光譜儀市場需求逐年增加

光譜儀是現代分析儀器的重要組成部分。利用光學原理，可以定性和定量地分析物質的結構和成分。如今，它已廣泛應用于許多涉及國民經濟和安全的領域，如食品安全、環境監測、農業生產、生物醫學越來越多的項目需要在現代社會進行測試，同時也面臨著不同的測試環境，因此對光譜儀的需求越來越強烈。近年來，光譜儀市場需求逐年增加，全球光譜儀市場持續穩定增長。

2010年全球光譜儀市場規模為101.4億美元，2013年增長至12.1億美元，2014年達到131.5億美元，年平均增長率為6.7%。隨著下游市場的不斷推進，全球光譜儀市場消費量保持穩定增長，2014年全球光譜儀消費量達到84萬臺。2014年，我國光譜儀行業產能約22萬臺，產量約18.2萬臺。2014年，我國光譜儀行業消費量約17.4萬臺，行業銷售市場規模約166.17億元。國際市場如圖1所示，國內光譜儀如圖2所示。

圖1 全球光譜儀市場狀況

圖2 中國光譜儀市場狀況

傳統光譜儀體積大、功耗大、成本高、二次開發不方便，難以滿足特殊領域環境下現場、實時、快速在線檢測的應用需求。隨著科學技術的發展和各種檢測環境的要求，光譜儀的微型化已成為《紐約時報》的趨勢。微光譜儀體積小，價格低，廠家越來越多，市場需求越來越大。傳統的光譜儀如圖3所示。

圖3 傳統光譜儀

微型近紅外光譜儀儀是世界上許多國家優先發展的分析儀器之一。中國也在 2012 年 12 月 召開了第 446 次香山科學會議中國近紅外光譜儀分析關鍵技術問題、應用與發展戰略

微型近紅外光譜儀儀（Near Infrared Microspectrometer, NIM）它是一種利用光學原理對物質成分和含量進行定性和定量分析的微型無損檢測儀器，具有體積小、功耗低、成本低、現場在線分析、二次開發方便等優點，廣泛應用于農業生產、食品安全、生物醫學、石化、航空航天、國防安全等領域。

在美國農業部的支持下，20世紀60年代Karl Norris領導研究小組開發了世界上第一個近紅外掃描光譜儀，近紅外光譜儀分析技術逐漸受到關注。然而，傳統的近紅外光譜儀儀存在體積大、功耗高、價格昂貴、二次開發困難等問題，極大地限制了其應用范圍。

直到20世紀90年代，微光機電系統（Micro-Opto-Electro-mechanicalsystem, MOEMS）隨著技術的興起，微型近紅外光譜儀儀逐漸出現。與傳統的大型光譜儀相比，微型近紅外光譜儀儀不僅成本低、體積小、功耗低，而且可以進行二次開發，擴大應用領域。近年來，MOEMS隨著技術的快速發展，近紅外光譜儀儀的微型化進程得到了極大的推動。國內外研究機構先后提出了多種類型的微型近紅外光譜儀儀，相當一部分公司基于市場推出MOEMS微型近紅外光譜儀儀的技術。

無論哪種類型的光譜儀，復色光色都需要分散成單色光，因此分光是光譜儀最基本的功能。微型近紅外光譜儀儀可分為陣列檢測型、光柵掃描型、濾光片型和傅里葉變換型。（Fourier transfor ** tion, FT）和阿達瑪變換型（Hada ** rd transform, HT）等多種類型。陣列檢測型、光柵掃描型和濾光片型是經典的色散光譜儀，主要通過空間或時間分離不同波長的光，然后讀取光譜；傅里葉變換型和阿達瑪變換型屬于調制變換型，波分復用不同波長的光。探測器檢測后，需要逆變換才能獲得光譜信號。

光柵掃描微型近紅外光譜儀儀

德國弗朗禾費光學微系統研究所為了降低微型近紅外光譜儀儀的成本（IPMS）率先提出集分光和掃描于一體的集成MOEMS以掃描光柵為核心元件的微型近紅外光譜儀儀可以用廉價的單管探測器代替昂貴的陣列探測器。該儀器的性能不再取決于陣列探測器，而是掃描光柵，如圖4所示。入射光經直鏡準直，在MOEMS單管探測器在掃描光柵上色散成光譜并進行掃描散成光譜并進行掃描。

圖4 掃描光柵微型近紅外光譜儀儀的工作原理

近年來，弗朗禾費IPMS該研究所報道了一種光柵掃描微型近紅外光譜儀儀，該光譜范圍為950-19000 nm，分辨率10 nm，其核心部件集成了入射狹縫和出射狹縫MOEMS掃描光柵芯片。掃描光柵面大小為3 mm×3 mm，采用靜電梳齒驅動，集成壓電角傳感器進行閉環控制，實現高精度掃描。但由于鏡面只有幾十微米厚，在掃描過程中，鏡面容易出現動態變形，影響光譜儀的信噪比。

德國HiperScan公司利用弗朗禾費光學微系統研究所（IPMS）核心技術在市場上推出了相應的商用光柵掃描微型近紅外光譜儀儀。

國內西北工業大學喬大勇團隊還研究了光柵掃描微型近紅外光譜儀儀，該團隊開發MOEMS使用掃描光柵SOI靜電梳齒驅動，但鏡面動態變形也存在問題，靜電驅動所需的驅動電壓較高。

重慶大學溫志渝團隊提出MOEMS掃描光柵，由偏晶硅片制成的大面積閃光柵具有較高的衍射效率和分辨率，較厚的光柵表面有效避免了動態變形問題，但也帶來了穩定性較弱的問題。掃描光柵采用電磁驅動和傳感，集成方便，驅動電壓低，但存在電磁干擾問題。掃描光柵微型近紅外光譜儀儀如圖5所示。

圖5 重慶大學微系統研究中心開發的掃描光柵微近紅外光譜儀儀

光柵掃描型微型近紅外光譜儀儀具有成本低、光譜范圍容易擴大等優點。MOEMS掃描光柵是一種可移動部件，抗震性能差。該儀器在成本要求嚴格但環境相對穩定的領域具有廣闊的應用前景。開發低成本、高性能的產品MOEMS掃描光柵是光柵掃描儀發展中需要突破的關鍵技術問題，在拓寬光譜范圍的同時，需要考慮如何解決二次光譜重疊的問題。

新技術及應用

濱松集成了狹縫CMOS采用納米壓印技術制成的凹面閃光柵，生產出結構更緊湊、集成度更高的指尖大小光譜儀，光譜范圍340-850 nm，如圖6所示。

圖6 日本濱松開發的超小光譜儀

德國INSION公司創造性地將集成光學技術應用于光譜儀，并將光纖光譜儀的所有光學元件集成在基礎材料上（One-chip design），因此，世界上最小的微光纖光譜儀(厚度只有9)被設計和生產.5 mm），如圖7所示。

圖7 德國INSION公司開發的微光譜儀

2015年7月2日，《Nature》該雜志發表了清華大學和麻省理工學院聯合開發的基于膠體量子點納米材料的微量子點光譜儀及其新生產方法。這是世界上第一次用膠體量子點納米材料制作微光譜儀。他們展示了由195種膠體量子點納米材料和普通數碼相機使用的成像感光元件組成的微光譜儀。每個量子點對特定的光譜范圍敏感，可以過濾各種波長的光，檢測到非常小的光譜位移，如圖8所示。

圖8 基于膠體量子點納米材料的微量量子點光譜儀

2016年，德國夫朗禾費研究所采用MEMS該技術開發了一種微型近紅外光譜儀儀，可以集成在手機上，體積只有一塊方糖，成本低，適合大規模生產，如圖9所示。與傳統的微光譜儀相比，該光譜儀具有更廣闊的市場前景和應用前景，可以在手機上集成微光譜儀。

圖9 德國夫朗禾費研究所開發的超小型近紅外光譜儀儀

未來展望

在MOEMS在技術的推動下，微型近紅外光譜儀儀的體積大大降低，成本大大降低，可以走出實驗室，應用于越來越多的領域。

不同類型的微型近紅外光譜儀儀的優缺點決定了不同的應用領域。由于近紅外探測器在整個微型近紅外光譜儀儀的成本中占很大比例，單管探測器的微型近紅外光譜儀儀成本較低，適用于價格限制嚴格的應用領域。雖然使用陣列探測器的微光譜儀價格相對較高，但由于沒有可移動部件，穩定性好，適用于沖擊大、振動強的惡劣環境。微型近紅外光譜儀儀不僅在農業生產、食品安全、生物醫學、石化、航空航天、國防安全等領域發揮著越來越重要的作用，而且逐漸結合智能手機進入人們的日常生活，如近年來SCIO、TellSpec、廉價小巧的微型近紅外光譜儀儀，如百度筷搜、譜蕓奶粉衛士等。

我國微型近紅外光譜儀儀研究起步較晚，探測器、數字微鏡陣列等重要部件仍依賴進口，雖然重慶大學、浙江大學、長春光學精密機械物理研究所等研究單位，在國家儀器專項支持下取得了一系列進展，但市場產品較少，類型主要是陣列檢測。目前，國內相關研究主要集中在跟蹤國外前沿技術，相關結構和檢測方法較少；由于檢測設備等核心設備的限制，微近紅外光譜儀儀在尺寸和性能參數（如分辨率）方面仍存在一定差距。

微型近紅外光譜儀儀在國內生產銷售的公司很少，規模也很小。與國外成熟的生產銷售體系相比，我國在這方面仍存在很大差距。因此，國內微型近紅外光譜儀儀產品的市場份額仍然較小。近年來，國家越來越重視近紅外分析儀器，未來市場上將出現更多類型的高性能微型近紅外光譜儀儀。此外，專用分析儀也是微型近紅外光譜儀儀商業化的重要方向。

微型近紅外光譜儀儀一直朝著寬光譜范圍、高分辨率、高信噪比、高集成度、體積小、成本低、檢測快等方向發展。國內外科研機構在新原理、新工藝、新材料等方面不懈探索和努力。比如清華大學鮑杰等人提出的量子點微光譜儀已經完成了可見光波段的原理驗證，有望推廣到近紅外波段。

未來，各種微納技術的發展必將為微近紅外光譜儀儀的發展提供強有力的技術支持，隨著微近紅外光譜儀儀的二次開發和應用領域的擴大，光譜與人類生產生活的聯系將更加密切。

作者簡介

余、溫泉、雷宏杰、黃良坤、溫志渝 重慶大學微系統研究中心，國防重點學科實驗室新型微納器件與系統技術，光電工程學院

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