Il colore - Areaderma

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Il colore
Lo spettrofotometro
come indispensabile strumento
per garantire la sua uniformità
e riproducibilità in campo
cosmetico
Luigi Miori, Gabriele Rosa
Areaderma
[email protected] - [email protected]
Colore, Spettrofotometro, Riflettanza, Coordinate di cromaticità,
Spazi cromatici, Delta E
The colour
Riassunto
The spectrophotometer like an
essential tool to guarantee its
uniformity and reproducibility
in the cosmetic field
Il colore è ormai diventato un parametro fondamentale nella formulazione dei prodotti cosmetici. Solo un prodotto con colore ed
aspetto uniformi in ogni suo punto potrà essere apprezzato dal consumatore e potrà procurare numerosi vantaggi al produttore. Oggi è
sempre più importante lo studio del comportamento del colore dei
prodotti naturali utilizzati in cosmesi, ovvero prodotti facilmente
soggetti a variazioni cromatiche nel tempo e in seguito ad esposizione all’aria, alla luce o all’umidità. Ciò è possibile solamente con
l’utilizzo di uno spettrofotometro. Dopo una breve spiegazione del
concetto di colore, verranno approfonditi alcuni aspetti della colorimetria industriale, evidenziando come solo l’utilizzo di tecniche
strumentali riesca a dare dei risultati accettabili, quelli che l’occhio
umano da solo non riesce a fornire. Verrà infine fornita una descrizione generale di uno specifico spettrofotometro, l’X-RITE VS450,
accompagnata da alcuni cenni riguardanti il suo funzionamento.
Summary
The colour is by now an essential parameter in
the formulation of cosmetics. Only a cosmetic
with an unvarying colour and appearance could
be appreciated by the consumer and could bring
several benefits to the producer. Today the study
of the colour’s behaviour of natural products
used in cosmetics (in other words products that
are easily subject to chromatic changes after some
time and after the exposure to air, light or moisture) has a bigger importance. This is possible
only with the use of a spectrophotometer. After a
short explanation of the concept of colour, some
aspects of the industrial colorimetry are studied
in depth, pointing out how only the use of instrumental techniques can give satisfactory results,
the same results the only human eye isn’t able
to give. Finally there is a general description of a
specific spectrophotometer, the X-RITE VS450,
with some brief notes on its operation.
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Parole chiave
Introduzione
L’industria cosmetica è in continua crescita grazie all’impiego di
nuovi materiali e di nuove metodologie di elaborazione. La misurazione, il controllo e la formulazione dell’aspetto dei prodotti cosmetici rappresentano una vera e propria sfida industriale ed un problema
reale. Ciò implica la necessità di nuovi strumenti per garantire l’integrità dei prodotti, in particolare durante la valutazione del colore.
Il colore è parte integrante dello sviluppo di un cosmetico e può fare
la differenza nell’attrattiva esercitata dal prodotto nella vendita. Una
corretta misurazione del colore è fondamentale per la manutenzione
del controllo della qualità, per la riduzione degli scarti e per l’aumento dell’efficienza operativa. I vantaggi sono molteplici:
- eliminazione degli errori visivi più diffusi provocati da un’illuminazione inadatta o da un’ispezione visiva casuale
- integrazione di un controllo di qualità colore preciso e costante
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nel proprio ciclo di lavorazione
- riduzione di scarti e rilavorazioni causati da
colori errati
- armonizzazione del colore tra più siti produttivi e fornitori
- riduzione dei tempi di produzione
- miglioramento dell’analisi qualitativa e del
livello di controllo complessivo.
Il colore
Il colore è una elaborazione mentale dell’uomo, un suo modo di percepire il mondo esterno; tale percezione è indotta da uno stimolo
di tipo biochimico che avviene nei suoi organi
recettori (fondamentalmente nei coni e nei
bastoncelli dell’apparato visivo) che generano impulsi che vengono elaborati poi dal cervello; tale processo biochimico è a sua volta
indotto da uno stimolo fisico che appartiene
completamente al mondo esterno e altro non
è che l’insieme delle onde elettromagnetiche
con lunghezza d’onda nel campo del “visibile”.
La retina, una specie di pellicola di macchina
fotografica , contiene sistemi cellulari denominati bastoncelli e coni; i primi sono sensibili
allo stimolo luminoso anche a basse intensità
ma trasmettono una immagine acromatica, i
secondi sono di tre tipi, rispettivamente sensibili al rosso, al verde ed al blu (RGB). La
combinazione dei segnali trasmessi al cervello
dal nervo ottico crea la visione il cui elemento
fondamentale è la percezione cromatica.
È evidente che dal punto di vista fenomenologico la creazione degli stimoli inducenti la
percezione del colore si basa sull’interazione
radiazione-materia. Le tre sostanze contenute
nei tre diversi tipi di coni reagiscono differentemente alle diverse frequenze (sono quindi
fotosensibili) e ciascuna con un massimo di
risposta relativamente al rosso, al verde ed al
blu. E’ assai raro il caso in cui lo stimolo sia
indotto da onde tutte della stessa frequenza,
nella maggior parte dei casi si tratta di un insieme di onde di frequenza diversa e l’effetto
“colore” è determinato dalla combinazione dei
singoli effetti (1).
La misura spettrale
e le color matching functions
La definizione oggettiva del colore è data dalla
sua misura con spettrofotometri capaci di operare nel campo della luce visibile, restituendo i
valori spettrali di riflettanza (o trasmittanza),
definita come rapporto tra l’energia incidente sul campione e quella che viene riflessa (o
trasmessa). Questo rapporto è una funzione
continua della lunghezza d’onda, ma per gli
scopi pratici della colorimetria industriale è
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sufficiente rilevare la riflettanza da 400 a 700
nm ad intervalli di 10 nm (31 dati).
Per tradurre il risultato della misura spettrale
in parametri facilmente correlabili alla percezione visiva, occorre in primo luogo conoscere
la sensibilità dell’occhio umano rispetto alla
lunghezza d’onda della radiazione luminosa.
Tale sensibilità spettrale è fissata dalle Color
Matching Functions, funzioni definite dalla
CIE (Commission Internationale de l’Éclairage, ente incaricato della standardizzazione nel
campo dell’illuminazione) che rappresentano
la sensibilità dell’osservatore medio, rispettivamente alle radiazioni di lunghezza d’onda
alta (x), media (y) e bassa (z) (Fig.1).
Queste funzioni sono i pesi da utilizzare per
calcolare, a partire dallo spettro di riflettanza,
le medie ponderali che definiscono la quantità
di luce rossa, verde e blu che entra nell’occhio
per essere poi interpretate dal cervello come
sensazione di colore.
Gli spazi cromatici
I 31 dati che rappresentano lo spettro di un
colore non possono essere tuttavia facilmente
apprezzati in modo intuitivo e quindi paragonati al colore percepito visivamente. Nella
storia della colorimetria si sta quindi assistendo ad un progressivo tentativo di tradurre la
misura spettrofotometrica in un sistema di
grandezze (spazi cromatici) comprensibili, capaci di comunicare in modo anche intuitivo le
differenze di colore. Le tappe fondamentali di
questo processo sono:
Le coordinate tristimolo XYZ
Lo spazio CIELAB 1976
Caratteristica comune a questi spazi è quella
di essere tridimensionali: ogni colore è definito da una terna di coordinate che hanno un
immediato significato colorimetrico.
z
y
x
Figura 1 - Le funzioni colore dello standard CIE
(asse y riflettanza; asse x lunghezza d’onda)
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Coordinate tristimolo XYZ
Queste funzioni rappresentano il primo passo
nella conversione delle informazioni relative al
colore oggettivo (distribuzione spettrale dell’energia luminosa) in tre parametri che quantificano la percezione sensoriale del colore.
Sono interpretabili rispettivamente come
sensazione visiva media rispetto alla radiazione luminosa di lunghezza d’onda alta (rosso,
la X), media (verde, la Y) e bassa (blu, la Z).
La coordinata Y è anche rappresentativa di
chiarezza o luminosità. Queste coordinate si
calcolano a partire dalle riflettanze misurate,
secondo le seguenti formule:
X =∑ E(l) R(l) x(l)
Y =∑ E(l) R(l) y(l)
Z =∑ E(l) R(l) z(l)
Dove:
E (l) è l’energia emessa dall’illuminante
R (l) è la riflettanza della superficie
x(l) y(l) z(l) sono le funzioni di sensibilità
dell’occhio (color matching functions)
l è la lunghezza d’onda
Le differenze di colore espresse in termini di
differenze delle coordinate cromatiche X,Y,Z
sono però ancora di difficile interpretazione.
Mentre infatti è chiaramente identificabile
come differenza di chiarezza la differenza di Y,
che assume valori da 0 (nero) a 100 (bianco),
la valutazione delle differenze di cromaticità
non è affatto agevole (2).
Lo spazio CIELAB (76)
Sono state proposte numerose trasformazioni
dei valori tristimolo X,Y,Z per definire uno
spazio del colore nel quale le distanze fossero
quanto più possibile proporzionali alle differenze percepite visivamente. Lo spazio del
colore attualmente più usato è quello definito dalla CIE nel 1976. Il metodo prevede la
trasformazione dei valori tristimolo XYZ (il
cui calcolo resta comunque il primo passo per
tutti i metodi della colorimetria) nelle coordinate di colore L*a*b*, che consentono di rappresentare i colori come punti in uno spazio a
tre dimensioni.
Il significato fisico delle coordinate CIELAB
è il seguente:
L*: chiarezza (corrispondente alla sensazione
di chiaro/scuro)
a*: corrispondente alla sensazione di rosso/
verde
b*: corrispondente alla sensazione di giallo/
blu
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Insieme formano un sistema di assi con le seguenti caratteristiche (Fig.2):
- lungo l’asse + a* si rappresentano i rossi
con saturazione decrescente ( meno saturo
uguale meno carico, meno brillante) man
mano ci si allontana dalla periferia spostandosi verso il centro in cui passa l’asse verticale L* ( dove il colore è grigio acromatico):
proseguendo lungo l’asse - a* si hanno i verdi con saturazione crescente dal centro verso la periferia. Tanto più positivo è il valore
di a* tanto più rosso è il colore, tanto più
negativo è il valore di a* tanto più verde è il
colore;
- lungo l’asse + b* si rappresentano, dall’alto
verso il basso, i gialli con lo stesso criterio
dell’asse rosso-verde. Al centro il colore è
acromatico con il livello di chiarezza di L*
mentre lungo l’asse - b* si hanno i blu con
saturazione crescente man mano che si raggiunge la periferia. Tanto più positivo è il
valore di b*, tanto più giallo è il colore; tanto più negativo è il valore di b*, tanto più
blu è il colore.
Le differenze di colore
Per esprimere numericamente la differenza di
colore tra due campioni si utilizzano i valori
delle differenze tra le coordinate della prova e
quelle dello standard nello spazio cromatico
prescelto. Con l’eccezione dello spazio XYZ,
è possibile inoltre esprimere con un unico valore numerico la differenza di colore totale,
come somma vettoriale delle tre singole differenze: tale grandezza è comunemente indicata come DE o DeltaE. La E viene dal tedesco
Figura 2 - Rappresentazione schematica
delle coordinate di colore Lab
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Empfindung, ovvero “sensazione”. Quindi per
delta E si intende come cambia nello specifico
la sensazione del colore. Un Delta E inferiore a
1 corrisponde ad un risultato eccellente, sotto
a 3 è buono, se inferiore a 6 si è nella media, sopra a 12 si hanno due colori che non c’entrano
nulla l’uno con l’altro.
Basta quindi settare lo spettrofotometro con
Delta E = 1 per avere risultati accettabili? Purtroppo non è così semplice. Alcune differenze
di colore maggiori di 1 sono perfettamente
accettabili, forse anche impercettibili. Il risultato cambia però in base al colore ed al tipo di
materiale: la stessa differenza di colore Delta
E tra due gialli e due blu può non sembrare la
stessa differenza per l’occhio umano.
La nostra visione dei colori è molto logica nella sua costituzione, i nostri occhi percepiscono senza inganni. L’aspetto visivo, vale a dire
come sembra il colore, è il modo più importante e vero di giudicare il colore, soprattutto
per la valutazione dell’intera superficie, che
include il colore, il gloss, la texture, la dimensione, ecc. Tuttavia, poiché il colore varia a
seconda di situazione di vista, illuminazione,
texture e preferenze personali c’è la necessità
di avere mezzi oggettivi di misurazione, come
appunto uno spettrofotometro (3).
Lo spettrofotometro
Lo spettrofotometro da tavolo senza contatto
con geometria 45/0°, tipo l’X-RITE VS450
(Fig.3), è stato progettato per garantire misurazioni di colore e lucidità su numerosi tipi
di campioni a umido e a secco. I prodotti che
normalmente richiedono protezione dal contatto fisico (liquidi e colle) o in cui l’aspetto
della superficie viene modificato dal metodo
di presentazione (per esempio un campione
Figura 3 - Lo spettrofotometro X-RITE VS450
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premuto contro un vetro) possono essere misurati nel loro stato naturale e inalterato. Infatti i prodotti cosmetici coprono una gamma di materiali che va dalle polveri alle paste,
tutti difficili da misurare con gli strumenti
tradizionali a contatto. I metodi di presentazione dei campioni come le barriere di vetro
spesso distorcono l’aspetto del materiale. VS
450 elimina la distorsione della superficie con
la sua capacità di misurazione senza contatto,
consentendo di ottenere risultati più veritieri
e più rappresentativi di ciò che vede l’occhio
umano. Lo strumento può essere configurato
per misurare un’area di 6 o 12 mm su un campione e misura i campioni posti sotto l’apposito binario situato nella parte inferiore (accendendo un anello luminoso per facilitare il loro
posizionamento) (4).
La geometria di misura
Lo spettrofotometro X-RITE VS450 è dotato
di un’illuminazione a 45°, ovvero la sorgente
di luce illumina il campione con un angolo di
45°, con osservazione perpendicolare al campione 0° (Fig.4). Questo tipo di geometria
è essenziale per ottenere misure ripetibili su
superfici direzionali o strutturate. Inoltre analizza il colore esattamente come nelle normali
condizioni umane di valutazione ed esalta al
massimo la differenza di colore tra due superfici dello stesso colore ma di diversa brillantezza
(gloss).
Figura 4 - Rappresentazione schematica dell’illuminazione 45/0° di uno spettrofotometro
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Conclusioni
Lo scopo della classica formulazione coloristica è quello di ottenere la formula di una
miscela di componenti che consenta di riprodurre con sufficiente precisione un determinato colore, cioè il grado di riflessione e/o trasmissione della luce. L’occhio umano ha però
una percezione solo approssimativa del colore
(percezione tristimolo) ed è tale anche l’imitazione che ad occhio si riesce ad ottenere.
Una corretta imitazione deve dimostrarsi tale
sia alla luce diurna che sotto qualunque lampada. Questo si può ottenere solo riproducendo fedelmente le caratteristiche di riflessione
della luce alle lunghezze d’onda comprese nel
campo del visibile. Sono proprio le differenze
spettrali, percepibili solo in modo indiretto
con il metodo visivo e quindi estremamente difficili da eliminare, che danno origine al
metamerismo, quel fenomeno per cui due oggetti possono apparire dello stesso colore in
determinate condizioni di illuminazione, ma
di colore diverso quando queste condizioni
vengono cambiate. I metodi strumentali oggi
disponibili consentono invece di ottenere risultati nettamente superiori proprio per la
possibilità di effettuare un controllo spettrale,
e non solo tristimolo, delle caratteristiche di
un colore. Lo spettrofotometro è l’unico strumento in grado di misurare in modo oggettivo
il colore di un oggetto, cioè la percentuale di
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luce riflessa, o trasmessa, alle varie lunghezze
d’onda. Il suo utilizzo permette di formulare
il colore in modo ripetibile e di effettuare una
verifica della qualità precisa, migliorandone
l’efficienza, per il minor numero di correzioni richieste, ma soprattutto l’efficacia, per una
corretta scelta dei colori da utilizzare, in modo
da realizzare prodotti dall’aspetto uniforme e
gradevole. Areaderma, in particolare, sfrutta
la grande versatilità dello spettrofotometro XRITE VS450 per studiare nel dettaglio il comportamento del colore dei prodotti naturali
utilizzati nelle sue formulazioni cosmetiche,
durante le fasi di progettazione e di analisi della stabilità. In questo modo è possibile capire
se vi possano essere delle variazioni cromatiche rispetto al colore originario e “naturale” e
come porvi rimedio, in modo da avere in fase
di produzione prodotti naturali in grado di
mantenere sempre la stessa tonalità fino al momento dell’ utilizzo da parte del consumatore.
Bibliografia
1
C. Oleari (2008) Misurare il Colore, Hoepli;
2 G. Cerruti (2008) Appunti di Colorimetria Industriale
3 Documenti dal sito www.zetalab.it
4 Documenti informativi X-RITE www.xrite.com
www.ceceditore.com

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