微型光谱仪产业化加速，专家深剖光谱技术及应用
2022-05-01 13:32:46   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

随着大众对生活环境质量要求的提升，借助光谱仪探索物质“本质”逐渐成为刚需。而光谱仪的应用范围包罗万象，从食品和药品安全、生化分析、环境监测、照明检测到疾病诊断等，涵盖生活的方方面面。光谱仪微型化技术的不断精进为其应用拓展提供了更丰富的选择，计算重建技术的加成也为光谱仪发展提供了更广阔的思路。如何在光谱仪这个新兴产业中扎根，如何成为光谱仪产业链中不可或缺的一环，如何在光谱仪应用拓展的赛道中脱颖而出，众多厂商竞相探索。

为满足光谱仪及光谱成像产业链从业人员的对技术发展和行业趋势的渴求，麦姆斯咨询于2022年3月25日至27日特开办《第40期“见微知著”培训课程：光谱仪及光谱成像》，邀请到光谱仪业内众多知名技术专家和高校、研究所的学者倾囊相授，为学员们讲授光谱仪及光谱成像的核心技术和产业发展。

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

光谱分析对物质的解析是基于物质与辐射能作用而来，不同物质的化学组成和相对含量的差别导致分析其所需的光谱波段有着差异，近红外光谱分析是目前应用最广的光谱波段。沈憧棐博士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。沈博士首先从分子能级与近红外光谱的解析入手，在分析了光谱仪测基本结构后，重点剖析了色散型、滤光型、干涉型等外光谱仪技术路线以及光谱仪小型化趋势。沈博士表示，传统傅里叶光谱仪应用的最大阻碍在于光机结构体积大且电机驱动扫描时间长，而“单点探测器+ MEMS光路”微型化方案为其带来曙光，只是“天下没有免费的午餐”，微型化必定需要一定的牺牲。在对光谱仪性能指标评价的讲解中，沈博士帮助大家深刻理解了各指标在光谱仪中的对应调解方案，同时也对光谱仪中化学计量学与建模的重要理论做了分析，让学员从理论层面和数据建模来理解光谱仪从设计到实现的过程。沈博士带来的《光谱仪技术综述》帮助学员在课程伊始理清了光谱仪相关知识，为后续课程奠定了坚实基础。

课程二：光谱仪微型化发展之路

老师：浙江大学 研究员 杨宗银

传统的光谱仪由于体积庞大已经无法满足日益发展的光谱检测技术的需求，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，微型化已是光谱仪发展的必由之路。杨宗银研究员对光谱仪微型化有着深入的研究，同时不断探索着微型光谱仪的应用。在《光谱仪微型化发展之路》课程中，杨老师从光谱检测的常用监测方法“四大名谱”入手，帮助学员辨析容易混淆的质谱、色谱、核磁共振谱以及光谱。随后，杨老师重点剖析了本次课程最关键的内容——光谱仪微型化的技术路线，杨老师主要从色散型、窄带滤光型、傅里叶变换型以及计算重构型四项技术深入分析了光谱仪的微型化技术。杨老师解释道，色散型、窄带滤光型、傅里叶型三类微型光谱仪在本质上是按比例缩小的传统光谱仪，各自存在着局限性；计算重构型光谱仪则是利用高速的计算去部分替代物理分光元件的工作负荷，所以能进一步减小器件的尺寸和重量，是未来微型光谱发展的趋势。课程最后，杨老师还分析了成像光谱仪的微型化技术以及微型光谱仪的应用前景。

课程三：光栅色散型光谱仪 & 课程四：Fabry-Pérot干涉型光谱仪

老师：西北工业大学 教授 虞益挺

光栅色散型光谱仪和F-P干涉型光谱仪是光谱仪的重要类型，而MEMS技术赋予二者复杂系统大规模制造以及实现微型化的可能性。虞益挺教授在微纳光学成像技术方面颇有建树。虞老师在分别介绍了衍射光栅和F-P干涉仪的分光原理后，重点剖析了二者的设计及制造方法，让学员系统地学习了这两大类光谱仪的关键技术。在对F-P干涉型微型光谱仪典型应用的分析中，虞老师总结了国内外常见公司的典型产品及应用领域，在虞老师看来，基于半导体制造工艺，芯片式光谱传感器将获得飞速发展，MEMS技术赋予了核心分光元件动态可调能力，使光谱仪系统设计具有更大的灵活性。

课程五：基于MEMS微镜的光谱仪

老师：西北工业大学 教授 乔大勇

利用MEMS微镜来替代传统的动镜，是实现傅里叶变换型光谱仪微型化的重要途径。乔大勇教授是MEMS领域的资深专家，并在MEMS微镜领域同时掌握丰富的科研经验和产业经验。乔老师首先通过生动的示例向学员解析了迈克尔逊干涉仪以及傅里叶变换光谱仪的原理结构、工作方式以及独特特点。随后，充分辨析了“MEMS+傅里叶变换光谱仪”所带来的优势及市场前景。乔老师表示，引入MEMS技术，不仅仅解决了傅里叶变换光谱仪微型化的问题，同时通过制造精度取代装配精度来保证动镜的倾斜角度，降低光谱仪的装调成本。在课程讲授中，乔老师重点分析了MEMS微镜的核心技术，从MEMS微镜的分类、工作原理、主要技术指标、设计与制造以及典型案例等多个方面进行了全方位的解析。乔老师通过详尽分析静电、电磁、电热以及压力四种驱动方式中MEMS微镜In plane和Out of plane两种运动方式的案例对比，让学员掌握了光谱仪中MEMS微镜的关键技术。

课程六：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

基于MEMS可调谐滤光器的光谱仪是目前市场化水平较高的微型光谱仪类型之一，源于以色列光谱技术的优尼科（Unispectral）是业内掌握核心技术和知识产权的翘楚之一。在优尼科负责MEMS光谱成像芯片的产业化与市场推广工作的丁大海副总经理，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着深入研究。丁老师在对消费级光谱仪技术进行了简单概述后，重点对MEMS可调谐滤光器工作原理、实现方案及技术指标进行了详尽的分析，同时也剖析了基于MEMS可调谐滤光器的光谱成像模组设计，解答了学员对该类型光谱仪中BPF、Hood Iris / Cap Iris等关键元件设置的疑惑。在丁老师看来，优秀的光谱成像模组设计关键点还在于找到各因素间的平衡点，充分考虑权衡各因素对最终光谱成像的利弊，才能得到真正符合应用需求的产品。当然，最终产品的高质量离不开对其误差的分析和标定，丁老师对此也做了细致的说明。而在对消费级光谱仪应用案例的介绍中，丁老师对不同应用场景中对光谱图像的分析处理也做了简单讲解，让学员深刻感受到，光谱成像从核心技术及器件到软件处理的每个细节都不可忽视。

课程七：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

高光谱成像技术是目前应用范围最广和需求量较大的光谱技术之一，其微型化制约着该光谱成像方向的发展和进步。任哲研发总监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。在《MEMS微型化高光谱成像技术》中，任博士重点介绍了基于MEMS的F-P腔的窄带滤光芯片技术，以及高光谱相机在面对不同应用时的需求分析。任博士表示，传统的光谱仪其实缺乏空间维度信息（图像信息），而高光谱刚好同时获取了物体的光谱信息与图像信息，并将二者融合统一；高光谱相机在针对不同应用需求时，颜色的感知及其数字化过程是其中的关键技术。

课程八：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

滤光型光谱仪是光谱仪的重要类型，而基于超表面的滤光器是近年来的研究热点。易飞副教授在人工光学微结构、超表面及其相关器件领域颇有建树，能够充分利用自身科研经验为学员传授知识。易老师从微纳光学的基础理论电磁光学和关键技术入手，为学员理清了光学元件中微纳光学的关键作用、工作原理及运用方法。随后，易老师表通过理论与实战案例相结合的方式，对光学天线和超构材料（超表面）的关键技术、制造工艺以及在光谱仪中的价值体现做了充分剖析和释疑。课程中，易老师深度剖析了自研的窄带热释电探测器（光学天线阵列+钽酸锂晶片）、硅基窄带热电堆探测器以及超表面探测器+超构透镜等研究成果。易老师向学员展示了美国DARPA以及业内巨头光谱成像产品用例中光学天线和超构材料所发挥的关键作用，生动而丰富地呈现出“窄带滤光阵列+探测器阵列”光谱仪的优势。在易老师的课程中，研究案例和相关典型产品分析丰富多样，为学员深入挖掘、自我探索提供良好的素材库。

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（CIS），形成了可量产的硅基微型光谱成像方案。曾维蒸研发副总裁拥有15年嵌入式软硬件产品及解决方案开发经验，在光谱分析装置方面申请了多项专利。曾老师从光谱探测技术、谱芯片的市场发展及应用探索向学员立体地呈现出光谱芯片的全貌。随后，曾老师重点剖析和讲解了与光科技基于CMOS图像传感器的光谱传感与成像芯片方案。曾老师分析道，光谱有望成为人工智能和大数据行业的基础物理输入量，而光谱芯片将赋能人工智能物联网（AIOT）。

课程十：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。唐鑫教授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。在《量子点光谱探测及成像技术》课程中，唐老师在简单介绍了胶体量子点的基本性质后，重点解析了七大胶体量子点探测器的制备技术所面临的挑战和解决方案。唐老师坦言，多光谱及高光谱胶体量子点探测技术主要有四大技术路线：块体/量子点耦合、异带隙量子点耦合、平面耦合技术和滤光耦合技术，其中量子点“背靠背”双光电二极管理论创新解决了双色器件概念。在对胶体量子点成像技术的发展分析中，唐老师从探测器窄带带内跃迁、偏振成像、多波段红外融合成像以及产业化几方面做了详细探讨，让学员深受启发。

新冠疫情在“空间维度”阻碍大家出行学习和交流的脚步，但麦姆斯咨询克服多种困难，持续秉承着专业和进取精神，通过线上教学方式为大家创造出优质的学习环境和资源。光谱仪主题课程是历年来首次开办，学员报名和参与都热情如火，各位老师和学员都能在麦姆斯咨询搭建的平台中获取核心技术知识、汲取进步发展的能量、收获高质量的业内资源、享受学术与产业的交流机会。