Cet article vous explique comment est défini la température de couleur d’une lumière. Le point de départ est le corps noir et son spectre lumineux à une température donnée. Les coordonnées chromatiques (normalisation de la couleur) d’une source lumineuse sont calculées à partir de son spectre lumineux. La température de couleur corrélée de cette source peut ainsi être déduite.
Un corps noir est objet idéal en équilibre thermique (thermodynamique) qui absorbe tout le rayonnement qu’il reçoit. C’est pour cela qu’il est nommé corps noir car la couleur noire absorbe toute la lumière reçue.
Le corps noir chauffé à une certaine température T par une source de chaleur rayonne aussi de la lumière (à cause l’agitation thermique des atomes qui le constitue).
A l’équilibre thermique les émissions et absorption s’équilibrent et le rayonnement émis ne dépend que de sa température T. La température T est exprimée en Kelvin (rappel 0°C = 273K).
Le spectre lumineux émis par un corps noir en équilibre pour une température donnée T peut être calculé selon une formule découverte par Max Planck et portant le nom de loi de Planck. Le spectre lumineux représente la distribution de lumière en fonction de la longueur d’onde émise par le corps noir.
Les 2 lois à connaitre pour un corps noir :
1-Loi de Stephan: La puissance lumineuse émise P pour un corps noir de surface émettrice S à une température T :
avec la constante de Stefan-Boltzmann σ = 5,670 374 × 10−8 W m−2 K−4
2-Loi de Wien: Le pic d’émission maximum du spectre du corps noir λmax est donné par:
Par conséquent augmenter la température du corps noir conduit à émettre plus de puissance avec un pic d’émission qui possède une longueur d’onde plus faible (cf graphe).
Dans la vraie vie, il n’existe que peu d’objets se rapprochant du corps noir modèle idéal de physique. Les objets réels n’absorbent pas totalement la lumière ou ne sont pas en équilibre thermique.
Cependant un objet porté à une certaine température peut se rapprocher des caractéristiques du corps noir.
Les courbes ci-dessous montrent les comparaisons du spectre lumineux pour le soleil et une ampoule à incandescence versus un corps noir idéal.
Le spectre lumineux du soleil se rapproche très fortement de celui d’un corps noir à 5777K. En effet la température à la surface du soleil, la photosphère qui rayonne jusqu’à la Terre est de l’ordre de 5800K.
L’ampoule à incandescence qui a pour principe de chauffer un filament de tungstène par effet joule (passage d ‘un courant dans une résistance, le fil de tungstène) se rapproche du spectre du corps noir à 3000K selon la surface du filament. La température du filament approche ainsi les 3000K. Cette courbe permet de comprendre pourquoi l’efficacité énergétique des ampoules à incandescence est faible. En effet une très grande partie de la lumière émise ne se situe pas dans les longueurs d’onde visibles mais dans l’infra-rouge. Une grande partie de l’énergie fournie pour chauffer le filament est “gaspillée” en lumière non visible et inutile pour de l’éclairage résultant ainsi une faible efficacité énergétique.
Le corps humain régulé à 37°C (310K) émet lui aussi de la lumière. La puissance émise à cette température est beaucoup plus faible que pour le soleil ou une ampoule. De plus cette lumière est centrée dans l’infra-rouge (non visible). Cependant elle reste détectable avec des capteurs infra-rouge utilisés pour des applications militaires par exemple.
A partir du spectre lumineux de tout objet, on peut calculer dans un premier temps ses composantes trichromatiques X, Y, Z de couleurs primaires (RVB: rouge, vert , bleu). Le calcul s’avère un peu fastidieux. Il faut intégrer sur toutes les longueurs d’onde le produit du spectre lumineux de l’objet et des fonctions colorimétriques de l’observateur CIE 1931 de référence x(λ), y(λ) et z(λ). Ces fonctions ont été définies et normalisées.
Ensuite on peut calculer les coordonnées trichromatiques x, y, z pour les représenter dans un diagramme de chromaticité CIE (Commission Internationale de l’Eclairage).
L’idée à retenir est que tout spectre lumineux peut se représenter en coordonnées de couleurs normalisées pour être reporter dans un diagramme de chromaticité et comparées entre elles.
La courbe extérieure au diagramme représente les couleurs monochromatiques pures dans le visible (380nm à 700nm). A l’intérieur du diagramme une couleur peut être décomposée par une somme de ces lumières monochromatiques.
Les coordonnées chromatiques (x,y) du corps noir suivent ainsi une courbe continue pour différentes températures du corps noir. Les iso-températures sont représentées par les traits noirs.
L’ampoule à incandescence est basée sur le principe d’émission de lumière par chauffage de son filament de tungstène. Le spectre lumineux est très proche du corps noir et sa température de couleur est celle du filament (T≈ 3000K). Les éclairages modernes sont basés sur d’autres phénomènes d’émission de lumière et leurs spectres lumineux sont très différents de celui d’un corps noir. On définira alors la température de couleur proximale (Tcp) pour ces types d’éclairage.
La température de couleur proximale ou corrélée d’une source lumineuse définie dans une norme CIE est la température du radiateur de Planck (corps noir) dont le rayonnement possède la chromaticité la plus voisine de celle de la source donnée, proximité évaluée dans le diagramme de chromaticité uniforme ayant les coordonnées u = u’ et v = (2/3)v’.
Pour ne pas nous simplifier la tache, il faut changer de diagramme de chromaticité CIE pour celui de 1960. Dans ce diagramme les courbes isotempérature de couleur sont perpendiculaires à la courbe du corps noir.
Pour une LED blanche fabriquée à partir d’une émission de bleu à 450nm et d’un phosphore jaune, il est possible d’ajuster la température de couleur avec la quantité de phosphore et sa composition. Cet ajustement est mis en évidence par la droite noire sur la courbe à gauche ci-dessous (zéro phosphore soit du bleu pur à 450nm jusqu’à zéro bleu soit du jaune pur à 575nm)
La courbe de droite ci-dessus représente les coordonnées chromatiques pour des LED blanches en production pour différentes températures de couleur de 2700K à 6500K (blanc chaud jaune au blanc froid bleu).
Les spectres à 3000K et 5000K ont été ajoutés pour illustrer les différences entre les pics relatifs d’émission du bleu du semiconducteur et du jaune du phosphore.
Les ellipses de Mac Adam à 5 step ou 5 SDCM sont tracées. Ces ellipses représentent la capacité de l’oeil à différencier une couleur. Leurs tailles varient selon la couleur et donc la position dans le diagramme de chromaticité CIE.
Les luminaires Lumeninside sont composés uniquement de puces LED à 3000K. Cependant le visuel choisi peut faire varier la température de couleur.
En effet les encres d’impression du visuel absorbent une partie du spectre lumineux. Par exemple un visuel à dominante bleue pourra tendre vers un température de couleur de lumière plus froide (3500K). A l’inverse un visuel à dominante rouge tendra vers une température de couleur plus chaude (2500K).
Nous avons développé un logiciel de simulation qui nous permet de prédire les performances lumineuses pour tout visuel et notamment pour les luminaires personnalisés avec vos images. Nous veillons à ce que les performances du luminaire soient confortables pour l’usage de nos clients.
La température de couleur des LED blanches varie classiquement du blanc chaud (T=2700K) au blanc froid (T=6500K). Le blanc froid contient plus de couleur bleue (facilement visible dans le diagramme de chromaticité). Cette ajustement de la température de couleur se fait en partie en modifiant la quantité de phosphore qui absorbe la lumière bleue émise par le semiconducteur pour la transformer en lumière jaune.
L’ANSES recommande l’utilisation de LED à blanc chaud (2700K-3000K) qui contiennent moins de lumière bleue pour diminuer les risques associés à cette lumière bleue.
Lumeninside suit cette recommandation en proposant uniquement des luminaires assemblés avec des lampes à LED de température de couleur 3000K. Celle-ci peut varier légèrement selon le visuel sélectionné.
