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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(shuō)，年齡的增長(zhǎng)帶來(lái)智慧。不幸的是，各種缺點(diǎn)也會(huì)隨之而來(lái)，我們的身體也不能像以前那樣運(yùn)作良好（盡管我們可能并不想承認(rèn)這點(diǎn)）。人過(guò)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(lái)越難以聚焦在近處的物體上，這是因?yàn)槲覀冄壑械木铙w變得越來(lái)越僵硬。也就是說(shuō)，晶狀體不再像過(guò)去那樣容易改變形狀，因此無(wú)法聚焦于近處的物體。用術(shù)語(yǔ)表示，晶狀體無(wú)法“自動(dòng)調(diào)節(jié)”。這種狀況，可以說(shuō)是老花眼，也可以說(shuō)我們沒(méi)有足夠長(zhǎng)的手臂將書放的足夠遠(yuǎn)以便閱讀。人們超過(guò)50歲，便會(huì)深深地感受到其影響。也有一些人認(rèn)為老花眼并沒(méi)有影響到他們，但事實(shí)上，他們的遠(yuǎn)視能力本來(lái)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?cái)[脫這些視力問(wèn)題，再也不用佩戴眼鏡？我們是否有辦法恢復(fù)到年輕時(shí)的視力，回到過(guò)去？

現(xiàn)存的幾種針對(duì)老花眼的解決方案都是折衷的方法，沒(méi)有一種能夠讓我們完全恢復(fù)年輕時(shí)的視力。最常見的一個(gè)方法，是使用具有不同焦點(diǎn)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(yuǎn)處的區(qū)域和用于閱讀的區(qū)域的形狀不同，進(jìn)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(diǎn)區(qū)域。大腦對(duì)聚焦和失焦圖像的區(qū)分以及在閱讀時(shí)瞳孔通常變小是正確使用隱形眼鏡的依據(jù)。這個(gè)解決方案很聰明，確實(shí)幫助了一部分人，但依然是一個(gè)折衷的辦法。

需要特別指出的是，在黑暗環(huán)境中閱讀時(shí)，雙焦隱形眼鏡的問(wèn)題便暴露出來(lái)。因?yàn)樵诤诎档沫h(huán)境下，瞳孔會(huì)放大，使得盡可能多的光線進(jìn)入。但是瞳孔的放大會(huì)接觸到隱形眼鏡的外邊緣（這部分通常與聚焦遠(yuǎn)處物體的功能相關(guān)）。雙焦隱形眼鏡的另一個(gè)問(wèn)題是分辨率不足，由于并非所有通過(guò)鏡頭的光線都聚焦在單個(gè)圖像上，用戶很難區(qū)分小的文字。

另一個(gè)常見的解決方案被稱為“單眼視”（monovision）。通過(guò)隱形眼鏡或激光外科手術(shù)，使一只眼睛具有良好的遠(yuǎn)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(gè)人，有些人會(huì)因?yàn)槊恐谎劬Φ慕裹c(diǎn)不同而出現(xiàn)方向迷失感，而且它也無(wú)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(diǎn)）的液晶隱形眼鏡。幾年前，我們和英國(guó)Ultravision公司一起建立了團(tuán)隊(duì)，成員包括驗(yàn)光師以及光學(xué)、液晶領(lǐng)域的專家?？紤]到液晶的折射率會(huì)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(lái)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(shuō)而非現(xiàn)實(shí)，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(jī)、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(zhǎng)軸通常指向同一個(gè)方向，而分子長(zhǎng)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(zhǎng)程取向有序的特點(diǎn)，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(gè)區(qū)域到另一個(gè)區(qū)域是變化的，這取決于液晶對(duì)應(yīng)區(qū)域的指向矢。

但由于液晶是流體，液晶的指向矢對(duì)外部的刺激（例如電場(chǎng)、磁場(chǎng)、溫度、壓力等）非常敏感。比如，施加超過(guò)特定值的電壓，指向矢平行或垂直于電場(chǎng)方向取決于介電各向異性為正還是負(fù)。同時(shí)，作為由指向矢定義的系統(tǒng)光軸（例如光學(xué)對(duì)稱方向），它也會(huì)對(duì)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(gè)透明電極之間，而電極則夾在兩個(gè)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(duì)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(duì)齊，這意味著指向矢在這一層中的旋轉(zhuǎn)范圍是90°。在沒(méi)有電場(chǎng)（E）的情況下，非偏振光在進(jìn)入LCD時(shí)發(fā)生偏振，其偏振軸通過(guò)液晶時(shí)旋轉(zhuǎn)了90°，然后光可以通過(guò)第二個(gè)偏振器，形成明亮狀態(tài)。當(dāng)有足夠大的電場(chǎng)施加在電極上時(shí)，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(gè)可以放在眼球上的液晶隱形眼鏡并不容易。整個(gè)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(lái)都會(huì)令人感到不適）。焦點(diǎn)的變化必須在+2.0屈光度左右（驗(yàn)光測(cè)得的焦點(diǎn)）；而大部分遠(yuǎn)視眼的人則額外需要+1.5或+2.0屈光度。鏡片焦點(diǎn)的調(diào)整需要比眨眼速度更快，這意味著調(diào)整的時(shí)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(jiǎn)單的制造工藝很重要。此外，鏡片需要電源支持它改變焦點(diǎn)。事實(shí)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(gè)簡(jiǎn)單的、在我們看來(lái)很優(yōu)雅的、基于“平衡光學(xué)”的解決方案。它被設(shè)計(jì)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(gè)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(shí)，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。總體上，這三個(gè)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(gè)人需要，可設(shè)計(jì)成要么不提供視力矯正，要么提供遠(yuǎn)視視力矯正。當(dāng)施加電壓時(shí)，電極之間產(chǎn)生電場(chǎng)，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(jìn)而，鏡片的聚焦能力也會(huì)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(guò)連接到電極的導(dǎo)線施加，響應(yīng)時(shí)間大大短于1秒。我們的設(shè)計(jì)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(shí)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(gè)潛在缺點(diǎn)與其各向異性有關(guān)。我們需要具有兩個(gè)折射率（雙折射）特性的材料來(lái)實(shí)現(xiàn)由電壓決定的折射率，但是除非我們仔細(xì)設(shè)計(jì)鏡片，否則聚焦能力將取決于光的偏振，故而會(huì)遇到與其他技術(shù)類似的缺陷。而問(wèn)題在于，實(shí)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(gè)液晶腔室的鏡片，彼此正交定向，以確保整個(gè)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(diǎn)。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(zhǎng)，不同的波長(zhǎng)會(huì)聚焦在位置差別甚微的點(diǎn)上。這是因?yàn)榫铙w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(huì)出現(xiàn)不同焦點(diǎn)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(gè)原因是它們自身就是低功耗設(shè)備，這意味著它們可以長(zhǎng)時(shí)間依靠小型電池運(yùn)行。這對(duì)我們很有幫助，針對(duì)鏡片的供電問(wèn)題，目前存在幾種可能的解決方案。事實(shí)上，我們?cè)谝壕щ[形眼鏡領(lǐng)域擁有一項(xiàng)強(qiáng)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(wú)線鏡片，它能夠自我供能。另一個(gè)重大挑戰(zhàn)是鏡片如何知道在何時(shí)改變折射率。最簡(jiǎn)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(jī)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(shí)間更長(zhǎng)，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(lái)仍像是科幻小說(shuō)，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(wèn)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(cè)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(dòng)力是一個(gè)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(dòng)力。同時(shí)，也有越來(lái)越簡(jiǎn)單的技術(shù)可以用來(lái)觸發(fā)焦點(diǎn)的變化——用戶也希望這一切變得簡(jiǎn)單，如果可能的話，最好自動(dòng)化。

當(dāng)這些技術(shù)結(jié)合起來(lái)，能夠調(diào)整并控制焦點(diǎn)的隱形眼鏡不再是科幻小說(shuō)。未來(lái)五年內(nèi)可能成為現(xiàn)實(shí)。

Helen Gleeson，英國(guó)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(guó)的挑戰(zhàn)和變化

第二篇：第一個(gè)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(guó)學(xué)者長(zhǎng)期留在國(guó)內(nèi)是個(gè)巨大的挑戰(zhàn)

第四篇：中國(guó)沖刺月球計(jì)劃

第五篇：隨機(jī)行走人生路，量子計(jì)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(jiǎn)歷