Pointeur holographique intégré à une lentille de contact

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 6919 (2023) Citer cet article

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Dans cet article, nous présentons un pointeur laser infrarouge, composé d'un laser à émission de surface à cavité verticale (VCSEL) et d'un élément optique diffractif (DOE), encapsulés dans une lentille de contact sclérale (SCL). Le VCSEL est alimenté à distance par couplage inductif à partir d'une antenne principale intégrée dans une monture de lunettes. Le DOE est utilisé soit pour collimater le faisceau laser, soit pour projeter une image de motif à une distance choisie devant l'œil. Nous détaillons les différents blocs constitutifs du SCL, comment ils sont fabriqués et assemblés. Nous soulignons particulièrement les différents défis technologiques liés à leur encapsulation dans le volume réduit du SCL, tout en gardant la liberté de l'élève. Enfin, nous décrivons comment fonctionne le pointeur laser, quelles sont ses performances (par exemple collimation, formation d'images) et comment il peut être utilisé efficacement dans divers domaines d'application tels que l'assistance visuelle et la réalité augmentée.

Parmi les interfaces cerveau-ordinateur (BCI)1, les eye trackers sont devenus une interface populaire pour évaluer et moduler les fonctions sensorimotrices et cognitives. Ils ont été utilisés pour réaliser des tâches basiques telles que la sélection, la manipulation, la navigation2,3. L'analyse des données d'oculométrie a montré que les mouvements oculaires pouvaient également fournir des informations importantes sur les processus cognitifs (par exemple fatigue, charge de travail mentale, etc.4), suggérant que l'oculométrie pourrait fournir une alternative ou un signal complémentaire aux applications actuelles de BCI5. Par exemple, dans les futurs systèmes de réalité augmentée, les yeux deviendront une interface utilisateur clé commune, remplaçant des normes telles que les curseurs, les écrans tactiles, les pavés tactiles ou les claviers pour transmettre des intentions ou des commandes visuelles et identifier les charges cognitives. Par conséquent, la fusion de l’attention visuelle et des tâches de désignation présente un grand intérêt pour de nombreuses applications. Effectuer une désignation visuelle peut réduire la charge de travail de l'opérateur, lui permettant de se concentrer sur sa mission principale tout en établissant un nouveau lien entre la planification, les fonctionnalités de contrôle et la coordination sensorielle. En parallèle, les progrès récents en microélectronique et en nanofabrication sur substrats flexibles ont permis d'intégrer des capteurs, des circuits et d'autres composants essentiels dans les lentilles de contact6,7. Par exemple, nous avons récemment démontré comment une lentille de contact intégrant un ou deux VCSEL pourrait être utile pour faciliter le suivi oculaire, en particulier lorsqu'un eye tracker doit être intégré dans un environnement contraint (par exemple VR ou AR HUD8,9, loupes binoculaires, etc. .). Cependant, les VCSEL commerciaux que nous avons utilisés ne présentaient pas de divergence de faisceau significative et ne pouvaient pas être utilisés pour projeter un motif précis à une distance des yeux supérieure à quelques centimètres. De plus, en raison de la faible puissance émise nécessaire pour respecter les règles réglementaires de sécurité oculaire, le système n’était pas utilisable en pratique avec des capteurs éloignés de l’œil. C'est la limitation que notre article entend contourner en disposant d'un dispositif permettant de projeter, depuis l'œil, un point ou un motif à plusieurs dizaines de centimètres. Cela ouvrirait de nouvelles applications dans les interactions homme-machine et plus particulièrement dans le BCI.

Nous présentons ici comment l'introduction d'un élément optique diffractif (DOE) au sein de la lentille de contact sclérale (SCL), devant le VCSEL, peut être utilisée pour collimater le faisceau laser ou pour projeter une image à une distance choisie. Nous détaillons comment cette optique est fabriquée, alignée et montée sur le laser avant d'être encapsulée dans le SCL. Les lentilles de contact que nous avons utilisées sont des lentilles sclérales qui offrent plusieurs avantages par rapport aux lentilles de contact standards : elles sont stables sur l'œil, elles ne sont pas en contact avec la cornée et offrent plus de volume pour encapsuler les composants10. L'article est organisé comme suit : nous présentons d'abord les résultats obtenus avec le prototype SCL final (projection de motif, collimation, détection etc.) avant de les discuter dans la section Discussion. La conception, la fabrication et l'assemblage des différents éléments constitutifs du SCL sont présentés à la fin dans la section Matériel et méthodes.