UV分光放射計および光学分光器

UV分光放射計および光学分光器は、放射を波長分解して測定します。これにより、UV光源の分光分布、ピーク位置、帯域幅および分光的な変化を評価できます。絶対放射照度を求めるには、さらに測定系全体の放射量校正が必要です。選定にあたっては、とりわけ波長範囲、分光分解能、ダイナミックレンジ、迷光特性および測定ジオメトリが決定要因となります。

製品ラインアップには、可搬型UV分光放射計 UVpad および UVpad E、ならびに研究・開発・品質保証向けのアレイ分光器 SR900 が含まれます。分光放射計という表記や、総称としての分光測定器という呼び方も一般的ですが、いずれも同じ機器を指します。

3機種はいずれも絶対校正されています。校正はISO 17025 認定を取得した弊社ラボで実施し、PTBへの計量トレーサビリティを有します。対応する量と単位については放射量、範囲の境界についてはスペクトル範囲と規格に記載しています。

いずれの用語も同じ光学設計を指しますが、測定課題は異なります。違いは光学系ではなく、校正と入射ジオメトリにあります。分光器は光を分光し、相対的な曲線を出力します。分光放射計は絶対校正された分光器であり、分光放射照度を W/(m²·nm) で提供し、そこから mW/cm²、ルクス、PPFD を算出します。

放射照度や積算光量が必要な場合は分光放射計が必要であり、それ以外はすべて相対測定です。このカテゴリーのすべての機器は分光放射計です。プロセスにおける透過率および UVT の測定（放射測定ではなく測光の課題）については、Opsytec がプロセス測光器 ZPM を提供しています。

分光器が出力するのはカウント値、つまり検出器、積分時間、入射スリット、ライトガイドに依存する数値です。これらは光源がどの波長で放射しているかを示すだけで、どれだけの量かは示しません。標準器に対する絶対校正によって初めて各波長に物理量が割り当てられ、曲線が測定値になります。

そのためには3つの要素が必要ですが、単体の分光器はそのいずれも備えていません。

• 計量トレーサビリティのある校正。それ自体が国家機関（Opsytecの場合はPTB）まで遡る標準器に対する校正です。これがなければ測定値は比較できず、昨年の自社の同一機器との比較さえできません。
• 規定された入射光学系。放射照度は単位面積当たりのパワーであるため、機器は既知の面積を余弦特性に従って正しく重み付けして取り込む必要があります。ディフューザのないライトガイドではこれを満たせません。
• 迷光補正。UV-C領域では信号が可視域より数桁弱いことが多くあります。補正を行わなければ、そこで測定されるものの大部分は機器内部からの迷光です。

広帯域放射計は測定が速く、価格も低く、日常の使用において堅牢です。ただし、放射を自身の分光感度で重み付けするため、光源が校正光源に類似している場合にのみ正しい値が得られます。既知の設備を連続的に監視する用途では、依然として適切な選択肢です。それがプロセスおよび積算光量の確認用広帯域放射計の役割です。

光源が変わる場合、複数の波長を個別に評価する必要がある場合、あるいは作用スペクトルを適用する必要がある場合には、スペクトルの測定は避けられません。両方式の詳細な比較と、それぞれの誤差要因については、分光放射計が必要となる場合をご覧ください。

第一の質問：絶対値が必要ですか。 ピーク位置、FWHM、あるいは2つのロットの比較だけが目的であれば、相対測定で十分であり、分光器で対応できます。mW/cm²、ルクス、J/cm² という数値を出す必要がある場合には、絶対校正は避けられません。

第二の質問：どの波長範囲ですか。 440 nm までの紫外のみ、480 nm までの紫外に可視域の入口を加えた範囲、または 1,100 nm までの光学スペクトル全域か、これによって装置が決まります。

第三の質問：どこで測定しますか。 密閉されたチャンバーからケーブルを出すことはできません。そこでは装置が自律的に測定し、データを保存する必要があります。作業現場や稼働中のラインでは、ケーブル付きのセンサヘッドが適しています。光学ベンチ上では、大きさではなく測定範囲と分解能が重要です。

最後の行は矛盾ではなく、実務で最も一般的な答えです。一度分光で測定し、その後は広帯域で監視する。分光測定によって、この光源において広帯域センサがどの程度偏差するかを把握できます。その後は、光源が同じである限り、繰り返しの確認には高速な計器で十分です。ランプを交換すれば、この流れは最初からやり直しとなります。

分光器は光を波長ごとに分け、それぞれの強度を測定します。まず入射光学系に光が照射されます。分散素子（プリズムまたは回折格子）が波長を空間的に分離し、フォトダイオードまたはCCDアレイがそれらを検出します。得られたスペクトルから、ランプ、LEDまたは試料に関する知見を得ることができます。

最も一般的な構成はツェルニー・ターナー型分光器です。2枚のミラーと1枚の回折格子を、光学収差が小さく、かつ分光分解能が高く保たれるように配置しています。この構成は十分にコンパクトで、可搬型装置や小型のラボベンチにも適しています。

3つの方式を区別する必要があります。

アレイ分光器は、通常CCDまたはCMOSの検出器列を用い、スペクトル全体を一度に取得します。そのため測定が高速で、可動部を必要としません。Opsytecのすべての分光放射計はこの方式で動作します。

モノクロメータはスリットと回転式回折格子を備え、一度に1つの波長を通過させます。非常に高精度かつ高いスペクトル純度で測定できますが、1波長ずつ順に測定するため時間を要します。波長選択が重要となる研究や品質管理に典型的に用いられます。

ダブルモノクロメータは2つのモノクロメータを直列に配置します。これにより迷光がさらに低減され、非常に微弱な信号が強い信号の近傍に存在する場合、すなわちUV領域や高精度の実験室計測において必要となります。

1つのスペクトルから複数の量が得られます：

• 照度 – 測光的に重み付けされた光の強さ
• 相関色温度（CCT） – 光が暖色か寒色かを表します
• 演色評価数 – 光源が色をどれだけ正確に再現するか
• CIE色座標 – 標準色空間における色度点
• 分光分布 – エネルギーがスペクトル全体にどのように分布しているか
• ピーク波長と主波長 – エネルギーが最大となる位置および視覚的に支配的となる位置

一方、広帯域放射計は単一の数値のみを返します。

各量の意味については測色量で説明しています。すべての光学量の記号、単位および定義は光学量の用語集に記載しています。

スペクトロメータという言葉は、光測定の枠をはるかに超えて用いられます。同じ検索結果に頻繁に現れながら、まったく異なるものを測定する3種類の装置があります。

質量分析計は、イオンを質量電荷比によって分離します。ごく微量の物質を同定でき、化学分析、生化学、環境科学、製薬industryで使用されています。

原子吸光分析計は、気化した金属原子が光をどのように吸収するかを測定し、そこから溶液中の金属濃度を求めます。環境分析、毒性学、材料科学において、とりわけ重金属の分析に用いられます。

分光光度計は、しばしばUV-Visスペクトロメータとも呼ばれ、試料の吸光度または透過率を測定し、そこから濃度を導き出します。臨床診断、水質分析、食品検査で広く使われています。プロセスにおける透過率およびUVTの測定について、OpsytecはZPMプロセス光度計をご提供しています。

これに対し分光放射計は、絶対校正に基づいて分光放射照度を測定します。入射光学系はディフューザであり、通常はライトガイドを介して接続されます。SR900 分光放射計がその一例です。

分光器と分光放射計の違いは何ですか。
分光器は相対値を出力しますが、分光放射計は絶対校正されており、分光放射照度を出力します。このカテゴリーの製品はすべて分光放射計です。

どの波長範囲と分解能が必要ですか。
波長範囲は、発光および副次的なバンドをすべて完全にカバーする必要があります。紫外域のみであれば 440 nm まで、紫外域に可視域の始まりを加える場合は 480 nm まで、光学スペクトル全体であれば 1,100 nm までです。分解能は、近接したピークや狭い輝線を分離できるかどうかを決定します。

アレイ型分光器ではどのような測定誤差が生じますか。
とりわけ迷光です。強い波長の成分が、本来存在しない位置に現れます。UV-C域では信号が可視域より桁違いに弱いことが多く、迷光補正を行わない場合、そこで測定されるのは主に装置自身の迷光です。さらに暗電流、非線形性、温度ドリフトが加わります。

スペクトルからどのような量を算出できますか。
分光放射照度からは、積分と重み付けによりほぼあらゆる評価値が得られます。スペクトル範囲ごとの放射照度、UV積算光量、V(λ) による照度、PPFD、さらに IEC 62471 などによる作用重み付け値です。これがまさにプロセスおよび積算光量の確認用広帯域放射計に対する利点です。

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