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分光器とは?分光の基本から簡単に解説

2021.01.28 |  分光器

分光器(Spectrometer)とは、光の電磁スペクトルを測定する光学機器全般を指します。また測定時には光を波長ごとに分光し、検出器で受けることで強度を計測します。

とはいえ「分光器」をよく知らない方にとっては、この数行すら難解で理解不能に思えるはずです。
実際にこの数行には分光器の全てが詰まっており、文字量に反して、相当の情報が含意されています。

そこで当ページでは、この数行で記されている内容を噛み砕いて解説することで、分光器について簡単に、わかりやすく説明していきます。

分光器って何?

そもそも分光器が何を測定しているのか?

それは「光」です。
正確には「光の電磁スペクトル」を測定する機器ですが、やや難解なためまずは「光」であることを頭に入れておいてください。

分光器は光を測定している機械です。

問題はこの「光」をどうしているのか。
分光器を単純化すると、2つのことをする機械だと言えます。

1. 分光する

プリズム概念図

2. 測定する

分光器の測定データイメージ図

それでは「分光」と「測定」について見ていきましょう!

分光とは?波長の基本から説明

分光とは、読んで字のごとく「光を分ける」ことを指します。

光を分けるというと、馴染みのないように思えますが、実は「虹」も光が分けられた状態です。
ポイントは、虹が元々「太陽光」であるということ。

太陽光は「白色光」と言われています。

実は「白い光」は赤や青、緑、黄色、紫など、無数の色の光が混じり合って「白」を形成しています。
これは光の三原色(RGB)の中心部分が白いことからも分かります。

光の三原色

このように太陽光の「白」は、様々な色の光が混ざっています。
そのため太陽光を「分光」すると、虹のような無数の色が現れるのです。

同じことがプリズムでも再現できます。
太陽光と同じ白色光を、プリズムを通して分光すると、無数の色に分けられます。

プリズム概念図

これが分光です。

ちなみに、太陽光や白色光は「さまざまな色を含んでいる光」ですが、これは「さまざまな波長を含んでいる光」であることを意味します。
つまり分光とは「光を波長ごとに分けること」を指します。

波長とは?

波長とは、波長は周期的な波のことで、山と山(あるいは谷と谷)までの距離を指します。

波長=山と山の距離

光は電磁波でもありますので、このような「波」が存在します。
波長の単位はnm(ナノメートル)やμm(マイクロメートル)で表されますが、これは「山から山までの長さ(距離)」がこれらの単位で表記されるからです。

実はこの「波長の違い」が、私たちの目には「色の違い」として現れます。

赤い光と青い光は波長が異なります。
こちらは、波長の違いを概念図で示したものです。

赤い光・青い光の波長の違い概念図

プリズムは「白」を「無数の色」へと分光しているように見えますが、これは「複数の波長を含んだ白色光」を「波長」ごとに分光しているとも言えるのです。

分光とは

光を波長ごとに分けること。

分光する方法「分光素子」

分光器がどのように分光しているかというと「分光素子」が関わっています。

プリズムのように「入射した光を波長ごとに分光する物」を「分光素子」と言います。
分光素子には種類があります。

プリズム

プリズム概念図

回折格子

反射型グレーディング概念図

光学フィルター

リニアバリアブルフィルター概念図

プリズムは波長ごとの「屈折率の違い」を利用して分光します。
回折格子は光の「回折と干渉」を利用して分光します。

光学フィルターは、特定の波長のみを通過するフィルターの役割を果たします。
フィルターによって光が選別され、結果的に「分光」されます。

光の測定とは?データから解説

分光器は光を分けるだけの機器ではなく、波長ごとに分けた光を「測定」する機械です。
とはいえ光を測定するといっても、想像できないかもしれません。

分光器は、光の何を測定しているか。
これは「測定データ」から読み解くことができます。

測定データ=分光スペクトル

分光器が測定するのは「波長ごとに分光された光」です。
そのため「波長」が測定されます。測定する光によって「どの波長が含まれているか」が異なります。そのためまずは分光した波長を読み取ります。

さらに「波長」だけでなく「どんな波長がどの程度の強度を持つか」という「波長ごとの強度」も測定されます。

分光器が測定している情報

分光器では「波長」ごとの「強度」を測定している。

波長や強度は、分光された光をセンサーで測定することでわかります。
そしてセンサーで測定された情報はグラフとして配列されます。

このように、光を波長ごと分解して配列した情報がスペクトル(Spectrum)です。

グラフの横軸は波長です。単位はnm(ナノメートル)で表記されます。
これがグラフの横軸に当たります。

ちなみに分光器の仕様表に記載されている「スペクトル分解能」などは「波長をどれだけ細かく分けられるか?」という指標です。

他方で、縦軸は波長ごとの「強度」を表しています。

分光器の測定データイメージ図

つまりグラフを見ることで「どの波長がどの程度の強度を持つか」を詳細に知ることができます。

分光器まとめ

ここまでの流れで分光器が「何をしているか」が見えてきたのではないでしょうか。

  1. 分光する→波長を「波長」と「強度」を併せて測定している。
  2. 測定する→波長と強度を分光スペクトルデータにする。

この流れを理解することで初めて分光器が何か、その定義が判明します。

分光器の定義

分光器(Spectrometer)とは、光の電磁スペクトルを測定する光学機器全般を指します。また測定時には光を波長ごとに分光し、検出器で受けることで強度を計測します。

分光素子によって光を波長ごとに分光し、その強度を測定する。それが分光器です。

分光器の種類

分光器は様々な軸で分類されます。
ここでは「波長」と「測定方法」によって分類される例をご紹介します。

「波長」による分類

分光器は測定する波長によっていくつかの種類に分けられます。

分類 製品画像 測定する波長
近赤外分光器 近赤外分光器製品例 近赤外線
中赤外分光器 中赤外分光器製品例 中赤外線
可視分光器 可視分光器製品例 可視光線
紫外可視分光器 紫外可視分光器製品例 紫外線, 可視光線
X線/紫外光電子分光分析装置 X線/紫外光電子分光分析装置 紫外線, X線

波長と分光器の関係は「分光器選定ガイド - 波長で選ぶ」で解説しています。
関心のある方はご覧ください。

「測定方法」による分類

波長による分類だけでなく「測定方法」で分類されることもあります。
ラマン分光法を用いた機器は「ラマン分光計」や「ラマン分光装置」と呼ばれます。またフーリエ変換赤外分光法(FTIR)を用いた機器は「フーリエ変換赤外分光光度計」と言います。

分光器の測定方法と製品例について詳しく知りたい方は「分光法の種類」をご覧ください。

分光器の用途

分光器は様々な用途で使われています。
例えば、分光器を用いることで、ガス中の二酸化炭素濃度や、液体中の酸素濃度などを割り出すことができます。

水分測定

水分測定イメージ

食品分析

食品分析イメージ

溶液の成分分析

溶液の成分分析イメージ

オイル分析

オイル分析イメージ

ガス成分分析

ガス成分分析イメージ

塗料の色分析

塗料の色分析イメージ

水分測定

「近赤外分光器」を用いることで、ダンボールや錠剤、お茶の葉などの水分量を測定できます。
測定原理や測定例などを知りたい方は「近赤外分光器を用いた水分測定」をご覧ください。

ペンキの色測定

上述の通り、私たちの目は光の波長の違いを「色」として認識しています。そのため光の分析に優れた分光器を用いることで「色の厳密な分析」も可能です。

実際に分光器を用いてペンキの色を測定したコンテンツ「色測定計Spectro1は色見本に変わるのか?ペンキの色測定で試してみた」に詳細が記載されています。

製品情報

ここでは弊社(ケイエルブイ株式会社)取扱製品をいくつかご紹介いたします。

高速 高感度 小型分光器 Rapid SIGHT

高速 高感度 小型分光器 Rapid SIGHT

最速1秒で90,000スペクトルの高速測定が可能な超高速分光器です。プロセスモニタリングやプラズマの監視などで活用されています。高速測定が気になる方は「測定事例」をご覧ください。

製品詳細
超小型 近赤外分光センサモジュール

超小型 近赤外分光センサモジュール

重さ15g、大きさ25×25×17mmの小型分光器です。
工業環境に完全対応しており、携帯機器として、また食品業界や農業、製薬、その他の市場の生産ラインの組み込み用として最適です。

製品詳細
中赤外分光システム IR Sphinx Transmission:透過測定タイプ

中赤外分光システム IR Sphinx Transmission:透過測定タイプ

オイル、ミルク等の液体サンプルのインライン測定に最適な中赤外分光器です。18cm-1と36cm-1の間のスペクトル分解能を備えており、液体成分の厳密な分析が可能なため産業用途でご利用いただいております。

製品詳細

分光器の選定についてお悩みの際は、お気軽にお問い合わせください。用途や必要とされるスペックから、最適な製品のご紹介が可能です。