색온도(color temperature)란 무엇인가?

 

색에도  온도가 있다?

사실  춥고 덥고에 다른 온도는  많이 접하는데 색을 온도로 표현함은  많이 접하지 않는다.

하지만 엄연히 색을 온도로 표현하며  그 단위는  K(켈빈)을 사용한다.

절대온도K는 우리가 통상적으로 사용하는 섭씨온도에 273도를 더한 값으로  색온도에 따른 색의 변화를 나타낸다.

 

아래 그림 처름

광원에 따라  같은 사과라도 눈에 잡히는 색이 달라지기에  광원의 적절한 색상태를 정의할 필요가 있다.

즉 색온도가 낮으면(1000K~3000K) 광원에서 나오는 빛의 전체 RGB분포가  R성분이 B성분보다 많다는 것이다.

반대로  색온도가 높으면(6000K~9000K) 광원에서 나오는 빛의 전체 RGB분포가  B성분이 R성분보다 많다는 것이다.

 

 

위 그림은 흑체를 연소(실제는 백금이나 탄소)시켰을 때 온도와 색의 궤적을 xy색도도상에 표기한 것이다.

위 그림을 보면  색온도가 가 낮을수록 붉은색에 높을수록 푸른색에 가깝다.

광원의 적절한 기준이 필요함이  색온도가  있어야 함에 귀결된다.

이렇게하여 광원의 색온도는 흑체를 달구었을때 방사되는  빛의 색과 비교하여 표현하였다.

 

흑체 : 이 물질은 이 것과 충돌하는 모든 방사를 완벽하게 흡수하고

         물질의 온도에 기반하여 에너지를 방출하는 물질성능의 이상적 이론

 

그런데 이 온도는 어떻게 정했을까?

물체를 가열하면 물체의 종류에 관계없이 물체의 온도에 따른 빛을 방출하는 성질을 이용했다. 
흑체는 빛의 반사율이 0인 물체 즉, 모든 파장의 빛을 흡수하는 이상적인 물체이며,

이 물체를 연소 시켰을 때의 온도와 빛의 색이 색온도의 기준이 된 것이다.

이상적인 흑체[完全黑體]가 방출하는 빛의 색은 플랑크의 복사법칙(輻射法則)에 의해 온도에 의해서만 정해진다.
물체가 가시광선을 내며 빛나고 있을 때 그 색이 어떤 온도의 흑체가 복사하는 색과 같이 보일 경우,
그 흑체의 온도와 물체의 온도가 같다고 보고 그 온도를 물체의 색온도라고 한다.
즉, 물체의 색온도는 같은 색광의 흑체의 온도(절대온도 K)로 표시된다.

색온도의 측정법은 국제적으로 정해져 있으며, 적당한 색유리 필터와 표준광원을 써서 측정한다.

어디까지나 이상적인 흑체이기 때문에 실제로는 순수한 탄소등으로 실험 했다고 한다.

색온도는 일반적으로 실제 온도보다 다소 높게 매겨진다. 고온의 노(爐) 안 온도를 측정하는 데에는
이 원리를 응용한 광고온계(光高溫計)가 있다.

흑체복사곡선은  우주의 빅뱅이론증명에도 사용되는데

 흑체복사 이론에 의하면 절대온도 0K 이상인 모든 물체는 모든 파장의 복사를 방출하는데,

 온도에 따라 특정 파장에서 최고의 세기를 갖는 복사선을 방출한다.

 그런데 이 초단파 잡음은 절대온도 약 3K에 해당하는 흑체복사 스펙트럼과 일치한다는 것이 밝혀졌다.

 이러한 특징은  빅뱅이론에서 주장한 우주배경복사의 특성과 일치한다.

 초단파 잡음이 우주에서  7.35cm 파장(진동수로는 4,080MHz에 해당한다)을 가지고  전체   우주공간을 떠다니고 있는것이

 연구의 시발점이 되었다.

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광원에  따라  RGB의 세기가 달라지면 물체에 부딪친 칼라도 달라진다.

아래 그래프는 삼천도, 오천도, 구천도의 색온도에 다른 색비율을 나타낸  그래프이다.

 

광원에 따라 RGB의 량이 달라지므로

원래는 광원(가로등,형광등,오전햇빛,오후광 등)을  제어해야 하지만

촬영장소의  광원을 함부로 바꾸기가 쉽지 않기에 우리는 광원에 관계없이  RGB의 비율이 같도록 사진쪽에서 조정한다.

즉 아래와 같이 전등과 햇빛아래서 어디에서 촬영해도 RGB의 비율이 같게 보정을 한다.

참고로 사람눈은 색순응 회로가 내장되어 자동으로 보정을 하는데 색순응에 시간이 조금 걸린다.

 

 

이쯤 하면 대충 AWB(Auto White Balance)가 뭔지 알 수 있을것 같다.

사람눈도  색순응동작에서 시간이 좀 걸리지만 한번 순응이되면 거의 시간지연없이 동작된다.

어두운 영화관에 들어가면 5분정도 후에 어둠에 적응되는데 이런 과정을 암순응이라 하듯이 색도 비슷하다.

값자기 태양빛아래서  형광등 밑으로 간다든가  가로등아래로 이동하면 빛의 근원이 바뀌어 AWB가 동작되어야 한다.

 

사실  광학카메라(필름)는 자동색보정 기능이 없어 

형광등아래와 백열등아래에서 하얀 와이셔츠를 찍으면 색이 다르다.

즉 형광등아래서는 푸른색이 조금더 포함되여 흰 와이셔츠가 좀 푸르게 보이며

반면 백열등 아래서는 좀 붉게 보이는 필림이 나온다.

 

우리가 사용하는 카메라는 이런 기능이 자동적으로 보정되는 제품이어야 하므로 내부에 이런 AWB기능이 내장된다.

AWB기능은  카메라의 내부마이컴이 입력값을 보면서 조정을 하게된다.

 

 

 

 

 

 

 

다음은  적외선이 있는 경우를 살펴보자.

적외선과 가시광선이 공존하면  색의 AWB를  잘 조덩하기가 어렵다.

이유는 적외선이 적색부분이 많아  광원이 적색이 많다고 볼수 있는 애러상태가 될수 있다.

그래서 사람눈이 가시광선만 볼수있도록 진화된 것으로 추측이 가능할수도 있겠다.

 

아무튼 아래 그림처름 가시광선에  적외선이 포함되면 칼라가 적색으로 치우친다. 

 

 

아래 그림은 센서의 감도로서  780nm를  벗어난 값에도 수신이 됨을 알수 있다.

이런 이유로  적외선이 수신되며  IR cut filter를 제거하고   적외선 감도를 높인 센서를 사용하면  적외선인식에 유리하다.

 

 

 

적외선 제거필터를 보면 300nm~700nm정도의 가시광선만  통과 시키고  기타는 전부제거 한다.

 

 

 

 

마지막으로

색온도의 단위를 한번 집어보고 마무리하자..

 

색온도의  단위는  K(켈빈)을  사용하는데 

우리가 평시 사용하는 온도인 섭씨와 절대온도의 표현도 ℃와   K(켈빈)가 있다.

 

온도는 상한은 없고 하한은 있다.
온도는 한없이 내려갈 것 같지만 -273.15℃ 아래로는 내려갈 수 없는데  -274℃나 그 이하의 온도는 있을 수 없는 것이다.

   과학자들은 온도의 하한이 있다는 것은 어떻게 알았을까?

   기체는 온도에 비례하여 부피가 줄어드는 현상이 나타나는데 이 현상은 기체의 종류와 상관이 없으며

   압력이 일정할때  모든 기체는 -273.15℃에서  부피가 0으로(즉 기체가 액체나 고체로 변환)되는 현상으로

   즉 기체를 냉각시킬 때 부피가 감소하는 현상 때문에 온도의 하한이 있게 된다..  

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위의 그래프처름

온도의 하한이 있으므로  이 점을  온도의 기준점인 절대0 K로 하는 온도눈금을 정의하면 사용이 편리한데

이것을  절대온도(Absolute Temperature)라고 하며 온도단위는 K 인데   섭씨온도와 0의 기준점이 다를 뿐 눈금간격은 동일하다

즉 우리주변에 물이 많으므로 물이 어는점인 섭씨0도가  편리하고, 또한 물질의 절대하한 온도인 절대 온도도 필요한 것이다.  

 

온도의 하한이 -273.15℃ 이라면

온도의 상한은 없지만  세상의 가장 높은 온도는  빅뱅이 일어난 시점의 온도로 우주의 시작점의 온도는 10³² K이상이다.

지금은 빅뱅이후 우주가 팽창하면서 꾸준히 식어가 우주는 평균 2.7 K 정도로서 거의 절대온도 가까이 까지 식어있다.

 

 

 

사람의 체온은  37.5℃로서

 273+37.5= 310.5K의  절대온도 표시가  가능한데

사람의 몸에서 발생하는 복사선은  체온의 절대온도에 해당하는  적외선중 원적외선인 8~14um의 파장대가 방출된다.

물체의 온도가 3000K 이상이 되면 가시광선(380nm~750nm)을 방출하여 복사선을 눈으로 볼 수 있게 된다.

        

 

대충

이쯤하면  색온도가 절대온도 단위를 사용함을 알수 있을 것이다.

뜨거운 물체뿐 아니라  절대온도 0K 이상의 모든 물체는 열에너지를 가지고 있어서 열복사를 한다.

물체가 방출하는 복사선은 물체의 온도에 따라 정해진다.

상온에서는 파장이 긴 적외선을 주로 방출하고, 고온으로 갈수록 파장이 짧은 전자기파를 더 많이 방출한다.

결국  광원은  물체가 방출하는 열복사선이므로  색온도가  단위가 될수 있는 것이다.

사람의 몸이 광원인 경우는  색온도 310.5K이며 

물체의 온도가 3000K 이상이 되면 해당온도에 걸맞는 가시광선(380nm~750nm)과 자외선등등을 방출한다...

  

 

참조 :

   http://www.tv4u.co.kr/guide/content.asp?idx=1494

   http://user.chollian.net/~dgran/
   http://blog.naver.com/PostThumbnailView.nhn?blogId=genetic2002&logNo=30022553626&categoryNo=34&parentCategoryNo=0

   http://blog.naver.com/likeichigo/10052393269
   http://blog.naver.com/likeichigo/10017135184

 

 

 

추가 참조 : http://blog.naver.com/msnayana?Redirect=Log&logNo=80091661553