Valutazione visiva del colore in una cabina luce

1. Standardizzazione della valutazione visiva del colore

La percezione del colore dipende dall'esperienza personale, dall'illuminazione e dalle condizioni di osservazione circostanti. Poiché le condizioni ambientali sono molto variabili e non sono affatto coerenti, è necessario standardizzare le situazioni di illuminazione comuni. L'illuminazione deve essere facilmente commutabile per osservare ed evitare il cosiddetto "metamerismo", cioè le differenze di color matching al variare delle condizioni di illuminazione. Per garantire condizioni di prova e di valutazione affidabili, gli standard internazionali specificano le procedure di prova che definiscono i seguenti componenti. (1)(2)(6)(7)(10)(12)(13)

1.1 Osservatore

L'osservatore deve avere una visione normale dei colori e deve essere adeguatamente addestrato a valutarli. Per evitare l'affaticamento degli occhi, la decisione sul colore deve essere presa in pochi secondi. Inoltre, è necessario fare piccole pause tra una valutazione e l'altra. Poiché le persone descrivono i colori in modo diverso, per la comunicazione e la documentazione dei colori si deve utilizzare il seguente ordine:
Tono ? Croma ? Luminosità.
 

1.2 Oggetto

I campioni devono essere piatti e uniformi nel colore, nel gloss e nella texture. Lo standard e il campione devono essere posti l'uno accanto all'altro a contatto e invertiti di volta in volta. La dimensione preferita del campione è di circa 10-15 cm. La distanza di osservazione deve essere di 50 cm. Questa distanza corrisponde a un campo visivo di 10°.

1.3 Ambiente circostante

Il campo visivo immediatamente circostante il campione e il campo visivo ambientale, usato per far riposare gli occhi dell'osservatore, sono di grande importanza per la valutazione dei colori. L'interno della cabina luce dovrebbe avere una superficie grigia opaca e l'esaminatore dovrebbe indossare abiti di colore neutro per evitare fastidiosi riflessi cromatici. 

1.4 Illuminazione

Il livello di illuminazione nella posizione di color matching deve essere compreso tra 1000 lx e 5000 lx, a seconda del rispettivo standard internazionale. Di norma si utilizza un pannello diffusore per evitare la riflessione diretta e garantire una distribuzione uniforme dell'illuminazione sull'intero campo di ispezione.

2. Termini per la caratterizzazione della luce

La luce è una radiazione elettromagnetica compresa in una determinata porzione dello spettro elettromagnetico. Il termine luce si riferisce solitamente alle radiazioni visibili all'occhio umano (lunghezza d'onda: da 400 a 700 nm). Per caratterizzare la luce emessa da una sorgente luminosa si utilizzano diversi termini: temperatura del colore (CT) e temperatura del colore correlata (CCT), color rendering index (CRI Ra) come anche distribuzione spettrale dell’energia (SPD) e indice di metamerismo MIVIS.

2.1 Temperatura del colore (CT) e Temperatura del colore correlata (CCT)

Il concetto di temperatura di colore si basa sul fatto che il colore di un oggetto cambia quando viene riscaldato, perché la radiazione emessa si modifica. Secondo la ISO/CIE 10526:1991 (E) una temperatura di colore Tc è definita come “La temperatura di un radiatore planckiano la cui radiazione ha la stessa cromaticità di quella di un dato stimolo.” 
In parole povere, la temperatura di colore è una temperatura che descrive le caratteristiche cromatiche della luce visibile in base alla temperatura di un corpo nero planckiano. La Figura 1 mostra lo spazio di cromaticità CIE x,y. La linea nera del grafico rappresenta i valori di cromaticità delle sorgenti di luce del corpo nero a varie temperature. (8)(11)(12)(13) 
La temperatura del colore è di solito espressa in Kelvin (K). La scala Kelvin è una misura della temperatura assoluta (0°C=273K). Le temperature di colore sopra 5000K sono definite colori freddi, con toni bianco-bluastri, mentre temperature di colore inferiori (2700K – 3000K) sono definite come colori caldi, con toni di giallo e rosso. La maggior parte delle sorgenti luminose naturali (come il sole, le stelle) segue molto da vicino il locus planckiano. Quando si devono descrivere sorgenti che non emettono luce esattamente corrispondente al radiatore del corpo nero, si usa il termine Temperatura di Colore Correlata. Secondo la ISO/CIE 10526: 1991 (E) una temperatura di colore correlata, Tcp è definita come “La temperatura del radiatore planckiano il cui colore percepito è più simile a quello di un determinato stimolo alla stessa luminosità e in determinate condizioni visive.” (1)(2)(8)(12)(13)
 

2.2 Distribuzione spettrale dell’energia

Il colore e la temperatura di colore non sono parametri unici per descrivere una sorgente luminosa. Due sorgenti luminose con le stesse coordinate cromatiche xy e la stessa temperatura di colore possono avere caratteristiche spettrali diverse e quindi creare impressioni cromatiche diverse. Pertanto, il modo più accurato di caratterizzare una sorgente luminosa o un illuminante è la sua curva di distribuzione spettrale dell’energia (in breve: SPD). (1)(2)(6)(8)(10)(12)(13)
La curva mostra il flusso radiante (quantità di energia) emesso dalla sorgente luminosa a varie lunghezze d'onda dello spettro visibile. La curva SPD è normalizzata alla lunghezza d'onda di 560 nm, in modo che la valutazione sia indipendente dal livello assoluto di illuminazione.
 

2.3 Color rendering index - CRI

Il color rendering index è una misura quantitativa di una sorgente luminosa e della sua capacità di rivelare i colori degli oggetti rispetto a una sorgente luminosa ideale o naturale. Il termine CRI è spesso usato sui prodotti di illuminazione disponibili sul mercato. Per definizione, dovrebbe essere chiamato Ra – General Color Rendering Index, o Ri – Special Color Rendering Index, corrispondente al numero di campioni di colore di prova valutati. 
Il CRI si calcola confrontando la resa cromatica della sorgente di prova con quella di una sorgente definita. Per le sorgenti di prova con un CCT inferiore a 5000K si utilizza un corpo nero come sorgente definita. Per le sorgenti di prova superiori a 5000K si utilizza la luce diurna (illuminanti D). Il calcolo dettagliato di Ri e Ra è spiegato nel rapporto tecnico CIE 13.3-1995. [4] Il metodo di prova prevede l'utilizzo di una serie di otto (Ra) o quattordici (Ri) campioni di colore di prova CIE-1974 tratti da una prima edizione dell'Atlante Munsell. I primi otto campioni hanno una saturazione moderata, coprono il cerchio dei toni e hanno una luminosità circa uguale. Gli altri sei campioni forniscono informazioni supplementari sulle proprietà di resa cromatica della sorgente luminosa.

2.4 Indice di metamerismo – MI

La pubblicazione CIE 51.2 descrive un metodo per valutare la qualità delle sorgenti di luce diurna. Per il range visibile il metodo utilizza cinque coppie di campioni teorici, dove ogni coppia è costituita da un campione standard e da un campione metamerico con un MIVIS = 0 per l’illuminante standard D65. Maggiore è il disallineamento tra l’MIVIS dell’illuminante standard e l’MIVIS della sorgente che simula la luce diurna, peggiore è la qualità della sorgente luminosa. (5)(14)(13) Come per l’MIVIS per il range visibile, la CIE ha definito anche MIUV per il range fluorescente, con tre coppie di campioni metamerici teorici. Le formule per MIVIS e MIUV sono mostrate in basso nella Figura 2. Dove ΔEi (L*a*b*) e ΔEj (L*a*b*) sono le differenze colore tra la i^ e la j^ coppia di metameri.

La classificazione di MIVIS e MIUV è fatta in accordo con la seguente tabella.

Poiché non sono disponibili sorgenti luminose D65 reali, la sfida consiste nello sviluppare un simulatore D65 il più vicino possibile all'illuminante CIE D65. La qualità di un simulatore viene valutata oggettivamente con l'indice di metamerismo CIE MIVIS, corrispondente alle classi di qualità da A a E, dove la classe A rappresenta la simulazione più precisa.

Immagine 1 Locus planckiano illustrato nello spazio di cromaticità CIE x,y

Immagine 2 Calculation of the metamerism indices MIvis and MIuv

3. Simulazione degli illuminanti CIE con sorgenti luminose artificiali

3.1 efinizione di sorgente luminosa e di illuminante

Quando si parla di sorgenti luminose e illuminanti è importante sapere che c’è una differenza tra i due termini. Una spiegazione semplice e corretta viene da "Billmeyer e Saltzmann", dove una sorgente luminosa viene spiegata come una “Luce fisicamente realizzabile, la cui distribuzione di energia spettrale può essere determinata sperimentalmente”. Un illuminante è definito come una “Luce definita da una distribuzione di energia spettrale relativa che può o meno essere fisicamente realizzabile come sorgente.”
La CIE (Commission Internationale de l’Éclairage) ha definito un certo numero di curve SPD per fornire gli spettri di riferimento per le applicazioni colorimetriche, i cosiddetti illuminanti standard CIE.
 

3.2 Illuminante standard CIE A

L'illuminante standard A è stato introdotto dalla CIE nel 1931 e rappresenta una lampada a incandescenza con filamento di tungsteno. La sua SPD relativa è quella di un radiatore planckiano a una temperatura approssimativa di 2856K. Per simulare l'illuminante standard A in una cabina luce, si utilizzano lampadine convenzionali o oggi lampade alogene al quarzo (CT˜3000K) (Figura 3). 

3.3 Serie di illuminanti standard CIE F

La CIE ha definito 12 tipi di lampade fluorescenti, denominate da F1 a F12, classificate in tre gruppi. Si differenziano per la larghezza di banda e il picco di lunghezza d'onda dei loro picchi di emissione. Di conseguenza, si ottengono diversi CRI e temperature di colore. 

Tra queste dodici, F2 e F11 sono le più utilizzate nel settore. La F2, chiamata anche "CWF" (cool white fluorescent), ha un CT di circa 4000K e un CRI Ra ˜ 60. La F11, nota anche come TL84, ha un CT di circa 4000K e un CRI Ra > 85. Per simulare l'illuminante standard della serie F in una cabina luce, si utilizzano tubi fluorescenti disponibili in commercio. (Figura 4). (11)(16)(17)

3.4 Illuminante standard CIE D65

Nel 1964 la CIE ha definito una serie di illuminanti diurni attraverso numerose misurazioni della luce diurna reale, riportate nella tabella seguente. Su 622 misurazioni, sono state costruite le curve SPD teoriche della luce diurna da 330nm a 700nm. L'illuminante standard CIE D65 è la rappresentazione più importante di una luce diurna media a 6504K, corrispondente alla luce di mezzogiorno nell'Europa nord-occidentale, che comprende sia la luce solare diretta sia la luce diffusa da un cielo sereno, compresa la componente UV.

Immagine 3 Simulazione dell’illuminante A con lampada a tungsteno in byko-spectra pro

Immagine 4 Simulazione di illuminanti F2 e F11 con tubi fluorescenti in byko-spectra pro

4. Simulazione della D65 in una cabina luce

IPer simulare la luce diurna, nelle cabine e nelle luminarie disponibili in commercio per le valutazioni visive vengono utilizzati diversi tipi di sorgenti luminose. A seconda della corrispondenza tra la sorgente di luce artificiale e l'illuminante standard CIE D65, una coppia di campioni può apparire molto diversa. 
Nell'esempio che segue, una coppia di campioni viene valutata nella cabina luce 1 con tubi fluorescenti con un CT di circa 6500K e un CRI Ra di circa 96. La simulazione della luce diurna è un'approssimazione della D65 definita dalla CIE con il livello di qualità CIE MIVIS Classe B (vedi Capitolo 2.4). La differenza tra questa coppia di campioni è molto significativa in queste condizioni di valutazione (Figura 5).
Successivamente, la coppia di campioni viene valutata nella cabina luce 2, byko-spectra pro, utilizzando lampade alogene con un vetro filtro blu appositamente sviluppato e una stringa di LED. Questa combinazione crea un'eccellente simulazione di CIE D65 senza picchi (vedere la curva blu nella Figura 6), risultando in una classe di qualità CIE MIVIS A. In queste condizioni, la coppia di campioni mostrerà solo una piccola differenza rispetto alla luce naturale del giorno.
 

Immagine 5 Simulazione di luce diurna con tubi fluorescenti

Immagine 6 Simulazione di luce diurna con lampade alogene filtrate con e senza LED

5. Sommario

La nuova cabina luce byko-spectra pro di BYK-Gardner affronta la sfida di portare la vera luce diurna in laboratorio grazie a una combinazione intelligente di lampade alogene filtrate e di una stringa di LED. Questa combinazione garantisce la migliore simulazione della luce diurna della categoria - testata secondo la CIE.
Inoltre, i sensori integrati nella cabina luce controllano costantemente le prestazioni della lampada e regolano automaticamente la tensione per garantirne la stabilità. Per controllare le condizioni della lampada e attivarne la sostituzione, sul display della cabina luminosa vengono visualizzati la temperatura di colore effettiva, l'intensità luminosa e il tempo di funzionamento della lampada. Per ridurre gli intervalli di manutenzione, la durata della luce diurna di classe A è estesa a 600 ore.
A seconda dell'utilizzo di un prodotto, il colore deve accordarsi a una varietà di illuminazioni. Per essere preparati al metamerismo, la cabina luce byko-spectra pro offre una simulazione della luce diurna con prestazioni di classe A (D65), illuminazione a incandescenza (A), tre illuminanti fluorescenti (CWF, TL84, U30) e una luce UV per la valutazione dei campioni fluorescenti.
Poiché la luce diffusa è essenziale per la valutazione dei colori solidi, i pannelli diffusori mescolano la luce per garantire un'illuminazione uniforme su tutto il campo di ispezione. Per rispettare gli standard internazionali, le pareti interne sono dipinte con un colore grigio chiaro opaco per eliminare l'influenza dell'ambiente circostante sull'osservatore. 
Le prestazioni tecniche non sono l'unico criterio chiave per una cabina luce. Anche l'efficienza e il comfort di utilizzo giocano un ruolo importante per l'utente. L'ampio display a colori non solo consente la commutazione degli illuminanti, ma permette anche un facile utilizzo guidato dal menu. Il telecomando in dotazione consente di commutare gli illuminanti da una distanza massima di 10 m. La modalità Auto Sequence avanza automaticamente attraverso una sequenza di illuminanti definita dall'utente, per un funzionamento a mani libere. 
byko-spectra pro è disponibile come cabina luce normale e come luminaria (Figura 7 e 8). Le luminarie possono essere appese al soffitto come singole o come unità multiple per allestire un'intera harmony room per il colore per valutare componenti di sistema o prodotti completi, ad esempio carrozzerie. Le luminarie hanno anche le stesse specifiche di illuminazione di classe A della cabina luce, garantendo la precisione necessaria nelle valutazioni visive del colore.