第40期“见微知著”培训课程：光谱仪及光谱成像
2022-02-07 20:34:49   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

光谱仪及光谱成像产业链的朋友们，近期传播性极强的Omicron变异毒株在国内多地散发，严重阻碍大家异地出差参加各种活动。因此，3月25日-27日即将开始的“光谱仪及光谱成像”培训课程线下举办也受到了影响。为了保障大家安全，并让疫情不影响学习，我们特地将线下培训转为线上培训，并可以与老师交流、答疑，在春暖花开之时奉上丰富的知识盛宴。

主办单位：麦姆斯咨询

协办单位：上海传感信息科技有限公司

一、课程简介

光谱仪（Spectrometer）是一种用于分离和测量光谱成分的科学仪器。它在物理学、天文学和化学的早期研究中发展起来，并在测定化学成分方面展现出强大的能力。利用光谱仪进行光谱分析是人类借助光认知世界的重要方式之一。地球上不同的化学元素及其化合物都有自己独特的光谱特征，光谱因此被视为辨别物质的“指纹”。如果说人眼能看到物质的形状、尺寸、颜色等外表信息，光谱分析则能获取物质的成分信息，帮助我们看清事物的本质。光谱仪应用领域包括食品和药品安全、生化分析、环境监测、照明检测、疾病诊断等，关乎我们生活的方方面面。

典型的色散型光谱仪工作原理

根据分光原理，光谱仪主要分为：色散型、滤光型、干涉型（傅里叶变换型）。随着计算技术的发展，在过去的十年中，出现了一种新兴的光谱仪类型——计算重建型，其通过计算来近似或“重建”入射光的光谱信息。在科研领域，计算重建技术已成为最具发展前景的热点方向，研究人员相继提出了一系列计算重建型光谱仪，例如量子点光谱仪、超表面光谱仪、纳米线光谱仪、纳米梁光谱仪等。此外，计算重建技术与纳米光电器件的结合也为高速（≥100kHz）高光谱成像提供了全新思路。

四种类型的光谱仪微型化之路（来源：Science, DOI: 10.1126/science.abe0722）

传统的台式实验室光谱仪可以提供无与伦比的超精细分辨率和宽光谱范围，但是其结构复杂、体积庞大。近些年，由于光谱分析的应用空间快速增长，便携式及集成式光谱仪对减小尺寸、降低成本及功耗的需求优先于对提高性能的需求，因此光谱仪的微型化引起了广泛关注。微型光谱仪的发展主要依赖于微纳制造技术的进步和计算能力的提升。在微纳制造技术方面，MEMS使得复杂的微型色散器件、滤光器件和傅里叶变换系统的制造成为可能；在计算能力方面，压缩感知和深度学习等数学工具的发展为微型光谱仪的改进注入了新活力。

微型光谱仪发展历程中的重要突破（来源：Science, DOI: 10.1126/science.abe0722）

与光谱仪相比，光谱成像能够获得涉及空间（x, y）和光谱（λ）信息的三维数据立方体，其空间分辨能力也使光谱数据更加直观。在某些应用中，空间分布信息可能比高光谱分辨率更重要，例如地质调查、农作物病害评估、人脸识别等。微型光谱仪及光谱成像的应用潜力巨大，随着核心技术日益成熟、制造成本不断下降，有望在智能手机、平板电脑、可穿戴设备、智能家电、无人机、机器人等众多应用中“发扬光大”，为广阔的消费电子领域开辟新的“视界”。

普通相机 vs. 光谱仪 vs. 光谱成像（来源：Unispectral）

鉴于此，麦姆斯咨询邀请拥有丰富实践经验的科研学者及企业家，为大家传授光谱仪及光谱成像知识及技术经验。本次课程内容包括：（1）光谱仪技术综述；（2）基于光学纳米天线的滤光型光谱仪；（3）MEMS可调谐滤光器及光谱成像；（4）光栅色散型光谱仪；（5）Fabry-Pérot干涉型光谱仪；（6）量子点光谱探测及成像技术；（7）基于MEMS微镜的光谱仪；（8）MEMS微型化高光谱成像技术；（9）光谱传感与成像芯片技术及应用；（10）光谱仪微型化发展之路。

二、培训对象

本课程主要面向光谱仪及光谱成像产业链上下游企业的技术人员和管理人员，以及高校师生，同时也欢迎其他希望了解光谱仪的非技术背景人员参加，如销售和市场人员、投融资机构人员、政府管理人员等。

三、培训时间

2022年3月25日~3月27日

授课结束后，为学员颁发麦姆斯咨询的结业证书。

四、培训方式

线上直播课程和答疑

五、课程内容

课程一：光谱仪技术综述

老师：上海巨哥科技股份有限公司 总经理 沈憧棐

光谱分析是基于物质与辐射能作用时，测量由物质内部发生量子化能级之间的跃迁而产生的发射、吸收或散射辐射的波长和强度，以此来鉴别物质及确定它的化学组成和相对含量的方法。根据波长区域不同，光谱可分为红外光谱、可见光谱和紫外光谱等。其中，近红外光谱分析是20世纪90年代以来发展最快、最引人注目的物质检测方法。光谱仪是进行光谱分析的主要设备，了解其工作原理及技术路线是本次培训课程的必要前提。

课程提纲：
（1）分子能级与近红外光谱；
（2）近红外光谱仪原理及技术路线；
（3）近红外光谱仪核心元器件及附加组件；
（4）近红外光谱特征选择与提取；
（5）光谱仪性能指标评价；
（6）化学计量学算法与建模；
（7）光谱技术应用案例；
（8）近红外光谱大数据云分析。

课程二：基于光学纳米天线的滤光型光谱仪

老师：华中科技大学 副教授 易飞

超构表面（或称为超表面）是由具有特殊电磁属性的人工原子按照一定的排列方式组成的二维平面结构（例如光学纳米天线），可实现对入射光的振幅、相位、偏振等参数的灵活调控，具有强大的光场操控能力。利用光学纳米天线调控红外探测器像元的光谱响应，能够实现多光谱窄带探测的技术路线，可应用于多种气体传感领域，以摆脱对分立窄带滤光片的依赖。本课程将从微纳光学的基本概念和原理出发，再逐步深入讲解光学纳米天线设计与制造及光谱仪应用。

课程提纲：
（1）微纳光学理论概述；
（2）光谱仪概述；
（3）超构材料概念、分类及电磁参量调控；
（4）超构表面光谱调控技术；
（5）光学纳米天线设计与制造；
（6）基于光学纳米天线的多光谱窄带探测器；
（7）基于超构表面的滤光型光谱仪案例；
（8）光学天线与超构表面的未来展望。

课程三：MEMS可调谐滤光器及光谱成像

老师：优尼科（青岛）微电子有限公司 副总经理 丁大海

优尼科（Unispectral）MEMS可调谐滤光器通过调制电压来控制法珀（F-P）腔间隙大小，从而分离得到特定波长的光谱。该滤光器可将低成本的红外摄像头变成700~950nm光谱相机，环境适应性强，拥有完善的闭环回路补偿系统，适用于人脸识别、智能手机、智能驾驶等大众市场。本课程主要针对消费级光谱成像技术，讲解核心滤光器及光谱成像模组。

课程提纲：
（1）消费级光谱成像技术概述；
（2）MEMS可调谐滤光器工作原理、实现方案及技术指标；
（3）基于MEMS可调谐滤光器的光谱成像模组设计；
（4）MEMS可调谐滤光器误差分析与标定；
（5）MEMS光谱相机应用案例展示。

课程四：光栅色散型光谱仪

老师：西北工业大学 教授 虞益挺

色散型光谱仪一般由一个或多个衍射光栅、一段光程以及一个探测器阵列组成。光通过入射狭缝被准直照射在衍射光栅上，衍射光栅将光谱分散到不同的方向，最后凹面镜将分散的光聚焦到探测器阵列上得到光谱分布。这种光谱仪拥有超高分辨率、宽光谱范围和成熟的技术路线。通过缩短光程、简化光路、利用微纳制造技术减小元件尺寸等方法都能实现光谱仪的微型化。本课程主要讲解硅基微纳光栅设计与加工及光谱仪应用。

课程提纲：
（1）衍射光栅（反射/透射光栅）分光原理；
（2）硅基微纳光栅：设计与加工；
（3）基于硅基微纳光栅的微型光谱仪及其应用。

课程五：Fabry-Pérot干涉型光谱仪

老师：西北工业大学 教授 虞益挺

传统的分光元件是限制光谱仪微型化的重要因素。基于微纳制造技术的法珀（F-P）分光器件为微型化、低成本和定制化的光谱仪提供了新的解决途径。近三十年来，针对实用化F-P分光器件的研究已取得长足的进展，但在芯片制造、器件性能和系统集成方面仍面临诸多要攻克的难题。本课程针对F-P分光器件工作原理、制造方法及微型光谱仪应用进行详解。

课程提纲：
（1）法布里-珀罗（Fabry-Pérot，F-P）干涉仪分光原理；
（2）F-P全固态分光器件及其制造方法；
（3）基于F-P全固态分光器件的微型光谱仪；
（4）F-P动态分光器件及其制造方法；
（5）基于F-P动态分光器件的微型光谱仪；
（6）基于F-P干涉技术的微型光谱仪典型应用。

课程六：量子点光谱探测及成像技术

老师：北京理工大学 教授 唐鑫

量子点（Quantum Dot）也称纳米晶，其半径接近或小于激子波尔半径，是近年来发展起来的一种“准零维”半导体纳米材料。2015年，美国科学家首次利用量子点材料的吸收特性制作完成的量子点微型光谱仪，具有高光谱分辨率、高能量利用率、体积小和成本低等优势。本课程深入讲解胶体量子点探测器核心技术及其在高光谱探测及成像方面的应用。

课程提纲：
（1）胶体量子点基本性质及应用简介；
（2）胶体量子点探测器结构及加工方法；
（3）单、双波段及多波段胶体量子点探测技术；
（4）胶体量子点高光谱探测技术；
（5）红外胶体量子点焦平面制备及成像技术；
（6）从近红外到长波红外：胶体量子点成像技术展望。

课程七：基于MEMS微镜的光谱仪

老师：西北工业大学 教授 乔大勇

干涉型光谱仪的主要代表是傅里叶变换光谱仪，其通过测量干涉图并对干涉图进行傅里叶变换来获得物体的光谱信息。傅里叶变换光谱仪的光通量大、光谱分辨率高，在弱辐射探测方面优势明显。但由于该仪器系统设计中存在动镜——它依靠步进电机和其他精密机械系统驱动，所以光谱仪的可靠性和便携性受到限制，特别是对仪器的使用和放置环境有严格要求。本课程介绍利用MEMS微镜来替代动镜的方法，从而实现傅里叶变换光谱仪的微型化。

课程提纲：
（1）MEMS微镜概述：定义、分类、基本结构、驱动原理；
（2）典型MEMS微镜设计与制造；
（3）MEMS微镜产业链及主要供应商；
（4）MEMS微镜在傅里叶变换光谱仪中的应用。

课程八：MEMS微型化高光谱成像技术

老师：深圳市海谱纳米光学科技有限公司 合伙人、研发总监 任哲

海谱纳米光学通过MEMS制造技术实现了基于法珀（F-P）腔工作原理的宽光谱覆盖的窄带滤光芯片，并将其应用于2D快照式高光谱成像，以拓展光谱成像技术的民用领域。MEMS法珀腔的调谐速度快，可达到亚毫秒乃至微秒量级，能够实现大规模生产，是一种极具竞争力的分光器件选择。本课程从光谱成像原理出发，重点讲解基于MEMS法珀腔的高光谱成像技术。

课程提纲：
（1）光谱成像原理、光谱仪和高光谱相机；
（2）基于MEMS技术的多种分光器件解决方案；
（3）MEMS法珀（F-P）腔工作原理及优劣势分析；
（4）基于MEMS法珀（F-P）腔的高光谱相机；
（5）微型化高光谱成像技术的应用和展望。

课程九：光谱传感与成像芯片技术及应用

老师：北京与光科技有限公司 研发副总裁 曾维蒸

与光科技（Seetrum）的技术来源于清华大学科研成果转化，其创新性快照式CMOS超光谱成像芯片将“超像素（Superpixels）”阵列集成于一颗CMOS图像传感器，每个“超像素”相当于一个微型光谱仪，都具有独立的光谱分析功能，一次拍照即可获得一幅完整的光谱图像。这种光谱成像芯片可以利用成熟的半导体制造工艺，是一种可量产的硅基微型光谱成像方案，具有精度高、成本低、可量产的优点。本课程从光谱检测技术出发，重点讲解光谱芯片及其应用方案。

课程提纲：
（1）光谱检测技术现状；
（2）光谱芯片市场和发展；
（3）光谱芯片应用探索；
（4）基于CMOS的光谱传感与成像芯片方案；
（5）光谱芯片与AIoT技术融合。

课程十：光谱仪微型化发展之路

老师：浙江大学 研究员 杨宗银

过去十年，微型光谱仪的发展与时俱进，主流智能手机厂商的专利申请情况表明：光谱传感及成像技术有望近期落地手机应用。这也吸引了光电行业及投资方的高度关注。为了满足智能手机、智能眼镜等消费类电子设备对小尺寸、低成本和低功耗的严苛需求，光谱仪的微型化迫在眉睫。本课程详解四大类（色散型、滤光型、干涉型、计算重建型）光谱仪的微型化方法，系统地展示微型光谱仪的发展历程。

课程提纲：
（1）光谱仪微型化的意义；
（2）色散型光谱仪微型化方法；
（3）滤光型光谱仪微型化方法；
（4）干涉型光谱仪微型化方法；
（5）计算重建型光谱仪微型化方法；
（6）微型光谱仪发展历程；
（7）微型光谱仪应用前景。

六、师资介绍

沈憧棐，麦姆斯咨询2019年度“杰出讲师”、2020年度“最受欢迎讲师”，博士，上海巨哥科技股份有限公司总经理。他1989年考入清华大学物理系，1996年赴美留学就读于普林斯顿大学电子工程系，并于2001年获得博士学位后留美工作。2008年回国创办上海巨哥电子科技有限公司，致力于推动红外热成像技术的民用化，在红外成像精确测温、低成本红外探测器、近红外光谱仪等方向上具有众多前瞻性的研发成果和丰富的行业应用经验。

易飞，麦姆斯咨询2020年度“优秀讲师”，博士，华中科技大学光电信息学院副教授。主要从事人工光学微结构及其相关器件的研究，如下一代红外探测器与新型传感器芯片、面向微波光子学与片上高速光互联的光子集成芯片等。他于2011年获得美国芝加哥西北大学电子工程与计算机科学系博士学位，曾作为访问学者工作于新加坡科技局数据存储研究中心，后于美国费城宾夕法尼亚大学材料科学与工程学系从事博士后研究。他先后主持国家自然科学基金青年项目“面向气体传感的多波长窄带红外探测器研究”、深圳市科技创新委员会基础研究项目“像元级集成光学信息处理功能的高性能红外探测器芯片研究”，目前正在主持国家自然科学基金面上项目“超表面双色偏振热探测器研究”，并多次参与过美国自然科学基金（NSF）和美国国防部高等研究项目局（DARPA）的研究项目。迄今发表SCI收录论文37篇；其中高影响力论文5篇；美国授权专利4项；中国授权发明专利8项；出版专著章节1章；发表会议论文28篇，在CLEO、OFC、SPIE Photonics West等国际光学会议上做口头报告19次，其中邀请报告1次。

丁大海，优尼科（青岛）微电子有限公司副总经理。他曾担任意法半导体（STMicroelectronics）智能卡芯片高级应用工程师；摩托罗拉（Motorola）软件架构师、产品总监；海信宽带网络事业部副部长；小优智能科技联合创始人、副总经理；海尔超前研发服务机器人项目总监。他拥有20多年消费电子行业产品设计、研发及市场经验，尤其对MEMS微镜、MEMS光谱成像芯片等光学器件的工作原理、工程实现及应用场景有深入研究。此外，他还在新技术、新器件的上市流程及生态搭建方面拥有丰富的实践经验。目前，他在优尼科（Unispectral）负责MEMS光谱成像芯片的产业化与市场推广工作。

虞益挺，博士，西北工业大学机电学院教授、博士生导师，兼任西北工业大学宁波研究院智能传感芯片技术研究中心负责人，国防173首席、优秀青年科学基金获得者、全国百篇优博论文获得者、洪堡学者、教育部新世纪优秀人才，中国光学工程学会理事、中国微纳米技术学会微纳执行器与微系统分会理事、中国机械工程学会机械科技信息分会委员，科技部、基金委、军科委等项目通讯/会议评审专家。主要从事微纳光学成像技术研究，面向遥感遥测、医疗诊断、智慧城市、军事国防等应用领域研制高性能、低成本、超紧凑的核心微纳光功能芯片，进而推动相关仪器或装备的微型化、集成化、智能化与低成本化。他先后主持国家自然科学基金优青及面上项目、军科委基础加强重大项目及创新特区项目、装备预研航天科技联合基金、中航产学研专项、航空科学基金等课题10余项。至今，他在AOM、OEA、Nanoscale、Opt Express、Opt Lett、中国光学、光学精密工程等国内外重要学术期刊发表论文90余篇，第一/通讯作者SCI论文47篇（其中1区/2区Top期刊22篇），获授权中国发明专利17项。他合作出版了工信部“十四五”规划教材《微机电系统》（第2版）。

唐鑫，博士，北京理工大学光电学院教授，博士生导师，曾入选国家海外高层次人才引进计划青年项目、中国科协青年人才托举工程等。他于2017年博士毕业于香港城市大学，2020年在美国芝加哥大学完成博后研究工作。他曾主持多项省部级以上项目，包括国家重点研发计划青年科学家项目、国家自然科学基金重点项目、军科委重点基金及重大装备基础研究等。他长期从事新型胶体量子点红外探测器及焦平面阵列的研究及系统开发工作，波段涵盖短波、中波以及长波等多个重要红外大气窗口。围绕胶体量子点的新型光电器件构筑、焦平面制备以及多光谱红外成像等难题，进行了全面探索并取得了一系列突破性研究成果。相关成果以第一作者/通讯作者发表于Nature Photonics、Advanced Materials、ACS Nano等期刊上。他目前担任Coatings期刊客座编辑及Nature Photonics等期刊审稿人。

乔大勇，连续四年获得麦姆斯咨询“最受欢迎老师”，博士，长江学者特聘教授，西北工业大学博士生导师、教授。他是微机电系统（MEMS）领域资深专家，先后主持包括国家自然科学基金和国家重点研发计划在内的科研项目14项，主要研究方向为微光机电系统（MOEMS）和微纳制造工艺。他出版国家级规划教材《微机电系统》一部，出版国家学术著作出版基金资助专著《微机电系统（MEMS）制造技术》一部。

任哲，博士，深圳市海外高层次人才（孔雀人才），深圳市海谱纳米光学科技有限公司合伙人、研发总监。他主要从事光谱技术和算法研究、应用推广及各类光谱仪、高光谱相机设计开发等工作。他于2018年获得美国匹兹堡大学光谱专业博士学位，2019年认定为深圳市海外高层次人才（孔雀人才）。他带领团队设计开发的近红外光谱仪成功应用于农副产品的品质控制，并将高光谱成像算法不断研发精进至国际领先水平。2012-2015年，他获得Andrew Mellon Predoctoral Fellowship、Arts Sciences Fellowship等知名国际科研奖学金多项，在Journal of Physicial Chemistry Letters等期刊发表学术论文多篇，在光谱成像等方向申请PCT国际专利、国内发明专利数项，并已获得多项授权专利。

曾维蒸，北京航空航天大学电子系硕士，北京与光科技有限公司（Seetrum）合伙人/研发副总裁，拥有15年嵌入式软硬件产品及解决方案开发经验，10年产研团队管理经验，在光谱分析装置方面申请多项专利。与光科技专注于为全球客户提供先进的光谱芯片、AI算法和智慧感知方案，致力于让光谱感知无处不在。曾维蒸曾经担任旷视科技高级技术总监、小米生态链公司小蚁科技智能摄像机产品线负责人、三星（Samsung）安防技术专家。

杨宗银，博士，浙江大学信息与电子工程学院百人计划研究员。他在浙江大学机械系、浙江大学光电系和剑桥大学电子工程系获得学士、硕士和博士学位，后于剑桥大学电子工程系担任博士后研究员，并于2019年10月因在光电子领域的突出贡献，被选为剑桥大学国王学院研究员（Research Associate, non-stipend fellow）。他的学习和研究经历涉及机械、电子、光学、物理和材料等多个学科。在浙大光电读研究生阶段致力于半导体光电子器件的研究，首次在单根纳米线上实现组分和带隙的调控，给纳米线的研究开启一扇全新的大门，此外他还在波长可调谐激光器等领域做了许多有趣的研究。在剑桥读博士期间开创性地将带隙渐变纳米材料应用于光谱探测，开发出世界上最小的光谱仪，该微型光谱仪器件尺寸仅几十微米，是目前市面上最小光谱仪的千分之一，可用于单细胞高光谱成像、光谱监测和筛选，相关研究成果发表在Science期刊上。他在半导体光电子器件领域系统性地发表了SCI期刊论文33篇（20篇IF>10），引用1450余次；其中，以第一作者在Science（两篇）、Nano Letters（两篇）和Journal of the American Chemical Society（JACS）等顶级期刊上发表论文5篇；在Springer出版社出版著作1部。授权中国专利8项，申请英国专利1项，PCT国际专利1项。他目前担任Frontiers in Chemistry（IF=3.79）杂志的专题编辑，长期担任Nature Nanotechnology、Science Advances等期刊的审稿人，曾任剑桥大学国学社社长、英中经济文化促进会副秘书长等职务。

七、培训费用和报名方式咨询

请发送电子邮件至PENGLin@MEMSConsulting.com，邮件题目格式为：报名+光谱仪培训+单位简称+人数。

报名网站：https://www.memstraining.com/training_40.html

麦姆斯咨询
联系人：彭女士
电话：17368357393
E-mail：PENGLin@MEMSConsulting.com