液晶隱形眼鏡幫助老年人「看清」未來 | Physics World專欄

來自專欄 知識分子

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編者按

我們變老時，戴框架老花鏡可能會成歷史。英國利茲大學的Helen Gleeson和她的團隊研發出一種液晶隱形眼鏡，可以調節焦點，幫助恢復視力。

撰文 | Helen Gleeson

翻譯 | 馮水寒 應可鈞

校譯 | 庄秋莞

責編 | 陳曉雪

知識分子為更好的智趣生活 ID：The-Intellectual

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人們常說，年齡的增長帶來智慧。不幸的是，各種缺點也會隨之而來，我們的身體也不能像以前那樣運作良好（儘管我們可能並不想承認這點）。人過中年，白髮數不清，戴上老花鏡也不可避免。

我們沿著人生之路前行，卻漸漸發現自己的視線越來越難以聚焦在近處的物體上，這是因為我們眼中的晶狀體變得越來越僵硬。也就是說，晶狀體不再像過去那樣容易改變形狀，因此無法聚焦於近處的物體。用術語表示，晶狀體無法「自動調節」。這種狀況，可以說是老花眼，也可以說我們沒有足夠長的手臂將書放的足夠遠以便閱讀。人們超過50歲，便會深深地感受到其影響。也有一些人認為老花眼並沒有影響到他們，但事實上，他們的遠視能力本來就已經不夠完美，老花眼使得這一切略有改善。

但想像一下，我們是否能夠神奇地擺脫這些視力問題，再也不用佩戴眼鏡？我們是否有辦法恢復到年輕時的視力，回到過去？

不完美的解決方案

現存的幾種針對老花眼的解決方案都是折衷的方法，沒有一種能夠讓我們完全恢復年輕時的視力。最常見的一個方法，是使用具有不同焦點區域的眼鏡，這種眼鏡被稱為雙焦眼鏡或變焦眼鏡，它的鏡片在觀看遠處的區域和用於閱讀的區域的形狀不同，進而形成不同的焦距。

雙焦隱形眼鏡也已經出現。與普通雙焦眼鏡一樣，隱形眼鏡在鏡片的不同位置分布有不同的焦點區域。大腦對聚焦和失焦圖像的區分以及在閱讀時瞳孔通常變小是正確使用隱形眼鏡的依據。這個解決方案很聰明，確實幫助了一部分人，但依然是一個折衷的辦法。

需要特別指出的是，在黑暗環境中閱讀時，雙焦隱形眼鏡的問題便暴露出來。因為在黑暗的環境下，瞳孔會放大，使得儘可能多的光線進入。但是瞳孔的放大會接觸到隱形眼鏡的外邊緣（這部分通常與聚焦遠處物體的功能相關）。雙焦隱形眼鏡的另一個問題是解析度不足，由於並非所有通過鏡頭的光線都聚焦在單個圖像上，用戶很難區分小的文字。

另一個常見的解決方案被稱為「單眼視」（monovision）。通過隱形眼鏡或激光外科手術，使一隻眼睛具有良好的遠視視力，另一隻眼睛具有良好的近視視力。然而這一解決方案仍然不適用於每個人，有些人會因為每隻眼睛的焦點不同而出現方向迷失感，而且它也無法令我們的視力恢復到年輕水平。

我們正在研究另一種可行的解決方案，開發可調焦（可變換焦距和焦點）的液晶隱形眼鏡。幾年前，我們和英國Ultravision公司一起建立了團隊，成員包括驗光師以及光學、液晶領域的專家。考慮到液晶的折射率會隨著施加電壓的變化而改變，我們想知道液晶是否可以用來製造「可調焦」的隱形眼鏡。乍一看，我們的方法似乎更像是科幻小說而非現實，但我們相信它能夠使老年人擁有年輕人的視力。

從電視到眼睛

如今，液晶材料在日常生活中佔據著重要的地位，它們被廣泛用於數十億的手機、電視以及筆記本電腦的液晶顯示器（LCD）上。這些迷人的「軟」材料是有序流體。由於有許多方法能夠實現流體的有序化，液晶的類型也就多種多樣，而液晶顯示器中使用的所謂的「向列相」是我們感興趣的。

形成向列型液晶的分子通常呈桿狀且取向有序，它們的長軸通常指向同一個方向，而分子長軸的平均趨向的單位矢量也被稱為該液晶的「指向矢」。液晶還具有長程取向有序的特點，向列型液晶的許多物理性質（例如折射率）是各向異性的，這意味著這些屬性值從一個區域到另一個區域是變化的，這取決於液晶對應區域的指向矢。

但由於液晶是流體，液晶的指向矢對外部的刺激（例如電場、磁場、溫度、壓力等）非常敏感。比如，施加超過特定值的電壓，指向矢平行或垂直於電場方向取決於介電各向異性為正還是負。同時，作為由指向矢定義的系統光軸（例如光學對稱方向），它也會對施加的電壓作出反應，而這也是任何液晶顯示器所依賴的特性（見液晶顯示器內部圖）。

?液晶顯示器內部

關注挑戰

基於電壓依賴的折射率，研究人員早在20世紀70年代就提出了液晶鏡片的設想，但是製作一個可以放在眼球上的液晶隱形眼鏡並不容易。整個設備必須彎曲且厚度少於300μm（任何更厚的設備佩戴起來都會令人感到不適）。焦點的變化必須在+2.0屈光度左右（驗光測得的焦點）；而大部分遠視眼的人則額外需要+1.5或+2.0屈光度。鏡片焦點的調整需要比眨眼速度更快，這意味著調整的時間不到一秒鐘。理想的情況是，它也不應該太昂貴，而這也意味著簡單的製造工藝很重要。此外，鏡片需要電源支持它改變焦點。事實上，為了製作有可能用在眼睛上的裝置，鏡片的能量能夠維持至少一天也很重要。

我們決定使用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）作為鏡片的基礎，這是一種常用的隱形眼鏡材料。之後，我們提出了一個簡單的、在我們看來很優雅的、基於「平衡光學」的解決方案。它被設計成三層結構的隱形眼鏡（見圖1，分層鏡片圖），每一層本身都是一個鏡片。底層以PMMA為基底，契合眼睛的曲度，並用透明的銦錫氧化物（indium-tin-oxide，ITO）電極和聚合物塗布在與液晶毗鄰的表面上，在「關閉」狀態時，聚合物能穩定液晶。上面一層是液晶層，它表面覆蓋著另一層塗布ITO的PMMA。總體上，這三個鏡片處於平衡狀態。它們的曲率、PMMA的折射率和「關閉」狀態液晶的折射率根據個人需要，可設計成要麼不提供視力矯正，要麼提供遠視視力矯正。當施加電壓時，電極之間產生電場，液晶層的折射率發生改變（取決於電壓、鏡片幾何學特性以及液晶材料），進而，鏡片的聚焦能力也會發生改變。

我們演示了幾種不同類型液晶排列的幾何學特性，它們取決於液晶折射率從?1.5到?1.7的變化。這一變化從低至?0.7Vrms的電壓開始，目前僅通過連接到電極的導線施加，響應時間大大短於1秒。我們的設計使我們能夠做得比戴上?2.0屈光度的閱讀眼鏡效果更好，同時它還能夠不斷調焦，以便我們校正中間視（比如，注視電腦屏幕）。

使用液晶的一個潛在缺點與其各向異性有關。我們需要具有兩個折射率（雙折射）特性的材料來實現由電壓決定的折射率，但是除非我們仔細設計鏡片，否則聚焦能力將取決於光的偏振，故而會遇到與其他技術類似的缺陷。而問題在於，實際折射率也取決於偏振（需知，在液晶顯示器中與液晶層相互作用的是偏振光）。為此，我們開發了一種具有兩個液晶腔室的鏡片，彼此正交定向，以確保整個鏡片的操作不依賴於偏振。

?液晶隱形眼鏡依靠保持平衡的三層透鏡結構

更加接近未來

儘管可調焦的眼鏡鏡片更容易製造和使用，但液晶隱形眼鏡有很多優點。首先，我們可以忽略隱形眼鏡中的任何色差，色差出現的原因是，任何材料的折射率都依賴于波長，不同的波長會聚焦在位置差別甚微的點上。這是因為晶狀體中的像差小於角膜的像差，而大腦只是將其消除。其次，由於液晶的幾何學特性，我們不需要擔心會出現不同焦點的離軸光線。隱形眼鏡的幾何學特性有助於將視力限定在鏡片的大部分軸線上。

在我們製造出商用的可調焦隱形眼鏡之前，仍需要克服一些挑戰。首先要確定如何為鏡片供電。液晶顯示器如此成功的一個原因是它們自身就是低功耗設備，這意味著它們可以長時間依靠小型電池運行。這對我們很有幫助，針對鏡片的供電問題，目前存在幾種可能的解決方案。事實上，我們在液晶隱形眼鏡領域擁有一項強大的專利，我們的第一筆投資將使我們能夠製造一款「eye-ready」的無線鏡片，它能夠自我供能。另一個重大挑戰是鏡片如何知道在何時改變折射率。最簡單的方法就是讓鏡片與智能手錶連線。儘管如此，許多其他可能的控制機制也已經被提出，例如眨眼。當然，在這種情況下，需要比正常的眨眼時間更長，或者可能需要特定的眨眼次序。

在隱形眼鏡上安裝電池或使用其他發電技術看起來仍像是科幻小說，但含有由感應線圈供電的發光二極體的隱形眼鏡前幾年已經問世（J.Micromech. Microeng. 21 125014）。此外，還有一些其他「智能隱形眼鏡」的例子，包括可監測糖尿病患者血糖濃度的隱形眼鏡，比如谷歌在2014年發布的那款。為這種設備提供動力是一個熱門話題，也出現了大量的提議，其中就包括鏡片可能以眼淚為動力。同時，也有越來越簡單的技術可以用來觸發焦點的變化——用戶也希望這一切變得簡單，如果可能的話，最好自動化。

當這些技術結合起來，能夠調整並控制焦點的隱形眼鏡不再是科幻小說。未來五年內可能成為現實。

Helen Gleeson，英國利茲大學物理系主任，卡文迪許物理學教授，她的郵箱為h.f.gleeson@leeds.ac.uk

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