Comprendere la misurazione dei parametri spettrofotometrici e le sue definizioni

Lavorando in diversi settori industriali, gli spettrofotometri sono fondamentali per la misurazione e l'analisi dei dati di colore obiettivi. In questa guida, ci concentreremo sui parametri e sulle specifiche di base degli spettrofotometri a colori per fornire informazioni sugli algoritmi utilizzati per misurare, analizzare e segnalare i dati.

Cosa misurano gli spettrofotometri?

Gli spettrofotometri misurano come la luce interagisce con i materiali misurando la luce riflessa, trasmessa o assorbita a varie lunghezze d'onda. Le misurazioni necessarie consistono in:

• Riflessione spettrale: la percentuale di luce riflessa da una superficie all'interno della regione spettrale 380-780 nm.

• Valori colorimetrici: colori o rappresentazioni negli spazi CIE Lab*, CIE XYZ e RGB.

• Calcoli della differenza di colorele differenze quantitative secondo le formule ΔEab, ΔE94 e ΔE*00.

• Opacità e trasparenza: misurazioni di trasmissione versus riflessione della luce.

Dove vengono utilizzati gli spettrofotometri?

Si prega di notare alcuni esempi di dove gli spettrofotometri sono utilizzati nell'industria:

• Automotive : abbinamento della vernice, sviluppo del rivestimento e garanzia della qualità.

• Tessile e moda : abbinamento del colore del tessuto, consistenza del tintore e produzione di abbigliamento.

• Alimentazione e bevandemonitoraggio, coerenza e aderenza agli standard.

• Plastica e polimeri : controllo del colore durante la produzione, garanzia di qualità.

• Stampa e grafica : controllo e gestione del colore e della riproduzione del colore nel processo di stampa.

• CosmeticiFormulazione e coerenza del lotto.

Come misura uno spettrofotometro le unità di colore?

Gli spettrofotometri trasformano le misurazioni fisiche della luce in unità di colore basate sugli standard della fisica ottica teorica e applicata e della teoria del colore. Il processo consiste in:

• Illuminazione del campione con una fonte di luce ad un certo angolo

• La luce trasmessa e riflessa sono separate in lunghezze d'onda costituenti utilizzando retiglie di diffrazione.

• Determinazione dell'intensità della luce ad intervalli spettrali discreti di 10-20 nm da fotorilevatori.

• Dati spettrali grezzi elaborati utilizzando funzioni di corrispondenza dei colori CIE

Risultati convertiti in valori tristimulus (X, Y, Z) e spazi di colore come Lab

Che cos'è una curva di riflessione spettrale?

Una curva di riflettanza spettrale è un grafico che mostra la riflettanza percentuale della luce per una superficie in relazione a ogni onda luminosa all'interno della gamma visibile. Questa curva è una descrizione fondamentale delle proprietà ottiche del colore "impronte digitali" per un materiale.

Caratteristiche principali:

• I materiali di colore rosso presentano alti valori di riflettanza a 700nm con un calo nella riflettanza da 400 - 500nm.

• I materiali grigi neutri presentano una forma di neutralità che mostra una riflessione relativamente piatta su tutte le lunghezze d'onda esercitando una variazione minima.

• Le curve dimostrano e forniscono una visione dei cambiamenti di colore derivanti dall'applicazione di diverse impostazioni di illuminazione.

• Ciò è essenziale per determinare il metamerismo di campioni diversi ed è cruciale per il metamerismo e i spostamenti di valore tra due campioni.

Qual è la differenza tra una riflettanza e uno spettrofotometro di trasmissione?

La principale differenza tra spettrofotometri di riflessione e trasmissione deriva dalla loro disposizione ottica e dalla natura dei campioni da misurare. Gli spettrofotometri a riflessione sono realizzati per materiali opachi.

Il loro funzionamento si basa sulla luce riflessa dalla superficie del campione. Sia la luce che il campione in fase di misurazione sono posizionati ad un angolo specificato. Questo strumento è più adatto per materiali opachi come vernici, tessuti, plastiche e carta. Questi strumenti utilizzano illuminazione direzionale (45°/0° o 0°/45°) o geometrie di illuminazione diffusa (sfera).

Cosa sono i parametri di misura del colore

I parametri di misurazione del colore si riferiscono a dettagli specifici come le specifiche e le condizioni che devono essere seguite per assicurarsi che le misurazioni del colore siano accurate, precise e ripetibili. Questi parametri sono impostati per spiegare le funzioni degli strumenti e come i dati di misura devono essere elaborati.

Scala di colori

Ogni parametro di misurazione del colore ha un intervallo di misurazione dei dati. In particolare, i parametri di misurazione del colore si limitano a soli dodici punti di dati per formare un grafico a colori completo dei parametri di misurazione del colore.

CIE Illuminante

Scale di colori che sono state coordinate CIE e sottodivisioni forniscono ancora misure di distanza relativa tra i colori. Scale importanti come CIE XYZ hanno ancora valore e dovrebbero essere documentate come avendo gettato le basi per molti spazi di colore, RGB rosso, verde, blu, Hunter Lab, precedente CIE ma ancora utilizzato in applicazioni legacy.

Osservatore standard CIE

La modellazione matematica della visione dei colori di un uomo medio utilizza le funzioni CIE Standard Observer. Ci sono due osservatori standard: l'"osservatore di 2°", che si basa su un campo visivo di 2°, e l'"osservatore di 10°", che si basa su un campo visivo di 10°.

Nei calcoli colorimetrici, la scelta dell'osservatore può essere limitante, in particolare per la visione periferica. L'osservatore a 10° è generalmente preferito per grandi campioni e sta diventando lo standard per la maggior parte delle altre applicazioni di misura del colore.

Geometria dello strumento

La geometria dello strumento riguarda gli angoli di illuminazione e raccolta, vale a dire: come la luce illumina il campione e l'angolo da cui la luce viene raccolta dal rilevatore. Questo parametro influisce in particolare sui risultati di misura per un campione con finitura texture, metallica o perla.

Le geometrie comuni includono 45°/0° (illuminazione a 45° e visione a 0°), 0°/45° (illuminazione a 0° e visione a 45°) e diffuso/8°. Ogni geometria è adatta a un dato tipo di campione e applicazione.

Preparazione del campione

Le misurazioni accurate e ripetibili dipendono dalla precisione del campione preparato. Ciò include la pulizia della superficie, la finitura della superficie, il volume del campione, l'uniformità del campione e dello spessore dello strato (nel caso di misurazioni di trasmissione) e l'allineamento all'apertura di misura.

Presentazione campione

La presentazione del campione è il modo in cui il campione viene tenuto e posizionato durante le misurazioni. La presentazione standard del campione migliora la precisione e la ripetibilità, migliorando l'affidabilità dei risultati.

I fattori rilevanti includono il supporto del campione (per i materiali traslucidi), la piattezza del campione, la forza standard e l'allineamento con l'asse ottico del dispositivo di misura.

Formula di differenza di colore

I calcoli matematici sulla differenza di colore quantificano la variazione calcolando la differenza tra due misurazioni. Differenti formule mettono diversi pesi su diversi fattori di differenza di colore.

La formula più ampiamente adottata fino a quando i suoi limiti furono realizzati era ΔEab (CIE 1976). Ulteriori sviluppi hanno portato a ΔE94 e ΔE00 (CIE 2000) - entrambi che forniscono una migliore correlazione con la valutazione visiva, e ΔECMC che è migliore per i tessili rispetto ai suoi predecessori.

Spettrofotometri Geometria ottica

La progettazione ottica di uno spettrofotometro influenza il modo in cui la luce interagisce con il campione e influenza i risultati della misurazione. Alcune geometrie sono più adatte a particolari materiali e applicazioni rispetto ad altre.

Le geometrie direzionali (45°/0° e 0°/45°) utilizzano fasci di luce focalizzati in angoli specifici. Poiché omettono la riflessione speculare, queste geometrie sono perfette per misurare il colore di superfici lisce e opache. In condizioni di visione normali, i risultati sono coerenti con la valutazione visiva umana.

Spettrofotometri integrando sfera

Una sfera integratrice (spesso utilizzata con spettrofotometri) è una sfera cava rivestita all'interno con un rivestimento altamente riflettente, creando un'illuminazione diffusa uniforme. La geometria della sfera garantisce che il campione sia illuminato da ogni angolo, che elimina le ombre e fornisce un'illuminazione uniforme, un'illuminazione coerente indipendentemente dalla consistenza o dalla forma del campione.

La sfera è generalmente dotata di diverse porte. Questi sono uno per la fonte di luce, uno per il campione, uno per il rilevatore, e opzionalmente standard di riferimento o diverse geometrie di misura.

Spettrofotometri Fonte luminosa

Gli spettrofotometri sono dotati di fonti luminose che sono lampade flash a xenon o array LED. Queste fonti devono fornire un'emissione uniforme di illuminazione a ampio spettro in tutta la gamma visibile.

Le lampade flash a xenon emettono luce intensa per brevi periodi di tempo, ideale per misurare la precisione critica del colore. Tuttavia, queste lampade hanno una vita operativa limitata e potrebbero richiedere una ricalibrazione di tanto in tanto.

A differenza delle lampade flash, gli array LED hanno una vita operativa più lunga, richiedono meno potenza e richiedono meno tempo per le misurazioni. Tuttavia, potrebbero richiedere un'accurata ingegneria per eliminare le lacune nella copertura spettrale. I set LED, a differenza delle lampade flash, combinano più LED da diverse uscite spettrali per fornire illuminazione a ampio spettro.

Che cos'è la modalità spettrofotometrica?

Ogni modalità è personalizzata per diversi tipi di campioni e applicazioni. Le modalità spettrofotometriche utilizzano impostazioni di misura distintive del dispositivo insieme ai metodi di elaborazione dei dati per ogni modalità.

Modalità di riflessione per campioni opachi, vernici, tessuti, plastica e carta. La modalità calcola la percentuale di luce riflessa e imposta i valori del colore dallo spettro della luce riflessa.

Per liquidi, film e vetro, la modalità di trasmissione viene utilizzata per determinare la percentuale di luce trasmessa attraverso confini opachi. Lo spettro della luce trasmessa viene utilizzato per i calcoli dei colori.

Che cos'è il sensore degli spettrofotometri?

Come con qualsiasi tecnologia moderna, gli spettrofotometri di oggi utilizzano sensori che convertono l'intensità della luce in segnali elettrici per convertirli in formato digitale. La maggior parte dei dispositivi moderni contiene una o più delle seguenti tecnologie di sensori:

• Array di fotodiodi di silicioQuesti sensori offrono una reattività incredibile in tutto lo spettro della luce visibile e hanno buoni rapporti segnale-rumore insieme a prestazioni stabili.

• CCD (dispositivo accoppiato a carica) Gli array offrono alta sensibilità e alta risoluzione, anche se tendono ad essere un po 'più lenti degli array a fotodiodi, motivo per cui si trovano in dispositivi di alta precisione per la ricerca.

• CMOSQuesti sensori stanno facendo strada nei dispositivi portatili perché hanno esigenze di potenza inferiori e offrono un buon valore nelle prestazioni.

Qual è la lunghezza d'onda di uno spettrofotometro?

Le specifiche di lunghezza d'onda per uno spettrofotometro definiscono il loro raggio di misura delle radiazioni elettromagnetiche. La maggior parte delle applicazioni che si occupano della misurazione del colore si concentrano sulla gamma di luce visibile che è da 380 nm a 780 nm, ma alcuni strumenti vanno anche alle regioni ultravioletti vicini (UV) e infrarossi vicini (NIR).

• Gamma UV estesaQuesta gamma è importante per tutti i dispositivi che si concentrano sul rilevamento di materiali con luminanti UV o caratteristiche fluorescenti di materiali. Questi si trovano comunemente in carta, tessuti e persino detergenti.

• Range NIR estesoQuesta gamma è utile per alcune ricerche sui materiali che potrebbero richiederlo, o per alcune applicazioni speciali.

L'accuratezza e la stabilità della taratura di uno strumento per la sua misurazione del colore sono fondamentali per garantire risultati coerenti, poiché anche i più piccoli errori di taratura possono causare imprecisioni di misurazione significative.

Qual è l'intervallo di lunghezza d'onda dello spettrofotometro? l

L'intervallo di lunghezza d'onda (risoluzione spettrale) è la distanza o lo spazio tra due punti di misura consecutivi nello spettro. Alcuni intervalli comuni sono 1nm, 5nm, 10nm e 20nm.

Intervalli più fini (1nm, 5nm) I praticanti ottengono maggiore precisione del colore e dati spettrali dettagliati. Tuttavia, questo richiede sistemi ottici sofisticati e tempi di misurazione più lunghi. Questi intervalli sono favorevoli nella ricerca e nelle esigenze critiche di abbinamento dei colori.

Gli intervalli più grossolani (10nm, 20nm) offrono una progettazione strumentale più semplice e una misurazione più rapida. Questi intervalli sono sufficienti per la maggior parte delle attività di misurazione del colore di routine.

Cos'è lo spettrofotometro di riflessione misurata?

La riflettanza misurata è definita come la percentuale di luce incidente che un campione riflette a una determinata lunghezza d'onda. È la misurazione più elementare in colorimetria e la base per tutti i calcoli effettuati.

La riflessione può essere misurata con precisione da strumenti di alta qualità nello spettro visibile con una precisione superiore allo 0,1% e allo 0,05%. Generalmente, l'intervallo di misurazione va da quasi lo 0% (materiali molto scuri) a oltre il 100% (per materiali con proprietà fluorescenti).

Qual è l'apertura di misura dello spettrofotometro?

L'apertura di misura si riferisce all'area del campione illuminato ed analizzato. Le dimensioni standard dell'apertura di misura variano da 1 mm a 30 mm, con il primo adatto per campioni più piccoli e il secondo ideale per misurazioni medie da campioni più grandi con superfici strutturate.

Le aperture più piccole (1-4 mm) sono utili per catturare piccole caratteristiche del campione, ma non sono ideali per catturare il colore complessivo del campione o il colore dei campioni strutturati.

Cos'è l'Indice Colorimetrico di uno Spettrofotometro?

Gli indici colorimetrici derivano da dati analizzati e calcolati che descrivono i dettagli del colore o della qualità. Questi sono noti come indici comuni.

• L'indice di bianchezza (WI) misura l'intensità di bianchezza di un materiale che è fondamentale nella produzione di carta, tessuti e plastiche.

• L'indice di giallimento (YI) misura l'intensità dell'ingiallimento, che è essenziale durante il monitoraggio delle variazioni di colore indotte dall'invecchiamento o dal tempo.

• La concentrazione di coloranti in materiali come coloranti e pigmenti è misurata utilizzando la resistenza del colore (valori K/S).

Questi indici semplificano la valutazione del colore e il processo decisionale nel controllo della qualità fornendo metriche a singolo numero.

Qual è l'angolo di osservazione dello spettrofotometro?

L'angolo osservatore a,s definito da CIE come 2° o 10°, è la regione dello spazio in cui il colore è visto e misurato. Questo angolo definisce anche come le funzioni di abbinamento dei colori calcolano l'importanza delle diverse porzioni dello spettro.

L'osservatore 2° è stato impostato nel 1931 e definisce la visione a colori come vista all'interno di un piccolo campo di vista centrale. Questo è ancora utilizzato in alcuni sistemi legacy e applicazioni di nicchia.

L'osservatore a 10°, impostato nel 1964, definisce la visione dei colori su un campo più ampio. Questo sta diventando sempre più lo standard predefinito per la maggior parte delle applicazioni di misurazione del colore.

Qual è la ripetibilità degli spettrofotometri?

La ripetibilità descrive la precisione della misurazione di uno strumento in quanto una misurazione viene effettuata più volte sullo stesso campione nelle stesse condizioni. È più spesso data come la deviazione standard dei valori misurati.

Gli spettrofotometri di misura del colore di fascia alta raggiungono una ripetibilità superiore a 0,02 unità ΔE*ab, il che significa che la misura dello stesso campione non differisce di più di questa cifra. Questo grado di precisione aiuta nell'identificazione di cambiamenti di colore molto minori e supporta rigorosi requisiti di controllo di qualità.

Qual è l'errore tra strumenti di uno spettrofotometro?

L'errore tra strumenti (o accordo tra strumenti) definisce la misura in cui le misurazioni eseguite da diversi strumenti dello stesso modello concordano per gli stessi campioni dati. Questa misurazione è molto importante per il controllo di qualità a distanza e la comunicazione a colori.

Gli spettrofotometri sono ora in grado di raggiungere un accordo tra strumenti migliore di 0,2 unità ΔE*ab che consente una misurazione del colore coerente indipendentemente dalla posizione e dallo strumento utilizzato. Il conseguimento di questo accordo tra strumenti è possibile solo con rigorose tolleranze di fabbricazione, una metodologia di taratura coerente e standard di riferimento documentati.

Quali sono i diversi tipi di spettrofotometri?

Gli spettrofotometri possono essere classificati in base a vari criteri, tra cui la loro progettazione ottica, la geometria di misura, le capacità di gestione dei campioni e le applicazioni previste.

Gli strumenti Benchtop offrono la più alta precisione e le caratteristiche più complete. Sono tipicamente utilizzati in laboratori e strutture di controllo qualità dove l'accuratezza della misurazione è fondamentale. Questi strumenti includono spesso più geometrie di misura, ampie capacità di taratura e software sofisticato per l'analisi dei dati e la corrispondenza dei colori.

Classificare gli spettrometri per angolo di misura

0:45/45:0 Spettrofotometri

Questi strumenti utilizzano illuminazione direzionale e angoli di visione, sia illuminando a 0° e visualizzando a 45°, o viceversa. Questa geometria esclude la riflessione speculare, rendendo le misurazioni ben correlate con la valutazione visiva umana delle superfici opache.

La geometria 0:45/45:0 è ideale per misurare vernici, rivestimenti, tessuti e carta, dove la lucentezza della superficie non dovrebbe influenzare la misurazione del colore. Fornisce un'eccellente ripetibilità ed è meno sensibile alle lievi variazioni nel posizionamento del campione.

Spettrofotometri a sfera

Gli spettrofotometri a sfera utilizzano sfere integranti per creare illuminazione diffusa da tutte le direzioni. Possono operare con riflessione speculare inclusa (SPIN) o esclusa (SPEX), fornendo flessibilità per diversi tipi di campioni.

Le misurazioni SPIN includono tutta la luce riflessa e sono utili per misurare l'aspetto totale di materiali lucidi, finiture metalliche e rivestimenti perlanti.

Le misurazioni SPEX escludono la riflessione speculare e la focalizzazione sulla componente colore diffuso, simile agli strumenti di geometria direzionale ma con il vantaggio di accogliere superfici strutturate e curve.

La condizione di misura con esclusione dei componenti speculari (SCE) - che rimuove la luce riflessa speculare - è adatta per il controllo della qualità del colore in campi come polveri, colloidi e materiali ad alta riflessione.

Spettrofotometri multiangolari

Gli spettrofotometri multiangolari misurano il colore e l'aspetto a più angoli di visione contemporaneamente, tipicamente 15°, 25°, 45°, 75° e 110° dall'angolo di riflessione speculare. Questi strumenti sono essenziali per caratterizzare materiali ad effetti speciali come metallici, perle e rivestimenti ad interferenza.

Dove scoprire di più sugli spettrofotometri

Masterizzare la misurazione spettrofotometrica implica l'integrazione della teoria con l'esperienza pratica. Per la formazione continua, conferenze e pubblicazioni, l'Inter-Society Color Council (ISCC) e il Color Group (Gran Bretagna) sono associazioni professionali di colori da considerare.

Cosa misura uno spettrometro?

Gli spettrofotometri moderni fanno più che misurare il colore di base. Offrono una caratterizzazione spettroscopica avanzata dell'aspetto di un materiale. Oltre alle coordinate di colore in diversi spazi di colore, vengono calcolati parametri colorimetrici come la forza del colore, il bianco, il giallo e l'opacità.

Comprendere i parametri di misurazione spettrofotometrica per garantire la coerenza del colore

Il raggiungimento della coerenza della misurazione del colore richiede una stretta relazione tra tutti i parametri di misurazione e le loro interazioni. Ogni scelta di un parametro definito interagisce con risultati specifici e deve adattarsi all'applicazione e al tipo di campione.

Una comunicazione colore significativa e un controllo di qualità in un'organizzazione richiedono la standardizzazione dei quadri di misura e procedurali. Questi includono parametri strumentali proprietari, preparazione dei campioni, condizioni ambientali e calibrazione e formazione dell'operatore.

La misurazione regolare dei parametri dello strumento rispetto a benchmark certificati garantisce l'accuratezza e la rilevazione precoce di deriva o problemi che compromettono la qualità della misurazione e la verifica delle prestazioni.