vignette|Synthèse soustractive.
La synthèse soustractive des couleurs est le procédé consistant à combiner l'absorption d'au moins trois colorants pour obtenir les nuances d'une gamme.
Le terme soustractif vient du fait qu'un objet coloré absorbe une partie de la lumière incidente. Il soustrait donc de l'énergie de celle-ci. En affaiblissant certaines parties du spectre, les colorants en laissent d'autres prépondérantes, qui déterminent la couleur résultante. On emploie l'adjectif soustractive par opposition à la synthèse additive. Ce terme est cependant trompeur, car les primaires n'effectuent pas, sur la lumière de l'éclairant, une soustraction, mais une multiplication, différente pour chaque partie du spectre, par un nombre compris entre .
La peinture artistique, la peinture en bâtiment, la photographie argentique en couleurs et l'impression en couleur utilisent des procédés de synthèse soustractive.
Les trois colorants utilisés pour la synthèse soustractive sont un bleu, un jaune et un rouge. Leur spectre d'absorption et leur transparence doivent convenir au procédé. Leur couleur exacte peut varier ; elle détermine la gamme de couleurs qu'on peut obtenir.
Théorie La perception des couleurs dépend des longueurs d'onde des rayonnements lumineux qui parviennent à la rétine, au fond de l'œil. Les trois sortes de cônes qui la tapissent sont inégalement sensibles aux différentes régions du spectre lumineux. Le système nerveux transforme les différences de réponse de ces cônes en perception de couleur ; de sorte que des lumières qui créent la même réponse dans les cônes ont la même couleur, même si elles sont physiquement différentes. La trichromie tire parti de cette particularité pour créer, avec seulement trois couleurs, les couleurs intermédiaires.
Il y a deux façons de mettre en œuvre un procédé trichrome. Soit on part du noir (aucune lumière) et on y ajoute des quantités réglées de lumières des couleurs primaires : c'est la synthèse additive des couleurs (par exemple sur un écran) ; soit on part du blanc d'une surface illuminée et on retire de son spectre lumineux des rayonnements, pour obtenir un spectre qui produit la sensation de couleur recherchée. On peut y parvenir avec trois matières colorantes, dont l'association deux par deux permet de s'approcher des primaires de la synthèse additive.
Couleurs optimales et colorants bloc
La théorie de la synthèse soustractive des couleurs suppose qu'on utilise des colorants bloc ( en anglais). Il n'en existe que des lointaines approximations dans la réalité ; mais ils permettent des explications et des calculs simplifiés. Ces colorants bloc se définissent comme des filtres parfaits. Entre deux longueurs d'onde, soit ils laissent passer tous les rayonnements lumineux, et dans ce cas, ils bloquent absolument tout le reste ; soit ils bloquent absolument tous les rayonnements lumineux, et dans ce cas, ils laissent passer tout le reste. Les longueurs d'onde limite des trois couleurs fondamentales doivent coïncider, divisant l'ensemble du spectre visible — qui va de (extrémité bleu-violet) à (extrémité rouge) — en trois parties à peu près égales : les deux limites des domaines des couleurs primaires peuvent être à et .
On appelle couleur optimale une couleur répondant aux mêmes conditions qu'un colorant bloc, c'est-à-dire une couleur dont le spectre comprend une plage où la luminosité est maximale alors qu'elle est nulle partout ailleurs. Une couleur optimale a la particularité d'être la plus lumineuse possible pour une impression colorée donnée (luminance énergétique, longueur d'onde dominante et pureté d'excitation). Division du spectre en trois vignette|Position sur le diagramme de chromaticité des couleurs fondamentales et des couleurs primaires avec des couleurs optimales, transitions à et . Les couleurs fondamentales, au milieu des côtés du triangle, sont moins saturées que les couleurs primaires obtenues par mélange, aux sommets du triangle. Le spectre visible va délimiter trois couleurs optimales primaires possibles pour une synthèse additive : toutes les longueurs d'onde de à — couleur optimale primaire bleue (longueur d'onde dominante à , pureté d'excitation à 98 %) ; toutes les longueurs d'onde de à — couleur optimale primaire verte (longueur d'onde dominante à , pureté d'excitation à 77 %) ; toutes les longueurs d'onde de à — couleur optimale primaire rouge (longueur d'onde dominante à , pureté d'excitation à 99 %). L'objectif de la synthèse soustractive est de créer des couleurs équivalentes à un mélange de ces couleurs optimales primaires à partir de colorants bloc. Par exemple, un mélange de deux tiers de rouge avec un tiers de vert donnera un orangé. Pour y parvenir, on va utiliser des colorants bloc qui transmettent deux couleurs optimales primaires à la fois : le colorant bloc bleu-vert, dit cyan transmet toutes les longueurs d'onde de à et absorbe la couleur optimale primaire rouge ; la colorant bloc rouge violacé, dit magenta transmet toutes les longueurs d'onde de à et à et absorbe la couleur optimale primaire verte ; la colorant bloc jaune transmet toutes les longueurs d'onde de à et absorbe la couleur optimale primaire bleue. De cette façon, chacun des colorants bloc absorbe une des couleurs optimales primaires : il procède par soustraction.
Pour éviter les confusions dans la discussion théorique, on appelle les couleurs de ces colorants bloc les couleurs fondamentales associées à une couleur optimale primaire.. Cette distinction est importante en ceci que, à la différence des couleurs de la synthèse additive, pour lesquelles le spectre lumineux n'a pas d'importance pourvu que la couleur perçue soit convenable, tandis que pour une synthèse soustractive des couleurs, le spectre d'absorption du colorant, et non sa couleur, détermine la possibilité de son emploi.
En l'absence du colorant bloc qui l'absorbe, la couleur optimale primaire est au maximum. L'application de ce colorant réduit sa proportion, sans affecter celle des autres.
Combinaison de colorants bloc
On retrouve facilement les couleurs optimales primaires additives à partir du blanc — qui contient du rouge, du vert et du bleu — : pour obtenir du rouge, il faut supprimer le bleu avec le colorant bloc jaune, et le vert avec le colorant bloc magenta ; pour obtenir du vert, il faut supprimer le rouge avec le colorant bloc cyan, et le bleu avec le colorant bloc jaune ; pour obtenir du bleu, il faut supprimer le rouge avec le colorant bloc cyan, et le vert avec le colorant bloc magenta. Pour les couleurs intermédiaires, on applique des quantités calculées de colorants bloc. Par exemple, supposons que l'on veuille obtenir un marron correspondant à la synthèse additive de 50 % de rouge et 25 % de vert. Il n'y a aucun bleu : on applique donc le colorant bloc jaune à 100 %. Pour conserver 25 % de vert, il faut en enlever 75 % : on applique le colorant bloc magenta à 75 %. Pour conserver 50 % de rouge, il faut en enlever 50 % : on applique donc le colorant bloc cyan à 50 %. (r = 0,5 ; v = 0,25 ; b = 0) ≈ (c = 1 − r = 0,5 ; m = 1 − v = 0,75 ; j = 1 − b = 1) De même, pour obtenir un orange correspondant à 90 % de rouge, 50 % de vert et 10 % de bleu en synthèse additive, on applique 10 % de colorant bloc cyan, 50 % de colorant bloc magenta, et 90 % de colorant bloc jaune. (r = 0,90 ; v = 0,5 ; b = 0,1) ≈ (c = 1 − r = 0,1 ; m = 1 − v = 0,5 ; j = 1 − b = 0,9) Pour chacun des domaines des couleurs optimales primaires, on soustrait — du maximum 100 % — la quantité indiquée par le colorant bloc qui en est la complémentaire. Le mélange des trois colorants bloc absorbe toute la lumière et il ne reste que du noir.
Caractéristiques fondamentales On remarque que : pour la synthèse soustractive, ce n'est pas seulement la couleur du colorant qui compte, mais son spectre ; même les couleurs fondamentales de la synthèse soustractive ne peuvent être monochromatiques ; Le spectre réfléchi ou transmis par la surface qui supporte la synthèse soustractive, et par conséquent la couleur, dépend aussi du spectre de l'illuminant ; les couleurs primaires obtenues par superposition de deux colorants bloc à 100 % sont plus saturées que les couleurs de ces colorants idéaux, puisque la plage de longueurs d'onde qu'elles laissent passer est plus étroite.
Insuffisance La synthèse des couleurs ne permet de reproduire que les couleurs qui se trouvent dans une certaine gamme (gamut). Dans la synthèse soustractive, les couleurs ne peuvent pas être à la fois plus saturées et plus lumineuses que les couleurs des colorants qui servent à les produire. Cela est particulièrement sensible pour les couleurs correspondant aux rayonnements auxquels la vue est la plus sensible. Les imprimeurs connaissent des difficultés notables avec les orange vif.
Le modèle de la synthèse soustractive néglige aussi d'autres propriétés importantes des colorants réels, particulièrement des pigments, constitués de particules assez grosses, faisant des couches colorées un milieu hétérogène. L'approximation de Kubelka-Munk tient compte de ce caractère des peintures et encres colorées, et propose une formule qui permet d'arriver à une meilleure prédiction de la couleur résultant d'un mélange après épreuve de chacune de ses composantes.
Application Domaines L'expression « synthèse soustractive des couleurs » ne s'applique en général qu'aux procédés industriels de reproduction des images, comme la photographie argentique en couleurs et surtout à l'impression en couleur.
La combinaison de colorants pour obtenir des teintes déterminées dans des peintures ou des teintures n'est pas considérée comme une synthèse des couleurs. Ces techniques utilisent potentiellement l'ensemble des colorants disponibles. Elles étudient, en plus du résultat coloré sous divers éclairages, les possibles réactions chimiques, la stabilité dans le temps et la résistance à la lumière des produits.
L'activité des artistes peintres, qui disposent sur un support généralement blanc des pigments pour obtenir des images, suit ses propres règles, qui sont plutôt celles de l'interaction, que celles de la synthèse des couleurs. Les artistes ne limitent pas, la plupart du temps, leur palette à trois couleurs. Ils n'exploitent pas, en général, toutes les combinaisons des couleurs de base ; mais travaillent certaines familles de couleurs correspondant au ton général et aux tons locaux de leur ouvrage.
Écarts à la théorie Les colorants qui existent dans la réalité sont loin d'être des colorants bloc et la synthèse soustractive réelle est loin d'être parfaite. Pendant toute la période de l'usage généralisé de la photographie en couleurs, les fabricants ont rivalisé pour essayer d'améliorer le procédé. Les chimistes ont travaillé, pendant la première moitié du , à améliorer les colorants pour l'imprimerie. On arrive à de bonnes approximations pour le jaune, d'assez bonnes pour le cyan, mais les courbes d'absorption du magenta sont toujours éloignées de l'optimum.
Alors qu'un colorant bloc passe, dans le monde idéal de la théorie, d'une transmission totale à une absorption totale sans transition, les colorants réels passent progressivement d'une transmission partielle à une absorption imparfaite. En conséquence, la longueur d'onde dominante varie légèrement avec la concentration, en même temps que la saturation. On considère que les primaires du système additif associé au procédé soustractif ne sont pas stables.