剑桥大学的研究团队与其衍生初创公司GlitterinTech合作，研制出一款体积仅几厘米、成本约10美元的光学光谱仪，声称其精度可与实验室级仪器相媲美，并有望被集成进可穿戴设备，实现无需扎针的血糖监测。相关成果发表在《Nature Photonics》上。
光谱仪通过分析光与物质相互作用后携带的信息来识别物质成分，是医学、制造、化学检测和环境研究中的基础工具。但长期以来，缩小体积往往意味着牺牲性能：便携式光谱仪通常测量范围有限、分辨率下降或精度不足，更适合“识别是什么”，而不是“精确测量有多少”。
这款被命名为“卷积光谱仪”的新设计试图绕开这一权衡。传统方案要么把入射光按波长分离，要么依赖复杂算法重建光谱；剑桥团队则利用卷积定理，直接在光域对入射光执行卷积运算。具体做法是将具有周期性光谱响应的光学元件（如非平衡马赫-曾德尔干涉仪或微环谐振器）按序列排布，并按比例调节各元件，使系统响应随波长呈可控的线性平移，随后通过快速傅里叶变换精确还原光谱。
论文第一作者Chunhui Yao博士表示，关键思路是回到数学本身，追问是否存在更简洁的光谱获取方式；直接在光域使用卷积定理，规避了长期以来制约微型光谱仪的许多限制，从而在紧凑、低成本的系统中同时获得高精度、强抗噪能力和很低的计算开销。
硬件方面，该器件基于氮化硅光子平台制造，并集成了片上电子电路，工作波段覆盖1200至1700纳米的近红外区间，采集与处理一次测量不到一秒。由于依赖周期性光学图案，其光谱带宽在理论上几乎可以无限扩展，而按序列增加光学元件还能让分辨率呈指数级提升，且无需大幅改动硬件。
研究团队在真实材料上验证了器件性能。在识别塑料、药品、咖啡、面粉和茶叶的测试中，该光谱仪的分类成功率达到100%；在水溶液和有机溶液中测量浓度时，精度约为0.01%，在这些实验中超过了商用台式光谱仪。
医疗健康方面的演示尤为引人关注。在模拟真实生理环境的条件下，器件准确测量了皮肤水分、血酒精、血乳酸和血糖等多项人体生物标志物，并在一名参与者身上完成了较长时间的无创血糖追踪。研究者强调，要成为可用的医疗产品仍需更多测试，但这一结果提示了无需反复刺破皮肤即可监测血糖的可能路径。
项目负责人Qixiang Cheng教授认为，这项工作的突出之处不仅在于实验室性能，更在于技术成熟度：Yao博士的贡献在于把一个数学概念转化为完整封装、坚固可靠的系统，使其在极端温度和真实环境下仍能稳定运行，这正是走向实际部署的关键。该器件在零下20摄氏度至80摄氏度之间持续可靠工作，对微型光谱仪而言是相当宽的温度范围，对可穿戴设备、工厂设备和户外传感器尤具价值。
设计上的简化还带来了计算上的优势。许多现有微型光谱仪依赖复杂校准流程和繁重算法来重建光谱，在测量含噪时容易失准，且需要大量处理资源；卷积方法由于测量遵循线性数学关系，可以快速、稳定地恢复光谱，同时消耗相对较少的算力。参与光子系统设计与集成的Richard Penty教授称，这是一种优雅工程释放真实影响力的范例——架构简单、可扩展、可制造，却能提供媲美甚至超越更大仪器的精度。
展望未来，研究团队希望精确光学传感成为日常技术的常规功能，而非局限于专业实验室。在工业场景中，廉价光谱仪可遍布生产线，持续检查材料成分与产品质量；类似的传感器还能以远大于目前的规模监测食品新鲜度、识别物质和分析环境状况。在医疗领域，紧凑传感器未来或可让可穿戴设备测量水合水平、判断酒精中毒迹象、追踪体能相关生物标志物，或为糖尿病患者持续监测血糖。
Cheng教授表示，团队的愿景是让光谱检测像温度或运动传感一样无处不在，这项工作表明高质量的光谱信息不必被束缚在实验室里，而可以直接嵌入人们日常使用的技术之中。随着光子技术不断小型化，这款约10美元的卷积光谱仪展示了数学洞见与工程实践如何让精密科学仪器变得更简单、更便宜、更普及。