光譜儀市場(chǎng)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(guó)民經(jīng)濟(jì)和安全的領(lǐng)域，如食品安全、環(huán)境監(jiān)測(cè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生物醫(yī)學(xué)越來(lái)越多的項(xiàng)目需要在現(xiàn)代社會(huì)進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)也面臨著不同的測(cè)試環(huán)境，因此對(duì)光譜儀的需求越來(lái)越強(qiáng)烈。近年來(lái)，光譜儀市場(chǎng)需求逐年增加，全球光譜儀市場(chǎng)持續(xù)穩(wěn)定增長(zhǎng)。
2010年全球光譜儀市場(chǎng)規(guī)模為1010.2013年增長(zhǎng)到122億美元.2014年達(dá)到131億美元.年平均增長(zhǎng)率為65億美元.7%。隨著下游市場(chǎng)的不斷推進(jìn)，全球光譜儀市場(chǎng)消費(fèi)量保持穩(wěn)定增長(zhǎng)，2014年全球光譜儀消費(fèi)量達(dá)到84萬(wàn)臺(tái)。2014年，中國(guó)光譜儀行業(yè)產(chǎn)能約22萬(wàn)臺(tái)，產(chǎn)量約18萬(wàn)臺(tái).2萬(wàn)臺(tái)。2014年，中國(guó)光譜儀行業(yè)的消費(fèi)量約為17.行業(yè)銷售市場(chǎng)規(guī)模約166萬(wàn)臺(tái).17億元。國(guó)際市場(chǎng)如圖1所示，國(guó)內(nèi)光譜儀如圖2所示。
圖1 全球光譜儀市場(chǎng)狀況
圖2 中國(guó)光譜儀市場(chǎng)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(chǎng)、實(shí)時(shí)、快速在線檢測(cè)的應(yīng)用需求。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和各種檢測(cè)環(huán)境的要求，光譜儀的微型化已成為《紐約時(shí)報(bào)》的趨勢(shì)。微光譜儀體積小，價(jià)格低，廠家越來(lái)越多，市場(chǎng)需求越來(lái)越大。傳統(tǒng)的光譜儀如圖3所示。
圖3 傳統(tǒng)光譜儀
微型近紅外光譜儀是世界上許多國(guó)家優(yōu)先發(fā)展的分析儀器之一。中國(guó)也在 2012 年 12 月 召開了第 446 次香山科學(xué)會(huì)議中國(guó)近紅外光譜分析關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題、應(yīng)用與發(fā)展戰(zhàn)略
微型近紅外光譜儀（Near Infrared Microspectrometer, NIM）是一種運(yùn)用光學(xué)原理對(duì)物質(zhì)的組分和含量進(jìn)行定性、定量分析的微型無(wú)損檢測(cè)儀器，具有小體積、低功耗、低成本、可現(xiàn)場(chǎng)在線分析、便于二次開發(fā)等優(yōu)點(diǎn)，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(guó)防安全等領(lǐng)域。
在美國(guó)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(gè)近紅外掃描光譜儀，近紅外光譜分析技術(shù)逐漸受到關(guān)注。然而，傳統(tǒng)的近紅外光譜儀存在體積大、功耗高、價(jià)格昂貴、二次開發(fā)困難等問(wèn)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(jī)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，微型近紅外光譜儀不僅成本低、體積小、功耗低，而且可以進(jìn)行二次開發(fā)，擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域。近年來(lái)，MOEMS隨著技術(shù)的快速發(fā)展，近紅外光譜儀的微型化進(jìn)程得到了極大的推動(dòng)。國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)先后提出了多種類型的微型近紅外光譜儀，相當(dāng)一部分公司基于市場(chǎng)推出MOEMS微型近紅外光譜儀的技術(shù)。
無(wú)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。微型近紅外光譜儀可分為陣列檢測(cè)型、光柵掃描型、濾光片型和傅里葉變換型。（Fourier transfor ** tion, FT）和阿達(dá)瑪變換型（Hada ** rd transform, HT）等多種類型。陣列檢測(cè)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(guò)空間或時(shí)間分離不同波長(zhǎng)的光，然后讀取光譜；傅里葉變換型和阿達(dá)瑪變換型屬于調(diào)制變換型，波分復(fù)用不同波長(zhǎng)的光。探測(cè)器檢測(cè)后，需要逆變換才能獲得光譜信號(hào)。
光柵掃描微型近紅外光譜儀
德國(guó)弗朗禾費(fèi)光學(xué)微系統(tǒng)研究所為了降低微型近紅外光譜儀的成本（IPMS）率先提出集分光和掃描于一體的集成MOEMS掃描光柵為核心元器件的光柵掃描型微型近紅外光譜儀，可以用價(jià)格低廉的單管探測(cè)器取代昂貴的陣列探測(cè)器，儀器的性能不再取決于陣列探測(cè)器而是掃描光柵，該類儀器的工作原理如圖4所示。入射光經(jīng)直鏡準(zhǔn)直，在MOEMS單管探測(cè)器在掃描光柵上色散成光譜并進(jìn)行掃描散成光譜并進(jìn)行掃描。
圖4 掃描光柵微型近紅外光譜儀的工作原理
近年來(lái)，弗朗禾費(fèi)IPMS該研究所報(bào)道了一種光柵掃描微型近紅外光譜儀，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(dòng)，集成壓電角傳感器進(jìn)行閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)高精度掃描。但由于鏡面只有幾十微米厚，在掃描過(guò)程中，鏡面容易出現(xiàn)動(dòng)態(tài)變形，影響光譜儀的信噪比。
德國(guó)HiperScan公司利用弗朗禾費(fèi)光學(xué)微系統(tǒng)研究所（IPMS）核心技術(shù)在市場(chǎng)上推出了相應(yīng)的商用光柵掃描微型近紅外光譜儀。
國(guó)內(nèi)西北工業(yè)大學(xué)喬大勇團(tuán)隊(duì)還研究了光柵掃描微型近紅外光譜儀，該團(tuán)隊(duì)開發(fā)MOEMS掃描光柵采用SOI靜電梳齒驅(qū)動(dòng)，但鏡面動(dòng)態(tài)變形也存在問(wèn)題，靜電驅(qū)動(dòng)所需的驅(qū)動(dòng)電壓較高。
重慶大學(xué)溫志渝團(tuán)隊(duì)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(dòng)態(tài)變形問(wèn)題，但也帶來(lái)了穩(wěn)定性較弱的問(wèn)題。掃描光柵采用電磁驅(qū)動(dòng)和傳感，集成方便，驅(qū)動(dòng)電壓低，但存在電磁干擾問(wèn)題。掃描光柵微型近紅外光譜儀如圖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
光柵掃描型微型近紅外光譜儀具有成本低、光譜范圍容易擴(kuò)大等優(yōu)點(diǎn)。MOEMS掃描光柵是一種可移動(dòng)部件，抗震性能差。該儀器在成本要求嚴(yán)格但環(huán)境相對(duì)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(wèn)題，在拓寬光譜范圍的同時(shí)，需要考慮如何解決二次光譜重疊的問(wèn)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(guó)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(jì)和生產(chǎn).5 mm），如圖7所示。
圖7 德國(guó)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(diǎn)納米材料的微量子點(diǎn)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(diǎn)納米材料制作微光譜儀。他們展示了由195種膠體量子點(diǎn)納米材料和普通數(shù)碼相機(jī)使用的成像感光元件組成的微光譜儀。每個(gè)量子點(diǎn)對(duì)特定的光譜范圍敏感，可以過(guò)濾各種波長(zhǎng)的光，檢測(cè)到非常小的光譜位移，如圖8所示。
圖8 基于膠體量子點(diǎn)納米材料的微量量子點(diǎn)光譜儀
2016年，德國(guó)夫朗禾費(fèi)研究所采用MEMS該技術(shù)開發(fā)了一種微型近紅外光譜儀，可以集成在手機(jī)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(chǎng)前景和應(yīng)用前景，可以在手機(jī)上集成微光譜儀。
圖9 德國(guó)夫朗禾費(fèi)研究所開發(fā)的超小型近紅外光譜儀
未來(lái)展望
在MOEMS在技術(shù)的推動(dòng)下，微型近紅外光譜儀的體積大大降低，成本大大降低，可以走出實(shí)驗(yàn)室，應(yīng)用于越來(lái)越多的領(lǐng)域。
不同類型的微型近紅外光譜儀的優(yōu)缺點(diǎn)決定了不同的應(yīng)用領(lǐng)域。由于近紅外探測(cè)器在整個(gè)微型近紅外光譜儀的成本中占很大比例，單管探測(cè)器的微型近紅外光譜儀成本較低，適用于價(jià)格限制嚴(yán)格的應(yīng)用領(lǐng)域。雖然使用陣列探測(cè)器的微光譜儀價(jià)格相對(duì)較高，但由于沒有可移動(dòng)部件，穩(wěn)定性好，適用于沖擊大、振動(dòng)強(qiáng)的惡劣環(huán)境。微型近紅外光譜儀不僅在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、食品安全、生物醫(yī)學(xué)、石化、航空航天、國(guó)防安全等領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，而且逐漸結(jié)合智能手機(jī)進(jìn)入人們的日常生活，如近年來(lái)SCIO、TellSpec、百度筷搜、譜蕓奶粉衛(wèi)士等廉價(jià)小巧的專用型微型近紅外光譜儀。
我國(guó)微型近紅外光譜儀研究起步較晚，探測(cè)器、數(shù)字微鏡陣列等重要部件仍依賴進(jìn)口，雖然重慶大學(xué)、浙江大學(xué)、長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械物理研究所等研究單位，在國(guó)家儀器專項(xiàng)支持下取得了一系列進(jìn)展，但市場(chǎng)產(chǎn)品較少，類型主要是陣列檢測(cè)。目前，國(guó)內(nèi)相關(guān)研究主要集中在跟蹤國(guó)外前沿技術(shù)，相關(guān)結(jié)構(gòu)和檢測(cè)方法較少；由于檢測(cè)設(shè)備等核心設(shè)備的限制，微近紅外光譜儀在尺寸和性能參數(shù)（如分辨率）方面仍存在一定差距。
微型近紅外光譜儀在國(guó)內(nèi)生產(chǎn)銷售的公司很少，規(guī)模也很小。與國(guó)外成熟的生產(chǎn)銷售體系相比，我國(guó)在這方面仍存在很大差距。因此，國(guó)內(nèi)微型近紅外光譜儀產(chǎn)品的市場(chǎng)份額仍然較小。近年來(lái)，國(guó)家越來(lái)越重視近紅外分析儀器，未來(lái)市場(chǎng)上將出現(xiàn)更多類型的高性能微型近紅外光譜儀。此外，專用分析儀也是微型近紅外光譜儀商業(yè)化的重要方向。
微型近紅外光譜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(cè)快等方向發(fā)展。國(guó)內(nèi)外科研機(jī)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(diǎn)微光譜儀已經(jīng)完成了可見光波段的原理驗(yàn)證，有望推廣到近紅外波段。
未來(lái)，各種微納技術(shù)的發(fā)展必將為微近紅外光譜儀的發(fā)展提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持，隨著微近紅外光譜儀的二次開發(fā)和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，光譜與人類生產(chǎn)生活的聯(lián)系將更加密切。
作者簡(jiǎn)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(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)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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