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前言/
前面的浅谈光电探测器和图像传感器系列介绍了图像传感器的分类，常见光电探测器的原理、材料和器件结构、微光探测图像传感器、偏振探测图像传感器、X射线图像传感器、量子点图像传感器、新型图像传感器等内容。
其中我们介绍到按波长分类，光电探测器可以分为紫外、可见、红外探测器，实际上还有一类新型光电探测器，其不但能实现不同波长的信号探测，还能获得其波长信息，那就是光谱探测器。
1 回顾：多信息维度光电探测器
在讲光谱探测器之前，进行一个简单的回顾，在浅谈光电探测器和图像传感器（六）:从成像技术角度新型探测器之偏振探测中我们提到光是一种具有多个维度信息的电磁波，通过对光不同维度信息的利用，可以获得不同的信息。对应偏振信息的探测的光电器件叫偏振探测器，对应光谱信息的探测器件叫做光谱探测器，此外还有同时实现偏振光谱探测的光电探测器（polarispectrometer）。
光的偏振和光谱探测在传统的实现方式上都是通过光学模组实现的，通过光路设计，引入分光、衍射元件，但是在这些传统的设计中，功能的实现主要通过光学系统得以实现，而sensor主要就负责接收最终的光强信息。
基于光的多自由度的新型sensor的设计思路是：将功能实现的压力挪到sensor器件侧，在器件层面实现功能化，从而实现系统层面的小型化、架构层面的极简化。这一思路也很简单，如果sensor能够直接获得光的偏振、光谱信息，那一方面成像系统将会大大简化、直接带来成本收益；另一方面，系统简化带来架构变更，直接带来应用场景的拓展。
新型多模态探测器，实现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 光谱探测器和微型光谱仪简介/
光谱仪是研究物质与光相互作用的电子设备，在食品检测、环境监测、工业生产控制、生物医疗、传感等领域有着广泛的应用。传统的光谱仪以台式设备的形态存在，体积庞大、成本高昂，主要用于实验室或者工业生产中，难以用于便携式应用和消费级应用。同之前介绍的偏振探测一样，光谱探测设备目前也向着小型化、模组化、器件化方向发展（浅谈光电探测器和图像传感器（六）:从成像技术角度新型探测器之偏振探测）。为了适配更多的应用场景，满足to-C类产品的诸多需求，学术界和企业界开发了各种微型光谱仪。
从WOS的检索结果可以看到，近年来片上光谱仪的相关研究呈现逐步增长趋势，相关研究单位包括各大高校，研究所，公司（具体单位如图所示）。
微型光谱仪（Miniature Spectrometer）具有体积小、重量轻、易于携带和嵌入、功耗低、成本低等优势。微型光谱仪的出现，打破了传统光谱仪体积大、重量重、价格高等限制，为光谱仪的应用拓展了广阔的空间。
1980 年代至 2000 年代初期，借助微制造领域的突破，光刻和蚀刻工艺的进步，以及微机电系统 (MEMS) 技术和片上光子集成系统的持续发展，使得制造复杂的小型化色散、傅里叶变换或滤波器型硅光集成系统和MEMS系统成为可能，微型光谱仪得以初步发展，并退推出很多便携式的光谱仪产品。在2000 年代后，得益于纳米加工和集成光子学等新兴领域的进步，光谱仪进一步小型化，片上化，集成化。2015年后，越来越多的极简光谱器件被提出，借助算法的进步，新器件材料的提出、微纳光学的发展，微型光谱仪实现了进一步的小型化，且一定程度上解决了小型化过程中带来的性能、成本、体积之间的权衡问题。
芯片级光谱仪由于其高集成度、小尺寸、可嵌入、低成本等优势，其可以与智能手机、电脑、传感设备或可穿戴设备集成，因此具有较大的市场前景。尤其是在生物医学类和消费类应用。据报道，预计到2024年，芯片级光谱传感器的使用量将达到每年3亿个以上，一些热门应用在2020-2024年期间的复合年增长率（CAGR）高达111%。
从产品化和企业界角度看，微型光谱仪和小型化光谱仪的玩家有Senorics，SCIO，TI，Ocean Optics 、Hamamatsu 、Viavi、Si-Ware 、超微光学、Nanolambda、Avantes等。除了微型光谱仪，更多的芯片级光谱仪产品也在被不断推出。国内目前芯片级光谱仪的代表企业包括与光科技、Hypernano、芯视界、Vispek等。微型光谱的产业化部分后续有时间再展开总结归纳。
2 光谱仪的分类和原理/
从形态上分，光谱仪可以分为传统的大体积的光谱仪，便携光谱仪，微型光谱仪，和片上光谱仪。
其中传统的光谱仪设备通常通过光栅/棱镜分光，结合线阵探测器，实现光谱信号的提取。传统设备型光谱仪的优点在于测量精度高，探测度高，系统稳定性好，很适用于科学实验和工业检测场景。但是传统光谱仪通常体积庞大，成本高昂，在消费级场景中应用受限。而随着工业4.0的到来，智能传感、万物互联、AI技术等技术的发展，消费级产品领域，生命健康领域等对小型化的光谱传感有了越来越多的需求。
便携式光谱仪，其具有体积小、重量轻、便于携带的特点，其在快速验证，现场检测，实验室分析等场景中都有普遍应用。便携式光谱仪通常体积和重量都比台式光谱仪小，可以手持或背负，但是由于其体积依然较大，成本也不够低廉，其在消费级场景领域依然应用受限。
微型光谱仪的体积和重量比便携式光谱仪更小，可以作为配件而不是独立设备，因此可嵌入到其他设备中。由于形态优势使得微型光谱仪可以应用于智能机器人，医疗快速诊断，智能家居，食品监测等场景。
片上光谱仪（On-chip Spectrometer，又称集成光谱仪），也称为芯片级光谱仪，是一种将光谱仪功能集成到芯片上的微型光谱仪。相比于其他光谱仪，片上光谱仪具有最小体积小、最轻重量、最低功耗、最低成本，最简架构等特点，可以广泛应用于：
移动设备：可以用于智能手机、实现对环境、食品、药品等物质的快速检测。
可穿戴设备：可以用于监测人体健康状况。
医疗诊断：可以用于快速诊断、IVD，POCT，微流控芯片，辅助疾病诊断。
环境监测：可以用于空气、水质等环境质量的实时监测和数据收集。
光谱仪除了从形态上进行分类外，还可以从原理上进行划分。2021年1月29日，浙江大学杨宗银研究员在Science上发表论文，第一次系统性地总结了光谱仪微型化的技术方案和发展历程。文章中提到，从原理上划分光谱仪可以分为色散型光学原理，傅里叶变换原理（干涉原理），窄带滤光原理，计算重构原理。
1.色散分光
色散分光是光学系统中常用的技术，可以实现将不同波长的光在空间上分开。分开后的单色光用不同探测器或者同一探测器的不同像素去收集后，即可获得光谱信息。在传统光谱仪设备和便携式设备中常用的分光元件包括棱镜、光栅等。
色散分光式微型光谱仪中常通过MEMS结构、微光栅等代替原本体积较大的棱镜、闪耀光栅等，同时缩减光路以实现系统的微型化。由于与传统光谱仪在设计和原理上没有较大的区别，只是通过光路系统简化、元件微缩等方式实现整个模组的小型化，因此其微缩比例有限，且随着微缩比例的增加，性能愈加恶化。Ocean Optics、Hamamatsu Photonics、Thorlabs等公司都是微型光谱仪的主要玩家。
基于分光原理也可以制备片上光谱仪，其实质是片上光路的集成，涉及到硅基光子集成领域。常见的基于分光型的片上光谱仪有片上微光栅、光子晶体分光，AWG波导结构等。
基于色散分光的光谱仪的微缩路线面临的主要问题是光谱探测性能随着光路的微缩而显著降低。这是由于其原理导致的，因为其光谱分辨率直接取决于空间分散度，尤其对于自由空间光，其空间光路的缩短和系统体积的压缩导致实现光色散的空间受限。基于波导和其他片上光栅的片上集成光路是一个缓解上述问题的方案，但是考虑到目前硅光芯片的成本和成熟度，该方案距离实现产品上的规模级使用还有一定距离。
2.傅里叶变化型
通过干涉的方式也可以实现光谱探测，傅里叶变换光谱仪通常用于红外光谱测量，通过干涉仪来调制光强信号来获得时间干涉图，再经傅里叶变换获得待测光谱。傅里叶变换光谱仪可分为移动式和固定式两种。移动式的主要基于迈克尔逊干涉仪，其含有一块移动反射镜，其光谱分辨率受到移动反射镜的最大行程限制。固定型的基于马赫-曾德尔干涉仪（MZI），通过将入射光分光程来产生相位差。传统的FTIR光谱仪就是基于迈克逊干涉原理实现的。
基于干涉原理也有一些微型光谱仪和片上光谱仪。片上光谱仪常见的是基于MZI式的，因为其不需要移动部件，容易实现片上集成，而FTIR由于涉及移动部件，需要借助MEMS技术，工艺比MZI更加复杂，因此相对而言片上化带来的优势较小，研究较少。FP干涉原理可以制备可调谐的单点光谱探测器，比如滨松的MEMS FP光谱探测器。FP原理也可以用于滤光片型光谱仪中，比如基于线性滤光片的滤光型光谱仪。
3.窄带滤光型
基于窄带滤光的光谱仪是目前片上光谱仪的一大研究方向，其思路比较直接，原理比较简单，工艺复杂度相对较低，成本也较为低廉，是目前较具潜力的商业化方案之一。
我们知道现在的彩色照相机是通过在感光像素阵列上集成RGB bayer滤光片实现的，窄带滤光片型光谱探测器在设计上有点类似CIS中RGB阵列的升级版本，只不过每个单元中的细分波长更多，亚像素更多。不过窄带滤光型光谱芯片在用于光谱成像时会面临一个问题，就是空间分辨率和波长分辨率的权衡，在对成像需求较低时候可以通过牺牲空间分辨率换取波长分辨率，实现光谱探测。后面将会讲到计算型滤光光谱仪可以部分解决这一问题。
根据滤光片层的实现方式，滤光型片上光谱仪又可以分为量子点滤光片、薄膜滤光片、超材料滤光、线性滤光片、FP滤光片型。
值得一提的是，这里说的滤光片型片上光谱仪都是基于窄带滤光型，实际上还有一种是多谱段的非窄带滤光型，不过后者一般归于计算重构型光谱仪。
4.计算重构型
计算重构型光谱仪和窄带光谱仪不同，其不是直接获取每个波段的单色光并直接读出，而是相当于对入射光谱通过“滤光”进行一次编码，然后结合算法进行“解码”重构。
计算光谱与传统光谱的区别在于，计算光谱将算法重构引入系统，提高信息利用率，从而缓解微型片上光谱仪面临的空间分辨率和光谱分辨率之间的矛盾，同时也能减少冗余数据，降耗提速。类似计算成像的思路，计算光谱也涉及信息编码和信息解码过程，信息解码通过软件实现，信息编码在硬件侧实现，通过编码元件处于的位置和方式还可以进一步划分为对光信号的编码过程、对探测响应度的编码过程，前者多通过集成的片上光学元件实现光信号的衍射、干涉调制等，后者则通过各种滤光元件、探测器件、乃至感光材料的设计实现。
计算重构型相比于窄带滤光而言，其优势在于可以通过压缩编码实现通过更少像素单元实现同样分辨率的光谱探测功能。
基于对探测响应度的编码的计算光谱仪又可以细分为滤光型，感光波段可调谐材料型，电压调谐型。
1. 基于滤光型的计算光谱仪在形态上和窄带滤光片型片上光谱仪很类似，区别在于其滤光片层是对宽波段光的编码滤光。滤光元件可以是光子晶体，超结构等实现衍射编码功能的光学元件。基于这一原理的计算光谱已有相关公司和产品，比如与光科技。
其实除了设计滤光型编码，还可以设计衍射型编码，比如近日，华中科技大学刘世元教授团队通过将“时间部分相干衍射光强相干模式分解”引入至光谱测量研究中，创造性提出并研制了一种部分相干衍射微型计算光谱仪。
2. 感光波段可调谐材料型是通过直接设计光谱响应可调节的探测材料，实现对光谱信息的编码，这一方案可以实现无光学元件的极简设计，让探测像素本身就具有光学功能和光电功能。这一类型光谱仪的代表是浙江大学杨宗银教授的纳米线光谱仪。
2019年9月6日，英国剑桥大学TawfiqueHasan团队杨宗银博士在Science在线发表题为"Single-nanowire spectrometers"的研究论文，该研究开发出了尺寸仅几十微米的光谱仪，其大小仅为市面上最小光谱仪的千分之一。这篇工作的发表，在国内外又一次掀起了微型片上光谱仪的研究热潮。该光谱仪的原理是通过组分可调的三元化合物纳米线CdSxSe1-x 实现同一根纳米线上带隙连续可调，再通过电极定义像素区域，构建探测线阵实现带低通滤光的编码光谱响应。
3. 电压调谐型是近年来逐渐兴起的一个新的计算光谱思路，其优点在于可以通过单个器件实现光谱重构。其基于的基本原理是器件在不同电压下具有不同的光谱响应，因此通过采取不同电压偏置下的光谱响应曲线即可实现光谱编码。
近年来发表的电压调谐型光谱探测器件有范德华异质结型，双栅黑磷探测器，渐变p-n结，他们的特点在于可以通过电压调节器件内的费米能级、结间势垒、能带结构，从而调节光吸收过程或者光生载流子的输运过程，实现光谱响应的可调谐。
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