スペクトロメーター（分光器）とは｜原理・測定波長・用途・種類を解説

スペクトロメーター（分光器）の原理・測定波長・用途・種類を図解でわかりやすく解説。研究・産業・教育で使える選び方と最新技術も紹介。

スペクトロメーターとは、電磁スペクトルの特定の部分の光の特性を測定するための光学機器です。

独立変数は通常、光の波長です。測定される変数は、光の強度であることが多いが、例えば、偏光状態であることもある。分光器は、分光学において、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る。スペクトロメーターとは、ガンマ線やX線から遠赤外線までの非常に広い波長域で動作する機器に適用される用語です。

一般的には、スペクトルの異なる部分を測定するための技術が異なるため、特定の機器はこの全範囲のごく一部で動作することになる。光周波数以下（つまり、マイクロ波、ラジオ、オーディオの周波数）では、スペクトラム・アナライザーは密接に関連する電子機器である。

原理（基本的な仕組み）

一般的な光学式スペクトロメーターは、次の要素で構成されます。

• 入口スリット：入射光の幅と光学的分解能を決める。
• コリメータ（平行化光学）：入口からの光を平行光に整える。
• 分散素子：プリズムや回折格子などで波長ごとに光を分離する。
• 集光光学：分散された各波長を焦点面に集める。
• 検出器：CCD、CMOSセンサー、フォトダイオードアレイ、PMTなどで強度を検出する。

分散素子（回折格子やプリズム）は入射光を波長ごとに角度分散させ、焦点面上に波長順に並んだスペクトルを作ります。検出器でスペクトル上の位置（＝波長）と強度を対応付けて読み取ることで、波長分布が得られます。

測定できる量と波長域

• 主に測定される量：光強度（スペクトル強度）、吸光度・透過率、反射率、発光スペクトル、偏光状態、時間変化（時間分解分光）。
• 代表的な波長域：ガンマ線、X線、紫外（UV）、可視（VIS）、近赤外（NIR）、中赤外（MIR）、遠赤外（FIR）、テラヘルツ、マイクロ波〜ラジオまで。機器ごとに専用の検出器や光学系が必要。
• 単位：波長はナノメートル（nm）やマイクロメートル（µm）、波数はcm−1、エネルギーは電子ボルト（eV）などで表される。

主な用途

• 化学分析：吸収・発光スペクトルによる物質同定、濃度測定（分光光度計、原子吸光など）。
• 天文学：恒星や銀河のスペクトルから元素組成、赤方偏移、運動速度を推定。
• 環境モニタリング：大気中のガス分析、水質分析。
• 材料評価・半導体：薄膜の光学特性、バンドギャップ評価、応力解析。
• 医療・バイオ：組織・血液の吸収スペクトルによる診断補助、蛍光計測。
• 産業分野：プロセス監視、品質管理（色測定、塗膜厚さ測定など）。
• リモートセンシング・ハイパースペクトルイメージング：地表や植生、海域の成分解析。
• 法科学・文化財解析：顔料やインクの同定、非破壊検査。

種類（方式別）

• 回折格子式（分散型）：最も一般的。高い波長分解能が得られ、可視〜近赤外で多用される。
• プリズム式：波長分散が連続的で、特定帯域で効率が良いが長波長側で性能が変化する。
• フーリエ変換分光器（FT）：干渉計（マイケルソン干渉計など）を用いる。特に中赤外領域（FTIR）で高感度・高分解能を発揮し、エネルギー分解能や検出効率に優れる。
• 干渉器（ファブリ・ペロー等）：狭帯域・高分解能の波長選択に使われる。
• 走査型単色器（モノクロメータ）：回折格子やプリズムを角度走査して一波長ずつ検出する方式。
• イメージング／ハイパースペクトル装置：空間×波長のデータキューブを取得する。リモートセンシングや生体イメージングで利用。
• 高分解能分光器（エシェル等）：天文学や精密測定で用いられ、非常に高い分解能を実現する。
• 電波・RFスペクトラムアナライザ：光以外（マイクロ波〜ラジオ）のスペクトル解析に対応する電子機器。

実務上のポイント（選び方・校正・性能指標）

• 分解能（Δλまたはλ/Δλ）：スペクトル線を区別できる最小波長差。スリット幅や格子の刻線密度、光学設計に依存する。
• 感度と検出限界：検出器の量子効率、ノイズ（暗電流、読み出しノイズ）、光学透過率で決まる。低光量測定では冷却検出器が有効。
• 波長精度と校正：既知のスペクトル線（Hg、Ne、Ar等のランプ）で波長校正を行う。強度校正には標準光源や分光放射照度計を用いる。
• ストレイライト（寄与光）：望まない波長成分の混入は定量誤差を生むため、光学設計やフィルターで対策する。
• 帯域幅（スリット設定により変化）と測定時間のトレードオフ：スリットを狭くすると分解能は上がるが取り込み光量が減るため信号対雑音比が低下する。
• データ処理：ダーク減算、ベースライン補正、滑らかし、既知ラインによる波長補正、積分時間最適化などが必要。

特殊な応用例・関連技術

• ラマン分光：励起光を用いて分子振動を検出。特定波長のレーザーと高性能な分光器（ノッチ／レイリー除去フィルター）が必要。
• 時間分解分光：超高速レーザーと同期して、ピコ秒〜フェムト秒の動的過程を測定。
• 偏光分光：偏光解析光学系を追加して、円偏光や直線偏光の成分を測定する。

まとめると、スペクトロメーターは「光を波長ごとに分けて、その強度や性質を計測する」ための装置であり、用途や必要な波長域・分解能に応じて多様な方式・構成が存在します。機器選定時は、目的波長域、必要分解能、感度、測定速度、校正方法、運用環境（現場か実験室か）などを総合的に考慮することが重要です。

質問と回答

Q: スペクトロメーターとは何ですか?

Q: 分光計で測定される変数は何ですか?

Q: 分光計の目的は何ですか?

Q: 分光器はどのような波長範囲で使用できますか?

Q: なぜ特定の装置は、全波長範囲のごく一部でしか動作しないのですか?

Q: 分光器と密接に関連する電子機器は何ですか?

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