조명설계 - 연색성(Color Rendition) 평가방법 / 색과파장(가시광선의 스펙트럼)

조명설계 - 연색성(Color Rendition) 평가방법 / 색과파장(가시광선의 스펙트럼)

 

1. 연색성의 정의

색의 정체는 밝혀지지 않고 있으나 사람의 눈은 파장에 따라서 감도가 다르며(시감도) 같은 양의 에너지를 받아도 파장에 따라 느끼는 밝기(시감도)가 다르다. 즉, 어떤 광원에서 물체색에 조명하였을 때 어떤 색으로 보일 것인가, 즉 빛의 분광특성이 색의 보임에 미치는 효과를 연색성이라 한다.

 

1) 연색성의 평가

규정조건하에서 기준광원에 의한 물체색의 보임과를 비교하여 색의 차이에서 연색성을 평가한다.

1-1) 국제조명위원회(CIE)의 연색성 평가법

시료광원의 색온도에 의해 선정할 수 있는 기준광원을 정하고 그 기준광원과 시료광원과를 규정한 시험색에 조명하였을 때 색의 차이에서 연색성 평가수를 정한다.

 

시료광원 채취시의 기준광원

색온도 5000。K 이하의 경우 : 완전방사체

색온도 5000。K초과의 경우 : CIE에서 정한 합성주광(분광분포 계산치)

색온도 5300。K 이하의 백색 형광램프의 경우 : 완전방사체

 

2) 연색의 변화

2-1) 물체색의 변화

광원의 분광분포가 변하면 조명된 물체에서 반사,투과된 빛의 보임이 달라진다.

2-2) 순응색의 변화

눈의 색 순응에 의해 물체색의 연색성이 다르게 느껴진다.

 

2. 램프의 연색성과 용도와의 관계

 

3. 색과 파장 (가시광선의 선 스펙트럼)

 

4. 광원의 연색성 평가방법(KSA-0075)

1) 개요

연색성은 조명한 물체색의 보는 법을 결정하는 광원의 성질로서 조명용 광원에 있어서 극히 중요한 특성의 하나이다. 특히, 형광램프에서는 형광물징의 조합에 따라 여러 가지 광색의 것이 되며 또 일정한 광색을 실현하는데도 여러 가지 분광분포에 따를 수가 있어 연색성도 다양한 것이 된다. 그래서 형광램프의 보급에 따라 그 연색성을 여하히표시하고 평가하면 좋은가? 하는 것이 문제가 되어 많은 연구를 쌓아왔다. 또한 기술의 진보에 따라 각종 신광원이 개발되어 그 연색성을 정당하게 평가하는 방법이 요망되고 있다.

2000년 지금까지 제안된 연색성 평가방법은 스펙트럼밴드방법과 시험색방법으로 대별할 수가 있다.

국제조명위원회에서는 1948년에 가시부를 8분할하는 스텍트럼밴드를 잠정적으로 추천하였으나, 이것으로는 불충분하므로 1955년에 광원의 연색성을 측정 표시하는 방법을 확립함을 목표로 하여 연색 전문 위원회가 발족되었다. 이 위원회에서는 각국의 연구를 기초로 해서 시험색 방법을 연색평가방법의 기본적인 것으로 하는 것을 정하여 1963년의 빈 총회에 그를 권장하는 방법을 제출하였다. 이것이 총회의 토의를 거쳐 수정이 가하여져 1964년에는 각국의 승인을 얻어 국제조명위원회의 방법으로서 인정되어 1965년에 출판되었다.

1-1) 스펙트럼밴드방법

시료광원의 가시부의 분광분포를 6~10개 정도의 스펙트럼밴드로 나누어서 연색성이 좋은 기준광원의 분광분포와 비교하여연색성의 수량화를 하는 것.

1-2) 시험색방법

연색성이 좋은 기준광원의 분광분포와 비교하여 연색성의 수량와를 하는 것으로, 시험색으로서 적당수의 물체색을 정하여, 이것을 기준광원으로 조명하였을 떄와 시료광원으로 조명하였을 때의 차이로부터 연색성을 수량화 한다.

 

2) 광원의 연색성 평가방법

2-1) 적용범위

이 규격은 일반 조명용 광원의 연색성을 평가하는 방법에 대하여 규정한다. 다만, 나트륨램프 등과 같은 순도가 높은 유채색의 광원에는 적용하지 않는다.

설

[이 규격은 일반조명용 형광램프의 연색성을 평가하는 것을 주 목적으로 규정한 것인데 이 방법은 기타의 광원 연색성 평가에도 사용된다. 다만, 이 방법에는 색순응의 보정에 근사적인 방법을 사용하고 있으며,기준광원으로서 색도가 흑체 궤적에 가까운 것만을 정하고 있으므로 흑체궤적에서 떨어진 유체색의 광원에 적용하면 오차가 커진다.

이 규격의 방법으로 연색성이 올바르게 표시되는 광원에는 주광색,백색,온백색 등 일반조명용 형광램프, 무색밸브를 사용한 전구, 주광색전구, 및 크세논램프 등이 있다. 수은램프,형광수은램프 등은 그 광색이 흑체 궤적에서 약간 벗어나 있으므로 그 연색 평가수는 그렇게 정확하지 않게 되나 이들 램프의 연색성의 상호비교는 충분히 할 수 있는 정도의 연색평가수가 얻어진다. 그러나 녹,청 등 유채색의 형광램프나 착색전구 또는 나트륨램프, 타륨들이 수은램프 등 단색광에 가까운 광원에는 이 방법은 적용되지 않는다. 또한 이 규격에서 정하는 연색평가수는 광원의 연색성의 충실성을 수량적으로 표시하는 것으로서 어떤 종류의 물체색을 실제 이상으로 좋게 보이는 성질 등은 포함되지 않는다.]

 

2-2) 용어의 뜻

① 연색평가수

광원에 의해 조명되는 물체색의 지각이, 규정 조건하에서 기준광원으로 조명했을 때의 지각과 합치되는 정도를 표시하는 수치

② 평균 연색평가수

규정된 8종류의 시험색을 기준광원으로 조명하였을 때와 시료광원으로 조명하였을 때의 CIE-UES 색도그림에 있어서의 색도변화의 평균치에서 구하는 연색평가수로서, 많은 물체색에 대한 평균적인 연색성을 표시한다.

연색평가수의 100은 그 광원의 연색성이 기준광원과 동일한 것을 표시하며, 50은 표준형의 온백색 30형광램프(색온도 3000k)의 연색성에 상당한다.

③ 특수 연색평가수

개개의 시험색을 기준 광원으로 조명하였을 때와 시료광원으로 조명하였을 때의 UVW계에 있어서 좌표의 변화로부터 구하는 연색 평가수

특수연색평가수해설

개개의 시험색을 기준광원으로 조명하였을 때와 시료광원으로 조명하였을 떄와의 명도변화를 포함한 색 차이 양에서 구하는 연색평가수로서 그 수치는 (i=1~8)에 대한 특수 연색평가수의 평균치가 평균연색평가수에 합치되도록 정하여져 있다.

④ 기준광원

연색평가에 있어서 비교 기준으로 사용하는 광원

⑤ 시험색

연색평가수를 구하기 위해 사용하는 스펙트럼 반사율을 아는 물체색

⑥ CIE-UCS 색도좌표

1960년에 CIE가 정한 UCS 색도 그림에 있어서의 좌표

⑦ 명도지수

1964년에 CIE가 정한 UVW계에 있어서의 W축에 관한 좌표로서 명도에 상당하는 것

⑧ CIE 합성주광

많은 자연주광의 분광측정치에서 통계적 수법에 따라 각각의 색온도에 대해 CIE가 정한 분광분포를 갖는 합성주광

 

3) 기준광원

연색평가수의 계산에 사용하는 기준광원은 그 색온도가 시료 광원의 색온도에서 5미래드 이내의 것을 선택하며 다음에 따른다.

(1) 시료광원의 색온도가 5000K 이하일 때에는 원칙적으로 완전방사체를 사용한다. 그 분광분포 및 색도 좌표는 부표1에 따른다.

(2) 시료광원의 색온도가 5000K를 초과하는 때에는 원칙적으로 CIE 합성주광을 사용한다. 그 분광분포 및 색도좌표는 부표2에 따른다. 색온도 5300K 이하의 백색 형광램프를 시료광원으로 할 때는 완전방사체를 사용한다.

[비고]

① 특별한 경우에는 표준광 B 또는 C를 사용하여도 상관없다.

② 완전방사체 분광분포는 다음식에 따른다.

- C₁: 상수

- C2 : 상수로서 그 값은 14380[㎛·K]으로 한다.

- λ : 파장 [㎚]

- T : 완전방사체의 온도 [K]

 

③ 임의의 색온도의 CIE 합성주광의 분광분포는 다음 식에 따른다.

  - PDλ : CIE 합성주광의 분광분포

  - E0λ, E1λ, E2λ ; 파장의 함수로, 그 값은 부표6에 표시한다.

  - Tc : CIE합성주광의 색온도

 

④ 연색평가수의 계산에 사용되는 기준광원의 색도좌표는 비고2 또는 비고3에 따른 분광분포에서 6.2에 준하여 구한다.

 

4) 시험색

4-1) 평균연색 평가수 계산용 수험색

평규연색평가수의 계산에 사용하는 시험색은 8종류로 하며, 그 번호 색의 3속성에 따른 표시기호 및 스펙트럼 바사율을 부표3에 표시한다.

 

4-2) 특수 연색평가수 계산용 시험색

특수연색 평가수의 계산에 사용하는 시험색은 7종류로 하며, 그 번호 색의 3속성에 따른 표시기호 및 스펙트럼 반사율을 부표4에 표시한다.

경우에 따라서는 목적에 따라 10㎚ 간격의 파장 및 휘선파장에 대한 스펙트럼 반사율을 아는 다른 시험색을 가하여도 지장 없다.

 

5) 연색성의 평가

광원의 연색성은 원칙적으로 평규연색 평가수(Ra) 및 특수연색평가수(R9~R15)에 의해 평가한다.

 

6) 연색평가수를 구하는 방법

6-1) 시료광원의 분광측정

시료광원의 분광측정은 KSA 0068(광원색의 측정방법)에 따른다.

 

6-2) 시료광원의 색도좌표의 계산

6-1)의 데이터를 사용하여 시료 광원의 색도좌표 x,y는 KSA-0068에 따라 소수점이하 4자까지 구한다.이 경우 원칙적으로 적분범위는 파장 400㎚에서 700㎚까지, 적분간격은 10㎚로 한다.

CIE-UCS 색도좌표 u,v로의 변환은 다음식에 따라 소수점 이하 4자리까지 계산한다.

CIE-UCS 색도좌표 u,v는 3자극치 X,Y,Z에서 다음 식에 따라 계산하여도 지장없다.

6-3) 시료광원의 색온도를 정하는 방법

시료광원의 색온도는 6.2에서 얻어진 CIE-UCS 색도좌표 u,v에서 부도에 따라 정한다.

 

6-4) 기준광원의 조명에 따른 시험색의 색 자극치

기준광원의 조명에 다른 시험색의 CIE-UCS 색도좌표 및 명도지수를 부표5에 표시한다. 이외의 시험색에 대한 값은 6.5에 준하여 계산한다.

 

6-5) 시료광원의 조명에 따른 시험색의 색 자극치의 계산

(1) 시료광원의 조명에 의한 시험색의 3자극치 X,Y,Z의 계산은 다음식에 의한다.

  - Pλ : 시료광원의 연속스펙트럼 부분의 분광분포

  - P'λ : 시료광원의 휘선 스펙트럼부분의 분광분포

  - ρλ : 시험색의 스펙트럼 반사율

  - x`λ, y`λ, z`λ : 스펙트럼 3자극치로서 KSA0068의 표2 및 표5에 표시한 것을 사용한다.

  - Δλ : 적산의 파장간격으로 10㎚로 한다.

(2) CIE-UCS색도좌표 u,v로의 변환은 식(1) 또는 식(2)에 따른다.

(3) 명도지수 W의 계산은 다음식에 따른다.

여기에서 Y : 백분율로 표시한 사감반사율(100≥Y≥1)

 

6-6) 평균 연색평가수의 계산은 다음식에 따른다.

Ra : 시료광원의 평규연색 평가수

ΔΕai : 조명을 기준광원에서 시료광원으로 바꾸었을 경우의 시험색(i)의 감각적인 색도의 변화량

ΔEa` : 시험색 (i=1~8)의 ΔΕai의 평균치

uki, vki : 시료광원(K)에 따른 시험색(i)의 UCS 색도좌표

u0i, v0i : 시료광원(o)에 따른 시험색(i)의 UCS 색도좌표

uk, vk : 시료광원(k)의 UCS 색도좌표

u0, v0 : 기준광원(o)의 색도좌표

 

6-7) 특수연색평가수의 계산은 다음식에 따른다.

Ri : 시험색(i)에 대한 시료광원의 특수 연색평가수

△Ei : 조명을 기준광원에서 시료광원으로 바꾸었을 경우의 시험색(i)의 감각적인 색의 변화량

Wki : 시료광원(k)에 따른 시험색(i)의 명도지수

W0i : 시료광원(o)에 따른 시험색(i)의 명도지수

uki, vki : 시료광원(k)에 따른 시험색(i)의 UCS 색도좌표

u0i, voi ; 기준광원(o)에 따른 시험색(i)의 UCS 색도좌표

uk, vk : 시료광원(k)의 UCS 색도좌표

u0, v0 : 기준광원(o)의 UCS 색도좌표

 

7. 연색성 평가의 표시

7-1) 연색평가수의 표시

연색평가수는 원칙적으로 소수점 이하를 KSA 0021(수치의 맺음법)에 따라 끝맺음하여 표시한다.

 

7-2) 연색평가수의 부기사항

7-2-1) 시료광원의 색도좌표

계산에 사용한 색도좌표의 x,y를 소수점 이하 4자리까지 명기한다.

 

7-2-2) 기준광원의 종류

기준광원은 3.에 규정하는 기준광원의 어느 것을 사용하였는가를 명기한다.

 

7-2-3) 시험색의 종류

시험색은 4.2에 규정하는 특수 연색평가수 계산용 시험색의 어느것을 사용하였는가를 명기한다.

부표3 및 부표4에 표시하는 이외의 시험색을 사용하였을 때는 10㎚ 간격의 파장 및 휘선 파장에 대한 스펙트럼 반사율을 명기한다.

 

7-3) 연색성평가의 기재방법

7-3-1) 부기사항의 기호는 다음과 같다

7-3-2) 연색성 평가의 기재는 원칙적으로 다음 보기에 따라 기재한다.

[주] R1은 시험색(i=1)에 대한 특수 연색성 평가수의 보기이다. 시험색(i=1~15) 이외의 시험에 대한 특수 연색평가수는 보기를 들면 Rs4로 표시하며 그 시험색의 스펙트럼 반사율을 부기한다. 이 경우에 R의 첨자에는 a 및 숫자만으로는 사용하지 않는다.