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Le mécanisme de perception des couleurs

Par Yann le 15/03/2017 Ressources > Physique-Chimie > Première S > Optique > Les couleurs perçues

Qu’est ce qu’une couleur ?

La couleur peut se définir comme étant la qualité de la lumière renvoyée par la surface d’un objet. Ceci, indépendamment de sa forme, selon l’impression visuelle qu’elle produit.
Plus précisément, la couleur correspond à la sensation perçue par le cerveau lorsque l’œil lui transmet le signal d’une lumière correspondant à un intervalle donné de longueur d’onde

Les différentes couleurs de la lumière visible

Le spectre de la lumière blanche comporte l’ensemble des longueurs d’onde pouvant être perçues par l’œil. La lumière visible est une palette de rayons, finalement très mince dans le spectre optique, mais on les détaille en « couleurs » parce que l’œil humain les distingue les uns des autres.
On distingue six couleurs spectrales : le violet, le bleu, le vert, le jaune, l’orange et le rouge.

CouleurLongueur d'onde (nm)
Violet400 à 430
Bleu430 à 480
Vert480 à 560
Jaune560 à 580
Orange580 à 620
Rouge620 à 800

Il existe cependant d’autres couleurs qui ne sont pas spectrales et qui peuvent être obtenues par combinaison de lumières de différentes longueurs d’onde.

Deux autres “couleurs” posent également question : le blanc et le noir.

  • Le blanc est en fait la somme de toutes les couleurs du spectre, d’où son nom de spectre de la lumière blanche. C’est ce comportement qui est mis en évidence lorsqu’on parle de synthèse additive des couleurs.
  • Le noir est au contraire une absence totale de couleur. On dit que le noir absorbe la totalité des couleurs

Comment est décomposée la lumière blanche ? La lumière blanche est l’addition des couleurs que nous connaissons.

Le mécanisme de perception de la vision

La réception de la lumière par l’œil

La lumière pénétrant dans l’œil est focalisée par le cristallin. Le cristallin est une lentille transparente, située juste derrière l’iris. De part et d’autre de celui-ci, la lumière traverse deux liquides transparents : l’humeur aqueuse et le corps vitré.
Les images produites par le cristallin se forment sur la rétine qui tapisse presque entièrement l’intérieur de l’œil.

La rétine est la membrane sensible de l’œil dans laquelle se forme l’image d’un objet. À l’intérieur de la rétine se trouvent des photorécepteurs. Ce sont des cellules sensorielles réagissant aux rayons lumineux en émettant un message nerveux.
La rétine est tapissée de millions de ces cellules photosensibles.

Par quel mécanisme l’œil peut-il percevoir les couleurs ? Les cônes et les bâtonnets de l’œil humain permettent de distinguer les couleurs.

Les cellules photoréceptrices de l’œil

Tous les photorécepteurs possèdent une protéine qui absorbe certaines radiations du spectre lumineux. C’est l’absorption de photons qui est à l’origine du message nerveux qu’ils émettent.

Il existe deux grands types de photorécepteurs.

D’une part, les bâtonnets se situent dans la rétine périphérique. On en dénombre environ 125 millions et ils permettent une vision d’ensemble, un large champ visuel mais une vision peu précise. Ils fonctionnent particulièrement bien en faible éclairement, dans la pénombre.

D’autre part, les cônes sont situés surtout dans la rétine centrale. On en compte environ 6 millions et ils permettent une vision précise et nette ainsi qu’une discrimination des couleurs. Ils exigent en revanche une intensité lumineuse assez forte.

Chaque photorécepteur ne synthétise qu’un seul type de protéine, aussi appelé pigment. Tous les bâtonnets contiennent la même protéine appelée rhodopsine, ayant un maximum d’absorption à 496 nm de longueur d’onde.

En revanche, il existe trois catégories de cônes. Elles se distinguent par la protéine iodopsine, association de l’opsine avec le rétinal que les cônes renferment.
Chacun présente un maximum d’absorption pour une longueur d’onde bien déterminée :

  • La première détecte les lumières de faibles longueurs d’ondes (maximum d’absorption à 420 nanomètres) correspondant essentiellement à des couleurs bleues. Ils sont nommés cônes S.
  • La seconde détecte des lumières de longueurs d’onde moyenne (maximum d’absorption à 530 nanomètres), ce qui correspond à la couleur verte. Ils sont nommés cônes M.
  • La troisième détecte des lumières de longueurs d’onde longues (maximum d’absorption à 560 nanomètres), correspondant à la couleur rouge et proches du rouge. Ils sont nommés cônes L.

C’est grâce à l’existence de trois types de cônes que nous percevons la vision des couleurs.

L’analyse des signaux lumineux par le cerveau

Lorsqu’ils sont excités par de la lumière, les cônes émettent un signal électrique. Ce signal est véhiculé par des cellules nerveuses dont les axones forment le nerf optique.
Par le nerf optique, l’information remonte de l’œil à la région du cerveau spécialisée dans le traitement de la couleur : le cortex.

Le signal peut aussi transiter entre les cônes et les cellules nerveuses grâce aux cellules horizontales. Elles sont indispensables pour la vision des contrastes et des changements de couleurs.

Une fois que le message est reçu par le cerveau, il est analysé et interprété. C’est un travail complexe. En effet le cerveau doit pouvoir retrouver les trois caractéristiques fondamentales de la couleur, uniquement à partir de l’ensemble des messages reçus.
Ces trois propriétés sont la clarté, la saturation et la teinte. Pour cette dernière, on parle également de tonalité.

  • La clarté correspond à la luminosité relative de l’objet observé : plus la couleur est claire et plus elle tire vers le blanc alors que moins elle est claire et plus elle tire vers le noir.
  • La saturation mesure la part de coloration de l’objet : cette propriété de la couleur permet de différencier un pastel d’une couleur vive.
  • La tonalité nous renseigne sur la teinte de la couleur. Il existe quatre teintes élémentaires : le rouge, le vert, le bleu et le jaune. Chacune de ces teintes correspond à une région du spectre de la lumière.

Ces trois paramètres de la couleur combinés nous permettent de faire la différence entre par exemple un vert kaki et un vert fluo.

Les différents types de perception de la couleur

La vision trichromatique

L’œil humain combine les signaux transmis par les trois variétés de cônes pour induire une sensation visuelle qualifiée de « couleur », propre à chaque longueur d’onde du spectre visible.

La plupart des gens perçoivent n’importe quelle couleur en ajustant l’intensité de trois sources superposées de lumière colorée (bleu, vert et rouge).

La possibilité de reproduire toutes les couleurs à partir de trois couleurs seulement traduit le fait que notre sensibilité chromatique est fondée sur des niveaux d’activité relative de l’ensemble des cônes aux spectres d’absorption différents.

Les bâtonnets ne contiennent, en revanche, qu’un seul type de pigment photosensible dont le maximum d’absorption se situe entre le vert et le bleu.

Les couleurs auxquelles sont sensibles les trois sortes de cônes constituent les couleurs primaires de la vision humaine (le vert, le bleu, le rouge).

Ainsi pour des stimulus lumineux de différentes longueurs d’onde, l’activité relative des trois ensembles de cônes ne sera pas la même. C’est elle qui rend l’œil humain sensible à des milliers de nuances : notre sensibilité visuelle est dite trichromatique.

La combinaison des couleurs primaires avec des intensités relatives variables permet d’obtenir l’ensemble des couleurs du spectre visible.

Les autres types de vision

La plupart des primates et certains autres mammifères sont aussi dotés d’une vision trichromique néanmoins la majorité doit se contenter de la bichromie, c’est-à-dire une vision reposant sur deux sortes de cônes.

Si on analyse plus précisément la vision du chat, on arrive à la conclusion qu’il est parfaitement dichromate. En effet, l’étude histologique de sa rétine a montré qu’elle renfermait deux sortes de cônes, les uns sensibles au bleu indigo (longueur d’onde de 450 nm), les autres à jaune-vert (longueur d’onde de 556 nm).

De plus, certains des neurones impliqués dans leur vision ont un maximum de sensibilité à une longueur d’onde de 500 nm en basse intensité lumineuse et à une longueur d’onde de 556 nm en forte intensité lumineuse.
Le chat ne peut donc pas distinguer les couleurs en-dessous de 540 nm. Il lui est donc impossible de voir le rouge.

Pourquoi les chats ont-ils une vue perçante ? Le chat n’est pas doté des mêmes capacités visuelles que l’être humain.

Au contraire, les reptiles et les oiseaux peuvent compter sur une vision quadrichromique (quatre sortes de cônes). Les oiseaux règlent par conséquent leur comportement sur la couleur beaucoup plus que sur la luminosité ou sur la forme.

Défauts de la perception des couleurs : le daltonisme

Le daltonisme, mis en évidence par John Dalton, est un défaut qui affecte l’un des trois types de cônes : il ne détecte pas correctement la lumière. La forme la plus courante est celle qui empêche la distinction entre les couleurs rouge et vertes.

Cette anomalie de la vision affecte en majorité les hommes : 8% de la population masculine serait touchée contre seulement 0,5% de la population féminine.
Le daltonisme est du à un trouble fonctionnel des cônes de la rétine, qui permettent la perception des couleurs.

Chez les personnes touchées, l’une des protéines photoréceptrices (rouge ou vert le plus souvent) est absente : ainsi les sensations colorées, reproduites à partir des informations de deux populations de cônes seulement, sont de fait différentes de celles des sujets ayant une vision trichromatique.

Les types de daltonisme

On classe le daltonisme selon les 3 types de cônes atteints et l’importance du trouble visuel.

  • Monochromatisme : on dit des personnes touchées qu’elles sont achromates.

C’est l’absence totale de perception des couleurs. Il est extrêmement rare, il touche une personne sur 40 000. Les personnes atteintes ne voient le monde qu’en nuances de gris. Les cônes sont totalement dépourvus des protéines iodopsines.

L’exemple de l’île de Ponape située dans le centre-est de la Micronésie, au nord-est de la Papouasie-Nouvelle-Guinée, dans l’Océan Pacifique, est connue car l’achromatopsie y est commune : près d’un douzième de la population est touchée.

  • Dichromatisme : on dit des personnes affectées qu’elles sont dichromates

On le caractérise par l’absence de la protéine iodopsine. Cela se traduit par la perception de deux couleurs seulement :

¤ Protanope : perception de vert et du bleu seulement

¤ Deutéranope : perception du rouge et du bleu seulement

¤ Tritanope : perception du rouge et du vert seulement

  • Trichromatisme anormal

Dans ce cas, la protéine est anormale et sa sensibilité est différente. Ceci se traduit par la perception des 3 couleurs d’intensités anormales :

¤ Protanomal : besoin de rouge

¤ Deutéranomal : besoin de vert

¤ Tritanomal : besoin de bleu

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