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分光器

分光器とは、入射した光を波長毎に分ける機器です。
市場にある多くの分光器には検出器(ディテクタ)が組み込まれており、光を分光するだけではなく、スペクトル強度を測定することが出来るようになっています。
分光器の種類としては、単一波長を取り出すモノクロメーターと、複数の波長を同時に取り出すポリクロメーター(マルチチャンネル分光器)の2つの種類があります。以下の説明はポリクロメーターに関するものです。

分光器の分光方式及び、分光器の構造

多波長分光器の代表的なものには、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、平面グレーティングを採用したツェルニーターナー分光方式などがあります。 明るい光学系を必要とする場合、フラットフィールド分光方式が採用されています。

図1: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

図2: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

多波長分光器は入射スリット、凹面グレーティング、検出器で構成されます。 分光器の波長分解能は入射スリットで決定します。 グレーティングは光を分散させる分散素子であり、分光器全体の性能が決定される重要な要素です。 検出器は、グレーティングで分散された光を受光します。 多波長分光器は一度に複数の波長を同時に測定でき、装置も比較的小型なため、血液分析装置や、食品の成分分析など幅広く使用されています。
下記に、マルチチャンネル分光器の構造例を図示します。

図3:多波長分光器の構造例

マルチチャンネル分光器の構造例

光学配置

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。

図4: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。

図5:フラットフィールド配置

フラットフィールド配置

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。

測光回路

多波長分光器は図6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。

図6:測光回路例

フラットフィールド配置

検出器の種類

検出器は材質によって感度波長が異なります。

  • Si:200~1000nm
  • InGaAs:900~1700nm

またシリコンを使ったCCDの方式の違いにより表面照射型、裏面照射型の2種類があります。 裏面照射型CCDは、通常のシリコン検出器より感度波長範囲が広くなり200~1100nmとなります。

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。

測定精度

図7: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。

図8: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

分光方式

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。
多波長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

吸光度

特定波長に対して吸収強度を示す尺度です。
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

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。

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。
具体例としては、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が挙げられ、これらを除去する方法として、検出器前面に迷光除去用フィルターなどが用いられている他、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分光器もあります。

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。

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。

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。

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。

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。