分光測定器とは
分光測定器とは、光を各色に分光し、それぞれの色の強度を測定する機器のことです。
光を波長ごとに分光させる素子としては、回折素子のグレーティングや屈折素子のプリズムなどが使われています。分光の制御がしやすいという点から、一般的な分光測定器には回折素子がよく使用されます。
遠赤外線のような長波長の光から、X線のような短波長の光まで広い範囲で分光測定器は使われます。しかし、測定する波長によって異なる技術が使われることもあり、1つの分光器では全ての波長を分光することが難しいです。
分光測定器の使用用途
分光器は様々な光の測定に利用されています。
1. 照明の品質管理
例えば、ランプやLEDライトの強度や波長を確認するために用いられます。このような光を用いた製品の製造過程では、必ず分光測定器を用いた品質管理がされています。
2. 素材の反射率・透過率測定
薄膜やガラス、プラスチックなどの素材の反射率や透過率を調べる際に使用されます。さらに、植物や薬品の光の吸収率測定も用途の1つです。物質の光学特性はそのものの特徴を理解する上でとても重要なので、多くの大学や研究機関で利用されています。
分光測定器の原理
光は波長の長さによって色が異なり、太陽光のように様々な波長の光が混ぜ合わさったものを白色光と言います。分光とは、このような白色光をそれぞれの波長の光に分解することです。分光方法としては、回折格子と屈折格子を用いた2種類の方法があります。
1. 回折格子を用いた場合
光の回折と干渉を利用して分光する方法です。まず、規則正しいスリットの入った金属やガラス板に光を入射させます。光の回折と干渉が起き、波長ごとに光が分解されます。
2. 屈折格子を用いた場合
物質の屈折率の違いを利用して分光する方法です。これにはよくプリズムが使われ、プリズムに白色光を入射すると、波長ごとに屈折率が違うので光が分解されます。
一般的な分光測定器は、単一の波長を測定するモノクロメータが設置されており、分光した光を測定します。ほとんどの場合回折格子が使われていて、波長ごとに反射角が異なるという現象を利用して特定の波長の強度を検出しています。
分解された光は、シリコンフォトダイオードやCCD・CMOSイメージセンサ等の光電子変換デバイスに入光します。光電変換で電気信号に変換した信号を順次読み出すことで、画像を読み出すことが可能です。
分光測定器のその他情報
分光測定器の注意点
分光測定器で測定する上で注意すべきパラメータには次に示すものがあります。
1. 波長範囲
波長範囲とは、分光測定器が光を取り込んで認識できる波長の範囲のことです。波長範囲が広い程様々な波長の光を検出できるため、用途の幅が広がります。測定可能な波長範囲はセンサーの種類で決まり、用途に合わせた分光測定器の選定が必要です。
センサーの種類としては、紫外可視領域はシリコンが使用され、近赤外領域はInGaAsセンサーが使用されます。
2. 分解能
波長分解能とは半値全幅 (英: Full Width Half Maximum) のことを指し、波長範囲における分光可能な波長の細かさのことです。波長分解能は、グレーティングの溝本数が多いほど上がります。しかし、波長範囲は狭くなり、工学系は暗くなるデメリットがあります。
スリット幅を狭くすることで、波長分解能を上げることが可能です。しかし、こちらも光学系が暗くなります。このように、波長分解能はグレーティング、スリット幅と関連しており、どの仕様を重視するかの検討が必要です。
3. 露光時間
露光時間とは、分光測定器が測定対象の光を取り込む時間です。露光時間を長くすることで、強度の低い光でもSN比を上げることが可能です。一方で、露光時間を伸ばすことでFPS (1秒あたりに測定する回数) が減少してしまうデメリットがあります。
参考文献
https://oceanphotonics.com/application/tec_oo_01.html
https://www.horiba.com/fileadmin/uploads/Affiliates/hor/HIP/Spectrum/index.html
https://www.jaima.or.jp/jp/analytical/basic/spectroscopy/uvvis/#