隱形眼鏡嵌入式全息指示器VCSEL+DOE有望賦能未來人機交互

在腦機接口（BCI）領域，眼動追蹤儀已成為評估和調(diào)節(jié)感覺運動和認知功能的熱門接口之一。眼動追蹤技術可以為目前的腦機接口應用提供替代或補充信號。在未來的增強現(xiàn)實（AR）系統(tǒng)中，眼睛有望成為通用的關鍵用戶接口，取代光標、觸摸屏、觸摸板或鍵盤等傳統(tǒng)接口，實現(xiàn)視覺意圖或命令的傳達。

與此同時，柔性微電子和納米制造技術的最新進展，推動了傳感器、電路和其它關鍵組件能夠更好地集成在隱形眼鏡之中。然而，目前常用的商用垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）沒有顯著的光束發(fā)散，無法在距離眼睛幾厘米之外的地方投射精準的圖案。此外，由于符合人眼安全法規(guī)所要求的器件發(fā)射功率較小，該系統(tǒng)在實際應用中受到限制。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，法國大西洋高等礦業(yè)電信學校（IMT Atlantique）的研究人員提出一種紅外線激光指示器，它由VCSEL和衍射光學元件（DOE）組成，并封裝在鞏膜隱形眼鏡（SCL）中。VCSEL通過嵌入眼鏡框內(nèi)的主天線的電感耦合遠程供電，DOE用于激光束準直或在眼睛前方凝視處投射圖案或圖像。相關研究成果已發(fā)表于Scientific Reports期刊。

這項研究工作使用的隱形眼鏡是鞏膜型眼鏡，與標準隱形眼鏡相比，鞏膜隱形眼鏡具有多個優(yōu)勢：在眼睛上穩(wěn)定性更高，不與角膜接觸，并且有更大的空間來封裝組件。

基本的眼動追蹤裝置結合了一個由電感耦合供電的電子鞏膜隱形眼鏡和一個帶主天線的眼鏡。鏡片由PMMA制成，直徑為16.5 mm，它內(nèi)嵌了一個靈活的次級天線和電子電路，包括一個VCSEL（850 nm波長）。該設備可以配備額外的傳感器，例如攝像頭或位置敏感探測器（PSD），用于檢測VCSEL光束斑點并跟蹤眼球運動。

為了控制VCSEL的光束發(fā)散，需要在VCSEL前面放置DOE。研究人員制造并測試了兩個DOE，其中一個用于將激光束整形為“十”字圖案，另一個用于準直光束。

光束整形是從一個簡單的嵌入式光源透鏡向真正的激光指示器過渡的關鍵要素。然而，由于可用體積有限，設計、制造和將光束整形元件嵌入到隱形眼鏡中并非易事。這項研究提出的解決方案成功制造了44平方毫米的DOE，將其放置在距離VCSEL器件680微米處，定位公差為40微米，并成功將其封裝在隱形眼鏡中。

隱形眼鏡嵌入式全息指示器的主要制作步驟

在應用方面，研究人員發(fā)現(xiàn)，激光束準直可以提高位置敏感探測器解決方案的靈活性，尤其是在位置選擇方面，可以將其放在距離鞏膜隱形眼鏡幾十厘米遠的地方。此外，激光束準直還可以提高指向精度，使這種指示器具有廣泛的應用潛力，例如作為執(zhí)行器或視覺指示器。另外，DOE可以用于在給定距離處創(chuàng)建圖案、圖像或圖標，這個過程是通過攝像頭檢測實現(xiàn)的，對佩戴者不可見，因此不會干擾到佩戴者。這種識別模式可用于鎖定或指定目標。例如，對于一些監(jiān)督或教程應用程序（例如視覺輔助）而言，它可以精確地定位佩戴者觀看的位置。

不同位置的位置敏感探測器響應光斑位置函數(shù)（藍色表示準直VCSEL，紅色表示非準直VCSEL）

在安全性方面，這項研究提出的原型尚未在人眼上進行測試，這是由于DOE的存在使鏡片中心厚度（1700微米）超出了人眼可接受的范圍，因此需要使用波導折疊光路并減小透鏡厚度，從而使隱形眼鏡更易于佩戴。鏡片內(nèi)電子電路的存在也意味著透氧性降低，這會限制鏡片的使用時間，通過優(yōu)先使用比PMMA具有更高Dk值的材料，可以有效改善這一問題。

此外，初步的安全性測試表明，該隱形眼鏡在不損害角膜的情況下可以至少安全使用30分鐘。就功能而言，即使在最糟糕的情況下（NF EN 60825），發(fā)射功率（120微瓦@850納米波長）也不會影響角膜，而且鏡片表面VCSEL產(chǎn)生的熱量也很低（<0.5°C）。

研究人員稱，這項研究提出的隱形眼鏡嵌入式全息指示器剛剛起步，隨著可見光VCSEL的商業(yè)化進展，該設備有望為未來人機交互命令和警報系統(tǒng)的發(fā)展奠定基礎，也將為腦機接口等領域開辟新的應用前景。

審核編輯：劉清