L'œil

Nos capteurs de lumière

Comment percevons-nous les couleurs ? Grâce à nos yeux évidemment. Ils possèdent des capteurs, qu'on appelle des cônes, et qui transforment l'énergie lumineuse en électricité¹, tout comme les capteurs qu'on trouve dans un appareil photo. Ces capteurs ne distinguent pas les couleurs : ils génèrent le même signal quelque soit la couleur de la lumière. Du moins, dans la limite de leur sensibilité, car ils ne sont pas sensibles de la même façon à toutes les couleurs. La courbe ci-dessous représente la sensibilité d'un capteur quelconque en fonction de la longueur d'onde.

Des photons détectés à 400 nm (violets), 450 nm (bleus) ou à 500 nm (verts) génèrent le même signal. Par contre, le pourcentage de photons incidents effectivement détectés sera moindre à 400 et 500 nm par rapport à 450 nm, si bien que pour la même quantité de lumière incidente, le capteur verra moins de lumière violette ou verte. Et il ne verra pas du tout de lumière rouge (à 700 nm) puisque sa sensibilité à cette longueur d'onde est nulle.

¹Un flux nerveux n'est pas exactement de l'électricité, mais ça s'en rapproche beaucoup...

Les capteurs de l'œil

Revenons à nos yeux et aux cônes. On trouve dans l'oeil trois types de cônes. La courbe ci-dessus est en fait la courbe de sensibilité des cônes appelés « bleus ». Et on comprend pourquoi, puisque ces cônes ont leur pic de sensibilité dans le bleu !

Les deux autres types de cônes sont appelés « verts » et « rouges ». Cliquez ici pour afficher leurs courbes de sensibilité.

Les cônes verts semblent donc sensibles grosso modo de 400 nm (violet) à 670 nm (rouge orangé) et les cônes rouges de 400 nm (violet) à 700 nm (rouge). En réalité, ce n'est pas tout à fait vrai. C'est juste qu'en dehors de ces plages, leur sensibilité est très faible, mais elle n'est pas nulle.

Cliquez ici pour zoomer 100x sur le bas des courbes.

On voit que la sensibilité des cônes rouges s'étend en fait bien au delà de 700 nm. Elle est mesurable jusque environ 830 nm, mais elle est alors un million de fois plus faible qu'au maximum.

Les courbes de sensibilité telles qu'elles sont présentées ci-dessus sont un peu trompeuses, car elles ont toutes étaient normalisées de façon à avoir le même maximum. Ce n'est pas le cas en réalité.

Cliquez ici pour voir les trois courbes sur une même échelle.

Les cônes les plus sensibles sont donc les cônes rouges, tandis que les cônes bleus sont beaucoup moins sensibles que les deux autres. Ces courbes de sensibilité sont le résultat de nombreuses mesures effectuées avec des protocoles différents, sur des personnes ayant une vision des couleurs non altérée, ou au contraire sur des daltoniens (auxquels il manque un type de cônes). Elles ne représentent pas la sensibilité des pigments présents dans l'oeil, mais la sensibilité globale des cônes, en tenant compte par exemple de l'absorption de la cornée. Ces courbes font l'objet d'une norme entretenue par la CIE (Commission internationale de l'éclairage).

Pourquoi la CIE ? Parce que ces courbes jouent un rôle important dans la définition du lumen, qui permet de caractériser la puissance perçue d'un éclairage. Les trois courbes ci-dessus peuvent être fondue en une seule courbe montrant la sensibilité de l'œil en fonction de la couleur. On obtient une fonction appelée Y, qui est simplement la somme des trois courbes.

Cliquez ici pour afficher la courbe Y de sensibilité de l'œil.

On voit que l'œil a son pic de sensibilité dans le vert, à 555 nm. Mais on voit aussi que par exemple dans le bleu à 450 nm, l'œil est 16 fois moins sensible. Une source de lumière monochromatique bleue à 450 nm devra donc être 16 fois plus puissante pour éclairer de la même façon (avoir le même nombre de lumen) qu'une source de lumière monochromatique verte à 555 nm.

L'œil voit très mal les couleurs

Avec seulement trois capteurs, comment peut-on voir autant de couleurs ? Eh bien, parce que nous n'avons pas que nos yeux, nous avons aussi un cerveau ! Le cerveau reçoit comme données le poids relatif de ces trois couleurs de base, il les triture, les moyenne, interpole, et sort finalement une couleur, unique. Car quelle que soient le nombre de couleurs dans le spectre d'un point lumineux, notre œil n'en voit que trois, et notre cerveau une seule.

Quelle est la couleur perçue ? Si les composantes couvrent uniquement les capteurs bleu et vert, nous voyons une couleur monochromatique correspondant plus ou moins à une moyenne des composantes vues par les cônes. Idem si les composantes couvrent uniquement les capteurs vert et rouge.

Le cerveau invente des couleurs

Mais si les composantes couvrent les deux capteurs extrêmes (bleu et rouge), alors le cerveau invente une couleur, le magenta, qui n'existe pas dans le spectre monochromatique. Et si les trois cônes sont excités, le cerveau invente aussi une couleur : le blanc ! Pour générer du blanc, il suffit donc de mélanger trois couleurs pour exciter les trois types de cône. En fait, deux couleurs suffisent, car il est facile d'exciter en même temps les cônes rouge et vert.

Bien sûr, cette description du fonctionnement de l'œil est très simplifiée, et vous pouvez l'approfondir avec deux épisodes de Kézako : Comment l'œil voit-il ? et Comment fait-on pour voir en relief ?. Mais cette description suffit amplement pour comprendre le problème qui se pose maintenant : reproduire les couleurs sur l'écran que vous êtes en train de regarder.