一款新型光谱仪，成本仅10美元，厘米尺度下运行

来自剑桥大学的研究团队以创立的初创公司GlitterinTech的研究人员，公布了一种从根本上全新类型的光学光谱仪，它在小到足以嵌入便携式和可穿戴技术的设备中实现了实验室级精度。通过重新思考光谱的测量和处理方式，该团队展示了一款成本仅约10美元、工作在厘米尺度的光谱仪，能够实现从工业质量控制到实时医疗监测等一系列应用。

光学光谱仪支撑着从化学分析、制造到环境传感和医学等无数技术。然而，缩小这些仪器的体积历来伴随着艰难的取舍：微型化器件通常要牺牲带宽、分辨率或准确度，使其局限于粗略识别，而非真正的计量测量。新报道的卷积光谱仪通过引入基于卷积定理的概念上十分优雅的工作原理，克服了这些障碍，提供与现有色散型、傅里叶变换型和重构型光谱仪相比前所未有的性能指标。

一类新型光谱仪

与传统依靠色散或算法重构来复原光谱的光谱仪不同，卷积光谱仪在物理上对入射光执行卷积运算。这是利用具有周期性光谱响应的光学元件（例如非平衡马赫-曾德尔干涉仪或微环谐振器）的简单级联实现的。通过按比例调谐这些元件，系统线性地移动其光谱响应，从而能使用快速傅里叶变换准确复原光谱。

这项研究的主要作者Chunhui Yao博士说：“关键的洞见是回到数学本身，探问是否存在一种从根本上更简洁的光谱复原方式，通过在光学域直接运用卷积定理，我们避开了许多阻碍微型光谱仪发展的限制。这给了我们高精度、强噪声容忍度和极低的计算开销，而且系统紧凑、成本低廉。”

该器件在氮化硅光子集成平台上实现，并与板载电子元件封装在一起，工作在超宽近红外范围（1200–1700 nm），采样和处理时间不到一秒。至关重要的是，其周期性特征使得在光谱域几乎无限扩展带宽而不改变硬件成为可能，同时通过级联更多元件还能以指数方式提高分辨率。

从材料分析到可穿戴医疗

该团队在一系列令人瞩目的实际应用中展示了这款光谱仪的性能。在材料和食品分析中，该器件对塑料、药品、咖啡、面粉和茶叶的分类成功率达到了100%。它还能以约0.01%的准确度定量水溶液和有机溶液中的浓度，性能优于商用台式光谱仪。

或许最引人注目的是，该系统在真实生理条件下实现了人体生物标志物的无创传感。对皮肤水分、血液酒精、血乳酸和血糖的测量都显示出高准确度，其中对一名参与者长时间内的血糖追踪得到了展示。

领导该项目的Qixiang Cheng教授说：“这些生物医学演示尤其令人兴奋，让这项工作脱颖而出的不仅是实验室中的性能，还有技术就绪度。Chunhui Yao博士的贡献对于将数学概念转化为完全封装、能在极端温度和真实条件下可靠运行的鲁棒系统至关重要。这种结合为实际部署打开了大门。”

该器件在从零下20°C到80°C的温度范围内保持稳定，这种级别的鲁棒性在微型光谱仪中罕有实现，对于部署在可穿戴、工业或户外环境中至关重要。

简洁工程带来真实影响

除了性能之外，卷积光谱仪还通过结构和计算上的简洁性脱颖而出。现有的高性能微型光谱仪往往依赖复杂的校准流程和计算密集、对噪声敏感的重构算法。相反，卷积的线性特性允许以极少的处理能力实现快速、稳定的光谱复原。

参与光子系统设计与集成的Richard Penty教授说：“这是优雅工程如何释放真实影响的一个绝佳范例，该架构简单、可扩展且可制造，却提供了媲美甚至超越更大仪器的精度。姚纯晖博士在整合光子设计、系统集成和实验验证方面发挥了核心作用，使这一切成为可能。”

赋能未来创新

通过定义一种全新的光谱仪类别，研究人员相信他们的工作标志着嵌入式光谱学的一个转折点。低成本、高精度的器件可以在生产线上实现智能传感器、实时食品质量监测以及规模空前的大范围环境分析。在医疗保健领域，其影响涵盖从水分评估和醉酒警报到健身追踪以及用于糖尿病管理的连续血糖监测。

Cheng教授补充道：“我们的愿景是让光谱测量像温度或运动传感一样无处不在，这项工作表明，高质量的光谱信息不必局限于实验室——它可以被直接嵌入到人们日常使用的技术中。”

随着微型化光子学不断成熟，卷积光谱仪为基础数学、周全的工程设计和实用的系统设计如何汇聚并驱动下一波传感创新浪潮，提供了一个令人信服的蓝图。

相关链接：https://dx.doi.org/10.1038/s41566-026-01891-6