Illuminant

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Distribution Spectrale Relative de Puissance (DSRP) des illuminants A, B, et C de la CIE entre 380nm et 780nm.

Un illuminant est un profil ou spectre de lumière visible, qui est publié afin de permettre la comparaison d'images ou de couleurs enregistrées sous un éclairage différent.

Certains désignent l'illuminant comme un étalon colorimétrique[réf. nécessaire], par analogie à l'étalon photométrique utilisé pour matérialiser l'unité d'intensité lumineuse, le candela.

Illuminants de la CIE[modifier | modifier le code]

La Commission internationale de l'éclairage (ou CIE) définit et publie les caractéristiques spectrales des illuminants. Chacun porte un nom constitué d'une lettre ou d'une combinaison d'une lettre avec des chiffres.

Les illuminants A, B et C ont été introduits en 1931 avec pour but de représenter respectivement la lumière moyenne d'une lampe à incandescence, la lumière directe du soleil et la lumière du jour. Les illuminants D quant à eux représentent des phases de la lumière du jour (par exemple D65 pour un ciel nuageux), l'illuminant E est l'illuminant d'énergie égale, tandis que l'illuminant F représente diverses lampes fluorescentes de compositions variées.

Il y a des instructions précises sur la manière de produire des sources lumineuses "standard" correspondant aux plus anciens illuminants (A, B, C). Pour les plus récents (tels que les séries D), les expérimentateurs sont libres de mesurer le spectre de leurs sources puis de le comparer aux spectres publiés par la CIE (Schanda).

La CIE fournit une mesure nommée indice de métamérisme servant à rendre compte de la qualité du simulateur de lumière du jour[1].

Illuminant A[modifier | modifier le code]

La CIE définit l'illuminant A en ces termes:

« L'illuminant A de la CIE est utilisé pour représenter la lumière typique d'un filament de tungstène d'une ampoule domestique. Sa distribution spectrale relative est celle d'un radiateur de Planck à une température approximative de 2856 K. L'illuminant A de la CIE peut être employé dans toutes les applications de colorimétrie impliquant l'utilisation d'une lumière incandescente, à moins qu'il y ait des raisons spécifiques d'employer un autre illuminant[o 1]. »

— CIE : Illuminants normaux pour la colorimétrie[2].

Le rayonnement spectral d'un corps noir suit la loi de Planck:

M_{e,\lambda}(\lambda,T)=\frac{c_1 \lambda^{-5}}{\exp\left(\frac{c_2}{\lambda T}\right)-1}

À l'époque de la normalisation de l'illuminant A, c_1=2\pi \cdot h \cdot c^2 et c_2=h \cdot c/k étaient différents, ce qui n'affecte pas la distribution spectrale relative de puissance (DSRP), mais la valeur de c2 était estimée à 0,01435 m⋅K. Elle fut corrigée depuis et est depuis 1968 0,014388 m⋅K. Cette différence modifia la courbe de température de couleur, passant la température de l'illuminant A des 2848 K nominaux à 2856 K.

T_{nouveau}=T_{ancien} \times \frac{1.4388}{1.435} = 2848\ \text{K} \times 1.002648 = 2855.54\  \text{K}

Pour éviter d'autres modifications de la température de couleur, la CIE spécifie dorénavant la DSRP directement, s'appuyant sur la valeur originale de 1931 de c2.

S_{A}(\lambda)=100 \left(\frac{560}{\lambda}\right)^5 \frac{\exp \frac{1.435 \times 10^7}{2848 \times 560}-1}{\exp\frac{1.435 \times 10^7}{2848 \lambda}-1}

Les coefficients ont été sélectionnés pour obtenir un pic de DSRP de 100 à 560 nm. Les valeurs tristimulus sont (X,Y,Z) = (109.85,100.00,35.58), et les coordonnées chromatiques pour un observateur standard sont (x,y)=(0.44758, 0.40745).

Illuminants B et C[modifier | modifier le code]

Les illuminants B et C sont des simulateurs de lumière du jour. Ils sont dérivés de l'illuminant A en utilisant des filtres liquides. L'illuminant B sert à représenter la lumière du soleil au zénith, avec une température de couleur corrélée (TCC) de 4874 K, alors que l'illuminant C représente une lumière du jour moyenne avec une TCC de 6774 K. Ce sont de mauvaises approximations de n'importe quelle source de lumière commune et sont obsolètes comparativement aux séries D (Schanda).

« L'illuminant C n'a pas le statut de standard de la CIE mais sa distribution spectrale relative de puissance, ses valeurs de tristimulus et ses coordonnées chromatiques sont données table T.1 et table T.3, étant donné que plusieurs instruments et calculs emploient encore cette illuminant[o 2]. »

— CIE (Publication 15:2004).

Les filtres liquides, inventés par Raymond Davis Jr. et Kasson S. Gibson en 1931[3], ont une absorbance relativement élevée dans l'extrémité rouge du spectre, augmentant efficacement la TCC des gaz d'éclairage jusqu'aux niveaux de celle de la lumière du jour. Leur fonctionnement est similaire à celle des gélatines employées en photographie et dans le cinéma de nos jours, quoique beaucoup moins commode.

Chaque filtre est composé de deux solutions, chacune contenant des doses spécifiques d'eau distillée, de sulfate de cuivre, de mannite, de pyridine, d'acide sulfurique, de cobalt et de sulfate d'ammonium. Les solutions sont séparées par une feuille de verre. La quantité de chaque composant est choisie avec soin pour que leur combinaison donne un filtre de température de couleur; cela fait la lumière filtrée reste blanche.

Illuminants séries D[modifier | modifier le code]

Distribution Spectrale Relative de Puissance de l'illuminant D ainsi que la courbe d'un corps noir à la même température de couleur (en rouge), normalisé autour de 560nm.

Etudiée par Judd, MacAdam, et Wyszecki[4], la série D d'illuminants est construite pour représenter la lumière naturelle du jour. Ces illuminants sont difficiles à produire articifiellement mais sont faciles à caractériser mathématiquement.

H. W. Budde du National Research Council of Canada à Ottawa, H. R. Condit et F. Grum de la Eastman Kodak Company à Rochester, New York[5], et S. T. Henderson et D. Hodgkiss de Thorn Electrical Industries à Enfield[6] ont indépendamment mesuré la DSRP de la lumière du jour entre 330 et 700nm, comptabilisant à eux tous 622 échantillons. Judd et ses confrères analysèrent ces échantillons et découvrirent que les coordonnées chromatiques(x,y) forment une simple relation quadratique :

y=2.870x - 3.000x^2 - 0.275.

Simonds supervisa l'analyse en composantes principales des DSRP[7],[8]. l'application de sa méthode revéla que les DSRP peuvent être approximées de façon satisfaisante en utilisant la moyenne (S0) et les deux premières caractéristiques vectorielles (S1 and S2):

S(\lambda) = S_0(\lambda) + M_1 S_1(\lambda) + M_2 S_2(\lambda)

Pour simplifier, la DSRP des échantillons de lumière peut être exprimée comme la combinaison linéaire de trois DSRP particulières. Le premier vecteur (S0) est la moyenne de toutes les DSRP des échantillons, ce qui est la meilleure DSRP reconstituée formée d'un seul vecteur particulier. Le second vecteur (S1) correspond à une variation jaune–bleu, représentant les changements dans la température de couleur corrélée dus à la présence ou non de nuages ou de lumière directe du soleil[4]. Le troisième vecteur (S2) correspond à une variation rose-vert causée par la présence d'eau sous forme de vapeur[4].

Pour construire un simulateur de lumière du jour d'une température de couleur corrélée particulière nécessite au minimum de connaître les coefficients M1 et M2 des vecteurs caractéristiques S1 et S2.

Vecteurs caractéristiques de l'illuminant D; composantes de DSRP S0 (bleu), S1 (vert), S2 (rouge).

Expression des coordonnées chromatiques x et y tel que:

x=\frac{X_0+M_1 X_1+M_2 X_2}{S_0+M_1 S_1 + M_2 S_2}

y=\frac{Y_0+M_1 Y_1+M_2 Y_2}{S_0+M_1 S_1 + M_2 S_2}

et en utilisant les valeurs tristimulus pour les vecteurs moyenne, ils furent capable d'exprimer M1 et M2 comme suit:

les figures de Kelly représentent les lignes de température de couleur corrélée constante sur le UCS de la CIE de 1960, tel que montré ici, ainsi que le diagramme xy.

M_1=\frac{-1.3515-1.7703x+5.9114y}{0.0241+0.2562x-0.7341y}

M_2=\frac{0.0300-31.4424x+30.0717y}{0.0241+0.2562x-0.7341y}

Le seul problème est que cela ne résout pas le calcul des coordonnées (x,y) pour une phase particulière de la lumière du jour. Judd et ses confrères ont simplement tabulé les valeurs de certaines coordonnées chromatiques correspondant à une température de couleur corrélée communément employée telle que 5500K, 6500K et 7500K. Pour d'autres températures de couleur, il faut consulter les figures de Kelly[9]. Ce problème fut soulevé dans le rapport de la CIE formalisant les illuminants D, avec une approximation de la coordonnée x en termes de température de couleur réciproque, valide entre 4000 et 25 000K[10]. La coordonnée y fut ensuite déduite à partir de la relation quadratique de Judd.

Ensuite ils étendirent la DSRP reconstruite à la plage 300-330nm et 700-830nm en utilisant les données sur l'absorbance spectrale de l'atmosphère terrestre de Moon[11].

Les DSRP présentées par la CIE de nos jours sont dérivées par interpolation linéaire d'un ensemble de données avec un pas de 10nm ramenés à un pas de 5nm. La limitation en longueur d'onde des données photométriques n'est pas un obstacle aux calcul des valeurs de la CIE XYZ tristimulus, puisque pour un observateur standard ces données sont comprises uniquement entre 380 et 780nm par pas de 5nm[12].

Des études similaires ont été entreprises dans d'autres parties du monde, ou répétant l'analyse de Judd et de ses confrères avec des méthodes de calcul plus modernes. Dans beaucoup de ces études, la courbe de la lumière du jour est nettement plus proche du lieu Planckien que dans les travaux de Judd et de ses confrères[13]

Calculs

La Distribution Spectrale Relative de Puissance (DSRP) S_D (\lambda) des illuminants de série D peut être dérivée de ses coordonnées chromatiques dans le système CIE XYZ, (x_D,y_D)[n 1]:

x_D = \begin{cases}
0.244063 + 0.09911 \frac{10^3}{T} + 2.9678 \frac{10^6}{T^2} - 4.6070 \frac{10^9}{T^3} & 4000K \leq T \leq 7000K \\
0.237040 + 0.24748 \frac{10^3}{T} + 1.9018 \frac{10^6}{T^2} - 2.0064 \frac{10^9}{T^3} & 7000K < T \leq 25000K
\end{cases}

y_D = -3.000 x_D^2 + 2.870 x_D - 0.275

Courbe de la lumière du jour dans l'UCS de 1960 de la CIE.Les isothermes sont perpendiculaires au lieu Planckien. Les deux sections de la courbe de la lumière du jour,de 4000–7000K et 7000–25000K, sont codés en couleur. Il est à noter que les deux courbes sont séparées par une distance égale de \Delta_{uv}=0.003.

où T est la TCC de l'illuminant. Les coordonnés chromatiques des illuminants D forment la courbe de la Lumière du jour de la CIE. La DSRP est donnée par:

S_D(\lambda)=S_0(\lambda)+M_1 S_1(\lambda)+M_2 S_2(\lambda)

M_1=(-1.3515-1.7703x_D+5.9114y_D)/M

M_2=(0.03000-31.4424x_D+30.0717y_D)/M

M=0.0241+0.2562x_D-0.7341y_D

S_0(\lambda), S_1(\lambda), S_2(\lambda) sont la moyenne et les deux premiers vecteurs propres de la DSRP[n 1]. Les deux vecteurs caractéristiques sont tous les deux nuls à 560nm, puisque toutes les DSRP ont été normalisées autour de ce point.

Les TCC des illuminants D50, D55, D65, and D75 diffèrent légèrement de ce que leur nom suggère. Par exemple D50 a une TCC de 5003K (c'est la lumière de "l'horizon"), tandis que les illuminants D65 ont une TCC de 6504K (lumière à midi). Comme expliqué précédemment, ceci est dû au fait que les constantes de la loi de Planck ont légèrement changé depuis la première définition de ces illuminants, dont les DSRP sont basées sur ladite loi.

Illuminant E[modifier | modifier le code]

L’Illuminant E est un radiateur à énergie égale; il a une DSRP constante dans le spectre visible. Il est utilisé en tant que référence théorique, un illuminant qui donne un poids égal à chaque longueur d’onde, présentant une couleur unie. Il a également des valeurs de tristimulus XYZ égales, et ses coordonnées chromatiques sont (x,y)=(1/3,1/3). Les fonctions chromatiques correspondantes sont normalisées tel que leurs integrales soient les mêmes sur tout le spectre du visible (Schanda).

L’Illuminant E est en dessous du lieu Planckien, et grossièrement isothermal avec l’Illuminant D55.

L’Illuminant E n’est pas un corps noir, donc il n’a pas de temperature de couleur, mais elle peut être approximée par un Illuminant D avec une TCC de 5455K. (De tous les Illuminants canoniques, D55 est le plus proche.) les fabricants comparent parfois les sources de lumière à l’Illuminant E pour calculer la pureté d’excitation[14].

Illuminant séries F[modifier | modifier le code]

La série F d’Illuminants représente divers types de lumière fluorescente.

Les “standards” F1–F6 de lampe fluorescente consiste en deux émissions de semi-bandes d’émission d’antimoine et de manganèse dans de l'halophosphate de calcium[15]. F4 est d’un intérêt particulier puisqu’il a été utilisé pour calibrer l’Indice de rendu de couleur de la CIE, de telle sorte que F4 ait un IRC de 51. Les F7–F9 sont des lampes fluorescentes à « bandes d’émission » (spectre complet et non de raies), réalisées avec de multiples phosphores et de hauts IRC. Les F10–F12 sont des illuminants tribandes minces consistant en trois bandes minces d’émission (causées par des compositions ternaires de phosphores de terres rares) dans les régions RGB du spectre visible. Le poids des phosphores peut être réglé pour obtenir la TCC désirée.

Les spectres de ces Illuminants sont publiés dans la Publication 15:2004[16].

Point blanc[modifier | modifier le code]

Article principal : Point blanc.

Un point blanc est l'un des nombreux illuminants de référence utilisés en colorimétrie pour caractériser le «blanc». Selon les applications, différentes définitions du blanc sont nécessaires pour donner des résultats acceptables. Par exemple, les photographies prises à l'intérieur peuvent utiliser un éclairage incandescent légèrement orange par comparaison avec la lumière du jour. La définition du «blanc» selon la lumière du jour donnera des résultats inacceptables lors de la correction des couleurs d'une photographie prise sous un éclairage incandescent.

Idéalement, chaque point blanc est décrit par une distribution spectrale de la puissance, c'est-à-dire en donnant la quantité de puissance par unité de longueur d'onde pour chaque longueur d'onde du spectre visible. Par exemple, le point blanc le plus élémentaire est celui qui est noté E pour égale énergie. Sa distribution spectrale est plate, donnant ainsi la même valeur pour chaque longueur d'onde. Dans l'espace de couleur CIE XYZ ses composantes sont égales tandis que, dans l'espace CIE xyY, ses coordonnées de chrominance sont x = 1/3, y = 1/3.

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Bibliographie[modifier | modifier le code]

normes
monographies
  • (en) János Schanda, Colorimetry: Understanding the CIE System, Hoboken, Wiley Interscience,‎ 2007 (ISBN 978-0-470-04904-4, LCCN 2007026256), « 3: CIE Colorimetry », p. 37–46
  • Robert Sève, Science de la couleur : Aspects physiques et perceptifs, Marseille, Chalagam,‎ 2009, « 2. Rayonnements et illuminants », p. 31-53

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Notes et références[modifier | modifier le code]

notes
  1. a et b Les coefficients diffèrent de ceux du document original à cause des changements des constantes de la loi de Planck. Voir (en) « Lindbloom » pour la version actuelle.
textes originaux
  1. « CIE standard illuminant A is intended to represent typical, domestic, tungsten-filament lighting. Its relative spectral power distribution is that of a Planckian radiator at a temperature of approximately 2856 K. CIE standard illuminant A should be used in all applications of colorimetry involving the use of incandescent lighting, unless there are specific reasons for using a different illuminant ».
  2. « Illuminant C does not have the status of a CIE standard but its relative spectral power distribution, tristimulus values and chromaticity coordinates are given in Table T.1 and Table T.3, as many practical measurement instruments and calculations still use this illuminant ».
références bibliographiques

— JOSA =Journal of the Optical Society of America

  1. (en) CIE Technical Report, A Method for Assessing the Quality of Daylight Simulators for Colorimetry, Paris, Bureau central de la CIE,‎ 1999 (ISBN 92 9034 051 7, présentation en ligne) ; (en) CIE Standard, Standard Method of Assessing the Spectral Quality of Daylight Simulators for Visual Appraisal and Measurement of Colour,‎ 2004 (présentation en ligne), préparé par TC 274, « ISO 23603:2005 — Méthode normalisée d'évaluation de la qualité spectrale des simulateurs de lumière du jour pour le jugement visuel et la mesure des couleurs », sur iso.org.
  2. CIE, « Standard Illuminants for Colorimetry »
  3. (en) Raymond Davis, « Filters for the reproduction of sunlight and daylight and the determination of color temperature », Precision Measurement and Calibration, National Bureau of Standards, vol. 10,‎ January 21 1931, p. 641–805
  4. a, b et c (en) Deane B. Judd, « Spectral Distribution of Typical Daylight as a Function of Correlated Color Temperature », JOSA, vol. 54, no 8,‎ août 1964, p. 1031–1040 (DOI 10.1364/JOSA.54.001031, lire en ligne)
  5. (en) Condit, Harold R., « Spectral energy distribution of daylight », JOSA, vol. 54, no 7,‎ juillet 1964, p. 937–944 (DOI 10.1364/JOSA.54.000937, lire en ligne)
  6. (en) Henderson, Stanley Thomas, « The spectral energy distribution of daylight », British Journal of Applied Physics, vol. 14, no 3,‎ 1963, p. 125–131 (DOI 10.1088/0508-3443/14/3/307)
    (en) Henderson, Stanley Thomas, « The spectral energy distribution of daylight », British Journal of Applied Physics, vol. 15, no 8,‎ 1964, p. 947–952 (DOI 10.1088/0508-3443/15/8/310)
  7. (en) John L. Simonds, « Application of Characteristic Vector Analysis to Photographic and Optical Response Data », JOSA, vol. 53, no 8,‎ août 1963, p. 968–974 (DOI 10.1364/JOSA.53.000968, lire en ligne)
  8. (en) Di-Yuan Tzeng, « A review of principal component analysis and its applications to color technology », Color Research & Application, vol. 30, no 2,‎ avril 2005, p. 84–98 (DOI 10.1002/col.20086)
  9. (en) Kenneth L. Kelly, « Lines of Constant Correlated Color Temperature Based on MacAdam’s (u,v) Uniform Chromaticity Transformation of the CIE Diagram », JOSA, vol. 53, no 8,‎ août 1963, p. 999–1002 (DOI 10.1364/JOSA.53.000999, lire en ligne)
  10. Commission Internationale de l'Eclairage (1964). « Proceedings of the 15th Session, Vienna » . 
  11. (en) Parry Moon, « Proposed standard solar-radiation curves for engineering use », Journal of the Franklin Institute, vol. 230, no 5,‎ novembre 1940, p. 583–617 (DOI 10.1016/S0016-0032(40)90364-7)
  12. CIE 1931 and 1964 Standard Colorimetric Observers from 380nm to 780nm in increments of 5nm.
  13. Parmi les études des années 1960s et 1970 :
    (en) G. T. Winch, M. C. Boshoff, C. J. Kok, and A. G. du Toit, « Spectroradiometric and Colorimetric Characteristics of Daylight in the Southern Hemisphere: Pretoria, South Africa », JOSA, vol. 56, no 4,‎ avril 1966, p. 456–464 (DOI 10.1364/JOSA.56.000456, présentation en ligne) : « The derived chromaticities were found to be much closer to the full radiator locus than those previously published, which had been obtained in the northern hemisphere ».
    (en) S.R. Das et V.D.P. Sastri, « Spectral Distribution and Color of Tropical Daylight », JOSA, vol. 55, no 3,‎ mars 1965, p. 319–323 (DOI 10.1364/JOSA.55.000319, présentation en ligne)
    (en) S.R. Das et V.D.P. Sastri, « Typical Spectral Distributions and Color for Tropical Daylight », JOSA, vol. 58, no 3,‎ mars 1968, p. 391–398 (DOI 10.1364/JOSA.58.000391, présentation en ligne) : distribution spectrale de la lumière du jour à Delhi (Inde).
    (en) V.D.P. Sastri, « Locus of daylight chromaticities in relation to atmospheric conditions », Journal of Physics D: Applied Physics, vol. 9, no 1,‎ January 11 1976, p. L1–L3 (DOI 10.1088/0022-3727/9/1/001)
    (en) E.R. Dixon, « Spectral distribution of Australian daylight », JOSA, vol. 68, no 4,‎ avril 1978, p. 437–450 (DOI 10.1364/JOSA.68.000437, présentation en ligne)
    Parmi les analyses utilisant les moyens de calcul plus rapides dans les années 1990 and 2000 :
    (en) Javier Hernández-Andrés, Javier Romero, Antonio García-Beltrán et Juan L. Nieves, « Testing Linear Models on Spectral Daylight Measurements », Applied Optics, vol. 37, no 6,‎ February 20 1998, p. 971–977 (DOI 10.1364/AO.37.000971, présentation en ligne)
    (en) Javier Hernández-Andrés, Javier Romero, Juan L. Nieves et Raymond L. Jr. Lee, « Color and spectral analysis of daylight in southern Europe », JOSA A, vol. 18, no 6,‎ juin 2001, p. 1325–1335 (DOI 10.1364/JOSAA.18.001325)
    Thanh Hai Bui, Reiner Lenz, Tomas Landelius (2004). « Group theoretical investigations of daylight spectra » in CGIV (European Conference on Colour Graphics, Imaging and Vision). : 437–442. Consulté le 2008-05-13. .
  14. (en) Philips, « Optical Testing for SuperFlux, SnapLED and LUXEON Emitters » : « CIE has defined the color coordinates of several different white Illuminants, but within Lumileds, CIE Illuminant E is used for all color calculations »
  15. Pour des exemple commerciaux de fluorescents aux halophosphates de calcium, voyez Brevet US 5447660 Method for making a calcium halophosphate phosphor or Brevet US 6666993 Single component calcium halophosphate phosphor.
  16. Tables : (en) « Spectral power distribution of Illuminants Series F » au format Excel : « Fluorescents in 5 nm increments from 380 to 780 nm ».