[건축설비-조명일반-조명의측정]

조명일반 - 조명의 측정

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빛은 에너지의 한 형태로 에너지의 표준단위로 측정되어 질 수 있으나, 인간환경에 있어 빛의 영향은 눈의 감도에 의존하게 된다. 그러므로 조명의 양은 독자적인 단위로 측정된다.

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▶ 입체각

빛은 삼차원의 모든 방향으로 방사될 수 있으므로 한 점의 주위 공간을 입체각으로 나누어서 측정하는 방법이 필요하다. 입체각에 대한 표준단위는 스태래디안(steradian)이다. 1스태래디안은 구(球)의 표면중에서 구의 반지름의 제곱에 해당하는 면적을 구의 중심에서 연결하는 입체각을 말한다.
따라서 입체각의 크기는 구의 크기와 무관하며, 입체각의 모양과도 무관하다.
구의 표면적은 [4 x π x 반지름의제곱]이므로 구는 전체 4π스테래디안으로 둘러 싸여져 있는 것이 된다.

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▶ 광도

서로 다른 광원을 비교하거나 그 세기를 측정하기 위하여 광도의 개념이 사용된다. 광도(Luminous Intensity : I)는 광원 또는 조명된 면이 특정한 방향으로 빛을 방사하는 힘을 말하는 것으로 단위는 칸델라(candela, cd)다. 1칸델라는 1촉광과 거의 같으며 100W 전구의 평균구면광도는 약 100cd가 된다.

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▶ 광속

모든 전자기 에너지의 흐름의 속도는 힘으로 표현될 수 있으나 빛 에너지는 광속으로도 측정된다. 광속(Luminous Flux : F)은 빛에너지의 흐름의 율을 말하는 것으로 단위는 루멘(lumen, lm)이다.
1루멘은 1칸델라의 점광원으로부터 1스태래디안으로 방사된 광속이다. 그러므로 1칸델라(광도)의 점광원으로부터 방사된 전체광속은 4π루멘(광속)이 된다.

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▶ 조도

광속이 면에 도달하면 그 면이 밝게 되는데 이 조명의 효과가 조도다. 조도(Illuminance : E)란 면에 도달하는 광속의 밀도를 말하는 것으로 단위는 룩스(lx)다.
※ 1룩스=1루멘/제곱미터
만약 빛이 면에 직각으로 입사되면 면의 조도E는 다음의 공식으로 주어진다.
E = F / A
F : 면에 도달하는 광속의 합, 루멘
A : 면의 면적, 제곱미터

[예제]
어떤 광원의 평균구면광도가100cd이다. 전체광속중 1/4 이 3m x 0.7m 면에 직각으로 비추고 있을 때 광원에서 방출된 광속의 합과 면의조도를 구하면?

1) 1cd의 전체광속은 4π루멘이므로 100cd는 400π루멘이 된다. 400 x 3.14 = 1256 루멘
2) 조도는 [면에 도달하는 광속의 합 / 면의 면적]이므로 [(1256 x 0.25) / (3 x 0.7)] = 150 룩스

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▶ 조명의 역제곱의 법칙

위의 예제에서 광원과 면의 거리를 두배로 하면 어떻게 될까?
점광원(광도,칸델라)에서 방사된 광속(루멘)이 광원에서 멀어 질수록 광속이 분산되는 면적이 증가하게 된다. 그러므로 단위면적당의 광속인 조도(룩스)는 감소된다.
※ 1룩스=1칸델라/제곱미터
E = I / d²[조도는 점광원의 광도(I,cd)와 비례, 광원과 면사이의 거리(d)의 제곱에 반비례한다]

[예제]
광도가1200cd의 점광원으로부터 1m, 2m, 4m 에 위치한 면의 조도를 구하면?

1) 위의 공식에 따라 1200 / 1 = 1200 룩스
2) 위의 공식에 따라 1200 / 4 = 300 룩스
3) 위의 공식에 따라 1200 / 16 = 75 룩스

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▶ 조명의 코사인의 법칙

위의 예제에서 광원과 면이 직각으로 만나지 않는 경우에는 어떻게 될까?
경사면에 비추게 되면 직각으로 비출 때보다 더 넓은 면적을 조명하게 된다. 같은 양의 광속(루멘)이 더 넓은 면적에 비추게 되면 조도는 반드시 감소하게 된다.
경사각θ가 생기게 되면 그 면적은 직각면의 1/cosθ이 된다.
면적에 반비례하는 조명의 역제곱의 법칙이 성립되는 것처럼 1/cosθ에 반비례하므로
E = I / (d²x 1/cosθ) = I x cosθ / d² 가 된다.
직각면이면 θ 는 0이되므로 cosθ = 1 로 되어 조명의 역제곱의 법칙의 공식이 된다.

[예제]
광도가1500cd의 점광원이 반지름1.5m의 원탁의 상부 2m에 있다. 원탁모서리 면의 조도를 구하면?

1) 피타고라스의 정리에 따라 d = 2.5 인 것을 알 수 있다.
2) cosθ = 2 / 2.5 = 0.8
3) E = 1500 x 0.8 / 2.5² = 192 룩스

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▶ 반사

빛의 방향을 변경시킬 수 있는 방법중의 하나인 반사는 입사각과 반사각이 같아 한방향으로만 반사시키는 경면반사와 여러방향으로 확산되는 확산반사, 두가지 유형으로 나눌 수 있다.
반사율은 면에 입사된 광속과 면에서 반사된 광속과의비율을 뜻하는 것으로 최대값은 1이다.

[예제]
광도가1800cd의 점광원이 바닥위 3m, 반사율이 0.5인 천장 아래 1m의 위치에 있다. 점광원바로 아래 바닥면 조도의 직접성분과 간접성분을 구하면?

1) 직접성분은 E = I / d²을 이용하면 되므로 1800 / 9 = 200 룩스.
2) 간접성분의 I(광도,칸델라)는 반사율이 0.5 이므로 900cd가 될것이고,
3) 간접성분의 거리는 위로1m + 아래로 4m = 5 m, 고로 E = 900 / 25 = 36 룩스

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▶ 휘도

물체의 외관은 그 표면적에 비하여 물체가 방사 또는 반사하는 빛의 양에 의하여 영향을 받는다. 이러한 면의 밝기의 개념을 휘도라고 한다. 휘도(Luminance, L)는 어떤 면적의 광원 또는 반사면이 어느 정도 밝은 느낌을 줄 수 있는가 하는 능력의 척도이다. 같은 광도의 백열등과 형광등이 있다면, 형광등은 그 표면적이 넓어 휘도가 낮아진다.

1) 광원의 휘도
휘도 L = 주어진 방향으로의 광도 / 그 방향에서 보여진 광원의 면적 (단위 : cd/m2)

2) 반사면의 휘도
반사면에 한하여 휘도는 단위면적당 방사된 광속(루멘)으로 표현될 수 있다.
단위는 apostilb(asb), 여기서 1asb = 1 lm / m2

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▶ 현휘

현희(Glare)란 시계 내에서 과다한 휘도의 차이에 의한 시각의 손상 또는 불쾌함을 말한다.
불능현휘 : 상세한 부분을 보는 능력을 저하시키는 현휘, 흰 종이면의 과다한 반사는 독서중에 불능현휘를 유발할 수 있다.
불쾌현휘 : 노출된 전구처럼 상세한 부분을 보는 능력을 저하시키지는 않더라도 시각적인 불쾌감을 유발하는 현휘

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