UVカット紫外線ケア対策

光放射による反応には光電素子の出力のように、光放射が与えられているときだけ出力（電流）があり、入射がなくなれば出力もなくなる非蓄積性のものと（人間の視覚などもその例です）、写真、光合成などのように、光放射の時間的蓄積によって反応量が増加して蓄積されるものがあります。ＵＶ領域で利用される光反応は、このタイプが多いです。蓄積性のある光反応の典型的な例を図でみてみます。図の横軸は、入射エネルギーＱ＝（入射強度Ｐ×照射時間ｔ）です。縦軸は反応の量または、反応の度合いＤとします。反応の量は例えば、写真の場合は発生の濃さ（濃度）、光合成なら植物の葉面から発生するＣＯ2の量、印刷の場合ならインクの光硬化度（重合度）などの物理または化学的な量あるいは生物学的な量です。横軸、縦軸はともに対数目盛りとすることも多くあります。典型的な反応は閾点ａ点から急速に進行して中間点ｂ点を経て飽和部ｃ点に達する非直線的なものです。この反応の絶対レベルと曲線の形状は一般に入射光の波長によって変化します。非直線的な反応を評価するためには反応曲線の特定の箇所を反応の基準点に定めて、この基準点に達するまでの入射エネルギーを波長ごとに求める必要があります。このエネルギーの波長特性が作用エネルギー特性で、その逆数が反応の分光応答特性または、作用スペクトル曲線になります。曲線状の基準点としては、ａ（反応の立ち上がり）、ｂ（中間点）、ｃ（反応の終了点）のいずれかが用いられます。一般的にはａ点が多いようです。
光反応の分光応答を測定する装置は基本的には、光電センサーの場合と同じです。しかし、反応のために大きなエネルギーを必要とする場合が多く、照射時間も数１０分になることがあるので、照射状態をモニターするセンサーが必要です。照射量の値は、試料の位置に熱形センサーなどの標準センサーを置いて、モニターを校正しておき、モニターの出力から求めます。蓄積性の光反応を測定、評価するに際して必ずチェックすべき項目があります。それは、相反性不軌の確認です。反応に必要な光入射エネルギーＱは、放射パワーＰと照射（露光）時間ｔの積です。したがって、反応量Ｄは、ＱすなわちＰ・ｔの関数です。Ｄ＝ｆ（Ｑ）＝ｆ（Ｐ・ｔ）　（６.６.１）　ここでＱ＝Ｐ・ｔは、例えば、Ｐが非常に大きく、ｔが極めて短い組み合わせでも同じ量にすることができます。しかし、このような二通りの組み合わせによる同じＱによって生ずるＤの度合いは、同じにならないことが多いのです。一般に弱い入射の長時間露光による反応度は、同じエネルギーを強い入射と短い時間の組み合わせで与えたときの反応度に比べて少ないことが多いです。このような特性を相反性の不軌と呼びます。もし、反応を実際に使用している状態と測定する状態との間に、入射強度の著しい差があって、その間に相反性の不軌があれば、測定で得た結果が実際の使用状態とは異なったものになり、測定の意味がなくなることになります。そこで相反性に対する検証は測定前に必ず行われなくてはなりません。

紫外線（ＵＶ）領域の放射の検出に用いる、放射の光電的なセンサーである各種の半導体素子、光電管、光電子倍増管などの分光応答特性（感度の波長特性）は次のような手段で測定します。十分に安定な放射源（キセノンランプ、重水素ランプなど）の光を集中してモノクロメータの入射スリットから入れて十分に強度のある単色光出力（波長可変）を得ます。この際に集光系は色収差（波長による焦点距離の変動）のない凹面鏡を用います。この単色光を標準センサーと測定対象となるセンサーに交互に与えて比較測定します。この考え方は放射源の分光分布の測定と全く同じです。標準センサーは、公的機関によって目盛り付けされたものがあるので、それが利用できます。ただし、波長は２５０ｎｍまであるので、これよりも短波長では測定者が独自に標準を設定しなければなりません。この波長領域で一般に標準センサーとして使用されるのは、熱形センサーです。これは熱電対や焦電素子のような熱電変換素子によるもので、熱電対などに波長による吸収特性が一定（ほぼ１）であるような黒い物質を塗布して放射の吸収熱で放射の量を測るものです。黒化材料に、金黒（金を１～２ｔｏｒｒの窒素圧力で蒸着したもの）やカーボンブラックなどを用いるとＵＶ領域から金赤外領域まで、ほぼ分光応答度が一定（＝１）であるような検出器が得られます。これらは、サーモパイル、焦電形センサーなどでの名称で市販されています。熱形センサーはシリコンフォトダイオードのような半導体素子に比べると感度が著しく低いので、安定に動作させるためには、できるだけ強い放射を与えることが必要でありますし、電気的な出力も一般にμＶオーダーのような低電圧であるので専用の増幅回路が必要になります。この測定を行う際の最も重要なことは、放射の照度のむらが少なく、しかもそのむらの空間的な分布の状態が波長によって変化しないような出射単色光を標準と試料に与えることです。これは標準と試料の受光面の大きさが一般的に同じではなく、またそれぞれの受光面上での感度のむらの状態（部分的な感度の不均一性）が異なるためです。もし、大きさと、感度のむらの状態が異なる標準と試料に、放射照度のむらが大きくてそれが波長的に変化するような放射が与えられれば、比較に際して誤差が発生します（標準で測った放射と同じ量が試料に入射されないため）。このために場合によっては、数１０％の誤差が発生することもあるのです。
出射光のむらの発生の一番大きな原因は、集光光学系の種類とタイプです。むらを少なくするためには、色収差が生じないように凹面鏡を使い、かつ鏡の傾きによる歪みの発生ができるだけ少なくなるような配置を選ぶことです。標準と試料に与える入射の強度は波長によって大きく変化しないことが理想ですが、これはなかなか困難です。一般に熱形センサーやシリコンフォトダイオード、光電管などの光電検出素子は入射に対する出力の比例性（応答の直線性）がよいので、入射量が変化しても応答度の測定には支障のないことが多いです。しかし、光電素子でもＣｄＳセルなどは応答の直線性が悪いので、出力あるいは放射源の電気的入力を変化させるか、光炉に減光フィルタを入れます。しかし、これらの操作によって出射光のむらが発生しないようにしなければなりません。

１８５ｎｍ、２５４ｎｍなどのライン放射測定には、これらの波長を対象にした放射照度計を用いるのが便利なため、市販品もかなりでています。ラインスペクトルに対する分光的な応答をもつ受光器は干渉フィルタなどを用いて比較的容易に製作できますが、斜方向からの入射を検知する入射角特性がよくないものがあるので注意してください。ＵＶ領域での工業応用などでは、照射する対象物を直近に置くことが多く、数ｃｍ以下の距離で使用することもあります。この場合には入射角が８０度以上になることもあるので、この状態で測定するためには、放射照度計の入射角特性が８０度位まで余弦特性を満足していないと誤差が生じてきます。紫外線（ＵＶ）用の放射照度計の入射角特性の例をみてみると、余弦特性は１０～１５度程度までしか満足できないものもあります。このようなもので入射角が２７度、４５度、５６度（管長の１、１/２、１/３倍の距離の入射角）まで広がっていいる放射を測定したときの測定誤差はそれぞれ-２４％、-５０％、-５６％であって、極めて大きくなることがわかります。余弦特性を広い入射角の範囲で満足させるためには、可視域の照射計のようにドーム状のグローブを用いて、それにバッフル板などを組み合わせるのが有効です。ただし、このようにすると、受光部がかなり厚みのあるものになって、放射源の直近の距離に対象物を置くような狭いスペースでは、使用できなくなります。そのため、受光部自体ができるだけ薄い（例えば１０ｍｍ）ことが望まれます。また、このような使用条件では受光面の温度上昇が大きくなるので、それに対する対策も必要になります。

測定対象の分光分布が連続スペクトルか、または連続スペクトルとラインスペクトルの混合であるときは、モノクロメータなどの分光装置の波長帯域幅が分光測定の測定間隔（サンプリング間隔）と等しくなるようにして分光測定を行って、放射束（放射パワー）を波長区間（波長幅）λ毎の値（区間平均値）の集合（波長的連なり）、として求めることができます。しかし、水銀ランプなどのように、比較的少数のラインスペクトルが散在しているようなものでは、それらを個別に測定したほうが都合が良いこともあります。この場合は次のような手続になります。まず、モノクロメータの帯域幅を適当な広さδλ（例えば５ｎｍ）に設定します。そして、測定するラインの波長を挟んで波長走査を行って、ラインの波長に対する応答（ラインプロフィル）を求めて、その面積を算出します。このラインプロフィルは、ラインスペクトルの波長特性とモノクロメータの帯域特性とのたたみこみ積分（convolution）であって、その面積は両者の波長特性（形状）のいかんにかかわらず、ラインスペクトルのパワーに比例します（ラインが接近した波長の複数のものではその総和を示します）。したがって、比較する標準放射源が水銀ランプのようなラインスペクトル放射源であれば、両者のプロフィル面積を比較すればよいのです。標準が電球のような連続スペクトル放射源のときは、プロフィルの重心波長λｇを求めて、λｇにおける標準の値Ｅｇ（単位：μＷ・ｃｍ-2・ｎｍ-1）と標準のよみ（測定値）およびラインプロフィルの面積からラインの放射パワーを求めます。このときの測定量Ｐ1は、例えば、検出器出力が電流（単位：Ａ）であれば次のようになります。Ｐ1[μＷ・ｃｍ-2]＝Ｅｇ[μＷ・ｃｍ-2・ｎｍ-1]×プロフィル面積[Ａ・ｎｍ]÷標準のよみ[Ａ]　ラインが連続スペクトルと重なっているときは、文献（ＪＩＳ Ｚ ８７２４-１９９７：色の測定方法―光源色）の方法で分離することができますが、反応を利用する立場からは、放射ラインが連続かの区別は特別に意味をもちません。

紫外線（ＵＶ）の測定は光源（放射源）の強さ、あるいは光源で照射した面に当たる放射の量などの測定と、センサーや光反応を生ずる材料などについての入射紫外線（ＵＶ）の量と反応の度合いとの関係の測定（評価）に分けられます。そしてこれらについては大抵の場合に波長的な特性が問題になります。

放射源の分光放射測定―使用する光学機器と入射のための光学系
放射源に対する最も一般的な測定は分光放射照度測定であって、これには通常はモノクロメーターと補助光学系を用いますが、３００ｎｍ以下では光学系の透過率、反射率が低下するので、できるだけ簡素化した光学系の組み合わせにします。放射照度を測定するには放射源の形状による影響をなくすために拡散入射をさせる必要があります。そのために拡散面としてはＢａＳＯ4、ＬｉＦ粉末、Ｈａｌｏｎなどの圧着面の反射が使用できますが、波長２００ｎｍでは反射率がかなり低下します。透過面として、簡易的に合成石英の砂ずり面（１５０メッシュ位）も使用できますが、短波長域では効率が低いです。波長２００ｎｍ以下の測定では、モノクロメータを含む測定系を真空または窒素雰囲気中に配置しなければなりません。このためには、極小形のモノクロメータ（例えばOptometric Corp.ＭＣ１、約６０×５０×１００ｍｍ、ｆ＝７４ｍｍ、Ｆ３.９など）が便利です。本格的な真空中測定のためには、モノクロメータ自身を真空にできる真空モノクロメータがありますが、構造上から放射照度などの測定にはかなり使いにくいです。ハロゲン電球標準で測定を行う場合には迷光の除去対策が必要です。一般的な方法としては、①長波長を遮断するフィルタを併用する、②センサーとして長波長側に応答しないものを用いる、などが有効です。迷光の評価は、測定波長よりもわずかに長波長側に遮断点のある遮断フィルタを光路に入れて、迷光成分だけを検出して差し引く、などの方法によることが多いです。センサーとして最も一般的なのは光電子倍増管（ＰＭ）で、２００～３２０ｎｍまでのＵＶ領域だけならばＣｓ-Ｔｅ、可視も含むならばＣｓ-Ｓｂ，マルチアルカリ光電面のものを用います。ＵＶ領域での波長的な分解能は、特別な場合を除いて５ｎｍ程度と考えてよいでしょう。

最近のシリコンフォトダイオード（ＳＰＤ）の中には、波長１９０ｎｍ程度まで十分な応答があり、安定性も高いものがあるので（浜松ホトニクスＳ１３３７系など）、これによる放射標準が設定できます。ＳＰＤの相対分光応答度は、熱形センサー（放射計）などと比較して波長１９０ｎｍまで測定できます。また、国内の４機関で行った相対分光応答度の相互比較では、紫外線（ＵＶ）領域で実用上満足できる精度での一致が認められています。ＳＰＤの絶対応答度は、可視領域で自己校正法によるか、または標準電球からの全放射で値付けできるので、その値を相対分光応答度と組み合わせて、２５４ｎｍなどの絶対応答度を求めることができます。１８５ｎｍの応答度は、窒素雰囲気中で合成石英低圧水銀ランプからの放射を、２５４ｎｍおよび１８５ｎｍ透過用の帯域フィルタ（例えばＡＣＴＯＮ社などから発売している干渉フィルタ）を通して、サーモパイルなどの熱形センサーとＳＰＤに交互に照射して、２５４ｎｍと１８５ｎｍの応答の比を求め、これに２５４ｎｍの応答度を乗じて求めることができます。分光応答度が値付けされたＳＰＤを実際に２５４ｎｍまたは１８５ｎｍ検出用に使用するときは、あらかじめ２５４ｎｍまたは１８５ｎｍの透過率を測定したフィルタ（帯域幅１０～３０ｎｍの干渉フィルタ）と組み合わせて使用します。あるいは、フィルタを２枚用意して、その１枚を放射源と受光器をセットする位置の中間に置いて、まず、分光応答度が値付けされたＳＰＤで、セット位置での２５４ｎｍまたは１８５ｎｍ放射照度を求めておきます。そして、他の１枚のフィルタを他のＳＰＤ（分光応答度は未知でよい）と一体にした受光器を作って、セット位置において、この状態での応答度を校正します。こうすればフィルタの透過率の直接測定が不要になります。

ＪＩＳ Ｚ ８９０２「キセノン白色標準光源」で、電極の寸法と形状を規定した５００Ｗ丸形キセノンランプは、紫外線（ＵＶ）領域が強い連続スペクトルがあり、その分光分布の標準的な値（相対値）が３００ｎｍから５ｎｍおきにＪＩＳ本文に示されています。また、２５０ｎｍまでの値がＪＩＳ解説に示されています。そのためあまり精度を要求しなければこの値を利用することができます。ただし、絶対レベルではないので、絶対レベルが必要なときには基本的な標準で校正しなければなりません。最近は１５０Ｗ丸形のＸｅランプが多く使用されていて、非常に安定性の良い品種もあります。そのほかの標準は、複数の線スペクトル放射をもった標準として、以前にはクレフトの水銀ランプと呼ばれる高圧水銀ランプ（２５０Ｗ）が、かなり広く利用されていましたが、現在では製造が中止されています。

基本的な標準-①
光の測定を正確に行おうとするときには、標準的な（値のつけられている）光源やセンサーとの比較測定によらなければなりません。紫外線（ＵＶ）の測定の場合も同様です。現在のところ、公的に認められている分光的な放射標準の波長範囲は２５０～２５００ｎｍです。この波長領域では、電子技術総合研究所（ＥＬＴ）で黒体炉から値付けされた値に基づいた、石英バルブのハロゲン電球が分光放射照度の標準として、日本電気計器検定所や認定事業者（民間メーカーなど）から産業界などに供給されています。紫外線（ＵＶ）領域の値は２５０～４００ｎｍでは１０ｎｍ毎に、５０ｃｍの距離での、波長幅１ｎｍ区間における放射照度（単位：μＷ・ｃｍ-2・ｎｍ-1）がつけられています。電球の定格は１００Ｖ、５００Ｗで、分布温度（色温度）Ｔｄは約３１５０Ｋで、２５０ｎｍでの放射照度は０.０１μＷ・ｃｍ-2・ｎｍ-1程度です。この値は産業で実用に用いる放射レベルよりも２～４桁低いのです。

基本的な標準-②
波長２５０ｎｍ以下２００ｎｍまでの放射標準は、国家的には定められていません。しかし、電総研と埼玉大で重水素ランプに値付けした結果を発表しています。また、ＮＢＳ（アメリカ標準局：現ＮＩＳＴ）で１９７７年に測定した値に基づいた重水素ランプがＯＰＴＲＯＮＩＣ ＩＮＣ．から市販されて、相当量が輸入されています。ＮＢＳでは１９８７年にも重水素ランプに値付けを行っています。埼玉大とＮＢＳ－ＯＰＴＲＯＮＩＣの値（２本）、およびＮＢＳ１９８７年の値の相互比較を見てみると、埼玉大とＮＢＳ１９８７年の値はかなりよく一致していますが、ＮＢＳ－ＯＰＴＲＯＮＩＣの値は外れが大きく、２本の相互差も大きいことがわかります。重水素ランプ（３０Ｗ）の放射は、短波長に向かって増大しますが（ピークは１８０～２００ｎｍ）、その強度は１００Ｖ・５００Ｗのハロゲン電球と２８０～２９０ｎｍでほぼ同等になります。

ＵＶ測定のための標準放射源
放射源による実用標準―２５３.７ｎｍ（殺菌線）標準
低圧水銀放電の２５３.７放射ｎｍ（２５４ｎｍラインスペクトル）は殺菌、洗浄、脱臭用などに広く用いられるので、この放射単独の標準の需要があります。通常に用いられるのは１０Ｗか１５Ｗの低水銀ランプ（ＧＬ１０,１５）です。このランプの放射は紫外～可視放射の約８０％が２５３.７ｎｍに集中しているので、簡単なフィルタなどを併用して、２５３.７ｎｍ放射の標準にすることができます。放射照度のレベルはＧＬ１５が１ｍの距離で３０μＷ・ｃｍ-2程度です。この目盛り付けは２、３の研究機関で行っています。

光学材料
紫外線（ＵＶ）領域では一般に光学材料の吸収が増加するために透過、反射面に使う光学材料の種類が限定されます。特に波長２５０ｎｍ以下では透過面としては合成石英、ＣａＦ2，ＬｉＦ、ＢａＦ2などが使用できるだけです。また、拡散反射の材料もＢａＳＯ4，ＬｉＦ，Ｈａｌｏｎ（テフロン）粉末の圧着面などに限られます。鏡面としてはＡｌ蒸着面が使用できます。

測定時の迷光の見積もりと処理
紫外線（ＵＶ）領域で使用する放射源は多くの場合、可視領域、赤外領域にも放射成分があり、その強度がＵＶ領域の成分よりも大きいことが多いです（例えばＺｅランプ、Ｈｇランプ）。放射のセンサーも紫外線（ＵＶ）領域以外の波長領域で大きな応答を持つものが多くあります（シリコンフォトダイオードなど）。また、分光分布測定の基本となる標準放射は、ハロゲン電球ですが、その放射の大部分は可視および赤外放射で、紫外線（ＵＶ）領域の放射は微弱です。このような光源とセンサーの組み合わせで測定を行うと、長波長側の遮断をかなり厳重に行っても、測定するＵＶの中にある程度の長波長成分が迷光として混入することは避けられません。そのため、迷光の見積もりと除去の方法を検討しなければなりません。

蛍光の発生、材料の劣化
紫外線（ＵＶ）領域で使用する光学材料には、紫外線（ＵＶ）によって蛍光を発するものがかなりあり、特にシャープカット色ガラスフィルタの中には強い蛍光を発生するものがあります。このようなものをセンサーの窓として用いたりすると、蛍光によって誤応答が生ずることになります。また、強い紫外線（ＵＶ）が当たると、石英やガラスなどの表面が損なわれて失透する（不透明になる）ことがあります。フィルタ（特に干渉フィルタや有機材料によるフィルタ）なども経時変化することがあります。アルミ蒸着面も、表面が白くなるヤケ現象が起こって反射率が低下することがあるので、測定の前後のチェックが必要になります。この劣化の現象は短波長の放射ほど激しくなります。

機器の効率
波長２５０ｎｍ以下になると、光学材料の種類が限定される上に、その透過率、反射率が低下するので、複数の反射面、透過面で構成したモノクロメーターなどの分光機器の効率は、可視領域などに比べてかなり低下します。これに放射源の出力の低さ、センサーの応答の低さが積算されるので、紫外線（ＵＶ）領域の放射測定は結果的に微弱レベルとなることが多く、信号の雑音対策が必要になります。

紫外線（ＵＶ）の測定は基本的には可視放射の測定と同じ考え方でよいのですが、紫外線（ＵＶ）が波長の短い電磁波であるために使用する機材などに制約が加わります。紫外線（ＵＶ）の波長範囲は一般に波長１００～４００ｎｍとされていますが、最近これをＵＶ-Ａ、ＵＶ-Ｂ、ＵＶ-Ｃに区分することが多いようです。ＣＩＥ（国際照明委員会）ではＵＶ-Ａを３１５～４００ｎｍ、ＵＶ-Ｂを２８０～３１５ｎｍ、ＵＶ-Ｃを１００～２８０ｎｍに区分していますが、これ以外の波長区分も用いられているので、ＵＶ-Ａ，Ｂ，Ｃのような表記をするときには波長範囲の併記が必要になります。波長が２００ｎｍ以下になると空気による吸収（主として酸素による）が大きくなり、応用の範囲は限定されます。ＵＶの定量的な測定が国家的な統一基準に基づいて確実に行えるのは、公的機関などから供給される標準放射源に値がつけられている、２５０ｎｍ以上の波長領域です。一般的な紫外線（ＵＶ）領域の応用での放射の物理量は、放射束の単位面積当たり入射量である放射照度（単位：Ｗ・ｍ-2）あるいは、その波長的な密度である分光放射照度（単位：Ｗ・ｍ-2・ｎｍ-1）か、それらの時間的な積分量です。
紫外線（ＵＶ）の量を定量的に求める具体的な手段としては、もし対象とする反応の分光応答度Ｓ（λ）（作用スペクトル）がわかっていれば、その反応特性に近似した分光応答特性をもつ受光センサーを、光電検出素子や光学フィルタなどで構成して、可視領域での照度計に相当する測定器を作ることができます。しかし、紫外領域での反応の種類は多種多様で、可視領域での標準分光視感効率Ｖ（λ）のように代表的なものが規定されているわけではなく、多種類の反応に対してそれぞれ個別に測定器が必要になるため、測定器の種類が膨大なものになります。そのため、分光測定で放射源の分光分布Ｅ（λ）を求めて、それぞれの応用についての、Ｓ（λ）に対する波長的な重積を計算で求める方法がＵＶ測定として現実的です。（分光測定による色の評価と同じ操作を行うことです。）