第49期“见微知著”培训课程：光谱仪及光谱成像
2023-02-15 14:34:54   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

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

传统的光谱仪（Spectrometer）是一种用于分离和测量光谱成分的大型科学仪器，而如今的商用光谱仪已缩小至手机摄像头大小，其核心组件包括分光器件、光源、光电探测器等。17世纪，牛顿发现太阳光通过棱镜的折射后可观察到彩色光带——这个色散实验为光谱仪的诞生播下了种子。光谱仪在物理学、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、机器视觉、环境监测、照明检测、疾病诊断、宇宙探索等，关乎我们生活的方方面面。

基于衍射光栅的色散型光谱仪工作原理（左）和内部结构（右）

集成微型光谱仪的智能手机可用于判断食物品质并保障饮食健康和安全

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，涉及量子点光谱仪、超构表面光谱仪、纳米线光谱仪、纳米梁光谱仪、可调范德华异质结光谱仪等。此外，计算重建技术与纳米光电器件的结合也为高速（≥100 kHz）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市场快速增长，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，压缩感知和人工智能（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）

可调范德华异质结光谱仪的原理图，该光谱仪以微米级尺寸实现极高的光谱准确度（~0.36纳米）和分辨率（~3纳米）（来源：Science, DOI: 10.1126/science.add8544）

光谱成像是光谱分析与成像技术的结合，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。根据可获取的光谱频带数量，光谱成像主要分为三大类：多光谱成像（数个至数十个光谱频带）、高光谱成像（数百个光谱频带）、超光谱成像（≥数千个光谱频带）。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）

HUAWEI P50 Pocket智能手机搭载的超光谱超级影像单元由3200万像素超光谱摄像头、10通道多光谱传感器、超光谱补光灯和激光对焦传感器、4000万像素原色摄像头、1300万像素超广角摄像头组成，具有更清晰、更精准的影像还原能力和更强的环境感知力，营造更真实的氛⁠围⁠感。

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）光谱仪微型化发展之路；（2）计算重建型光谱仪及光谱相机；（3）MEMS可调谐FP腔滤光芯片及其光谱成像模组与应用；（4）基于硅基微纳光栅的微型光谱仪；（5）基于Fabry-Pérot干涉技术的微型光谱仪；（6）光谱仪分光器件：光学纳米天线；（7）基于光学纳米天线的光谱仪及光谱成像；（8）计算高光谱成像技术；（9）近红外光谱仪产业化及应用案例；（10）量子点光谱探测及成像技术（紫外-可见-短波红外）。

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分析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

2023年3月10日~3月12日

授课结束后，为学员颁发麦姆斯咨询的结业证书。

四、培训地点

无锡市（具体地点以培训前一周的邮件通知为准）

五、课程内容

课程一：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加速在智能手机领域的应用。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、平板电脑、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及应用前景。

课程提纲：
1. 光谱检测基础知识；
2. 色散型光谱仪微型化技术；
3. 滤光型光谱仪微型化技术；
4. 干涉型光谱仪微型化技术；
5. 计算重建型光谱仪微型化技术；
6. 成像光谱仪微型化技术；
7. 微型光谱仪应用。

课程二：计算重建型光谱仪及光谱相机

老师：上海交通大学 教授 蔡伟伟

实验室台式光谱仪利用光栅、棱镜等色散元件将入射光的不同波长成分在空间中展开，并利用光电探测器进行探测，以获得光谱信息。然而，复杂的光路设计使得光谱仪的微型化困难重重。所以，传统的策略是牺牲光谱仪部分性能，利用先进微纳米加工技术将色散元件微型化，将光栅、棱镜替换为光子晶体、超构表面、微型干涉仪等。这些技术可将光谱仪尺寸缩小至毫米量级，但进一步微型化则是一项极大的挑战。近期，计算重建型光谱技术被成功应用于光谱仪的微型化，通过预校准并根据测量数据特征，可实现基于计算重建算法的未知光谱分析，基于此技术，蔡伟伟教授联合国内外科研团队开发出高性能超微型（微米量级）光谱仪。

课程提纲：
1. 光谱学基础；
2. 计算重建型光谱仪；
3. 计算重建型光谱相机；
4. 计算重建算法；
5. 超微型光谱仪案例。

课程三：MEMS可调谐F-P腔滤光芯片及其光谱成像模组与应用

老师：优尼科（青岛）微电子有限公司 总经理 丁大海

优尼科（Unispectral）MEMS可调谐滤光芯片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。该滤光芯片可将低成本的红外摄像头变成700-950 nm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，讲解核心滤光芯片、光谱成像模组及应用案例。

课程提纲：
1. 消费级光谱成像技术概述；
2. MEMS可调谐F-P腔滤光芯片工作原理、实现方案及技术指标；
3. 基于MEMS可调谐F-P腔滤光芯片的光谱成像模组设计；
4. MEMS可调谐F-P腔滤光芯片及光谱成像模组的标定；
5. 基于MEMS可调谐F-P腔滤光芯片的光谱相机应用及案例展示。

课程四：基于硅基微纳光栅的微型光谱仪

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、利用以MEMS为代表的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，以及微型光谱仪实现及应用。

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：基于Fabry-Pérot干涉技术的微型光谱仪

老师：西北工业大学 教授 虞益挺

传统的分光器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布里-珀罗（Fabry-Pérot）分光器件采用微纳结构调控干涉、衍射和色散等光学参量的原理实现滤波功效，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Fabry-Pérot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Fabry-Pérot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. Fabry-Pérot干涉仪分光原理；
2. Fabry-Pérot全固态分光器件及其制造方法；
3. 基于Fabry-Pérot全固态分光器件的微型光谱仪；
4. Fabry-Pérot动态分光器件及其制造方法；
5. 基于Fabry-Pérot动态分光器件的微型光谱仪；
6. 基于Fabry-Pérot干涉技术的微型光谱仪典型应用。

课程六：光谱仪分光器件：光学纳米天线

老师：华中科技大学 教授 易飞

光学纳米天线是一种由亚波长结构组成的超构表面（Metasurface）——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，可实现对入射光的振幅、相位、光谱、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，以摆脱对分立窄带滤光片的依赖。本课程介绍超构表面光谱调控技术，并详解光学纳米天线设计、制造及其与探测器的集成方法。

课程提纲：
1. 微纳光学理论概述；
2. 超构表面光谱调控技术；
3. 光学纳米天线设计与制造；
4. 基于光学纳米天线的多光谱窄带探测器。

课程七：基于光学纳米天线的光谱仪及光谱成像

老师：华中科技大学 教授 易飞

光学纳米天线在亚波长尺度对光谱的灵活调控为微型光谱仪的实现提供了新的方式，例如基于窄带滤波原理的集成光学纳米天线光谱仪、光学纳米天线滤波和计算重建算法结合的光谱仪。其中，针对窄带滤波（分光），主要有两种形式：（1）可调谐型，可以通过调整光学纳米天线尺寸改变光谱响应，进而实现滤波波长随时间变化；（2）阵列型，可以将一组光学纳米天线阵列与二维光电探测器集成，实现同时采集多个光谱分量。本课程重点讲解基于光学纳米天线的光谱仪和光谱成像案例，并对未来的潜在应用进行展望。

课程提纲：
1. 光谱仪及光谱成像概述；
2. 基于光学纳米天线的光谱仪案例；
3. 基于光学纳米天线的光谱成像案例；
4. 光学天线与超构表面的未来应用展望。

课程八：计算高光谱成像技术

老师：浙江大学 研究员 郝翔

计算光谱成像技术在传统色散型光谱成像技术的基础上，通过在光路中引入适当的编码模板完成目标数据立方体的调制和压缩，然后采用压缩感知理论对光电探测器获取的二维混叠图像进行三维图谱信息重构，实现了景物空间信息与光谱信息的快照式成像，弥补了传统光谱成像技术光通量低、逐行扫描成像时间长等缺点，极大地降低了原始数据量，减轻了数据存储和传输压力。传统的CMOS图像传感器只能获取三个光谱（红绿蓝）通道，而高光谱成像则可以获得数百个光谱通道，能够为拍摄的场景或物体提供更丰富的颜色（光谱）信息。本课程详解计算光谱成像技术和应用，以及高光谱成像与人工智能（AI）的结合。

课程提纲：
1. 光谱技术概述；
2. 计算光谱技术原理；
3. 光谱成像技术原理；
4. 基于深度学习/机器学习的高光谱成像技术；
5. 计算高光谱成像技术典型应用。

课程九：近红外光谱仪产业化及应用案例

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。近红外光谱区与有机分子中含氢基团（OH、NH、CH、SH）振动的合频和各级倍频的吸收区一致，因此通过扫描物质的近红外光谱，可得到物质中有机分子含氢基团的特征信息。本课程阐述近红外光谱仪核心技术，以及产业技术路线和小型化方法，并结合光谱仪性能指标及应用案例进行讲解。

课程提纲：
1. 分子能级与近红外光谱；
2. 近红外光谱仪技术路线及小型化；
3. 光谱仪性能指标评价；
4. 化学计量学算法与建模；
5. 光谱技术应用案例。

课程十：量子点光谱探测及成像技术（紫外-可见-短波红外）

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。近期，唐鑫教授等科研人员针对CMOS图像传感器探测光谱范围仅限于可见光和近红外的问题，通过对修饰在读出电路上的胶体量子点材料使用直接光刻工艺构建出多谱段宽光谱CMOS兼容探测器，实现了从紫外到短波红外（300-2500 nm）的探测。本课程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. 双、多及高光谱胶体量子点探测技术；
4. 胶体量子点紫外-可见-短波红外成像技术及应用；
5. 胶体量子点成像技术展望。

六、师资介绍

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。他分别在浙江大学机械系、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。2019年博士毕业后，于剑桥大学电子工程系担任博士后研究员。2019年10月因为在光电子领域的突出贡献，杨宗银被选为剑桥大学国王学院研究员（Non-stipendiary Research Fellowship）。杨宗银获得过剑桥大学国际生全额奖学金（全球仅80名），还获得2019年国家优秀自费留学特别优秀奖（全球仅10名）。2020年回国入职浙江大学信息与电子工程学院担任百人计划研究员，2021年被评为浙江大学启真优秀青年学者，入选中国区《麻省理工科技评论》35岁以下科技创新35人。杨宗银研究员在半导体光电子器件领域系统性地发表了SCI期刊论文38篇（23篇IF>10），引用2000余次。其中，在Science上发表论文三篇（其中两篇一作），另外还以第一作者在Nano Letters和Journal of the American Chemical Society（JACS）等顶级期刊上发表多篇论文。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。他是Journal of Physics D等期刊的专题编辑，还长期担任Nature Nanotechnology, Nature Communications和Science Advances等期刊的审稿人。

蔡伟伟，博士，上海交通大学机械与动力工程学院教授、博士生导师，德国埃尔朗根纽伦堡大学高等光学研究院客座教授，曾于2016年入选国家海外高层次人才引进计划。他于2007年本科毕业于浙江大学热能工程系、2010年博士毕业于美国克莱姆森大学机械工程系，开发了世界上第一套高光谱吸收层析成像系统并应用于航空发动机出口温度场高速测量；2011-2013年于美国弗吉尼亚理工大学航空系从事博士后研究工作，开发了火焰发射光谱层析成像系统；2013-2015年于英国剑桥大学化工系从事博士后研究工作，开展基于超连续辐射的超快吸收光谱技术，并于2015年入职上海交通大学。蔡伟伟教授长期从事光谱测量技术及仪器的开发与应用，在光谱测量及仪器方向发表期刊论文百余篇，包括Science论文3篇，目前已成功搭建基于计算成像的微型光谱相机。他曾参与研发带隙渐变纳米线和单异质结等超微型光谱仪。获得多项重要学术奖励和荣誉称号，包括2012年获欧盟玛丽居里奖学金，2013年被评为剑桥大学丘吉尔学院博士后会士，2014年获国际分析仪器奖Masao Horiba Award唯一提名奖，2018年获得德国埃尔朗根高等光学研究院青年科学家奖。担任测量领域著名期刊Measurement Science and Technology编委、《工程热物理学报》青年编委及《光学学报》青年编委。同时，还担任中国光学学会激光光谱学专委会委员、中国动力工程学会国际合作委员会委员和国际传热传质中心（ICHMT）科学理事会专家委员。

丁大海，优尼科（青岛）微电子有限公司总经理。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，他在优尼科中国（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，基金委优秀青年科学基金获得者、教育部新世纪优秀人才、教育部全国百篇优博论文获得者、德国洪堡学者、陕西省优秀青年科技新星，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暨第二届青年工作委员会委员、中国机械工程学会极端制造分会第一届委员会委员暨机械科技信息分会委员，国家多部委及多省市项目、科技奖评审专家。虞益挺教授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、智能制造、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109篇，第一/通讯作者SCI论文58篇（其中1区/2区Top期刊27篇），获授权中国发明专利21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）。

易飞，博士，华中科技大学光学与电子信息学院教授，博导。他的研究领域包含光子集成电路、纳米光子学、等离激元与超构材料、红外探测成像器件等。本科及硕士毕业于浙江大学信息与电子工程学系。博士期间参与了DARPA的Super Molecular Photonics（MORPH）项目，开展了基于透明导电氧化物电极的高速低功耗电光调制器的研发工作，并作为访问学者工作于新加坡科技局数据存储研究中心（ASTAR-DSI）。2011年获美国西北大学电子工程与计算机科学系博士学位。后于宾夕法尼亚大学材料科学与工程学系从事博士后研究，期间开展了基于光学天线的光谱/偏振敏感型红外热探测器的研发工作。2015年9月入职华中科技大学光电信息学院工作，主持了国自然青年项目、面上项目、国家重点研发计划课题，装备发展部预先研究领域基金项目、华科-海康威视联合实验室横向技术开发项目、烟台开发区科技领军人才项目等，并参与了国家重点研发计划青年项目、国家重点研发计划子课题。截止目前，在Nature Photonics、Nature Communications、Nano Letters等期刊上发表论文40余篇；美国授权专利4项；中国授权发明专利15项；出版专著章节1章。

郝翔，博士，浙江大学光电科学与工程学院研究员、副院长，浙江大学嘉兴研究院智能光电创新中心副主任，耶鲁大学、舜宇光学、精测电子长期技术顾问。2018年10月全职回国，之前曾任霍华德休斯医学研究院（HHMI）、牛津大学神经回路与行为学研究中心（CNCB）访问学者、耶鲁大学医学院助理研究员（Associate Research Scientist）。郝翔研究员主要从事光学成像特别是显微成像、光谱成像和计算成像的研究工作，在Nature Methods、Light: Science & Applications等共发表论文100余篇、获授权专利40余项。2019年，入选国家第十五批重大人才计划（青年项目），担任国家重点研发计划“高精度线光谱共焦传感器研制”项目首席科学家，《光子学报》、《激光与光电子学进展》青年编委，中国光学学会生物医学光子学专业委员会委员。他获得播光人奖、中国光电博览奖、中国光学十大进展等荣誉。

沈憧棐，博士，上海巨哥科技股份有限公司总经理。他毕业于清华大学物理系，获普林斯顿大学电子工程博士学位后留美工作，从事光电技术的研发。回国后创办上海巨哥科技股份有限公司，致力于推动红外技术的民用化。他在红外热成像精确测温、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，获得上海市科技进步一等奖。

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。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，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。他获得仪器仪表学会金国藩青年学子奖等。

七、培训费用和报名方式咨询

报名方式：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-49.html

培训赞助：请致电联系彭女士（17368357393），或麦姆斯咨询固话（0510-83481111）。

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E-mail：PENGLin@MEMSConsulting.com