隐形眼镜嵌入式全息指示器VCSEL+DOE有望赋能未来人机交互

在脑机接口（BCI）领域，眼动追踪仪已成为评估和调节感觉运动和认知功能的热门接口之一。眼动追踪技术可以为目前的脑机接口应用提供替代或补充信号。在未来的增强现实（AR）系统中，眼睛有望成为通用的关键用户接口，取代光标、触摸屏、触摸板或键盘等传统接口，实现视觉意图或命令的传达。

与此同时，柔性微电子和纳米制造技术的最新进展，推动了传感器、电路和其它关键组件能够更好地集成在隐形眼镜之中。然而，目前常用的商用垂直腔面发射激光器（VCSEL）没有显著的光束发散，无法在距离眼睛几厘米之外的地方投射精准的图案。此外，由于符合人眼安全法规所要求的器件发射功率较小，该系统在实际应用中受到限制。

据麦姆斯咨询报道，近日，法国大西洋高等矿业电信学校（IMT Atlantique）的研究人员提出一种红外线激光指示器，它由VCSEL和衍射光学元件（DOE）组成，并封装在巩膜隐形眼镜（SCL）中。VCSEL通过嵌入眼镜框内的主天线的电感耦合远程供电，DOE用于激光束准直或在眼睛前方凝视处投射图案或图像。相关研究成果已发表于Scientific Reports期刊。

这项研究工作使用的隐形眼镜是巩膜型眼镜，与标准隐形眼镜相比，巩膜隐形眼镜具有多个优势：在眼睛上稳定性更高，不与角膜接触，并且有更大的空间来封装组件。

基本的眼动追踪装置结合了一个由电感耦合供电的电子巩膜隐形眼镜和一个带主天线的眼镜。镜片由PMMA制成，直径为16.5 mm，它内嵌了一个灵活的次级天线和电子电路，包括一个VCSEL（850 nm波长）。该设备可以配备额外的传感器，例如摄像头或位置敏感探测器（PSD），用于检测VCSEL光束斑点并跟踪眼球运动。

为了控制VCSEL的光束发散，需要在VCSEL前面放置DOE。研究人员制造并测试了两个DOE，其中一个用于将激光束整形为“十”字图案，另一个用于准直光束。

光束整形是从一个简单的嵌入式光源透镜向真正的激光指示器过渡的关键要素。然而，由于可用体积有限，设计、制造和将光束整形元件嵌入到隐形眼镜中并非易事。这项研究提出的解决方案成功制造了44平方毫米的DOE，将其放置在距离VCSEL器件680微米处，定位公差为40微米，并成功将其封装在隐形眼镜中。

隐形眼镜嵌入式全息指示器的主要制作步骤

在应用方面，研究人员发现，激光束准直可以提高位置敏感探测器解决方案的灵活性，尤其是在位置选择方面，可以将其放在距离巩膜隐形眼镜几十厘米远的地方。此外，激光束准直还可以提高指向精度，使这种指示器具有广泛的应用潜力，例如作为执行器或视觉指示器。另外，DOE可以用于在给定距离处创建图案、图像或图标，这个过程是通过摄像头检测实现的，对佩戴者不可见，因此不会干扰到佩戴者。这种识别模式可用于锁定或指定目标。例如，对于一些监督或教程应用程序（例如视觉辅助）而言，它可以精确地定位佩戴者观看的位置。

不同位置的位置敏感探测器响应光斑位置函数（蓝色表示准直VCSEL，红色表示非准直VCSEL）

在安全性方面，这项研究提出的原型尚未在人眼上进行测试，这是由于DOE的存在使镜片中心厚度（1700微米）超出了人眼可接受的范围，因此需要使用波导折叠光路并减小透镜厚度，从而使隐形眼镜更易于佩戴。镜片内电子电路的存在也意味着透氧性降低，这会限制镜片的使用时间，通过优先使用比PMMA具有更高Dk值的材料，可以有效改善这一问题。

此外，初步的安全性测试表明，该隐形眼镜在不损害角膜的情况下可以至少安全使用30分钟。就功能而言，即使在最糟糕的情况下（NF EN 60825），发射功率（120微瓦@850纳米波长）也不会影响角膜，而且镜片表面VCSEL产生的热量也很低（<0.5°C）。

研究人员称，这项研究提出的隐形眼镜嵌入式全息指示器刚刚起步，随着可见光VCSEL的商业化进展，该设备有望为未来人机交互命令和警报系统的发展奠定基础，也将为脑机接口等领域开辟新的应用前景。

审核编辑：刘清