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新型螺旋形鏡片為視力矯正者帶來福音
一種新型的螺旋形鏡片有望面世﹐從而給矯正視力的鏡片和微型成像系統帶來新的進步。目前的成像技術﹐大多靠多焦點和擴展景深(EDOF)來實現。這種技術被用在計算成像和顯微鏡領域上﹐例如常用的智能手機鏡頭﹑穿戴式裝置﹑汽車和虛擬實境或單分子定位顯微鏡(SMLM)等都離不開緊湊型和高光學性能的鏡片。
不過﹐緊湊型和高光學性能的鏡片一般在堆積過程中容易有體積過大的問題﹐因此如何優化鏡片的外形尺寸﹐就變得十分重要。另外矯正老花眼﹑白內障摘除後植入人工水晶體或治療其它眼部疾病﹐都需要用到光學鏡片﹐但光學鏡片的設計或植入物皆受到眼睛大小和耐磨性的限制。
在矯正視力方面﹐醫學家為了讓鏡片可以實現EDOF或多焦點﹐通常使用繞射或折射去設計鏡片﹐但這可能導致眼睛出現虹膜張開敏感從而影響視覺。為解決上述問題﹐科學家們研發出一種基於自由曲面設計的鏡片﹐採用其中一個屈光度(透鏡焦度或視度)數值進行螺旋化﹐在產生光學渦流達到不同的光線和距離的情況下﹐依然能保持清晰的焦點﹐以實現EDOF或多焦點的條件。
這項技術對於現代要求鏡頭小型化和保持其光學品質來說至關重要﹐因為它潛在的應用可能會影響到其它領域。螺旋形鏡片由法國螺旋公司(SPIRAL SAS)董事兼總經理洛朗·加利尼爾(Laurent Galinier)發明﹐而他的靈感是在分析眼病患者嚴重角膜變形的光學特性時得到的。這個靈感促使他構思出一種具有獨特螺旋設計的鏡片﹐可以使光線出現旋轉﹐就像水流入下水道一樣而這種現象稱為「光學渦流」。它會產生多個清晰的焦點使鏡片能夠在不同的距離提供清晰的焦點。
隨後科學家對鏡片加以改進﹐克服鏡片存在的焦度分佈減弱和解析度下降的缺陷。他們利用先進的數位加工技術﹐以高精度塑造獨特的螺旋設計﹐從而製造出一個直徑10毫米(mm)的多焦點螺旋隱形眼鏡以便透過模擬技術和在焦度測量台上進行綜合評估。準備完畢後實驗人員將532奈米(nm)的雷射光做為光源並透過40微米(μm)的針孔和一些鏡片為光源做引導讓其能夠穿透這款隱形眼鏡以模擬光線透過緊湊型鏡片的樣子。
他們發現光源在與他們預設的四個不同焦點區域出現聚焦﹐且具有連續性﹐不過實際的聚焦形狀與模擬結果並不完全匹配。實驗人員將不匹配的原因歸於製造上的缺陷﹐但他們表示整體的實驗是成功。他們拿多焦點螺旋透片和傳統三焦點透片進行聚焦數目﹑焦點集中度和觀察字母「E」的清晰度比較測試﹐發現多焦點螺旋透鏡大多時候都要優於傳統三焦點透鏡且無論使用何種尺寸的光圈﹐它顯現的成像品質和聚焦密度都要比後者讓人滿意。
實驗人員表示﹐這次的研究成果給螺旋式鏡片與經典三焦點鏡片的性能比較提供了寶貴的見解﹐同時瞭解螺旋式鏡片具有獨立焦點和擴展聚焦範圍的優點﹐這些優點有望為穿戴式光學和超緊湊嵌入式成像系統領域開闢新的途徑。另外﹐這種鏡片的使用志願者也表示﹐他們在各種距離和照明條件下﹐視力都有明顯改善。
光學研究所聯合研究單位光子學﹑數值和奈米科學實驗室(LP2N)的伯特蘭·西蒙(Bertrand Simon)教授對該單位的新聞室表示﹐「這種新型的鏡片﹐與現有的多焦點鏡片不同﹐我們的鏡片在各種光線條件下﹑瞳孔大小都能保持多焦點且整體表現良好。」他接著說﹐「新的鏡片對於潛在的植入物使用者﹐或有老花眼的人來說﹐可以提供始終清晰的視力﹐這個成果可能會徹底改變整個眼科界。除了應用在眼科﹐這種鏡片的簡單設計還可以最大程度地用於緊湊型成像系統﹐因為它將簡化整個成像系統的設計﹐且無需的光學元件。」。
新型螺旋形鏡片發明人加利尼爾總經理表示﹐「以前創建光學渦流通常需要多個光學元件。這次我們發明的新鏡片將直接在其表面形成光學渦流﹐所需的元素都結合在一起﹐大大簡化了創造光學渦流的過程﹐這是光學領域的重大進步。」目前﹐研究人員正在努力瞭解他們的鏡頭產生的獨特光學渦流現象﹐同時計劃對矯正人們視力用鏡片進行系統性的測試﹐確定其在現實條件下的表現和優勢。此外﹐他們也在探索將這一概念應用到處方眼鏡的可能性﹐為使用者提供多距離的清晰視力。
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