光学分光計

光学分光計（分光光度計、分光器、または分光スコープ）は、電磁スペクトルの特定の部分における光の特性を測定するために使用される装置であり、通常は分光分析で材料を識別するために使用されます。^{[ 1 ]}測定される変数は、多くの場合、光の放射照度ですが、たとえば偏光状態である場合もあります。独立変数は通常、光の波長、または対応する波数や光子エネルギーなど、密接に導出される物理量であり、それぞれセンチメートル、逆センチメートル、または電子ボルトなどの測定単位で表されます。

分光計は、分光法においてスペクトル線を生成し、その波長と強度を測定するために使用されます。分光計は、ガンマ線やX線から遠赤外線まで、幅広い非光学波長域で動作します。スペクトルを相対的な尺度ではなく絶対的な尺度で測定するように設計された装置は、一般的に分光光度計と呼ばれます。分光光度計の大部分は、可視光スペクトルに近いスペクトル領域で使用されます。

入射光パワーの測定用に校正された分光計は分光放射計と呼ばれます。^{[ 2 ]}

一般的に、スペクトルの異なる部分を測定するために使用される技術が異なるため、個々の計測器は全範囲のごく一部でしか動作しません。光周波数より低い周波数（つまり、マイクロ波および無線周波数）では、スペクトラムアナライザはこれと密接に関連する電子機器です。

分光器は多くの分野で使用されています。例えば、天文学では、天体からの放射線を分析し、その化学組成を推測するために用いられます。分光器はプリズムや回折格子を用いて光をスペクトルに分解します。これにより、天文学者は多くの化学元素をそれぞれの特徴的なスペクトル線によって検出することができます。これらのスペクトル線は、水素のアルファ線、ベータ線、ガンマ線など、その元素にちなんで名付けられています。光る天体は明るいスペクトル線を示します。暗いスペクトル線は、例えばガス雲を通過する光による吸収によって生じ、これらの吸収線によって化学化合物を特定することもできます。宇宙の化学組成に関する私たちの知識の多くは、スペクトルから得られています。

分光器は天文学や化学の一部の分野でよく使われます。初期の分光器は、光の波長を示す目盛りが付いたプリズムでした。現代の分光器は一般的に、回折格子、可動スリット、および何らかの光検出器を使用し、すべて自動化され、コンピュータによって制御されます。最近の進歩により、回折格子のないさまざまな小型分光器で計算アルゴリズムへの依存度が高まっており、たとえば、CCD チップ上の量子ドットベースのフィルタアレイの使用^{[ 3 ]}や、単一のナノ構造上に実現された一連の光検出器の使用^{[ 4 ]などによって実現されています。}

ジョセフ・フォン・フラウンホーファーは、プリズム、回折スリット、望遠鏡を組み合わせることでスペクトル分解能を高め、他の研究所でも再現可能な最初の近代的な分光器を開発しました。フラウンホーファーは、最初の回折分光器も発明しました。^{[ 5 ]}グスタフ・ロベルト・キルヒホフとロベルト・ブンゼンは、分光器を化学分析に応用することを発見し、この方法を用いてセシウムとルビジウムを発見しました。^{[ 6 ] [ 7 ]}キルヒホフとブンゼンの分析は、フラウンホーファー線を含む恒星スペクトルの化学的説明も可能にしました。^{[ 8 ]}

物質が白熱するまで加熱されると、その物質の原子構成に特有の光を発します。特定の光の周波数は、スペクトル上に明確な帯状のスペクトル線を生じさせ、それは指紋のようなものと考えることができます。例えば、元素ナトリウムは、588.9950ナノメートルと589.5924ナノメートルに、ナトリウムD線と呼ばれる非常に特徴的な二重の黄色の帯を持ちます。この色は、低圧ナトリウム蒸気ランプを見たことがある人なら誰でも見覚えがあるでしょう。

19世紀初頭の分光器の初期設計では、光はスリットから入射し、コリメートレンズによって平行光線の細いビームに変換されました。その後、光はプリズム（携帯型分光器では通常アミチプリズム）を通過し、分散によって波長ごとに屈折量が異なるため、スペクトルへと屈折しました。このスペクトル像は、目盛りが重ねられたチューブを通して観察され、スペクトル像に直接目盛りが重ねられることで、直接測定が可能になりました。

写真フィルムの開発に伴い、より高精度な分光器が開発されました。これは分光器と同じ原理に基づいていましたが、観察管の代わりにカメラが用いられていました。近年では、光電子増倍管を中心とした電子回路がカメラに取って代わり、はるかに高精度なリアルタイム分光分析が可能になりました。分光システムでは、フィルムの代わりに光センサーアレイも使用されています。このようなスペクトル分析、すなわち分光法は、未知の物質の組成分析や天体現象の研究、天文学理論の検証において重要な科学的ツールとなっています。

紫外線、可視光、近赤外線領域の最新の分光器では、スペクトルは一般的に、単位波長（nmまたはμm​​）、波数（μm⁻¹、cm⁻¹）、周波数（THz）、またはエネルギー（eV）あたりの光子数で表され^、単位^は横軸で示されます。中赤外線から遠赤外線領域では、スペクトルは通常、単位波長（μm）または単位波数（ ^cm⁻¹ ）あたりのワット単位で表されます。多くの場合、スペクトルは単位が省略された状態で表示されます（例えば、スペクトルチャネルごとの「デジタルカウント」など）。

分光器は、光を波長に分解してデータを記録する装置です。^{[ 11 ]}分光器は通常、光のスペクトルを検出して記録するマルチチャンネル検出器システムまたはカメラを備えています。^{[ 11 ] [ 12 ]}

この用語は、1876年にヘンリー・ドレイパー博士がこの装置の初期バージョンを発明し、ベガのスペクトルの写真を何枚か撮影した際に初めて使用されました。この初期バージョンの分光器は扱いにくく、管理も困難でした。ジャクソン・S・リチャードソンとジョナサン・D・ホーガンがこの装置を普及させました。^{[ 13 ]}

分光器と呼ばれる装置には、測定対象となる波長に応じていくつかの種類があります。初期の分光器は、検出器として印画紙を使用していました。植物色素であるフィトクロムは、生きた植物を検出器として用いた分光器によって発見されました。より新しい分光器は、可視光と紫外線の両方に使用できるCCDなどの電子検出器を使用しています。検出器の具体的な選択は、記録する光の波長によって異なります。

分光器は、モノクロメーターとの類推から、ポリクロメーターと呼ばれることもある。

• JFジェームズとRSスターンバーグ（1969）、『光学分光計の設計』（チャップマン・アンド・ホール社）
• ジェームズ、ジョン（2007）分光器設計の基礎（ケンブリッジ大学出版局）ISBN 0-521-86463-1
• ブラウニング、ジョン（1882）、『分光器の使い方 ：あらゆる種類の分光器の実際的な操作マニュアル』
• Palmer, Christopher (2020).回折格子ハンドブック（第8 版）. MKS Newport.

• 天体スペクトル用分光器
• リック天文台で使用された分光器の写真（リック天文台記録デジタルアーカイブ、カリフォルニア大学サンタクルーズ校図書館デジタルコレクションより、 2019年4月25日にWayback Machineにアーカイブ済み）