La température de couleur

Dès le XIX^e siècle, des scientifiques travaillent sur le lien pouvant exister entre la couleur d’un rayonnement lumineux et sa nature thermique. Les sources d’éclairage à incandescence (« lumière chaude ») dégagent beaucoup de chaleur et effectivement un lien est constaté entre la température du filament et la dominante chromatique de la lumière produite. Pour pouvoir quantifier cette variation chromatique, il est alors imaginé un référent absolu (appelé « corps noir ») dont la couleur ne dépendrait que de son échauffement. Plus il chauffe, plus il devient lumineux ; au cours de cette variation de température il rayonne dans toutes les longueurs d’ondes du spectre visible.

La dominante chromatique peut donc être évaluée selon la température ; cette valeur se nomme la température de couleur (Tc) et s’exprime en Kelvin (K). Toute source dont l’émission de lumière est d’origine thermique se comporte comme le « corps noir » et sa température de couleur peut donc être déterminée selon ce modèle théorique. Au contraire, lorsqu’il s’agit d’une source de « lumière froide » (fluo, HMI, et aujourd’hui la LED), il n’existe plus aucun lien entre l’échauffement et les caractéristiques chromatiques de la lumière produite : la référence au modèle du « corps noir » est impossible. Il a donc fallu construire un nouvel espace théorique pour pouvoir évaluer la composition chromatique des rayonnements lumineux.

Les illuminants

Devant la grande diversité des sources d’éclairages et de leurs compositions chromatiques respectives, la CIE propose dès 1931 d’établir des modèles spectraux qui tiendraient lieu de référence pour chacune d’entre-elles et faciliteraient le travail des fabricants. Ces sources virtuelles sont appelées des illuminants ; ils sont désignés par une lettre (A, B, C, D, ID, E, FL, HP) à laquelle est accolé un chiffre pour certaines d’entre-elles. Il y a ainsi 42 illuminants répartis en huit catégories ; chaque catégorie correspond à une classe spécifique (incandescence, fluorescence, iodures, lumière du jour, etc) ; à l’intérieur de chaque catégorie, les illuminants se distinguent entre eux par leur température de couleur et leur composition chromatique. Il n’y a pas de catégorie d’illuminant de référence pour les sources LEDs. En 2015, la CIE réfléchissait à la conception d’une catégorie d’illuminant L pour correspondre aux différents spectres des LEDs. Cette idée semble avoir été abandonnée. La conformité des sources de lumière à leur illuminant de référence, permet d’évaluer la justesse du rendu des couleurs des différentes matières éclairées par cette source de lumière. Cette méthode d’évaluation se nomme l’indice de rendu des couleurs (IRC).

Rayonnements émis par le corps noir selon sa température

Illuminant A

Illuminant D65

L'indice de rendu des couleurs (IRC)

Cette méthode a été initiée en 1937 par la société Philips. Dès 1948 elle fût utilisée par la CIE qui finit par l’accepter officiellement en 1965. La mesure de l’IRC s’effectue sur une palette réduite de huit couleurs (TSS : Test Color Samples). A l’origine, cette palette semblait suffisante pour évaluer la restitution des couleurs d’une source lumineuse ; en réalité ce choix permettait surtout de pouvoir attribuer une valeur d’IRC correcte aux tubes fluorescents, tout en étant opérante pour les autres sources. En 1974, la CIE élargit cette palette à 6 couleurs supplémentaires sans que ce changement n’apporte de grands avantages, d’autant que ces couleurs n’entrent pas dans le calcul qui détermine l’IRC. Les dernières évolutions de la méthode d’évaluation de l’IRC datent de 1995.

Cette méthode permet d’attribuer une note Ra (sur une échelle de 0 à 100) relative à la capacité des sources de lumière à restituer correctement les couleurs de la palette TSS par rapport à leur illuminant de référence. D’après la définition donnée par la CIE, il s’agit d’une « évaluation quantitative du degré d’accord entre la couleur psychophysique d’un objet éclairé par l’illuminant en essai et celle du même objet éclairé par l’illuminant de référence, l’état d’adaptation chromatique ayant été correctement pris en compte ». Il s’agit donc surtout de la mise en conformité d’une source à évaluer avec son illuminant de référence. Car en effet, s’il est courant de penser que l’IRC s’évalue en comparaison de la lumière du jour, il s’évalue en réalité par rapport à l’illuminant de référence de la source de lumière à considérer (par exemple : l’illuminant A pour les lampes à filament de tungstène). L’IRC ne suffit pas à qualifier précisément la qualité d’une source lumineuse : deux sources avec une valeur d’IRC et une température de couleur identiques peuvent restituer les couleurs de façon différente. Cette particularité met en évidence la chose suivante : au regard de l’IRC, plusieurs perceptions différentes d’une même couleur sont possibles sans que l’une d’elles ne relève pour autant d’une mauvaise restitution. Dès lors, il n’est pas simple de s’y retrouver.

L’IRC est insatisfaisant sur plusieurs points. La valeur de l’IRC est seulement l’expression d’une évaluation quantitative (rayonnement énergétique), elle n’est pas l’expression d’une évaluation qualitative qui dépend de critères subjectifs esthétiques et culturels propre à l’observateur. En outre, il est généralement admis qu’une différence de 5 points sur l’échelle de l’IRC n’est pas significative pour l’œil et qu’une valeur au-dessus de 80 est bonne. L’IRC présente donc des faiblesses : d’une part, deux sources en ayant une même valeur peuvent restituer certaines couleurs de manière différente, et d’autre part, l’œil n’est pas suffisamment performant pour faire la différence entre des valeurs d’IRC de 80 et de 85.

À la suite du développement et de l’apparition des LEDs sur le marché de l’éclairage, l’IRC est de plus en plus contesté et critiqué, y compris au sein de la CIE, pour ses insuffisances et incapacités à établir correctement leurs performances colorimétriques et à tenir compte de certaines préférences esthétiques.

Palette des couleurs de calcul de l'IRC (IRC-15)

L'espace de chromaticité

Dès le début des années 1930, la CIE s’attèle à développer un « espace de chromaticité ». À la suite des travaux menés par John Guild et Wiliam D. Wright, la CIE établit une triple fonction colorimétrique pour les primaires RGB selon la sensibilité spectrale de l’œil : la représentation graphique des trois courbes indique la quantité de chaque couleur primaire nécessaire pour produire l’équivalent d’une lumière « blanche ».

Observateur CIE (fonctions colorimétriques)

Le modèle RGB

En 1931 ces travaux aboutissent à la construction d’un diagramme de chromaticité appelé « CIE 1931 RGB », inspiré du triangle chromatique de Maxwell. Il se base sur trois rayonnements « primaires » choisis arbitrairement (Rouge : 700nm/1cd.m² ; Vert : 546.1nm/4,5907cd.m² ; Bleu : 435.8nm/0,0601cd.m²). Dans cet espace, le blanc de référence est un blanc neutre (dit équi-énergétique) composé d’un mélange des trois primaires RGB en proportions identiques. Cette représentation permet de dissocier deux composantes de la couleur : la chromaticité et la luminosité ; mais ne permet pas de différencier les deux paramètres constitutifs de la chromaticité : la teinte et la saturation. Elle présente un autre défaut : elle est dépendante des trois primaires choisies arbitrairement qui ne permettent pas d’optimiser l’espace chromatique ; certaines couleurs visibles n’y sont pas localisables et possèdent des coordonnées négatives.

Espace de chromaticité CIE 1931 RGB

Le modèle XYZ

La même année Dean Brewster Judd y apporte des améliorations en proposant le diagramme « CIE 1931 XYZ » qui constitue encore aujourd’hui la référence de la colorimétrie. Ce système est basé sur trois primaires fictives : X, Y et Z qui posséderaient chacune une composante RGB. Contrairement au système RGB, il est imaginé pour intégrer toutes les couleurs théoriquement visibles et leur attribuer des coordonnées positives ; il est compatible avec le modèle RGB ; le blanc équi-énergétique est composé d’un mélange en proportion identique des trois primaires XYZ.

Les trois composantes (X, Y et Z) de cet espace tridimensionnel, représentent respectivement la teinte, la luminance et la saturation. À chaque triplet de coordonnées XYZ correspond une seule et unique couleur perçue par un œil humain « standard ». Afin de faciliter la définition des couleurs en matière de luminance et de chromaticité, la CIE a établi un modèle bidimensionnel appelé diagramme « CIE xy » (aussi appelé « CIE Yxy » ou « CIE xyY ») à partir de son modèle tridimensionnel XYZ. Les valeurs x et y sont calculées à partir des trois composantes X, Y et Z. La valeur z peut être déduite des deux autres par la relation : x + y + z = 1. Ce diagramme ne tient pas compte de la luminance ; les valeurs x et y déterminent la chromaticité ; les couleurs qui y sont représentées sont de luminance égale.

Espace de chromaticité CIE 1931 XYZ & XY

Grace à ce nouveau diagramme, il est désormais possible de situer les sources lumineuses selon leurs coordonnées chromatiques x et y. Pour accompagner ce diagramme, la CIE a déterminé une courbe qui définit le comportement chromatique du « corps noir » selon l’élévation de sa température. Cette courbe s’appelle la courbe de Planck (Planckian locus ou courbe du corps noir) ; la température de couleur TC peut donc être localisée sur cette courbe parmi tous les rayonnements lumineux. Lorsque les coordonnées chromatiques d’une lumière blanche ne se situent pas exactement sur la courbe de Planck, on peut déterminer sa température de couleur corrélée TCC (ou température de couleur proximale) en suivant une ligne perpendiculaire à cette courbe.

Courbe de Planck

La courbe de Planck permet de déterminer la température de couleur de n’importe quelle lumière blanche non thermique, ce qui est très appréciable aujourd’hui avec la LED. Cette courbe s’accompagne d’une série de lignes qui lui sont perpendiculaires : elles servent à localiser les rayonnements chromatiques de TCC identique mais de teinte différente. Cette différence est nommée Delta UV (∆UV). Lorsque le ∆UV est positif la teinte dérive vers le vert et lorsque le ∆UV est négatif la teinte dérive vers le magenta.

Sur la base du diagramme xy, la CIE propose en 1960 un nouveau diagramme : « CIE 1960 UVW ». C’est le modèle de référence pour les calculs de température de couleur et d’IRC. Il est remplacé en 1976 par le toujours actuel diagramme « CIE U’V’W’ ».

L'addition

Les caractéristiques chromatiques d’un rayonnement lumineux peuvent être modifiées par principe additif. Lorsqu’on éclaire une même surface avec plusieurs projecteurs ayant des distributions spectrales différentes, cette surface prend une teinte dominante qui est la résultante de l’addition des différents spectres : un nouveau spectre ayant ses propres caractéristiques s’en trouve alors créé. Ainsi, lorsqu’on éclaire une même surface avec trois projecteurs dont l’un émet des rayonnements Rouges, l’autre des rayonnements Verts et le dernier des rayonnements Bleus, la surface nous apparaît comme étant éclairée par une lumière blanche, résultante de l’addition des trois rayonnements Rouges, Verts et Bleus.

Principe additif

Lors d’une addition entre deux spectres lumineux, deux configurations peuvent se produire : les deux spectres peuvent avoir certaines longueurs d’ondes en commun ou au contraire ils peuvent n’en avoir aucune. Dans le premier cas, les énergies respectives des longueurs d’ondes communes se cumulent et modifient ainsi la teinte dominante perçu par notre système visuel. Dans le deuxième cas, ce qui se produit est moins intuitif : notre système visuel perçoit une nouvelle teinte dominante sans que les longueurs d’ondes lui correspondant ne soient émises ni par l’un ni par l’autre des deux spectres. Notre système de perception visuelle synthétise une image mentale dont la teinte est intermédiaire à celles des deux spectres additionnés ; il est capable de nous faire percevoir la teinte correspondant à une longueur d’onde qui n’est pas émise. Par exemple, si l’on additionne théoriquement les rayonnements d’une source émettant des rayonnements de l’ordre de 500 nm, avec ceux d’une source émettant des rayonnements de l’ordre de 600 nm, l’œil aura l’impression d’une seule source émettant des rayonnements de l’ordre de 550 nm. L’exemple le plus convainquant est certainement celui de la gamme des couleurs à dominante Magenta (« les pourpres »). Aucune longueur d’onde spécifique ne correspond à ces couleurs pourpres ; elles ne peuvent être obtenues qu’à partir du mélange de Bleu et de Rouge et donc de deux longueurs d’ondes appartenant chacune à l’une des extrémités du spectre.

Addition de deux spectres

Toutefois, au-delà des avantages apparents, le principe additif trichrome peut présenter certains inconvénients : la trichromie ne permet pas d’obtenir toutes les couleurs perceptibles par l’œil, ni d’obtenir certaines couleurs saturées, ni d’obtenir une lumière blanche suffisamment riche pour permettre une bonne perception visuelle de toutes les couleurs. Par ailleurs, le mélange de plusieurs rayonnements primaires produisant un rayonnement perçu comme blanc (donc désaturé), le mélange d’au moins deux rayonnements primaires de teintes différentes induit une désaturation des teintes obtenues. Le niveau de désaturation peut être faible lorsqu’il s’agit du mélange de deux teintes assez proches, mais il devient important dès lors qu’elles sont distantes d’environ 100 nm ou qu’une troisième teinte est introduite. Par exemple, lorsqu’il s’agit de mélanger du Rouge et du Vert, la teinte secondaire obtenue (Orange/Jaune) n’est pas complètement saturée. Il en est de même pour les teintes secondaires Cyan et Magenta.

La soustraction

Comme son nom l’indique, le principe soustractif se définit par opposition au principe additif. Il s’agit donc d’extraire certaines longueurs d’ondes sélectionnées pour n’en garder que certaines autres. Ce principe est très largement utilisé en éclairage de scène depuis au moins le XIX^e siècle où sont apparus les premiers filtres colorés fabriqués en matière gélatineuse d’origine animale (d’où leur nom de gélatine). Selon ce principe, l’ajout d’un filtre Rouge devant une source de lumière ne laisse passer que les rayonnements rouges (de 600 à 750 nm environ) tandis qu’il absorbe les autres ; les rayonnements absorbés sont réémis sous forme de rayonnements infrarouges, donc de chaleur. Chaque filtre possède un coefficient d’absorption et de transmission qui renseignent sur sa capacité à transmettre et à absorber la quantité de lumière émise en amont. Ainsi par exemple, le filtre bleu L713 (J. Winter Blue) de Lee Filters possède un facteur de transmission Y de 0,5% (sur une source halogène) ; c’est-à-dire que 99,5% de la quantité de lumière initiale est perdue en chaleur ! Au total, la perte d’énergie est encore plus conséquente si l’on considère que ce filtre est utilisé sur une source halogène qui elle-même ne restitue sous forme de lumière que 5% de l’énergie consommée : la part d’énergie consommée pour obtenir cette lumière bleue ne représente que 0,025% du total de l’énergie consommée, c’est-à-dire que 99,975 % de l’énergie consommée par le projecteur est perdue ! Il est à noter que les filtres dichroïques, présents dans beaucoup de projecteurs asservis, présentent un meilleur facteur de transmission que les filtres classiques (polyester ou polycarbonate) et offrent donc un meilleur rendement énergétique.

La trichromie, lorsqu’elle est utilisée à l’intérieur d’un projecteur asservi (et donc d’un appareil unique équipé d’une seule source lumineuse blanche) agit par principe soustractif : trois filtres colorés (Cyan, Magenta, Jaune) de saturation progressive pouvant s’insérer dans le faisceau. Pourtant, lorsqu’au moins deux filtres sont insérés, les rayonnements issus de chacune des deux soustractions s’ajoutent entre eux selon le principe additif. En réalité les principes additifs et soustractifs sont très liés. Ainsi, les faisceaux de lumière de deux projecteurs filtrées (soustraction) se mélangent lorsqu’ils éclairent le même objet (addition). Selon sa couleur, l’objet éclairé ne réfléchit qu’une partie des rayonnements lumineux (soustraction) qui se mélangent avec les rayonnements des projecteurs et ceux réfléchis par les autres différents objets éclairés (addition)…

Principe soustractif