【新聞特寫(xiě)】這顆北理“芯”駕馭光影，打造3D“智慧眼”！

發(fā)布日期：2022-12-02 供稿：集成電路與電子學(xué)院、黨委宣傳部攝影：集成電路與電子學(xué)院

編輯：吳楠審核：武楠、劉曉俏閱讀次數(shù)：

黨的二十大報(bào)告深刻指出，教育、科技、人才是全面建設(shè)社會(huì)主義現(xiàn)代化國(guó)家的基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性支撐。必須堅(jiān)持科技是第一生產(chǎn)力、人才是第一資源、創(chuàng)新是第一動(dòng)力，深入實(shí)施科教興國(guó)戰(zhàn)略、人才強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略、創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略，開(kāi)辟發(fā)展新領(lǐng)域新賽道，不斷塑造發(fā)展新動(dòng)能新優(yōu)勢(shì)。

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在偌大的車(chē)間里，多條生產(chǎn)線(xiàn)正緊鑼密鼓地高效運(yùn)轉(zhuǎn)，卻鮮有工人在機(jī)器之間穿梭，一部部機(jī)器人正代替人力在流水線(xiàn)上完成工作任務(wù)。機(jī)器人結(jié)構(gòu)龐大，但并不“莽撞”，它能快速洞察零部件外形，精準(zhǔn)地完成定位、抓取、裝配、焊接等工作，是什么讓機(jī)器人“看得見(jiàn)”？答案就藏在機(jī)械臂里一枚小巧的MEMS微鏡芯片上。那么，這樣一枚小小的芯片是如何誕生的呢？又有哪些強(qiáng)大的功能？

亮相成就展

日前，由北京理工大學(xué)集成電路與電子學(xué)院“光芯繪影”學(xué)生團(tuán)隊(duì)研制的微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）微鏡芯片，亮相“奮進(jìn)新時(shí)代”主題成就展，吸引了眾多參觀者。它僅有米粒大小的身軀，卻可投射數(shù)千編碼條紋，重建零部件信息，給機(jī)器帶來(lái)最真實(shí)的感知。

“芯片能以超高速度將結(jié)構(gòu)光投影在物體表面，為機(jī)器人視覺(jué)識(shí)別提供光學(xué)基礎(chǔ)，構(gòu)建廣闊視野，在智慧物流、刑偵采集、醫(yī)療診斷等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。”團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人、集成電路與電子學(xué)院2020級(jí)碩士研究生張瑞浩說(shuō)。這枚小小的芯片在物流、刑偵、醫(yī)療等領(lǐng)域成為了機(jī)器感知世界的“慧眼”！

芯片誕生記

“光芯繪影”團(tuán)隊(duì)學(xué)生合影（左起為陳靜怡、屈家生、張瑞浩、趙之昊、賈云飛）

現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)包含感知、檢測(cè)等環(huán)節(jié)，和工業(yè)3D相機(jī)密不可分。與傳統(tǒng)的2D相機(jī)相比，3D相機(jī)可以獲取物體表面的深度信息，從而建立起物體的三維模型，被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)制品的表面缺陷檢測(cè)。如工業(yè)檢測(cè)中一個(gè)表面有劃傷的金屬件，其傷痕顏色與金屬顏色相同，且金屬件表面存在加工紋路劃痕與紋路混在一起，普通2D相機(jī)根本無(wú)法分辨出來(lái)，而結(jié)構(gòu)光3D相機(jī)可以獲取金屬表面的深度信息，獲得三維數(shù)據(jù)，進(jìn)而分辨出表面劃痕位置。

MEMS芯片作為3D相機(jī)的核心器件，將結(jié)構(gòu)光投影到物體表面，通過(guò)感知算法解算結(jié)構(gòu)光的形變，3D相機(jī)便可構(gòu)建出三維信息。

“目前我國(guó)結(jié)構(gòu)光3D投影芯片技術(shù)仍與世界先進(jìn)水平存在差距，且存在溫漂大、體積大、精度低等不足。以MEMS微鏡芯片研發(fā)為突破口，開(kāi)拓一條3D結(jié)構(gòu)光投影芯片生產(chǎn)新路徑，成為了我們科研的目標(biāo)。”張瑞浩說(shuō)。MEMS微鏡芯片在3D結(jié)構(gòu)光投影方面有著先天的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，其體積小、視場(chǎng)可靈活調(diào)整的特點(diǎn)使光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)大大簡(jiǎn)化，從而降低成本，適合大規(guī)模推廣。

張瑞浩帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在學(xué)院謝會(huì)開(kāi)、周文斌、王曉毅老師的指導(dǎo)下，依托北京理工大學(xué)i2MEMS實(shí)驗(yàn)室和北京理工大學(xué)重慶微電子研究院多年研究積累的基礎(chǔ)上，針對(duì)現(xiàn)有應(yīng)用方案的局限性，瞄準(zhǔn)芯片體積、溫度漂移、角度檢測(cè)三大技術(shù)難點(diǎn)，開(kāi)展科研攻關(guān)。

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2022年5月，團(tuán)隊(duì)成員在蘇州納米所測(cè)試間使用顯微鏡檢測(cè)芯片

“攻克技術(shù)難題，需要學(xué)生具備扎實(shí)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)，同時(shí)也要充分了解市場(chǎng)需求。”謝會(huì)開(kāi)教授非常注重學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)的積累和動(dòng)手能力的培養(yǎng)，促進(jìn)學(xué)生將理論與實(shí)踐有機(jī)結(jié)合，知行合一。此外，在開(kāi)展科研攻關(guān)的同時(shí)，謝會(huì)開(kāi)等老師帶領(lǐng)學(xué)生廣泛調(diào)研市場(chǎng)需求，與十余家3D視覺(jué)廠(chǎng)家進(jìn)行溝通，充分了解產(chǎn)業(yè)痛點(diǎn)和難點(diǎn)。

在教師和團(tuán)隊(duì)成員共同努力下，在先進(jìn)科研平臺(tái)的支撐下，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出了新型微鏡梳齒結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)出電容式角度檢測(cè)技術(shù)，攻克了低溫漂芯片和高精度檢測(cè)兩大核心技術(shù)，顯著減小了諧振角度漂移，提升了溫度穩(wěn)定性。

小芯片發(fā)揮大作用

實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破后，團(tuán)隊(duì)著眼長(zhǎng)遠(yuǎn)，面向國(guó)家重大需求，聚焦《“十四五”智能制造發(fā)展規(guī)劃》中智能制造裝備領(lǐng)域開(kāi)展了“光芯繪影”創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目。“科研成果要真正服務(wù)于人民生產(chǎn)生活，在解決技術(shù)難題的基礎(chǔ)上，我們開(kāi)始思考如何進(jìn)行成果轉(zhuǎn)化，推進(jìn)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目。依托i2MEMS實(shí)驗(yàn)室、北理工重慶微電子研究院等豐富的資源，經(jīng)過(guò)多方調(diào)研，團(tuán)隊(duì)形成了明確的創(chuàng)業(yè)思路。”謝會(huì)開(kāi)教授說(shuō)。

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完成加工工藝，等待釋放和劃片的MEMS微鏡芯片晶圓

項(xiàng)目以低溫漂高精度的MEMS微鏡芯片為核心產(chǎn)品，以芯片設(shè)計(jì)和封測(cè)為主要業(yè)務(wù)，團(tuán)隊(duì)不斷優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高芯片穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)推出了面向虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、3D相機(jī)、激光投影等多重應(yīng)用場(chǎng)景的系列化產(chǎn)品。目前，芯片產(chǎn)品已具備量產(chǎn)能力，MEMS微鏡芯片出貨近萬(wàn)顆，申請(qǐng)多項(xiàng)發(fā)明專(zhuān)利。

核心產(chǎn)品MEMS微鏡芯片研發(fā)成功后，“光芯繪影”團(tuán)隊(duì)并未停止前進(jìn)的腳步，而是向著更高的山峰進(jìn)發(fā)。經(jīng)過(guò)大量走訪(fǎng)調(diào)研交流，“光芯繪影”團(tuán)隊(duì)瞄準(zhǔn)產(chǎn)業(yè)鏈需求又開(kāi)發(fā)了3D結(jié)構(gòu)光投影方案，用戶(hù)可以根據(jù)自身需求便捷地開(kāi)發(fā)各種應(yīng)用產(chǎn)品。

大眾創(chuàng)業(yè)、萬(wàn)眾創(chuàng)新，道阻且長(zhǎng)、行則至遠(yuǎn)。未來(lái)，“光芯繪影”團(tuán)隊(duì)將以領(lǐng)先的技術(shù)優(yōu)勢(shì)、先進(jìn)的運(yùn)營(yíng)模式、優(yōu)秀的團(tuán)隊(duì)成員為支撐，向著創(chuàng)業(yè)的藍(lán)海遠(yuǎn)航，在新時(shí)代浪潮中奮進(jìn)！

附團(tuán)隊(duì)簡(jiǎn)介：

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“光芯繪影” 團(tuán)隊(duì)師生均來(lái)自北京理工大學(xué)集成電路與電子學(xué)院，指導(dǎo)教師是謝會(huì)開(kāi)、周文彪、王曉毅。團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)了系列化低溫漂、高穩(wěn)定性的MEMS微鏡芯片，并基于MEMS微鏡芯片開(kāi)發(fā)了一套高精度、小體積、低成本、高穩(wěn)定性的3D激光投影模塊，提出了從硬件到算法的三維點(diǎn)云重建全流程解決方案。