Misurazione del Gloss

1 Misurazione del Gloss per garantire la qualità

Gli effetti di brillantezza si basano sull'interazione della luce con le proprietà fisiche di un oggetto. Inoltre, la brillantezza è influenzata dalla valutazione fisiologica dell'osservatore. La prima impressione di un prodotto è fortemente influenzata dalla sua qualità superficiale. Per molti prodotti una brillantezza omogenea e consistente è considerata un parametro di qualità decorativa ed è influenzata da molti parametri del processo produttivo.

• Condizioni di valutazione non definite
• La valutazione dipende dalla sensibilità dell’osservatore
• Osservatori diversi hanno un’acuità visiva diversa

Per garantire un’assicurazione della qualità pratica e affidabile, è necessario descrivere il gloss delle superfici con criteri oggettivi e misurabili. Strumenti per misurare il gloss sono in uso nell’industria dal 1930. Speciali effetti di brillantezza hanno portato allo sviluppo di nuovi sistemi di misura con una migliore correlazione con la percezione visiva [2, 3, 4].

2 Percezione visiva di diversi livelli di gloss

Gloss e colore sono impressioni visive percepite quando si esamina una superficie. Noi valutiamo la capacità di una superficie di riflettere la luce incidente nella direzione speculare, come ad es. le sorgenti luminose o gli oggetti riflessi. L’impressione del gloss è influenzata dai seguenti parametri (Fig. 1):

2.1 Proprietà superficiali

• Materiale (ad es. vernici, plastiche, metalli)

• Topografia superficiale (ad es. liscia, rugosa, strutturata)

• Grado di trasparenza

• Substrato

2.2 Illuminazione

Al fine di valutare il gloss, è necessario avere una illuminazione diretta. Una illuminazione diffusa causa una riflessione diffusa con conseguente impressione diminuita del gloss.

2.3 Osservatore

La valutazione visiva dipende dall’acuità visiva (fisiologia) e dall’umore dell’osservatore (psicologia). Noi visivamente valutiamo una superficie mettendo a fuoco il nostro occhio o sulla riflessione di una sorgente luminosa o sulla superficie stessa [5]. Entrambi i tipi di valutazione influenzano l’impressione globale del gloss:

Mettendo a fuoco sull’immagine riflessa di una sorgente luminosa (Fig. 2), viene valutata la nitidezza dell’immagine (DOI) [6]. L’immagine riflessa di una sorgente luminosa può apparire brillante o opaca (gloss speculare). I profili dell’immagine riflessa possono essere distinti o sfocati (clarity dell’immagine) o un alone può circondare l’immagine riflessa (haze).

Mettendo a fuoco sulla superficie, riceviamo anche un’impressione per la dimensione e la forma della struttura (Fig. 3). Queste strutture possono essere viste come un modulo ondulare di aree chiare e scure. Nell’industria, questa ondulazione viene spesso chiamata buccia d’arancia.

Immagine 1 Componenti della percezione del gloss: Sorgente luminosa, Superficie, Osservatore

Immagine 2 Focus su un’immagine riflessa

Immagine 3 Focus sulla superficie

3 Comportamento di riflessione delle superfici

Il gloss è un’impressione visiva e non una proprietà fisica della superficie. La riflessione speculare, parte dell’impressione totale del gloss influenzata dalle proprietà di riflessione della superficie, può essere misurata fisicamente e oggettivamente. 

3.1 Alto gloss, superfici piane

In caso di superfici piane ad alto gloss, vale la legge della riflessione:  
Angolo di illuminazione = Angolo di riflessione (Fig. 4). 
Questi tipi di superficie possono essere considerati che formano immagini, poichè l’immagine di un oggetto riflesso può essere visto nitidamente. 
La luce viene riflessa sulla prima superficie nella direzione speculare di riflessione. L’intensità della luce riflessa dipende dall’angolo di illuminazione e dalle proprietà del materiale (indice di rifrazione).

• Metalli: intensità alta, scarsamente dipendente dall’angolo
• Non-Metalli: intensità inferiore, dipendente dall’angolo di illuminazione e dall’indice di rifrazione del materiale    

Nel caso dei non-metalli, parte della luce incidente penetra nel materiale ed è selettivamente assorbita o riflessa in modo diffuso a seconda del colore del pigmento. La luce riflessa in modo diffuso dal materiale ci dà l’impressione di uno specifico colore (Fig. 5). Questa componente diffusa è ugualmente distribuita in tutte le direzioni dello spazio.

3.2 Superfici a medio gloss

Nel caso di superfici più rugose, la luce non è solo riflessa in direzione speculare ma anche in maniera diffusa nelle altre direzioni (Fig. 6). 

La capacità della superficie di riflettere un oggetto è fortemente ridotta. Più uniforme la luce è distribuita in tutte le direzioni, meno intensa apparirà la componente speculare e meno brillante apparirà la superficie. Uno speciale effetto delle superfici matte, chiamato Sheen, può essere osservato quando le si osserva ad angoli quasi radenti: in un range di 80° o superiore la superficie inizia a sembrare sempre più lucida.

3.3 Superfici ad alto gloss con haze (reflection haze)

Se ci sono difetti microscopici su una superficie ad alto gloss, ci sarà un po’ di luce diffusa di bassa intensità adiacente alla riflessione speculare (Fig. 7). La maggior parte della luce sarà riflessa nella direzione speculare con conseguente aspetto ad alto gloss e con formazione di immagine nitida che sembra essere coperta da un film lattiginoso.

3.4 DOI vs. Gloss sulle superfici ad alto gloss

Le strutture molto fini vicine alla risoluzione dell’occhio umano (circa 0.1 mm), cioè nel range di alcuni micron fino a circa 1 mm, influenzano la qualità di formazione dell’immagine di una superficie. Richard Hunter [2] ha chiamato questo tipo di gloss Distinctness Of Image (DOI), il suo impatto sulla percezione visiva può essere descritto come nitidezza dei bordi riflessi. La misura del gloss speculare dipende dall’intensità della luce riflessa e dall’indice di rifrazione del materiale, mentre il DOI è una misura relativa e si correla meglio alla brillantezza percepita delle finiture ad alto gloss.

Immagine 4 Riflessione speculare sulla prima superficie

Immagine 5 Riflessione diffusa dal materiale

Immagine 6 Semi-gloss – riflessione diffusa dalla superficie

Immagine 7 Reflection haze

4 Glossmetro

4.1 Principo di misurazione 

Il principio di un glossmetro si basa sulla misurazione della componente speculare della luce riflessa (Fig. 8). L’intensità della luce riflessa viene misurata in un range di angolo specifico che è limitato da un’apertura "AP". 
La sorgente luminosa illumina la superficie passando attraverso un’altra apertura "AP1" (Fig. 9). Un rilevatore fotoelettrico misura la luce che passa attraverso l’apertura "AP2".
La misura del valore di gloss è una misura relativa. I risultati della misurazione sono riferiti ad uno standard di vetro nero lucidato con un definito indice di rifrazione di 1.567. Questo standard di vetro nero ha un valore di gloss speculare assegnato di 100 Gloss Unit (calibrazione).
Al fine di ottenere risultati comparabili, gli strumenti di misura e le operazioni sono stati definiti in standard internazionali: ISO 2813, ASTM D523, JIS Z 8741 e DIN 67530 [7, 8, 9, 10].
Le specifiche definiscono i seguenti parametri:

• Condizioni geometriche (angolo di illuminazione e riflessione, angolo di apertura, sorgente luminosa e sensibilità del sensore)
• Procedura di calibrazione
• Procedura di misurazione
• Applicazioni e limitazioni (ad es. superfici curve)
   

4.2 Quando usare quale geometria di misura?

L’angolo di illuminazione influenza fortemente i risultati di misura. Nel caso di vernici, plastiche e prodotti similari, parte della luce incidente viene riflessa sulla prima superficie e parte penetra nel materiale. Maggiore è l’angolo di illuminazione, maggiore sarà la quantità di luce riflessa. Al fine di ottenere una buona differenziazione sull’intero range da alto a basso gloss, sono stati definiti tre diversi angoli di illuminazione, cioè tre diversi range di misura (Fig. 10):

• 20°   superfici ad alto gloss

• 60°   superfici a medio gloss

• 85°   superfici a basso gloss

Per ottenere una netta differenziazione sull’intero range di misura da alto a basso gloss, sono state quindi standardizzate tre geometrie, cioè tre range diversi. Una geometria di misura singola, come il 60°, potrebbe non fornire misure strumentali del gloss che si correlano bene con l’osservazione visiva quando si confrontano livelli di gloss differenti. Pertanto, gli standard internazionali definiscono misure a diversi angoli di incidenza. La scelta della geometria dipende se si sta effettuando una valutazione generale del gloss, confrontando finiture ad alto gloss o valutando campioni a basso gloss. La geometria 60° è usata per confrontare la maggior parte dei campioni e per determinare se le geometrie 20° o 85° possano essere più adatte. La geometria 20° è vantaggiosa per confrontare campioni che hanno valori di gloss a 60° maggiori di 70 GU. La geometria 85° viene usata per confrontare campioni con lucentezza quasi radente. È soprattutto applicata con i campioni che abbiano valori di gloss a 60° inferiori a 10 GU.

In un caso di studio 13 campioni sono stati classificati visivamente da opaco ad alto gloss e misurati con le tre geometrie specificate. Nella pendenza ripida delle curve, le differenze tra i campioni possono essere misurate chiaramente, mentre nella parte piatta la geometria di misura non si correla più con la percezione visiva (Fig. 11).
Inoltre, sono state stabilite geometrie specifiche per l’industria:

• 45° Ceramiche, plastiche e film plastici (ASTM C346, -D2457, JIS Z8741)

• 75° Rivestimenti in vinile e industria della carta (ASTM D2457, - D3679, JIS Z8741, Tappi T480)

Immagine 8 Misura della componente speculare

Immagine 9 Principio di un glossmetro

Immagine 10 Angoli di illuminazione standardizzati

Immagine 11 Valori di gloss speculare dipendenti dall’angolo di misura

5 Misurazione del gloss su prodotti speciali

5.1 Misurazione del gloss di film e lastre trasparenti

Oltre alla trasparenza, i film di alta qualità richiedono proprietà di riflessione definite, indipendentemente dal fatto che si tratti di imballaggi lucidi brillanti o pellicole antiriflesso per uso LCD. Il metodo standardizzato a livello internazionale per misurare la brillantezza illumina il campione con un angolo definito e rileva l’intensità della luce riflessa. Sui materiali trasparenti, una parte della luce incidente penetra nella superficie. La luce trasmessa viene riflessa dalla superficie posteriore all’interno del materiale ed è parzialmente trasmessa nella direzione del sensore (Fig. 12).

Questa riflessione aggiuntiva dipende dallo sfondo ed ha un impatto significativo sulla misura. Per minimizzare questa influenza, si consiglia di utilizzare uno sfondo nero opaco, ad es. cartone, ed è importante usare sempre lo stesso sfondo. È inoltre difficile quando i campioni sono molto sottili e non formano una superficie veramente piatta sotto il glossmetro. Pertanto, spesso viene usata una piastra sottovuoto per assicurarsi che non vi siano bolle d’aria o grinze che possano distorcere i dati di gloss misurati.

5.2 Misurazione del gloss su superfici opache e strutturate

Il design interno ad es. delle automobili sta diventando sempre più importante nella decisione in fase di acquisto. Una grande sfida è di ottenere un “feeling” di valore alto e allo stesso tempo minimizzare i costi. Pertanto, vengono usati molti materiali che necessitano di essere armonizzati. Come punto di partenza vengono prodotte placchette standard master di solito con un’area piatta e diverse grane. Queste vengono inviate ai fornitori come target da ottenere con i componenti della produzione reale. Per garantire un aspetto uniforme tra i vari materiali vengono specificate tolleranze molto strette. Invece di operare con valori di gloss in assoluto, il CQ della produzione del fornitore deve essere basato sul componente firmato e vengono controllate solo le differenze. Questa procedura elimina l’errore di riproducibilità perché il gloss viene misurato relativamente sullo stesso tipo di materiale e sulla stessa superficie. Pertanto, una differenza di 0.3 gloss unit da componente a componente può essere considerata come una differenza significativa.

Tolleranze tipiche: Gloss 60°: < 5 GU +/- da 0.3 a 0.5

Gli strumenti micro-gloss S della BYK-Gardner con performance tecnica migliorata per il gloss 60° nel range a basso gloss (0-20 GU) permettono un CQ affidabile con specifiche così severe. L’eccellente ripetibilità di +/-0.1 può essere garantita grazie alla nostra procedura di calibrazione brevettata e l’eccellente stabilità alla temperatura dei risultati di misura.

5.3 Misurazione del gloss su superfici grandi  

Sui prodotti con grandi aree superficiali, l’omogeneità è una caratteristica di qualità cruciale. Applicazioni tipiche possono essere ad es. la misura del gloss sulle coperture in vinile o i laminati per le pavimentazioni. Pertanto, i glossmetri della BYK-Gardner offrono il cosiddetto modo continuo. Questa modalità permette di effettuare misure continuamente con un intervallo di tempo definibile a scelta dell’utente mentre lo strumento viene spostato lungo tutta l’area da misurare. L’utente può leggere direttamente sul display il valore del gloss di ciascuna lettura. Dopo avere scansito la superficie il micro-gloss offre le statistiche, come la media e i valori min/max che possono essere usati per determinare l’uniformità del gloss.
 

Immagine 12 Multi-riflessione nei materiali trasparenti o traslucidi su uno sfondo definito

6 Limitazioni della misura del gloss

6.1 Gloss su superfici curve

I glossmetri classici sono fondamentalmente destinati a misurare superfici piane. Le curvature convesse o concave cambiano la direzione di riflessione in modo simile alle lenti ottiche o gli specchi [Fig. 13] e quindi falsificano i risultati della misurazione del gloss. Alcuni prodotti hanno una curvatura talmente piccola che sono possibili misure comparative con una tolleranza appropriata. Studi su questo effetto sono stati portati avanti negli anni ‘70, dove le deviazioni erano state tenute sotto circa il 5% di raggi di circa 50 - 80 cm [11]. Naturalmente queste deviazioni dipendono soprattutto dal materiale, dal livello di gloss e dalla geometria; più alto è il livello del gloss e maggiore sarà l’effetto della curvatura. L’inclinazione è anche un fattore significativo, così che l’uso di un sistema di posizionamento è raccomandato.
 

6.2 Superfici strutturate

Riflettività e gloss si basano sull’interazione della luce con le proprietà fisiche della superficie del campione. L’intensità dipende dal materiale e dall’angolo di illuminazione. I risultati di misura di un glossmetro convenzionale si riferiscono alla quantità di luce riflessa da uno standard di vetro nero con un indice di rifrazione definito. Il glossmetro classico non include gli effetti della struttura o il comportamento complesso del gloss delle superfici 3D. 
Il nuovo spectro2profiler utilizza una tecnica stereo-fotometrica per stimare le normali alla superficie e calcolare una topografia 3D della superficie. Le normali alla superficie sono calcolate osservando la superficie con differenti direzioni di illuminazione. Impiegando la forma dalle ombre, viene stimata la curvatura e può essere calcolata la mappa delle altezze dell’oggetto. Il risultato è una topografia 3D reale della superficie dell’oggetto misurato.
 

6.3 Variazioni spaziali del gloss

Le ombre proiettate e le aree che sono invisibili al sensore di misura possono falsificare il risultato di misurazione del gloss speculare. Inoltre, la percezione del gloss non dipende solo dal gloss speculare ma anche dal contrasto percepito tra le parti speculari e le aree superficiali che riflettono in modo diffuso.  Uno strumento convenzionale non è capace di catturare il comportamento di riflessione più complesso come le riflessioni distribuite spazialmente, ad es. picchi molto riflettenti vicini a valli a bassa riflessione che si vedono nelle superfici tipo-pelle.

Il nuovo spectro2profiler offre una tecnologia basata su fotocamera per catturare la distribuzione spaziale della riflettività. Una illuminazione perpendicolare elimina le ombre proiettate, le aree invisibili e le distorsioni della prospettiva così da rendere la misurazione indipendente dall’orientamento (Fig. 14). La fotocamera acquisisce immagini della riflettività 2D, consentendo un’analisi più dettagliata delle distribuzioni della riflettività di una superficie.
Per valutare l’aspetto totale di un oggetto, è necessario misurare la struttura superficiale e la riflettività in parallelo, perché sono mutuamente interdipendenti, ma sono combinate per una valutazione visiva totale. Poichè i nostri occhi possono acquisire solo informazioni 2D, il sistema visivo umano ricostruisce le informazioni 3D degli oggetti nel nostro cervello utilizzando le ombre e le riflessioni. Ciò significa che la profondità percepita di una struttura dipende dal comportamento di riflessione sui picchi e nelle valli. Poichè lo spectro2profiler utilizza lo stesso sistema fotocamera e lente per l’acquisizione della topografia 3D e della riflettività 2D, è possibile combinare i dati di entrambi i principi di misura. Pertanto, la riflessione dei picchi e delle valli può essere separata. La differenza tra la riflessione dei picchi e delle valli descrive il contrasto e la profondità percepita di una superficie strutturata.
 

Immagine 13 Distribuzione della luce dovuta alla curvatura

Immagine 14 Setup della misura della riflettività risolta spazialmente

7 Sommario

L’impressione visiva del gloss è come il colore, un parametro multidimensionale. Per molti anni i glossmetri sono stati usati per misurare la riflessione speculare in laboratorio e in produzione. Per caratterizzare la completa impressione visiva del gloss, è necessario misurare parametri addizionali al gloss come l’haze e la buccia d’arancia. BYK-Gardner offre una linea completa di strumenti per la misura dell’appearance per determinare oggettivamente gloss speculare, haze e buccia d’arancia, destinati per applicazioni in laboratorio ed anche sul campo.