Colorimétrie

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Spectre de la lumière blanche

La colorimétrie est la discipline psychophysique qui vise à relier la sensation de couleur aux mesures physiques effectuées sur la lumière. Un ensemble de trois grandeurs numériques dérivées de mesures du spectre lumineux suffit pour repérer la couleur de sorte qu'on puisse effectuer, à propos des lumières en question, des comparaisons de couleur valides sans les voir[1].

Principes[modifier | modifier le code]

La couleur est la perception visuelle humaine de la répartition spectrale de la lumière. Cette répartition spectrale est extrêmement complexe : il y a, entre les longueurs d'onde extrèmes de 400 et 700 nm, autant d'intermédiaires qu'on veut, et pour chacune, autant d'intensités lumineuses possibles. Mesurer la couleur semblerait une tâche impossible, si James Clerk Maxwell n'avait remarqué qu'on peut, en mélangeant trois lumières de couleurs bien choisies dans des proportions appropriées, produire une lumière de même couleur que presque toutes les lumières possibles.

Partant de cette constatation, et des travaux de Helmoltz, des systèmes de mesure de la couleur ont été progressivement mis au point. La constitution de la Commission internationale de l'éclairage en 1913 a permis, en 1931, l'adoption de normes pour ces systèmes, constamment perfectionnés depuis.

Stimulus 
En colorimétrie, on compare des mélanges de lumières colorées aussi isolées que possible des autres sensations visuelles afin de s'affranchir des complexités des interactions de couleurs. Ces mélanges sont des stimulus au sens de la psychophysique.
Arithmétique des couleurs 
On suppose, par des postulats dits lois de Grassmann et d'Abney que les sensations lumineuses sont linéaires, ce qui permet de faire toutes les opérations arithmétiques sur les proportions de lumières mélangées.
Combinaison de couleurs primaires 
On constate que toutes les couleurs, quel que soit leur spectre physique se perçoivent identiquement (voir couleur métamère) à une combinaison d'addition ou de soustraction de seulement trois lumières choisies arbitrairement, pourvu qu'on ne puisse reconstituer la troisième à partir des deux autres. Les systèmes optiques peuvent seulement ajouter les lumières, la soustraction est une opération intellectuelle ultérieure. Si Lumière X + p3 × Primaire 3 = p1 × Primaire 1 + p2 × Primaire 2, le postulat de linéarité permet d'écrire Lumière X = p1 × Primaire 1 + p2 × Primaire 2 - p3 × Primaire 3. Toutes les couleurs peuvent donc se définir par trois valeurs.
Chromaticité 
On suppose que la couleur est une propriété indépendante de la luminosité, et on l'appelle chromaticité[2].

Aucune de ces méthodes et définitions ne correspond exactement à la vision humaine ; elles ont l'avantage de permettre une approximation généralement appelée colorimétrie de base, plus tard raffinée avec la colorimétrie des différences de couleur, qui prend en compte les écarts à la linéarité de la vision humaine, donnant plusieurs espaces colorimétriques.

Parallèlement, se basant également sur des études psychophysiques, des savants et des praticiens ont établi des systèmes de description de la couleur basés sur la comparaison avec des échantillons réunis dans des catalogues. Albert Henry Munsell, se basant sur le cercle chromatique bien connu des artistes peintres, et tentant d'obtenir un écart perceptuel constant entre ses échantillons, crée son nuancier en 1909. Plus récemment, la compagnie Pantone diffuse un nuancier de 1000 teintes, permettant aux professionnels de communiquer des repères de couleur. Ces catalogues ne sont pas à proprement parler des systèmes colorimétriques : leur usage repose sur l'appréciation visuelle par une personne de la proximité de la teinte à référencer ; mais ils sont d'un usage courant chez les professionnels des arts graphiques, en raison de leur adéquation à leurs besoins.

Longueur d'onde dominante et pureté colorimétrique[modifier | modifier le code]

Articles détaillés : Couleur métamère et Pureté d'excitation.

L'établissement d'un système colorimétrique commence par des expériences visuelles. On définit une lumière comme la lumière blanche. Un monochromateur permet d'avoir une lumière dans une gamme de longueurs d'onde très étroite. L'observateur compare, soit en les regardant soit alternativement, soit en côte à côte, la lumière à identifier et un composé de lumière blanche et de lumière monochromatique, dont il ajuste la couleur et la proportion de lumière blanche jusqu'à ce que les deux lumières coïncident. On obtient ainsi une mesure de la lumière, composé de trois grandeurs :

  • l'intensité lumineuse ;
  • la longueur d'onde dominante ;
  • la pureté colorimétrique, qui est la proportion de l'intensité dûe à la longueur d'onde dominante.

Partant du principe que la couleur est ce qui différencie deux lumières d'égale intensité, on peut considérer que deux grandeurs définissent la couleur :

  • la longueur d'onde dominante ;
  • la pureté colorimétrique, qui est la proportion de l'intensité dûe à la longueur d'onde dominante.

Avec deux grandeurs, on peut établir un diagramme. Mais il est plus commode de résoudre la question de la couleur à partir de la trichromie.

Analyse trichrome[modifier | modifier le code]

Article détaillé : diagramme de chromaticité.
Diagramme de chromaticité

On a systématisé l'expérience de Maxwell, qui a montré qu'un mélange opportun de trois lumières monochromatiques permet la synthèse de presque toutes les couleurs.

L'observateur va donc apairer la lumière inconnue à un mélange des trois lumières monochromatiques choisies. Si c'est possible, on obtient directement les coefficients. Si on n'y parvient pas, on ajoute à la lumière inconnue une proportion d'une, ou si nécessaire deux des lumières de base, et chercher les coefficients de cette lumière composite. On soustraira ensuite les coefficients des lumières ajoutées à la lumière inconnue. On arrive, de la sorte, à des coefficients négatifs.

La lumière composée de deux autres lumières est toujours moins saturée que ses composantes. Toutes les lumières monochromatiques autres que celles qui servent de base ont donc des coefficients négatifs.

Cette mesure dépend encore de l'évaluation d'une personne, et dépend donc des variations de sensibilité à la couleur entre les sujets. Pour arriver à une unification des résultats, la Commission internationale de l'éclairage a défini en 1931, à partir des séries d'expériences déjà effectuées, un observateur de référence, qui permet d'obtenir, par calcul, les caractéristiques d'une lumière à partir de son spectre.

Pour éliminer la variation d'intensité lumineuse, on divise tous les coefficients par la somme des trois. On obtient ainsi des coefficients de couleur dont la somme est toujours 1.

On peut ainsi créer un diagramme de chromaticité à deux dimensions, sur lequel on peut situer toutes les couleurs.

Sur ce diagramme, les couleurs obtenues par synthèse se situent nécessairement dans le polygone délimité par les couleurs qui ont servi pour les constituer. Il s'agit le plus souvent d'un triangle dont un sommet est du côté des rouges, un autre du côté des verts, et le troisième du côté des bleus.

Colorimétrie des écarts de couleur[modifier | modifier le code]

L'analyse trichrome a l'inconvénient de ne répercuter que très imparfaitement la vision humaine. Deux points du diagramme de chromaticité éloignés de la même distance ne sont pas vus avec le même écart de couleur, c'est-à-dire, à peu près, le nombre de couleurs intermédiaires que l'on peut différencier entre eux. Pour se rapprocher de cette propriété, la CIE propose les espaces de couleurs CIE L*a*b pour les couleurs de surface et CIE LUV pour les lumières colorées

Mesure de la couleur[modifier | modifier le code]

Colorimètre[modifier | modifier le code]

Le colorimètre est un appareillage qui permet de mesurer la couleur de la surface d'un objet en la définissant par des coordonnées dans un espace colorimétrique. En général, il décompose la lumière à l'aide de trois filtres, et en tire directement les grandeurs qui peuvent être traduites en coefficients colorimétriques

Spectromètre[modifier | modifier le code]

La mesure obtenue avec le colorimètre ne donne d'indication utile que sur les couleurs telles que vues. Si on prévoit, comme dans le cas des encres, pigments et peintures ou pour la synthèse soustractive des couleurs, de mélanger ces pigments pour créer une nouvelle couleur, la connaissance de la couleur ne suffit pas. Il faut connaître leur spectre. Pour cela, on doit utiliser un spectromètre.

Colorimétrie en chimie[modifier | modifier le code]

En chimie, le dosage colorimétrique permet de mesurer la concentration d'une solution. On envoye un faisceau de lumière monochromatique au travers d'une cuve d'épaisseur contenant une solution colorée et on mesure la lumière absorbée.

La loi de Beer-Lambert relie la densité optique d'une solution à sa concentration molaire :

A = \epsilon \cdot l  \cdot c
  • A est l'absorbance ou densité optique, logarithme décimal du rapport entre lumière absorbée et lumière incidente ;
  • ε est un coefficient d'absorption spécifique de chaque composé coloré ;
  • l est la longueur de solution traversée par le rayon lumineux ;
  • c est la concentration du composé coloré dans la solution.

La longueur étant une constante de l'appareillage, et ε une caractéristique constante du composé dont on recherche la concentration, on peut établir une relation linéaire entre A (densité optique) et c (concentration).

Ne pas confondre 
la méthode de dosage par indicateurs colorés est parfois nommée dosage colorimétrique ; c'est un abus de langage[réf. souhaitée].
La néphélométrie 
est une autre technique basée sur la mesure de la lumière traversant un milieu gazeux ou liquide. Elle évalue la teneur en particules en suspension ou la turbidité à partir de la mesure de la lumière diffusée à angle droit par rapport à la lumière incidente.

Spectroscopie[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Spectroscopie.

La colorimétrie est dérivée de la technique d'absorbance. Pour une molécule donnée, une longueur d'onde donnée peut interagir avec la molécule et diminuer le pourcentage de lumière partant de la source d'émission jusqu'au capteur. En colorimétrie, c'est la teinte du composé qui crée cet effet. Cette technique est utilisée afin de créer une courbe d'absorbance, définie comme le pourcentage de lumière transmise en fonction de la concentration, et qui pourra être utilisée comme étalon pour déterminer des concentrations inconnues.

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Bibliographie[modifier | modifier le code]

  • CEI, Norme IEC 60050 Vocabulaire électrotechnique international, section 845 « Éclairage », définitions de la Commission internationale de l'éclairage (CIE), sous-section 843-03 « Colorimétrie ».
  • (fr) Colorimétrie cours en ligne issu de Consortium « Optique pour l'ingénieur », Jean-Marc Breteau , 2008
  • Maurice Déribéré, La couleur, Paris, PUF, coll. « Que Sais-Je » (no 220),‎ 2014, 12e éd. (1re éd. 1964) (sommaire).
  • Yves Le Grand, Optique physiologique : Tome 2, Lumière et couleurs, Paris, Masson,‎ 1972.
  • Jean Petit, Jacques Roire et Henri Valot, Encyclopédie de la peinture : formuler, fabriquer, appliquer, t. 2, Puteaux, EREC,‎ 2001, p. 145-176 « Colorimétrie »
  • Robert Sève, Sience de la couleur : Aspects physiques et perceptifs, Marseille, Chalagam,‎ 2009

Articles connexes[modifier | modifier le code]

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Liens externes[modifier | modifier le code]

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. Sève 2009, p. 1 ; Le Grand 1972, p. 106 ; Déribéré 2014, p. 96 (1964).
  2. Définition produite par la CIE en 1948, voir Gustave Durup, « Progrès conjoints des idées et du langage dans les soiences de la couleur », L'année psychologique, vol. 47, no 47-48-1,‎ 1948, p. 213-229 (lire en ligne), sp. p. 215, 220, 223.