据中国激光杂志社网，于2023年11月11日报道， 随着生活质量的不断提升，人们对自身健康状况的关注度也愈来愈高，小型可穿戴式生理数据监测设备，在近年来获得了明朗的市场前景。尽管该类设备售价昂贵，但其所能实现的测量精度和效率，却因为探测光源和分析系统的掣肘，而没有得到根本性的提升。
近日，一支来自美国杨百翰大学的研究团队，采用全新的材料工艺和制造技术，设计并研发出了一种基于短波红外散射激光的可穿戴式光谱仪，该工作大幅提升了生理数据的探测精度和速度，为人体健康指标可视化工程带来了全新的优化思路，具有较强的科学价值和工程意义。相关成果该以“Miniaturized short-wavelength infrared spectrometer for diffuse light applications”为题，发表于Advanced Photonics Nexus 2023年第6期。
短波红外激光——打破运动手环市场内卷困境
随着人们生活质量及认知水平的逐步提升，现代人对自身健康状态的关注度也愈发升高。随着智能手机为代表的移动终端设备快速崛起，具备生理数据探测的新一代可穿戴电子设备，例如智能手表、运动手环等，也逐渐走进电子消费市场，近几年已迅速成为了一股新的健康风尚。
市面上常见运动手环大多能够实现计步、定时以及信息提醒等基本需求，并能够为穿戴者提供睡眠、血压以及心率监测等生理指标的实时反馈，而这些功能也能在一定程度上纠正不良的生活作息习惯，为现代人的健康生活提供改善建议。
尽管运动手环能够提供一些基础生理特征的探测反馈，但其能够实现的测量精度和测试种类较为有限，无法对穿戴者的健康状态做出全面、可观、精确的评估。随着移动端设备厂商“内卷”风潮的到来，如何从技术层面提升手环测量指标，成为了学界以及产业界共同关注的话题。
近年来，越来越多的目光投射到了短波红外这一生理探测的蓝海频段上，作为一个尚未得到充分开发的光谱区域，该波段能够提供多个有关生物分子探测的吸收峰（例如葡萄糖、尿素及乳酸等）。相较于目前主流的发光二极管探测手段，这一波段的光能够对不同物质的吸收峰，做出更加精细的区分，因此可作为理想的探测光源。但仅有光源还不够，一台合格的健康监测设备还需要对不同频率成分做划分，实现波长精准探测（从本质上讲，该模块就是一台光谱仪）。
随着微纳加工技术的进步，实现小型化光谱仪制造的科学设想，也从纸面设计走向现实。一般而言，小型光谱仪设计最重要的就是对探测光做区分，而较为成熟的方法莫过于采用楔形滤光片（其工作原理与薄膜干涉带通滤波片相同）来进行分光。如果当允许通过的波长与楔形片的位置呈现出线性对应关系时，该滤波片又称“线性可变滤波器 (LVF)”，当LVF与光电二极管阵列结合，使阵列中每个像素都对应特定波长后，一台小型的光谱仪便得以设计完成。
尽管LVF能实现分光，但入射光只有垂直入射其表面时，所能实现的分辨率才能达到最高。然而，在人体组织环境里，经过血液漫反射后的光束将很难以一个近乎垂直的角度实现入射，这便成为了困扰研究人员的技术难点所在。
该团队利用碳纳米管模板微加工 (CNT-M) 技术，设计出了一种能够实现光束准直的碳纳米管 (CNT) 准直阵列，阵列对光束准直效果测试实验过程如图2所示。在无需光栅及透镜的情况下，光谱仪的大小被压缩至 3 mm × 3 mm × 14 mm，仅由一个CNT准直器，一个LVF以及一个128像素线性光电探测阵列组成，实现了对市面上绝大多数传感设备尺寸及重量特性的超越。
巧妙的结构设计——实现更精准的脉动测量
该团队所提出新设计的工作原理如图3 (a) 所示：单束漫反射光（无序）由顶部进入光谱仪，首先被CNT准直器所过滤、准直，滤除以随机角度入射的杂散光，只留下垂直入射光；垂直角度入射的光束会穿过LVF，并在其作用下实现分光，波长分离的信号光最终射向了光电探测器阵列，并被其收集处理。整个探测过程较为简易，其关键点就在于CNT准直器和LVF结构的巧妙搭配上，二者巧妙实现了光谱仪对于探测精度和范围的技术需求。
该研究团队还详细说明了CNT准直器的制备方法，包括生长温度、加工工艺以及加工时间。值得说明的是，整个探测设备的大小仅与一枚硬币相当（如图3 (b)）；而又由于设备主要结构组件均由3D打印技术制造，因此其便携性也得到了充分保证。
为了论证CNT准直器对于LVF分辨光谱能力的提升作用，研究人员进行了几组对照实验，实验装置示意图如图4 (b) 所示：由钨灯丝和单色仪所提供的单色光源（中心波长1300 nm，带宽2 nm），在漫反射镜作用下，被直接反射到光谱仪顶端进行实验测量；在高度、波长变化以及有/无准直器的情况下，从1000~1500 nm每隔100 nm测量一次光谱分辨率，以确定CNT准直器对于装置整体性能的提升水平。
测量结果如图4所示，图4 (a) 绘制了不同光源高度对于测量结果的影响；图4 (c) 则表明了有CNT准直器或没有其作用时所实现的光谱探测结果；图4 (d) 则展示了有CNT准直器作用，且作用距离最优条件下不同波段下的测量结果，而每个测量结果都能达到预期的分辨精度（15 nm，没有CNT准直器时这一数值为60 nm），这也充分说明了光路调整以及CNT准直器的重要性。
此外，该团队研究人员还研究了该设备在人体佩戴环境下的测量效果，实际测试结果如图5所示：通过将光谱仪进行封装、可穿戴化加工，得到了如图5 (a) 所示光谱仪实物；图5 (b) 则展示了实际佩戴后的尺寸；图5 (c) 是以红外LED（共5个，中心波长分别为1050、1300、1550 nm、1650 nm以及1650 nm）为探测光源，以10 ms为采样积分时间所采集到的一组脉搏数据（探测光源中心波长1050 nm）。
实验结果表明，该装备已经具备了探测微弱漫反射光信号的能力，后续工作只需要对不同的物质进行识别、归类，就能够为人体健康探测提供更多维度的反馈。同时，该团队也在论文中指出：这项工作目前仅在正常的室温环境下完成了测试，并没有尝试在极端温压条件下进行工作。
总结与展望
该团队设计并制造了一个小型化、可佩戴的红外光谱仪，能够实现对900~1600 nm波段范围内光谱信号的精准探测，是目前已知体积最小的漫反射光探测装备。除了检测人体健康状态外，这类光谱仪还能够为食品安全、土壤营养状况等具体应用环境提供技术支撑。实验结果证明，该光谱仪能够提供更高的光子通量，这也从硬件参数层面增加了探索更多潜在探测对象的可能性。该团队还指出：“如果能够更进一步优化器件的尺寸，该设备将获得极其明显的商用价值”。
