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モノクロメーターとは、入力側で利用可能な広い波長範囲から選択された、機械的に選択可能な狭い波長帯の光またはその他の放射線を透過させる光学装置です。その名称は、ギリシャ語のmono- 「単一の」、chroma 「色」、ラテン語の-ator 「作用する」に由来します。
単色光を生成できる装置は、物質の多くの光学特性が波長に依存するため、科学や光学において様々な用途があります。可視光域では純粋な色として認識される狭い波長帯を選択する便利な方法はいくつかありますが、広い波長範囲から任意の波長帯を容易に選択する方法はそれほど多くありません。モノクロメーターの用途については、以下をご覧ください。
硬X線および中性子光学においては、結晶モノクロメーターを用いて装置上の波動条件を規定する。
モノクロメーターは、プリズムにおける光分散現象、または回折格子を用いた回折現象のいずれかを利用して、光の色を空間的に分離します。通常、選択された色を出口スリットに導く機構を備えています。通常、回折格子またはプリズムは反射モードで使用されます。反射プリズムは、直角三角形プリズム（典型的には正三角形プリズムの半分）の片面を鏡面化することによって作られます。光は斜辺面から入射し、同じ面で2回屈折して反射されます。全屈折と全分散は、正三角形プリズムを透過モードで使用した場合と同じです。
分散や回折は、光が平行光、つまりすべての光線が平行、もしくはほぼ平行な場合にのみ制御可能です。太陽のように非常に遠くにある光源は、平行光を提供します。ニュートンは有名な実験で太陽光を使用しました。しかし、実用的なモノクロメーターでは、光源は近くにあり、モノクロメーター内の光学系が光源からの発散光を平行光に変換します。モノクロメーターの設計によっては、別途コリメーターを必要としない集束格子を使用するものもありますが、ほとんどはコリメートミラーを使用しています。反射光学系は、それ自体が分散効果を引き起こさないため、好まれます。
回折格子／プリズムの構成には、簡便性と分光精度との間で異なるトレードオフを提供するものがある。
一般的なチェルニー・ターナー設計[ 1 ]では、広帯域照明光源( A )が入射スリット( B )に向けられます。使用可能な光エネルギーの量は、スリット(幅×高さ)で定義される空間内の光源の強度と光学系の受光角に依存します。スリットは湾曲ミラー(コリメータ、C )の実効焦点に配置され、スリットからミラーで反射された光は平行光(無限遠に集光)になります。平行光は回折格子( D )で回折され、別のミラー( E )で集光され、分散した光が再び出射スリット( F )に集光されます。プリズムモノクロメータでは、回折格子の代わりに反射型リトロープリズムが使用され、この場合、光はプリズムで屈折されます。
出射スリットでは、光の色は広がります（可視光では虹の色として現れます）。各色は出射スリット面上の別々の点に到達するため、入射スリットの像が複数、その面に結像します。入射スリットの幅は有限であるため、近接する像の一部が重なり合います。出射スリット（F）から出る光には、選択した色の入射スリット像全体と、近接する色の入射スリット像の一部が含まれます。分散素子を回転させると、色の帯が出射スリットに対して相対的に移動し、目的の入射スリット像が出射スリットの中心に位置するように調整されます。出射スリットから出る色の範囲は、スリットの幅に依存します。入射スリットと出射スリットの幅は同時に調整されます。
このような分光器の理想的な伝達関数は三角形の形状をしています。三角形の頂点は選択された公称波長にあり、選択された波長の像が出口スリットを完全に満たします。この頂点の両側では、近傍の色の強度は直線的に減少し、あるカットオフ値に達すると強度の減少は止まります。これを迷光レベルと呼びます。カットオフレベルは通常、頂点値の約1000分の1、つまり0.1%です。
スペクトル帯域幅は、光が最大値の半分に達した点における三角形の幅（半値全幅、略してFWHM）として定義されます。典型的なスペクトル帯域幅は1ナノメートルですが、分析のニーズに合わせて異なる値を選択できます。帯域幅を狭くすると解像度は向上しますが、信号対雑音比も低下します。[ 2 ]
モノクロメーターの分散は、スリット幅あたりの色のバンド幅として表され、 例えばスリット幅1mmあたり1nmのスペクトル幅となります。この値は回折格子では一定ですが、プリズムでは波長によって変化します。走査型プリズムモノクロメーターを定帯域幅モードで使用する場合、波長の変化に応じてスリット幅も変化させる必要があります。分散は焦点距離、回折格子の次数、および回折格子の分解能に依存します。
モノクロメーターの調整範囲は、可視光スペクトルと、その近傍の紫外線（UV）スペクトルおよび赤外線（IR）スペクトルの一部または両方をカバーする場合があるが、モノクロメーターは非常に多様な光学範囲に対応し、非常に多くの設計で製造されている。
2つのモノクロメーターを直列に接続し、機械システムを連動させて両方が同じ色を選択する構成が一般的です。この構成はスペクトルの狭さを改善するためではなく、カットオフレベルを下げることを目的としています。ダブルモノクロメーターのカットオフ値は、個々のセクションの2つのカットオフ値の積であるピーク値の約100万分の1になる場合があります。出射ビーム中の他の色の光の強度は迷光レベルと呼ばれ、多くの用途においてモノクロメーターの最も重要な仕様となります。低迷光を実現することは、実用的なモノクロメーターを製造する上で重要な技術の一つです。
回折格子モノクロメーターは、通常、マスター回折格子から製造されるレプリカ回折格子を使用して、紫外線、可視光、赤外線を分散します。マスター回折格子は、多数の平行で間隔の狭い溝を持つ、硬くて光学的に平坦な表面で構成されています。マスター回折格子の製造は、溝のサイズが同一で、完全に平行で、回折格子の長さ（3～10 cm）にわたって等間隔でなければならないため、長くて高価なプロセスです。紫外線および可視光領域の回折格子は通常、300～2000本の溝/mmを持ちますが、1200～1400本の溝/mmが最も一般的です。赤外線領域の回折格子は通常、10～200本の溝/mmを持ちます。[ 3 ]回折格子を使用する場合、回折パターンに重なり合う次数があるため、広帯域モノクロメーターの設計には注意が必要です。回折次数の幅を制限して重なり合わないようにするために、広帯域プリセレクタフィルターが光路に挿入されることがあります。場合によっては、二重モノクロメーター設計のモノクロメーターの1つとしてプリズムを使用することでこれを実現する。
当初の高解像度回折格子は、溝が刻まれたものでした。高品質の溝機構の製作は、過去数十年間、非常に困難な作業であり、良質な格子は非常に高価でした。溝付き格子の三角形の溝の傾斜は、特定の回折次数における明るさを高めるように調整されるのが一般的です。これを格子のブレイジングと呼びます。溝付き格子には、微弱な「ゴースト」回折次数を生み出す欠陥があり、これが分光器の迷光レベルを上昇させる可能性があります。後のフォトリソグラフィー技術により、ホログラフィック干渉パターンから格子を作成できるようになりました。ホログラフィック格子は正弦波状の溝を持つため、ブレイジング格子ほど明るくはありませんが、散乱光レベルは低くなっています。実際に分光器で使用されている格子のほぼすべては、溝付きまたはホログラフィックのマスター格子を精巧に複製したものです。
プリズムは紫外線領域で分散が大きくなります。プリズムモノクロメーターは、主に遠紫外線領域での動作を想定して設計された一部の機器で好んで使用されます。しかし、ほとんどのモノクロメーターは回折格子を使用しています。一部のモノクロメーターには、異なるスペクトル領域で使用するために選択できる複数の回折格子が備わっています。プリズムモノクロメーターと回折格子モノクロメーターを直列に配置した二重モノクロメーターは、通常、単一の回折格子次数を分離するための追加のバンドパスフィルターを必要としません。
分光器が生成できる色の帯域の狭さは、分光器コリメータの焦点距離に関係しています。焦点距離の長い光学系を使用すると、残念ながら光源から取り込める光量が減少してしまいます。非常に高解像度の分光器では、焦点距離が2メートルになる場合もあります。このような分光器を製造するには、機械的および熱的安定性に細心の注意を払う必要があります。多くの用途では、焦点距離が約0.4メートルの分光器が優れた解像度を持つと考えられています。多くの分光器の焦点距離は0.1メートル未満です。
最も一般的な光学系は球面コリメータを使用するため、スリット像が焦点を結ぶ視野を湾曲させる光学収差が生じます。そのため、像の湾曲を近似するために、スリットは直線ではなく湾曲している場合があります。これにより、より高いスリットを使用してより多くの光を集めることができ、高い分光分解能を維持できます。一部の設計では、別のアプローチとして、トロイダルコリメートミラーを使用して湾曲を補正し、分解能を犠牲にすることなく、より高い直線スリットを使用できるようにしています。
モノクロメーターは波長単位で校正されることが多い。回折格子を均一に回転させると波長が正弦波状に変化し、回折格子の角度が小さい場合はほぼ直線的になるため、このような装置は簡単に作ることができる。しかし、研究対象となる多くの物理現象はエネルギーに対して直線的であり、波長と光子エネルギーは逆数の関係にあるため、エネルギーの関数としてプロットすると単純で予測可能なスペクトルパターンも、波長の関数としてプロットすると歪んでしまう。一部のモノクロメーターは逆センチメートル単位、あるいは他のエネルギー単位で校正されるが、そのスケールは直線的ではない可能性がある。
高品質の二重モノクロメーターを備えた分光光度計は、十分な純度と強度を持つ光を生成することができ、それによって約100万倍（6 AU、吸光度単位）の狭い範囲の光減衰を測定することができます。
モノクロメーターは、多くの光学測定機器や、波長可変の単色光が必要とされるその他の用途で使用されています。単色光を試料に照射し、反射光または透過光を測定する場合もあれば、白色光を試料に照射し、反射光または透過光を分析するためにモノクロメーターを使用する場合もあります。多くの蛍光光度計では2つのモノクロメーターが使用されており、1つは励起波長を選択するために、もう1つは放出された光を分析するために使用されます。
自動走査分光計は、モノクロメーターによって選択される波長を変更する機構と、その結果として生じる測定量の変化を波長の関数として記録する機構を備えている。
出射スリットを撮像素子に置き換えると、分光器の基本構成が得られます。この構成により、広範囲の色の強度を同時に分析することが可能です。例えば、光の収集には写真フィルムや光検出器アレイを使用できます。このような装置は、機械的な走査なしでスペクトル関数を記録できますが、解像度や感度などの点でトレードオフが生じる可能性があります。
吸収分光光度計は、波長の関数として試料による光の吸収を測定します。結果は透過率（％）で表される場合もあれば、透過率の逆対数で表される場合もあります。ベール・ランバートの法則は、光の吸収を、光吸収物質の濃度、光路長、およびモル吸光係数と呼ばれる物質固有の性質に関連付けます。この関係によれば、強度の減少は濃度と光路長に対して指数関数的です。透過率の逆対数を使用すると、減少はこれらの量に対して線形になります。この値の古い表記は光学密度（OD）でしたが、現在の表記は吸光度単位（AU）です。1 AU は光強度の 10 分の 1 の減少です。6 AU は 100 万分の 1 の減少です。
吸光光度計には、試料に光を供給するためのモノクロメーターが備わっていることが多い。また、一部の吸光光度計には自動スペクトル分析機能が搭載されている。
吸収分光光度計は、化学、生化学、生物学において日常的に多くの用途があります。たとえば、光を吸収する多くの物質の濃度や濃度の変化を測定するために使用されます。多くの生物学的物質、たとえば多くの酵素の重要な特性は、研究対象の物質の存在または活性に応じて色の変化を引き起こす化学反応を開始することによって測定されます。[ 4 ]光学温度計は、物質の吸光度の変化を温度に対して校正することによって作成されました。他にも多くの例があります。
分光光度計は、鏡の正反射率や着色物体の拡散反射率を測定するために使用されます。また、サングラス、レーザー保護メガネ、その他の光学フィルターの性能評価にも用いられます。他にも多くの用途があります。
紫外線、可視光、近赤外線領域では、吸光度分光光度計や反射分光光度計は通常、試料に単色光を照射します。一方、対応する赤外線分光計では、通常、試料から発せられる光を分析するために分光器が使用されます。
モノクロメーターは、単純な吸収や反射以外の現象を測定する光学機器にも使用され、光の色は重要な変数となる。例えば、円偏光二色性分光計にはモノクロメーターが内蔵されている。
レーザーは、ここで説明した光学式分光器よりもはるかに単色性の高い光を生成するが、波長を容易に調整できるレーザーは限られており、また、これらのレーザーは操作がそれほど簡単ではない。
単色光を用いることで、イメージングデバイス（例えばCCDやCMOSイメージャー）の量子効率（QE）を測定できます。出射スリットからの光は、拡散板または積分球を通してイメージングデバイスに照射され、同時に校正済みの検出器で光が測定されます。イメージャー、校正済み検出器、および分光器を連携させることで、特定の波長の光子によって生成されるキャリア（電子または正孔）の数、すなわちQEを算出することができます。
ウィキメディア・コモンズにあるモノクロメーター関連のメディア