1

極地研光学校正システムに関する論文原稿（投稿時）の日本語版（2020 年 5 月 8 日 最終更新）

23

国立極地研究所におけるオーロラ・大気光観測装置用較正システム

4（NIPR optical calibration system for aurora and airglow observations）

5
6

小川泰信 1,2,3, 門倉昭 1,2,3, 江尻省 1,2781

国立極地研究所

92

総合研究大学院大学

10

3

データサイエンス共同利用基盤施設 - 情報・システム研究機構

11
12
13

要旨

14

オーロラや大気光の絶対強度を測定するため、光学機器の較正は重要である。国立極地研究所

15（以下、極地研）は 3 つの較正用装置を有しており、それらを国内研究者への共同利用に供して16きている。本論文では、それらの較正装置の概要と精度、較正の流れと結果の例を紹介する。本17システムでは、400 nm から 1050 nm までの波長域では、約 2%の精度で絶対発光強度の較正デー

18

タ取得が可能である。また、観測で用いる光学フィルターや検出器の波長特性に応じた光学較正

19が可能である。2012 年 3 月に積分球システムを更新して以降、多くの光学観測研究者に利用さ

20

れている。

21
22
23

1.

背景

24
25

古くから研究対象とされているオーロラや大気光の発光は微弱であり、それを観測する装置の26

感度の把握は重要である。特に、観測波長のモノクロ化や、各種レンズ、広い波長幅などの、観27測の高度化に対応して、装置の較正施設が必要である。古くは標準光源や星を用いた絶対発光強28度の較正（Brändström et al., 2012）、デジタルカメラの波長特性（Sigernes et al., 2008; Sigernes et29al., 2009）、最近では UNIS に 1m 積分球が導入されて感度較正が行われている（Sigernes et al.,

30

2014）
。

31

極地研では 1997 年から積分球を用いた較正設備を揃え、共同利用を行ってきている（e.g., Okano

32

et al., 1998; Shiokawa et al., 2000; Yamamoto et al., 2002）。2009 年には研究所の移転（板橋から立33川）に伴う光学校正室の環境整備を行った。その後 2012 年 3 月には積分球システムを新規更新

34した。この校正室の現状や較正可能な内容、較正作業方法をこの論文で紹介する。これらの情報

35

は、http://polaris.nipr.ac.jp/~uap/IntegrationSphere/ のウェブページに公開してきている。

36
37

38

2.

極地研の光学校正施設内の装置

3940

極地研の光学校正施設では、3 つの独立なシステムを組み合わせて用いている。それらの外観を

41

Figure 1 に示す。Figure 1(a)の積分球システムは、絶対発光強度を測定するために用いる。Figure421(b)の分光器システムは、装置全体の波長特性を調べるために用いる。Figure 1(c)の分光光度計

43

は、装置で利用するフィルターの波長特性を調べるために用いる。これらの 3 つの主要装置を組

44

み合わせ用いることで、現場で得られたデータの定量的な解析が可能となる。それぞれのシステ

45

ムについて 3-1 から 3-3 で説明する。極地研の校正室は、気温 23 度、湿度 50%に保たれている。

46

入室時にはエアシャワーを通ることで、できる限りクリーンな室内を保っている。

47
48
49

2-1 積分球（LMS-760)標準光源システム

50
51

極地研では、旧式の積分球（OL462-80A integration sphere system）に代わる、新しい積分球シス

52

テム（Figure 1(a)）を 2012 年 3 月に導入した。新しい Labsphere 社の積分球は、環境的および光53

学的に安定であり、紫外線から赤外線までの広い波長域で高い拡散反射率を得られる。これに、

54

ランプと分光器を取り付けるとともに、48cm の穴を開けて光学観測装置を挿入できるように加55工している。その仕様を Table 1 に示す。

56

このシステム内のランプと積分球で作られた均一光を、観測装置で受光する。どのようなスペク

57

トル分布をした光を受光しているかを、分光放射輝度計で測定可能である。それにより、オーロ

58

ラや大気光などの微弱な光をとらえる装置の画像センサ（CCD など）の感度較正に利用する。

59

大きなレンズ（最大 30cm）を持つ機器も入れられるように、開口部を 48cm に設計してある。

60

この開口部で均一な光を作るには、このような 2m 程度の直径が必要になる。

61

Figure 2 に機器構成図（光源、光源コントローラ、分光放射輝度計、制御・記録部（PC））を示62す。全天イメージャーや、デジタルカメラ、フォトメータなどを、積分球の開口部から入れて、

63

感度特性を測定する。このシステムの有する特殊な機能として、（１）輝度設定のフィードバッ

64

ク機構、
（２）分光放射輝度スペクトルが測定出来ること、（３）全天イメージャーの較正が可能、65が挙げられる。

66

全天イメージャーで積分球内部を撮像した例が Figure 3 である。内部の画像には、積分球の継67

ぎ目と左側に影ができる。影の理由は、ハロゲンランプとカメラ挿入ポートの位置関係によると68考えられる。その積分球内の中央に来る光の輝度値が左右の角度にどのように依存するかをま69とめた結果が Figure 4 である（大塚電子による測定）。積分球内の中央にミラーを置き、左右に70

角度を変えた測定結果を示す。角度 0 度の値を１として規格化している。積分球としての影の部

71

分は、-90°から-140°において 6%~8%程度、輝度値が低くなる。また、90 度以上の箇所（右側）72にはハロゲンランプが付いている影響で若干輝度値が高い（2%以内）。この測定の結果、±8%の73範囲内で、ほぼ均一な光であることを実証。2012 年 3 月の導入時の測定結果も同様であり、経74

年変化は非常に小さい。もし魚眼レンズで輝度の分布が気になる場合、積分球の中央まで伸ばし

75て置けば、±90 度の範囲になり、影の影響を大幅に減らすことも可能である。影の影響に関して、76

較正する装置の光学系の周辺減光の方が、影響が大きい。具体的には、ワテック製小型イメージ77

ャーとフジノン製バリカル魚眼レンズの構成では、周辺減光が約 20%ある（Ogawa et al., Figure

78

4(b)を参照）。

79

ほぼ毎年実施してきている分光放射輝度計 MCPD-9800 の絶対値較正の結果を Figure 5 と Figure806 に示す。Figure 5 の実線が MCPD-9800 で測定した分光輝度分布、点線は National Institute of81

Standards (NIST)で較正された分光器 HS-1000 による分光輝度分布である。共に、30 μW/m2 /sr/nm

82

at 630nm wavelength の値である。ここで、波長 λ [nm]のときの、ワット値 [μW/m2/sr/nm] からレ

83

イリー値 [R/nm] への放射強度単位の変換は以下の式で書ける。

84

I [ R / nm] 85

410 25  I [ W / m 2 / str / nm]   [nm]hc(1)

 6.326  I [ W / m / str / nm]   [nm]
2

86
87

ここで、h はプランク定数、c は光速である。基本的に、ハロゲンランプの放射強度は長波長側88で大きくなる。MCPD-9800 と HS-1000 で測定した分光輝度分布の両者の差（(MCPD-HS)/HS）

89

をプロットしたのが、Figure 6 である。2014-2020 年には、波長 430-1000nm の範囲では両者の違

90

いが約 0.2%の精度で合うように、MCPD-9800 の出力が毎年較正されている。短波長側について

91

は、400nm で約 2%、360nm で約 5%、340nm で約 15%の結果のずれが毎回生じている。700nm

92以上の長波長側では、年ごとの発光強度に違いが見られる（Figure 5 参照）が、MCPD-9800 分光

93

器の較正は毎年正しく行われていることが分かる。ただし、長波長側の 1050-1100 nm の波長で94は、2014 年以降に約 3%の結果のずれが生じている。このことから、約 2%の精度で較正可能な95

波長範囲は、400 nm から 1050 nm までと言える。

96

この積分球システムの繰り返し再現性の精度を示すため、同じ設定を複数回行った時の各波長97のばらつきを Figure 7 に示す。このグラフは、2019 年 1 月-2020 年 1 月の期間に、波長 630nm

98で放射輝度の目標設定値をそれぞれ 0.01 から 30 μW/m2 /sr/nm に変えたときに得られたデータを99用いている。各設定値でのサンプル数は平均して 13 回である。放射輝度設定値が 1-30100μW/m2/sr/nm の場合、波長 400nm から 1050nm の範囲でのばらつき具合が 0.5%以内となる。一101

方、0.1-0.01μW/m2/sr/nm の場合、ばらつき具合が 1%程度に大きくなる（具体的な数値について

102

は、Table 2 参照）。短波長側では、波長が短くなるにつれて精度が落ちる傾向が顕著であり、1-10330 μW/m2/sr/nm @ 630nm の輝度では波長 340nm で 10% 程度まで精度が落ちる。この値は、HS-

1041000 によって毎年較正される際の輝度精度の範囲内であるといえる。また、2013 年 1 月の時の

105

繰り返し再現性の精度も、ほぼ同じ値であることを確認した。つまり、経年劣化はほとんどして106いないことを意味する。代表的な各オーロラ波長での輝度とその誤差を表 2 にまとめる。

107

108
109

2-2 モノクロメータ（分光器）（DK240）システム 単色光源：

110
111

このシステムは、観測機器の波長特性を測定する目的で使用する。ハイブリッド光源と分光器を112

組み合わせた単色光源と、光源のスペクトルを確認するための分光放射輝度計等で構成されて113いる。ハイブリッド光源（Spectral Products 社製、ASTN-D1-W150）は、30 W の重水素ランプと

114

150 W のタングステンハロゲンランプから成り、紫外域から赤外域までの広い波長域をカバーす115

る。タングステンハロゲンランプは、印加電圧を変えることで輝度を調整することが出来る。分

116

光器（Spectral Products 社製、DK240）は、3 種の回折格子を切り替えることで紫外域から赤外域

117まで広い波長域の光を分光することが出来る。本単色光源システムは、ハイブリッド光源の下流

118にこの分光器を設置することで、単色光を得る。回折格子の切り替えや角度調整は、RS232C で119接続した専用のコントローラを使って操作する。分光器への光の入口と出口にはスリットがあ120

り、コントローラを使ってスリット幅を選択することにより、光量や取り出す光の波長幅を調整121する。分光器と 3 種の回折格子の仕様を表 3 にまとめた。

122

観測機器の波長特性を測定するにあたって、単色光源の波長確度を保証するために、分光放射輝123

度計（コニカミノルタ製、CS-2000A）で、光源（分光器から射出された光）のスペクトルを測定124する。この分光放射輝度計の測定可能な波長域は 380 nm から 780 nm で、波長分解能は 0.9125nm/pixel である。本単色光源システムで較正可能な波長範囲は、分光放射輝度計の仕様に依存す126るため、現在は可視光域に限られる。

127

本単色光源システムの利用する際の装置レイアウトの例を Figure 8 に示す。分光計で単色光源の128

波長をスキャンし、その単色光を観測機器（デジタルカメラ）と分光放射輝度計で同時に測定す129ることで、観測機器の波長特性を調べた。その較正結果の例を Hozumi et al., 2016 の Figure 4 に130示している。拡散板や小型積分球を利用することで光源（分光器から射出された光）の面積を広131げることもできる(Figure 8(b)参照)。拡散板を利用する際には、適当なレンズを使って分光器か

132

らの射出光を拡大する。積分球に単色光を入射させるには、シングルオプティカルファイバーを133

使う(Figure 8(c)参照)。ただし、積分球や拡散板を用いる場合、単位面積当たりの光量が小さくな134ることに注意が必要である。

135
136
137

2-3 分光光度計（U-3300）

138
139

フィルターの透過特性を調べる機器であり、そのスペックを Table 4 に示す。重水素ランプ（紫

140

外域）
、ヨウ素タングステンランプ（可視）を用いており、190-900nm の波長範囲の透過特性を

141

最高 0.3nm の分解能で測定可能である。フィルターへの入射角を変えた測定が可能であり、その142入射角度を変えた透過率は、Ogawa et al., 2020 の Figure 3（428nm, 558nm, 630nm オーロラ発光観

143測用）に示されている。理論的には、以下の式で記述できる。

144
145

λθ = λ0 (1 – (Ne / N*)2 sin2θ)1/2~ λ0 (1 – θ 2 / 2 N*2),

146

(2)

147
148

ここで、θ はフィルターへの光の入射角、λ0 は入射角が 0 のときの波長、Ne はフィルター外部

149の屈折率（1 とする）
、N* はフィルター内部の屈折率（アンドーバ製のフィルターでは、~2.05

150が典型的）である。Katoh et al., 1999 の図 4 に示されているように、フィルターの入射角が変わ151ると、透過率の形状にも変化が生じる。

152
153
154

3.

較正方法

155
156

3-1 較正結果を用いた物理量（発光輝度）への変換方法。

157
158

各装置の検出するカウントは、以下の式で一般的に表せる。

159
160

N   S   I   d t

(3)

161
162

ここで、N は装置の count [cts]、S は装置の感度 [cts/sec/R/pixel]、I は光源の発光強度 [R/nm] =163[106 photon / cm2/sec/nm]、t は露出時間[s]、λ は波長 [nm]である。カウントは単位時間ではなく、

164

露出時間を含めている。ただし、積分球内の明るさとカウントとの関係を簡潔に議論するため、

165

ここでは、装置のダークカレントなどのノイズを考慮しない。装置の感度を理論的には、

166
167

S   

106
A  G    TL   TF  
4

(4)

168
169

と表すことができ、それぞれ A：その他の光学係数、Ω：CCD 1 ピクセルの立体角 [sr] 、G：ゲ

170

イン[%]、η：CCD の量子効率[%]、TL：レンズの透過率、TF：フィルターの透過率である。この

171

式から、
（3）式は

172
173

106
N
A   G TL  I   TF   d t  B  I   TF   d t
4

(5).

174
175

と変形できる。注意点として、η や TL は波長に依存するが、その変化はフィルターの依存性に比176

べて十分に小さいものと仮定できるため、波長によらない変数として B に含めている。

177

557.7nm や 630.0nm の代表的なオーロラは輝線であるのに対し、フィルターはそれより広い波長178幅を持つ。Figure 9 にオーロラの場合と積分球の場合の測定内容の違いを示す。オーロラのカウ

179

ント NA は以下のように表せる（Figure 9(a) 及び Hosokawa et al., 2019 の図 6 を参照）
：

180
181

N A  B TF  A  I A   d t A  B TF  A  I A t A

(6).

182
183

一方、較正室の積分球の場合のカウント NS は以下のようになる（Figure 9(b) を参照）：

184
185

N S  B  I S  TF   d t S

(7)

186
187

(6)式と(7)式より、B を消して IA についてまとめると、

188

IA 

 I   T   d 
SF

TF  A 

tS
NA
NS tA

(8)

189
190

の形で表すことができる。オーロラの発光輝度のみを調べる場合、背景光をオーロラのカウント

191

NA から引く必要がある。これにより、積分球較正から得られる Ns と Is との関係及び、フィルタ

192

ーTF の波長特性を用いて、オーロラのカウント（NA）からソースの輝線発光強度（IA）を定量的193に導くことができる。積分球利用時の露出時間（tS）について、通常は現地観測で用いる露出時

194

間（tA）に合わせた較正実験を行うことが多い。ダークカレントなどの誤差の評価が別途可能な

195

場合には、(8)式のように異なる露出時間のデータの輝度値を導出可能である。

196
197
198

3-2 較正内容のまとめと手順

199
200

これまで述べてきた 3 つのシステムの特徴のまとめを Figure 10 に示す。Figure 10(c)のフィルタ

201

ー特性の測定結果は、Figure 10(a)の積分球システムと Figure 10(b)のモノクロメータシステムの202両方に活用される。積分球内の光は Figure 5 のように連続光のため、較正時のフィルター特性の203

計測値を組み合わせることが、絶対発光強度と装置のカウントとの関係を定量的に把握する上204で特に重要である。また、Figure 10(b)のモノクロメータシステムでは、装置の視野が広い場合、

205

受光面の角度を変えて測定することで、空間分解能の角度依存性を把握可能である。以下に、イ206

メージャーの種類によって異なる光学較正の内容・手順を簡潔にまとめる。

207（１）全天/広視野モノクロカメラの場合、フィルター特性の測定と積分球システムによる絶対208

発光強度較正を行う。Taguchi et al., 2004 の Figure 6 に描かれているような空間分解能の入射角

209

依存性の測定を行う場合には、モノクロメータ（分光器）（DK240）システムを利用する。

210（２）フォトメータ、狭視野モノクロカメラの場合、フィルター特性の測定と積分球システムに211

よる絶対発光強度較正に加え、モノクロメータ（分光器）（DK240）システムによる装置全体の

212

波長特性の較正は有効である。3-2 にまとめたように、拡散板と小型積分球を利用した 2 通りの

213

測定方法が利用できる（それぞれの方法を Figure 8(b)と Figure 8(c)に記載）。

214（３）カラーデジカメの場合、モノクロメータ（分光器）（DK240）システムによる波長特性の215測定が有効である。狭視野と全天のいずれも Figure 8(a)のような配置で測定し、デジカメ内の216

RGB フィルターの波長特性を把握できる。

217
218
219

4. 較正室の利用状況

220
221

極地研は、大型積分球の共同利用を推進している国内唯一の機関として、光学較正に関する研究

222

設備や基盤整備を行っている。これまでに、地上オーロラ観測研究を推進する国内の主要研究機

223

関（名大、北大、東北大、京大、電通大、高知工大など）に対して、光学較正機器の利用や貸し224出しを通じて継続して貢献している。Table 5 に更新後の積分球システム他を用いて較正された

225

代表的な観測機器を示す。特に、全天・広視野・狭視野カメラ、デジタルカメラ、フォトメータ

226

等の地上観測機器の較正に利用されている。過去 5 年間（2015-2019 年）の年平均では、利用件

227

数 17 件（内、所内 5 件）であり、計 34 名（内、学生 12 名）が利用した。積分球ランプの使用

228

時間は、年平均約 106 時間である。地上観測のみならず、JAXA-ISAS の惑星分光観測衛星「ひ

229

さき」
（SPRINT-A）観測機器フライト品（Yamazaki et al., 2017）の試験に、極地研光学校正室の230

較正システムが利用されている。今後、UNIS、IRF などの北欧の共同研究機関とのクロスキャリ

231

ブレーションを進め、正しく較正された光学データセットの整備や、他機関の機器データの相互232利用の促進に繋げたいと考えている。

233
234
235

5 論文のまとめと今後の課題

236
237

本論文では、極地研が維持・運用する、オーロラ・大気光観測機器を較正する装置の概要とその238

精度、較正の流れと結果の例を紹介した。2012 年 3 月に積分球システムを更新して以降、400 nm

239

から 1050 nm までの波長域では、約 2%の精度で絶対発光強度の較正データを取得可能である。

240

また、モノクロメータ（DK240）システムを用いることで、光学観測機器の波長特性の較正が可241能である。主に日本国内の多くの研究機関の光学観測研究者に利用されており、今後国際的なク242

ロスキャリブレーションを進めることを計画している。

243

改善すべき点は積分球システムの短波長側の輝度であり、現行システムでは明るい状況での較

244

正が制限される。具体的には、Table 2 から分かるように、30μW/m2 /sr/nm @ 630 nm の仕様最大

245

値の利用時でも、427.8 nm では 50

246

ャッターをもっと開放出来るような変更を検討している。積分球の輝度をさらに上げることは、

247

オーロラや大気光のみならず、スプライト観測器の較正にも有用となる。また、挿入ポートの影[kR/nm] の明るさに留まる。その改善のため、光源部のシ

248の問題の解決のために、半球タイプの積分球の導入の検討もしている。さらに、単色光源システ

249

ムに、紫外域や赤外域の分光放射輝度計を導入することで、将来的には較正可能波長域を拡張す250

ることも検討している

251
252
253

謝辞：

254

田口 真 教授（立教大）及び、竹下 秀 博士（東海大）には、光学較正システム全般にわたり、255

様々な助言を頂いたことを感謝する。また、積分球システム更新内容を検討するために、2009 年

256

7 月に開催した校正室集会への参加者及び、更新システムに関するアンケートに回答されたすべ

257ての方々に感謝する。積分球システムの導入と、その定期較正に協力いただいた大塚電子（株）

258に感謝する。

259
260
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319
320
321

imagersystemforstudiesofauroraandairglow,

Polar

Science,322
323

Figure captions:

324
325

Figure 1: 校正室内の較正システムの写真。
（a）積分球システム、（b）モノクロメータ（分光器）

326

システム、
（c）分光光度計

327
328Figure 2: 積分球システムの構成図。積分球とランプ、分光輝度計、制御・記録 PC から構成され

329

る。

330
331

Figure 3: 積分球内を全天イメージャーで撮影した例。

332
333

Figure 4: 積分球内の発光強度の均一性を示すグラフ。積分球中央に鏡を置き、その角度を変え334て計測した結果となる。角度はプラスが（開口部分から見て、向かって）右側の領域を示す。

335
336

Figure 5: National Institute of Standards (NIST)で較正済みの分光器 HS-1000 を用いた比較結果。実337

線が MCPD-9800 で測定した分光輝度分布、点線は分光器 HS-1000 による分光輝度分布を示す。

338

共に 30 μW/m2 /sr/nm at 630nm wavelength の値である。

339
340

Figure 6: 較正済みの分光器 HS-1000 を用いた分光輝度分布と、MCPD-9800 で測定した分光輝度341

分布との差。

342
343

Figure 7: 各波長の計測のばらつき具合を示すグラフ。630nm の発光輝度を 0.01 から 30μW/m2

344/sr/nm まで変化させてプロットしている。

345
346

Figure 8: モノクロメータ（分光器）システムを用いた較正方法。
（a）分光器からの光を直接測定

347

する場合、
（b）拡散板を用いる場合、（c）小型積分球を用いる場合。

348
349

Figure 9: フィルターを通過する発光の模式図。
（a）輝線オーロラの場合、（b）積分球の場合。

350
351

Figure 10: ３つの較正用システムを組み合わせた利用方法。特に、フィルター透過特性を調べた

352

結果（c）を、積分球システムによる絶対発光強度特性（a）や、波長ごとの感度特性（b）に利

353

用する。

354
355
356

357
358

Table 1: Specification of the LMS-760 integrating sphere system
Product name of the

LMS-760 (manufactured by Labsphere Co., Ltd.)

integrating sphere
Size
Inner diameter of2300 mm (W) x 2100 mm (H) x 2400 mm (L)1908 mm

integrating sphere
Coating material of innerSpectraflect (Barium sulfate coating)surface
Diameter of exit port

Introductory part: 600 mm (15 mm depth)
Insertion opening inside: 480 mm (15 mm depth)

In-plane uniformity±5.0% (Solid angle of 2π) （Refer Fig4）

Wavelength Range

330-1100 nm

Spectral Radiance Range

0.01 to 30 μW/m2/sr/nm at 630nm wavelength(50 to 100,000 Rayleigh)Details of each part of the system
Product name: PAN16-10A (manufactured by Kikusui electro Co.,
Lamp

Ltd.)
Lamp type: Halogen tungsten lamp
Dimming accuracy: ±0.05%（30 μW/m2/sr/nm at 630nm
wavelength）
Product name: MCPD-9800 (manufactured by Otsuka electronics

SpectrometerCo., Ltd.)
Wavelength Range: 330-1100nm
Wavelength width per element: 3nm (Wavelength resolution:±0.5nm)A/D converter resolution:16 bit
Measurable brightness range：0.0005-1.2 cd/m2
Product name: S2281-01 (manufactured by Hamamatsu photonics

Monitor light receiving partCo., Ltd.)
Material; Silicon photo diodeSensitive wavelength range: 190-1000 nm

359
360

361
362

Table2: Brightness and error corresponding to the setting of the integrating sphere system. Typical363

wavelengths of aurora emissions are listed.
Wavelength

Brightness in

Its

Brightness in

Its

Calibration error of[nm]

Rayleigh/nm at

repeatability

Rayleigh/nm at

repeatability

the integrating spherethe setting of 0.1

accuracy [%]the setting of 10

accuracy [%]system (measured at

22μW/m /sr/nm @μW/m /sr/nm @30 μW/m2/sr/nm @630 nm

630 nm

630 nm)

427.8

47.81

1.3

4781

0.29

0.36

486.1

112.53

1.0

11253

0.23

0.16

557.7

246.62

0.81

24662

0.22

0.12

630.0

398.12

0.42

39812

0.10

0.18

670.5

485.10

0.73

48510

0.08

0.22

777.4

747.32*0.7174732*

0.07

0.20

844.6

904.23*0.6490423*

0.14

0.20

364

Note *: At wavelengths of above 700 nm, it is desirable to read the measured value of MCPD-9800

365

spectrometer and derive the emission intensity in Rayleigh/nm using Eq. 1.

366
367

368

Table 3: Specifications of the DK240 monochromatic system
Hybrid light source

ASTN-D1-W150 (Spectral Products)
Light sources: 30W deep UV Deuterium lamp
150W Tungsten-Halogen lamp
Wavelength: 180nm–2.6μm.

Monochromator

DK240 (Spectral Products)
Wavelength Drive: Worm and wheel with microprocessor control. Bidirectional.
Design: Czerny-Turner, triple-grating turret
Wavelength range: 180–3000 nm
Maximum Resolution: 0.2 nm with 1200 g/mm grating
Wavelength Accuracy: + 0.3 nm with 1200 g/mm grating
Wavelength Precision: 0.01 nm with 1200 g/mm gratingSlitsstraight entrance and straight exit
Width - 10mm to 3000mm
Height - 2mm to 20mm

Gratings

AG1200-00250-686 (Ruling: 1200 g/mm, Peak: 250 nm (Peak T% =70%), Range: 180–460 nm)
AG1200-00600-686 (1200 g/mm, 600 nm (80%), 400–1500 nm)
AG0600-01600-686 (600 g/mm, 1600 nm (93%), 950–3000 nm)
Focal Length: 240 mm
F/#: 3.9

Details of other parts of the system
Optical diffuser plate

SRT-99-100 (manufactured by Labsphere Co., Ltd.)
Reflection rate: 99% (at wavelengths of 250～2500nm)
Size: 10×10 inch

Mini-integrating sphere

Product name: ISC-080-ST
Diameter: ~20 cm (8 inch)
Port size: ~5 cm (2 inch)

Spectroradiometer

CS-2000A (manufactured by KONICA MINOLTA Co., Ltd.)
Wavelength range: 380–780 nm
Wavelength resolution: 0.9 nm/pixel
Display wavelength bandwidth: 1.0 nm
Wavelength precision: ±0.3 nm (median wavelength: 435.8 nm, 546.1
nm, 643.8 nm Hg-Cd lamp)
Spectral bandwidth: 5 nm or less (half bandwidth)
Measuring angle: 1degree / 0.2 degree / 0.1 degree (selectable)
Accuracy: Luminance (Standard light source A)*1 : ±2%*1: Average of 10 measurements in Normal mode at a temperature

369

370
371

Table 4: Specifications of the U-3300 Spectrophotometer
Product nameU-3300 UV-VIS Spectrophotometer (manufactured by Hitachi Co.,Ltd.)

Kinds of lamps

Deuterium lamp (for ultraviolet range), and iodine tungsten lamp (forvisible light range)

Wavelength scan range

190 ~ 900 nm

Wavelength Accuracy+ 0.3 nm Wavelength Accuracy.
+ 0.05 nm Wavelength Setting Repeatability.

Slit Width

Wavelength Display in Steps of 0.01 nm.
5, 4, 2, 1, 0.5, 0.1 nm Slit Width Display.

Wavelength Drive Speed

Wavelength Drive Speed: 0.3, 3, 15, 30, 60, 120, 300, 600, 1200, 1800
nm/minSample Compartment

120(W) x 300(D) x 140(H) mm
Dimensions 100 mm distance between the reference light beam and thesample light beam

372
373

374
375

Table 5: Representative instruments calibrated using the NIPR calibration systems
Instrument names
Narrow-FOV and all-sky high-speed EMCCD

Main institute(s) with the instrument (and its
reference(s))
NIPR, etc. (e.g., Kataoka et al., 2015)

imagers
Multi-wavelength Watec imagers

NIPR, etc. (Ogawa et al., 2020)

Optical Mesosphere Thermosphere Imagers

ISEE, Nagoya University (Shiokawa et al.,(OMTI)

1999; Shiokawa et al., 2017)

Multi-wavelength photometers for auroras

ISEE, Nagoya University (Nozawa et al., 2018)

All-sky high-speed monochromatic EMCCD
imagers
All-sky monochromatic EMCCD imagers

ISEE, Nagoya University, the University ofElectro-Communications, NIPR, etc. (Oyama etal., 2018)
Kyoto University and the University of ElectroCommunications (e.g., Taguchi et al., 2012)

Imagers/cameras onboard sounding rockets

Tohoku University, etc.

Imagers/cameras onboard the International

Kyoto University, etc. (Hozumi et al., 2016)

Space Station (ISS)
Extreme ultraviolet spectroscope (EXCEED)
onboard the HISAKI (SPRINT-A) satellite
376
377

JAXA-ISAS, etc. (Yamazaki et al., 2017)

Fig 1

(a)

(c)
(b)

Fig 2USB

Lamp slit
controller

Control PC
USB

Lamp
Unit
480mm
1908mmAn imager tobe calibrated
300mm

MCPD9800
Photo-sensor
Amp

600mm

Fig 3

-180
deg

0 deg

180
deg

Fig 4

Uniformity inside the integrating sphere

Radiance (arbitrary unit)

1.05

1
0.95
0.9
201611182012 03

0.85
0.8
0.75
0.7
-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

[degree]

20

40

60

80

100

120

Fig 5Spectral Radiance70
20200303
20200303
2018110920181109
20170714
20170714
20160422
20160422
20150223
20150223
20140416
20140416

Radiance [μW/m2/str/nm]

60

50

40

30

20

10

0
330

380

430

480

530

580

630

680

730

780

Wavelength [nm]

830

880

930

980 1030 1080

Fig 6
Difference of Spectral Radiance（MCPD-9800-HS1000) / HS1000 [%]

10.0
8.0
6.0
4.0

2.0
0.0

20200303-2.0

20181109-4.0

20170714-6.0

20160422-8.0

20150223
20140416

-10.0
330

380

430

480

530

580

630

680

730

780

Wavelength [nm]

830

880

930

980 1030 1080

Fig 7

10
1000

STD/AVE [%]

1
100

0.1
10

0.01 μW/m2/str/nm @ 630nm
0.1
1
10
30

0.011

0.1
0.001

0.01
0.0001330 380 430 480 530 580 630 680 730 780 830 880 930 980 1030 1080

Wavelength [nm]

Monochrometor

Fig 8

(a)

Light source

CS-2000A

ASBN-D1W150-H-M

Optical Instrument(Digital camera, etc.)

DK240
Monochrometor

CS-2000A
Opticaldiffuser plate(b)Light source

Optical instrument(Photometer, narrow
FoV imager, etc.)

ASBN-D1W150-H-M
DK240
Monochrometor(c)

Optical instrument(Photometer, narrow
FoV imager, etc.)
Optical fiberLight source

CS-2000A
Integrating
sphereASBN-D1W150-H-M
DK240

100

100

TF [%]

557.7

λ[nm]

TF [%](b)
IA [R/nm](a)

IS [R/nm]

Fig 9

557.7

λ[nm]

Fig 10(a) The LMS-760 integrating sphere system(c) The U-3300 Spectrophotometerθ = 10°θ = 0°TF

Measuring at absolute light emission intensities
to quantitatively understand the relationshipbetween counts of each optical instrument (Ns)and absolute light emission intensities (Is).

λ[nm]

557.7

Measurement of filter transmission
characteristics (half width at half maximum(HWHM), center wavelength,
angle dependence, etc.).
T (λ,θ)N S  B I S  TF   d t S

F(b) The DK240 monochromatic light source systemN      I   TL  ,  ‘ TF  ,   d t
Measurement of wavelength sensitivity
characteristics of each optical instrument. When the field of view of the
instruments is wide enough, angle dependence of the spatial resolution is
also obtained by changing the angle of the light receiving surface.