Des objets colorés éclairés en lumières colorées

Ruik's cube en lumière blanche et en lumière rouge

Quand nous parlons de la couleur d’un objet, nous ne prenons généralement pas la peine de préciser la couleur de la lumière qui l’éclaire. Nous avons pourtant tous déjà pu constater, par exemple en choisissant une peinture dans un magasin de bricolage, que même avec des lumières dites « blanches » le rendu des couleurs peut être légèrement différent d’une source d’éclairage à une autre. Dans les expériences proposées sur cette page, nous allons nous intéresser au cas extrême où un objet coloré est éclairé avec des lumières colorées. Nous verrons que cela peut donner lieu pour l'objet à des changements de couleurs spectaculaires, au point qu’il n’est parfois plus possible de deviner ses « vraies » couleurs (c'est-à-dire ses couleurs en lumière blanche) : comme on peut le voir sur la photo, il est beaucoup plus facile de finir un Rubik’s cube en lumière ROUGE qu’en lumière BLANCHE ! Nous donnerons également quelques éléments permettant de comprendre ces changements.

Matériel

  • Une pièce parfaitement obscure (il faut éviter toute lumière blanche parasite).
  • Une source de lumière colorée, permettant si possible d’obtenir les couleurs suivantes : BLANC, ROUGE, VERT, BLEU, CYAN, MAGENTA et JAUNE. Pour cela, on pourra utiliser une ampoule LED à couleurs changeantes avec télécommande (disponible dans les magasins de bricolages), une lampe BLANCHE recouverte par des filtres colorés de bonne qualité (disponibles sur la boutique du site) ou trois lampes de lumières ROUGE, VERTE et BLEUE.
  • Un objet multicolore. Ici, nous avons choisi de regarder un damier imprimé sur une feuille BLANCHE où les huit couleurs principales sont représentées : BLANC, NOIR, ROUGE, VERT, BLEU, CYAN, MAGENTA et JAUNE.

De nombreuses variantes de cette expérience sont possibles. On peut par exemple projeter une image colorée sur un écran BLANC à l'aide d'un vidéoprojecteur, cette image jouant le rôle de l'objet coloré, puis observer ses changements de couleurs quand on place un filtre coloré devant la lampe du vidéoprojecteur. Si on ne dispose pas d’obscurité, on peut faire des observations similaires simplement avec un objet éclairé à la lumière du jour et un jeu de filtres colorés de bonne qualité (voir la rubrique « variante »).

Remarque : pour pouvoir interpréter facilement les transformations observées, il est important de choisir à la fois pour l’objet et pour la lumière des couleurs saturées et aussi proches que possible des huit couleurs principales définies précédemment.

Observations

Voici des photos de notre damier éclairé avec une ampoule LED à couleurs changeantes.

Objet coloré, lumière colorée, transformation des couleurs

Avant de discuter les changements de couleurs observés, quelques remarques sont nécessaires. Tout d’abord, même en retouchant légèrement les images, il est impossible de reproduire ici fidèlement toutes les nuances que l’on peut voir directement avec les yeux : l’appareil photo et l’écran modifient nécessairement le rendu des couleurs ! Ensuite, pour identifier la couleur d'une case du damier il peut être utile de l'« isoler » sur un fond blanc ou noir.

Si nous choisissons une case du damier et suivons les transformations de sa couleur, nous pouvons identifier différents types de comportements (pour pouvoir dégager des règles simples, nous appelons ici « NOIR » également les teintes « GRIS sombre »).

  • Le carré NOIR est toujours NOIR quelle que soit la couleur de la lumière qui l’éclaire.
  • Les carrés ROUGE, VERT et BLEU peuvent soit garder leur couleur, soit devenir NOIRS.
  • Les carrés CYAN, MAGENTA et JAUNE montrent des transformations plus complexes. Par exemple, le carré JAUNE peut paraître soit JAUNE (lumières BLANCHE et JAUNE), soit ROUGE (lumières ROUGE et MAGENTA), soit VERT (lumières VERTE et CYAN), soit NOIR (lumière BLEUE).
  • Le carré BLANC prend toujours la couleur de la lumière qui l’éclaire.

Discussion

Pour comprendre les transformations observées sur notre damier, il faut :

  • Connaître les compositions spectrales des lumières colorées utilisées (quelles couleurs « lumière » pures sont présentes dans la lumière qui éclaire l’objet ?). On peut utiliser pour cela un CD ou un réseau de diffraction. En résumant le spectre lumineux à ses trois couleurs principales ROUGE, VERT et BLEU, nous verrions que les lumières ROUGE, VERTE et BLEUE (couleurs primaires des mélanges de lumières colorées) se composent respectivement de ROUGE, de VERT et de BLEU. Les lumières CYAN, MAGENTA et JAUNE (couleurs secondaires des mélanges de lumières colorées) sont respectivement des mélanges de VERT et de BLEU, de BLEU et de ROUGE, et de ROUGE et de VERT.
  • Connaître l’effet des encres des différents carrés sur cette lumière. Les encres, comme les filtres colorés, contiennent des pigments ou des colorants qui ont la propriété d'absorber certaines parties du spectre lumineux (certaines couleurs « lumière » pures). Une matière colorée CYAN, MAGENTA ou JAUNE absorbe respectivement la composante ROUGE, VERTE ou BLEUE de la lumière qu'elle reçoit (voir cette page). Une matière colorée ROUGE, VERTE ou BLEUE renvoie la composante ROUGE, VERTE ou BLEUE de la lumière qu'elle reçoit et absorbe le reste.
  • Connaître le fonctionnement de notre système de vision des couleurs pour faire le lien entre la composition spectrale de la lumière qui entre dans nos yeux et la sensation colorée, donc la « couleur » que nous voyons, sans oublier l'importance des phénomènes de constance des couleurs et de contraste simultané.

On peut ensuite rassembler ces différents éléments dans un tableau, comme celui établi ci-dessous pour les lumières BLANCHE, ROUGE et JAUNE, et s’en servir pour analyser ou prédire les transformations des couleurs principales (on peut également utiliser des animations en ligne sur internet, comme par exemple celle-ci).

Tableau d'explications, objet coloré éclairé en lumière blanche, en lumière rouge, en lumière jaune

Prenons l’exemple d’un carré vu de couleur VERTE quand il est éclairé en lumière BLANCHE. L’encre « VERTE » renvoie la composante VERTE de la lumière et absorbe le reste (donc les composantes ROUGE et BLEUE). Éclairé par une lumière ROUGE qui contient essentiellement la composante ROUGE, le carré VERT ne renverra pas de lumière donc sera vu de couleur NOIRE. Éclairé par une lumière JAUNE qui contient les composantes ROUGE et VERTE, il absorbera la composante ROUGE de la lumière et renverra la composante VERTE : il sera vu de couleur VERTE.

Si nous comparons ces prédictions (cas « idéal ») à la réalité de ce que nous voyons (ou plutôt ici de ce qu’a vu notre appareil photo !), nous pouvons constater de petites différences. Par exemple, alors que l’accord est quasi-parfait pour la lumière ROUGE, des contrastes apparaissent en lumière BLEUE. Ces écarts peuvent provenir des encres et/ou des sources lumineuses, qui peuvent s’éloigner des comportements idéaux décrits précédemment. Par exemple, notre encre MAGENTA absorbe la composante VERTE de la lumière, mais atténue aussi la composante BLEUE, d’où sa couleur BLEUE sombre quand elle est éclairée en lumière BLEUE ou en lumière CYAN.

Remarque : certaines lumières spécifiques sont particulièrement pauvres en composantes colorées, et dans ce cas l’analyse simplifiée qui précède ne permettra pas d’expliquer les changements de couleurs observés. Par exemple, la lumière ORANGE des lampes à sodium basse pression que l’on trouve dans l’éclairage public transforme toutes les couleurs en ORANGE plus ou moins foncé.

Variante

Damier coloré avec filtre coloré jaune

Une variante de cette expérience consiste à regarder un objet coloré (éclairé à la lumière du jour) à travers un filtre coloré, le filtre étant soit placé contre les yeux, soit posé directement sur l’objet coloré.

Avec un jeu de filtres colorés de bonne qualité, vous constaterez que les couleurs des objets se transforment comme avec des lumières colorées (à des nuances près) ! Par exemple, un carré CYAN sera vu CYAN sans filtre (en lumière BLANCHE) et VERT à travers un filtre JAUNE.

L’équivalence entre les différentes configurations de cette expérience est discutée sur le schéma ci-dessous pour le carré de couleur CYAN et un filtre JAUNE. Dans le cas 1, la lumière est filtrée avant d’être renvoyée par l’objet coloré. C’est ce qui se passe quand on éclaire l’objet avec une lumière colorée (qu'elle soit fabriquée avec une LED colorée ou avec une lampe BLANCHE et un filtre ne changera pas significativement sa composition spectrale). Dans le cas 2, la lumière est d’abord renvoyée par l’objet coloré, puis filtrée avant de rentrer dans l’œil. Dans le cas 3, la lumière est filtrée deux fois : une fois avant d’arriver sur l’objet, puis une fois après avoir été renvoyée par l’objet. Le fait d’être filtrée avant ou après être renvoyée par l’objet ne change pas la composition spectrale finale de la lumière entrant dans les yeux : les configurations 1 et 2 sont donc équivalentes. Dans le cas 3, la lumière étant filtrée deux fois, les effets du filtre sont plus prononcés (cela revient à doubler son épaisseur).

Schéma d'explication, objet coloré regardé à travers des filtres colorés

Cette équivalence explique pourquoi nous retrouvons finalement dans ces transformations de couleurs, les règles de mélange des matières colorées observées avec des superpositions de filtres. Par exemple, éclairer un objet MAGENTA avec de la lumière JAUNE revient à superposer un filtre MAGENTA et un filtre JAUNE : on obtient dans les deux cas du ROUGE (l'encre agit comme un filtre).

  • (Lumière) JAUNE sur (encre) MAGENTA = (Lumière) MAGENTA sur (encre) JAUNE = ROUGE
  • (Lumière) CYAN sur (encre) JAUNE = (Lumière) JAUNE sur (encre) CYAN = VERT
  • (Lumière) MAGENTA sur (encre) CYAN = (Lumière) CYAN sur (encre) MAGENTA = BLEU
  • ....

Expérience bonus

jouer avec les transformations des couleurs

Une fois ces règles de transformation établies, on peut jouer avec en créant des images colorées qui se transforment sous l'effet d'une lumière ou d'un filtre coloré. Sur ce dessin, sous l'effet d'un filtre MAGENTA les poissons JAUNES se confondent avec les poissons ROUGES, et les poissons CYAN disparaissent presque dans le BLEU de la mer.