导读

光谱仪是一种用于分析光与物质在不同波长下相互作用的精密仪器，广泛应用于化学分析、材料研究、环境监测和生物医学诊断等多个领域，是现代科学与工业检测中不可或缺的核心工具。近年来，随着微纳制造技术和计算能力的持续进步，新一代光谱仪正朝着小型化、便携化和低成本方向快速发展。这类设备在保持高分辨率和高测量精度的同时，显著提升了使用灵活性，使得光谱分析技术得以从传统实验室走向现场实时检测场景。更进一步，紧凑型光谱仪为集成于智能终端、工业手持设备乃至消费类电子产品提供了可能，正在催生新的应用模式，展现出广阔的发展前景和市场潜力。

近日，上海交通大学蔡伟伟教授、剑桥大学Tawfique Hasan教授与阿尔托大学孙志培教授在eLight期刊（影响因子32.1，入选两期卓越计划）联合发表题为“Reconstructive Spectrometers: Hardware Miniaturization and Computational Reconstruction”的综述论文。该论文系统阐述了重构式光谱仪的核心技术，包括其数学模型、编码策略与解码算法，深入探讨了编码器设计的最新进展，并重点分析了硬件与算法的协同优化机制，以及低维材料与结构在该领域的创新应用。

重构式光谱仪的基本概念

传统光谱仪通常体积庞大、价格昂贵，这极大限制了其普及和应用。近年来，随着微型化技术和计算能力的提升，一种新型的紧凑型便携式光谱仪应运而生。这类光谱仪采用计算重构技术，主要由编码硬件和解码算法两部分构成：编码硬件负责将光谱信息压缩为数字信号，解码算法则用于从采集的信号中还原出原始光谱。通过运用压缩感知和机器学习等先进技术，这种重构式光谱仪在保持小巧体积的同时，还能实现出色的光谱分辨率和测量精度。

图1：重构式光谱仪的工作原理示意图

硬件编码

压缩感知理论表明，理想的编码器应具备以下特征：光谱响应具有高度的随机性与丰富的特征结构，光谱通道间相关性低，同时兼具宽测量带宽、强抗干扰能力以及高光学效率。为满足这些性能要求，近年来研究人员基于多种编码机制，发展出一系列新型重构式光谱仪。本文根据编码原理的差异，将现有编码器件归纳为四类：干涉型、散射型、衍射型和带隙调制型。文章系统综述了各类器件的最新研究进展，并深入探讨了不同编码策略在技术性能、实现方式及应用场景方面的优势与局限。

软件解码

解码器的主要功能是对编码硬件采集的原始信号进行处理，并重建出待测光谱。在数学上，光谱编码过程通常可以表示为一个欠定线性方程组，而重建过程则对应着求解该方程组的逆问题。为实现重构式光谱仪的小型化发展，开发性能更优的解码算法成为当前研究的关键所在。近年来，机器学习技术（尤其是深度学习算法）在提升光谱重建精度和鲁棒性方面展现出显著优势。这类算法不仅能够从大规模数据中学习复杂的特征模式，还具有出色的计算效率，因而成为解码器设计的理想选择。值得一提的是，为提高模型的泛化能力，研究者们提出了一种创新策略：在解码算法中融入先验物理信息，这种方法相较于纯数据驱动的方式更具优势。本节内容首先回顾了传统的基于迭代的重建算法，随后系统介绍了深度学习在光谱重建中的最新应用进展，最后深入探讨了算法选择与实际应用需求之间的内在关联。

编码器的设计

作为光谱重建质量的关键决定因素，编码器设计一直是重构式微型光谱仪研发的核心难题。其核心挑战在于：如何构建正交的光谱响应模式以实现信息编码容量的最大化，以及如何将理论设计转化为可实际制造的器件。本文首先系统梳理了微纳光子学领域广泛应用的正向代理模型与逆向设计方法，为光谱仪设计提供方法论指导；其次，针对新兴的端到端设计范式在光学系统中展现的独特优势，结合现有文献对该优化策略讨论不足的现状，重点探讨了这一方法在重构式光谱仪中的应用前景与技术挑战。

图2：光谱系统的端到端设计

总结与展望

近年来，微型光谱技术的突破性进展正在重塑传统光谱分析的范式。本文系统综述了该领域的跨学科研究成果:首先，深入解析了多种光谱编码策略的工作原理，揭示其在分辨率、灵敏度与制造复杂度等方面的内在权衡;其次，探讨了深度学习等智能算法在提升光谱重建精度中的关键作用;特别指出，基于可微分物理模型的端到端编码器-解码器协同设计，正推动光谱仪从笨重的实验室设备向便携式现场检测平台转型。尽管微型重构式光谱仪在小型化与成本控制方面具有显著优势，其实际应用仍需在带宽、灵敏度、动态范围与长期稳定性等核心指标之间实现平衡，并针对不同应用场景进行定制化优化。近年来，学界已提出多种创新方案，以突破物理尺寸、分辨率、带宽与光谱通道密度之间的传统限制。值得注意的是，研究重心正逐步转向多维光学信息的计算重构技术。然而，从实验室走向产业化仍面临多重挑战:包括大规模制造工艺、技术瓶颈(如编码通道简化、高质量训练数据获取、数据带宽限制突破)以及缺乏“杀手级”应用等。展望未来,随着解码算法的持续革新、硬件架构的优化，以及多维光场重构技术的发展，尤其是“芯片级单像素光谱仪”等新型架构的成熟微型光谱技术有望迎来更广阔的应用前景，并为多学科创新注入新动能。（来源：中国光学微信公众号）

图3：重构光谱仪近年来的研究进展

相关论文信息：https://doi.org/10.1186/s43593-025-00101-0