MATÉRIAUX ET PHOTOMÉTRIE

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Théorie

 

Le système trichromatique XYZ
L'espace trichromatique Yxy
Système CIE L*a*b*
Le système de couleurs h, L*, C*

Différence de couleurs
La réflexion de la lumière sur un objet
           La direction de la lumière : réflexion spéculaire et réflexion diffuse
           Les différents modes de réflexion de la lumière
           Exemple de réflexion sur divers matériaux
           La réflexion de surface et la réflexion de volume
           Le facteur de réflexion lumineuse d'un matériau
Couleur RAL
          RAL Classic
          RAL Design
Couleur NCS
Homogénéité


   

Le système trichromatique XYZ

 

Courbes de sensibilité spectrale de l'observateur standard
(source : Minolta, "Precise color communication : color control from feeling to instrumentation", 1994.)

Le concept de système trichromatique XYZ repose sur la théorie de la vision à trois composantes. Cette théorie se base sur le fait que l'œil possède des récepteurs (ou cônes) de trois types selon la longueur d'onde à laquelle ils sont sensibles (le rouge, le vert et le bleu) et que toute couleur est vue comme un mélange de ces trois couleurs de base. En 1931, la CIE définit l'observateur standard dont les courbes de sensibilité spectrale sont représentées à la Figure 1. Les stimuli trichromatiques sont calculés sur base de ces fonctions.

L'espace trichromatique Yxy

 

 

Représentation de la couleur d'une pomme sur le triangle des couleurs (source : [min])

Les valeurs trichromatiques XYZ sont utiles pour définir une couleur mais les résultats ne sont pas facilement visualisables. C'est pour cette raison que la CIE définit, en 1931, un nouvel espace de couleurs représentable graphiquement en deux dimensions, indépendamment de la luminosité : il s'agit de l'espace trichromatique Yxy. Y est la luminosité ou le coefficient de réflexion du matériau tandis que x et y sont les coordonnées chromatiques calculés à partir des valeurs X, Y et Z.




La Figure 1 reprend le diagramme CIE x, y représentant cet espace de couleur pour une valeur Y fixée. Les couleurs achromatiques se situent au centre du diagramme et la saturation des couleurs augmente lorsqu'on se rapproche des bords.

A titre d'exemple, une pomme dont les coordonnées sont les suivantes : Y = 13.37, x = 0.4832 et z = 0.3045 se situe au point A du diagramme.

Les équations de passage de l'espace XYZ vers l'espace L* a* b* sont les suivantes :
[1]
[2]
[3]
où Xn, Yn et Zn sont les coordonnées du blanc de référence : Xn=94.81, Yn = 100 et Zn = 107.3 (sous l'illuminant standard D65 et pour une incidence inférieure à 10°).

 

Système CIE L*a*b*

 


Espace des couleurs L*a*b*
(source : Minolta, "Precise color communication : color control from feeling to instrumentation", 1994.)

L'espace des couleurs L*a*b* (aussi appelé CIELAB) est un des systèmes les plus employés actuellement. Il a l'avantage de résoudre un des problèmes majeur du système Yxy : à savoir, le fait que des distances égales représentées dans le diagramme Yxy ne correspondent pas à des différences de perception de couleur égales.


Dans les système L*a*b*, L* représente la clarté (indice de luminosité relatif allant de 0 pour le noir à 100 pour le blanc absolu), a* représente la composante chromatique rouge-vert et b* représente la composante chromatique jaune-bleu.
Le point situé au centre du diagramme est achromatique (c'est à dire de couleur blanche) et quand les valeurs a* et b* augmentent, le point considéré s'éloigne du centre du disque et la saturation de la couleur correspondante augmente. La figure ci-contre représente l'espace des couleurs L*a*b* et la figure ci-dessous représente une coupe horizontale dans cet espace, pour une valeur L* constante.

 


Représentation de la couleur de la pomme dans l'espace L*a*b*
(source : Minolta, "Precise color communication : color control from feeling to instrumentation", 1994.)

A titre d'exemple, la pomme que nous avions représentée sur le diagramme des couleurs Yxy peut également être représentée par le point A, annoté à la figure ci-contre.

 

 

Le système de couleurs h L*C*

 

 

Le système de couleur h, L*, C* utilise le même diagramme que le système L*a*b* mais utilise des coordonnées cylindriques à la place de coordonnées rectangulaires. Dans cet espace des couleurs, L* , qui est identique au L* utilisé dans le système L*a*b*, indique la clarté, C* représente le chroma et h est l'angle de tonalité. La valeur de C* est de 0 au centre du diagramme et augmente lorsqu'on s'écarte du centre. L'angle de tonalité h est défini comme commençant à +a* (c'est à dire pour la couleur rouge) et est exprimé en degrés. 0000000000) correspond donc à +a*, 90 à +b* (jaune), 180° à -a* (vert) et +270° à -b* (bleu).

Les équations de passage de l'espace de couleurs L*a*b* vers h, L*,C* sont les suivantes :

[4]
[5]

 

 

Différence de couleurs

 

 

Figure 3 : Représentation graphique d'une différence de couleur dans l'espace L*a*b*
(source : Minolta, "Precise color communication : color control from feeling to instrumentation", 1994.)

De nombreuses industries utilisatrices de procédés de coloration doivent fournir des produits de couleur uniforme, de qualité et d'aspect conformes aux attentes de leurs clients. Conformément aux spécifications techniques, la couleur souhaitée doit être respectée dans la limite des variations admissibles pour cette couleur. La recherche d'un espace de couleur uniforme a aussi pour but de permettre l'évaluation des différences de couleur par la mesure de la distance géométrique qui sépare des points de couleur dans cet espace.

L'écart de couleurs est représenté par la distance euclidienne entre deux points, à savoir le type (référence) et le contre-type (couleur à comparer ou à reproduire) et peut se décomposer comme suit :
- en coordonnées rectangulaires :
           écart de clarté sur l'axe L*, exprimé par deltaL*,
           écart chromatique rouge-vert sur l'axe a*, exprimé par deltaa*,
           écart chromatique jaune-bleu sur l'axe b*, exprimé par deltab*.

- en coordonnées cylindriques :
           écart de clarté deltaL*,
           écart de chroma-saturation sur le rayon C*, exprimé par deltaC*,
           écart d'angle de teinte sur h*, exprimé par deltaH* (degré d'angle).

L'écart total de couleur s'exprime soit en fonction de l'écart de clarté deltaL*, des écarts chromatiques deltaa* et deltab*, soit en fonction de deltaL* et des écarts de chroma deltaC* et de teinte deltaH* : , de même que l'écart de teinte :

L'œil humain ne distingue deux couleurs que si l'écart est supérieur à deltaE*=1 mais dans la pratique, des écarts colorimétriques de deltaE*=5 sont tolérés.

La Figure 3 montre comment on peut représenter graphiquement une différence de couleur dans l'espace des couleurs L*a*b*.

Figure 4 : Différence de couleur entre deux pommes représentée sur le diagramme L*a* b*
(source : Minolta, "Precise color communication : color control from feeling to instrumentation", 1994.)

Exemple de calcul de différence de couleurs entre deux pommes

Les deux pommes représentées à la Figure 4 n'ont pas la même couleur. Une mesure au colorimètre permet de déterminer les valeurs L*a*b* de chacune et de calculer la différence de couleur deltaE*. Dans notre exemple, celle-ci vaut 5.16. L'écart de chroma-saturation deltaC* vaut -2,59 et indique que la pomme n°2 a une couleur moins saturée que la pomme n°1. La différence de teinte deltaH* entre les deux pommes vaut +1,92, ce qui signifie que la couleur de la pomme n°2 se situe plus près de l'axe +b* et est donc un peu plus jaune, ce que l'on voit à la Figure 4.

 

Pomme 1

L* = 43,31
a* = + 47,63
b* = +14,12

Pomme 2

L* = 47,34
a* = + 44,58
b* = +15,16

 

deltaE* = 5,16
deltaC* = -2,59
deltaH* = +1,92

 

La réflexion de la lumière sur un objet

 

 

On observe une réflexion de la lumière lorsque les ondes électromagnétiques visibles rencontrent une surface qui n'absorbe pas toute leur énergie de radiation et en repousse une partie. La lumière qui arrive sur la surface est appelée incidente et la lumière qui repart de la surface est appelée réfléchie.
La quantité de lumière réfléchie par un objet ainsi que la manière dont elle est réfléchie est très dépendante de la texture de la surface de cet objet. La couleur de la lumière réfléchie dépend de la couleur de la lumière incidente, de la texture de la surface du matériau, ainsi que de sa couleur.

 

La direction de la lumière : réflexion spéculaire et réflexion diffuse

Quand les imperfections de surface sont plus petites que la longueur d'onde de la lumière incidente (c'est le cas d'un miroir, par exemple), la totalité de la lumière est réfléchie de manière spéculaire (c'est-à-dire que l'angle de réflexion de la lumière est égal à son angle d'incidence).

Dans le monde réel, la majorité des objets présentent des surfaces plus complexes qui produisent une réflexion diffuse, c'est-à-dire pour laquelle la lumière incidente est réfléchie dans toutes les directions.

L'exemple suivant permet de bien comprendre la différence entre une réflexion spéculaire et une réflexion diffuse. Prenons le cas d'une piscine. La surface de l'eau, au repos, réfléchit une image claire de son environnement. Si on perturbe cette surface (par exemple en y lançant un objet), on va perturber l'image réfléchie car la surface de l'eau, qui n'est alors plus lisse, va disperser la lumière réfléchie dans toutes les directions.

Figure 3 : Exemple de réflexion à la surface d'une piscine lorsque cette surface est parfaitement lisse (photo de gauche) et lorsque cette surface est en mouvement (photo de droite)*.

* Ces photos ont été réalisées dans un modèle réduit, sous la mirror box du CSTC, dans le cadre du cours AMCO 2362 donné aux étudiants architectes de la Faculté des Sciences Appliquées de l'UCL.


Figure 1 : Réflexion spéculaire


Figure 2 : Réflexion diffuse

Figure 1 :
Réflexion spéculaire

Figure 2 :
Réflexion diffuse étroite

Figure 3 :
Réflexion diffuse large

Figure 4 :
Réflexion parfaitement diffuse

Les différents modes de réflexion de la lumière

 

Entre la réflexion spéculaire (Figure 1) et la réflexion parfaitement diffuse (Figure 4), il existe des cas intermédiaires. Il s'agit des matériaux qui réflechissent la lumière de manière quasi-spéculaire, ou la disperse de manière étroite (Figure 2) ou plus large (Figure 3).

 

 

 

 

Figure 5

 

 

Figure 7

La classification d'un matériau dans une des catégories de réflexion se fait par mesure de son angle de dispersion.
L'angle de dispersion, δ, d'un matériau, est l'angle compris entre la direction d'intensité lumineuse maximum (Imax) de la lumière réfléchie et la direction de l'intensité lumineuse de valeur Imax/2, quand la courbe d'intensité lumineuse peut être supposée comme symétrique autour de la direction de Imax (ce qui est typiquement le cas quand l'angle d'incidence vaut 0). Cet angle est mesuré au moyen d'un spectrophotomètre.

 

 

 

 

o La réflexion d'un matériau est dite parfaitement diffuse lorsque δ vaut 60°.
o Si δ est proche de 0°, la réflexion ou transmission est considérée comme spéculaire (appelée régulière pour la transmission).
o Si 4.5° < δ < 7°, la réflexion ou transmission est dite quasi-spéculaire.
o Si 7° < δ < 15°, la réflexion ou transmission est dite faiblement dispersée.
o Si 15° < δ < 45°, la réflexion ou transmission est dite largement dispersée.
o Si 45° < δ < 60°, la réflexion ou transmission peut être considérée comme diffuse.

Figure 6

Il existe aussi un autre mode particulier de réflexion. Il s'agit de la réflexion prismatique complexe. Celle-ci correspond à une réflexion de la lumière dans toutes les directions, selon des intensités aléatoires.

 

 

 

 

 

Comment savoir de quelle nature est la réflexion sur mon matériau sans mesure au spectrophotomètre ?

 

 

Pour avoir une idée de la catégorie dans laquelle se situe un matériau, nous proposons un test simple.

Il suffit de prendre une lampe de poche et de créer un masque en forme de L, que l'on applique sur la lampe. Ensuite, se placer dans un local noir et regarder l'aspect de la réflexion de la lumière sur le matériau. Les photos présentées à la figure 6 nous aide à classifier notre matériau.

Si l'image de la forme en L est distinctement visible, le matériau pourra être qualifié de spéculaire.
Si on distingue une tâche lumineuse nette mais sans pouvoir distinguer la forme de la lumière, le matériau peut être considéré comme quasi-spéculaire.
Si l'on distingue un tache lumineuse non nette, le matériau sera considéré comme matériau à réflexion faiblement dispersée.
Si la tâche lumineuse est tout juste visible, le matériau sera considéré comme matériau à réflexion largement dispersée.
Si aucune tâche lumineuse n'est visible, le matériau sera considéré comme diffusant.

le fait de pouvoir classifier qualitativement le mode de réflexion d'un matériau est intéressant si on veut trouver son équivalent à utiliser en maquette.
En effet, une fois le type de réflexion connu, le matériau de maquette sera, si possible, choisi dans la même catégorie. L'outil d'aide au choix des matériaux utilise cette classification.

Exemple de réflexion sur divers matériaux

 
Réflexion spéculaire
Si la réflexion est spéculaire, l'image exacte de la source est reproduite.
Réflexion parfaitement diffuse
Dans le cas d'une réflexion diffuse parfaite, l'image réfléchie n'est pas visible du tout : on ne retrouve qu'un halo lumineux.
Réflexion diffuse à faible dispersion
Dans le cas d'une réflexion à faible dispersion, l'image réfléchie de la source correspond à un spot de lumière brillant, dans lequel on ne peut pas retrouver la forme de la source lumineuse.
Réflexion diffuse à large dispersion
Dans le cas d'une réflexion à large dispersion, la lumière est réfléchie de manière non uniforme.
Réflexion prismatique complexe
Lors d'une réflexion prismatique complexe, la lumière est réfléchie de manière aléatoire, selon une intensité aléatoire.
source : Baker N., Fanchiotti A., Steemers K., "Daylighting in architecture : A European reference book", Commission of the European Communities, Directorate-General XII for Science Research and Development, James and James, 1993

 
Figure 1 : Réflexion de surface : achromatique
Figure 2 : Réflexion de volume (trait plein) superposée à la réflexion de surface (pointillé) : la lumière réfléchie sera colorée si on observe la surface dans une direction non spéculaire et sera de la couleur de la source si on l'observe dans la direction de la réflexion spéculaire

 

La réflexion de surface et la réflexion de volume

Pour certains matériaux, la réflexion de la lumière comprend, d'une part, une réflexion de surface et d'autre part, une réflexion dans la matière. Celle-ci est appelée réflexion de volume et a lieu lorsque la lumière interagit avec un milieu qui présente des discontinuités. Pour simplifier, on peut se représenter l'onde incidente pénétrant par réfraction dans le corps (par exemple au travers d'un vernis transparent) et étant réfléchie (dans toutes les directions) par une ou plusieurs sous-couches ; on peut considérer alors que l'onde qui ressort est le résultat de la combinaison de plusieurs réflexions de surface.
La lumière réfléchie par la surface n'est pas influencée par la matière de l'objet : elle a, en général, la couleur de la source . Si la surface est bien plane, la réflexion de surface est intense et concentrée dans une direction : la direction spéculaire. [EMB]
La lumière réfléchie par le volume sera diffusée dans toutes les directions et colorée en fonction de la couleur intrinsèque de l'objet.
 

Le facteur de réflexion lumineuse d'un matériau

Le facteur de réflexion lumineuse (Rho) d'une surface est la quantité d'énergie lumineuse qu'elle réfléchit par rapport à celle qu'elle reçoit.
Ce facteur de réflexion, aussi appelé facteur ou coefficient de réflexion hémisphérique, peut être décomposé en facteur de réflexion régulière ou spéculaire (c'est-à-dire en accord avec les lois géométriques de l'optique) et facteur de réflexion diffuse.

Rho h= Rho r+ Rho d

 

Couleur RAL

 

Le Système RAL fut créé en Allemagne en 1927. RAL est l'abréviation de "Reichsausschuß für Lieferbedingungen" (Comité impérial pour les termes de livraison), institution fondée vers la fin des années vingt du 20ème siècle. Depuis mars 1980, le RAL est une association qui porte le nom de "Deutsches Institut für Gütesicherung und Kennzeichnung" (Institut allemand pour l'assurance de qualité et pour le marquage).

Il est l'organe central de l'industrie et de l'artisanat allemand pour ce qui est d’assurer une haute qualité. Une des tâches du RAL est la standardisation dans le domaine des couleurs par la définition d'un nombre limité de gradations de couleurs (couleurs étalons du RAL). Ces couleurs étalons ont pour but de pourvoir l'industrie et l'artisanat des couleurs définies en vue de leur permettre un travail efficace.

Les couleurs RAL de référence sont très répandues et la plupart des industriels et des artisans possèdent un nuancier RAL. Les intervenants du monde de la construction se servent également du Système RAL. Presque tous les producteurs fournissent des peintures selon les définitions RAL ou ont la possibilité de mélanger leurs couleurs pour créer une couleur correspondant à un code RAL.

Le RAL a les exigences les plus hautes en terme de qualité et d'invariabilité des couleurs. Le fait que 30 couleurs de 1927, se trouvent dans le registre encore aujourd'hui, donne une information quant à la précision qui doit être rencontrée lors de la production des couleurs.

Le système RAL est utilisé principalement en Europe (secteur industriel). Il se présente sous forme d'un ensemble de cartes, une par couleur, avec l'échantillon de la couleur et le code RAL associé (RAL classic). Un système plus récent reprend la présentation de Pantone, sous forme d’éventail : le système RAL Design

 

RAL Classic

 

Le RAL classic est composé de 194 couleurs.
Le code de la couleur RAL classic est unique et est du type RAL ****
Les * représentes des chiffres
Exemple : RAL 7001 Silbergrau

Le classement des couleurs se fait comme indiqué dans le tableau ci dessous

The Region... begins at ... ends at... Colours
1xxx Yellow RAL 1000 Green Beige RAL 1034 Pastel Yellow 27
2xxx Orange RAL 2000 Yellow Orange RAL 2012 Salmon oOrange 12
3xxx Red RAL 3000 Flame Red RAL 3031 Orient Red 22
4xxx Violet RAL 4001 Red Lilac RAL 4010 Telemagenta 10
5xxx Blue RAL 5000 Violet Blue RAL 5024 Pastel Blue 23
6xxx Green RAL 6000 Patina Green RAL 6034 Pastel Turquoise 32
7xxx Grey RAL 7000 Squirrel Grey RAL 7047 Telegrey 4 37
8xxx Brown RAL 8000 Green Brown RAL 8028 Terra Brown 19
9xxx White/Black RAL 9001 Cream RAL 9018 Papyrus White 12

 

RAL Design

 

Le RAL classic est composé de 1687 couleurs.
Le RAL Design a été mis en place plus récemment pour organiser les couleurs selon le système H*L*C* : L* représente la clarté, C* représente le chroma (ou niveau de saturation) et H* représente l'angle de teinte (ou tonalité chromatique)
Le code de la couleur RAL design est lui aussi unique et est du type RAL *** ** **
Les * représentent des chiffres
Exemple RAL 260 80 05
Les trois premiers chiffres correspondent à l'angle de teinte (H* de 0 a360°), les deux suivant représentent la clarté(L* de 0 (noir) à 100 (blanc) ), et les deux derniers représentent le chroma (ou niveau de saturation)(C*). Sur la figure ci dessous

 

figure1:Représentation graphique d'une différence de couleur dans l'espace L*a*b*
(source : Minolta, "Precise color communication : color control from feeling to instrumentation", 1994.)

L'utilisation de ce système permet de beaucoup mieux se faire une idée de la couleur en lisant le code de la couleur RAL design

Liens vers sources inspiratrices

http://www.pourpre.com/nuanciers/ral.php

http://perso.wanadoo.fr/j-c.fressaix/intro3.htm

http://www.farbensoftware.de/english/ral-farben_e.htm

Couleur NCS

 

Le système NCS est le langage international de communication des couleurs pour les architectes. Le Système NCS fonctionne de la même manière que le RAL design, dans son nom il y a toutes les informations nécessaires pour les transformer en couleur L*a*b*.

L'exemple pris pour illustrer ce système de classification est le suivant : S 2060-G70Y qui serait l'appellation d'une couleur.

Dans la notation NCS 2060-G70Y, 2060 représente la nuance, le premier groupe de deux chiffres indique la teneur en noir qui, dans cet exemple est de 20%. Le deuxième groupe de deux chiffres détermine la teneur chromatique, ici 60%. C'est ce qui représente la donnée L* et C* dans le système international H*L*C*.

G70Y représente sur le disque la tonalité. Pour cet exemple, elle est de 30% de vert et 70% de jaune. La tonalité est représentée par la donnée H* dans le système international H*L*C*.

Homogénéité

 


surface homogène

La qualification de l'homogénéité de la surface détermine si celle-ci est uniforme ou non et dans ce dernier cas, si son dessin peut être reproduit ou s'il est tout à fait aléatoire. L'homogénéité juge aussi bien de la combinaison de matériaux (par exemple, des briques séparées par un joint) que d'un changement de couleur d'un même matériau.

surface non homogène régulière

 

 

 

 

surface non homogène irrégulière

  

 

 

 

 

 

Architecture et Climat - Place du Levant, 1-1348 Louvain-La-Neuve