La scienza nella misurazione del colore: le analisi colorimetriche dall’automotive all’aerospace

Il controllo qualità dei processi produttivi spesso necessita di garantire la coerenza, conformità e riproducibilità del colore degli articoli prodotti, eliminando la soggettività della percezione umana.

Questa analisi può essere effettuata attraverso un apposito strumento chiamato colorimetro, che fornisce le coordinate L∗a∗b∗, utili a quantificare e misurare il colore in modo oggettivo, indipendentemente dall’illuminazione e dalla percezione soggettiva dell’occhio umano.

Cosa sono e come funzionano esattamente le coordinate L∗a∗b∗?

Il sistema L∗a∗b∗ (detto anche spazio colore CIELAB, dal nome della CIE Commissione Internazionale per l’Illuminazione – in inglese International Commission on Illumination – in francese Commission Intérnationale de l’Eclairage) è un modello matematico tridimensionale che definisce un colore in base a tre assi:

• L∗ (Luminosità): Rappresenta la chiarezza o la luminosità del colore. I valori vanno da 0 (nero puro) a 100 (bianco ideale).
• a∗ (Asse rosso-verde): Indica la posizione del colore lungo l’asse che va dal verde (valori negativi) al rosso (valori positivi).
• b∗ (Asse giallo-blu): Indica la posizione del colore lungo l’asse che va dal blu (valori negativi) al giallo (valori positivi).

Combinando questi tre valori è possibile identificare in modo univoco qualsiasi colore visibile dall’occhio umano, a differenza di quanto avviene con altri modelli (come RGB o CMYK) che sono molto più variabili perché dipendenti dal dispositivo utilizzato.

A cosa serve in pratica?

L’uso di un colorimetro con coordinate L∗a∗b∗ è cruciale per:

• Conformità e controllo di qualità: consente di verificare che un prodotto, come una vernice, un tessuto, un qualsiasi articolo e persino un alimento, abbia esattamente il colore desiderato. Misurando le coordinate L∗a∗b∗ di un campione e di un pezzo di riferimento, è possibile calcolare la differenza cromatica totale (ΔE) tra i due. Un ΔE basso indica una piccola differenza di colore, spesso impercettibile all’occhio umano. Gli uffici qualità delle aziende utilizzano spesso questa analisi per verificare l’omogeneità di un colore o la variazione di tinta dopo aver effettuato specifici trattamenti.
• Comparazione e standardizzazione: le aziende possono stabilire tolleranze numeriche per il colore, garantendo che i prodotti di diversi lotti o prodotti in diverse fabbriche abbiano un aspetto uniforme. Inoltre il test viene usato per confrontare il colore di campioni diversi o dello stesso campione prima e dopo un processo di invecchiamento.
• Sviluppo di nuovi prodotti: aiuta i chimici e i designer a formulare nuovi colori in modo preciso e ripetibile.

Settori di applicazione

Questo tipo di analisi è ampiamente utilizzata in svariati settori:

• Automotive: per garantire la coerenza cromatica ed estetica dei componenti agli standard del marchio. Un’automobile è composta da decine di parti esterne ed interne prodotte da fornitori diversi (paraurti, specchietti, maniglie, pannelli cruscotto, ecc.). Tutti questi componenti, anche se prodotti separatamente, devono avere esattamente lo stesso colore una volta assemblati sul veicolo finale.
• Aerospace: in questo settore il controllo del colore non è solo una questione estetica, ma spesso di sicurezza e conformità normativa. La vernice o il rivestimento utilizzato ad esempio per la fusoliera, le ali o i componenti interni (es. pannelli cabina di pilotaggio, sedili) sono sottoposti a rigorosi standard di colore. Le coordinate colorimetriche vengono misurate e registrate come riferimento e il controllo verifica che ogni lotto di vernice sia conforme alle specifiche esatte. I controlli vengono infine usati per testare la resistenza del colore a fattori ambientali estremi (esposizione ai raggi UV, sbalzi di temperatura) a cui gli aerei sono sottoposti.
• Vernici e inchiostri: per garantire la riproducibilità dei colori in grandi produzioni.
• Industria tessile: per controllare la colorazione di tessuti, pelli, rivestimenti e il loro grado di bianco.
• Materiali da costruzione: per il controllo del colore di piastrelle, cemento e altri rivestimenti in edilizia.
• Alimentare e bevande: per monitorare la maturazione della frutta, la qualità degli oli e il colore di succhi o salse.

Come funziona la misurazione

Il campione viene posizionato sulla fenditura del colorimetro e viene avviata l’analisi.

Lo strumento emette una luce standard (illuminante CIE D65), rilevando l’assorbimento di specifiche lunghezze d’onda da parte del materiale. Il D65 (dove “D” sta per Daylight, luce diurna) rappresenta la luce diurna media, ovvero la luce solare media che si può trovare, ad esempio, a mezzogiorno nell’Europa nord-occidentale. Usando questo standard ci si assicura che un colore sia visualizzato in modo coerente in diverse località e in diversi momenti, minimizzando l’effetto del metamerismo (il fenomeno che avviene quando due colori che sembrano uguali sotto una luce ma diversi sotto un’altra).

Le informazioni raccolte vengono quindi elaborate e convertite nelle coordinate L\*a\*b\*.

Lo spettrofotometro Color Work Desk BSF-100

BSF-100 è il nuovo colorimetro con tecnologia spettrofotometrica in dotazione nel laboratorio di MotivexLab: strumento innovativo, accurato, stabile, è la soluzione ideale per il Color Quality Control Management.

Lo strumento consente sia la misurazione SCI (luce riflessa inclusa) che SCE (luce riflessa esclusa) con la possibilità quindi di scegliere se includere o escludere la luce riflessa e misurare anche il metamerismo.

Consente la misurazione di campioni di diametro minimo di 4mm.

ll colorimetro BSF-100  segue lo standard CIE 1976 (CIELAB), che è il modello più usato e aggiornato per misurare la differenza di colore percepita.

Per la misura del colore di oggetti (come vernici, plastica, tessuti), lo standard richiesto dall’industria per la precisione è quasi sempre il CIE 1976 L*a*b* (CIELAB), perché è progettato per essere uniforme all’occhio umano. Il colorimetro BSF-100, essendo uno strumento “High-Quality” per il controllo colore, è progettato per fornire queste coordinate.

Tuttavia, tutti gli spazi colore CIE (inclusi CIE LAB e CIE LUV del 1976) sono derivati dai dati fondamentali raccolti nel CIE 1931 (XYZ). Lo standard CIE 1931 è la base matematica da cui partono tutti gli strumenti colorimetrici.

In sintesi il BSF-100 utilizza la base matematica del CIE 1931 per fare la misurazione, ma poi converte il risultato nello spazio CIE 1976 L*a*b* (o CIELAB) per dare un valore di colore che è significativo per il controllo qualità.

I modelli CIE 1931 e CIE 1976 a confronto

Nel 1931 la CIE ha definito un modello matematico per rappresentare in maniera bidimensionale la percezione del colore e la combinazione delle coordinate in un diagramma di cromaticità.

Nel 1976 questo modello fu implementato e migliorato.

Il modo migliore per capire la differenza tra i diagrammi di cromaticità CIE 1931 (basato su CIE XYZ) e CIE 1976 (basato su CIELAB o CIELUV) è pensare a come ciascuno di essi “mappa” o rappresenta i colori che l’occhio umano riesce a vedere.

CIE 1931 (o CIE XYZ)

Immagina di avere una mappa che rappresenta tutti i colori visibili.

• Cosa misura (CIE XYZ): definisce un colore con tre numeri (X, Y, Z, chiamati valori tristimolo), che sono le quantità di tre colori primari necessarie per ricreare quel colore.
  • Y rappresenta la Luminosità (quanto è chiaro o scuro il colore).
  • X e Z contribuiscono all’informazione sul colore vero e proprio (cromaticità).
• Il Diagramma (CIE 1931): è la famosa figura a ferro di cavallo. Quando si toglie la luminosità (Y), si ottiene un diagramma a due dimensioni (con coordinate x e y) che mostra solo la cromaticità (la sfumatura e la saturazione del colore).
• Il problema principale (motivo per cui si è passati al 1976) è che il diagramma CIE 1931 non è uniforme per l’occhio umano.
  • Significa che due colori che sembrano molto diversi all’occhio in una zona del diagramma (ad esempio, il verde) possono essere molto vicini sulla mappa; mentre in un’altra zona (ad esempio, il blu) due colori che sono alla stessa distanza sulla mappa possono sembrare molto meno diversi all’occhio.
  • Quindi il CIE 1931 è ottimo per definire un colore ma non è ideale per misurare in modo significativo le differenze di colore come le percepiamo noi.

CIE 1976 (o CIE LAB)

Il modello CIE 1976 è nato proprio per risolvere il problema dell’uniformità.

• Cosa misura (CIE LAB): definisce un colore con tre nuove coordinate (L*, a*, b*). È una trasformazione matematica del CIE XYZ.
  • L*: Rappresenta la Luminosità (da 0 per il nero a 100 per il bianco).
  • a*: Rappresenta l’asse Rosso-Verde (valori positivi per il rosso, negativi per il verde).
  • b*: Rappresenta l’asse Giallo-Blu (valori positivi per il giallo, negativi per il blu).
• La grande novità sta nell’uniformità percettiva: Il CIE 1976 (e in particolare il CIE LAB) è un spazio colore uniforme.
  • Questo vuol dire che se prendi due colori nel diagramma CIE 1976 e la distanza tra di loro è di X unità e prendi altri due colori in un’altra zona del diagramma e anche la loro distanza è di X unità, il tuo occhio percepirà una differenza di colore simile in entrambi i casi.
  • In termini semplici: la distanza sulla mappa corrisponde meglio alla differenza che percepiamo.

Riassumendo e mettendo i due sistemi a confronto:

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