1
COLOR Y LUZ. COLORIMETRÍA
( )ɔ QUANTOTEC, S.L. 2015 - www.quantotec.com
-MENÚ- pág.
1 INTRODUCCIÓN........................................2
2 EL COLOR Y LA NATURALEZA DE LA LUZ...4
3 LUZ Y MATERIA.........................................6
4 CABINAS DE LUCES...................................8
5 BRILLÓMETROS.......................................10
6 COLORÍMETROS......................................11
7 GEOMETRÍAS DE MEDICIÓN.....................14
8 ILUMINANTES..........................................17
9 ESPECTROFOTÓMETROS..........................19
2
1 INTRODUCCIÓN
El color es, en primer lugar, un atributo o una cualidad de la luz. Luz y
color son por tanto dos conceptos inseparables. Cuando decimos que
un objeto “es” de un determinado color, nos referimos al modo en que
es capaz de modificar esa cualidad cuando refleja o cuando transmite la
luz. Por ello, para hablar del color, debemos empezar por preguntarnos
qué es la luz.
Llamamos luz a una clase de energía que es capaz de estimular el
sentido de la visión humana.
De un modo análogo, llamamos “sonido” a las vibraciones materiales
que son capaces de estimular nuestro sistema auditivo.
El “factor humano” es por tanto fundamental en ambos casos. Las
unidades que miden la intensidad u otras características de la luz (o del
sonido) no representan magnitudes físicas fundamentales, sino que
están “adaptadas” para coincidir en lo posible con nuestras sensaciones.
A pesar de este empeño, las diferencias fisiológicas, psicológicas,
circunstanciales y culturales de los seres humanos son inevitables y
afectan a nuestra percepción tanto de la luz como del sonido.
3
Cada persona percibe la luz y el color de un modo más o menos
distinto. Para algunos daltónicos, por ejemplo, es imposible distinguir el
rojo del verde. Tampoco entre personas con visión “normal” habrá
siempre unanimidad a la hora de valorar si dos colores son o no iguales,
e incluso la misma persona puede tener opiniones diferentes bajo
distintas condiciones o con el paso de los años.
Numerosas ilusiones ópticas demuestran que en ocasiones, afectada por
el entorno y por la experiencia, nuestra visión nos confunde y, en lugar
de ayudarnos a explorar la realidad, puede alejarnos de ella. La
apreciación de los colores no es inmune a estos fenómenos.
Como se ve en estos ejemplos, nuestros ojos y nuestro cerebro nos
hacen creer que perciben los colores “como son”, cuando en realidad los
“interpretan” siguiendo su propia lógica.
En los próximos capítulos profundizaremos en la comprensión de la luz
y del color, y describiremos los métodos e instrumentos que permiten
su control y comunicación de un modo objetivo, superando
ambigüedades, disparidades humanas y diferencias circunstanciales.
4
2 EL COLOR Y LA NATURALEZA DE LA LUZ
Las partículas cargadas eléctricamente producen una perturbación u
onda electromagnética en el espacio cuando se desplazan. A diferencia
de las ondas responsables del sonido, que avanzan haciendo vibrar la
materia, el calor irradiado, la luz o las ondas de radio son
perturbaciones electromagnéticas capaces de atravesar el vacío. Esto
sucede porque, además de como ondas, se comportan también como
partículas viajeras capaces de transportar energía de un lugar a otro.
(Decir que los fotones, las partículas transmisoras de la luz, se
desplazan en el vacío a la velocidad de la luz parece una redundancia).
Las moléculas en movimiento, con sus cargas eléctricas asimétricas,
emiten radiación electromagnética. Cuando su energía es relativamente
baja, decimos que irradian calor. Si aportamos más calor, la temperatura
aumentará. Esto significa que se incrementará la velocidad de las
moléculas, la frecuencia de la radiación será mayor y los fotones
emitidos tendrán mayor energía. A partir de la temperatura de
incandescencia, las radiaciones se volverán visibles. Después, para
energías mucho mayores, dejarán de serlo.
Existen, además del calor, otras fuentes de fotones visibles: tubos
fluorescentes, quimioluminiscencia (provocada por determinadas
reacciones químicas) o bioluminiscencia (producida por organismos
vivos: peces, bacterias o luciérnagas).
Dicho lo anterior, la mayor parte de los fenómemos ópticos (reflexión,
transmisión, difracción, refracción, polarización, interferencia...) se
estudian considerando el comportamiento ondular de la luz y dejando al
margen su vertiente discontinua como partícula o corpúsculo (fotón).
Esto también es cierto cuando nos referimos al color.
Para explicar qué es el color a menudo se recurre a ejemplos. De
manera inmediata, reconocemos que “verde”, “amarillo”, etc. son
nombres de colores, o bien son adjetivos que asignados a los objetos
nos ayudan a identificarlos: “el coche azul”, “la flor violeta”. Pero, ¿cómo
podríamos explicar el concepto de color a un ciego de nacimiento? Los
5
ejemplos mencionados, en este caso, no servirían; así que buscaremos
ayuda en la analogía con el sonido.
Las ondas sonoras tienen, además de su intensidad, otra característica
que podemos identificar: su tono. Es decir, su grado de agudeza o de
gravedad. Esto, por supuesto, depende de la frecuencia de la vibración
que llega hasta nuestros oídos y, además de ser un matiz fundamental a
la hora de identificar su causa, es lo que hace posible la música.
En el caso de la luz, nos encontramos con ondas electromagnéticas que
poseen asimismo intensidad y frecuencia. Esta frecuencia (a menudo
expresada por la unidad equivalente “longitud de onda”) es la
responsable de que exista esa cualidad o “tono” que llamamos “color”.
En el caso de los colores, el tono “más grave” (el de menor frecuencia)
sería el rojo, mientras que el tono “más agudo” (el de mayor frecuencia)
sería el violeta.
Más allá, fuera del espectro visible, quedan las frecuencias infrarroja y
ultravioleta y, más lejos aún, los rayos X, las microondas, las ondas de
radio, etc. (Por extensión, a veces se llama “luz” a cualquier radiación
electromagnética aunque nuestros ojos no puedan detectarla).
El rango de frecuencias que nuestros ojos perciben se corresponde
aproximadamente con la gama de longitudes de onda que va de los 400
a los 700nm, siendo nuestra sensibilidad máxima para la luz verde-
amarilla (en el entorno de los 555nm). “Casualmente” estos rangos
coinciden en lo fundamental con la distribución de las radiaciones
solares que llegan hasta la Tierra. Dicho de otro modo: nuestro sistema
de visión está “optimizado” para aprovechar en lo posible las radiaciones
de nuestra estrella más cercana.
6
3 LUZ Y MATERIA
Cuando la luz se encuentra con la materia, se produce uno o varios de
los siguientes fenómenos: reflexión, transmisión o absorción.
En el ejemplo del gráfico de arriba, la luz incidente es parcialmente
absorbida por el cuerpo (de ahí su cambio de color), así como
parcialmente reflejada y parcialmente transmitida. Si viésemos con más
detalle lo que ocurre en realidad con la luz reflejada (algo similar
ocurruriría para la luz transmitida en un objeto translúcido), nos
encontraríamos con algo parecido a esto:
La reflexión especular o “brillo” (con la excepción de algunas superficies
metálicas o de efectos nacarados) no modifica el color de la fuente. Es la
porción de luz que “rebota” en la capa externa y retorna al medio de
origen (con ángulo simétrico a la normal a la superficie). Como su
nombre sugiere, es propia de los espejos, donde idealmente toda la
reflexión es de este tipo.
7
Cuanto más mate (menos brillante) sea una superficie, más cantidad de
luz incidente se difuminará en su superficie. Esto corresponde a la
reflexión superficial difusa. Con las mismas excepciones mencionadas
en el párrafo anterior, este tipo de reflexión tampoco modifica el color
de la luz incidente, tan solo la dispersa.
Es en las capas internas del material donde se producen las absorciones
y reflexiones que finalmente definen su color. En este caso, la luz vuelve
a la superficie de modo siempre difuso y, salvo en el caso de un blanco
ideal, la energía de determinadas longitudes de onda habrá sido total o
parcialmente absorbida. Es éste, por tanto, el componente que confiere
“color” al objeto: la reflexión interna.
Dado que, como hemos dicho, la luz pentra en el material para ser
reflejada internamente, si un recubrimento no es lo bastante grueso
tenderá a “transparentar” el color de las capas inferiores. Para controlar
la cubrición u opacidad de una determinada capa de pintura se usan
cartulinas de contraste como la de la ilustración de abajo.
8
4 CABINAS DE LUCES
Para que se verifique el proceso de visión de un objeto hacen falta tres
actores: la luz, el objeto y el observador. Cada uno de ellos ofrece
variables que afectan a nuestra percepción del color.
Las variables relacionadas con el observador o persona que observa
pueden ser tanto fisiológicas como psicológicas, incluyendo la
predisposición, la fatiga, el entrenamiento, la concentración o la
experiencia.
Con las cabinas de luces no podemos actuar sobre esas variables que
afectan al observador. Sin embargo, sí podemos fijar otros parámetros
con el fin de que el objeto se muestre ante nuestros ojos para su
examen de una manera óptima y constante. Estos parámetros incluyen
el tipo de luz (luz día, fluorescente, incandescente), la calidad de la luz
(uniformidad, intensidad, estabilidad), las condiciones del entorno
(neutro, limpio, sin brillos), así como la posición del objeto respecto a la
fuente de luz y respecto al observador.
La “luz día” es normalmente la prioritaria a la hora de comparar colores.
No sólo representa el tipo de luz más comúnmente utilizado en la vida
diaria, sino que su espectro contiene “todos los colores” (todas las
longitudes de onda visibles) con una distribución altamente uniforme, lo
que permite la correcta apreciación de los colores y sus diferencias. Esto
se debe, como dijimos, a que nuestra visión está adaptada a la luz del
día en la superficie terrestre.
9
El tipo de luz día artificial normalmente utilizado para los ensayos de
color es el D65 (temperatura de color de 6500K), excepto para la visión
de muestras de artes gráficas y fotografía, donde se recomienda la luz
día D50 ó D5000 (5000K).
Otras iluminaciones (incandescente, fluorescente) reproducen
situaciones reales de la vida cotidiana, pero dejan zonas del espectro
visible sin iluminar o pobremente iluminadas, por lo que podemos
obtener conclusiones erróneas si las usamos como fuente prioritaria.
Iluminaciones distintas pueden llevar a conclusiones muy diferentes y
hasta opuestas cuando las muestras son “metaméricas”. El ejemplo de la
ilustración no es exagerado, pueden darse casos semejantes y aún más
sorprendentes. Una buena igualación de color debe resultar aceptable al
menos bajo las tres luces principales.
Las cabinas de luces suelen también incorporar una fuente
independiente de luz ultravioleta, para la detección y el control de
blanqueantes ópticos y pigmentos fluorescentes. Estos productos tienen
la propiedad de reflejar como luz visible radiaciones ultravioleta que son
invisivbles para nosotros, por lo que la luz parece surgir
espontáneamente de los objetos.
10
5 BRILLÓMETROS
En ocasiones queremos medir el brillo de una superficie con
independiencia de su color. En este caso no nos interesa le reflexion en
las capas internas del material, sino la cantidad de luz incidente que es
reflejada especularmente sobre la superficie. Para ello, se emplean los
instrumentos llamados brillómetros. Siguiendo las distintas
recomendaciones y normativas existentes, los instrumentos suelen
utilizar ángulos de 60º sobre la normal (tanto para luz incidente como,
simétricamente, para la reflejada). La comparación entre ambas
intensidades nos dará el valor del brillo.
Existen instrumentos que, además de utilizar ángulos de 60º, pueden
realizar el ensayo a 20º (recomendado para comparar brillos muy altos)
o a 85º (recomendado para comparar brillos muy bajos).
La figura muestra el esquema básico de funcionamiento de un
brillómetro de 60º.
11
6 COLORÍMETROS
Un colorímetro es un instrumento que mide el color. La colorimetría, por
su parte, es la parte de la óptica que se ocupa del análisis y medición de
los colores. Existen colorímetros específicamente diseñados y calibrados
para aplicaciones concretas. Por ejemplo, colorímetros de transmisión
que, a partir de una muestra líquida con un reactivo, pueden calcular la
concentración de algún componente químico (colorímetros de cloro, de
yodo, de amoníaco...). Otros colorímetros se emplean para el ajuste de
fuentes de luz o para la calibración de monitores.
Aquí, sin embargo, nos referimos a los colorímetros que ofrecen índices
generales de color para el control de productos opacos, tales como
pinturas, plásticos, impresos, metales, cerámicas, cosméticos o
alimentos.
Aunque también los espectrofotómetros sirven para medir colores, el
nombre “colorímetro” lo reservamos habitualmente para referirnos a los
colorímetros “triestímulo”. Esto significa que, al contrario que los
espectrofotómetros, los colorímetros no analizan la luz dividiéndola en
16 o más componentes, sino que separan de ella sus tres constituyentes
básicos: el rojo, el verde y el azul.
El ojo humano, cuya sensibilidad los colorímetros tratan de imitar, se
comporta justo de este modo (gracias a tres tipos de células llamadas
conos). Todos los colores que vemos se pueden describir cuantificando
la contribución de estos componentes rojo, verde y azul.
12
Las sensibilidades humanas estándar han sido establecidas por la
Comisión Inernacional de la Iluminación (CIE, por sus siglas en francés),
inicialmente en 1931 (“observador de 2º, para imágenes que ocupan
sólo el centro de la retina) y después en 1976 (“observador de 10º”, el
más utilizado actualmente). Esto define cómo deben ser los filtros y los
sensores de los colorímetros para separar y cuantificar los
constituyentes básicos del color. Obtenemos así tres valores, conocidos
como XYZ, que representan respectivamente los componentes rojo,
verde y azul. Después, mediante sencillas operaciones matemáticas, el
instrumento transforma este código inicial en otros más fáciles de
interpretar para describir el color de los objetos, como el L*a*b*.
En este código, la L* representa la luminosidad o claridad del color; la a*
es el componenete rojo (cuando es positiva) o verde (si es negativa);
mientras que la b* representa el componente amarillo (si es positiva) o
azul (si es negativa).
En el gráfico aparecen también los códigos C* y h. C* representa el
“croma” (cantidad, pureza o saturación del color) y h corresponde al
“tono”, definido como el ángulo (en grados) en la rueda de los colores.
(C* y h no son más que las coordenadas cilíndricas polares equivalentes
a las cartesianas a* y b*).
13
(La figura de arriba es una representación en perspectiva de lo que sería
el espacio tridimensional L*a*b*).
Una vez obtenidos los datos de un color, normalmante nos interesa
compararlo con otra muestra para evaluar sus diferencias. Si llamamos a
esas diferencias ∆L*, ∆a* y ∆b* para cada uno de los ejes L*, a* y b*, la
distancia total entre dos colores vendrá dada por ∆E*, cuya fórmula es
√√√√[(∆L*)2222+(∆a*)2222+(∆b*)2222].
Los equipos suelen calcular también otros índices y fórmulas de
diferencias de color, aunque son menos utilizados.
Una característica importante a tener en cuenta a la hora de escoger un
colorímetro es su “geometría” de medición, relacionada con el
tratamiento del brillo. Dado que esto es común a colorímetros y
espectrofotómetros, pasamos a detallarlo en el próximo apartado.
14
7 GEOMETRÍAS DE MEDICIÓN
En el apartado LUZ Y MATERIA comentábamos que, al incidir sobre un
objeto opaco, una parte de la luz (más cuanto más brillante sea el
objeto) se refleja superficialmente de modo especular sin modificar su
color: es lo que constituye el brillo; otra cierta cantidad de luz (más
cuanto más mate que sea el objeto), se dispersará también
superficialmente y sin cambio de color: es la reflexión superficial difusa;
y, por último, las capas internas del material absorberán ciertas
longitudes de onda y reflejarán otras al exterior, asignando así el “color”
al objeto: es la reflexión interna.
Dicho esto, parece que si recogemos sólo la luz reflejada internamente,
tendremos la información más pura y exacta sobre el color. Es lo que
intentamos cuando, en una inspección visual, buscamos el ángulo o la
zona de la muestra que nos ofrece menos reflejos.
Éste es también el propósito de los instrumentos con “componente
especular excluido” (SCE por sus siglas en inglés), como los de
geometría 45/0: alejar las células fotosensoras del ángulo especular
para evitar los reflejos de la fuente de luz.
Sin embargo, esta separación no siempre es posible ni conveniente.
Imaginemos que la misma pintura o el mismo material de la figura de
arriba tiene un acabado superficial distinto, bien por diferencias de
15
aplicación o de inyectado, de textura en el sustrato o en el molde, o por
envejecimiento, rozaduras, huellas, etc. ¿Queremos que estas variables
afecten a la medición? Si es así, la geometría 45/0 sigue siendo válida y
en buena medida coincidirá con nuestra apreciación visual.
En el caso de una superficie mate, el ángulo especular estará menos
definido, y buena parte de la reflexión superficial se difuminará sobre la
superficie, confundiéndose con la reflexión interna.
Precisamente porque intenta separarlo, la lectura del color con
geometría 45/0 estará de este modo afectada por el brillo de la
superficie, y las superficies mates de un mismo material resultarán más
apasteladas o lechosas que las brillantes. Por eso está recomendada
para armonizar colores de materiales con distintas texturas (tapicerías
con muebles lacados o con salpicaderos de vehículos), para señales de
tráfico (por simular las condiciones reales), para comparar muestras que
se diferencien mejor con luz direccional que con luz difusa, o bien para
medir cualquier material siempre que el brillo sea constante.
Por el contrario, si queremos integrar “toda” la luz reflejada en la
medición (es decir, la reflexión superficial -especular y difusa- más la
reflexión interna), de modo que el resultado sea repetitivo y
representativo del material con independencia de su nivel de brillo, la
geometría recomendada es la d/8.
16
En la geometría d/8, la luz no incide directamente sobre la muestra,
sino sobre las paredes blancas de una “esfera integradora”. Esta esfera
se encarga de reflejar internamente la luz hasta hacerla incidir
difusamente sobre la muestra desde todas las direcciones posibles,
como la luz diurna en un día nublado. La reflexión difusa de la muestra
-superficial e interna- llegará a la célula detectora, situada cuasi
perpendicularmente a la misma (a 8º de la normal).
También el haz de luz que salga desde un ángulo de 8º simétrico al del
detector, cuyo reflejo corresponde a la reflexión especular, llegará hasta
dicho detector. Por tanto, la geometría d/8 de la figura es del tipo
“componente especular incluido” (SCI por sus siglas en inglés). Así, el
acabado superficial de un material no influirá en la lectura de su color.
Para excluir el brillo de la medida y aproximarnos a las lecturas que
obtendríamos con la geometría 45/0, puede abrirse un orificio en la
esfera, justo en la posición de la que saldría el haz especular. Hay
instrumentos que permiten abrir o cerrar dicho orificio para seleccionar
el modo deseado (“trampa SCI / SCE” en la figura de arriba).
17
8 ILUMINANTES
Los iluminantes son luces teóricas ideales que representan fuentes de
luz reales (naturales o artificiales) de uso cotidiano. Se especifican
mediante curvas o tablas de valores y tienen la propiedad de ser, al
contrario que las luces reales, constantes.
La luz día D65 representa el “promedio de luz diurna en el hemisferio
norte” y está definida por una serie de parámetros que corresponden a
la intensidad relativa de su radiación (o, más estrictamente, de la
irradiancia que llega a una superficie) para cada longitud de onda
visible. Ésta es normalmente la luz primaria para cualquier ensayo de
color y, a diferencia de la luz natural, no depende de la hora del día ni
de la estación del año, ni de la altitud, la latitud o la meteorología.
Mientras que las cabinas de luces y los colorímetros tratan de
aproximarse en lo posible a las condiciones de esta curva cuando
seleccionamos la luz D65, los espectrofotómetros, como veremos,
tienen los valores teóricos en su memoria y los utilizan de un modo
totalmente riguroso.
Existen otros iluminantes normalizados (normalmente definidos por la
comisión CIE): aparte de la luz día D65 (o la D50 que se utiliza en artes
gráficas), los más utilizados son el A y el F11.
18
El iluminante A coresponde a una lámpara incandescente de filamento
de tungsteno (bombilla doméstica), mientras que el iluminante F11
coincide con la curva media del tubo fluorescente Philips TL-84 (luz de
tienda). Las gráficas de abajo son una aproximación a sus respectivas
distribuciones espectrales.
19
9 ESPECTROFOTÓMETROS
Los espectrofotómetros, como su nombre indica, son instrumentos que
miden espectros de luz. Para medir el color de una superficie, en primer
lugar descomponen la luz reflejada en al menos 16 bandas de
frecuencia (y comparan cada intensidad con la correspondiente de la luz
emitida por la lámpara). El espectro de reflectancia obtenido permitirá
calcular el color del objeto bajo distintas condiciones seleccionables.
20
También los especrofotómetros, como los colorímetros triestímulo,
pueden ser de geometría 45/0 o d/8 (esta última con las opciones SCI o
SCE).
Los espectrofotómetros guardan en su memoria los espectros
característicos de diferentes iluminantes, así como los factores que
definen las sensibilidades de los observadores estándar (de 2º o de 10º).
La integración de todos estos factores (reflectancia de la muestra,
iluminante escogido y observador estándar) nos da como resultado unos
índices de color como los ya conocidos: XYZ o L*a*b*, pero obtenidos
ahora de un modo más riguroso y con más opciones seleccionables.
Otro fenómeno que los espectrofotómetros pueden controlar es el de la
metamería o metamerismo, mencionado en el capítulo de las cabinas de
luz. Imaginemos dos curvas de reflectancia como éstas, corespondientes
a dos objetos distintos:
Iluminados ambos objetos por una fuente de luz con cierta uniformidad,
como la del iluminante D65, vemos que en promedio la luz reflejada en
las zonas azul, verde y roja (las áreas barridas) no son muy distintas
para cada curva, y el producto de estos factores por los
correspondientes a las sensibilidades XYZ puede indicar que los colores
son similares, quizá idénticos, para la luz del día.
21
Veamos ahora qué ocurre si estos mismos objetos, caracerizados por las
mimas curvas de reflectancia, se iluminan con un fluorescente tipo F11:
En este caso quizá no exista diferencia en la zona azul (ambas curvas
coinciden justo en el pico de emisión de la fuente en esta zona), y el
valor de Z sea de nuevo similar. En cambio, el pico de mayor energía se
da a una longitud de onda de la zona verde-amarilla en la que la curva 2
refleja más que la curva 1, lo que afectará sobre todo al valor de Y.
Además, el pico en la zona roja será reflejado en mayor medida por la
curva 1, y por tanto su valor de X será mayor. Como consecuencia para
esta luz, a diferencia de lo que ocurría para la luz día D65, el objeto 1 se
verá más rojo, mientras que el objeto 2 se verá más verde.
Este fenómeno puede producirse cuando ambos colores están
formulados con pigmentos de características difererentes, y no cuando
las diferencias de formulación son sólo cuantitativas. Los
espectrofotómetros suelen incluir en su software el cálculo del “índice
de metamería” para valorar este efecto al comparar dos colores.
Otra función de los espectrofotómetros es la conexión con programas
de formulación automática de colores. En este caso, el instrumento se
encarga de leer las curvas que el software utiliza para calibrar los
pigmentos, y más tarde lee los patrones para el cálculo de las fórmulas.