在腦機(jī)接口（BCI）領(lǐng)域，眼動(dòng)追蹤儀已成為評(píng)估和調(diào)節(jié)感覺運(yùn)動(dòng)和認(rèn)知功能的熱門接口之一。眼動(dòng)追蹤技術(shù)可以為目前的腦機(jī)接口應(yīng)用提供替代或補(bǔ)充信號(hào)。在未來的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）系統(tǒng)中，眼睛有望成為通用的關(guān)鍵用戶接口，取代光標(biāo)、觸摸屏、觸摸板或鍵盤等傳統(tǒng)接口，實(shí)現(xiàn)視覺意圖或命令的傳達(dá)。

與此同時(shí)，柔性微電子和納米制造技術(shù)的最新進(jìn)展，推動(dòng)了傳感器、電路和其它關(guān)鍵組件能夠更好地集成在隱形眼鏡之中。然而，目前常用的商用垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）沒有顯著的光束發(fā)散，無法在距離眼睛幾厘米之外的地方投射精準(zhǔn)的圖案。此外，由于符合人眼安全法規(guī)所要求的器件發(fā)射功率較小，該系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中受到限制。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，法國(guó)大西洋高等礦業(yè)電信學(xué)校（IMT Atlantique）的研究人員提出一種紅外線激光指示器，它由VCSEL和衍射光學(xué)元件（DOE）組成，并封裝在鞏膜隱形眼鏡（SCL）中。VCSEL通過嵌入眼鏡框內(nèi)的主天線的電感耦合遠(yuǎn)程供電，DOE用于激光束準(zhǔn)直或在眼睛前方凝視處投射圖案或圖像。相關(guān)研究成果已發(fā)表于Scientific Reports期刊。

這項(xiàng)研究工作使用的隱形眼鏡是鞏膜型眼鏡，與標(biāo)準(zhǔn)隱形眼鏡相比，鞏膜隱形眼鏡具有多個(gè)優(yōu)勢(shì)：在眼睛上穩(wěn)定性更高，不與角膜接觸，并且有更大的空間來封裝組件。

基本的眼動(dòng)追蹤裝置結(jié)合了一個(gè)由電感耦合供電的電子鞏膜隱形眼鏡和一個(gè)帶主天線的眼鏡。鏡片由PMMA制成，直徑為16.5 mm，它內(nèi)嵌了一個(gè)靈活的次級(jí)天線和電子電路，包括一個(gè)VCSEL（850 nm波長(zhǎng)）。該設(shè)備可以配備額外的傳感器，例如攝像頭或位置敏感探測(cè)器（PSD），用于檢測(cè)VCSEL光束斑點(diǎn)并跟蹤眼球運(yùn)動(dòng)。

為了控制VCSEL的光束發(fā)散，需要在VCSEL前面放置DOE。研究人員制造并測(cè)試了兩個(gè)DOE，其中一個(gè)用于將激光束整形為“十”字圖案，另一個(gè)用于準(zhǔn)直光束。

光束整形是從一個(gè)簡(jiǎn)單的嵌入式光源透鏡向真正的激光指示器過渡的關(guān)鍵要素。然而，由于可用體積有限，設(shè)計(jì)、制造和將光束整形元件嵌入到隱形眼鏡中并非易事。這項(xiàng)研究提出的解決方案成功制造了44平方毫米的DOE，將其放置在距離VCSEL器件680微米處，定位公差為40微米，并成功將其封裝在隱形眼鏡中。

隱形眼鏡嵌入式全息指示器的主要制作步驟

在應(yīng)用方面，研究人員發(fā)現(xiàn)，激光束準(zhǔn)直可以提高位置敏感探測(cè)器解決方案的靈活性，尤其是在位置選擇方面，可以將其放在距離鞏膜隱形眼鏡幾十厘米遠(yuǎn)的地方。此外，激光束準(zhǔn)直還可以提高指向精度，使這種指示器具有廣泛的應(yīng)用潛力，例如作為執(zhí)行器或視覺指示器。另外，DOE可以用于在給定距離處創(chuàng)建圖案、圖像或圖標(biāo)，這個(gè)過程是通過攝像頭檢測(cè)實(shí)現(xiàn)的，對(duì)佩戴者不可見，因此不會(huì)干擾到佩戴者。這種識(shí)別模式可用于鎖定或指定目標(biāo)。例如，對(duì)于一些監(jiān)督或教程應(yīng)用程序（例如視覺輔助）而言，它可以精確地定位佩戴者觀看的位置。

不同位置的位置敏感探測(cè)器響應(yīng)光斑位置函數(shù)（藍(lán)色表示準(zhǔn)直VCSEL，紅色表示非準(zhǔn)直VCSEL）

在安全性方面，這項(xiàng)研究提出的原型尚未在人眼上進(jìn)行測(cè)試，這是由于DOE的存在使鏡片中心厚度（1700微米）超出了人眼可接受的范圍，因此需要使用波導(dǎo)折疊光路并減小透鏡厚度，從而使隱形眼鏡更易于佩戴。鏡片內(nèi)電子電路的存在也意味著透氧性降低，這會(huì)限制鏡片的使用時(shí)間，通過優(yōu)先使用比PMMA具有更高Dk值的材料，可以有效改善這一問題。

此外，初步的安全性測(cè)試表明，該隱形眼鏡在不損害角膜的情況下可以至少安全使用30分鐘。就功能而言，即使在最糟糕的情況下（NF EN 60825），發(fā)射功率（120微瓦@850納米波長(zhǎng)）也不會(huì)影響角膜，而且鏡片表面VCSEL產(chǎn)生的熱量也很低（<0.5°C）。

研究人員稱，這項(xiàng)研究提出的隱形眼鏡嵌入式全息指示器剛剛起步，隨著可見光VCSEL的商業(yè)化進(jìn)展，該設(shè)備有望為未來人機(jī)交互命令和警報(bào)系統(tǒng)的發(fā)展奠定基礎(chǔ)，也將為腦機(jī)接口等領(lǐng)域開辟新的應(yīng)用前景。

審核編輯：劉清