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On appelle lumière la partie visible d'un vaste groupe de radiations, qui vont des rayons cosmiques aux ondes radar. Toutes ces ondes sont de même nature (électromagnétique) et se déplacent dans le vide à la même vitesse: environ 300'000 km/s.Elles diffèrent par contre les unes des autres selon leurs longueurs d'onde et l'énergie qu'elles transportent, qui devient très grande dans le cas des rayons cosmiques.
En faisant passer de la lumière blanche à travers un dispositif dispersif, tel qu'un prisme de verre, on peut la décomposer en une figure nommée spectre visible, qui s'étend de 380 nm à 780 nm. Toutes les couleurs du spectre sont qualifiées de pures, car elles ne peuvent être séparées par un second passage à travers un prisme.
La nature profonde de la lumière est double: elle peut être décrite soit comme un ensemble de particules élémentaires de masse nulle, les photons, soit comme des ondes continues. Dans ce dernier cas, on emploie de préférence la longueur d'onde pour caractériser les différents rayonnements visibles.
La longueur d'onde de la lumière s'exprime en nanomètres [nm]
Dans la matière, la production d'énergie lumineuse se fait grâce aux électrons. Ces derniers occupent des orbitales très précises au sein de l'atome, mais si on excite l'atome par un apport d'énergie, par exemple de la chaleur, les électrons absorbent cette énergie et sautent sur des orbitales supérieures.
Les positions d'excitation sont très instables, et dès que l'apport d'énergie cesse, les électrons ont tendance à reprendre spontanément leurs positions d'origine, en restituant leur surplus d'énergie sous la forme de photons. L'énergie des photons ainsi émis, donc leurs longueurs d'ondes, varie en fonction de l'importance "saut" effectué par l'électron pour rejoindre son orbitale stable. Comme chaque électron possède de nombreuses orbitales d'excitation, un même atome peut émettre des photons de longueurs d'ondes très différentes les uns des autres.
Les différentes sources lumineuses peuvent être classées en quatre groupes, selon le type de spectre qu'elles émettent, c'est-à-dire en fonction de la répartition de l'énergie lumineuse émise dans les différentes longueurs d'onde.
Spectre continu: dans un spectre de type continu, il y a émission d'énergie lumineuse de manière continue, à chaque longueur d'onde. Il s'agit essentiellement des sources thermiques, qui utilisent la chaleur pour exciter les électrons. C'est le cas par exemple des ampoules à incandescence, du soleil ou d'une bougie.
Spectre continu, émis par une ampoule halogène
Spectre discontinu: ce type de spectre présente de nombreux trous, dans lesquels aucune énergie lumineuse n'est émise. Les sources utilisant une décharge électrique dans un gaz ionisé émettent généralement un spectre discontinu.
Spectre discontinu d'une lampe aux vapeurs de mercure, émettant dans les UV
Spectre combiné: il s'agit de la combinaison d'un spectre continu et d'un spectre discontinu. Ce type particulier est émis par des sources à décharge électrique modifiées, telles que les tubes fluorescents.
Spectre combiné d'un tube fluorescent de type "Warm white"
Spectre de raies: certaines sources lumineuses, comme les lasers ou les diodes laser, n'émettent que dans de rares longueurs d'onde. Associées à des filtres à bande passante étroite, ces sources deviennent pratiquement monochromatiques.
Les 3 principales raies d'émission du laser Argon-ion
En analysant le spectre émis par un corps noir, représentant une source thermique idéale, on constate que c'est vers une température de 5500 Kelvin que ce dernier émet approximativement la même quantité d'énergie dans toutes les longueurs d'onde.
Par comparaison avec un corps noir, on peut également assigner à toutes les sources thermiques une valeur de température de couleur, exprimée en Kelvin, qui précise la répartition spectrale des sources thermiques. Les sources dont la température de couleur est inférieure à 5500 K ont une tendance jaunâtre, et inversément, les sources possédant une température de couleur supérieure à 5500 K sont bleuâtres.
Pour observer les couleurs dans des conditions idéales, il faut donc travailler avec une source lumineuse possédant les deux qualités suivantes: spectre continu et température de couleur proche de 5500 K. Aucune source artificielle ne remplit parfaitement ces deux conditions, mais on les approche au mieux avec les lampes Xénon ou des combinaisons particulières de tubes fluorescents.
Dans le but d'établir une certaine harmonie dans les méthodes ou principes utilisés pour l'observation ou la mesure des couleurs, la CIE recommande l'emploi des sources normalisées suivantes: