3.
Principio di funzionamento del gloss
Gli oggetti che hanno figure identiche possono essere identificati con attributi visivi di superficie, quali colore, struttura, trasparenza e lucentezza [15]. Di questi, la lucentezza ha ricevuto la minor attenzione, probabilmente a causa delle difficoltà che fino a poco tempo fa non permettevano di misurare facilmente ed adeguatamente le percezioni dello stimolo che generano questo fenomeno.
La lucentezza è un attributo dell'apparenza visiva che proviene dalla distribuzione geometrica della luce riflessa dalla superficie. Nella pratica la luce incidente ad una superficie riflettente subisce non solo l’effetto di riflessione1, ma anche di diffusione2, assorbimento3 e trasmissione4.
L’energia della radiazione incidente su di una determinata superficie può dunque essere assorbita, riflessa o trasmessa5.
Riflessione Trasmissione Assorbimento
Dato un intervallo dello spettro, si definiscono assorbenza, riflettanza e trasmittanza spettrale i valori di queste energie per unità di lunghezza d’onda su quell’intervallo, riferiti all’energia dell’onda incidente. In altre parole, la riflessione è la differenza tra quanto incide e quanto viene assorbito o trasmesso.
Conta moltissimo non solo il materiale, ma anche la rugosità superficiale dello stesso, secondo le leggi della diffusione [16]. Un materiale si dice un diffusore anisotropo se l’intensità luminosa diffusa non dipende dall’angolo di osservazione. Un materiale si
1 La riflessione è un processo coerente; ciò significa che la radiazione riflessa mantiene molte delle
informazioni e delle proprietà della radiazione incidente.
2 La presenza di particelle e di disomogeneità sulla superficie ed all’interno del materiale fa sì che i raggi
di luce che l’attraversano vengano diffusi. A seconda delle caratteristiche delle disomogeneità la diffusione può anche essere selettiva rispetto alla lunghezza d’onda.
3 Nel caso in cui il la radiazione venga assorbita e riemessa ad un’altra lunghezza d’onda. 4 La radiazione che non è diffusa, né riflessa né assorbita è trasmessa.
dice avere una “superficie Lambertiana” se l’intensità luminosa diffusa varia con la legge Lambertiana (cioè ∝ coseno dell’angolo dalla direzione di riflessione). In fine un
materiale è un riflettore perfetto, se è perfettamente liscio (alla lunghezza d’onda dell’onda incidente). I materiali reali sono ovviamente una combinazione dei casi esposti sopra.
Riflessione speculare Riflessione mista Riflessione diffusa
La riflessione, essendo dovuta a interazioni microscopiche tra l’onda incidente ed il materiale illuminato, in generale avverrà con modalità diverse a seconda della lunghezza dell’onda stessa. La riflettanza, quindi, dipenderà dalla lunghezza d’onda della radiazione incidente.
Avendo a disposizione un numero sufficiente di rilevazioni, è possibile tracciare l’andamento della riflettanza in funzione della lunghezza d’onda, ottenendo così le “curve di riflettanza”. Generalmente nel rilevamento ci si limita all’intervallo 0,1 –2,5 µm. Il Glossmetro è lo strumento comunemente utilizzato per la misura del gloss, cioè la valutazione oggettiva della riflettanza, ovvero della finitura, brillantezza o lucentezza superficiale di una superficie riflettente.
3.1.
Misura del gloss
La misura del gloss si basa sul fenomeno di riflessione speculare di una superficie illuminata da un fascio luminoso con un angolo d’incidenza prefissato, la cui intensità rilevata dipende dalla finitura superficiale dell’oggetto (fig. 3.1).
Secondo alcuni studi teorici sulla diffusione delle onde elettromagnetiche [6], nel caso in cui la distribuzione della luce riflessa e Gaussiana, l’intensità di luce di un fascio speculare può essere relazionata alla rugosità superficiale secondo la legge
− =
ϑ
λ
πσ
2 2 0 0 cos 4 exp I I equazione [1]con 0 deviazione standard della rugosità (=Rq), lunghezza d’onda del raggio incidente, l’angolo incidente del raggio di luce, e I0 l’intensità speculare di una superficie di riferimento perfettamente regolare dello stesso materiale del campione da analizzare (vedi allegato C).
Il valore di gloss è il rapporto fra quantità di luce incidente e quantità di luce riflessa misurata da una fotocellula posta in corrispondenza dell’angolo di riflessione del fascio di luce o eventualmente in corrispondenza del picco massimo di riflessione (in relazione al materiale da misurare).
Il range di misura viene espresso in unità GU (Gloss Units), ed è compreso tra 0 GU (superficie molto opaca) e 100 GU (superficie molto lucida), estendendosi fino a 1999 GU per superfici metalliche a specchio. Il Glossmetro è adeguatamente calibrato su degli standard primari ad es. superfici di vetro nero lucidato che ha un indice di rifrazione n = 1,567 [16].
In riferimento alle normative ASTM, ISO, DIN, TAPPI, ecc. i riflettometri vengono realizzati con geometrie di misura differenti per soddisfare le varie esigenza nei singoli settori industriali.
Per geometria di misura s’intende l’inclinazione dell’angolo d’incidenza sia della sorgente luminosa che dell’angolo d’osservazione del detector, che deve essere speculare (fig. 3.2).
Figura 3.2: Schema di un glossmetro a raggio parallelo
3.2.
BRDF e WSM
Alcuni studi indicano che l'apparizione della lucentezza dipende non soltanto dal flusso luminoso speculare ma anche dalla figura particolare del picco speculare della luce riflessa. Gli studi del BRDF [17,18] (bi-directional reflectance distribution function) delle superfici indicano che il formato e la figura del picco speculare dipendono dalla rugosità della superficie, l'indice di rifrazione del materiale ed il senso di illuminazione. La figura 3.3 mostra le sezioni del BRDF nel piano dell'incidenza. A sinistra un campione con GU 4,6. A destra; un campione con GU 24,5. In arancio è rappresentato l’angolo di incidenza di 20°; in verde, l’ angolo di incidenza di 40°. La figura del picco varia secondo il livello di luce speculare riflessa e dell'angolo di incidenza.
L'obiettivo di questi esperimenti è di misurare la lucentezza per poter collegare la percezione della lucentezza e la riflessione della luce alla superficie del materiale. La distribuzione geometrica della luce completamente riflessa dalla superficie è descritta dal BRDF:
Per le superfici nere, per cui non c’è diffusione nel volume, il BRDF contiene un picco unico denominato il picco speculare. L'altezza e la forma di questo picco dipendono da entrambi i parametri intrinseci della superficie e dal senso di illuminazione.
A causa della difficoltà pratica nell’implementazione del BRDF, integrata su una superficie emisferica, è stato realizzato un modello matematico semplificato, il Wards Shading Model (WSM) [19]
equazione [2]
che consente l’identificazione della misura di lucentezza in funzione di (fig. 3.4): - luce diffusa (dt); - luce riflessa (dr); - angolo ( ) tra la normale al piano ed il vettore (h) a metà tra la direzione della luce incidente e quella riflessa; - standard deviation ( ) della pendenza della rugosità superficiale (fig. 3.5); - angolo ( ) azimut tra la proiezione del vettore h e la direzione x della superficie.
Figura 3.5: Distribuzione Gaussiana delle altezze dei picchi della superficie
3.3.
Applicazioni del glossmetro
Le geometrie di misura impiegate possono essere rispettivamente 20°, 45°, 60°, 75° ed 85° a seconda dell’applicazione (tab. 3.1).
Per superfici a basso gloss cioè < 10 GU le letture si fanno a 75° e 85°. Per superfici con gloss medio compreso tra 10 e 70 GU, letture a 60° e 45°. Per superfici ad alto gloss >70 GU, letture a 20°.
Tabella 3.1: geometrie di misura impiegate
Attualmente il glossmetro è molto utilizzato nel campo della misura della brillantezza delle vernici. La norma UNI EN ISO 2813:2001 (Prodotti vernicianti - Determinazione della brillantezza speculare di film di pittura non metallizzata a 20°, 60° e 85°) specifica un metodo di prova per la determinazione della brillantezza speculare di pitture non metallizzate (tab. 3.2). La prova viene eseguita utilizzando un brillantometro con una geometria di 20°, 60° o 85°.
Tabella 3.2: Classificazione qualitativa del grado di brillantezza delle superfici verniciate
3.4.
Caratteristiche tecniche del glossmetro
Si riporta in seguito alcune caratteristiche tecniche di un glossmetro in commercio con le relative applicazioni.
Figura 3.6: glossmetro portatile commerciale
Gli strumenti (tab. 3.3) presi come dimostrazione consentono di effettuare misure di brillantezza con semplicità e accuratezza. I valori vengono letti nel giro di 3 secondi e indicati con una scala graduata di 0,1 unità di brillantezza (GU). I circuiti stabilizzati e un secondo sensore compensano automaticamente le fluttuazioni di tensione e l’invecchiamento della lampadina. Una nuova struttura elettro-ottica assicura a lunga scadenza un’eccellente stabilità. La piastra di base è prodotta in una singola sezione di alluminio allo scopo di ottenere la stabilità di un banco ottico. Gli strumenti sono conformi alle normative internazionali. Disponibili nelle diverse angolazioni: 20°, 45°, 60°, 75°, 85°, o combinati 20°/60°, 20°/60°/85°, 20°/60°/75° a semplice rilevazione o nella versione ”STAT” comprendente: memoria dati, statistica, cavo di collegamento a PC e software di gestione.
Tabella 3.3: caratteristiche, esempi di applicazione e standard operativi di alcuni glossmetri commerciali
