積分球と基準白板の選び方

　拡散透過光や拡散反射光を測定するために，積分球の内壁は反射率が100％に近い塗料や樹脂を使用しています。その材料として，主に硫酸バリウム塗料(以下BaSO4塗料)やフッ素系特殊樹脂が使用されています。

　図1はBaSO4塗料とフッ素系特殊樹脂材の絶対反射率です。両材料の反射率は近赤外域で大きく異なります。BaSO4塗料の場合，可視域で90％以上の反射率がありますが，近赤外域では80％程度にまで低下しています。それに対し，フッ素系特殊樹脂では，可視域で95％以上，近赤外域でも90％以上の反射率があります。このため，可視域のみで使用されるのであればBaSO4塗料で十分な性能が見込まれますが，近赤外域で精度の高い測定をする場合はフッ素系特殊樹脂を使用した積分球が有効であることがわかります。ただし，フッ素系特殊樹脂の問題点としては，十分な反射率を得るために内壁厚さが8～9mm程度になります。このため図2に示しますように，試料と積分球内壁に段差が生じ測定に影響を与えることがあります。
　なお，図1のBaSO4のスペクトルで1450 nm，1950 nm，2500 nm付近に見られる下向きのピークはBaSO4に含まれる水の吸収によるものです。

　基準白板に使用される材料はBaSO4の粉体を押し固めたものが一般的に使用されますが，近赤外領域で感度の高い測定を行う場合はフッ素系特殊樹脂が使われます。BaSO4粉体とフッ素系特殊樹脂の特徴及び購入先をTable 1にまとめました。ここでは，これら材料の違いや使い方について説明します。

相対反射率は下記の式で表され，基準白板の反射率が影響した値となります。

　透過測定では，拡散透過しない透明な試料の場合は絶対透過率が求められますが，濁りのある拡散透過する試料を測定する場合，積分球内壁と基準白板の種類が異なると絶対透過率からのずれが大きくなります。このため，できる限り積分球内壁と基準白板の種類が同じものを使う必要があります。図5ではトレーシングペーパーを拡散透過試料として使用し，積分球内の反射面に設置する基準白板としてBaSO4を使用した場合とフッ素系特殊樹脂を使用した場合の全光線透過率(拡散透過率＋直線透過率)スペクトルを示します。基準白板の違いにより拡散透過試料のスペクトルに差が生じていることがわかります。

　透過率の差が生じる原因について，図6を使って説明します。ベースライン補正をしたときにまず光束は直進して全て基準白板面に当たりますが，拡散透過試料を透過した光は，光束が拡散し積分球内壁の広い範囲まで光が当たります。このため，基準白板の反射率と積分球壁の反射率の違いが測定値に加わり，絶対透過率が得られないことになります。

　積分球は一般的には透過測定と反射測定の両方ができるように入射光用のポート(窓)の反対側に反射測定用ポートを設けていますが，拡散透過試料測定時の差が生じないようにするために図7に示すように反射用のポート(基準白板をセットする穴)を設けていないタイプの積分球もあります。

　またBaSO4であっても粉体を詰め込むタイプと塗料タイプでは反射率が若干異ります。反射率の違いの例を図8に示します。このためより精度の高い透過率測定を行うには反射測定用ポートの無いタイプの積分球をお勧めします。

　本稿では積分球を使った反射率や透過率測定の特徴や誤差要因について解説いたしました。
　積分球を使った反射測定で注意しないといけないことは，試料の反射率は基準白板との相対値であって基準白板の材料や状態の変化によって得られる試料の反射率が変わってしまうということです。「いつもの試料なのに反射率の値がおかしい」ということがあれば基準白板が汚れていないかなど一度確認してみてください。
　また拡散透過の測定においても拡散性の高い試料を測定される場合は，反射用ポートが無いタイプの積分球をお勧めします。