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液晶隐形眼镜帮助老年人“看清”未来

编者按:我们变老时,戴框架老花镜可能会成历史。英国利兹大学的Helen Gleeson和她的团队研发出一种液晶隐形眼镜,可以调节焦点,帮助恢复视力。

撰文 | Helen Gleeson
翻译 | 冯水寒 应可钧
校译 | 庄秋莞
责编 | 陈晓雪
 
人们常说,年龄的增长带来智慧。不幸的是,各种缺点也会随之而来,我们的身体也不能像以前那样运作良好(尽管我们可能并不想承认这点)。人过中年,白发数不清,戴上老花镜也不可避免。
 
我们沿着人生之路前行,却渐渐发现自己的视线越来越难以聚焦在近处的物体上,这是因为我们眼中的晶状体变得越来越僵硬。也就是说,晶状体不再像过去那样容易改变形状,因此无法聚焦于近处的物体。用术语表示,晶状体无法“自动调节”。这种状况,可以说是老花眼,也可以说我们没有足够长的手臂将书放的足够远以便阅读。人们超过50岁,便会深深地感受到其影响。也有一些人认为老花眼并没有影响到他们,但事实上,他们的远视能力本来就已经不够完美,老花眼使得这一切略有改善。
 
但想象一下,我们是否能够神奇地摆脱这些视力问题,再也不用佩戴眼镜?我们是否有办法恢复到年轻时的视力,回到过去?
 
不完美的解决方案
 
现存的几种针对老花眼的解决方案都是折衷的方法,没有一种能够让我们完全恢复年轻时的视力。最常见的一个方法,是使用具有不同焦点区域的眼镜,这种眼镜被称为双焦眼镜或变焦眼镜,它的镜片在观看远处的区域和用于阅读的区域的形状不同,进而形成不同的焦距。
 
双焦隐形眼镜也已经出现。与普通双焦眼镜一样,隐形眼镜在镜片的不同位置分布有不同的焦点区域。大脑对聚焦和失焦图像的区分以及在阅读时瞳孔通常变小是正确使用隐形眼镜的依据。这个解决方案很聪明,确实帮助了一部分人,但依然是一个折衷的办法。
 
需要特别指出的是,在黑暗环境中阅读时,双焦隐形眼镜的问题便暴露出来。因为在黑暗的环境下,瞳孔会放大,使得尽可能多的光线进入。但是瞳孔的放大会接触到隐形眼镜的外边缘(这部分通常与聚焦远处物体的功能相关)。双焦隐形眼镜的另一个问题是分辨率不足,由于并非所有通过镜头的光线都聚焦在单个图像上,用户很难区分小的文字。
 
另一个常见的解决方案被称为“单眼视”(monovision)。通过隐形眼镜或激光外科手术,使一只眼睛具有良好的远视视力,另一只眼睛具有良好的近视视力。然而这一解决方案仍然不适用于每个人,有些人会因为每只眼睛的焦点不同而出现方向迷失感,而且它也无法令我们的视力恢复到年轻水平。
    
我们正在研究另一种可行的解决方案,开发可调焦(可变换焦距和焦点)的液晶隐形眼镜。几年前,我们和英国Ultravision公司一起建立了团队,成员包括验光师以及光学、液晶领域的专家。考虑到液晶的折射率会随着施加电压的变化而改变,我们想知道液晶是否可以用来制造“可调焦”的隐形眼镜。乍一看,我们的方法似乎更像是科幻小说而非现实,但我们相信它能够使老年人拥有年轻人的视力。
 
从电视到眼睛
 
如今,液晶材料在日常生活中占据着重要的地位,它们被广泛用于数十亿的手机、电视以及笔记本电脑的液晶显示器(LCD)上。这些迷人的“软”材料是有序流体。由于有许多方法能够实现流体的有序化,液晶的类型也就多种多样,而液晶显示器中使用的所谓的“向列相”是我们感兴趣的。
    
形成向列型液晶的分子通常呈杆状且取向有序,它们的长轴通常指向同一个方向,而分子长轴的平均趋向的单位矢量也被称为该液晶的“指向矢”。液晶还具有长程取向有序的特点,向列型液晶的许多物理性质(例如折射率)是各向异性的,这意味着这些属性值从一个区域到另一个区域是变化的,这取决于液晶对应区域的指向矢。
    
但由于液晶是流体,液晶的指向矢对外部的刺激(例如电场、磁场、温度、压力等)非常敏感。比如,施加超过特定值的电压,指向矢平行或垂直于电场方向取决于介电各向异性为正还是负。同时,作为由指向矢定义的系统光轴(例如光学对称方向),它也会对施加的电压作出反应,而这也是任何液晶显示器所依赖的特性(见液晶显示器内部图)。
 
液晶显示器
 
液晶显示器(LCD)包含大约5μm厚的向列型液晶薄膜,薄膜位于两个透明电极之间,而电极则夹在两个偏振器之间。液晶分子根据不同的设备类型具有特定对应的几何分布,但是最常见的是被称为“扭曲向列型”设备、“指示器”,在这类设备中,指向矢(向列型液晶分子指向的平均方向)与同它成90°的偏振器对齐,这意味着指向矢在这一层中的旋转范围是90°。在没有电场(E)的情况下,非偏振光在进入LCD时发生偏振,其偏振轴通过液晶时旋转了90°,然后光可以通过第二个偏振器,形成明亮状态。当有足够大的电场施加在电极上时,液晶分子垂直于设备平面排列,改变其有效折射率并抑制扭曲排列。光因此被第二偏振器完全吸收,形成黑暗状态。
 
关注挑战
 
基于电压依赖的折射率,研究人员早在20世纪70年代就提出了液晶镜片的设想,但是制作一个可以放在眼球上的液晶隐形眼镜并不容易。整个设备必须弯曲且厚度少于300µm(任何更厚的设备佩戴起来都会令人感到不适)。焦点的变化必须在+2.0屈光度左右(验光测得的焦点);而大部分远视眼的人则额外需要+1.5或+2.0屈光度。镜片焦点的调整需要比眨眼速度更快,这意味着调整的时间不到一秒钟。理想的情况是,它也不应该太昂贵,而这也意味着简单的制造工艺很重要。此外,镜片需要电源支持它改变焦点。事实上,为了制作有可能用在眼睛上的装置,镜片的能量能够维持至少一天也很重要。
    
我们决定使用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)作为镜片的基础,这是一种常用的隐形眼镜材料。之后,我们提出了一个简单的、在我们看来很优雅的、基于“平衡光学”的解决方案。它被设计成三层结构的隐形眼镜(见图1,分层镜片图),每一层本身都是一个镜片。底层以PMMA为基底,契合眼睛的曲度,并用透明的铟锡氧化物(indium-tin-oxide,ITO)电极和聚合物涂布在与液晶毗邻的表面上,在“关闭”状态时,聚合物能稳定液晶。上面一层是液晶层,它表面覆盖着另一层涂布ITO的PMMA。总体上,这三个镜片处于平衡状态。它们的曲率、PMMA的折射率和“关闭”状态液晶的折射率根据个人需要,可设计成要么不提供视力矫正,要么提供远视视力矫正。当施加电压时,电极之间产生电场,液晶层的折射率发生改变(取决于电压、镜片几何学特性以及液晶材料),进而,镜片的聚焦能力也会发生改变。
 
我们演示了几种不同类型液晶排列的几何学特性,它们取决于液晶折射率从〜1.5到〜1.7的变化。这一变化从低至〜0.7Vrms的电压开始,目前仅通过连接到电极的导线施加,响应时间大大短于1秒。我们的设计使我们能够做得比戴上〜2.0屈光度的阅读眼镜效果更好,同时它还能够不断调焦,以便我们校正中间视(比如,注视电脑屏幕)。
    
使用液晶的一个潜在缺点与其各向异性有关。我们需要具有两个折射率(双折射)特性的材料来实现由电压决定的折射率,但是除非我们仔细设计镜片,否则聚焦能力将取决于光的偏振,故而会遇到与其他技术类似的缺陷。而问题在于,实际折射率也取决于偏振(需知,在液晶显示器中与液晶层相互作用的是偏振光)。为此,我们开发了一种具有两个液晶腔室的镜片,彼此正交定向,以确保整个镜片的操作不依赖于偏振。
更加接近未来
 
尽管可调焦的眼镜镜片更容易制造和使用,但液晶隐形眼镜有很多优点。首先,我们可以忽略隐形眼镜中的任何色差,色差出现的原因是,任何材料的折射率都依赖于波长,不同的波长会聚焦在位置差别甚微的点上。这是因为晶状体中的像差小于角膜的像差,而大脑只是将其消除。其次,由于液晶的几何学特性,我们不需要担心会出现不同焦点的离轴光线。隐形眼镜的几何学特性有助于将视力限定在镜片的大部分轴线上。
 
在我们制造出商用的可调焦隐形眼镜之前,仍需要克服一些挑战。首先要确定如何为镜片供电。液晶显示器如此成功的一个原因是它们自身就是低功耗设备,这意味着它们可以长时间依靠小型电池运行。这对我们很有帮助,针对镜片的供电问题,目前存在几种可能的解决方案。事实上,我们在液晶隐形眼镜领域拥有一项强大的专利,我们的第一笔投资将使我们能够制造一款“eye-ready”的无线镜片,它能够自我供能。另一个重大挑战是镜片如何知道在何时改变折射率。最简单的方法就是让镜片与智能手表连线。尽管如此,许多其他可能的控制机制也已经被提出,例如眨眼。当然,在这种情况下,需要比正常的眨眼时间更长,或者可能需要特定的眨眼次序。
    
在隐形眼镜上安装电池或使用其他发电技术看起来仍像是科幻小说,但含有由感应线圈供电的发光二极管的隐形眼镜前几年已经问世(J.Micromech. Microeng. 21 125014)。此外,还有一些其他“智能隐形眼镜”的例子,包括可监测糖尿病患者血糖浓度的隐形眼镜,比如谷歌在2014年发布的那款。为这种设备提供动力是一个热门话题,也出现了大量的提议,其中就包括镜片可能以眼泪为动力。同时,也有越来越简单的技术可以用来触发焦点的变化——用户也希望这一切变得简单,如果可能的话,最好自动化。
    
当这些技术结合起来,能够调整并控制焦点的隐形眼镜不再是科幻小说。未来五年内可能成为现实。
 
Helen Gleeson,英国利兹大学物理系主任,卡文迪许物理学教授,她的邮箱为h.f.gleeson@leeds.ac.uk
 
版权声明
原文标题“Looking-into the future",首发于2018年2月出版的Physics World,英国物理学会出版社授权《知识分子》翻译。中文内容仅供参考,一切内容以英文原版为准。未经授权的翻译是侵权行为,版权方将保留追究法律责任的权利。
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