Ponteiro holográfico embutido em lente de contato

Jun 09, 2023

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 6919 (2023) Citar este artigo

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Neste artigo apresentamos um apontador laser infravermelho, consistindo de um laser emissor de superfície de cavidade vertical (VCSEL) e um elemento óptico difrativo (DOE), encapsulado em uma lente de contato escleral (SCL). O VCSEL é alimentado remotamente por acoplamento indutivo de uma antena primária embutida em uma armação de óculos. O DOE é usado para colimar o feixe de laser ou para projetar uma imagem padrão a uma distância escolhida na frente do olho. Detalhamos os diferentes blocos constitutivos do SCL, como são fabricados e montados. Enfatizamos particularmente os vários desafios tecnológicos relacionados ao seu encapsulamento no volume reduzido do SCL, mantendo a pupila livre. Finalmente, descrevemos como o ponteiro laser opera, quais são suas performances (por exemplo, colimação, formação de imagem) e como ele pode ser usado de forma eficiente em vários campos de aplicação, como assistência visual e realidade aumentada.

Entre as interfaces cérebro-computador (BCI)1, os rastreadores oculares tornaram-se uma interface popular para avaliar e modular as funções sensório-motoras e cognitivas. Eles têm sido usados ​​para realizar tarefas básicas como seleção, manipulação, navegação2,3. A análise dos dados de rastreamento ocular mostrou que os movimentos oculares também podem fornecer informações importantes sobre os processos cognitivos (por exemplo, fadiga, carga de trabalho mental, etc.4), sugerindo que o rastreamento ocular pode fornecer uma alternativa ou um sinal complementar às atuais aplicações BCI5. Por exemplo, em futuros sistemas de realidade aumentada, os olhos se tornarão uma interface de usuário chave comum, substituindo padrões como cursores, telas sensíveis ao toque, touchpads ou teclados para transmitir intenções ou comandos visuais e para identificar cargas cognitivas. Portanto, mesclar atenção visual com tarefas de designação é de grande interesse para muitas aplicações. A realização de uma designação visual pode reduzir a carga de trabalho do operador, permitindo que ele se concentre em sua missão principal enquanto estabelece um novo vínculo entre planejamento, funcionalidades de controle e coordenação sensorial. Paralelamente, avanços recentes em microeletrônica e nanofabricação em substratos flexíveis permitiram que sensores, circuitos e outros componentes essenciais fossem integrados às lentes de contato6,7. Por exemplo, demonstramos recentemente como uma lente de contato que incorpora um ou dois VCSELs pode ser útil para facilitar o rastreamento ocular, particularmente quando um rastreador ocular precisa ser integrado a um ambiente restrito (por exemplo, VR ou AR HUD8,9, lupas binoculares, etc. .). No entanto, os VCSELs comerciais que usamos não tinham uma divergência de feixe significativa e não podiam ser usados ​​para projetar um padrão preciso a uma distância dos olhos superior a alguns centímetros. Além disso, devido à pequena potência emitida necessária para cumprir as regras de regulamentação de segurança ocular, o sistema não era utilizável na prática com sensores distantes do olho. Essa é a limitação que nosso trabalho pretende contornar ao dispor de um dispositivo que permite projetar, a partir do olho, um ponto ou padrão a várias dezenas de centímetros. Isso abriria novos aplicativos em interações homem-máquina e, mais especificamente, BCI.

Apresentamos aqui como a introdução de um elemento óptico difrativo (DOE) dentro da lente de contato escleral (SCL), na frente do VCSEL, pode ser usada para colimar o feixe de laser ou projetar uma imagem a uma distância escolhida. Detalhamos como essa ótica é feita, alinhada e montada no laser antes de ser encapsulada no SCL. As lentes de contato que utilizamos são lentes esclerais que oferecem várias vantagens sobre as lentes de contato padrão: são estáveis ​​no olho, não estão em contato com a córnea e oferecem mais volume para encapsular os componentes10. O artigo está organizado da seguinte forma: primeiro apresentamos os resultados obtidos com o protótipo SCL final (projeção de padrão, colimação, detecção etc.) antes de discuti-los na seção de Discussão. O projeto, fabricação e montagem dos vários blocos de construção do SCL são apresentados no final da seção Material e métodos.