Images et couleurs

Une lentille convergente peut former l’image d’un objet sur un écran, mais elle peut aussi donner une image que l’on observe sans pouvoir la projeter. Pour prévoir ces situations, le modèle de la lentille mince utilise un axe optique, un centre O, un foyer objet F et un foyer image F′. La distance focale image f′ = OF′ est positive pour une lentille convergente avec l’axe orienté dans le sens de propagation de la lumière.

Un rayon passant par le centre optique n’est pas dévié dans le modèle. Un rayon incident parallèle à l’axe émerge en passant par F′. Un rayon passant par F émerge parallèlement à l’axe. Ces constructions s’appliquent aux rayons proches de l’axe et peu inclinés dans les conditions du modèle. Elles permettent de repérer l’image d’un point B au croisement des rayons émergents ou de leurs prolongements.

Une image réelle correspond à une convergence effective des rayons : on peut la recueillir sur un écran placé au bon endroit. Une image virtuelle correspond à l’intersection de prolongements des rayons ; les rayons ne se croisent pas réellement en ce point, donc un écran à cet endroit ne la recueille pas. Une image droite a la même orientation que l’objet, une image renversée l’orientation opposée.

La relation de conjugaison fournie est 1/OA′ − 1/OA = 1/f′, et le grandissement γ = A′B′/AB = OA′/OA. Les distances sont algébriques. On choisit une unité commune avant d’additionner des inverses ; les centimètres conviennent si toutes les distances sont en centimètres. Un résultat de 0,050 cm⁻¹ correspond à une distance de 20 cm et non de 0,050 cm.

Un objet réel situé plus loin que le foyer objet d’une lentille convergente donne une image réelle. Quand l’objet se rapproche du foyer en restant à l’extérieur, l’image s’éloigne. Si l’objet est placé entre le foyer objet et la lentille, les rayons émergents divergent et leurs prolongements donnent une image virtuelle droite, comme avec une loupe. Pour un objet au foyer, le modèle donne des rayons émergents parallèles ; on ne décrit pas une image à distance finie.

Pour estimer une distance focale, une image nette d’un objet suffisamment lointain se forme près du plan focal image. Cette méthode fournit une estimation, pas une égalité exacte pour tout objet fini. On ne vise jamais le Soleil. Pour tester la conjugaison, relève plusieurs positions d’objet et d’image nette, puis compare les inverses algébriques aux prédictions. La mise au point peut se faire en modifiant les distances ou la focale d’un dispositif adapté.

La couleur perçue dépend de la lumière reçue par l’œil, de la sensibilité des récepteurs et des conditions d’observation. En vision courante, trois types de cônes ont des sensibilités spectrales larges et chevauchantes. Leurs réponses combinées participent à la vision trichromatique. Il ne s’agit pas de trois détecteurs limités chacun à une unique couleur. Les bâtonnets interviennent particulièrement en faible lumière et ne permettent pas cette discrimination des couleurs.

La synthèse additive superpose des lumières. Dans le modèle RVB, rouge et vert produisent une sensation de jaune, vert et bleu de cyan, rouge et bleu de magenta. Une combinaison adaptée des trois produit une sensation de blanc. Ajouter davantage d’une seule composante ne conduit pas nécessairement au blanc : les proportions et l’intensité comptent. Deux lumières complémentaires donnent ensemble du blanc dans les conditions du modèle.

La synthèse soustractive décrit le retrait de composantes par absorption. Un filtre transmet certaines lumières et en absorbe d’autres ; il ne fonctionne pas seulement par réflexion. Un filtre jaune idéal transmet rouge et vert et absorbe bleu. Un filtre cyan transmet vert et bleu et absorbe rouge. À travers deux filtres superposés, seules les composantes transmises par les deux subsistent.

Des pigments ou encres absorbent aussi une partie de la lumière et diffusent le reste vers l’observateur. Dans le modèle idéal CMJ, leur combinaison peut retirer les trois composantes et donner du noir. Les mélanges réels dépendent des spectres d’absorption et de diffusion des matériaux : mélanger n’importe quelles peintures n’assure pas un noir parfait. On distingue donc le modèle simplifié et les résultats expérimentaux.

Un objet éclairé n’a pas la même apparence sous toutes les sources. La lumière incidente fournit les composantes disponibles ; l’objet en absorbe, diffuse ou transmet certaines. Un objet jaune idéal éclairé en rouge peut paraître rouge car il diffuse le rouge reçu. Éclairé en bleu seul, il paraît sombre puisqu’il l’absorbe. La couleur annoncée sous lumière blanche ne suffit donc pas à prévoir toutes les situations.

Une observation expérimentale utilise des sources, filtres et objets réels dont les sélections spectrales ne sont pas parfaites. On confronte les résultats aux prévisions sans transformer une différence de nuance en contradiction automatique. Pour l’optique géométrique, la netteté et les incertitudes de position limitent aussi les mesures. Chaque modèle décrit certaines propriétés de la lumière ; le modèle des rayons ne suffit pas à expliquer l’origine des spectres.

Erreurs fréquentes : oublier un signe de distance, rechercher une image virtuelle sur un écran, ajouter des couleurs de filtres comme des lumières, ou supposer qu’un objet produit sa propre couleur. Une chaîne claire de rayons ou de composantes rend la réponse vérifiable.

S’entraîner : retrouve les activités d’optique dans l’espace Exercices du site.