광계측공학 강의 노트 3 (한국공학대학교 김윤석 교수님)

 

6. 광조도와 광세기의 측정

 

조도는 파장에 따른 특성을 고려하지 않기 때문에 분광 기능이 없는 PD, PMT 등으로 측정이 가능

(ex. 대낮의 조도 100,000lx, 어두운 밤의 조도 10 lx)

 

 

6-1. 광조도계

 

- 절대 광량을 측정하는 계측기 중 가장 단순한 형태.

 

- 검출기에는 우리 눈이 감응하는 광 특성과 유사한 필터를 장착.

 

- 검출기는 380nm ~ 830nm 의 가시광선에 감응

 

- 단일채널 검출기(실리콘 검출기) 앞에 V(λ) Filter를 장착하면 외부에서 들어오는 복사량이 광량으로 환산이 되고 면적이 있는 실리콘 Photo diode로 들어와서 광조도로 환산됨

 

- 내장된 필터; V(λ) Filter 의 투과율과 결합된 전체 분광 감응도가 V(λ)일 때 이 검출기의 신호는 광조도에 비례한다. 

 

- 광조도계의 가장 중요한 성능 : 실리콘 광다이오드와 V(λ) Filter 조합의 분광시감효율과 정합성

 

  : 색깔 영역에 따라 표준 관찰자의 분광시감효능 곡선의 기울기가 다르므로 곡선을 따르는 필터를 제작해야 함

    즉, 555nm에서는 상대분광감응도가 1이므로 노랑-초록 영역에서는 분광시감효능과 R*의 차이가 거의 없고

    기울기가 급격해지는 적색이나 청색 영역에서는 기울기 차이가 커짐

 

파장에 따른 표준 관찰자의 분광시감효능

 

 

- 분광복사조도 측정 후 표준관찰자의 분광시감효율을 고려하여 Software로 광조도를 계산하는 측정 장치도 있다.

- 광조도 뿐 아니라 색온도, 색좌표, 연색지수 같은 색특성도 함께 측정이 가능함

- 조도계는 작고 분광복사계는 크지만 더 많은 특성을 알 수 있음

 

 

** Cosine calibration

 

광조도계는 기준면에 광선이 수직으로 떨어지지 않을 경우 수직에서 벗어난 각도 θ에 따라 응답 특성이 cosθ에 따라 변하도록 확산판이나 확산돔 등이 설치되어 있다. 이를 코사인 보정(Cosine calibration)이라고 하며 코사인 필터라고도 함.

 

가장 좋은 것은 적분구를 사용하는 것인데, 전 방위에 대해 광원에서 나오는 빛을 전부 검출하기 때문에 오차를 보정할 필요가 없다. 그러나 가격 및 크기의 제한이 있으니 단일 채널 실리콘 포토 다이오드 앞에 확산판을 사용하는 것

 

 

** Temperature compensation

 

온도가 변함에 따라 조도 값이 변하는데 그 중 V(λ) Filter가 온도에 가장 민감하기 때문에 온도에 따라 변화하는 특성을 보상할 수 있는 장치를 추가하면 좋다. 내부에 온도센서를 내장하여 온도 계수 값을 적용하여 보정하는 방법으로..

 

 

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6-2. 단일 채널과 멀티 채널 검출기

 

 

- 광조도 측정기의 비교

 

성능	단일 광 다이오드	CCD(멀티채널 검출기) 분광복사계
감도	높음	낮음
측정 속도	빠름	늦음
강건성 및 이동성	좋음	나쁨
감응도 안정도	높음	프로그램으로 보정 가능
파장 안정도	V(λ) 필터 온도 제어 필요하나 안정적	낮음 (수시 교정 필요)
V(λ)와 부정합성	낮음	영향 받지 않음 (프로그램으로 보정하므로 매우 우수함)
입력 수광부	변형 불가	변형 가능. 즉, 자유도가 높음
가격	저렴	고가
분광 측정	불가능 (한 번에 한 파장만 볼 수 있음)	가능

 

 

 

- 기준점 : 단위 면적당 외부에서 오는 빛의 세기를 측정하기 때문에 기준점을 결정하는 것이 중요함

 

 

- 보정(Calibration) : 검출기 Label을 통해 언제 Calibration이 되었는지 확인하고 주기적으로 교정이 되는 검출기인지를 확인해야 신뢰성 있는 결과를 얻을 수 있음.

 

 

- 유지(Maintenance) : Aperture가 작은 검출기의 경우, 먼지나 scale 등이 감도 변화의 큰 원이이 됨. 습도에 의한 영향도 크기 때문에 장기간 미 사용 시 Desiccator에 넣어서 수분으로부터 보호해야 한다. 관리가 안 될 경우 V(λ)필터 표면 또는 내부에 하얀 반점이 생길 수 있음

 

 

- 광세기와 광조도의 관계

   : 광세기는 광조도계의 기준면으로부터 광원까지의 거리를 알아야 결정할 수 있다. 이 때 광원은 점광원으로 가정됨

   : 광조도는 한 면에 떨어지는 광선속을 측정하는 작업이라 매우 단순함

 

 

- '확산 돔'을 가진 광조도계를 사용할 경우,

  작업자 자신으로부터 반사된 빛이 영향을 줄 수 있음을 고려해야 함. 측정 시 가능하면 주변에 물건이 없도록 함