Spettrometro

Consigli per l'acquisto di uno spettrometro

Come funziona uno spettrometro?
Uno spettrometro è un dispositivo di misura ottica che serve a determinare l'intensità della luce in funzione della lunghezza d'onda. Lo spettro risultante riflette la quantità di luce riflessa o assorbita da un oggetto. Uno spettrometro è composto da pochi elementi di base: la sorgente luminosa, un sistema ottico (specchio, lente) e un rilevatore. L'interazione di questi tre elementi consente di determinare gli spettri di colore di vari materiali in diversi stati di aggregazione e consistenza.

Che differenza c'è tra un colorimetro e uno spettrometro?
Il colorimetro utilizza il metodo tristimolo allo scopo di mappare la visione umana. Nella retina dell'occhio umano si percepiscono i colori rosso, verde e blu attraverso tre tipi di coni differenti. Il colorimetro imita questa percezione del colore mediante tre sensori con differenti sensibilità nella gamma del rosso, verde e blu. I valori ottenuti in questo modo vengono registrati dal colorimetro come valori X, Y e Z e si visualizzano sullo schermo. La maggior parte dei colorimetri esegue automaticamente la conversione delle coordinate X, Y e Z in spazi di colore comuni come CIELab CIELuv, Yxy o RGB.

Lo spettrometro funziona in base allo stesso principio di base, ma la differenza principale rispetto al colorimetro è la sensibilità e il numero di sensori. A seconda della qualità del dispositivo, lo spettrometro utilizza più sensori, in modo da avere una sensibilità di lunghezza d'onda specifica nel range basso dei nanometri. Non solo vengono determinate le coordinate di colore, ma si ottengono e si visualizzano con maggiore precisione la distribuzione e l'intensità spettrale. Lo spettrometro può rilevare anche il metamerismo. Questo fenomeno consiste nel fatto che due oggetti diversi sembrano avere lo stesso colore sotto una determinata sorgente luminosa, ma usando una seconda sorgente di luce differente si possono percepire differenze di colore significative. Spesso la causa consiste nelle differenti proprietà di riflessione spettrale delle superfici determinate dall'uso di differenti pigmenti. Lo spettrometro può determinare inoltre altri indici colorimetrici come la bianchezza, la giallezza, l'opacità, la solidità del colore e diversi indici di differenza di colore come deltaEab, deltaEuv, deltaEcmc o deltaE2000.

È per questo motivo che lo spettrometro è utilizzato preferibilmente nella ricerca e sviluppo ed ogni volta che i colori e gli spettri di colore devono essere determinati con grande precisione. Le curve di remissione determinate dallo spettrometro sono come un'impronta digitale specifica del colore misurato in termini di intensità e lunghezza d'onda, consentendo di determinare la posizione esatta del colore. L'uso di un colorimetro è in genere sufficiente quando si tratta di effettuare misurazioni del colore comparative con una semplice rappresentazione delle differenze di colore nei processi di produzione, ispezioni delle merci in ingresso e in uscita, controllo di qualità.

Misurazione di trasmissione o di riflessione?
A seconda che i campioni da misurare siano oggetti opachi, trasparenti o traslucidi, dovrebbe essere selezionato uno spettrometro con funzioni e geometrie appropriate. L'uso standard prevede la misura di campioni opachi, quindi la maggior parte delle misurazioni sono generalmente misurazioni di riflessione. È per questo che la maggior parte degli spettrometri è dotata di una geometria di misura corrispondente. Per oggetti trasparenti o liquidi, le geometrie di misura standard come d/8 o 45/0 non sono adatte, pertanto è necessario selezionare spettrometri con geometria e funzione di misura adeguate. Le misurazioni della luce trasmessa, e contemporaneamente anche delle quantità di assorbimento, vengono effettuate soprattutto in chimica analitica.

Qual è la geometria di misura più adeguata?
La geometria di misura determina la posizione della sorgente luminosa del dispositivo rispetto alla superficie dell'oggetto da misurare, nonché l'allineamento del sensore rispetto alla superficie riflettente dell'oggetto. La selezione della geometria di misura corretta o anche errata può influenzare in modo significativo i risultati della misura e portare a interpretazioni errate durante lo scambio di informazioni tra clienti e fornitori. Poiché la geometria di misura dello spettrometro non può essere regolata o modificata successivamente, è necessario assicurarsi prima dell'acquisto quale geometria di misura è più adatta per la rispettiva applicazione. Le geometrie di misura più diffuse sono d/8 e 45/0 per misure di riflessione o d/0 per misure di trasmissione.

La geometria di misura d/8, conosciuta anche con il nome della sfera di Ulbricht, genera una luce diffusa, riducendo in tal modo l'effetto della struttura della superficie in termini di brillantezza e rugosità. La geometria di misura consente letteralmente di guardare dentro il colore. Anche alcuni spettrometri che dispongono di questa geometria hanno trappole ottiche (SCI; SCE) per consentire che l'effetto luminoso sia incluso o escluso nella misura. La geometria d/8 viene utilizzata, ad esempio, per superfici rugose o tessili.

D'altra parte, la geometria di misura 45/0 produce un riflesso direzionale più conforme alla percezione umana. La geometria di misura 45/0 è utile quindi quando la percezione visiva di un oggetto deve essere simile a quella dell'occhio umano. La DIN 5033 raccomanda misure su superfii brillanti e verniciate con una geometria di 45/0.
Esistono anche spettrometri speciali con geometria multi-angolo. Il principio di base è identico alle geometrie sopra menzionate con la differenza che la misura viene effettuata non solo da un angolo, ma da più angoli (ad esempio, 15°, 25°, 75° e 110°). Questi dispositivi vengono utilizzati per rivestimenti metallici e vernici, poiché questi rivestimenti producono valori di colore molto diversi a seconda dell'angolo di visione.

Che tipo di luce devo usare nella misura?
L'uso di differenti tipi di luce può cambiare la percezione del colore, e nel caso di un dispositivo di misura, condurre a risultati diversi. Pertanto, la CIE ha definito alcuni tipi di luce standard con emissione spettrale definita per creare una comparabilità tra diversi dispositivi e produttori. La scelta del tipo di luce si deve basare sulla successiva applicazione del prodotto. La sorgente luminosa standard D65 è una delle più usate. Il D65 simula la luce diurna con componenti UV a una temperatura di colore di circa 6500 Kelvin. Anche la sorgente luminosa standard C simula la luce diurna, ma senza componenti UV e a una temperatura di colore di circa. 6770 Kelvin. La sorgente luminosa F11 si definisce come la luce dei grandi magazzini. Ha una temperatura di colore di 4000 Kelvin ed è adatta quando si visualizzano i prodotti sotto una luce artificiale. Oltre a questi, ci sono molti altri tipi di luce standardizzati in bande strette o larghe. La maggior parte degli spettrometri hanno un un'ampia selezione di tipi di luce per coprire un'ampia gamma di applicazioni.

Cosa dobbiamo tener presente rispetto alla precisione?
Quando si selezionano i requisiti per la precisione, bisogna prestare attenzione alla riproducibilità dei risultati e alla comparabilità dei vari spettrometri di una serie. Specialmente nel caso degli spettrometri, si deve prestare attenzione anche alla risoluzione spettrale dei dispositivi di misura. Se un'azienda utilizza differenti modelli di differenti produttori, bisogna ottenere la più alta precisione possibile tra i diversi modelli, anche se nella pratica è difficile. Pertanto, è consigliabile utilizzare, per un'applicazione, un modello dello stesso produttore. In tal modo si ottiene la massima ripetibilità e i valori comparativi tra gli spettrometri.

Si devono effettuare controlli interni di qualità o osservare requisiti esterni?
Un aspetto importante da chiarire prima di acquistare uno spettrometro sono i valori di riferimento sottostanti che verranno utilizzati per le successive misurazioni comparative. Si tratta di misurazioni interne in cui l'affidabilità e la qualità dei processi devono essere verificate rispetto a standard di colore appositamente definiti? Oppure si deve tener conto delle specifiche esterne di un cliente o fornitore? Se si deve tener conto delle specifiche esterne, è necessario chiarire in anticipo tra le parti quali strumenti di misura devono essere utilizzati e quali parametri sono importanti. È particolarmente importante raggiungere un accordo preventivo sui parametri di misura (spazio colore, geometria di misura, apertura di misura, illuminante, SCI, SCE, Spin, Spex), altrimenti la comparabilità dei valori di misura non è garantita. L'ideale sarebbe che entrambi gli utenti utilizzassero strumenti di misura identici dello stesso produttore.

Usare le coordinate di uno spazio di colore o le mappe di colore?
In alcune applicazioni, i valori di colore di sistemi di colore standardizzati o mappe di colori vengono utilizzati per misurazioni comparative. Le mappe dei colori più popolari sono, ad esempio, RAL, NCS, DIN o Pantone. Queste mappe di colore possono essere utilizzate per test visivi nel processo di produzione e nel controllo qualità. Il confronto visivo dei colori con inchiostri da stampa, coloranti o rivestimenti colorati è spesso soggetto ad errori, in quanto non può essere verificato in modo obiettivo e in condizioni costanti. La riproducibilità e l'obiettività possono essere fornite da un colorimetro perché le mappe di colore memorizzate digitalmente possono essere confrontate con i campioni di colore del cliente in condizioni definite.

Oltre alle mappe di colore, vengono utilizzati gli spazi di colore, come CIELab o RGB, in molte applicazioni industriali per determinare i colori con uno spettrometro. Gli spazi di colore sono corpi tridimensionali definiti geometricamente, in cui ogni colore è definito da 3 coordinate nella direzione X, Y e Z. Specificando le coordinate spaziali dello spazio colore corrispondente, i colori possono essere determinati con grande precisione e le distanze di colore possono essere determinato con precisione. Gli spazi di colore, a differenza delle mappe di colore, possono rappresentare tutti i colori percepibili. Vengono utilizzati in molti campi. Pertanto sono universalmente applicabili, quindi l'uso degli spazi di colore è solitamente più comparabile e indipendente.

Che ruolo svolge il campione di prova?
Si tratta di superfici lisce, uniformi o solide? Bisogna determinare i colori di liquidi o di polveri fini? Sono granulati spessi o paste viscose? Per tutte queste consistenze esistono spettrometri adeguati. Quando i campioni non sono solidi, è necessario usare contenitori per sostanze liquide, in polvere o pastose. In tal modo gli spettrometri possono essere utilizzati per misurare e testare materiali di varia consistenza.

Che tipo di design deve avere lo spettrometro?
A seconda dell'utilizzo, è importante selezionare un design adeguato dal punto di vista ergonomico. In alcuni spettrometri lo schermo è posizionato nella parte superiore, mentre in altri la lettura viene effettuata nella parte frontale e il sistema di sensori è montato all'interno di una struttura. Esiste anche lo spettrometro con sensore esterno. Poi c'è lo spettrometro che incorpora una fotocamera che consente di trovare il punto di misura corretto quando il dispositivo viene posizionato sull'oggetto da misurare. Tale funzione è particolarmente utile per oggetti piccoli e piccole aperture, perché aiuta a posizionare lo strumento in modo corretto per misurare il punto desiderato.

Se l'operatore esegue molte misurazioni da seduto, è consigliabile utilizzare uno spettrometro con il displayu rivolto verso l'alto. Questi dispositivi vengono collocati generalmente in posizione orizzontale per avere un appoggio stabile sull'oggetto da misurare. Lo spettrometro con design verticale ha in genere uno schermo rivolto verso l'operatore, inoltre, le superfici di appoggio disponibili sono generalmente più piccole. Questo design è più adatto per misurazioni mobili. Molti punti di misura sono di difficile accesso, soprattutto nelle sale di produzione. Questi tipi di dispositivi consentono di misurare direttamente in punti di difficile accesso, poiché consentono di posizionare il dispositivo su una piccola superficie e in diverse posizioni per eseguire la misura.