CCT et CRI

Quelle est l’importance d’une bonne représentation des couleurs ?

L’importance de la représentation des couleurs d’une source lumineuse se manifeste dans tous les aspects de la vie et du travail. Avant l’apparition des lampes fluorescentes, la performance de reproduction des couleurs d’une source lumineuse n’avait jamais été un problème. Les ampoules halogènes, les ampoules à incandescence et la lumière des bougies possèdent toutes une distribution spectrale de puissance qui présente des qualités très proches de la lumière naturelle, qui offre une représentation parfaite des couleurs. Cela signifie que le système visuel humain était à l’aise avec des environnements parfaitement rendus, à l’intérieur comme à l’extérieur, depuis que nos ancêtres simiesques ont commencé à évoluer. L’introduction de l’éclairage fluorescent a été un désastre en termes de qualité des couleurs. Depuis, les couleurs très saturées de tout ce qui nous entoure sous un éclairage artificiel sont mal rendues et l’œil humain doit tolérer les distorsions des couleurs. Cependant, il existe de nombreuses applications où une mauvaise représentation des couleurs ne peut pas être tolérée ou autorisée.

Les tâches visuellement exigeantes ou les applications critiques en termes de couleur à la maison, au bureau ou en atelier, qu’il s’agisse de lire, d’écrire, de dessiner, de peindre, de photographier ou de maquiller, nécessitent un rendu des couleurs précis afin d’améliorer la performance des tâches, d’assurer l’appariement des couleurs et/ou de prévenir la fatigue oculaire.

Dans les installations industrielles telles que les usines textiles, les usines de transformation alimentaire, les imprimeries, les ateliers de peinture automobile et les chaînes de montage microélectronique, un éclairage à haute fidélité des couleurs permet aux travailleurs de voir les couleurs avec précision pour effectuer des tâches précises et des contrôles de qualité tout en contribuant à un environnement de travail sûr et productif.

La lumière spectrale améliorée est capable de rendre des couleurs plus saturées, ce qui donne à un environnement une apparence plus attrayante. Dans les milieux hôteliers tels que les hôtels, restaurants et bars, la vivacité des couleurs contribue à créer des espaces qui ravissent. Une ambiance très saturée rend les teints plus sains et naturels afin que les gens parent à leur meilleur. Une lumière flatteuse crée une atmosphère de plaisir et d’excitation lors des interactions en face à face.

L’éclairage du commerce de détail doit avoir de superbes couleurs pour mettre en valeur la qualité premium des produits et sublimer les présentoirs pour un impact maximal. Une lumière de haute qualité avec une excellente colorisation doit être utilisée pour accentuer les fruits et légumes aux couleurs vives et faire ressortir la rougeur appétissante de la chair dans les supermarchés, créer une expérience colorée fantastique avec des blancs naturels et des couleurs vives dans les magasins de mode, et améliorer l’apparence naturelle des finitions automobiles dans les concessionnaires automobiles.

La visualisation des couleurs est un facteur crucial à prendre en compte dans l’éclairage des musées, galeries et salles d’exposition. La qualité de la lumière a un impact significatif sur l’engagement des visiteurs. Une lumière d’accent avec une représentation des couleurs supérieure permet de faire ressortir le meilleur des œuvres exposées. La lumière blanche, abondante dans les longues longueurs d’onde du spectre de la lumière visible, peut être utilisée pour augmenter la saturation des couleurs de l’œuvre ou des expositions.

La visualisation des couleurs est d’une importance capitale dans le domaine de la santé. Une identification rapide et précise de différences subtiles de couleur peut faire la différence entre la vie et la mort. Une lumière de haute qualité est nécessaire lors des interventions chirurgicales afin de créer des informations visuelles aussi fiables que possible (telles que des détails sans filtre et un contraste entre les tissus adjacents) de la zone opérée. Un rouge saturé dans le spectre lumineux permet une visualisation optimale des nuances subtiles de rouge dans une zone de plaie diffusée avec du tissu rouge et teintée dans le sang.

L’indice de rendu des couleurs (CRI) est une mesure relative de la qualité de la représentation des couleurs par le rayonnement optique d’une source de lumière blanche par rapport à un radiateur de référence avec une température de couleur corrélée (CCT) comparable. Administrée par la Commission internationale de l’illumination (CIE ou Commission internationale de l’éclairage), la CRI est la seule norme internationalement acceptée pour mesurer la qualité de la représentation des couleurs. Dans le calcul du CRI, l’apparence de couleur de 14 échantillons réfléchissants issus de la gamme standard de Munsell est simulée à la fois sous une source d’essai et sous la source de référence. Chaque couleur particulière reçoit une valeur anRi comme indication de son rendu coloré. La plage de cette valeur va de 0 à 100, 100 ne représentant aucune différence de couleur entre la source d’essai et le radiateur de référence. La principale métrique du système CIE est l’indice général de rendu des couleurs Ra, calculé en faisant la moyenne des scores Ri pour les huit premiers échantillons réfléchissants. Ainsi, la valeur CRI Ra la plus élevée est de 100 lorsque la distribution spectrale de rayonnement des huit couleurs de test correspond étroitement à celle des échantillons de référence à la même température de couleur. Dans les pratiques courantes, CRI fait référence à la valeur Ra chaque fois que l’on voit que seul « CRI » est publié dans une fiche technique produit.

Le besoin de rendu des couleurs varie selon l’application d’éclairage. Un CRI de 80 est souvent considéré comme la valeur minimale acceptable pour l’éclairage ambiant intérieur et de tâche. Un éclairage artificiel de qualité tente généralement de reproduire les caractéristiques de la lumière naturelle. Si possible, l’éclairage artificiel devrait retrouver la meilleure sonorisation de l’éclairage à incandescence, qui a un CRI Ra supérieur à 95. Malheureusement, cela semble peu pratique car l’industrie de l’éclairage se contente de suivre la norme médiocre largement acceptée de rendu des couleurs, établie par l’éclairage fluorescent, qui a des valeurs CRI Ra typiques d’environ 70 à 80.

La science des couleurs utilisée par le calcul CRI du CIE est depuis longtemps dépassée. CRI Ra est calculé à partir de seulement huit des 14 échantillons réfléchissants, tous de saturation chromatique faible à moyenne. Les lampes avec un CRI élevé peuvent bien rendre des couleurs à faible saturation, mais peuvent mal performer sur des couleurs plus saturées. En particulier, les échantillons d’essai R1-R8 présentent une courbure limitée dans la partie rouge du spectre visible et peuvent donc ne pas fournir beaucoup de réflectance spectrale pour la couleur rouge. Les 80 LED CRI typiques sont sursaturées dans les spectres bleu et vert et présentent des performances rouges insuffisantes, ce qui peut entraîner une mauvaise interprétation des couleurs des objets contenant des pigments rouges, comme l’hémoglobine de la peau humaine. Ainsi, l’échantillon de test 9 (une couleur rouge saturée dont l’indice est identifié comme R9) est souvent listé individuellement comme complément de l’indice général CRI Ra dans les applications d’éclairage critique en couleur.

En plus du défaut fondamental dans le calcul de l’adaptation chromatique et la différence de couleur, la moyenne arithmétique du Ri de huit couleurs de test peut masquer un rendu très médiocre d’un ou plusieurs échantillons de couleur. Une seule valeur Ra ne dit rien de spécifique sur le contenu spectral de la source ou ses défauts. De plus, l’IRC n’évalue que la fidélité des couleurs, et d’autres caractéristiques de qualité des couleurs telles que la discrimination chromatique et les préférences de l’observateur sont ignorées. La discrimination chromatique fait référence à la capacité de distinguer entre des couleurs similaires ou des différences subtiles de teintes. Cette dimension de la qualité des couleurs peut s’écarter de la fidélité absolue. Les préférences de l’observateur concernent la capacité d’une source lumineuse à rendre les objets avec une apparence colorée agréable. Pour l’œil humain, un indice de préférence couleur élevé est souvent associé à une forte proportion de couleurs saturées dans le spectre lumineux.

Des métriques de rendu des couleurs continuent d’être développées pour corriger ces lacunes. Les suppléments et alternatives au CRI défectueux incluent TM-30-18 (méthode IES pour évaluer la représentation des couleurs des sources lumineuses), l’échelle de qualité des couleurs (CQS), l’indice de la surface de la gamme (GAI), l’indice de la gamme des couleurs (CGI), l’indice de couleur à spectre complet (FSCI), la carte de rendu des couleurs (CRM), l’indice de discrimination des couleurs (CDI), l’indice de préférence couleur (CPI), l’indice d’harmonie des couleurs (CHI), la capacité de rendu des couleurs (CRC), la sensation de l’indice de contraste (FCI), indice de flatterie (FI), index de rendu couleur mémoire (MCRI), etc. Les indices les plus importants à l’étude sont décrits ci-dessous.

Le mémorandum technique TM-30-18 propose une approche objective et statistique pour quantifier à la fois les propriétés moyennes globales (fidélité des couleurs, aire de gamut) et les propriétés spécifiques à la teinte (fidélité, décalage de chroma, décalage de teinte). Le TM-30 est un cadre d’évaluation composé de trois composantes principales : un système pour définir l’illuminant de référence, la spécification des échantillons de couleur, et la mise en œuvre d’un modèle de la vision humaine. La méthode utilise 99 échantillons d’évaluation des couleurs (CES) pour quantifier la différence de rendu des couleurs entre la source d’essai et l’illuminant de référence. Il est important de noter que ce cadre n’est pas conçu pour caractériser directement les perceptions humaines, telles que la préférence de couleur, ni pour fournir une valeur unique capturant les qualités combinées de rendu des couleurs d’une source lumineuse.

Deux indices sont fournis dans cette méthode pour capturer respectivement la fidélité des couleurs et la surface du gamut. L’indice de fidélité (RF), qui est analogue à la valeur unique Ra fournie par CRI, indique la fidélité moyenne des couleurs calculée en déterminant la différence entre les coordonnées CAM02-UCS de chaque CES sous la source de test et l’illuminant de référence, puis en déterminant la moyenne arithmétique de ces différences de couleur. L’échelle pour Rf va de 0 à 100, où une valeur de 100 implique que la source rend les 99 couleurs d’une manière identique à la référence. L’indice de gamut (Rg) décrit l’augmentation ou la diminution de la chrominance pour la source lumineuse donnée. Une valeur Rg de 100 représente un niveau de saturation identique à celui de la référence. L’IES TM-30-18 fournit également une représentation visuelle de la teinte et des décalages autour du cercle de teinte grâce à un outil visuel appelé graphique vectoriel couleur (CVG).

Développée par le National Institute of Standards and Technology (NIST), l’Échelle de Qualité des Couleurs (CQS) est conçue pour répondre à de nombreuses lacunes du CRI. Ce système d’évaluation de la qualité par rendu des couleurs prend en compte trois aspects de l’apparence des couleurs, notamment la fidélité des couleurs, la discrimination chromatique et les préférences de l’observateur. Au lieu d’utiliser seulement huit échantillons de couleur à faible chrominance qui ne couvrent pas toute la gamme de teintes, CQS utilise un ensemble de 15 échantillons Munsell qui présentent une chrominance plus élevée que ceux utilisés dans le CRI et sont espacés uniformément le long de tout le cercle de teinte. Le CQS offre également une correction d’adaptation chromatique améliorée et un espace colorimétrique plus homogène. La composante préférence de couleur est abordée en dévalorisant les différences de couleur qui augmentent modérément la chroma.

L’indice de surface de gamut (GAI) est un indice standard de gamut qui met l’accent sur les tons et la vitalité des couleurs. Le GAI est complémentaire au CRI, qui met l’accent sur la fidélité des couleurs. Les huit échantillons de couleur test et l’espace colorimétrique pour calculer CRI Ra sont également utilisés dans cette méthode. Le GAI est déterminé en comparant la surface enfermée dans un polygone défini par les chromaticités dans l’espace colorimétrique u’v de CIE 1976 à la surface d’espace colorimétrique produite par la source imaginaire ou théorique du spectre d’énergie égale (EES), dans laquelle la puissance rayonnante est égale à toutes les longueurs d’onde. Plus le GAI est grand, plus la source lumineuse rend les couleurs des objets est vive. L’EES est noté à 100, mais le GAI peut dépasser 100 lorsque la capacité de la source lumineuse de test à saturer la couleur dépasse celle d’une source à énergie égale.

Tous les indicateurs de rendu des couleurs mentionnés ci-dessus ont été développés pour l’œil humain. Cependant, dans le monde connecté d’aujourd’hui, nous nous appuyons de plus en plus sur les caméras vidéo et argentiques pour découvrir le monde. La scène rendue par une source lumineuse peut avoir un effet visuel différent à la télévision car les courbes de réponse de l’émulsion de film ou des capteurs vidéo diffèrent considérablement de celles de l’œil humain. Ainsi, une alternative à l’IRC a été nécessaire pour évaluer la qualité chromatique d’une source lumineuse lorsqu’elle est utilisée dans l’environnement télévisuel. L’Indice de cohérence de l’éclairage télévisé (TLCI), développé par l’Union européenne de radio-télévision (EBU), vise à résoudre de nombreux problèmes liés à l’utilisation de l’éclairage LED dans la production cinématographique et télévisuelle. TLCI utilise une méthodologie similaire à celle du CRI et du CQS, en ce qu’elle utilise un ensemble standard d’échantillons de test couleur issus du tableau X-Rite ColorChecker et une source lumineuse de référence (un mélange de lumière produite par le radiateur du corps noir et la lumière du jour entre 3400 K et 5000 K). La distribution spectrale de puissance d’une source d’essai est mesurée par un spectroradiomètre et les calculs sont effectués par un logiciel d’analyse.

L’avènement de la technologie LED rend obsolète l’ancienne science des couleurs des sources de lumière artificielle. Bien qu’ayant une largeur de raie spectrale étroite et produisant une lumière monochromatique telle que rouge, bleue ou verte, les LED peuvent être emballées pour produire de la lumière blanche dans n’importe quelle distribution de puissance spectrale et ainsi produire la chromaticité et la représentation des couleurs désirées. Il existe essentiellement deux façons de produire de la lumière blanche avec des LED. La lumière blanche peut être créée par mélange additif des couleurs en combinant les trois diodes de couleur primaires : rouge (R), vert (G) et bleu (B). Cependant, cette méthode est impraticable car 1) le spectre à pics manque de contenu spectral en cyan, jaune et orange, ce qui conduit à une représentation des couleurs inadéquate ; 2) faible efficacité lumineuse due aux inefficacités des émissions directes vertes et rouges ; et 3) coût élevé, tant par l’utilisation de diodes multicolores que par la nécessité d’un contrôle adéquat de ces diodes.

La seconde méthode, également universellement adoptée, est la conversion de longueur d’onde, qui utilise une combinaison de LED InGan monochromes à large bande interdite et de matériaux phosphorés convertissant la lumière. Les LED produites selon cette méthode sont appelées LED à conversion au phosphore (PC-LED) et sont divisées en deux catégories : les LED à pompe bleue et les LED à pompe violette. Les LED à pompe bleue sont constituées d’une puce LED bleue recouverte d’un polymère organique contenant un phosphore jaune. Le phosphore réduit une partie de la lumière bleue à haute énergie et à courte longueur d’onde en lumière à plus faible énergie et à plus longue longueur d’onde, qui se mélange à la lumière bleue restante pour produire la lumière blanche désirée. Les LED à pompe violette combinent une LED violette et trois phosphores (bleu, vert et rouge). Les émissions de phosphore bleu, vert et rouge permettent au boîtier LED de répartir l’énergie spectrale sur tout le spectre visible, ce qui permet une excellente représentation des couleurs.

La capacité sans précédent à contrôler la façon dont la lumière rend les couleurs est l’un des atouts de l’éclairage LED. Malheureusement, cela ne se traduit pas par une bonne qualité de couleur dans l’éclairage artificiel, désormais omniprésent alimenté par la technologie LED. La raison inhérente est que l’industrie de l’éclairage ne souhaite pas sacrifier la marge bénéficiaire pour une meilleure qualité de couleur de la lumière. Cette raison explique également pourquoi les fabricants d’éclairage ne tentent jamais d’informer les consommateurs que l’éclairage à haute fréquence de la fréquence cardiaque pourrait perturber le rythme circadien et nuire à la santé humaine. De plus, les autorités de régulation accordent trop d’importance à l’efficacité des produits d’éclairage et font à peine d’efforts pour améliorer la qualité de la lumière des produits LED.

La réticence de l’industrie à introduire une forte représentation des couleurs dans l’éclairage LED s’explique par le compromis entre efficacité lumineuse et qualité des couleurs. Les LED à pompe bleue, qui présentent la plus grande efficacité et le coût de fabrication le plus bas parmi les LED fabriquées selon différentes méthodologies, ont acquis une part dominante sur le marché général de l’éclairage. Pour permettre au boîtier LED de produire toutes les émissions nécessaires à la plus large gamme et la saturation maximale des couleurs, il faut utiliser un mélange de phosphore à coût plus élevé. Une LED avec une bonne représentation des couleurs a une abondance en longueurs d’onde, ce qui signifie qu’une grande partie de la lumière bleue subit le décalage de Stokes en passant de longueurs d’onde plus courtes à plus longues. Ce changement de Stokes entraîne inévitablement une perte d’énergie importante et compromet donc considérablement l’efficacité du boîtier. Le système visuel humain ne répond pas de manière égale à toutes les longueurs d’onde. La conversion la plus élevée par la sensibilité oculaire sur la distribution spectrale de la lumière se situe autour de 555 nm. La distance du pic d’énergie des LED CRI élevées par rapport à la longueur d’onde de 555 nm aggrave la perte d’efficacité lumineuse.

La solution pour améliorer la représentation des couleurs sans provoquer de perte d’efficacité dans les LED à pompe bleue est d’utiliser des convertisseurs descendants de longueur d’onde rouge à largeur de ligne plus étroite. Dans ce cas, la perte de Stokes qui se produit lors de la conversion descendante des longueurs d’onde peut être significativement réduite. Les convertisseurs descendants développés à cette fin incluent des phosphores rouges à bande passante étroite et des points quantiques.

Guangdong Mason Technologies, une entreprise leader dans les emballages LED, propose une large gamme de produits lumineux LED pour ses clients.