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得益于政策支持、国产替代加速及新能源、环保监测、医疗健康等领域的强劲需求，中国光谱仪市场正处于高速发展阶段，市场规模持续扩大。同时技术创新促使产品向高分辨率、高灵敏度、小型化、便携化升级，且国产替代空间广阔，国内企业研发投入加大，产品性能与进口品牌差距正在逐渐缩小。
关于光谱仪
01
光谱仪又称分光仪，是一种将成分复杂的光分解为光谱线的科学仪器，主要由准光镜系统、色散系统和摄谱（或望远镜）物镜系统组成。通过光谱仪对光信息的抓取、或电脑化自动显示数值仪器的显示和分析，从而测知物品中含有何种元素。
光谱仪是应用光学原理，对物质的结构和成分进行观测、分析和处理的基本设备，具有分析精度高、测量范围大、速度快和样品用量少等优点。
光谱仪的发展
02
1、传统光谱仪
传统色散光谱仪由一个入射狭缝，一个色散系统（图中为准直色散元件、色散元件），一个成像系统和一个或多个出射狭缝组成，用探测器阵列在选定的波长上（或扫描某一波段）进行强度测定。传统色散光谱仪具有很高的色散率与分辨本领，广泛运用于空气污染、水污染、食品卫生、金属工业等的检测中。
2、微型光谱仪
随着近年来光谱仪运用范围越来越广，传统的光谱仪光学系统结构复杂、体积庞大、测量速度慢等等不足愈加凸显。于是，研究如何将光谱仪微型化的重要性渐显。
与传统大型光谱仪相比，微型光谱仪有很多优点，如：速度快、价格低、体积小、重量轻及可以全谱获取，适用于在线实时检测，可以集成于手机、专业摄像机、战术头盔等多种小型化特殊设备。
目前的微型光谱仪可以大致分为四类：小型色散光谱仪、窄带滤波器光谱仪、傅里叶变换光谱仪、计算重建光谱仪。
图源：Science
小型色散光谱仪
色散型微型光谱仪通过简化光路、减小光学元件和探测器尺寸来实现微型化。由于光路变短必然会导致分辨率降低，研究人员开发了同时具有准直和色散功能的器件来提高光谱分辨率。此外，还可以在波导平面上制作色散元件，甚至在波导平面上集成单光子探测器来进一步减小基于波导的色散型光谱仪的尺寸，实现超灵敏的光谱探测。当然，基于波导的色散型光谱仪还存在一些技术挑战，比如波导的损耗，波导耦合等问题。
便携台式能量色散型X射线荧光光谱仪CTX™
上海铂悦仪器
窄带滤波光谱仪
窄带滤波光谱仪可以选择性地透射特定波长的光，实现对光谱的检测。为了测量入射光的不同光谱分量，窄带滤光片的透过波长需要随时间或者空间分布变化。分为单个窄带滤光片型与滤波片阵列型两类。
其不需要体积庞大的色散元件和光路，滤波片与探测器之间不需要分离（规避了传统色散方式路径长度的影响），可以做到非常紧凑。然而，单个滤波片浪费时间，滤波片阵列占用空间，空间与检测效率难以兼顾。
傅里叶变换光谱仪
傅里叶变换（FT）光谱仪通常用于红外范围内的吸收或发射光谱，其使用干涉仪随时间调制入射到单个检测器上的光，然后基于迈克尔逊干涉仪形成干涉光，通过样品后含有样品信息的干涉光到达检测器，然后通过傅里叶变换对信号进行处理，最终得到透过率或吸光度随波长变化的吸收光谱图。探测器收集的“干涉图”通过傅里叶变换转换为波长相关光谱。具有信噪比高、尺寸小、成本低的优势。
傅里叶红外光谱仪FTIR4000
美能光伏
计算重构光谱仪
随着计算技术的发展，在过去的十年中，出现了一种新的光谱仪类型，通过计算来近似或“重建”入射光光谱。主要分为光谱-空间映射型和光谱响应调制型。
（1）光谱-空间映射
在传统基于光栅的光谱仪中，光谱域的一个点（一个波长）被映射到空间域的一个点（一个探测器），这种一对一的光谱-空间映射极大限制了对空间占用的减少和光谱分辨率的提高。
计算光谱型采用一对多的复杂映射，为不同波长创建不同的特征谱，当单色光通过色散元件时，将在输出端产生与波长对应的特征谱。当多色光通过时，输出则是各波长特征谱的叠加，待测光谱的本质是这些特征谱权重值的集合，通过解算线性方程组的解，可以得到编码在其中的待测光谱分布。特征谱之间的差异性决定了重构光谱仪的分辨率，差异性越大，光谱分辨率越高。
（2）空间响应调制
第二种方法是通过设计探测器或将光学元件与探测器集成等方法为每个探测器定制不同的光谱响应。通过求解探测器的光谱响应函数获得待测光谱，但是这种类型的光谱仪需要单独设计加工滤波器和探测器阵列，增加了制造复杂性，限制了系统小型化。
微型光谱仪的发展潜力巨大，光栅色散型、基于微机电系统的可调滤波型和傅里叶变换型微型光谱仪已经实现了商业化应用，并且随着计算技术的快速发展，因小型化而导致的检测性能下降问题也将被进一步解决。微型光谱仪将在智能手机、卫星和无人机、可穿戴设备等应用中出现，为农业、矿物、医学、公共消费等领域开辟新的道路。
文章来源：中国光学
