基于静电驱动MEMS微镜的高精度眼动追踪系统
2026-07-12 08:27:58 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
四川大学提出了一种基于双轴8 kHz静电驱动MEMS微镜的新型眼动追踪系统（图1）。通过调节驱动信号的占空比和相位，实现了灵活的一维（1D）旋转扫描，从而精确引导激光束照射至角膜。
眼动追踪技术能够实时检测并分析眼球运动，已成为研究视觉信息处理与认知机制的关键方法。目前，基于红外摄像头并融合深度学习的非接触式眼动追踪方法已成为主流。然而，高分辨率图像的实时采集与处理需要大量的存储资源和计算资源，导致系统尺寸增大、结构复杂度提高以及功耗增加。
据麦姆斯咨询报道，为克服上述局限，四川大学提出了一种基于双轴8 kHz静电驱动MEMS微镜的新型眼动追踪系统（图1）。通过调节驱动信号的占空比和相位，实现了灵活的一维（1D）旋转扫描，从而精确引导激光束照射至角膜。通过测量角膜反射信号的时间间隔，实现对注视方向的估计，并显著降低系统功耗。实验评估表明，该系统在模拟眼跳运动过程中保持了稳定性能，实现了优于0.5°的角度测量精度以及较低的系统延迟。该研究为构建紧凑型、低功耗眼动追踪系统提供了一条可行路径。上述研究成果以“Electrostatic MEMS Mirror-Based 1D Rotational Scanning for High-Precision 2D Eye Tracking”为题发表于2026 IEEE MEMS会议论文集。
图1 基于MEMS微镜的眼动追踪系统
MEMS微镜设计与制备
图2展示了MEMS微镜的标准制造工艺流程，包括晶圆制备、双面热氧化、多晶硅沉积（LPCVD）、电感耦合等离子体（ICP）刻蚀、BOE湿法刻蚀、Cr/Au金属溅射与图形化处理，以及针对器件层和支撑层的各项光刻和深反应离子刻蚀（DRIE）工艺步骤。最后，通过BOE去除埋氧层，释放MEMS微镜结构。
图2 MEMS微镜的批量制备工艺
用于眼动追踪系统的MEMS微镜采用静电梳齿结构驱动，并引入隔离沟槽以实现双轴驱动信号的片上集成。MEMS微镜的扫描电子显微镜（SEM）图像及频谱测试结果如图3所示。快轴和慢轴的光学扫描角均超过50°，展现出优异的扫描性能。
图3 MEMS微镜的频谱测试结果
通过调制驱动信号的占空比和相位，实现了一维旋转扫描，并扩展了带宽。两个轴的频率均达到8 kHz。通过检测角膜反射峰之间的时间间隔，实现对注视方向的估计，从而降低计算复杂度。本文所提出的基于MEMS微镜的眼动追踪系统的工作原理如图4所示。
图4 基于MEMS微镜的眼动追踪原理示意图
FPGA编程框架
研究团队为眼动追踪开发了一种基于现场可编程门阵列（FPGA）的高精度实时控制系统。系统采用模块化硬件架构，以提高计算效率和数据吞吐量。该系统基于Xilinx Artix-7 FPGA实现，并采用流水线架构进行设计，如图5所示。
图5 FPGA编程原理架构
实验平台与性能测试
研究团队搭建了一套光学测试平台，用于实现眼球运动的实时追踪与结果分析，如图6所示。
图6 基于MEMS微镜的眼动追踪原型系统的实验测试平台
为模拟真实眼球的运动场景，研究团队在不同条件下开展了眼动追踪实验分析。采用数据采集卡对APD接收数据的变化进行采集与分析，并通过串口对眼球旋转角度变化进行分析（图7）。实验结果表明，该系统在各个眼动阶段均具有良好的响应一致性和角度计算精度，同时检测的信号变化与眼球旋转角度变化具有较高的匹配度。
图7 连续眼动追踪测试
为进一步验证系统在二维注视测量中的性能，研究团队设计了二维眼动追踪实验。图8a给出了眼动追踪系统在不同二维偏转角度下的精度分布。实验结果表明，系统在水平方向和垂直方向均具有极高的角度定位精度，误差不超过0.3°。随着偏转角度的增大，定位精度略有下降，但整体仍保持较高的精度水平，仅在少数边缘区域的测量误差超过2°。
为进一步评估所提出眼动追踪系统的实时响应能力，研究团队设计了眼跳响应测试。测试数据通过串口传输至上位机进行时延分析，以验证系统在动态场景下的实用性和稳定性。图8b展示了眼动追踪系统眼跳响应测试的测量结果，并结合电机旋转时间计算了系统在各个偏转角度下的测量时延。实验结果表明，随着眼跳角度的增大，系统总测量时间逐渐增加，但三次重复测量之间的差异始终控制在±10 ms以内，表明该系统在不同测试条件下具有良好的重复性和稳定性。
图8 眼动追踪系统的性能测试结果
结论
本研究提出了一种基于MEMS微镜的眼动追踪新方法。通过严格的理论推导，建立了眼球反射光强与眼球旋转角度之间的对应关系。研究人员设计了专用程序，在FPGA上集成了反射镜驱动、数据采集与分析以及结果显示功能，并搭建了实验平台对所设计系统进行测试。实验结果表明，该系统为实现高精度、低延迟、小型化的眼动追踪奠定了基础。
论文信息：DOI: 10.1109/MEMS64181.2026.11419562
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