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

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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.

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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.

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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.

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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.
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