Chimica organica applicata coloranti

La visione e la misura del colore

La Society of Dyers and Colourists è un ente a cui viene attribuita grande autorevolezza in materia di scienza del colore a tutto campo. Nel 1988 ha dato alle stampe il manuale Colour Terms and Definitions, con l’obiettivo di stabilire in modo univoco la definizione dei termini ricorrenti nel campo della colorazione e delle aree ad essa collegate, ad uso didattico, industriale e di ricerca scientifica. La definizione di colore tratta da tale manuale è: «Quella caratteristica della sensazione visiva che rende capaci di distinguere differenze nella sua qualità, quali possono essere causate da differenze nella distribuzione spettrale della luce piuttosto che da differenze nella distribuzione spaziale o fluttuazioni nel tempo.»

L'occhio

La pupilla dosa il flusso dei fotoni in entrata tramite il diaframma, il cristallino mette a fuoco l’immagine sulla fovea (per la regolazione della distanza), i fotoricettori captano i segnali luminosi (rullino fotosensibile) che vengono trasmessi al cervello dal nervo ottico.

I fotorecettori nell’occhio umano sono di due tipi:

• I coni hanno forma tronco-conica, si trovano prevalentemente nella fovea, in un occhio umano ce ne sono 5 milioni, sono collegati al cervello singolarmente e danno immagini ben nette, sono responsabili della visione diurna (fotopica) che è colorata e non hanno sistema di ringiovanimento. I coni sono distinti in tre diversi gruppi capaci di assorbire in modo differenziato la luce rispettivamente blu, verde e rossa (visione tricromatica) ma con maggiore sensibilità nel verde.
• I bastoncelli hanno forma cilindrica e aumentano di numero in senso periferico, in un occhio umano ce ne sono 100 milioni, sono collegati a gruppi al cervello e danno immagini mal definite, sono responsabili delle visioni notturna (scotopica) e crepuscolare (mesopica) che sono in bianco e nero (acromatiche), posseggono un sistema di ringiovanimento.

Si parla di colorimetria tristimolo appunto perché i colori sono costruiti sulla base dei tre colori di base rosso, blu e verde.

L’occhio presenta 2 grossi difetti:

• Non è capace di distinguere se una luce sia monocromatica o policromatica: una luce pressoché priva di componente blu, ma ricca di verde e di rosso, dà la stessa sensazione di giallo di una luce monocromatica di 582 nm. L’occhio fa la somma di tutte le lunghezze d’onda e elabora una sensazione visiva che l’educazione associa al colore giallo. Lo strumento che analizza l’intensità della radiazione luminosa, nanometro per nanometro, è lo spettrofotometro di assorbimento (usato per i corpi trasparenti), nella versione spettrofotometro di riflettanza (usato per i corpi opachi).
• Non possiede memoria dei colori: se l’occhio esamina una superficie verde ed una rossa in simultanea ne vede la grande differenza e questo vale anche quando esamini le due superfici singolarmente ed a distanza di tempo. Se, però, si tratta di due superfici entrambe rosse, caratterizzate da una differenza di colore impercettibile ma apprezzabile in simultanea e si chiede quale di esse sia una sola delle due presa a caso, ecco che l’occhio non ricorda e non sa distinguere.

Luce

La luce è quell’insieme di radiazioni elettromagnetiche che viaggiano nel vuoto ad una velocità di circa 300.000 km/sec, diverse tra loro per lunghezza d’onda ed energia. L’energia di un fotone (quanto di luce) associato ad una data radiazione è inversamente proporzionale alla lunghezza d’onda dell’onda luminosa. E=h*c/λ E=h*v v=frequenza.

L’energia di un fotone ultravioletto (λ = 250 nm) è di 114,4 kcal. Se si pensa che l’energia dei legami fra atomi di carbonio nelle molecole del mondo vegetale ed animale si aggira intorno alle 80 kcal, risulta chiara la potenzialità fotodegradativa delle radiazioni ultraviolette. Quando si fa passare la luce bianca attraverso un prisma trasparente a facce non parallele, avviene la “dispersione della luce” per cui la radiazione esce dal prisma con un angolo tanto maggiore quanto più energetica è la radiazione. La luce bianca (luce solare) è la somma “bilanciata” (equal energy) di tutti i colori spettrali, questo significa che i colori risultano avere tutti la stessa energia, in pratica la minore energia legata alle radiazioni a più alta lunghezza d’onda viene compensata da un maggior numero di fotoni e viceversa quelli a maggiore energia saranno in minore quantità. Si ottiene così lo spettro della luce visibile. Il termine “bilanciata” è stato introdotto per ricordare che i fotoni del visibile non hanno tutti la stessa energia (quelli blu ne hanno di più, quelli rossi ne hanno di meno).

La rosetta dei colori

La rosetta dei colori è un riarrangiamento dello spettro del visibile, dove spicchi opposti rappresentano colori complementari e ciascun spicchio può essere ottenuto sommando i due spicchi laterali. Per ottenere la rosetta, si immagini di afferrare lo spettro per l’angolo sinistro in basso (violetto) e ruotare a fisarmonica o di ventaglio, fino a portare l’angolo destro in alto (rosso) a fronte del blu, senza però portarli a contatto, lasciando cioè uno spicchio vuoto. La scala delle lunghezze d’onda non giace più su una retta alla base dello spettro, bensì sulla circonferenza, ed è interrotta lungo lo spicchio vuoto in cui si collocano i colori porpora, cioè quei colori che non esistono nello spettro, non sono colori reali, non hanno una lunghezza d’onda, ma sono delle semplici miscele di violetto e di rosso.

Definizione del colore

In un approccio qualitativo, si usano tre attributi per definire un colore: tinta e saturazione, sono gli attributi cromatici e definiscono la cromaticità di un colore; la chiarezza è l’attributo acromatico del colore e definisce la posizione di un colore (di data cromaticità), in una scala che va dal bianco al nero.

• Tinta (tono, hue). Definisce la posizione del colore nello spettro visibile, facendo uso di nomi (verde, giallo, rosso) o nomi aggettivati (rosso giallastro, verde bluastro).
• Saturazione (purezza, saturation, chroma). Definisce la forza della risposta cromatica in termini di quanto una data tinta si avvicina al suo livello di saturazione spettrale (i colori ottenuti disperdendo la luce bianca con un prisma sono i più saturi esistenti in natura).
• Chiarezza (luminosità, lightness, value) è l’attributo acromatico del colore e definisce la posizione di un colore (di data cromaticità), in una scala che va dal bianco al nero.

I possibili approcci per definire e misurare un colore sono essenzialmente due:

• Raffronto visivo con alcuni standard fisici noti ed accettati universalmente; il più diffuso è l’albero o atlante di Munsell.
• Misura strumentale della relativa abbondanza di ciascuna lunghezza d’onda presente fatta standardizzando l’illuminazione e l’osservazione; la più diffusa è la colorimetria tristimolo.

Albero di Munsell

Munsell era uno studioso del colore ed un bravo pittore. Ha riprodotto i vari colori su tessere che sono state ordinate in una struttura tridimensionale chiamata albero di Munsell definito da tre coordinate:

• Hue (tono, tinta), coordinata cromatica radiale che individua un cerchio su cui stanno i vari colori, fondamentalmente cinque identificati con lettere ad esempio R rosso, YR rosso-giallastro, Y giallo, GY giallo-verdastro, G verde, BG verde-bluastro, B blu, PB blu-porpora, P porpora, RP porpora-rossastro;
• Chroma (saturazione, purezza), coordinata cromatica lineare che individua e quantifica quanto un colore si avvicina al suo simile ottenuto per dispersione della luce;
• Value (chiarezza, luminosità) coordinata acromatica lineare (verticale) che individua e quantifica un colore in termini di chiaro-scuro. L’osservatore, nel passare da una casella alla contigua percepisce sempre la stessa differenza di sensazione visiva (equally spaced perceptual intervals = spazio di colore uniforme).

L’albero di Munsell è stato messo a disposizione dei tintori in forma di libro, detto Atlante del Colore, per un totale di 1500 campioni colorati. Un colore ad esempio si chiama 5Y(chiarezza)7(tinta)/10(saturazione) → 5Y7/10.

Colorimetria tristimolo

Colorimetria significa misura del colore al fine di descriverli mediante dei numeri e sganciarsi dalla valutazione soggettiva dell’occhio. Parlare invece di tristimolo significa riprodurre un colore mediante la combinazione di tre colori base. Se su uno schermo bianco si proiettano tre luci (sorgenti di colore primarie, autoluminose), blu, verde e rosso in quantità opportunamente bilanciata, alla loro intersezione comparirà il bianco; devono essere bilanciate causa la diversa sensibilità dei coni. Alla intersezione delle coppie di luci, compaiono i tre colori complementari, rispettivamente giallo, magenta e cyan. L’esperimento si fa in una camera buia e, per mettersi in condizioni di equal energy, si può regolare il flusso luminoso dei proiettori agendo su opportuni diaframmi. Questo è il caso di miscele additive e le tre luci BVR si dice che costituiscono un sistema di colore.

Se si interpongono tra una sorgente di luce bianca e l’occhio tre lastrine colorate trasparenti (equal energy), giallo, magenta e cyan, alla loro intersezione comparirà il nero (la luce bianca è totalmente assorbita). Alle intersezioni binarie compaiono i tre colori complementari, blu, verde e rosso. Il caso qui rappresentato è quello delle miscele sottrattive. Combinando i due tipi di miscele, si può concludere che: (a) coppie di additivi primari forniscono i sottrattivi primari, (b) coppie di sottrattivi primari forniscono gli additivi primari.

La luce bianca può quindi essere scorporata nelle sue tre componenti principali BVR. Se una luce bianca cade su un filtro magenta, tutte le componenti verdi vengono assorbite e solo il rosso ed il blu vengono fatti passare attraverso il filtro. Con un filtro cyan il rosso viene assorbito mentre il blu ed il verde vengono trasmessi. Con un filtro giallo, tutto il blu viene assorbito mentre il rosso ed il verde vengono trasmessi. Il gioco si complica leggermente, facendo uso di coppie di lastrine. Se questi filtri vengono utilizzati a coppie, avviene un’ulteriore sottrazione, lasciando passare solo uno dei tre colori primari. Se consideriamo la coppia di sottrattivi primari magenta e cyan, già abbiamo visto che, attraversata la prima, passano il rosso e il blu e, dei due, la lastrina cyan sottrae, non lascia passare, assorbe il suo complementare che è il rosso e l’unico che passa è il blu. E così via con le lastrine cyan-giallo e giallo-magenta.

Se un oggetto non è autoluminoso (non è una luce), per vederlo dobbiamo ricorrere ad un illuminante. Se illuminiamo con luce bianca, i costituenti dell’oggetto possono assorbirne selettivamente delle porzioni e l’oggetto rifletterà quelle non assorbite che, nel loro insieme, determineranno il colore del corpo. La curva di riflettanza è la porzione di radiazione, per ciascuna lunghezza d’onda (spettrale), riflessa dalla superficie dell’oggetto (Rλ). Quello ora presentato è un passaggio chiave nell’analisi della natura del colore.

Curve di riflettanza

La curva di riflettanza diventa l’impronta digitale (fingerprint) del colore di un oggetto colorato opaco. Il primo oggetto è giallo: non riflette il blu perché lo assorbe (suo complementare), ma riflette il verde ed il rosso che, per somma additiva, danno il giallo. Il secondo è marrone: assorbe il blu e quasi tutto il verde, riflette, ma non molto, il giallo ed il rosso (se si agita con una bacchetta uno smalto marrone che è stato a lungo in riposo, si vedono affiorare una componente nera, una gialla ed una rossa). Il terzo è magenta: assorbe il verde (suo complementare), riflette il blu ed il rosso che, per somma additiva, danno il magenta. Il quarto è verde, ma non un bel verde, bensì un verdino pastello: assorbe il blu ed il rosso e riflette il verde, ma lo fa in modo non deciso (sia assorbire che riflettere), donde il colore verde attenuato dalla presenza di un po’ tutte le componenti spettrali. Il quinto è cyan tendente al blu: assorbe il rosso (suo complementare), riflette il blu e, non del tutto il verde che, per somma additiva danno un cyan bluastro (al contrario, si avrebbe avuto un cyan verdastro). L’ultimo è un grigio piuttosto scuro: il bianco ideale sarebbe una linea retta a riflettanza 100%, il nero ideale ancora retta a riflettanza 0% (in entrambi i casi manca la selettività perché l’uno riflette a tutto spettro e l’altro assorbe), il grigio in questione è un grigio scuro, non rigorosamente acromatico come dovrebbe essere nel caso ideale, ma “fiammato” da quel minimo di selettività che la retta non rigorosa lascia intuire. Più la curva di riflettanza dei grigi (retta rigorosa o no che sia) sta in alto, più il grigio sarà chiaro, e viceversa.

Il colore di un oggetto è la combinazione di due funzioni: intensità spettrale dell’illuminante (spectral power distribution) e la riflettanza spettrale (spectral reflectance). Ciò che arriva all’occhio è la distribuzione spettrale dell’intensità della luce, prodotto delle due funzioni Eλ x Rλ. L’occhio (e ciascun individuo ha il suo) ha una predisposizione a convertire in efficienza luminosa i fotoni dello spettro secondo una distribuzione di tipo gaussiano centrata nel verde (spectral response). Tenendo conto di quest’ultima funzione, si arriva a quella finale dello stimolo del colore (stimulus for color) in partenza dall’occhio e diretto al cervello.

Un metodo per aggirare la soggettività dell’occhio è quello di introdurre l’osservatore standard (standard observer), cioè accettare che esista una gaussiana standard, tracciata sulla base delle risposte mediate fornite da una ventina di osservatori esenti da grosse anomalie della visione colorata.

Sistema CIE

Su questa base teorica è nato il sistema CIE (International Commission on Illumination), allo scopo di far leggere il colore ad uno strumento, universalmente tarabile, ed esprimere i risultati con numeri. Gli osservatori standard della CIE esprimono i valori mediati di quale porzione delle luci BVR si deve proiettare sullo schermo (semicampo superiore) per uguagliare il colore del semicampo inferiore su cui si proiettano, λ per λ, le luci spettrali (400-700 nm) generate da un monocromatore. L’osservatore standard della CIE è rappresentato da un gruppo di individui (una ventina circa) di cui si è accertata la vista esente da difetti (soprattutto daltonismo) che, messi ad uno ad uno davanti ad uno schermo suddiviso da un diaframma nero (black partition) in due semicampi, superiore ed inferiore, devono segnalare la percentuale di blu, di verde e di rosso (la percentuale corrisponde all’apertura dei diaframmi da 0 a 100) che deve essere proiettata per uguagliare la sensazione di colore di tutte le λ, di nanometro in nanometro, da 400 a 700nm. Le tre percentuali mediate sui 20 osservatori costituiscono i coefficienti tristimolo dei colori spettrali dell’osservatore standard CIE: x rosso, y verde, z blu.

Per gli oggetti colorati, che non sono luci, come è stato puntualizzato precedentemente occorre, per esprimerne il colore, moltiplicare l’energia dell’illuminante (Eλ) per i valori di riflettanza (Rλ) desumibili dalla curva di riflettanza dell’oggetto per ciascuna delle tre serie di coefficienti tristimolo ed estendere l’integrazione a tutto lo spettro visibile. Si ottengono tre nuovi valori tristimolo X, Y, Z. Due oggetti opachi colorati avranno quindi lo stesso colore se hanno identici valori di X, Y, Z.

Spazio di colore CIELAB

Gli spazi di colore sono spazi tridimensionali derivanti da elaborazioni più o meno complesse dei valori tristimolo X, Y e Z. Tra i molti spazi di colore quello che ha avuto più successo è lo spazio proposto dalla CIE nel 1976 (CIELAB). Esso è basato sulla osservazione di Ewald Hering secondo la quale occhio e cervello codificano i colori in senso opposto in termini di rosso-verde e blu-giallo, per cui bastano a quantificare il colore una coordinata “a”, positiva per il rosso e negativa per il verde ed una coordinata “b” positiva per il giallo e negativa per il blu, oltre alla coordinata L con valore 0 per il nero e 100 per il bianco. La figura mostra che un colore non può essere allo stesso tempo rosso e verde, né blu e giallo, bensì può essere rosso e giallo (toni arancio), rosso e blu (toni porpora), ecc..

Si noti bene che le coordinate L*, a* e b* risultano da una elaborazione di X, Y, Z (i valori con il pedice “0” sono quelli del diffusore perfetto, in pratica il bianco ideale, molto usato il solfato di bario) e quindi due oggetti avranno lo stesso colore se avranno identici valori delle tre coordinate e, di conseguenza, coabiteranno nello stesso punto dello spazio CIELAB.

Diagramma di colore a ferro di cavallo

Un altro importante spazio di colore è quello che si ottiene riportando su un sistema cartesiano a due dimensioni le coordinate di cromaticità calcolate dai valori tristimolo X, Y e Z attraverso le equazioni: x = X/(X+Y+Z), y = Y/(X+Y+Z), z = Z/(X+Y+Z). Ne deriva che x + y + z = 1 per cui è sufficiente riportarne due che la terza è estrapolabile. Normalmente si riportano x e y e z lo si trova come 1-x-y=z.