分光放射計

分光放射計は、光源から放射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、検出器アレイに当たる光の位置に基づいて波長を識別し、1回の取得で完全なスペクトルを取得できます。ほとんどの分光計の基本測定値はカウントで、これは校正されていない読み取り値であるため、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ます。このデータは、内蔵ソフトウェアまたは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も提供します。より複雑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も可能なものがあり、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も含まれています。

分光計は、様々な波長範囲をカバーする様々なパッケージとサイズで提供されています。分光計の有効波長（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依存します。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に反応しますが、InGaAsベースの検出器は900～1700 nm（冷却により2500 nmまで）に反応します。

研究室／研究用分光計は、多くの場合、UVからNIRまでの広いスペクトル範囲をカバーするため、PCが必要です。また、冷却システムを稼働させるためにより高い電力を必要とするIR分光計もあります。多くの分光計は、UVやVISなどの特定の範囲に最適化されており、別のシステムと組み合わせることで、より正確な測定と優れた分解能を実現し、迷光や感度不足など、広帯域システムに見られる一般的な誤差を排除できます。

ポータブルデバイスは、UVからNIRまで幅広いスペクトル範囲に対応しており、様々なパッケージスタイルとサイズで提供されています。ディスプレイ一体型のハンドヘルドシステムには、通常、光学系と、プログラム済みの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。ミニ分光計は、PCから電源と制御を受け、USBケーブルで接続するため、ハンドヘルドでの使用や実験室での使用も可能です。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で接続される場合もあります。また、25セント硬貨よりも小型のマイクロ分光計もあり、システムに組み込むことも、単独で使用することもできます。

背景

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っています。^[1]多くの光源は線状構造を持つため、狭い帯域幅と波長間隔でスペクトルをサンプリングすることが有用です。 ^[2]分光放射測定では、分光放射照度が測定対象となることが最も多くあります。実際には、平均分光放射照度が測定され、数学的には近似値として表されます。

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

ここで、はスペクトル放射照度、は波長間隔（ SI単位：メートル、m）内の光源（SI単位：ワット、W ）からの放射束で、面積（SI単位：平方メートル、m ²）に入射します。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単位の約数、例えばμW/cm ² *nmが用いられます^[3]。${\displaystyle E}$ ${\displaystyle \Phi }$ ${\displaystyle \Delta \lambda }$ ${\displaystyle A}$

スペクトル放射照度は、一般的に表面上の点ごとに異なります。実際には、放射束が方向、表面上の各点における光源の立体角の大きさ、そして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、より厳密な式を用いる方が賢明な場合が多いです^[3]。

なお、「スペクトル」という接頭辞は「スペクトル濃度」という語句の略語であり、CIEでは「与えられた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」と定義されています。^[4]

スペクトルパワー分布

光源のスペクトルパワー分布（SPD）は、特定の波長と領域において、どれだけの光束がセンサーに到達するかを表します。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します。光源のSPDは通常、SPD曲線で示されます。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の様々な波長において光源から放射される放射束を示します^{[5]。これは、光源の色再現能力、つまり特定の色刺激が特定の}照明下で適切に再現できるかどうかを評価する指標でもあります。

白熱電球（左）と蛍光灯（右）の特性スペクトル分布（SPD）。横軸はナノメートル単位、縦軸は任意単位での相対強度を示しています。

エラーの原因

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、そして校正によって左右されます。理想的な実験室環境下で、高度に訓練された専門家の手によって測定誤差を小さく抑えることは可能です（数十分の1から数パーセント）。しかし、多くの実用状況では、10パーセント程度の誤差が生じる可能性があります^[3]。物理的な測定には、いくつかの種類の誤差が存在します。測定精度を制限する要因として挙げられる3つの基本的な誤差は、ランダム誤差、系統的誤差、そして周期的誤差です^[6]。

• ランダム誤差とは、平均値からの変動です。分光放射測定の場合、これは検出器、内部電子機器、あるいは光源自体からのノイズと考えられます。この種の誤差は、積分時間を長くしたり、複数回のスキャンを行うことで対処できます。
• 系統的誤差とは、予測される「正しい」値からのオフセットです。系統的誤差は通常、測定における人的要因、機器自体、または実験の設定によって発生します。キャリブレーション誤差、迷光、不適切な設定など、これらはすべて潜在的な問題となります。
• 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AC干渉の変動はすべて周期誤差に分類できます。^[6]

これらの一般的なエラーの原因に加えて、分光放射測定におけるエラーのより具体的な理由としては、次のようなものがあります。

• 測定の多次元性。出力信号は、測定された光束の大きさ、方向、偏光、波長分布など、いくつかの要因に依存します。
• 計測機器の不正確さ、およびそれらの機器を校正するために使用される標準が連鎖的に発生し、計測プロセス全体にわたって大きな誤差が生じ、
• 多次元性とデバイスの不安定性によるエラーを削減するための独自の技術。^[3]

カリフォルニア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は、システムのキャリブレーション、ソフトウェアと電源、光学系、または測定エンジン自体のいずれかにより、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ます。^[7]

定義

迷光

迷光とは、望ましくない波長の放射線が誤った検出器素子に到達することです。これにより、検出器アレイのピクセルまたは素子の設計スペクトル信号とは関係のない、誤った電子カウントが生成されます。迷光は、不完全な光学素子による光の散乱や反射、あるいは高次の回折効果によって発生することがあります。この二次効果は、検出器の前に次数選別フィルタを設置することで除去、あるいは少なくとも大幅に低減できます。 

Si検出器の可視光および近赤外光に対する感度は、紫外線領域における感度よりもほぼ1桁大きいです。これは、紫外線スペクトル位置にあるピクセルが、本来の設計スペクトル信号よりも可視光および近赤外光の迷光にはるかに強く反応することを意味します。したがって、紫外線領域における迷光の影響は、可視光および近赤外領域のピクセルに比べてはるかに大きくなります。この状況は、波長が短くなるほど悪化します。 

わずかな紫外線信号を含む広帯域光を測定する場合、検出器のピクセルが光源から十分な紫外線信号を得るのに苦労しているため、紫外線領域では迷光の影響が支配的になることがあります。このため、QTH標準ランプを用いた校正では350nm未満の波長で大きな誤差（100%以上）が生じる可能性があり、この領域でより正確な校正を行うには重水素標準ランプが必要です。実際、これらのピクセルにおける電子カウントの大部分が迷光（実際の紫外線光ではなく長波長の光が入射する）によるものである場合、正しい校正を行っても紫外線領域での絶対光測定は大きな誤差を生じる可能性があります。

キャリブレーションエラー

分光計の校正サービスを提供する企業は数多くありますが、すべてが同等というわけではありません。校正を実施するには、トレーサブルで認定された試験所を見つけることが重要です。校正証明書には、使用した光源（例：ハロゲン、重水素、キセノン、LED）、各波長帯域（UVC、UVB、VISなど）、各波長（nm単位）、または測定対象スペクトル全体における校正の不確かさが記載されている必要があります。また、校正の不確かさに対する信頼水準も記載されている必要があります。

設定が間違っています

カメラと同様に、ほとんどの分光計では、ユーザーが露光時間と収集するサンプルの量を選択できます。積分時間とスキャン回数の設定は重要なステップです。積分時間が長すぎると飽和状態になる可能性があります（カメラの写真では大きな白い点として表示されますが、分光計ではディップやピークのカットオフとして表示されます）。積分時間が短すぎると、ノイズの多い結果が生成される可能性があります（カメラの写真では暗い部分やぼやけた部分として表示されますが、分光計ではスパイク状の不安定な測定値として表示されます）。

露光時間とは、測定中に光がセンサーに当たる時間です。このパラメータを調整すると、カメラの露光時間の変更と同様に、機器全体の感度が変化します。最小積分時間は機器によって異なりますが、1スキャンあたり最小0.5ミリ秒、最大約10分です。実用的な設定は、光強度に応じて3～999ミリ秒の範囲です。

積分時間は、信号が最大カウント数（16ビットCCDでは65,536カウント、14ビットCCDでは16,384カウント）を超えないように調整する必要があります。積分時間を長く設定しすぎると飽和が発生します。一般的に、ピーク信号が最大値の約85%程度であれば良好なS/N比が得られます（例：それぞれ60Kカウントまたは16Kカウント）。

スキャン数は、平均化される測定値の数を示します。他の条件が同じであれば、収集されたスペクトルの信号対雑音比（SNR）は、平均化されるスキャン数Nの平方根に比例して向上します。例えば、16回のスペクトルスキャンを平均化する場合、SNRは1回のスキャンの場合に比べて4倍向上します。

S/N比は、分光計のフルスケールに達する入力光レベルで測定されます。これは、信号カウントCs（通常はフルスケール）と、この光レベルにおけるRMS（二乗平均平方根）ノイズの比です。このノイズには、ダークノイズNd、入力光によって生成されるカウントに関連するショットノイズNs、そして読み出しノイズが含まれます。これは、分光計で光測定を行う際に得られる最良のS/N比です。

仕組み

分光放射測定システムの必須コンポーネントは次のとおりです。

• 光源からの電磁放射を集める入力光学系（拡散板、レンズ、光ファイバー光ガイド）
• 入射スリットは、分光計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、全体的な感度は低くなります。
• 二次効果の低減のための順序ソートフィルタ
• コリメータは光を格子またはプリズムに導きます
• 光を分散させるための格子またはプリズム
• 検出器に光を合わせるための集束光学系
• 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システム。^[8]

入力光学系

分光放射計の前段光学系には、レンズ、拡散板、フィルターなどがあり、システムに入る光を調整します。放射輝度を測定するには、視野の狭い光学系が必要です。全光束を測定するには積分球が必要です。放射照度を測定するには、コサイン補正光学系が必要です。これらの要素に使用される材料によって、測定可能な光の種類が決まります。例えば、紫外線測定では、正確な紫外線測定を保証するために、ガラスレンズではなく石英レンズ、光ファイバー、テフロン拡散板、硫酸バリウムコーティングされた積分球がよく使用されます。^[8]

モノクロメーター

ツェルニー・ターナー型モノクロメータの図。

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生成するために、あらゆる波長における単色光が必要です。モノクロメータは、光源から波長をサンプリングし、基本的に単色信号を生成するために使用されます。モノクロメータは本質的に可変フィルターであり、測定対象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・透過させ、その領域外の光は透過させません。^[9]

典型的なモノクロメータは、入射スリットと出射スリット、コリメート光学系と集光光学系、そして回折格子やプリズムなどの波長分散素子を用いることでこれを実現します。^[6]現代のモノクロメータは回折格子を用いて製造されており、回折格子は分光放射測定用途においてほぼ例外なく使用されています。回折格子は、汎用性、低減衰、広い波長範囲、低コスト、そしてより安定した分散特性を有することから、好まれています。^[9]用途に応じて、シングルモノクロメータまたはダブルモノクロメータを使用できますが、ダブルモノクロメータは、格子間の分散とバッフル効果により、一般的により高い精度を実現します。^[8]

検出器

光電子増倍管

分光放射計に使用される検出器は、測定対象となる光の波長、および測定に必要なダイナミックレンジと感度によって決定されます。分光放射計の基本的な検出器技術は、一般的に、光電子検出器（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）の3つのグループのいずれかに分類されます。^[10]

検出器のスペクトル応答は、そのコア材料によって決まります。例えば、光電子増倍管に用いられる光電陰極は、特定の元素を用いて太陽光を遮断する（紫外線には反応するが、可視光や赤外線には反応しない）ように製造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1次元（リニア）または2次元（エリア）アレイです。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搭載し、紫外線、可視光線、近赤外光を測定できます。

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が追加されている点でCCDセンサーとは異なります。増幅器がピクセルの一部であるため、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が各フォトダイオードをピクセル内増幅器に接続します。

制御およびログシステム

記録システムは、多くの場合、単なるパーソナルコンピュータです。初期の信号処理では、制御システムで使用するために信号を増幅および変換する必要があります。モノクロメータ、検出器出力、およびコンピュータ間の通信回線は、必要な指標と機能が確実に使用されるように最適化する必要があります。^[8]分光放射測定システムに付属する市販のソフトウェアには、CIE色等関数やVカーブなど、測定値のさらなる計算に役立つ参照関数が保存されていることがよくあります。^[12]${\displaystyle \lambda }$

アプリケーション

分光放射計は様々な用途に使用されており、幅広い仕様に合わせて設計できます。用途例としては、以下のようなものがあります。

• 太陽からの紫外線とUVB放射
• 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]
• 地球と惑星のリモートセンシング

DIYビルド

光ディスク格子と基本的なウェブカメラを使用し、波長の校正にCFLランプを使用することで、基本的な光分光計を構築することができます。^[15]既知のスペクトル源を使用した校正により、写真の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ビルドは、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。写真のノイズ（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（raw画像形式で解決できる可能性があります）。^[17]

参照

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

参考文献

1. レスリー・D・ストロベル、リチャード・D・ザキア (1993). 『フォーカル写真百科事典』（第3版）. フォーカル・プレス. p. 115. ISBN 0-240-51417-3
2. Berns, Roy S. 「精密度と正確度の測定」BillmeyerとSaltzmanのカラーテクノロジーの原理第3版、ニューヨーク：John Wiley & Sons、2000年、97-100ページ。印刷
3. Kostkowski, Henry J. 「信頼性の高い分光放射測定法」ラプラタ、メリーランド州：分光放射測定コンサルティング、1997年。印刷。
4. サンダース、チャールズ・L.、ロッター、R.. 光源の分光放射測定. パリ、フランス：CIE中央局、1984年。印刷。
5. GE Lighting. 「光について学ぶ：スペクトルパワー分布曲線：GE商業照明製品」。「光について学ぶ：スペクトルパワー分布曲線：GE商業照明製品」。Np、nd Web。2013年12月10日。< 「光について学ぶ：スペクトルパワー分布曲線：GE商業照明製品」。2013年12月14日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2013年12月11日閲覧。>
6. Schnedier, William E., Richard Young, Ph.D. 分光放射測定法. アプリケーションノート (A14). Np, 1998. Web. <http://biology.duke.edu/johnsenlab/pdfs/tech/spectmethods.pdf>
7. Gamma Scientific. 「分光放射計の精度と性能に影響を与える7つの要因」Gamma Scientific. Np、nd Web. <http://www.gamma-sci.com/spectroradiometer-accuracy-performance/>.
8. Bentham Instruments Ltd. 分光放射測定ガイド：紫外線測定機器とアプリケーション. ガイド. Np, 1997. Web. <http://www.bentham.co.uk/pdf/UVGuide.pdf>
9. アメリカ天文学会. 「Study Notes: AAS Monochromator.」 「Study Notes: AAS Monochromator. Np, nd Web. 2013. < 「Study Notes: AAS Monochromator.」 オリジナルより2013年12月11日アーカイブ。 2013年12月11日閲覧。>。
10. レディ、ジャック. 「光検出器と人間の視覚」. フォトニクスの基礎 (nd): n. pag. SPIE. ウェブ. <http://spie.org/Documents/Publications/00%20STEP%20Module%2006.pdf>.
11. JW Campbell, 「1450～2800Å領域での使用に適した開発中のソーラーブラインド光電子増倍管」Appl. Opt. 10, 1232-1240 (1971) http://www.opticsinfobase.org/ao/abstract.cfm?URI=ao-10-6-1232
12. Apogee Instruments. 分光放射計 PS-100 (350 - 1000 Nm), PS-200 (300 - 800 Nm), PS-300 (300 - 1000 Nm). 出典: Apogee Instruments, nd Apogee Instruments 分光放射計マニュアル. Web. <http://www.apogeeinstruments.com/content/PS-100_200_300manual.pdf>.
13. マットソン, ジェームズ・S.、ハリー・B・マーク・ジュニア、アーノルド・プロスタック、クラレンス・E・シュット。赤外線分光放射計による水面上の油膜の遠隔探知・識別の可能性。Tech. 第5版 第5巻。Np: np、1971年。印刷。<http://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/es60052a004>より取得。
14. McFarland, MおよびKaye, J (1992)「クロロフルオロカーボンとオゾン」光化学・光生物学55(6)911-929.
15. 「DIY分光計」。Wired。
16. 寄稿者、Public Lab. 「PLab 3 ゲイン補正」。Public Lab . {{cite web}}:|last1=一般的な名前があります（ヘルプ）
17. 「ノイズ低減」。ジョナサン・トムソンのウェブジャーナル。2010年10月26日。

外部リンク

• 基本的な光測定原理 International Light Technologiesによる基本原理に関する記事
• 分光放射計の種類