ColorWorkDesk: funzionamento degli spettrofotometri

Come è fatto uno spettrofotometro

Uno spettrofotometro per applicazioni colorimetriche è uno strumento in grado di svolgere fondamentalmente due funzioni base: illuminare un oggetto e quantificare la radiazione restituita in termini di riflessione o trasmissione.

Ciò è possibile perché lo spettrofotometro è costituito da due componenti fondamentali:

• Un illuminante fisico: costituito da una lampada incandescente, Xeno o a led, utilizzata per “irradiare” con luce neutra (bianca) il materiale da misurare.
• Una sonda: il suo scopo è quello di recuperare la luce riflessa o trasmessa dall’oggetto illuminato. Le componenti ottiche/elettroniche, presenti nello strumento, permetteranno l’elaborazione di questa componente luminosa, che verrà restituita all’operatore in termini di valori spettrali.

Il concetto di riflessione, insieme a quello di trasmissione, sono fondamentali per comprendere il funzionamento di uno spettrofotometro.

Misurare la riflessione di un oggetto

Studiare la riflessione di un materiale è utile per analizzare materiali opachi e semi-opachi, come vernici, tessuti e metalli e per determinare le loro proprietà ottiche.

Nella misurazione della riflessione, la sonda presente nello spettrofotometro raccoglie la luce riflessa dalla superficie illuminata dell’oggetto. In questo caso, illuminante e sonda sono posizionati sullo stesso lato rispetto all’oggetto.

La misurazione della riflessione avviene, quindi, nel momento in cui la luce, prodotta dallo spettrofotometro, non attraversa completamente il materiale da misurare, ma la sua interazione con questo provoca fenomeni di diffusione e assorbimento, causa della riflessione.

La riflessione, in definitiva, è ciò che della luce emessa ritorna effettivamente alla sonda e può variare da uno 0%, in caso di assorbimento e diffusione massima, fino al 100%, in caso di riflessione totale. In presenza di percentuali intermedie, si avrà solo una porzione di luce effettivamente riflessa, mentre le restanti risulteranno assorbite selettivamente dall’oggetto o diffuse in altre direzioni.

La percentuale di riflessione misurata dalla sonda nel momento in cui raccoglie la luce riflessa, viene quindi misurata dallo spettrofotometro e tradotta in termini di valori spettrali.

Misurare la trasmissione di un oggetto

La misurazione della trasmissione è più appropriata per misurare le proprietà ottiche di oggetti trasparenti o semi-trasparenti, come vetro, plastica trasparente e liquidi.

In questo caso, la luce viene puntata su un lato dell’oggetto e la sonda viene posizionata sul lato opposto per raccoglierne la luce trasmessa, cioè quella che attraversa l’oggetto trasparente.

Nella trasmissione, la luce, a contatto con il materiale, può avere un assorbimento di tipo selettivo e/o avere anche una lieve diffusione. Nonostante lo scopo principale sia la definizione del colore, la quantità di luce trasmessa fornisce informazioni sulla trasparenza del materiale stesso.

L’unica variabile significativa, in questo tipo di misurazione, è dunque il materiale stesso.

Funzionamento dello spettrofotometro

Il funzionamento dello spettrofotometro per applicazioni colorimetriche si basa, quindi, sulla misurazione della luce nel range visibile percepito, che va da 400 a 700 nanometri, un intervallo che comprende tutte le onde luminose visibili all’occhio umano.

Grazie ai monocromatori, componenti chiave degli spettrofotometri, lo strumento riesce a scomporre la luce proveniente dal materiale in fonti monocromatiche, coprendo, come detto, l’intero range da 400 a 700 nanometri.

Queste fonti vengono poi registrate da una serie di fotodiodi, che misurano l’intensità della luce a ciascuna lunghezza d’onda.

In tal modo è possibile costruire un andamento preciso delle misurazioni spettrali, fornendo dati dettagliati sulle proprietà ottiche del materiale.

Poiché, però, non è possibile inserire infinite sonde, per misurare ogni possibile lunghezza d’onda, si utilizzano intervalli di misurazione piccoli e si applicano interpolazioni matematiche per stimare i dati mancanti.

La tecnica di misurare a piccoli intervalli, all’interno di questo range, è essenziale per ottenere una rappresentazione sufficientemente accurata delle proprietà spettrali del materiale.

Misurazione spettrale per punti e intervalli

Per ottenere una misura spettrale univoca, infatti, l’intervallo minimo indispensabile è di 20 nanometri, che corrisponde a 16 punti di misurazione.

Pur essendo in grado, la tecnologia dei moderni spettrofotometri, di scomporre la luce fino a 256 punti, attualmente, i software di elaborazione dei dati utilizzano tipicamente 31 punti di misurazione, con un intervallo di 10 nanometri.

Per le analisi colorimetriche, questo livello di dettaglio (31 punti di misurazione) è sufficiente per ottenere risultati accurati e affidabili nella maggior parte delle applicazioni pratiche, garantendo un equilibrio tra precisione e tempi di elaborazione.

L’elaborazione su un numero maggiore di punti non offrirebbe, infatti, vantaggi significativi in termini di precisione, ma comporterebbe, invece, un aumento dei tempi di elaborazione e dei costi operativi.

Spettrofotometri, spettrocolorimetri e colorimetri: una classificazione degli strumenti di misurazione

Non è un caso, quindi, che gli strumenti per la misurazione spettrale si classifichino in base al numero di punti di misurazione.

Uno spettrofotometro deve avere almeno 16 punti di misurazione, mentre strumenti con meno punti di misurazione sono definiti spettrocolorimetri (mediamente 8 punti) o colorimetri (3 soli punti, uno per ciascun colore primario: blu, rosso e verde).

Questa classificazione riflette la precisione e la capacità di ciascun strumento nel fornire dati spettrali dettagliati.

Problemi di illuminazione e soluzioni

Un possibile problema insito nello strumento di misurazione riguarda l’illuminante di cui questo è dotato.

Si è detto in precedenza che l’unica variabile nella misurazione del colore è il materiale, ma in realtà le misurazioni spettrali possono variare proprio in base al tipo di illuminante utilizzato nello spettrofotometro: lampadine a led, a fluorescenza, a incandescenza. È evidente che una luce bianca, rispetto a una luce gialla, che illuminano il materiale, possano restituire riflessi differenti e quindi colori differenti di un medesimo oggetto.

Per risolvere questo problema, però, si può lavorare in modo relativo, misurando l’energia dell’illuminante e mettendola in relazione con l’energia restituita dal campione.

Una tecnica che permette di ottenere misurazioni accurate e consistenti, indipendentemente dal tipo di illuminante utilizzato.

Trasformazione dei dati in valori di tristimolo XYZ

Pur fornendo una misura univoca, le misurazioni finora descritte hanno però un ulteriore problema: misurano principalmente la riflessione dell’oggetto.

Per definire la sensazione del colore, però occorre considerare le proprietà della sorgente di luce e le proprietà di ricezione dell’occhio umano o della sonda.

Per questo, oggi sono disponibili i cosiddetti valori di tristimolo che consentono di prevedere e quantificare quanto vale il colore in termini di energia Rossa, Verde e Blu.

Come detto, infatti, lo scopo finale dello spettrofotometro è la raccolta di dati. Questi vengono automaticamente trasformati in valori di tristimolo XYZ, che rappresentano le quantità di luce rossa (X), verde (Y) e blu (Z) ricevute dall’occhio umano.

Mappatura dello spazio colore CIElab

Se il calcolo dei valori di tristimolo XYZ può essere utile per la stima del colore, è però anche vero che non permetterebbe una valutazione simile a quella del soggetto umano, comprensiva di chiaroscuri e definizione delle gradazioni Rosso/Verde e Giallo/ Blu (opponenza cromatica, teoria di Hering).

I valori XYZ vengono, quindi, convertiti nello spazio colore CIElab, dove l’asse L verticale traccia la luminosità, l’asse cartesiano “a” definisce la tendenza rosso-verde e l’asse cartesiano “b” la tendenza blu-giallo. In tal modo, l’operatore è in grado di comprendere esattamente in che punto dello spazio CIElab si trovi uno specifico colore.

Questa vera e propria mappatura dettagliata dei colori fornisce, quindi, una rappresentazione molto precisa delle caratteristiche colorimetriche del campione, permettendo, inoltre, di valutare e confrontare i colori in modo oggettivo e quantitativo.

La mappatura CIElab, quindi, è uno strumento fondamentale per il controllo della qualità e la standardizzazione dei colori in molteplici settori industriali.

Vuoi approfondire le basi scientifiche della misurazione del colore? Leggi anche “ColorWorkDesk: la misurazione del colore con gli spettrofotometri”

Spettrofotometri ColorWorkDesk: ridefiniamo la colorimetria tradizionale

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