광계측공학 강의 노트 1 (한국공학대학교 김윤석 교수님)

* 교재 : 광계측공학 (서울교과서 출판, 박승남, 박성종, 이동훈 저)

 

1. 광계측공학 소개 및 범위

 

* 빛의 이중성

 1. 입자성 = 광선, 빛의 직진성. 파장이 작을수록 입자성을 띤다.
 2. 파동성
  - 굴절 : 스넬(Snell)의 법칙
  - 회절 : 파장과 물체
  - 간섭 : 영(Young)의 이중슬릿 실험, 회절과 밀접하게 연관됨
  - 반사(Reflection) : 반사의 법칙 (입사각=반사각)
  - 흡수(Absorption)/투과(Transmission) : 비어-람베르트(Beer-Lambert) 법칙. 샘플의 투과율은 소멸계수와 두께로 표현
  - 산란(Scattering) : 산란광의 광도(I) = ∝ 1/λ⁴
  - 분산(Dispersion) : 굴절률의 파장 의존성. 파장이 짧을수록 굴절률이 큼. (프리즘)
 

* 광원

- 발광(Luminescence)

  1) 인광(Phosphorescence) : 초기 발광 이후 천천히 감소하면서 빛을 방출
  2) 형광(Fluorescence) : 초기 발광 이후 순간적으로 소멸 (조사광보다 파장이 길다)
      - 형광 현미경으로 발광성 반도체 재료 미시구조 분석이 가능함

 

 

2. 광계측 기본 이론 Ⅰ

2-1. 광측정(Photometry)

 

  - 광(Photo)= 사람의 눈을 통한 물리적 자극에 대한 지각으로 이해
  - ㏐ 단위로 측정 가능
  - 광(선)속 ㏐(lumen), 광도 Cd(=㏐/㏛), 휘도 nt(=Cd/㎡), 조도(명도) Lux(=㏐/㎡)

* 광선속(Luminous flux) : 광원이 만들어내는 총 빛줄기량 (선속: 총 빛의 양)
                                        광원이 정해지면 광선속은 고정됨. 광학계에 의해 변화되지 않음
                                        분광복사선속 Φ(λ)을 알고 있으면 밝은 시감에서 광선속은,

                                  Φv = Km · ∑ [ Φ(λ) · V(λ) ] · △λ ( 380nm ≤ λ ≤ 830, V(λ) : 시감도 )

* 조명 효율 : 단위 출력 당 얻을 수 있는 광선속 lm/W

2-2. 복사측정 (Radoimetry)

- 전자기파 형태, 에너지 단위로 측정 가능
- 측정항목 : 세기, 평광도, 주파수, 위상
   1) 세기 : 복사 측정 시 광검출기가 느끼는 전기 신호 세기에 비례
                 단위 시간 당 단위 면적을 통과하는 광자의 개수에 비례
   2) 파장 : 분광 표현의 측정량, 파장 별로 스펙트럼을 얻음.

* 복사선속 (Radiant flux) : 어떤 광원으로부터 방출되어 전 공간으로 나가는 단위 시간당 에너지, W (=J/s)
* 복사 효율 : 단위 출력 당 얻을 수 있는 복사선속 : W/W 이므로 %로 표기 됨

 

2-3. 복사 측정량과 광 측정량

 

복사 측정량 (radiometry)	기호	단위	단위	기호	광 측정량 (photometry)
복사선속 (출력)	P , Φ	W	lm	Φv	광선속 (Flux)
복사조도	E	W/㎡	lm/㎡ = lx	Ev	광조도
복사휘도	L	W/(㎡·sr)	lm/(㎡·sr)	Lv	광휘도
복사세기, 복사도	I	W/sr	lm/sr = Cd	lv	광세기, 광도

 

 

2-4. 평면각

- 평면각은 각을 이루는 두 직선의 교점이 중심이 되는 원호의 길이

s = r · θ　　　　　 ∴ θ = s / r (rad)

- 각도 θ는 라디안(radian)이고 무차원량이다.
- 원의 경우 s = 2πr (원 둘레의 길이) 이므로 원의 평면각 θ은 2π

 

2-5. 입체각

- 입체각은 면적을 반지름의 제곱으로 나눈 양.

A = r² · Ω 　　　　∴ Ω = A / r² (sr)

- 각도 Ω는 스테라디안(steradian)이고 무차원이다.
- 구의 경우 A = 4πr² (구의 표면적) 이므로 구의 입체각 Ω은 4π
- 입체각을 표현하는 구의 반지름이 커지더라도 구면의 면적이 같이 넓어지므로 입체각은 변하지 않는다.
따라서 단위 입체각 당 표현되는 광도 복사도 측정량은 거리에 관계없이 일정하다

2-6. 극좌표계 (Polar Coordinates)

- 구면 좌표계에서 Φ = π/2 일 때, (y, z) = (↑, →) 평면상에서 좌표를 (r, θ)로 표시하고 이를 극좌표계라 함.
- 일반적으로 주기함수는 극좌표로 표시하면 알아보기 쉬움.

 

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3. 광계측 기본 이론 Ⅱ

 

- 세기 : (점)광원의 입장 (↔ 조도)
- 휘도 : (면)광원의 입장
- 조도 : 수광부에서의 입장 (↔ 세기)

 

3-1. 광세기(광도, Luminous Intensity)

 

: 광선속이 정해진 광원이 공간으로 빛을 방출할 때 거리에 무관하게 광원의 세기를 측정하기 위한 단위. 즉 양이 변하지 않는 단위 입체각으로, 광원에서 나오는 단위 입체각 당 광선속이라고 보면 됨 (lm/sr = cd)

3-2. 광휘도

: 면 광원 측정 시 도입되는 광도 단위. 광원을 바라보는 방향에서 본 단위 면적 당 광세기 (nt = cd/㎡)

     >> 디스플레이를 평가하는 단위로 '광휘도'를 사용

 

 

3-3. 람베르트 광원 (Lambert light source)

: 광원 표면에 세운 수선과 각도를 유지하면서 나가는 광세기가 cos에 의해 변화할 때 이런 광원을 람베르트 광원이라고 함

 

램버시안 반사율(Lambertian reflectance)을 갖는 표면은, 바라보는 각도와 관계없이 같은 겉보기 밝기를 갖는다. 램버트 반사는 이상적인 난반사 면에서 나타나며, 어떤 방향이든 같은 휘도를 보이는 휘도 분포(Luminance Distribution)와 다르게 표면의 법선 방향과 이루는 각 θ에 따라 cos⁡θ에 비례하는 광도 분포(Luminous Intensity Distribution)를 보여준다. 

*  광조도 = 광세기 / 거리²,    즉,   Ev = Iv / r²