Les mélanges de lumières colorées

Spots RVB synthèse additive

 

Pour cette expérience, nous vous proposons de vous placer dans une pièce obscure puis d'éclairer un écran blanc (mur, feuille de papier, ....) avec des spots émettant des lumières de différentes couleurs.

 

En superposant les différentes taches de lumière sur l'écran, vous verrez apparaître une nouvelle couleur "mélange".

Matériel

Spots RVB pour synthèse additive
  • Pièce obscure
  • Ampoules colorées ou ampoules de lumière blanche équipées de filtres colorés montées sur des spots à pince orientables (voir la rubrique ci-dessous).
  • "Écran" blanc (écran de projection, mur blanc, plafond, grande feuille de papier, ...)
  • Multiprise pour pouvoir allumer plusieurs lampes à la fois (trois minimum)
  • Planche de bois (2 cm d'épaisseur maximum, facultatif) ou bord de table pour fixer facilement les spots à pince
  • On pourra également utiliser des lampes torches de lumière blanche équipées de filtres colorés que l'on orientera à la main (lampes fournies dans nos kits Loisir).

Comment obtenir une source de lumière colorée et directionnelle ?

Spots RVB pour synthèse additive

Vous pouvez pour cela acheter des ampoules de lumière blanche avec réflecteur ou des lampes torches, devant lesquelles vous ajouterez des filtres de couleurs non diffusant (c’est-à-dire translucides). De tels filtres spécialement sélectionnés pour effectuer les mélanges de lumières colorées sont disponibles sur la boutique du site et dans nos kits Loisir et Sup. Pour pouvoir visualiser en même temps sur un écran les couleurs de départ et la couleur du mélange, il faudra choisir un angle d’émission le plus petit possible. Une autre option consiste à acheter dans un magasin spécialisé des ampoules colorées avec réflecteur, ou des ampoules à LED associées à une télécommande qui permet de changer la couleur à la demande. Ces dernières sont plus coûteuses (une quinzaine d'euros par ampoule) et si vous en utilisez plusieurs en même temps, chaque télécommande modifie toutes les ampoules à la fois, ce qui rend la manipulation difficile.

Choix des couleurs

Il faut disposer au minimum de trois lumières colorées ROUGE, VERT et BLEU. Mais il est également intéressant, pour pouvoir comparer avec les règles de "mélange" des couleurs "matière", de disposer de lumières CYAN, JAUNE et MAGENTA.

Observations

Les règles de mélange que vous devriez obtenir avec les lumières de couleur ROUGE, VERTE et BLEUE sont les suivantes :

  • ROUGE + VERT = JAUNE
  • VERT + BLEU = CYAN
  • BLEU + ROUGE = MAGENTA
  • ROUGE + VERT + BLEU = BLANC

Attention : si les différentes lampes n'ont pas des puissances et des tailles de faisceaux équivalentes, les résultats peuvent être un peu différents, par exemple ROUGE + VERT peut donner un ORANGE si le rouge est plus "fort" que le vert.

Voici pour commencer ce que nous avons observé en utilisant trois spots à LED de couleur ROUGE, VERTE et BLEUE :

Spots RVB synthèse additive

Les spots VERT et BLEU superposés donnent du CYAN.

Spots RVB synthèse additive

Les spots ROUGE et BLEU superposés donnent du MAGENTA.

Spots RVB synthèse additive

Les spots ROUGE et VERT superposés donnent du JAUNE.

Spots RVB synthèse additive

La superposition des trois spots ROUGE, VERT et BLEU donne du BLANC.


Les observations sont plus faciles avec des spots donnant un faisceau de lumière mieux délimité.

Voici ce que nous avons obtenu avec des lampes halogène à faisceau très directif, équipées de filtres colorés ROUGE, VERT et BLEU :

Spots RVB synthèse additive

Les trois spots ROUGE, VERT et BLEU séparés.

Spots RVB synthèse additive

Les spots ROUGE et BLEU superposés donnent du MAGENTA.

Spots RVB synthèse additive

Les spots ROUGE et VERT superposés donnent du JAUNE.

Spots RVB synthèse additive

Les trois spots ROUGE, VERT et BLEU superposés donnent du BLANC.

Spots RVB synthèse additive

Les spots VERT et BLEU superposés donnent du CYAN.

Spots RVB synthèse additive

Les trois spots donnent par superposition deux à deux du CYAN, MAGENTA ou JAUNE, et les trois ensemble du BLANC.


En mettant sa main devant les lumières des spots mélangées, on peut faire apparaître des ombres colorées.

 

La couleur de l'ombre est :

  • ROUGE, VERT ou BLEU si la lumière d'un seul spot arrive à l'écran, les deux autres étant stoppées par la main

  • CYAN, MAGENTA ou JAUNE si les lumière de deux spots arrivent à l'écran, la troisième étant stoppée par la main

  • NOIR (pas de lumière) si les lumières des trois spots sont stoppées par la main
Spots CMJ synthèse additive

Avec des lampes de couleur JAUNE, CYAN et MAGENTA, les règles deviennent en théorie :

  • CYAN + MAGENTA = BLEU PÂLE
  • MAGENTA + JAUNE = ROUGE PÂLE
  • JAUNE + CYAN = VERT PÂLE
  • CYAN + MAGENTA + JAUNE = BLANC

Dans la pratique, la lumière parait très blanche dans la zone de superposition et il n'est pas toujours évident d'y distinguer des dominantes colorées.

Discussion

Ces règles de mélange des couleurs "lumière" sont celles de la synthèse additive, que l'on retrouve également dans le mélange des couleurs avec des toupies. Elles sont différentes des règles de mélange des couleurs "matière" comme la peinture. En particulier, le mélange ROUGE + VERT donne ici du JAUNE, le mélange CYAN + MAGENTA + JAUNE donne ici du BLANC, alors qu'en peinture ces deux mélanges donneraient en théorie du NOIR ou en pratique une couleur très foncée.

Ici, les lumières colorées sont diffusées par le mur blanc et c'est en entrant ensemble dans nos yeux qu'elles vont produire par l'intermédiaire de notre cerveau une nouvelle sensation colorée. Il n'y a pas de mélange ou de superposition de pigments, comme en peinture ou en imprimerie, mais bien coexistence des lumières colorées, comme dans l'expérience des toupies. Ceci est confirmé par une analyse spectrale de la lumière "mélange" (voir le cas des lasers ROUGE et VERT dans la rubrique "Questions bonus").

En jouant sur les puissances respectives des lumières ROUGE, VERTE et BLEUE, il est possible de créer toutes les sensations colorées de notre cerveau. Ce principe de synthèse additive est à la base du fonctionnement des ampoules à couleurs changeantes (voir la rubrique "Question bonus") et des écrans couleurs de nos ordinateurs, smartphones ou télévisions (voir l'expérience "Des écrans à la loupe").

Questions bonus

  • Que se passe-t-il si nous utilisons pour cette expérience des pointeurs laser à la place des ampoules colorées ?
Synthèse additive R + V = J

Dans ce cas, il s'agit de couleurs "pures" (lumières monochromatiques) alors que les spots utilisés précédemment ont un spectre assez large.  On peut voir sur la photo ci-contre que le résultat est le même qu'avec des spots de couleurs : en superposant les taches de lumière de deux lasers ROUGE et VERT, on obtient du JAUNE (les petits grains qu'on observe sur la photo sont une particularité de la lumière laser, appelée "speckle" ; si vous ne les avez jamais remarqués, plissez les yeux quand vous regardez la lumière d'un laser sur un écran : les grains apparaissent plus gros !).

Mais est-ce du "vrai" JAUNE (pur, monochromatique) ? La décomposition de cette lumière "visiblement jaune" au moyen d'un prisme ou d'un réseau montre qu'elle est en réalité composée uniquement de lumière ROUGE et VERTE : elle ne contient pas de "vrai" jaune monochromatique. Pour le vérifier on peut utiliser une feuille réseau 2D (bientôt disponible sur la boutique du site) : si la tache de lumière observée est assez petite, ce qui est le cas avec un laser, les composantes monochromatiques se séparent bien, comme on peut le voir sur la photo ci-contre. Le jaune "mélange" (tache au centre) est décomposé en lumière rouge et verte (taches périphériques).

C'est notre œil qui nous trompe : que nous regardions un mélange de lumière rouge et verte ou de la lumière pure jaune, l'impression visuelle est la même. Pour en comprendre la raison, on doit s'intéresser fonctionnement de l’œil.

  • Quel est le principe de fonctionnement des ampoules à couleurs changeantes ?

Ces ampoules, qu'on trouve dans les magasins spécialisés, sont souvent utilisées pour réaliser des guirlandes de Noël. Elles contiennent généralement des LED de seulement trois couleurs ROUGE, VERT et BLEU dont les puissances d'émission sont modulées, en séquence ou continûment, ce qui permet de réaliser par mélange toute une palette de couleurs.

Sur certaines ampoules il est possible de voir les LED individuelles et de suivre ainsi, en fonction de la couleur "mélange" observée sur un écran, quelles LED sont allumées et quelles LED sont éteintes.

 

Les photos ci-dessous montrent les couleurs primaires (une seule LED allumée) et secondaires (mélange de deux LED allumées).

LED RVB à couleurs changeantes, synthèse additive

Le tableau ci-dessous résume ce qu'on peut voir par exemple pour une séquence ROUGE JAUNE → VERT → CYAN → BLEU → MAGENTA .

  • Et si le mur n'est plus blanc mais coloré ?

Vous trouverez des éléments de réponse à cette question sur la page de l'expérience "Des objets de couleurs sous des lumières colorées".