新型螺旋形镜片 为视力矫正者带来福音

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【大纪元2024年02月22日讯】(大纪元专题部记者吴瑞昌编译报导)一种新型的螺旋形镜片有望面世,从而给矫正视力的镜片和微型成像系统带来新的进步。

目前的成像技术,大多靠多焦点和扩展景深(EDOF)来实现。这种技术被用在计算成像和显微镜领域上,例如常用的智能手机镜头、穿戴式装置、汽车和虚拟实境,或单分子定位显微镜(SMLM)等都离不开紧凑型和高光学性能的镜片。

不过,紧凑型和高光学性能的镜片一般在堆积过程中容易有体积过大的问题,因此如何优化镜片的外形尺寸,就变得十分重要。另外,矫正老花眼、白内障摘除后植入人工水晶体,或治疗其它眼部疾病,都需要用到光学镜片,但光学镜片的设计或植入物,皆受到眼睛大小和耐磨性的限制。

在矫正视力方面,医学家为了让镜片可以实现EDOF或多焦点,通常使用绕射或折射去设计镜片,但这可能导致眼睛出现虹膜张开敏感,从而影响视觉。

为解决上述问题,科学家们研发出一种基于自由曲面设计的镜片,采用其中一个屈光度(透镜焦度或视度)数值进行螺旋化,在产生光学涡流达到不同的光线和距离的情况下,依然能保持清晰的焦点,以实现EDOF或多焦点的条件。

这项技术对于现代要求镜头小型化和保持其光学品质来说至关重要,因为它潜在的应用可能会影响到其它领域。螺旋形镜片由法国螺旋公司(SPIRAL SAS)董事兼总经理洛朗·加利尼尔(Laurent Galinier)发明,而他的灵感是在分析眼病患者严重角膜变形的光学特性时得到的。

这个灵感促使他构思出一种具有独特螺旋设计的镜片,可以使光线出现旋转,就像水流入下水道一样,而这种现象称为“光学涡流”。它会产生多个清晰的焦点,使镜片能够在不同的距离提供清晰的焦点。

随后,科学家对镜片加以改进,克服镜片存在的焦度分布减弱和解析度下降的缺陷。他们利用先进的数位加工技术,以高精度塑造独特的螺旋设计,从而制造出一个直径10毫米(mm)的多焦点螺旋隐形眼镜,以便透过模拟技术和在焦度测量台上进行综合评估。

准备完毕后,实验人员将532奈米(nm)的雷射光做为光源,并透过40微米(µm)的针孔和一些镜片为光源做引导,让其能够穿透这款隐形眼镜,以模拟光线透过紧凑型镜片的样子。

他们发现,光源在与他们预设的四个不同焦点区域出现聚焦,且具有连续性,不过实际的聚焦形状与模拟结果,并不完全匹配。实验人员将不匹配的原因归于制造上的缺陷,但他们表示整体的实验是成功。

他们拿多焦点螺旋透片和传统三焦点透片进行聚焦数目、焦点集中度和观察字母“E”的清晰度比较测试,发现多焦点螺旋透镜大多时候都要优于传统三焦点透镜,且无论使用何种尺寸的光圈,它显现的成像品质和聚焦密度都要比后者让人满意。

实验人员表示,这次的研究成果给螺旋式镜片与经典三焦点镜片的性能比较提供了宝贵的见解,同时了解螺旋式镜片具有独立焦点和扩展聚焦范围的优点,这些优点有望为穿戴式光学,和超紧凑嵌入式成像系统领域开辟新的途径。另外,这种镜片的使用志愿者也表示,他们在各种距离和照明条件下,视力都有明显改善。

这项成果于2月8日发表在《光学》期刊上。

光学研究所联合研究单位光子学、数值和奈米科学实验室(LP2N)的伯特兰·西蒙(Bertrand Simon)教授对该单位的新闻室表示,“这种新型的镜片,与现有的多焦点镜片不同,我们的镜片在各种光线条件下、瞳孔大小都能保持多焦点且整体表现良好。”

他接着说,“新的镜片对於潜在的植入物使用者,或有老花眼的人来说,可以提供始终清晰的视力,这个成果可能会彻底改变整个眼科界。除了应用在眼科,这种镜片的简单设计还可以最大程度地用于紧凑型成像系统,因为它将简化整个成像系统的设计,且无需的光学元件。”

新型螺旋形镜片发明人加利尼尔总经理表示,“以前,创建光学涡流通常需要多个光学元件。这次我们发明的新镜片将直接在其表面形成光学涡流,所需的元素都结合在一起,大大简化了创造光学涡流的过程,这是光学领域的重大进步。”

目前,研究人员正在努力了解他们的镜头产生的独特光学涡流现象,同时计划对矫正人们视力用镜片进行系统性的测试,确定其在现实条件下的表现和优势。此外,他们也在探索将这一概念应用到处方眼镜的可能性,为使用者提供多距离的清晰视力。◇

责任编辑:连书华

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