Evaluación visual del color en una cabina de luz

1. Normalisation de l'évaluation visuelle des couleurs

La perception des couleurs dépend de l'expérience personnelle ainsi que de l'éclairage et des conditions d'observation environnantes. Comme les conditions ambiantes sont très variables et pas du tout cohérentes, il est nécessaire de normaliser les situations d'éclairage courantes. L'éclairage doit être facilement commutable afin d'observer et d'éviter ce que l'on appelle le « métamérisme », c'est-à-dire les différences de correspondance des couleurs lorsque les conditions d'éclairage changent. Afin de garantir des conditions d'essai et d'évaluation fiables, des normes internationales spécifient des procédures d'essai définissant les composants suivants. (1)(2)(6)(7)(10)(12)(13)

1.1 Observateur

L'observateur doit avoir une vision normale des couleurs et doit être correctement formé à l'évaluation des couleurs. Pour éviter la fatigue oculaire, la décision de couleur doit être prise en quelques secondes. De plus, de petites pauses doivent être prises entre les évaluations. Comme les gens décrivent la couleur différemment, l'ordre suivant doit être utilisé pour la communication et la documentation de la couleur :
Teinte ? Chromaticité ? Clarté.

1.2 Objet

Les spécimens doivent être plats et uniformes en termes de couleur, de brillance et de texture de surface. L'étalon et l'échantillon doivent être placés l'un à côté de l'autre sans aucune distance entre eux et être inversés de temps à autre. La taille d'échantillon préférée est d'environ 10 cm à 15 cm. La distance de visualisation entre les yeux et l'échantillon doit être de 50 cm. Cette distance correspond à un champ de vision de 10°.

1.3 Environnement

Le champ visuel entourant immédiatement le spécimen ainsi que le champ visuel ambiant, utilisé pour laisser reposer les yeux de l'observateur, sont d'une grande importance pour l'évaluation des couleurs. L'intérieur de la cabine de lumière doit avoir une surface gris mat et l'évaluateur doit porter des vêtements de couleur neutre pour éviter les reflets chromatiques gênants.

1.4 Illuminant

Le champ visuel entourant immédiatement le spécimen ainsi que le champ visuel ambiant, utilisé pour laisser reposer les yeux de l'observateur, sont d'une grande importance pour l'évaluation des couleurs. L'intérieur de la cabine de lumière doit avoir une surface gris mat et l'évaluateur doit porter des vêtements de couleur neutre pour éviter les reflets chromatiques gênants.

2. Termes de caractérisation de la lumière

La lumière est un rayonnement électromagnétique dans une certaine partie du spectre électromagnétique. Le mot lumière fait généralement référence à un rayonnement visible par l'œil humain (longueur d'onde : 400 nm à 700 nm). Afin de caractériser la lumière émise par une source lumineuse plusieurs termes sont utilisés : température de couleur (CT) et température de couleur corrélée (CCT), indice de rendu des couleurs (IRC Ra) ainsi que distribution de puissance spectrale (SPD) et indice de métamérisme MI_VIS.

2.1 Température de couleur (CT) et température de couleur corrélée (CCT)

Le concept de température de couleur est basé sur le fait que la couleur d'un objet change lorsqu'il est chauffé car le rayonnement émis change. Selon ISO/CIE 10526:1991 (E), une température de couleur Tc est définie comme "la température d'un radiateur de Planck dont le rayonnement a la même chromaticité que celle d'un stimulus donné". Expliqué simplement, la température de couleur est une température décrivant les caractéristiques de couleur de la lumière visible basée sur la température d'un corps noir planckien. La figure 1 montre l'espace de chromaticité CIE x,y. La ligne noire dans le graphique représente les valeurs de chromaticité des sources lumineuses à corps noir de différentes températures. (8)(11)(12)(13)
La température de couleur est généralement exprimée en Kelvins (K). L'échelle Kelvin est une mesure de température absolue (0°C=273K). Les températures de couleur supérieures à 5000K sont définies comme des couleurs froides, avec des nuances de blanc bleuté, tandis que les températures de couleur inférieures (2700K – 3000K) sont définies comme des couleurs chaudes, avec des nuances de jaune et de rouge. La plupart des sources de lumière naturelle (par exemple, le soleil, les étoiles) suivent de très près le locus planckien. Lorsque des sources doivent être décrites, qui n'émettent pas de lumière correspondant exactement au radiateur du corps noir, le terme température de couleur corrélée est utilisé. Selon ISO/CIE 10526 : 1991 (E), une température de couleur corrélée, Tcp est définie comme « la température du radiateur de Planck dont la couleur perçue ressemble le plus à celle d'un stimulus donné à la même luminosité et dans des conditions d'observation spécifiées ». (1)(2)(8)(12)(13)

2.2 Distribution de puissance spectrale

La couleur et la température de couleur ne sont pas des paramètres uniques pour décrire une source lumineuse. Deux sources lumineuses avec les mêmes coordonnées de chromaticité xy et la même température de couleur peuvent avoir une caractéristique spectrale différente et, par conséquent, créer des impressions de couleur différentes. Ainsi, la manière la plus précise de caractériser une source lumineuse ou un illuminant est par leur courbe de distribution spectrale de puissance (en abrégé : courbe SPD). (1)(2)(6)(8)(10)(12)(13)
La courbe montre le flux radiant (quantité d'énergie) émis par la source lumineuse à différentes longueurs d'onde sur le spectre visible. La courbe SPD est normalisée à la longueur d'onde de 560 nm afin que l'évaluation soit indépendante du niveau absolu d'éclairage.

2.3 Indice de rendu des couleurs - IRC

L'indice de rendu des couleurs est une mesure quantitative d'une source lumineuse et de sa capacité à révéler les couleurs des objets par rapport à une source lumineuse idéale ou naturelle. Le terme IRC est souvent utilisé sur les produits d'éclairage disponibles dans le commerce. Par définition appropriée, il devrait être appelé Ra - l'indice général de rendu des couleurs, ou Ri - l'indice spécial de rendu des couleurs, correspondant au nombre d'échantillons de couleur de test qui sont évalués.
L'IRC est calculé en comparant le rendu des couleurs de la source de test à celui d'une source définie. Pour les sources de test avec un CCT inférieur à 5000K, un radiateur à corps noir est utilisé comme source définie. Pour les sources de test au-dessus de 5000K, la lumière du jour (illuminants D) est utilisée. Le calcul détaillé de Ri et Ra est expliqué dans le rapport technique de la CIE 13.3-1995. [4] La méthode de test utilise un ensemble de huit (Ra) ou quatorze (Ri) échantillons de couleur de test CIE-1974 d'une première édition du Munsell Atlas. Les huit premiers échantillons sont modérés en saturation, couvrent le cercle de teinte et ont approximativement la même luminosité. Les six autres échantillons fournissent des informations supplémentaires sur les propriétés de rendu des couleurs de la source lumineuse.

2.4 Index de Métamérisme – MI

La publication CIE 51.2 décrit une méthode pour évaluer la qualité des sources de lumière du jour. Pour le domaine visible, la méthode utilise cinq paires d'échantillons théoriques, où chaque paire est constituée de l'échantillon standard et métamérique avec un MIVIS = 0 pour l'illuminant standard D65. Plus le décalage entre le MI_VIS de l'illuminant standard et le MI_VIS de la source simulant la lumière du jour est élevé, plus la qualité de la source lumineuse est mauvaise. (5)(14)(13)
Conformément à MI_VIS pour le domaine visible, la CIE a également défini MI_UV pour le domaine fluorescent, avec trois paires d'échantillons métamériques théoriques. Les formules pour MI_VIS et MI_UV sont présentées ci-dessous dans la figure 2. Où ΔE_i (L*a*b*) et ΔE_j (L*a*b*) sont les différences de couleur entre la i^ième et la j^ième paire de métamères.

La classification des MI_VIS et des MI_UV se fait selon le tableau suivant:

Comme il n'y a pas de sources lumineuses D65 réelles disponibles, le défi consiste à développer un simulateur D65 aussi proche que possible de l'illuminant CIE D65. La qualité d'un simulateur est objectivement évaluée avec l'indice de métamérisme CIE MI_VIS, correspondant aux classes de qualité A à E, la classe A étant la simulation la plus précise.

Figure 1

Figure 2

3. Simulating CIE illuminants by artifical light sources

3.1 Definition light source and illuminant

When speaking about light sources and illuminants it is important to know what the difference between these two terms is. A simple and proper explanation comes from “Billmeyer and Saltzmann”, where a light source is explained as “Physically realizable light, whose spectral power distribution can be experimentally determined”. An illuminant is defined as a “Light defined by a relative spectral power distribution that may or may not be physically realizable as a source.”
The CIE (Commission Internationale de l’Éclairage) defined a number of SPD curves to provide reference spectra for colorimetric applications, the so-called CIE standard illuminants.

3.2 CIE standard illuminant A

Standard illuminant A was introduced by the CIE in 1931 and represents an incandescent tungsten filament lamp. Its relative SPD is that of a Planckian radiator at an approximate temperature of 2856K. To simulate standard illuminant A in a light booth, conventional light bulbs or nowadays quartz tungsten halogen lamps (CT˜3000K) are used (Figure 3).

3.3 CIE standard illuminant series F 

CIE defined 12 fluorescent lamp types, named F1 to F12, classified into three groups. They differ in the bandwidth and wavelength peak of their emission spikes. Consequently, different color rendering indices and color temperatures are achieved.

Among these twelve, F2 and F11 are most commonly used in the industry. F2, also named “CWF” (cool white fluorescent) has a CT of about 4000K and a CRI Ra ˜ 60. F11, also known under TL84, has a CT of about 4000K and a CRI Ra > 85. To simulate standard illuminant F series in a light booth, commercially available fluorescent tubes are used (Figure 4). [11] [16][17]

3.4 CIE standard illuminant D65

In 1964 CIE defined a series of daylight illuminants by numerous measurements of real daylight shown in the below table. Out of 622 measurements, the theoretical SPD curves of daylight from 330nm until 700nm were constructed.  CIE standard illuminant D65 is the most important representation of an average daylight at 6504K corresponding to a midday light in Western/Northern Europe, comprising both direct sunlight and the light diffused by a clear sky including UV component.

Figure 3 Simulation of CIE standard illuminant A with tungsten halogen lamp in byko-spectra pro

Figure 4 Simulation of CIE illuminants F2 and F11 with fluorescent tubes in byko-spectra pro

4. Simulation of D65 in a light booth

In order to simulate daylight, different types of light sources are used in commercially available light booths and luminaires for visual appraisals. Depending on how good the match between artificial light source and standard illuminant CIE D65 is, a sample pair can look very different.
In the following example, a sample pair is evaluated in light booth 1 with fluorescent tubes with a CT of about 6500K and a CRI Ra of about 96. The daylight simulation is an approximation of the CIE defined D65 with CIE MIVIS  Class B quality level (see Chapter 2.4). The difference between this sample pair is very significant under these evaluation conditions (Figure 5).
Next, the sample pair is evaluated in light booth 2, byko-spectra pro, using halogen lamps with a specially developed blue filter glass combined with an LED array. This combination creates an excellent simulation of CIE D65 without any spikes (see blue curve in Figure 6) resulting in a CIE MIVIS quality class A. Under these conditions our sample pair will show only a small difference like under natural daylight.

Figure 5 Daylight simulation with fluorescent tube

Figure 6 Daylight simulation with byko-spectra pro patented lighting setup

5. Summary: Best in class daylight with light booth byko-spectra pro

BYK-Gardner’s new light booth byko-spectra pro masters the challenge of bringing true daylight into the lab by a smart combination of filtered halogen lamps and an LED array. This combination guarantees best in class daylight simulation – tested according to CIE.
Additionally, the built-in sensors in the light booth permanently control the lamp performance and automatically adjust the voltage to guarantee lamp stability. In order to control the lamp condition and trigger lamp replacement, the actual color temperature, light intensity and lamp-operation-time are shown on the display of the light booth. To reduce maintenance interval, the class A daylight lifetime is extended to 600 hours.
Depending on a product’s usage, color needs to match under a variety of illuminations. To be prepared for metamerism the light booth byko-spectra pro offers daylight simulation with class A performance (D65), incandescent lighting (A), three fluorescent illuminants (CWF, TL84, U30) and a UV light for evaluation of fluorescent samples.
As diffused light is essential in the evaluation of solid colors, diffuser panels mix the light to ensure uniform lighting over the entire inspection field. To comply with international standards, the interior walls are painted with a matte light grey color to eliminate influence of the surrounding on the observer.
Technical performance is not the only key criteria for a light booth. Efficient and comfortable operation also play an important role for the user. The large color display not only allows the switching of illuminants, but also enables an easy menu guided operation. The included remote control allows switching illuminants from a distance of up to 10 m. An Auto Sequence Mode progresses automatically through a user-defined sequence of illuminants for hands free operation.
byko-spectra pro is available as a regular light booth and as luminaires. The luminaires can be hung from the ceiling as a set or as multiple units to outfit an entire color harmony room to evaluate system components or complete products, e.g. car bodies. Luminaires also have the same class A illumination specifications as the light booth, ensuring the needed precision in visual color appraisals.