近红外片上光谱芯片:能否引领“万物可感知”的智能技术革命?
用移动终端扫描水果即可实时获取含糖量与农药残留数据,借助可穿戴设备实现血糖水平的无创实时监测,通过无人机巡查湖泊便能快速生成水质分析报告——这些曾局限于科幻设想的场景,正随着近红外片上光谱传感芯片的技术突破,逐步从概念走向现实。作为“片上光谱分析”领域的核心创新成果,该芯片以微型化、高性能的技术特征,打破了传统光谱技术的应用边界,为“万物可感知”的智能时代提供了关键技术支撑。

光谱被学界誉为物质的“光学指纹”,其核心原理在于不同物质在光照条件下,会对特定波长的光产生吸收或反射效应,形成具有唯一性的光谱特征。通过解析这些特征信号,可精准识别物质的化学成分与构成比例,这一特性使光谱技术成为物质分析领域的核心手段。然而,传统光谱仪长期面临体积庞大、制造成本高昂、操作流程复杂等技术痛点,始终局限于实验室场景应用,难以向民用消费、现场检测等多元化场景延伸。因此,推动光谱技术普及的核心命题,在于突破“微型化”技术瓶颈——如何在微米级芯片载体上,同时实现宽广的检测波段覆盖与超高的光谱分辨率,即兼顾“宽波段探测”与“高精准识别”双重目标。
近红外波段因蕴含丰富的分子振动与转动光谱信息,成为物质成分无损分析的理想波段,在医疗健康、农业生产、环境监测等领域具有不可替代的应用价值。但长期以来,该波段相关技术发展受限于两大难题:一是探测器制造成本居高不下,系统集成结构复杂,导致长波近红外便携化应用进展迟缓;二是现有芯片级光谱方案存在性能失衡问题——部分方案需集成数百个探测单元,显著增加了系统复杂度与制造成本;另一部分方案则受限于工作波段狭窄,无法满足实际应用中的宽范围检测需求。尽管近年来微型光谱仪相关研究持续推进,但多数成果未能在“分辨率”“带宽”与“成本”三者间实现有效平衡,尤其在近红外波段,探测器与光谱滤光片的片上集成工艺复杂、对准精度要求严苛,进一步制约了技术产业化进程。因此,研发高性能、低成本、易制造的近红外片上光谱系统,成为该领域亟待突破的关键课题。
针对上述技术瓶颈,河南省科学院物理研究所研究团队提出了创新性技术方案,研发出“滤波器与探测器直接单片集成”的新型光谱芯片架构,实现了滤波功能与探测功能的结构深度融合。在核心器件设计上,团队创新研发周期可调谐纳米孔阵列结构,构建高性能等离子体窄带滤波片,该滤波片的窄带滤波能力可达5nm,Q因子高达284,为高分辨率光谱重建奠定了关键硬件基础。
在集成工艺层面,该芯片通过SiNₓ间隔层将滤波结构与InGaAs光电探测器直接实现单片集成,成功省去传统工艺中复杂耗时的对准步骤,不仅大幅提升了器件制造效率,还显著增强了产品的一致性与可靠性。在系统设计上,芯片采用4×4共16通道的超像素架构,每个像素单元集成16个不同中心波长的滤光单元,实现900-1700nm近红外关键波段的全面覆盖。结合先进的计算光谱重建算法,该架构可通过少量通道采集的数据,高精度复原完整连续的光谱信息。此外,该芯片还成功实现片上多光谱成像功能,所重建的图像具备边界清晰、光谱保真度高的技术优势,为后续多元化应用场景落地提供了坚实支撑。
凭借紧凑的集成架构、优异的光谱性能与可扩展的制备工艺,该芯片级光谱技术展现出广阔的应用前景与产业化潜力。在医疗健康领域,其可集成于手持检测设备或可穿戴终端,实现血糖、血液成分等健康指标的无创实时监测,为个人健康管理提供精准、便捷的技术支撑;在智慧农业领域,搭载该芯片的无人机可对农田进行大范围快速扫描,精准识别作物长势、病虫害发生情况及土壤养分含量,为精准施药、智能灌溉、科学种植提供数据驱动支持;在工业与环境监测领域,该技术可用于化学品现场快速识别、水体污染实时检测,以及食品、药品等产品的安全筛查,为安全生产与环境治理提供可靠技术保障。
目前,该项研究成果发表于Nanophotonics期刊。作为河南省科学院物理研究所为第一单位、郑麒麟博士为第一作者、何小波研究员为通讯作者的重要研究成果,该项目得到了河南省科学院基本科研业务费、国家自然科学基金、河南省科技攻关项目等多项课题资助,绍兴大学梁丽博士、佛山大学张宇博士为研究提供了重要技术支持。
从实验室中的大型台架设备到嵌入移动终端的微型芯片,光谱技术的每一次微型化突破,都在推动人类向“万物可感知”的智能世界稳步迈进。近红外片上光谱芯片的技术创新,不仅解决了传统光谱技术的应用痛点,更构建了连接实验室技术与民生需求的桥梁。随着该项技术的持续成熟与产业化推广,其将在医疗健康、农业生产、环境治理等多个领域引发深层次变革,以科技赋能生活品质提升,让健康管理更精准、食品安全更可控、环境监测更高效,为构建智能、安全、可持续的未来社会提供核心技术支撑。
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高精度光学定心取边加工系统设计与技术解析
高端光学系统的成像质量高度依赖光学元件的同轴度与装配应力控制,光学定心取边(又称定心车削)是实现光机共轴、消除装配误差的核心工艺。本文详细介绍了光学定心取边加工系统的整体架构、工作原理与核心子系统设计方案,阐述了该技术在提升光学装调精度、实现无应力装配方面的核心价值。
2026-05-25
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镜头调制传递函数(MTF)图原理与应用指南
MTF图作为光学镜头性能的量化可视化工具,为镜头的研发测试与用户选型提供了客观统一的参考依据。其核心价值可概括为:10线/mm曲线评估对比度、30线/mm曲线评估分辨率,曲线高度反映绝对性能、平缓度反映画质一致性、双线贴合度反映像散控制水平。在实际应用中,应结合具体使用场景与需求,以MTF图为核心参考,综合多维度性能指标进行镜头选型与性能判断。
2026-05-25
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突破高端光学装调技术瓶颈!秒级精度镜头轴线定心校准方案解析
传统光学镜头高度依赖人工装调经验,普遍存在装配误差大、成品一致性差、量产效率低、环境适应性弱等问题,长期制约着高端光学设备的国产化量产与性能升级。针对这一行业痛点,西安应用光学研究所团队创新研发出一套秒级精度光学镜头轴线精确定心校准技术体系,通过全流程闭环管控与一体化精密加工工艺,彻底解决光轴偏移、成像误差等核心难题,为高端光学镜头精密制造提供了全新技术路径。
2026-05-25
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多基准轴透射式离轴光学系统高精度定心装调方法
星载光谱仪可获取空间连续分布的光谱数据,是陆地植被监测、海洋环境探测等领域的核心载荷。为校正分光系统引入的畸变,星载光谱仪成像透镜多采用离轴透射式设计,由此形成的多光轴结构存在大倾角、大偏心特征,超出了传统同轴系统定心装调方法的适用范围。本文提出一种多基准轴定心装调方法(Multi-referenceAxisAlignment,MAA),通过镜筒结构一体化加工预置各光轴的偏心与倾斜参数,结合光学平板实现基准轴的高精度引出,将复杂多光轴系统的装调拆解为多个单光轴子系统的独立装调,突破了传统定心仪的测量范围限制。针对某星载光谱仪3光轴离轴透射系统开展装调验证,实测结果表明,透镜最大偏心误差小于25.4μm,最大倾斜误差小于17.7″,系统实际畸变与理论值平均偏差小于0.32μm,全面满足设计指标要求。该方法为离轴折射类光学系统的高精度装调提供了可行的技术路径,拓展了透射式光学系统装调的适用边界。
2026-05-22
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平凸透镜朝向对光束会聚效果及像差特性的影响分析
平凸透镜是各类光学系统中应用最为广泛的基础折射元件之一,属于典型的无限共轭透镜,核心光学功能分为两类:一是将点光源出射的发散光束准直为平行光束,二是将入射的准直平行光束会聚至单点。在激光光学、显微成像、光电检测等领域的光路设计与装调中,平凸透镜的安装朝向是直接影响系统性能的核心参数,其选择直接决定了像差水平与最终会聚效果。
2026-05-21
