分光器自作ccdの回折格子とスリット

分光器自作ccd

分光器自作ccdの回折格子とスリットの基本

分光器を「自作してCCD（あるいはCMOSのリニアイメージセンサ）で読む」発想は、要するに“光を細い入口で入れて、波長ごとにばらして、センサの画素列で受ける”装置です。浜松ホトニクスのミニ分光器技術資料では、入射スリット→コリメート（平行化）→グレーティング（回折格子）→フォーカス→リニアイメージセンサ、という並びで説明されており、DIYでもこの順番を外すと性能が出ません。
ここで最初に効くのがスリットです。スリット幅は波長分解能に大きく効き、狭くすると分解能は上がる一方で光量（スループット）は落ちる、というトレードオフが明確に書かれています。 建築現場で「室内照明の違いを比較したい」など、相対比較が主目的なら、分解能よりも“暗くて測れない”失敗を避けるため、スリットを攻めすぎない判断が大切です。
一方、身近な材料で“分光する体験”だけなら、CDを回折格子の代わりに使う簡易分光器が成立します。産総研の解説では、不要なCDの一部分に光を反射させると光が分かれる（分光できる）ことが紹介されており、原理確認に向いています。 ただしCD方式は再現性や幾何の固定が難しく、CCDで定量する用途では、回折格子の固定・入射角の管理・遮光の作り込みが急に重要になります。

分光器自作ccdの波長校正と輝線ランプの使い方

CCDで分光画像が撮れた瞬間に「測れた」と思いがちですが、実務で効くのは“画素番号→波長”の対応（波長校正）です。浜松ホトニクス資料では、波長校正にはモノクロメータや輝線ランプを用いるのが一般的とされ、校正結果のフィッティングは高次近似式で行い、一般的に5次で十分な精度が達成できる例が示されています。
また、輝線（発光線）の中心波長を決める際は、3画素以上で検出してガウス関数で近似する必要がある、と具体的に述べられています。 ここは自作勢が見落としやすいポイントで、ピーク位置を「最大値の画素」として扱うと、スリット幅・ピント・センサノイズで簡単にズレます。ガウスフィットは面倒に見えても、結果の再現性が段違いです。
校正点の“置き方”も重要です。校正点は波長域に均等に配置することが望ましい、という考え方は分光器校正ソフトの説明でも強調されており、ガス放電ランプやレーザー等を使うことが述べられています。 建築用途で可視域（例：380～780nm）を見るなら、水銀灯やネオン等の輝線で複数点を確保し、端の波長ほど校正誤差が出やすいことを前提に、見たい領域の近くに点を増やすのが現実的です。
参考：自作機に波長較正モジュールを用意し、ネオンランプ等を基準光源として使う例（設計思想・構成が具体的）
安価で自作しやすい低分散分光器の開発の試み（波長較正モジュール、回折格子、スリット構成の具体例）

分光器自作ccdの分解能とスループットの設計

分解能を上げる最短ルートは「スリットを細くする」ですが、浜松ホトニクス資料は“波長分解能とスループットはトレードオフ”であり、スリット幅やNAを狭く/小さくするとスループットが低下すると明記しています。 建築現場での計測では、レーザーのような高輝度光源より、照明・反射・間接光など低照度の対象が多いので、分解能を追いすぎると「暗くてノイズしか出ない」になりがちです。
回折格子の側も設計変数です。浜松ホトニクス資料では回折格子方程式 \(d(\sin\alpha \pm \sin\beta)=m\lambda\) を示し、格子周波数（溝本数）や焦点距離などが分散（逆線分散）に影響する説明があります。 DIYでは高い格子周波数＝高分解能に飛びつきやすいのですが、波長域が狭くなったり、光学系がシビアになったり、装置サイズの制約が出るので、用途（可視全域をざっくり見るのか、特定ピークを分離したいのか）から逆算が必要です。
さらに“迷光”も軽視できません。浜松ホトニクス資料は、迷光の要因として外乱光、グレーティングの不完全性、レンズ表面などの反射を挙げています。 つまり自作では、段ボール箱レベルの遮光から一歩進んで、内部の黒色化（植毛紙・つや消し黒）や不要反射を減らす工夫が、分解能の数字以上に効きます。

分光器自作ccdの光ファイバとNAの落とし穴

“意外と効く”のが、光の入れ方（NA、ファイバの扱い）です。浜松ホトニクス資料は、ミニ分光器の多くが内部NA=0.22で設計されており、入射側もNA≧0.22にする必要があると説明しています。 この条件を満たさないと波長シフト等の影響が出る恐れがあるとも書かれており、DIYでも「光学系は合っているのに波長が合わない」原因になり得ます。
さらに、光ファイバを曲げたり揺らしたりすると出力が変動する場合がある、という注意も明記されています。 建築の現場計測は持ち運び・取り回しが前提なので、ケーブルの取り回しを測定手順に含める（曲げ半径を一定にする、固定治具を作る、測定のたびに同じ姿勢にする）だけで再現性が上がります。
そして校正の順序も落とし穴です。浜松ホトニクス資料は、ファイバのコア偏芯などの影響をなくすには、光ファイバをミニ分光器に接続した状態で波長校正を行う必要がある、と述べています。 「校正は机上、計測は現場でファイバ接続」だと、ズレを自分で作り込むことになるので、校正も運用形態そのままで実施するのが鉄則です。

分光器自作ccdの建築現場の独自視点

建築従事者にとって分光器は、理科工作ではなく「見えの説明責任」を支える道具になり得ます。例えば、撮影・照明の文脈ですが、セコニックの分光式メーターは380～780nmで分光測定し、LEDや蛍光灯も含めて色温度や演色を扱う前提が示されています。 建築でも、同じ“白”に見える照明が、内装材・塗装・木材で見え方を変える理由はスペクトル分布にあるため、「色温度だけでは説明できない差」をスペクトルで提示できる価値は大きいです。
自作CCD分光器を“現場の武器”にするなら、次の3点を最初から記事・設計に組み込むのが実務的です。浜松ホトニクス資料が示すように、入射条件（NA）、迷光、波長校正（高次近似）を、装置よりも運用の手順として固めることが再現性に直結します。
- 🧱 内装材の見え検討：照明を変えたときのスペクトルの差を記録し、「青成分が多い」「赤が欠ける」を言語化する。
- 💡 照明更新の品質管理：同一型番でもロット差や経年でスペクトルが変わる可能性を“比較測定”で押さえる。
- 🧰 クレーム予防：肉眼評価の前に“基準光源＋校正済み分光”で測定条件を固定し、後日の再現ができる形で残す。
なお、DIYで絶対値（分光放射束など）まで追うのは難易度が跳ね上がります。まずは浜松ホトニクス資料の範囲でも示されている「波長軸の整備（ピクセル→波長）」と「迷光・入射条件の管理」を満たし、相対比較に強い道具として育てるのが現実解です。