【新聞特寫】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：集成電路與電子學院、黨委宣傳部 攝影：集成電路與電子學院
編輯：吳楠 審核：武楠、劉曉俏 閱讀次數(shù)：黨的二十大報告深刻指出，教育、科技、人才是全面建設(shè)社會主義現(xiàn)代化國家的基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性支撐。必須堅持科技是第一生產(chǎn)力、人才是第一資源、創(chuàng)新是第一動力，深入實施科教興國戰(zhàn)略、人才強國戰(zhàn)略、創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略，開辟發(fā)展新領(lǐng)域新賽道，不斷塑造發(fā)展新動能新優(yōu)勢。
在偌大的車間里，多條生產(chǎn)線正緊鑼密鼓地高效運轉(zhuǎn)，卻鮮有工人在機器之間穿梭，一部部機器人正代替人力在流水線上完成工作任務(wù)。機器人結(jié)構(gòu)龐大，但并不“莽撞”，它能快速洞察零部件外形，精準地完成定位、抓取、裝配、焊接等工作，是什么讓機器人“看得見”？答案就藏在機械臂里一枚小巧的MEMS微鏡芯片上。那么，這樣一枚小小的芯片是如何誕生的呢？又有哪些強大的功能？
亮相成就展
日前，由北京理工大學集成電路與電子學院“光芯繪影”學生團隊研制的微機電系統(tǒng)（MEMS）微鏡芯片，亮相“奮進新時代”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，給機器帶來最真實的感知。
“芯片能以超高速度將結(jié)構(gòu)光投影在物體表面，為機器人視覺識別提供光學基礎(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?！眻F隊負責人、集成電路與電子學院2020級碩士研究生張瑞浩說。這枚小小的芯片在物流、刑偵、醫(yī)療等領(lǐng)域成為了機器感知世界的“慧眼”！
芯片誕生記
“光芯繪影”團隊學生合影（左起為陳靜怡、屈家生、張瑞浩、趙之昊、賈云飛）
現(xiàn)代工業(yè)自動化技術(shù)包含感知、檢測等環(huán)節(jié)，和工業(yè)3D相機密不可分。與傳統(tǒng)的2D相機相比，3D相機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。如工業(yè)檢測中一個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相機根本無法分辨出來，而結(jié)構(gòu)光3D相機可以獲取金屬表面的深度信息，獲得三維數(shù)據(jù)，進而分辨出表面劃痕位置。
MEMS芯片作為3D相機的核心器件，將結(jié)構(gòu)光投影到物體表面，通過感知算法解算結(jié)構(gòu)光的形變，3D相機便可構(gòu)建出三維信息。
“目前我國結(jié)構(gòu)光3D投影芯片技術(shù)仍與世界先進水平存在差距，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?！睆埲鸷普f。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，其體積小、視場可靈活調(diào)整的特點使光學系統(tǒng)設(shè)計大大簡化，從而降低成本，適合大規(guī)模推廣。
張瑞浩帶領(lǐng)團隊在學院謝會開、周文斌、王曉毅老師的指導下，依托北京理工大學i2MEMS實驗室和北京理工大學重慶微電子研究院多年研究積累的基礎(chǔ)上，針對現(xiàn)有應(yīng)用方案的局限性，瞄準芯片體積、溫度漂移、角度檢測三大技術(shù)難點，開展科研攻關(guān)。
2022年5月，團隊成員在蘇州納米所測試間使用顯微鏡檢測芯片
“攻克技術(shù)難題，需要學生具備扎實的專業(yè)基礎(chǔ)，同時也要充分了解市場需求?！敝x會開教授非常注重學生基礎(chǔ)知識的積累和動手能力的培養(yǎng)，促進學生將理論與實踐有機結(jié)合，知行合一。此外，在開展科研攻關(guān)的同時，謝會開等老師帶領(lǐng)學生廣泛調(diào)研市場需求，與十余家3D視覺廠家進行溝通，充分了解產(chǎn)業(yè)痛點和難點。
在教師和團隊成員共同努力下，在先進科研平臺的支撐下，團隊創(chuàng)新性地提出了新型微鏡梳齒結(jié)構(gòu)，開發(fā)出電容式角度檢測技術(shù)，攻克了低溫漂芯片和高精度檢測兩大核心技術(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
實現(xiàn)技術(shù)突破后，團隊著眼長遠，面向國家重大需求，聚焦《“十四五”智能制造發(fā)展規(guī)劃》中智能制造裝備領(lǐng)域開展了“光芯繪影”創(chuàng)業(yè)項目。“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，我們開始思考如何進行成果轉(zhuǎn)化，推進創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目。依托i2MEMS實驗室、北理工重慶微電子研究院等豐富的資源，經(jīng)過多方調(diào)研，團隊形成了明確的創(chuàng)業(yè)思路?！敝x會開教授說。
完成加工工藝，等待釋放和劃片的MEMS微鏡芯片晶圓
項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)計和封測為主要業(yè)務(wù)，團隊不斷優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高芯片穩(wěn)定性，設(shè)計推出了面向虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實、3D相機、激光投影等多重應(yīng)用場景的系列化產(chǎn)品。目前，芯片產(chǎn)品已具備量產(chǎn)能力，MEMS微鏡芯片出貨近萬顆，申請多項發(fā)明專利。
核心產(chǎn)品MEMS微鏡芯片研發(fā)成功后，“光芯繪影”團隊并未停止前進的腳步，而是向著更高的山峰進發(fā)。經(jīng)過大量走訪調(diào)研交流，“光芯繪影”團隊瞄準產(chǎn)業(yè)鏈需求又開發(fā)了3D結(jié)構(gòu)光投影方案，用戶可以根據(jù)自身需求便捷地開發(fā)各種應(yīng)用產(chǎn)品。
大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新，道阻且長、行則至遠。未來，“光芯繪影”團隊將以領(lǐng)先的技術(shù)優(yōu)勢、先進的運營模式、優(yōu)秀的團隊成員為支撐，向著創(chuàng)業(yè)的藍海遠航，在新時代浪潮中奮進！
附團隊簡介：
“光芯繪影” 團隊師生均來自北京理工大學集成電路與電子學院，指導教師是謝會開、周文彪、王曉毅。團隊自主研發(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云重建全流程解決方案。
