【分光器について】

分光器は、複数の色・波長で成り立つ光を、単色・単一波長に分ける（分光）する為に設計された光学装置です。

米国アクトン・リサーチ社（以下ＡＲＣと省略します。）で製造・販売されている主な分光器（SpectraProシリーズ）では、ツェルニ・ターナー型と呼ばれる光学システムを採用しております。図１にツェルニ・ターナーの基本原理を示します。

光は入口スリットから入射され、コリメイトミラーによって収束されます。収束された光は回折格子に当たり、個々の波長（色）に、横方向に分散されます。分散された光はフォーカスミラーにより出口スリット又はCCDポートに結合されます。

モノクロ分光器（出口スリット時）では、出口スリットの幅により出力された波長範囲を調節したり、回折格子を回転させる事により出口スリットを分散された光が横切る（スキャン）特徴を生かして、ある単一波長の光だけを照射光として取り出したり、ある波長範囲をスキャンさせて、それぞれの波長の光強度を測定する事が出来ます。

マルチチャンネル分光器（CCDポート時）では、分散された光を一度にある範囲（回折格子の分散値、CCD等のマルチチャンネル素子のエリアによって決まります。）を取り出して測定する事が出来ます。

また、ARCの分光器では、モデルにより二つの出口ポートを装着出来る為、スリット、CCDポートそれぞれ一つずつ持たせる事も可能で、分光器一台で高分解能測定、広範囲波長測定を可能にしています。

今日ＡＲＣが製造している分光器には、かつてのサインバー方式による回折格子駆動ではなく、コンピュータコントロールによるダイレクトドライブ方式が、より多く採用されております。

ステッピング・モーターを取り入れたこのダイレクト･ドライブ方式により、高波長精度かつ高速な回折格子駆動を実現しました。また、複数の回折格子が装着可能なタレットにより、広域波長範囲かつ異なる分解能での測定を可能にしました。

図２に示しました通り、かつてのサインバー方式では、回折格子の駆動軸の中心はその回折格子表面上にありました。ダイレクトドライブ方式では、Ｏｎ−Ａｘｉｓと呼ばれる軸が回折格子表面上に有るものと、Ｏｆｆ−Ａｘｉｓと呼ばれるタレットの回転軸のものが有ります。

ダイレクトドライブ方式の採用は、多くの分光器メーカーがその性能、すなわち波長分解能、焦点面の平面精度、収差補正、スループット向上を実現してきました。

ＡＲＣは、１９７９年からＯｎ−Ａｘｉｓ、１９８９年からＯｆｆ−Ａｘｉｓを採用する様になり、現在は焦点距離１５ｃｍ、３０ｃｍ、５０ｃｍ、７５ｃｍの、四種類のダイレクトドライブ方式分光器（ＳｐｅｃｔｒａＰｒｏシリーズ）を製造しております。

ＡＲＣがＯｆｆ−Ａｘｉｓを採用した背景には、多方面に及ぶ調査により、Ｏｎ−Ａｘｉｓに比べて高い性能が出せるという結論に至った事によります。またＯｆｆ−Ａｘｉｓは、機構的に単純かつ丈夫で、生産性に優れているという利点も有りました。勿論両方式に対する様々な見解を評価する為に、ARCによる比較テストも実施されました。

比較テストに際しては、Ｏｎ−Ａｘｉｓ、Ｏｆｆ−Ａｘｉｓそれぞれを採用した３０ｃｍ焦点距離分光器２台を作り、ドライブ方式以外の部分、光学部品、明るさ（ｆ/４）、回折格子（１２００刻線）は、２台共全く同じを使用しました。

モノクロ分光器の性能を考慮する上で、キーポイントとなるのは、波長分解能とスループットです。図３に示しました通り、Ｏｆｆ−Ａｘｉｓ方式では、理論上回折格子のあらゆる角度で表面積を最大限に反射する事が可能な為、充分に大きいミラーを採用すれば、スループットが最大限向上し、かつ広域な波長範囲をカバー出来ます。

波長精度の比較テストの条件は、入口・出口スリット幅は共に１０μｍ、高さは４ｍｍとし、出口スリットへ装着したＰＭＴ検出器にて、水銀ランプの輝線４３５．８nmの半値幅を測定するというものでした。

実測値は、Ｏｆｆ−Ａｘｉｓが半値幅０．０８９nm、Ｏｎ−Ａｘｉｓが０．０９９nmという結果で、測定スペクトルのトレースは図４が示す通りです。Ｏｆｆ−Ａｘｉｓの結果は、製品仕様の数値より１１％良いものでしたが、どちらもＡＲＣの社内規定値（０．０７nm〜０．１nm）を満たすものでした。

分光器は、その出口スリットからの出射光をサンプルに照射する、という様に光源として使用する事が出来ます。

この機能の比較テストの結果は、On-Axis、Off-Axis共に、全ての波長駆動範囲においてｆ値４の仕様範囲を満たすものであり、どちらも同等の性能が出せるという事が分かっております。

マルチチャンネル分光器の性能の善し悪しを判断するものとして、焦点面の平面性と収差が挙げられます。焦点面がどれくらい湾曲しているか、または傾いているかという事は、ＣＣＤ等のマルチチャンネル型検出器にとっては非常に大きな影響をもたらします。その湾曲、傾きにより、波長分解能が悪くなる事も有ります。

非点収差

Ｏｆｆ−Ａｘｉｓ方式を採用した分光器の焦点面には、凹面鏡の影響による非点収差が発生します。これは、図５に示しました通り、縦焦点・横焦点という二つの焦点面が存在する為です。

ＣＣＤ検出器を縦焦点に合わせて分光器に取り付けた場合、横方向の収差は解消されますが、イメージ像の質は犠牲になります。横焦点に合わせた場合は、縦方向の収差が解消される替わりに、波長分解能は悪くなります。これは、従来の分光器では、出射された縦方向の光が、図６の様に収差による湾曲が生み出す特性です。

ＰＭＴの様な受光面の大きな単素子型検出器を使用する場合には、出射光の高さがミリ単位程有っても全体を取り込める容量が有りますので、縦方向の収差はさほど影響は有りません。