Встроенная голографическая указка в контактные линзы

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 6919 (2023) Цитировать эту статью

1390 Доступов

12 Альтметрика

Подробности о метриках

В этой статье мы представляем инфракрасную лазерную указку, состоящую из лазера поверхностного излучения с вертикальным резонатором (VCSEL) и дифракционного оптического элемента (DOE), инкапсулированного в склеральную контактную линзу (SCL). Питание VCSEL осуществляется дистанционно посредством индуктивной связи от первичной антенны, встроенной в оправу очков. ДОЭ используется либо для коллимации лазерного луча, либо для проецирования изображения рисунка на выбранное расстояние перед глазом. Мы подробно рассказываем о различных составных блоках SCL, о том, как они изготавливаются и собираются. Мы особенно подчеркиваем различные технологические проблемы, связанные с их инкапсуляцией в уменьшенном объеме SCL, сохраняя при этом зрачок свободным. Наконец, мы опишем, как работает лазерная указка, каковы ее характеристики (например, коллимация, формирование изображения) и как ее можно эффективно использовать в различных областях применения, таких как визуальная помощь и дополненная реальность.

Среди интерфейсов «мозг-компьютер» (BCI)1 айтрекеры стали одним из популярных интерфейсов для оценки и модуляции сенсомоторных и когнитивных функций. Они использовались для решения основных задач, таких как выбор, манипулирование, навигация2,3. Анализ данных отслеживания глаз показал, что движения глаз также могут предоставлять важную информацию о когнитивных процессах (например, утомляемости, умственной нагрузке и т. д.4), что позволяет предположить, что отслеживание глаз может стать альтернативой или дополнительным сигналом для текущих приложений BCI5. Например, в будущих системах дополненной реальности глаза станут общим ключевым пользовательским интерфейсом, заменив такие стандарты, как курсоры, сенсорные экраны, сенсорные панели или клавиатуры, для передачи визуальных намерений или команд и для определения когнитивных нагрузок. Поэтому объединение зрительного внимания с задачами обозначения представляет большой интерес для многих приложений. Выполнение визуального обозначения может снизить нагрузку на операторов, позволяя им сосредоточиться на своей основной задаче и одновременно установить новую связь между планированием, функциями управления и сенсорной координацией. Параллельно недавние достижения в области микроэлектроники и нанопроизводства на гибких подложках позволили интегрировать датчики, схемы и другие важные компоненты в контактные линзы6,7. Например, мы недавно продемонстрировали, как контактная линза со встроенным одним или двумя VCSEL может быть полезна для облегчения отслеживания глаз, особенно там, где айтрекер необходимо интегрировать в ограниченную среду (например, VR или AR HUD8,9, бинокулярные лупы и т. д.). .). Однако использованные нами коммерческие VCSEL не имели значительной расходимости луча и не могли использоваться для проецирования точной диаграммы направленности на расстоянии от глаз, превышающем несколько сантиметров. Кроме того, из-за небольшой излучаемой мощности, необходимой для соблюдения правил безопасности глаз, систему невозможно было использовать на практике с датчиками, расположенными далеко от глаза. Это ограничение наша статья намерена обойти, создав устройство, позволяющее проецировать из глаза точку или узор на расстояние в несколько десятков сантиметров. Это откроет новые возможности для взаимодействия человека с машиной и, в частности, BCI.

Здесь мы представляем, как введение дифракционного оптического элемента (ДОЭ) в склеральную контактную линзу (СКЛ) перед VCSEL можно использовать для коллимации лазерного луча или проецирования изображения на выбранное расстояние. Мы подробно описываем, как эта оптика изготавливается, выравнивается и устанавливается на лазер перед инкапсуляцией в SCL. Контактные линзы, которые мы использовали, представляют собой склеральные линзы, которые обладают рядом преимуществ по сравнению со стандартными контактными линзами: они устойчивы на глазу, не контактируют с роговицей и обеспечивают больший объем для инкапсуляции компонентов10. Статья организована следующим образом: сначала мы представляем результаты, полученные с помощью окончательного прототипа SCL (проекция диаграммы направленности, коллимация, обнаружение и т. д.), прежде чем обсуждать их в разделе «Обсуждение». Проектирование, изготовление и сборка различных строительных блоков SCL представлены в конце раздела «Материалы и методы».