成像光谱芯片，下一个潜力产业

下游应用领域市场规模扩大以及对光谱芯片技术水平要求的提升，加上政策的不断助力，推动了光谱行业的发展，光谱仪正向着微型化光谱仪（Chip-Scale Spectrometers）演进。

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2023-07-25 13:58微信公众号：中科创星硬科技投资先行者

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光谱成像技术由多光谱遥感技术发展而来，结合成像与光谱探测技术为一体，能够在连续光谱范围上探测目标的空间特征并同时将各个空间的像元分光为纳米级分辨率的技术，可以同时获取被观测场景的空间信息和每个像元的光谱信息。

目标的光谱信息可以从图谱合为一体的光谱数据立方体中的任意像元中提取出，因此成像光谱技术是同时分析目标几何形状和光谱特征的重要技术手段，也是未来光谱测量的必然发展方向。

光谱成像芯片由成千上万个微型光谱仪构成，每个微型光谱仪都可以独立实现光谱分析功能。成像方面，暗光更清晰：宽谱段透光，感光能力提升50%以上；色彩更准确：光谱测色，颜色准确度提升20%以上等优势，未来，将逐步替代传统光谱芯片。检测方面，体积小：1cm大小，仅为传统设备的千分之一；光谱分辨率高：最高达到1nm，比肩专业设备；成本方面，相较传统光谱芯片，成本可降低近1万倍。

PART 01

微型光谱仪：市场需求大，应用场景广

市场需求急迫，技术壁垒高

随着科技水平的提高，光谱仪的应用场景逐渐拓宽，光谱仪和光谱方法被用于黑色和有色冶金、机械制造、石油化工中的原料和产品的化学成分的测定、生产过程的工艺控制，地质学中的矿床的普查和评价，农业中的土壤、饲料的分析等。

不过，由于传统的光谱仪由于体积庞大已经无法满足日益发展的光谱检测技术的需求，而随着5G、物联网的普及，数字化转型的持续深入，促使光谱仪高端化、智能化、小型化、便携化、微型化、集成化与个性化、高光谱和多光谱应用趋势明显，同时对时效性和稳定性提出更高要求。

与此同时，高光谱行业存在技术壁垒高、掌握此技术公司极少，尺寸大、成本高，无法集成在手机、光谱分辨率低(>10nm)成像速度慢、上光谱范围窄，受成本限制只能工作在可见光等诸多难点。例如，成像光谱芯片涉及材料、半导体、光学、AI等多个领域的先进技术，门槛极高，全球仅少数几家企业具备能力。

应用场景广阔，有望成为消费领域新增长点

随着产业升级和消费升级的趋势愈发明显，微型光谱仪具体模块化和高速采集的特点，在系统集成和现场检测的场合得到了广泛的应用，结合光源、光纤、测量附件，可以搭配成各种光学测量系统，同时，微型光谱仪可以像半导体芯片一样小巧，其超紧凑的尺寸（小于1立方厘米）允许将光谱分析仪与智能手机或可穿戴设备集成。

数据来源：《神奇光子在线讲坛光谱仪微型化技术》

例如，在医疗影像/工业检测领域，不管是内窥镜、诊疗镜等医疗影像设备，还是晶圆检测、缺陷检测等工艺流程，都需要高分辨率的图像性能，解决如透光性较差、散射较强等问题。

再例如，作为自动驾驶感知层的核心硬件，传感器的灵敏度往往决定了收集到的信息的质量的好坏，进而也影响了自动驾驶对于环境的决策判断。目前，自动驾驶的传感器主要包括车载摄像头和雷达（激光雷达、超声波雷达、毫米波雷达等）。其中，车载摄像头壁垒极高，因而相较于其他传感器具备更强的障碍识别能力。目前，在L2级别的自动驾驶中，车载摄像头已覆盖倒车监控、全景泊车辅助、盲点检测、自适应巡航、前方碰撞预警、车道偏离告警、交通信号及标志牌识别等场景。据ICVTank预测，2025年全球车载摄像头市场规模将达到273亿美元。其中，国内市场预计2025年将达到237亿元。未来，如果自动驾驶成功迈向L3+级别，意味着具备高效捕捉识别能力、高分辨率的车载摄像头将会更加重要。

总之，我们认为伴随生活品质要求的提高，能够在消费级领域发挥更大作用的光谱检测技术，将是新的增长点——据相关数据显示，预计到2024年，芯片级光谱仪的使用量将达到每年3亿个以上，部分热门领域在2020年-2024年的CAGR（年复合增长率）高达111%。

政策助力光电器件发展

光电子器件行业作为传统光学制造业与现代信息技术相结合的产物，是国家重点发展的行业之一。而微型光谱仪作为光电子产业重要的高端仪器，自然也受益于相关政策的支持与鼓励。政策端，近年来国家也在不断推出相关政策推动光电子器件行业的发展，例如：

2017年1月，发改委、工信部发布的《信息产业发展指南》指出重点发展基础电子产业，大力发展满足高端装备、应用电子、物联网、新能源汽车、新一代信息技术需求的核心基础元器件，提升国内外市场竞争力；重点发展面向下一代移动互联网和信息消费的智能可穿戴、智慧家庭、智能车载终端、智慧医疗健康、智能机器人、智能无人系统等产品，面向特定需求的定制化终端产品以及面向特殊行业和特殊网络应用的专用移动智能终端产品。

2019年6月，发改委在《鼓励外商投资产业目录（2019年版）》中提出，将“应用于第五代移动终端（手机、汽车、无人机、虚拟现实与增强显示等）的视觉传感器（数字相机、数字摄像头、3D 传感器、激光雷达、毫米波雷达等）及其核心元组件（光学镜片与镜头、激光器、感光芯片、马达、光电模块等）的开发与制造”列为鼓励外商投资之产业

2021年3月，全国人大发布的《国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》提出，从国家急迫需要和长远需求出发，集中优势资源攻关新发突发传染病和生物安全风险防控、医药和医疗设备、关键元器件零部件和基础材料、油气勘探开发等领域关键核心技术。

国家产业政策支持基础共性技术的研究，有力推动了光电和半导体行业的技术进步和突破，缩短了与国际先进水平的距离，越来越多产业链核心产品实现了国产化，使我国的光电和半导体产业从关键芯片、器件等到下游各终端产品实现了整体的技术提升，行业的国际竞争力不断增强。

综上，下游应用领域市场规模扩大以及对光谱芯片技术水平要求的提升，加上政策的不断助力，推动了光谱行业的发展，光谱仪正向着微型化光谱仪（Chip-Scale Spectrometers）演进。

微型光谱仪的市场空间与发展趋势

微型光谱仪市场空间

据Yole Development研究，超越人类生物视觉，增强人类和机器视觉感知能力，将是光学未来的发展趋势。感知万物的高光谱成像技术，将成为下一代光学技术革命，在消费电子、自动驾驶、工业机器人、安防等领域全面发展。数据显示，每年全球光学镜头有50-70亿颗出货量，微型高光谱相机进入市场并逐步渗透，将是一个新增的百亿级增量市场。此外，据 Frost&Sullivan 统计，预计未来全球 CMOS 图像传感器市场仍将保持较高的增长率，至 2024 年全球出货量达到 91.1 亿颗，市场规模将达到 238.4 亿美元，分别实现 7.5%和 7.6%的年均复合增长率。

另，据巴黎市场调查公司Tematys的报告，微型光谱仪全球市场规模从2016年6.55亿美元高速增长至2019年9.22亿美元，2020年至2024年市场规模爆发性增长，CAGR复合年均增长率大于111%，芯片级光谱仪应用于消费级市场和生物医疗传感等方面，预计到2024年使用量达到每年3亿颗。

微型光谱仪的四大技术路线

微型光谱仪技术路线可归纳为色散型（dispersive optics）、窄带滤光型（narrowband filters)、傅里叶变换型（Fourier transform）和计算光谱（reconstructive）四大类。

色散型微光谱仪

色散型微光谱仪是最经典的光谱仪类型，由一个或多个衍射光栅、一段光程以及一个探测阵列组成。光通过入射狭缝被准直照射在衍射光栅上，衍射光栅将光谱成分分散到不同的方向，最后通过光学元件将分散的光聚焦到探测器阵列上得到光谱分布。

其中，硅基刻蚀衍射光栅（EDG）和硅基阵列波导光栅（AWG）是两种最典型的色散型平面集成光学器件（光学介质）。此外，基于散斑测量的原理产生了硅基多模波导光谱仪，散斑通常需要利用阵列探测器进行探测，校正过程较为复杂，对算法的要求也较高。

色散型微光谱仪光谱仪拥有超高分辨率、宽光谱范围和成熟的技术路线，已实现了较为广泛的商业应用。

窄带滤光型微光谱仪

窄带滤波器能够选择性地传输特定波长的光，并通过多滤波谐振阵列或调谐的方式，获取对应参数相关波长的功率值，实现对光谱的检测。其光谱带宽主要取决于调谐次数或者阵列个数，而其分辨率则主要取决于滤波器的带宽。以分光方式划分，主要包括可调滤光片、滤光片阵列、线性渐变滤光片、波导滤光。

窄带滤波器阵列和线性可变滤波器能够同时测量多个光谱分量，实现对光谱的快速检测。

傅里叶型微光谱仪

傅里叶变换型光谱仪通过对探测器得到的干涉图进行傅里叶变换获得待测光谱，多用于红外吸收或发射光谱的测量。主要包括空间外差傅里叶变换型（Spatial Heterodyne Spectrometer, SHS），驻波傅里叶变换型光谱仪(SWIFTS)，热调傅里叶变换型光谱仪和数字傅里叶变换型（digital Fourier transform spectrometer）四类。

傅里叶变换型光谱仪具有杂散光低、分辨率较高、光通量大、精度高等优点，使得微型化的同时满足高光通量和高分辨率等性能的要求。

计算重构型微光谱仪

随着计算机的计算能力的提高，以及人们对算法研究的日渐成熟，新型的光谱获取方式——计算重构光谱被提出来。计算光谱利用高速的计算去部分替代物理分光元件的工作负荷，所以能进一步减小器件的尺寸和重量，是未来微型光谱发展的趋势。

计算光谱主要可分为光谱的编码和解码两个步骤，编码涉及实验标定，而解码则设计反问题的求解。光谱信息的编码方式主要分为两类：光谱空间映射编码和光谱响应编码：

空间映射编码：在色散型光谱仪中，光谱域的一个点(即一个波长)被映射到空间域的一个点(即一个探测器)，探测器的读数直接构成光谱。然而，光谱分辨率与从光栅到探测器的距离(路径长度)成比例。因此，当希望在减少尺寸的情况下提高光谱分辨率时，一对一的光谱到空间映射受到限制。光谱空间映射编码可以解决这个问题，它通过在每个波长的空间域中创建一个特征图案(一维或二维)来区分波长。

光谱响应编码分为滤光片编码、探测器响应编码、照明编码实现每个探测器定制不同的光谱响应编码，其中一种方法是在探测器表面覆盖具有特征吸收光谱的滤光结构来实现。

此外，近年来，研究人员相继提出了一系列新型光谱仪，例如量子点光谱仪、纳米线光谱仪、超表面光谱仪等。

前三类微型光谱仪在本质上是按比例缩小的传统光谱仪，这也是微型光谱仪发展初期的主要研究内容，它们都存在着各自的局限性，主要表现在光谱分辨率受光程路径的限制、光谱分辨率受通道数限制、刻蚀沉积等工艺的复杂性。

这意味着色散型、滤光片型和傅里叶变换型光谱仪的微型化需要克服的主要难点是色散元件和光路的缩小带来的性能退化和成本上升，这也是近几十年来全世界都没能基于这三种方案做出一款光谱分辨率高，成本又低的微型化产品，基础技术和概念也没有发生重大变化。

反观计算光谱，在过去十多年的时间，伴随着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了新的活力——计算光谱是把这部分的技术挑战转嫁到算力和算法上，色散元件和光路可以不需要精细又精确，对材料和加工的要求大大降低，尺寸和成本的问题迎刃而解，因此计算光谱仪成为了*有发展前景的研究方向。

PART 03

投资案例

中科创星提出科研搜跟与市场洞察双螺旋体系，研判经济社会以及行业发展趋势，持续跟踪科研进展，分析新技术落地可行性，结合市场需求反馈，精准投资硬科技。在光学领域，基于光学和光电子产业长期的科研调研和市场调研情况，把握前沿技术发展，发现稀缺技术，研判未来技术趋势，洞察市场需求，筛选出待投领域微型光谱仪。后基于对光谱仪微型化从市场需求、驱动因素、应用场景、技术发展情况（知识产权等）、技术路线等进行深度解构，全面剖析产业链上中下游环节与逻辑，分析国际国内相关企业基本情况后，挖掘到光谱技术研究20余年的求是光谱团队，并做出投资决策。

求是光谱成立于2017年，拥有研究光谱技术20余年的科研团队基础，专注于光谱视觉芯片开发及应用场景探索。采用计算重建型的光谱方案，尝试解决光谱技术的消费级应用难题。

光谱成像芯片由成千上万个微型光谱仪构成，每个微型光谱仪都可以独立实现光谱分析功能，在成像和光谱检测中具有*优势，将逐步替代传统光谱芯片：

光谱成像方面，暗光更清晰：宽谱段透光，感光能力提升50%以上；色彩更准确：光谱测色，颜色准确度提升20%以上。

光谱检测方面，体积小：1cm大小，仅为传统设备的千分之一；光谱分辨率高：最高达到1nm，比肩专业设备；

成本方面，相较传统光谱芯片，成本可降低近1万倍。