빛의 성질 - Noeul의 영상조명의 이해

빛(光, light)은 전자기파 중에서 인간의 눈(신체)으로 감지가 가능한,
즉 시각으로 볼 수 있는 가시광선 영역의 전자기파를 일상적으로 부르는 말

행성에서 가장 중요한 별 중 하나인 태양의 빛은
빛에너지와 열에너지로 구성 되어 있으며
지속적으로 빛과 에너지를 내보내며
우리 생활과 지구 생태계에 큰 영향을 미칩니다.

빛은 입자성과 파동성을 모두 지니고 있습니다.
이는 뉴턴 이후 수백년 동안 이어진 주제였습니다.

물론 영상조명을 이해하기 위해서
물리학이나 수학 학위를 가질 필요는 없습니다.

모든 빛은 같은 방식으로 작용하며 광원의 종류와 상관없이
동일한 물리학 법칙에 따라서 작동을 하기 때문입니다.

영상조명에 빛은 유일한 재료입니다.

빛이 작용하는 방식에 관해 충분히 이해하지 못한다면
우리는 빛의 작용을 예상하고 통제 할수가 없습니다.

빛은 직진한다

빛의 가장 기본적인 성질은 직진성입니다.
매질이 없는 진공중에서나, 같은 매질내에서 빛은 무조건 직진을 합니다.

사람 그림자의 길이는 태양의 고도에 따라서 달라집니다.
우리는 달이 태양과 지구 사이에 놓여있을때 태양이 가려지는 일식 현상이나
태양에 의해 생긴 지구의 그림자 속에 달이 들어와 결국 달이 보이지 않게 되는
월식 현상 등을 관측할 수 있습니다.

이들은 모두 빛의 직진성을 증명하는 자연계의 예시들입니다.

영상조명에 중요한 빛의 성질

빛은 직진성 이외에도 여러 중요한 성질을 가지고 있습니다.
투과, 반사, 굴절, 흡수, 산란, 간섭, 회절, 혼합, 분활, 합성에서 부터
입자성, 파동성 등 수많은 성질을 가지고 있습니다.

그 중에서 영상조명을 하는데 중요한 성질 두 가지는
투과(Transmission)와 반사(Reflection) 입니다.

투과(Transmission)

빛이나 파동이 어떤 물질을 입사할 때(어떠한 매체를 지날 때)
빛이나 파동이 물질을 통과하여 나오는 현상을 말합니다

유리가 투명한 물체의 반대편을 볼 수 있는 것은 빛의 투과 때문입니다.
맑은 물, 유리와 같은 물질은 받은 거의 모든 빛을 투과시키지만
반대로 종이 한 장과 같은 얇은 필터는 빛을 흡수하고 아주 작은 부분만이
투과되도록 만들수 있습니다. 이를 투과율이라고 합니다.

투과율 (透過率, transmittance, transmissivity)

빛과 같은 파동 혹은 입자가 물질층을 투과할 때
입사에 대한 투과의 강도비를 투과율이라 한다.

유리나 대기 등은 직사광선의 90%~96%를 투과시킵니다.
반투명 물질은 약간의 빛만 통과시키며 표면 구조와 성질에 따라
빛을 분산시켜 물체의 투명도를 떨어트립니다.

불투명 물질은 빛을 전혀 통과시키지 않는 물질인데
이 물질 표면에서 반사되는 빛의 양은 표면의
색깔, 질감, 조명 각도, 흡수력 등에 따라
변하게 됩니다.

투과율이 100%인 물질은 투명도가 1인 물질과 같습니다.

굴절률 ( 屈折率, index of refraction)

서로 다른 매질의 경계면을 통과하는 파동이 굴절되는 정도

한 광선이 한 매질에서 다른 밀도의 다른 매질로 전달되는 경우,
두 매질이 접한 면에서 빚은 휘어지는 현상을 보이게 됩니다.

이를 우리는 빛의 굴절이라고 합니다.
그리고 투과는 굴절을 수반합니다.

반사 ( 反射, reflection )

파동이 한 매질에서 다른 매질로 전파해나갈 때,
경계면에서 일부 파동이 진행방향을 바꿔 원래의 매질 안으로 되돌아오는 현상

거울로 햇빛을 반사시키면
햇빛의 진행 방향이 바뀌므로 거울을 이용하여
빛을 원하는 곳으로 보낼수 있습니다.
이와 같이 직진하던 빛이 물체에 부딪칠 때
진행 방향이 바뀌어 나아가는 현상을 빛의 반사라고 합니다.

우리의 눈은 반사되는 빛을 보는 것입니다.
만약 빛의 반사가 없다면 우리는 사물을 볼 수 없습니다.

물체가 모든 빛을 반사하게 되면 물체는 흰색으로 보이게 되고
물체가 모든 빛을 흡수하게 되면 검은색으로 보이게 됩니다

반사는 정반사와 난반사로 구별을 할수가 있습니다.

정반사 ( 正反射 )

평평하고 매끄러운 표면에 들어온 빛이 일정한 방향으로 반사되는 것

반사면에 물체의 상이 비친다.
물체를 한 방향에서 볼 수 있다.
반사 법칙이 성립한다. ( 입사각 = 반사각 )

난반사 ( 亂反射 )

매끄럽지 않은 표면으로 들어온 빛이 여러 방향으로 흩어져 반사되는 것

반사면에 물체의 상이 비치지 않는다.
물체를 어느 방향에서나 볼수 있다.
반사 법칙이 성립한다. ( 입사각 = 반사각 )

빛이 어떠한 표면에 반사가 되는지에 따라서
정반사와 난반사로 구별이 가능합니다.

영상조명을 하는데 있어서 기억해야 될 가장 중요한 반사 법칙은
입사각과 반사각은 크기는 항상 같다 입니다.

입사각과 반사각의 크기는 항상 같다

빛이 반사할 때 입사 광선, 반사 광선, 법선은 한 평면 위에 있고
입사각과 반사각의 크기는 항상 같다. ( 입사각=반사각 )

법선: 반사면과 수직인 선
입사 광선: 반사면을 향하여 들어오는 빛
반사 광선: 반사면을 부딪쳐 나오는 빛
입사각: 입사 광선과 법선이 이루는 각
반사각: 반사 광선과 법선이 이루는 각

모든 물체는 빛을 반사 합니다.
빛은 물질의 종류와 물질 표면의 질감과 색에 따라 빛의 반사되는 비율이 달라지는데
이를 반사율이라고 합니다.

반사율 ( 反射率 , reflectivity )

빛이나 기타 복사(輻射)가 물체의 표면에서 반사하는 정도

알베도는 표면이 태양에너지를 얼마나 잘 반사하는지를 나타는내 것으로서
0에서 1사이의 값을 가지고 표면의 백색정도를 표현하였습니다.

다시 말해 ‘0’은 검은색을, ‘1’은 흰색을 나타내는 것입니다.

지표면의 알베도가 ‘0’이라면 유입되는 모든 태양 에너지를 표면이 완전히 흡수한다는 것이며
‘1’이라면 표면에 도달하는 모든 태양 에너지를 완전히 반사한다는 의미입니다.

빛과 색

빛은 입자이면서 파동입니다.

파동(波動 / Wave)이란?
물질 혹은 공간의 한곳에서 시작된 진동이 퍼져나가는 현상을 말합니다.

파동은 계속 올라갔다 내려갔다 출렁이는 움직임인데 그 출렁임의 길이가 파장입니다.
태양빛은 다양한 길이를 가진 파장들로 이루어진 파동입니다.

인간의 눈은 아주 작은 파장만을 볼수 있습니다.
우리가 볼수 있는 빛을 가시광선이라고 하며, 이를 다시 말해 색이라고 합니다.

빛의 스펙트럼

17세기 영국의 물리학자 뉴턴은 1666년 프리즘을 이용한 실험에서
백색 광선을 프리즘에 통과시켜 빨강, 주황, 노랑, 초록, 파랑, 남색, 보라의
일곱 가지 다른 빛으로 나타나는 것을 밝혀 냈습니다.

이는 빛이 파장에 따라 굴절을 달리하여
여러 가지 다른 빛으로 나타나는 현상으로,
파장이 길면 굴절이 작고
파장이 짧으면 굴절이 크기 때문에
각각 다른 색으로 나타나는 것입니다.

가시광선 속에는 빨주노초파남보 무지개 색이 들어 있으며
물체가 반사하는 가시광선이 색으로 보이는 것입니다.

파장이 긴 빛은 빨간색으로 보이고
파장이 짧은 빛은 파란색으로 보입니다.
빨간 빛은 파장이 길고 파란 빛은 파장이 짧습니다.

물체는 가시광선을 반사하거나 흡수하고
우리는 물체가 반사한 빛 파장을 색으로 느끼게 되는 것입니다.

위의 그림의 예시 처럼
하얀색은 모든 파장을 반사해서 하얗게 보이는 것이고
검은색은 모든 파장을 흡수해서 검게 보이는 것입니다.

연색성 ( 演色性, color rendering )

조명이 물체의 색감에 영향을 미치는 현상

물체의 색은 그 자체의 고유색을 가진 게 아니라
빛을 받아 물체 표면에 비친 빛이
각 파장에 따라 어떠한 비율로 반사 되는가에 따라
색체가 결정된다고 하였습니다.

같은 물체의 색일지라도
광원이 달라지면
물체색이 다르게 느껴지는 경우가 있는데
이를 두고 광원의 연색성이라고 표현합니다.

일반적으로 물체의 색은
태양광을 비추었을 때 가장 자연스럽게 보입니다.
그러나 실제로 우리들의 생활 주변에서
물체를 본다는 것은 매우 복잡한 상태로
태양광이 아닌 인공 광원에 의해 물체를 보는 경우가 많습니다.

색순응 ( 色順應 , chromatic adaptation )

광원(光源)의 종류에 따라 분광 에너지의 분포가 다르고 물체의 색도 달리 보일 때,
그 차이를 적게 하는 눈의 자동 조절 역할

인간의 눈은 광원의 다름에 따라서 생기는 색의 차이를 조절하여
본래의 색으로 느끼게 만들어 줍니다.
같은 물체를 태양광 아래에서 보는 것과
전등 빛 아래에서 보는 것에 차이가 발생하는 이유인데
이러한 색의 차이를 적게 하기 위한 눈의 자동 조절 반응을 색순응이라 합니다.

일반적으로 우리는 태양광선 백생광에 적응해 있기 때문에
색상이란 고정된 것으로 믿게 됩니다.

그러나 실상 색은 광원에 의해 결정되므로
광원에 따라 같은 색도 다르게 보이게 됩니다.
국제적으로 이러한 색의 혼돈을 막기 위해 표준 광을 결정하여 사용하고 있습니다.

태양광선 : 모든 영역의 파장이 골고루 물체에 분광되며 물체의 색을 그대로 재현
백열등 : 장파장 계열의 빛을 물체에 방출하며 물체가 붉은 색이 가미되어 보임
형광등 : 단파장 계열의 빛을 물체에 방출하며 물체가 푸른 색이 가미되어 보임

색온도 (色溫度, Color Temperature)

광원의 빛을 절대온도를 이용해 숫자로 표시한 것

일상생활에서 물체를 가열하면 빛의 형태로 에너지를 방출하는데
열을 복사로 방출하는 현상을 흑체 복사라고 합니다.

흑체 복사에서 온도에 따라 방출되는 빛의 분포는 다르며
특정 온도에 따라 최대로 많이 방출되는 빛의 파장이 있습니다.

빛의 색이 온도에 따라 다르게 보이는 것에 착안하여
그 색을 온도로 나타낸 것을 색온도라고 하며,
색 온도의 표준 단위는 캘빈(K)을 사용합니다.
절대온도 K는 우리가 통상적으로 사용하는 섭씨온도에 273도를 더한 값으로
색온도에 따른 색의 변화를 나타냅니다.

햇빛이나 전등빛, 양초의 빛 등은 물체가 가열됨으로써 생기는 빛이며
네온사인, 번개, 형광등 등의 빛은 방전에 의해 생기는 빛입니다.

광원에 따라 RGB의 세기가 달라지면 물체에 반사되는 색도 달라집니다.

여기서 RGB라 함은
빛의 삼원색 Red(R), Green(G), Blue(B) 를 뜻합니다.

광원에 따라 RGB의 수치가 다르기 때문에
같은 물체라도 눈에 잡히는 색이 달라지기에
광원의 적절한 색온도를 정의할 필요가 있습니다.

광원의 색온도가 낮을수록 붉은색에 가깝고 높을수록 푸른색에 가깝습니다.

색온도가 낮으면(1000K ~ 3000K) 광원에서 나오는 빛의
전체 RGB분포가 R성분이 B성분보다 많다는 것입니다.
반대로 색온도가 높으면(6000K~9000K) 광원에서 나오는 빛의
전체 RGB분포가 B성분이 R성분보다 많다는 것입니다.

백열전구 같이 적색의 비율이 높고 색온도가 낮은 광원은 비교적 따듯하게 보이고
자연의 일광과 같이 청색의 비율이 높고 색온도가 높은 광원은 차갑게 느껴집니다.

광원의 색온도는 사진과 동영상의 색감에 영향을 미칩니다.
인간의 눈은 색순응을 하기 때문에 광원이 크게 변하지 않는 이상 대상을 유사한 색으로 인지합니다.
하지만 디지털 카메라는 빛의 변화를 보정하는 능력이 없기 때문에 색온도를 조절해 줘야 합니다.

우리가 실제로 보는 장면의 색과 카메라를 통해 재현된 색이 다른 이유 입니다.

조명을 하는 이유 중에 하나인 화면의 전체적인 색과 분위기를 표현하기 위해서는
광원의 색온도를 정확히 이해하고 있어야 합니다.