Линза Циклопа - электронная контактная линза

Знание и анализ направления взгляда стало ключевой операцией при использовании, например, систем отображения дополненной или виртуальной реальности (AR/VR), когда необходимо оценить нагрузку внимания или когнитивную нагрузку, или подтвердить операцию, обозначив ее взглядом.

 

Большинство коммерческих айтрекеров полагаются на визуализацию глаза - освещение глаз источниками инфракрасного света, запись нескольких мегабайт информации в секунду с помощью быстрых камер и обработку этой информации, используя данные о положении зрачка и отражении роговицы для определения направления взгляда. Однако ряд факторов, таких как пигментация радужной оболочки, ношение очков, солнечный свет, могут снизить эффективность работы айтрекера. Существуют и другие подходы, такие как электроокулография или линзы с магнитными катушками, но их реализация делает их пригодными только для исследований или клинических изучений.

 

Благодаря недавним достижениям в технологиях за последние два десятилетия было предложено множество электронных контактных линз. Их применяют в основном для диагностики, коррекции зрения или рефракции, отслеживания взгляда или дисплеев. Некоторые беспроводные контактные линзы были протестированы на людях (например, исследования, проведенные в офтальмологической больнице Мурфилдс в Лондоне) и были выпущены в продажу как медицинские устройства (например, Sensimed). Однако их функции были относительно специфичными (например, датчик внутриглазного давления (ВГД) или мониторинг глюкозы), и они не выполняли сложных когнитивных задач.

 

В этом контексте помещение лазерной указки непосредственно в глаз могло бы обеспечить потенциально более простое и компактное решение для измерения взгляда по сравнению с доступными технологиями, основанными на обработке изображений.

Это также позволило бы использовать электронную контактную линзу в качестве компонента более сложной системы (айтрекинг).

 

На днях вышла статья, представляющая первые опыты с новой системой уловления взгляда с использованием инфракрасной лазерной указки, встроенной в беспроводную контактную смарт-линзу. Эту линзу назвали линзой Циклопа, имея в виду знаменитого героя комиксов Люди Икс. Устройство полного айтрекера сочетает в себе контактную смарт-линзу и очки, являющиеся основным источником энергии и системой обнаружения луча.

 

Идея использования маркера в контактных линзах не нова, как и интеграция источника света в контактную линзу. Метод более инвазивен, чем айтрекеры на основе видео. По сравнению со склеральной катушкой, основное преимущество линз циклопа заключается в отсутствии внешних частей. Вся электроника встроена в объектив. Электроокулография может быть полезна в некоторых случаях (например, когда глаза закрыты), но имеет ограниченное разрешение и чувствительна к различным факторам (активность лицевых мышц, электрические помехи и т.д.), которые ограничивают ее использование.

 

В новой системе определение направления лазерного луча напрямую определяет направление взгляда. Для этого использовался двумерный планарный детектор, такой как позиционно-чувствительный детектор (PSD). Использование PSD позволяет простым способом обнаруживать несколько пятен вместе (в отличие от сложной обработки изображений), так что для каждого глаза, оснащенного контактной линзой с лазерной указкой, становится возможным вывести направление взгляда, зная положение глаза.

 

Контактные линзы, используемые для инкапсуляции электроники, являются склеральными линзами диаметром 16,50 мм, которые уже контактируют не с роговицей, а со склерой (белой частью глаза), обеспечивая тем самым защитную поверхность от потенциально раздражающих элементов для глаз (пыль, выбросы, раздражающий газ). Отсутствие контакта с роговицей делает их чрезвычайно удобными. Они устойчивы (в отличие от обычных контактных линз) при ношении, что является обязательным условием для применения. Их большие размеры по сравнению с другими контактными линзами и возможность использовать часть пространства в несколько сотен микрон между поверхностью роговицы и внутренней частью склеральной линзы обеспечивают больший объем для электроники. По этим причинам склеральная линза хорошо подходит для интеграции нескольких электронных устройств для различных приложений.

 

Контактная линза циклопа состоит из двух основных элементов: встроенной оптоэлектронной схемы и вторичной антенны. Полная система слежения за глазами требует внешнего управляющего элемента, размещенного в очках с основной антенной, используемой для передачи энергии (и, возможно, обмена данными), и с системами оптического слежения (ИК-камера наблюдения (ELP Full HD 1,920 × 1080 пикселей)).

 

В ходе экспериментов линза помещалась на искусственный глаз в 15 мм позади очков (что соответствует обычному расстоянию между очками). Искусственный глаз мог поворачиваться от -20 ° до 20 ° вокруг вертикальной оси, проходящей через центр глаза - что соответствует максимальному полю зрения, которое практически можно исследовать глазами (т.е. на практике, если нам нужно наблюдать что-то дальше, чем 20 °, мы повернем голову, а не глаза).

 

Выяснилось, что новое устройство имеет точность 0,2°,  что почти на порядок лучше, чем коммерческие носимые айтрекеры высокого класса (хотя они приближаются к точности 0,6°, сообщаемой очками Tobii Pro). Очевидно, что различные факторы окружающей среды в реальных условиях могут снизить эти показатели.

 

Использование лазера близко к глазу неизбежно вызывает некоторые проблемы со здоровьем. Если учесть, что большинство людей моргают около 15 раз в минуту (в среднем 150 мс на мигание), это означает, что в течение 1 часа использования веко будет подвергаться воздействию луча VCSEL примерно 900 раз. Если учесть, что луч VCSEL всегда будет попадать в одно и то же место, лазер на длине волны 850 нм потенциально может вызвать некоторую светочувствительную реакцию или даже ожог в зависимости от излучаемой мощности. Другой потенциальный риск, связанный с лазерным лучом, - это обратное рассеяние, то есть если лазер отражается обратно в сторону сетчатки, но этого можно легко избежать с помощью классических методов оптической инженерии (например, покрытий).

 

Что касается приемлемости и безопасности данного устройства, для обеспечения радиочастотной безопасности при практическом использовании необходимо изучить влияние радиочастотного излучения на ткани человека.

 

Кроме того, прежде чем люди смогут носить полностью функциональную систему, необходимо провести несколько  тестов (кислородная проницаемость, цитотоксичность, раздражение, толерантность) для получения клинической сертификации.