Mesure de couleur

La colorimétrie est toujours une mesure spectrale

Parmi le spectre des ondes électromagnétiques, l'œil humain peut percevoir l'énergie lumineuse visible dans la gamme des longueurs d'onde de 380 nm à 780 nm environ. En plus de la perception de la clarté et de l'obscurité (luminosité), les détecteurs dans l'œil sont capables de distinguer des stimuli en trois couleurs : bleu, vert et rouge. Les stimuli de couleur numériques sont déterminés par les valeurs classées selon les longueurs d'onde visibles conformément à des procédures normalisées. Ces valeurs simulent ce qui serait généré dans un « œil humain standard » défini dans des conditions normalisées. L'impression de couleur est formée dans le système sensoriel humain en reliant ces trois stimuli avec les caractéristiques optiques de la surface des échantillons. L'objectif de la mesure des couleurs (colorimétrie) est de décrire l'effet de couleur (« chromaticité ») des échantillons indépendamment de l'impression de couleur subjective de l'observateur individuel par le biais de nombres objectifs.

Formation de la couleur

Formation de l'impression de couleur

L'impression de couleur qu'obtient un observateur auprès d'un échantillon dépend de trois facteurs interdépendants.

1. Source de lumière

Des sources de lumière différentes (par ex. lumière du jour, lampe à incandescence) présentent des distributions d'énergie spectrale différentes (couleur et intensité) et génèrent ainsi un éclairage différent de l'échantillon.

2. Échantillon

La composition de l'échantillon est essentielle pour déterminer les fractions d'absorption, de transmission et de réflexion de la lumière incidente provenant de la source lumineuse. Par conséquent, la composition spectrale de la lumière réfléchie et/ou transmise qui atteint finalement l'œil de l'observateur est modifiée par l'échantillon.

3. Observateur

Du fait de la différence de sensibilité des trois récepteurs photosensibles dans la rétine, la perception des couleurs varie légèrement entre les observateurs individuels, même ayant une vision normale. En vue de déterminer une mesure objective de la modification spectrale due à l'échantillon (c'est-à-dire « l'effet couleur » de l'échantillon), il est nécessaire de déterminer l'influence à la fois de l'éclairage et de l'observateur individuel.

Des illuminants standard et deux « observateurs de référence » ont été définis à cet effet au niveau international. Par conséquent, il convient que toutes les valeurs chromatiques calculées fassent référence à ces facteurs en se basant sur leur écart normalisé. Pour cette raison, les numéros de couleurs objectifs doivent toujours être accompagnés par la spécification de l'illuminant standard et de l'observateur de référence pour lesquels ces valeurs chromatiques doivent être calculées. Cela est généralement réalisé au moyen d'un réglage correspondant dans le logiciel de l'appareil.
Coordonnées trichromatiques
Coordonnées trichromatiques XYZ

L'œil possède trois types de récepteurs de couleur (les cônes) sur la rétine. Ceux-ci diffèrent par leur sensibilité spectrale. Alors qu'un type de cône est particulièrement sensible au rouge-orange (X), les deuxième et troisième types sont respectivement plus sensibles au vert (Y) et au bleu (Z).

Cela a servi de base pour la définition d'un « œil humain normal » normalisé ayant des sensibilités spectrales définies (fonctions de valeur spectrale standard) pour trois récepteurs pour un angle d'observation défini. Cette définition a été établie en 1931 pour l'observateur de référence 2° CIE et en 1964 pour l'observateur de référence 10°, le plus couramment utilisé actuellement. Cela définition généralement acceptée des stimuli de couleur constitue la base pour la majorité des autres systèmes de coordonnées de couleurs. Par le biais de transformations appropriées, les coordonnées trichromatiques peuvent être converties en autres coordonnées de couleurs dérivées (par ex. CIE Lab, Hunter Lab, CIE LCh) qui définissent les couleurs et les différences de couleur pouvant être mieux comprises par l'homme qu'avec des coordonnées XYZ.
Sous éclairage normalisé
Une surface plus grande, non brillante et uniformément colorée stimule dans un environnement neutre
Observé sous un angle spatial de 2°
Dans 3 récepteurs avec sensibilité spectrale normalisée
Coordonnées trichromatiques XYZ
Observateur

Observateur de référence

En vue de pouvoir intégrer d'une manière contrôlée la nature de la perception humaine dans un résultat de mesure, il était nécessaire de définir une norme pour la vision humaine. Cette vision normalisée a ainsi été définie dans les observateurs dits de référence CIE.
Tout d'abord, l'observateur de référence est fondé sur le principe selon lequel l'observateur perçoit les couleurs sans aucune interférence. De plus, la CIE a tenu compte du fait que les humains perçoivent les couleurs plus exactement dans l'œil si les couleurs empiètent dans la région de la fovéa (fovea centralis).

Du fait que cette région, pour une distance d'observation standard d'un échantillon de couleur, s'écarte d'environ 2° de l'axe optique de l'œil, l'angle sous lequel l'observateur de référence voit a été défini comme étant exactement égal à ces 2°. Par conséquent, l'observateur dit de référence 2° CIE 1931 a été défini dès 1931.

Toutefois, l'œil voit les objets qui sont plus éloignés sous un angle différent. Un autre angle de vision standard a ainsi été défini en 1964, l'observateur de référence 10° CIE 1964, afin de tenir également compte de ces circonstances.
Illuminant
Illuminant standard

Étant donné que la couleur des objets semble différente pour différentes sources de lumière, le type de source lumineuse doit toujours être défini. Pour une définition sans équivoque des conditions d'éclairage lors de la détermination des couleurs, la composition spectrale de la source de lumière doit être connue.
Dans les mesures spectrales absolues, la source lumineuse réelle doit physiquement émuler l'un des illuminants standard définis. Dans les mesures spectrales relatives plus courantes (en comparaison d'une norme blanche), l'une des sources lumineuses standard être incluse dans le calcul des couleurs en tant que courbe de distribution d'énergie spectrale définie. Les coordonnées des couleurs ainsi calculées identifient alors les stimuli de couleur qui seraient générés par l'échantillon avec le réglage sélectionné de l'éclairage.

En 1931, la CIE a défini les premières normes des sources de lumière typiques, celles-ci incluant les illuminants standards A et C. Ces normes ont été étendues en 1964 pour inclure les illuminants standard plus couramment utilisés actuellement pour la lumière du jour à différentes températures de couleur, D55, D65, D75, etc.

Illuminant standard A = lumière incandescente normalisée (2 856 K)
Illuminant standard C = lumière du jour moyenne, sans fraction d'UV (6 750 K)
Illuminant standard C = lumière du jour moyenne, avec fraction d'UV (6 500 K)
Les illuminants standard D65 et D75 sont très couramment utilisés. Ils correspondent à la composition spectrale de la lumière du jour moyenne (température de couleur 6 500 K) ou d'une journée ensoleillée avec un ciel bleu (7 500 K) et prennent en considération la fraction d'UV correspondante de cette lumière.

De nos jours, l'illuminant D65 en combinaison avec l'observateur de référence 10° CIE 1964 est le plus couramment utilisé. Ceci est souvent utilisé comme réglage par défaut pour les calculs de couleurs à partir de données spectrales dans le logiciel correspondant.

L'observateur de référence sous-jacent doit également être spécifié dans les calculs de couleurs à partir d'une mesure spectrale ; il s'agit généralement d'un réglage du logiciel.
Géométrie

Géométries standard

La géométrie de mesure joue un rôle crucial dans la mesure et l'évaluation des échantillons de couleurs. Du fait des caractéristiques structurales et surfaciques des échantillons, le rayonnement incident réfléchi ou transmis dans diverses directions présente des différences spectrales. L'angle d'incidence et l'angle d'ouverture du faisceau des rayons d'éclairage ainsi que la direction et l'angle d'ouverture du rayonnement détecté par le détecteur ont un impact sur le résultat colorimétrique.

La CIE recommande quatre géométries de mesure pour la colorimétrie, celles-ci incluant les géométries 0°/45° et 45°/0°.

Géométrie de mesure 0°/45° :
Éclairage de l'échantillon sous 0°, mesure sous 45°

Géométrie de mesure 45°/0° :
Éclairage de l'échantillon sous 45°, mesure sous 0°

Dans la géométrie 45/0, le composant réfléchissant miroir est délibérément éliminé pour éviter la falsification du résultat de la mesure par la brillance. Des surfaces présentant une direction structurale privilégiée peuvent produire des résultats différents, suivant la position relative par rapport à la lumière incidente. Dans ces cas, il faut choisir une géométrie avec éclairage ou observation diffus.

La CIE recommande quatre géométries de mesure pour la colorimétrie, celles-ci incluant les géométries 0°/d et d/0°.
Dans ce contexte, d est l'abréviation de l'observation de la lumière qui est dispersée de manière diffuse par l'échantillon par l'intermédiaire de la paroi d'une sphère d'intégration, ou de l'éclairage diffus de l'échantillon au moyen d'une sphère d'intégration.

Géométrie de mesure 0°/d :
Éclairage de l'échantillon sous 0°, mesure sur la sphère

Géométrie de mesure d/0° :
Éclairage diffus de l'échantillon, mesure sous 0°

Selon la définition de la CIE, l'axe du faisceau de rayons doit être incliné au maximum de 10° par rapport à la normale de la surface lors d'un éclairage ou d'une observation perpendiculaire de l'échantillon.

Cela est rendu possible par la géométrie de mesure d/8° qui offre des avantages particuliers dans la mesure d'échantillons brillants ou structurés. L'observation de l'échantillon éclairé de manière diffuse sous un angle de 8° permet d'éliminer l'influence de la composante réfléchie par miroir des échantillons brillants en insérant un piège à faisceau dans la sphère d'intégration.

Géométrie de mesure d/8° :
Éclairage diffus de l'échantillon, mesure sous 8°
Espace colorimétrique

Espace colorimétrique CIE Lab

Mis à part le triangle des couleurs CIE, le système le plus couramment utilisé en application pratique est le système de perception presque vraie L*, a*, b* qui a été développé par Judd et Hunter et normalisé en 1976. Dans ce système, la valeur de L* indique la position sur l'axe de lumière obscurité, la de a* valeur indique la position sur l'axe rouge/vert et la valeur de b* indique la position sur l'axe jaune/bleu. Les coordonnées *, a*, b* sont directement corrélées aux valeurs de couleur standard X, Y et Z.

Triangle des couleurs CIE

Les trois coordonnées trichromatiques XYZ forment un système de coordonnées des couleurs. En vue de pouvoir représenter les couleurs individuelles d'une manière descriptive, les fractions de couleur rouge et vert normalisées x et y sont projetés dans un système de coordonnées plan (souvent appelé « semelle de chaussure » en raison de sa forme).

Cette représentation xy est indépendante de la luminosité de la coloration et produit toutes les couleurs d'objet qui peuvent être produites. De plus, elle permet de déterminer les longueurs d'onde des couleurs qui déclenchent un stimulus de couleur monochromatique. La ligne dite des pourpres, qui représente les reflets violacés entre le rouge et le bleu, est située dans la région la plus basse.

Un inconvénient des valeurs chromatiques xy est toutefois que les distances entre les couleurs dans ce système de coordonnées ne correspondent pas aux différences de couleur telles qu'elles sont perçues physiologiquement.

Autres espaces colorimétriques

Les systèmes de coordonnées et les algorithmes pour la détermination des différences de couleurs font l'objet d'un développement constant afin de refléter correctement les différences de couleur perçues au moyen des coordonnées de couleurs qui peuvent être mesurées. Les formules actuelles pour la détermination des différences de couleur (par ex. Delta E cmc, Delta E 2000) tiennent compte des dernières perspectives en physiologie de la vision des couleurs.

Les coordonnées des couleurs les plus couramment utilisées en application pratique continuent d'être celles du système CIE Lab de 1976. Cependant, quelques définitions dans certaines normes ISO et ASTM nécessitent parfois l'utilisation de systèmes de couleurs différents dans le calcul de certains paramètres.