Chromaticité – Qualité de la couleur de la lumière indépendante de la luminance

La chromaticité est une pierre angulaire de la science de la couleur et de la photométrie, décrivant la qualité d’une couleur telle que perçue par les humains—spécifiquement en termes de teinte et de saturation, indépendamment de la luminance (brillance). Cette distinction permet une spécification, une comparaison et une reproduction précises des couleurs, quel que soit l’aspect clair ou foncé d’une couleur. La chromaticité est centrale dans les applications d’éclairage, de technologie d’affichage, de fabrication et de recherche scientifique.

Fondements théoriques

Théorie trichromatique et fonctions d’adaptation des couleurs

La vision des couleurs humaines repose sur la réponse de trois types de cônes dans la rétine, chacun sensible à différentes parties du spectre visible. La théorie trichromatique constitue la base de la représentation de toute couleur comme un mélange de trois primaires. Grâce à des expériences d’ajustement de couleurs, des fonctions d’adaptation des couleurs (CMF) standardisées ont été dérivées, quantifiant la réponse moyenne humaine aux couleurs spectrales. Ces fonctions sous-tendent le système colorimétrique CIE.

La CIE définit un observateur standard (initialement avec un champ de vision de 2° en 1931, étendu à 10° en 1964 puis affiné en 2015) basé sur une grande quantité de données psychophysiques. Grâce à l’observateur standard et aux CMF, la couleur de toute lumière peut s’exprimer sous forme de valeurs tristimulus (X, Y, Z), calculées comme des intégrales pondérées de la distribution spectrale de puissance de la lumière.

[ X = k \int \Lambda(\lambda) \overline{x}(\lambda) d\lambda ] [ Y = k \int \Lambda(\lambda) \overline{y}(\lambda) d\lambda ] [ Z = k \int \Lambda(\lambda) \overline{z}(\lambda) d\lambda ]

Les coordonnées de chromaticité sont ensuite obtenues en normalisant ces valeurs :

[ x = \frac{X}{X + Y + Z} ] [ y = \frac{Y}{X + Y + Z} ]

Ce processus élimine la composante luminance (Y), isolant la teinte et la saturation de la couleur.

Diagrammes de chromaticité

Les diagrammes de chromaticité sont des graphiques bidimensionnels qui représentent toutes les couleurs perceptibles selon leurs coordonnées de chromaticité. Les plus utilisés sont ceux définis par la Commission Internationale de l’Éclairage (CIE).

Diagramme de chromaticité CIE 1931 (x, y)

Le diagramme CIE 1931 (x, y) est la représentation classique de la chromaticité. Il affiche toute la gamme des couleurs visibles pour l’observateur standard sous forme d’une région en fer à cheval. Le bord courbe—le locus du spectre—correspond aux couleurs spectrales pures, tandis que la ligne pourpre relie les extrêmes.

Le point blanc (x, y) = (0,333, 0,333) est indiqué. La frontière en fer à cheval est le locus du spectre de la lumière monochromatique.

Le diagramme inclut :

• Les points blancs (ex : Illuminant E, D65) comme références
• Le locus de Planck retraçant les radiateurs de corps noir et définissant la température de couleur corrélée (CCT)
• Les régions de chromaticité pour les couleurs standard et la conformité réglementaire

Échelles de chromaticité uniformes

Le diagramme CIE 1931 n’est pas uniforme perceptivement—des distances égales ne correspondent pas à des différences de couleur perçues égales. La CIE a répondu à cela avec des diagrammes améliorés :

• Diagramme CIE 1960 (u, v) : Utilisé pour la CCT et Duv, désormais essentiellement historique.
• Diagramme CIE 1976 (u’, v’) UCS : Offre une meilleure uniformité perceptive, ce qui le rend préférable pour définir des tolérances de couleurs et le tri des LED. Les ellipses de MacAdam (régions d’indiscernabilité des différences de couleur) deviennent quasiment circulaires dans ce diagramme.
• CIE 2015 (s, t) UCS : Basé sur un observateur à 10° pour un meilleur ajustement des couleurs sur de grandes surfaces, notamment en éclairage architectural.

Chromaticité, teinte, saturation et luminance

La chromaticité caractérise la teinte d’une couleur (la nuance, comme le rouge ou le vert) et sa saturation (intensité ou pureté), mais pas la luminance (brillance). Cette distinction est cruciale en science de la couleur :

Par exemple, le blanc, le gris et le noir ont tous la même chromaticité mais diffèrent en luminance. Deux sources lumineuses avec les mêmes coordonnées de chromaticité apparaîtront comme la même couleur ; seule leur brillance différera.

Calcul et mesure

Détermination étape par étape de la chromaticité

1. Mesurer la distribution spectrale de puissance (SPD) :
   Utilisez un spectroradiomètre pour capturer l’intensité lumineuse à chaque longueur d’onde.

2. Appliquer les fonctions d’adaptation des couleurs de la CIE :
   Intégrez la SPD avec les CMF pour calculer les valeurs tristimulus ((X, Y, Z)).

3. Normaliser pour obtenir les coordonnées de chromaticité :
   Calculez (x, y) (ou leurs équivalents sur d’autres diagrammes) pour représenter la chromaticité.

4. Tracer sur le diagramme de chromaticité :
   Visualisez la couleur et comparez-la aux standards.

Instruments

• Spectroradiomètres : Fournissent des mesures SPD très précises.
• Colorimètres : Utilisent des filtres pour approximer les fonctions CIE pour des mesures plus rapides, mais moins précises.

Tolérances de chromaticité et ellipses de MacAdam

Les ellipses de MacAdam définissent des régions sur un diagramme de chromaticité à l’intérieur desquelles les différences de couleur sont visuellement indétectables. Elles sont essentielles pour :

• Le contrôle qualité et la fabrication
• La définition des tolérances de couleur pour les LED et les écrans
• La conformité réglementaire (ex : normes ANSI, CEI)

Dans les diagrammes uniformes perceptivement (ex : CIE 1976 UCS), ces ellipses sont quasiment circulaires, ce qui simplifie la définition des tolérances.

Applications et cas d’usage

Technologie d’éclairage

La chromaticité est essentielle pour spécifier et trier (binning) les LED, lampes et luminaires afin d’assurer la constance des couleurs. Des normes comme ANSI C78.377 définissent les groupes de chromaticité pour les températures de couleur corrélées (CCT) courantes. Les données de chromaticité garantissent que les remplacements de lampes correspondent aux installations existantes.

Technologie d’affichage

La chromaticité définit le gamut de couleurs (étendue des couleurs) des écrans. L’étalonnage et le contrôle qualité reposent sur des mesures de chromaticité pour garantir une reproduction fidèle des couleurs. Les moniteurs professionnels, projecteurs et caméras utilisent les données de chromaticité pour maintenir la précision des couleurs.

Signalisation lumineuse et sécurité

Les feux de circulation, balises aéronautiques et signaux d’urgence doivent respecter des régions de chromaticité strictes, garantissant leur reconnaissance facile et fiable en toutes circonstances. Les normes réglementaires spécifient ces régions pour la sécurité.

Rendu des couleurs et métamérisme

Deux sources lumineuses peuvent avoir la même chromaticité mais différer dans leur rendu des couleurs d’objets si leurs spectres diffèrent—un phénomène appelé métamérisme. La chromaticité est donc combinée à des indices tels que l’Indice de Rendu des Couleurs (IRC) et l’IES TM-30 pour une évaluation complète de la qualité de la lumière.

Indicateurs de qualité de la couleur

• Température de couleur corrélée (CCT) : Quantifie la « chaleur » ou la « froideur » d’une lumière blanche, dérivée de la chromaticité.
• Duv : Mesure l’écart par rapport au blanc idéal sur le locus de Planck.

Évolution des standards de chromaticité

L’évolution continue des systèmes de chromaticité reflète une compréhension plus profonde de la vision humaine et de la perception des couleurs, menant à un contrôle des couleurs toujours plus précis et robuste dans tous les secteurs.

Résumé

La chromaticité est un concept fondamental pour spécifier et contrôler la qualité des couleurs en science, technologie et industrie. En caractérisant la couleur uniquement en termes de teinte et de saturation, indépendamment de la luminance, la chromaticité permet une spécification, une comparaison et une reproduction précises des couleurs dans une multitude d’applications—de l’éclairage et des écrans à la fabrication et à la signalisation de sécurité. L’évolution des standards de chromaticité a accompagné les progrès de la science de la couleur, garantissant que les produits et les environnements répondent à des exigences toujours plus élevées en matière de constance et de qualité des couleurs.

Termes associés : Colorimètre , Luminance , Indice de Rendu des Couleurs (IRC) , Spectroradiomètre , Métamérisme