광원

광원의 종류

어둠 속에 빨간 사과가 있다면 우리들은 사과의 색을 볼 수 있을까. 또 빛이 있어도 촛불의 빛과 수은 등의 빛이 비치는 사과의 색은 왜 다르게 보일까. 우리들은 어둠 속에서 물체를 봐도 그 색이나 형태를 식별할 수 없다. 다시 말해, 우리들이 색이나 형태를 식별하기 위해서는 빛이 있어야만 한다. 거기에 빛이 반사될 사물이 필요하고, 그 물체를 볼 사람의 눈이 필요하다. 이때 빛을 발하는 근원을 광원이라고 한다. 그 광원 중 가장 일상적으로 이용되는 것이 태양광이다. 또한, 밤에도 물체를 보기 위해 예전에는 모닥불이나 촛불, 가스등 등을 이용했으며 나아가 백열등이 발명되었다. 이렇게 광원은 자연의 빛과 인공적으로 만들어진 빛의 2가지로 분류된다. 즉, 자연의 빛인 태양광을 「자연 광원」이라 하고, 인공적으로 만들어진 백열등 등을 「인공광원」이라고 한다. 이 인공광원은 그 발광의 방법에 따라 다시 열방사와 방전으로 분류된다.

 

태양광이 유일한 자연 광원

자연 광원으로 생각할 수 있는 유일한 것이 태양광이다. 지구에서 1억 4,950만 km 떨어져 있는 태양에서 도달하는 태양광은 대기 중에서 산란에 의해, 특히 단파장이 큰 영향을 받아 지표와 대기권 밖 사이에 큰 차이를 가져온다. 이것은 대기 중에 들어온 빛이 대기권밖에는 존재하지 않는 수분이나 티끌로 인해 생기는 변화이다. 지구 대기에 도달하기 전까지 빛은 산란이 일어나지 않은 태양 빛이지만, 대기권 안에 들어오면 파장에 의해 산란의 정도가 달라진다. 이것은 산란 부분에서 설명했다. 태양광이라도 원래의 태양광과 산란된 태양광은 단파장의 성분에서 크게 차이 난다. 그러므로 시간이나 장소에 따라 그 분광분포가 달라, 1개의 분광분포로 나타낼 수 없는 것이다.

 

온도에 따라 색감이 다른 인공광원

인공광원에는 뜨거워진 물질이 빛을 발하는 「열방사」와 유리관에 기체를 넣어 압력을 가하는 것으로, 기체가 반응하여 빛을 발하는 「방전」이 있다. 열방사를 이용한 것에는 필라멘트를 달구어 빛을 발하게 하는 백열전구가 있다. 방전의 예로는 형광등이나 수은램프, 나트륨램프 등이 있다. 빛의 색은 빛을 발하는 물체의 색온도에 따라 다르다. 다시 말해, 온도가 낮은 경우 분광분포는 장파장의 성분이 많고, 오른쪽으로 올라가는 분광분포로 붉은빛이 도는 빛이 된다. 반대로 온도가 높으면 단파장의 성분이 많은 왼쪽으로 올라가는 분광분포로 푸른 빛의 빛이 된다. 이 광원의 색을 나타낼 때 「색온도」를 사용한다. 이 색온도는 K(켈빈)라는 단위로 나타낸다. 덧붙이자면 촛불의 색온도는 1920K, 백열전구는 2800K이며 일반적으로 3000K 이하의 광원은 붉은빛이 도는 색을 하고 있다. 빛의 색은 온도가 올라감에 따라 빨강부터 노랑, 흰색으로 변화하고 표준적인 주광의 색온도는 5000K이다. 게다가 온도가 높아지면 청백색으로 색이 변화하여 7000K를 넘으면 파랑을 띤 색으로 변해간다. 가정의 형광등을 교환할 때 실내 조명의 조화를 맞추기 위해서는 이러한 색온도를 맞추는 일이 중요하다. 시판되는 램프에는 색온도의 차이에 따라 5종류의 표시가 있다. L(전구색), WW(온백색), W(백색), N(주백색), D(주광색)로 기재가 되어 있는데 이 표시를 식별하여 목적에 맞는 조명을 선택할 수 있다.

 

광원의 색이 물체의 인식 방법을 결정한다

백화점에서 색이 마음에 들어 산 양복을 집에서 보니 다른 색으로 보였던 경험이 있을 것이다. 지금은 없어졌지만 형광등이 실용화된 초기에는 형광등 아래에서 본 고기가 상한 것처럼 보여 평가가 좋지 않았던 적이 있었다. 이것은 조명의 영향이라고 말할 수 있다. 이렇듯, 광원이 물체의 색을 보는 데 영향을 주는 효과를 「연색성」이라고 한다. 조명 광원에 의해 얼마나 색이 변하는가를 관찰해보자. 사람의 얼굴을 밤에 백열전구 아래서 봤을 경우와 낮에 태양광 아래서 본 경우를 비교해보자. 백열전구의 분광분포는 오른쪽으로 올라가는 붉은빛이다. 반면 태양광은 비교적 평평한 흰빛이다. 따라서 백열전구 아래서는 피부의 흡수 특성 때문에 반사되어 눈에 들어노는 빛의 색이 태양광 아래서 보는 것보다 붉은빛을 띠는 것처럼 보인다. 이것이 태양광과 백열전구의 연색성의 차이다. 이러한 연색의 효과를 일상에서 그다지 느끼지 않는 것은 색의 항상성이 작용하고 있기 때문이다. 이렇게 광원이 변화함에 따라 색이 변하는 것은 비교적 고채도의 색에서는 잘 일어나지 않고 저채도의 색에서 잘 일어난다.

 

<참고>

흑체와 열방사

같은 온도의 물체 내에서 최대의 열방사를 발하는 이상적인 물체를 흑체 또는 완전방사체라고 한다. (흑체는 이론적인 물체이며, 실제로는 존재하지 않는다)온갖 물체는 섭씨 -273.15도가 되면 분자운동이 0이 되고 열에너지가 없어진다. 이것을 절대영도라고 하며, K라는 단위로 표시한다. 흑체가 발하는 분광방사와 온도의 사이에는 일정한 관계가 있다. 흑체에서 발한 가시광선의 분광분포는 온도가 낮으면 장파장의 성분이 많은 오른쪽으로 올라가는 분포가 되고 계속 온도가 높아지면 분광분포는 거꾸로 단파장의 성분이 많은 왼쪽으로 올라가는 분포가 된다. 

 

나트륨램프와 방전

고속도로 터널 안에서 노란색의 조명을 보게 되는데, 이것이 나트륨램프이다. 나트륨램프는 방전현상을 이용한 조명이다. 유리관에 넣은 기체의 압력이 낮으면 방전에 의해 얻어지는 가시광선은 볓 개의 단파장만을 포함한 빛이 되고, 압력이 높으면 모든 파장을 포함한 빛이 된다. 이 경우 저압일 때는 단파장의 빛만이 줄기처럼 분포하기 때문에 「선 스펙트럼」이라고 부른다. 또한 고압일 때는 모든 파장이 포함되어 있기 때문에 연속 스펙트럼이 된다. 일반 방전램프는 굉장히 밝은 광원으로 체육관이나 운동장의 조명으로 사용한다.