Comprendre la TC

Nous savons qu'une source lumineuse peut-être plus ou moins intense. C'est pour cela que la mesure de l'exposition est primordiale dans la photographie. En effet, la quantité de lumière réfléchie par un sujet est proportionnelle à la quantité de lumière incidente irradiant le sujet. Nous savons aussi que cette source lumineuse est un spectre continu (sauf cas particuliers) des longueurs d'onde du visible. La question que nous pouvons maintenant nous poser est: quelle est la répartition spectrale de l'énergie lumineuse? Autrement dit; quelle est la contribution de chaque longeur d'onde du spectre dans l'intensité globale traversant l'objectif?   Cette répartition spectrale donne une qualité à la lumière. C'est sa connaissance qui va nous renseigner, par exemple, sur la qualité d'une lumière blanche d'une façon absolue; là où l'oeil n'est capable que de faire une mesure relative entre deux sources. Cette notion est importante en photographie, surtout en inversible, car un film est calibré sur une certaine qualité de lumière incidente. La perception absolue du film est dégradée si la lumière incidente n'a pas la qualité requise.   Imaginons l'éclairage d'un cube rouge. Sous une lumière blanche, le cube nous apparaît rouge parce qu'il absorbe les radiations autre que les rouges et réfléchie les radiations rouges. Mais l'absorption des non-rouges et la réflexion des rouges ne sont pas totales. En fait le cube réfléchie tout le spectre mais avec une réflexion des rouges plus importante. Le cube devient alors lui-même une source lumineuse dont la répartition spectrale n'est plus superposable à la lumière blanche incidente. Si maintenant nous éclairons un autre même cube rouge avec cette nouvelle source, nous avons toujours le même rapport de l'énergie réfléchie sur l'énergie incidente pour chaque longueur d'onde; car la réflexion et l'absorption ne dépendent que de la matière du cube. Mais si nous prenons une photo des deux cubes; nous obtenons deux cubes de couleurs différentes. La qualité lumineuse est donc bien importante.   Example : Imaginons un spectre simplifié de seulement trois longueurs d'onde notées R, V et B. Admettons comme hypothèse que la lumière est blanche lorsque R, V et B transporte la même quantité de lumière. Le spectre, répartion de l'énergie en fonction des longueurs d'onde, normé à 1 de cette source est donc :

Maintenant éclairons un cube dont la matière absorbe 25% de R, 40% de V et 70% de B. Si l'intensité totale est de 3 UF (unité fictive), l'intensité réfléchie est alors de 0.75+0.60+0.30=1.65 UF, soit une réflectance de 1.65/3*100=55%. Le spectre réflechi normé à 1 est :

Calculs de normalisations par rapport à R : 1-25%=0.75, 1/0.75=4/3 à retenir! Pour R, 0.75*4/3=1, représentant 0.75 UF. Pour V, (1-40%)*4/3=0.8, représentant 0.60 UF. Pour B, (1-70%)*4/3=0.3, representant 0.30 UF. La normalisation permet de comparer les spectres sur une même base. Et nous remarquons directement que le cube réfléchie non plus une lumière blanche mais une lumière plus R que B. Il est important de comprendre que cette lumière n'est pas blanche et ne le sera jamais même si le cube est plus gros pour permettre de réfléchir 3 UF. La qualité n'a donc pas de rapport avec la quantité ! Faisons l'hypothèse que ce nouveau spectre est celui d'une lumière dite rouge et éclairons à nouveau le cube avec une intensité de 3 UF. L'intensité incidente de longueur d'onde R est 3/(1+0.8+0.3)*1=1.43 UF ; de même pour V, 3/2.1*0.8=1.14 UF; et pour B, 3/2.1*0.3=0.43 UF. L'intensité totale réfléchie est donc 1.43*0.75+1.14*0.6+0.43*0.3=1.89 UF, soit une réflectance de 1.89/3*100=63%. Le spectre réflechi est :

Nous voyons maintenant qu'il y a encore plus de R et très peu de B. Le cube est donc plus rouge qu'avec la lumière blanche. Mais remarquons aussi qu'il est plus lumineux car sa réflectance est plus grande.   Passons à la prise de vue : Imaginons un film sensible au R, V et B mais dont l'émulsion pour le R est deux fois moins sensible que l'émulsion pour le V et trois fois plus sensible que l'émulsion pour le B. La photographie d'un objet de réflectance 100% sous la source blanche ne donnera une image blanche que si dans la couche R il y a deux fois plus de composés photosensibles que dans la couche V et que si dans la couche B il y a trois fois plus de composés que dans R, soit six fois plus que dans V. Supposons enfin, qu'ainsi fait, le film est de 100 ASA et qu'avec une lumière blanche de 1 UF, l'exposition d'un gris 18% est 1/100-f8. Une photographie du cube rouge sous la lumière blanche de 3UF donnera une fidèle reproduction de la couleur du cube avec une exposition 1/300-f8. Nous savons que la photographie du cube sous la lumière rouge ne rendra pas sa couleur d'origine (vu sous une lumière blanche) au cube. Qu'en est-il de la mesure de l'exposition? Un gris 18% renvoie 18% de R, 18% de V et 18% de B quelque soit la qualité de la lumière incidente. Il ne sera vu gris que sous la lumière blanche, mais il est important de remarquer que se réflectance est indépendante de la qualité de la lumière incidente. Avec notre lumière rouge de 3 UF, l'intensité réfléchie est de 1.43*0.18+1.14*0.18+0.43*0.18=0.54 UF, soit une réflectance de 0.54/3*100=18% ! L'exposition ne dépend donc pas de la qualité lumineuse (à condition que le capteur de l'appareil est la même sensibilité à toutes les longueurs d'onde) et sa mesure donnera encore 1/300-f8. Mais le film sera plus dense. Pourquoi?   Supposons que notre film comporte 2000 grains d'émulsion R, 1000 grains d'émulsion V et 6000 grains d'émulsion B, ceci en accord avec la sensibilité de chacune des couches. Suppossons aussi qu'une lumière blanche directe de 3UF impressionne 1000 grains de chaque couche. Le cube rouge sous la lumière blanche impressionne seulement 750 grains R, 600 grains V et 300 grains B, soit une densité globale de (750/2000+600/1000+300/6000)/(1/2+1/1+1/6)=0.6. Alors que le cube rouge sous la lumière rouge impressionne 1072 grains de R, 684 grains de V et 129 grains de B, soit une densité de 0.7 (Ce calcul de densité n'a rien à voir avec la densitométrie.).   Toutefois, somme-nous capables de rendre la vraie couleur du cube avec un film modifié pour la lumière rouge ? Pour obtenir, vu sous une lumière blanche, l'image d'un cube avec sa vraie teinte, il faut que chaque composante R, V et B de la lumiére rouge impressionne le même nombre de grains de la couche correspondante que dans le cas de la prise de vue en lumière blanche de même intensité globale. Dans notre cas il faut que 1.43 UF de R grillent 750 grains de la couche R au lieu de 1072, 1.14 UF de V grillent 600 grains de la couche V au lieu de 684 et 0.43 UF de B grillent 300 grains de la couche B au lieu de 129. La nouvelle couche R doit donc contenir 750/1072*2000=1399 grains R; la couche V, 877 grains de V; et la couche B, 13953 grains de B. Nous avons ainsi un nouveau film photographique capable de photographier un cube rouge sous une lumière rouge avec un résultat identique au rendu du premier film sous lumière blanche.   Encore plus loin, somme-nous capables de construire un filtre donnant le même résultat sous la lumière rouge mais avec un film pour la lumière blanche? Pour cela, il faut un filtre capable de transformer le spectre rouge en spectre blanc où les intensités de R, V et B sont égales. Avec notre lumière rouge de 3 UF (1.43 UF de R, 1.14 UF de V et 0.43 UF de B), il faut un filtre transparent aux B et qui laisse seulement passer 30% de R et 38% de V. Le filtre est alors source d'un spectre de 0.43 UF de R, 0.43 UF de V et 0.43 UF de B qui est bien un spectre de lumière blanche. Mais seulement 43% de l'intensité globale passe au travers. Il suffit donc de prendre une source rouge de 6.98 UF pour obtenir les 3 UF en sortie ou simplement de changer le couple vitesse-diaphragme.   Conclusion : La composition d'un film photographique est intimement liée à la qualité de la lumière incidente pour laquelle il est calibré. Un changement dans la qualité spectrale provoque une dérive du rendu des couleurs. Mais nous avons aussi vu que nous pouvions changer le spectre d'une source par un simple filtrage avec toutefois une perte d'intensité. Tous les films grands publiques sont dit lumière du jour. Mais il est important maintenant de pouvoir quantifié cette qualité sans avoir en tête le spectre complet de toutes les sources lumineuses. C'est le but de la notion de température de couleur qui, avec un seul nombre, nous renseigne sur la qualité spectrale d'une source incidente. Il est très important de se rappeler dans la suite que ce nombre ne renseignent en rien de l'intensité globale de la source. Si vous avez été perspicaces, vous avez remarqué que notre cube n'est pas rouge mais jaune. C'est pourtant une erreur de votre part! En effet je n'ai jamais donné les longueurs d'onde de R, V et B...

La température de couleur

La notion de température de couleur repose sur la théorie de l'émission du corps noir. Le corps noir est une matière fictive capable d'absorber totalement toutes les radiations électromagnétiques lorsque sa température est le zéro absolu, soit -273.15°C=0K (Kelvin). Aucune lumière n'est réfléchie et sa couleur est donc le noir parfait, d'où son nom. Mais c'est aussi une matière capable d'émettre un rayonnement électromagnétique si sa température n'est plus 0K. La distribution d'énergie émise, ou spectre, est alors directement lié à sa température. Le corps noir parfait n'existe pas mais dans certaines conditions de hautes températures et hautes pressions (> 1Bar!), beaucoup de matière ont un spectre d'émission superposable à celui de la théorie. En fait, historiquement, c'est l'observation de l'émission de corps incandescents qui a permis de construire une théorie basée sur la thermodynamique statistique. En fait le premier à utiliser la température de couleur n'est pas le photographe mais le forgeron qui est capable d'évaluer la température du métal d'un coup d'oeil. L'acier est en effet un bon corps noir. De l'augmentation de sa température va résulter un rayonnement de plus en plus intense du rouge profond au blanc aveuglant. Mais revenons à la théorie... Une des formules importantes est l'équation de Planck :

qui est la distribution d'énergie en fonction de la longueur d'onde du rayonnement électromagnétique émis par un corps noir de température T. Traçons cette fonction pour différentes températures:

Les spectres sont ici normalisés. Cependant l'énergie totale émise par le corps noir est proportionelle à la puissance 4 de la température. Le flux à 10000K est donc 10000 fois plus intense qu'à 1000K. Mais ce qui est important d'étudier ici est la distribution de cette énergie en fonction de la longueur d'onde. Avant tout, remarquez que l'émission du corps noir n'est pas limitée au seul domaine du visible; à 10000K et à 1000K, le corps noir émet fortement dans, respectivement, les UV et l'IR. C'est bien ce qui se passe dans la réalité : à 1000K, l'acier n'est pas lumineux mais il émet des infrarouges dont nous sentons la chaleur. Le soudeur à l'arc doit faire très attention aux ultraviolets émis, en partie, par le métal en fusion. Regardons maintenant les deux spectres à 3400K et 5600K. Ces températures ne sont pas prises au hazard; les lampes domestiques au tungsten ont une température de couleur autour de 3000K et les flash électronique ont une température de couleur autour de 5600K. A 3400K, le corps noir émet plutôt dans les rouges alors qu'à 5600K, l'émission maximale est dans les verts. En fait la théorie montre que le produit de la longueur d'onde d'émission maximale par la température est une constante. Ainsi plus la température augmente, plus la longueur d'onde diminue, allant pour la partie visible, du rouge au bleu. (Je vous rapelle que les courbes sont ici normalisées, mais l'énergie de chaque longueur d'onde à 5600K est beaucoup plus grande qu'à 3400K.) Voilà, nous avons maintenant une échelle de température qui nous permet de quantifier de façon simple la répartion spectrale de l'énergie émise par un corps incandescent ; simplement parce que température et rayonnement sont liée par la physique de la matière. Toutefois il est important de noter que cette théorie de quantification est extrapolée à des sources non incandescentes comme les tubes fluorescents, les flashs électroniques ou simplement un ciel lumineux. Les spectres de ces sources ne sont pas aussi harmonieux que celui d'un corps noir. Dans le cas des tubes fluorescents et des flashs électroniques, le spectre, bien que relativement continu, comporte des raies d'émission de forte énergie qui auront une incidence sur un film photographique conçu pour un spectre d'incandescence (i.e. continu). Je reviens et j'insiste sur le fait qu'il ne faut pas assimiler la temperature de couleur à une intensité globale du flux. Dans le cas d'une même source de masse constante, en effet nous avions vu que l'intensité augmentait avec la température de couleur. Mais dans le cas de deux sources différentes, une température de couleur plus grande ne signifie pas une intensité de flux plus grande. Pour exemple: un halogène de 1000W, avec une témperature de couleur de 3200K, à un flux plus intense qu'un petit flash dont la température de couleur est de 5000K. De même la température de couleur du ciel peut varier de 2000 à 20000K sans pour autant être plus intense. En fait le ciel, i.e. l'atmosphère, joue le rôle d'un filtre de conversion. Le spectre solaire à une température de couleur de l'ordre de 10000K. Mais l'atmosphère absorbe les UV et diffuse les bleus. Sur terre les jaunes et rouges du spectre deviennent alors prédominant et le spectre peut être comparé à celui d'un corps noir à 5600K. En revanche, le ciel est une source de lumière secondaire où les bleus sont majoritaire. Bien que le flux ne soit pas très intense par rapport au soleil, la température de couleur du ciel bleu est alors au dessus de 5600K.   Ces notions de température de couleur doivent-être prise en compte, en couleur comme en N&B, si il y a une grande différence entre les spécification du film et la température de la source lumineuse. La balance des couleurs d'un film couleur, ou le contraste d'un film N&B en seront affectés. Le tirage papier permettra un contre filtrage afin d'obtenir une épreuve exploitable. Il en est tout autrement du film inversible qui ne peut subir aucune correction lors du développement. Une différence de 100K induit déjà une modification dans la balance des couleurs. Il existe alors toute une série de filtres CC (colour conversion) pour contrôler le rendu des couleurs.

L'échelle mired

Les filtres CC permettent de convertir la température de couleur d'une source. Leur indice de conversion ne repose pas sur les Kelvin mais sur l'unité mired qui est un acronyme de 'micro reciprocal degree'. Les valeurs en mireds sont donc inversement proportionnel aux Kelvin par la relation:

Les mireds ne sont pas utilisés en valeur absolue dont il n'existe d'ailleurs pas d'origine. Nous utilisons en fait la notion d'écart en mireds entre deux températures de couleur. L'équation:

donne ainsi l'écart en mireds entre T1 et T2. La valeur d'écart est positive dans le cas d'une conversion d'une température vers une température plus basse et est négative dans le cas contraire. Un même filtre, par exemple de -18 mireds, permet de convertir aussi bien une lumière à 3000K en une lumière à 3200K, qu'une lumière à 5000K en une à 5500K. Vous remarquez alors qu'une même valeur d'écart en mireds ne donne pas le même écart en Kelvin suivant la température à convertir. Indexer un filtre avec un écart en Kelvin est alors impossible et c'est la raison d'existence des mireds.   La température de couleur d'une source est ainsi un paramètre important dans la photographie couleur. Nous devons en tenir compte si le rendu colorimétrique est déterminant, surtout en inversible. La température de couleur, comparée à notre perception subjective des couleurs, permet de quantifier objectivement la qualité d'une source lumineuse. Nous en reparlerons dans une fiche sur la vision.