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分光器

分光器とは

吸収分光法、蛍光分光法、ラマン分光法など、様々な分光法による分析法で欠かせないのは光の強度を波長毎に測定する機構です。
分光器(Spectrometer)とは、測定したい光を各波長に分け(分光)、検出器で受けることで強度を計測する装置です。

以下の図は一般的なマルチチャンネル分光器(多波長分光器)の内部構造を表しています。
内部構造の代表的なものには、平面グレーティングと呼ばれる分光素子を採用した”ツェルニーターナー分光方式(図1)”と、”凹面グレーティングを採用したフラットフィールド分光方式(図2)”があります。
フラットフィールド方式は、主に明るい光学系を必要とする場合に採用されます。

マルチチャンネル分光器は大きく分けると①スリット②コリメーター(ミラー)③分光素子(または分光器)④検出器の部品で構成されます。
これら4つの部品について簡単に解説します。

図1:ツェルニーターナー分光方式

ツェルニーターナー分光方式

図2:フラットフィールド分光方式

フラットフィールド分光方式

①スリット

スリット(Slit)は測定したい光が通る隙間になります。このスリットの幅を広げるまたは狭めることで、波長分解能が決定します。

②コリメーター(ミラー/レンズ)

コリメーター(Collimator)は拡散する光を平行光に変える光学部品です。コリメーターは③分光素子(または分光器)のサイズにあわせて光の形状を整える役割を果たしています。分光器の構造によっては、ミラーだけではなくレンズが使用される場合もあります。

③分光素子(または分光器)

入射した光を波長毎に分ける光学素子を分光素子(または分光器)と呼びます。ここでは代表的な分光素子について説明します。

以下、3つの代表的な分光素子の種類を説明します。

(1)グレーティング(回折格子)

格子状のパターンによる回折を利用して干渉縞を作るために使用される光学(分散)素子です。
素子の材料や格子パターンの形状などにより分光される波長が異なります(Wikipedia)。代表的なグレーティングとして、ダイヤモンドカッターなどで金属表面に刻線し作られる「ルールド・グレーティング」やレーザー光を用いた2光束の干渉縞を利用したフォトレジストで作られる「ホログラフィック・グレーティング」などがあります。

反射型グレーディング概念図 グレーディング

(2)プリズム

ガラスなどの透明な結晶を加工した光学素子です。
光の回折と干渉を利用し分光するグレーティングとは異なり、波長毎の屈折率の違いを利用し光を分散します。プリズムは使用される材質や屈折率より波長範囲や分光能力が依存してしまいますが、光のロスを少なく効率的に分光することが可能です。

プリズム概念図 プリズム

(3)光学フィルター(リニアバリアブルフィルター)

入射される光の中から、特定の波長のみを透過する光学素子です。フィルターは使用される結晶やコーティングの材質により透過する波長が異なります。特定の波長を抽出する光学素子としては最も効率がよいと言われています。一般的な光学フィルターは1枚の素子につき1波長を透過しますが、1枚の結晶に複数の異なるコーティングがパターニングされたフィルターや多層コーティングされた「リニアバリアブルフィルター」など、1枚で複数の波長を透過することができるものもあります。

リニアバリアブルフィルター概念図 リニアバリアブルフィルター

④検出器

検出器(Detector)は、③分光器で分散された光を受光する部品です。
検出器は材質によって検出できる波長が異なり、また検出器の画素数により感度・分解能が変わります。

  • Silicon(Si):200~1000nm
  • InGaAs:900~1700nm
  • PbSe:1000~50000nm (1~5µm)
分光器ページ

分光器にまつわるキーワード

次に、分光器にまつわるキーワードについて説明します。

①波長校正

分光器は定期的に校正を行う必要があり、通常波長校正には低圧水銀ランプを使用します。 モノクロメーターであれば435.7nmの代表波長で校正。多波長分光器では一般的に水銀の代表輝線3波長(435.7nm、546.1nm、577.0nm)を使用した高次多項式で校正を行っています。 波長とピクセルとの関係は、一般的に三次元の多項式が用いられ、以下のようになります。

λ(mm)=a0 + a1pix + a2pix² + a3pix³

pix:イメージセンサーの任意ピクセル数
a0~3:分光器の固有係数
当社では、高性能な設備での分光器の校正を承っております。

②測定精度

迷光と測定誤差

迷光と測定誤差
真の吸光度(A) 迷光による吸光度誤差
迷光値1% 迷光値0.1%
1 0.037 0.0038
2 0.296 0.0409
3 1.037 0.3
4 2 1.04
5 3 2

測定したい吸収スペクトル曲線の半値幅(NBW)と多波長分光器の波長分解能(SBW)によって測定したいスペクトルの真値との差を求めることができます。

NBWとSBWの説明図

迷光と測定誤差
SBW/NBW 測定値/真値
0.1 0.995
0.15 0.99
0.2 0.98
0.3 0.96
0.4 0.93
0.5 0.9

③吸光度

特定波長に対して吸収強度を示す尺度です。
分光分析においては、測定物に含まれる成分の特定や量を測定する上で重要な指標となります。
Abs(吸光度)log l0/l=εCL
I0:入射光の強さ I:透過光の強さ L:液層の厚さ C:溶液の濃度 ε:分子吸光係数

後分光方式

④分散

グレーティングの波長範囲λ0~λnを検出器長Lで割った値(nm/mm)。 また、波長範囲λ0~λnを検出器の素子数で割った値(nm/pxl)とする場合もあります。

⑤迷光

分光器内の光学素子や壁による散乱のため取り出される光の中に目的の波長以外の光がごくわずかに混ざって含まれており、この成分を迷光と呼んでいます。
迷光はグレーティングの高次光や、内部反射光(高次光)、散乱光、カバーガラス内の反射光などから発生します。迷光が残ったままディテクタで検出すると、各波長の強度に加算されてしまうため正確な値を測定することができなくなります。
これらを除去する方法として、検出器前面に迷光除去用の光学フィルター(高次光カットフィルター)などの設置や、モノクロメーターの場合、分光後に取り出した光をもう一度分光させ、迷光を減らし精度を高めるダブルモノクロメーター方式の採用などがあります。

⑥波長確度

既知のスペクトル(輝線スペクトルなど)による絶対値からの誤差です。

⑦ブレーズ波長

グレーティングにおける回折効率が最も高い波長を示します。

⑧ダイナミックレンジ

最大感度レベルと最小感度レベルの比を表します。

⑨分光配置(マウント)

入射スリット、グレーティング、検出器で構成される光学配置のことです。

⑩測光回路

多波長分光器は下図にあるようなシステムで動作します。 検出器で検出された光をプリアンプで増幅しA/Dコンバーターでアナログ信号からデジタル信号に変換し、PCに出力されます。

測光回路例

フラットフィールド配置

分光器にまつわる種類

①分光方式の種類

前分光方式

測定対象に対し、分光した光を試料に入射して、測定する方式です。
メリット:試料に目的以外の光が当たらない。
デメリット:試料に目的以外の光が当たらない。波長走査が必要となり測定時間を要する。

前分光方式

後分光方式

測定対象から透過または反射した光を分光し測定する方式です。
マルチチャンネル分光器の場合はその構造から必然的に後分光になります
メリット:オープンタイプで測定できる。瞬時測光が可能
デメリット:連続光の入射光が、試料に影響する場合がある。

後分光方式

②光学配置の種類

凹面グレーティングを採用した配置は2種類あります。

ローランド配置

凹面グレーティングを用いた多波長分光器として、ローランド円上にアレイ検出器を配置。

ローランド

ローランド配置

フラットフィールド配置

アレイ検出器用に収差補正を行ったグレーティングを使用し、フラットフィールドに配置したものです。

フラットフィールド配置

フラットフィールド配置

③グレーティングの種類

ルールドグレーティング

ダイヤモンドカッターを使用し、1本ずつ金属表面(Alなど)に刻線し作製されます。 ブレーズ加工もダイヤモンドカッターの刃先の形状を変えることで任意に変更が可能です。

ホログラフィックグレーティング

レーザー光を用いた2光束の干渉縞を利用したフォトレジストで作製されます。 イオンビームを照射することで任意のブレーズも作製可能です。

分光器の用途と選び方

フィールドで用いるものから、研究室や生産ラインで用いるもの等、当社では広く取り揃えております。

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