Didattica
Martedì, 13 Ottobre 2015 15:02

Fondamenti di Colorimetria

Scritto da extrano srl
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Definizione di Colore
Il colore è la sensazione visiva che il cervello percepisce quando l’occhio viene stimolato dalla gamma di radiazioni elettromagnetiche che va da 400 a 700 nm (nanometri), comunemente definita “Luce”. Tale gamma costituisce una frazione molto piccola di tutte le radiazioni elettromagnetiche esistenti in natura, comprendenti i raggi cosmici, i raggi X, il campo dell’ultravioletto, il visibile, l’infrarosso e le radiofrequenze.

 Spettro luce 

La percezione del colore è quindi un fenomeno complesso che coinvolge la Fisica, la Fisiologia e la Psicologia ed è un fatto eminentemente soggettivo.
Scopo della Colorimetria
Sottrarsi al giudizio soggettivo del singolo osservatore, introducendo un metodo oggettivo di misura
del colore sia dal punto di vista fisico che psicologico e fisiologico.
In definitiva si tratta di esprimere un colore non a parole, ma con dei numeri.
Uno dei possibili metodi di definizione fa ricorso a tre valori, X, Y e Z: Essi vengono detti Valori Tristimolus.
L’occhio umano
In pratica esso è una camera oscura di forma sferoidale, munita nella sua parte anteriore di un diaframma (la pupilla) attraverso il quale passa la luce.
Il bulbo oculare è delimitato da una serie di tre strati distinti e precisamente: la sclera, la coroide e la retina.

 occhio 

La sclera è una membrana robusta che dà all’occhio la sua forma sferoidale. Essa ha anteriormente una zona curva e trasparente detta cornea e posteriormente il foro di uscita del nervo ottico.
La coroide è una membrana compresa tra la retina e la sclera ricca di un pigmento nero-bruno del tipo melanina. Essa assorbe tutta la luce che ha attraversato la retina in modo che non si verifichi un secondo passaggio di detta luce attraverso la retina, la qual cosa provocherebbe una seconda immagine, anche se più diluita, di quanto si sta osservando con relativa perdita di nitidezza della visione.
La coroide, nella parte anteriore, forma una specie di diaframma chiamato iride, avente un foro centrale denominato pupilla. L’iride, dilatandosi o restringendosi, regola la grandezza della pupilla e quindi la quantità di luce che entra nell’occhio.
La retina infine è una membrana molto sottile e costituisce la vera e propria parte fotosensibile dell’occhio.
L’occhio è suddiviso in due parti separate tra loro dal cristallino, il quale costituisce la lente che permette la messa a fuoco dell’immagine sulla retina. Nella vecchiaia, quando il cristallino perde la sua elasticità, la messa a fuoco dell’immagine diventa difficoltosa (presbiopia).
La parte anteriore dell’occhio contiene l’umor acqueo, la posteriore l’umor vitreo.
Volendo esaminare un po’ la retina dobbiamo far notare che la sua struttura è alquanto complessa. Per semplicità diremo solo che essa è corredata di bastoncelli e di coni: i primi sono responsabili della visione notturna, essendo collegati in serie e bastando una piccola quantità di luce a stimolarli; i secondi producono la visione diurna e del colore. Si ritiene che i coni siano di tre tipi con centri di eccitazione diversi.

Fondamenti della Colorimetria
Per giungere alla percezione del colore di un oggetto occorrono tre cose:
a) Un oggetto avente un proprio colore
b) una lampada per illuminare l’oggetto in esame
c) il sistema occhio-cervello di un osservatore
Per quanto riguarda il primo punto occorre specificare quanto segue:
Il colore fisicamente inteso dell’oggetto in esame viene determinato dalla sua curva di riemissione.
Quando sulla superficie di un oggetto viene fatto arrivare un raggio luminoso di lunghezza d’onda λ (LAMBDA) e di intensità Ii(λ) una parte di esso viene assorbita dal corpo ed una parte viene riemessa (da notare che può presentarsi anche il caso di una parte trasmessa attraverso il corpo in questione).
Se indichiamo con Ir(λ) l’intensità del raggio riflesso, viene definito come Riflessione il seguente rapporto:

R(λ)= Ir(λ)/Ii(λ)

(intensità del raggio riflesso/intensità del raggio incidente)
Riportando i valori di R(λ) alle varie lunghezze d’onda tra 400 e 700 nm si traccia la curva spettrale caratteristica del colore in esame.
Praticamente come si effettua il calcolo di R(λ)? Per mezzo dello strumento fondamentale della colorimetria, lo Spettrofotometro. Esso, infatti, permette di misurare, attraverso la conversione di energia raggiante in energia elettrica (per mezzo di una cellula fotoelettrica), l’intensità di un qualunque raggio luminoso; perciò con esso si calcolano immediatamente sia il numeratore sia il denominatore dell’espressione di R(λ). In particolare il valore dell’intensità del raggio incidente viene calcolato facendo leggere allo spettrofotometro un bianco (es. MgO o BaS04) perché esso riflette completamente il raggio incidente.
La curva spettrale così ricavata è caratteristica del colore della superficie esaminata e, salvo che non si abbia a che fare con superfici fluorescenti, cui si farà cenno più avanti, essa è indipendente dalla ripartizione spettrale della luce utilizzata nella misura. Così se ad es. si ha una R(λ) = 54,75% vuol dire che della luce monocromatica di quella lunghezza d’onda che incide su quel campione, il 54,75% viene riemessa mentre il restante 45,25% viene assorbita, sia che si utilizzi come illuminante una candela sia una lampada da 1000 W. L’illuminante influisce solo sull’intensità del raggio incidente e di quello riflesso, ma il loro rapporto (cioè appunto R(λ)) risulta costante.
Nelle figure in calce vengono riportate le curve spettrali di un colore Rosso, un Arancio, un Giallo, un Verde, un Blu e un Violetto.

 curve 

Occorre notare che si parla di colore solo quando la curva spettrale non è una linea orizzontale, e che i vari colori riflettono (assorbono) in misura diversa alle varie lunghezze d’onda.
Si può anche dire, in linea di massima, che quanto più è grande il divario tra il massimo e il minimo di riflessione di una curva spettrale, tanto più è brillante il colore in esame: infatti, se tale divario diminuisce vuole dire che si va verso un appiattimento delle curve, cioè verso un grigio.
Una curva di riemissione può raggiungere al massimo il valore del 100%, (tutta la luce incidente viene riemessa). Può però verificarsi il caso dei colori fluorescenti, che possono giungere a valori di riemissione superiori al 100%; ciò naturalmente non significa creazione di energia dal nulla: tali colori, infatti, convertono in radiazioni proprie del campo visibile altre dal vicino ultravioletto (invisibile all’occhio umano).

Spettrofotometro
Lo spettrofotometro è lo strumento basilare della colorimetria.
Esso effettua l’analisi della curva spettrale, contrariamente a come opera il sistema visivo, che percepisce il colore facendo una sintesi di tutta la curva spettrale.
Gli elementi fondamentali di un qualunque spettrofotometro sono presto ricavati esaminando l’espressione della riflessione:

R(λ)= Ir(λ)/Ii(λ)

e precisamente:
1) una sorgente di luce per avere il raggio incidente Ii(λ)
2) un porta campioni perché dall’incidenza del raggio sulla superficie esposta si origini il raggio riflesso Ii(λ)
3) un monocromatore (o analogo dispositivo quale un reticolo di diffrazione o un sistema di filtri interferenziali), perché l’esame possa essere effettuato alla lunghezza d’onda voluta
4) un ricettore fotoelettrico per quantificare i valori Ir(λ) e Ii(λ)

Metamerismo
Due colori che hanno valori Tristimolus uguali sono percepiti come uguali.
Può succedere che due colori, di differenti curve spettrofotometriche, sotto una certa luce, l’illuminante, abbiano valori tristimolus perfettamente uguali, ma sotto un’altra i loro valori tristimolus risultino invece diversi: questo fenomeno è detto metamerismo.
Condizione perché due colori risultino uguali, sotto qualunque luce e per qualunque osservatore, è che i due abbiano curve spettrali perfettamente identiche.
Attraverso l’impiego di uno spettrofotometro si può controllare se delle riproduzioni di referenze inviate dai clienti o dai disegnatori, sono più o meno metamere.
Scopo della ricettazione strumentale è quello di ottenere delle riproduzioni aventi curve spettrali il più vicine possibile a quelle delle relative referenze, compatibilmente, s’intende, ai coloranti a disposizione.

 Metamerismo 

Illuminanti
I tipi di illuminante più diffusamente impiegati sono:
L’illuminante A, che rappresenta la luce emessa da una lampada elettrica a filamento di tungsteno, avente energia di irraggiamento molto vicina a quella del corpo nero a temperatura di 2856 K (luce bianca rossastra).
L’illuminante C, che rappresenta una luce media proveniente dal cielo luminoso del Nord.
L’illuminante D65 che è molto simile alla luce C con un maggior contenuto energetico nel campo prossimo a 400 nm, allo scopo di meglio considerare gli oggetti fluorescenti.
I tubi fluorescenti, che rappresentano luci molto disparate e sono tutti caratterizzati dall’avere una distribuzione spettrale segnata da alcuni picchi a notevole concentrazione energetica sovrapposti alla normale distribuzione spettrale continua.
In particolare, l’illuminante F rappresenta la luce emessa da una sorgente fluorescente con una temperatura-colore di circa 3900 k (Lampada Philips TL 84).

 Standard illuminants 

Standard Illuminant D65: Average daylight (including ultraviolet wavelength region) with a correlated color temperature of 6504K
Standard Illuminant C: Average daylight (not including ultraviolet wavelength region) with a correlated color temperature of 6774K
Standard Illuminant A: Incandescent light with a correlated color temperature of 2856K

 flourescent illuminants 

Fluorescent Illuminant F2: Cool white
Fluorescent Illuminant F7: Daylight
Fluorescent Illuminant F11: Three narrow band cool white
Atlanti dei Colori
Essi raggruppano un numero elevato di campioni fisici ordinati nello spazio, secondo vari criteri ordinatori.
Tali atlanti si prestano bene per definire un colore, ma non si possono applicare per misurazioni di diversità di tinta, né sono suscettibili di elaborazioni matematiche: inoltre il loro numero di colori è ovviamente limitato.
Per la sua funzionalità e diffusione si descriverà il sistema di Munsell. Secondo tale sistema i colori fanno parte di una disposizione tridimensionale con tre coordinate: luminosità o chiarezza, tono e saturazione.

 munsell 

Nella disposizione dei colori Munsell ha stabilito di mantenere costante la differenza di percezione visiva tra un campione e quello adiacente; la coordinata della luminosità (VALUE) è stata divisa in 10 parti (dal nero al bianco) ed è disposta verticalmente lungo l’asse del solido di colore. Da questo asse si dipartono i pannelli, ciascuno dei quali individua una tinta al variare della luminosità e della saturazione.
Si individuano 100 piani verticali comprendenti 10 settori, corrispondenti a 5 tinte di base (R = rosso, Y= giallo, G = verde, B= blu, P = porpora) e a 5 tinte intermedie (YR, GY, BG, PB, RP) con ciascun settore diviso in 10 parti.
Ogni piano di eguale tono (HUE) è caratterizzato da 2 coordinate, la luminosità disposta in verticale e la saturazione (CHROMA) orizzontale. Quest’ultima cresce partendo dall’asse della luminosità con intervalli di 2 unità, passando da 0 a 2 a 4…
Valori Tristimolus
La colorimetria Tristimolus fornisce tre valori X, Y, Z, che rappresentano, presi singolarmente, lo stimolo specifico di un certo settore dello spettro e nell’insieme lo stimolo ricevuto dal cervello.

X=∑ R(λ)*(λ)*E(λ)
Y=∑ R(λ)*(λ)*E(λ)
Z=∑ R(λ)*(λ)*E(λ)

R(λ) = valore di riemissione dell’oggetto alla lunghezza d’onda λ
(λ), (λ), (λ) = caratteristiche dell’osservatore
E(λ) = valore dell’energia emessa dall’illuminante

La percezione del colore dipende dall’Oggetto illuminato, dall’Illuminante e dall’Osservatore: quando si illumina un oggetto con un certo illuminante di distribuzione spettrale ∑(λ) sulla superficie dell’oggetto arriva una luce di intensità pari ad ∑(λ) però l’osservatore non è influenzato da tutta la luce incidente, ma solo dalla frazione che viene riflessa, perché solo questa giunge al suo occhio. In una parola interessa solo la frazione R(λ)*∑(λ)
Una volta che questa frazione di energia riflessa è arrivata all’occhio dell’osservatore, subentrano i fattori moltiplicativi fisiologici e psicologici dell’osservatore medio standard, arrivando così a tre relazioni, perché si ritiene che nell’occhio esistano tre tipi diversi di ricettori a seconda della loro zona di sensibilità, le cui caratteristiche sono note e corrispondono ai valori .
Valori x ed y piccoli
Va fatto notare che attraverso i valori Tristimolus sarebbe poco agevole capire immediatamente di che colore si tratta, trattandosi di una rappresentazione in 3 dimensioni. Si è perciò ricorsi ad una rappresentazione bidimensionale del colore più comoda e di facile interpretazione, ricavando le cosiddette coordinate cromatiche (cioè x piccolo ed y piccolo) attraverso le semplici relazioni:

x= X/X+Y+Z
y=Y/X+Y+Z

che in pratica esprimono la percentuale della sensazione rossa e della sensazione verde sulla sensazione totale.
Attraverso tali valori si ricava per i colori dello spettro, che rappresentano i limiti dei colori reali, la nota curva a ferro di cavallo, dalla quale si possono facilmente ricavare
Y = Intensità
P = purezza
L = Lunghezza d’onda dominante

 CIE LAB xy 

In pratica per caratterizzare un colore si opererà nel seguente modo:
- si calcolano i valori X, Y e Z
- si ricavano le coordinate cromatiche x ed y e si riporta nel diagramma il punto P che ne risulta
- si determina il punto C relativo all’illuminante impiegato
- si prolunga il segmento CP fino alla curva, trovando il punto S
- dal rapporto (CA/CS)*100 si ottiene la purezza (o saturazione)
- si legge la lunghezza d’onda del punto S, che rappresenta la lunghezza d’onda dominante del colore in esame.

Valori L, C ed H
Spesso le coordinate di un colore vengono rappresentate dalla seguente terna:
L = LUMINOSITÀ (VALUE)
C = SATURAZIONE (CHROMA)
H = TONO (HUE)
Tali parametri ci consentono di capire:
- se un colore è più chiaro o più scuro di un altro (confrontando le L)
- se è più o meno intenso di un altro (da C)
- se è più rosso, o giallo, o blu (da H)

© extrano srl

Letto 1134 volte Ultima modifica il Martedì, 23 Febbraio 2016 07:48
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