智能微型光谱仪（Science微型光谱仪）

智能微型光谱仪（Science微型光谱仪）自20世纪90年代初以来，基于各种设计和工作原理的小型光谱仪已得到证明，具有一系列可操作的光谱波段和分辨率。本综述总结了其中探索最多的技术平台，并介绍了它们的相对优缺点。文章将该领域大致分为四大类，代表了识别不同光谱成分的最突出策略。前三类是（1）具有色散光学功能以将光分裂到空间分离的检测器（图1A）（2）使用窄带滤波器以优先将特定光谱成分传输到不同检测器的检测器（图1B）和（3）基于时间或空间干涉仪的傅里叶变换显微光谱仪（图1C）。早期的小型光谱仪属于前三类，其设计与小型台式光谱仪非常相似，具有平面外衍射光学或基于微机电系统（MEMS）的干涉仪。进一步发展，这种设计在很大程度上让位于基于波导和集成光学的平面系统。一般来说，减小分光计的尺寸需要在其分辨率、动态范围或信噪比降低方面进行折衷。然而，微分光计的设计可以满足特定应用的“可接受”性能水平。在许多情况下，目标是识别特征光谱峰而不是相对

光谱法是科学和工业研究中最强大和最广泛使用的表征工具之一。然而，传统的台式实验室光谱仪系统具有体积庞大的光学元件、运动部件和很长的工作路径，才能提供超高分辨率和宽光谱范围。然而，随着频谱分析的需求的迅速增长，社会、市场对于降低光谱仪的物理尺寸、成本或功耗的需求优先于光谱仪高性能的需求。同时，消费级电子产品对便携式或手持光谱分析设备的需求也要求将这些系统缩小到厘米级。将光谱仪进一步微型化到亚毫米级将为原位分析提供一系列机会，并有可能集成到芯片实验室系统、智能手机，甚至光谱仪每像素快照超光谱成像设备中。因为涉及复杂的制造以及基于色散的系统中分辨率与路径长度的固有比例，为了实现这一目标，简单地缩小台式系统（带有微型光栅和反射光学元件）的方法正面临着严重挑战。

有鉴于此，近期由来自英国剑桥大学、中国浙江大学和上海交通大学的研究人员在国际著名期刊Science（2021年影响因子：47.728）上以Miniaturization of optical spectrometers为题发表综述文章，总结了过去三十年中光谱仪领域的进步，并介绍了正在发展的性能和占地面积接近Lab-on-Chip(芯片上实验室系统)、智能手机和其他消费技术的微分光计。文章总结了为实现这些目标所需要的包括微型色散光学、窄带滤波系统、傅里叶变换干涉仪和重建显微光谱仪等技术，并讨论了在设备尺寸进一步缩小的同时提高光谱分辨率所面临的挑战。

封面图.基于色散光学、窄带滤波器、傅里叶变换干涉仪和计算光谱重建方案的小型光谱分析仪实现方法。

图源：Science 371 eabe0722 (2021).

迄今为止，光谱仪已成为材料表征和化学分析最重要的仪器之一。传统的台式光谱仪依靠于体积庞大的色散光学元件、长光程、探测器阵列和可移动部件的组合，这些要求阻碍了其小型化应用。在这些小型化应用中，将尺寸、成本和功耗降至最低至关重要。近年来，小型光谱仪系统得到了广泛的手持、便携式和集成应用，包括土壤和作物分析、食品工业生产线监测和海洋/水下科学研究。很明显，在这些用途中，获得指示性、即时、现场结果往往比将样品运送到实验室进行超高分辨率分析要好得多。进一步的小型化，直至亚毫米级，可以在广泛的应用领域提供机会，包括芯片实验室光谱学和其他原位甚至体外表征系统。可以设想消费者技术的各种可能性，例如基于智能手机的设备，用于检测假药和钞票、监测皮肤健康，甚至确定食品中的糖和脂肪含量。另一方面，在工业上，适合无人机光谱成像的设备—即光谱信息与空间数据相关的设备—可以彻底改变大规模作物监测。

一般来说，减小分光计的尺寸需要在其分辨率、动态范围或信噪比降低方面进行折衷。然而，微分光计的设计可以满足特定应用的“可接受”性能水平。在许多情况下，目标是识别特征光谱峰而不是相对计量，例如，可见光范围内的“满意”分辨率可能在10 nm左右，甚至更大。此外，通过提高性能的一个特定方面，微分光计可以专门用于极端测量，这些测量对于使用传统系统实现具有挑战性。例如，片上单光子光谱仪和单纳米线光谱仪的相对优势分别在于其超高灵敏度检测和超紧凑的占地面积。

自20世纪90年代初以来，基于各种设计和工作原理的小型光谱仪已得到证明，具有一系列可操作的光谱波段和分辨率。本综述总结了其中探索最多的技术平台，并介绍了它们的相对优缺点。文章将该领域大致分为四大类，代表了识别不同光谱成分的最突出策略。前三类是（1）具有色散光学功能以将光分裂到空间分离的检测器（图1A）（2）使用窄带滤波器以优先将特定光谱成分传输到不同检测器的检测器（图1B）和（3）基于时间或空间干涉仪的傅里叶变换显微光谱仪（图1C）。早期的小型光谱仪属于前三类，其设计与小型台式光谱仪非常相似，具有平面外衍射光学或基于微机电系统（MEMS）的干涉仪。进一步发展，这种设计在很大程度上让位于基于波导和集成光学的平面系统。

图1. 过去30年中出现的小型光谱仪系统的不同设计理念。（A）小型色散光学（B） 可调谐或阵列窄带滤波器（C） 基于傅里叶变换的系统（D） 基于计算光谱重建的系统。

图源：Science 371 eabe0722 (2021).

然而，在过去的十年中，第四类已成为微分光计设备的新范例。“重建”或“计算”光谱仪系统（图1D）利用了更容易获得的计算机处理能力以及微处理器尺寸和成本的降低。它们通常具有一组用独特的光谱响应特性编码的探测器，当并行测量时，可使用复杂算法组合这些探测器，以近似或“重建”入射光谱。这种系统不仅可以利用硬件方面的技术进步，还可以利用新计算方法的发展，特别是基于压缩感知和机器学习的计算方法。

传统光谱仪通常由一个或多个衍射光栅、一条光路和一个探测器阵列组成。光通过一个输入狭缝并被准直到一个衍射光栅上，衍射光栅使光谱成分在不同方向上分散。凹面镜将分散的光聚焦到探测器阵列。微型和纳米制造技术的进步为通过缩小这些系统的组件来开发微分光计提供了机会。自20世纪90年代以来，已经展示了一系列越来越小型化、具有厘米级足迹的空间色散光谱仪。这些色散微分光计通常是通过晶圆键合制造的，其光路是通过电化学控制蚀刻形成的（图2A）。

图2. 空间色散微光谱仪（A-B）基于平面外空间色散的小型光谱仪系统，分别使用平面和凹面光栅（C） 光栅菲涅耳光谱仪的示意图（D-I）基于不同色散元件的基于波导的光谱仪（D）波导传感器上的埋入光栅（E）基于光子晶体的光栅（F）全息元件（G）平面梯形光栅透射波导光栅以及（I）阵列波导光栅

图源：Science 371 eabe0722 (2021).

随着系统占地面积和组件尺寸的减小，必须考虑许多因素。探测器平面上光谱成分的分离取决于光在遇到色散元件后允许传播的距离。因此，对于给定的光栅和探测器阵列，分辨率Δλ与系统的光程长度成正比。当设备变得更紧凑时，路径长度也必然减小，从而降低光谱分辨率。这可以通过在给定宽度内增加探测器的像素密度进行一定程度的补偿。然而，光学元件的质量和系统对准在制造过程中存在着相互矛盾的问题；例如，蚀刻引起的表面粗糙度将导致更多的光在到达探测器阵列之前散射。

此外，如果没有准直组件将输入狭缝成像到探测器上，则分辨率将受到影响。一种可行的方法是使用凹面光栅；然后，光从不同角度分散并聚焦到探测器阵列上的不同位置，而无需复杂的准直光学元件和多个反射组件（图2B）。基于这种设计的商用、可制造的可见光范围显微分光计的分辨率为~10 nm，占地面积为1至2 cm。除了这些凹面光栅外，还证明了超透镜和光栅菲涅耳透镜是衍射光学元件。光栅-菲涅耳透镜-衍射光栅和菲涅耳透镜的集成组合也已在智能手机连接的光谱仪系统中开发（图2C）。

波导已被提议作为自由空间光学的替代品，允许更紧凑的光限制，以进一步减少占地面积，而不会对性能造成重大影响。对于这种方法，输入和输出光栅蚀刻在基板的两侧，然后在顶部沉积波导层。如图2D所示，在这些系统中，光通过输入光栅耦合到波导中。当光通过波导传播时，光与波导表面上的分析物相互作用。然后，光电探测器阵列从输出光栅中检测出光。因此，该系统可用于通过倏逝耦合测量波导顶部的入射光谱或分析物的吸收光谱。

这些基于波导的光谱仪使用了各种色散方案（图2E-I），例如平面光子晶体、全息元件、平面梯形光栅、透射光栅、自聚焦透射光栅、啁啾光栅和阵列波导光栅，以及超表面。与平面外设备一样，基于波导的光谱仪的分辨率本质上与系统足迹提供的光程长度有关，因此，小型化需要降低性能。此外，就可制造性而言，制造公差（例如，与侧壁粗糙度相关的感应损耗）和低沟道间距下的波导模式耦合对毫米级以下的极端小型化提出了挑战。然而，除了更大的光限制外，其优势还体现在直接集成到单片、基于波导的光学分析系统中。

除了在配置和色散元件方面的创新之外，同时减小光电探测器阵列的尺寸并提高其灵敏度，为实现更小、更高性能的微分光计提供了另一条途径。例如，超导纳米线最近已成为光谱仪应用中半导体光电探测器最有希望的替代品之一，因为它们具有超高灵敏度（单光子可探测性），具有低抖动和暗计数。事实上，最近使用超导纳米线的单光子显微光谱仪演示能够对超微弱光进行光谱分析，这标志着它们在天文光谱学和量子计算中的应用迈出了一步。

图3. 窄带滤光片光谱仪。

图源：Science 371 eabe0722 (2021).

总结与展望

迄今为止，得益于消费市场对微分光计系统的需求，上述提到的一些平台已经完全商业化。在过去的二十年中，小型化、基于MEMS的可调谐滤波器和傅里叶变换光谱仪以及厘米级、封装、基于光栅的系统已经商业化。这些系统都可以通过完善的半导体器件制造基础设施进行生产；同样适合这些框架的新兴系统（如基于光子晶体的系统）与必须开发新制造工艺的系统（如基于纳米材料的设备）相比具有明显优势。

最近，在2017年CES（消费电子展）和主要智能手机制造商的专利申请中，智能手机内置光谱传感系统的发展得到了证明，这表明公共领域的崛起可能即将到来。事实上，具有适合智能手机模式的足迹的设备的前景可以说是推动微分光计系统极端小型化的最重要因素；这方面的突破性示范可能证明在吸引这一领域的进一步关注和投资方面至关重要。尽管目前还没有任何重建系统达到商业成熟度，但现成的处理能力，再加上对占地面积和重量最小的系统的需求，使得智能手机平台成为这些微分光计出现的一个明显领域。

除了智能手机，未来超小型封装系统中包含的高性能光谱技术将在广泛的领域、工业和商业技术中得到应用，比如卫星和无人机、可穿戴和植入式设备、化学和食品制造，以及细胞成像和芯片实验室系统。考虑到操作中预期的较大弯曲半径，仅超小型设备（<100μm）的尺寸就可能使其适合于耐磨或柔性技术。如果下面的刚性探测器可以被新兴的柔性对应物所取代，那么已经具有柔性薄膜过滤器的基于阵列的设备在这方面将会大有可为。此外，溶液可加工材料的带隙工程可以为可打印、适形光谱仪提供另外一条可行的途径。

面向未来，光谱仪发展的长期目标是一个小型化的、便携式的、具有高光谱和空间分辨率的“快照”光谱成像仪，也就是说，每个像素都拥有自己的高性能光谱仪的相机。这种系统不仅将极大颠覆现有的消费电子市场，同时还可能对变农业和矿物学中现有的高光谱成像应用产生深远的影响。

参考文献：

Zongyin Yang Tom Albrow-Owen Weiwei Cai Tawfique Hasan “Miniaturization of optical spectrometers” Science 371 eabe0722 (2021). DOI: 10.1126/science.abe0722