COLOR Y LUZ. COLORIMETRÍA

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 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.

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 mostrarnos la realidad puede alejarnos de ella. La apreciación de los colores no es inmune a estos fenómenos.

Como se ve en el ejemplo, nuestros ojos y nuestro cerebro nos hacen creer que perciben los colores “como son”, cuando en realidad los interpretan siguiendo su propia lógica.

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 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 para 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 su unidad equivalente “longitud de onda”) es la responsable de que exista esa cualidad o “tono” que llamamos “color”.

Con respecto a 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, p.ej. "luz ultravioleta").

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.

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 la imagen de abajo.

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, la reflexión especular es propia de los espejos, donde idealmente toda la reflexión es de este tipo.

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 fuente de luz, 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 por tanto la reflexión interna la que confiere su “color” al objeto. Por otra parte, dado que 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 contigua.

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.

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 invisibles para nosotros, por lo que la luz parece surgir espontáneamente de los objetos.

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.

Colorímetros

Un colorímetro es un instrumento capaz de medir el color. La colorimetría, por su parte, es la parte de la óptica que se ocupa del análisis 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.

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*).

La figura 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 ΔL*, Δa* y Δb* para cada uno de los ejes L*, a* y b*, la distancia total entre dos colores vendrá dada por ΔE*, cuya fórmula es √[(ΔL*)²+(Δa*)²+(Δb*)²].

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..

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.

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 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 o dañadar, 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 se apreciarán más apasteladas o lechosas que las brillantes. Por eso esta geometría 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 de iluminación y visión), para comparar muestras que se diferencien mejor con luz direccional que con luz difusa, o bien para medir el color de materiales cuyo 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.

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).

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. 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.

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

(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 y 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 exacto, 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.

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 encaga de leer las curvas que el software utiliza para calibrar los pigmentos, y luego los patrones para el cálculo de las fórmulas.