

Newton utilise une seule fois le terme « Spectrum » pour présenter ses expériences en optique dans son article de 1671[5]. Procédant avec soin, il projette un rayon de lumière blanche du Soleil passant au travers d'un volet par un trou de 6 mm de diamètre et dévié par un prisme sur un mur, et obtient un spectre (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, des qualifications de la lumière, comme on l'estimait depuis Aristote, 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, et non celles séparées par le prisme, qui sont illusoires, fugaces et apparentes. « Les couleurs originales ou premières sont le rouge, le jaune, le vert, le bleu et un violet-pourpre, ensemble avec l'orange, l'indigo, et une variété indéfinie de gradations intermédiaires[6] ». Toute une série de phénomènes optiques s'expliquent ainsi, y compris la coloration des objets (op. cit., p. 3084). Avec ces conclusions, il est clair que Newton n'emploiera plus le terme de spectre. 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, comme du Fay[7], doutent. Voltaire défend la théorie de Newton avec une interprétation particulière qui transforme le spectre continu en sept rayons principaux[8]. Le jésuite Castel s'oppose avec détermination à ce qu'il considère comme un phénomène de mode[9]. Quelles sont, dit-il, ces sept couleurs que le savant anglais discerne, par raport aux trois qui, 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, moralistes et philosophes comme Goethe[11] suivi par Schopenhauer[12] s'obtinent à contester les conclusions de la physique. Pour eux, les couleurs prismatiques sont un « spectre », une illusion trompeuse. L'explication par des causes physiologiques, avec la théorie de Young et Helmholtz, de la synthèse trichrome des couleurs, résoudra l'apparente contradiction entre les pratiques des coloristes et les expériences des physiciens.

Après la séparation des recherches optiques et de celles sur la perception, le terme spectre reste en usage en physique, au sens de « description d'un signal par les fréquences ou les longueurs d'onde (voire les énergies) qui le composent[13] », tandis que les arts de la couleur et la colorimétrie adoptent une série de caractérisations de la couleur qui leur est propre.

Du point de vue de la physique, la lumière est une variété de rayonnement électromagnétique, partageant certaines propriétés d'une onde et certaines de celles des particules[14]. La vitesse de la lumière au travers d'un matériau est inférieure à celle dans le vide. Le rapport des vitesses est connu sous le nom d'indice de réfraction du matériau. Dans certaines matières, dites dispersives, la vitesse, et donc l'indice de réfraction dépend de la fréquence. La lumière qui contient plusieurs fréquences ou énergies photoniques se disperse en les traversant sous une incidence non perpendiculaire. Le verre est l'une de ces matières, ce qui permet de créer un spectre optique depuis la lumière blanche avec un prismes en verre.

Un réseau de diffraction permet 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.

Spectroscopie[modifier | modifier le code]

Articles détaillés : spectroscopie et spectroscopie astronomique.

L'étude scientifique des objets fondée sur l'analyse de la lumière qu'ils émettent est nommée spectroscopie. Une application très importante de la spectroscopie est l'astronomie, où la spectroscopie est essentielle à l'analyse d'objets distants. En particulier, la spectroscopie astronomique utilise des instruments à forte dispersion pour observer le spectre à de très hautes résolutions.

Fraunhofer repéra le premier l'existence de raies obscures dans la lumière du Soleil décomposée par le prisme. Différents éléments chimiques peuvent être détectés dans les astres par les raies d'émission ou d'absorption contenues dans leur spectre, la position des raies dans le spectre pouvant renseigner sur la nature des éléments chimiques, ainsi que sur la vitesse radiale des astres. Les premières exoplanètes ont été ainsi découvertes en analysant le spectre des étoiles à une si grande résolution que des petites variations de leur vélocité radiale - de quelques mètres par seconde - purent être détectées : la présence de planètes fut révélée par leur influence gravitationnelle sur les étoiles analysées, ainsi que leurs trajectoires.

Couleurs du spectre[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Efficacité lumineuse spectrale.
Le spectre électromagnétique (le spectre visible correspond aux couleurs en bas du schéma)

La vision humaine a une sensibilité maximale en vision photopique, diurne, pour un rayonnement de longueur d'onde voisine de 555 nm, ce qui correspond à un vert jaunâtre.

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.

Spectromètre courant  :

Un spectromètre du 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 10 nm.

Un tel appareil, capable de donner cent niveaux différents pour chacune de ses quarante bandes, peut représenter 10040 spectres différents.

Cependant, dans certaines régions du spectre, un humain normal peut distinguer des ondes de longueur d'onde différant de moins de 1 nm, et plus d'une centaine de niveaux de luminosité[15]. 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, dites métamères, 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.

La description de la couleur perçue est l'objet de la colorimétrie ; 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'illuminant qui 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, leur réflectance spectrale étant 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 terme lumière pour désigner les rayonnements ultraviolets (UV), comme dans l'expression « lumière noire », ou infrarouges (IR), bien que ces rayonnements ne soient pas visibles[16].

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 principaux champs 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 »[17].

Couleurs du spectre
Longueur d'onde (nm) Champ chromatique Couleur Commentaire
380 — 449 Violet 445 primaire CIE 1931 435,8
449 — 466 Violet-bleu 455 primaire sRGB : 464
466 — 478 Bleu-violet 470 indigo entre le bleu et 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 CIE 1931 : 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 — 700 Rouge 650 primaire CIE 1931 : 700

Les couleurs primaires d'instrumentation de la CIE (1931) correspondent à des raies spectrales du mercure, pour celles à 435,8 et 549 nm, et est une valeur arbitraire pour celle à 700 nm, dont la luminance n'est que de 0,004102 du maximum atteint vers 555 nm.

Intervalles de longueur d'onde utilisés en spectroscopie UV-Visible[modifier | modifier le code]

Ces intervalles de fréquences sont issus du CRC Handbook of Fundamental Spectroscopic Correlation Charts[18] , ces frontières sont bien entendu approximatives, car le passage d'une couleur à l'autre est continu.

Aperçu Couleur Intervalle de longueur d'onde(nm)
UV 100-380
Violet 380-450
Bleu 450-495
Vert 495-570
Jaune 570-590
Orange 590-620
Rouge 620-750
IR proche 750-3000

Voir aussi[modifier | modifier le code]

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Bibliographie[modifier | modifier le code]

  • Maurice Déribéré, La couleur, Paris, PUF, coll. « Que Sais-Je » (no 220),‎ , 12e éd. (1re éd. 1964)
  • Yves Le Grand, Optique physiologique : Tome 2, Lumière et couleurs, Paris, Masson,‎ .
  • Richard Taillet, Loïc Villain et Pascal Febvre, Dictionnaire de physique, Bruxelle, De Boeck,‎ , p. 635

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Lien externe[modifier | modifier le code]

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. Valeurs tabulées des fonctions colorimétriques de 380 à 780 nm par pas de 5 nm Données à télécharger sur le site de la CIE
  2. Robert Sève, Science de la couleur : Aspects physiques et perceptifs, Marseille, Chalagam,‎ , p. 43
  3. Neil Campbell, Jane Reece, Biologie, 7e édition, 2007, (ISBN 978-2-7440-7223-9), p. 198.
  4. Trésor de la langue française, Oxford English Dictionnary.
  5. « A letter from M. Isaac Newton », Philosophical Transactions,‎ , p. 3075-3087 (lire en ligne)
  6. « The Original or primary colours are, Red, Yellow, Green, Blew, and a Violet-purple, together with Orange, Indico, and an indefinite variety of Intermediate gradations » (op. cit., p. 3082)
  7. 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, voir Alexandre Savérien, Dictionnaire universel de mathématique et de physique, Paris,‎ (lire en ligne), p. 229-234 « couleurs ».
  8. Déribéré 2014, p. 21-30 ; Voltaire, Élémens de la philosophie de Neuton : mis à la portée de tout le monde, Amsterdam,‎ (lire en ligne), p. 117.
  9. Louis-Bertrand Castel, 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.
  10. Voir par exemple Jacob Christoph Le 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., sans nom d'éditeur,‎ (lire en ligne).
  11. Traité des couleurs, 1810
  12. Sur la vue et les couleurs, 1816.
  13. Dic. Phys., p. 635 « Spectre ».
  14. Voir Dualité onde-particule.
  15. Robert Sève, Science de la couleur : Aspects physiques et perceptifs, Marseille, Chalagam,‎ , p. 121-122.
  16. Dic. Phys., p. 406 « Lumière ».
  17. Robert Sève, Science de la couleur : Aspects physiques et perceptifs, Marseille, Chalagam,‎ , p. 248. Les fonctions colorimétriques donnent des valeurs convertis en codes informatique au mieux pour un écran conforme aux préconisations sRGB ; les luminances correspondent à la luminance relative de la couleur spectrale. Le nombre inscrit dans la couleur est la longueur d'onde dominante représentée
  18. CRC Handbook of Fundamental Spectroscopic Correlation Charts|CRC Handbook of Fundamental Spectroscopic Correlation Charts