光谱分析进入手机，摄像头产业链增添新活力

光谱一般是指波长覆盖紫外到红外波段的电磁波频谱，反映了光波与物质相互作用的丰富信息，不同波段的光谱记录着不同类型能级跃迁的辐射信息。其中，电子跃迁对应紫外和可见光波段，分子的振动和转动能级跃迁则对应于红外乃至微波波段。每种物质都有特征吸收、发射或散射光谱，因此光谱也被称为物质的“指纹”，通过光谱分析可以鉴别物质并确定其化学组成。

光谱分析应用领域十分广泛。随着遥感技术的兴起，人们期望同时探测物体的图像和光谱信息，这催生了光谱成像技术，它能够获得包含二维空间和光谱信息的三维数据立方体，超越人眼感知能力，在疾病诊疗、精准农业、食品安全、天文探测、人脸识别等诸多领域有着重要的应用前景。

光谱分析在手机上逐渐兴起。目前光谱分析在手机上的应用，主要体现在分区色温、优化自动白平衡，以提升手机摄像头的色彩表现。搭载光谱成像芯片的手机摄像头可以根据不同区域的光照情况来动态调整色温，使得照片的各个部分都能够呈现出最自然和真实的色彩。

以自动白平衡（AWB）为例。AWB是手机摄像头中一个关键的图像处理功能，用于确保拍摄的照片在各种光照条件下都能呈现出准确的颜色。传统的AWB算法通常依赖于RGB传感器的数据，而通过光谱成像芯片能够提供更丰富的光谱信息，使得AWB算法可以更精确地识别和校正不同光源下的颜色偏差。在混合光源环境下，光谱成像芯片可以更准确地分辨不同光源的光谱特性，从而进行更精确的白平衡调整。未来，基于光谱成像芯片的手机将逐步推出皮肤检测、健康监测、食品检测等功能。

光谱成像分为分光和成像两个部分，分光部分完成光谱维获取，成像实现对目标的空间维成像。

成像部分，传统光谱成像技术存在一定痛点。传统光谱成像技术基于传统棱镜色散、光栅衍射或干涉原理，需要精密的器件和足够的光程来将不同波长的光分开，一般采用空间扫描或波长扫描的模式，无法实时获取视野场景中各像素点的光谱信息。从原理上导致光谱成像仪器，体积庞大、价格昂贵，成像速度缓慢，制约了光谱成像技术的应用。

分光部分，可捕捉的波长数量与空间分辨率之间是一种权衡关系。

从光谱分辨率来看，光谱可以分为多光谱，高光谱，超光谱。三者之间的区别主要在于在相同波段下光谱的分辨率以及光谱通道个数。多光谱的光谱分辨率一般在几十个nm左右，通道数只有几个，通常情况下通道数不会超过10个。高光谱的光谱分辨率一般都在几个nm的水平，通道数一般都在上百个。对于超光谱来说，光谱分辨率都在一个nm以下，因为光谱分辨率很高，所以通道一般都是连续的，通道数都会很高。

光谱分析中空间分辨率和光谱分辨率的相互制约主要受影像信噪比限制影响。通常全色影像具有较宽的波谱范围，进入其中的光子能量较多，其信噪比自然也就较好，成像质量更高；而多光谱影像相比于全色波段各波段光谱范围较窄，进入其中的光子能量较少，为了收集更多的光子能量以确保多光谱影像具有较高的信噪比，其所在传感器的感光单元尺寸往往较大，传感器拍摄时的瞬时视场角（IFOV）较大，影像的空间分辨率更低。因此在实际应用中，快照式光谱成像技术目前暂时无法同时兼顾频谱精度、空间分辨率、成像速度，需要进行权衡。

为解决传统光谱成像痛点，微型化光谱技术快速发展。随着加工技术的进步和计算机能力的提升，微型化光谱技术也得到快速发展。早期微型光谱仪主要依赖于微制造领域的突破，光刻和蚀刻工艺的进步以及MEMS技术的持续发展，让复杂的微型色散器件、滤光器件和傅里叶变换系统的制造成为可能。基于色散、窄带滤光、傅里叶变换和计算光谱重建方案的小型化光谱系统方案相继出现。

计算光谱仪成为最具有发展前景的研究方向。随计算能力的大幅度增强、计算成本的大幅度降低、压缩感知和深度学习等数学工具的发展为微型光谱仪的发展注入新活力。由于光谱仪的性能不仅可以通过增强硬件设备实现，也可以通过软件的优化实现，因此计算光谱仪成为了最具有发展前景的研究方向。围绕计算光谱成像，一系列片上光谱成像方案相继提出，如超构表面、彩色滤光片、量子点等。

超构表面

基于超构表面的快照式光谱成像技术方案，通过设计不同结构的超构表面单元，能够实现对空间各点入射光频谱的宽带调制。可解决传统光谱成像技术无法实时获取视野场景中各像素点的光谱信息。

彩色滤光片

彩色图像传感器通常是在各像素的光电二极管上构建红、绿、蓝3种彩色滤光片，而在多光谱图像传感器，在光电二极管上构建了彩色滤光片，可分别透过不同波长的光线。

光谱成像芯片在手机领域成长空间广阔。随小型化光谱系统方案愈发成熟，为实现更好的拍摄质量，同时拓宽手机摄像头的功能，光谱分析在手机上逐渐兴起。目前各大手机厂商在旗舰机型中已经采用过色温/环境光传感器，未来随光谱分析功能渗透率持续提升，光谱成像芯片在手机领域市场空间广阔。