光譜儀市場需求逐年增加

光譜儀是現(xiàn)代分析儀器的重要組成部分。利用光學(xué)原理，可以定性和定量地分析物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和成分。如今，它已廣泛應(yīng)用于許多涉及國民經(jīng)濟和安全的領(lǐng)域，如食品安全、環(huán)境監(jiān)測、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生物醫(yī)學(xué)越來越多的項目需要在現(xiàn)代社會進行測試，同時也面臨著不同的測試環(huán)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(xù)穩(wěn)定增長。

2010年全球光譜儀市場規(guī)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(wěn)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(yè)產(chǎn)能約22萬臺，產(chǎn)量約18.2萬臺。2014年，我國光譜儀行業(yè)消費量約17.4萬臺，行業(yè)銷售市場規(guī)模約166.17億元。國際市場如圖1所示，國內(nèi)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(tǒng)光譜儀體積大、功耗大、成本高、二次開發(fā)不方便，難以滿足特殊領(lǐng)域環(huán)境下現(xiàn)場、實時、快速在線檢測的應(yīng)用需求。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和各種檢測環(huán)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(tǒng)的光譜儀如圖3所示。

圖3 傳統(tǒng)光譜儀

微型近紅外光譜儀儀是世界上許多國家優(yōu)先發(fā)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(xué)會議中國近紅外光譜儀分析關(guān)鍵技術(shù)問題、應(yīng)用與發(fā)展戰(zhàn)略

微型近紅外光譜儀儀（Near Infrared Microspectrometer, NIM）它是一種利用光學(xué)原理對物質(zhì)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(xiàn)場在線分析、二次開發(fā)方便等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、食品安全、生物醫(yī)學(xué)、石化、航空航天、國防安全等領(lǐng)域。

在美國農(nóng)業(yè)部的支持下，20世紀(jì)60年代Karl Norris領(lǐng)導(dǎo)研究小組開發(fā)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(shù)逐漸受到關(guān)注。然而，傳統(tǒng)的近紅外光譜儀儀存在體積大、功耗高、價格昂貴、二次開發(fā)困難等問題，極大地限制了其應(yīng)用范圍。

直到20世紀(jì)90年代，微光機電系統(tǒng)（Micro-Opto-Electro-mechanicalsystem, MOEMS）隨著技術(shù)的興起，微型近紅外光譜儀儀逐漸出現(xiàn)。與傳統(tǒng)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(fā)，擴大應(yīng)用領(lǐng)域。近年來，MOEMS隨著技術(shù)的快速發(fā)展，近紅外光譜儀儀的微型化進程得到了極大的推動。國內(nèi)外研究機構(gòu)先后提出了多種類型的微型近紅外光譜儀儀，相當(dāng)一部分公司基于市場推出MOEMS微型近紅外光譜儀儀的技術(shù)。

無論哪種類型的光譜儀，復(fù)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(jīng)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(diào)制變換型，波分復(fù)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(xué)微系統(tǒng)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(jīng)直鏡準(zhǔn)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(qū)動，集成壓電角傳感器進行閉環(huán)控制，實現(xiàn)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(xiàn)動態(tài)變形，影響光譜儀的信噪比。

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

國內(nèi)西北工業(yè)大學(xué)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(fā)MOEMS使用掃描光柵SOI靜電梳齒驅(qū)動，但鏡面動態(tài)變形也存在問題，靜電驅(qū)動所需的驅(qū)動電壓較高。

重慶大學(xué)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(tài)變形問題，但也帶來了穩(wěn)定性較弱的問題。掃描光柵采用電磁驅(qū)動和傳感，集成方便，驅(qū)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(xué)微系統(tǒng)研究中心開發(fā)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(yōu)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(yán)格但環(huán)境相對穩(wěn)定的領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。開發(fā)低成本、高性能的產(chǎn)品MOEMS掃描光柵是光柵掃描儀發(fā)展中需要突破的關(guān)鍵技術(shù)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(shù)及應(yīng)用

濱松集成了狹縫CMOS采用納米壓印技術(shù)制成的凹面閃光柵，生產(chǎn)出結(jié)構(gòu)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(fā)的超小光譜儀

德國INSION公司創(chuàng)造性地將集成光學(xué)技術(shù)應(yīng)用于光譜儀，并將光纖光譜儀的所有光學(xué)元件集成在基礎(chǔ)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(shè)計和生產(chǎn).5 mm），如圖7所示。

圖7 德國INSION公司開發(fā)的微光譜儀

2015年7月2日，《Nature》該雜志發(fā)表了清華大學(xué)和麻省理工學(xué)院聯(lián)合開發(fā)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(chǎn)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(shù)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(shù)開發(fā)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(guī)模生產(chǎn)，如圖9所示。與傳統(tǒng)的微光譜儀相比，該光譜儀具有更廣闊的市場前景和應(yīng)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(fā)的超小型近紅外光譜儀儀

未來展望

在MOEMS在技術(shù)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(yīng)用于越來越多的領(lǐng)域。

不同類型的微型近紅外光譜儀儀的優(yōu)缺點決定了不同的應(yīng)用領(lǐng)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(yán)格的應(yīng)用領(lǐng)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(wěn)定性好，適用于沖擊大、振動強的惡劣環(huán)境。微型近紅外光譜儀儀不僅在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、食品安全、生物醫(yī)學(xué)、石化、航空航天、國防安全等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用，而且逐漸結(jié)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(wèi)士等。

我國微型近紅外光譜儀儀研究起步較晚，探測器、數(shù)字微鏡陣列等重要部件仍依賴進口，雖然重慶大學(xué)、浙江大學(xué)、長春光學(xué)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(chǎn)品較少，類型主要是陣列檢測。目前，國內(nèi)相關(guān)研究主要集中在跟蹤國外前沿技術(shù)，相關(guān)結(jié)構(gòu)和檢測方法較少；由于檢測設(shè)備等核心設(shè)備的限制，微近紅外光譜儀儀在尺寸和性能參數(shù)（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(nèi)生產(chǎn)銷售的公司很少，規(guī)模也很小。與國外成熟的生產(chǎn)銷售體系相比，我國在這方面仍存在很大差距。因此，國內(nèi)微型近紅外光譜儀儀產(chǎn)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(xiàn)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(yè)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(fā)展。國內(nèi)外科研機構(gòu)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(xué)鮑杰等人提出的量子點微光譜儀已經(jīng)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(shù)的發(fā)展必將為微近紅外光譜儀儀的發(fā)展提供強有力的技術(shù)支持，隨著微近紅外光譜儀儀的二次開發(fā)和應(yīng)用領(lǐng)域的擴大，光譜與人類生產(chǎn)生活的聯(lián)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(xué)微系統(tǒng)研究中心，國防重點學(xué)科實驗室新型微納器件與系統(tǒng)技術(shù)，光電工程學(xué)院

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