近日，清華大學精密儀器系智能微系統團隊尤政院士、邢飛教授課題組提出了一種創新的基于微機電系統（MEMS）的空間調制成像芯片技術。該研究將數字圖像傳感器與MEMS單片集成，通過精確調控圖像傳感器在亞像素尺度的位置，突破了靜態圖像傳感器像素尺寸對空間采樣周期的物理限制，實現了高達33.7倍的空間帶寬積（SBP）增強，顯著提升成像分辨率。相關成果以“A chip-scale image sensor integrated with a microelectromechanical system actuator”為題，在期刊《Nature Electronics》上發表。
與成果數字圖像傳感器是機器視覺、生物醫學成像等領域的核心元件，其性能的關鍵指標之一是空間帶寬積（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，受益于摩爾定律驅動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別，單位像素檢測到的光子數與滿阱容量顯著降低，傳統基于像素尺寸微縮的SBP提升路徑遭遇信噪比與動態范圍的瓶頸。
針對這一挑戰，清華大學尤政院士、邢飛教授團隊另辟蹊徑，提出了一種不依賴于減小像素物理尺寸的SBP增強成像通用性解決方案。研究團隊設計并制造了一款MEMS驅動的芯片級空間調制成像微系統（MSEIS）。該微系統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行調制，并在多個亞像素位置進行成像。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。實驗結果表明，該技術可將傳感器的空間帶寬積提升高達33.7倍，并能有效提高點目標定位精度和成像分辨率。
圖1 調制成像微系統設計與SBP增強原理：(a-c) 調制成像芯片示意圖和照片。 (d-e) 調制成像微系統亞像素位移過程下的像素偏移示意圖。
圖2 空間調制成像相機SBP增強性能表征：(a) 實驗裝置示意圖。(b) 不同擴展系數k下成像結果比較。(c-d) 實驗結果與仿真結果對比，擴展系數k=1、k=4和k=10時，等效采樣周期分別為3.6 μm、0.95 μm和0.62 μm。
研究團隊針對空間調制成像應用需求，自主設計、加工了具有跨支撐梁多層密集再布線層的高精度靜電MEMS執行器，并成功將其與商用圖像傳感器芯片異構集成，實現MSEIS空間調制成像芯片構建。該MEMS執行器具有四組獨立驅動的靜電梳齒電極和面內位移解耦架構，能夠實現正交的x-y方向上無扭轉、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，實現了高達33.7倍的SBP增強。
在此基礎上，研究團隊進一步構建空間調制成像相機，在點目標測量與成像兩項典型應用中對構建的MSEIS芯片進行驗證。在點目標定心測量實驗中（圖3），該芯片對于不同尺寸與亮度的點狀目標，均顯著提升了定心精度。例如，在對過曝光的點目標進行定心測量時，x方向的中心位置測量標準差從 0.0419 像素（≈177 nm）降低至 0.0037 像素（≈13 nm），精度提升超過 10 倍。在成像實驗中，該芯片同樣顯著提高了成像分辨率（圖4）。
圖3 空間調制成像相機在SBP增強（擴展系數k=4）和原始狀態下（擴展系數k=1）對不同亮度和尺寸的點狀目標進行定心測量的實驗結果對比
圖4 空間調制成像相機在SBP增強（擴展系數k=4）和原始狀態下（擴展系數k=1）對不同場景的成像結果對比
該工作從原理上突破了“像素微縮-性能退化”的固有矛盾，提出的基于像素級空間調制的通用成像芯片架構具有高集成度和高兼容性的優勢，實現了在不縮小像素的前提下提升成像信息容量，可以兼容現有成像系統以及成像算法（如去模糊處理、深度學習和壓縮編碼），充分展現了微系統的集成化、智能化的技術優勢，為芯片級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、戰海洋博士、玄國哲等多位師生為本工作做出了重要貢獻。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41928-026-01600-9
