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翻譯 | 馮水寒 應(yīng)可鈞

校譯 | 莊秋莞

責(zé)編 | 陳曉雪

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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（盡管我們可能并不想承認(rèn)這點）。人過中年，白發(fā)數(shù)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(fā)現(xiàn)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，因此無法聚焦于近處的物體。用術(shù)語表示，晶狀體無法“自動調(diào)節(jié)”。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(rèn)為老花眼并沒有影響到他們，但事實上，他們的遠視能力本來就已經(jīng)不夠完美，老花眼使得這一切略有改善。

但想象一下，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(fù)到年輕時的視力，回到過去？

現(xiàn)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(fù)年輕時的視力。最常見的一個方法，是使用具有不同焦點區(qū)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(qū)域和用于閱讀的區(qū)域的形狀不同，進而形成不同的焦距。

雙焦隱形眼鏡也已經(jīng)出現(xiàn)。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(qū)域。大腦對聚焦和失焦圖像的區(qū)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(jù)。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(huán)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(huán)境下，瞳孔會放大，使得盡可能多的光線進入。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(guān)）。雙焦隱形眼鏡的另一個問題是分辨率不足，由于并非所有通過鏡頭的光線都聚焦在單個圖像上，用戶很難區(qū)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(shù)，使一只眼睛具有良好的遠視視力，另一只眼睛具有良好的近視視力。然而這一解決方案仍然不適用于每個人，有些人會因為每只眼睛的焦點不同而出現(xiàn)方向迷失感，而且它也無法令我們的視力恢復(fù)到年輕水平。

我們正在研究另一種可行的解決方案，開發(fā)可調(diào)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(xué)、液晶領(lǐng)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制造“可調(diào)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(xiàn)實，但我們相信它能夠使老年人擁有年輕人的視力。

如今，液晶材料在日常生活中占據(jù)著重要的地位，它們被廣泛用于數(shù)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。由于有許多方法能夠?qū)崿F(xiàn)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(zhì)（例如折射率）是各向異性的，這意味著這些屬性值從一個區(qū)域到另一個區(qū)域是變化的，這取決于液晶對應(yīng)區(qū)域的指向矢。

但由于液晶是流體，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，指向矢平行或垂直于電場方向取決于介電各向異性為正還是負。同時，作為由指向矢定義的系統(tǒng)光軸（例如光學(xué)對稱方向），它也會對施加的電壓作出反應(yīng)，而這也是任何液晶顯示器所依賴的特性（見液晶顯示器內(nèi)部圖）。

?液晶顯示器內(nèi)部

液晶顯示器

液晶顯示器（LCD）包含大約5μm厚的向列型液晶薄膜，薄膜位于兩個透明電極之間，而電極則夾在兩個偏振器之間。液晶分子根據(jù)不同的設(shè)備類型具有特定對應(yīng)的幾何分布，但是最常見的是被稱為“扭曲向列型”設(shè)備、“指示器”，在這類設(shè)備中，指向矢（向列型液晶分子指向的平均方向）與同它成90°的偏振器對齊，這意味著指向矢在這一層中的旋轉(zhuǎn)范圍是90°。在沒有電場（E）的情況下，非偏振光在進入LCD時發(fā)生偏振，其偏振軸通過液晶時旋轉(zhuǎn)了90°，然后光可以通過第二個偏振器，形成明亮狀態(tài)。當(dāng)有足夠大的電場施加在電極上時，液晶分子垂直于設(shè)備平面排列，改變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，形成黑暗狀態(tài)。

關(guān)注挑戰(zhàn)

基于電壓依賴的折射率，研究人員早在20世紀(jì)70年代就提出了液晶鏡片的設(shè)想，但是制作一個可以放在眼球上的液晶隱形眼鏡并不容易。整個設(shè)備必須彎曲且厚度少于300μm（任何更厚的設(shè)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(diào)整需要比眨眼速度更快，這意味著調(diào)整的時間不到一秒鐘。理想的情況是，它也不應(yīng)該太昂貴，而這也意味著簡單的制造工藝很重要。此外，鏡片需要電源支持它改變焦點。事實上，為了制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(chǔ)，這是一種常用的隱形眼鏡材料。之后，我們提出了一個簡單的、在我們看來很優(yōu)雅的、基于“平衡光學(xué)”的解決方案。它被設(shè)計成三層結(jié)構(gòu)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，并用透明的銦錫氧化物（indium-tin-oxide，ITO）電極和聚合物涂布在與液晶毗鄰的表面上，在“關(guān)閉”狀態(tài)時，聚合物能穩(wěn)定液晶。上面一層是液晶層，它表面覆蓋著另一層涂布ITO的PMMA?？傮w上，這三個鏡片處于平衡狀態(tài)。它們的曲率、PMMA的折射率和“關(guān)閉”狀態(tài)液晶的折射率根據(jù)個人需要，可設(shè)計成要么不提供視力矯正，要么提供遠視視力矯正。當(dāng)施加電壓時，電極之間產(chǎn)生電場，液晶層的折射率發(fā)生改變（取決于電壓、鏡片幾何學(xué)特性以及液晶材料），進而，鏡片的聚焦能力也會發(fā)生改變。

我們演示了幾種不同類型液晶排列的幾何學(xué)特性，它們?nèi)Q于液晶折射率從?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(dǎo)線施加，響應(yīng)時間大大短于1秒。我們的設(shè)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(diào)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(guān)。我們需要具有兩個折射率（雙折射）特性的材料來實現(xiàn)由電壓決定的折射率，但是除非我們仔細設(shè)計鏡片，否則聚焦能力將取決于光的偏振，故而會遇到與其他技術(shù)類似的缺陷。而問題在于，實際折射率也取決于偏振（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(fā)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于偏振。

 ?液晶隱形眼鏡依靠保持平衡的三層透鏡結(jié)構(gòu)

盡管可調(diào)焦的眼鏡鏡片更容易制造和使用，但液晶隱形眼鏡有很多優(yōu)點。首先，我們可以忽略隱形眼鏡中的任何色差，色差出現(xiàn)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于角膜的像差，而大腦只是將其消除。其次，由于液晶的幾何學(xué)特性，我們不需要擔(dān)心會出現(xiàn)不同焦點的離軸光線。隱形眼鏡的幾何學(xué)特性有助于將視力限定在鏡片的大部分軸線上。

在我們制造出商用的可調(diào)焦隱形眼鏡之前，仍需要克服一些挑戰(zhàn)。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(shè)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(lǐng)域擁有一項強大的專利，我們的第一筆投資將使我們能夠制造一款“eye-ready”的無線鏡片，它能夠自我供能。另一個重大挑戰(zhàn)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表連線。盡管如此，許多其他可能的控制機制也已經(jīng)被提出，例如眨眼。當(dāng)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(fā)電技術(shù)看起來仍像是科幻小說，但含有由感應(yīng)線圈供電的發(fā)光二極管的隱形眼鏡前幾年已經(jīng)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(jiān)測糖尿病患者血糖濃度的隱形眼鏡，比如谷歌在2014年發(fā)布的那款。為這種設(shè)備提供動力是一個熱門話題，也出現(xiàn)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(shù)可以用來觸發(fā)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(dāng)這些技術(shù)結(jié)合起來，能夠調(diào)整并控制焦點的隱形眼鏡不再是科幻小說。未來五年內(nèi)可能成為現(xiàn)實。

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

制版編輯： 斯嘉麗｜

本文為Physics World專欄的第9篇。

第一篇：中國的挑戰(zhàn)和變化

第二篇：第一個中美合作大學(xué)的物理研究所的故事

第三篇：專訪張富春：讓外國學(xué)者長期留在國內(nèi)是個巨大的挑戰(zhàn)

第四篇：中國沖刺月球計劃

第五篇：隨機行走人生路，量子計算是歸途

第六篇：什么情況下冷水比熱水升溫快

第七篇：文科教育為什么不能偏廢？

第八篇：如何寫一份面向工業(yè)界的簡歷