光学分光計

光学分光計（分光光度計、分光写真器、分光器）は、電磁スペクトルの特定の部分にわたる光の特性を測定するために使用される機器であり、通常は物質を識別するための分光分析で使用される。^[1]測定される変数は、ほとんどの場合光の放射照度であるが、たとえば偏光状態であることもある。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の密接に導出された物理量であり、測定単位はそれぞれセンチメートル、センチメートルの逆数、電子ボルトなどである。

分光計は分光法で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、広範囲の非光学波長で動作します。機器が相対的ではなく絶対的なスケールでスペクトルを測定するように設計されている場合、通常は分光光度計と呼ばれます。分光光度計の大部分は、可視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]

一般に、スペクトルのさまざまな部分を測定するのにさまざまな技術が使用されるため、特定の機器は、この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、スペクトル アナライザーは、光周波数に密接に関連する電子デバイスです。

分光計は多くの分野で使用されています。たとえば、天文学では物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使用されています。分光計はプリズムまたは格子を使用して光をスペクトルに広げます。これにより、天文学者は多くの化学元素をその特徴的なスペクトル線で検出できます。これらの線は、水素のアルファ線、ベータ線、ガンマ線など、その原因となる元素にちなんで名付けられています。光る物体は明るいスペクトル線を示します。暗い線は、たとえば光がガス雲を通過することによって吸収され、これらの吸収線によって化合物を識別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ます。

分光器

その他の名前	分光器
関連商品	質量分析計

分光器は天文学や化学の一部の分野でよく使われています。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に過ぎませんでした。現代の分光器は一般的に回折格子、可動スリット、そして何らかの光検出器を使用しており、これらはすべて自動化されコンピュータで制御されています。最近の進歩により、例えば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などにより、回折格子のないさまざまな小型分光計で計算アルゴリズムへの依存が高まっています。[ ^{3 ]}

ヨーゼフ・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てスペクトル分解能を高め、他の研究室でも再現可能な方法で最初の近代的な分光器を開発した。フラウンホーファーは、最初の回折分光器も発明した。 ^[5] グスタフ・ロバート・キルヒホフとロバート・ブンゼンは、分光器の化学分析への応用を発見し、このアプローチを使用してセシウムとルビジウムを発見した。^{[6] [7]キルヒホフとブンゼンの分析により、}フラウンホーファー線を含む恒星のスペクトルの化学的説明も可能になった。^[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徴的な光を発します。特定の光周波数は、指紋と考えることができる、スケール上にはっきりと定義されたバンドを生み出します。たとえば、ナトリウム元素は、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バンドを持ちます。その色は、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オリジナル設計では、光がスリットに入り、コリメート レンズが光を平行光線の細いビームに変換します。次に、光はプリズム (手持ち式分光器では通常アミチ プリズム)を通過します。プリズムは、分散により波長が異なれば屈折量も異なるため、ビームをスペクトルに屈折させます。次に、この画像を、スペクトル画像上に転置されたスケールが付いたチューブを通して観察し、直接測定できるようにしました。

写真フィルムの開発により、より正確な分光器が作られました。分光器と同じ原理に基づいていますが、観察管の代わりにカメラが使用されています。近年、光電子増倍管の周囲に構築された電子回路がカメラに取って代わり、はるかに高い精度でリアルタイムの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のアレイも使用されます。このようなスペクトル分析、つまり分光法は、未知の物質の組成を分析したり、天文現象を研究したり、天文学の理論をテストしたりするための重要な科学的ツールになっています。

紫外線、可視光線、近赤外線のスペクトル範囲における現代の分光器では、スペクトルは一般に、単位波長あたりの光子数 (nm または μm)、波数 (μm ⁻¹、cm ⁻¹ )、周波数 (THz)、またはエネルギー (eV) の形式で表され、単位は横軸で示されます。中赤外線から遠赤外線では、スペクトルは通常、単位波長あたりのワット数 (μm) または波数 (cm ⁻¹ )の単位で表されます。多くの場合、スペクトルは単位が暗黙的に表示されます (スペクトル チャネルあたりの「デジタル カウント」など)。

宝石学者は、分光器を使用して宝石の吸収スペクトルを頻繁に測定し、検査している宝石の種類を推測します。^[9]宝石学者は、観察した吸収スペクトルをさまざまな宝石のスペクトルカタログと比較することで、宝石の正確な識別を絞り込むことができます。

分光器は光を波長ごとに分離し、データを記録する装置である。^[11]分光器には通常、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が搭載されている。^{[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数枚撮影したときに初めて使用されました。この分光器の初期バージョンは使いにくく、管理が困難でした。^[13]

分光器と呼ばれる機械には、波の正確な性質に応じていくつかの種類があります。最初の分光器は、写真用紙を検出器として使用しました。植物色素のフィトクロムは、生きた植物を検出器として使用した分光器を使用して発見されました。最近の分光器は、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。検出器の正確な選択は、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の類推としてポリクロメータと呼ばれることもあります。

星のスペクトル分類と主系列の発見、ハッブルの法則、ハッブル系列はすべて印画紙を使用した分光器によって行われました。ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡には、近赤外線分光器 ( NIRSpec ) と中赤外線分光器 ( MIRI ) の両方が搭載されています。

エシェルベースの分光器は、互いに 90 度回転し、互いに近接して配置された2 つの回折格子を使用します。したがって、スリットではなく入口点が使用され、CCD チップがスペクトルを記録します。両方の格子は間隔が広く、1 つは 1 次のみが見えるようにブレーズ化され、もう 1 つは多数の高次が見えるようにブレーズ化されているため、非常に細かいスペクトルが CCD に提示されます。

従来の分光器では、ビームにスリットが挿入され、分散方向の画像範囲が制限されます。スリットレス分光器ではスリットが省略されるため、分散方向に沿って画像情報とスペクトル情報が畳み込まれた画像が生成されます。フィールドが十分にまばらでない場合、画像フィールド内の異なるソースからのスペクトルが重なり合います。その代わり、スリットレス分光器は、従来の分光器をスキャンするよりもはるかに速くスペクトル画像を生成できます。これは、時間発展が重要な太陽物理学などのアプリケーションで役立ちます。

• JF James と RS Sternberg (1969)、「光学分光計の設計」 (Chapman and Hall Ltd)
• 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用的操作マニュアル
• Palmer, Christopher (2020)。回折格子ハンドブック（第 8 版）。MKS Newport。

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ウィキメディア・コモンズには、分光器に関連するメディアがあります。

• 天文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のデジタルコレクションより）