隱形眼鏡嵌入式全息指示器VCSEL+DOE有望賦能未來人機(jī)交互

在腦機(jī)接口（BCI）領(lǐng)域，眼動追蹤儀已成為評估和調(diào)節(jié)感覺運(yùn)動和認(rèn)知功能的熱門接口之一。眼動追蹤技術(shù)可以為目前的腦機(jī)接口應(yīng)用提供替代或補(bǔ)充信號。在未來的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）系統(tǒng)中，眼睛有望成為通用的關(guān)鍵用戶接口，取代光標(biāo)、觸摸屏、觸摸板或鍵盤等傳統(tǒng)接口，實(shí)現(xiàn)視覺意圖或命令的傳達(dá)。

與此同時，柔性微電子和納米制造技術(shù)的最新進(jìn)展，推動了傳感器、電路和其它關(guān)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(zhǔn)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(shí)際應(yīng)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(xué)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(xué)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(yuǎn)程供電，DOE用于激光束準(zhǔn)直或在眼睛前方凝視處投射圖案或圖像。相關(guān)研究成果已發(fā)表于Scientific Reports期刊。

這項(xiàng)研究工作使用的隱形眼鏡是鞏膜型眼鏡，與標(biāo)準(zhǔn)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(jié)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(shè)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(diǎn)并跟蹤眼球運(yùn)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(zhǔn)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(guān)鍵要素。然而，由于可用體積有限，設(shè)計(jì)、制造和將光束整形元件嵌入到隱形眼鏡中并非易事。這項(xiàng)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(yīng)用方面，研究人員發(fā)現(xiàn)，激光束準(zhǔn)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(yuǎn)的地方。此外，激光束準(zhǔn)直還可以提高指向精度，使這種指示器具有廣泛的應(yīng)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(biāo)，這個過程是通過攝像頭檢測實(shí)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(biāo)。例如，對于一些監(jiān)督或教程應(yīng)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(yīng)光斑位置函數(shù)（藍(lán)色表示準(zhǔn)直VCSEL，紅色表示非準(zhǔn)直VCSEL）

在安全性方面，這項(xiàng)研究提出的原型尚未在人眼上進(jìn)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(dǎo)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(xiàng)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(jìn)展，該設(shè)備有望為未來人機(jī)交互命令和警報系統(tǒng)的發(fā)展奠定基礎(chǔ)，也將為腦機(jī)接口等領(lǐng)域開辟新的應(yīng)用前景。

審核編輯：劉清