In Kontaktlinsen eingebetteter holografischer Zeiger

Sep 25, 2023

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 6919 (2023) Diesen Artikel zitieren

1097 Zugriffe

11 Altmetrisch

Details zu den Metriken

In diesem Artikel stellen wir einen Infrarot-Laserpointer vor, der aus einem oberflächenemittierenden Laser mit vertikalem Hohlraum (VCSEL) und einem diffraktiven optischen Element (DOE) besteht, das in einer Skleralkontaktlinse (SCL) eingekapselt ist. Der VCSEL wird durch induktive Kopplung von einer in ein Brillengestell eingebetteten Primärantenne ferngesteuert mit Strom versorgt. Das DOE wird entweder zum Kollimieren des Laserstrahls oder zum Projizieren eines Musterbilds in einem gewählten Abstand vor dem Auge verwendet. Wir beschreiben detailliert die verschiedenen SCL-Bausteine, wie sie hergestellt und zusammengebaut werden. Wir betonen insbesondere die verschiedenen technologischen Herausforderungen, die mit ihrer Einkapselung in das reduzierte Volumen des SCL bei gleichzeitiger Freihaltung der Pupille verbunden sind. Abschließend beschreiben wir, wie der Laserpointer funktioniert, welche Leistungen er erbringt (z. B. Kollimation, Bilderzeugung) und wie er in verschiedenen Anwendungsbereichen wie visueller Unterstützung und Augmented Reality effizient eingesetzt werden kann.

Unter den Brain-Computer-Interfaces (BCI)1 haben sich Eyetracker zu einer beliebten Schnittstelle zur Beurteilung und Modulation sensomotorischer und kognitiver Funktionen entwickelt. Sie wurden verwendet, um grundlegende Aufgaben wie Auswahl, Manipulation und Navigation zu erfüllen2,3. Die Analyse der Eye-Tracking-Daten zeigte, dass Augenbewegungen auch wichtige Informationen über kognitive Prozesse (z. B. Müdigkeit, geistige Arbeitsbelastung usw.) liefern können.4) Dies legt nahe, dass Eye-Tracking ein alternatives oder ergänzendes Signal zu aktuellen BCI-Anwendungen sein könnte5. In zukünftigen Augmented-Reality-Systemen werden die Augen beispielsweise zu einer gängigen Benutzerschnittstelle und ersetzen Standards wie Cursor, Touchscreens, Touchpads oder Tastaturen, um visuelle Absichten oder Befehle zu übermitteln und kognitive Belastungen zu identifizieren. Daher ist die Verknüpfung visueller Aufmerksamkeit mit Benennungsaufgaben für viele Anwendungen von großem Interesse. Durch die Durchführung einer visuellen Kennzeichnung kann die Arbeitsbelastung des Bedieners verringert werden, so dass er sich auf seine Hauptaufgabe konzentrieren kann und gleichzeitig eine neue Verbindung zwischen Planung, Steuerungsfunktionen und sensorischer Koordination hergestellt wird. Parallel dazu haben jüngste Fortschritte in der Mikroelektronik und Nanofabrikation auf flexiblen Substraten die Integration von Sensoren, Schaltkreisen und anderen wichtigen Komponenten in Kontaktlinsen ermöglicht6,7. Beispielsweise haben wir kürzlich demonstriert, wie eine Kontaktlinse mit einem oder zwei VCSELs nützlich sein könnte, um das Eye-Tracking zu erleichtern, insbesondere wenn ein Eye-Tracker in eine eingeschränkte Umgebung integriert werden muss (z. B. VR oder AR HUD8,9, Binokularlupen usw.). .). Die von uns verwendeten kommerziellen VCSELs hatten jedoch keine nennenswerte Strahldivergenz und konnten nicht zur Projektion eines präzisen Musters in einem Abstand von mehr als einigen Zentimetern zu den Augen verwendet werden. Darüber hinaus war das System aufgrund der geringen emittierten Leistung, die zur Einhaltung der Augenschutzvorschriften erforderlich ist, in der Praxis mit Sensoren, die weit vom Auge entfernt sind, nicht einsetzbar. Diese Einschränkung möchte unser Aufsatz umgehen, indem wir über ein Gerät verfügen, das es ermöglicht, mit dem Auge einen Punkt oder ein Muster auf mehrere zehn Zentimeter zu projizieren. Dies würde neue Anwendungen in der Mensch-Maschine-Interaktion und insbesondere in der BCI eröffnen.

Wir stellen hier vor, wie die Einführung eines diffraktiven optischen Elements (DOE) in die Skleralkontaktlinse (SCL) vor dem VCSEL genutzt werden kann, um den Laserstrahl zu kollimieren oder ein Bild in einer gewählten Entfernung zu projizieren. Wir beschreiben detailliert, wie diese Optik hergestellt, ausgerichtet und am Laser montiert wird, bevor sie in die SCL eingekapselt wird. Bei den von uns verwendeten Kontaktlinsen handelt es sich um Sklerallinsen, die gegenüber herkömmlichen Kontaktlinsen mehrere Vorteile bieten: Sie liegen stabil am Auge, haben keinen Kontakt mit der Hornhaut und bieten mehr Volumen zum Einkapseln von Komponenten10. Das Papier ist wie folgt aufgebaut: Wir präsentieren zunächst die mit dem endgültigen SCL-Prototyp erzielten Ergebnisse (Musterprojektion, Kollimation, Erkennung usw.), bevor wir sie im Diskussionsteil diskutieren. Der Entwurf, die Herstellung und der Zusammenbau der verschiedenen SCL-Bausteine ​​werden abschließend im Abschnitt Material und Methoden vorgestellt.

Die grundlegende Eye-Tracking-Konfiguration wurde an anderer Stelle ausführlich beschrieben11. Es verbindet einen elektronischen SCL, der durch induktive Kopplung betrieben wird, und eine Brille mit der Primärantenne (Abb. 1). Die Linse besteht aus PMMA und hat einen Durchmesser von 16,5 mm. Es enthält eine flexible Sekundärantenne und elektronische Schaltkreise, darunter einen VCSEL (bei 850 nm). Die Brille kann mit zusätzlichen Sensoren (Kameras oder positionsempfindlichen Geräten (PSD)11) ausgestattet werden, um den VCSEL-Strahlpunkt zu erkennen und den Augenbewegungen zu folgen12.

Brillen und SCL montiert auf einer Augenattrappe.

Um die Strahldivergenz des VCSEL zu steuern, wird dann ein DOE vor dem VCSEL platziert. Es wurden zwei DOEs hergestellt und getestet, eines zum Umformen des Laserstrahls in ein Kreuzmuster, das andere zum Kollimieren des Strahls. Abbildung 1 zeigt den endgültigen SCL, der alle oben genannten Funktionen und seine Antriebsbrillen kapselt.

Vor dem Zusammenbau und der Einkapselung des SCL wurde ein vorläufiges Experiment durchgeführt, um die Qualität der Bilderzeugung und Kollimation in verschiedenen Entfernungen zu skalieren und zu testen (Abb. 2). In diesem Experiment beleuchtet ein VCSEL, der von einer geregelten Stromversorgung gespeist wird, ein auf einer 1 mm dicken Glasplatte geätztes DOE. Nach dem DOE ist ein CMOS-Sensor platziert. Der Abstand zwischen VCSEL und DOE (z-Achse) ist entscheidend für eine korrekte Bildentstehung (vgl. Abb. 2) bzw. Kollimation. Das diffraktive Design wurde für eine Brennweite von 800 µm berechnet. Aufgrund dieser kurzen Brennweite ist auch die Toleranz der Z-Position zwischen dem VCSEL und seinem entfernten konjugierten Bild durch das DOE sehr gering (40 µm). Die x- und y-Richtung sind weniger kritisch. Wenn sich das DOE in der (xy)-Ebene bewegt, bewegt sich das Bild entsprechend in die gleiche Richtung, wobei die Konzentration der optischen Leistung lediglich abnimmt. Die Toleranz in x- und y-Richtung wird auf 240 µm geschätzt (wenn die Fehlausrichtung zwischen VCSEL und DOE größer ist, ist die beleuchtete Oberfläche des DOE zu klein, um den gewünschten Effekt zu erzielen).

Die Verwendung eines DOE innerhalb der SCL ermöglicht die Projektion eines Kreuzes auf den CMOS-Sensor in einem Abstand ((a) 7,5 cm, (b) 12 cm, (c) 20 cm). (d) Test außerhalb der SCL. Eine bessere Bildqualität kann mit dem CMOS-Sensor bei 7,5 cm erzielt werden, wenn der VCSEL-Strahl einen größeren Bereich des DOE beleuchtet.

Bezüglich der Verwendung eines DOE zur Bilderzeugung zeigt Abb. 2 die Bilderzeugung eines Kreuzes, wenn der CMOS-Sensor in unterschiedlichen Abständen platziert wird. Es wurde berechnet, dass das DOE im Unendlichen ein Kreuz bildet, aber wie dargestellt, kann das Kreuz bereits in kurzen Entfernungen beobachtet werden. Das Bild nimmt mit zunehmender Entfernung leicht an Größe zu, da die Kollimation des Lasers nie perfekt ist, sondern in einem Sichtfeld von 3° enthalten ist. Mit 7,5 cm ist das Kreuz 3,5 mm breit und 0,7 mm dick.

Die verminderte Qualität des Beugungsmusters ist auf den relativ kleinen beleuchteten Teil des DOE zurückzuführen. Derzeit beträgt die DOE-Größe 225 × 225 µm. Seine Auflösung beträgt 0,75 µm und der beleuchtete Bereich hat einen Durchmesser von 95 µm. Die Beibehaltung der gleichen DOE-Auflösung, aber die Beleuchtung eines größeren Bereichs (224 µm), beispielsweise durch Falten des optischen Pfads innerhalb der Linse, um den optischen Abstand zwischen dem VCSEL und dem DOE (1600 µm) zu vergrößern, würde zu besseren Ergebnissen führen, wie in Abb. 2d.

Anschließend wurde das gleiche Experiment mit dem kollimierenden DOE durchgeführt. Das VCSEL-Licht geht durch das diffraktive Element und wird kollimiert. Nach der Kollimation beträgt der gemessene Divergenzwinkel des Laserstrahls weniger als 1,8°, was mehr als viermal kleiner ist als die anfängliche VCSEL-Divergenz laut Datenblatt (8°). Der Vorteil der Kollimierung des Strahls im Hinblick auf seine Formung besteht darin, dass seine Erkennung durch einen positionsempfindlichen Detektor (PSD) erleichtert wird. Wir haben daher die VCSEL-Strahlerkennung mit und ohne DOE für verschiedene Entfernungen zu einem PSD verglichen. Der hier verwendete PSD war ein Hamamatsu S1880, verbunden mit der Steuerschaltung Hamamatsu C4674-01. Für jede Position wurde der Durchschnitt von 8000 Spannungswerten über eine Sekunde hinweg gespeichert. Frühere Arbeiten haben jedoch gezeigt, dass nur 50 Proben ohne Präzisionsverlust gespeichert werden konnten11, was die Verwendung des PSD zur Spoterkennung in Echtzeit (bei 200 Hz) ermöglichte. Die für den PSD getesteten Abstände betrugen 8,5 cm, 20 cm und 40 cm. Die Ergebnisse sind in Abb. 3 dargestellt. Der Abstand von 40 cm entspricht dem Fall, dass ein Benutzer mit seinen Augen auf ein Objekt auf einem Bildschirm oder Laptop zeigt. Die Ergebnisse zeigen, dass im ersten Fall (Abb. 3a) die Kollimation keinen signifikanten Einfluss auf die Auflösung des PSD hat, dass es jedoch bei zunehmender Entfernung wesentlich wird, um weiterhin genau erfassen zu können Laserstrahl.

PSD-Reaktion (in Blau für den kollimierten VCSEL, in Rot für den nicht kollimierten) als Funktion der Spotposition für verschiedene Abstände vom PSD: (a) 8,5 cm, (b) 20 cm, (c) 40 cm. Wenn die VCSEL-Postgröße auf dem PSD zu groß ist (b,c), kann der PSD die Spotposition nicht genau messen.

Das zweite Experiment wurde mit einem SCL durchgeführt, der die gesamten Funktionen (Beleuchtung und Strahlformung) kapselt. Wir haben uns für die Kapselung eines bildgebenden DOE entschieden, da dies einen anspruchsvolleren Fall darstellt als die Kollimation. Der zur Validierung der Ergebnisse verwendete optische Aufbau besteht aus einem künstlichen Auge, auf dem der SCL befestigt ist. Die Stromversorgung erfolgt über die Primärantenne in der Brille, die 13 mm vom SCL entfernt platziert ist. Vor dem SCL ist im Abstand von 30 cm ein Bildschirm mit verschiedenen Symbolen angebracht (Abb. 4). Der SCL projiziert ein Kreuz auf den Bildschirm, wie in Abb. 2 dargestellt, was zeigt, dass der Einkapselungsprozess das vom DOE erzeugte Muster nicht verzerrt. Das Mock-up-Auge ist auf einer drehbaren Platte montiert und ermöglicht es, das Kreuzmuster auf ein bestimmtes Symbol zu verschieben und so das Potenzial des SCL für die Zielbestimmung zu demonstrieren. Als ergänzendes Material zu diesem Artikel ist ein Video beigefügt, das die Kreuzbewegung nach den Augenbewegungen zeigt.

(a) Optischer Aufbau zur Validierung des Geräts. (b) Das vom Laserpointer vom SCL projizierte Kreuz ist auf dem Bildschirm deutlich sichtbar, wenn es mit einer Infrarotkamera abgebildet wird.

Wie in der Einleitung dargelegt, bietet Eye-Tracking ein großes Potenzial für eine Reihe von Anwendungen, erfordert jedoch auch eine präzise Kalibrierung, die nicht immer einfach zu erreichen ist, und die Aufrechterhaltung einer guten Tracking-Funktion ist aufgrund verschiedener Faktoren wie Kopfbewegungen, wechselnde Beleuchtung und Kalibrierung schwierig13 Zerfall usw. Um die Messung auf den Kern des Problems zurückzubringen (ähnlich wie bei frühen Aufzeichnungen von Augenbewegungen mithilfe eines Zeigers, der direkt mit dem Auge verbunden ist14), hatten wir zunächst einen ersten Prototyp nur mit einem VCSEL und ohne DOE10 gebaut. Bei diesem ersten Prototyp divergierte der Strahl zu schnell und nach einigen zehn Zentimetern war der Strahlfleck zu groß und die Beleuchtung zu schwach, um effektiv darauf hinzuweisen, wohin der Benutzer blickte. Die VCSELs können dann als Marker zur Verfolgung von Augenbewegungen verwendet werden. Dies bietet im Vergleich zur Standard-Videookulographie eine Reihe von Vorteilen (z. B. ist es einfacher, einen Punkt als die Pupille zu verfolgen), setzt aber dennoch eine gültige Kalibrierung voraus.

Das hier vorgestellte Gerät ist der erste echte visuelle Zeiger, da der CL dank eines Leuchtpunkts die direkte Positionierung der Blickposition ermöglicht. Darüber hinaus erleichtert es die Verwendung von PSD zur Erkennung der Strahlrichtung.

In Bezug auf Herstellung und Integration ist dies unseres Wissens nach die erste Studie, die über die Integration eines DOE in eine Kontaktlinse berichtet.

Die Strahlformung ist ein Schlüsselelement beim Übergang von einer Linse mit einer einfachen eingebetteten Lichtquelle zu einem echten Laserpointer. Aufgrund des begrenzten verfügbaren Volumens ist die Gestaltung, Herstellung und Einbettung eines Strahlformungselements in die Kontaktlinse jedoch nicht trivial. In diesem Artikel präsentieren wir technische Details zu den verschiedenen untersuchten und übernommenen Lösungen, die es uns ermöglichten, ein 1,44 mm2 großes DOE herzustellen, es 680 µm vom VCSEL mit einer Positionierungstoleranz von 40 µm zu platzieren und es erfolgreich in eine Kontaktlinse einzukapseln .

Die Bildqualität unseres Systems hängt von der beleuchteten DOE-Fläche ab. Eine Verbesserung der projizierten Musterqualität setzt somit eine Vergrößerung der beleuchteten DOE-Oberfläche voraus, die hier durch die VCSEL-Divergenz (8°) und die Notwendigkeit, die Linsendicke zu begrenzen, begrenzt ist. Eine Lösung könnte darin bestehen, mehrere Strahlreflexionen durch einen Lichtleiter zu nutzen, wie in 15 dargestellt. Ein damit verbundenes zentrales Thema ist die Montagefestigkeit mehrerer optischer Elemente bei gleichzeitig geringen Toleranzen und die Gewährleistung ihrer Steifigkeit. Es wurden mehrere Klebetechniken getestet, keine ist wirklich mit einem Herstellungsprozess kompatibel. Dieser Punkt sollte im Hinblick auf die Einkapselungsbeschränkungen in starren SCLs und entsprechend den künftigen Kräften, die auf sie einwirken, weiter untersucht werden.

Im Hinblick auf die Anwendungen ermöglicht die nachgewiesene Kollimation des Laserstrahls eine größere Flexibilität bei der Verwendung der PSD-Lösung (z. B. im Vergleich zu 11), insbesondere durch die Vereinfachung der Wahl ihrer Position, die bis zu einigen zehn Zentimetern entfernt liegen kann die SCL. Darüber hinaus verbessert die Kollimation die Zeigegenauigkeit, was die Möglichkeit bestätigt, einen solchen Zeiger beispielsweise als Aktuator oder visuellen Zeiger in Kombination mit einem Blinkbefehl zu verwenden, wie in 16 gezeigt. Alternativ kann mit dem DOE in einer bestimmten Entfernung ein Muster, ein Bild oder ein Symbol erzeugt werden, das von einer Kamera erfasst werden kann, ohne den Träger zu stören, da es für ihn nicht sichtbar ist. Dieses Muster lässt sich beispielsweise erkennen, um Ziele zu sperren oder zu bestimmen17. Es könnte beispielsweise für einige Überwachungs- oder Tutorialanwendungen (z. B. visuelle Unterstützung) nützlich sein, genau zu materialisieren, wohin der Träger blickt.

Eine alternative Methode zur Materialisierung des Fixierungspunkts könnte die Verwendung eines Standard-Eyetrackers zur Steuerung eines motorisierten Laserpointers sein, der beispielsweise auf einer Brille angebracht ist. Wir haben ein solches System in einer separaten Studie18 aufgebaut. Bei einem solchen Ansatz gibt es jedoch drei Probleme, die mit dem CL-Zeiger vermieden werden. Erstens basiert ein motorisierter Laserpointer auf der Leistung eines Standard-Eyetrackers mit allen oben aufgeführten Einschränkungen (Kalibrierungsverfall usw.). Zweitens gibt es zwangsläufig eine gewisse Latenz zwischen den Augenbewegungen und der Laserbewegung. Drittens erfordert eine genaue und schnelle Ausrichtung eine Motorisierungsqualität, die für ein eingebettetes System zu schwer sein kann.

Was die Sicherheit betrifft, wurde der in dieser Studie vorgestellte Prototyp nicht am menschlichen Auge getestet, da das Vorhandensein des DOE die Linse über die Grenzen dessen hinausführt, was hinsichtlich der zentralen Dicke (1700 μm) akzeptabel sein kann. Aus diesem Grund empfehlen wir die Verwendung eines Wellenleiters, um den Strahlengang zu falten und die Linsendicke zu reduzieren. Wenn diese Dicke reduziert werden kann, könnte die Linse problemlos tragbar sein, da sich die Elektronik vollständig in der Linse befindet. Das Vorhandensein elektronischer Schaltkreise in der Linse impliziert auch eine verringerte Sauerstoffdurchlässigkeit, was die Nutzungsdauer dieser Linsen begrenzt. Dies könnte jedoch leicht verbessert werden, indem zunächst ein Material mit einem besseren Dk als PMMA verwendet wird. Darüber hinaus haben Vorversuche an Kaninchen und toxikologische Analysen (ISO 10993) im Rahmen eines aktuellen EG-Kennzeichnungsverfahrens gezeigt, dass die Linse mindestens 30 Minuten lang sicher verwendet werden kann. Funktionell ist die emittierte Leistung (120 µW bei 850 nm) selbst im schlimmsten Fall (NF EN 60825) zu gering, um die Hornhaut zu beeinträchtigen, und die Erwärmung des VCSEL an der Linsenoberfläche ist gering gut (< 0,5 °C).

Eine direkte Erweiterung dieser optischen Konfiguration besteht darin, den Strahl auf die Netzhaut statt vor den Betrachter zu richten. Dies könnte durch Falten des Strahls und die Verwendung eines Wellenleiters erreicht werden, wie in 15 vorgeschlagen. Obwohl es die Verwendung von sichtbarem VCSEL19 (zur Stimulation der Netzhaut) voraussetzt, das gerade erst kommerziell erhältlich ist, stellt ein solches Gerät nur eine bescheidene Verbesserung gegenüber dem aktuellen SCL dar und könnte die erste Grundlage für ein zukünftiges Befehls- und Alarmsystem sein Mensch-Maschine-Interaktionen.

Dieser Teil beschreibt die Herstellung und den Zusammenbau der verschiedenen SCL-Bausteine ​​vor ihrer Verkapselung.

Unser Laserpointer besteht aus zwei Hauptelementen: Das erste ist der SCL, das zweite ist die Brille. Bei den verwendeten SCLs handelt es sich um starre Skleral-Kontaktlinsen, die Stabilität am Auge garantieren, keinen direkten Kontakt mit der Hornhaut haben und ein größeres Volumen als weiche Kontaktlinsen bieten. Ein wichtiger Parameter unseres Designs ist, dass der Pupillenbereich frei von jeglichen Elementen gehalten wird. Die im SCL verkapselten Elektronik- und Energiegewinnungselemente bestehen aus einem doppelseitigen flexiblen Ring mit 4,8 mm Innendurchmesser und 10,5 mm Außendurchmesser. Es enthält einen Infrarot-VCSEL (mit 850 nm emittierend), der durch Induktion angetrieben wird, und einen Kopplungskondensator (Abb. 5a). Die in der Primärspule zirkulierende elektrische Leistung beträgt 340 mW und die vom VCSEL abgegebene Leistung beträgt 120 µW. Der Abstandshalter und das DOE werden wie im Abschnitt „Abstandshalterdesign“ beschrieben auf dem VCSEL montiert. Die Brille (Abb. 5b) umfasst die Primärspule, die zur Stromversorgung und Auslösung des SCL verwendet wird. Dieser Teil wird in10 ausführlich beschrieben und könnte auch Erkennungsgeräte wie Kameras oder PSD-Arrays11 umfassen.

(a) die im SCL gekapselte Elektronik mit den Spulen, zwei VCSELs und dem entsprechenden Kondensator, (b) die Elektronik im Inneren der Brille, mit der primären Antennenspule links und dem Transformator rechts.

Wie oben erläutert, werden die DOEs entweder dazu verwendet, den VCSEL-Strahl zu kollimieren, wenn beispielsweise ein PSD-Sensor in einem bestimmten Abstand vom Auge platziert wird11, oder um ein Muster (z. B. hier ein Kreuz) in einem bestimmten Abstand vor dem Auge zu projizieren , in Blickrichtung. Die DOEs werden unter Verwendung eines modifizierten herkömmlichen dreistufigen iterativen Fourier-Transformationsalgorithmus (IFTA)20,21 entworfen. Bei den DOEs handelt es sich um mehrphasige Ebenenelemente, die mithilfe eines speziell angefertigten, massiv parallel schreibenden Fotoplotters in eine Schicht (Dicke ~ 1,8 µm) aus schleuderbeschichtetem S1813-Fotolack (MicroChem) auf 175 µm dicken Borosilikatglassubstraten geätzt werden22,23. Typische experimentelle DOE-Beugungseffizienzen (Abb. 6) von 70–75 % werden im Allgemeinen beobachtet. Die nutzbare DOE-Größe wird hier durch die VCSEL-Strahldivergenz und den VCSEL-zu-DOE-Abstand bestimmt, der aufgrund von Kapselungsbeschränkungen weniger als 1 mm beträgt. Unter Berücksichtigung unserer VCSEL-Divergenz (8°) und eines Abstands zum DOE von 680 µm (um die Gesamtdicke des CLP zu begrenzen) beträgt die nutzbare Oberfläche daher etwa 0,3 mm2, da der Spotdurchmesser 95 µm beträgt. Hier beträgt die Größe des DOE 225 × 225 µm.

Phasenmuster des DOE, das zur Korrektur der VCSEL-Strahldivergenz und zur Bildung eines Kreuzes im Fernfeld verwendet wird.

Vor der Verkapselung werden DOEs in kleine Quadrate (ca. 1 mm2) geschnitten. Verschiedene Schnitttechniken wurden getestet. Ein erster Versuch wurde mit einem 1064-nm-Laser (von der Firma Laser Cheval) durchgeführt. Ein Problem bei der Laserablation hängt mit der Glaserwärmung während des Prozesses zusammen, die das DOE beschädigen kann. Dies ist insbesondere bei der Verwendung von Fotolack der Fall. Die Folge ist die Notwendigkeit, eine tote Zone zwischen dem DOE und der Substratkante einzuführen, was die Gesamtelementgröße und damit die Einkapselungsbeschränkungen erhöht. In diesem Fall betrug die kleinste Größe, die wir schneiden konnten, 1,2 × 1,2 mm2. Die Parameter sind 50 ns Impulsdauer, 20 kHz Wiederholungsrate, 20 W Durchschnittsleistung, 10 mm/s Scangeschwindigkeit und 15 Durchgänge. Sie wurden nach verschiedenen Experimenten festgelegt, um die richtigen Werte zu finden, die es ermöglichen, das Glas zu schneiden, ohne die darauf aufgebrachte Fotolackschicht zu verbrennen. Die Laserablation wurde auch mit einem Femtosekundenlaser 20 W, ebenfalls von der Firma Laser Cheval, versucht. In diesem Fall wird der Fotolack durch Ormocomp ersetzt, um die Empfindlichkeit der Schicht gegenüber Erwärmung zu verringern. Ormocomp ist ein hybrides organisch-anorganisches Polymer (hergestellt von der Firma Microresist) mit hervorragender optischer Transmission und mechanischen Eigenschaften. Das Ergebnis ist in Abb. 7a dargestellt. Wir können feststellen, dass die Kanten sehr sauber und scharf sind. Ormocomp wird durch die Lasererwärmung nur etwa 50 µm an den Kanten des Quadrats verbrannt. Die Verwendung von Ormocomp würde es dann ermöglichen, die Größe des geschnittenen Quadrats auf 1 × 1 mm zu reduzieren. Eine andere Lösung wurde mit Sandstrahlen von Icoflex in der Schweiz getestet, ebenfalls mit einer Ormocomp-Schicht. Ein Beispiel ist in Abb. 7b dargestellt. Die Kante ist weniger scharf und die Größe des gestrahlten Teils hängt von der Dicke des Glassubstrats ab, wodurch sich die nutzbare Fläche verringert. Ungefähr zwei Monate nach der Kürzung löste sich das DOE jedoch auf, wahrscheinlich aufgrund der Einschränkungen. Wir haben diese Methode daher nicht weiter verwendet.

DOE mit den Abmessungen 225 × 225 µm auf einem Glasquadrat von 1,2 × 1,2 mm (a) mit Laserablation. Der schwarze Pfeil zeigt auf den Ormocomp-Bereich, der durch Erhitzen während des Schneidvorgangs beschädigt wurde. (B) Mit Sandstrahlen.

Dies ist ein weiterer wichtiger Teil des Prozesses. Erstens ist die Positionierungstoleranz aufgrund der sehr kleinen Brennweite, die für die Beleuchtung des DOE erforderlich ist (800 µm), entweder um den Laserstrahl zu kollimieren oder um ein Muster in einem endlichen gegebenen Abstand vor dem Auge abzubilden, gering (~ 40 µm). ) und müssen genau eingestellt werden. Zweitens ist es notwendig, den VCSEL und das DOE miteinander zu verbinden, um sicherzustellen, dass dieser Abstand während des Montage- und Kapselungsprozesses nicht verändert wird. Zu diesem Zweck haben wir einen speziellen Abstandshalter entworfen und hergestellt. Dieser Abstandshalter (Abb. 8a) wurde mit der Solidworks-Software entworfen und durch 4K-3D-Harzdruck hergestellt (Abb. 8b). Zum Drucken des Abstandshalters haben wir ein flexibles Photopolymerharz verwendet. Dadurch können wir das DOE präzise auf den richtigen Abstand zum VCSEL einstellen und so verschiedene Parameter anpassen (z. B. kann die VCSEL-Abdeckungshöhe variieren usw.). Wir haben eine ziehharmonikaartige Struktur entworfen und getestet, um die Materialverformung zu erleichtern (Abb. 8a). Der Abstand zwischen der Gehäuseoberseite des VCSEL und der Ebene des DOE beträgt etwa 680 µm. Der Abstandshalter hat eine Höhe von 680 µm, mit Abweichungen aufgrund der Genauigkeit des 3D-Druckers. Das Teil verfügt an der Unterseite über Befestigungsfüße, um es auf dem VCSEL-Gehäuse zu halten, und an der Oberseite über eine Platte, auf der das Glassubstrat mit dem geätzten DOE platziert wird. Die obere Fläche ist ein Quadrat mit der Größe 1,2 × 1,2 mm, entsprechend den DOE-Abmessungen. Der Abstandshalter hat in seiner Mitte ein zylindrisches Loch, um den Lichtweg vom VCSEL freizugeben. Die Verwendung eines flexiblen Abstandshalters ermöglicht es, den erforderlichen VCSEL-DOE-Abstand zu erreichen, indem die Baugruppe unter Druck gesetzt wird, bis das projizierte Muster wie gewünscht ist. Wenn dann der Abstand festgelegt ist, wird ein weiterer Abstandshalter aus Vollharz gedruckt, um den Abstand während des gesamten Montage- und Einkapselungsprozesses endgültig festzulegen.

(a) 3D-Ansicht des Abstandshalters, (b) Foto des gedruckten Abstandshalters.

Eine Feineinstellung des Fokus kann dynamisch durch Verwendung einer visuellen optischen Kontrolle erreicht werden, wie im nächsten Abschnitt beschrieben.

Der letzte kritische Punkt vor der Kapselung der Schaltung ist die Abdichtung der VCSEL-, Abstandshalter- und DOE-Baugruppe. Wir haben verschiedene Kleber getestet, die entweder zu flüssig waren (optischer UV-Kleber Norland Optical Adhesive 65 oder UVS 91 UV-Kleber), so dass sich der Klebertropfen beim Auftragen mit einer Nadel verteilte und das zentrale Loch des Abstandshalters füllte, oder die eine zu hohe Viskosität aufwiesen (SU8-Kleber), sodass kein Tropfen auf den Abstandshalter fallen konnte. Die am besten geeignete Lösung war schließlich ein kleiner Tropfen Nagellack aus Nitrozellulose (Rimmel 60 Seconds Super Shine, wie in 24 verwendet) auf jedes Längsende des Abstandshalters. Der Nagellack weist eine gute Viskosität auf und trocknet ohne UV-Einwirkung, was für unseren Zweck umständlicher ist. Nach einigen Minuten zum Trocknen der Politur wurde ein weiterer Tropfen auf jedes seitliche Ende der Plattenoberfläche aufgetragen, um eine leichte Haftung zu gewährleisten. Dann wurde das DOE auf den Abstandshalter gelegt und der gleiche Vorgang wiederholt. Auf jede Seite des Abstandshalters wurde ein Tropfen Nagellack aufgetragen, um das Glassubstrat zu verkleben. In diesem Stadium wurde Druck auf die Struktur ausgeübt, um den Fokus fein einzustellen und die beste Kollimation oder Musterabbildung zu erzielen (wie in Abb. 9 dargestellt). Bei jedem Schritt wurde die Ausbreitung des Lichts durch die Struktur überprüft. Mit einer IR-Kamera wurde abschließend überprüft, ob das richtige Muster projiziert wird, wenn das Licht durch das DOE geht.

Schaltung mit einem am linken VCSEL montierten DOE.

Sobald das DOE am VCSEL befestigt ist, wird die gesamte Elektronik zwischen zwei vorgefertigten Pucks eingelegt, die miteinander versiegelt werden, bevor die Ober- und Unterseite gedreht werden, um die Linsenkrümmungen herzustellen und die endgültige tragbare Kontaktlinse zu erhalten. Während der Vorfertigung wird zunächst ein Hohlring in die Oberseite des unteren Pucks geätzt, um das optische System (VCSEL + Abstandshalter + DOE) aufzunehmen, Abb. 10.

OCT-Ansicht des Schaltkreises im Inneren der Kontaktlinse mit schematischer Darstellung des DOE.

Um die beiden Pucks zusammenzubauen, wird UV-Kleber (Loctite AA 3301) mit einer Nadel auf den Rand des Unterteils aufgetragen und dann das Oberteil mit der Presse zusammengedrückt. Während der Verdichtung wird der Kleber UV-gehärtet. Die gesamte Baugruppe bildet einen neuen Puck, in dem der Schaltkreis eingekapselt ist. Dieser Puck wird schließlich mit einer Drehmaschine in eine SCL-Form gebracht, wie in Abb. 11 dargestellt.

(a) Ansicht der SCL-Pucks vor dem Drehen und (b) des fertig gedrehten SCL.

Der Gesamtprozess zur Herstellung dieses Kontaktlinsen-Laserpointers ist in Abb. 12 dargestellt.

Diagramm, das die Hauptschritte zur Herstellung des in die Kontaktlinse eingebetteten holografischen Zeigers darstellt.

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel enthalten. Die Rohdatensätze für Abb. 3 sind auf Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

Xia, Y. et al. Modernste intelligente Kontaktlinsen für die Mensch-Maschine-Interaktion. IEEE Trans. Summen. Mach. Syst. https://doi.org/10.48550/arXiv.2112.10905 (2022).

Artikel Google Scholar

Jacob, RJK Augenbewegungsbasierte Mensch-Computer-Interaktionstechniken: Auf dem Weg zu Nicht-Befehlsschnittstellen. Adv. Hum.-Comput. Interagieren. 4, 151–190 (1993).

Google Scholar

Majaranta. P. & Räihä, K.-J. Zwanzig Jahre Augentippen: System- und Designprobleme. In Proceedings of the 2002 Symposium on Eye Tracking Research & Applications, in ETRA '02. New York, NY, USA: Association for Computing Machinery, 2002, S. 15–22. https://doi.org/10.1145/507072.507076

Drouot, M., Le Bigot, N., Bricard, E., de Bougrenet, JL & Nourrit, V. Augmented Reality am industriellen Fließband: Auswirkungen auf Effektivität und mentale Arbeitsbelastung. Appl. Ergon. 103, 103793. https://doi.org/10.1016/j.apergo.2022.103793 (2022).

Artikel PubMed Google Scholar

Lech, M., Czyżewski, A. & Kucewicz, MT CyberEye: Neue Eye-Tracking-Schnittstellen zur Beurteilung und Modulation kognitiver Funktionen außerhalb des Gehirns. Sensoren 21(22), 22. https://doi.org/10.3390/s21227605 (2021).

Artikel Google Scholar

Vásquez Quintero, A., Verplancke, R., De Smet, H. & Vanfleteren, J. Dehnbare elektronische Plattform für weiche und intelligente Kontaktlinsenanwendungen. Adv. Mater. Technol. 2(8), 1700073. https://doi.org/10.1002/admt.201700073 (2017).

Artikel CAS Google Scholar

Takamatsu, T., Chen, Y., Yoshimasu, T., Nishizawa, M. & Miyake, T. Hocheffiziente, flexible, drahtlos betriebene Schaltung, gedruckt auf einer feuchten, weichen Kontaktlinse. Adv. Mater. Technol. 4(5), 1800671. https://doi.org/10.1002/admt.201800671 (2019).

Artikel Google Scholar

Clay, V., König, P. & König, S. Eyetracking in der virtuellen Realität. J. Eye Mov. Res. https://doi.org/10.16910/jemr.12.1.3 (2019).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Renner, P. & Pfeiffer, T. Aufmerksamkeitsleittechniken mit peripherem Sehen und Eye-Tracking für Feedback in Augmented-Reality-basierten Assistenzsystemen. Im Jahr 2017 IEEE Symposium on 3D User Interfaces (3DUI), 2017, S. 186–194. https://doi.org/10.1109/3DUI.2017.7893338

Khaldi, A. et al. Eine laseremittierende Kontaktlinse zur Blickverfolgung. Wissenschaft. Rep. 10(1), 14804. https://doi.org/10.1038/s41598-020-71233-1 (2020).

Artikel ADS MathSciNet CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Robert, F.-M., Adam, L., Nourrit, V. & de Bougrenet de la Tocnaye, J.-L. Kontaktlinsen-Doppellaserpointer zur kombinierten Blickverfolgung und Zielbestimmung. PLOS One, erscheint 2022.

Massin, L. et al. Entwicklung einer neuen Skleralkontaktlinse mit gekapselten Fotodetektoren zur Blickverfolgung. Opt. Exp. OE 28(19), 28635–28647. https://doi.org/10.1364/OE.399823 (2020).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Ehinger, BV, Groß, K., Ibs, I. & König, P. Eine neue umfassende Eye-Tracking-Testbatterie zur gleichzeitigen Bewertung der Pupil Labs-Brille und des EyeLink 1000. PeerJ 7, e7086. https://doi.org/10.7717/peerj.7086 (2019).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Huey, E. Zur Psychologie und Physiologie des Lesens. Bin. J. Psychol. 11, 283–302 (1900).

Artikel Google Scholar

Nourrit, V., Pigeon, YE, Heggarty, KJ & de la Tocnaye, JLMB Perifoveale retinale Augmented Reality auf Kontaktlinsen. OE 60(11), 115103. https://doi.org/10.1117/1.OE.60.11.115103 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Massin, L., Lahuec, C., Seguin, F., Nourrit, V. & de Bougrenetde la Tocnaye, J.-L. Mehrzweck-bioüberwachte integrierte Schaltung in einem Kontaktlinsen-Eyetracker. Sensoren 22(2), 2. https://doi.org/10.3390/s22020595 (2022).

Artikel Google Scholar

Fukushima, K., Fukushima, J., Warabi, T. & Barnes, G. Kognitive Prozesse, die an reibungslosen Augenbewegungen beteiligt sind: Verhaltensnachweise, neuronales Substrat und klinische Korrelation. Vorderseite. Syst. Neurosci. https://doi.org/10.3389/fnsys.2013.00004 (2022).

Artikel Google Scholar

Nourrit, V. et al. Am Kopf montierte motorisierte Miniaturkamera und Laserpointer, angetrieben durch Augenbewegungen. Sensoren 23(7), 7. https://doi.org/10.3390/s23073503 (2023).

Artikel Google Scholar

Hamaguchi, T. et al. Dauerstrichbetrieb bei Raumtemperatur von grünen oberflächenemittierenden Lasern mit vertikalem Resonator und einem gekrümmten Spiegel, hergestellt auf halbpolarem GaN. Appl. Physik. Exp. 13(4), 041002. https://doi.org/10.35848/1882-0786/ab7bc8 (2020).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Ripoll, O., Kettunen, V. & Herzig, HP Übersicht über iterative Fourier-Transformationsalgorithmen für Strahlformungsanwendungen. OE 43(11), 2549–2548. https://doi.org/10.1117/1.1804543 (2004).

Artikel Google Scholar

Wyrowski, F. Iterative Quantisierung digitaler Amplitudenhologramme. Appl. Opt. AO 28(18), 3864–3870. https://doi.org/10.1364/AO.28.003864 (1989).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Kessels, MM, Bouz, ME, Pagan, R. & Heggarty, KJ Vielseitige maskenlose Mikrolithographie auf Stepperbasis mit einer Flüssigkristallanzeige zum direkten Schreiben von binären und mehrstufigen Mikrostrukturen. J. Micro Nanolithogr. MEMS MOEMS 6(3), 033002. https://doi.org/10.1117/1.2767331 (2007).

Artikel CAS Google Scholar

Kessels, MV, Nassour, C., Grosso, P. & Heggarty, K. Direktes Schreiben von optischen Beugungselementen und planaren Wellenleitern mit einem digitalen Mikrospiegelgerät basierenden UV-Fotoplotter. Opt. Komm. 283(15), 3089–3094. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2010.03.056 (2010).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Kärnfelt, C., Zelenchuk, D., Sinou, M., Gallée, F. & Douglas, P. Opfervolumenmaterialien für die Erzeugung kleiner Löcher in bei niedriger Temperatur mitgebrannten Keramiken. Electronics 9(12), 12. https://doi.org/10.3390/electronics9122168 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Referenzen herunterladen

Die Forschung wurde durch ein Stipendium des IMT-Carnot-Forschungsprogramms ermöglicht.

Optische Abteilung, IMT Atlantique, Technopôle Brest-Iroise, 655 Avenue du Technopôle, CS 83818 – 29238, Brest Cedex 3, Frankreich

François-Maël Robert, Bernard Abiven, Maïna Sinou, Kevin Heggarty, Vincent Nourrit und Jean-Louis de Bougrenet de la Tocnaye

LCS, 14 Place Gardin, 14000, Caen, Frankreich

Laure Adam

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

François-Maël Robert: Untersuchung und Beitrag zum DesignBernard Abiven: Design und Herstellung von AbstandshalternMaïna Sinou: Herstellungsprozess und Realisierung des DOEKevin Heggarty: DOE-Design Laure Adam: SCL-HerstellungJean-Louis de Bougrenet de la Tocnaye und Vincent Nourrit: Konzeption und Überwachung. Alle Autoren haben zum Verfassen der Arbeit beigetragen.

Korrespondenz mit Vincent Nourrit.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Springer Nature bleibt neutral hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten.

Zusatzvideo 1.

Open Access Dieser Artikel ist unter einer Creative Commons Attribution 4.0 International License lizenziert, die die Nutzung, Weitergabe, Anpassung, Verbreitung und Reproduktion in jedem Medium oder Format erlaubt, sofern Sie den/die Originalautor(en) und die Quelle angemessen angeben. Geben Sie einen Link zur Creative Commons-Lizenz an und geben Sie an, ob Änderungen vorgenommen wurden. Die Bilder oder anderes Material Dritter in diesem Artikel sind in der Creative Commons-Lizenz des Artikels enthalten, sofern in der Quellenangabe für das Material nichts anderes angegeben ist. Wenn Material nicht in der Creative-Commons-Lizenz des Artikels enthalten ist und Ihre beabsichtigte Nutzung nicht gesetzlich zulässig ist oder über die zulässige Nutzung hinausgeht, müssen Sie die Genehmigung direkt vom Urheberrechtsinhaber einholen. Um eine Kopie dieser Lizenz anzuzeigen, besuchen Sie http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Nachdrucke und Genehmigungen

Robert, FM., Abiven, B., Sinou, M. et al. In Kontaktlinsen eingebetteter holografischer Zeiger. Sci Rep 13, 6919 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-33420-8

Zitat herunterladen

Eingegangen: 27. November 2022

Angenommen: 12. April 2023

Veröffentlicht: 27. April 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-33420-8

Jeder, mit dem Sie den folgenden Link teilen, kann diesen Inhalt lesen:

Leider ist für diesen Artikel derzeit kein gemeinsam nutzbarer Link verfügbar.

Bereitgestellt von der Content-Sharing-Initiative Springer Nature SharedIt

Durch das Absenden eines Kommentars erklären Sie sich damit einverstanden, unsere Nutzungsbedingungen und Community-Richtlinien einzuhalten. Wenn Sie etwas als missbräuchlich empfinden oder etwas nicht unseren Bedingungen oder Richtlinien entspricht, kennzeichnen Sie es bitte als unangemessen.