2장. 측광 원리와 단위

목차
1. 광 측정 원리
    1.1 복사량 (Radiometric)
    1.2 광도량 (Photometric)

1. 광 측정 원리

출처: Admesy

1장에서 설명한 것처럼 색은 램프와 같이 빛나는 물체를 직접 볼 때나 광원에서 빛을 반사해 밝혀진 물체를 볼 때만 볼 수 있다. 그렇다면 램프의 광량과 물체의 색은 어떤 방식으로 '정량화'해서 측정하고 계산할 수 있을까? 측정된 빛을 정량화 한다는 것은 '단위'가 있다는 뜻이다. 오늘은 그 단위에 대해서 먼저 알아보도록 하자. 

 

Flux

먼저 Flux(선속)에 대해 알아야 한다. 자기선속에 대해 들어본 적이 있을 것이다. 광학에서도 Flux라는 개념을 '흐름의 양'을 표현할 때 동일하게 사용한다. 쉽게 물을 예로 들어보자. 정해진 시간 동안 이동한 물의 양을 이야기할 때, 물리적으로는 '정해진 시간 동안 정해진 면적을 통과한 물의 양'을 계산해 볼 수 있다. 빛은 한 방향으로 흐르지 않는다. 빛의 경우, 모든 방향, 특정 방향, 또는 영역에 떨어지는 광원의 총 에너지를 Flux라고 한다. 

 

1.1 복사량 (Radiometric)

복사속 (Radiant power or Radiant Flux)

 

그렇다면 빛의 에너지를 표현하는 단위를 알아보자. 조명의 광출력을 측정한다고 했을 때, 이 물리량은 Radiant Power (복사속)이라고 하며 단위는 W(와트)이다. 방사속 측정은 형광등의 생산과 개발에 꼭 필요하다. 

 

*복사와 방사 중 어떤 것이 맞는지에 대해 지금까지 내가 판단한 바로는 이는 동일한 개념이다. 다만 방사는 방사선같은 특정 분야에 많이 쓰이고 복사는 태양복사량, 열복사 등 전기전자학 분야에서 쓰인다. 영어로는 똑같이 radiation이다.

 

온 사방으로 퍼지는 빛을 어떻게 측정하는 걸까? 이는 '적분구'라고 불리는 장치를 이용한다. 이에 관한 자세한 내용은 후술한다. 

복사 조도(Irradiance)

 

표면에 입사한 복사속의 양을 의미한다. 단위 면적 당 와트(W/m²)로 표현한다. 예를 들어 아스팔트 도로면이 받는 태양 복사에너지의 양을 계산한다고 해 보자. 모든 방향에서 들어온 단위 면적당의 복사량인 Irradiance에 아스팔트 도로 면적을 곱하면 전체 아스팔트 도로가 태양 에너지를 얼마나 받았는지 판단할 수 있다.[출처]

복사 강도(Radiant Intensity)

입체각 당 방출된 전체 에너지의 양으로 정의한다. 입체각은 광학에서 아주 중요하게 다루는 물리학 개념이니 잘 알아두는 것이 좋다. 단위는 W/sr이다.

복사 휘도(Radiance)

 

광원이 정사영된 단위면적당, 단위 입체각 당 방사하는 복사선속이다. '정사영' 되었다고 표현한 이유는 분모에 cosθ가 있어서다. (기하적으로 이해하기 어렵다) [출처] 단위는 W/m^2•sr이다.

 

1.2  광도량 (Photometric)

빛을 측정할 때는 일반적으로 '인간 눈'의 반응에 따라 측정하는 것이 용이하다. Radiometry는 빛의 전체 스펙트럼에 대한 내용이었다. Photometry는 이에 따라 가시광선 영역의 측정 단위를 따로 정의한 것들이다. 

광속(Luminous power)

Radiant power와 가시광선 영역에서 적용할 때 동일한 의미이다. 단위는 루멘(lm)이다. 

조도(Illuminance)

평방미터 당 루멘의 양 lm/m²이고, lux라고도 한다.

 

*광속 발산도(Luminous Exitance, 단위: lux)

광원이 물체를 비추면 광은 물체에 의해 변조(반사, 투과, 산란, 흡수)되어 물체에서 재방출된다. 이 겉보기 방출을 Luminous Exitance라고 한다. 스마트폰 화면을 측정할 때는 Iluminance를 측정할까 아니면 Luminous Exitance를 측정할까? 답은 Luminous Exitance다. 스마트폰 화면도 광원이 아닌 액정을 '투과'한 빛이 보이는 것이기 때문이다.

광도(Luminous Intensity)

Radiant Intensity와 가시광선 영역에서 동일한 의미이다. 단위는 칸델라(cd = lm/sr)이다. 

휘도(Luminance)

휘도는 디스플레이처럼 균질한 표면의 밝기를 명시하는 데 사용되고 이것은 단위면적 당 칸델라(cd/m²) 로 표현한다. 니트(nit)라고도 한다.

 

🏆총정리

 

그림 출처: 

(1) Admesy

 

출처:

(1) Admesy <Measuring Color in a world of light>

(2) Jiun-Haw Lee, et al. <평판 디스플레이 공학>, 제2판