Illuminant standard

Un illuminant standard est une source théorique de lumière visible avec un profil (sa distribution de puissance spectrale) qui est publié. Les illuminants standard fournissent une base pour comparer des images ou des couleurs enregistrées sous différents éclairages.

CIE illuminants
La Commission Internationale de l’Illumination (généralement abrégée CIE pour son nom français) est l’organisme responsable de la publication de tous les illuminants standard bien connus. Chacun d’eux est connu par une lettre ou par une combinaison de lettres et de chiffres.

Les illuminants A, B et C ont été introduits en 1931, avec l’intention de représenter respectivement la lumière incandescente moyenne, la lumière directe du soleil et la lumière du jour moyenne. Les illuminants D représentent les phases de la lumière du jour, l’illuminant E est l’illuminant à énergie égale, tandis que les illuminants F représentent des lampes fluorescentes de composition variée.

Il existe des instructions sur la façon de produire expérimentalement des sources de lumière (« sources standard ») correspondant aux anciens illuminants. Pour les plus récents (comme la série D), les expérimentateurs sont laissés à mesurer les profils de leurs sources et les comparent aux spectres publiés:

À l’heure actuelle, aucune source artificielle n’est recommandée pour réaliser l’illuminant normalisé CIE D65 ou tout autre illuminant D de CCT différent. On espère que les nouveaux développements dans les sources lumineuses et les filtres offriront finalement une base suffisante pour une recommandation de la CIE.

– CIE, Technical Report (2004) Colorimetry, 3ème édition, Publication 15: 2004, Bureau central de la CIE, Vienne
Néanmoins, ils fournissent une mesure, appelée Metamerism Index, pour évaluer la qualité des simulateurs de lumière du jour.L’indice de métamérisme vérifie dans quelle mesure cinq ensembles d’échantillons métamériques correspondent sous l’illuminant de test et de référence. D’une manière similaire à l’indice de rendu des couleurs, la différence moyenne entre les métamères est calculée.

Illuminant A
Le CIE définit l’illuminant A en ces termes:

L’illuminant normalisé A de la CIE est destiné à représenter un éclairage domestique typique à filament de tungstène. Sa puissance spectrale relative est celle d’un radiateur Planckien à une température d’environ 2856 K. L’illuminant standard CIE A doit être utilisé dans toutes les applications de colorimétrie impliquant l’utilisation d’un éclairage incandescent, sauf s’il existe des raisons spécifiques d’utiliser un illuminant différent.

– CIE, Illuminants standard CIE pour la colorimétrie
La sortie rayonnante spectrale d’un corps noir suit la loi de Planck:

Au moment de normaliser l’illuminant A, les deux  (qui n’affecte pas le SPD relatif) et  étaient différents. En 1968, l’estimation de c _{2 a} été révisée de 0,01438 m · K à 0,014388 m · K (et auparavant, elle était de 0,01435 m · K lorsque l’illuminant A était normalisé). Cette différence a déplacé le locus de Planckian, changeant la température de couleur de l’illuminant de sa valeur nominale de 2848 K à 2856 K:

Afin d’éviter d’autres changements possibles de la température de couleur, le CIE spécifie maintenant directement le SPD, en se basant sur la valeur originale de c2 (1931):

Les coefficients ont été sélectionnés pour atteindre un SPD maximal de 100 nm à 560 nm. Les valeurs tristimulus sont (X, Y, Z) = (109,85, 100,00, 35,58), et les coordonnées de chromaticité en utilisant l’observateur standard sont (x, y) = (0,447,58, 0,407,45).

Illuminants B et C
Les illuminants B et C sont facilement simulés à la lumière du jour. Ils modifient l’illuminant A en utilisant des filtres liquides. B représentait la lumière du soleil de midi, avec une température de couleur corrélée (CCT) de 4874 K, tandis que C représentait la lumière du jour moyenne avec un CCT de 6774 K. Malheureusement, ce sont de mauvaises approximations de toute la lumière naturelle, en particulier dans la ondes courtes visibles et dans les plages spectrales ultraviolettes. Une fois les simulations plus réalistes réalisables, les Illuminants B & C ont été dépréciés en faveur de la série D :. Les cabinets d’éclairage, tels que le Spectralight III, qui utilisent des lampes à incandescence filtrées ont de meilleurs ajustements aux illuminants D dans la plage de 400 nm à 700 nm que les simulateurs de lumière du jour fluorescents.

L’illuminant C n’a pas le statut d’illuminant standard CIE mais sa distribution de puissance spectrale relative, ses valeurs tristimulus et ses coordonnées de chromaticité sont données dans les tableaux T.1 et T.3, car de nombreux instruments de mesure et calculs pratiques utilisent encore cet illuminant.

– CIE, Publication 15: 2004
L’illuminant B n’a pas été honoré en 2004.

Les filtres liquides, conçus par Raymond Davis, Jr. et Kasson S. Gibson en 1931, ont une absorbance relativement élevée à l’extrémité rouge du spectre, ce qui augmente efficacement le CCT de la lampe à incandescence à des niveaux de lumière du jour.Ceci est similaire à un gel de couleur CTO que les photographes et les cinéastes utilisent aujourd’hui, bien que beaucoup moins pratique.

Chaque filtre utilise une paire de solutions comprenant des quantités spécifiques d’eau distillée, de sulfate de cuivre, de mannite, de pyridine, d’acide sulfurique, de cobalt et de sulfate d’ammonium. Les solutions sont séparées par une feuille de verre incolore.Les quantités des ingrédients sont soigneusement choisies de sorte que leur combinaison donne un filtre de conversion de température de couleur; c’est-à-dire que la lumière filtrée est toujours blanche.

Illuminant série D
Dérivée par Judd, MacAdam et Wyszecki, la série D d’illuminants est construite pour représenter la lumière naturelle. Ils sont difficiles à produire artificiellement, mais sont faciles à caractériser mathématiquement.

HW Budde du Conseil national de recherches du Canada à Ottawa, HR Condit et F. Grum de Eastman Kodak Company à Rochester, New York, et ST Henderson et D. Hodgkiss de Thorn Electrical Industries à Enfield avaient mesuré indépendamment la distribution de puissance spectrale ( SPD) de la lumière du jour de 330 nm à 700 nm, totalisant 622 échantillons. Judd et al.analysé ces échantillons et trouvé que les coordonnées de chromaticité (x, y) avaient une relation simple et quadratique:

Simonds a supervisé l’analyse vectorielle caractéristique des SPD. L’application de sa méthode a révélé que les SPD pouvaient être approchés de manière satisfaisante en utilisant la moyenne (S0) et les deux premiers vecteurs caractéristiques (S1 et S2):

En termes plus simples, le SPD des échantillons de lumière du jour étudiés peut être exprimé comme la combinaison linéaire de trois SPD fixes. Le premier vecteur (S0) est la moyenne de tous les échantillons SPD, qui est le meilleur SPD reconstitué qui peut être formé avec seulement un vecteur fixe. Le second vecteur (S1) correspond à une variation jaune-bleu, ce qui explique les changements dans la température de couleur corrélée due à la présence ou à l’absence de nuages ​​ou à la lumière directe du soleil. Le troisième vecteur (S2) correspond à une variation rose-vert causée par la présence d’eau sous forme de vapeur et de trouble.

Pour construire un simulateur de lumière du jour d’une température de couleur corrélée particulière, il suffit de connaître les coefficients M1 et M2 des vecteurs caractéristiques S1 et S2.

Exprimer les chromaticités x et y comme:

et en utilisant les valeurs tristimulus connues pour les vecteurs moyens, ils ont été capables d’exprimer M1 et M2 comme suit:

Le seul problème est que cela n’a pas résolu le calcul de la coordonnée (x, y) pour une phase particulière de la lumière du jour.Judd et al. Il a simplement tabulé les valeurs de certaines coordonnées de chromaticité, correspondant aux températures de couleur corrélées couramment utilisées, telles que 5500 K, 6500 K et 7500 K. Pour d’autres températures de couleur, on pourrait consulter les chiffres de Kelly. Ce problème a été traité dans le rapport CIE qui formalisait l’illuminant D, avec une approximation de la coordonnée x en termes de température de couleur réciproque, valable de 4000 K à 25 000 K. La coordonnée y découlait trivialement de la relation quadratique de Judd.

Judd et al. puis étendu les SPD reconstitués à 300 nm-330 nm et 700 nm-830 nm en utilisant les données d’absorbance spectrale de la Lune de l’atmosphère terrestre.

Les SPD tabulés présentés par le CIE aujourd’hui sont dérivés par interpolation linéaire de l’ensemble de données à 10 nm jusqu’à 5 nm. La nature limitée des données photométriques ne constitue pas un obstacle au calcul des valeurs trichromiques CIEXYZ puisque les fonctions d’appariement des couleurs de l’observateur colorimétrique standard CIE ne sont totalisées que de 380 à 780 nm par incréments de 5 nm.

Des études similaires ont été entreprises dans d’autres parties du monde, ou en répétant l’analyse de Judd et al. Avec des méthodes de calcul modernes. Dans plusieurs de ces études, le locus de la lumière du jour est notablement plus proche du locus de Planckian que de Judd et al.

Calcul
La distribution de puissance spectrale relative (SPD)  d’un illuminant de série D peut être dérivé de ses coordonnées de chromaticité dans l’espace colorimétrique CIE 1931,  :

où T est le CCT de l’illuminant. Les coordonnées de chromaticité des illuminants D sont censées former le locus CIE Daylight. Le SPD relatif est donné par:

   
où  sont la moyenne et les deux premiers parafoudres à vecteurs propres, décrits ci-dessus. Les vecteurs caractéristiques ont tous deux un zéro à 560 nm, puisque tous les SPD relatifs ont été normalisés sur ce point.

Les CCT des illuminants canoniques, D50, D55, D65 et D75, diffèrent légèrement de ce que leurs noms suggèrent. Par exemple, D50 a un CCT de 5003 K (lumière « horizon »), alors que D65 a un CCT de 6504 K (lumière de midi). Comme expliqué dans une section précédente, c’est parce que la valeur des constantes dans la loi de Planck a été légèrement modifiée depuis la définition de ces illuminants canoniques, dont les SPD sont basés sur les valeurs originales de la loi de Planck. Afin de faire correspondre tous les chiffres significatifs des données publiées des illuminants canoniques, les valeurs de M1 et M2 doivent être arrondies à trois décimales avant le calcul de SD.

Illuminant E
L’illuminant E est un radiateur à énergie égale; il a un SPD constant dans le spectre visible. C’est utile comme référence théorique;un illuminant qui donne un poids égal à toutes les longueurs d’onde, présentant une couleur uniforme. Il a également des valeurs tristimulus CIE XYZ égales, donc ses coordonnées de chromaticité sont (x, y) = (1 / 3,1 / 3). C’est par conception; les fonctions de correspondance des couleurs XYZ sont normalisées de sorte que leurs intégrales sur le spectre visible sont les mêmes.

L’illuminant E n’est pas un corps noir, donc il n’a pas de température de couleur, mais il peut être approché par un illuminant de série D avec un CCT de 5455 K. (Parmi les illuminants canoniques, D55 est le plus proche). sources contre l’illuminant E pour calculer la pureté d’excitation.

Série d’illuminants F
La série F d’illuminants représente différents types d’éclairage fluorescent.

Les lampes fluorescentes « standard » F1-F6 sont constituées de deux émissions semi-large bande d’activations d’antimoine et de manganèse dans le luminophore halophosphate de calcium. F4 est particulièrement intéressant car il a été utilisé pour calibrer l’indice de rendu des couleurs CIE (la formule CRI a été choisie de telle sorte que F4 aurait un IRC de 51). F7-F9 sont des lampes fluorescentes à «large bande» (lumière à spectre complet) avec plusieurs luminophores et des IRC plus élevés. Enfin, F10-F12 sont des illuminants tri-bandes étroits constitués de trois émissions « à bande étroite » (provoquées par des compositions ternaires de luminophores de terres rares) dans les régions R, G, B du spectre visible. Les poids de luminophore peuvent être ajustés pour obtenir le CCT souhaité.

Les spectres de ces illuminants sont publiés dans la publication 15: 2004.

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  FL 1-6 : Standard

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  FL 7-9 : Haut débit

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  FL 10-12 : bande étroite

Série d’illuminants L
La publication d’une série d’illuminants L est prévue mi-2018. Il représentera différents types d’éclairage LED.

Point blanc

Le spectre d’un illuminant standard, comme tout autre profil de lumière, peut être converti en valeurs tristimulus. L’ensemble des trois coordonnées tristimulus d’un illuminant est appelé un point blanc. Si le profil est normalisé, le point blanc peut être exprimé comme une paire de coordonnées de chromaticité.

Si une image est enregistrée dans des coordonnées tristimulus (ou dans des valeurs qui peuvent être converties vers et à partir de celles-ci), le point blanc de l’illuminant utilisé donne la valeur maximale des coordonnées tristimulus qui seront enregistrées à n’importe quel point de l’image, l’absence de fluorescence. C’est ce qu’on appelle le point blanc de l’image.

Le processus de calcul du point blanc rejette une grande quantité d’informations sur le profil de l’illuminant, et donc bien qu’il soit vrai que pour chaque illuminant le point blanc exact peut être calculé, ce n’est pas le cas de connaître le point blanc d’un l’image seule vous en dit long sur l’illuminant qui a été utilisé pour l’enregistrer.

Une liste d’illuminants normalisés, leurs coordonnées de chromaticité CIE (x, y) d’un diffuseur parfaitement réfléchissant (ou transmetteur) et leurs températures de couleur corrélées (CCT) sont donnés ci-dessous. Les coordonnées de chromaticité CIE sont données pour le champ de vision à 2 degrés (1931) et le champ de vision à 10 degrés (1964). Les nuances de couleur représentent la teinte et le RVB de chaque point blanc, calculés avec la luminance Y = 0,54 et l’observateur standard, en supposant que l’étalonnage de l’affichage sRGB est correct.