Comprendre les mélanges de couleurs « matière » avec des filtres colorés et un CD

Dans cette expérience, nous vous proposons d'analyser à l'aide d'un CD la composition spectrale de la lumière après son passage à travers des filtres colorés. Vous découvrirez ainsi quelles sont les couleurs "lumière" pures (ou longueurs d'onde) transmises ou absorbées par un filtre, en fonction de sa couleur "matière". En superposant des filtres colorés de couleurs différentes, vous comprendrez comment les couleurs "matière" se mélangent, ce qui vous permettra par exemple de comprendre pourquoi un mélange de peinture JAUNE et CYAN donne du VERT.

Matériel

  • Une pièce dans laquelle il est possible de faire l’obscurité.
  • Un disque CD.
  • Une source de lumière BLANCHE de petite taille et avec un faisceau directionnel, type frontale ou lampe torche. Une telle lampe placée près du disque permettra d’obtenir des reflets intenses et une bonne séparation des couleurs, soit en observation directe sur la surface du disque, soit en projection sur un mur ou au plafond (qui doit être blanc). Attention au choix de la lampe, qui doit présenter un spectre continu et complet (les LED blanches et les lampes à incandescence conviennent, mais pas les tubes fluo ou les ampoule économique type fluocompacte).

Observations

Sans utiliser de filtre coloré, vous devez trouver toutes les couleurs de l’arc-en-ciel dans les reflets du disque. Toutes les couleurs "lumière" pures (ou longueurs d’onde) sont présentes dans la lumière incidente BLANCHE, dans l’ordre : VIOLET, BLEU, CYAN, VERT, JAUNE, ORANGE, ROUGE. C'est la diffraction de la lumière par la microstructure de la surface du disque (sillons sur lesquels l'information est enregistrée) qui explique cette décomposition.

CD reflet diffraction spectre arc-en-ciel

Observation directe sur le disque. Le disque est posé sur une table, éclairé par une lampe torche placée à une dizaine de cm au dessus de son centre. En regardant le disque par au-dessus, dans une direction proche de la verticale, on doit observer des anneaux aux couleurs de l'arc-en-ciel.

Observation en projection au plafond. Le disque est posé sur une table et la direction d'émission de la lampe est ajustée (éclairage légèrement en oblique) jusqu'à obtenir sur le plafond à la fois le reflet direct de la lampe (ici reflet blanc dans le fond) et le reflet diffracté montrant la séparation des couleurs "lumière" pures.


En ajoutant des filtres colorés devant la source de lumière BLANCHE, vous observerez les reflets colorés suivants, montrés ici d'abord sur la surface du CD puis en projection sur le plafond. Si les couleurs absorbées n’apparaissent pas nettement, il peut être nécessaire de superposer plusieurs épaisseurs d’un même filtre (par exemple en le pliant en deux) de façon à en augmenter les effets.

Sur le CD, en comparant ce qu'on observe avec et sans filtre, on voit quelles couleurs sont absorbées par chaque filtre :

CD halogène filtres spectroscopie absorption

Sur le plafond, on compare le reflet direct de la lumière (à gauche sur chaque photo ci-dessous) et sa décomposition en couleurs "lumière" pures (à droite) :

CD halogène filtre coloré spectroscopie absorption

Considérons pour simplifier que le spectre de la lumière BLANCHE est composé de trois zones principales : ROUGE, VERT, BLEU (le JAUNE étant à la frontière du ROUGE et du VERT, le CYAN à la frontière du VERT et du BLEU). On constate que chaque filtre primaire de la synthèse soustractive CYAN, MAGENTA, JAUNE absorbe une de ces trois zones et transmet les deux autres :

  • Filtre CYAN = arc-en-ciel - ROUGE = BLEU + VERT (absorbe le ROUGE, transmet le BLEU + VERT)
  • Filtre MAGENTA = arc-en-ciel - VERT = ROUGE + BLEU
  • Filtre JAUNE = arc-en-ciel - BLEU = ROUGE + VERT

La synthèse additive des couleurs "lumière" pures transmises par chaque filtre correspond bien à sa couleur "matière" (par exemple BLEU + VERT = CYAN).

En superposant ces filtres colorés deux à deux puis les trois ensemble, nous obtenons par exemple :

Absorption filtres colorés synthèse soustractive

L'association de deux filtres correspondant aux couleurs primaires de la synthèse soustractive absorbe deux gammes spectrales (dans l'exemple ci-dessus les deux premiers filtres JAUNE et CYAN ensemble absorbent à la fois le BLEU et le ROUGE, reste donc le VERT). On appelle couleur secondaire cette association de deux primaires :

  • Filtres JAUNE + CYAN = arc-en-ciel - BLEU - ROUGE = VERT (absorbent le BLEU + ROUGE, reste le VERT)
  • Filtres CYAN + MAGENTA = Arc-en-ciel – ROUGE – VERT = BLEU
  • Filtres MAGENTA + JAUNE = Arc-en-ciel - VERT - BLEU = ROUGE

Ces trois filtres absorbent des régions complémentaires de l’arc-en-ciel, donc en les superposant tous les trois toute la lumière (en pratique presque toute) est absorbée pour donner du NOIR :

  • Filtres JAUNE + CYAN + MAGENTA = Arc-en-ciel – BLEU – ROUGE – VERT = NOIR (pas de lumière)

Les filtres ROUGE, VERT et BLEU se comportent respectivement comme les superpositions des filtres JAUNE et MAGENTA, JAUNE et CYAN, et CYAN et MAGENTA. Ils transmettent donc la zone du spectre correspondant à leur couleur (ROUGE, VERT et BLEU) et absorbent le reste.

Discussion

Ces expériences démontrent que c’est labsorption de couleurs "lumière" pures parmi celles de l’arc-en-ciel qui explique les couleurs des filtres. Lors de la superposition de filtres colorées, d’avantage de couleurs "lumière" pures  ou longueurs d'onde sont absorbées et donc soustraites à celles de l’arc-en-ciel, ce qui se traduit par l’apparition d’une nouvelle couleur mélange. C’est parce qu’on fait référence aux couleurs "lumière" qui sont soustraites du spectre de la lumière incidente qu’on parle de synthèse soustractive des couleurs.

L'expérience proposée ici avec des filtres colorés serait difficile à réaliser avec de la peinture, dont la surface diffuse la lumière dans toutes les directions, la surface du CD ne suffit alors plus à séparer les couleurs "lumière" pures. Mais les mélanges de couleur avec de la peinture obéissent aux mêmes règles : la toile ou la feuille blanche qui sert de support diffuse toutes les longueurs d'onde contenues dans la lumière qui l’éclaire (soleil, lampe). D’une certaine façon, toutes les couleurs "lumière" pures de l’arc-en-ciel sont déjà présentes (mais mélangées) dans la feuille BLANCHE avant même qu'on ait commencé à peindre ! En déposant une couche de peinture, certaines longueurs d'onde vont être absorbées et ne seront donc plus diffusées. Comme pour les filtres colorés, par exemple une couche de peinture JAUNE absorbe les longueurs d'onde dans la région du BLEU. Peindre consiste donc à soustraire des couleurs "lumière" pures de l’arc-en-ciel pour faire naître dans notre cerveau de nouvelles sensations colorées. Peindre en JAUNE consiste à enlever le BLEU de l’arc-en-ciel. C’est ainsi qu’il faudrait apprendre la peinture à l’école si on voulait en comprendre les règles de mélange !

Nous constatons également qu’un filtre coloré ne transmet pas une couleur "lumière" pure, même quand il correspond à une couleur vue dans l’arc-en-ciel. Par exemple, un filtre JAUNE transmet toutes les couleurs "lumière" pures de l’arc-en-ciel sauf celles dans la région du BLEU, soit du JAUNE mais aussi du ROUGE et du VERT. Les filtres VERT, ROUGE et BLEU transmettent les couleurs "lumière" respectivement dans les régions du VERT, du ROUGE et du BLEU, mais elles ne sont pas tout à fait pures (monochromatiques).

A l'aide d'un spectromètre, il est possible d'obtenir des courbes quantifiant la lumière transmise pour chaque longueur d'onde. On peut voir ci-dessous les spectres de transmission de nos filtres CYAN, MAGENTA et JAUNE (à gauche) ainsi que leurs combinaisons deux à deux (à droite) permettant d'obtenir les couleurs ROUGE, VERT et BLEU.

spectre transmission filtre coloré CMJ
spectre transmission 2 filtres colorés CMJ -> RVB

Enfin, on remarquera qu’une couleur primaire de la synthèse soustractive (couleur "matière") absorbe une région de l’arc-en-ciel correspondant à une couleur primaire de la synthèse additive (couleur "lumière") :

  • le JAUNE "matière" absorbe le BLEU "lumière"
  • le CYAN "matière" absorbe le ROUGE "lumière"
  • le MAGENTA "matière" absorbe le VERT "lumière"

Si les trois couleurs primaires "lumière" ROUGE, VERT, BLEU permettent de générer toutes les sensations colorées possibles à partir de l'obscurité (voir l'expérience proposée avec le mélange des trois spots RVB), on comprend ainsi pourquoi les trois couleurs primaires "matière" JAUNE, CYAN, MAGENTA permettent de générer toutes les sensations colorées possibles à partir du BLANC (voir l'expérience proposée avec le mélange de peintures CMJ) : en les dosant et en les mélangeant on éteint plus ou moins les trois couleurs primaires "lumière".

Expérience bonus : observation avec des lunettes de diffraction

Diffraction spot halogène + réseau 2D

En pratique, n’importe quel objet permettant de séparer les couleurs "lumière" pures (prisme en verre, prisme à eau) permet de faire les mêmes observations. Mais c’est sans doute avec des lunettes de diffraction, dont les verres sont des films diffractant comme la surface d'un CD (disponibles sur la boutique du site), que l’observation est la plus facile : il suffit de regarder directement la source lumineuse (si elle n'est pas trop intense, donc pas le soleil ni un laser !) à travers ces lunettes, avec ou sans filtre coloré. Ces photos ont été prises en observant un petit spot halogène (ci-contre sans filtre).

Diffraction halogène + filtres CMJ, couleurs primaires et secondaires, synthèse soustractive