밝기의 단위 - 광량 (Photometry)

지난 포스팅에서는 복사량의 단위를 계산하는 radiometry에 대해서 알아보았습니다.

 

Radiometry와 Photometry...영상처리나 비전, 컴퓨터 그래픽스를 공부하면서 한 번쯤은 들어봤음직한 용어지만 제대로 구분하여 부르는 사람은 많지 않습니다. 이 둘 의 차이점은 무엇이고 우리는 어떻게 구분하여 사용해야 할까요?

사전적 의미를 미루어 짐작해보면 radiometry는 복사량 측정과 관련된 내용이고 photometry는 광량을 측정하는 내용인듯 합니다.

 

우선, 두 용어의 차이를 알아보죠.

Radiometry와 Photometry의 차이

Radiometry는 전자기파의 모든 범위(모든 파장대)에서의 빛의 양(복사량)을 측정하는 반면, Photometry는 사람의 눈이 인지할 수 있는 범위(가시광선)의 빛을 측정하는 것입니다.

 

그래서 Radiometry와 관련된 물리량을 복사량, Photometry와 관련된 물리량을 광량이라고도 하는 것입니다.

Radiometry는 보통 가시광선은 물론, 자외선, 적외선까지의 빛을 모두 포함합니다.

뜨겁게 달궈진 다리미를 생각해보죠. 다리미는 우리 눈으로만 보기에는 뜨거운지 그렇지 않은지 확인할 수 없고 만져보아야만 상태를 알 수 있습니다. 

실제로 달궈진 다리미는 흑체 복사 이론에 의해 많은 양의 복사 에너지를 내뿜고 있습니다.

즉, Radiometry 측면에서 매우 큰 복사량을 가지고 있다고 얘기할 수 있습니다. 

 

다음 포스팅을 참고하시기 바랍니다.

 

복사 에너지의 단위 - 복사량 (radiometry)

 

 

반면, photometry는 앞서 설명한 것처럼 사람의 눈이 인지할 수 있는 가시광선 대역에서의 에너지 크기를 측정하는 단위입니다. 다리미 같은 경우는 뜨거워지나 차가워지나 우리가 볼때는 똑같은 밝기(색상)로 보입니다.

즉, Photometry 측면에서 뜨거워진 다리미라도 높지 않은 광량을 가지고 있다고 얘기할 수 있습니다.

 

평소에 Lux, 럭스 또는 룩스라는 단위를 들어보셨을겁니다. 
'새 집의 인테리어를 꾸미는데 조명은 300lux가 되어야 한다.' 와 같이 쉽게 얘기해서 광량이란 우리가 실제로 느끼는 밝기를 의미합니다. 즉, 조명이 밝은 곳은 photometry 측면에서 높은 값을 가지고 있고 어두운 곳은 photometry 측면에서 낮은 값을 가지고 있는 것이죠.

식탁위에 올려져 있는 냄비가 뜨거운지 아닌지 우리 눈에 보이는 냄비의 밝기 만으로는 확인할 수 없는 것처럼 물체의 온도는 photometry 측면에서 값의 크고 작음에 영향을 주지 않습니다. 단지 빛의 밝고 어두움을 비교하는 단위라고 생각하면 됩니다. 

(*물론 가시광선 대역의 에너지를 방출하는 수천 K 이상의 뜨거운 물체라면 이야기가 다릅니다. 6000K의 태양은 눈에 보기에도 매우 높은 광량을 가지지만 복사량도 어마어마하게 큽니다.)

Photometric measure

그렇다면 photometry를 측정하는 Measure에는 어떤 것들이 있을까요? 직관적으로도 밝으면 높은 값을 가질테고 어두우면 낮은 값을 가질 것으로 생각할 수 있습니다.

고맙게도 photometric measure들은 radiometric measure들과 1:1로 맵핑이 됩니다.

그래서 쉽습니다.

아래 표와 같이
Radiant flux는 Luminous flux로
Radiant intensity는 Luminous intensity로
Radiance는 Luminance로
Irradiance는 Illuminance로 각각 대응이 됩니다.

이제 각각 의미하는 바가 무엇인지 살펴보겠습니다.

■ Luminous flux(광선속)는 luminous power 라고도 하며 radiant flux(복사선속)에 대응하는 개념입니다. Luminous flux의 기본 단위는 lumen(lm)이고 밝기의 단위입니다. 한 공간 또는 지점의 절대적인 밝기가 밝으면 높은 값을 가지고 어두우면 낮은 값을 가집니다.

그렇다면 밝기를 측정하는 단위는 어떤 것들이 있을까요?

■ Luminous intensity(광도) 는 한 지점의 면적에 관계없이 특정 방향의 단위 입체각으로 나가는 광선속입니다. 단위는 lm/sr 또는 줄여서 cd(칸델라)로 표기합니다.

■ Luminance(휘도) 는 radiance(복사휘도)와 유사한 개념이며 한 지점의 단위 면적에서 특정 방향의 단위 입체각으로 나가는 광선속입니다. 단위는 lm/sr/m2이고 줄여서 nt(니트)로 표기하기도 합니다.

Luminance는 특정 위치에서 한 지점을 바라볼 때 사람 눈이 인지하는 밝기를 측량하는 단위로 생각할 수 있습니다.  사람눈은 한 지점에서 특정 각도로 반사한 빛만 인지할 수 있기 때문이죠. 마찬가지로 카메라로 사진을 찍었을때 사진의 밝기가 휘도에 따라 결정된다고 볼 수 있습니다.

■ Illuminance (조도) 는 irradiance (복사조도)에 대응하는 개념이며 한 지점으로 들어오는 빛의 세기, 단위 면적당 도달하는 광선속이며 단위는 lm/m2 또는 lux (lx;럭스)를 사용합니다. 보통 조명의 밝기를 나타내는 표준 단위이기도 합니다.
여러 상황에서의 평균적인 조도는 아래와 같습니다.

보름달, 밝은 달  0.25 lux
촛불  1 lux
해질녁  400 lux
대낮의 태양 100,000 lux
밝은 조명의 실내 사무실 1,000 lux
평균적인 거실 100 lux

우리가 조명을 고를때 조명의 spec에 lux가 있으니 원하는 밝기 값에 해당하는 lux인지 확인하면 됩니다. 

 

정리

1. 광량을 측정하는 개념을 Photometry라고 하며 사람 눈이 인지할 수 있는 가시광 영역대에서의 전자기복사 에너지를 뜻합니다. 복사된 에너지가 가지는 에너지인 Radiometry와 구분해야 합니다.

2. 광량을 계측하는 단위로 크게 네 가지 개념을 사용합니다.
 1) 광선속: 광원에서 방출되는 광원의 총량, 단위는 lm(루멘)
 2) 광도: 광원에서 특정 방향으로 나오는 빛의 세기, 단위는 lm/sr
 3) 휘도: 사람 눈으로 들어오는 빛의 세기, 단위는 lm/m2/sr
 4) 조도: 특정 지점에 들어오는 빛의 세기, 단위는 lm/m2 or lux

 

오늘은 밝기의 단위인 Photometry에 대한 설명을 드렸는데 어렵진 않았을거라 생각됩니다.

 

Photometry는 주로 가시광 대역의 영상(CCD 카메라)을 처리하는데 있어 필수적으로 이해해야 하는 내용입니다.

 

잘 이해가 되지 않는 내용은 댓글 달아주시기 바랍니다.

 

읽어 주셔서 감사합니다.

 

 

[출처] 직접작성 (last updated: 2021.03.20)
[참고자료]
https://en.wikipedia.org/wiki/Photometry_(optics)
Ian Ashown. "Photometry and Radiometry" A Tour Guide for Computer Graphics Enthusiasts

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