Spettroscopia di Riflettanza & Colorimetria

Abstract: in questo post descriviamo l’applicazione dello spettrometro SMA Thunder Optics e del software Spectragryph nelle misure di riflettanza. Applicheremo la tecnica della spettroscopia di riflettanza allo studio di alcuni materiali di particolare interesse.

Introduzione

In un post precedente: Spettrometro Thunder Optics & Spectragryph, abbiamo descritto lo spettrometro SMA della Thunder Optics (nel seguito indicato come spettrometro TO) e lo abbiamo utilizzato per acquisire gli spettri di alcune sorgenti luminose. Proseguiamo ora l’attività di sperimentazione “esplorando” con questo strumento, con i suoi accessori e con il software spectragryph, la tecnica della spettroscopia di riflettanza. In particolare utilizzeremo questa tecnica per analizzare la luce riflessa da alcuni materiali  di particolare interesse.

La Misura della Riflettanza

Sottoposto ad irraggiamento luminoso, ogni corpo ha determinate proprietà di riflessione, assorbimento e trasmissione della luce. La riflettanza (ρ) rappresenta il potere riflettente di un corpo sottoposto a irraggiamento. Si tratta di un parametro percentuale adimensionale. La somma dei parametri di riflettanza (ρ), trasmittanza (τ) e assorbanza (α) dà sempre 1, ossia: α + ρ + τ = 1, relazione dimostrabile facilmente considerando la legge di conservazione dell’energia: una parte della energia incidente è riflessa, una parte è trasmessa, una parte è assorbita. Il valore della riflettanza può essere calcolato utilizzando la seguente formula:

ρ = Φ_r / Φ₀

Dove Φ₀ e Φ_r sono rispettivamente il flusso luminoso incidente ed il flusso riflesso dal campione in esame.
Esistono due modelli che possono essere utilizzati per calcolare il flusso riflesso: il modello di riflessione perfettamente diffondente, o Lambertiano, e il modello di riflessione perfettamente speculare. Questi rappresentano i due casi limite e quindi possono approssimare bene solo il comportamento di pochi oggetti, mentre per la maggior parte dei casi reali la riflessione può essere considerata una via di mezzo fra i due casi limite. Il modello di riflessione perfettamente diffondente prevede che la luce, dopo aver colpito la superficie, rimbalzi su di essa e si diffonda in tutte le direzioni dello spazio. Si può quindi considerare la superficie come una sorgente luminosa secondaria di forma sferica. Questo comportamento è tipico dei materiali scabri e opachi. Il modello di riflessione perfettamente speculare, al contrario, prevede che il fascio luminoso colpisca la superficie di un corpo e venga riflesso in modo simmetrico rispetto alla normale alla superficie. Con questo modello si può approssimare bene il comportamento degli specchi, ad esempio le superfici lucide dei metalli.

In generale il valore che assume la riflettanza per un particolare oggetto dipende essenzialmente dal colore e dalle caratteristiche della sua superficie: le superfici molto scure tendono a valori prossimi a 0 mentre le superfici chiare possono arrivare ad avere valori compresi tra 0.7 e 0.85.

Il software Spectragyph automatizza il calcolo della riflettanza. La modalità di misurazione selezionata definisce il tipo di asse y dello spettro live misurato: intensity, transmittance, reflectance, absorbance (Fig. 1). Sceglieremo la modalità reflectance.

Fig. 1 – Selezione Measurement Mode

A seconda della modalità scelta possono essere necessari uno o più spettri ausiliari. Gli spettri ausiliari sono il Dark spectrum, il Reference spectrum ed il Blank spectrum. Ciascuno di questi può essere impostato, rimosso e visualizzato in qualsiasi momento. Non appena registrati, vengono memorizzati e tenuti pronti per un successivo utilizzo. Per aggiornarli è sufficiente impostarli nuovamente con uno spettro live appena misurato. Il Dark spectrum (Fig. 2) ed il Blank spectrum (Fig. 4) sono opzionali, quindi il loro utilizzo deve essere attivato facendo clic sul rispettivo pulsante. Il Reference spectrum (Fig. 3) è sempre obbligatorio eccetto che per la modalità intensity, quando necessario, viene utilizzato automaticamente dal sistema.

Fig. 2 – Assegnazione Dark spectrum

Fig. 3 – Assegnazione Reference spectrum

Fig. 4 – Assegnazione Blank spectrum

Modalità di misura degli spettri ausiliari:

• Dark spectrum: sorgente luminosa spenta, otturatore chiuso, nessuna luce raggiunge il rilevatore, modalità di misurazione: intensity
• Reference spectrum: sorgente luminosa accesa, piena luce (livello 100%) che raggiunge il rivelatore, modalità di misura: intensity
• Blank spectrum: con campione “vuoto” (ad esempio solvente puro o tampone nel contenitore del campione), con la modalità finale di misurazione selezionata

Ogni spettro dovrebbe essere misurato nuovamente dopo aver modificato il tempo di esposizione, inoltre lo spettro di riferimento va aggiornato dopo ogni variazione di intensità della luce di eccitazione. La sorgente luminosa di riferimento dovrebbe avere uno spettro il più possibile piatto su tutta la gamma di lunghezze d’onda di interesse. Lampade di questo tipo sono ad esempio quelle alogene oppure le lampade allo xenon. Se una lampada siffatta non è disponibile si può utilizzare anche una sorgente luminosa diversa, basta che abbia una intensità costante nel tempo. Noi abbiamo utilizzato la sorgente ad incandescenza Mini Light Source (Sorgenti di luce) della Thunder Optics. 

Per migliorare l’accuratezza della misura è sempre consigliato acquisire anche il dark spectrum ed attivarne l’utilizzo. Lo stesso vale per il blank spectrum, in genere per ogni situazione va valutato quali spettri ausiliari vanno acquisiti ed utilizzati. In generale la formula utilizzata dal software per il calcolo della riflettanza è la seguente:

Riflettanza: Live = (Raw – Dark) / (Reference – Dark) – Blank

In genere, come spettro di riferimento si adotta lo spettro di riflessione di un nastro bianco di teflon (Fig. 8), il quale procuce quindi uno spettro di riflettanza pari al 100% (Fig. 9).

Fig. 8 – Spettro di riflessione del teflon (riferimento)

Fig. 9 – Spettro di riferimento espresso in termini di riflettanza

Materiali e Metodi

Per la misura della riflettanza dei materiali viene utilizzata una sonda a Y (Fig. 5). Si tratta in pratica di una fibra ottica “sdoppiata”; due estremità vanno collegate alla sorgente di luce ed allo spettrometro, mentre la terza estremità costituisce la sonda vera e propria che va posta in prossimità della superficie da analizzare. In corrispondenza della sonda terminano le due fibre ottiche: una porta la luce emessa dalla sorgente mentre l’altra raccoglie la luce riflessa e la porta allo spettrometro.

Fig. 5 – Y-Probe

In Fig. 6 mostriamo il setup sperimentale che comprende lo spettrometro SMA Thunder Optics, la sorgente ad incandescenza Mini Light Source e la fibra ottica a Y. La testa della fibra è fissata ad un supporto in modo da poter regolare la distanza tra la sonda e la superficie da analizzare.

Fig. 6 – Setup per le misure di riflettanza

In Fig. 7 mostriamo il dettaglio della sonda durante l’analisi della superficie di un nastro bianco di teflon (spettro di riferimento) e durante la misurazione della superficie di un cartoncino colorato.

Fig. 7 – (a) Dettaglio della testa di misura su teflon (b) su cartoncino di colore rosso 

Colorimetria

Le prime misure di riflettanza sono state fatte su semplice carta colorata per valutare il diverso spettro di riflettanza in funzione del colore (Fig. 10). Questo è il punto di partenza per misure di colorimetria, che non abbiamo fatto in maniera quantitativa ma semplicemente qualitativa. Come si vede dalla Fig. 10 lo spettro di riflettanza permette di distinguere facilmente il diverso colore della superficie della carta. Si nota che per tutti i campioni di carta esaminati è elevata la riflettanza nella gamma del vicino infrarosso.

Fig. 10 – Spettri di riflettanza di carte colorate

Le medesime misure di riflettanza sono state fatte con una serie di matite colorate (Fig. 11), ottenendo gli spettri riportati in Fig. 12. I grafici mostrano chiaramente la corrispondenza tra il colore della superficie e lo spettro di riflettanza.

Fig. 11 – Matite colorate

Fig. 12 – Spettri di riflettanza delle matite colorate

Misure di Riflettanza di Vari Materiali

Oltre al colore della superficie, le misure di riflettanza forniscono informazioni legate alla tipologia del materiale ed alle caratteristiche fisiche della superficie. In Fig. 13 riportiamo lo spettro di riflettanza di una superficie di alluminio anodizzato nero. Il colore nero comporta la bassa riflettività a tutte le lunghezze d’onda del visibile. Nel vicino infrarosso, oltre i 700 nm, la riflettività però aumenta notevolmente fino a valori vicini al 100% : il nostro campione di alluminio è nero nel visibile ma non nella gamma dell’infrarosso !

Fig. 13 – Spettro di riflettanza dell’alluminio anodizzato nero

Come è noto i metalli hanno riflettività elevate grazie al fatto che possiedono elettroni liberi nel loro reticolo cristallino. Se la superficie è adeguatamente trattata presentano riflessione speculare e non diffusiva e quindi si prestano poco alla spettroscopia di riflettanza. Abbiamo aggirato questa limitazione prendendo in esame dei campioni costituiti da polveri metalliche: ferro, alluminio e rame, unitamente ad un campione (non metallico) di solfato di rame (Fig. 14). Gli spettri delle polveri metalliche sono riportati in Fig. 15 mentre quello del solfato di rame in Fig. 16. Le riflettanze dei campioni di polveri sono, come era prevedibile, piuttosto basse, l’alluminio ed il rame hanno valori più elevati del ferro, mentre il solfato di rame (di un bel colore azzurro) mostra un massimo di riflettività  sui 450 nm – 500 nm.

Fig. 14 – Campioni di metalli e sali in polvere

Fig. 15 – Spettri di riflettanza di metalli

Fig. 16 – Spettro di riflettanza del solfato di rame

Gli altri materiali che abbiamo esaminato sono due foglie (Fig. 17-a), una verde e quindi ricca di clorofilla, ed una secca, con minore contenuto di clorofilla e maggiore contenuto di altri pigmenti come carotenoidi ed antociani. Abbiamo inoltre esaminato la riflettanza di un monocristallo di silicio e di un campione di grafite (Fig. 17-b).

Fig. 17 – (a) Foglia verde e foglia secca (b) Grafite e silicio

Gli spettri di riflettanza della grafite e del silicio sono riportati in Fig. 18, il cristallo di silicio ha valori bassi, mentre la lamina di grafite presenta sorprendentemente un valore di riflettività piuttosto alto, probabilmente dovuto all’alto grado di finitura della superficie.

Fig. 18 – Spettro di riflettanza del silicio e della grafite

Gli spettri di riflettanza delle foglie sono riportati in Fig. 19, dove risulta evidente la differenza tra lo spettro della foglia verde e lo spettro della foglia secca. La foglia verde ha un minimo di riflettanza alla lunghezze d’onda del rosso mentre la foglia secca presenta riflettanza elevata anche alle lunghezze d’onda del giallo e del rosso.

Fig. 19 – Spettri di riflettanza di foglia verde e foglia secca

Conclusioni

Il nostro apparato composto da spettrometro SMA Thunder Optics, mini light source e fibra ottica a Y si è dimostrato più che adeguato per l’analisi qualitativa della riflettanza dei materiali che abbiamo esaminato. Analisi di questo tipo in genere fanno uso di sorgenti di luce alogene oppure allo xenon, le quali garantiscono una emissione intensa e con spettro “piatto” rispetto ad una lampada ad incandescenza. Lo spettrometro ed il software spectragryph hanno comunque compensato adeguatamente lo spettro non costante della sorgente di luce utilizzata, permettendo di ottenere ottimi risultati.

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