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近日，清華大學(xué)精密儀器系智能微系統(tǒng)團(tuán)隊(duì)尤政院士、邢飛教授課題組提出了一種創(chuàng)新的基于微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）的空間調(diào)制成像芯片技術(shù)。該研究將數(shù)字圖像傳感器與MEMS單片集成，通過精確調(diào)控圖像傳感器在亞像素尺度的位置，突破了靜態(tài)圖像傳感器像素尺寸對空間采樣周期的物理限制，實(shí)現(xiàn)了高達(dá)33.7倍的空間帶寬積（SBP）增強(qiáng)，顯著提升成像分辨率。相關(guān)成果以“A chip-scale image sensor integrated with a microelectromechanical system actuator”為題，在期刊《Nature Electronics》上發(fā)表。

研究背景與成果

數(shù)字圖像傳感器是機(jī)器視覺、生物醫(yī)學(xué)成像等領(lǐng)域的核心元件，其性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一是空間帶寬積（SBP），它定義了傳感器所能捕獲的最大空間信息量。過去二十年間，受益于摩爾定律驅(qū)動(dòng)的像素尺寸不斷微縮，商用圖像傳感器的SBP得到了顯著的提高。然而，隨著圖像傳感器像素尺寸縮小至亞微米級(jí)別，單位像素檢測到的光子數(shù)與滿阱容量顯著降低，傳統(tǒng)基于像素尺寸微縮的SBP提升路徑遭遇信噪比與動(dòng)態(tài)范圍的瓶頸。

針對這一挑戰(zhàn)，尤政院士、邢飛教授團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，提出了一種不依賴于減小像素物理尺寸的SBP增強(qiáng)成像通用性解決方案。研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并制造了一款MEMS驅(qū)動(dòng)的芯片級(jí)空間調(diào)制成像微系統(tǒng)（MSEIS）。該微系統(tǒng)能夠在曝光間隙快速、精確地對圖像傳感器芯片的空間位置進(jìn)行調(diào)制，并在多個(gè)亞像素位置進(jìn)行成像。通過利用這種亞像素空間位置信息，該傳感器能夠以遠(yuǎn)高于其物理像素密度的有效分辨率重建圖像，從而顯著提升SBP。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該技術(shù)可將傳感器的空間帶寬積提升高達(dá)33.7倍，并能有效提高點(diǎn)目標(biāo)定位精度和成像分辨率。

圖1 調(diào)制成像微系統(tǒng)設(shè)計(jì)與SBP增強(qiáng)原理。(a-c) 調(diào)制成像芯片示意圖和照片。 (d-e) 調(diào)制成像微系統(tǒng)亞像素位移過程下的像素偏移示意圖。

圖2 空間調(diào)制成像相機(jī)SBP增強(qiáng)性能表征(a) 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。(b) 不同擴(kuò)展系數(shù)k下成像結(jié)果比較。(c-d) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對比，擴(kuò)展系數(shù)k=1、k=4和k=10時(shí)，等效采樣周期分別為3.6μm、0.95μm和0.62μm。

技術(shù)成果展示

研究團(tuán)隊(duì)針對空間調(diào)制成像應(yīng)用需求，自主設(shè)計(jì)、加工了具有跨支撐梁多層密集再布線層的高精度靜電MEMS執(zhí)行器，并成功將其與商用圖像傳感器芯片異構(gòu)集成，實(shí)現(xiàn)MSEIS空間調(diào)制成像芯片構(gòu)建。該MEMS執(zhí)行器具有四組獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的靜電梳齒電極和面內(nèi)位移解耦架構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)正交的x-y方向上無扭轉(zhuǎn)、高精度的位移控制，可將等效采樣周期從原始的 3.6 μm 顯著降低至 0.62 μm，實(shí)現(xiàn)了高達(dá)33.7倍的SBP增強(qiáng)。

在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步構(gòu)建空間調(diào)制成像相機(jī)，在點(diǎn)目標(biāo)測量與成像兩項(xiàng)典型應(yīng)用中對構(gòu)建的MSEIS芯片進(jìn)行驗(yàn)證。在點(diǎn)目標(biāo)定心測量實(shí)驗(yàn)中（圖3），該芯片對于不同尺寸與亮度的點(diǎn)狀目標(biāo)，均顯著提升了定心精度。例如，在對過曝光的點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行定心測量時(shí)，x方向的中心位置測量標(biāo)準(zhǔn)差從 0.0419 像素（≈177 nm）降低至 0.0037 像素（≈13 nm），精度提升超過 10 倍。在成像實(shí)驗(yàn)中，該芯片同樣顯著提高了成像分辨率（圖4）。

圖3 空間調(diào)制成像相機(jī)在SBP增強(qiáng)（擴(kuò)展系數(shù)k=4）和原始狀態(tài)下（擴(kuò)展系數(shù)k=1）對不同亮度和尺寸的點(diǎn)狀目標(biāo)進(jìn)行定心測量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比

圖4 空間調(diào)制成像相機(jī)在SBP增強(qiáng)（擴(kuò)展系數(shù)k=4）和原始狀態(tài)下（擴(kuò)展系數(shù)k=1）對不同場景的成像結(jié)果對比

該工作從原理上突破了“像素微縮—性能退化”的固有矛盾，提出的基于像素級(jí)空間調(diào)制的通用成像芯片架構(gòu)具有高集成度和高兼容性的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)了在不縮小像素的前提下提升成像信息容量，可以兼容現(xiàn)有成像系統(tǒng)以及成像算法（如去模糊處理、深度學(xué)習(xí)和壓縮編碼），充分展現(xiàn)了微系統(tǒng)的集成化、智能化的技術(shù)優(yōu)勢，為芯片級(jí)超像素分辨提供了新范式。

該研究的第一完成單位為清華大學(xué)精密儀器系。論文第一作者為精儀系博士研究生謝榮博。精儀系尤政院士、邢飛教授、趙曉光副教授為該論文的共同通訊作者。精儀系劉曉琴、戰(zhàn)海洋博士、玄國哲等多位師生為本工作做出了重要貢獻(xiàn)。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41928-026-01600-9

來源：清華大學(xué)精密儀器系