Évaluation visuelle des couleurs dans une cabine de lumière

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.

Image 1 Locus de Planck illustré dans lespace de chromaticité CIE x,y

Image 2 Calcul des indices de métamérisme MI_VIS et MI_UV

3. Simulation d'illuminants CIE par des sources lumineuses artificielles

3.1 Définition source lumineuse et illuminant

Lorsque l'on parle de sources lumineuses et d'illuminants, il est important de savoir quelle est la différence entre ces deux termes. Une explication simple et appropriée vient de "Billmeyer et Saltzmann", où une source lumineuse est expliquée comme "une lumière physiquement réalisable, dont la distribution de puissance spectrale peut être déterminée expérimentalement". Un illuminant est défini comme une "lumière définie par une distribution de puissance spectrale relative qui peut ou non être physiquement réalisable en tant que source".
La CIE (Commission Internationale de l'Éclairage) a défini un certain nombre de courbes SPD pour fournir des spectres de référence pour les applications colorimétriques, les illuminants dits standards CIE.

3.2 Norme CIE illuminant A

L'illuminant standard A a été introduit par la CIE en 1931 et représente une lampe à incandescence à filament de tungstène. Son SPD relatif est celui d'un radiateur planckien à une température approximative de 2856K. Pour simuler l'illuminant standard A dans une cabine de lumière, des ampoules classiques ou de nos jours des lampes halogène tungstène quartz (CT˜3000K) sont utilisées (Figure 3).

3.3 Norme CIE illuminant séries F

La CIE a défini 12 types de lampes fluorescentes, nommées F1 à F12, classées en trois groupes. Ils diffèrent par la bande passante et le pic de longueur d'onde de leurs pics d'émission. Par conséquent, différents indices de rendu des couleurs et températures de couleur sont obtenus.

Parmi ces douzes, F2 et F11 sont les plus couramment utilisés dans l'industrie. F2, aussi nommé « CWF » (cool white fluorescent) a un CT d'environ 4000K et un IRC Ra ˜ 60. F11, aussi connu sous TL84, a un CT d'environ 4000K et un CRI Ra > 85. Pour simuler l'illuminant standard série F dans une cabine lumineuse, des tubes fluorescents disponibles dans le commerce sont utilisés.

3.4 Norme Illuminant CIE D65

En 1964, la CIE a défini une série d'illuminants de lumière du jour par de nombreuses mesures de la lumière du jour réelle indiquées dans le tableau ci-dessous. Sur 622 mesures, les courbes SPD théoriques de la lumière du jour de 330 nm à 700 nm ont été construites. L'illuminant standard CIE D65 est la représentation la plus importante d'une lumière du jour moyenne à 6504K correspondant à une lumière de midi en Europe de l'Ouest/du Nord, comprenant à la fois la lumière directe du soleil et la lumière diffusée par un ciel clair comprenant une composante UV.

Image 3 Simulation de lilluminant en norme A avec lampe tungstène dans la byko-spectra pro

Image 4 Simulation des illuminants F2 & F11 avec des tubes fluorescents dans la byko-spectra pro

4. Simulation du D65 dans une cabine de lumière

Afin de simuler la lumière du jour, différents types de sources lumineuses sont utilisés dans des cabines lumineuses et des luminaires sont disponibles dans le commerce pour des évaluations visuelles. Selon la qualité de la correspondance entre la source de lumière artificielle et l'illuminant standard CIE D65, une paire d'échantillons peut être très différente.
Dans l'exemple suivant, une paire d'échantillons est évaluée dans la cabine lumineuse 1 à l’aide de tubes fluorescents avec un CT d'environ 6500K et un IRC Ra d'environ 96. La simulation de la lumière du jour est une approximation du D65 défini par la CIE avec le niveau de qualité CIE MIVIS Classe B (voir chapitre 2.4). La différence entre ce couple d'échantillons est très significative dans ces conditions d'évaluation (Figure 5).
Ensuite, la paire d'échantillons est évaluée dans la cabine lumineuse 2, byko-spectra pro, en utilisant des lampes halogènes avec un verre filtrant bleu spécialement développé, combiné à une matrice de LEDs. Cette combinaison crée une excellente simulation de CIE D65 sans aucuns piques (voir la courbe bleue de la figure 6), qui en résulte un niveau de qualité CIE MIVIS Classe A. Dans ces conditions et comme sous la lumière naturelle du jour, la paire d'échantillons ne montrera qu'une infime différence.

Image 5 Simulation de la lumière du jour avec tube fluorescent

Image 6 Simulation de la lumière du jour avec lampes halogènes filtrées avec et sans LED

5. Résumé

La nouvelle cabine de lumière byko-spectra pro de BYK-Gardner relève le défi d'apporter la vraie lumière du jour dans le laboratoire grâce à une combinaison intelligente de lampes halogènes filtrées et une matrice de LED. Cette combinaison garantit la meilleure simulation de la lumière du jour de sa catégorie - testée selon le CIE.
De plus, les capteurs intégrés dans la cabine lumineuse contrôlent en permanence les performances de la lampe et ajustent automatiquement la tension pour garantir la stabilité de la lampe. Afin de contrôler l'état de la lampe et de déclencher le remplacement de la lampe, la température de couleur réelle, l'intensité lumineuse et le temps de fonctionnement de la lampe sont affichés sur l'écran de la cabine lumineuse. Pour réduire l'intervalle de maintenance, la durée de vie de classe A à la lumière du jour est étendue à 600 heures.
Selon l'utilisation d'un produit, la couleur doit correspondre sous une variété d'illuminations. Pour se préparer au métamérisme, la cabine lumineuse byko-spectra pro offre une simulation de la lumière du jour avec des performances de classe A (D65), un éclairage incandescent (A), trois illuminants fluorescents (CWF, TL84, U30) et une lumière UV pour l'évaluation des échantillons fluorescents.
Comme la lumière diffuse est essentielle dans l'évaluation des couleurs unies, les panneaux diffuseurs mélangent la lumière pour assurer un éclairage uniforme sur l'ensemble du champ d'inspection. Pour se conformer aux normes internationales, les murs intérieurs sont peints avec une couleur gris clair mat pour éliminer l'influence de l'environnement sur l’observateur.
La performance technique n'est pas le seul critère clé d'une cabine lumineuse. Un fonctionnement efficace et confortable joue également un rôle important pour l'utilisateur. Le grand écran couleur permet non seulement la commutation des illuminants, mais offre également une utilisation facile guidée par menu. La télécommande incluse permet de commuter les illuminants à une distance allant jusqu'à 10 m. Un mode de séquence automatique progresse automatiquement à travers une séquence d'illuminants définie par l'utilisateur pour un fonctionnement mains libres.
byko-spectra pro est disponible sous forme de cabine d'éclairage standard et de luminaires (Figure 7 et 8). Les luminaires peuvent être suspendus au plafond en tant qu'ensemble ou en tant qu'unités multiples pour équiper toute une pièce d'harmonie des couleurs afin d'évaluer les composants du système ou des produits complets, par ex. carrosseries de voitures. Les luminaires ont également les mêmes spécifications d'éclairage de classe A que la cabine d'éclairage, garantissant la précision nécessaire dans les évaluations visuelles des couleurs.