Puntatore olografico incorporato con lente a contatto

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 6919 (2023) Citare questo articolo

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In questo articolo presentiamo un puntatore laser a infrarossi, costituito da un laser a emissione superficiale a cavità verticale (VCSEL) e un elemento ottico diffrattivo (DOE), incapsulato in una lente a contatto sclerale (SCL). Il VCSEL è alimentato in remoto tramite accoppiamento induttivo da un'antenna primaria incorporata nella montatura degli occhiali. Il DOE viene utilizzato per collimare il raggio laser o per proiettare un'immagine del modello a una distanza prescelta davanti all'occhio. Descriviamo in dettaglio i diversi blocchi costitutivi SCL, come vengono prodotti e assemblati. Sottolineiamo in particolare le varie sfide tecnologiche legate al loro incapsulamento nel volume ridotto del SCL, mantenendo libera la pupilla. Infine, descriviamo come funziona il puntatore laser, quali sono le sue prestazioni (es. collimazione, formazione dell'immagine) e come può essere utilizzato in modo efficiente in diversi campi applicativi come l'assistenza visiva e la realtà aumentata.

Tra le interfacce cervello-computer (BCI)1, gli eye tracker sono diventati un'interfaccia popolare per valutare e modulare le funzioni sensomotorie e cognitive. Sono stati utilizzati per svolgere compiti di base come la selezione, la manipolazione, la navigazione2,3. L'analisi dei dati di eye tracking ha mostrato che i movimenti oculari potrebbero anche fornire importanti informazioni sui processi cognitivi (ad esempio affaticamento, carico di lavoro mentale, ecc.4), suggerendo che l'eye tracking potrebbe fornire un segnale alternativo o complementare alle attuali applicazioni BCI5. Ad esempio, nei futuri sistemi di realtà aumentata, gli occhi diventeranno un’interfaccia utente chiave comune, sostituendo standard come cursori, touch-screen, touch-pad o tastiere per trasmettere intenti o comandi visivi e per identificare carichi cognitivi. Pertanto, fondere l’attenzione visiva con i compiti di designazione è di grande interesse per molte applicazioni. L'esecuzione di una designazione visiva può ridurre il carico di lavoro dell'operatore, consentendogli di concentrarsi sulla propria missione principale stabilendo al tempo stesso un nuovo collegamento tra pianificazione, funzionalità di controllo e coordinamento sensoriale. Parallelamente, i recenti progressi nella microelettronica e nella nanofabbricazione su substrati flessibili hanno consentito di integrare sensori, circuiti e altri componenti essenziali nelle lenti a contatto6,7. Ad esempio, abbiamo recentemente dimostrato come una lente a contatto che incorpora uno o due VCSEL potrebbe essere utile per facilitare l'eye tracking, in particolare quando un eye tracker deve essere integrato in un ambiente limitato (ad esempio VR o AR HUD8,9, occhialini binoculari, ecc.) .). Tuttavia, i VCSEL commerciali da noi utilizzati non presentavano una divergenza significativa del raggio e non potevano essere utilizzati per proiettare uno schema preciso a una distanza dagli occhi superiore a pochi centimetri. Inoltre, a causa della piccola potenza emessa richiesta per rispettare le norme sulla sicurezza oculare, il sistema non era utilizzabile nella pratica con sensori lontani dall'occhio. Questa è la limitazione che il nostro articolo intende superare disponendo di un dispositivo che permetta di proiettare, dall'occhio, un punto o un disegno a diverse decine di centimetri. Ciò aprirebbe nuove applicazioni nelle interazioni uomo-macchina e più specificamente nella BCI.

Presentiamo qui come l'introduzione di un elemento ottico diffrattivo (DOE) all'interno della lente a contatto sclerale (SCL), davanti al VCSEL, può essere utilizzata per collimare il raggio laser o per proiettare un'immagine a una distanza prescelta. Descriviamo in dettaglio come questa ottica viene realizzata, allineata e montata sul laser prima di essere incapsulata nell'SCL. Le lenti a contatto da noi utilizzate sono lenti sclerali che offrono numerosi vantaggi rispetto alle lenti a contatto standard: sono stabili sull'occhio, non sono a contatto con la cornea e offrono più volume per incapsulare i componenti10. L'articolo è organizzato come segue: presentiamo innanzitutto i risultati ottenuti con il prototipo SCL finale (proiezione del modello, collimazione, rilevamento ecc.) prima di discuterli nella sezione Discussione. La progettazione, la produzione e l'assemblaggio dei vari elementi costitutivi SCL sono presentati alla fine nella sezione Materiali e metodi.