빛의 삼원색에 대한 연구

 

빛 속의 색을 인식

영국의 물리학자 아이작 뉴턴이 1666년에 실시한 프리즘을 이용한 빛의 분광 실험을 계기로, 백색광 속에 여러가지 색깔들이 들어있는 것을 알게되었습니다. 그러자 자연히 인간의 눈이 색을 느끼는 구조에 관한 의문에 관심이 모이게 되었습니다.  뉴턴을 비롯한 당시 학자들은 인간의 눈 속에는 빛의 색의 수에 상당하는 다종의 시세포가 있다고 생각했습니다. 이러한 생각에 의문을 가진 것이 토마스 영이었습니다.

인간의 눈이 색을 느끼는 구조에 대한 연구

영은 1801년에 페인트의 혼색으로부터 힌트를 얻어 '인간의 눈 중에는 빨강색, 녹색, 청색의 빛을 느끼는 시세포가 있어, 색은 3개의 시세포가 받은 자극의 비율로 정해진다' 라는 삼색설을 제창했습니다. 결과적으로 영의 가설은 옳았지만, 당시는 빛의 혼색 실험이 어렵고 재현성도 부족했기 때문에 전혀 지지되지 않았습니다. 1860년 제임스 클러크 맥스웰은 색으로 구분된 원판을 회전시키면 다른 색이 보이고, 비율에 따라 백색으로도 보인다는 실험을 실시했습니다. 맥스웰은 이 실험에서 시간이 흐름에 따라 눈에 들어오는 색광을 바꾸어 색을 만드는 계시가법 혼색을 시연했습니다. 그는 그림의 장치에서 빨강, 초록, 파랑의 빛의 혼합 실험을 실시해, 이 3개의 색광으로 백색광을 만들어, 또 다양한 색을 만들어낼 수 있는 가능성을 나타냈습니다. 이 장치를 이용한 실험은 맥스웰의 1860년에 쓴 '혼합한 빛깔의 이론과 스펙트럼이 빛깔의 관계에 관해'라는 논문에 나와 있습니다. CA 방향에서 백색광을 넣습니다. CB 사이에서 들어간 백색광은 미러 M에서 반사되어 렌즈 L로 집광되어 E로 향합니다. BA 사이에서 들어간 백색광은 슬릿 XYZ를 통해 3개의 백색광이 됩니다. 3개의 백색광은 프리즘 P로 분광되어 적색, 녹색, 청색의 빛이 되고, 그 후 프리즘 P`를 통해서 혼색되어 렌즈 L로 집광되어 E로 향합니다. E에서 들여다 보면 빛의 색을 관찰 할 수 있습니다. 3색의 빛의 강도는 슬릿 XYZ의 위치와 폭으로 조정할 수 있습니다. BA에서 들어와 E에서 나오는 빛과 CB에서 들어와 E에서 나오는 백색광을 비교하고, BA에서 혼합 된 빛이 CB에서 백색광과 같도록 XYZ를 조정했습니다.

1868년 독일의 물리학자 헤르만 폰 헬름홀츠는 영의 3색설을 정량적으로 해명하고, 영의 3색설이 옳다고 설명했습니다. 이것을 영-헬름홀츠의 삼색설이라고 합니다. 그림은 헬름홀츠가 구한 각 피라미드의 분광 감도 곡선입니다. 이렇게 영, 맥스웰, 헬름홀츠에 의해 삼색설이 유력한 가설이 되었습니다. 1956년 스웨덴의 생리학자 군나르 스바에티친(Gunnar Svaetichin)은 물고기의 망막을 조사하여 청색, 녹색, 빨강색의 3개의 파장의 빛에 특이적인 감도를 나타내는 것을 발견했습니다. 이것은 영-헬름홀츠 삼색설을 지지하는 최초의 생리학적 실증이 되었습니다. 인간의 망막에 적색, 녹색, 청색의 빛을 느끼는 3종류의 원추세포가 존재하는 것이 확인된 것은 1964년(Visual pigments of single primate cones)입니다. 연구자들은 원추세포가 반응한 빛과 원추세포와 반응하지 않은 빛을 비교함으로써 빛의 스펙트럼의 차이를 구하고, 망막에는 445nm(청색), 535nm(녹색), 570nm(적색)에 반응성을 가지는 3종류의 시물질이 존재하는 것을 증명했습니다. 3종류의 원추세포의 감도가 가장 높은 파장은 적추체 450nm, 녹추체 530nm, 청추체 560nm 입니다만, 각각의 감도는 어느 정도의 폭을 가지고 있습니다. 청추체는 거의 청색광에 대응하는 감도 분포로 되어 있지만, 녹추체와 적추체의 감도 분포는 폭이 넓고, 적추체는 녹추체보다 더 장파장에 대응하기는 하지만 상당히 넓은 범위에서 중복됩니다. 청색의 빛에 대해서는, 청추체, 녹추체, 적추체 모두가 반응하는 것을 알 수 있습니다. 설명한 바와 같이 한 파장의 빛에 하나의 원추세포만 반응하지는 않습니다. 그 때문에 청추체, 녹추체, 적추체는 파장의 단(S), 중(M), 길이(L)로 각각 S원추세포(β세포), M원추세포(Г세포), L원추세포(ρ세포)라고 부르는 경우도 있습니다.

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빛의 삼원색의 표준화

1931년에 국제조명위원회(CIE, Commission Internationale de l'Eclairage)는 빛의 3원색을 적색광 700nm , 녹색광 546.1nm, 청색광 435.8nm의 단색광으로 했습니다. 당시에는 LED 등이 없었기 때문에 실험에 사용하기 쉬운 빛의 파장이 선택되었습니다. 녹색광 546.1 nm, 청색광 435.8 nm의 빛은 수은 램프의 광선입니다. 적색광 700nm는 가시광의 가장 긴 파장의 빛을 채용했습니다. 이 CIE의 등색 표준화에는 영국의 John Guild와 William David Wright가 각각 별도로 실시한 실험 결과가 채용되고 있습니다. 이 실험에 사용되고 있던 빛의 삼원색이 상기의 3개의 파장의 빛이었습니다. 이 삼원색을 사용한 색의 표현 방법을 RGB 표색계라고 합니다. 그런데 인간의 눈의 색을 느끼는 원추세포는 중심와에서 2도 이내에 집중하여 분포하고 있습니다. 따라서 혼색 실험에서 어떤 색이 보이는지는 관찰자의 시야에 따라 달라집니다. 그러므로 CIE는 측색 표준 관찰자인 것을 정의하고, 중심와에서 2도의 시야각에서 얻은 색각을 사람의 표준 색각으로 정의했습니다. 그러나 이 같은 방식으로 색을 나타낼때, 일부 색을 표현하는데 마이너스 값이 필요하게 되었습니다만, 이는 색상을 표현하는데 매우 불편합니다. 그래서 CIE는 마이너스의 빛을 취급하지 않아도 색을 나타낼 수 있는 수치로 나타내는 가상적인 3원색 XYZ를 만들었습니다. 대략적으로 말하자면 X는 빨강, Y는 녹색, Z는 청색, 그리고 Y에만 휘도를 나타내는 역할이 있습니다. 이 XYZ를 이용하여 현실의 색을 표현하는 방법을 XYZ 표색계라고 합니다. 그런데 컬러 TV나 액정 디스플레이는 빛의 3원색을 사용해 색을 재현하고 있습니다만, 반드시 CIE가 정한 파장의 빛이 사용되고 있는 것은 아닙니다. 예를 들어 컬러 TV는 적색, 녹색, 청색의 빛을 내는 3종류의 형광물질에 전자빔을 비추어 색을 만들지만, 그 형광물질이 내는 빛의 파장은 대체로 적색광으로 610nm, 녹색광으로 550nm, 청색광으로 470nm입니다. 이러한 파장은 사용하는 형광 물질에 따라 달라지기 때문에, 컬러 TV의 색 재현은 엄밀하게는 어느 형광 물질을 채용했는지에 따라 다르게 됩니다. 이러한 색의 표현을 '기종 의존적인 색 표현'이라고 합니다. 즉, 현실에 사용되고 있는 RGB 표색계는 엄밀하게는 색을 지정하는데는 적합하지 않다고 하는 측면이 있습니다.