광도계
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1. 개요
광도계는 빛의 세기를 측정하는 데 사용되는 기기이다. 초기에는 눈으로 광원을 비교하여 광도를 측정했으며, 럼퍼드 광도계, 리치 광도계 등이 사용되었다. 현대의 광도계는 광저항, 광다이오드, 또는 광증배관을 사용하여 빛을 감지하며, 빛의 파장 또는 스펙트럼 분포를 분석할 수 있다. 광도계는 사진 촬영, 과학 연구, 산업 등 다양한 분야에서 활용된다.
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광도계 | |
---|---|
지도 | |
기본 정보 | |
정의 | 광원의 밝기나 빛의 강도를 측정하는 기기 |
관련 분야 | 분광학 천문학 사진술 조명 |
작동 원리 | |
기본 원리 | 광전 효과를 이용한 빛 에너지 측정 |
주요 구성 요소 | 광원 필터 또는 분광기 광검출기 신호 처리 장치 |
측정 대상 | 광속 (Luminous flux) 조도 (Illuminance) 광도 (Luminous intensity) 휘도 (Luminance) 흡광도 (Absorbance) 투과율 (Transmittance) |
종류 | |
분광 광도계 | 특정 파장의 빛을 측정하는 기기 |
적분구 광도계 | 광원의 전체 광속을 측정하는 기기 |
휘도계 | 물체의 휘도를 측정하는 기기 |
조도계 | 특정 면의 조도를 측정하는 기기 |
UV 광도계 | 자외선 영역의 빛을 측정하는 기기 |
방사선 광도계 | 전자기파의 에너지를 측정하는 기기 |
활용 분야 | |
과학 연구 | 분광학 연구 천문 관측 물질 분석 |
산업 | 조명 기기 품질 관리 사진 장비 교정 디스플레이 측정 환경 측정 (수질 분석 등) |
일상 생활 | 사진 촬영 조명 환경 설정 식물 생장 연구 |
기타 | |
주의 사항 | 정확한 측정을 위해 기기 교정 필요 측정 환경 및 빛의 파장에 따른 측정값 변화 고려 필요 |
측정 단위 | 럭스 (조도) 칸델라 (광도) 루멘 (광속) 칸델라 매 제곱미터 (휘도) |
2. 역사
전자 감광 요소가 개발되기 전에는 눈으로 광도측정을 했다. 광원의 상대 광속은 표준 광원과 비교되었다. 광도계는 조사 중인 광원에서 나오는 조도가 표준 광원과 같도록 배치되는데, 인간의 눈은 같은 조도를 판단할 수 있기 때문이다. 그러면 조도는 거리의 제곱에 반비례하여 감소하므로 상대 광속을 계산할 수 있었다. 이러한 광도계의 표준적인 예로는 기름 얼룩이 있어 약간 더 투명해진 종이 조각이 있었다. 양쪽에서 얼룩이 보이지 않으면 양쪽의 조도가 같았다.[1]
1861년까지 럼퍼드 광도계, 리치 광도계, 그리고 그림자 소멸을 이용한 광도계의 세 가지 유형이 일반적으로 사용되었는데, 이 중 그림자 소멸을 이용한 광도계가 가장 정밀한 것으로 여겨졌다.[1]
2. 1. 초기 광도계
전자 감광 요소가 개발되기 전에는 눈으로 광도를 추정하여 광도측정을 했다. 광원의 상대 광속은 표준 광원과 비교되었다. 광도계는 조사 중인 광원에서 나오는 조도가 표준 광원과 같도록 배치되는데, 인간의 눈은 같은 조도를 판단할 수 있기 때문이다. 그러면 조도는 거리의 제곱에 반비례하여 감소하므로 상대 광속을 계산할 수 있다. 이러한 광도계의 표준적인 예로는 기름 얼룩이 있어 약간 더 투명해진 종이 조각이 있다. 양쪽에서 얼룩이 보이지 않으면 양쪽의 조도가 같다.[1]1861년까지 세 가지 유형이 일반적으로 사용되었다. 럼퍼드 광도계, 리치 광도계, 그리고 그림자 소멸을 이용한 광도계였는데, 이는 가장 정밀한 것으로 여겨졌다.[1]

럼퍼드 광도계(그림자 광도계라고도 함)는 더 밝은 빛이 더 짙은 그림자를 드리운다는 원리에 기반을 두었다. 비교할 두 개의 광원을 사용하여 종이 위에 그림자를 드리웠다. 그림자의 깊이가 같다면 광원의 거리 차이가 강도의 차이를 나타낸다(예: 두 배 더 먼 거리에 있는 광원은 강도가 네 배임을 의미).

리치의 광도계는 표면의 균일한 조명에 의존한다. 이것은 길이 6~8인치, 너비와 깊이가 1인치인 상자(a,b)로 구성된다. 중앙에는 나무 조각(f,e,g)이 위쪽으로 각도를 이루고 흰 종이로 덮여 있다. 사용자의 눈은 상자 상단의 관(d)을 통해 본다. 장치의 높이는 스탠드(c)를 통해 조절할 수도 있다. 비교할 조명은 상자의 측면(m, n)에 배치되어 종이 표면을 비추므로 눈으로 두 표면을 동시에 볼 수 있다. 조명의 위치를 변경하여 두 표면을 균일하게 비추도록 하면 강도의 차이는 거리 차이의 제곱에 해당한다.
이러한 광도계는 불투명한 물체가 흰 스크린에 그림자를 드리우면, 두 번째 광원을 특정 거리에 가져다 놓으면 그림자의 모든 흔적이 사라진다는 사실에 기반을 두었다.
2. 2. 19세기 광도계
전자 감광 요소가 개발되기 전에는 눈으로 추정하여 광도측정을 했다. 광원의 상대 광속은 표준 광원과 비교되었다. 광도계는 조사 중인 광원에서 나오는 조도가 표준 광원과 같도록 배치되는데, 인간의 눈은 같은 조도를 판단할 수 있기 때문이다. 그러면 조도는 거리의 제곱에 반비례하여 감소하므로 상대 광속을 계산할 수 있었다. 이러한 광도계의 표준적인 예로는 기름 얼룩이 있어 약간 더 투명해진 종이 조각이 있었다. 양쪽에서 얼룩이 보이지 않으면 양쪽의 조도가 같았다.[1]1861년까지 세 가지 유형이 일반적으로 사용되었다. 럼퍼드 광도계, 리치 광도계, 그리고 그림자 소멸을 이용한 광도계였는데, 이는 가장 정밀한 것으로 여겨졌다.
럼퍼드 광도계(그림자 광도계라고도 함)는 더 밝은 빛이 더 짙은 그림자를 드리운다는 원리에 기반을 두었다. 비교할 두 개의 광원을 사용하여 종이 위에 그림자를 드리웠다. 그림자의 깊이가 같다면 광원의 거리 차이가 강도의 차이를 나타냈다(예: 두 배 더 먼 거리에 있는 광원은 강도가 네 배임을 의미).
리치의 광도계는 표면의 균일한 조명에 의존한다. 이것은 길이 6~8인치, 너비와 깊이가 1인치인 상자(a,b)로 구성된다. 중앙에는 나무 조각(f,e,g)이 위쪽으로 각도를 이루고 흰 종이로 덮여 있다. 사용자의 눈은 상자 상단의 관(d)을 통해 본다. 장치의 높이는 스탠드(c)를 통해 조절할 수도 있다. 비교할 조명은 상자의 측면(m, n)에 배치되어 종이 표면을 비추므로 눈으로 두 표면을 동시에 볼 수 있다. 조명의 위치를 변경하여 두 표면을 균일하게 비추도록 하면 강도의 차이는 거리 차이의 제곱에 해당한다.
이러한 광도계는 불투명한 물체가 흰 스크린에 그림자를 드리우면, 두 번째 광원을 특정 거리에 가져다 놓으면 그림자의 모든 흔적이 사라진다는 사실에 기반을 두었다.
3. 광도계의 원리
대부분의 광도계는 광저항, 광다이오드, 또는 광증배관을 사용하여 빛을 검출한다. 빛을 분석하기 위해 광도계는 필터 또는 단색화장치를 통과시켜 특정 파장의 빛을 측정하거나, 빛의 스펙트럼 분포를 측정할 수 있다.
3. 1. 광자 계수 (Photon counting)
일부 광도계는 들어오는 복사속이 아닌 개별 광자를 세는 방식으로 빛을 측정한다. 작동 원리는 동일하지만, 그 결과는 W/cm2 또는 W·cm−2·sr−1이 아닌, 광자/cm2 또는 광자·cm−2·sr−1과 같은 단위로 표시된다.이러한 개별 광자 계수 방식은 조사도가 낮은 관측에만 적용 가능하다. 조사도는 검출기 판독 전자 장치의 시간 분해능에 의해 제한되는데, 현재 기술 수준에서는 메가헤르츠 범위이다. 최대 조사도는 검출기 자체의 처리량 및 이득 변수에 의해서도 제한된다.
근적외선, 가시광선 및 자외선 파장에서 광자 계수 장치의 광 감지 요소는 충분한 감도를 얻기 위해 광전 증배관을 사용한다.
항공 및 우주 기반 원격 탐사에서 이러한 광자 계수기는 전자기 스펙트럼의 상위 영역, 예를 들어 X선에서 극자외선까지 사용된다. 이는 일반적으로 측정 대상의 복사 강도가 낮고, 저주파의 빛이 파동성을 띠는 것에 비해 고에너지 빛은 입자성을 이용해 측정하기가 더 어렵기 때문이다. 반대로, 방사계는 가시광선에서 적외선 및 무선 주파수 범위까지의 원격 탐사에 주로 사용된다.
4. 종류
광도계는 측정 방식, 용도, 측정 대상에 따라 여러 종류로 나뉜다.
'''측정 방식에 따른 분류'''
- 광전 광도계: 광저항, 광다이오드, 광증배관 등의 광검출기를 사용하여 빛의 세기를 측정한다.
- 필터 광도계: 광학 필터를 사용하여 특정 파장의 빛만 통과시켜 측정한다. 생화학 및 분석 화학 분야에서 용액 속 물질의 농도를 측정하는 데 사용된다.
- 분광 광도계: 단색화 장치를 사용하여 특정 파장의 빛을 얻어 측정한다. 필터 광도계보다 더 유연하고 정밀하여 연구 목적에 적합하다.
- 광자 계수 광도계: 빛을 개별 광자 단위로 측정한다. 주로 방사강도가 낮은 X선, 자외선 등의 전자기 스펙트럼 영역에서 사용된다.
'''용도에 따른 분류'''
- 노출계: 사진 촬영 시 적절한 노출을 결정하는 데 사용된다. 과거에는 카메라와 별도로 사용되었으나, 현대 카메라에는 광도계가 내장되어 있다.
- 반사 광도계: 주로 도료 산업에서 표면의 색상을 객관적으로 측정하는 데 사용된다.
- 흡광 광도계: 생화학과 분석 화학에서 비어-람베르트 법칙을 이용하여 용액 속 색깔 있는 물질의 농도를 측정하는 데 사용된다.
'''측정 대상에 따른 분류'''
광도계는 특정 파장에서 빛을 측정하거나, 필터 또는 단색화장치를 사용하여 빛의 스펙트럼 분포를 분석할 수 있다.
4. 1. 측정 방식에 따른 분류
대부분의 광도계는 광저항, 광다이오드, 또는 광증배관을 사용하여 빛을 검출한다. 빛을 분석하기 위해 광도계는 필터 또는 단색화장치를 통과한 후의 빛을 특정 파장에서 측정하거나 빛의 스펙트럼 분포를 분석할 수 있다.[1]일부 광도계는 들어오는 복사속이 아닌 개별 광자를 계수하여 빛을 측정한다. 작동 원리는 동일하지만 결과는 W/cm2 또는 W·cm−2·sr−1이 아닌 광자/cm2 또는 광자·cm−2·sr−1과 같은 단위로 표시된다.
개별 광자 계수 방식이기 때문에 이러한 기기는 조사도가 낮은 관측에 제한된다. 조사도는 관련 검출기 판독 전자 장치의 시간 분해능에 의해 제한되며, 현재 기술 수준에서는 메가헤르츠 범위이다. 최대 조사도는 검출기 자체의 처리량 및 이득 매개변수에 의해서도 제한된다.
근적외선, 가시광선 및 자외선 파장에서 광자 계수 장치의 광 감지 요소는 충분한 감도를 얻기 위해 광전 증배관이다.
항공 및 우주 기반 원격 탐사에서 이러한 광자 계수기는 X선에서 극자외선까지 전자기 스펙트럼의 상위 영역에서 사용된다. 이는 일반적으로 측정 대상의 복사 강도가 낮고, 고에너지의 빛을 입자적 특성을 사용하여 측정하는 것이 저주파의 빛의 파동적 특성을 이용하는 것보다 어렵기 때문이다. 반대로, 방사선계는 일반적으로 가시광선에서 적외선 및 무선 주파수 범위까지의 원격 탐사에 사용된다.
반사광도계는 파장의 함수로 표면의 반사율을 측정하는 장치이다. 표면에 백색광을 비추고, 단색화장치를 통과한 반사광을 측정한다. 이러한 측정 방식은 주로 도료 산업과 같이 실용적인 응용 분야에서 표면의 색상을 객관적으로 특징짓는 데 사용된다.
흡광 광도계는 용액 속 색깔 있는 물질의 특정 파장(또는 특정 파장 범위)의 빛 흡수를 측정하는 광학 기기이다. 빛 흡수를 통해 비어-람베르트 법칙을 이용하여 용액 속 색깔 있는 물질의 농도를 계산할 수 있다. 광범위한 응용 분야와 신뢰성 및 견고성으로 인해 광도계는 생화학과 분석 화학의 주요 기기 중 하나가 되었다. 수용액에서 작동하는 흡광 광도계는 약 240nm에서 750nm까지 자외선 및 가시광선 영역에서 작동한다.
분광 광도계와 필터 광도계의 원리는 가능한 한 단색광이 용액이 들어있는 광학적으로 평평한 창이 있는 용기(셀)를 통과하도록 하는 것이다. 그런 다음 빛 검출기에 도달하여 색깔 있는 물질이 없는 동일한 용매를 포함하는 동일한 셀을 통과한 후의 세기와 비교하여 빛의 세기를 측정한다. 빛의 세기 비율과 색깔 있는 물질의 빛 흡수 능력(색깔 있는 물질의 흡광도 또는 특정 파장에서 색깔 있는 물질 분자의 광자 단면적)을 알면 비어-람베르트 법칙을 사용하여 물질의 농도를 계산할 수 있다.
분광 광도계와 필터 광도계, 두 가지 유형의 광도계가 사용된다. 분광 광도계에서는 단색화 장치(프리즘 또는 회절격자)를 사용하여 특정 파장의 단색광을 얻는다. 필터 광도계에서는 광학 필터를 사용하여 단색광을 얻는다. 따라서 분광 광도계는 서로 다른 파장에서 흡광도를 측정하도록 쉽게 설정할 수 있으며, 흡수 물질의 스펙트럼을 스캔하는 데에도 사용할 수 있다. 이러한 방식으로 필터 광도계보다 유연하며 분석 광의 광학적 순도가 더 높으므로 연구 목적으로 사용하는 것이 좋다. 필터 광도계는 저렴하고 견고하며 사용하기 쉬워 일상적인 분석에 사용된다. 마이크로플레이트용 광도계는 필터 광도계이다.
적외선을 이용한 분광광도법은 주어진 작용기가 특정 파장에서 흡수를 나타내므로 물질의 구조 연구에 주로 사용된다. 물이 일부 파장 범위에서 적외선을 강하게 흡수하므로 수용액에서의 측정은 일반적으로 불가능하다. 따라서 적외선 분광법은 기체 상태(휘발성 물질의 경우)에서 수행하거나 적외선 영역에서 투명한 염과 함께 물질을 정제로 압축하여 수행한다. 이 목적으로 브롬화칼륨(KBr)이 일반적으로 사용된다. 시험 대상 물질을 특수하게 정제된 KBr과 완전히 혼합하여 투명한 정제로 압축한 후 광선에 놓는다. 파장 의존성 분석은 UV-Vis에서처럼 일반적으로 단색화 장치를 사용하여 수행하지 않고 간섭계를 사용하여 수행한다. 간섭 패턴은 푸리에 변환 알고리즘을 사용하여 분석할 수 있다. 이 방법으로 전체 파장 범위를 동시에 분석하여 시간을 절약할 수 있으며, 간섭계는 단색화 장치보다 저렴하다. 적외선 영역에서 흡수되는 빛은 연구 대상 물질의 전자 여기가 아니라 다양한 종류의 진동 여기에 해당한다. 진동 여기는 분자 내의 서로 다른 작용기의 특징이며, 이를 통해 확인할 수 있다. 적외선 스펙트럼은 일반적으로 매우 좁은 흡수선을 가지므로 정량 분석에는 적합하지 않지만 분자에 대한 매우 자세한 정보를 제공한다. 다양한 진동 모드의 주파수는 동위 원소에 따라 다르므로 서로 다른 동위 원소는 서로 다른 피크를 나타낸다. 따라서 적외선 분광광도법으로 시료의 동위원소 조성을 연구하는 것도 가능하다.
원자흡광 광도계는 매우 뜨거운 불꽃에서 나오는 빛을 측정하는 광도계이다. 분석할 용액은 일정하고 알려진 속도로 불꽃 속에 주입된다. 용액 속 금속은 불꽃 속에서 원자 형태로 존재한다. 이러한 유형의 광도계에서 단색광은 방전 램프에 의해 생성되는데, 여기서 방전은 측정할 금속이 포함된 기체에서 발생한다. 그러면 방전은 금속의 스펙트럼 선에 해당하는 파장의 빛을 방출한다. 필터를 사용하여 분석할 금속의 주요 스펙트럼 선 중 하나를 분리할 수 있다. 빛은 불꽃 속 금속에 의해 흡수되고, 이 흡수를 이용하여 원래 용액에 있는 금속의 농도를 결정한다.
4. 2. 용도에 따른 분류
현대의 카메라에는 일반적으로 광도계가 내장되어 있으며, 사진 촬영에서 적절한 노출을 결정하는 데 사용된다. 고급 광도계는 사진의 여러 부분에서 광 강도를 측정하고 알고리즘을 사용하여 최적의 노출을 결정한다. 과거에는 광도계가 카메라와 별개였으며 노출계로 알려져 있었다.[1]광도계에 따라서는 입사 방사속이 아니라 광자를 계수하여 측정하기도 한다. 일반적인 광도계는 W/cm² 또는 W·cm⁻²·sr⁻¹ 단위를 사용하지만, 광자를 계수하는 광도계는 photons/cm² 또는 photons·cm⁻²·sr⁻¹ 단위를 사용한다.
개별 광자를 계수하는 방식은 측정 가능한 방사강도가 낮은 경우에 한정된다. 방사강도의 상한은 검출기의 판독 회로의 시간 분해능(현재 기술로는 메가헤르츠 범위)과 검출기 자체의 처리량 및 이득 계수에 의해 제한된다.
항공우주 분야의 원격탐사에서는 X선이나 자외선과 같은 전자기 스펙트럼의 상한 부분에 광자 계수기를 사용한다. 이는 측정 대상의 방사강도가 낮고, 고에너지 빛의 입자적 성질을 이용한 측정이 어렵기 때문이다. 반대로 가시광선 이하 주파수의 전자기파 원격탐사에는 일반적으로 방사계를 사용한다.
4. 3. 측정 대상에 따른 분류
대부분의 광도계는 광저항, 광다이오드 또는 광증배관을 사용하여 빛을 검출한다. 빛을 분석하기 위해 광도계는 특정 파장에서 측정하거나 빛의 스펙트럼 분포를 분석하기 위해 필터 또는 단색화장치를 통과한 후의 빛을 측정할 수 있다.[1]일부 광도계는 들어오는 복사속이 아닌 개별 광자를 계수하여 빛을 측정한다. 작동 원리는 동일하지만 결과는 W/cm2 또는 W·cm−2·sr−1이 아닌 광자/cm2 또는 광자·cm−2·sr−1과 같은 단위로 표시된다.[1]
개별 광자 계수 방식이기 때문에 이러한 기기는 조사도가 낮은 관측에 제한된다. 조사도는 관련 검출기 판독 전자 장치의 시간 분해능에 의해 제한된다. 현재 기술 수준에서는 메가헤르츠 범위이다. 최대 조사도는 검출기 자체의 처리량 및 이득 매개변수에 의해서도 제한된다.[1]
항공 및 우주 기반 원격 탐사에서 이러한 광자 계수기는 전자기 스펙트럼의 상위 영역, 예를 들어 X선에서 극자외선까지 사용된다. 이는 일반적으로 측정 대상의 방사 강도가 낮고 저주파의 빛의 파동적 특성과 비교하여 고에너지의 빛을 입자적 특성을 사용하여 측정하는 것이 어렵기 때문이다. 반대로, 방사선계는 일반적으로 가시광선에서 적외선 및 무선 주파수 범위까지의 원격 탐사에 사용된다.[1]
5. 응용 분야
광도계는 사진 촬영에서 적절한 노출을 결정하는 데 사용된다. 현대의 카메라에는 일반적으로 광도계가 내장되어 있다. 사진의 여러 부분의 조명이 다르기 때문에, 고급 광도계는 잠재적인 사진의 여러 부분에서 광 강도를 측정하고 알고리즘을 사용하여 최종 사진에 가장 적합한 노출을 결정하며, 의도한 사진 유형에 맞게 알고리즘을 조정한다(측광 모드 참조). 과거에는 광도계가 카메라와 별개였으며 노출계로 알려져 있었다. 그 당시 고급 광도계는 잠재적인 사진 전체의 빛을 측정하거나, 사진의 요소를 측정하여 사진의 가장 중요한 부분이 최적으로 노출되도록 하거나, 적분 어댑터를 사용하여 장면에 입사하는 빛을 측정하는 데 사용할 수 있었다.[1]
광도계에 따라서는 입사 방사속이 아니라 광자를 계수하여 측정하는 경우가 있다. 방식은 같지만, 얻어지는 값의 단위는 photons/cm² 또는 photons·cm⁻²·sr⁻¹이 된다. 일반적인 광도계는 W/cm² 또는 W·cm⁻²·sr⁻¹을 사용한다.[1]
개별 광자를 계수하기 때문에, 측정 가능한 방사강도는 낮은 것에 한정된다. 방사강도의 상한은 해당 검출기의 판독 회로의 시간 분해능에 따라 결정된다. 현재 기술에서는 시간 분해능이 메가헤르츠 범위에 있다. 방사강도의 상한은 또한 검출기 자체의 처리량과 이득 계수에 의해서도 제한된다.[1]
항공우주 분야의 원격탐사에서는, 그러한 광자 계수기를 X선이나 자외선과 같은 전자기 스펙트럼의 상한 부분에 사용한다. 이는 일반적으로 측정 대상의 방사강도가 낮기 때문이며, 동시에 저주파의 빛의 파동적 성질에 비해 고에너지 빛의 입자적 성질을 이용한 측정이 어렵기 때문이기도 하다. 반대로 가시광선 이하의 주파수의 전자기파에 의한 원격탐사에는 일반적으로 방사계를 사용한다.[1]
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