Le spectre de la lumière blanche : prisme, synthèse additive et couleur des objets

Le blanc n’est pas une couleur

Demandez de quelle couleur est la lumière du Soleil : on répondra « blanche », ou « jaune », ou « elle n’a pas de couleur ». Les trois réponses passent à côté de la vraie nature du blanc. La lumière blanche n’est pas une couleur : c’est un mélange, la superposition de toutes les lumières colorées à la fois. Il suffit d’un morceau de verre taillé pour les séparer et les voir toutes.

L’expérience est spectaculaire et à la portée de n’importe qui : un prisme, un rayon de soleil, un mur blanc, et voilà un ruban de couleurs qui apparaît, du violet au rouge, sans interruption. C’est ce même phénomène qui dessine l’arc-en-ciel après l’averse, colore les reflets d’un CD et fait scintiller un diamant.

Le programme de 4e demande de savoir que la lumière blanche est composée, de connaître le spectre obtenu par décomposition, de maîtriser la synthèse additive des trois couleurs primaires, et d’expliquer la couleur des objets par absorption et diffusion. Cette page couvre l’ensemble, du prisme de Newton aux pixels d’un écran de téléphone.

Newton et le prisme

En 1666, à Cambridge, l’université ferme à cause de la peste. Isaac Newton, vingt-trois ans, rentre chez sa mère à la campagne et y passe ce qu’on appellera son annus mirabilis. Dans une chambre obscurcie, il perce un trou dans le volet et laisse entrer un mince faisceau de soleil, qu’il fait tomber sur un prisme de verre. Sur le mur d’en face apparaît un ruban coloré, allongé, qu’il baptise spectre, du latin spectrum, apparition.

L’observation n’est pas nouvelle : on connaissait depuis longtemps les irisations du verre taillé. Ce qui l’est, c’est l’interprétation. On croyait alors que le prisme colorait la lumière, comme un vitrail. Newton démontre le contraire par une expérience décisive : il isole une seule couleur du spectre avec une fente, la fait passer dans un second prisme, et constate qu’elle ressort inchangée, sans se décomposer davantage. Puis il recombine tout le spectre avec une lentille : il retrouve du blanc. Conclusion : le prisme ne fabrique rien, il sépare ce qui était déjà là.

Le spectre continu et les longueurs d’onde

Le spectre obtenu est continu : les couleurs se succèdent sans interruption ni répétition, toujours dans le même ordre. En allant du plus dévié au moins dévié : violet, bleu, vert, jaune, orange, rouge. Un moyen mnémotechnique courant consiste à lire à l’envers le mot « VIBGYOR ».

Chaque lumière colorée se caractérise par une grandeur physique, sa longueur d’onde, notée par la lettre grecque λ (lambda) et mesurée en nanomètres (1 nm = 10⁻⁹ m, un milliardième de mètre). L’œil humain perçoit les lumières dont la longueur d’onde est comprise entre environ 400 et 800 nm.

$$400\text{nm}<\mathrm{\lambda }<800\text{nm}$$

De part et d’autre du visible, le rayonnement continue mais notre œil ne le capte plus. En dessous de 400 nm, les ultraviolets : invisibles, ils bronzent et brûlent la peau, font briller les vêtements blancs en boîte de nuit et sont utilisés pour stériliser. Au-dessus de 800 nm, les infrarouges : invisibles aussi, ils transportent la chaleur d’un radiateur, le signal d’une télécommande de téléviseur et l’image d’une caméra thermique. Les abeilles voient une partie des ultraviolets, ce qui leur révèle sur les fleurs des motifs que nous ne soupçonnons pas ; les serpents crotales détectent l’infrarouge de leurs proies.

Lumière	Longueur d’onde	Visible ?	Où la rencontre-t-on ?
Ultraviolet	10 à 400 nm	non	soleil (coups de soleil), stérilisation, lampes à UV
Violet	400 à 450 nm	oui	DEL violettes, extrémité du spectre
Bleu	450 à 500 nm	oui	ciel, DEL bleues, écrans
Vert	500 à 570 nm	oui	végétation, laser vert, écrans
Jaune	570 à 590 nm	oui	lampes à sodium des anciens lampadaires
Orange	590 à 620 nm	oui	coucher de soleil, DEL ambrées
Rouge	620 à 800 nm	oui	DEL rouges, feux arrière, laser de pointeur
Infrarouge	800 nm à 1 mm	non	télécommandes (940 nm), chaleur, fibres optiques

Sources : CRC Handbook of Chemistry and Physics ; Commission internationale de l’éclairage (CIE) pour les limites du visible ; fiches constructeurs pour les DEL, comme détaillé sur la page diode et DEL.

La synthèse additive

Si le prisme sépare, peut-on recombiner ? Oui, et il n’est même pas nécessaire de reprendre les six couleurs : trois suffisent. En superposant sur un écran blanc les faisceaux de trois projecteurs, l’un rouge, l’autre vert, le troisième bleu, on retrouve du blanc. Ce sont les trois couleurs primaires de la lumière, et l’opération s’appelle la synthèse additive.

Les couleurs obtenues par superposition de deux primaires s’appellent les couleurs secondaires : le jaune (rouge + vert), le cyan (vert + bleu) et le magenta (rouge + bleu). Le résultat surprend : personne ne devinerait spontanément que du rouge et du vert donnent du jaune, et pourtant c’est exactement ce que fait un écran chaque fois qu’il affiche un citron.

Exemple 1 — Prévoir le résultat d’une superposition

Trois projecteurs éclairent un écran blanc. On éteint le projecteur bleu. Quelle couleur voit-on ? Puis on rallume le bleu et on éteint le rouge : quelle couleur ?

Sans le bleu, il reste rouge + vert : l’écran paraît jaune. Sans le rouge, il reste vert + bleu : l’écran paraît cyan. Si l’on éteint deux projecteurs sur trois, on voit simplement la couleur du projecteur restant. Et si l’on éteint les trois, l’écran paraît noir : le noir n’est pas une lumière, c’est l’absence de lumière.

Les filtres colorés

Un filtre est un morceau de matière colorée transparente qui laisse passer certaines lumières et absorbe les autres. Un filtre rouge laisse passer le rouge et absorbe tout le reste ; un filtre vert laisse passer le vert et absorbe tout le reste.

La règle se résume ainsi : un filtre ne laisse passer que les lumières de sa propre couleur. La conséquence est parfois contre-intuitive. Éclairez un filtre rouge avec de la lumière verte : il ne laisse passer aucune lumière et paraît noir. Superposez un filtre rouge et un filtre vert devant une lampe blanche : le premier ne laisse passer que le rouge, que le second absorbe. Résultat : aucune lumière ne traverse l’ensemble.

Exemple 2 — Filtres en cascade

On éclaire en lumière blanche un écran à travers : (a) un filtre jaune ; (b) un filtre jaune puis un filtre rouge ; (c) un filtre bleu puis un filtre jaune. Que voit-on ?

(a) Le filtre jaune laisse passer le jaune, c’est-à-dire le rouge et le vert : l’écran paraît jaune. (b) Il ne reste que rouge et vert, puis le filtre rouge absorbe le vert : l’écran paraît rouge. (c) Le filtre bleu ne laisse passer que le bleu ; le filtre jaune (rouge + vert) l’absorbe : l’écran paraît noir, plus aucune lumière ne passe.

La couleur des objets

Pourquoi une tomate est-elle rouge et une feuille verte ? Un objet qui n’émet pas de lumière lui-même ne fait que renvoyer une partie de celle qui l’éclaire. Sa surface absorbe certaines lumières colorées et diffuse les autres dans toutes les directions. La couleur perçue est celle de la lumière diffusée.

Trois cas résument tout. Un objet blanc diffuse toutes les lumières colorées : il paraît de la couleur de l’éclairage, blanc sous une lampe blanche, rouge sous une lampe rouge. Un objet noir absorbe tout et ne diffuse rien : il paraît noir sous n’importe quel éclairage, et c’est pourquoi il chauffe au soleil. Un objet coloré diffuse sa couleur et absorbe les autres : il paraît de sa couleur en lumière blanche, et noir si on l’éclaire d’une lumière qu’il absorbe.

Objet	En lumière blanche	En lumière rouge	En lumière verte	En lumière bleue
Feuille blanche	blanche	rouge	verte	bleue
Objet noir	noir	noir	noir	noir
Tomate (rouge)	rouge	rouge	noire	noire
Feuille d’arbre (verte)	verte	noire	verte	noire
Jean (bleu)	bleu	noir	noir	bleu
Citron (jaune = rouge + vert)	jaune	rouge	vert	noir

Cette dépendance à l’éclairage explique une expérience courante : sous les lampes à sodium orangées des anciens parkings souterrains, toutes les voitures paraissent grises ou noires, car ces lampes n’émettent presque que du jaune-orange. C’est aussi pourquoi on ne choisit jamais une peinture ou un vêtement sous un éclairage artificiel sans vérifier à la lumière du jour.

Exemple 3 — Le citron sous trois lampes

Un citron jaune est éclairé successivement en lumière rouge, verte puis bleue. De quelle couleur paraît-il à chaque fois ?

Le jaune est la superposition du rouge et du vert : la peau du citron diffuse ces deux lumières et absorbe le bleu. Sous une lampe rouge, elle diffuse le rouge : le citron paraît rouge. Sous une lampe verte, elle diffuse le vert : il paraît vert. Sous une lampe bleue, il n’y a rien à diffuser, tout est absorbé : il paraît noir. Un même objet, trois apparences.

L’arc-en-ciel

L’arc-en-ciel est une décomposition de la lumière blanche à l’échelle du ciel, réalisée non par un prisme mais par les gouttes de pluie. Chaque goutte joue le rôle d’un minuscule prisme sphérique : la lumière du soleil y entre, se décompose, se réfléchit sur la paroi interne du fond de la goutte, puis ressort en éventail coloré.

Trois conséquences s’observent facilement. D’abord, un arc-en-ciel apparaît toujours du côté opposé au Soleil : il faut avoir le soleil dans le dos et la pluie devant soi. Ensuite, il forme un arc de cercle dont le centre est exactement dans la direction opposée au Soleil, sous un angle d’environ 42 degrés ; depuis un avion ou une cascade, on peut en voir le cercle complet. Enfin, il n’a pas de position fixe : chaque observateur voit son propre arc-en-ciel, formé par des gouttes différentes, et il est impossible de l’atteindre.

Le second arc, plus pâle et plus haut, provient de rayons ayant subi deux réflexions internes dans les gouttes : il présente les couleurs dans l’ordre inverse du premier, le rouge vers l’intérieur. Entre les deux arcs, le ciel paraît plus sombre : cette zone porte le nom de bande d’Alexandre, du nom d’Alexandre d’Aphrodise qui la décrit vers l’an 200.

Les écrans : la synthèse additive au quotidien

Approchez une loupe de l’écran d’un téléphone ou d’un téléviseur : l’image se décompose en minuscules rectangles lumineux rouges, verts et bleus. Il n’existe aucun point jaune, aucun point blanc, aucun point rose. Toutes les couleurs affichées résultent de la synthèse additive de ces trois primaires par l’œil, qui ne distingue pas les sous-pixels, trop petits et trop proches.

Chaque pixel est composé de trois sous-pixels dont on règle l’intensité indépendamment. Du jaune s’obtient en allumant le rouge et le vert et en éteignant le bleu ; du blanc, en allumant les trois à fond ; du noir, en éteignant les trois. Un écran haute définition de 1 920 × 1 080 pixels comporte ainsi plus de six millions de sources lumineuses, et un écran 4K plus de vingt-cinq millions.

Sur un écran OLED, chaque sous-pixel est une diode électroluminescente organique qui émet sa propre lumière. Sur un écran LCD, des DEL blanches éclairent l’arrière et des filtres colorés rouges, verts et bleus sélectionnent la couleur de chaque sous-pixel. Dans les deux cas, ce sont les principes de cette page qui sont à l’œuvre : synthèse additive pour l’un, filtres colorés pour l’autre.

Exemple 4 — Régler un pixel

Quels sous-pixels faut-il allumer pour afficher : du magenta, du cyan, du blanc, du noir, du jaune ?

Magenta : rouge + bleu, vert éteint. Cyan : vert + bleu, rouge éteint. Blanc : les trois allumés à fond. Noir : les trois éteints. Jaune : rouge + vert, bleu éteint. On remarque qu’un écran ne peut afficher un noir parfait que s’il peut éteindre complètement ses sous-pixels : c’est possible en OLED, plus difficile en LCD où le rétroéclairage continue de fuir légèrement, d’où les noirs « gris » de certains écrans.

Les erreurs classiques

Croire que le prisme colore la lumière. Il ne fait que séparer des couleurs déjà présentes, comme Newton l’a démontré avec son second prisme.

Croire que le blanc est une couleur. C’est la superposition de toutes les lumières colorées. Et le noir n’est pas une couleur non plus : c’est l’absence de lumière.

Confondre les primaires de la lumière et celles de la peinture. Lumière : rouge, vert, bleu (additive, le mélange donne du blanc). Peinture : cyan, magenta, jaune (soustractive, le mélange donne du noir).

Penser qu’un objet rouge « contient » de la lumière rouge. Il n’émet rien : il diffuse la lumière rouge qu’il reçoit et absorbe le reste. Sans éclairage, il n’a pas de couleur.

Croire qu’un objet garde sa couleur sous tout éclairage. Une tomate paraît noire en lumière verte. La couleur perçue dépend autant de l’éclairage que de l’objet.

Penser qu’un filtre rouge « transforme » la lumière en rouge. Il n’en fabrique pas : il absorbe tout sauf le rouge. S’il n’y a pas de rouge dans la lumière incidente, rien ne passe.

Croire qu’il n’y a que sept couleurs dans le spectre. Le spectre est continu ; les sept couleurs de Newton sont un découpage culturel, pas physique.

Exercices corrigés

De la décomposition aux prévisions de couleur sous différents éclairages.

Exercice 1

Le prisme

4e●○○

1. Quel dispositif permet de décomposer la lumière blanche ? Comment appelle-t-on le résultat obtenu ?
2. Citer dans l’ordre les couleurs observées, du plus dévié au moins dévié.
3. Que se passe-t-il si l’on fait passer une seule couleur du spectre dans un second prisme ?
4. Qu’en a conclu Newton ?

Voir la correction

1. Un prisme ; le résultat est un spectre.
2. Violet, bleu, vert, jaune, orange, rouge (le violet est le plus dévié).
3. Elle ne se décompose pas davantage : elle ressort inchangée.
4. Que le prisme ne colore pas la lumière : il sépare des couleurs déjà présentes dans la lumière blanche, qui est donc un mélange.

Exercice 2

Synthèse additive

4e●○○

1. Quelles sont les trois couleurs primaires de la lumière ?
2. Quelle couleur obtient-on en superposant : rouge + vert ? vert + bleu ? rouge + bleu ? les trois ?
3. Que voit-on si aucun projecteur n’est allumé ?
4. Pourquoi ce résultat contredit-il l’expérience de la peinture ?

Voir la correction

1. Rouge, vert, bleu.
2. Rouge + vert = jaune ; vert + bleu = cyan ; rouge + bleu = magenta ; les trois = blanc.
3. Du noir : le noir est l’absence de lumière.
4. Parce qu’avec de la peinture, chaque pigment retire des couleurs (synthèse soustractive) : mélanger toutes les peintures donne du noir, alors que mélanger toutes les lumières donne du blanc.

Exercice 3

Couleur des objets

4e●●○

Une salle contient une feuille blanche, un pull noir, une pomme rouge et un ballon vert. Compléter pour chaque éclairage.

1. En lumière blanche.
2. En lumière rouge.
3. En lumière verte.
4. Expliquer pourquoi le pull noir chauffe au soleil.

Voir la correction

1. Feuille blanche, pull noir, pomme rouge, ballon vert.
2. Feuille rouge (elle diffuse tout), pull noir, pomme rouge, ballon noir (il absorbe le rouge).
3. Feuille verte, pull noir, pomme noire, ballon vert.
4. Parce qu’il absorbe toutes les lumières colorées : l’énergie reçue n’est pas renvoyée, elle est convertie en chaleur.

Exercice 4

Filtres colorés

4e●●○

Une lampe blanche éclaire un écran. On interpose des filtres.

1. Un filtre bleu. Que voit-on sur l’écran ?
2. Un filtre bleu puis un filtre rouge. Que voit-on ? Pourquoi ?
3. Un filtre cyan (qui laisse passer le vert et le bleu) puis un filtre jaune (qui laisse passer le rouge et le vert). Que voit-on ?
4. On remplace la lampe blanche par une lampe verte et on ne met qu’un filtre rouge. Que voit-on ?

Voir la correction

1. De la lumière bleue.
2. Rien, l’écran est noir : le filtre bleu ne laisse passer que le bleu, que le filtre rouge absorbe.
3. Le filtre cyan laisse passer vert et bleu ; le filtre jaune absorbe le bleu et laisse passer le vert : l’écran paraît vert.
4. Noir : la lumière verte ne contient pas de rouge, le filtre rouge l’absorbe entièrement.

Exercice 5

Longueurs d’onde

4e●●●

On donne quatre longueurs d’onde : 380 nm, 470 nm, 620 nm, 940 nm.

1. Lesquelles correspondent à des lumières visibles ? De quelles couleurs ?
2. Que sont les deux autres ? Où les rencontre-t-on ?
3. Une DEL de télécommande émet à 940 nm. Pourquoi ne voit-on pas sa lumière ? Comment la rendre visible ?
4. Classer les quatre rayonnements du plus dévié au moins dévié par un prisme.

Voir la correction

1. 470 nm (bleu) et 620 nm (rouge-orangé) sont dans le domaine visible (400–800 nm).
2. 380 nm est un ultraviolet (soleil, stérilisation) et 940 nm un infrarouge (télécommandes, chaleur).
3. Parce que l’œil humain ne perçoit pas les infrarouges. On peut la voir en filmant la télécommande avec l’appareil photo d’un téléphone, dont le capteur y est sensible : la DEL apparaît violet pâle.
4. Plus la longueur d’onde est courte, plus la déviation est grande : 380 nm, 470 nm, 620 nm, 940 nm.

Exercice 6

Écrans et pixels

4e●●●

Un écran de téléphone mesure 2 400 × 1 080 pixels. Chaque pixel comporte trois sous-pixels rouge, vert et bleu.

1. Combien y a-t-il de pixels ? de sous-pixels au total ?
2. Quels sous-pixels sont allumés quand l’écran affiche du jaune ? du blanc ? du noir ?
3. Pourquoi ne trouve-t-on aucun sous-pixel jaune sur l’écran ?
4. Un écran OLED éteint complètement ses sous-pixels pour afficher du noir, un écran LCD non. Quelle conséquence pour l’image ?

Voir la correction

1. Pixels : 2 400 × 1 080 = 2 592 000. Sous-pixels : × 3 = 7 776 000, soit près de 8 millions.
2. Jaune : rouge et vert (bleu éteint). Blanc : les trois. Noir : aucun.
3. Parce que le jaune s’obtient par synthèse additive du rouge et du vert : trois primaires suffisent à produire toutes les couleurs.
4. L’écran LCD laisse fuir un peu de rétroéclairage : ses noirs paraissent gris foncé, et le contraste est moindre que sur un OLED, dont le noir est parfait.

Quiz : dix questions pour vérifier

1. La lumière blanche est…

   une couleur comme les autresla superposition de toutes les lumières coloréesl’absence de couleurune lumière sans longueur d’onde
2. Le dispositif qui décompose la lumière blanche s’appelle…

   une lentilleun prismeun filtreun miroir
3. Dans le spectre, la couleur la plus déviée par le prisme est…

   le rougele vertle violetle jaune
4. Les trois couleurs primaires de la lumière sont…

   rouge, jaune, bleurouge, vert, bleucyan, magenta, jauneblanc, noir, gris
5. Rouge + vert donne…

   du magentadu cyandu jaunedu blanc
6. Une tomate rouge éclairée en lumière verte paraît…

   rougevertejaunenoire
7. Un objet blanc éclairé en lumière bleue paraît…

   blancbleunoircyan
8. Un filtre rouge éclairé en lumière verte laisse passer…

   du rougedu vertdu jaunerien, il paraît noir
9. Le domaine visible s’étend environ de…

   4 à 8 nm40 à 80 nm400 à 800 nm4 000 à 8 000 nm
10. Sur un écran, le jaune est produit par…

    des sous-pixels jaunesun filtre jauneles sous-pixels rouge et vert allumésles trois sous-pixels allumés

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