La synthèse additive

Jimmy & Martin,11MA34,OSE, 01.02.13
Lumière et couleurs
Interprétation de l’expérience 3
La réussite de cette expérience s'explique par le
phénomène de l'absorption. Les différentes longueurs d'onde (voir aspect théorique) peuvent
être absorbées par certaines substances. Par
exemple, les propriétés d'un filtre magenta sont
dues au fait que ce dernier absorbe le vert de la
lumière, mais laisse passer les composants
rouges et bleus de la lumière. Nous retrouvons
donc le principe de la synthèse additive qui dit
que le magenta est un mélange de rouge et de
bleu. Quant au vert qui, lui, est absorbé,
Introduction :
Problématique générale :
La couleur est présente partout autour de nous, au quotidien. Intimement elle est liée à la notion de lumière. Son étude nous permet entre autre de comprendre les phénomènes de l’arc en ciel, du fait
que, pour un même ensoleillement, on a moins chaud quand on porte des habits clairs que lorsqu’on porte
des habits sombres, que l’on obtient de la peinture verte quand on mélange de la peinture jaune et de la
peinture bleue. L’étude la couleur permet aussi de comprendre le fonctionnement de divers appareils tels
que l’imprimante, le projecteur de cinéma, l’écran de télévision.
La synthèse soustractive :
C’est un terme désignant la soustraction des couleurs (au travers du phénomène de l’absorption). Combiner les propriétés absorbantes (de lumière) des 3 couleurs primaires de la synthèse soustractive (le magenta, le cyan et le jaune) donne du noir (voir image 1 ci-contre)
Image 1: la synthèse soustractive
La synthèse additive :
C’est le terme désignant l’addition des couleurs. Combiner les 3 couleurs primaires de
la synthèse additive (vert, rouge et bleu) donne du blanc. Le résultat d’addition de 2
couleurs primaires est une couleur dite secondaire (comme le jaune). L’absence de
couleurs est marquée par du noir (voir image 2 ci-contre).
Image 2: la synthèse additive
Nom donné à l’ensemble des couleurs composant la lumière.
Aspect théorique :
Les couleurs que l’être humain perçoit sont en réalité des longueurs d’ondes de lumière. Les ondes sont
des ondulations, visibles dans notre cas, qui se répètent et se propagent. On peut imager une onde sous la
forme de la vue en coupe d’une succession de collines toutes identiques. Une onde peut avoir différentes
amplitudes (être plus ou moins ‘‘hautes’’ si l’on prend l’exemple des collines) et différentes fréquences. La
fréquence correspond au nombre de fois que l’onde se répète pour une unité de temps (si l’on garde
l’exemple des collines, il peut y avoir plus ou moins de collines sur une distance de 1km selon le fait
qu’elles soient plus ou moins rapprochées). Ce que l’on appelle la longueur d’onde est la plus courte distance entre deux points parfaitement identiques de l’onde (dans l’exemple ci-dessous (image 3) les sommets des collines) et cela à un instant donné. L’œil humain perçoit (sous forme de couleur) les ondes dont
la longueur d’onde dans le vide est comprise entre 740 nanomètres (rouge) et 446 nanomètres (violet). Audelà du rouge, la lumière est dite infrarouge tandis qu’au-delà du violet, elle est appelée ultraviolette. Les rayons infrarouges et ultraviolets
ne sont pas visibles par nos yeux.
Attention, la lumière n’est pas une onde mais un ensemble d’ondes
(électromagnétiques précisément) et elle se propage en ligne droite !
Image 3
But général visé dans cette recherche :
Comprendre la combinaison des couleurs (le fait qu’il soit possible de ‘‘fabriquer’’ toutes les
couleurs imaginables à partir de 3 couleurs) afin de comprendre le fonctionnement des différents appareils dits ‘‘couleur’’ (écran de télévision, projecteur vidéo, imprimante, …).
Choix d’expériences pour atteindre le but :
Nous avons choisi une expérience (la première) permettant de nous assurer de nos différentes connaissances théoriques et de les approfondir. Les deuxième et troisième expériences choisies ont pour but de montrer concrètement les principes des synthèses additive
et soustractive. Notre quatrième expérience sera une réflexion sur deux photographies:
une photographie ''classique'' et une photographie identique à la première, mais prise
après avoir mis un filtre bleu devant l’objectif de l’appareil.
Expérience 1: spectre de la lumière
Buts:
Démontrer que la lumière "blanche" est un mélange de couleurs. Essayer de comprendre
l’addition des couleurs en observant la composition de la lumière bleue (couleur primaire)
et de la lumière jaune (couleur secondaire).
Expérience 3 : mélange des couleurs par soustraction
But :
But:
Combiner les propriétés absorbantes des couleurs cyan, magenta et
jaune.
Obtenir les 3 couleurs secondaires de la synthèse additive (magenta, cyan et jaune)
séparément, mais également ensemble, en additionnant les couleurs primaires qui
sont rouge, bleu, et vert.
Définitions utiles :
Le spectre :
Expérience 2 : mélange de couleurs par addition
Hypothèses :
Comme tout le monde, nous avons un jour eu une boîte de peinture entre
les mains. Forcément, il est arrivé un moment où, lorsque que nous étions
en train de peindre, deux couleurs se sont mélangées sur notre feuille.
Nous avons alors pu constater avec émerveillement que la combinaison
de ces deux couleurs en formait une troisième. Donc, comme tout le
monde, nous nous sommes mis à tester différentes combinaisons de couleurs. Nous avons ainsi pu obtenir de jolies nouveautés telles que le vert,
mélange de cyan et de jaune. Cependant, les résultats de la plupart des
combinaisons testées n’étaient pas concluants et donnaient des mixtures
noirâtres. Forts de ce vécu, nous pouvons dire maintenant que nous appliquions alors le principe de la synthèse soustractive. En effet, nous avons
vu plus haut (voir chapitre ‘‘définitions utiles) que la combinaison des trois
couleurs de la synthèse soustractive donne du noir. La production de vert
au moyen du jaune et du cyan porte également la marque de la synthèse
soustractive. Pour reproduire le principe de ladite synthèse, nous pensons
donc utiliser les mélanges des couleurs de peinture ou d’encre. C’est cette
dernière technique que nous allons appliquer pour cette expérience. Avec
cette expérience, nous espérons obtenir du rouge (en combinant jaune et
magenta), du vert (en combinant jaune et cyan), du bleu (en combinant
cyan et magenta) et du noir (en combinant cyan, jaune et magenta).
Hypothèses:
Nous savons (voir chapitre ‘‘définitions utiles’’) que la
combinaison par synthèse additive du vert, du rouge
et du bleu donne du blanc. Nous avons vu à l’expérience 1 que l'addition de toutes les couleurs de l'arcen-ciel donne du blanc. Cela nous permet de dire que
lorsque nous combinons des faisceaux lumineux de
couleur, le type de combinaison utilisé est la synthèse
additive (image 2). Nous allons donc utiliser des
lampes pour faire cette expérience. Pour cette expérience, nous souhaitons faire les combinaisons suivantes: rouge + bleu, vert + bleu, vert + rouge, rouge
+ vert + bleu.
Mode opératoire :
Nous effectuons le montage représenté sur la photo et
le schéma ci-contre. Le cylindre opaque du schéma
sera un crayon, dans notre cas. Les filtres que nous
allons seront donc rouge, vert et bleu.
L’écran est jaune
Grâce à une leçon de sciences datant de l'année passée, nous savons que la lumière dite
blanche se compose de plusieurs couleurs. Il est possible de prouver cela en utilisant un
prisme. Lorsqu'on fait passer un faisceau lumineux blanc au travers d'un prisme, le faisceau est décomposé en une multitude de couleurs si l'angle entre le faisceau et le bord
du prisme est de 40° à 42°.
En ce qui concerne la lumière bleue nous pensons qu'elle ne sera pas décomposée car
nous ne la pensons pas ’’décomposable’’. Nous pensons cela car le bleu est présent dans
le spectre de la lumière blanche. Par conséquent, nous déduisons que s’il avait été
’’décomposable’’ il ne serait pas apparu sous forme de bleu mais sous sa forme décomposée dans le spectre de la lumière blanche.
Nous émettons la même hypothèse concernant la lumière jaune car elle fait également
partie du spectre de la lumière.
Mode opératoire :
Nous faisons le montage représenté sur l’image 4 ci-dessus afin de décomposer la lumière, puis de la recomposer à l'aide du 2e prisme. Nous répétons l'opération, mais teintons le faisceau en bleu, puis en
jaune à l'aide de filtres. Nous
observons ce qui se passe.
<-Image 4
spectre de la lumière jaune->
Nous allumons l’imprimante et introduisons la feuille dans l’espace prévu à
cet effet.
Nous imprimons un cercle cyan sur la
feuille, puis sur cette même feuille
nous imprimons un cercle jaune de
taille identique au précédent de manière à ce qu’il soit en partie superposé au cercle cyan.
Finalement nous imprimons un cercle
magenta de taille identique aux deux
premiers, toujours sur la même feuille
de manière à ce qu’il chevauche en
partie les cercles cyan et magenta
(voir Image ci-contre).
il s'agit de la couleur dite complémentaire du magenta. C'est ainsi que l'on nomme l'opposé d'une
couleur sur le cercle chromatique.
L'énergie absorbée lors de ce phénomène est,
restituée, en général sous forme de chaleur.
C'est pour cela qu'un vêtement noir (qui absorbe
toutes les couleurs) permet d'avoir plus chaud
qu'un vêtement blanc (qui n'absorbe aucune couleur).
Analyse de l’expérience 3
L'expérience 3 a très bien fonctionné. Les résultats obtenus correspondent aux résultats espérés. Ainsi,
nous avons obtenu du rouge à partir de jaune et de magenta, du bleu à partir de cyan et de magenta, du
vert à partir de jaune et de cyan, et du noir à partir de cyan, de jaune et de magenta. Le noir obtenu n'était
pas aussi noir que la couleur dans laquelle ces caractères sont écrits. Nous le qualifierons plutôt de brun
foncé. Ceci n'est pas étonnant quand on sait que le noir que nous avons obtenu a été fabriqué à partir de
couleurs.
Photographie des couleurs obtenues
Avec l’expérience 3
Analyse de l’expérience 2:
Nous sommes satisfaits des résultats de cette expérience. Sur notre écran, nous avons pu observer les deux ronds de
couleur entrecroisés. En combinant ainsi les deux cercles, nous avons obtenu les couleurs secondaires de la synthèse
additive: du cyan à partir de vert et de bleu, du magenta à partir de bleu et de rouge et du jaune à partir de rouge de
vert. C'est la fonction du crayon qui est intéressante dans cette expérience. Si l'on prend l'exemple avec le spot bleu et
le spot rouge, l'ombre du crayon est apparue bleue dans le cercle rouge et rouge dans le cercle bleu. Nous avons bien
évidemment observés des phénomènes similaires avec les autres combinaisons de couleurs. Ceci est tout à fait logique car, en gardant le même exemple, l'ombre observée dans le cercle bleu est due au fait que la lumière bleue est
masquée par le crayon. Ce n'est pas le cas de la lumière émise par le spot rouge. Du coup, à cet endroit, l'ombre du
crayon nous apparaît rouge. Toutefois le cyan, le magenta et le jaune obtenus par combinaison ne sont pas parfaitement identiques au cyan, magenta et jaune que l'on peut obtenir simplement en utilisant des filtres correspondant à ces
couleurs. Le magenta créé à partir de bleu et de rouge est plus clair que le magenta du filtre magenta. Le cyan obtenu
par combinaison de bleu et de vert et également un peu plus clair que le cyan du filtre cyan. Nous avons noté que cette
différence était encore plus marquée sur la photographie que ce que nous avons aperçu à l'œil nu sur le moment. Le
jaune créé à partir de bleu et de rouge est plus pâle, moins lumineux, si on le compare au
jaune obtenu simplement avec le filtre jaune.
Photographies montrant le rôle du crayon et les couleurs obtenues
Interprétation de l’expérience 2:
La synthèse additive fonctionne sur le principe appelé ''loi de la synthèse trichrome''. Cette loi dit que, à partir de trois
couleurs primaires (rouge, vert et bleu), on peut reproduire une sensation de couleur pour l'œil. Cette loi suppose qu'il
existe trois types de cellules photoréceptrices (cônes), sensibles respectivement au vert, au rouge et au bleu, dans
notre rétine. Cette hypothèse, émise au début du XIXème siècle, a été confirmée par des analyses (anecdote: une mutation définie par la présence de cônes sensibles au jaune a été découverte chez un petit pourcentage de population,
principalement des femmes). La couleur n'est pas une propriété de la lumière, c'est l'interprétation des différentes longueurs d'onde de cette dernière par l'œil. Physiquement parlant, il y a une grande différence entre, par exemple, la lumière jaune, de 580nm, et le mélange de lumières rouge et verte (ils n'ont pas la même composition spectrale). Ce mélange est perçu jaune car la superposition des longueurs d'onde vertes et rouges donne une teinte à mi-distance: le
jaune. On ne voit pas de différence entre les deux jaunes car ils stimulent de la même manière les cellules de l'œil (les
différences que nous avons observées expérimentalement étaient dues au matériel).
Analyse de l’expérience 1
Hypothèses:
Mode opératoire :
L'expérience 1 ne s'est pas déroulée selon notre hypothèse: lorsque nous avons essayé de décomposer la lumière bleue, nous pensions
que ça allait teinter les couleurs issues des faisceaux en des couleurs bleutées alors que nous avons obtenu des couleurs ''pures'' qui sont:
rouge, jaune, violet et majoritairement bleu.
Nous avons aussi eu tort pour la lumière jaune car nous avons aperçu du rouge, du vert, un tout petit peu de bleu et majoritairement
orange et jaune. Nous pensions aussi que les couleurs issues du jaune allaient avoir une teinte jaune.
Avec la lumière blanche, nous avons vu que nous pouvions faire diverger le faisceau lumineux pour avoir les couleurs de l'arc-en-ciel et
ensuite le faire converger pour réobtenir une lumière blanche. Lorsque nous avons décomposé la lumière blanche et avons obtenus du
rouge, du jaune, vert, violet, du bleu, majoritairement de l'orange, et minoritairement du vert. Bref, en décomposant la lumière blanche nous
avons pu distinguer les 7 couleurs de l'arc-en-ciel donc: le spectre visible de la lumière blanche.
On distingue mieux les couleurs sur l'ordinateur, en agrandissant l'image, qu'en regardant à l'œil nu lors de l'expérience. Une fine ligne
jaune se trouve au milieu du faisceau lumineux décomposé de la lumière blanche, tandis que dans le faisceau lumineux décomposé de la
lumière jaune, nous voyons un fin trait d'orange apparaître en son centre.
La lumière blanche nous a donné les 7 couleurs de l'arc-en-ciel (rouge, orange, jaune, vert, bleu, violet et indigo).
La lumière bleue nous a donné des couleurs plutôt froides (cyan, bleu, violet).
La lumière jaune nous a donné des couleurs plutôt chaudes (jaune, rouge et vert).
Le bleu à la base est une couleur froide et le jaune une couleur chaude.
Interprétation de l’expérience 1
L'addition des couleurs obtenues suite à la divergence du faisceau lumineux blanc (= couleurs de l'arc-en-ciel) correspond à la couleur
d'origine.
Exemple: la divergence de la lumière jaune donne du vert, du rouge et du jaune. Si on additionne le rouge, le vert, le jaune on réobtient du
jaune. Ça explique le fait que lorsque l'on fait converger une lumière qui à diverger on obtient de nouveau la couleur d'origine.
On peut conclure que si l'on fait diverger une lumière, puis que l'on fait converger ses différents faisceaux lumineux on retrouve la couleur
de base par le biais de la synthèse additive.
Expérience 4 : comparaison de photographies
Buts :
Comprendre les conséquences de la présence d’un filtre sur une photographie en comparant une photographie avec et sans filtre coloré.
Hypothèses :
Nous pensons que, sur la photographie avec le filtre bleu, le blanc deviendra bleu, le noir restera noir. Selon nous, il y aura une très forte dominance de la couleur
bleue sur la photographie avec le filtre. Nous pensons néanmoins que le bleu sera plutôt bleu-vert lorsque la couleur sur la photographie sans filtre est le jaune tandis
que le bleu sera plutôt bleu violet lorsqu’on sera en présence de rouge sur la photographie sans filtre.
Mode opératoire :
Nous disposons les objets de couleurs sur une table.
Nous fixons l'appareil photo sur le pied que nous avons préalablement réglé
à la hauteur souhaitée.
Nous prenons une photographie des objets de couleur.
Nous prenons une photographie identique à la précédente, mais l’un d’entre
nous maintient les différents filtres devant l’objectif de l’appareil.
Photographie sans filtre
Analyse expérience 4:
L'expérience 4 c'est très bien déroulée: comme nous pensions le blanc est
devenu bleu, le noir est resté noir, mais le bleu n'est pas devenu bleu-vert
comme nous le pensions, il est juste devenu plus foncé. (…)
Lorsque l'on place un filtre bleu, le violet devient cyan, le violet foncé devient
bleu, le rose devient magenta, le jaune prend une teinte verte et l'orange devient plus foncé.
Lorsqu'on place un filtre vert, le jaune prend un teinte verte, le cyan, sur certains objets (patchwork), devient plus clair, le bleu devient légèrement vert et
le rose devient orange foncé.
Lorsqu'on place un filtre cyan, le rouge devient bleu très foncé, l'orange et le
jaune prennent une teinte verte.
Lorsque l'on place un filtre jaune, le rose devient orange foncé, le cyan devient légèrement vert. Le rouge et le vert restent tels quels.
Lorsque l'on place un filtre magenta, le jaune, l'orange et le vert clair deviennent rose, le vert foncé devient légèrement violet et le cyan devient bleu.
Photographies avec
filtres cyan et
jaune
Interprétation de l’expérience 4:
L'interprétation de cette expérience passe par le rappel des propriétés des
filtres. Un filtre cyan absorbe les longueurs d'onde rouges et laisse passer les
longueurs d'ondes vertes et bleues. C'est ainsi que l'on explique qu'avec un
filtre cyan, le rouge devient presque noir (bleu très foncé). Le filtre cyan
''retire'' (absorbe) le rouge de la couleur ''émise'' par chaque objet, d'où les
changements de couleurs que nous avons observés. L'interprétation est la
même pour tous les filtres qui absorbent chacun une couleur bien précise (la
couleur complémentaire de celle du filtre). Le filtre magenta absorbe le vert,
le filtre vert absorbe le magenta, le filtre bleu absorbe le jaune, le filtre jaune
absorbe le bleu. Mais nous pouvons également remarquer que le filtre jaune
laisse passer le rouge et le vert, en plus du jaune. C'est très intéressant car
cela permet de conclure que ce filtre est jaune, rouge et vert… mais que
nous le voyons juste jaune! Avec un filtre de jaune ''pur'', seul le jaune serait
passé! Quant au filtre rouge, il absorbe le cyan (la photo avec le filtre rouge
avait une très forte dominance de rouge. Nous avons pu observer du rouge,
une sorte de gris-rouge et du pourpre très foncé tendant vers le noir).
Conclusion::
Après avoir fait nos expériences et compris tout ce que nous avons
observé, nous pouvons maintenant comprendre le fonctionnement de
divers appareils ''couleur''.
L'expérience 1 ne nous nous a pas vraiment permis de comprendre la
manière dont un appareil fonctionne, mais elle est tout de même intéressante. C'est la seule expérience qui ne s'est vraiment pas déroulée
comme nous le pensions. Nous avons cependant compris pourquoi.
Cette expérience reprend le phénomène de la synthèse additive, car le
faisceau se décompose en couleurs qui, une fois recombinées avec ce
phénomène, permettent d'obtenir à nouveau la couleur du faisceau de
départ. .
Grâce à l'expérience 2, nous pouvons comprendre le système RVB
(pour rouge, vert, bleu) ou RGB (pour red, green, blue). Cela correspond au mode de fonctionnement des écrans, dans lesquels il y a trois
cellules (une rouge, une verte et une bleue) dans chaque pixel. On
peut ainsi reproduire n'importe quelle couleur selon le principe de la
synthèse additive. De nos jours ce système est utilisé dans les écrans
(y compris ceux à cristaux liquides), en vidéo (cinéma), en photographie et dans les logiciels d'imagerie.
L'expérience 3 qui est basée sur la synthèse soustractive, nous a permis de comprendre le mélange des pigments, utilisé au quotidien dans
la peinture. Les machines permettant d'obtenir la couleur de peinture
souhaitée que l'on trouve dans les magasins de bricolage fonctionnent
sur ce principe. Il en est de même pour les imprimantes. Cependant,
dans une imprimante, on trouve non seulement des cartouches de
cyan, de magenta et de jaune, mais également une cartouche de noir.
Même si on peut reproduire n'importe quelle couleur en combinant les
couleurs de base de la synthèse soustractive, l'ajout du noir présente
de nombreux avantages:
•
Comme nous l'avons remarqué, le noir obtenu par combinaison
n'est pas un noir profond. Avec de l'encre noire, nous pouvons obtenir
un noir ''pur''.
•
La qualité des contrastes et des détails est meilleure.
•
On économise les encres primaires (qui coûtent plus cher que
l'encre noire).
L'expérience 4 (photos avec les filtres de couleurs) nous permet de
dire que chaque filtre absorbe sa couleur complémentaire. Les filtres
sont utilisés pour créer des effets artistiques aux photos. On trouve
aussi une fonction ''filtre'' dans certains logiciels de dessin.
Pour améliorer les expériences, nous aurions juste eu besoin de meilleur matériel, notamment pour les filtres.