A.01. Les courbes spectrales de sources lumineuses

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A.1.1. Les courbes spectrales de quelques sources lumineuses colorées

Les schémas des planches 194 et 941 montrent les courbes spectrales de quelques sources lumineuses colorées.




Il n’y a pas deux sources lumineuses colorées qui présentent la même courbe spectrale. Si deux sources lumineuses colorées présentent la même courbe spectrale, c’est qu’elles ont la même couleur. C’est pour cela qu’on dit qu’une courbe spectrale, c’est comme l’empreinte de doigt d’une couleur («the fingerprint of the colour»).

La courbe spectrale d’une source lumineuse, c’est un graphique qui montre la quantité d’énergie de cette source lumineuse à intervalles réguliers tout le long du spectre des lumières visibles.

Les courbes spectrales, c’est la manière la plus complète de décrire les caractéristiques des sources lumineuses.

Pour mesurer la courbe spectrale d’une source lumineuse, on utilise un instrument qui s’appelle un spectroradiomètre… Le spectroradiomètre mesure l’énergie de la lumière émise par la source lumineuse, avec une cellule photosensible et à intervalles réguliers tout le long du spectre des lumières visibles.

Les courbes spectrales de sources lumineuses s’appellent en réalité les «Courbes de répartition de la puissance spectrale» (Spectral Power Distribution Curves). Durant cette formation en colorimétrie appliquée, nous utiliserons le terme «courbe spectrale de la source lumineuse».

Les courbes spectrales de sources lumineuses sont capables de décrire toutes les couleurs visibles par l’œil humain, et même encore plus : même la partie ultraviolette non visible de la couleur d’un éclairage est décrite dans la courbe spectrale de cet éclairage… Comme on le verra plus loin, c’est important lorsqu’on opère des calculs qui concernent la manière dont cet éclairage interagit avec certaines matières fluorescentes.

Les courbes spectrales des couleurs peuvent être converties vers d’autres manières plus simples de décrire la couleur, moins gourmandes en ressources informatiques, comme RGB, CMYK, Pantone Matching System, etc. Ces autres manières plus simples de décrire la couleur ne sont pas capables de décrire toutes les couleurs visibles par l’œil humain, c’est pourquoi les courbes spectrales de couleurs sont parfois converties vers une valeur dans ces modèles qui correspond le plus à la couleur décrite par la courbe spectrale.

Parce qu’une courbe spectrale contient énormément d’informations à propos des couleurs, il n’est pas possible de convertir la courbe spectrale d’une couleur vers un de ces modèles (RGB, CMYK, Pantone) puis de reconvertir la couleur d’un de ces modèles (RGB, CMYK, Pantone) vers une courbe spectrale.

Observez les courbes spectrales des couleurs sur les planches 194 et 941. Remarquez comment l’amplitude (la hauteur) de la courbe influence la luminosité des couleurs, et comment la forme de la courbe influence la saturation (la pureté) d’une couleur… Une courbe avec une forme bien franche donne une couleur «vibrante». Une courbe avec une forme moins franche donne une couleur plus indéfinissable, plus désaturée.


2079/2080*/2053
A.1.2. Quand on ne connaît que la courbe spectrale d’une source lumineuse, c’est difficile de prévoir quelle sera exactement chez l’observateur la sensation colorée que provoquera cette source lumineuse

On pourrait penser que le fait de mesurer l’intensité lumineuse d’une source lumineuse pour chacune des longueurs d’ondes visibles serait la meilleure manière de décrire la couleur de cette source lumineuse. Une telle mesure, qui se traduit par une courbe spectrale, montre les propriétés optiques qui influencent la perception de la couleur, mais ce n’est toutefois pas facile de prévoir l’apparence visuelle de la couleur au départ de cette information…

Regardez la courbe spectrale sur la planche 2080… on peut repérer assez facilement sur la courbe spectrale quelle est la longueur d’onde dominante : dans ce cas c’est du vert, mais comment savoir vraiment quelle va être la contribution des autres longueurs d’ondes dans la perception de la couleur ? De quel type de vert s’agit-il vraiment ?





Plus loin dans cette formation, nous verrons que l’être humain préfère lorsque les couleurs sont décrites avec des termes psychologiques, mais que ces termes psychologiques ne sont pas fiables, ils ne sont pas utilisables dans le contexte de la production industrielle, qui demande plus de rigueur… Ce sera le rôle de la colorimétrie, nous aurons l’occasion d’en reparler.


A.1.3. Les courbes spectrales de sources lumineuses qu’on peut qualifier de «lumière blanche»

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Sur le net, David Porter a mis à disposition des scientifiques des courbes spectrales de 62 lumières du jour. La répartition de la puissance spectrale (Spectral Power Distribution, SPD) a été mesurée tous les 5 nanomètres sur la totalité des ondes du spectre des lumières visibles, et même plus, puisque les fréquences vont de 300 nanomètres à 830 nanomètres, alors que généralement on dit que les lumières visibles ont des longueurs d’ondes qui se situent entre 400 nanomètres et 700 nanomètres.


0551*/1351*/0183*
Les schémas sur la planche 0551 montrent la courbe spectrale d’un éclairage par une ampoule à incandescence, c’est-à-dire une ampoule avec un filament en tungstène (en haut) et la courbe spectrale d’un éclairage de la lumière du jour (en bas).



Ces deux éclairages peuvent être qualifiés de «lumière blanche», et pourtant l’aspect qu’auront des objets sous l’un ou l’autre de ces éclairages peut varier considérablement.

Les schémas sur les planches 1351 et 183 montrent également les courbes spectrales de ces deux types de sources lumineuses.



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Les schémas sur la planche 1365 montrent à nouveau la courbe spectrale d’un éclairage par une ampoule à incandescence et la courbe spectrale d’un éclairage de la lumière du jour, mais cette fois-ci on va pouvoir comparer ces deux types d’éclairage à un troisième type : l’éclairage par tube fluorescent…


Il s’agit de tubes fluorescents de type «TL84», qui sont utilisés dans les magasins Mark & Spencer. Cette chaîne de magasins a des activités de recherches dans le domaine de la couleur. Nous en reparlerons lorsque nous étudierons les modèles colorimétriques.

Le schéma de la planche 0184 montre également la courbe spectrale d’une source lumineuse naturelle de plein jour, et aussi la courbe spectrale d’une source lumineuse par tube fluorescent.

Remarquez que la source lumineuse par tube fluorescent est de puissance faible.

Remarquez aussi comment pour certaines longueurs d’ondes la puissance est beaucoup plus élevée que pour d’autres longueurs d’ondes… C’est une caractéristique de ce type d’éclairage, et c’est ce qui rend ce type d’éclairage tout à fait inadéquat lorsqu’on doit juger des couleurs, ou créer avec les couleurs.

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Le schéma de la planche 1359 montre la courbe spectrale de quatre types de lampes fluorescentes. Quel que soit le type d’éclairage par tube fluorescent, il présente toujours une courbe spectrale avec des «pointes d’énergie» à certaines longueurs d’ondes.



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A.1.4. Fonctionnement des tubes fluorescents, et catégories de tubes fluorescents

Une lampe à tube fluorescent, c’est une lampe qui utilise le principe de la fluorescence.

Cette lampe est composée d’un tube de verre rempli de vapeurs de mercure à basse pression. D’autres gaz sont parfois utilisés.

L’intérieur du tube fluorescent est tapissé d’une matière fluorescente. Cette matière est également phosphorescente…

On charge les vapeurs de mercure avec un courant électrique, cela produit des radiations ultra‑violettes. Ces radiations invisibles stimulent la matière fluorescente qui émet à son tour de la lumière, mais cette fois de la lumière visible.

La matière fluorescente a donc pour but de convertir les radiations ultraviolettes invisibles qui ont très peu de longueurs d’ondes, en une plus grande gamme de longueurs d’ondes du spectre des lumières visibles. C’est le type de matière fluorescente qui est utilisé dans les lampes à tubes fluorescents qui fait la différence entre les tubes… En général, il y a un compromis entre l’utilisation maximale de l’énergie de la lumière ultraviolette émise par les vapeurs de mercure, et la bonne redistribution de cette énergie par la surface fluorescente vers différentes longueurs d’ondes du spectre de lumières visibles.

Il y a 12 types d’éclairages fluorescents standards. Ces 12 types sont classés en trois catégories…

1) La catégorie F1‑F6 est appelée «normale» parce qu’il y a une bonne efficacité… L’énergie de la lumière ultraviolette dégagée par les vapeurs de mercure donne une lumière correcte et assez puissante.

2) La catégorie F7‑F9 est appelée «large‑bande» parce que la distribution des longueurs d’ondes est meilleure (il y a plus de lumières visibles), mais l’énergie ultraviolette dégagée par les vapeurs de mercure est mal utilisée (= l’éclairage consomme plus pour une même quantité de lumière visible, mais la lumière visible dégagée est plus riche).

3) La catégorie F10‑F12 est appelé «tri‑bande» parce que les longueurs d’ondes visibles sont principalement concentrées dans trois bandes du spectre des lumières visibles… 435, 545, et 610 nanomètres. Ces tubes fluorescents utilisent bien l’énergie ultraviolette dégagée par les vapeurs de mercure, mais les couleurs des objets ne sont pas très justes vues sous cet éclairage.

La Commission Internationale de l’Éclairage recommande d’utiliser, parmi ces trois catégories, le F2, F7, et F11.


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A.1.5. Une explication du phénomène de la phosphorescence

La phosphorescence c’est la propriété d’une matière ou d’un objet à absorber des radiations temporairement, puis à les ré‑émettre peu de temps après… La matière phosphorescente continue d’émettre de la lumière pendant un certain temps après que la source lumineuse soit partie.

Les phosphores sont utilisés pour tapisser l’intérieur des tubes de télévision, les moniteurs d’ordinateurs, et les tubes fluorescents.


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A.1.6. La courbe spectrale d’un laser rouge

Le schéma de la planche 231 montre la courbe spectrale d’une couleur pure comme un laser rouge. Le schéma de la planche 230 montre en comparaison la courbe spectrale d’une couleur bleue.




Le laser est une couleur composée d’une seule longueur d’onde. Dans la nature, on ne trouve pas des lumières qui sont composées uniquement d’une seule longueur d’onde. Les lumières dans la nature sont composées de plusieurs longueurs d’ondes à différentes intensités… Ce sont les courbes spectrales qu’on a vues.

A.02. Les courbes de réflectivité de la matière

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A.2.1. Les courbes de réflectivité d’objets communs

La «courbe de réflectivité» d’une matière (reflectance curve), ce n’est pas une courbe spectrale qui décrit la couleur de la matière. C’est une courbe qui décrit en pourcentages quelle est la quantité de lumière qui est reflétée par la matière à différents intervalles le long du spectre des lumières visibles.

Pour mesurer la courbe de réflectivité d’une matière, on utilise un instrument qui s’appelle un spectrophotomètre…

Le spectrophotomètre mesure avec une cellule photosensible et à intervalles réguliers tout le long du spectre des lumières visibles quelle est la quantité d’énergie lumineuse qui est reflétée par la matière.

Ce schéma montre la courbe de réflectivité d’un citron jaune.


A.2.2. La courbe spectrale de la lumière reflétée par la matière

Il faut bien se rendre compte que la courbe de réflectivité d’une matière ne montre pas quelle est la couleur de cette matière. En réalité cela montre quelles sont les caractéristiques de réflexion de cette matière.

La couleur de la matière cela va dépendre à la fois de la courbe de réflectivité de cette matière, mais aussi de la courbe spectrale de l’éclairage.

En fait la couleur d’une matière, c’est la lumière de l’éclairage, reflétée et modifiée par la matière.


A.2.3. Le «spectre d’absorption» de la matière

La lumière qui n’est pas reflétée par la matière est absorbée par cette matière.

La réflexion est donc l’inverse de l’absorption.

L’inverse de la courbe de réflectivité, c’est ce qu’on appelle le «spectre d’absorption».

On rencontre parfois ce terme en colorimétrie.

Durant cette formation, nous parlerons des «courbes de réflectivité» des matières, plutôt que de leurs «spectres d’absorption».


A.2.4. À la différence du spectroradiomètre, le spectrophotomètre dispose d’une source lumineuse interne pour éclairer l’échantillon de matière qu’il mesure

À la différence du spectroradiomètre, le spectrophotomètre dispose d’une source lumineuse interne pour éclairer l’échantillon de matière qu’il mesure.

Cette source lumineuse interne du spectrophotomètre est une lumière blanche parfaite, qui a la même énergie à chaque longueur d’onde. C’est ce qui va permettre de connaître la «courbe de réflectivité» de la matière, en mesurant la quantité de cette lumière qui est reflétée par la matière à différentes longueurs d’ondes le long du spectre des lumières visibles.

Une telle lumière blanche parfaite n’existe pas dans la nature… mais alors comment se fait-il qu’on la trouve dans un spectrophotomètre ? En réalité la source lumineuse interne d’un spectrophotomètre n’est pas une lumière blanche parfaite, mais c’est une lumière dont on connaît précisément la courbe spectrale, grâce au fait que le spectrophotomètre se calibre régulièrement.

La «courbe de réflectivité» de la matière est obtenue grâce à des calculs opérés entre la courbe de la source lumineuse interne du spectrophotomètre et la «courbe de la lumière reflétée».

A.03. Calcul théorique de la couleur d’un échantillon de matière vu sous un certain éclairage

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A.3.1. Calcul théorique de la couleur d’un échantillon de matière vu sous un certain éclairage

Nous venons de voir que le «spectre d’absorption», ou «courbe de réflectivité» d’une matière, ça indique les pourcentages d’énergie lumineuse qui sont ré‑émis par cette matière tout le long du spectre des lumières visibles.

Connaissant le «spectre d’absorption», ou «courbe de réflectivité» d’une matière, on peut calculer quel sera l’aspect (la courbe spectrale) de cette matière lorsqu’elle sera vue sous un certain éclairage dont on connaît également la courbe spectrale (ou «courbe de puissance spectrale», «spectral power distribution curve»).

La planche 1775 montre le «spectre d’absorption», ou «courbe de réflectivité» d’une matière. Pour simplifier les exemples, observons uniquement les longueurs d’onde des 400 nanomètres et des 600 nanomètres…


On voit que cette matière reflète 8% de la lumière à la longueur d’onde des 400 nanomètres, et reflète 60% de la lumière à la longueur d’onde des 600 nanomètres.

Prenons un éclairage qui a une puissance lumineuse de niveau «50.000» à la longueur d’onde des 400 nanomètres, et de «100.000» à la longueur d’onde des 600 nanomètres…

À ce moment, vue sous cet éclairage, la matière aura un niveau de luminosité de «4.000» à la longueur d’onde des 400 nanomètres (8% de 50.000) et elle aura un niveau de luminosité de «60.000» à la longueur d’onde des 600 nanomètres (60% de 100.000).

Prenons un autre éclairage qui a une puissance lumineuse de niveau «200.000» à la longueur d’onde des 400 nanomètres, et de «40.000» à la longueur d’onde des 600 nanomètres…

À ce moment, vue sous cet éclairage, la matière aura un niveau de luminosité de «16.000» à la longueur d’onde des 400 nanomètres (8% de 200.000) et elle aura un niveau de luminosité de «24.000» à la longueur d’onde des 600 nanomètres (60% de 40.000).

A.04. Le métamérisme

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A.4.1. Une définition du «métamérisme»

Le métamérisme, c’est le fait que deux échantillons de couleur semblent être identiques sous une certaine source de lumière, et semblent être différents sous une autre source de lumière. Deux échantillons qui présentent cette caractéristique sont appelés une paire métamérique.


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A.4.2. Une explication rationnelle du métamérisme, à l’aide de quelques courbes spectrales et de courbes de réflectivité

Un avantage des courbes spectrales des sources lumineuses et des courbes de réflectivité des matières, c’est que cela donne la possibilité de prévoir les effets de différentes sources lumineuses sur l’apparence d’un objet.


L’échantillon de matière #1 a des caractéristiques de réflectivité qui lui sont particulières.
L’échantillon de matière #2 a également des caractéristiques de réflectivité qui lui sont particulières.

Il s’agit bien de deux matières qui ont normalement des couleurs différentes, et pourtant…

La source lumineuse «Lumière du jour» a une courbe spectrale qui lui est particulière.
La source lumineuse «Lumière incandescente» a aussi une courbe spectrale qui lui est particulière.

Comparez les schémas… (une partie du spectre des lumières visibles a été volontairement effacée dans les schémas afin de montrer quelle est la coloration principale de l’éclairage).

Remarquez comment, vus sous la source lumineuse «Lumière du jour», les deux échantillons vont paraître identiques.

Remarquez ensuite comment les deux échantillons sont vus sous la source lumineuse «Lumière incandescente»… Ils apparaissent différents.


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A.4.3. Le métamérisme est présent dans la vie de tous les jours : exemple… l’achat de vêtements

Le métamérisme peut avoir plusieurs causes en ce qui concerne les vêtements… Il y a le type de colorant, la méthode de coloration, ou encore la concordance des couleurs entre différents fabricants.



Le métamérisme est presque inévitable avec certaines couleurs, et est moins un problème avec d’autres couleurs. Les couleurs qui sont le plus susceptibles d’avoir des problèmes de métamérisme sont : la couleur taupe, le mauve, le lilas, les gris/bleus, les gris


A.4.4. Un phénomène similaire au métamérisme… Le manque de cohérence des relations entre les couleurs sous différents éclairages

Parfois les relations entre des couleurs semblent changer très fort suivant l’éclairage. On dit de ces couleurs qu’elles manquent de cohérence.

Ce phénomène est souvent confondu avec le métamérisme. Si on veut s’en tenir à la définition stricte du métamérisme on se rend compte que cela ne décrit pas exactement le même phénomène…

Le métamérisme met en scène au moins deux échantillons de matière qui semblent avoir une couleur identique sous un même éclairage et des couleurs différentes sous un autre éclairage, c’est ce qu’on appelle une «paire métamérique».

Le manque de cohérence des relations entre les couleurs est un phénomène qui survient avec plusieurs couleurs qui semblent toujours être différentes, quel que soit l’éclairage…

… Lorsqu’une couleur «A» est vue sous un certain éclairage, elle est perçue comment étant très différente d’une couleur «B» et d’une couleur «C».

Et lorsque cette couleur «A» est vue sous un autre éclairage, elle semble toujours très différente de la couleur «B», mais elle semble désormais plus proche de la couleur «C»…

C’est un manque de cohérence des relations entre les couleurs.

Le manque de cohérence des relations entre les couleurs sous différents éclairages survient autant avec des photographies qu’avec des graphismes plus simples.

Beaucoup de graphistes ont pu expérimenter cela… L’équilibre des couleurs d’un travail graphique a l’air correct lorsque ce travail est vu dans l’atelier, et lorsqu’on montre ce travail chez le client l’équilibre des couleurs n’est plus correct.

L’utilisation de caissons de visualisation (Viewing booths/Matching cabinets) peut régler ce problème.

A.05. D’autres mesures de la qualité de la lumière et de la matière : mesures qui ne tiennent pas compte des différences entre les longueurs d’ondes

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A.5.1. La mesure de l’énergie globale des sources lumineuses : les «candelas» et les «lumens»

La mesure de l’énergie lumineuse, c’est la photométrie. C’est synonyme de «mesure de l’intensité lumineuse» ou encore de «mesure du flux lumineux».

L’unité de mesure pour quantifier l’intensité lumineuse d’un éclairage, ce sont les «candelas».

L’unité de mesure pour quantifier le flux lumineux qui provient d’une source, ce sont les «lumens».

C’est plutôt complexe, mais en résumé ça donne ceci :

Un éclairage dont l’intensité lumineuse est de 1 «candela» a une intensité lumineuse équivalente à la quantité de lumière émise par un cinquantième de centimètre carré de la surface d’un corps noir (blackbody) chauffé à 2046 degrés Kelvin.

1 «lumen» est équivalent au flux de lumière qui irradie d’une source dont l’intensité lumineuse est de 1 «candela».


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A.5.2. La mesure du pouvoir d’absorption global des matières : la densité


Une définition de la «densité» : c’est la capacité d’une matière à absorber la lumière.

Le niveau de «densité» d’une matière est une indication de la capacité de cette matière à absorber la lumière. Cela s’applique autant à une matière réfléchissante, comme une feuille de papier, que transmissive (comme une diapositive).

Une définition de la «réflectivité» (reflectance) : c’est le pourcentage de lumière qui est ré‑émise d’une matière suite au phénomène de la réflexion.

Une définition de la «transmissibilité» (transmissibility) : c’est le pourcentage de lumière qui est transmise au travers d’une matière.

Au plus petit est le degré de réflectivité (reflectance) d’une partie d’une surface réfléchissante, au plus grande est la densité de la partie de cette surface… C’est forcément lié.

Au plus petit est le degré de transmission d’une partie d’une surface qui transmet la lumière, au plus grande est la densité de la partie de cette surface… C’est forcément lié aussi.

C’est avec un densitomètre qu’on mesure les valeurs de densité d’une matière. Un densitomètre n’est pas capable de discerner les couleurs. Il agit comme une simple cellule photosensible qui mesure la quantité de lumière reflétée ou transmise par une matière.

Dans l’industrie graphique, on utilise un densitomètre pour mesurer des échantillons de gris, des gammes de contrôle, qui se situent dans la mise en page à côté sur des documents. On mesure ces échantillons lorsque le document est reporté sur des films offset, puis sur des plaques offset, puis sur les impressions offset, dans le but contrôler la qualité de la reproduction des densités.

Nous aurons l’occasion de reparler plus en détail de ces «gammes de contrôle».

Un densitomètre pour surface réfléchissante rapporte des valeurs de densité généralement comprises entre 0,05 et 2,5.

Un densitomètre pour surface transmissive rapporte des valeurs de densité généralement comprises entre 0,05 et 3,5.


A.5.3. À quoi correspondent les nombres qui sont utilisés pour indiquer les valeurs de densité d’une surface ?

À quoi correspondent les nombres qui sont utilisés pour indiquer les valeurs de densité d’une surface ?

Il s’agit de valeurs simplifiées qui indiquent quelle proportion de la lumière est absorbée par la matière.

Prenons le cas d’une matière qui transmet la lumière, comme une diapositive…
Imaginez qu’une partie de cette diapositive transmet exactement 1/2 (la moitié) de la lumière qui arrive sur elle. On peut dire qu’il s’agit d’une transmissibilité (transmittance) de 50%, ou 0,5.

Maintenant imaginez qu’une autre partie de cette diapositive transmet seulement une très petite partie de la lumière, disons 1/520ème. Cela se traduirait par 0,192%, ou 0,00192.

Ce n’est pas très pratique de jouer avec ce genre de nombres : 0,5 et 0,00192. Le problème, c’est qu’on joue ici avec une grande échelle de valeurs : la valeur la plus grande est beaucoup de fois plus grande que la valeur la plus petite.

Pour obtenir des nombres plus faciles à manipuler, on va utiliser un logarithme, une opération mathématique qui va simplifier toutes ces valeurs, les présenter de manière plus simple…

On prend l’inverse de ces nombres, dans notre cas ça donne 2 et 520 quand on inverse 1/2 et 1/520ème.

Ensuite on réalise avec une calculatrice le logarithme de ces valeurs inversées… Cela donne des valeurs de densité de 0,3 et 2,7.

0,3 parce que 10, la valeur de référence du logarithme, à la puissance 0,3 donne 2.

2,7 parce que 10, la valeur de référence du logarithme, à la puissance 2,7 donne 520.

Les densitomètres, qui sont les appareils qui mesurent le pouvoir d’absorption d’une surface, la «densité» de cette surface, calculent pour nous ces valeurs de densité.

En théorie, les valeurs de densité vont de 0 à l’infini. Cependant, un échantillon devrait avoir un taux d’absorption de la lumière vraiment très élevé, et le densitomètre devrait être extrêmement sensible, pour arriver à obtenir une valeur de densité supérieure à 5.0.

Le schéma de la planche 1787 montre plusieurs valeurs de densité…

Sur la colonne de gauche ce sont le pourcentage de lumière qui n’est pas absorbé, donc qui est reflété ou transmis.

Sur la colonne de droite c’est la valeur logarithmique de densité.

Lorsque nous parlerons des scanners, vous verrez que pour indiquer la finesse de capture des détails d’un scanner c’est aussi une valeur logarithmique de densité qui est indiquée, telles que celles qu’on vient de voir. Cette valeur indique jusqu’à quel point le scanner peut détecter des détails dans les parties sombres des documents qu’on numérise.

Un scanner «grand public» présente généralement une densité de 2,5.

Un scanner à plat professionnel a une densité qui va jusqu’à 4,5.

Les scanners rotatifs, avec cylindre en acrylique et capteurs à photomultiplicateurs (photomultiplier), vont encore au‑delà dans la détection des détails dans les parties sombres des documents qu’ils numérisent… Les scanners rotatifs sont ce qu’il y a de mieux en matière de scanners, mais ils ont des désavantages au niveau de leur facilité d’utilisation. Nous aurons l’occasion d’en reparler.

A.06. La rétine

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A.6.1. Une description générale de la composition et du rôle de la rétine

Sur le schéma de la planche 129, on voit une vue en coupe de l’œil.


La rétine est le récepteur de lumière qui se trouve au fond de l’œil.

La rétine est une sorte de tissu cérébral, c’est une extension du cerveau qui apparaît lors du développement de l’embryon. C’est pourquoi la rétine est considérée comme faisant partie du cerveau. C’est d’ailleurs la seule partie du cerveau qu’on peut observer sans avoir recours à une intervention chirurgicale.

L’œil humain est tellement performant que des scientifiques ont émis l’hypothèse que le cerveau serait un genre de nerf optique surdéveloppé… Le cerveau se serait développé pour mieux traiter les données qui sont récoltées par la rétine. Il s’agit d’une hypothèse encore non vérifiée.

Le schéma de la planche 2057 montre que la rétine est constituée de millions de cellules nerveuses, des récepteurs de lumières (photoreceptors), qui génèrent des signaux électriques. Il s’agit d’une réaction photochimique (photochemical reaction).


Chacune de ces millions de cellules nerveuses est spécialisée…

Par exemple les cellules horizontales font une première détection des contours, les cônes permettent la détection de la couleur (= ils permettent de se renseigner sur la courbe spectrale des éléments qui nous entoure), les bâtonnets permettent de voir lorsque les conditions d’éclairage sont faibles, etc.

Toutes ces cellules qui ont chacune leur spécialisation s’interconnectent et modifient les signaux électriques avant qu’ils ne soient envoyés au cerveau. Nous le verrons plus tard durant cette formation, les signaux électriques sont simplifiés avant d’être envoyés au cerveau.

C’est le nerf optique, constitué de «ganglion cells», qui conduit ces signaux simplifiés vers le cerveau.

La partie du cerveau qui reçoit les informations s’appelle le «cortex visuel», mais en réalité plusieurs parties du cerveau sont utilisées pour analyser les informations qui sont envoyées par la rétine, nous aurons l’occasion d’en reparler.


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A.6.2. La rétine vue à travers un ophtalmoscope

La photographie de la planche 411 est prise à travers un ophtalmoscope.



Sur la photographie, on voit la «fovéa», qui est une partie très performante de la rétine, nous aurons l’occasion d’en reparler.

Sur la photographie, on voit aussi l’endroit où le nerf optique se raccorde à l’œil. À cet endroit précis de la rétine il n’y a pas de récepteurs… C’est une partie insensible qu’on appelle «point aveugle», ou «tache aveugle» (blind spot).

Le schéma de la planche 410 montre comment fonctionne un ophtalmoscope :
La ligne rouge sur le schéma montre la lumière qui est envoyée vers la rétine du patient. La ligne bleue montre la lumière qui vient de la rétine du patient et qui va vers la rétine de l’observateur.


Le miroir qui est utilisé dans un ophtalmoscope laisse passer 50% de la lumière et en reflète 50%. On appelle ce type de miroir un «half silvered mirror».


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A.6.3. La rétine est constituée de plusieurs couches de cellules

La photographie de la planche 428 montre une vue en coupe de la rétine.


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On a souvent tendance à considérer que la rétine est un simple récepteur de lumière comme un appareil photo, et que le phénomène de la vision se passe principalement dans le cerveau… C’est faux, parce qu’en réalité c’est déjà dans ces interconnections complexes entre les couches de cellules de la rétine que le processus de la vision commence.

La rétine est constituée de 5 couches de cellules, et entre ces couches il y a des interconnections complexes.

Il y a à peu près 125 fois plus de récepteurs dans la rétine qu’il n’y a de canaux qui convoient les informations de la rétine vers le cerveau. Cela donne une idée de la complexité des interconnections qui ont lieu dans la rétine avant que les informations ne soient envoyées au cerveau.

Toutes les couches de cellules de la rétine ne servent pas à détecter les couleurs. Il y a par exemple une couche de cellules qui est spécialisée dans la détection des contours…


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A.6.4. La détection des contours qui s’opère dans une des couches de cellules de la rétine

Les démonstrations que nous allons voir prouvent l’existence de ce qu’on appelle les «Center‑Surround Receptive Field Interactions»… il s’agit de la détection des contours qui s’opère dans une des couches de cellules de la rétine.

Sur la planche 0399, l’illusion des bandes de Mach. (Mach bands).


Mach est le fameux physicien qui a donné son nom à l’unité de mesure de la vitesse du son.

Il y a deux plages : une noire à gauche, une blanche à droite, et au milieu une échelle de gris qui les sépare.

Là où les gris cessent de s’éclaircir, on croit voir une ligne blanche qui est plus claire que la plage de blanc : ce n’est qu’une illusion car la plage de blanc est au maximum d’intensité.

Là où les gris cessent de s’assombrir, on croit voir une ligne noire qui est plus sombre que la plage de noir : ce n’est qu’une illusion car la plage de noir est au minimum d’intensité.

Schéma de la planche 401 :


Là où on fixe, c’est une zone qui joue un rôle d’activation dans la perception visuelle, elle est symbolisée par le disque positif.

Les alentours de l’endroit où on fixe jouent un rôle d’inhibition dans la perception visuelle, c’est la zone qui est symbolisée sur le schéma par l’anneau négatif.

Quand on fixe la plage blanche, la zone qu’on fixe est inhibée par les alentours. Le blanc qu’on perçoit a une luminosité légèrement atténuée.

Quand on fixe la plage noire, la zone qu’on fixe est inhibée par les alentours. Le noir qu’on perçoit a une obscurité légèrement atténuée.

Quand on fixe le blanc à l’endroit où il semble y avoir une ligne plus claire, on voit une ligne plus claire parce une partie de la zone des alentours est dans une partie foncée. Résultat : Le blanc qu’on perçoit a une luminosité légèrement atténuée, mais pas autant que quand on regarde la plage de blanc.

Quand on fixe le noir à l’endroit où il semble y avoir une ligne plus sombre, on voit une ligne plus sombre parce une partie de la zone des alentours est dans une partie claire. Résultat : Le noir qu’on perçoit a une obscurité légèrement atténuée, mais pas autant que quand on regarde la plage de noir.

Sur la planche 356, l’illusion de la grille de Hermann (en anglais : Hermann grid).


Cette illusion d’optique est plus connue. Elle démontre le même phénomène que l’illusion des bandes de Mach (en anglais : Mach bands)… On dit souvent de cette illusion que cela montre qu’il y a des points sombres là où se croisent les lignes blanches entre les carrés noirs. En réalité ces parties-là ont la même intensité que le blanc qui entoure le schéma… Ce qui se passe c’est que sur les bords des carrés le blanc paraît plus blanc.

A.07. Anatomie des récepteurs de lumière de la rétine

2060-2061*/2059
A.7.1. Anatomie des récepteurs de lumière de la rétine

Il y a deux sortes de cellules qui jouent un rôle très important dans la réception de la lumière dans la rétine : ce sont les cônes (cônes) et les bâtonnets (rods).

Les cônes contribuent à la vision lorsque le niveau de luminosité est moyen ou élevé.

Les cônes permettent la vision en couleur : il y a trois sortes de cônes qui sont sensibles à différentes parties du spectre des lumières visibles.

Les bâtonnets contribuent à la vision lorsque le niveau de luminosité est faible.

Les bâtonnets ne permettent pas de distinguer les couleurs, parce qu’il n’y a qu’une sorte de bâtonnet.

Les cellules réceptrices de la lumière dans la rétine, qu’il s’agisse de cônes ou de bâtonnets, se présentent sous la forme de microscopiques piles de disques qui contiennent des pigments photosensibles (photosensitive pigments).

Le schéma de la planche 2060-2061 montrent l’intérieur des deux types de récepteurs de lumières principaux : les cônes et les bâtonnets.



0497/0386*
A.7.2. Les dimensions des cônes et des bâtonnets

La photographie de la planche 386 montre des cônes et des bâtonnets vus au travers d’un microscope électronique.


Les cônes et les bâtonnets ont une dimension d’à peu près 1/500ème de millimètre de diamètre et de 1/25ème de millimètre de longueur.

A.08. La «fovéa» / l’«axe optique» et l’«axe visuel»

1100/1216
A.8.1. La «fovéa», l’axe optique et l’axe visuel

La «fovéa» est au centre de la rétine.

Cette partie centrale de la rétine ne contient quasiment que des cônes qui sont serrés les uns contre les autres. Elle est très sensible aux détails fins, aux variations de couleurs subtiles, et aux variations d’éclairage et d’ombrage.

Cette partie de la rétine est aussi différente du reste de la rétine en ce sens qu’elle a une connexion directe avec le nerf optique.

La «fovéa» a une coloration jaunâtre qui a pour but de minimiser les aberrations chromatiques de l’œil.

Plus tard durant cette formation, nous aurons l’occasion de rappeler ce qu’est une aberration chromatique. Nous en avons déjà parlé précédemment durant la partie de la formation qui traitait de la couleur du point de vue de la physique.

0496*
On peut définir deux axes principaux par lesquels la lumière arrive dans l’œil : l’«axe optique» (optical axis) et l’«axe visuel» (visual axis). La planche 496 montre ces deux axes sur un schéma.


L’«axe optique» est la ligne directe qui passe par le centre de la cornée (c’est une partie transparente bombée sur le devant de l’œil), puis par la pupille (le «trou» de l’œil), et ensuite par le cristallin (la «lentille» de l’œil).

La partie de la rétine qui est dans le prolongement de l’«axe optique» permet de percevoir les éléments de notre environnement avec beaucoup de détails. Pourtant, ce n’est pas cet endroit de la rétine qui est le plus sensible à la lumière et à la couleur…
La partie de la rétine qui est la plus sensible à la lumière et à la couleur se trouve juste au‑dessus, c’est la «fovéa».

L’axe qui va du centre de la pupille vers la «fovéa» ne donne pas une image aussi nette que l’axe optique, parce que cet axe ne passe pas par le centre exact de la cornée et du cristallin, mais c’est cet axe qui donne la meilleure perception de la couleur. Cet axe s’appelle l’«axe visuel».

A.09. Le passage de la vision avec les cônes à la vision avec les bâtonnets

0302
A.9.1. La vision «scotopique» avec les bâtonnets

Les cônes ne sont pas assez sensibles pour fonctionner dans des conditions d’éclairage faible.

Quand l’œil s’est adapté à l’obscurité, ce sont uniquement les bâtonnets qui relaient les informations vers le cerveau.

Mais les bâtonnets sont «monochromatiques», c’est-à-dire qu’il n’y a qu’une seule sorte de bâtonnet. C’est pourquoi dans des conditions d’éclairage faible on ne voit que des gris.

Les bâtonnets sont pour la vision qu’on appelle «scotopique» (scotopic vision).


A.9.2. La vision «photopique» avec les cônes

À un niveau de luminosité normal, les bâtonnets sont saturés de lumière et les cônes deviennent actifs.

Quand on dit que les bâtonnets sont saturés de lumière, ça veut dire qu’au-delà d’un certain niveau d’éclairage leur réaction à la lumière cesse d’augmenter.

Les cônes permettent de voir en couleur, parce qu’il y a plusieurs sortes de cônes qui sont sensibles à différentes parties du spectre des lumières visibles.

Les cônes sont pour la vision qu’on appelle «photopique» (photopic vision).

0595
Quand on regarde des images reproduites sur du papier ou sur des écrans, ça se fait à un niveau de luminosité élevé…

À ce moment les bâtonnets ne jouent aucun rôle dans la perception de ces images : il n’y a que les cônes qui sont actifs à un niveau de luminosité élevé.

0419*/0336*
A.9.3. La répartition des cônes et des bâtonnets sur la rétine

Le schéma de la planche 419 montre quelle est la quantité de cônes et de bâtonnets à différents endroits de la surface de la rétine.


L’échelle verticale du graphique indique le nombre de milliers de récepteurs par millimètre carré.

La droite du schéma montre la partie de la rétine qui se situe près du nez (nasal), et la gauche du schéma montre la partie de la rétine qui se situe près des tempes (temporal).

La ligne rouge montre le nombre de bâtonnets.

La ligne bleue montre le nombre de cônes.

On voit qu’à l’endroit de la «fovéa» il y beaucoup de cônes et très peu de bâtonnets. La «fovéa» est une partie très performante de la rétine pour la réception de la couleur.

On voit que les bâtonnets sont surtout utilisés pour la vision périphérique.

On voit aussi qu’à l’endroit du point aveugle (ou «tache aveugle») il n’y a pas de récepteurs (bien que le schéma soit trompeur et laisse penser qu’il y a des bâtonnets en très petite quantité à cet endroit)… C’est l’endroit où le nerf optique se raccorde à la rétine.

La planche 0336 peut vous permettre de prouver que le point aveugle existe…


Fermez votre œil droit et regardez le chiffre 3. Pouvez‑vous voir le point jaune dans votre vision périphérique ? Sans doute que oui.

Maintenant rapprochez-vous lentement puis éloignez-vous lentement de l’écran, toujours en regardant le chiffre 3. À un certain moment le point jaune ne sera plus visible.

Si vous essayez cette expérience avec un autre des chiffres qui sont inscrits, vous remarquerez que la distance à laquelle le point jaune disparaît n’est pas la même que précédemment.


0378*
A.9.4. Le passage d’un niveau d’éclairage normal à un niveau d’éclairage faible

Le schéma de la planche 0378 montre la sensibilité de l’œil à la lumière…


On voit que la pupille s’élargit ou se rétrécit suivant les conditions d’éclairage pour laisser passer plus ou moins de lumière et ainsi tenter dans une certaine mesure de réguler la quantité de lumière qui arrive à la rétine.

On voit aussi sur le schéma à quels niveaux de luminosité la vision «photopique» avec les cônes est la seule active, parce que les bâtonnets qui servent pour la vision «scotopique» sont saturés de lumière.

On voit aussi quand apparaît la vision «mésopique»… C’est quand les niveaux de luminosité permettent à la fois aux cônes et aux bâtonnets de fonctionner.


0305*/0499
Le schéma de la planche 0305 montre le passage d’un niveau d’éclairage normal à un niveau d’éclairage faible.


Quand les lignes sont pleines sur le schéma, ça indique que les récepteurs sont actifs.

Quand les lignes sont en pointillés sur le schéma, ça indique que les récepteurs sont inactifs.

On remarque sur le schéma que c’est après 10 minutes dans la pénombre que les bâtonnets commencent à être plus sensibles que les cônes.


0302*/2063*
A.9.5. La perception des niveaux de luminosité des éléments qui nous entourent peut être différente suivant le niveau de l’éclairage
(version provisoire)

Sur le schéma de la planche 0302, qui montre la sensibilité des bâtonnets et des cônes, on voit que les bâtonnets ont leur pic d’efficacité maximale à une longueur d’onde différentes des cônes.

L’efficacité maximale des bâtonnets est plutôt vers les ondes courtes, c’est la partie bleu/vert du spectre des lumières visibles, aux alentours des 510 nanomètres.

L’efficacité maximale des cônes est plutôt vers les ondes moyennes, c’est la partie vert/jaune du spectre des lumières visibles, aux alentours des 555 nanomètres.

Le schéma de la planche 2063 montre de manière simplifiée que la sensibilité est différente pour les bâtonnets et pour les cônes.


À cause de cette sensibilité qui est différente entre les bâtonnets et les cônes, il peut arriver ceci : la perception des niveaux de luminosité des éléments qui nous entourent peut être différente suivant le niveau de l’éclairage.

Prenons le cas d’un environnement qui est vu dans des conditions d’éclairage normales, un environnement qui contient à la fois des éléments de couleur bleu/vert et des éléments d’une autre couleur…

Dans des conditions normales d’éclairage, il est possible que ces éléments de couleur bleu/vert et que ces éléments d’une autre couleur semblent avoir une intensité lumineuse identique.

Lorsque les conditions d’éclairage deviennent plus faibles on ne voit plus les couleurs de cet environnement puisque seuls les bâtonnets sont actifs, c’est normal puisqu’il n’y a qu’une seule sorte de bâtonnet…

Ce qui est plus surprenant, c’est qu’on remarque que lorsque les conditions d’éclairage deviennent plus faibles les éléments qui étaient bleu/vert dans les conditions normales d’éclairage semblent être désormais plus lumineux que les autres éléments.
Cela s’explique par le fait que le pic d’efficacité maximale des bâtonnets se situe plus dans la partie bleue du spectre des lumières visibles.

A.10. La perception des couleurs avec les trois types de cônes

1371/0131
A.10.1. Ce sont les cônes qui permettent la vision en couleur

Les trois types de cônes ont des sensibilités différentes au spectre des lumières visibles.

Chaque type de cône contient des pigments dont le maximum d’absorption se situe principalement dans soit le Bleu, soit dans le Vert, soit dans le Rouge.

1371
Pour simplifier les choses, on dit que les cônes sont sensibles au Bleu, ou au Vert ou au Rouge, mais en réalité ce n’est pas tout à fait exact … Ils seraient plutôt sensibles au violet, ou au bleu/vert, ou au jaune/vert.

2064
Le mieux c’est encore de désigner les trois types de cônes par les lettres «S», «M» et «L».

Les cônes sont d’un type ou d’un autre suivant la longueur d’onde à laquelle ils sont principalement sensibles :

Les cônes de type «S», pour «Short wavelengths», c’est le type de cônes qui est principalement sensible au bleu (au violet en réalité mais pour simplifier on parle de bleu).

Les cônes de type «M», pour «Medium wavelengths», c’est le type de cônes qui est principalement sensible au vert (au bleu/vert en réalité mais pour simplifier on parle de vert).

Les cônes de type «L», pour «Long wavelengths», les c’est le type de cônes qui est principalement sensible au rouge (au jaune/vert en réalité mais pour simplifier on parle de rouge).


2066*/2065*
A.10.2. Un premier graphique qui montre à quelles parties du spectre des lumières visibles est sensible chacun des trois types de cônes

Le graphique de la planche 2066 montre les courbes de sensibilités spectrales des trois types de cônes d’un observateur standard, un observateur statistiquement qualifié de «normal»… Il montre à quelles parties du spectre des lumières visibles est sensible chacun des trois types de cônes S, M et L.


Ce graphique montre aussi quels sont les différents niveaux de sensibilité à la lumière des trois types de cônes S, M et L, pour un observateur standard.

On peut remarquer que les cônes de type S sont très peu sensibles à la lumière, si on les compare aux cônes de types M et L.


A.10.3. Un second graphique qui montre mieux à quelles parties du spectre des lumières visibles est sensible chacun des trois types de cônes

Le graphique de la planche 2065 montre mieux que le précédant graphique à quelles parties du spectre des lumières visibles est sensible chacun des trois types de cônes observateur standard…


En réalité, ce graphique a été généré au départ des mêmes données que le graphique précédent, des données qui ont été récoltées par les scientifiques…

Les données de ce graphique ont été modifiées par un logarithme (une opération mathématique) afin de bien montrer à quelles parties du spectre des lumières visibles chaque type de cône est sensible.


A.10.4. Ce second graphique révèle encore mieux que le premier qu’en réalité il n’est pas tout à fait exact de dire que les cônes de type «M» sont sensibles aux ondes moyennes (les verts) et que les cônes de type «L» sont sensibles aux ondes longues (les rouges)…

En réalité ce serait plutôt ceci : les cônes de type M sont un peu plus sensibles aux ondes moyennes qu’aux ondes longues, et les cônes de type L sont un peu plus sensibles aux ondes longues qu’aux ondes moyennes.

Ces deux types de cônes, M et L, sont donc sensibles à la fois aux ondes moyennes et aux ondes longues, mais pas exactement de la même manière.

Comme nous le verrons plus loin, ces deux types de cônes sont tout de même assez différents l’un de l’autre pour que cela permette de bien différencier le vert du rouge.


A.10.5. Comment est-ce que le scientifique arrive à déterminer quelles sont les caractéristiques réelles de chacun des trois types de cônes ?

Il n’est pas facile pour un scientifique d’arriver à déterminer quelles sont les caractéristiques réelles de chacun des trois types de cônes d’un observateur standard, un observateur statistiquement qualifié de «normal».

Il y a généralement deux manières de procéder…

1) Le scientifique peut faire des expériences avec des personnes chez qui il manque un des trois types de cônes. Pour que les expériences soient valables, cela suppose que les deux autres types de cônes sont intacts chez ces personnes.

2) Le scientifique peut aussi effectuer des mesures sur des pigments extraits de cônes, en supposant que le reste du cône et aussi que le reste de la structure rétinale n’ont pas d’effet modificateur.


A.10.6. Qui est un observateur statistiquement qualifié de «normal»

Les courbes de sensibilités spectrales qui sont montrées ici sont celles qui correspondent à la vision d’un observateur qui peut statistiquement être qualifié de «normal». Cela représente à peu près 96% de la population.

Les autres observateurs ont différentes sortes de défauts de perception de la couleur, nous en parlerons un peu plus loin durant cette formation.

On donne souvent le nom de «colour blindness» (cécité à la couleur) à ces défauts de perception… En réalité il ne s’agit que très rarement d’une insensibilité totale à toutes les couleurs. Le plus souvent il s’agit d’une insensibilité à certaines couleurs seulement.

1100
A.10.7. Nous avons vu que les cônes de type «S» sont moins sensibles à la lumière que les cônes de type «M» ou «L». Ils sont également beaucoup moins nombreux…

Sur chaque millimètre carré de rétine, pour chaque cône «S» sensible aux ondes courtes (les bleus), il y a 20 fois plus de cônes «M» sensibles aux ondes moyennes (les verts) et 40 fois plus de cônes «L» sensibles aux ondes longues (les rouges).
(Cette remarque s’applique particulièrement lorsqu’on parle de la partie de la rétine qu’on appelle la «fovéa», et qui contient presque uniquement des cônes).


A.10.8. Quand on parle du nombre de cônes d’un type ou d’un autre par millimètre carré de rétine, on parle en réalité de la «résolution spatiale» de la rétine, autrement dit une qualité de détection du détail de la rétine…

Ainsi, on peut dire que la «résolution spatiale» de la rétine est bonne en ce qui concerne les cônes de type «M», qui sont sensibles aux ondes moyennes (les verts), et est bonne en ce qui concerne les cônes de type «L», qui sont sensibles aux ondes longues (les rouges).

Par contre, la «résolution spatiale» de la rétine est médiocre en ce qui concerne les cônes de type «S», qui sont sensibles aux ondes courtes (les bleus).

0311*/0314*
A.10.9. Mais pourquoi donc il y a‑t‑il beaucoup moins de cônes de type «S» que de cônes de type «M» ou «L»?

C’est parce que le cristallin de l’œil, c’est-à-dire la lentille de l’œil, et aussi la cornée dans une moindre mesure (c’est une partie transparente bombée sur le devant de l’œil), ne corrigent pas les aberrations chromatiques.

Nous avons vu ce que sont les aberrations chromatiques durant la partie précédente de la formation, qui concernait la couleur du point de vue de la physique…

Rappel : les aberrations chromatiques, c’est le phénomène suivant : les ondes courtes du spectre des lumières visibles sont plus réfractées (= déviées) que les ondes moyennes quand elles passent au travers d’une lentille simple, et les ondes moyennes sont plus réfractées que les ondes longues.

Le cristallin de l’œil est une lentille simple, et elle est donc sujette au phénomène des aberrations chromatiques. La planche 0311, que nous avons déjà vue, montre un schéma d’une lentille simple et de ses aberrations chromatiques.


Il n’est pas possible d’avoir une seconde lentille derrière le cristallin pour corriger les aberrations chromatiques. Ça, on sait le faire dans un appareil photographique, mais pas dans l’œil. Voyez le schéma de la planche 0314 qui montre une lentille achromatique d’appareil photographique, qui est en réalité une double‑lentille qui permet de résoudre le problème des aberrations chromatiques.



A.10.10. Concrètement, qu’est-ce que les aberrations chromatiques posent comme problème dans le phénomène de la vision en couleur ?

Prenons un exemple simple…

Quand on observe un sujet en couleur, on peut considérer que ce sont trois images qui sont projetées en même temps sur la rétine au fond de l’œil…

- Une image constituée d’ondes courtes du spectre des lumières visibles (les bleus).
- Une image constituée d’ondes moyennes (les verts).
- Une image constituée d’ondes longues (les rouges).

Chacune de ces trois images active un des trois types de cônes… Soit les cônes de type S, soit les cônes de type M, soit les cônes de type L.

On le sait, ces trois images, avant d’arriver à la rétine, passent d’abord par la cornée (la partie bombée sur le devant de l’œil), la pupille (le «trou» de l’œil) et finalement le cristallin (la «lentille» de l’œil).

Le cristallin, avec ses microscopiques muscles, prend une courbure qui permet de voir nettement l’environnement…

L’image de l’environnement, constituée des trois images dont on vient de parler, est projetée le plus parfaitement possible sur la rétine.

Mais on sait que le cristallin est sujet au phénomène des aberrations chromatiques…

Les ondes courtes, moyennes et longues qui passent à travers le cristallin ne sont pas déviées de la même manière : les ondes courtes sont plus déviées que les ondes moyennes, et les ondes moyennes sont plus déviées que les longues. Résultat : les trois images dont nous avons parlé qui créent la couleur de ce sujet ne peuvent pas se «focaliser» au même endroit sur la rétine…

- Quand c’est l’image des ondes courtes qui est nette sur la rétine, les images des ondes moyennes et longues ne sont pas nettes sur la rétine.
- Quand c’est l’image des ondes moyennes qui est nette sur la rétine, les images des ondes courtes et longues ne sont pas nettes sur la rétine.
- Quand c’est l’image des ondes longues qui est nette sur la rétine, les images des ondes courtes et moyennes ne sont pas nettes sur la rétine.


A.10.11. Finalement, est-ce que le cristallin prend une forme qui fait se focaliser correctement sur la rétine les ondes courtes, ou bien les ondes moyennes, ou bien encore les ondes longues ?

En réalité le cristallin choisit de prendre une forme qui fait se focaliser correctement sur la rétine les ondes les moyennes ET les longues, mais pas les ondes courtes.
C’est pour cela qu’il y a si peu de récepteurs d’ondes courtes sur la rétine…

Les ondes courtes ne sont pas bien focalisées sur la rétine, et il est donc inutile qu’il y ait beaucoup de récepteurs d’«ondes courtes» car le signal est de qualité médiocre, il n’est pas net.


A.10.12. Est-ce que cela veut dire que les objets QUI SONT bleus ne sont pas vus tout à faits nets ?

Oui, très légèrement.

Une anecdote : dans les années 70, au moment où les ordinateurs ne savaient afficher que 16 couleurs, c’était surtout des images avec des tons bleus qu’on voyait sur les stands des revendeurs dans les foires informatiques, puisque ces images bleues maquillaient bien la médiocrité technique des moniteurs, en tirant parti du défaut de perception de l’œil humain pour les ondes courtes.


A.10.13. Est-ce que cela veut dire que les objets QUI NE SONT PAS bleus sont vus tout à faits nets ?

Pas nécessairement :

Prenons le cas d’un objet de couleur Rose Magenta. On sait que les objets qui créent une sensation colorée rose magenta dans le cerveau sont des objets qui, lorsqu’ils sont éclairés par de la lumière blanche (rappel : une lumière qui est composée à la fois d’ondes courtes, moyennes et longues), ont absorbé les ondes moyennes et ont renvoyé vers l’œil de l’observateur les ondes courtes et longues…

Dans cet exemple, l’objet est créé à la fois par des ondes courtes (les bleus) et pas des ondes longues (les rouges)…

Les cônes de type S vont donc recevoir une image pas très nette de cet objet, tandis que les cônes de type L vont recevoir une image nette de cet objet.


A.10.14. Mais pourquoi est-ce que le cristallin choisit de prendre une forme qui fait se focaliser correctement sur la rétine les ondes les moyennes ET les longues, mais pas correctement les ondes courtes ?

Pour connaître la réponse, il faut regarder le graphique de la planche 2066, que l’on a déjà vu, et qui montre à quelles parties du spectre des lumières visibles sont sensibles les trois types de cônes de l’œil humain…

Lorsque nous avions vu ce graphique pour la première fois, il avait été dit que ce graphique révèle qu’il n’est pas tout à fait exact de dire que les cônes de type «M» sont sensibles aux ondes moyennes (les verts) et que les cônes de type «L» sont sensibles aux ondes longues (les rouges), mais qu’en réalité ce serait plutôt ceci : les cônes de type M sont un peu plus sensibles aux ondes moyennes qu’aux ondes longues, et les cônes de type L sont un peu plus sensibles aux ondes longues qu’aux ondes moyennes.

Les récepteurs d’ondes courtes, quant à eux, sont sensibles à une partie du spectre des lumières visibles tout à fait différente des deux autres types de récepteurs.

Voilà pourquoi le cristallin prend une forme qui permet de voir nettement les ondes moyennes et les ondes longues… En faisant cela, il n’y a qu’un tiers de l’information spectrale de la couleur du sujet observé qui ne se focalise pas bien sur la rétine, autrement dit il n’y a que l’image «onde courte» qui n‘est pas tout à fait nette sur la rétine.

En conséquence, les sujets qui sont vus le plus nettement sont ceux qui ont une couleur dont la longueur d’onde dominante se situe dans le spectre des lumières visibles aux alentours des 560 nanomètres, c’est du vert/jaune.

0342*
Sur la planche 0342 : l’illusion de Boynton…


Cette expérimentation a pour but de démontrer que la résolution spatiale des cônes récepteurs d’ondes courtes est faible dans l’œil humain…

Il y a un rectangle jaune sur fond blanc qui se trouve dans le dessin de gauche…

Souvenez-vous que le blanc est une sensation obtenue lorsque LES TROIS RÉCEPTEURS de l’œil humain qui permettent la vision en couleur, les cônes de types S, M et L, sont activés par de la lumière qui contient à la fois des ondes courtes, des ondes moyennes et des ondes longues du spectre des lumières visibles.

La sensation de couleur JAUNE, quant à elle, est obtenue lorsque LES RÉCEPTEURS D’ONDES MOYENNES ET D’ONDES COURTES de l’œil humain , les cônes de types M et L, sont activés par de la lumière qui contient à la fois des ondes moyennes et des ondes longues du spectre des lumières visibles, MAIS PAS des ondes courtes.

La seule différence entre la couleur blanche et la couleur jaune, c’est donc que dans le cas de la lumière blanche les récepteurs d’ondes courtes sont activés, et que dans le cas de la lumière jaune, ils ne sont pas activés.

Voilà pourquoi c’est de la couleur jaune qui a été choisie dans cette démonstration afin d’en arriver à la conclusion que les récepteurs d’ondes courtes de l’œil humain ont une résolution spatiale, autrement dit une qualité de détection du détail, assez médiocre.

Il y a le même rectangle jaune sur fond blanc dans le dessin de droite.

Remarquez qu’une partie du rectangle jaune dépasse en dehors de la forme délimitée par le trait noir, et qu’il y a des parties blanches à l’intérieur de la forme délimitée par le trait noir.

De près, vous voyez parfaitement sur votre écran d’ordinateur qu’il s’agit de deux rectangles jaunes sur fond blanc… Mais de loin est‑ce que ce sera toujours aussi évident ? Positionnez-vous à 2 ou 3 mètres de votre écran d’ordinateur et regardez à nouveau ces dessins…

La plupart des personnes verront un changement : le dessin de droite semble être désormais constitué du trait noir complètement rempli de jaune.

La démonstration prouve que les récepteurs «S» ne sont pas très performants, puisqu’il n’y a qu’eux qui pourraient nous permettre de différencier le jaune du blanc.
N.B. Cette démonstration prouve d’autres phénomènes plus complexes dont nous ne
parlerons pas ici.

A.11. La chimie complexe des récepteurs de la rétine

0498*
A.11.1. Les cônes contiennent des pigments photosensibles de différents types


Les cônes contiennent des protéines, qu’on appelle aussi «pigments».

La protéine qui s’appelle «rhodopsine» est sensible à la partie bleue du spectre des lumières visibles (les ondes courtes)… On trouve cette protéine dans les cônes de type «S».

La protéine qui s’appelle «chlorolabe» est sensible à la partie verte du spectre des lumières visibles (les ondes moyennes)… On trouve cette protéine dans les cônes de type «M».

La protéine qui s’appelle «erythrolabe» est sensible à la partie rouge du spectre des lumières visibles (les ondes longues)… On trouve cette protéine dans les cônes de type «L».

Sur les schémas, vous verrez que parfois on désigne les types de protéines par des lettres grecques…

La lettre grecque «beta» (B) désigne la protéine des cônes de type «S», la «rhodopsine», et par extension désigne parfois ce type de cône.

La lettre grecque «gamma» (Y) désigne les protéines des cônes de type «M», la «chlorolabe», et par extension désigne parfois ce type de cône.

La lettre grecque «rho» (R) désigne les protéines des cônes de type «L», l’«erythrolabe», et par extension désigne parfois ce type de cône.

2088
A.11.2. Le pigment qu’on trouve dans les bâtonnets, c’est de la «rhodopsine»

La protéine, ou «pigment», qui est sensible à la lumière et qu’on trouve dans les bâtonnets, c’est la «rhodopsine». Quand une molécule de rhodopsine absorbe ne fût-ce qu’une seule particule de lumière, cette molécule de rhodopsine passe d’un état énergétique faible à un état énergétique plus élevé. Ce changement énergétique qui a lieu à un niveau microscopique est amplifié par une série de réactions chimiques complexes, qui finalement produisent un signal nerveux, un signal électrique donc.

1371/0131
La rhodopsine est parfois appelée «visual purple», parce que lorsque ce pigment photosensible est extrait en assez grande quantité, on voit qu’il a une apparence magenta.

La rhodopsine blanchit à la lumière du jour. Cela explique pourquoi les bâtonnets sont insensibles durant la journée.

2004*/2005/2006/2007/2008/2009/2010/2020
A.11.3. Le mécanisme chimique complexe de la perception de la lumière

La perception de la lumière est une réaction chimique en cascade.
Le schéma de la planche 2004 et l’explication qui suit sont donnés ici, dans le cadre de cette formation en colorimétrie appliquée, afin de mieux se rendre compte du niveau de complexité des réactions chimiques qui participent au phénomène de la vision.


1) Un photon, une particule de lumière, atteint une des cellules photoréceptrices de la rétine, comme un bâtonnet par exemple.

2) Ce photon arrive sur une des 100 millions de molécules de protéine de «rhodopsine» qui se trouvent dans le bâtonnet sous la forme de disques empilés.

3) La molécule de «rhodopsine» contient une sorte de vitamine A, la «rétinale», qui absorbe immédiatement le photon, et est activée.

4) la «rétinale» activée alerte la molécule de rhodopsine.

5) la molécule de «rhodopsine» alertée stimule une protéine qui s’appelle la «transducine».

6) La «transducine» active à son tour un «enzyme».

7) l’«enzyme» casse un «cyclic GMP» qui transporte le signal des disques de «rhodopsine» vers la membrane de la cellule.

8) Des ions de sodium et de calcium sortent de la surface de la membrane de la cellule, en passant par des «channels» qui s’ouvrent. Les ions sont des atomes ou des petites molécules qui transportent une charge électrique.

9) Le mouvement des ions à travers la membrane de la cellule modifie la charge électrique de cette cellule… Suivant qu’ils sortent ou qu’ils rentrent, la cellule a une charge négative ou positive.

10) Les neurones qui sont dans la couche suivante de la rétine sont avertis par le changement de polarité de la cellule (polarité négative ou positive) qu’un photon de lumière est arrivé.

(D’après King‑Wai Yau, de la Johns Hopkins University School of Medecine)

A.12. Les signaux des récepteurs de la rétine se combinent avant d’être envoyés au cortex visuel

2090/2093/ 2094/2095*
A.12.1. Une simplification des signaux avant qu’ils ne soient envoyés au cortex visuel

Au lieu de quatre types de signaux, ce sont en réalité trois types de signaux qui sont envoyés de la rétine vers le cortex visuel…

Ces trois signaux sont une combinaison des quatre signaux des quatre types de récepteurs de lumière principaux de la rétine : les trois types de cônes, et les bâtonnets.

Cette combinaison des signaux de la rétine est toujours un domaine de recherche actuellement… Le schéma de la planche 2095 montre les trois étapes supposées de la détection de la lumière.


Dans le schéma l’épaisseur des lignes est là pour indiquer à quel point chaque type de récepteur participe à la création du signal composite qui est envoyé au cortex visuel…
1) Il y a une première détection de la lumière par les bâtonnets et par les cônes.
2) Ensuite il y a une première combinaison des quatre signaux en trois signaux.
3) Puis il y a une seconde combinaison des signaux qui va permettre de déterminer si la couleur perçue est plutôt bleue/verte ou plutôt jaune/verte.

0380*
Le fait que les signaux soient combinés avant qu’ils ne soient envoyés au cortex visuel explique aussi que les bâtonnets soient plus sensibles que les cônes lorsque les conditions d’éclairage sont faibles

En effet, comme on le voit sur le schéma de la planche 380, les signaux qui sont reçus par plusieurs bâtonnets sont réunis en un seul signal, plus fort.

A.13. L’interprétation des couleurs par le cortex visuel

0308*/2013*/2023*
A.13.1. Le stimulus que le cerveau reçoit est interprété comme étant de la couleur

Le schéma de la planche 308 montre le trajet des informations des rétines vers le cortex cérébral.


Le schéma de la planche 2013 montre que chacun des 5 sens active une partie différente du cortex cérébral. Le cortex cérébral, c’est la couche de neurones qui recouvre comme une écorce les deux hémisphères du cerveau. Une partie du traitement des informations ne passe aussi plus profondément dans les plis du cerveau.


La planche 2023 montre des images qui ont été obtenues par résonance magnétique. C’est cette technique qui permet de savoir précisément quelles sont les parties du cerveau qui traitent les informations des 5 sens.


2088
A.13.2. Un signal analogique à intensité variable

Contrairement à la plupart des cellules nerveuses, qui transmettent des impulsions comme un signal digital, des «On» et des «Off», les cellules réceptrices dans la rétine produisent un signal de type analogique, avec différents niveaux électriques qui sont en rapport avec les différents niveaux de luminosité qui sont perçus.

0231*/0230*/1371/0330*
A.13.3. Comment peut‑on percevoir plus de 10.000 couleurs différentes avec seulement trois récepteurs dont la sensibilité est fixe ?

Tout d’abord un rappel à propos des courbes spectrales des couleurs saturées…
Une couleur est toujours composée de plusieurs longueurs d’ondes à différentes intensités. Il n’y a que de très rares cas dans lesquels une couleur est composée uniquement d’une seule longueur d’onde. Nous l’avons vu précédemment durant la formation : les lasers présentent cette caractéristique, mais c’est l’exception qui confirme la règle…

Le schéma de la planche 0231 montre la courbe spectrale d’une couleur véritablement pure comme un laser rouge.


Le schéma de la planche 0230 montre en comparaison la courbe spectrale d’une couleur bleue très saturée.



On distingue très bien quelle est la longueur d’onde dominante de cette couleur bleue en observant la forme de sa courbe spectrale, mais ce n’est pas parce que cette couleur bleue est «pure», très saturée, qu’elle est constituée pour autant d’une seule longueur d’onde : même les couleurs très saturées sont constituées dans une moindre mesure d’ondes qui sont différentes de leur onde dominante.

Ensuite un autre rappel à propos de la sensibilité des récepteurs d’ondes de l’œil…

Le schéma de la planche 0330 montre de manière simplifiée les performances des bâtonnets et des cônes. La ligne en gris sur le schéma, c’est la courbe de sensibilité des bâtonnets. Les bâtonnets ne jouent pas de rôle dans la perception des couleurs, donc on ne va s’occuper ici que des trois autres lignes sur le schéma, les lignes qui montrent la sensibilité des cônes…


La sensibilité des trois types de cônes n’est pas linéaire. Nous allons comprendre que ce n’est pas un défaut, et que c’est justement grâce à la non‑linéarité de leur sensibilité qu’on arrive à différencier les couleurs…

1) Tous les cônes reçoivent les énergies lumineuses qui composent une couleur, et qui ont différentes longueurs d’ondes.

2) Prenons le cas d’une seule de ces longueurs d’onde qui composent une couleur… La longueur d’onde va atteindre les cônes d’une manière vraiment caractéristique, une manière qui n’est pas identique à la manière dont une autre longueur d’onde va atteindre les cônes.

Prenons par exemple le cas de la longueur d’onde qui se situe à 470 nanomètres sur le schéma de la planche 0330 :

Tracez une ligne verticale sur le schéma à l’endroit de la longueur d’onde qui se situe à 470 nanomètres, et vous allez forcément croiser les trois courbes qui montrent la sensibilité des trois types de cônes…

Grâce à cette ligne verticale, vous voyez que les cônes «M» sont atteints à 50% de leur sensibilité maximale, et que dans le même temps les cônes «L» sont atteints à 45% de leur sensibilité maximale et que les cônes «S» sont atteints à 30% de leur sensibilité maximale.

Il s’agit ici de valeurs fictives qui sont données à titre d’exemple. Mais ça vous permet de comprendre que chaque longueur d’onde qui compose une couleur va atteindre les trois types de récepteurs avec une proportion très caractéristique qui ne laissera pas de doute sur la nature de cette longueur d’onde.

On comprend donc que le fait que la sensibilité des cônes ne soit pas linéaire n’est pas un défaut. Au contraire, c’est cela même qui permet une perception précise des couleurs… Quand on voit une couleur, le système visuel est capable de connaître quelles sont les proportions d’ondes courtes, d’ondes moyennes et d’ondes longues qui composent cette couleur. Le système visuel repère ainsi quelle est la longueur d’onde dominante de cette couleur, et aussi en quelles proportions les autres longueurs d’ondes participent à la création de cette couleur. C’est ce qui nous permet d’avoir une idée précise de la nature de la couleur qu’on voit.

Si les trois types de cônes se partageaient le travail, et que chacun des trois types de cônes n’était sensible qu’à seulement un tiers du spectre des lumières visibles, et avait une sensibilité identique à toutes les parties de ce tiers du spectre des lumières visibles, alors on ne verrait seulement que 3 couleurs.

Au lieu de cela, on est capable de déceler plus de 10.000 couleurs différentes parce que les cônes n’ont pas une sensibilité identique à toutes les parties du spectre des lumières visibles.

1614*/1615/1616*/1617/1618/1619*/1620/1621*/1622/1623*
A.13.4. Est-ce qu’il faut que les appareils de capture des images et les films photographiques simulent la vision humaine pour bien capturer ?

Le schéma sur la planche 1614 montre la sensibilité spectrale de l’œil humain.


Le schéma de la planche 1616 montre en pointillés la sensibilité spectrale de l’être humain, et en lignes pleines la sensibilité spectrale d’un capteur de scanner à plat.


On remarque sur le schéma que les sensibilités aux ondes courtes, aux ondes moyennes et aux ondes longues du scanner à plat ne se chevauchent quasiment pas, contrairement à ce qui se passe avec la vision humaine, et en ce qui concerne les ondes longues (les rouges) on remarque que le scanner est sensible à des ondes plus longues que ne l’est l’œil humain.

Pour scanner des photographies couleur, ces capteurs de scanner à plat conviennent parce qu’ils ont été conçus pour mesurer la quantité de pigments Cyan, Magenta et Jaune des photographies couleurs.

Par contre pour scanner des œuvres d’art (qui ne sont pas composées uniquement de pigments Cyan, Magenta et Jaune), les sensibilités spectrales de ces capteurs de scanner à plat vont faire en sorte qu’il y a aura beaucoup d’erreurs d’interprétation des couleurs.

Même si on utilise par la suite un système de gestion des couleurs pour transformer les données récoltées, les erreurs pourront difficilement être corrigées sans que cela n’entraîne une dégradation importante de la qualité des images.

Le schéma sur la planche 1619 montre en pointillés la sensibilité spectrale de l’être humain, et en lignes pleines la sensibilité spectrale d’un capteur de dos numérique pour appareil photo.


Par rapport aux capteurs des scanners à plat, on remarque que les sensibilités aux ondes courtes, aux ondes moyennes et aux ondes longues se chevauchent d’avantage.

En ce qui concerne les ondes longues (les rouges) on remarque que le dos numérique pour appareil photo est, comme le scanner, sensible à des ondes plus longues que ne l’est l’œil humain.

Il faut savoir que la justesse des couleurs c’est seulement un des critères que le fabricant d’un appareil photo numérique doit prendre en compte pour concevoir ses appareils. Le fabricant doit également faire en sorte que son appareil photo numérique soit assez sensible à la lumière même dans de faibles conditions d’éclairage. Il doit faire attention à ce qu’il n’y ait pas trop de bruit dans les images (du grain). La résolution des images est également importante (= le nombre de pixels). Il y a aussi la vitesse de transfert des informations des capteurs vers les circuits de l’appareil et vers le système de stockage. Il y a aussi les coûts de fabrication. Quand le fabricant favorise un de ces critères, c’est au détriment d’un autre. En fin de compte l’appareil photo numérique que le fabricant produit est toujours un compromis entre tous ces critères.

Le schéma de la planche 1621 montre la courbe de sensibilité spectrale d’un scanner qui est équipé de capteurs monochromes, et d’une roue avec des filtres rouge, vert et bleu (filter wheel).


Le but de ce type de design de scanner, c’est de favoriser la justesse de la capture des couleurs. par rapport aux autres systèmes, on remarque que la sensibilité spectrale de ce scanner est beaucoup plus proche de la sensibilité spectrale de l’œil humain.

La sensibilité au rouge a son maximum au même endroit que l’œil humain sur le spectre.

La réponse à une partie de la question qui était posée est donc partiellement «Oui»…
Oui, c’est bien que les appareils de capture des images simulent la vision humaine pour mieux capturer les couleurs. Mais d ‘un autre côté on peut aussi dire…
Non, il n’est pas toujours nécessaire que les appareils de capture des images simulent la vision humaine pour bien capturer des photographies couleur, parce que pour bien capturer des photographies couleur il suffit que les capteurs du scanner soient sensibles aux longueurs d’ondes des pigments cyans, magenta et jaunes.

Le schéma sur la planche 1623 montre en pointillés les sensibilités spectrales des trois types de récepteurs‑couleur de l’être humain, et en lignes pleines les sensibilités spectrales des trois types de récepteurs‑couleur d’un film photographique de type ektachrome (= un film pour diapositive).


On remarque que les sensibilités spectrales d’un film photographique de type ektachrome ne ressemblent pas vraiment aux sensibilités spectrales de l’œil humain.
Il y a plusieurs raisons à cela…

1) Les films photographiques de type ektachrome sont conçus pour reproduire une image de la réalité qui plaît au grand public. Ces films ne sont pas conçus pour reproduire une image qui soit juste au niveau des couleurs.

2) La justesse des couleurs est rendue difficile par la manière dont est conçue la couche sensible du film photographique de type ektachrome, qui se compose de plusieurs filtres‑couleur qui sont superposés. Nous aurons l’occasion d’en reparler plus tard.

3) La justesse des couleurs est aussi rendue difficile par le fait que pour fabriquer les films photographiques de type ektachrome, le choix de matières photosensibles est assez limité.

4) Il y a aussi le fait qu’un film photographique de type ektachrome, c’est un système qui doit convenir à la fois pour la capture, mais aussi pour la visualisation… Il faut pouvoir projeter les diapositives ektachrome.

Pourtant, en filtrant correctement la lumière qui arrive sur le film, on peut arriver à une meilleure capture des couleurs. Ces techniques de filtrage compensatoires sont couramment utilisées dans les départements photographiques des musées.