Images et couleurs | Cours de physique-chimie – Première spécialité

Formation d’images et lumières colorées

Cours de physique-chimie | première spécialité

Ce cours correspond à la partie “A) Images et couleurs” du programme de première spécialité.

Il est situé dans le thème du programme “Ondes et signaux – 2. La lumière : images et couleurs, modèles ondulatoire et particulaire”

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Relation de conjugaison

A quoi sert la relation de conjugaison ?

La relation de conjugaison est une relation entre la position d’un point objet situé sur l’axe optique d’une lentille et la position du point image formé par cette lentille.

Elle permet de:

  • trouver la position d’un point image à partir de la position du point objet et de la distance focale de la lentille (f’)
  • déterminer la position du point objet qui permet d’obtenir un point image donnée
  • déterminer la distance focale d’une lentille convergente

Notation algébrique des longueurs

La relation de conjugaison fait intervenir une notation algébrique des longueurs, chaque longueur est associée à un signe qui dépend de son orientation:

Les longueurs horizontales sont positives lorsqu’elles sont orientées vers la droite (et négatives vers la gauche)

Les longueurs verticales sont positives lorsqu’elles sont orientées vers le haut (et négatives vers le bas)

orientation longueurs

Ces notation algébriques sont surmontées d’un trait pour les distinguer des notations classiques

Exemples

Exemples de de notation algébrique de longueurs
  • Les longueurs orientées de la gauche vers la droite sont positives comme par exemple Latex formula
  • Les longueurs orientées de la droite vers la gauche sont négatives comme par exemple Latex formula
  • Les longueurs orientées du bas vers le haut sont positives comme par exemple Latex formula
  • Les longueurs orientées du haut vers le bas sont négatives comme par exemple Latex formula

Formule de la relation de conjugaison

Latex formula

Cette relation est valable si toutes les grandeurs qui interviennent sont toutes exprimées dans la même unité de longueur (toutes en mètre le plus souvent).

Grandissement

Le grandissement est une grandeur notée γ (lettre grecque gamma), elle reflète les proportions de l’image par rapport à l’objet.

Cette grandeur (déjà vue en classe de seconde http://webphysique.fr/vision-image/#grandissement ) peut aussi être exprimée sous une forme algébrique (positive ou négative) grâce à la relation suivante:

Latex formula

Le grandissement aussi peut aussi être calculé grâce à la relation suivante:

Latex formula

Image formée par une lentille convergente

Les caractéristiques de l’image formée par une lentille convergentes peuvent être déterminées à partir de la relation de conjugaison et de la formule de grandissement.

La formule de conjugaison permet de déterminer la position de l’image:

Latex formula

Latex formula


Latex formula

Latex formula

Latex formula

Cette relation permet de déterminer la distance entre le point image (A’) et le centre optique (O):

Latex formula

Dans cette relation le terme OA est toujours négatif (car le point objet “A” est toujours à gauche du centre optique “O”) tandis que “f'” est toujours positif pour une lentille convergente.

Il en résulte que:

  • si |OA| > f’ ( c’est à dire si l’objet est situé avant le foyer objet) alors OA’ > 0 ce qui signifie que l’image se forme à droite de l’axe optique, cette image est dite “réelle“, elle peut être observée sur un écran.

  • si |OA| < f’ ( c’est à dire si l’objet est situé entre le foyer objet et le centre optique) alors OA’ < 0 ce qui signifie que l’image est à droite de l’axe optique, cette image est dite “virtuelle“, elle peut ne être observée qu’en vision directe.

La valeur absolue du grandissement permet de déterminer si l’image formée est plus grande ou plus petite que l’objet:

  • Si | γ | < 1 alors l’image est plus petite que l’objet (il y a un rétrécissement)
  • Si | γ | > 1 alors l’image est plus grande que l’objet (il y a un agrandissement)
  • Si | γ | = 1 alors l’image a même taille que l’objet

Le signe (positif ou négatif) du grandissement dépend de l’orientation de l’image par rapport à l’objet:

  • Si γ > 0 (grandissement positif) alors l’image a même sens que l’objet (si l’objet est orienté vers le haut alors l’image aussi, si l’objet est orienté vers le bas alors l’image aussi), on dit que l’image est droite.
  • Si γ < 0 (grandissement négatif) alors l’image et l’objet ont des sens opposés ( si l’objet est orienté vers le haut alors l’image est orientée vers le bas tandis que si l’objet est orienté vers le bas alors l’image est orientée vers le haut), on dit que l’image est renversée

Dans le cas d’une lentille convergente:

  • Si le point objet est situé avant le foyer objet F ( |OA|> |f’|) alors l’image est réelle et renversée
  • Si le point objet est entre le foyer objet et le centre optique (|OA|< |f’|) alors l’image est virtuelle et droite

Lumière blanche

Une lumière est dite blanche si:

  • elle possède un spectre continu comportant l’ensemble des longueurs d’ondes caractérisant la lumière visible (de 400 nm à 800 nm) et que l’intensité lumineuse des lumières monochromatiques qui la composent ont des valeurs proches.
  • Elle combine, avec des intensités lumineuses proches, les trois couleurs primaires de la synthèse additive (rouge, bleu et vert).

Voir cours La lumière blanche

Perception de la lumière

La vision humaine se fait grâce à des cellules photosensibles (des cellules sensibles à la lumière) qui tapissent la rétine de l’oeil. Ce sont ces cellules qui détectent la lumière et la convertisse en un signal nerveux qui est transmis au cerveau.

La rétine humaine comporte deux catégories de cellules photosensibles: les batonnets et les cônes

Le batonnets sont surtout sensibles à l’intensité lumineuse de la lumière mais il ne permettent pas de distinguer les différentes couleurs, ils permettent une vision nocture plus efficace.

Les cônes sont divisés en trois catérgories, chacune est sensible à un domaine de longueurs d’onde qui lui est propre:

  • les cônes sensibles à la lumière rouge
  • les cônes sensibles à la lumière verte
  • les cônes sensibles à la lumière bleue

La vision humaine est basée sur la trichromie: l’ensemble des couleurs perçues par l’oeil humain résulte de la combinaison des trois couleurs de bases perçues par chacun des types de cône.

Voir cours Vision et perception des couleurs

Synthèse additive

Qu’est-ce que la synthèse additive ?

On parle de synthèse additive lorsque l’on combine des lumières de couleurs différentes (donc de longueurs d’onde différentes) pour obtenir une lumière possédant une nouvelle couleur.

On produit donc (on “fait la synthèse”) une nouvelle lumière colorée en combinant (en “additionnant”) des lumières colorées.

En pratique on peut réaliser une synthèse additive en “superposant deux (ou davantage) faisceaux lumineux de couleurs différentes.



Voir cours “Couleurs primaires

Les couleurs primaires de la synthèse additive

Les couleurs primaires sont les couleurs de bases dont la combinaison permet d’obtenir toutes les couleurs possibles.

Les couleurs primaires de la synthèse additive correspondent aux couleurs auxquelles sont sensibles les trois types de cônes de l’oeil humain:

Les couleurs primaire de la synthèse additive sont le rouge, le vert et le bleu

Les couleurs primaires en synthèse additive

Combinaison de couleurs primaires par synthèse additive

Si l’on combine par synthèse additive des couleurs primaires (avec des intensités lumineuses proches) alors on obtient les couleurs suivantes:

  • rouge + vert = jaune
  • rouge + bleu = magenta
  • vert + bleu = cyan
  • rouge + vert + bleu = blanc
Mélanges des couleurs primaires en synthèse additive

Voir cours La synthèse additive des couleurs

Couleurs complémentaires

Définition

En synthèse additive deux couleurs sont dites complémentaires si leur combinaison donne la couleur blanche

Les principales couleurs complémentaires

  • Le bleu et le jaune

On dit que le jaune est la couleur complémentaire du bleu ( et inversement que le bleu est la couleur complémentaire du jaune) car:

jaune = rouge + vert

donc jaune + bleu = rouge + vert + bleu

et justement rouge + vert + bleu = blanc !

  • Le vert et le magenta
  • le rouge et le cyan
Les couleurs complémentaires

Voir cours Les couleurs complémentaires

Couleur spectrale et couleur perçue

Lorsqu’on parle de la couleur d’une lumière il faut distinguer la couleur percue de la couleur spectrale:

La couleur perçue est la couleur que nous percevons, si par exemple nous voyons un objet jaune alors la couleur perçue est jaune.

La couleur spectrale est la caractérisation de la couleur d’une lumière à partir de son spectre.

Par exemple:

  • une lumière perçue peut être blanche si son spectre est continu avec l’ensemble des couleurs visibles mais il est aussi possible que son spectre comporte les trois couleurs primaires (rouge, vert et bleu)

Transmission, diffusion et absorption

Lorsque la lumière se propage dans un milieu transparent et atteint un nouveau milieu alors trois phénomènes sont possibles (en fonction de la nature du milieu et de la lumière):

  • La transmission
  • La diffusion
  • L’absorption

Il est possible que plusieurs de ces phénomènes se produisent simultanément.

  • La transmission: la lumière continue à se propager dans le nouveau milieu
  • La diffusion: la lumière est renvoyée dans son milieu d’origine (dans toutes les directions)
  • L’absorption: la lumière est absorbée par le milieu (elle est souvent convertie en énergie thermique mais elle peut aussi être réémise par fluorescence ou phosphorescence )

Les filtres et la synthèse soustractive

Qu’est ce qu’un filtre coloré ?

Certains milieux sont susceptibles de n’absorber qu’une partie des lumières colorées et de transmettre les autres, c’est le cas des filtre colorés.

Un filtre d’une couleur donnée transmet la lumière correspondant à sa couleur et absorbe les autres

Les principaux filtres colorés et leurs effets

  • Un filtre rouge transmet la lumière rouge et absorbe les autres couleurs (en particulier les deux autres couleurs primaires, le bleu et le vert)
  • Un filtre bleu transmet la lumière bleue et absorbe les autres couleurs (en particulier le vert et le rouge)
  • Un filtre vert transmet la lumière verte et absorbe les autres couleurs ( en particulier le bleu et le rouge)
  • Un filtre jaune (le modèle le plus fréquent) laisse passer la lumière rouge et la lumière verte (dont l’addition donne du jaune) et absorbe les autres couleurs (en particulier le bleu)
  • Un filtre magenta (le modèle le plus fréquent) laisse passer la lumière rouge et la lumière bleue (dont l’addition donne du magenta) et absorbe les autres couleurs (en particulier le vert)
  • Un filtre cyan (le modèle le plus fréquent) laisse passer la lumière bleue et la lumière verte (dont l’addition donne du cyan) et absorbe les autres couleurs (en particulier le rouge)

Qu’est-ce que la synthèse soustractive ?

La synthèse soustractive consiste à faire absorber une partie des lumières colorées qui constituent une lumière polychromatique afin d’obtenir une lumière de couleur différente.

En pratique il est possible de réaliser une synthèse soustractive en utilisant des filtres colorés.

Les couleurs primaires de la synthèse soustractive

Ce sont les lumières colorées de base qui grâce à une synthèse soustractive permettent d’obtenir toutes les couleurs perceptibles par l’oeil humain (sauf le blanc).

Les couleurs primaires de la synthèse soustractive correspondent aux couleurs complémentaires des couleurs primaires de la synthèse additives:

Le jaune, le magenta et le cyan

Les couleurs complémentaires en synthèse soustractives

Combinaison des couleur primaires

  • Jaune + magenta = rouge
  • Jaune + cyan = vert
  • Cyan + magenta = bleu


Voir cours La synthèse soustractive des couleurs

Couleur perçue d’un objet

Un objet opaque absorbe une partie des lumières colorées qu’il reçoit et diffuse les autres, il se comporte comme un filtre.

Si un objet est éclairé par une lumière blanche de spectre continue alors:

  • s’il est rouge alors il diffuse la lumière rouge et absorbe les autres couleurs (le vert, le bleu et donc le cyan)
  • s’il est vert alors il diffuse la lumière verte et absorbe les autres couleurs (le rouge, le bleu et donc le magenta)
  • s’il est bleu alors il diffuse la lumière bleue et absorbe les autres couleurs (le vert, le rouge et donc le jaune)
  • s’il est jaune alors il diffuse la lumière rouge et la lumière verte (dont l’addition forme le jaune) et absorbe les autres couleurs (le bleu)
  • s’il est magenta alors il diffuse la lumière rouge et la lumière bleue (dont l’addition forme le magenta) et absorbe les autres couleurs (le vert)
  • s’il est cyan alors il diffuse la lumière bleu et la lumière verte (dont l’addition forme le cyan) et absorbe les autres couleurs (le rouge)

La couleur d’un objet dépend la lumière (blanche ou colorée) qui l’éclaire:

sa couleur est celle de la lumière qu’il diffuse, elle comporte toutes les lumières colorées incidentes sauf celles qui ont été absorbées.

Par exemple, un objet magenta (qui diffuse seulement les lumières rouges et bleues):

  • est perçu de couleur bleu s’il est éclairé par une lumière bleue
  • est perçu de couleur rouge s’il est éclairé par une couleur rouge
  • est perçu noir s’il est éclairé par une lumière verte (car il ne diffuse aucune lumière)
  • est perçu de couleur rouge s’il est éclairée par une lumière jaune (il diffuse la lumière rouge du jaune mais pas la lumière verte)
  • est perçu de couleur beu s’il est éclairée par une lumière cyan (il diffuse la lumière bleue du cyan mais pas la lumière verte

Voir cours La couleur des objets

A réviser

Cours de seconde:

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