劍橋大學的研究團隊與其衍生初創公司GlitterinTech合作，研製出一款體積僅幾釐米、成本約10美元的光學光譜儀，聲稱其精度可與實驗室級儀器相媲美，並有望被整合進可穿戴裝置，實現無需扎針的血糖監測。相關成果發表在《Nature Photonics》上。
光譜儀透過分析光與物質相互作用後攜帶的資訊來識別物質成分，是醫學、製造、化學檢測和環境研究中的基礎工具。但長期以來，縮小體積往往意味著犧牲效能：行動式光譜儀通常測量範圍有限、解析度下降或精度不足，更適合“識別是什麼”，而不是“精確測量有多少”。
這款被命名為“卷積光譜儀”的新設計試圖繞開這一權衡。傳統方案要麼把入射光按波長分離，要麼依賴複雜演算法重建光譜；劍橋團隊則利用卷積定理，直接在光域對入射光執行卷積運算。具體做法是將具有周期性光譜響應的光學元件（如非平衡馬赫-曾德爾干涉儀或微環諧振器）按序列排布，並按比例調節各元件，使系統響應隨波長呈可控的線性平移，隨後透過快速傅立葉變換精確還原光譜。
論文第一作者Chunhui Yao博士表示，關鍵思路是回到數學本身，追問是否存在更簡潔的光譜獲取方式；直接在光域使用卷積定理，規避了長期以來制約微型光譜儀的許多限制，從而在緊湊、低成本的系統中同時獲得高精度、強抗噪能力和很低的計算開銷。
硬體方面，該器件基於氮化矽光子平臺製造，並整合了片上電子電路，工作波段覆蓋1200至1700奈米的近紅外區間，採集與處理一次測量不到一秒。由於依賴週期性光學圖案，其光譜頻寬在理論上幾乎可以無限擴充套件，而按序列增加光學元件還能讓解析度呈指數級提升，且無需大幅改動硬體。
研究團隊在真實材料上驗證了器件效能。在識別塑膠、藥品、咖啡、麵粉和茶葉的測試中，該光譜儀的分類成功率達到100%；在水溶液和有機溶液中測量濃度時，精度約為0.01%，在這些實驗中超過了商用臺式光譜儀。
醫療健康方面的演示尤為引人關注。在模擬真實生理環境的條件下，器件準確測量了皮膚水分、血酒精、血乳酸和血糖等多項人體生物標誌物，並在一名參與者身上完成了較長時間的無創血糖追蹤。研究者強調，要成為可用的醫療產品仍需更多測試，但這一結果提示了無需反覆刺破皮膚即可監測血糖的可能路徑。
專案負責人Qixiang Cheng教授認為，這項工作的突出之處不僅在於實驗室效能，更在於技術成熟度：Yao博士的貢獻在於把一個數學概念轉化為完整封裝、堅固可靠的系統，使其在極端溫度和真實環境下仍能穩定執行，這正是走向實際部署的關鍵。該器件在零下20攝氏度至80攝氏度之間持續可靠工作，對微型光譜儀而言是相當寬的溫度範圍，對可穿戴裝置、工廠裝置和戶外感測器尤具價值。
設計上的簡化還帶來了計算上的優勢。許多現有微型光譜儀依賴複雜校準流程和繁重演算法來重建光譜，在測量含噪時容易失準，且需要大量處理資源；卷積方法由於測量遵循線性數學關係，可以快速、穩定地恢復光譜，同時消耗相對較少的算力。參與光子系統設計與整合的Richard Penty教授稱，這是一種優雅工程釋放真實影響力的範例——架構簡單、可擴充套件、可製造，卻能提供媲美甚至超越更大儀器的精度。
展望未來，研究團隊希望精確光學感測成為日常技術的常規功能，而非侷限於專業實驗室。在工業場景中，廉價光譜儀可遍佈生產線，持續檢查材料成分與產品質量；類似的感測器還能以遠大於目前的規模監測食品新鮮度、識別物質和分析環境狀況。在醫療領域，緊湊感測器未來或可讓可穿戴裝置測量水合水平、判斷酒精中毒跡象、追蹤體能相關生物標誌物，或為糖尿病患者持續監測血糖。
Cheng教授表示，團隊的願景是讓光譜檢測像溫度或運動感測一樣無處不在，這項工作表明高質量的光譜資訊不必被束縛在實驗室裡，而可以直接嵌入人們日常使用的技術之中。隨著光子技術不斷小型化，這款約10美元的卷積光譜儀展示了數學洞見與工程實踐如何讓精密科學儀器變得更簡單、更便宜、更普及。