分光器自作メモ の履歴(No.4)
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（以下SolExProメモの後半に書いていた部分を分光器利用に絞ってまとめています）
SolExという「自作できる太陽分光望遠鏡」があって、それを2024年11月頃に作りました。その時に分光器部分は実験室での汎用の分光器としても使えそうだと思い、色々と試してみました。以下は普通の分光器としての利用方法について書いてます。SolEx自体についてはSolExProメモをご覧ください。
SolExの分光器は3Dプリンターで印刷できて、入射側コリメートレンズf=80 mm、2400 gr./mmの回折格子、検出側集光レンズf=125 mmの仕様となってます。ただ回折格子やレンズ等は交換可能です。レンズの焦点距離を変えるためには一部改造が必要となります。回折格子は自由に回転できるようになってます（上の写真の左側の丸いところ）。分光器部分だけだと光学系パーツが7万円程度で、それプラス3DPの印刷費用、さらにCMOSカメラが必要です。光学系パーツをAliExpressなどで調達するともっと安くなります。ラマンとして使う場合には、レーザー、対物レンズ、結像レンズ、フィルター類、高感度CMOSカメラなども必要ですので数十万円は必要になります。分光器部分のSolEx Proはキットで販売されています。自分で3Dプリンターで作ることもできますが、その場合はSolEx Ver.2となります。印刷用のファイルがダウンロードできます。作り方等も詳しい説明があります。光学部品もセットで売られてますが、個々のパーツを自分で買って集めることもできます。詳しくはSolEx本家やSolExProメモを見てください。以下は既に完成したSolEx ProまたはSolEx Ver.2があるとして進めます。
そのままでは汎用の分光器としては使いづらいので、まずは光ファイバーで分光器に光を入力できるようにします。スリット部の端（四角い部分）はM42メスネジとなっているので、ソーラボのM42オスネジ–SM1メスネジのアダプタ(SM1A49)を使うと、ソーラボ標準のSM1使用の光学系に組み込むことができます。光ファイバーのコネクタをSM1のパーツを使って接続すれば光ファイバー入力の分光器としてすぐ使えます（スリットは外しておく）。右の写真はそうやって光ファイバーを接続した状態です。これで光ファイバーから導入した光を分光して測定できるようになります。
ただよくあるNA0.22の光ファイバーを使うとして、コリメートレンズ80 mm焦点距離だとファイバーからの光はレンズ位置で35.2 mmまで広がるので、実際は半分くらいの光しかレンズを通らないことになります。50 mmくらいの焦点距離レンズを使えばいいのですが、そうすると拡大倍率が2.5倍になるので、それもちょっと困る気がします。まあそちら側のレンズの焦点距離も変えればいいのですが。太陽用には分散方向を縦（CMOSセンサーの短い方向）にしますが、分光器目的では分散方向は横にして横長なセンサーを有効利用します。
ソーラボに組み込むもう１つの方法は後で出てきますが、M42メスネジがついている部分を30 mmケージ用の穴を開けたものを自作して交換することです。これは3Dプリンターで作ってます。こちらでもソーラボの光学系に組み込めます。
SolExは望遠鏡に取り付けて使うことを想定しているため、平らな机の上では単体で安定しません。取り付けるカメラが大きいと机に当たります。私はAzur3dprintでKodak Turntableも購入しました。これはSolEx Proの下部に取り付けて、雲台に載せるためのアダプタです（3Dプリンターで作ることも可能です）。その下にさらに自作プレート１枚を置いて雲台用ネジを使って固定しました。これで机の上でも安定するようになりました。SolEx Ver.2でも同様なプレートをいくつか作ってます。１つは雲台ネジありで、これがあると三脚に固定できます。ソーラボのポストはメトリックだとネジがM4なので、M4ネジをつけておくと固定できますが、M4なのでポスト１本だとちょっと不安定な感じがあります。広めのベースで単に机の上で安定するだけのものも作ってます。
光ファイバー入力にしたSolEx Proを少し使ってみました。右の図は光ファイバー（50ミクロン径）で取り込んだネオンランプのイメージです。これはPlayer OneのNeptune-CIIで撮ってます。SharpCapという天体撮影用のプログラムを使って撮影しました。範囲的には590 nm付近です。保存ファイル形式は天文分野でよく使うfitsを使いました。この画像を１次元スペクトルに変換するためにpythonでちょっとコードを作りました。fitsファイルを処理する場合にはastropyライブラリーがよく使われるので、astropyを使ってfitsファイルを読み込んで、縦方向にスポットがある辺りを縦に積算して１次元スペクトルに変換してみました。積算にはNumpyを使ってます。1行で（範囲を指定した）積算が処理できるので便利です。得られたスペクトルを下に示してます。左側が長波長側になります。そのままだとギザギザするので少し平滑化してます。これもNumpyの関数を使ってます。バックグラウンド処理なしでそのまま積算しているので、スペクトルのバックグラウンドが非常に大きな値になってます。
532 nmレーザーをルビーに照射して生じた蛍光(R1,R2)を見てみました。ルビー蛍光の２つのピークが690 nm付近に出ます。100ミクロン径光ファイバーを使ってます。ルビー蛍光法による圧力測定用途にも十分使えそうです。別ページで自作のLittrow型分光器について書いてますが、分解能はそれと同じかもっといいかもしれません。焦点距離が短い割に分解能がよくなっている理由は検出器のピクセルの大きさがSolExの方がかなり小さいからです(約1/5)。もちろんファイバー径がそれよりは遥かに大きいので、十分分解能を生かしている訳ではありませんが、ルビー蛍光自体の線幅自体が広いのでファイバー径を小さくしても線幅はほぼ変わりません。
比較的安く分光器を入手する方法の１つとしてSolEx（Sunscanも）はいいかもしれせん。もう少しきちんとしたものが欲しい場合は、 OpenRaman や同じ人が作っている 分光器 がいいかもしれません。これらはソーラボのパーツを主に使ってます。
ここまで来ると私的にはSolEx Proでラマンスペクトルが測定できるのかどうかが気になります。簡単な顕微測定光学系を組んでみました（上のルビー蛍光もこれで測定）。
上記はSolEx Proを使っていたのですが、そちらは本来の太陽分光望遠鏡用に戻して、分光器として使う目的でSolEx Ver.2を自分で印刷して作りました。こちらは太陽には使わない予定なのでPLA+黒をフィラメントに印刷しました。AnkerMakeのM5Cで印刷して特に問題は生じませんでした（M42外ネジのあるカメラ側のレンズ筒はネジの具合が悪く、印刷し直しましたが）。印刷後はM4とM3のインサートネジを埋め込む必要があります。
私の目的（実験室での分光）ではレンズを80 mmから100 mmに取り替えて、別のスリットやピンホールをSolExの外側で使いますので、SolExに用意されているスリットは使いません。コリメーターボックス外側にソーラボの30 mmケージと接続するアダプタを3DPで印刷しました。SolEx ProとVer.2ではコリメーターボックスの形状が異なるので使えず、作り直しました。これでソーラボのケージを使った光学系に組み込めます。さらに本体底に15 mm厚のプレートも3DPで印刷して取り付けて、それにカメラネジのインサートナットを埋め込んでソーラボのポストで本体を支えるようにしてます（このためにはM4／カメラネジ変換が必要）。本当は１点だけの支持ではバランスが悪いのですが、ケージで別途繋がっているので、とりあえずはこれでもOKでしょう。光学パーツ（アクロマートレンズ２個と回折格子）はソーラボで買ったものを使ってます。回折格子は少し解像度を落とす（観察できる波長領域を広げる）ために1200 g/mmを使います。ただカメラ側のレンズはf=100だとちょっとうまく手持ちのCMOSカメラでフォーカスが合わないことが分かりました。そこでSolEx Proのf=125のレンズと交換しています。SolEx Proの方はf=100でも問題ありません。これは延長筒である程度調整できるためですが、それがVer2ではできません（その後レンズ筒部分を自作してf=100でも使えるようにしました）。
下の写真は光ファイバーからの光を分光する場合のSolEx Ver2の構成で、入射部分にファイバーを接続する端子をつけています。前述のようにProで同様のことを行なってました。アダプタでソーラボの30 mmケージが付くようにして、ロッドにケージプレートを固定、ケージプレートにファイバーコネクタを固定してます。ケージプレートは移動できるので、0次反射で光ファイバーのコア像を見ながらフォーカスを合わせます。ルビー蛍光やラマンも測定できます。波長は光ファイバーで繋いだネオンランプや低圧水銀ランプで校正できます。
その後、3Dプリンターでソーラボの30 mmケージに接続できるようにするアダプタ（望遠鏡と繋ぐアダプタと入れ替える）を作成しました。下の写真で、30 mmケージ用の４本の6 mmロッドが固定できるようになってます(テプラシール貼っているところ)。これでソーラボの光学系と直接組み合わせて分光器として使うことができます。下の写真はVer.2の場合で、手前には可変スリットが付いてます（ミツトヨのマイクロメータがついているもの）。
それを使って上のファイバー光学系の時のラマン光学系をほぼそのまま使ってミニ顕微ラマン分光器を組んでみました。全部載せるために300x300のブレッドボードを斜めに使ってます。調整で色々と不便だったので、今回は小さいXYZステージをポストに付けてます。ここでは幅が変えられるスリットをラマン散乱がフォーカスする所に置いています。集光はアクロマート100 mm焦点を使ってます。コリメート側のレンズは焦点距離を100 mmと変えてます。回折格子は1200 g/mmへ変更してます。検出側のレンズも120から100 mmに変えて対称的にしたいのですが、これはVer.2では(この時点では)ちょっと難しく120 mmのままです。下の写真が光学系の全体像です。
可変スリットのいいところは幅を広げておいて、さらに0次反射になるように回折格子を回転させると、試料像が観察できることです（ミラーとして働くので）。そこで試料像を見ながらレーザースポットをスリット中央に来るようにダイクロイックビームスプリッターの回転を微調整します。そして測定したい試料を導入してフォーカスを合わせます。その状態でスリットを50~100 micron程度に絞って、回折格子を560 nmくらいに移動するとラマンピークが観察されました。こちらの方が調整しやすいので、可変スリットのこの利用方法は結構いいなと思ってます（ただ回折格子を回転させると校正が必要になります）。スリットを使ってますが、ビーム自体はスポット状なので、ラマン散乱は実際にはCMOS画面の上下かなり狭い範囲に出ることになります。SharpCapだと2712x200という観察領域が選べるので（Neptune-CIIの場合）、それを使うといいです。
下は２秒露光のCMOS画面。中央から少し左の明るい２点がオリビンの２つの強いピークに対応してます。右端の縦長の部分がレーザー(0 cm-1)によるもので、その付近が暗いのはラマンエッジフィルターによる減光のため。２つのピークの分離が前より悪いのは回折格子を変えているためで、２倍の波数領域が見えてます。Windows上のSharpCapで画像を取得してます。SharpCapにはMac版がないのですが、AstroDMxにはMac版もあって、Macからもラマンピークを見ることができました。今回はフィルター類は本格的なもの（Semrockの532 nm用ラマンエッジフィルター、ダイクロイックフィルター）を使ってます。
現状、2D画像をSharpCapかAstroDMxで取得してfitsファイルで保存して、それをpythonのコードで縦方向に積算して１次元スペクトルに直しています。よりよいスペクトルを取るにはStackingが必要です。SharpCapではLive Stackingが可能なのですが、試してみたところうまくいきません。星雲写真のように基準となる星に対応するものがないためのようです。普通に繰り返し測定は可能なのですが、fitsファイルが多量に出来るので、それを別途stackingしないといけないので、pythonでstacking用のプログラムを作りました。それで100個の２秒露光データを処理したのが下のオリビンのスペクトル。上の2Dの図とは横軸を反転させてます。積算で波形がスムーズになってます。ただ、スリットが100ミクロンだったこと、レーザー自体が幅広いことなどからピークはSolEx Pro上の例と比べてブロードになってました。
さらに分光器として本格的に利用するには直接スペクトルを測定するようなソフトを自分で作る必要があります。PlayerOne等はSDKなど提供しており、pythonでも使えるようなので、作ってみようとは思ってますが…
カメラ側のレンズ筒部分を作り直しました。オリジナルだとレンズの焦点距離が125 mmかそれ以上でないとフォーカスできなかったため。新しいものはスリット側と同じくソーラボのケージが使えるようなアダプタがレンズ筒の端に付いてます。ヘリコイドフォーカサは使いません。ケージプレートをずらしてフォーカスを調整します、これで100 mmの焦点距離が使えるようになり、現在コリメート側も100 mmにしているので対称的な配置になりました。
ついでにSolExを使ってない自作分光器も紹介します（下の写真）。これはPULSER Engneeringさん設計の400~800 nm分光器とほぼ同じもので、ほとんどはソーラボのパーツで組んであり、カメラはFLIRのBlackFlyを使ってます。PULSER Engneeringさんの見積もりでは必要な予算は1400ユーロくらいになります。台はPULSER Engneeringさんは使わない方がいいと言っている積層式3Dプリンターで作りました。PULSER Engneeringさんは粉末式3Dプリンターで作ることを推奨してます（またはアルミ板を加工）。この分光器は50 mmのレンズを両側に使っていて、300 gr./mmの回折格子を使って、一度に400 nmくらいの範囲を測定できるような仕様になってます。理想的にはファイバーは10 micronがいいのですが、持ってないので50 micronでテストしました。ネオンランプや蛍光灯のスペクトルがよく見えましたが、ネオンランプでは明らかに本来ピークでない位置にピークがあり、高次回折のピークが紛れこんでいるようでした。ショートパスやロングパスフィルターで必要ない波長をカットした方がいいようです。
写真に写っているスケールは15 cm長さ。