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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

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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.

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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.

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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

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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.

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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.

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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.

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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.

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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.

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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.

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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.

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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*).

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(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.

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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

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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.

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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).

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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.

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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.

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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.

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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.

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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.