La vision des couleurs

Commençons par expliquer ce que signifie voir « en couleurs » en prenant l’exemple du son. Quand nous écoutons un morceau de musique, nous sommes sensibles au volume sonore (l’intensité du son) mais également aux différentes notes qui le composent. Notre système auditif nous permet de faire la différence entre deux notes de hauteurs différentes (son grave ou aigu) mais aussi entre une note et un mélange de notes (accord). Autrement dit, notre système auditif est sensible à la composition en fréquences d’un son. Voir « en couleurs », c’est la même chose pour la lumière. Cela consiste à voir « la musique » de la lumière qui entre dans nos yeux, c’est-à-dire être sensible à sa composition en longueurs d’onde, également appelée spectre.

Les cônes et les bâtonnets : photorécepteurs de l’œil

La détection de la lumière se produit au niveau d’une couche nerveuse appelée rétine, qui recouvre une grande partie de la surface du globe oculaire. À l’exception d’une zone appelée papille optique, qui correspond à l’endroit où le nerf optique quitte l’œil, notre rétine est tapissée de petits capteurs sensibles à la lumière appelés photorécepteurs. L’absorption de photons (grains de lumière) par ces capteurs déclenche une réaction chimique en chaine, qui induit un signal électrique transmis via les cellules nerveuses adjacentes et le nerf optique jusqu’au cerveau. L’absence de photorécepteur dans la papille optique se traduit par l’existence d’une « tache aveugle » dans notre champ de vision, dont nous n’avons le plus souvent pas conscience mais que des expériences simples permettent de mettre en évidence.

On distingue deux types de photorécepteurs : les bâtonnets (100 millions environ) et les cônes (« seulement » 5 millions), visibles sur l'image en fausses couleurs ci-dessous (obtenue avec un microscope électronique à balayage). Cônes et bâtonnets jouent dans le mécanisme de vision des rôles différents et par bien des aspects complémentaires, que nous allons expliciter.

Répartition dans la rétine. Les bâtonnets et les cônes sont très inégalement répartis. Les cônes se concentrent pour l’essentiel dans une zone appelée fovéa, située dans l’axe du regard, où les bâtonnets sont au contraire très rares. C’est dans la fovéa que l’acuité visuelle est la meilleure, principalement parce que chaque cellule nerveuse y reçoit l’information d’un cône unique, alors qu'en dehors de cette zone une cellule nerveuse rassemble l'information captée par plusieurs dizaines de bâtonnets (aussi, les cônes sont plus petits dans la fovéa). Le petit diamètre de la fovéa (1,5 mm) fait qu'à quelques degrés seulement de l’axe du regard l’acuité visuelle est déjà fortement réduite. Nous en faisons l’expérience tous les jours (sans nous en rendre compte) puisque nous devons en permanence bouger les yeux (et la tête) quand nous voulons observer précisément ce qui nous entoure : ce qui n’est pas dans l’axe du regard nous parait flou.

 

 

Sensibilité à l’intensité lumineuse (nombre de photons).

Lorsque l'intensité lumineuse est faible (pénombre) seuls les bâtonnets réagissent : les cônes ne deviennent actifs qu'à un niveau de luminosité relativement important (celui qui nous permet de voir à l'oeil nu des étoiles dans un ciel nocturne). En revanche à forte luminosité la réponse des bâtonnets sature rapidement, alors que les cônes restent actifs.

 

Sensibilité en fonction de la longueur d’onde (énergie des photons). Les bâtonnets et les cônes contiennent des pigments, molécules qui absorbent plus ou mois fortement les différentes longueurs d’onde de la lumière. Les bâtonnets ont tous le même pigment, qui a un maximum d’absorption vers 500 nm, alors que les cônes peuvent avoir trois pigments différents, dont les maximums d’absorption sont situés vers 430 nm, 530 nm et 560 nm. Il y a donc trois types de cônes, appelés Bleu (B), Vert (V) et Rouge (R) en référence à leur gamme d’absorption. Cette dénomination n’est cependant pas rigoureuse : le cône appelé "Bleu" est sensible aussi dans le violet, le cône appelé "Rouge" est le seul à être sensible au rouge mais il est sensible aussi au jaune et un peu au vert.


Les cônes dans la vision des couleurs

Pour différentier les couleurs, notre système visuel utilise les seules réponses électriques des cônes. C’est pour cela qu’aux très faibles intensités, quand seuls les bâtonnets sont actifs, la vision en couleurs n’est pas possible (la nuit, tous les chats sont gris !). Cherchons à comprendre comment cela fonctionne.

Imaginons pour commencer qu’il n’y ait qu’un type de cône sur notre rétine, par exemple les cônes R. Leur pic d’absorption étant très large, ces cônes émettront un signal électrique (plus ou moins fort) quelle que soit la longueur d’onde de la lumière qui les éclaire dans le domaine visible (dans le bleu-violet, leur sensibilité est fortement réduite mais non nulle). Par exemple une lumière bleue monochromatique très intense peut induire le même signal qu’une lumière jaune monochromatique moins intense, ou même qu’un mélange de toutes les couleurs de l’arc-en-ciel. Le fait que les cônes R seuls soient actifs ne permet donc de tirer aucune conclusion quant à la nature spectrale de la lumière :  avec un seul type de cône, nous verrions en "noir et blanc".

La situation serait déjà très différente avec deux types de cônes seulement, par exemple B et R. Comme on vient de le voir, les signaux électriques des deux types de cônes mesurés indépendamment ne nous donneraient pas d'information sur la composition spectrale de la lumière. Mais la comparaison des deux oui ! Une lumière monochromatique orange activera beaucoup plus les cônes R que les cônes B. Nous utiliserons la notation B0/R1 pour coder ce signal. Inversement, une lumière monochromatique bleue activera essentiellement les cônes B : le code sera cette fois B1/R0. Un tel système permettrait donc de distinguer, par un code "B/R" différent, les couleurs « chaudes » (gamme jaune-rouge) des couleurs « froides » (gamme bleu-violet).  Par contre une lumière monochromatique verte, située entre les maximas d’absorption des cônes B et R, mettra en marche à égalité les deux types de cônes et sera donc perçue de la même couleur qu’un mélange de lumières monochromatiques orange et bleu ou qu'un mélange de lumière comportant toutes les couleurs de l’arc-en-ciel, puisque toutes ces lumières donneront le même code B1/R1. Si on considère que la sensation "blanc" correspond à la stimulation à part égale de tous les types de cône, nous interpréterions cette couleur comme du "blanc".

L’existence d’un type de cône supplémentaire, le cône V, permet d’obtenir encore plus d’informations sur la composition spectrale de la lumière. Par exemple si une lumière monochromatique verte entre dans nos yeux elle active principalement nos cônes V et provoque une nouvelle sensation colorée que nous appelons le "vert". En choisissant pour simplifier de ne retenir que les cônes les plus activés (mode "tout ou rien") nous coderons ce signal B0/V1/R0 . Cette sensation colorée se distingue maintenant de celle provoquée par un mélange de lumière comportant toutes les couleurs de l’arc-en-ciel, qui active fortement les trois types de cônes R, V et B donc donne le code B1/V1/R1, ce que nous appelons "blanc". Avec trois types de cône la sensation de "blanc" ne peut plus être produite par une lumière monochromatique (autrement dit le "blanc" n'est plus une couleur de l'arc-en-ciel !).

Par contre même avec trois types de cônes nous pouvons avoir la même sensation colorée pour deux spectres différents : une lumière jaune monochromatique, située entre le pic d’absorption des cônes V et R, provoquera la même sensation colorée qu’un mélange de lumière rouge et verte, car tous deux correspondent à la réponse B0/V1/R1 : c'est ce que nous appelons du "jaune".

D'autres exemples sont présentés sur le schéma ci-contre. Quand  les cônes B sont principalement activés (code B1/V0/R0) nous voyons du "bleu". Quand les cônes B et V sont tous deux activés (code B1/V1/R0) nous voyons du "cyan". Un mélange de lumières bleue, verte et rouge active les trois types de cônes (code B1/V1/R1) donc donne du "blanc".

En réalité les signaux provenant des différents types de cônes ne sont pas mesurés en mode "tout ou rien" ce qui nous permet de distinguer près de 300.000  couleurs différentes. Le codage numérique des couleurs, qui est adapté à notre vision trichromatique, est discuté dans la page d'explication « le code RVB et les données colorimétriques ».  

Pourquoi n’avons nous pas plus de trois types cônes, ce qui nous permettrait de distinguer encore plus finement deux compositions spectrales différentes ? La raison est que notre œil réalise un compromis entre acuité visuelle et vision des couleurs. Nos oreilles disposent de milliers de capteurs sensibles à des fréquences différentes et sont beaucoup plus discriminantes avec le son, mais elles n’assurent pas comme l'oeil de fonction d’acuité spatiale (même si la comparaison des signaux reçus par nos deux oreilles permet de localiser la direction de provenance d'un son).

L'analyse présentée ici, qui consiste à estimer la réponse de chaque type de cônes à une lumière donnée, permet d'expliquer de nombreuses observations, comme les règles de mélange des couleurs "matière" et "lumière", mais elle n'explique pas tout et d'autres expériences démontrent que le traitement de l'information effectué par notre système nerveux est autrement plus complexe : les couleurs ont aussi une dimension physiologique !