光谱分析技术具有快速、准确和绿色检测的特点，在科学研究、信息、生物医疗、食药检测、农业、环境和安防等领域有广泛而且重要的应用。然而现有光谱技术与检测设备通常较为庞大复杂，难以适合现场快检、轻载荷平台等便携式应用场景。微纳加工技术的快速发展和新型微纳光电器件的不断涌现，促使光谱分析设备在小型化的道路上稳步向前，从小型化到微型化到芯片化，体现出体积、重量、集成性、成本等优势，尤其与云端技术和大数据技术的结合，有望改变现有光谱分析技术受限于使用环境的瓶颈问题。
近年来，微型光谱检测技术和设备受到广泛关注并得到迅速发展，具有尺寸、重量、功耗等方面的显著优势，尤其是基于散斑检测的计算光谱分析技术，可以通过记录分析散射元件对被测光形成的散斑图获得高精度的光谱信息。
暨南大学纳米光子学研究院陈沁教授团队综述了基于散斑检测的微型计算光谱仪研究进展：首先介绍各类色散型微型光谱分析技术，重点说明基于散斑检测的微型计算光谱技术原理，然后梳理此技术的发展历程和现状，分析讨论相关技术特点，最后总结现有问题和未来的发展重点。
01 色散型微型光谱分析技术分类与工作原理 常见的色散型微型光谱分析技术就是利用微型色散元件将不同波长的光进行空间上的分离，然后由探测器分别读出不同波长的光强度，最后组合成完整的光谱。从技术原理上看，主要包括刻蚀衍射光栅、阵列波导光栅、滤波器阵列、扫描光栅等。其核心在于如何在有限空间内进行有效的分光，其色散的空域和频域效率也决定了系统的光谱分辨率。
波导型包括多模光纤、多模波导和光子晶体等结构，其中多模光纤/波导支持多个传输模式，每个模式具有不同的相速度，传输过程中不同模式积累了不同的相位，并在输出端通过干涉形成一定光强度分布，不同波长对应的模式分布不同，相位延迟不同，造成光强度分布就不同，从而形成了波长相关的散斑。
空间型包括纳米颗粒、微米孔和磨砂玻璃等无序微纳结构，这些结构对不同波长入射光的散射也会形成散斑分布。
02 色散型微型光谱分析技术分类与工作原理 散斑包括丰富的频谱信息，无论是平面内传输的光还是自由空间传输的光都能够形成与波长相关的稳定光场分布，即散斑提供了一种频域-空域的映射关系。 波导型微型光谱仪
图2 多模光纤的微型光谱仪示意图。(a) 不同波长入射光在5 m长多模光纤出射端的散斑分布、谱自相关函数和窄带激光谱线测试结果；(b) 基于七根多模光纤波分复用的光纤微型光谱仪和100 nm宽带范围的光谱测试结果；(c) 基于光开关空分复用的光纤微型光谱仪、谱自相关函数和窄带激光谱线测试结果；(d) 基于拉锥光纤的光纤微型光谱仪、不同波长散斑分布和窄带激光谱线测试结果
图3 平面光子晶体及微环光波导的微型光谱仪示意图。(a) 基于光子晶体超棱镜效应的微型光谱仪示意图和不同波长在输出波导处形成的散斑分布；(b) 基于微环谐振腔阵列的微型光谱仪，不同波长对应的面外散斑分布和光谱测试结果
空间型微型光谱仪 空间型微型光谱仪就是入射光由色散元件平面外入射并相互作用的系统。这种架构不仅避免了波导在面内布局的限制，而且可以形成空间信息更丰富的二维散斑分布，与图像采集设备的集成也更加直接，有望实现芯片化的光谱分析系统。自由空间的散斑形成技术包括非均匀光子晶体、纳米颗粒、磨砂玻璃等，入射光照射到这些结构后由于前向或后向散射形成了波长相关的稳定空间光场分布。 Brady等人在2003年提出了利用聚合物纳米球构建的非均匀三维光子晶体来实现频谱-空间映射结构的想法。南京邮电大学的杨涛等人在基于空间散射结构的微型光谱仪方面做了大量工作，他们的理论分析光谱分辨率有望进一步提高到1 GHz。美国盐湖城大学的Menon等人采用相位版来调控不同波长在空间的相位延迟分布，从而获得与波长相关的散斑图案。实验展示了这种基于相位版的光谱重构技术可以分辨出波长间距1 nm左右的光谱峰。Cai等人提出将定向光传输的衍射结构和无序结构结合的技术方案。仿真结果显示，在3%的幅度噪声和均方根噪声的影响下，此系统仍能够获得10 pm的光谱分辨率[9]。此外，土耳其伊斯坦布尔大学的Ferhanoglu等人提出了将散斑机制与现有商业光谱仪技术相结合的技术方案，发现纳米颗粒的散射元件可以获得更高的光谱分辨率(17 pm)[10]。 从整体看，上述空间型的基于散斑检测的微型光谱仪技术特别适合于图像传感器，充分利用了二维空间的光场分布，具有非常好的空间扩展性。不过相比于波导型架构，大多数空间型的散射元件表面由于和光传输方向垂直，导致光散射路径较短的问题，限制了光谱分辨率。 相对于传统光谱仪将宽带光分散成窄带光到探测器线阵上形成一维的空间映射分布，散斑技术可以将光谱信息映射到二维平面分布，并充分利用数学分析技术，因此具有更大的检测潜力。 虽然散斑检测机制的微型光谱仪展现了较好的性能和应用前景，但这项技术也存在固有的缺点。散射体系对光的传输是发散的，因此探测系统的光收集效率比常规的衍射系统低许多，导致这种技术受环境噪声的影响较大。同时由于散射会引起类似匀光的效应，导致依赖于散斑对比度的检测受限于空间正交散射通道数的限制，工作波长范围往往有限。虽然目前通过波分复用和空分复用等技术可以有效扩展光谱检测范围，更易集成和更低成本的技术期望能够进一步发展。 基于散斑检测的微型计算光谱分析技术的原理已经很清楚，后续发展将主要集中在技术层面。包括： 集成技术。依托当前最为广泛使用的手机平台，结合大数据和云端技术等，将极大推动光谱分析技术的应用。 智能化技术。需要与人工智能和机器学习等新兴技术结合，提高散射元件的定标效率和重构光谱的精度。 提高适用性。由于散射机制固有的低光效，需要发展各种噪声抑制和处理技术，提高系统在各种环境中的适用性。