新的指尖大小的小型光譜儀即將開啟新應用

　　大概5年前，拇指大小的小型光譜儀（MS系列）上市發售并顯著拓寬了光譜儀的應用。濱松光子現在已經研發了比以前更小的低成本微型光譜儀。該微型光譜儀是一個只有5克重量的超小模型。盡管性能和我們現在的小型光譜儀（MS系列）大部分相同，但是微型光譜儀更加緊湊堅固，且價位低廉。應用包括仍存在巨大的未開發市場的消費電子領域。為了更多了解微型光譜儀的研制背景、潛在應用和未來發展前景，我們采訪了參與研發產品的4名成員。

濱松微型光譜儀C12666MA

　　世界上最小的光譜儀

　　你們是如何著手把一個指尖大小微型光譜儀的想法轉化為產品的？

　　Shibayama:光譜儀的通常形象是安裝在實驗室工作臺上的一個大設備，但我們堅持研發的目的在于開發一種盡可能小的高度便攜可移動產品。大約10年前，我們發布了掌上電腦大小的小型光譜儀（TG系列），大概5年前，發布了拇指大小的小型光譜儀（MS系列）。然而客戶仍要求我們“讓它們尺寸更小價位更低”。因此，我們著手工作并研發這種新的微型光譜儀。

　　Yokino:與寬度小于3cm的小型光譜儀（MS系列）相比，微型光譜儀大概2厘米寬，在體積和重量上比MS系列的小型光譜儀小和輕約50%。這種新型微型光譜儀的封裝用是金屬制作的，而MS系列是塑料封裝。具體來說，我們換了一個高度可靠和堅固的密封封裝（見注）。這讓我們在保持與MS系列相同性能的同時大幅的降低了成本和尺寸。

　　注意：密封封裝是金屬-金屬或者玻璃-金屬焊接的氣密性封裝，能夠保護內部組件并隔絕濕度。

　　客戶“尺寸更小”的需求背后有什么背景嗎？

　　Ito:考慮到尺寸和價格，傳統光譜儀主要用于測量和工業應用，不用在個人或者私人層面。然而，市場上小型光譜儀（MS系列）的出現改變了這一概念，我們隨之開始研究更小更便宜的光譜儀。但在尺寸和價位方面需要更進一步，以使它們在消費電子市場得到廣泛應用。

　　Hikita:小型光譜儀可以內置在緊湊設備中。例如，我們將看到室內與智能手機或醫療設備相連接的新應用。

　　Yokion:考慮到室內和室外使用，我們決定采用高堅固、可靠的金屬來制造密封封裝，而不使用水分可以穿過的塑料封裝。

　　市場上有類似產品嗎？

　　Hikta:是的，只考慮尺寸，有類似產品。然而嚴格來說，它們并不相同，因為我們的微型光譜儀讓光線從狹縫通過，而競爭產品使用光纖傳導光。

　　Ito:所以如果你規定相似產品為允許直接輸入光的光譜儀，那么我們的產品是世界上最小的，并且具有高性能。我們的產品很可能在市場上開拓了一個全新的領域。

　　采用MEMS和圖像傳感器制造技術實現緊湊尺寸和高性能

　　相比目前的產品，你們如何能使其尺寸更小？

　　Shibayama:通過重新審視光學設計和組成部分，優化MEMS技術并簡化結構，我們實現目標。此微型光譜儀包括三個部分，一個光線可以進入的狹縫，一個光譜衍射光柵和一個探測光的圖像傳感器。我們利用MEMS技術制造這些部分，因此MEMS技術是我們可以制作更小的微型光譜儀的主要因素。更具體地說，我們利用MEMS干法刻蝕技術形成讓光通過到達圖像傳感器的狹縫，還使用了稱為納米壓印的精細成型技術形成衍射光的光柵。

　　Yokino:在光譜儀尺寸和性能特點間有一種權衡關系。當尺寸變得更小，分辨率和性能都下降。我們的微型光譜儀采用光在光譜儀內部反射一次后再衍射的方法，并在尺寸和性能方面都具有盡可能好的表現。

濱松微型光譜儀C12666MA應用示例

　　降低成本過程中你們如何解決遇到的問題？

　　Shibayama:小型光譜儀（MS系列）使用一個玻璃透鏡作為光傳輸的介質。如果玻璃本身的尺寸精度可以保持，玻璃能夠提供為光譜儀所要求的精度。然而，玻璃透鏡的成本高，所以我們不得不放棄玻璃鏡片并找到滿足要求的低成本替代品。

　　Yokino:MS系列的小型光譜儀通過納米壓印在玻璃上形成一個光柵。然而，如果納米壓印失敗，玻璃透鏡將無法使用，造成的問題成本更高。所以我們重新評估將光柵作為獨立單元制造來代替在玻璃透鏡上形成光柵的可能性。這將減少生產光柵的玻璃，在降低成本上也是有效的。

　　微型光譜儀中使用了何種型號的傳感器？

　　Yokion:微型光譜儀使用一個集成了入射狹縫的圖像傳感器。此類型傳感器可使光譜儀減小到指尖大小。入射光經光柵衍射后，短波長光到達入射狹縫位置很近。如果狹縫和傳感器是分離的，需要極高精度的定位，否則會降低光譜性能。和傳感器集成的狹縫不存在此定位問題。

　　Shibayama:我們還給集成了入射狹縫的圖像傳感器增加了截止濾波片（見注）。在生產小型光譜儀（MS系列）時，我們在金屬接線的玻璃接線板上安裝圖像傳感器，并在此玻璃接線板上制造截止濾波片。但是對于微型光譜儀，我們不用玻璃而是利用中空來傳導光，所以用這種方式為圖像傳感器制造截止濾波片是不可或缺的工序。

　　Ito:除了接收光的基本功能，由于具有入射狹縫和截止濾波片，圖像傳感器還有其他價值。我們的獨特優勢是同時具有圖像傳感器技術和MEMS技術。

　　注：截止濾波片是能夠去除多重反射光和衍射光等雜散光分量的濾波片，卻不影響被測光。

　　為客戶應用開發提供理想性能參數

　　你們預期此微型光譜儀具有何種應用？

　　Ito:我們目前收到有關顏色的應用需求，比如便攜式色度計和打印材料的顏色檢測等。從小型光譜儀（MS系列）到微型光譜儀也增加了與定點醫護工作相關的手持醫療設備的咨詢。使用小型、低價、高可靠性的防潮封裝證明是成功的。

　　Hikita:我們的立場是幫助客戶開發用于消費電子產品的光譜儀應用。因此我們認為我們的主要任務是為客戶提所需性能參數以使光譜儀應用成為現實。

　　你們可以定制生產設計來滿足客戶需求嗎？

　　Ito:我們首先驗證客戶所需性能參數和預計數量，如果需要大量產品，我們之后會提出符合要求的設計。當收到產品需求，初始階段我們的工程師會討論研究。

濱松微型光譜儀C12666MA應用示例

　　你們可以舉一個和客戶討論的具體例子嗎？

　　Hikita:比如針對糖尿病患者的葡萄糖監測儀的討論。如果一個產品能夠利用光來診斷葡萄糖水平，這將解除患者巨大負擔。為了使這種產品成為現實，我們首先驗證必須的特性參數，之后做必要協調和調整。

　　Yokino:我們在去年九月份舉辦的科技展覽——“2013光子展覽”上介紹了微型光譜儀，收到了來自參觀者的積極反饋。我們準備了與智能手機相連接的概念模型來驗證諸如顏色分析等應用，引發在光譜分析和其他應用中使用的特定討論。通過向客戶展示模型本身并引導他們聯想實際中如何應用，我們獲取了重要的結果。

　　Ito:光子展覽上有很多對微型光譜儀與智能手機相耦合感興趣的客戶。也有一些特別的咨詢，比如是否能夠用于調整劇場照明或者在教學中是否能夠教導孩子光波長。小型尺寸引發人們思考：“它是否可以用于此處呢？”也同樣激發人們關于新應用的想象。大多數情況下，是先有一個目標應用，再生產滿足此應用的產品，但是微型光譜儀卻更可能是創造新應用。你可以它稱為反向工作的現象。不去管它究竟能完成什么，我認為它確實拓展了未來可能性。

　　從今年三月份官方發布后，反響如何？

　　Hikita:官方發布前，去年底我們已經能夠提供樣品，銷售了大約100個樣品，其中很多被國外購買。一些客戶評價：“盡管外形小巧，仍然可以保證精確測量。”還有其他諸如此類的積極反響。

　　Ito:今年9月份，我們的新13號大樓將在主要工廠投入生產。我們將在那里做產品研發并建立車載裝置和移動終端大規模生產系統，比如基于MEMS技術的微型光譜儀，同時提出解決日漸增加的客戶需求。（工廠現已投產）

　　你們從這里預測到什么樣的發展趨勢？

　　Shibayama:盡管微型光譜儀現在已經做到可以放到指尖上的尺寸，我們仍接到來自客戶做到更小更薄的需求。目前反射光束一次的方法已經達到此尺寸的極限，所以為了滿足更多的需求，我們不斷地把新的想法融入設計來開發更小的設備。

　　Hikita:直到現在我們都采取只提供硬件，把電路和軟件開發留給客戶。但是如果我們也為客戶解決這些額外的請求，我們的產品將會更易使用。我是負責模塊開發領域，所以我們現在準備提供包含必要電路的軟件和模塊產品，而不僅僅是設備級。

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