Température de couleur

Boîte blanche éclairée à gauche par un éclairage à incandescence, TC=2740K, à droite par la lumière du jour au crépuscule, TC=7040K.

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, la température de couleur, qui sert à classer les astres par type, se calcule à partir de la mesure de la luminance énergétique de deux bandes du spectre.

Éclairage

Corrélation entre température et couleur

Température de couleur et température effective

Donner la température de couleur d'une source lumineuse, c'est par définition comparer sa couleur (donc, son émission dans le visible) à celle d'un corps noir, typiquement chauffé entre 1 800 et 10 000 K pour les valeurs courantes.

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 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 6 400 °C) alors que la température de la diode est à peine supérieure à la température ambiante.

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. Si la forme générale du spectre 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 et d'en déduire le reste.

Mais le spectre électromagnétique d'émission des sources lumineuses, à commencer par la lumière du jour, diffère parfois considérablement du spectre calculé pour le corps noir. 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 intégration pondérée par les courbes des trois composantes d'un système colorimétrique comme CIE XYZ. On obtient trois valeurs, qui représentent donc l'équivalent du produit du spectre par la courbe de sensibilité des trois types de récepteurs de l'oeil 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 alors 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 le « lieu planckien ». La température de couleur est la température du corps noir correspondant à un point de cette courbe « suffisamment proche ». En général, cependant, même tenant compte de l'incertitude de mesure, les valeurs ne coïncident pas exactement.

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. Dans le diagramme de chromaticité, cette construction revient à tirer un trait entre le point central blanc et celui de la source à évaluer, et assimiler la couleur de température à celle du point d'intersection de ce trait avec le lieu plankien. Ces lignes indiquent le point de luminance égale le plus proche dans un système de chromaticité uniforme 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 Magenta. 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.

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'absoption de l'objet. Si les spectre des sources lumineuses est différents, les spectre résultants peut être suffisamment différents pour que leur intégration, situant les couleurs, donne des valeurs trichromes différents au delà du seuil de discrimination de la vision humaine. Ce phénomène, appelé défaut de métamérisme, préoccupe les musées et restaurateurs de tableau. On change une lumière, pour un système plus moderne, de même température de couleur, et des repeints ou des restaurations, complètement invisibles jusque là, apparaissent.

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

Sensibilité à la différence de température de couleur

Le seuil à partir duquel un observateur ordinaire décèle une différence de température de couleur entre deux éclairants est d'environ 5,5 mireds (Le Grand 1972, p. 176).

Applications :

• Une fenêtre est éclairé par une lumière du jour indirecte, TC 6 700 K, soit 1 000 000÷6700= 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, pour compenser les différences de spectre et les particularités du local.

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 concenent les usages professionnels de la couleur spécifient plutôt des illuminants, qui définissent de façon bien plus précise le spectre d'émission.

Pour l'éclairage des plans de travail, l'éclairement lumineux recommandé varie avec la température de couleur.

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 proposent pour certaines lampes comme les fluorescentes différentes températures de couleur. On trouve donc sur ces lampes des indications regroupant à la fois l'indice de rendu de couleur (IRC) et la température de couleur, résumées dans un code à 3 chiffres. Le premier est le premier chiffre 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.

Astronomie

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.

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).
  • « 845-03-49 — 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

• Indice de rendu de couleur
• Mired
• Thermocolorimètre
• Colorimétrie
• Transfert de rayonnement