[정리 노트] 2. 조명 광학 기초 이론 (백라이트 광학 설계 이론 및 실습, 주병운 교수님 저서)

** 참고 자료 및 출처
  - Light tools를 활용한 백라이트 광학 설계 이론 및 실습 (주병운 교수님)
  - 위키피디아(Wikipedia)

 

2. 조명 광학 기초 이론

 

 

조명 광학 이론에 대한 이해를 위해서는 고체곽, 광속, 광도, 휘도, 조도 등과 같은 기초 용어에 대한 이해가 필요함.

 

 

1-0. 평면각 (Plane angle, Radian) :  평면상의 두 직선이 서로 만나 교차를 이룰 때 두 변이 벌어진 정도

 

호의 길이(l)와 호의 반경(r), 사이각(θ)에 대해   θ = l / r    이 성립

   

• 직각(直角, right angle) : 90도
• 둔각(鈍角, obtuse angle) : 90도보다 크고 180도보다 작은 각
• 예각(銳角, acute angle) : 0도보다 크고 90도보다 작은 각
• 평각(平角, straight angle) : 180도
• 요각(凹角, reentering angle): 180도보다 크고 360도보다 작은 각
• 철각(凸角, convex angle): 180도보다 작은 각, 예각 직각, 둔각 등이 이에 포함 됨

 

 

1-1. 고체각 (Solid angle, Steradian) : 평면각의 개념을 3차원으로 확장하면 된다.

 

구의 반경(r)과 구의 표면상의 폐곡선으로 이루어진 표면적(A)에 대한 고체각(Ω)에 대해  Ω = A / r²  이 성립

 

• 극각 (polar angle, θ) :  구면 좌표계에서 Z축에 대해 이루는 각 (0≤ θ ≤ π)
• 방위각 (azimuth angle, Φ) : 구면 좌표계에서 극각 기준 축의 둘레(=X축)에 대해 이루는 각 (0≤ Φ ≤ 2π)

 

1-2. 광속

 

- 라디오메트리 관점에서 광속(Radiant power)은 광원에 의해 방출되는 파워(W)이다.

  광자 에너지의 크기는 빛의 파장에 반비례함.

  (Radiometry : 빛을 가시광 영역을 포함한 전 파장대의 전자기파 복사로 간주) 

- 포토메트리 관점에서는 광속을 루미너스 플럭스(Luminous flux, Ω)라고 하며 단위는 루멘(lumen, [lm])을 사용

  '포토메트리'에서는 'Luminous-' 접두어를 사용하며 백라이트 같은 조명 광학에서 주로 사용된다.

  (Photometry : 인간의 눈에 의해 인지되는 가시광의 밝기 관점에서 논의)

 

- 동일한 Radiant power에 대해 인간의 눈이 느끼는 밝기는 가시광 색에 따라 다름.

File:Luminosity.svg - Wikimedia Commons

인간의 눈은 555nm에 대해 683lm/W, 494nm에 대해 170lm/W, 600nm에 대해 431lm/W의 광속을 느낌 

(즉, 인간의 눈은 파장 555nm의 광을 가장 밝게 인식함)

 

 

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1-3. 조도 : 모든 입사각/출사각에 대한 단위 면적 당 전광속

 

- 입사조도(illuminance, E ) : 영역 dA가 있을 때 단위 면적 안으로 들어가는 전광속을 의미. 단위는 lux(룩스)

dΦ = EdA

- 출사조도(Exitance) : 단위면적에서 나오는 전광속. 면발광 백라이트에서 나오는 전광속을 논의할 때는 엑시턴스(exitance)로 해야 정확함.

 

 

1-4. 광도(Luminous intensity)와 휘도(Luminance)

 

- 광도 : 단위 고체각 안으로 들어오는 광속을 의미. 단위는 칸델라 [cd] = [lm/sr]

- 휘도 : 투영 미소 면적, 즉 단위 면적 당의 광도를 의미. 단위는 [cd/m²] = [lm/sr·m²]

 

- 사람의 눈은 특정 고체각 내에서 정의되는 휘도를 느낀다. (광속, 조도, 광도는 느끼지 못함)

- 휘도에 cosθ를 곱하면 출사각별 광도 분포 형태가 나옴