淺談光電探測器和圖像傳感器（十）：光譜探測器與片上光譜儀（1）

前言/

前面的淺談光電探測器和圖像傳感器系列介紹了圖像傳感器的分類，常見光電探測器的原理、材料和器件結(jié)構(gòu)、微光探測圖像傳感器、偏振探測圖像傳感器、X射線圖像傳感器、量子點圖像傳感器、新型圖像傳感器等內(nèi)容。

其中我們介紹到按波長分類，光電探測器可以分為紫外、可見、紅外探測器，實際上還有一類新型光電探測器，其不但能實現(xiàn)不同波長的信號探測，還能獲得其波長信息，那就是光譜探測器。

1 回顧：多信息維度光電探測器

在講光譜探測器之前，進行一個簡單的回顧，在淺談光電探測器和圖像傳感器（六）:從成像技術(shù)角度新型探測器之偏振探測中我們提到光是一種具有多個維度信息的電磁波，通過對光不同維度信息的利用，可以獲得不同的信息。對應(yīng)偏振信息的探測的光電器件叫偏振探測器，對應(yīng)光譜信息的探測器件叫做光譜探測器，此外還有同時實現(xiàn)偏振光譜探測的光電探測器（polarispectrometer）。

光的偏振和光譜探測在傳統(tǒng)的實現(xiàn)方式上都是通過光學(xué)模組實現(xiàn)的，通過光路設(shè)計，引入分光、衍射元件，但是在這些傳統(tǒng)的設(shè)計中，功能的實現(xiàn)主要通過光學(xué)系統(tǒng)得以實現(xiàn)，而sensor主要就負(fù)責(zé)接收最終的光強信息。

基于光的多自由度的新型sensor的設(shè)計思路是：將功能實現(xiàn)的壓力挪到sensor器件側(cè)，在器件層面實現(xiàn)功能化，從而實現(xiàn)系統(tǒng)層面的小型化、架構(gòu)層面的極簡化。這一思路也很簡單，如果sensor能夠直接獲得光的偏振、光譜信息，那一方面成像系統(tǒng)將會大大簡化、直接帶來成本收益；另一方面，系統(tǒng)簡化帶來架構(gòu)變更，直接帶來應(yīng)用場景的拓展。

新型多模態(tài)探測器，實現(xiàn)光的多自由度信息提取https://www.techbriefs.com/component/content/article/46606-an-on-chip-spectrometer-and-the-future-of-image-sensors

2? 光譜探測器和微型光譜儀簡介/

光譜儀是研究物質(zhì)與光相互作用的電子設(shè)備，在食品檢測、環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)生產(chǎn)控制、生物醫(yī)療、傳感等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的光譜儀以臺式設(shè)備的形態(tài)存在，體積龐大、成本高昂，主要用于實驗室或者工業(yè)生產(chǎn)中，難以用于便攜式應(yīng)用和消費級應(yīng)用。同之前介紹的偏振探測一樣，光譜探測設(shè)備目前也向著小型化、模組化、器件化方向發(fā)展（淺談光電探測器和圖像傳感器（六）:從成像技術(shù)角度新型探測器之偏振探測）。為了適配更多的應(yīng)用場景，滿足to-C類產(chǎn)品的諸多需求，學(xué)術(shù)界和企業(yè)界開發(fā)了各種微型光譜儀。

從WOS的檢索結(jié)果可以看到，近年來片上光譜儀的相關(guān)研究呈現(xiàn)逐步增長趨勢，相關(guān)研究單位包括各大高校，研究所，公司（具體單位如圖所示）。

微型光譜儀（Miniature Spectrometer）具有體積小、重量輕、易于攜帶和嵌入、功耗低、成本低等優(yōu)勢。微型光譜儀的出現(xiàn)，打破了傳統(tǒng)光譜儀體積大、重量重、價格高等限制，為光譜儀的應(yīng)用拓展了廣闊的空間。

1980 年代至 2000 年代初期，借助微制造領(lǐng)域的突破，光刻和蝕刻工藝的進步，以及微機電系統(tǒng) (MEMS) 技術(shù)和片上光子集成系統(tǒng)的持續(xù)發(fā)展，使得制造復(fù)雜的小型化色散、傅里葉變換或濾波器型硅光集成系統(tǒng)和MEMS系統(tǒng)成為可能，微型光譜儀得以初步發(fā)展，并退推出很多便攜式的光譜儀產(chǎn)品。在2000 年代后，得益于納米加工和集成光子學(xué)等新興領(lǐng)域的進步，光譜儀進一步小型化，片上化，集成化。2015年后，越來越多的極簡光譜器件被提出，借助算法的進步，新器件材料的提出、微納光學(xué)的發(fā)展，微型光譜儀實現(xiàn)了進一步的小型化，且一定程度上解決了小型化過程中帶來的性能、成本、體積之間的權(quán)衡問題。

芯片級光譜儀由于其高集成度、小尺寸、可嵌入、低成本等優(yōu)勢，其可以與智能手機、電腦、傳感設(shè)備或可穿戴設(shè)備集成，因此具有較大的市場前景。尤其是在生物醫(yī)學(xué)類和消費類應(yīng)用。據(jù)報道，預(yù)計到2024年，芯片級光譜傳感器的使用量將達到每年3億個以上，一些熱門應(yīng)用在2020-2024年期間的復(fù)合年增長率（CAGR）高達111%。

從產(chǎn)品化和企業(yè)界角度看，微型光譜儀和小型化光譜儀的玩家有Senorics，SCIO，TI，Ocean Optics 、Hamamatsu 、Viavi、Si-Ware 、超微光學(xué)、Nanolambda、Avantes等。除了微型光譜儀，更多的芯片級光譜儀產(chǎn)品也在被不斷推出。國內(nèi)目前芯片級光譜儀的代表企業(yè)包括與光科技、Hypernano、芯視界、Vispek等。微型光譜的產(chǎn)業(yè)化部分后續(xù)有時間再展開總結(jié)歸納。

2? 光譜儀的分類和原理/

從形態(tài)上分，光譜儀可以分為傳統(tǒng)的大體積的光譜儀，便攜光譜儀，微型光譜儀，和片上光譜儀。

其中傳統(tǒng)的光譜儀設(shè)備通常通過光柵/棱鏡分光，結(jié)合線陣探測器，實現(xiàn)光譜信號的提取。傳統(tǒng)設(shè)備型光譜儀的優(yōu)點在于測量精度高，探測度高，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，很適用于科學(xué)實驗和工業(yè)檢測場景。但是傳統(tǒng)光譜儀通常體積龐大，成本高昂，在消費級場景中應(yīng)用受限。而隨著工業(yè)4.0的到來，智能傳感、萬物互聯(lián)、AI技術(shù)等技術(shù)的發(fā)展，消費級產(chǎn)品領(lǐng)域，生命健康領(lǐng)域等對小型化的光譜傳感有了越來越多的需求。

便攜式光譜儀，其具有體積小、重量輕、便于攜帶的特點，其在快速驗證，現(xiàn)場檢測，實驗室分析等場景中都有普遍應(yīng)用。便攜式光譜儀通常體積和重量都比臺式光譜儀小，可以手持或背負(fù)，但是由于其體積依然較大，成本也不夠低廉，其在消費級場景領(lǐng)域依然應(yīng)用受限。

微型光譜儀的體積和重量比便攜式光譜儀更小，可以作為配件而不是獨立設(shè)備，因此可嵌入到其他設(shè)備中。由于形態(tài)優(yōu)勢使得微型光譜儀可以應(yīng)用于智能機器人，醫(yī)療快速診斷，智能家居，食品監(jiān)測等場景。

片上光譜儀（On-chip Spectrometer，又稱集成光譜儀），也稱為芯片級光譜儀，是一種將光譜儀功能集成到芯片上的微型光譜儀。相比于其他光譜儀，片上光譜儀具有最小體積小、最輕重量、最低功耗、最低成本，最簡架構(gòu)等特點，可以廣泛應(yīng)用于：

移動設(shè)備：可以用于智能手機、實現(xiàn)對環(huán)境、食品、藥品等物質(zhì)的快速檢測。

可穿戴設(shè)備：可以用于監(jiān)測人體健康狀況。

醫(yī)療診斷：可以用于快速診斷、IVD，POCT，微流控芯片，輔助疾病診斷。

物聯(lián)網(wǎng)：可以用于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中，實現(xiàn)實時監(jiān)測。

環(huán)境監(jiān)測：可以用于空氣、水質(zhì)等環(huán)境質(zhì)量的實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)收集。

光譜儀除了從形態(tài)上進行分類外，還可以從原理上進行劃分。2021年1月29日，浙江大學(xué)楊宗銀研究員在Science上發(fā)表論文，第一次系統(tǒng)性地總結(jié)了光譜儀微型化的技術(shù)方案和發(fā)展歷程。文章中提到，從原理上劃分光譜儀可以分為色散型光學(xué)原理，傅里葉變換原理（干涉原理），窄帶濾光原理，計算重構(gòu)原理。

1.色散分光

色散分光是光學(xué)系統(tǒng)中常用的技術(shù)，可以實現(xiàn)將不同波長的光在空間上分開。分開后的單色光用不同探測器或者同一探測器的不同像素去收集后，即可獲得光譜信息。在傳統(tǒng)光譜儀設(shè)備和便攜式設(shè)備中常用的分光元件包括棱鏡、光柵等。

色散分光式微型光譜儀中常通過MEMS結(jié)構(gòu)、微光柵等代替原本體積較大的棱鏡、閃耀光柵等，同時縮減光路以實現(xiàn)系統(tǒng)的微型化。由于與傳統(tǒng)光譜儀在設(shè)計和原理上沒有較大的區(qū)別，只是通過光路系統(tǒng)簡化、元件微縮等方式實現(xiàn)整個模組的小型化，因此其微縮比例有限，且隨著微縮比例的增加，性能愈加惡化。Ocean Optics、Hamamatsu Photonics、Thorlabs等公司都是微型光譜儀的主要玩家。

基于分光原理也可以制備片上光譜儀，其實質(zhì)是片上光路的集成，涉及到硅基光子集成領(lǐng)域。常見的基于分光型的片上光譜儀有片上微光柵、光子晶體分光，AWG波導(dǎo)結(jié)構(gòu)等。

基于色散分光的光譜儀的微縮路線面臨的主要問題是光譜探測性能隨著光路的微縮而顯著降低。這是由于其原理導(dǎo)致的，因為其光譜分辨率直接取決于空間分散度，尤其對于自由空間光，其空間光路的縮短和系統(tǒng)體積的壓縮導(dǎo)致實現(xiàn)光色散的空間受限。基于波導(dǎo)和其他片上光柵的片上集成光路是一個緩解上述問題的方案，但是考慮到目前硅光芯片的成本和成熟度，該方案距離實現(xiàn)產(chǎn)品上的規(guī)模級使用還有一定距離。

2.傅里葉變化型

通過干涉的方式也可以實現(xiàn)光譜探測，傅里葉變換光譜儀通常用于紅外光譜測量，通過干涉儀來調(diào)制光強信號來獲得時間干涉圖，再經(jīng)傅里葉變換獲得待測光譜。傅里葉變換光譜儀可分為移動式和固定式兩種。移動式的主要基于邁克爾遜干涉儀，其含有一塊移動反射鏡，其光譜分辨率受到移動反射鏡的最大行程限制。固定型的基于馬赫-曾德爾干涉儀（MZI），通過將入射光分光程來產(chǎn)生相位差。傳統(tǒng)的FTIR光譜儀就是基于邁克遜干涉原理實現(xiàn)的。

基于干涉原理也有一些微型光譜儀和片上光譜儀。片上光譜儀常見的是基于MZI式的，因為其不需要移動部件，容易實現(xiàn)片上集成，而FTIR由于涉及移動部件，需要借助MEMS技術(shù)，工藝比MZI更加復(fù)雜，因此相對而言片上化帶來的優(yōu)勢較小，研究較少。FP干涉原理可以制備可調(diào)諧的單點光譜探測器，比如濱松的MEMS FP光譜探測器。FP原理也可以用于濾光片型光譜儀中，比如基于線性濾光片的濾光型光譜儀。

3.窄帶濾光型

基于窄帶濾光的光譜儀是目前片上光譜儀的一大研究方向，其思路比較直接，原理比較簡單，工藝復(fù)雜度相對較低，成本也較為低廉，是目前較具潛力的商業(yè)化方案之一。

我們知道現(xiàn)在的彩色照相機是通過在感光像素陣列上集成RGB bayer濾光片實現(xiàn)的，窄帶濾光片型光譜探測器在設(shè)計上有點類似CIS中RGB陣列的升級版本，只不過每個單元中的細(xì)分波長更多，亞像素更多。不過窄帶濾光型光譜芯片在用于光譜成像時會面臨一個問題，就是空間分辨率和波長分辨率的權(quán)衡，在對成像需求較低時候可以通過犧牲空間分辨率換取波長分辨率，實現(xiàn)光譜探測。后面將會講到計算型濾光光譜儀可以部分解決這一問題。

根據(jù)濾光片層的實現(xiàn)方式，濾光型片上光譜儀又可以分為量子點濾光片、薄膜濾光片、超材料濾光、線性濾光片、FP濾光片型。

值得一提的是，這里說的濾光片型片上光譜儀都是基于窄帶濾光型，實際上還有一種是多譜段的非窄帶濾光型，不過后者一般歸于計算重構(gòu)型光譜儀。

4.計算重構(gòu)型

計算重構(gòu)型光譜儀和窄帶光譜儀不同，其不是直接獲取每個波段的單色光并直接讀出，而是相當(dāng)于對入射光譜通過“濾光”進行一次編碼，然后結(jié)合算法進行“解碼”重構(gòu)。

計算光譜與傳統(tǒng)光譜的區(qū)別在于，計算光譜將算法重構(gòu)引入系統(tǒng)，提高信息利用率，從而緩解微型片上光譜儀面臨的空間分辨率和光譜分辨率之間的矛盾，同時也能減少冗余數(shù)據(jù)，降耗提速。類似計算成像的思路，計算光譜也涉及信息編碼和信息解碼過程，信息解碼通過軟件實現(xiàn)，信息編碼在硬件側(cè)實現(xiàn)，通過編碼元件處于的位置和方式還可以進一步劃分為對光信號的編碼過程、對探測響應(yīng)度的編碼過程，前者多通過集成的片上光學(xué)元件實現(xiàn)光信號的衍射、干涉調(diào)制等，后者則通過各種濾光元件、探測器件、乃至感光材料的設(shè)計實現(xiàn)。

計算重構(gòu)型相比于窄帶濾光而言，其優(yōu)勢在于可以通過壓縮編碼實現(xiàn)通過更少像素單元實現(xiàn)同樣分辨率的光譜探測功能。

基于對探測響應(yīng)度的編碼的計算光譜儀又可以細(xì)分為濾光型，感光波段可調(diào)諧材料型，電壓調(diào)諧型。

1. 基于濾光型的計算光譜儀在形態(tài)上和窄帶濾光片型片上光譜儀很類似，區(qū)別在于其濾光片層是對寬波段光的編碼濾光。濾光元件可以是光子晶體，超結(jié)構(gòu)等實現(xiàn)衍射編碼功能的光學(xué)元件?；谶@一原理的計算光譜已有相關(guān)公司和產(chǎn)品，比如與光科技。

其實除了設(shè)計濾光型編碼，還可以設(shè)計衍射型編碼，比如近日，華中科技大學(xué)劉世元教授團隊通過將“時間部分相干衍射光強相干模式分解”引入至光譜測量研究中，創(chuàng)造性提出并研制了一種部分相干衍射微型計算光譜儀。

2. 感光波段可調(diào)諧材料型是通過直接設(shè)計光譜響應(yīng)可調(diào)節(jié)的探測材料，實現(xiàn)對光譜信息的編碼，這一方案可以實現(xiàn)無光學(xué)元件的極簡設(shè)計，讓探測像素本身就具有光學(xué)功能和光電功能。這一類型光譜儀的代表是浙江大學(xué)楊宗銀教授的納米線光譜儀。

2019年9月6日，英國劍橋大學(xué)TawfiqueHasan團隊楊宗銀博士在Science在線發(fā)表題為"Single-nanowire spectrometers"的研究論文，該研究開發(fā)出了尺寸僅幾十微米的光譜儀，其大小僅為市面上最小光譜儀的千分之一。這篇工作的發(fā)表，在國內(nèi)外又一次掀起了微型片上光譜儀的研究熱潮。該光譜儀的原理是通過組分可調(diào)的三元化合物納米線CdSxSe1-x 實現(xiàn)同一根納米線上帶隙連續(xù)可調(diào)，再通過電極定義像素區(qū)域，構(gòu)建探測線陣實現(xiàn)帶低通濾光的編碼光譜響應(yīng)。

3. 電壓調(diào)諧型是近年來逐漸興起的一個新的計算光譜思路，其優(yōu)點在于可以通過單個器件實現(xiàn)光譜重構(gòu)。其基于的基本原理是器件在不同電壓下具有不同的光譜響應(yīng)，因此通過采取不同電壓偏置下的光譜響應(yīng)曲線即可實現(xiàn)光譜編碼。

近年來發(fā)表的電壓調(diào)諧型光譜探測器件有范德華異質(zhì)結(jié)型，雙柵黑磷探測器，漸變p-n結(jié)，他們的特點在于可以通過電壓調(diào)節(jié)器件內(nèi)的費米能級、結(jié)間勢壘、能帶結(jié)構(gòu)，從而調(diào)節(jié)光吸收過程或者光生載流子的輸運過程，實現(xiàn)光譜響應(yīng)的可調(diào)諧。

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