Température de couleur

Boîte blanche éclairée à gauche par un éclairage à incandescence, TC=2 740 K, à droite par la lumière du jour au crépuscule, TC=7 040 K.

La température de couleur est une caractérisation des sources de lumière par comparaison à un matériau idéal émettant de la lumière uniquement par l'effet de la chaleur.

Elle indique en kelvins (unité du Système international dont le symbole est K) ou en mired (ou megakelvin inverse) la température du corps noir dont l'apparence visuelle serait la plus proche de la source de lumière (CIE, Dic. Phys.).

En éclairage, la comparaison de la couleur de la source avec celle d'un corps noir de même luminance se fait par une évaluation colorimétrique.

En astronomie et en thermométrie, la mesure de la luminance énergétique sur deux bandes du spectre permet de déterminer la température de la source si on forme l'hypothèse qu'elle diffère peu du corps noir.

Éclairage

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 par définition comparer sa couleur (donc, son émission dans le spectre visible) à celle du corps noir, un modèle mathématique qui décrit une surface idéale qui absorberait tous les rayonnements, et n'emettrait que par effet thermique. La température de couleur d'un luminaire va d'environ 1 800 kelvin pour une bougie à approximativement 10 000 K pour un arc électrique.

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 ou lampe à arc. Pour les autres 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.

Exemple d'une LED :

Un éclairage à diodes électroluminescentes peut produire une lumière de température de couleur 6 000 K (environ 5 700 °C) alors que la température de la diode est à peine supérieure à la température ambiante.

Couleur du rayonnement d'un corps noir entre 1 934 K et 11 074 K, pour un observateur en lumière du jour D65.

Comparaison de spectres lumineux

Spectres d'émission du corps noir pour différentes températures.

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. Avec des tranches de 5 nm, on a 80 valeurs à comparer à celles obtenues par calcul pour une température de corps noir. Dans le cas où la forme générale est similaire, comme c'est le cas pour les sources incandescentes, on pourrait comparer les spectres par une méthode statistique comme celle des moindres carrés ; mais il suffit en général, comme on le fait en thermométrie infrarouge ou en astronomie, de comparer deux plages voisines et d'en déduire le reste.

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, en éclairage, on recherche une évaluation représentant la perception humaine, soit directement, soit indirectement s'il s'agit de photographie, on effectue plutôt une mesure colorimétrique du rayonnement. Pour comparer les couleurs, on commence par réduire les spectres à trois valeurs par une intégration pondérée par les courbes des trois composantes d'un système colorimétrique comme CIE XYZ. On obtient trois valeurs, qui représentent un équivalent du produit du spectre par la courbe de sensibilité des trois types de récepteurs de l'œil humain.

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 trois 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

CIE (1931) diagramme chromatique xy incluant le lieu planckien avec indication des températures.

On définit la température de couleur proximale comme celle du corps noir dont la couleur qui 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. 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 abcisses, la température de couleur en kelvin, 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. 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 radiance du corps noir croît comme la puissance quatrième de la température, mais le maximum d'émission s'élève proportionnellement à celle-ci. 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, se 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 6500 K, à environ 95 lumens par watt.

Les sources lumineuses à spectre continu existantes les plus efficaces, les lampe aux halogénures métalliques restent un peu moins efficaces, n'atteignant pas 90 lumens par watt, pour une température de couleur de 5500 à 6500 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 reproductible par la lumière artificielle. Il faut des appareils complexes et coûteux (Sève 2009, p. 39-45).

Un objet éclairé par des sources différentes peuvent 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 spectre des sources lumineuses est différent, les spectres résultants peut 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.

Différence de température de couleur

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

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.

Différence de température de couleur :

Dans une lumière TC 3 200 K, une source à 2 790 K présente, à très peu près, la même apparence visuelle qu'une source de TC 5 000 K dans une lumière principale de TC 6 500 K :

• 3 200 K font 312 mireds, 2 790 K font 358 mireds ; différence : +46 mireds.
• 6 500 K font 154 mireds, 5 000 K font 200 mireds ; différence : +46 mireds.

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).

Applications :

• Une fenêtre est éclairée par une lumière du jour indirecte, TC 6 700 K, soit 149 mireds. Un éclairage complémentaire devra avoir une température de couleur comprise entre 155 et 144 mireds, soit entre 6450 et 6 900 K.
• Une scène de théâtre est éclairée par des bougies, TC 1 750 K, soit 571 mireds. Pour éclairer les fonds, de sorte qu'ils semblent aussi éclairés à la bougie, l'éclairage complémentaire devra avoir une température de couleur comprise entre 577 et 566 mireds, soit entre 1730 et 1 770 K.

En général, une petite correction de couleur est encore nécessaire, particulièrement pour les écarts importants, et aussi pour compenser les différences de spectre et les particularités du local.

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. Il en a conclu que la zone de confort varie. Les éclairements faibles sont plus agréables avec des températures de couleur relativement basses. Des expériences plus récentes ne valident que partiellement ses conclusions ; 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. 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.

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. 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.

Normalisation

Quelque normes utilisent la température de couleur pour caractériser les éclairages. Celles qui concernent les usages professionnels de la couleur spécifient plutôt des illuminants, qui définissent de façon bien plus précise le spectre d'émission.

La norme française AFNOR XP X08-017, de décembre 2011, spécifie l'« évaluation de la température de couleur proximale des sources de lumière ». Cette norme permet aux fabricants de luminaires de donner une évaluation uniforme de la température de couleur de leurs produits, dont le spectre d'émission peut être très différent.

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 de l'indice IRC, les deux suivants les deux premiers de la température de couleur.

Exemple de marquage :

La plupart des lampes fluocompactes vendues au grand public ont le code 827.

• 8 indique un IRC entre 80 et 89 % ;
• 27 indique une température de couleur à 2 700 K.

Ces lampes ont donc un rendu de couleur correct et une température de couleur proche de celle des lampes à incandescence.

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.

Thermométrie

Pour mesurer la température d'un corps en thermométrie infrarouge, on mesure la puissance des émissions dans deux bandes infrarouge choisies dans le domaine le plus pertinent par rapport à la plage de température que l'on veut mesurer. Le rapport trouvé entre les émissions d'un corps noir dans ces deux bandes varie selon sa température. On assimile l'objet à un corps noir, et le résultat obtenu à une mesure de température.

Astronomie

En astronomie, on procède de même avec des lumières qui ne sont pas nécessairement dans le spectre visible. On mesure les intensités dans deux bandes spectrales, et la température de couleur est celle du corps noir dont l'émission dans ces bandes serait dans le même rapport, déterminée grâce au diagramme de Hertzsprung-Russell. La température effective de l'astre émetteur n'est égale à cette mesure que si son spectre n'est pas trop distordu par des bandes d'absorption ou d'émission. La température de couleur des étoiles définit leur type spectral (TVF).

On peut obtenir des températures de couleur beaucoup plus diverses qu'en éclairage, et elles ne dépendent pas de la vision humaine. Ainsi, la foudre et certaines étoiles peuvent dépasser les 30 000 K^{[réf. souhaitée]} ; mais, par la brièveté de son éclair, la foudre échappe aux évaluations colorimétriques, comme les étoiles, trop peu lumineuses depuis la Terre pour la vision photopique.

Voir aussi

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, 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