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光度計は、光束、照度、輝度などの測光量を測定するための機器です。[ 1 ] [ 2 ]
歴史的に、測光は光源の光束を標準光源と比較する推定によって行われていました。19世紀には、異なる光源によって生じる影の深さを比較するラムフォードの測光計や、表面の均一な照明を利用するリッチーの測光計など、一般的な測光器が普及しました。また、影の消光を利用した測光器もありました。
現代の光度計のほとんどは、光抵抗器、フォトダイオード、または光電子増倍管を用いて光を電流に変換することで光を検出します。一部の機種は光子計数方式を採用しており、個々の光子を数えることで光量を測定します。これは、日射量が低い場所で特に有効です。光度計の用途は幅広く、写真撮影では適切な露出を決定するために使用され、科学分野では吸収分光法で溶液中の物質濃度を計算したり、赤外分光法で物質の構造を研究したり、原子吸光分光法で溶液中の金属濃度を測定したりするために使用されています。
電子的な感光素子が開発される以前は、測光は目視による推定で行われていました。光源の相対光束は、標準光源と比較されます。人間の目は等照度を判断できるため、測光器は、測定対象の光源からの照度が標準光源からの照度と等しくなるように配置されます。そして、照度は距離の二乗に反比例して減少するため、相対光束を計算することができます。このような測光器の標準的な例としては、油滴をつけた紙片があり、油滴によって紙がわずかに透明になります。油滴が両側から見えないとき、両側からの照度は等しくなります。
1861年までに、3種類の測光器が一般的に使用されるようになった。[ 3 ]これらはラムフォード測光器、リッチー測光器、そして影の消光を利用した測光器であり、影の消光を利用した測光器が最も正確であると考えられていた。
ラムフォードの光度計（影光度計とも呼ばれる）は、光が明るいほど影が濃くなるという原理に基づいていた。比較対象となる2つの光源を用いて紙に影を落とし、影の深さが同じであれば、光源間の距離の差が光の強度の差を示すことになる（例えば、光源が2倍遠い場合、強度は4倍になる）。
リッチーの光度計は、表面の均一な照明を前提としている。これは、長さ6インチまたは8インチ、幅と奥行きがそれぞれ1インチの箱（a、b）で構成されている。中央には、上向きに角度をつけた木のくさび（f、e、g）があり、白い紙で覆われている。使用者は箱の上部にある筒（d）を通して見る。装置の高さはスタンド（c）で調整できる。比較する光源は箱の側面（m、n）に配置され、紙の表面を照らすことで、両方の表面を同時に見ることができる。光源の位置を変えることで、両方の表面を均一に照らすことができ、光度の差は距離の差の2乗に対応する。
このタイプの光度計は、光が不透明な物体の影を白いスクリーンに投影する場合、ある一定の距離まで近づくと、そこに2つ目の光を当てると影の痕跡がすべて消えるという事実に基づいていた。
ほとんどの光度計は、光抵抗器、フォトダイオード、または光電子増倍管を用いて光を検出します。光を分析するために、光度計は、光がフィルターを通過した後、または分光器を通過した後の光を測定し、特定の波長での測定や光のスペクトル分布の分析を行います。
一部の光度計は、入射光束ではなく個々の光子を数えることで光を測定します。動作原理は同じですが、結果はW/cm²やW・cm⁻²・sr⁻¹ではなく、光子/ cm²や光子・cm⁻²・sr⁻¹などの単位で示されます。
これらの装置は個々の光子を計数する性質上、低照度での観測に限定されます。照度は、関連する検出器読み出し回路の時間分解能によって制限されます。現在の技術では、これはメガヘルツ帯です。最大照度は、検出器自体のスループットとゲインパラメータによっても制限されます。
近赤外線、可視光、紫外線波長における光子計数装置の光検出素子は、十分な感度を得るために光電子増倍管である。
航空機や宇宙からのリモートセンシングでは、光子カウンターはX線から遠紫外線といった電磁スペクトルの高エネルギー領域で使用されます。これは通常、測定対象物の放射強度が低いこと、また、低周波数の光の波動性と比較して、高エネルギーの光は粒子的な性質を持つため測定が困難であることに起因します。一方、放射計は一般的に可視光、赤外線から無線周波数帯域までのリモートセンシングに使用されます。
フォトメーターは、写真撮影における適切な露出を決定するために使用されます。現代のカメラでは、フォトメーターは通常内蔵されています。画像のさまざまな部分の照明が異なるため、高度なフォトメーターは、撮影予定画像のさまざまな部分の光強度を測定し、アルゴリズムを使用して最終的な画像に最適な露出を決定します。このアルゴリズムは、意図する画像の種類に合わせて調整されます（測光モードを参照）。歴史的に、フォトメーターはカメラとは別個のもので、露出計として知られていました。当時の高度なフォトメーターは、撮影予定画像全体からの光を測定するため、画像の要素から測定して画像の最も重要な部分が最適に露出されていることを確認するため、または積分アダプターを使用してシーンへの入射光を測定するために使用できました。
反射光度計は、波長の関数として表面の反射率を測定する装置です。表面に白色光を照射し、反射光を分光器で分光した後、その反射率を測定します。この種の測定は、主に実用的な用途があり、例えば塗料業界では、表面の色を客観的に評価するために用いられます。
これらは、溶液中の着色物質の特定の波長（または特定の波長範囲）の光吸収を測定するための光学機器です。光吸収から、ベールの法則を用いて溶液中の着色物質の濃度を計算することができます。幅広い用途、信頼性、堅牢性から、光度計は生化学および分析化学 における主要な機器の一つとなっています。水溶液中での測定に使用される吸収光度計は、波長約240 nmから750 nmまでの紫外線および可視光領域で動作します 。
分光光度計やフィルター光度計の原理は、（可能な限り）単色光を、溶液が入った光学的に平坦な窓を持つ容器（セル）に通すことです。その後、光検出器に到達し、同じ溶媒が入ったものの着色物質が入っていない同一のセルを通した後の光強度と比較して、その光強度を測定します。光強度の比から、着色物質の光吸収能力（着色物質の吸光度、または特定の波長における着色物質分子の光子断面積）が分かれば、ベールの法則を用いて物質の濃度を計算することができます。
光度計には、分光光度計とフィルター光度計の2種類があります。分光光度計では、モノクロメーター（プリズムまたは回折格子を使用）を用いて、特定の波長の単色光を得ます。フィルター光度計では、光学フィルターを用いて単色光を得ます。分光光度計は、異なる波長での吸光度測定に容易に設定でき、吸収物質のスペクトルをスキャンすることも可能です。そのため、フィルター光度計よりも柔軟性が高く、分析光の光学純度も高いため、研究用途で好んで使用されます。フィルター光度計は、より安価で堅牢かつ使いやすいため、日常的な分析に使用されます。マイクロタイタープレート用の光度計は、フィルター光度計です。
赤外分光法は、特定の官能基が特定の波長で吸収を示すため、主に物質の構造を研究するために用いられます。水は特定の波長範囲で赤外光を強く吸収するため、水溶液中での測定は一般的に不可能です。そのため、赤外分光法は、気相（揮発性物質の場合）で行うか、赤外領域で透明な塩類とともに錠剤状に圧縮した物質を用いて行います。臭化カリウム（KBr）は、この目的で一般的に使用されます。試験対象物質は、特別に精製されたKBrと十分に混合され、透明な錠剤状に圧縮され、光線の中に置かれます。波長依存性の分析は、UV-Visのようにモノクロメーターを使用するのではなく、干渉計を使用して行われるのが一般的です。干渉パターンは、フーリエ変換アルゴリズムを使用して分析できます。このようにして、波長範囲全体を同時に分析できるため、時間を節約でき、また干渉計はモノクロメーターよりも安価です。赤外領域で吸収される光は、研究対象物質の電子励起に対応するものではなく、むしろさまざまな種類の振動励起に対応します。振動励起は分子内の異なる基に固有のものであり、これによってそれらの基を識別することができる。赤外スペクトルは通常、非常に狭い吸収線を持つため、定量分析には適さないが、分子に関する非常に詳細な情報が得られる。異なる振動モードの周波数は同位体によって異なり、したがって異なる同位体は異なるピークを示す。このため、赤外分光光度法を用いて試料の同位体組成を調べることも可能である。
原子吸光光度計は、非常に高温の炎から発せられる光を測定する光度計です。分析対象溶液は、一定の既知の速度で炎に注入されます。溶液中の金属は、炎の中で原子の形で存在します。このタイプの光度計で使用される単色光は、放電ランプによって生成されます。放電は、測定対象金属を含むガス中で行われます。放電によって放出される光は、金属のスペクトル線に対応する波長を持っています。フィルターを使用することで、分析対象金属の主要なスペクトル線のうちの1つを分離することができます。この光は炎中の金属によって吸収され、その吸収率を用いて元の溶液中の金属濃度が決定されます。
ルミノメーターは、生物学や化学において発光や蛍光を測定するために使用される高感度な光度計である。
この記事は、スウェーデン語版ウィキペディアの該当記事を一部参考にしています。