传统光谱仪通常体积大、成本高，且会受到光谱测量范围和光谱分辨率之间的权衡限制，因此，提出一种基于深度学习的无序色散微型光谱仪，采用可以批量生产的毛玻璃作为光谱编码器件，降低光谱仪的制造成本。同时该光谱仪采用集成芯片上的探测方案，不包含任何光学元件，毛玻璃和探测器之间的距离仅为2 mm，大大减小器件尺寸。另外，考虑到光谱重建准确度和光谱重建速度，提出基于深度学习的光谱重建方法。实验结果表明：光谱仪的光谱分辨率为1.4 nm，光谱探测范围达到420~700 nm。即使在噪声环境下，重建光谱与真值光谱之间的均方误差仅为1.38×10^-3，且单个光谱的重建时间只有16 μs。

因为便携、 低成本、 集成化等优势，微型光谱仪已经成为光谱仪技术发展的重要趋势，其中工作波段在近红外的微型光谱仪，在光纤传感和解调、 光纤通信等领域有着非常广泛的应用。但目前的近红外微型光谱仪普遍存在分辨率低、 成本高、 体积大不便于携带等问题，为此，提出了一种独特的基于双光栅和柱透镜的微型光谱仪结构，开展了理论和实验研究。相对于传统的微型光谱仪结构，新的设计主要有三个特征： 使用光纤代替入射狭缝，以减少光能损失；采用双光栅将光束进行二次衍射；使用柱透镜以改变线阵CCD阵列表面的成像尺寸。首先，利用Zemax软件进行了光学设计和仿真分析，光谱范围为1 525～1 570 nm，光学系统结构在66 mm×40 mm×24 mm的体积范围内，光谱分辨率理论上达到0.2 nm，比未加柱透镜的结构提升了2.5倍。然后，根据理论分析，选购了合适的光电器件进行了系统封装，与匹配的电路模块结合，实现了微型光谱仪的光谱检测功能。光谱仪的光学系统安装在66 mm×40 mm×30 mm的体积范围内，实际测量的光谱分辨率为0.215 nm，与理论结果较为吻合。进一步地，搭建了一套基于该微型光谱仪的光纤光栅温度传感测量系统，该微型光谱仪作为信号解调仪，选择了四个中心波长分别为1 534、 1 538、 1 542和1 545 nm的光纤光栅作为传感器，温度在0～50 ℃范围内以1 ℃为间隔连续变化，最终实现了温度实时测量和信号解调，系统温度灵敏度分别达到9.58、 9.68、 9.69和9.6 pm·℃-1，验证了该微型光谱仪的高分辨率和高可靠性。研制的微型光谱仪的子组件可以固定在外壳上，系统内部无可移动元器件，体积小、 分辨率高、 稳定性好，可应用于其他诸如物质浓度分析、 传感信号测量等需要高分辨光谱分析的场合。

法布里-珀罗（F-P）微腔作为基础的光学谐振器，因其结构设计方法成熟、品质因子高等特性，在近现代光学领域中具有举足轻重的地位。近年来，随着微纳加工技术的不断成熟，F-P微腔进入了一个新的发展阶段，其结构展现出集成化、多样化、功能定制化的特点，其应用领域也得到进一步拓展。本文总结了近20年来F-P微腔在光场调控领域的研究进展，重点介绍了基于F-P微腔的分光结构及光谱探测应用、F-P微腔中光子与低维材料相互作用的研究，以及F-P微腔在参数精密测量、生物检测、多维光场调控等方面的潜在应用，并对未来F-P微腔的发展及新的应用前景进行了展望。

光谱分析技术具有快速、准确和绿色检测的特点，在科学研究、信息、生物医疗、食药检测、农业、环境和安防等领域有广泛而且重要的应用。然而现有光谱技术与检测设备通常较为庞大复杂，难以适合现场快检、轻载荷平台等便携式应用场景。近年来，微型光谱检测技术和设备受到广泛关注并得到迅速发展，具有尺寸、重量、功耗等方面的显著优势，尤其是基于散斑检测的计算光谱分析技术，可以通过记录分析散射元件对被测光形成的散斑图获得高精度的光谱信息。本文将介绍相关技术原理和技术发展现状，分析现有技术性能和优缺点，讨论并总结未来发展方向和应用前景。

高锌背景下光谱法同时检测痕量多金属离子浓度时, 由于微型光谱仪光源能量辐射不均匀性, 并且混合溶液中不同离子对不同波段紫外可见光会选择性吸收, 因而如果选取微型光谱仪的积分时间过大, 可能导致光谱能量值达到饱和, 选取积分时间过小可能导致光谱信号的信噪比很低。 积分时间的选择往往取决于研究者的经验和待测离子对紫外可见光的吸收特征。 为了实现能够自动选取微型光谱仪积分时间参数, 提出了一种基于二分搜索的高质量紫外可见光谱信号重构算法, 用于重构由不同积分时间组成的图谱特征更加明显的紫外可见光谱信号。 该方法首先采集不同积分时间下参比溶液的紫外可见光谱能量信号, 然后给定参比溶液的不同目标重构光谱能量信号值, 在每一波长点使用二分搜索算法寻找合适的积分时间采样参数; 然后根据紫外可见光谱的特点, 定义了表示重构后的光谱能量值与目标设定值接近程度的重构精度指标和表示重构信号后与重构信号前的图谱特征区分程度的重构特征显著度指标, 最后, 选取搜索区间范围内重构精度最高的光谱信号作为重构信息量, 利用光谱信号重构信息量重构待测溶液紫外可见光谱能量值, 最终得到待测溶液的重构光谱吸光度信号。 实验结果表明, 该算法能够快速自动地选定目标积分时间采样参数值对紫外可见光谱进行信号重构, 来得到高质量紫外可见光谱信号。 该算法可以使信号重构精度达94.84%, 并且重构特征显著度有所提升。 同时, 相对于重构前的光谱信号, 重构后的光谱吸光度信号得到一定程度增强, 信号信噪比也大大提升, 而且避免了积分时间采样参数需要依靠研究者主观判断选择的问题, 为检测多种痕量金属离子的浓度信息提供了高质量的模型数据。

针对微型光谱仪难于兼顾光谱分辨率和光谱范围的问题,提出一种级联微型法布里-珀罗干涉仪和微型曲面光栅光谱仪的设计方法。分析了两种光谱仪匹配设计的条件以及级联光学系统的光谱特性,并提出了一种光谱数据重构算法。用ZEMAX软件设计了一款激光拉曼光谱仪,该光谱仪的尺寸为25 mm×6 mm×6 mm,数值孔径为0.22,拉曼光谱范围为150~3200 cm -1,光谱分辨率约为6 cm -1。仿真了标准拉曼光谱信号的扫描过程,并用长度为2.4 mm的线阵探测器对光谱信号进行采样,重构的拉曼光谱分辨率约为6.4 cm -1,与标准拉曼光谱的偏差为0.4 cm -1,验证了该设计方法和重构算法的可行性。同时,该光谱仪可以基于微机电系统工艺实现微型化和低成本化,满足手持式、便携式光谱检测和工业在线光谱检测的应用需求,具有较高的实际应用价值。

微型光谱仪在检测高浓度比背景下多种痕量重金属离子浓度时, 光谱吸收信号易受外部环境和内部电路的随机噪声干扰, 多种痕量重金属离子的光谱吸收信号微弱易被噪声所淹没, 严重影响了光谱定量分析结果的准确性和重复性, 需要对光谱吸收信号进行去噪预处理。 然而, 大多数光谱去噪算法的一些关键细节参数的设置不仅需要通过反复的实验进行测试验证, 还取决于研究者的现有经验和待解决对象的特征。 针对这些关键参数对滤波效果影响大、 选择难的问题, 提出了一种基于sigmoid误差约束的改进型LMS自适应去噪算法。 首先对标准LMS算法原理进行了分析, 并结合微型光谱仪的数据干扰情况对标准LMS算法的滤波器结构进行优化改进, 利用sigmoid函数具有误差约束的特性, 对标准LMS算法的误差计算模块进行优化改进, 降低算法对噪声敏感性； 然后针对改进后的最小均方误差损失函数是一个非凸函数, 提出了一种类交叉熵损失函数, 将非凸问题转化为一个凸优化问题, 在利用梯度下降法逐步最小化损失函数时, 保证了局部最优解也是全局最优解, 同时结合Adam算法来自适应地调整学习率因子, 保证了算法具有较快的收敛速度； 最后为了验证改进后的自适应去噪算法具有较强的去噪性能, 通过交叉验证进行实验验证。 对四种金属离子混合溶液的实测光谱吸收信号, 添加不同信噪比的随机噪声后使用该改进的算法进行测试验证, 实验结果表明： 在处理信噪比低的吸收光谱信号过程中, 所提方法相对于标准LMS算法、 SG去噪算法、 小波软阈值算法、 小波硬阈值算法, 信噪比分别提高了9.225%, 19.678%, 7.591%和12.042%； 均方误差分别降低了59.647%, 63.070%, 53.600%和57.793%。 该方法不仅能够有效地抑制强噪声, 还原了光谱信号中的一些重要真实细节特征, 而且也避免了关键细节参数需要依靠主观判断选择的问题, 为分析低信噪比下的光谱信号提供了一种新的解决思路。

由于光谱仪的尺寸限制，微型光谱仪在满足一定光谱范围时，其分辨力往往难以小于0.1 nm。而一些特殊应用场合要求光谱仪不仅具有微小的尺寸，还要求具有极高的光谱分辨力。本文基于Zemax 光学设计软件，通过选择合适的初始结构参数与评价函数，自动优化准直镜、聚焦镜、柱透镜、光栅，以及CCD 间倾角和距离，设计出光谱分辨力高达0.05 nm，尺寸为90 mm×130 mm×40 mm 的Czerny-Turner 结构微型光谱仪。在此基础上优化出8 个光栅倾斜角度，使微型光谱仪光谱分辨力在优于0.05 nm 的同时，波段范围达到了820 nm～980 nm。所设计的光谱仪具有超高的光谱分辨力、微小的外形尺寸与适中的光谱范围等特点。

综述了近年来国内外阵列检测型、光栅扫描型、滤光片型、傅里叶变换型和阿达玛变换型等多种类型微型近红外光谱仪关键技术的研究进展, 详细讨论了各种类型的优缺点、适合的应用领域及存在的问题。最后, 对微型近红外光谱仪的应用和发展趋势进行了总结和展望。

利用STM32 微处理器，设计了一种基于吸收光谱技术的皮肤胆固醇无创检测系统，通过微型光谱仪获得有色产物的吸收光谱信息，间接得到人体皮肤胆固醇相对含量。本系统设计了一款高精度可调LED 恒流源，LED 光强的波动范围控制在±1%以内。还设计了一种结构简单、试剂用量少、不需要确切的检测试剂体积的液体限位装置，实现被测液体浓度的准确测量。通过检测梯度浓度CuSO4 溶液，验证了系统应用于不同浓度溶液定量检测的准确性。采用本系统对动脉粥样硬化性疾病患者和对照人群的皮肤胆固醇进行检测，检测结果在统计学上有显著性差异，初步验证系统可用于人体皮肤胆固醇的检测。