Puntero holográfico incrustado en lentes de contacto

Sep 25, 2023

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 6919 (2023) Citar este artículo

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Detalles de métricas

En este artículo presentamos un puntero láser infrarrojo, que consta de un láser emisor de superficie de cavidad vertical (VCSEL) y un elemento óptico difractivo (DOE), encapsulado en una lente de contacto escleral (SCL). El VCSEL se alimenta de forma remota mediante un acoplamiento inductivo desde una antena principal incrustada en un marco de anteojos. El DOE se usa para colimar el rayo láser o para proyectar una imagen de patrón a una distancia elegida frente al ojo. Detallamos los diferentes bloques constitutivos de SCL, cómo se fabrican y ensamblan. Hacemos especial hincapié en los diversos desafíos tecnológicos relacionados con su encapsulación en el volumen reducido de la SCL, manteniendo la pupila libre. Finalmente, describimos cómo funciona el puntero láser, cuáles son sus prestaciones (por ejemplo, colimación, formación de imágenes) y cómo se puede utilizar de manera eficiente en varios campos de aplicación, como la asistencia visual y la realidad aumentada.

Entre las interfaces cerebro-computadora (BCI)1, los rastreadores oculares se han convertido en una interfaz popular para evaluar y modular las funciones sensoriomotoras y cognitivas. Se han utilizado para lograr tareas básicas como selección, manipulación, navegación2,3. El análisis de los datos de seguimiento ocular mostró que los movimientos oculares también podrían proporcionar información importante sobre los procesos cognitivos (p. ej., fatiga, carga de trabajo mental, etc.4), lo que sugiere que el seguimiento ocular podría proporcionar una señal alternativa o complementaria a las aplicaciones BCI actuales5. Por ejemplo, en los futuros sistemas de realidad aumentada, los ojos se convertirán en una interfaz de usuario clave común, reemplazando estándares como cursores, pantallas táctiles, almohadillas táctiles o teclados para transmitir intenciones visuales o comandos e identificar cargas cognitivas. Por lo tanto, fusionar la atención visual con las tareas de designación es de gran interés para muchas aplicaciones. Realizar una designación visual puede reducir la carga de trabajo del operador, permitiéndole concentrarse en su misión principal mientras establece un nuevo vínculo entre la planificación, las funcionalidades de control y la coordinación sensorial. Paralelamente, los avances recientes en microelectrónica y nanofabricación sobre sustratos flexibles han permitido integrar sensores, circuitos y otros componentes esenciales en lentes de contacto6,7. Por ejemplo, recientemente demostramos cómo una lente de contacto que incrusta uno o dos VCSEL podría ser útil para facilitar el seguimiento ocular, particularmente cuando un rastreador ocular debe integrarse en un entorno restringido (por ejemplo, VR o AR HUD8,9, lupas binoculares, etc. .). Sin embargo, los VCSEL comerciales que usamos no tenían una divergencia de haz significativa y no podían usarse para proyectar un patrón preciso a una distancia de los ojos superior a unos pocos centímetros. Además, debido a la pequeña potencia emitida requerida para cumplir con las normas de regulación de seguridad ocular, el sistema no se podía utilizar en la práctica con sensores alejados del ojo. Esta es la limitación que nuestro trabajo pretende sortear al tener un dispositivo que permita proyectar, desde el ojo, un punto o un patrón a varias decenas de centímetros. Esto abriría nuevas aplicaciones en interacciones hombre-máquina y más específicamente BCI.

Presentamos aquí cómo la introducción de un Elemento Óptico Difractivo (DOE) dentro de la lente de contacto escleral (SCL), frente al VCSEL, puede usarse para colimar el rayo láser o para proyectar una imagen a una distancia elegida. Detallamos cómo se fabrica, alinea y monta esta óptica en el láser antes de encapsularla en el SCL. Los lentes de contacto que utilizamos son lentes esclerales que brindan varias ventajas sobre los lentes de contacto estándar: son estables en el ojo, no están en contacto con la córnea y ofrecen más volumen para encapsular componentes10. El documento está organizado de la siguiente manera: primero presentamos los resultados obtenidos con el prototipo final de SCL (proyección de patrones, colimación, detección, etc.) antes de discutirlos en la sección Discusión. El diseño, la fabricación y el montaje de los diversos componentes básicos de SCL se presentan al final de la sección Material y métodos.

La configuración básica de seguimiento ocular se ha descrito en detalle en otra parte11. Asocia un SCL electrónico alimentado por acoplamiento inductivo y unas gafas a la antena primaria (Fig. 1). La lente está fabricada en PMMA y tiene un diámetro de 16,5 mm. Incorpora una antena secundaria flexible y circuitos electrónicos que incluyen un VCSEL (a 850 nm). Las gafas se pueden equipar con sensores adicionales (cámaras o dispositivos sensibles a la posición (PSD)11) para detectar el punto del haz VCSEL y seguir los movimientos oculares12.

Gafas y SCL montados en un ojo simulado.

Para controlar la divergencia del haz del VCSEL, se coloca un DOE frente al VCSEL. Se han fabricado y probado dos DOE, uno para remodelar el rayo láser en un patrón cruzado y el otro para colimar el rayo. La figura 1 muestra el SCL final que encapsula todas las funciones mencionadas anteriormente y sus gafas de conducción.

Se ha llevado a cabo un experimento preliminar para escalar y probar la calidad de la formación de imágenes y la colimación a diferentes distancias antes de ensamblar y encapsular el SCL (Fig. 2). En este experimento, un VCSEL, alimentado por una fuente de alimentación regulada, ilumina un DOE grabado en una placa de vidrio de 1 mm de espesor. Un sensor CMOS se coloca después del DOE. La distancia entre el VCSEL y el DOE (eje z) es fundamental para una correcta formación de imagen (cf. Fig. 2) o colimación. El diseño difractivo ha sido calculado para una distancia focal de 800 µm. Debido a esta distancia focal corta, la tolerancia en la posición z entre el VCSEL y su imagen conjugada distante a través del DOE también es muy pequeña (40 µm). Las direcciones x e y son menos críticas. Cuando el DOE se mueve en el plano (xy), la imagen se mueve en la misma dirección con solo una disminución en la concentración de potencia óptica. La tolerancia a lo largo de las direcciones x e y se estima en 240 µm (si la desalineación entre el VCSEL y el DOE es mayor, la superficie iluminada del DOE será demasiado pequeña para producir el efecto deseado).

El uso de un DOE dentro del SCL permite proyectar una cruz sobre el sensor CMOS a una distancia ((a) 7,5 cm, (b) 12 cm, (c) 20 cm). (d) Prueba fuera del SCL. Se puede obtener una mejor calidad de imagen en el sensor CMOS a 7,5 cm si el haz VCSEL ilumina un área más grande del DOE.

Con respecto al uso de un DOE para la formación de imágenes, la Fig. 2 ilustra la formación de imágenes de una cruz cuando el sensor CMOS se coloca a diferentes distancias. El DOE se calculó para formar una cruz en el infinito pero, como se muestra, la cruz ya se puede observar a distancias cortas. La imagen aumenta ligeramente de tamaño con la distancia porque la colimación del láser nunca es perfecta sino que está contenida en un campo de visión de 3°. Con 7,5 cm, la cruz tiene 3,5 mm de largo y 0,7 mm de grosor.

La calidad reducida del patrón de difracción se debe a la parte iluminada relativamente pequeña del DOE. Actualmente, el tamaño del DOE es de 225 × 225 µm. Su resolución es de 0,75 μm y el área iluminada tiene un diámetro de 95 μm. Manteniendo la misma resolución DOE pero iluminando un área más grande (224 µm), por ejemplo, doblando el camino óptico dentro de la lente para aumentar la distancia óptica entre el VCSEL y el DOE (1600 µm), daría mejores resultados como se muestra en la Fig. 2d.

Luego se llevó a cabo el mismo experimento con el colimador DOE. La luz VCSEL atraviesa el elemento de difracción y se colima. Después de la colimación, el ángulo de divergencia medido del rayo láser es inferior a 1,8°, que es más de cuatro veces menor que la divergencia VCSEL inicial según su hoja de datos (8°). La ventaja de colimar el haz con respecto a darle forma, es facilitar su detección por un detector sensible a la posición (PSD). Por lo tanto, comparamos la detección de haz VCSEL, con y sin DOE, para diferentes distancias a un PSD. El PSD utilizado aquí fue un Hamamatsu S1880, asociado al circuito de control Hamamatsu C4674-01. Para cada posición, se retuvo el promedio de 8000 valores de voltaje durante un segundo. Sin embargo, el trabajo anterior demostró que solo se podían conservar 50 muestras sin pérdida de precisión11, lo que permitía utilizar el PSD para la detección de puntos en tiempo real (a 200 Hz). Las distancias probadas para el PSD fueron 8,5 cm, 20 cm y 40 cm. Los resultados se presentan en la Fig. 3. La distancia de 40 cm corresponde al caso de un usuario que señala un objeto en una pantalla o una computadora portátil con los ojos. Los resultados muestran que en el primer caso (Fig. 3a), la colimación no tiene un efecto significativo sobre la resolución del PSD pero que cuando la distancia aumenta, se vuelve, por el contrario, imprescindible, para poder seguir detectando con precisión la rayo laser.

Respuesta de PSD (en azul para el VCSEL colimado en rojo para el no colimado) en función de la posición del punto para diferentes distancias del PSD: (a) 8,5 cm, (b) 20 cm, (c) 40 cm. Si el tamaño de la publicación VCSEL en el PSD es demasiado grande (b,c), el PSD no puede medir con precisión la posición del punto.

El segundo experimento se ha llevado a cabo con un SCL que encapsula todas las funciones (iluminación y modelado del haz). Elegimos encapsular un DOE de imágenes porque representa un caso más exigente que la colimación. La configuración óptica utilizada para validar los resultados se compone de un ojo simulado, en el que se fija el SCL. Está alimentado por la antena principal de las gafas, situada a 13 mm del SCL. Una pantalla con varios símbolos se coloca frente al SCL, a 30 cm (Fig. 4). El SCL proyecta una cruz en la pantalla como se muestra en la Fig. 2, lo que demuestra que el proceso de encapsulación no distorsiona el patrón creado por el DOE. El ojo simulado está montado en una placa giratoria, lo que permite mover el patrón de cruz a un icono específico, demostrando así el potencial del SCL para la designación de objetivos. Se adjunta un video que muestra el movimiento transversal que sigue a los movimientos oculares como material complementario a este documento.

(a) Configuración óptica utilizada para validar el dispositivo. (b) La cruz proyectada desde el SCL por el puntero láser es claramente visible en la pantalla cuando se visualiza con una cámara infrarroja.

Como se presentó en la introducción, el seguimiento ocular presenta un gran potencial para una serie de aplicaciones, pero también requiere una calibración precisa que no siempre es fácil de lograr y mantener un buen seguimiento es difícil13 debido a diferentes factores como los movimientos de la cabeza, el cambio de iluminación, la calibración caries, etc. Con el fin de traer de vuelta la medición en el centro del problema (similar a las primeras grabaciones de los movimientos oculares usando un puntero conectado directamente al ojo14), habíamos construido inicialmente un primer prototipo con solo un VCSEL y sin DOE10. Con este primer prototipo, el haz divergía demasiado rápido y, después de unas pocas decenas de centímetros, el punto del haz era demasiado grande y la iluminación demasiado baja para apuntar efectivamente hacia donde estaba mirando el usuario. Los VCSEL se pueden usar como marcadores para rastrear los movimientos oculares. Esto presenta una serie de ventajas en comparación con la videooculografía estándar (p. ej., es más fácil rastrear un punto que la pupila), pero aún depende de una calibración válida.

El dispositivo aquí presentado es el primer verdadero puntero visual ya que el CL permite posicionar directamente, gracias a un punto luminoso, la posición de la mirada. Además, también facilita el uso de PSD para detectar la dirección del haz.

En términos de fabricación e integración, este es, hasta donde sabemos, el primer estudio que informa sobre la integración de un DOE en una lente de contacto.

La forma del haz es un elemento clave para pasar de una lente con una fuente de luz integrada simple a un puntero láser real. Sin embargo, debido al limitado volumen disponible de diseño, fabricación e incrustación dentro de la lente de contacto, un elemento de formación de haz no es trivial. En este artículo presentamos detalles técnicos de las diferentes soluciones estudiadas y retenidas que nos permitieron fabricar un DOE de 1,44 mm2, colocarlo a 680 µm del VCSEL con una tolerancia de posicionamiento de 40 µm y encapsularlo exitosamente en una lente de contacto. .

La calidad de imagen de nuestro sistema está relacionada con el área iluminada del DOE. Mejorar la calidad del patrón proyectado supone, por tanto, un aumento de la superficie aligerada DOE, que aquí está limitada por la divergencia VCSEL (8°) y la necesidad de limitar el grosor de la lente. Una solución podría ser utilizar múltiples reflejos de haz a través de una guía de luz, como se presenta en15. Una cuestión clave relacionada es la robustez de montaje de varios elementos ópticos junto con pequeñas tolerancias y garantizar su rigidez. Se han probado varias técnicas de pegado, ninguna es realmente compatible con un proceso de fabricación. Este punto debe investigarse más a fondo con respecto a las restricciones de encapsulación en SCL rígidos y de acuerdo con las fuerzas futuras sobre ellos.

En términos de aplicaciones, la colimación demostrada del rayo láser permite una mayor flexibilidad de uso de la solución PSD (por ejemplo, en comparación con 11), en particular al relajar la elección de su posición, que puede ubicarse a unas pocas decenas de centímetros de el SCL. Además, la colimación mejora la precisión de puntería, lo que confirma la posibilidad de utilizar dicho puntero, como actuador o puntero visual, por ejemplo, cuando se combina con un comando de parpadeo, como se muestra en 16. Alternativamente, el DOE se puede usar para crear un patrón, una imagen o un icono a una distancia dada, que una cámara puede detectar sin molestar al usuario porque no es visible para él. Este patrón se puede reconocer, por ejemplo, para bloquear o designar objetivos17. Podría ser útil, por ejemplo, para algunas aplicaciones de supervisión o tutoría (por ejemplo, asistencia visual), para materializar con precisión dónde está mirando el usuario.

Un método alternativo para materializar el punto de fijación podría ser utilizar un seguidor ocular estándar para controlar un puntero láser motorizado colocado, por ejemplo, en unas gafas. Hemos construido un sistema de este tipo en un estudio separado18. Sin embargo, hay tres problemas con este enfoque que se evitan con el puntero CL. En primer lugar, un puntero láser motorizado se basa en el rendimiento de un seguidor ocular estándar con todas las limitaciones enumeradas anteriormente (caída de calibración, etc.). En segundo lugar, inevitablemente existe cierta latencia entre los movimientos oculares y el movimiento del láser. En tercer lugar, la puntería precisa y rápida requiere una calidad de motorización que puede ser demasiado pesada para un sistema integrado.

En términos de seguridad, el prototipo presentado en este estudio no ha sido probado en un ojo humano porque la presencia del DOE lleva a la lente más allá de los límites de lo que puede ser aceptable en términos de espesor central (1700 μm). Es por eso que sugerimos usar una guía de ondas para plegar el camino óptico y reducir el grosor de la lente. Si se puede reducir este grosor, la lente se podría usar fácilmente ya que la electrónica está completamente dentro de la lente. La presencia de circuitos electrónicos dentro de la lente también implica una menor permeabilidad al oxígeno que limita el tiempo de uso de estas lentes, pero esto podría mejorarse fácilmente usando primero un material con un Dk mejor que el PMMA. Además, las pruebas preliminares en conejos y el análisis toxicológico (ISO 10993) como parte de un procedimiento de marcado CE actual demostraron que la lente se podía utilizar de forma segura durante al menos 30 minutos. En términos de funcionamiento, la potencia emitida (120 µW a 850 nm) es demasiado baja para impactar en la córnea, incluso en el peor de los casos (NF EN 60825) y el calentamiento del VCSEL en la superficie de la lente es tan bajo como bien (< 0,5 °C).

Una extensión directa de esta configuración óptica consiste en dirigir el haz hacia la retina en lugar de hacerlo frente al espectador. Esto podría lograrse doblando la viga y usando una guía de ondas como se propone en15. Aunque asume el uso de VCSEL19 visible (para estimular la retina) que recién comienza a estar disponible comercialmente, dicho dispositivo representa solo una modesta mejora sobre el SCL actual y podría ser la primera base para un sistema de comando y alerta para el futuro. interacciones hombre-máquina.

Esta parte detalla la fabricación y el ensamblaje de los diversos componentes básicos de SCL antes de su encapsulación.

Nuestro puntero láser está hecho de dos elementos principales, el primero es el SCL, el segundo son las gafas. Los SCL utilizados son lentes de contacto esclerales rígidos que garantizan la estabilidad en el ojo, no tienen contacto directo con la córnea y ofrecen un volumen mayor que los lentes de contacto blandos. Un parámetro clave de nuestro diseño es que la zona de la pupila se mantiene libre de cualquier elemento. Los elementos electrónicos y de recolección de energía encapsulados en el SCL consisten en un anillo flexible de doble cara de 4,8 mm de diámetro interior y 10,5 mm de diámetro exterior. Contiene un VCSEL infrarrojo (que emite a 850 nm), alimentado por inducción y un condensador de acoplamiento (Fig. 5a). La potencia eléctrica que circula en la bobina primaria es de 340 mW y la potencia emitida por el VCSEL es de 120 µW. El espaciador y el DOE se montan en el VCSEL como se describe a continuación en la sección "Diseño del espaciador". Con respecto a las gafas (Fig. 5b), incluye la bobina principal que se utiliza para alimentar y activar el SCL. Esta parte se describe extensamente en10 y también podría incluir dispositivos de detección como cámaras o arreglos PSD11.

(a) la electrónica encapsulada en el SCL con las bobinas, dos VCSEL y el capacitor correspondiente, (b) la electrónica dentro de las gafas, con la bobina de antena principal a la izquierda y el transformador a la derecha.

Como se explicó anteriormente, los DOE se usan para colimar el haz VCSEL, cuando se usa, por ejemplo, un sensor PSD colocado a una distancia dada del ojo11 o para proyectar un patrón (por ejemplo, aquí una cruz) a una distancia dada frente al ojo. , en la dirección de la mirada. Los DOE se diseñan utilizando un algoritmo de transformada iterativa de Fourier (IFTA) de tres etapas convencional modificado20,21. Los DOE son elementos de nivel multifásico, grabados en una capa (grosor de ~ 1,8 µm) de fotorresistencia S1813 recubierta por rotación (MicroChem) en sustratos de vidrio de borosilicato de 175 µm de grosor utilizando un fototrazador de escritura paralelo masivo hecho a medida22,23. Por lo general, se observan eficiencias de difracción experimental típicas del DOE (Fig. 6) de 70 a 75%. El tamaño utilizable del DOE está determinado aquí por la divergencia del haz de VCSEL y la distancia de VCSEL a DOE que las restricciones de encapsulación limitan a menos de 1 mm. Por tanto, considerando nuestra divergencia VCSEL (8°) y una distancia al DOE de 680 µm, (para limitar el espesor total del CLP), la superficie útil es de unos 0,3 mm2, ya que el diámetro del spot es de 95 µm. Aquí, el tamaño del DOE es de 225 × 225 µm.

Patrón de fase del DOE utilizado para corregir la divergencia del haz VCSEL y formar una cruz en el campo lejano.

Antes de la encapsulación, los DOE se cortan en cuadrados pequeños (alrededor de 1 mm2). Se han probado diferentes técnicas de corte. Se ha realizado un primer ensayo utilizando un láser de 1064 nm (de la empresa Laser Cheval). Un problema con la ablación con láser está relacionado con el calentamiento del vidrio durante el proceso que puede dañar el DOE. Es particularmente el caso cuando se usa fotoprotector. La consecuencia es la necesidad de introducir una zona muerta entre el DOE y el borde del sustrato que aumenta el tamaño total del elemento y, por lo tanto, las restricciones de encapsulación. En ese caso, el tamaño más pequeño que conseguimos para cortar fue un 1,2 × 1,2 mm2. Los parámetros son duración de pulso de 50 ns, tasa de repetición de 20 kHz, potencia promedio de 20 W, velocidad de exploración de 10 mm/s y 15 pases. Se han fijado después de varios experimentos, para encontrar los valores correctos que permitan cortar el vidrio sin quemar la capa fotorresistente depositada sobre él. También se ha probado la ablación con láser con un láser de femtosegundo de 20 W, también de la empresa Laser Cheval. En ese caso, se reemplaza el fotorresistor por Ormocomp, para reducir la sensibilidad de la capa al calentamiento. Ormocomp es un polímero híbrido orgánico-inorgánico (producido por la empresa Microresist) con excelentes propiedades mecánicas y de transmisión óptica. El resultado se presenta en la Fig. 7a. Podemos notar que los bordes están muy limpios y afilados. Ormocomp se quema con el calentamiento del láser solo alrededor de 50 µm en los bordes del cuadrado. El uso de Ormocomp permitiría entonces reducir el tamaño del cuadrado cortado a 1 × 1 mm. Se ha probado otra solución mediante arenado proporcionado por Icoflex en Suiza, también con una capa de Ormocomp. En la Fig. 7b se presenta un ejemplo. El borde es menos afilado y el tamaño de la parte chorreada depende del espesor del sustrato de vidrio, por lo que se reduce el área útil. Sin embargo, aproximadamente dos meses después del recorte, el DOE se despegó, probablemente debido a las limitaciones. Por lo tanto, no continuamos usando ese método.

DOE de dimensiones 225 × 225 µm en un cuadrado de vidrio de 1,2 × 1,2 mm (a) con ablación láser. La flecha negra apunta al área de Ormocomp dañada por el calentamiento durante el proceso de corte. (B) Con chorro de arena.

Esta es otra parte crítica del proceso. En primer lugar, debido a la distancia focal muy pequeña necesaria para iluminar el DOE (800 µm), ya sea para colimar el rayo láser o para obtener una imagen de un patrón a una distancia finita frente al ojo, la tolerancia de posicionamiento es pequeña (~ 40 µm ) y debe ajustarse con precisión. En segundo lugar, para estar seguro de que esta distancia no se modifica durante el proceso de ensamblaje y encapsulado, es necesario unir el VCSEL y el DOE. Para ello hemos diseñado y fabricado un espaciador específico. Este espaciador (Fig. 8a) se diseñó con el software Solidworks y se fabricó mediante impresión 3D de resina 4 K (Fig. 8b). Utilizamos una resina de fotopolímero flexible para imprimir el espaciador. Esto nos permite establecer con precisión el DOE a la distancia correcta del VCSEL, ajustando así varios parámetros (p. ej., la altura de la cubierta del VCSEL puede variar, etc.). Diseñamos y probamos una estructura tipo acordeón para facilitar la deformación del material (Fig. 8a). La distancia entre la parte superior de la carcasa del VCSEL y el plano del DOE es de alrededor de 680 µm. El espaciador tiene una altura de 680 µm, con disparidades debido a la precisión de la impresora 3D. La pieza tiene patas de fijación en la parte inferior para mantenerla sobre la carcasa del VCSEL y una placa en la parte superior sobre la que se coloca el sustrato de vidrio que contiene el DOE grabado. La superficie superior es un cuadrado de tamaño 1,2 × 1,2 mm, correspondiente a las dimensiones del DOE. El espaciador tiene un orificio cilíndrico en el medio para liberar el camino de la luz del VCSEL. El uso de un espaciador flexible permite obtener la distancia VCSEL-DOE requerida, comprimiendo el conjunto hasta que el patrón proyectado sea el deseado. Luego, cuando se fija la distancia, se imprime otro espaciador en resina sólida, para fijar definitivamente la distancia durante todo el proceso de montaje y encapsulado.

(a) Vista 3D del espaciador, (b) foto del espaciador impreso.

Se puede obtener un ajuste fino del enfoque de forma dinámica mediante el uso de un control óptico visual como se detalla en la siguiente sección.

El último punto crítico antes de encapsular el circuito es el sellado del conjunto VCSEL, espaciador y DOE. Probamos varios pegamentos que o bien eran demasiado fluidos (pegamento óptico UV Norland Optical Adhesive 65 o pegamento UVS 91 UV) de manera que al depositarlos con una aguja, la gota de pegamento se esparcía y llenaba el orificio central del espaciador, o bien con una viscosidad demasiado alta. (pegamento SU8) para que no se pudiera derramar una pequeña gota sobre el espaciador. Finalmente, la solución más adecuada fue una pequeña gota de esmalte de uñas elaborado con nitrocelulosa (Rimmel 60 Seconds Super Shine, como se usa en 24) en cada extremo longitudinal del espaciador. El esmalte de uñas presenta una buena viscosidad y seca sin exposición a los rayos UV, que es más difícil para nuestro propósito. Luego de unos minutos de dejar secar el esmalte, se depositó otra gota en cada extremo lateral de la superficie de la placa, para brindar una ligera adherencia. Luego se colocó el DOE encima del espaciador y se repitió la misma operación. Se depositó una gota de esmalte de uñas a cada lado del espaciador para pegar el sustrato de vidrio. En esta etapa, se aplicó presión sobre la estructura para ajustar con precisión el enfoque y obtener la mejor imagen de colimación o patrón (como se muestra en la Fig. 9). En cada paso se verificó la propagación de la luz a través de la estructura. Se utilizó una cámara IR para comprobar finalmente que se proyecta el patrón correcto cuando la luz atraviesa el DOE.

Circuito con un DOE montado en el VCSEL izquierdo.

Una vez que el DOE se fija al VCSEL, toda la electrónica se intercala entre 2 discos prefabricados que se sellan juntos antes de tornear las superficies superior e inferior para fabricar las curvaturas de la lente y obtener la lente de contacto portátil final. Durante la prefabricación, inicialmente se graba un anillo hueco en la superficie superior del disco inferior para acomodar el sistema óptico (VCSEL + espaciador + DOE) Fig. 10.

Vista OCT del circuito dentro de la lente de contacto con una representación esquemática del DOE.

Para ensamblar los dos discos, se deposita pegamento UV (Loctite AA 3301) con una aguja en el borde de la parte inferior, luego se comprime la parte superior con la prensa. Durante la compresión, el pegamento se cura con UV. Todo el conjunto forma un nuevo disco, con el circuito encapsulado en su interior. Este disco finalmente se forma en una forma SCL con un torno, como se muestra en la Fig. 11.

(a) Vista de los discos SCL antes del torneado, y (b) del SCL torneado final.

El proceso general para fabricar este puntero láser de lentes de contacto se muestra en la Fig. 12.

Diagrama que representa los pasos principales para la fabricación del puntero holográfico incrustado en lentes de contacto.

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado. Los conjuntos de datos sin procesar para la Fig. 3 están disponibles a pedido del autor correspondiente.

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Descargar referencias

La investigación ha sido posible gracias a una subvención del programa de investigación IMT Carnot.

Departamento óptico, IMT Atlantique, Technopôle Brest-Iroise, 655 Avenue du Technopôle, CS 83818 – 29238, Brest Cedex 3, Francia

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

LCS, 14 Place Gardin, 14000, Caen, Francia

laura adam

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François-Maël Robert: investigación y contribución al diseñoBernard Abiven: diseño y fabricación de espaciadoresMaïna Sinou: proceso de fabricación y realización DOEKevin Heggarty: diseño DOE Laure Adam: fabricación SCLJean-Louis de Bougrenet de la Tocnaye y Vincent Nourrit: concepción y supervisión. Todos los autores contribuyeron en la redacción del artículo.

Correspondencia a Vincent Nourrit.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Vídeo complementario 1.

Acceso abierto Este artículo tiene una licencia internacional Creative Commons Attribution 4.0, que permite el uso, el intercambio, la adaptación, la distribución y la reproducción en cualquier medio o formato, siempre que se otorgue el crédito correspondiente al autor o autores originales y a la fuente. proporcionar un enlace a la licencia Creative Commons e indicar si se realizaron cambios. Las imágenes u otro material de terceros en este artículo están incluidos en la licencia Creative Commons del artículo, a menos que se indique lo contrario en una línea de crédito al material. Si el material no está incluido en la licencia Creative Commons del artículo y su uso previsto no está permitido por la regulación legal o excede el uso permitido, deberá obtener el permiso directamente del titular de los derechos de autor. Para ver una copia de esta licencia, visite http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Reimpresiones y permisos

Robert, FM., Abiven, B., Sinou, M. et al. Puntero holográfico incrustado en lentes de contacto. Informe científico 13, 6919 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-33420-8

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Recibido: 27 noviembre 2022

Aceptado: 12 abril 2023

Publicado: 27 abril 2023

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

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