Le spectre visible obtenu par décomposition de la lumière blanche par un prisme

Le spectre visible ou spectre optique est la partie du spectre électromagnétique visible pour l'humain, c'est-à-dire l'ensemble des composantes monochromatiques de la lumière visible.

On ne peut pas définir de façon absolue les limites en longueur d'onde des rayonnements perceptibles ; la sensibilité de l'œil diminue progressivement, et varie selon les individus. La Commission internationale de l'éclairage définit la vision de l’observateur de référence entre une longueur d'onde dans le vide de 380 nanomètres (nm), perçue comme un violet, et celle de 780 nm, correspondant à un rouge.

Le spectre visible occupe la majeure partie de la fenêtre optique, une gamme des longueurs d'onde qui sont facilement transmises par l'atmosphère terrestre. Cette région du spectre électromagnétique recoupe celle où l'éclairement énergétique solaire est maximal à la surface de la Terre. Des longueurs d'ondes plus courtes que 380 nm endommageraient la structure des molécules organiques tandis que l'eau, constituant abondant du vivant, absorbe celles plus longues que 720 nm.

Utilisation historique du terme

Le terme spectre, signifiant « apparence immatérielle », « illusion » s'appliquait, au XVII siècle, à tous les phénomènes optiques qu'on ne s'expliquait pas. Synonyme de couleur accidentelle, il servait pour les impressions rétiniennes du contraste simultané ou successif aussi bien que pour les irisations vues au bord d'un objet regardé à travers un prisme.

Newton utilise une seule fois le terme « Spectrum » pour présenter ses expériences en optique dans son article de 1671. Procédant avec soin, il projette un rayon de lumière blanche du Soleil passant au travers d'un volet par un trou de 6 mm de diamètre et dévié par un prisme sur un mur, et obtient un spectre (op. cit., p. 3076) environ cinq fois plus long que large. Éliminant toutes les autres causes possibles, Newton conclut que la lumière blanche est « un mélange hétérogène de rayons différemment réfrangibles » (op. cit., p. 3079). Les couleurs ne sont pas, dit-il, des qualifications de la lumière, comme on l'estimait depuis Aristote, mais des propriétés originales, différentes dans chaque rayon ; les moins réfrangibles sont de couleur rouge, et les plus réfrangibles sont d'un violet profond, et cette association de propriétés ne peut être brisée par aucun moyen (op. cit., p. 3081). Les transmutations de couleurs ne se produisent que lorsqu'il y a mélange de rayons. Ce sont ces couleurs, et non celles séparées par le prisme, qui sont illusoires, fugaces et apparentes. « Les couleurs originales ou premières sont le rouge, le jaune, le vert, le bleu et un violet-pourpre, ensemble avec l'orange, l'indigo, et une variété indéfinie de gradations intermédiaires ». Toute une série de phénomènes optiques s'expliquent ainsi, y compris la coloration des objets (op. cit., p. 3084). Avec ces conclusions, il est clair que Newton n'emploiera plus le terme de spectre. Les « couleurs prismatiques » (op. cit., p. 3087) ne sont pas illusoires ou immatérielles : les autres couleurs le sont.

La théorie de Newton est immédiatement adoptée par le public, mais des savants influents, comme du Fay, doutent. Voltaire défend la théorie de Newton avec une interprétation particulière qui transforme le spectre continu en sept rayons principaux. Le jésuite Castel s'oppose avec détermination à ce qu'il considère comme un phénomène de mode. Quelles sont, dit-il, ces sept couleurs que le savant anglais discerne, par raport aux trois qui, comme les peintres et les teinturiers le savent depuis fort longtemps, suffisent pour en reconstituer une infinité ?

Après plus d'un siècle, des intellectuels, moralistes et philosophes comme Goethe suivi par Schopenhauer s'obstinent à contester les conclusions de la physique. Pour eux, les couleurs prismatiques sont un « spectre », une illusion trompeuse. L'explication par des causes physiologiques, avec la théorie de Young et Helmholtz, de la synthèse trichrome des couleurs, résoudra l'apparente contradiction entre les pratiques des coloristes et les expériences des physiciens.

Après la séparation des recherches optiques et de celles sur la perception, le terme spectre reste en usage en physique, au sens de « description d'un signal par les fréquences ou les longueurs d'onde (voire les énergies) qui le composent », tandis que les arts de la couleur et la colorimétrie adoptent une série de caractérisations de la couleur qui leur est propre.

Du point de vue de la physique, la lumière est une variété de rayonnement électromagnétique, partageant certaines propriétés d'une onde et certaines de celles des particules. La vitesse de la lumière au travers d'un matériau est inférieure à celle dans le vide. Le rapport des vitesses est connu sous le nom d'indice de réfraction du matériau. Dans certaines matières, dites dispersives, la vitesse, et donc l'indice de réfraction dépend de la fréquence. La lumière qui contient plusieurs fréquences ou énergies photoniques se disperse en les traversant sous une incidence non perpendiculaire. Le verre est l'une de ces matières, ce qui permet de créer un spectre optique depuis la lumière blanche avec un prismes en verre.

Un réseau de diffraction permet aussi, par l'effet des interférences, la dispersion des rayons lumineux selon la fréquence. C'est le principal procédé aujourd'hui pour l'analyse du spectre.

Spectroscopie

L'étude scientifique des objets fondée sur l'analyse de la lumière qu'ils émettent est nommée spectroscopie. Une application très importante de la spectroscopie est l'astronomie, où la spectroscopie est essentielle à l'analyse d'objets distants. En particulier, la spectroscopie astronomique utilise des instruments à forte dispersion pour observer le spectre à de très hautes résolutions.

Fraunhofer repéra le premier l'existence de raies obscures dans la lumière du Soleil décomposée par le prisme. Différents éléments chimiques peuvent être détectés dans les astres par les raies d'émission ou d'absorption contenues dans leur spectre, la position des raies dans le spectre pouvant renseigner sur la nature des éléments chimiques, ainsi que sur la vitesse radiale des astres. Les premières exoplanètes ont été ainsi découvertes en analysant le spectre des étoiles à une si grande résolution que des petites variations de leur vélocité radiale - de quelques mètres par seconde - purent être détectées : la présence de planètes fut révélée par leur influence gravitationnelle sur les étoiles analysées, ainsi que leurs trajectoires.

Couleurs du spectre

Le spectre électromagnétique (le spectre visible correspond aux couleurs en bas du schéma)

En optique, on décrit généralement le spectre en fonction de la longueur d'onde dans le vide du rayonnement. En passant dans un milieu quelconque, la vitesse de la lumière décroît, tandis que la fréquence et l'énergie photonique qui lui est équivalente restent identiques. Par conséquent, la longueur d'onde varie d'un milieu à l'autre selon la réfringence. Il serait plus rigoureux de définir le rayonnement en fonction de l'énergie photonique, mais pour des raisons historiques et surtout pratiques, on parle de longueur d'onde, en sous-entendant dans le vide.

La vision humaine a une sensibilité maximale en vision photopique (diurne) pour un rayonnement de longueur d'onde voisine de 555 nm, ce qui correspond à un vert-jaunâtre.

Chaque « couleur spectrale » correspond à une longueur d’onde précise ; cependant, le spectre des lumières présentes dans la nature comprend en général l'ensemble des rayonnements, en proportion variables. La spectrométrie étudie les procédés de décomposition, d’observation et de mesure des radiations en étroites bandes de fréquence.

Spectromètre courant : Un spectromètre du spectre visible (et longueurs d'onde voisines) est devenu un instrument assez courant, analysant la lumière par bandes de longueur d'onde de 5 à 10 nm.

Un tel appareil, capable de donner cent niveaux différents pour chacune de ses quarante bandes, peut représenter 100 spectres différents.

Cependant, dans certaines régions du spectre, un humain normal peut distinguer des ondes de longueur d'onde différant de moins de 1 nm, et plus d'une centaine de niveaux de luminosité. Pourtant, la description d'une couleur n'a pas besoin d'autant de données que pourrait laisser croire la spectroscopie. Les humains n'ont en vision diurne que trois types de récepteurs, et il suffit de trois nombres pour décrire une couleur perçue. De nombreuses lumières mélangées de plusieurs radiations de longueurs d'onde différentes, dites métamères, se perçoivent identiquement. Les lumières monochromatiques n'ont pas de métamère, sauf à utiliser un mélange de deux rayonnements proches pour donner à percevoir un intermédiaire entre eux.

La description de la couleur perçue est l'objet de la colorimétrie ; mais la spectrométrie a une grande utilité lorsqu'il s'agit de couleurs de surface. Une surface colorée renvoie une partie du spectre de l'illuminant qui l'éclaire, absorbant le reste. Changer l'illuminant, c'est changer la lumière émise par la surface. Deux surfaces peuvent apparaître identiques sous un illuminant, mais, leur réflectance spectrale étant différente, ne plus être métamères sous un autre. Pour résoudre les problèmes que cela peut susciter, sans avoir à expérimenter avec tous les illuminants possibles, il faut étudier leur spectre.

On utilise parfois par extension le terme lumière pour désigner les rayonnements ultraviolets (UV), comme dans l'expression « lumière noire », ou infrarouges (IR), bien que ces rayonnements ne soient pas visibles.

Longueurs d'onde approximatives des couleurs spectrales

Bien que le spectre soit continu et qu'il n’y ait pas de frontière claire entre une couleur et la suivante, la table suivante donne les valeurs limites des principaux champs chromatiques, avec les noms et limites de longueur d'onde dans le vide indiqués par la norme française AFNOR X080-10 « Classification méthodique générale des couleurs ».

La fréquence du rayonnement en hertz s'obtient en divisant la vitesse de la lumière, soit environ 3×10 m/s, par la longueur d'onde en mètres. La fréquence en THz s'obtient en divisant 300 000 par la longueur d'onde en nanomètres, ou 1×10 m.

Couleurs du spectre Longueur d'onde (nm) Champ chromatique Couleur Commentaire 380 — 449 Violet 445 primaire CIE 1931 435,8 449 — 466 Violet-bleu 455 primaire sRGB : 4** 466 — 478 Bleu-violet 470 indigo entre le bleu et le violet (Newton) 478 — 483 Bleu 480 483 — 490 Bleu-vert 485 490 — 510 Vert-bleu 500 510 — 541 Vert 525 541 — 573 Vert-jaune 555 CIE 1931 : 546,1 ; primaire sRGB : 549. 573 — 575 Jaune-vert 574 575 — 579 Jaune 577 579 — 584 Jaune-orangé 582 584 — 588 Orangé-jaune 586 588 — 593 Orangé 590 593 — 605 Orangé-rouge 600 605 — 622 Rouge-orangé 615 primaire sRGB : 611 622 — 700 Rouge 650 primaire CIE 1931 : 700

Les couleurs primaires d'instrumentation de la CIE (1931) correspondent à des raies spectrales du mercure, pour celles à 435,8 et 549 nm, et est une valeur arbitraire pour celle à 700 nm, dont la luminance n'est que de 0,004102 du maximum atteint vers 555 nm.

我们通常所说的白光，在通过三棱镜产生色散（折射率随波长改变）后即可形成可见光谱

可见光（Visible light）是电磁波谱中人眼可以看见（感受得到）的部分。这个范围中电磁辐射被称为可见光，或简单地称为光。人眼可以感受到的波长范围一般是落在390 到 700nm。对应于这些波长的频率范围在430–790 THz。但有一些人能够感知到波长大约在380到780奈米之间的电磁波。正常视力的人眼对波长约为555纳米的电磁波最为敏感，这种电磁波处于光学频谱的绿光区域。

可见光源

可见光谱激光 (红光, 绿光, 蓝紫光) 可见光的主要天然光源是太阳，主要人工光源是白炽物体(特别是白炽灯)。它们所发射的可见光谱是连续的。气体放电管也发射可见光，其光谱是分立的。常利用各种气体放电管加滤光片作为单色光源。 人眼可以看见的光的范围受大气层影响。大气层对于大部分的电磁波辐射来讲都是不透明的，只有可见光波段和其他少数如无线电通信波段等例外。不少其他生物能看见的光波范围跟人类不一样，例如包括蜜蜂在内的一些昆虫能看见紫外线波段，对于寻找花蜜有很大帮助。 光谱中并不能包含所有人眼和脑可以识别的颜色，如棕色、粉红、紫红等，因为它们需要由多种光波混合，以调整红的浓淡。 可见光的波长可以穿透光学窗口，也就是可穿透地球大气层而衰减不多的电磁波范围（蓝光散射的情况较红光为严重，这也正是为何我们看到天空是蓝色的）。人眼对可见光的反应是主观的定义方式（参见CIE），但是大气层的窗口则是用物理量测方式来定义。之所以称为可见光窗口是因为它正好涵盖了人眼可见的光谱。近红外线 （NIR）窗口刚好在人眼可见区段之外，中波长红外线（WMIR）和远红外线(LWIR、FIR)则较人眼可见区段较远。

对可见光谱的解释

可见光谱只占有宽广的电磁波谱的一小部分 早期对光谱的2种解说来自于艾萨克·牛顿的光学和哥德（Johann Wolfgang von Goethe）的色彩学。 牛顿首先在1671 年在他的光学试验的说明中使用了光谱这个字（在拉丁文中代表外观、显象）。牛顿观察到一束阳光以一个角度射入玻璃棱镜，部份会被反射， 部份则穿透玻璃，并呈现出不同的色带。牛顿假定阳光是由不同颜色的小粒子组成，而这些不同颜色在穿透物质时，前进速度不同。而红光的速度快于紫光，而导致了在穿过棱镜后红光的偏折（折射）较紫光为小，产生各色的光谱。 牛顿把光谱分成7种颜色：红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫。他依古希腊哲学家的想法，选这7种颜色，并和音符、太阳系的行星、和一周的天数链接。然而人眼对于靛色频率的敏感度其实是相对较差的，加之一些辨色能力正常的人都表示他们无法区分靛色和蓝色、紫色。正因此之故，一些专家如艾萨克·阿西莫夫（Isaac Asimov）等都曾建议靛色不应被视为颜色，它只是蓝和紫的浓淡不同的区间而已。 哥德声称连续光谱是个复合现象。和牛顿则认为仅限可见光光谱是个单独现象，哥德观察到了更广泛的部份，他发现到了没有光谱的区间，如红黄边界和青蓝边界是白的，原来在边界区会有色光重叠的现象。 至此大众接受了光是由光子组合成的（某些时候光有波的特性，其他时间则是粒子的特性，参阅波粒二象性），所有光在真空中是定速光速，而光在其他物质中的速度，都较光在真空中的速度为低，而光在真空中与其他物质中速度的比值就是该物质的折射率。在某些已知的物质（非色散物质）中不同频率的光行进速度并无差别，但其他物质中，不同频率的光有不同的行进速度：玻璃就属于这种物质，所以玻璃棱镜能把白光进行分光。自然界的虹就是个借由折射看到光谱的理想例子。

光谱色

颜色 频率 波长 紫色 668–789 THz 380–450 nm 蓝色 631–668 THz 450–475 nm 青色 606–630 THz 476–495 nm 绿色 526–606 THz 495–570 nm 黄色 508–526 THz 570–590 nm 橙色 484–508 THz 590–620 nm 红色 400–484 THz 620–750 nm 我们所熟知的彩虹般的光谱，包括了所有单一波长的可见光，也就是纯粹的单色光。 尽管是连续光谱，相邻两色间并没有明显的界限，上述所列的波长区间是常用的近似值。

光谱学

研究物体放射的光谱的科学叫光谱学。其重要应用之一就是在天文学上，因为光谱学是分析远距离物体性质的基础。常见的**应用到高折射率、极高分辨率的光谱分析。如氦就是在太阳光谱中首先发现到的元素；星球中化学元素可由其放射光谱或吸收光谱来判读；另外用到谱线的红移和蓝移可以量测星球的距离及其快速移动物体的速度。首次发现太阳系外行星即是以可分析到每秒数公尺的放射速度差异技术，分析其穿过重力场影响的两种偏移，绘出行星的仿真路径。

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