Spettrofotometro. Che cos’è, come funziona e a cosa serve?

La parola “spettrofotometro” compare in molti settori, dalla chimica di laboratorio al controllo qualità nell’industria delle vernici. Il problema è che sotto un unico nome si nascondono dispositivi che funzionano secondo principi completamente diversi e che servono a scopi differenti. Questo articolo riguarda gli spettrofotometri per la misurazione del colore, cioè dispositivi che misurano il colore tramite il metodo della riflettanza spettrale, utilizzati nella produzione industriale.

Che cos’è uno spettrofotometro?

Lo spettrofotometro è uno strumento di misura che rileva come un campione assorbe o riflette la luce in funzione della sua lunghezza d’onda. Il risultato è una curva di riflettanza spettrale, una sorta di “firma cromatica” unica del campione, sulla base della quale vengono calcolate le coordinate del colore negli spazi colorimetrici (CIELab, CIELCh, XYZ e altri). In termini semplici: lo spettrofotometro risponde alla domanda “come apparirebbe questo colore agli occhi di un osservatore sotto una determinata illuminazione?” ed esprime la risposta sotto forma di numeri. Spettrofotometro per il colore vs spettrofotometro da laboratorio. Una distinzione importante
Su internet troverai due categorie di dispositivi con lo stesso nome:

Se stai cercando uno strumento per il controllo del colore nella produzione industriale, questo articolo fa per te. Se invece hai bisogno di uno spettrofotometro per analisi chimiche (DNA, enzimi, concentrazioni), si tratta di una categoria di apparecchi completamente diversa.

Come funziona uno spettrofotometro per la misurazione del colore?

Il principio di funzionamento si basa sulla misurazione della riflettanza spettrale: lo strumento illumina il campione e registra quanta luce viene riflessa dalla sua superficie a ciascuna lunghezza d’onda nell’intervallo visibile (360–780 nm), ogni 10 nm.

Passo dopo passo. Cosa succede all’interno?

1. La sorgente luminosa illumina il campione con un fascio standardizzato.
2.  La sfera di Ulbricht (geometria d/8°) oppure il sistema 45°/0° diffonde o dirige uniformemente la luce verso il campione.
3. Il reticolo di diffrazione scompone la luce riflessa nelle diverse lunghezze d’onda.
4. Il sensore CMOS registra l’intensità della riflessione per ciascuna lunghezza d’onda da 360 a 780 nm, ogni 10 nm.
5. Il software elabora la curva di riflettanza in coordinate colore (L*, a*, b*) e calcola la differenza di colore ΔE rispetto allo standard.

L’intera misurazione dura circa 1 secondo.

Calibrazione prima della misurazione.

Prima di ogni serie di misurazioni, lo spettrofotometro esegue la calibrazione su una piastra di riferimento bianca e nera. La piastra bianca (in ceramica) definisce circa il 100% di riflettanza, mentre quella nera rappresenta il livello zero (trappola di luce). Senza calibrazione, i risultati sono soggetti a errori dovuti alla deriva termica e all’invecchiamento della lampada. Gli spettrofotometri 3Color® (ad esempio la serie SFXn) utilizzano una calibrazione automatica intelligente. Lo strumento rileva le condizioni operative e segnala la necessità di calibrazione quando viene superata una soglia di temperatura o un certo numero di misurazioni.

Geometria di misura. d/8° vs 45°/0°

La geometria è il modo in cui la sorgente luminosa e il rivelatore sono disposti rispetto al campione. È il parametro più importante nella scelta di uno spettrofotometro. Una scelta errata della geometria produce risultati non confrontabili con quelli del laboratorio del cliente o del fornitore.

SCI e SCE. Cosa significano?

SCI (Specular Component Included): misurazione con la componente speculare inclusa. Misura il colore indipendentemente dalla brillantezza della superficie. È ideale per confronti tra laboratori quando i campioni hanno texture diverse.

SCE (Specular Component Excluded): misurazione con la componente speculare esclusa. Riproduce la percezione visiva: un campione opaco e uno lucido con lo stesso colore pigmentario verranno misurati in modo diverso, in linea con ciò che vede l’occhio umano.

Gli spettrofotometri sferici (d/8°) eseguono entrambi i modi di misura in un’unica lettura. Questo rappresenta un vantaggio importante rispetto alla geometria 45°/0°, che misura esclusivamente in modalità SCE.

Cosa misura uno spettrofotometro per la misurazione del colore?

Lo spettrofotometro per la misurazione del colore misura la riflettanza spettrale (0–200%) nell’intervallo 360–780 nm. Sulla base di questi dati calcola decine di parametri cromatici e ottici:

Coordinate del colore

Indici colorimetrici

• Indice di bianco (Whiteness Index), ASTM E313, CIE, ISO 2470, Hunter: valutazione del bianco di carta, materie plastiche e tessuti
• Indice di giallo (Yellowness Index), ASTM D1925, ASTM E313: invecchiamento dei materiali, controllo qualità della plastica
• Forza colorante (Color Strength): controllo qualità di pigmenti e paste coloranti
• Nerezza (Blackness My, dM): profondità del nero nella stampa e nei tessuti
• Metamerismo: valutazione se due colori appaiono uguali sotto diverse illuminazioni
• Densità ottica CMYK: per la stampa e la stampa offset
• Potere coprente (Hiding Power): capacità coprente di rivestimenti e vernici

Proprietà ottiche

• Riflettanza spettrale [%] a ogni lunghezza d’onda 360–780 nm
• Trasmissione (modalità T), per campioni trasparenti: pellicole, vetro, liquidi
• Munsell: conversione nella tradizionale scala dei colori Munsell

Come si usa uno spettrofotometro passo dopo passo?

Preparazione alla misurazione:

1. Accendere il dispositivo e attendere almeno 5 minuti, tempo necessario per la stabilizzazione termica della lampada.
2. Eseguire la calibrazione sulla piastra campione bianca e nera (fornite con il dispositivo).
3. Selezionare l’osservatore: 2° (piccoli campioni, laboratorio) oppure 10° (produzione, controllo visivo).
4. Selezionare l’illuminante: D65 (luce diurna standard, il più comune), D50 (grafica, arti grafiche), A (lampadina), F2/F11 (lampade fluorescenti).
5. Selezionare la modalità SCI oppure SCE in base alle esigenze.
6. Selezionare la formula ΔE in conformità con i requisiti del cliente o con la norma di settore.

Misurazione del campione di riferimento:

1. Posizionare il campione di riferimento (standard) sull’apertura di misura. Il campione deve coprire completamente l’apertura.
2. Premere il pulsante di misurazione. Il risultato apparirà entro circa 1 secondo.
3. Salvare il campione di riferimento nella memoria o nella libreria campioni del software.

Misurazione del campione:

1. Posizionare il campione (lotto di produzione) sul dispositivo nello stesso punto del campione di riferimento.
2. Eseguire la misurazione. Il dispositivo confronta automaticamente il campione con il riferimento e visualizza il valore ΔE.
3. Se ΔE < tolleranza: lotto accettato. Se ΔE > tolleranza: deviazione da analizzare.

Per garantire l’affidabilità, ripetere la misurazione 3–5 volte e calcolare la media (importante nel caso di campioni non omogenei).

Errori frequenti durante la misurazione

Aperture di misura. Selezione della dimensione

Gli spettrofotometri 3Color® della serie SFXn offrono aperture di misura intercambiabili. La scelta della dimensione è fondamentale per garantire l’affidabilità della misurazione:

Regola generale: l’apertura deve essere la più grande possibile compatibilmente con il campione da misurare. Un’area di misura troppo piccola accentua le non omogeneità della texture e aumenta la dispersione dei risultati.

Applicazioni dello spettrofotometro nell’industria

Vernici e rivestimenti

Controllo del colore dei rivestimenti vernicianti, dalla formulazione del pigmento fino all’accettazione del lotto del prodotto finito. Lo spettrofotometro consente il color matching computerizzato (computer color matching), ossia il calcolo della formula pigmentaria sulla base della misurazione di un campione di riferimento. Parametri chiave: ΔE*00, indice di metameria, forza colorante, Hiding Power. Geometria consigliata: d/8° (SFXn) per formulazione e laboratorio, 45°/0° (SFXnc) per la valutazione visiva dell’aspetto del rivestimento.

Materie plastiche

Valutazione del colore del granulato, dei pezzi stampati a iniezione e dei componenti finiti, fondamentale nei settori automobilistico e del packaging. Lo spettrofotometro rileva variazioni cromatiche dovute a differenti lotti di pigmento, variazioni della temperatura di stampaggio o invecchiamento UV del materiale. Tolleranza tipica per componenti estetici: ΔE*ab < 0,5. Geometria consigliata: d/8° SCI.

Tessili e abbigliamento

Controllo della conformità cromatica di lotti di tessuti, filati e fili rispetto al campione di riferimento. Nell’industria tessile si utilizzano le formule ΔECMC oppure ΔE94 e i report di metameria (valutazione del colore con illuminanti D65, A, F11). La piccola apertura 1×3 mm (SFXne) consente la misurazione di singoli fili o di strette bande di tessuto.

Poligrafia e stampa

Verifica dei colori delle stampe rispetto al profilo ICC. La geometria 45°/0° (SFXnc) riproduce la percezione visiva dell’osservatore. La misurazione della densità ottica CMYK e delle coordinate CIELab consente di mantenere ΔE < 2 tra diverse commesse di stampa. Norme: ISO 12647-2 (stampa offset), ISO 12647-3 (stampa su giornale).

Cosmetica e farmaceutica

Valutazione del colore di creme, ciprie, rossetti e sostanze attive. Sono importanti sia il colore del prodotto stesso sia il suo comportamento in differenti condizioni di illuminazione (metameria). Lo spettrofotometro permette di definire e mantenere standard cromatici costanti tra i diversi lotti produttivi.

Ceramica, vetro e smalti

Controllo del colore di smalti, vetrificazioni e vetro per uso industriale. Misurazione della trasmissione (modalità T) per campioni trasparenti o traslucidi. La geometria d/8° elimina l’influenza degli effetti di brillantezza sul risultato della misurazione del colore.

In cosa si differenziano gli strumenti di misura della nostra offerta?

Questa è una delle domande più frequenti. La risposta breve è: lo spettrofotometro misura la curva di riflettanza, mentre il colorimetro misura solo i tristimoli. È questo che determina il livello di precisione e l’ampiezza delle possibilità applicative.

Un confronto dettagliato tra colorimetro e spettrofotometro è disponibile nell’articolo: colorimetro e spettrofotometro.

Come leggere la specifica tecnica di uno spettrofotometro?

Al momento dell’acquisto di uno spettrofotometro, è importante comprendere i parametri chiave riportati nella scheda tecnica del prodotto:

Domande più frequenti

Che cos’è uno spettrofotometro?

Lo spettrofotometro è uno strumento di misura che rileva la riflettanza spettrale di un campione nell’intervallo del visibile (360–780 nm). Sulla base dei dati spettrali calcola le coordinate cromatiche (CIELab, CIELCh), la differenza di colore ΔE e gli indici colorimetrici (bianchezza, giallezza, forza colorante). Nell’industria viene utilizzato per il controllo oggettivo e numerico del colore.

Come funziona uno spettrofotometro per la misura del colore?

Lo spettrofotometro illumina il campione con una sorgente luminosa standardizzata (LED + lampada allo xeno) e registra quanta luce viene riflessa dalla superficie a ogni lunghezza d’onda tra 360 e 780 nm. Un reticolo di diffrazione scompone la luce riflessa nelle sue componenti spettrali. I risultati vengono elaborati dal software, che calcola le coordinate cromatiche e la differenza ΔE rispetto al campione di riferimento.

Che cosa misura uno spettrofotometro?

Uno spettrofotometro per il colore misura: la riflettanza spettrale [%] a ogni lunghezza d’onda, le coordinate cromatiche (L*, a*, b*, C*, h°), la differenza di colore ΔE (ΔEab, ΔE00, ΔECMC, ΔE94), gli indici di bianchezza, giallezza e nerezza, la forza colorante, la densità ottica CMYK e la valutazione della metameria.

Qual è la differenza tra spettrofotometro e colorimetro?

Lo spettrofotometro misura l’intera curva di riflettanza (oltre 40 punti), consentendo l’analisi della metameria, il cambio dell’illuminante senza ripetere la misura e la formulazione del colore. Il colorimetro misura solo i tristimoli XYZ tramite filtri RGB. È più semplice ed economico, ma non fornisce dati spettrali. In sintesi: spettrofotometro per laboratorio e controllo avanzato della qualità, colorimetro per un semplice controllo colore in produzione.

Che cos’è il Delta E (ΔE)?

Il Delta E (ΔE) è un valore numerico che esprime la differenza di colore tra un campione e un riferimento. Più basso è il valore ΔE, più simili sono i colori. In generale, ΔE < 1 è considerata una differenza impercettibile a occhio nudo, ΔE tra 1 e 2 è appena percepibile, mentre ΔE > 3 è chiaramente visibile. Nell’industria delle vernici si utilizza spesso una tolleranza ΔE*00 < 0,5.

Come utilizzare uno spettrofotometro?

1. Accendere il dispositivo e attendere 5 minuti per la stabilizzazione.
2. Eseguire la calibrazione sulla piastra bianca e nera.
3. Selezionare l’osservatore (2° oppure 10°), l’illuminante (D65, D50, A) e la formula ΔE.
4. Misurare il campione di riferimento e salvarlo in memoria.
5. Misurare i campioni di produzione. Il dispositivo visualizzerà automaticamente il valore ΔE.
6. Accettare i lotti con ΔE entro la tolleranza e rifiutare o analizzare quelli che la superano.