[LIGHT] 빛의 이론

빛의 이론

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목차

 

 1. 빛의 속성

 

 2. 빛의 특징

• 직진성
• 반사
• 굴절
• 간섭
• 산란
• 회절
• 편광

 

 3. 파장에 따른 빛의 종류와 특징

 

 4. 광원의 종류

• 자연광
• 인공광

 5. 자연광의 특징

 

 6. 인공광의 특징

 

 7. 인공광의 종류

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빛의 속성

 빛은 에너지이고, 파동과 입자의 이중성을 띄고 있다.

 

인류는 빛을 파동인지, 입자인지 논란이 많았다.  18세기 뉴턴의 지지에 입자설이 우세했었고, 19세기 토마스영의 "이중 슬릿 실험"을 통해 파동설이 우위를 점하였으며, 맥스웰은 빛과 전자기파가 본질적으로 같다는 전자기파설을 주장하였다.  20세기에 플라크의 양자가설 등에 의해 입자성이 다시 증명되었고, 이후 빛은 입자와 파동의 성질을 동시에 가지는 것으로 합의하였다. 

 

이중슬릿 실험 결과물

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빛의 특징

• 직진성 : 빛은 곡선의 형태가 아닌 방향성을 가지고 직진한다.
• 반사 : 빛이 어떤 물체에 닿아 앞으로 나아가지 못하고 다시 되돌아오는 현상.
• 굴절 : 빛이 통과하는 매질이 바뀌면, 빛이 앞으로 나아가는 속도가 변하여, 다른 매질로 비스듬하게 진행할 때는 그 경계면에서 진행 방향이 꺾이게 되는 현상.
• 간섭 : 빛은 두 개 이상이 만나게 되면 서로 영향을 줌. // 빛은 파동을 가지고 있음.

빛의 파동

• 간섭 종류 : 보강간섭, 상쇄 간섭
  • 보강 간섭(constructive interference) : 파장과 진폭이 같은 두 개의 파가 서로 만나 서로의 마루와 마루, 골과 골이 일치하면 파동의 진폭이 배가 됨.
  • 상쇄 간섭(destructive interference) : 파장과 진폭이 같은 두 개의 파가 서로 만나 마루와 골이 일치하여 파동의 진폭이 상쇄되어 0이 됨.
    • 파동이란 : 간 상에서 평형 상태로부터의 변화 혹은 진동이 전달되는 현상.

파동을 설명하는 그림

• 산란 : 어떤 매질을 직선 경로로 통과하는 빛의 입자들이 "불균일한 입자"를 만나서 그들이 가던 경로를 벗어나는 현상
  • Glare : 빛에 의해 생기는 눈부심 현상.
• 회절 : 빛은 분명 직진한다. 하지만 직진으로만 설명할 수 없는 부분이 있다. 그게 바로 회절인데, 빛이 좁은 공간을 지나서 넓은 공간으로 나가게 되면, 빛이 퍼진다. 그로 인하여 넓은 범위로 빛이 퍼지게 된다. 이것은 빛이 파동이기 때문이다.

 

• 회절의 원리 

회절의 원리

• 회절 결과물 : 면도날을 향하여 빛을 쏠 경우, 하단의 이미지와 같이, 면도날 부분에 그림자가 생기고, 그 그림자 주위에 빛이 분산되어 있음을 볼 수 있다.

회절 결과물

• 편광 : 자연광의 경우, 빛의 파장(진동면)은 한 방향이 아닌, 동일한 크기로 여러 방향의 파장(진동면)을 가짐.  
• 만약 이 파장 중 하나의 파장만 남긴다면, Texture의 종류 중 "Albedo"맵을 만들어 낼 수 있음.

편광 필름을 이용하여 Albedo를 얻는 설명

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파장에 따른 빛의 종류와 특징

 빛은 모든 전자기파를 지칭하며, 파장에 따라서 감마선, X선, 자외선, 가시광선, 적외선, 초단파, 라디오파 등으로 나뉘고, 좁은 의미에서 자외선, 가시광선, 적외선으로 나눌 수 있다.

빛의 파장

• 자외선 : 파장이 짧고 에너지가 크고, 적외선으로 갈수록 파장이 길고 에너지가 작아짐.
• 가시광선 : 사람의 눈에 보이는 빛으로 보라색부터 빨간색까지의 파장이 사람의 눈에 색으로 나타남.
• 적외선 : 빨간색의 빛보다 파장이 더 긴 빛을 나타냄. 사람의 눈에 보이지 않고, 가시광선보다 약한 에너지를 가짐.

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광원의 종류

• 자연광(natural light) : 태양광, 달빛 // 자연 상태나 우리 주변에 존재하는 모든 광선들
• 인공광(Artificial light) : 방과, 사무실 등의 형광등, 화장실의 백열등, 가로등, 자동차의 헤드라이트 등.

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자연광의 특징

• 광량이 풍부 > 감쇠가 존재하지 않음.
• 자연스러움 > 대다수의 인간이 흔하게 접하기 때문에 자연스럽게 느껴짐.
• 조명 설계(lighting design) 어려움 > 현실에서 원하는 방향, 색등을 조절하는 것이 어려움.
• 시간의 제약이 있음.
• 특이하게 자연광을 조절하기 쉬운 방법이 하나 있음 > 창문을 이용하는 것. > 광량과 색을 조절 가능하고, 창문의 위치나 방향에 따라서 빛의 각도 등을 어느정도 조절 가능.

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인공광의 특징

• 광량이 적음 > 감쇠가 존재 > 광원에 따라서 거리에 따라서 급격하게 어두워짐.
• 부자연스러움 > 색이나, 밝기를 잘 못 사용하면 어색하게 느껴짐.
• 조명 설계(lighting design) 쉬움 > 현실에서 원하는 방향, 색등을 조절하는 것이 쉬움.
• 시간의 제약이 없음.

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인공광의 종류

지속광(빛을 같은 양으로 발산하는 광원)  : 백열등, 형광등, 할로겐램프, 마그네슘등 등

• 백열등 : 3200 캘빈도의 낮은 색온도, 약간 노란빛
• 형광등 : 5600 캘빈도를 가짐, 광원이 부드러움
• 할로겐램프 : 3200 캘빈도, 약간 붉은 색을 띔, 강조하는 부분에 사용하기 좋은 조명
• 마그네슘등 : 5600 캘빈도, 태양광에 가장 근접한 조명
• 순간광(1회용, 찰나의 순간에 사용되는 광원) : 밸브, 스트로보

순간광(1회용, 찰나의 순간에 사용되는 광원) : 밸브, 스트로보

• 밸브 : 조리개 같은 것으로 조절하는 장치
• 스트로보 : 카메라에 붙어 있는 플래시 같은 것들