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Parole chiaveColore, Spettrofotometro, Riflettanza, Coordinate di cromaticità, Spazi cromatici, Delta E

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 moi-sture) 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 instru-mental 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.

The colour The spectrophotometer like an essential tool to guarantee its uniformity and reproducibility in the cosmetic field

Luigi Miori, Gabriele RosaAreaderma

mioriluigi@areaderma.it - gabborosa@alice.it

Il colore Lo spettrofotometro come indispensabile strumento per garantire la sua uniformità e riproducibilità in campo cosmetico

RiassuntoIl colore è ormai diventato un parametro fondamentale nella for-mulazione dei prodotti cosmetici. Solo un prodotto con colore ed aspetto uniformi in ogni suo punto potrà essere apprezzato dal con-sumatore 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 esposi-zione 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 colo-rimetria 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 descri-zione generale di uno specifico spettrofotometro, l’X-RITE VS450, accompagnata da alcuni cenni riguardanti il suo funzionamento.

IntroduzioneL’industria cosmetica è in continua crescita grazie all’impiego di nuovi materiali e di nuove metodologie di elaborazione. La misura-zione, il controllo e la formulazione dell’aspetto dei prodotti cosme-tici rappresentano una vera e propria sfida industriale ed un problema reale. Ciò implica la necessità di nuovi strumenti per garantire l’in-tegrità 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’aumen-to dell’efficienza operativa. I vantaggi sono molteplici:- eliminazione degli errori visivi più diffusi provocati da un’illumi-

nazione 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 pro-

duttivi e fornitori- riduzione dei tempi di produzione- miglioramento dell’analisi qualitativa e del

livello di controllo complessivo.

Il coloreIl colore è una elaborazione mentale dell’uo-mo, un suo modo di percepire il mondo ester-no; 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 genera-no impulsi che vengono elaborati poi dal cer-vello; 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 denomi-nati 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 sen-sibili 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 fenomeno-logico 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 differen-temente 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 in-sieme di onde di frequenza diversa e l’effetto “colore” è determinato dalla combinazione dei singoli effetti (1).

La misura spettrale e le color matching functionsLa definizione oggettiva del colore è data dalla sua misura con spettrofotometri capaci di ope-rare nel campo della luce visibile, restituendo i valori spettrali di riflettanza (o trasmittanza), definita come rapporto tra l’energia inciden-te 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

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 perce-zione 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’Éclaira-ge, ente incaricato della standardizzazione nel campo dell’illuminazione) che rappresentano la sensibilità dell’osservatore medio, rispetti-vamente 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 cromaticiI 31 dati che rappresentano lo spettro di un colore non possono essere tuttavia facilmente apprezzati in modo intuitivo e quindi para-gonati al colore percepito visivamente. Nella storia della colorimetria si sta quindi assisten-do ad un progressivo tentativo di tradurre la misura spettrofotometrica in un sistema di grandezze (spazi cromatici) comprensibili, ca-paci di comunicare in modo anche intuitivo le differenze di colore. Le tappe fondamentali di questo processo sono:

Le coordinate tristimolo XYZLo spazio CIELAB 1976

Caratteristica comune a questi spazi è quella di essere tridimensionali: ogni colore è defi-nito da una terna di coordinate che hanno un immediato significato colorimetrico.

Figura 1 - Le funzioni colore dello standard CIE (asse y riflettanza; asse x lunghezza d’onda)

z

y x

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Coordinate tristimolo XYZ Queste funzioni rappresentano il primo passo nella conversione delle informazioni relative al colore oggettivo (distribuzione spettrale dell’e-nergia luminosa) in tre parametri che quantifi-cano la percezione sensoriale del colore.Sono interpretabili rispettivamente come sensazione visiva media rispetto alla radiazio-ne 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 superficiex(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 dif-ferenze percepite visivamente. Lo spazio del colore attualmente più usato è quello defini-to 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 coordi-nate di colore L*a*b*, che consentono di rap-presentare 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/verdeb*: corrispondente alla sensazione di giallo/blu

Insieme formano un sistema di assi con le se-guenti 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 spostan-dosi verso il centro in cui passa l’asse verti-cale L* ( dove il colore è grigio acromatico): proseguendo lungo l’asse - a* si hanno i ver-di con saturazione crescente dal centro ver-so 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 rag-giunge la periferia. Tanto più positivo è il valore di b*, tanto più giallo è il colore; tan-to più negativo è il valore di b*, tanto più blu è il colore.

Le differenze di colorePer 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 va-lore numerico la differenza di colore totale, come somma vettoriale delle tre singole diffe-renze: tale grandezza è comunemente indica-ta 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, so-pra 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? Pur-troppo non è così semplice. Alcune differenze di colore maggiori di 1 sono perfettamente accettabili, forse anche impercettibili. Il risul-tato 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 nel-la sua costituzione, i nostri occhi percepisco-no senza inganni. L’aspetto visivo, vale a dire come sembra il colore, è il modo più impor-tante e vero di giudicare il colore, soprattutto per la valutazione dell’intera superficie, che include il colore, il gloss, la texture, la dimen-sione, 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 spettrofotometroLo spettrofotometro da tavolo senza contatto con geometria 45/0°, tipo l’X-RITE VS450 (Fig.3), è stato progettato per garantire mi-surazioni di colore e lucidità su numerosi tipi di campioni a umido e a secco. I prodotti che normalmente richiedono protezione dal con-tatto fisico (liquidi e colle) o in cui l’aspetto della superficie viene modificato dal metodo di presentazione (per esempio un campione

premuto contro un vetro) possono essere mi-surati nel loro stato naturale e inalterato. In-fatti i prodotti cosmetici coprono una gam-ma di materiali che va dalle polveri alle paste, tutti difficili da misurare con gli strumenti tradizionali a contatto. I metodi di presenta-zione 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 cam-pione e misura i campioni posti sotto l’apposi-to binario situato nella parte inferiore (accen-dendo un anello luminoso per facilitare il loro posizionamento) (4).

La geometria di misuraLo 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 cam-pione 0° (Fig.4). Questo tipo di geometria è essenziale per ottenere misure ripetibili su superfici direzionali o strutturate. Inoltre ana-lizza il colore esattamente come nelle normali condizioni umane di valutazione ed esalta al massimo la differenza di colore tra due superfi-ci dello stesso colore ma di diversa brillantezza (gloss).

Figura 3 - Lo spettrofotometro X-RITE VS450Figura 4 - Rappresentazione schematica dell’il-luminazione 45/0° di uno spettrofotometro

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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 correzio-ni 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 X-RITE VS450 per studiare nel dettaglio il com-portamento del colore dei prodotti naturali utilizzati nelle sue formulazioni cosmetiche, durante le fasi di progettazione e di analisi del-la stabilità. In questo modo è possibile capire se vi possano essere delle variazioni cromati-che 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 mo-mento dell’ utilizzo da parte del consumatore.

ConclusioniLo scopo della classica formulazione colo-ristica è quello di ottenere la formula di una miscela di componenti che consenta di ripro-durre con sufficiente precisione un determina-to colore, cioè il grado di riflessione e/o tra-smissione della luce. L’occhio umano ha però una percezione solo approssimativa del colore (percezione tristimolo) ed è tale anche l’imi-tazione che ad occhio si riesce ad ottenere. Una corretta imitazione deve dimostrarsi tale sia alla luce diurna che sotto qualunque lam-pada. Questo si può ottenere solo riproducen-do 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 estremamen-te difficili da eliminare, che danno origine al metamerismo, quel fenomeno per cui due og-getti 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 ri-sultati 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 stru-mento in grado di misurare in modo oggettivo il colore di un oggetto, cioè la percentuale di

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