3장. 눈

목차
1. 막대세포와 원뿔세포
2. 명소시와 암소시
3. 가산혼합과 감산혼합
4. 빛의 색깔

1. 막대세포와 원뿔세포

Figure 1. 눈의 구조

눈으로 들어오는 빛은 망막에 있는 시세포와 반응하여 생체 전위 신호로 바뀌고 시신경을 통해 뇌로 전달된다. 시각에서 시세포는 3가지가 있다고 알려져 있다. 

원뿔세포(cone)

원뿔세포는 주변이 밝을 때 잘 기능하며 색상을 구별할 수 있다. 원뿔세포는 또 3가지로 나뉘어지는데, 이는 각각 빨간색, 녹색, 파란색으로 나타나는 장파장, 중간파장, 단파장 범위에 민감한 세포 유형이다. 

Figure 2. 빛에 대한 시세포의 반응

• S 원추세포: 짧은 파장인 파랑색의 빛에 민감함
• M 원추세포: 중간 파장인 초록색의 빛에 민감함
• L 원추세포: 긴 파장인 빨간색의 빛에 민감함

Figure 3. 파장과 색상의 관계

막대세포(rod)

막대세포는 원뿔세포보다 빛에 더 민감하지만 색상은 감지하지 못한다. 그래서 사람이 밤에 주변이 어두워지면 색상이 아니라 단색 이미지만 볼 수 있는 것이다.

2. 명소시와 암소시

명소시(Photopic Vision)

주변이 밝을 때 나타나는 눈의 시력을 말한다. 앞서 말했던 것처럼 명소시는 원뿔 세포에 의해 매개된다. 

Figure 4. 광소시 분광 감도 함수

위 그래프를 통해 인간의 눈이 전체 스펙트럼에 걸쳐 동등하게 민감하지 않다는 것을 알 수 있다.  명소시에서 가장 밝게 느껴지는 파장은 스펙트럼 중에서 550nm 정도의 파장인 빛이다. 

암소시(Scotopic Vision)

주변이 어두울 때 나타나는 눈의 시력을 말한다. 앞서 막대세포는 원뿔세포에 비해 빛에 더 민감하다고 했다. 그래서 어두운 환경에서 잘 작동한다. 

Figure 5. 암소시 분광 감도 함수

암소시의 가장 높은 감도는 약 507nm의 파장에 위치한다. 명소시와 암소시의 그래프를 비교해 보면 피크에 해당하는 파장이 서로 다른 것을 확인할 수 있다. 명소시와 암소시 사이에서 적응할 때 최고 감도가 변하는데, 이를 퍼킨제 효과라고 한다.

 

퍼킨제 효과 (Purkinje Effect)

밝은 곳에서 같은 밝기로 보이는 청색(단파장)과 적색(장파장)이, 어두운 곳에서는 청색이 적색보다 더 밝게 보이는 현상을 말한다. 그래서 비상등의 색이 초록색인 것이다. 

 

명소시와 암소시 사이의 밝기 환경에서는 막대세포와 원뿔세포의 조합으로 시력에 영향을 받는다. 이는 박소시(Mesopic Vision)라고 한다.

3. 가산혼합과 감산혼합

가산혼합

Figure 6. 가산혼합

빛을 더해 혼합하는 방법이다. 인간 눈의 원뿔 세포는 R,G,B 부분에서 최대 반응을 보이며 가시광선 스펙트럼의 특정 영역에 반응한다. 특정 혼합색을 감지할 때 세 가지 원뿔세포는 서로 다른 비율로 작동하여 수많은 색상을 구별하게 된다. 이때 백색광은 세가지 기본 색상을 같은 비율로 혼합하여 만든다. 이처럼 R,G,B를 추가하여 색상을 만드는 것을 가산 혼합이라고 하며 디스플레이나 광원과 같은 발광하는 물체에 적용한다. 

 

감산혼합

Figure 7. 감산혼합

빛을 반사하는 조명된 물체의 색을 혼합하는 방법이다. 감산혼합의 개념은 염료, 잉크, 안료와 관련된 산업에 적용할 수 있다[1].

4. 빛의 색깔

Figure 8. 체커보드 그림자 착시

인간의 눈은 빛을 객관적으로 감지할 수 없다. 왼쪽 그림의 사각형 B보다 A가 분명히 더 어두워 보인다. 그러나 오른쪽 그림에서 A와 B는 사실 동일한 색이다. 이러한 착시는 왜 일어나는 것일까? 왜냐하면 인간의 눈은 체크 경계선과 같은 날카로운 경계에 초점을 맞추는 경향이 있어, 뇌에서 어떤 색이어야 하는지를 '인지'하고 있기 때문에 밝기와 색을 자동으로 보정하기 때문이다[3]. 그렇지만 디스플레이를 제작하거나 여러 산업에서 색을 '정량화'하는 것은 중요하다. 이와 관련된 용어를 먼저 알아보자.

 

• 밝기(Brightness): 흰색과 비교하여 물체의 밝기를 나타내는 절댓값
• 명도(Lightness): 주변환경에 따라 결정되는 상대적 밝기

예1) 어두운 곳에서 책을 읽을 때와 밝은 곳에서 책을 읽을 때, 흰색 종이는 더 낮거나 더 높은 '밝기'를 보인다. 그러나 흰색 종이의 반사도는 휘도 수준에 상관없이 동일하기 때문에 '명도'는 같다.

예2) Figure 8의 사각형 A와B의 '밝기'는 동일하지만, 사각형 B는 '명도'가 더 높다. 

 

• 색조(Hue): 적색, 황색, 녹색 및 청색과 같이 시각적으로 인식되는 색상
• 채도(Colorfulness): 테스트 색상과 무채색 간의 색상 차이
• 크로마(Chroma): 상대적 채도
• 색 포화도(Color Saturation): 자극의 '채도'를 표현한다. 색도도 시스템에서 사용되는 용어이다.

예1) 진홍(Deep Red)은 색조가 적색이고 채도가 높은 색이다. 

예2) 무채색(백, 흰, 흑)은 색조가 없다.

 

조건등색(Metamerism)

Figure 9

서로 다른 두 개의 색이 특정한 조건에서 같은 색으로 보이는 현상을 말한다[2]. 위 그림에서 두 광원의 스펙트럼 분포는 다르지만 똑같이 '흰색'으로 보인다. 즉, 3원색을 사용해 실체 물체와 디스플레이의 스펙트럼이 완전히 달라도 실제와 물체와 동일한 L,M,S원추세포 자극을 이끌어낸다. 이를 조건등색이라고 한다.

 

연색성(Color Rendering)

조명이 물체의 색감에 영향을 미치는 현상을 말한다. 같은 색의 물체라도 어떤 광원으로 보느냐에 따라 그 색이 달라진다.  백화점에서 옷을 사고 나서 집의 조명 아래서 보는 옷의 색이 미묘하게 달라 보인 적이 있을 것이다. 이처럼 색상을 정확하게 재현하고 평가하려면 연색성이 뛰어난 광원이 필요하다. 광원의 연색성을 설명하는 데 사용되는 표준은 CRI(Color Rendering Index)이다. 조명된 사물의 색재현 충실도를 나타낸다. 태양광은 연색성 지수의 최댓값인 100%를 가진다. 반면 복사 파장이 불연속적인 형광등은 CRI값이 67%로 낮다.  

Figure 10. 연색성 지수 (출처: 이미지 클릭)

 

 

 

출처:

[1] Admesy, Measuring Guide

[2] https://terms.naver.com/entry.naver?docId=6538638&cid=40942&categoryId=33048 

[3] Jiun-Haw Lee, et al. <평판 디스플레이 공학>, 제2판