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新一代眼镜可智能调节度数,未来或不需要验光师

2021-03-03  洁洁赢

轻度模糊、中度模糊、重度模糊……一旦迈过45岁的门槛,当你在看《新发现》杂志(或其他任何一个物体)时把眼睛凑得太近,必将体会到老眼昏花的感觉。

这是一种眼睛老化的自然现象:随着时间的推移,眼睛的晶状体失去了柔韧性,视力调节功能退化。为解决这一问题,目前每10个老视(老花眼)患者中就有9人佩戴渐进镜片,其屈光度从镜片的顶部(远用区)到镜片底部(近用区)逐渐增加。

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右侧为渐进镜片原理

问题在于,这种眼镜并不适合所有人。近年发表的几项研究显示,5%~10%的人口在佩戴渐进镜片后出现头痛、头晕、疲倦或看屏幕困难等症状。光是在欧洲、日本和美国,产生不适症状者就多达4000万。

开发新型光学镜片来替代人眼丧失的机械和生理功能的想法应运而生。“我们正在生产能够实时自动对焦的新型眼镜。”曾任职于法国国家科研中心(CNRS)的光学专家、新创企业Laclarée经理布鲁诺·伯奇(Bruno Berge)介绍道。

五年前,他开始着手该项目的工作。此后一年,另一个竞争项目在美国启动。“我完全是从自身来考虑的。”为美国犹他大学衍生企业Sharpeyes工作的教授卡洛斯·马斯特兰赫洛(Carlos Mastrangelo)解释说,“我得了老花眼后一直无法忍受渐进镜片,因为它的视野范围太窄了。因此,我想发明一副自适应的眼镜来解决这个问题,这还能帮助其他有同样困惑的人。”

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布鲁诺·伯奇Laclarée公司经理、光学专家

发明这种眼镜所面临的挑战是巨大的:渐进镜片的每个区域都有固定的矫正度数,而新型眼镜却要根据看到的物体来改变度数。综合考虑物体到人眼的距离、视角和眼镜的使用条件,需要在眨眼间完成眼镜度数的调整!近10年来,世界各地的团队一直在尝试各种技术来攻克这一难关。

超宽屈光度调节范围

《新发现》2010年3月号的“封面故事”介绍了当时还在开发中的能够自动矫正老视模糊的眼镜:

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在两块玻璃镜片之间插入液晶层,通过镜架调节电压使液晶分子的排列方向发生改变,从而根据看到物体的位置远近来改变眼镜的折射率。

这项技术如今已取得了一定的成果,美国PixelOptics公司和日本三井集团相继推出了基于超薄镜片的可调焦产品。不过,液晶弯曲光线的效果不佳,而且对于重度老视的矫正仍然不够。

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PixelOptics emPower!™

“我们希望走得更远,因此选择了另一种技术:一种可以在镜片中变形的薄膜。”布鲁诺·伯奇解释说,“要矫正老花眼,必须给眼镜提供屈光度,其范围为从远视的0屈光度到近视的3屈光度。大型望远镜就是利用这种光学变化来适应湍流的干扰!液晶的屈光度不能超过0.75,因此我们的想法是彻底改变研究视角,改用一种基于液体的技术。”

布鲁诺·伯奇和他的团队发明了一种含有透明薄膜的眼镜,该薄膜能在液体压力下变形,还能对年龄增长导致的眼球运动僵硬进行模拟。总而言之,实时矫正是通过传感器实现的,该传感器可以很快估算出佩戴者与所看到的区域之间的距离,然后控制泵使薄膜变形,产生看清物体所需的屈光度。

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Laclarée 公司开发的眼镜仍处于原型机阶段,需要在视觉适应和小型化方面进行优化。

“得益于微电子学的不断发展,对我们而言电子部件并非最难实现的部分;反倒是可变形薄膜装置的开发更为复杂。”布鲁诺·伯奇回顾道。他们需要找到设计隐形通道的方法,将液体引导到镜片中要矫正的区域,最重要的是要用两种液体制成一个可逆的微型泵。

“我们在里昂纳米技术研究所的帮助下开发了具专利的微流泵原理,该泵能够以极高的精度沿金属薄膜抽吸和推动液体。不过,上述一切都需要重新改造,因为新型眼镜中循环的液体所需容积达上百微升,远高于传统医疗植入设备的水平,后者往往只能处理纳升级或皮升级的液体。”

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出于工业保密的要求,布鲁诺·伯奇对流体的性质三缄其口……他只是承认,就算微流泵运行良好,液体传输的速度仍然太慢了。“新型眼镜的反应时间约为2秒,但我们希望在未来几个月内将其缩短。”实际上,要想舒适高效地使用眼镜(且具备商业卖点),必须将反应时间控制到1秒以内。

美国的项目采用了类似的原理,用镜片周围的压电致动器取代了泵和两种液体,从而利用电场来产生变形。“我们的眼镜的反应时间为20毫秒,远胜于Laclarée公司的产品。不过,我们的压电致动器难以小型化。”卡洛斯·马斯特兰赫洛坦言。

追踪系统

距离美国和法国两个实验室生产出原型机已过去好几个月,甚至已有多位老视患者试用了Laclarée的原型机。他们普遍反馈,原型机的使用体验优于配备渐进镜片的产品:远距离视野显示完整;中距离视野更宽;近距离视野更清晰。

另一个潜在的优势是,该系统适用于所有的矫正要求(近视、远视、散光),甚至可以在多年后进行调整。因此,这些眼镜无需更换镜片,只需返厂给镜架重新编程就能让镜片更好适应目前的需求。

然而,研究人员需要完善对这些仍处于准备阶段的原型机的视觉控制,因为就目前看来,眼镜检测到的佩戴者前方的物体和佩戴者真正看到的物体有时并不一样。“我们意识到了这一缺陷,正在考虑为下一代眼镜部署眼动追踪技术,即一种照相机追踪系统,能更精确地计算出矫正值。”布鲁诺·伯奇宣称。

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根据美国专利商标局(USPTO)近日向苹果授予的一项专利,新技术或允许苹果增强现实眼镜针对佩戴者的视力进行自动校正。

项目最后也是最重要的一个阶段是设备的小型化,使其看起来像一副真正的眼镜,而不是像现在这样的VR眼镜!“我们的产品已接近商业化量产的标准了,但继续减轻和改进设备的路并不好走。”卡洛斯·马斯特兰赫洛承认,他目前尚未考虑宣布其产品的上市时间。

另一方面,Laclarée公司刚刚开发出了更为简单的原型机,并宣布其首批产品有望在2021年投放市场……美国和法国两家公司谁会先冲过终点线?或许还要数年才能揭晓答案,请持续关注《新发现》的报道。

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