Physique

Le don de la vision est rendu plus riche par l’existence de la couleur. Les objets et les lumières abondent de milliers de teintes qui stimulent nos yeux, notre cerveau et nos émotions. Deux questions fondamentales sont abordées dans ce bref traitement : que signifie la couleur en termes scientifiques, et comment nous, en tant qu’humains, la percevons ?

Théorie simple de la vision des couleurs

Nous avons déjà noté que la couleur est associée à la longueur d’onde du rayonnement électromagnétique visible. Lorsque nos yeux reçoivent une lumière de longueur d’onde pure, nous avons tendance à ne voir que quelques couleurs. Six d’entre elles (les plus souvent citées) sont le rouge, l’orange, le jaune, le vert, le bleu et le violet. Il s’agit de l’arc-en-ciel de couleurs produit lorsque la lumière blanche est dispersée selon différentes longueurs d’onde. Il existe des milliers d’autres teintes que nous pouvons percevoir. Il s’agit notamment du brun, du sarcelle, de l’or, du rose et du blanc. Une théorie simple de la vision des couleurs implique que toutes ces teintes sont la réponse de notre œil à différentes combinaisons de longueurs d’onde. C’est vrai dans une certaine mesure, mais nous constatons que la perception des couleurs est encore plus subtile que la réponse de notre œil pour différentes longueurs d’onde de la lumière.

Les deux principaux types de cellules sensibles à la lumière (photorécepteurs) dans la rétine sont les bâtonnets et les cônes

Les cônes sont plus concentrés dans la fovéa, la région centrale de la rétine. Il n’y a pas de bâtonnets à cet endroit. La fovéa est au centre de la macula, une région de 5 mm de diamètre responsable de notre vision centrale. Les cônes fonctionnent mieux à la lumière vive et sont responsables de la vision à haute résolution. Il y a environ 6 millions de cônes dans la rétine humaine. Il existe trois types de cônes, et chaque type est sensible à différentes gammes de longueurs d’onde, comme l’illustre la figure 1.

Une théorie simplifiée de la vision des couleurs est qu’il existe trois couleurs primaires correspondant aux trois types de cônes. Les milliers d’autres teintes que nous pouvons distinguer sont créées par diverses combinaisons de stimulations des trois types de cônes. La télévision couleur utilise un système tricolore dans lequel l’écran est recouvert d’un nombre égal de points de phosphore rouge, vert et bleu. La large gamme de teintes que voit le téléspectateur est produite par diverses combinaisons de ces trois couleurs. Par exemple, vous percevrez le jaune lorsque le rouge et le vert sont éclairés avec un rapport d’intensité correct. Le blanc peut être perçu lorsque les trois couleurs sont illuminées. Il semblerait donc que toutes les teintes puissent être produites par l’addition de trois couleurs primaires dans des proportions variées. Mais il semble que la vision des couleurs soit plus sophistiquée. Il n’existe pas d’ensemble unique de trois couleurs primaires. Un autre ensemble qui fonctionne est celui du jaune, du vert et du bleu. Une autre indication de la nécessité d’une théorie plus complexe de la vision des couleurs est que diverses combinaisons différentes peuvent produire la même teinte. Le jaune peut être perçu avec de la lumière jaune, ou avec une combinaison de rouge et de vert, ainsi qu’avec de la lumière blanche dont le violet a été retiré. L’aspect des trois couleurs primaires de la vision des couleurs est bien établi ; les théories plus sophistiquées le développent plutôt que de le nier.

Considérez pourquoi divers objets affichent des couleurs – c’est-à-dire pourquoi les plumes sont bleues et rouges dans une roselle cramoisie ? La véritable couleur d’un objet est définie par ses caractéristiques d’absorption ou de réflexion. La figure 2 montre une lumière blanche tombant sur trois objets différents, un bleu pur, un rouge pur et un noir, ainsi qu’une lumière rouge pure tombant sur un objet blanc. D’autres teintes sont créées par des caractéristiques d’absorption plus complexes. Le rose, par exemple sur un cacatoès galah, peut être dû à une faible absorption de toutes les couleurs sauf le rouge. Un objet peut apparaître d’une couleur différente sous un éclairage non blanc. Par exemple, un objet bleu pur éclairé par une lumière rouge pure apparaîtra noir, car il absorbe toute la lumière rouge qui lui tombe dessus. Mais, la vraie couleur de l’objet est bleue, ce qui est indépendant de l’illumination.

De même, les sources de lumière ont des couleurs qui sont définies par les longueurs d’onde qu’elles produisent. Un laser hélium-néon émet une lumière rouge pure. En fait, l’expression « lumière rouge pure » est définie par le fait d’avoir un spectre contraint et net, une caractéristique de la lumière laser. Le soleil produit un large spectre jaunâtre, les lampes fluorescentes émettent une lumière blanche bleutée et les lampes à incandescence émettent des teintes blanches rougeâtres, comme le montre la figure 3. Comme vous pouvez vous y attendre, vous ressentez ces couleurs lorsque vous regardez directement la source lumineuse ou lorsque vous éclairez un objet blanc avec elle. Tout cela s’inscrit parfaitement dans la théorie simplifiée selon laquelle une combinaison de longueurs d’onde produit diverses teintes.

Color Constancy and a Modified Theory of Color Vision

Le système de détection des couleurs œil-cerveau peut, en comparant divers objets dans sa vue, percevoir la vraie couleur d’un objet dans des conditions d’éclairage variables – une capacité qui est appelée constance des couleurs. Nous pouvons sentir qu’une nappe blanche, par exemple, est blanche, qu’elle soit éclairée par la lumière du soleil, une lumière fluorescente ou une bougie. Les longueurs d’onde qui pénètrent dans l’œil sont assez différentes dans chaque cas, comme l’impliquent les graphiques de la figure 3, mais notre vision des couleurs peut détecter la véritable couleur en comparant la nappe à son environnement.

Les théories qui prennent en compte la constance des couleurs sont basées sur un grand nombre de preuves anatomiques ainsi que sur des études perceptives. Il existe des connexions nerveuses entre les récepteurs de lumière sur la rétine, et il y a beaucoup moins de connexions nerveuses au cerveau qu’il n’y a de bâtonnets et de cônes. Cela signifie qu’il y a un traitement du signal dans l’œil avant que l’information ne soit envoyée au cerveau. Par exemple, l’œil effectue des comparaisons entre des récepteurs de lumière adjacents et est très sensible aux bords, comme le montre la figure 4. Plutôt que de répondre simplement à la lumière qui entre dans l’œil, qui est uniforme dans les différents rectangles de cette figure, l’œil répond aux bords et détecte les fausses variations d’obscurité.

Une théorie qui prend en compte divers facteurs a été avancée par Edwin Land (1909-1991), le fondateur créatif de la société Polaroid. Land a proposé, en se basant en partie sur ses nombreuses et élégantes expériences, que les trois types de cônes sont organisés en systèmes appelés rétinex. Chaque rétinex forme une image qui est comparée aux autres, et le système œil-cerveau peut ainsi comparer une nappe blanche éclairée par une bougie à son environnement généralement rougeâtre et déterminer qu’elle est réellement blanche. Cette théorie rétinienne de la vision des couleurs est un exemple des théories modifiées de la vision des couleurs qui tentent de rendre compte de ses subtilités. Une expérience frappante réalisée par Land démontre qu’un certain type de comparaison d’images peut produire une vision des couleurs. Deux photos d’une scène sont prises sur un film noir et blanc, l’une avec un filtre rouge, l’autre avec un filtre bleu. Les diapositives en noir et blanc ainsi obtenues sont ensuite projetées et superposées sur un écran, produisant une image en noir et blanc, comme prévu. Ensuite, un filtre rouge est placé devant la diapositive prise avec un filtre rouge, et les images sont à nouveau superposées sur un écran. On s’attendrait à une image aux diverses nuances de rose, mais au lieu de cela, l’image apparaît aux humains en pleine couleur, avec toutes les nuances de la scène originale. Cela implique que la vision des couleurs peut être induite par la comparaison des images en noir et blanc et en rouge. La vision des couleurs n’est pas complètement comprise ou expliquée, et la théorie du rétinex n’est pas totalement acceptée. Il est évident que la vision des couleurs est beaucoup plus subtile que ce qu’un premier regard pourrait impliquer.