La differenza tra spettrofotometri e colorimetri

La percezione del colore è un fenomeno soggettivo. Nonostante ciò è provato che la maggior parte delle persone ha una sensibilità cromatica simile: è su questo che si basa la teoria sulla misura del colore. Le cause che generano la percezione del colore sono però legate a proprietà della luce (visibile) e quindi a grandezze oggettivamente riconoscibili: la luce emessa da una sorgente interagisce con la materia e giunge ai nostri occhi modificata in seguito all’interazione.

La colorimetria tristimolo

Come è possibile notare dalla figura 1, il principio di percezione del colore dell’occhio umano è simile a quello di un colorimetro, cioè riproduce la sensibilità ai tre colori fondamentali dell’occhio di un osservatore medio (colorimetria tristimolo).

1 Principio di percezione del colore dell’occhio umano, di un colorimetro e dello spettrofotometro

Un altro metodo di misura del colore è quello spettrofotometrico; gli strumenti che lo utilizzano determinano le caratteristiche spettrali della luce per poi calcolare i valori tristimolo basati sulle equazioni per le funzioni tristimolo dell’Osservatore standard CIE. Oltre ai dati numerici nei vari spazi di colore, gli strumenti che utilizzano il metodo spettrofotometrico possono anche visualizzare direttamente i dati spettrali, fornendo informazioni più dettagliate sull’oggetto.

Il grafico di riflettanza spettrale

Oltre alla visualizzazione dei dati numerici sul colore, uno spettrofotometro può visualizzare il grafico della riflettanza spettrale. I colori sono creati combinando diverse lunghezze d’onda luminose nelle proporzioni adeguate. Uno spettrofotometro misura la luce riflessa dall’oggetto a ogni lunghezza d’onda o in ogni gamma di lunghezza d’onda; questi dati sono visualizzabili su un grafico in modo da fornire informazioni più dettagliate sulla natura del colore.

Misura del colore con uno spettrofotometro

La misura del colore degli oggetti realizzata con un colorimetro tristimolo produce come risultati solo i dati colore numerici nei diversi spazi di colore. Se invece le misure vengono eseguite con uno spettrofotometro, non solo è possibile ottenere lo stesso tipo di dati numerici, ma anche il grafico di riflettanza spettrale di quel colore. Inoltre, grazie a un sensore di elevata precisione e all’inclusione di dati per varie condizioni di illuminazione, lo spettrofotometro può fornire una maggiore precisione rispetto a quella che si potrebbe ottenere con un colorimetro tristimolo. Si vedano gli esempi riportati nella figura 2.

2A Misura del colore di una piastrella rosa: guardando il grafico di riflettanza spettrale è possibile notare che la piastrella riflette la luce a tutte le lunghezze d’onda e che la riflettanza spettrale nella regione superiore a 600 nm (regioni dell’arancione e del rosso) è un po’ più elevata rispetto a quella delle altre regioni di lunghezza d’onda. Si ottiene: L*=74,72 – a*=15,34 – b*=10,21 2B Misura del colore di un tessuto rosa: la riflettanza spettrale sull’intera gamma di lunghezze d’onda è alta, particolarmente intorno a 600 nm. D’altro canto, la riflettanza spettrale è inferiore intorno a 550 nm e indica che è stata assorbita la luce gialla e la luce verde. Si ottiene: L*=76,47 – C*=37,34 – h=365,69 2C Misura del colore di un componente in plastica rossiccio-porpora: la riflettanza spettrale nelle regioni comprese tra 400 e 700 nm è alta, mentre la riflettanza spettrale per la regione compresa tra 500 e 600 nm è bassa, con assorbimento quasi totale della luce. Si ottiene: L*=34,27 – a*=44,53 – b*=-21,92 2D Misura del colore di stivali in gomma blu vivace: la regione compresa tra 400 e 500 nm (aree indaco e blu) è caratterizzata un’alta riflettanza spettrale, mentre la regione superiore a 550 nm è caratterizzata da una bassa riflettanza spettrale, con assorbimento quasi totale della luce. Si ottiene: L*=37,47 – a*=7,07 – b*=-47,77

Differenze tra metodo tristimolo e spettrofotometrico

L’occhio umano è il nostro trasduttore che trasforma la luce in impulsi elettrici: la parte sensibile è la retina. Le cellule sensibili alla luce sono definite, per la loro forma, bastoncelli e coni: i primi sono sensibili a intensità di luce molto basse e restituiscono un’immagine acromatica. I coni, di tre tipi, sono sensibili a tre diverse lunghezze d’onda che corrispondono al rosso (R), al verde (G) e al blu (B), che per questo sono considerati i tre colori della luce primari. La combinazione di questi tre segnali determina la percezione cromatica.

La figura 3 indica le curve di sensibilità spettrale corrispondenti all’occhio umano secondo la definizione dell’Osservatore standard CIE 1931 e CIE 1964. Vengono definite funzioni colorimetriche; x (λ) ha un’alta sensibilità nella zona delle lunghezze d’onda del rosso, y (λ) ha invece un’alta sensibilità nella zona delle lunghezze d’onda del verde, e infine, z (λ) ha un’alta sensibilità nella regione delle lunghezze d’onda del blu. I colori visualizzabili sono il risultato di diverse proporzioni (stimoli) di x (λ), y (λ), z (λ) e nella luce ricevuta da un oggetto.

3 Curve di sensibilità spettrale corrispondenti all’occhio umano secondo la definizione dell’Osservatore standard CIE

Come illustrato nella figura 1b, il metodo tristimolo misura la luce riflessa da un oggetto che utilizza i tre sensori filtrati in modo da possedere la stessa sensibilità x (λ), ȳ (λ), z (λ) e dell’occhio umano e perciò misura direttamente i valori tristimolo X, Y e Z.

D’altro canto, il metodo spettrofotometrico che appare nella figura 1c utilizza sensori multipli (40 nel caso dello spettrofotometro) per misurare la riflettanza spettrale dell’oggetto a ciascuna lunghezza d’onda o in ciascuna stretta gamma di lunghezze d’onda. Il microcomputer dello strumento calcola quindi i valori tristimolo dai dati di riflettanza spettrale effettuando un’integrazione. Per la mela utilizzata nell’esempio, i valori tristimolo sono X = 21,21, Y = 13,37 e Z = 9,32; questi valori possono quindi essere impiegati per il calcolo dei valori negli altri spazi colorimetrici come Yxy o L*a*b*.

La figura 4 mostra come vengono definiti i valori tristimolo X, Y e Z. La luce con distribuzione A riflessa dal campione è incidente sui sensori con sensibilità spettrale B i cui filtri dividono la luce in regioni spettrali corrispondenti ai tre colori primari e i sensori emettono i valori tristimolo (X, Y e Z) C. In questo modo, C = A ~ B. I risultati nelle tre regioni spettrali di C sono le seguenti: C -1: x (λ), C -2: y (λ), e C -3: z (λ). I valori tristimolo sono uguali alle integrazioni dell’area ombreggiata presente nei tre grafici.

4 La luce con distribuzione A riflessa dal campione è incidente sui sensori con sensibilità spettrale B i cui filtri dividono la luce in regioni spettrali corrispondenti ai tre colori primari e i sensori emettono i valori tristimolo (X, Y e Z) C. In questo modo, C = A ~ B. I risultati nelle tre regioni spettrali di C sono le seguenti: C -1: x (λ), C -2: y (λ), e C -3: z (λ). I valori tristimolo sono uguali alle integrazioni dell’area ombreggiata presente nei tre grafici

Colore apparente e sorgente luminosa

Differenti sorgenti luminose fanno apparire diversi i colori. Per la misura del colore, la CIE ha definito le caratteristiche spettrali di diversi illuminanti standard. La sorgente luminosa, solitamente integrata nello strumento di misura del colore, può corrispondere – o no – agli illuminanti CIE; lo strumento determina i dati di misura in relazione all’illuminante selezionato attraverso calcoli basati sui dati effettivamente misurati con la sorgente luminosa dello strumento e i dati della distribuzione spettrale dell’illuminante memorizzati nello strumento.

5 Misura del colore di un campione (mela) mediante spettrofotometro con illuminante standard D65 e con illuminante standard A

Verifichiamo che cosa succede (figura 5) se si misura il campione (mela) utilizzando uno spettrofotometro con illuminante standard D65 e con illuminante standard A.

Nell’esempio 1, A è il grafico della distribuzione spettrale dell’illuminante standard D65 mentre B è il grafico della riflettanza spettrale della mela. C è la distribuzione spettrale della luce riflessa dal campione (mela) ed è il prodotto di A e B. Nell’esempio 2, A’ è la distribuzione spettrale dell’illuminante standard A e B è la riflettanza spettrale del campione (mela), uguale a quella dell’esempio 1. C’ è la distribuzione spettrale della luce riflessa dal campione (mela) ed è il prodotto di A’ e B. Se si confrontano C e C’, si nota che la luce nella regione del rosso è molto più intensa in C’; ciò significa che la mela apparirebbe molto più rossa con l’illuminante standard A.

Il colore di un oggetto, pertanto, varia in relazione alla luce con cui viene osservato. Uno spettrofotometro, in effetti, misura la riflettanza spettrale del campione; lo strumento può poi calcolare i valori numerici del colore in diversi spazi di colore utilizzando i dati di distribuzione spettrale per l’illuminante selezionato e i dati per le funzioni colorimetriche dell’osservatore

Il fenomeno del metamerismo

Come accennato, il colore di un oggetto dipende dalla sorgente luminosa. Un problema correlato è il metamerismo, ovvero il fenomeno per il quale due oggetti appaiono dello stesso colore alla luce del giorno, ma diversi con illuminazione artificiale. Per gli oggetti metamerici, le caratteristiche di riflettanza spettrale dei colori sono diverse, ma i valori tristimolo risultanti sono gli stessi con una sorgente luminosa e diversi con un’altra. Questo problema è spesso dovuto all’uso di pigmenti o materiali diversi. Si osservi la figura 6.

6 Per valutare il metamerismo è necessario misurare la riflettanza spettrale del campione con due o più illuminanti con distribuzioni spettrali molto diverse, per esempio l’illuminante standard D65 e l’illuminante standard A

Considerando le curve di riflettanza spettrale dei due campioni, è possibile notare subito la loro differenza. I valori L*a*b* per le misure con illuminante standard D65 sono gli stessi per entrambi i campioni, mentre cambiano per le misure con illuminante standard A. Pertanto, anche se i due campioni hanno caratteristiche di riflettanza spettrale diverse, appariranno dello stesso colore alla luce del giorno (illuminante standard D65). Quindi, per valutare il metamerismo è necessario misurare il campione con due o più illuminanti con distribuzioni spettrali molto diverse, ad esempio l’illuminante standard D65 e l’illuminante standard A.

Sebbene sia i colorimetri tristimolo sia gli spettrofotometri utilizzano una singola sorgente luminosa, possono calcolare i risultati delle misurazioni in base ai dati dell’illuminante già in memoria che forniscono i dati per misurazioni effettuate con vari illuminanti. In genere, i colorimetri consentono di effettuare misure solo con l’illuminante C e l’illuminante standard D65 che simulano entrambi la luce del giorno e che hanno distribuzioni spettrali molto simili; per questo motivo i colorimetri tristimolo non possono essere impiegati per misurare il metamerismo. Gli spettrofotometri, invece, sono dotati delle distribuzioni spettrali relative a una vasta gamma di illuminanti, pertanto possono quantificare il metamerismo. Inoltre, grazie alla loro capacità di visualizzare i grafici di riflettanza spettrale, è possibile rilevare esattamente la differenza della riflettanza spettrale dei due colori.

LASCIA UN COMMENTO

Please enter your comment!
Please enter your name here