Température de couleur et température effective

Chauffé au-delà de 798 K, le métal émet un rayonnement visible comparable à celui d'un corps noir, dont la couleur et l'intensité dépendent de sa température.

Donner la température de couleur d'une source lumineuse, c'est comparer sa chromaticité à celle du corps noir, un modèle mathématique qui décrit une surface idéale qui absorberait tous les rayonnements, et n'émettrait que par effet thermique. La température de couleur d'un luminaire va d'environ 1 800 K pour une bougie à approximativement 10 000 K pour un arc électrique ; le rayonnement solaire direct a une température de couleur d'environ 5 500 K.

La température de couleur d'une source n'a de rapport avec la température effective de l'élément lumineux que si elle produit de la lumière par incandescence : flamme, lampe à incandescence, lampe à arc, et lumière solaire. Pour les sources luminescentes (lampes à décharge, lampes à LED, etc.), la température est nettement inférieure à la température de couleur : leur spectre d'émission, plus concentré dans les régions de la lumière visible, diffère considérablement de celui du corps noir.

Comparaison de spectres lumineux

Spectre d'émission du corps noir pour différentes températures.

La comparaison des spectres lumineux donne une description beaucoup plus précise que la température de couleur, mais donne un résultat peu intuitif.

Pour définir le spectre lumineux d'une source, on mesure l'intensité lumineuse pour chacune des tranches de longueur d'onde des rayonnements de 300 à 700 nm. Des tranches de 5 nm, produisent 80 valeurs à comparer à celles obtenues par calcul pour une température donnée de corps noir. Quand la distribution des intensités est similaire, comme c'est le cas pour les sources incandescentes, il suffit de comparer deux plages : une seule distribution du corps noir a les valeurs correspondantes sur les deux plages. C'est ainsi qu'on procède en thermométrie infrarouge ou en astronomie. Si l'allure de la distribution était différente, il est possible de comparer les spectres par une méthode statistique comme celle des moindres carrés ; mais le résultat n'a guère de signification physique. S'il s'agit d'éclairage, on recourt à une analyse colorimétrique, trichrome.

Évaluation colorimétrique

Le spectre électromagnétique d'émission des sources lumineuses s'éloigne parfois considérablement du spectre calculé pour le corps noir. Même celui de la lumière du jour présente avec celui-ci des différences notables (Sève 2009, p. 43). Comme l'éclairage et la photographie dépendent de la perception humaine des couleurs, on détermine la température de couleur par colorimétrie. On réduit les spectres à trois valeurs par une intégration pondérée par les courbes des trois composantes d'un système colorimétrique comme CIE XYZ. Les trois valeurs obtenues équivalent au produit du spectre par la courbe de sensibilité des trois types de récepteurs d'un observateur humain de référence. Les appareils de mesure effectuent cette intégration simplement avec trois filtres.

On suppose ensuite que la luminance n'influe nullement sur la couleur. C'est certainement vrai pour les sources lumineuses du moment qu'elles se trouvent dans le domaine photopique.

Restent deux valeurs, qui donnent la position de la source dans le diagramme de chromaticité, à comparer à celles des couleurs du corps noir, invariables et calculées à l'avance et dont la courbe sur le diagramme s'appelle le « lieu des corps noirs » (CIE) ou « lieu planckien ». La température de couleur est la température du corps noir correspondant à un point de cette courbe « suffisamment proche » ; en général, même tenant compte de l'incertitude de mesure, les valeurs ne coïncident pas exactement.

La couleur des objets éclairés dépend du produit, longueur d'onde par longueur d'onde, du flux éclairant par le coefficient de réflexion diffuse de l'objet. Deux spectres différents peuvent donner la même couleur. La caractérisation colorimétrique d'un luminaire n'est qu'un résumé de sa définition spectrale, que le repérage par rapport au lieu du corps noir réduit de deux à une seule valeur. Ce résumé suppose que le spectre d'émission du luminaire est suffisamment semblable à celui du corps noir à une certaine température.

Température de couleur proximale

Diagramme de chromaticité CIE (1931) situant le lieu planckien, avec indication des températures.

On définit la température de couleur proximale comme celle du corps noir dont la couleur se rapproche le plus de celle de la lumière à caractériser.

D'ordinaire, après avoir analysé la lumière dans le système CIE XYZ, on reporte sa position sur le diagramme de chromaticité et on évalue la position du point par rapport à des lignes d'égale température de couleur reportées sur le diagramme. Ces lignes indiquent le point le plus proche dans un plan de luminance égale d'un système de chromaticité uniforme (Le Grand 1972, p. 113) comme CIE L*u*v*.

Les thermocolorimètres utilisés en photographie indiquent la TC, permettant de choisir un filtre optique compensateur, avec l'indication du filtre correcteur de couleur nécessaire qu'il faut y ajouter, par exemple 10 M^[2]. Cette TC diffère de la température de couleur proximale d'autant plus que la correction supplémentaire est importante. Comme on le voit sur le diagramme, les lignes de même température de couleur proximale ne se dirigent pas vers la position des primaires.

Température de couleur et efficacité lumineuse

Efficacité lumineuse du corps noir. En abscisse, la température de couleur en kelvins, en ordonnée l'efficacité lumineuse en lumens par watt.

Les sources à incandescence, y compris les arcs électriques et la lumière des étoiles comme le soleil, ne rayonnent qu'approximativement comme le corps noir. Leur température de couleur proximale peut être supérieure à la température effective et la répartition spectrale n'est pas exactement celle que prévoit la loi de Planck^[3]. Cependant, puisqu'on compare ces lumières au rayonnement du modèle, il est intéressant d'en calculer l'efficacité lumineuse, qui est le rapport entre le flux lumineux et la puissance rayonnée totale, exprimé en lumens par watt.

La fréquence du maximum d'émission du corps noir et sa radiance totale croissent avec la température ; la première lui est proportionnelle, la seconde proportionnelle à sa puissance quatrième. De ce fait, quand la température est trop faible, la plus grande partie de la faible énergie rayonnée est invisible, ce sont des infrarouges. Quand le maximum de radiance rentre dans la zone visible, l'efficacité augmente rapidement. Quand le maximum de radiance sort de la zone visible, une part croissante de la puissance est invisible, ce sont des ultraviolets. Comme la radiance totale continue à croître et qu'une grande partie du rayonnement est encore visible, l'efficacité lumineuse diminue lentement.

L'efficacité lumineuse maximale du corps noir se situe vers 6 500 K, à environ 95 lumens par watt.

Les sources lumineuses à spectre continu existantes sont les plus efficaces ; les lampes aux halogénures métalliques restent un peu moins efficaces, n'atteignant pas 90 lm/W, pour une température de couleur de 5 500 à 6 500 K.

Températures de couleur de sources courantes

La couleur d'une source lumineuse varie du rouge orangé de la flamme d'une bougie (1 850 K) au bleuté (9 000 K) d'un arc électrique.

Celle de la lumière du jour varie entre 4 000 et 7 500 K selon qu'il s'agit de soleil direct ou d'un éclairage moyen, d'un temps couvert, de la hauteur du soleil sur l'horizon.

Les spectres de la lumière du jour, dans différentes circonstances, ne sont que difficilement reproductibles par la lumière artificielle. Cela nécessite des appareils complexes et coûteux (Sève 2009, p. 39-45).

Un objet éclairé par des sources différentes peut apparaître avec une couleur légèrement différente même si les sources ont la même température de couleur. La température de couleur résume les différences de spectre en une seule valeur. La couleur que l'on perçoit d'un objet résulte du produit du spectre d'émission de l'éclairant par le spectre d'absorption de l'objet. Si les spectres des sources lumineuses sont différents, les spectres résultants peuvent être suffisamment différents pour que leur intégration, situant les couleurs, donne des valeurs trichromes plus différentes que le seuil de discrimination de la vision humaine. Ce phénomène, appelé défaut de métamérisme, préoccupe les musées et restaurateurs de tableaux. On change une lumière, pour un système plus moderne, de même température de couleur, et des repeints ou des restaurations, invisibles jusque-là, apparaissent.

Le diagramme ci-dessous représente différentes températures de couleur pour des sources lumineuses naturelles et artificielles comprises entre 1 000 et 10 000 K^[4].

Différence de température de couleur

Nomogramme de calcul de la différence de température de couleur en mireds

On définit le mired ou « megakelvin inverse » comme un million de fois l'inverse de la température de couleur, ${\displaystyle {\frac {10^{6}}{TC}}}$.

Pour exprimer des différences de température de couleur, on utilise couramment les mireds. Une source ayant une petite différence en mireds avec la lumière principale, blanche par définition, apparaîtra approximativement de la même couleur, quelle que soit la température de couleur de la lumière principale, dans le domaine usuel de l'éclairage, de 2 500 K (400 mireds), à 8 000 K (125 mireds). Pour la corriger, on lui ajoutera le même filtre correcteur^[5].

Le seuil à partir duquel un observateur ordinaire décèle une différence de température de couleur entre deux éclairants est d'au plus 5,5 mireds et d'au moins 0,5 mireds, selon les conditions d'évaluation (Le Grand 1972, p. 176).

Mise en œuvre des éclairages

Diagramme de Kruithof.

Au milieu du XX^e siècle, Arie Andries Kruithof (en) a utilisé des lampes à incandescence et des tubes fluorescents pour produire des éclairages d'intensité et de température de couleur contrôlables, sans toutefois indiquer sa méthode expérimentale^[6]. Il en a conclu que la zone de confort varie. Les éclairements faibles sont selon lui plus agréables avec des températures de couleur relativement basses^[7]. Des expériences plus récentes ne valident que partiellement ses conclusions^[8], tandis que d'autres réfutent le lien entre éclairement, température de couleur et confort visuel^[6]  ; cependant, on se sert fréquemment du diagramme de Kruithof (en) pour choisir l'éclairage d'un lieu.

Pour l'éclairage des plans de travail, l'éclairement lumineux recommandé varie ainsi avec la température de couleur^[9]. Pour les écrans en infographie, la recommandation sRGB fixe la température de couleur et l'éclairement de l'environnement.

Dans les musées, comme dans les lieux où une bonne vision des couleurs est nécessaire, un éclairement assez important associé à une température de couleur élevée est souhaitable ; mais l'intensité des rayonnements lumineux bleus et ultraviolets est un facteur connu de la détérioration des pigments les plus fragiles et de la prolifération de moisissures qui attaquent la surface des œuvres. Ce qui est admissible pour une exposition temporaire ne l'est pas nécessairement pour une longue durée. L'apparence des couleurs dépend de l'éclairage ambiant, qui n'est pas nécessairement identique à celui du tableau ; le rendu de la peinture à l'huile dépend aussi dans une large mesure de la direction de la lumière incidente. L'éclairage des tableaux est une question d'interprétation, tenant compte éventuellement de la lumière du lieu pour lequel ils ont été créés, dont la température de couleur n'est qu'un des aspects^[10].

Éclairage « chaud » et « froid »

Dans les arts plastiques on parle de couleur « chaude » quand elle tire vers l'orangé, et de couleur « froide » lorsqu'elle tire vers le bleu^[11]. Ces termes remontent à une époque où les artistes s'appuyaient uniquement sur leur perceptions et leur expérience du mélange des pigments, deux siècles avant les débuts de la colorimétrie. Une lumière chaude correspond à un éclairage à la bougie ou avec une lampe à incandescence, avec une température de couleur plus basse que celle d'une lumière froide, comme celle du jour. Cette contradiction s'explique par le fait que les sources de lumière chaude, dont la température est basse, rayonnent plus d'infrarouges, ressentis sur la peau comme de la chaleur, que d'énergie lumineuse. Une bougie chauffe plus qu'elle n'éclaire. Une lumière froide, comme celle d'une fenêtre ouvrant vers le nord (dans l'hémisphère nord), sans soleil direct, donne au contraire beaucoup de lumière, sans sensation de chaleur.

Marquage des lampes

Tube fluorescent avec un marquage 840 indiquant un indice de rendu de couleur de 80 à 89 et une température de couleur de 4 000 K (blanc neutre).

Les fabricants d'éclairage à tube ou lampe fluorescente et à LED proposent différentes températures de couleur. On trouve sur ces lampes un code à trois chiffres qui condense l'indication de la température de couleur proximale et de l'indice de rendu de couleur (IRC). L'indice de rendu de couleur indique la capacité d’un éclairage à restituer les couleurs d’un objet par rapport à celles produites avec une source équivalent à un corps noir de même température de couleur. Le premier chiffre du code est celui des dizaines de l'IRC, les deux suivants les deux premiers de la température de couleur^[13].

On trouve des lampes avec les codes 830, 840, 865 désignant des lampes à 3 000, 4 000 ou 6 500 K (lumière du jour). Pour des travaux de précision (prothétique dentaire, imprimerie, textile, muséographie, photographie, tables lumineuses), on choisit des lampes marquées 9xx (930, 940, 950 et 965 de température de couleur 3 000, 4 000, 5 000 ou 6 500 K), avec un IRC supérieur à 90 %, avec un moindre risque de métamérisme.

Bibliographie

• Commission internationale de l'éclairage, « Éclairage », dans Commission électrotechnique internationale, IEC 60050 Vocabulaire électrotechnique international, 2015 (lire en ligne).
  • « 845-03-41 — lieu des corps noirs », sur electropedia.org.
  • « 845-03-49 — température de couleur », sur electropedia.org.
  • « 845-03-50 — température de couleur proximale », sur electropedia.org.
• Richard Taillet, Loïc Villain et Pascal Febvre, Dictionnaire de physique, Bruxelles, De Boeck, 2013, p. 667.
• Yves Le Grand, Optique physiologique : Tome 2, Lumière et couleurs, Paris, Masson, 1972, 2^e éd., p. 24, 112-114, 176-177.
• Robert Sève, Science de la couleur : Aspects physiques et perceptifs, Marseille, Chalagam, 2009, p. 34-41 et 53.

Articles connexes

• Rayonnement du corps noir
• Colorimétrie
• Indice de rendu de couleur
• Mired
• Thermocolorimètre
• Transfert de rayonnement