分光放射計

分光放射計は、光源から放出される光の波長と振幅の両方を測定できる光測定ツールです。分光計は、検出器アレイに光が当たる位置に基づいて波長を識別し、1回の測定で全スペクトルを取得できます。ほとんどの分光計は、校正されていない読み取り値であるカウントの基本測定値を持ち、これは各波長に対する検出器の感度の影響を受けます。校正を適用することで、分光計はスペクトル放射照度、スペクトル放射輝度、および/またはスペクトルフラックスの測定値を提供できるようになります。このデータは、内蔵またはPCソフトウェアと多数のアルゴリズムで使用され、放射照度（W/cm2）、照度（luxまたはfc）、放射輝度（W/sr）、輝度（cd）、フラックス（ルーメンまたはワット）、色度、色温度、ピーク波長、および主波長の読み取り値を提供します。より高度な分光計ソフトウェアパッケージの中には、PAR μmol/m ² /s、メタメリズム、距離に基づくカンデラ計算を可能にするものもあり、2度および20度の観測者、ベースラインオーバーレイ比較、透過率および反射率などの機能が含まれています。

分光器は、さまざまな波長範囲をカバーする多様なパッケージとサイズで提供されています。分光器の実効波長（スペクトル）範囲は、回折格子の分散能力だけでなく、検出器の感度範囲にも左右されます。半導体のバンドギャップによって制限されるため、シリコンベースの検出器は200～1100  nmの範囲に反応しますが、InGaAsベースの検出器は900～1700  nm（冷却すれば2500 nmまで ）に感度があります。

実験室・研究用分光計は、紫外線から近赤外線までの広いスペクトル範囲をカバーすることが多く、PCが必要です。また、冷却システムを稼働させるために高出力を必要とする赤外線分光計もあります。多くの分光計は、紫外線や可視光などの特定の範囲に最適化でき、別のシステムと組み合わせることで、より精密な測定、より高い分解能を実現し、迷光や感度不足など、広帯域システムによく見られる誤差の一部を排除できます。

紫外線から近赤外線まで幅広いスペクトル範囲に対応する携帯型デバイスも多数あり、様々な形状やサイズの製品が用意されています。ディスプレイ内蔵型のハンドヘルドシステムには、通常、光学系とプリプログラムされたソフトウェアを搭載したオンボードコンピュータが内蔵されています。ミニ分光器も、PCから電源供給と制御を受け、USBケーブルが必要なため、手持ちでもラボでも使用できます。入力光学系は内蔵されている場合もあれば、光ファイバーライトガイドを介して接続されるのが一般的です。また、システムに組み込んだり、単体で使用したりできる、25セント硬貨よりも小さいマイクロ分光器もあります。

分光放射測定の分野は、狭い波長間隔における絶対放射量の測定を扱います。^{[ 1 ]}多くの光源は線構造を持つため、狭い帯域幅と波長増分でスペクトルをサンプリングすることが有効です。^{[ 2 ]}分光放射測定では、多くの場合、スペクトル放射照度が測定対象となります。実際には、平均スペクトル放射照度が測定され、数学的には近似式で表されます。

${\displaystyle E(\lambda )={\frac {\Delta \Phi }{\Delta A\Delta \lambda }}}$

どこ${\displaystyle E}$はスペクトル放射照度です。${\displaystyle \Phi }$は、波長区間内の光源の放射束（SI単位：ワット、W）である。${\displaystyle \Delta \lambda }$（SI単位：メートル、m）表面積に入射する${\displaystyle A}$(SI単位: 平方メートル、m ² )。スペクトル放射照度のSI単位はW/m ³です。しかし、面積をセンチメートル、波長をナノメートルで測定する方が便利な場合が多いため、スペクトル放射照度のSI単位の小数点、例えばμW/cm ² *nm ^{[ 3 ]が使用されます。}

一般的に、スペクトル放射照度は表面上の点ごとに変化します。実際には、放射束が方向、表面上の各点における光源がなす立体角の大きさ、および表面の向きによってどのように変化するかに注意することが重要です。これらの点を考慮すると、これらの依存性を考慮するために、より厳密な形式の式を使用する方が賢明な場合が多いです^{[ 3 ]。}

接頭辞「spectral」は「spectral concentration of」の略語として理解されるべきであり、これはCIEによって「特定の波長の両側の微小範囲で測定された放射量をその範囲で割った値」として理解され、定義されている。^{[ 4 ]}

光源のスペクトルパワー分布 (SPD) は、特定の波長と領域にわたってセンサーに到達するフラックスの量を表します。これは、測定される放射量に対する波長ごとの寄与を効果的に表現します。光源の SPD は、一般的に SPD 曲線として示されます。SPD 曲線は、光源の色特性を視覚的に表現し、可視スペクトル全体にわたるさまざまな波長で光源から放出される放射フラックスを示します^{[ 5 ]}また、光源の色再現能力、つまり、特定の色の刺激が特定の照明の下で適切に再現できるかどうかを評価するための指標でもあります。

特定の分光放射測定システムの品質は、その電子機器、光学部品、ソフトウェア、電源、および校正の関数です。理想的な実験室条件と高度な訓練を受けた専門家がいれば、測定の誤差を小さく（数十分の1から数パーセント）抑えることができます。しかし、多くの実際の状況では、10パーセント程度の誤差が生じる可能性があります^{[ 3 ]}。物理的な測定を行う際には、いくつかの種類の誤差が関係しています。測定精度を制限する要因として挙げられる3つの基本的な誤差の種類は、ランダム誤差、系統誤差、および周期誤差です^{[ 6 ]。}

• ランダム誤差とは、平均値からのばらつきのことです。分光放射測定の場合、これは検出器、内部電子回路、あるいは光源自体からのノイズと考えることができます。この種の誤差は、積分時間を長くしたり、複数回スキャンしたりすることで軽減できます。
• 系統誤差とは、予測される「正しい」値からのずれのことです。系統誤差は一般的に、測定における人的要因、装置自体、または実験設定によって発生します。校正誤差、迷光、不適切な設定などは、いずれも潜在的な問題となり得ます。
• 周期誤差は、周期的または擬似周期的な事象の繰り返しによって発生します。温度、湿度、空気の動き、またはエアコンの干渉の変動はすべて周期誤差に分類できます。^{[ 6 ]}

これらの一般的な誤差要因に加えて、分光放射測定におけるより具体的な誤差要因としては、以下のようなものが挙げられます。

• 測定の多次元性。出力信号は、測定される光束の大きさ、方向、偏光、波長分布など、いくつかの要因に依存する。
• 測定機器の不正確さ、およびそれらの機器を校正するために使用される標準器の不正確さが連鎖的に影響し、測定プロセス全体にわたってより大きな誤差を生み出し、
• 多次元性とデバイスの不安定性エラーを低減するための独自の技術。^{[ 3 ]}

カリフォルニア州に拠点を置く光測定装置メーカーであるガンマサイエンティフィック社は、システム校正、ソフトウェアと電源、光学系、または測定エンジン自体に起因する、同社の分光放射計の精度と性能に影響を与える7つの要因を挙げている。^{[ 7 ]}

分光放射測定システムの主要構成要素は以下のとおりです。

• 光源からの電磁波を集める入力光学系（拡散板、レンズ、光ファイバー導波管）
• 入射スリットは、分光器に入る光の量を決定します。スリットが小さいほど分解能は高くなりますが、全体的な感度は低下します。
• 二次効果を低減するための順序ソートフィルター
• コリメータは光を回折格子またはプリズムに導く。
• 光を分散させるための回折格子またはプリズム
• 光を検出器に合わせるための集光光学系
• 検出器、CMOSセンサー、またはCCDアレイ
• データを定義し保存するための制御およびログ記録システム。^{[ 8 ]}

モノクロメーター

光源のスペクトル分析を行うには、光源のスペクトル応答を作成するために、あらゆる波長の単色光が必要になります。モノクロメーターは、光源からの波長をサンプリングして、実質的に単色信号を生成するために使用されます。これは基本的に可変フィルターであり、測定された光の全スペクトルから特定の波長または波長帯域を選択的に分離して透過させ、その領域外の光は除外します。^{[ 9 ]}

一般的なモノクロメーターは、入射スリットと出射スリット、コリメート光学系とフォーカス光学系、および回折格子やプリズムなどの波長分散素子を使用することでこれを実現します。^{[ 6 ]}現代のモノクロメーターは回折格子を使用して製造されており、回折格子は分光放射測定用途でほぼ独占的に使用されています。回折格子は、汎用性、低減衰、広い波長範囲、低コスト、およびより一定の分散のため好ましいです。^{[ 9 ]}用途に応じてシングルまたはダブルのモノクロメーターを使用できますが、ダブルモノクロメーターは、追加の分散と格子間のバッフルにより、一般的により高い精度を提供します。^{[ 8 ]}

検出器

分光放射計で使用される検出器は、測定対象の波長範囲、必要なダイナミックレンジ、および測定の感度によって決定されます。基本的な分光放射計の検出器技術は、一般的に次の3つのグループのいずれかに分類されます。光電子放出型検出器（例：光電子増倍管）、半導体デバイス（例：シリコン）、または熱検出器（例：サーモパイル）。^{[ 10 ]}

特定の検出器の分光応答は、そのコア材料によって決まります。たとえば、光電子増倍管に見られる光電陰極は、特定の元素から製造することで、紫外線に敏感で可視光や赤外線には反応しない太陽光不感性にすることができます。^{[ 11 ]}

CCD（電荷結合素子）アレイは、通常、数千個または数百万個の個々の検出素子（ピクセルとも呼ばれる）とCMOSセンサーからなる一次元（線状）または二次元（面状）アレイです。これらは、紫外線、可視光、近赤外線を測定できるシリコンまたはInGaAsベースのマルチチャンネルアレイ検出器を備えています。

CMOS（相補型金属酸化膜半導体）センサーは、各フォトダイオードに増幅器を追加している点でCCDとは異なります。増幅器がピクセルの一部となっているため、これはアクティブピクセルセンサーと呼ばれます。読み出し時には、トランジスタスイッチによって各フォトダイオードがピクセル内増幅器に接続されます。

分光放射計は多くの用途で使用されており、幅広い仕様に合わせて製造できます。用途例としては、以下のようなものがあります。

• 太陽紫外線およびUVB放射線
• LED測定
• ディスプレイの測定と校正
• コンパクト蛍光灯（CFL）のテスト
• 油膜の遠隔検出^{[ 13 ]}
• 植物の研究開発^{[ 14 ]}
• 地球および惑星のリモートセンシング

光学ディスクグレーティングと基本的なウェブカメラを使用し、CFLランプで波長を校正することで、基本的な光学分光計を構築することが可能です。^{[ 15 ]}既知のスペクトルの光源を使用して校正すると、写真ピクセルの明るさを解釈することで分光計を分光放射計に変えることができます。^{[ 16 ]} DIY構築では、写真から値への変換におけるいくつかの追加のエラーソースの影響を受けます。写真ノイズ（ダークフレーム減算が必要）とCCDから写真への変換における非線形性（おそらくRAW画像フォーマットで解決可能）です。^{[ 17 ]}

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• 分光放射測定法
• 分光光度法
• 地球および惑星のリモートセンシングのための分光放射測定法

• 基本的な光測定原理 国際光技術協会による基本原理に関する記事
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