복사량: 종합 가이드
복사 흐름은 물체가 단위 시간당 방출, 반사, 투과 또는 수신하는 복사 에너지의 양을 설명하는 용어입니다. 복사 에너지는 빛, 라디오파, 마이크로파, 적외선, 자외선, X선 등 전자기파에 의해 운반되는 에너지입니다. 복사 흐름은 빛의 경우 복사 전력 또는 광학 전력이라고도 합니다.
복사 흐름은 전자기 복사를 측정하고 분석하는 과학인 방사측정학에서 중요한 개념입니다. 복사 흐름은 광원, 검출기, 광학 구성 요소 및 시스템의 성능을 특성화하는 데 사용될 수 있습니다. 또한 복사 강도, 복사도, 복사량, 복사 발산, 복사도와 같은 다른 방사측정량을 계산하는 데에도 사용할 수 있습니다.
이 글에서는 복사 흐름이 무엇인지, 어떻게 측정되고 계산되는지, 다른 방사측정량 및 광측정량과 어떻게 관련되는지, 그리고 어떤 응용 및 예시들이 있는지 설명하겠습니다.
복사 흐름이란?
복사 흐름은 시간에 따른 복사 에너지의 변화율로 정의됩니다. 수학적으로 다음과 같이 표현할 수 있습니다:
여기서:
Φe는 와트(W) 단위의 복사 흐름
Qe는 줄(J) 단위의 복사 에너지
t는 초(s) 단위의 시간
복사 에너지는 표면이나 부피 내에서 전자기파에 의해 전달되는 에너지의 총량입니다. 이는 광원(예: 전구), 표면(예: 거울), 매질(예: 공기 또는 유리), 또는 물체(예: 태양광 패널)에 의해 방출, 반사, 투과 또는 흡수될 수 있습니다.
복사 흐름은 에너지 전달의 방향에 따라 양수 또는 음수가 될 수 있습니다. 예를 들어, 광원이 10W의 복사 흐름을 방출하면, 이는 1초당 10J의 에너지를 잃는다는 의미입니다. 반면, 검출기가 10W의 복사 흐름을 받으면, 이는 1초당 10J의 에너지를 얻는다는 의미입니다.
복사 흐름은 전자기 복사의 파장 또는 주파수에 따라 달라집니다. 서로 다른 파장은 서로 다른 에너지를 가지며 물질과 다르게 상호작용합니다. 예를 들어, 가시광은 적외선보다 에너지가 높으며 사람의 눈으로 볼 수 있습니다. 자외선은 가시광보다 더 높은 에너지를 가지며 일사병과 피부암을 유발할 수 있습니다.
단위 파장 또는 주파수당 복사 흐름은 스펙트럼 흐름 또는 스펙트럼 전력이라고 합니다. 이는 파장을 Φe(λ)로, 주파수를 Φe(ν)로 표시할 수 있습니다. 특정 범위의 파장 또는 주파수에 대한 전체 복사 흐름은 스펙트럼 흐름을 적분하여 얻을 수 있습니다:
여기서:
λ는 미터(m) 단위의 파장
ν는 헤르츠(Hz) 단위의 주파수
λ1과 λ2는 파장 범위의 하한과 상한
ν1과 ν2는 주파수 범위의 하한과 상한
복사 흐름은 어떻게 측정되나요?
복사 흐름은 다양한 종류의 방사계를 사용하여 측정할 수 있습니다. 방사계는 전자기 복사를 전기 신호로 변환하는 검출기와 신호를 표시하거나 기록하는 출력 장치로 구성됩니다.
검출기는 열 효과(예: 열전대), 광전 효과(예: 광다이오드), 양자 효과(예: 광증폭관) 등 다양한 원리에 기반할 수 있습니다. 검출기는 감도, 응답성, 선형성, 동적 범위, 노이즈 수준, 스펙트럼 응답, 각도 응답, 교정 등 다양한 특성을 가질 수 있습니다.
출력 장치는 아날로그 또는 디지털일 수 있으며, 와트, 볼트, 암페어 또는 카운트 등 다양한 단위로 표시할 수 있습니다. 출력 장치는 해상도, 정확성, 정밀성, 안정성, 샘플링 속도, 데이터 저장 등 다양한 기능을 가질 수 있습니다.
방사계의 몇 가지 예는 다음과 같습니다:
피라노미터: 수평 표면에서 태양과 하늘로부터의 단위 면적당 복사 흐름(전역 태양 복사)을 측정합니다.
피릴로미터: 태양만으로부터의 단위 면적당 복사 흐름(직접 태양 복사)을 태양에 수직인 표면에서 측정합니다.
피르게오미터: 수평 표면에서 적외선 복사로부터의 단위 면적당 복사 흐름(장파 복사)을 측정합니다.
방사계: 모든 출처 또는 방향에서의 복사 흐름을 측정합니다.
스펙토라디오미터: 모든 출처 또는 방향에서의 단위 파장 또는 주파수당 복사 흐름(스펙트럼 흐름)을 측정합니다.
광도계: 모든 출처 또는 방향에서의 인체 눈의 감수성에 가중된 복사 흐름(휘도)을 측정합니다.
복사 흐름은 어떻게 계산되나요?
복사 흐름은 출처, 매질, 수신기의 종류와 기하학에 따라 다양한 공식과 모델을 사용하여 계산할 수 있습니다. 몇 가지 일반적인 공식과 모델은 다음과 같습니다:
플랑크 법칙: 주어진 온도에서 이상적인 검은 체(모든 파장의 복사를 흡수하고 방출하는 물체)의 스펙트럼 흐름을 계산합니다.
슈테판-볼츠만 법칙: 주어진 온도에서 이상적인 검은 체의 전체 복사 흐름을 계산합니다.
람베르트 코사인 법칙: 주어진 각도에서 람베르트 소스(모든 방향으로 균등하게 복사를 방출하거나 반사하는 이상적인 물체)의 복사 강도(단위 입체각당 복사 흐름)를 계산합니다.
역제곱 법칙: 주어진 거리에서 점 출처(단일 점에서 복사를 방출하는 이상적인 물체)의 복사량(단위 면적당 복사 흐름)을 계산합니다.
비어-ラン伯定律：计算辐射通量通过吸收介质时的衰减。
菲涅尔方程：计算辐射通量在两种不同折射率介质界面处的反射和透射。
斯涅尔定律：计算辐射通量从一种介质到另一种不同折射率介质时的折射（弯曲）。
瑞利散射：计算粒子比辐射波长小的情况下的辐射通量散射（重定向）。
米氏散射：计算粒子与辐射波长相近或更大的情况下的辐射通量散射。
복사 흐름은 다른 방사측정량 및 광측정량과 어떻게 관련되나요?
복사 흐름은 다른 방사측정량 및 광측정량을 도출하는 데 사용할 수 있는 기본적인 방사측정량 중 하나입니다. 몇 가지 다른 양은 다음과 같습니다:
복사 강도: 지점 출처가 주어진 방향으로 단위 입체각당 방출하는 복사 흐름. SI 단위는 스테라디안당 와트(W/sr)입니다.
복사도: 표면 또는 부피가 주어진 방향으로 단위 입체각당 단위 투영 면적당 방출하는 복사 흐름. SI 단위는 스테라디안당 제곱미터당 와트(W/sr/m²)입니다.
복사량 또는 복사 노출: 표면 또는 부피에 입사하는 단위 면적당 복사 흐름. SI 단위는 제곱미터당 와트(W/m²) 또는 제곱미터당 줄(J/m²)입니다.
복사 발산 또는 복사: 표면 또는 부피가 단위 면적당 방출하는 복사 흐름. SI 단위는 제곱미터당 와트(W/m²)입니다.
복사도: 표면의 복사 발산과 반사 복사량의 합. SI 단위는 제곱미터당 와트(W/m²)입니다.
광측정량은 방사측정량과 유사하지만, 인간의 눈이 다른 파장의 빛에 대해 민감한 정도에 따라 가중됩니다. 가중 함수는 광효율 함수라고 불리며, 555nm에서 최대 값 683 lm/W를 가집니다. 몇 가지 광측정량은 다음과 같습니다:
휘도: 광효율 함수에 의해 가중된 복사 흐름. SI 단위는 루멘(lm)입니다.
휘도 강도: 지점 출처가 주어진 방향으로 단위 입체각당 방출하는 루멘. SI 단위는 캔델라(cd)입니다.
휘도: 표면 또는 부피가 주어진 방향으로 단위 입체각당 단위 투영 면적당 방출하는 루멘. SI 단위는 제곱미터당 캔델라(cd/m²)입니다.
조도 또는 조도 노출: 표면 또는 부피에 입사하는 단위 면적당 루멘. SI 단위는 럭스(lx) 또는 제곱미터당 루멘·초(lm·s/m²)입니다.
휘도 발산 또는 휘도: 표면 또는 부피가 단위 면적당 방출하는 루멘. SI 단위는 럭스(lx)입니다.
휘도도: 표면의 휘도 발산과 반사 조도의 합. SI 단위는 럭스(lx)입니다.
복사 흐름의 일부 응용 및 예시는 무엇인가요?
복사 흐름은 전자기 복사와 관련된 많은 응용 및 예시에서 유용한 양입니다. 몇 가지는 다음과 같습니다:
조명: 복사 흐름은 백열, 형광, LED, 레이저 등 다양한 종류의 광원의 출력과 효율을 측정하고 비교하는 데 사용될 수 있습니다. 또한 실내, 실외, 연극 조명 등 다양한 목적을 위한 조명 시스템을 설계하고 최적화하는 데에도 사용될 수 있습니다.
태양 에너지: 복사 흐름은 지표면이나 태양광 패널에 도달하는 태양 복사의 양을 측정하고 추정하는 데 사용될 수 있습니다. 또한 태양 전지 및 시스템의 출력과 에너지 생성을 계산하는 데에도 사용될 수 있습니다.
원격 탐사: 복사 흐름은 온도, 구성, 식물, 오염, 날씨, 기후 등의 물체와 현상을 원거리에서 측정하고 분석하는 데 사용될 수 있습니다. 또한 위성이나 망원경을 사용하여 지구나 다른 천체의 이미지와 지도를 작성하는 데에도 사용될 수 있습니다.
광통신: 복사 흐름은 광섬유, 자유 공간 광통신,
