Blancheur La blancheur est, d une certaine façon, un concept difficile à expliquer. D un point de vue physique, une surface blanche est un réflecteur diffus parfait. Aucune surface semblable n existe dans la réalité, bien que certaines substances comme la neige s en approchent. La blancheur est quelque chose de tout à fait différent : une surface est très blanche si elle est perçue comme étant très blanche. La blancheur est donc une propriété définie par la perception humaine du blanc ; ce n est plus le blanc de la physique. Dans le secteur du carton, une blancheur élevée est préférable à une surface vraiment blanche ou presque. Interaction entre les matériaux et la lumière La lumière visible fait partie du spectre électromagnétique. Ce spectre comprend les ondes hertziennes et les rayons X, ultraviolets et infrarouges. La lumière peut se définir par sa longueur d onde exprimée en nanomètres (nm). Un nanomètre est égal à 1/1 000 000 mm. La lumière visible est comprise entre 400 et 700 nm. LUMIÈRE VISIBLE RAYONS X ULTRA- VIOLETS VIOLET 457 nm BLEU VERT JAUNE ORANGE ROUGE INFRA- ROUGES ONDES HERTZI- ENNES 400 500 600 700 LONGUEUR D ONDE (nanomètre nm) RÉFLECTANCE 425 475 525 575 625 675 LONGUEUR D ONDE nm 79
La lumière émise par la source lumineuse locale, comme une ampoule au tungstène, rencontre l objet. La lumière est absorbée, réfléchie, transmise ou diffusée selon la nature de l objet. La perception de la couleur est intimement liée à l absorption de certaines longueurs d onde de lumière. Un objet parfaitement blanc réfléchit toute la lumière à toutes les longueurs d onde ; un échantillon de blancheur élevée reflète presque toute la lumière; un objet rouge absorbe presque toute la couleur et ne réfléchit que la lumière de la partie rouge de la lumière incidente ; un objet bleu absorbe aussi presque toute la lumière mais réfléchit la lumière bleue dans l éclairage incident. Un objet noir absorbe presque toute la lumière incidente. On peut définir la couleur de l objet en fonction de sa courbe de réflectance spectrale. Celle-ci indique la quantité de lumière d une longueur d onde donnée qui sera réfléchie. Les images ci-dessous illustrent la différence de réponse spectrale entre un carton contenant un azurant optique et un carton sans azurant optique, sous différents éclairages. A la lumière du jour (à gauche), la lumière incidente contient une assez grande quantité de rayonnement à basse longueur d onde activant l azurant, ce qui entraîne que les deux échantillons réfléchissent différentes quantités de lumière dans le spectre bleu. Si la lumière provient d une ampoule au tungstène (à droite), le manque de rayonnement à basse longueur d onde rend les échantillons plus ressemblants, puisque les puissances de réflectance aux longueurs d onde élevées sont semblables. 140 130 120 100 60 40 20 0 300 400 500 600 700 0 140 130 120 100 60 40 20 0 300 400 500 600 700 0 RÉPARTITION SPECTRALE ÉNERGÉTIQUE - ÉCLAIRAGES DIFFÉRENTS 2500 ÉMITTANCE ÉNERGÉTIQUE, normalisée à 560 nm 2000 1500 1000 500 0 300 400 500 600 700 0 A C D50 D65 LONGUEUR D ONDE nm Guide Pratique d'utilisation du carton IGGESUND PAPERBOARD
On parle de transmission lorsque la lumière traverse un corps sans subir de modification. On dit alors que la lumière se propage à travers le corps et que ce corps est transparent. Si une partie de la lumière est absorbée, et que l objet reste transparent, c est qu il est coloré. Par exemple, si la lumière bleue est absorbée, la lumière transmise sera jaune, si la lumière rouge est absorbée, la lumière transmise sera verte, et inversement dans les deux cas. Si toute la lumière est absorbée, aucune lumière n est transmise et le corps est noir et opaque. La dispersion se produit quand la lumière frappe de petites particules dans un matériau qui n a pas le même indice de réfraction que le milieu environnant, généralement l air. Les phénomènes de dispersion de la lumière sont courants, par exemple le bleu du ciel et le blanc des nuages et de la neige lui sont dus. Si la dispersion est d une intensité telle que le corps n est traversé que par très peu ou pas de lumière, on considère le corps comme opaque. Si la dispersion est identique pour toutes les longueurs d onde et que l absorption est nulle, l objet paraît blanc. REFLECTANCE % 100 Fluorescent whitening agent (FWA) A 75 B Purple colour dye 50 WAVELENGTH (nm) 400 500 600 700 Transmission de la lumière à travers un objet transparent Propriétés mesurables Opacité (ISO 2471) L opacité d un échantillon est son manque de transparence. Un échantillon de 100% d opacité ne laisse passer aucune lumière et donc cache entièrement ce qui se trouve dessous. Un échantillon d opacité proche de zéro est presque entièrement transparent et ne cache rien. Cette norme spécifie toujours la source lumineuse C plutôt que le D65. Absorption de la lumière par un objet coloré transparent 81
82 Guide Pratique d'utilisation du carton IGGESUND PAPERBOARD
RÉPONSE SPECTRALE (D65) 100 90 RÉFLECTANCE, % 70 60 50 400 500 600 700 LONGUEUR D ONDE nm Blanc parfait Blancheur élevée Évaluation de la blancheur CIE On ne doit pas qualifier le carton de «blanc» car blanc signifie le réflecteur diffus parfait. Il vaut mieux parler de degrés de blancheur. Étant donné qu aucun carton n est blanc, il ne faut pas dire qu un carton est plus blanc qu un autre mais qu un carton a un degré de blancheur plus élevé qu un produit concurrent. (En réalité, peu de gens observent cette distinction quand ils parlent de carton.) Pour décrire la blancheur, les études et les formules ne manquent pas. Le système CIE de blancheur et de colorimétrie est celui qui est généralement employé de nos jours (ISO 11475). Propriétés mesurables Les équations de blancheur et de colorimétrie du système CIE s expriment ainsi : W = 2.41L* 4.45b*(1 0.009 (L* 96)) 141.4 T = 1.58a* 0.38b* 3 < T< 3 40 < W < 10.6L* 852 Ceci n est pas la manière normale de définir la blancheur CIE mais l équation est valide du point de vue mathématique et sert à illustrer qu une valeur de blancheur CIE ne spécifie pas un point dans la zone L*,a*, b* mais définit plutôt un plan. Si la blancheur CIE et une couleur sont spécifiées, le résultat dénote une ligne dans la zone L*, a*, b*. Ces considérations sont importantes car il faut comprendre que des échantillons de même valeur de blancheur n ont pas besoin d avoir les mêmes propriétés de couleur. Bien qu une augmentation de la blancheur CIE corresponde normalement à une augmentation de la blancheur perçue, l échelle de blancheur est assez arbitraire. Les coordonnées CIE peuvent être très utiles pour déterminer si un changement de degré de blancheur CIE correspond à un changement important de blancheur perçue. En regardant les équations ci-dessus, on comprend également pourquoi on ajoute des agents fluorescents et des colorants au carton. Les colorants et les agents fluorescents ajoutent une couleur bleue au carton. Le bleu est associé à des valeurs négatives pour b* et, comme l indique l équation ci-contre, plus la valeur négative b* est élevée plus la blancheur perçue est élevée. Une valeur de blancheur CIE doit toujours être accompagnée par une valeur de teinte (T), bien qu elle soit souvent omise. Une valeur de teinte positive correspond à une teinte verte ; une valeur négative à une teinte rouge. Pour bien comprendre les équations de blancheur CIE, il faut tout d abord comprendre le système de mesure des couleurs en trois dimensions qui servait à décrire la couleur au moment où ces équations ont été élaborées. L œil humain contient deux types de capteurs de lumière: les bâtonnets et les cônes. Les bâtonnets discernent le noir et le blanc, les cônes sont chargés de la perception des couleurs. Il existe trois types de cônes, chacun absorbant à une longueur d onde longue, moyenne ou courte. 83
y 520 0.8 540 0.7 560 0.6 500 5 0.5 0.4 600 0.3 700 0.2 4 0.1 460 400 x 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 (On les décrivait autrefois comme rouge, vert et bleu mais cette description n est plus en vigueur désormais.) Au cours d une série d expériences, une lumière pure, c est-à-dire une bande étroite de longueurs d onde, a été montrée à plusieurs participants. Ceux-ci ont ensuite dû reproduire cette couleur en filtrant la lumière de trois lampes, dont chacune stimulait un seul type de cône. Le résultat de ces expériences a permis de décrire comment la lumière d une longueur d onde donnée stimule ces trois récepteurs. Ces fonctions de reproduction de la lumière peuvent servir, conjointement à un spectre de réflectance, pour calculer les composantes trichromatiques X, Y et Z qui correspondent respectivement à la réponse des cônes de longue, moyenne et courte longueur d onde. Sur la base de ces trois composantes X, Y et Z, on a formé une représentation de la couleur en trois dimensions: y = x = Y X+Y+Z X X+Y+Z Le troisième axe est simplement l axe Y : il est normalement représenté comme l axe vertical. Dans d autres expériences portant sur la perception, il a été prouvé que la blancheur perçue augmente sur une ligne située entre les coordonnées x et y de l illuminant, dénotées xn et yn, et en bordure du diagramme chromatique à une longueur d onde de 425 nm. W = Y + 0 (x n x) + 1700 (y n y) Cette équation indique simplement que si l échantillon se déplace sur la ligne décrite, la blancheur perçue augmente. Comme cette ligne décrit l ajout d une couleur violette à un échantillon neutre, l ajout de colorants violets peut augmenter la blancheur perçue. Cette équation a un certain nombre de conditions aux limites et doit toujours être accompagnée d une valeur de teinte. L échelonnage de blancheur CIE est assez arbitraire. Un changement d unité de blancheur n est pas associé à un certain changement perçu. On doit se rappeler que toute une variété d échantillons d aspects très différents peut avoir la même valeur de blancheur CIE et même des valeurs de blancheur CIE et de teinte identiques. Un échantillon parfaitement blanc a une blancheur de 100. Les échantillons de blancheur CIE supérieure à 100 donnent donc une plus grande impression de blancheur. 84 Guide Pratique d'utilisation du carton IGGESUND PAPERBOARD
BLANC L*=100 VERT a* b* +b* +a* JAUNE BLEU ROUGE NOIR L*=0 Résumé La blancheur est fortement influencée par les matières premières utilisées. Quand le carton est constitué de fibres de faible blancheur, celles-ci sont souvent recouvertes de fibres chimiques blanchies, de couches minérales pigmentées blanches ou d une combinaison des deux. Couleur et teinte Quand on mesure les propriétés des couleurs, il faut indiquer l illuminant utilisé. Actuellement, c est l illuminant D65 dont on se sert normalement quand on mesure les propriétés optiques du carton. Le D65 signifie une lumière diffuse c est-à-dire non cohérente dont la température de couleur est 6500 Kelvin. Beaucoup de normes graphiques spécifient le D50, qui est un éclairage diffus de température de couleur de 5000 Kelvin. Ces deux illuminants sont pratiquement identiques mais le D65 est considérablement plus riche en ultraviolets que le D50. Propriétés mesurables Le système L*, a*, b* est un système en trois dimensions pour décrire la couleur. Il est très utile pour examiner les différences entre échantillons. Ce système de coordonnées a été élaboré pour faire en sorte qu une différence d unité dans l espace des coordonnées corresponde à un changement perceptible de couleur. Avec les mesures de deux échantillons dans les mêmes conditions d illumination, les coordonnées indiquent clairement la différence de couleur entre ces échantillons. En mesurant le même échantillon dans plusieurs conditions d illumination, la variation d aspect peut être considérée en termes de chiffres se rapportant à la perception humaine de la couleur. 85