Pointeur holographique intégré aux lentilles de contact

Sep 25, 2023

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), encapsulé 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 SCL, leur fabrication et leur assemblage. Nous insistons particulièrement sur les différents défis technologiques liés à leur encapsulation dans le volume réduit du SCL, tout en gardant la pupille libre. Enfin, nous décrivons le fonctionnement du pointeur laser, quelles sont ses performances (eg collimation, formation d'image) 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 trackers oculaires sont devenus une interface populaire pour évaluer et moduler les fonctions sensorimotrices et cognitives. Ils ont été utilisés pour réaliser des tâches de base telles que la sélection, la manipulation, la navigation2,3. L'analyse des données de suivi oculaire a montré que les mouvements oculaires pouvaient également fournir des informations importantes sur les processus cognitifs (par exemple la fatigue, la charge de travail mental, etc.4), suggérant que le suivi oculaire pourrait fournir une alternative ou un signal complémentaire aux applications BCI actuelles5. Par exemple, dans les futurs systèmes de réalité augmentée, les yeux deviendront une interface utilisateur clé commune, remplaçant les normes telles que les curseurs, les écrans tactiles, les pavés tactiles ou les claviers pour transmettre des intentions ou des commandes visuelles et pour identifier les charges cognitives. Par conséquent, la fusion de l'attention visuelle avec les tâches de désignation est d'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. Parallèlement, les progrès récents de la microélectronique et de la nanofabrication sur des 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 pouvait être utile pour faciliter le suivi oculaire, en particulier lorsqu'un suivi oculaire 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 n'avaient 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, du fait 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 cette limitation que notre article entend contourner en disposant d'un dispositif permettant de projeter, depuis l'oeil, un point ou un motif à plusieurs dizaines de centimètres. Cela ouvrirait de nouvelles applications dans les interactions homme-machine et plus spécifiquement BCI.

Nous présentons ici comment l'introduction d'un élément optique diffractif (DOE) dans 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 standard : 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 blocs de construction SCL sont présentés à la fin dans la section Matériel et méthodes.

La configuration de base du suivi oculaire a été décrite en détail ailleurs11. Il associe un SCL électronique alimenté par couplage inductif et une lunette à l'antenne primaire (Fig. 1). La lentille est fabriquée en PMMA et a un diamètre de 16,5 mm. Il embarque une antenne secondaire flexible et des circuits électroniques dont un VCSEL (à 850 nm). Les lunettes peuvent être équipées de capteurs supplémentaires (caméras ou dispositifs sensibles à la position (PSD)11) pour détecter le spot du faisceau VCSEL et suivre les mouvements des yeux12.

Lunettes et SCL montés sur un œil mock-up.

Afin de contrôler la divergence du faisceau du VCSEL, un DOE est alors placé devant le VCSEL. Deux DOE ont été fabriqués et testés, l'un pour remodeler le faisceau laser en un motif croisé, l'autre pour collimater le faisceau. La figure 1 montre le SCL final encapsulant toutes les fonctions mentionnées ci-dessus et ses lunettes de conduite.

Une expérience préliminaire a été réalisée pour mettre à l'échelle et tester la qualité de la formation et de la collimation de l'image à différentes distances avant d'assembler et d'encapsuler le SCL (Fig. 2). Dans cette expérience, un VCSEL, alimenté par une alimentation régulée, éclaire un DOE gravé sur une plaque de verre de 1 mm d'épaisseur. Un capteur CMOS est placé après le DOE. La distance entre le VCSEL et le DOE (axe z) est critique pour une formation d'image correcte (cf. Fig. 2) ou une collimation. Le design diffractif a été calculé pour une distance focale de 800 µm. En raison de cette courte distance focale, la tolérance sur la position z entre le VCSEL et son image conjuguée distante à travers le DOE est également très faible (40 µm). Les directions x et y sont moins critiques. Lorsque le DOE se déplace dans le plan (xy), l'image se déplace en conséquence dans la même direction avec juste une diminution de la concentration de puissance optique. La tolérance le long des directions x et y est estimée à 240 µm (si le désalignement entre le VCSEL et le DOE est plus grand, alors la surface éclairée du DOE sera trop petite pour produire l'effet désiré).

L'utilisation d'un DOE à l'intérieur du SCL permet de projeter une croix sur le capteur CMOS à une distance ((a) 7,5 cm, (b) 12 cm, (c) 20 cm). (d) Test en dehors de la SCL. Une meilleure qualité d'image peut être obtenue sur le capteur CMOS à 7,5 cm si le faisceau VCSEL éclaire une plus grande surface du DOE.

Concernant l'utilisation d'un DOE pour la formation d'image, la figure 2 illustre la formation d'image d'une croix lorsque le capteur CMOS est placé à différentes distances. Le DOE a été calculé pour former une croix à l'infini mais, comme illustré, la croix peut déjà être observée à de courtes distances. L'image grossit légèrement avec la distance car la collimation du laser n'est jamais parfaite mais est contenue dans un champ de vision de 3°. À 7,5 cm, la croix mesure 3,5 mm de large et 0,7 mm d'épaisseur.

La qualité réduite du motif diffractif est due à la partie éclairée relativement petite du DOE. Actuellement, la taille du DOE est de 225 × 225 µm. Sa résolution est de 0,75 µm et la zone éclairée a un diamètre de 95 µm. Garder la même résolution DOE mais éclairer une zone plus grande (224 µm), par exemple en repliant le chemin optique dans l'objectif pour augmenter la distance optique entre le VCSEL et le DOE (1600 µm), donnerait de meilleurs résultats comme illustré à la Fig. 2d.

La même expérience a ensuite été réalisée avec le collimateur DOE. La lumière VCSEL traverse l'élément diffractif et est collimatée. Après collimation, l'angle de divergence mesuré du faisceau laser est inférieur à 1,8°, ce qui est plus de quatre fois inférieur à la divergence initiale du VCSEL selon sa fiche technique (8°). L'avantage de collimater le faisceau par rapport à sa mise en forme, est de faciliter sa détection par un détecteur sensible à la position (PSD). Nous avons ainsi comparé la détection de faisceau VCSEL, avec et sans DOE, pour différentes distances à un PSD. Le PSD utilisé ici était un Hamamatsu S1880, associé au circuit de contrôle Hamamatsu C4674-01. Pour chaque position, la moyenne de 8000 valeurs de tension sur une seconde a été retenue. Des travaux antérieurs ont cependant prouvé que seuls 50 échantillons pouvaient être conservés sans perte de précision11, permettant d'utiliser la PSD pour la détection ponctuelle en temps réel (à 200 Hz). Les distances testées pour le PSD étaient de 8,5 cm, 20 cm et 40 cm. Les résultats sont présentés sur la Fig. 3. La distance de 40 cm correspond au cas d'un utilisateur pointant un objet sur un écran ou un ordinateur portable avec ses yeux. Les résultats montrent que dans le premier cas (Fig. 3a), la collimation n'a pas d'effet significatif sur la résolution du PSD mais que lorsque la distance augmente, elle devient, au contraire, indispensable, pour pouvoir continuer à détecter avec précision le faisceau laser.

Réponse PSD (en bleu pour le VCSEL collimaté en rouge pour le non collimaté) en fonction de la position du spot pour différentes distances du PSD : (a) 8,5 cm, (b) 20 cm, (c) 40 cm. Si la taille du poste VCSEL sur le PSD est trop grande (b, c), le PSD ne peut pas mesurer avec précision la position du spot.

La deuxième expérience a été réalisée avec un SCL encapsulant l'ensemble des fonctions (illumination et mise en forme du faisceau). Nous avons choisi d'encapsuler un DOE d'imagerie car il représente un cas plus exigeant que la collimation. Le montage optique utilisé pour valider les résultats est constitué d'un œil maquette, sur lequel est fixé le SCL. Il est alimenté par l'antenne primaire de la lunette, placée à 13 mm du SCL. Un écran représentant divers symboles est placé devant le SCL, à 30 cm (Fig. 4). Le SCL projette une croix sur l'écran comme le montre la Fig. 2, montrant que le processus d'encapsulation ne déforme pas le motif créé par le DOE. La maquette de l'œil est montée sur une plaque rotative, permettant de déplacer le motif en croix vers une icône spécifique, démontrant ainsi le potentiel du SCL pour la désignation de cible. Une vidéo montrant le mouvement croisé suivant les mouvements oculaires est jointe en complément de cet article.

(a) Configuration optique utilisée pour valider l'appareil. (b) La croix projetée à partir du SCL par le pointeur laser est clairement visible sur l'écran lorsqu'elle est imagée avec une caméra infrarouge.

Comme présenté en introduction, l'eye tracking présente un fort potentiel pour un certain nombre d'applications mais il nécessite également un calibrage précis qui n'est pas toujours facile à réaliser et maintenir un bon suivi est difficile13 en raison de différents facteurs tels que les mouvements de la tête, l'évolution de l'éclairage, la décroissance de l'étalonnage, etc. Avec ce premier prototype, le faisceau divergeait trop rapidement et au bout de quelques dizaines de centimètres le spot du faisceau était trop large et l'éclairement trop faible pour bien pointer là où regardait l'utilisateur. Les VCSEL peuvent ensuite être utilisés comme marqueurs pour suivre les mouvements oculaires. Cela présente un certain nombre d'avantages par rapport à la vidéo-oculographie standard (par exemple, il est plus facile de suivre un point plutôt que la pupille) mais repose toujours sur un étalonnage valide.

Le dispositif présenté ici est le premier véritable pointeur visuel puisque le CL permet de positionner directement, grâce à un point lumineux, la position du regard. De plus, cela facilite également l'utilisation de PSD pour détecter la direction du faisceau.

En termes de fabrication et d'intégration, il s'agit, à notre connaissance, de la première étude rapportant l'intégration d'un DOE dans une lentille de contact.

La mise en forme du faisceau est un élément clé pour passer d'un objectif avec une simple source de lumière intégrée à un véritable pointeur laser. Cependant, en raison du volume limité disponible, la conception, la fabrication et l'intégration dans la lentille de contact d'un élément de mise en forme de faisceau n'est pas triviale. Dans cet article, nous présentons des détails techniques sur les différentes solutions étudiées et retenues qui nous ont permis de fabriquer un DOE de 1,44 mm2, de le placer à 680 µm du VCSEL avec une tolérance de positionnement de 40 µm et de l'encapsuler avec succès dans une lentille de contact.

La qualité d'imagerie de notre système est liée à la zone éclairée du DOE. L'amélioration de la qualité du motif projeté suppose donc une augmentation de la surface allégée DOE, limitée ici par la divergence VCSEL (8°) et la nécessité de limiter l'épaisseur de la lentille. Une solution pourrait être d'utiliser des réflexions de faisceaux multiples à travers un guide de lumière, comme présenté dans15. Un problème clé connexe est la robustesse de l'assemblage de plusieurs éléments optiques avec un faible tolérancement et de garantir leur rigidité. Plusieurs techniques de collage ont été testées, aucune n'est réellement compatible avec un procédé de fabrication. Ce point mérite d'être approfondi au regard des contraintes d'encapsulation dans les SCL rigides et en fonction des efforts futurs qui s'exerceront sur celles-ci.

En termes d'applications, la collimation démontrée du faisceau laser permet une meilleure souplesse d'utilisation de la solution PSD (par exemple par rapport à11), notamment en assouplissant le choix de sa position qui peut être située jusqu'à quelques dizaines de centimètres du SCL. De plus, la collimation améliore la précision de pointage, ce qui confirme la possibilité d'utiliser un tel pointeur, comme actionneur ou pointeur visuel, par exemple, lorsqu'il est combiné avec une commande de clignotement comme illustré en 16. Alternativement, le DOE peut être utilisé pour créer un motif, une image, ou une icône à une distance donnée, qui peut être détectée par une caméra sans gêner le porteur car elle ne lui est pas visible. Ce modèle peut être reconnu, par exemple, pour enfermer ou désigner des cibles17. Il pourra être utile par exemple, pour certaines applications de supervision ou de tutorat (ex. assistance visuelle), de matérialiser précisément là où le porteur regarde.

Une méthode alternative pour matérialiser le point de fixation pourrait être d'utiliser un eye tracker standard pour contrôler un pointeur laser motorisé placé, par exemple, sur des lunettes. Nous avons construit un tel système dans une étude séparée18. Il y a cependant trois problèmes avec une telle approche qui sont évités avec le pointeur CL. Premièrement, un pointeur laser motorisé s'appuie sur les performances d'un eye tracker standard avec toutes les limitations énumérées ci-dessus (décroissance de l'étalonnage, etc.). Deuxièmement, il y a inévitablement une certaine latence entre les mouvements des yeux et le mouvement du laser. Troisièmement, un pointage précis et rapide nécessite une qualité de motorisation qui peut être trop lourde pour un système embarqué.

En termes de sécurité, le prototype présenté dans cette étude n'a pas été testé sur un œil humain car la présence du DOE emmène la lentille au-delà des limites de ce qui peut être acceptable en termes d'épaisseur centrale (1700 μm). C'est pourquoi nous suggérons d'utiliser un guide d'onde pour plier le chemin optique et réduire l'épaisseur de la lentille. Si cette épaisseur peut être réduite, la lentille pourrait être facilement portable puisque l'électronique est entièrement à l'intérieur de la lentille. La présence de circuits électroniques au sein de la lentille implique également une perméabilité à l'oxygène réduite ce qui limite le temps d'utilisation de ces lentilles mais cela pourrait facilement être amélioré en utilisant d'abord un matériau avec un meilleur Dk que le PMMA. De plus, des tests préliminaires sur des lapins et des analyses toxicologiques (ISO 10993) dans le cadre d'une procédure de marquage CE en cours ont montré que la lentille pouvait être utilisée en toute sécurité pendant au moins 30 min. En termes de fonctionnement, la puissance émise (120 µW à 850 nm) est trop faible pour impacter la cornée, même dans le pire des cas (NF EN 60825) et l'échauffement du VCSEL à la surface de la lentille est également faible (< 0,5 °C).

Une extension directe de cette configuration optique consiste à diriger le faisceau vers la rétine au lieu de devant le spectateur. Ceci pourrait être réalisé en repliant le faisceau et en utilisant un guide d'onde comme proposé en 15. Bien qu'il suppose l'utilisation de VCSEL19 visible (pour stimuler la rétine) qui commence seulement à être disponible dans le commerce, un tel dispositif ne représente qu'une amélioration modeste par rapport au SCL actuel et pourrait être la première base d'un système de commande et d'alerte pour les futures interactions homme-machine.

Cette partie détaille la fabrication et l'assemblage des différents blocs de construction SCL avant leur encapsulation.

Notre pointeur laser est composé de deux éléments principaux, le premier est le SCL, le second est les lunettes. Les SCL utilisées sont des lentilles de contact sclérales rigides garantissant la stabilité sur l'œil, sans contact direct avec la cornée et offrant un volume plus important que les lentilles de contact souples. Un paramètre clé de notre conception est que la zone pupillaire est maintenue libre de tout élément. Les éléments électroniques et de récupération d'énergie encapsulés dans le SCL consistent en un anneau flexible double face de 4,8 mm de diamètre intérieur et de 10,5 mm de diamètre extérieur. Il contient un VCSEL infrarouge (émettant à 850 nm), alimenté par induction, et un condensateur de couplage (Fig. 5a). La puissance électrique circulant dans la bobine primaire est de 340 mW et la puissance émise par le VCSEL est de 120 µW. L'entretoise et le DOE sont montés sur le VCSEL comme décrit, ci-après dans la section "Conception de l'entretoise". En ce qui concerne les lunettes (Fig. 5b), elles comprennent la bobine primaire qui sert à alimenter et à déclencher le SCL. Cette partie est décrite en détail dans10 et pourrait également inclure des dispositifs de détection tels que des caméras ou des matrices PSD11.

(a) l'électronique encapsulée dans le SCL avec les bobines, deux VCSEL et le condensateur correspondant, (b) l'électronique à l'intérieur des lunettes, avec la bobine d'antenne primaire à gauche et le transformateur à droite.

Comme expliqué ci-dessus, les DOE sont utilisés soit pour collimater le faisceau VCSEL, lors de l'utilisation par exemple d'un capteur PSD placé à une distance donnée de l'œil11, soit pour projeter un motif (par exemple ici une croix) à une distance donnée devant l'œil, dans la direction du regard. Les DOE sont conçus à l'aide d'un algorithme de transformation itérative de Fourier (IFTA) conventionnel modifié à trois étapes20,21. Les DOE sont des éléments de niveau multiphases, gravés dans une couche (épaisseur ~ 1,8 µm) de résine photosensible S1813 enduite par centrifugation (MicroChem) sur des substrats de verre borosilicaté de 175 µm d'épaisseur à l'aide d'un phototraceur à écriture massivement parallèle construit sur mesure22,23. Des efficacités de diffraction expérimentales typiques du DOE (Fig. 6) de 70 à 75% sont généralement observées. La taille DOE utilisable est déterminée ici par la divergence du faisceau VCSEL et la distance VCSEL à DOE que les contraintes d'encapsulation limitent à moins de 1 mm. Ainsi, compte tenu de notre divergence VCSEL (8°) et d'une distance au DOE de 680 µm, (pour limiter l'épaisseur totale du CLP), la surface utile est d'environ 0,3 mm2, car le diamètre du spot est de 95 µm. Ici, la taille du DOE est de 225 × 225 µm.

Diagramme de phase du DOE utilisé pour corriger la divergence du faisceau VCSEL et former une croix dans le champ lointain.

Avant encapsulation, les DOE sont découpés en petits carrés (environ 1 mm2). Différentes techniques de coupe ont été testées. Un premier essai a été réalisé en utilisant un laser 1064 nm (de la société Laser Cheval). Un problème avec l'ablation au laser est lié au chauffage du verre pendant le processus qui peut endommager le DOE. C'est notamment le cas lors de l'utilisation de résine photosensible. La conséquence est la nécessité d'introduire une zone morte entre le DOE et le bord du substrat qui augmente la taille globale de l'élément et donc les contraintes d'encapsulation. Dans ce cas, la plus petite taille que nous ayons obtenue pour couper était de 1,2 × 1,2 mm2. Les paramètres sont une durée d'impulsion de 50 ns, un taux de répétition de 20 kHz, une puissance moyenne de 20 W, une vitesse de balayage de 10 mm/s et 15 passages. Elles ont été fixées après diverses expérimentations, pour trouver les bonnes valeurs qui permettent de découper le verre sans brûler la couche de résine photosensible déposée dessus. L'ablation laser a également été tentée avec un laser femtoseconde de 20 W, également de la société Laser Cheval. Dans ce cas, la résine photosensible est remplacée par de l'Ormocomp, pour diminuer la sensibilité de la couche à l'échauffement. Ormocomp est un polymère hybride organique-inorganique (produit par la société Microresist) avec une excellente transmission optique et des propriétés mécaniques. Le résultat est présenté sur la figure 7a. On peut remarquer que les bords sont très nets et nets. Ormocomp est brûlé par le laser chauffant seulement environ 50 µm sur les bords du carré. L'utilisation d'Ormocomp permettrait alors de réduire la taille du carré découpé à 1 × 1 mm. Une autre solution a été testée en utilisant le sablage fourni par Icoflex en Suisse, également avec une couche Ormocomp. Un exemple est présenté sur la figure 7b. Le bord est moins tranchant et la taille de la partie sablée dépend de l'épaisseur du substrat en verre, réduisant ainsi la surface utilisable. Cependant, environ deux mois après la coupure, le DOE s'est détaché, probablement en raison des contraintes. Nous n'avons donc pas continué à utiliser cette méthode.

DOE de dimensions 225 × 225 µm sur un carré de verre de 1,2 × 1,2 mm (a) avec ablation laser. La flèche noire pointe vers la zone Ormocomp endommagée par la chaleur pendant le processus de découpe. (B) Avec sablage.

C'est une autre partie essentielle du processus. Tout d'abord, en raison de la très petite distance focale nécessaire pour éclairer le DOE (800 µm), soit pour collimater le faisceau laser, soit pour imager un motif à une distance finie donnée devant l'œil, la tolérance de positionnement est faible (~ 40 µm) et doit être ajustée avec précision. Deuxièmement, afin d'être sûr que cette distance ne soit pas modifiée lors du processus d'assemblage et d'encapsulation, il est nécessaire de lier le VCSEL et le DOE. A cet effet, nous avons conçu et fabriqué une entretoise spécifique. Cette entretoise (Fig. 8a) a été conçue à l'aide du logiciel Solidworks, et fabriquée par impression 3D résine 4K (Fig. 8b). Nous avons utilisé une résine photopolymère souple pour imprimer l'entretoise. Cela nous permet de régler avec précision le DOE à la bonne distance du VCSEL, ajustant ainsi divers paramètres (par exemple, la hauteur de couverture du VCSEL peut varier, etc.). Nous avons conçu et testé une structure de type accordéon pour faciliter la déformation du matériau (Fig. 8a). La distance entre le haut du boîtier du VCSEL et le plan du DOE est d'environ 680 µm. L'entretoise a une hauteur de 680 µm, avec des disparités dues à la précision de l'imprimante 3D. La pièce possède des pattes de fixation sur le dessous pour la maintenir au dessus du boîtier VCSEL, et une plaque sur le dessus sur laquelle est posé le substrat de verre contenant le DOE gravé. La surface supérieure est un carré de taille 1,2 × 1,2 mm, correspondant aux dimensions du DOE. L'entretoise a un trou cylindrique en son milieu, pour libérer le chemin lumineux du VCSEL. L'utilisation d'une entretoise flexible permet d'obtenir la distance VCSEL-DOE requise, en mettant l'ensemble en compression jusqu'à ce que le motif projeté soit celui souhaité. Ensuite, lorsque la distance est fixée, une autre entretoise en résine solide est imprimée, pour fixer définitivement la distance pendant tout le processus de montage et d'encapsulation.

(a) vue 3D de l'entretoise, (b) photo de l'entretoise imprimée.

Un réglage fin de la mise au point peut être obtenu dynamiquement en utilisant un contrôle optique visuel comme détaillé dans la section suivante.

Le dernier point critique avant l'encapsulation du circuit est l'étanchéité de l'ensemble VCSEL, entretoise et DOE. Nous avons testé différentes colles qui étaient soit trop fluides (colle UV optique Norland Optical Adhesive 65 ou colle UV UVS 91) de sorte qu'une fois déposées à l'aiguille, la goutte de colle s'étalait et remplissait le trou central de l'entretoise, soit avec une viscosité trop élevée (colle SU8) de sorte qu'il était impossible de déposer une petite goutte sur l'entretoise. Enfin, la solution la plus appropriée était une petite goutte de vernis à ongles à base de nitrocellulose (Rimmel 60 Seconds Super Shine, tel qu'utilisé en 24) sur chaque extrémité longitudinale de l'espaceur. Le vernis à ongles présente une bonne viscosité et sèche sans exposition aux UV, ce qui est plus pratique pour notre propos. Après quelques minutes pour laisser sécher le polish, une autre goutte a été déposée sur chaque extrémité latérale de la surface de la plaque, pour assurer une légère adhérence. Ensuite, le DOE a été placé au-dessus de l'entretoise, et la même opération a été répétée. Une goutte de vernis à ongles a été déposée de chaque côté de l'entretoise pour coller le substrat en verre. À ce stade, une pression a été appliquée sur la structure pour ajuster finement la mise au point et obtenir la meilleure collimation ou imagerie du motif (comme illustré à la Fig. 9). A chaque étape, la propagation de la lumière à travers la structure a été vérifiée. Une caméra infrarouge a été utilisée pour vérifier enfin que le motif correct est projeté lorsque la lumière traverse le DOE.

Circuit avec un DOE monté sur le VCSEL gauche.

Une fois le DOE fixé au VCSEL, l'ensemble de l'électronique est ensuite pris en sandwich entre 2 rondelles préfabriquées qui sont scellées ensemble avant que les surfaces supérieure et inférieure ne soient tournées pour fabriquer les courbures de la lentille et obtenir la lentille de contact portable finale. Lors de la pré-fabrication, un anneau creux est initialement gravé dans la surface supérieure de la rondelle inférieure pour accueillir le système optique (VCSEL + espaceur + DOE) Fig. 10.

Vue OCT du circuit à l'intérieur de la lentille de contact avec une représentation schématique du DOE.

Pour assembler les deux rondelles, de la colle UV (Loctite AA 3301) est déposée à l'aiguille sur le bord de la partie inférieure, puis la partie supérieure est mise en compression à la presse. Lors de la compression, la colle est durcie aux UV. L'ensemble forme une nouvelle rondelle, avec le circuit encapsulé à l'intérieur. Cette rondelle est finalement formée en une forme SCL avec un tour, comme illustré à la Fig. 11.

(a) Vue des rondelles SCL avant le lattage, et (b) du SCL latté final.

Le processus global de fabrication de ce pointeur laser pour lentilles de contact est illustré à la Fig. 12.

Schéma représentant les principales étapes de fabrication du pointeur holographique intégré dans la lentille de contact.

Toutes les données générées ou analysées au cours de cette étude sont incluses dans cet article publié. Les ensembles de données brutes de la Fig. 3 sont disponibles sur demande auprès de l'auteur correspondant.

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Département Optique, IMT Atlantique, Technopôle Brest-Iroise, 655 Avenue du Technopôle, CS 83818 – 29238, Brest Cedex 3, France

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

LCS, 14 Place Gardin, 14000, Caen, France

Laure Adam

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François-Maël Robert : investigation et contribution à la conceptionBernard Abiven : conception et fabrication de l'entretoiseMaïna Sinou : procédé de fabrication DOE et réalisationKevin Heggarty : conception DOE Laure Adam : fabrication SCLJean-Louis de Bougrenet de la Tocnaye et Vincent Nourrit : conception et supervision. Tous les auteurs ont contribué à la rédaction de l'article.

Correspondence to Vincent Nourrit.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Robert, FM., Abiven, B., Sinou, M. et al. Pointeur holographique intégré aux lentilles de contact. Sci Rep 13, 6919 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-33420-8

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Reçu : 27 novembre 2022

Accepté : 12 avril 2023

Publié: 27 avril 2023

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

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