分光器とは
分光器とは、様々な波長の光が混在した合成光の中から、測定対象とする波長の光の強度のみを測定するために、光の成分を分離する装置です。
最近では分離した光の検出器を一体化したものも多く、光の分離から検出機構までをまとめて分光器と呼ばれることもあります。
分光器の使用用途
分光器は、反射光や透過光を問わず、また可視光のみならず電波から放射線に至るまで、原理的に様々な波長帯の光源(線源)を分光することができるため、あらゆる産業や研究場面で使用されます。
分析化学分野では、太陽光やプラズマ発光強度を測定するために用いられ、素材の反射率などの光学的性質を評価する場面でも用いられます。
また、レーザーなどの光源を使った製品検査ラインにおいて、反射光など任意の波長の検出をする品質管理ラインに意識せずとも組み込まれていることも多いです。
分光器の原理
図1. 回折格子 反射型(左) / 分光器 回折格子型 (右)
一般に、光源を分光するには、まず光の整形が必要です。
スリットと呼ばれる隙間に光源を通すことで光の分解能を設定したのち、レンズやミラーで作られたコリメータにより光源を平行光化します。この平行光を分光素子に入射させることで分光が可能です。分光素子には、光の回折現象を利用した回折格子型か、光の屈折現象を利用したプリズム型があります。
回折格子型では、分光素子表面に一定の間隔で刻んだ回折格子による光の反射を利用して分光するため、回折パターンを変更することで検出できる光の波長と分解能が変化します。ここで、回折格子型分光器の原理について、図を用いて説明します。
回折格子には透過型と反射型がありますが、図1は、反射型の回折格子の概念図を表しています。さまざまな波長の光を含む光源(白色光)の平行光を回折格子に入射させると、複数のグレーティングすなわち格子状の構造部分(G1、G2．．．)のそれぞれの位置において、広い角度方向への反射光の回折が生じます。ここで光の干渉が起こり、各グレーティングに由来する反射光の光路差(dsinθ)が所定の条件(波長λの整数倍)を満たす角度(θ)方向に対して、特定の波長λのみが強められた単色光が出射します。
このようにして、回折格子によって、異なる波長が異なる角度に分散(虹状に分離)することになります(図2参照)。さらに図2に示したスリットを用いることで、分散した反射光のうち特定波長の単色光のみを取り出すことができます。以上が回折格子型分光器の原理となります。なお、回折格子を回転させれば、取り出す光の波長を変化させることも可能です。
分光器の選び方
検出器一体型の分光器を使用する場合には、測定した光源の波長について適切なものを選定する必要があります。
例えば、紫外線から近赤外線までの範囲の光源であれば、CCDでいいですが、それを超える長波長光源を検出するのであれば、InGaAs型の検出器が必要です。
また、測定原理でも述べたように、回折格子型の分光器は回折パターンにより検出できる波長がきまるため、目的の波長に適したものを選ぶ必要があります。
プリズム型はプリズムの性質によって分解能は決まりますが、光の強度ロスがないという特長があるため、用途によって使い分けるとよいでしょう。
分光器のその他情報
1. 分光器の使い方
分光器を使用した分析機器の使い方は、一般的に以下の流れとなります。
- 測定する物質と、測定波長域を決めます。
- 測定したい波長に対応した分光器を選択します。
- 物質に光を当てて、目的の波長を分光します。
- 目的の光をセンサーに入れて信号を検出します。
- 得られた信号をスペクトルに変換します。
研究室で使用する高価なモノなら、マイケルソン干渉計と呼ばれる分光箇所で特定の光の波長を自動で検出します。持ち運び可能な小型機でも、物質を透過、反射した光を交換可能な分光器を通すことで、目的波長を検出できます。
得られた波長はセンサー（検出器）に入り、各波長ごとに信号として検出されます。この信号はスペクトルと呼ばれる波の波形に変換され、このスペクトルを解析することで、物質の状態を解析します。
2. 分光器の実験例
分光器を使用した実験はいくつかありますが、測定する波長によって様々な例があります。
例えば短波長側から各波長域の実験例を見ていくと以下の通りとなります。
- X線分光器は、物質表面にX線を当て、その反射光を分光器に通すことで、表面の組成を特定します。
- 紫外・可視分光器は、物質に光を透過させることで、対象の成分や含まれる量を特定します。
- 赤外分光器は分子間の結合に光を当てることで、物質の構造が分かります。
このように、分光器の波長域によって得られる情報は異なってきます。
3. 分光器から得られるスペクトル
分光器を使用する目的は、未知、もしくは既知の物質から情報を習得して、解析を行い物質の状態を特定することです。その解析に用いるのが、分光器から最終的に得られるスペクトルと呼ばれる波形図です。
分光器から得られるスペクトルには以下のような例があります。知りたい情報を最初に定義することで、適切な分光器を選択してスペクトルを習得することが重要になります。
- X線分光器は測定される特性X線のピークから原子を特定します。
- 紫外・可視分光器は光を試料に透過させたときに励起する電子のエネルギー差をスペクトルとして検出します。
- 赤外分光器は原子間を繋ぐ結合間の振動エネルギーをスペクトルとして検出します。
参考文献
https://www.klv.co.jp/technology/spectrometer.html
https://www.mst.or.jp/method/tabid/1222/Default.aspx