Colorimétrie et température de couleur

La science des couleurs est un domaine extrêmement vaste. Comme la lumière, elle a ses spécialistes, ses points de vue et son historique. Pour un physicien, la couleur n’est que le résultat de la décomposition de la lumière blanche. Pour lui, la couleur est donc synonyme de lumière colorée. Cette lumière colorée est définie par sa longueur d’onde. Pour un physiologiste qui étudie les fonctions organiques de la vision, la couleur est une sensation colorée. Pour un peintre, un teinturier, un imprimeur, la couleur est la matière colorée utilisée pour produire la colorisation. En fonction de son utilisation (photographie, télévision, signalisation, colorant en industrie,…), elle peut être susceptible de développement particulier. Par exemple, dans le cas d’un éclairagiste, l’attention sera portée sur la couleur des sources, de l’influence de la lumière sur la couleur des objets ou des surfaces éclairées.

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La colorimétrie fondamentale a pris naissance au milieu du XIXe siècle grâce à Helmoltz et Maxwell. Cela a conduit à l’établissement de systèmes mathématiques permettant une représentation chiffrée des couleurs dissociées du jugement subjectif de chaque individu ayant souvent sa propre perception. Par contre, définir une couleur n’est pas si simple. Dans le cas d’une lumière monochromatique, une seule variable suffit : la longueur d’onde de la radiation considérée. La luminance d’un faisceau et sa longueur d’onde suffisent à le caractériser. Dans le cas d’une lumière plus complexe, à l’instar de l’œil humain apte à intégrer des informations de plusieurs couleurs type rouge-bleu-vert, il est nécessaire de tenir compte d’une décomposition qui sera à son tour quantifiée pour chaque type de lumière monochromatique des informations de luminance et de longueur d’onde.

Figure 11 : Triangle des couleurs [31]

En 1931, pour aider à référencer les couleurs, un espace des couleurs a été édité par la CIE. Il est représenté sous la forme d’un triangle et pour chaque point de couleur, il y a un système de coordonnées repérées en x et y qui permettra ensuite de qualifier la source de lumière considérée. Le contour de ce triangle des couleurs représente toutes les longueurs d’onde du spectre visible. Cette dernière affirmation comporte une exception au niveau de la partie inférieure du triangle qui est appelée la ligne des pourpres (Alychne) qui n’existe pas dans notre spectre visuel.

Nous pouvons remarquer qu’au centre de ce référentiel se trouve une zone de blanc assez large représentant la lumière blanche composée de plusieurs types de pourcentage de faisceaux monochromatiques. Bien que dans les faits, il existe une infinité de possibilités, nous distinguerons globalement 2 tendances de composition de la lumière blanche :

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- Le blanc dit chaud, composé de longueurs d’onde jaune-rouge (vers la droite du diagramme) qui peut être utilisé pour créer des lumières d’ambiances confortables et feutrées,

- Le blanc dit froid, plutôt composé de bleu vert (vers la gauche du diagramme) qui peut servir à stimuler et est plus approprié dans les zones de travail.

Ces notions sont anciennes en lien direct avec notre environnement terrestre et l’évolution de notre organe sensoriel de vision comme nous l’avons succinctement décrit précédemment. Ainsi les sensations visuelles sont fortement ancrées culturellement, car depuis la nuit de temps, l’être humain est éclairé par des sources de lumière dont la teinte varie entre le blanc chaud (le feu) et le blanc froid (un ciel nuageux), les premières sources de lumière artificielles utilisées par l’homme étant liées aux flammes et au soleil. S’ajoute plus récemment, l’éclairage artificiel avec l’aide d’un filament d’ampoule incandescente. Ces trois types de source présentent la particularité d’avoir un rayonnement proche de l’objet théorique appelé corps noir. Ce dernier définit le rapport entre le rayonnement émis par un objet et sa température. Cette propriété nous permet alors de définir un spectre lumineux en fonction d’une température [32].

Figure 12 : Description de la théorie des corps noirs [33]

La théorie des corps noirs prend ses origines dans une autre théorie : celle des quanta. Elle fut mise en avant la première fois par M. Planck [34] en 1900 puis complétée ensuite par un certain nombre de chercheurs, dont A. Einstein, entre 1905 et 1924. Le point de départ pour cette théorie est la considération d’une enceinte isotherme avec la conséquence que les parois de cette enceinte sont supposées totalement absorbantes. Alors, tout rayonnement initialement à l’extérieur de cette dernière qui pénètre par l’intermédiaire du trou vers l’intérieur de l’enceinte subit de multiples réflexions, émissions et absorptions par les parois du four jusqu’à atteindre une thermalisation complète. Ce qui signifie que l’enceinte et son contenu de rayonnement atteignent un équilibre

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thermique. Réciproquement, une partie infime du rayonnement thermique à l’intérieur du four peut s’échapper définitivement de celui-ci, permettant d’ailleurs son étude expérimentale, notamment sa répartition énergétique spectrale, c’est-à-dire la densité d’énergie volumique présente par intervalle élémentaire de fréquence. La thermodynamique permet de montrer que les caractéristiques de ce rayonnement ne dépendent pas de la nature du matériau dont sont constituées les parois de l’enceinte, mais uniquement de sa température.

À partir de cet objet théorique, M. Planck propose une formule donnante, pour chaque température et pour chaque longueur d’onde, l’exitance spectrale du corps noir :

𝑀_(𝜆,𝑇)= 𝐶₁ 𝜆⁻⁵(𝑒^𝐶2𝜆𝑇− 1)

−1

(1,8)

Avec : T : la température en kelvin λ : la longueur d’onde en mètre C1 : une constante égale à 37 415*10-16

C2 : une constante égale à 14 387*10-2

Ainsi, à chaque couleur de coordonnées x et y dans le diagramme de chromaticité, une température donnée peut être associée comme le montre le diagramme détaillé de la figure 13.

Figure 13 : Température de couleur proximale [35]

Une autre manière de se représenter le concept est de prendre un matériau et de le chauffer. À partir d’une certaine température, il devient incandescent et illumine de manière rouge orangé (blanc

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chaud), ensuite, il devient jaune et vire doucement vers le blanc. Avant de finir vers le blanc bleuté qui signifie de très hautes températures. C’est de cette manière que se définit la température de couleur. La figure 13 illustre ce principe, à « faible » température (1 000-1 500 K), la couleur est dans le rouge. À 2 500-2 800 K, la couleur est proche du jaune orangé. On évalue à 9 000 K la température pour un arc électrique. Bien que définie comme la température de couleur, il est préférable de préciser température de couleur proximale, car cette notion de chaud ou de froid ne s’applique qu’au blanc. De même, pour éviter toute erreur de mesure, il est impératif de rester proche de la courbe des corps noirs.