一、研究介紹
近日，四川大學機械工程學院MEMS團隊在眼動追蹤領域取得了重要進展。該研究提出了一種基于MEMS雙軸靜電微鏡高頻掃描的新型眼動追蹤方法，有望突破傳統的攝像頭方案在功耗與精度之間的瓶頸限制。該成果以“High-Accuracy Eye Tracking (<0.5°) Method via 1D Rotational MEMS Mirror Scanning”為題，發表在期刊《Optics Letters》上。四川大學梁天祥（2023級碩士研究生）和譚皓宇（2023級博士研究生）為論文的共同第一作者。
二、研究內容
傳統的眼動追蹤方案大多依賴攝像頭進行圖像采集與處理，往往在高精度與低功耗之間難以兼顧。本研究團隊創新性地利用8 kHz驅動的MEMS微鏡實現一維旋轉掃描，通過調節驅動信號的占空比和相位，將激光束精確地引導至角膜表面。隨后，系統僅需對反射信號峰值的時間間隔進行分析，即可高效估算注視方向，從而顯著降低計算負擔與能耗。
圖1 基于MEMS微鏡掃描的眼動追蹤系統工作原理
水平注視測量的測試角度與設定角度匹配良好，線性度強。采用真實值與實測值的平均偏差和標準偏差來確定眼動追蹤的準確性和精密度。水平計算結果分別為0.110°和0.197°。垂直方向測量結果分別為0.354°和0.246°。總體而言，該系統具有動態跟蹤能力，精度優于0.5°，適合高精度眼動追蹤的研究和應用。
圖2 眼動追蹤系統注視測試的實驗結果
為了模擬真實的眼球運動，在不同條件下進行了連續實驗，在一個完整的眼動周期中記錄的信號強度和相應的眼旋轉角度。反射鏡通過阻擋角膜模擬閉眼，在此期間信號強度和旋轉角度保持穩定。取下反射鏡后（0-20 ms），模擬睜眼，信號強度波動明顯，反映眼瞼運動引起的動態變化。在注視間隔（20-30 ms）內，信號幅值穩定在較高水平，表明角膜信號檢測成功且連續。采用步進電機快速旋轉模擬眼跳運動（30-45 ms），信號幅值從+15.8°平穩下降到?24.2°，沒有中斷，顯示了魯棒的動態跟蹤性能。在隨后的注視階段（45-55 ms），信號和角度曲線均趨于穩定。該系統在眼動各階段均表現出穩定的性能和高角度分辨率，且信號與角度變化之間具有很強的相關性。
圖3 眼動追蹤系統不同狀態下的連續測試結果
此外，設計二維眼動追蹤測試進一步評估眼動追蹤性能。使用一維旋轉掃描方法測量和生成圖4(a)所示精度圖。該系統在各個方向上都具有較高的角度定位精度，其中靠近中心區域的定位精度高。隨著偏轉角度的增加，精度下降，在一些外圍區域誤差超過1°，表明廣角跟蹤的局限性。方向精度不平衡也被觀察到，可能是由于光路和信號處理的限制。然而，該系統為高精度眼動追蹤應用提供了足夠的準確性和穩定性。對于大角度眼動追蹤任務，需要進一步優化以提高魯棒性和廣角性能。
為了評估實時反應性，在40°范圍內以10°步進行掃視測試，結果如圖4(b)所示。隨著角度的增大，總測量時間逐漸增加。反復試驗表明，在不同的測試條件下，變化小于±10 ms，具有較強的重復性和時間穩定性。在排除電機延遲后，跟蹤系統本身造成的延遲僅占總測量時間的約10%。如圖4(c)所示，在所有掃視角度上，延遲時間都保持在40毫秒以下。在20°-40°范圍內，延遲穩定維持在20 ms附近，變化最小，證實了系統在眼跳條件下的快速反應能力。
圖4 眼動追蹤系統的進一步性能測試
三、結論與展望
這項工作為實現高度集成的下一代眼動追蹤系統提供了一條可行的途徑。未來會嘗試進一步優化光路，實現更大范圍的測量，更高的精度與更優的穩定性。
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