1、  前言

想象一下，無論要矯正近視還是老視、散光，如果有一種隱形眼鏡可以完全改善視力，但感覺就像根本沒有佩戴任何東西一樣。期待嗎？

結合前沿的自由曲面設計技術，來自法國的研究人員開發了一種新型螺旋設計的隱形眼鏡，提供比傳統隱形眼鏡更自然的視覺質量。比如需要老花鏡的近視人士可以通過這些鏡片享受更舒適的視覺體驗?？偟膩碚f，本文研究內容和帶來的行業影響總結如下：

研究內容：

1. 產品：螺旋屈光鏡片-具有多個焦點的創新鏡片，可在不同距離提供清晰視野。

2. 技術：光學渦旋技術-利用光相互作用提高多距離聚焦能力。

3. 應用：革命性的眼科視覺解決方案——顛覆性的進步可能會改變被用于顯著增強隱形眼鏡功能，以及用于白內障治療的眼內植入物。

行業影響：

1. 視光：創新的多焦點鏡片可能重新定義視力矯正行業標準。

2. 光子學：利用光學渦旋技術來增強光操作和聚焦應用的領域。

3. 醫療器械：探索眼科革命性解決方案，有可能解構視力矯正市場格局。

2、  背景理論

渦旋

自然界最常見的現象之一，它普遍存在于水、云及氣旋等經典宏觀系統中，也存在于超流體、超導體及波色–愛因斯坦凝聚等量子微觀系統中，被認為是波的一種固有形態特征。

光學渦旋

Optical vortex，也稱為光渦，是光學場中的零點，也就是光強度為零的點。自從約翰·奈和邁克爾·貝里在1974年提出全面性的論文后，就開始了許多光學渦旋性質的研究。在光學渦旋中，光會像螺旋開瓶器一般，沿著其軸扭轉。因為其扭轉，在軸的位置光會彼此相消。若投影在一平坦表面上，光學渦旋看起來會像一個光環，在中間有一個沒有光的黑色區域。這種螺旋形行進、中間黑暗的光，稱為光學渦旋。

軌道角動量

2019年，來自西班牙和美國的科研團隊宣布，他們發現了光的一種新特性——自扭矩特性。

這種屬性叫做角動量，具有高度結構化角動量的光束具有軌道角動量（OAM），這種攜帶OAM 的光束被稱為“渦旋光束”。它們看起來像一個圍繞共同中心的螺旋線，當光線撞擊一個平坦的表面時，可以發生扭曲，如下圖，光線看起來就像圍繞共同中心旋轉的螺旋。這一屬性此前從未被以往科學家預測過。研究人員認為，使用他們在實驗中的技術應該可以調制光的軌道角動量，其調制方式與通信設備中調制頻率的方式非常相似。這一發現將使科學家能夠以新的方式控制光的行為。

當時科學家預測，這個新發現的特性有一天可用它捕獲和操縱微觀粒子。在通信領域，它們通過允許操縱顏色、強度和偏振等光特性來實現更高的數據速率。它們還可能實現更精細的醫療診斷工具，將原子和分子激發到奇異狀態，使得微型和非規模機械的控制器成為可能。

3、  始于偶然的創新

法國波爾多有一個視光師同時也是為視覺科學家Laurent Galinier，一直在為因圓錐角膜疾病而導致角膜變薄和變形的患者研究設計符合這類患者角膜光學特性的隱形眼鏡。他在沒有完全理解這種現象的情況下，受到啟發，創造出了具有螺旋設計的新型隱形眼鏡。但是當時的他還不知道設計是基于什么科學原理，也不知道光學渦旋現象的存在。

偶然機會，他在銷售隱形眼鏡過程中，遇到了來自IOGS（波爾多光學研究所）的Bertrand Simon和Jean Augereau，后二者是光子學、數值學和納米科學實驗室（LP2N）的成員（一個由法國國家科學研究中心、波爾多光學研究所和波爾多大學組成的科研機構），并開始與他們合作。兩年后，他們進一步設計了這種創新型隱形眼鏡，現稱為螺旋屈光鏡片（Spiral diopter）。獨特的螺旋設計使光線旋轉，就像虹吸管中的水一樣，光束的這種特殊行為使鏡片能夠在不同距離和不同照明條件下提供清晰的焦點。

4、  成果發布

2024年2月，該隱形眼鏡的設計和涉及的物理現象解釋發表在國際期刊「Optica」，由雙方共同撰寫，Laurent Galinier為一作。

文章指出，在不斷發展的技術世界中，鏡片設計至關重要，從智能手機和可穿戴設備到車輛和虛擬現實，緊湊性和高光學性能是必需的。自由曲面設計技術雖能夠超越傳統的限制，但創造新的光學器件仍然是一個巨大的挑戰。在這里，研究者提出了一種基于自由曲面設計的鏡片類型，采用螺旋屈光設計，從而產生光學渦流。這使得多焦點成為可能，目前主要滿足眼科的需求。然而，它的潛在應用可能會廣泛影響許多其他領域。

圖：(a) 傳統散光鏡片和 (b) 螺旋鏡片之間的比較。對于每個鏡片，

4.1 新型螺旋屈光度鏡片

螺旋屈光鏡片模仿人眼的自然模式，提供更真實的視覺體驗。研究人員創造了一種直徑為10mm的新型隱形眼鏡。該鏡片設計獨特，在有效光學區采用螺旋設計，增強了其光學性能。

在研究中，該團隊使用 532nm 波長照明進行了兩次評估，以評估鏡片的性能。第一個基于模擬的評估使研究人員能夠觀察鏡片在不同照明條件下的表現。第二次評估將新創的螺旋鏡片與不同光圈和焦距的傳統三焦點鏡片進行了對比，展示了螺旋設計鏡片的顯著優勢，特別是在較大光圈時。光學系統的孔徑通過控制光穿過的開口的大小來限制光。

結果表明，螺旋鏡片比三焦點鏡片具有多個優點，特別是在較大光圈時。即使在較小的光圈下，螺旋鏡片也能保持其多焦點行為，這是三焦點鏡片所不具備的特征。

4.2 目前進展與計劃

研究人員利用先進的數字加工技術，以高精度塑造獨特的螺旋設計，從而制造出這款鏡片。然后，他們通過使用鏡片對數字“E”進行成像來驗證該鏡片。研究者觀察到，無論使用何種光圈大小，圖像質量仍然令人滿意。他們還發現，可以通過調整拓撲電荷來改變光學渦旋，拓撲電荷本質上是圍繞光軸的纏繞數。使用鏡片的志愿者還報告說，在各種距離和照明條件下，視力都有明顯改善。

研究人員現在正在努力更好地了解他們的鏡片產生的獨特光學渦流。為了進一步改進這些鏡頭，未來的研究應集中于優化設計參數，例如螺旋的形狀和分布，以提高各種光圈和聚焦區域的性能。

他們還計劃對鏡片矯正人們視力的能力進行系統臨床試驗（截止到4月20日筆者尚未找到其臨床試驗相關信息），以全面確定其在現實條件下的性能和優勢。此外，他們正在探索將該概念應用于處方眼鏡的可能性，這可能為用戶提供多距離的清晰視力。

4.3 專利

已申請spiral dioptre with meridians of different optical power專利（u.s20220244569a1）。當然不會放棄中國巨大的老視市場，以下為中國專利信息。圖片

5、 結語

綜上所述，螺旋屈光鏡片代表了多焦點光學技術的重大進步，將光學渦旋的優點與緊湊、可佩戴的設計相結合，并在該領域的進一步發展和應用具有廣闊的前景。

這項研究項目具有雙重新穎性。除了螺旋屈光技術的原創性本身，另外它與大多數研究采取了相反的路線，即先從應用開始，然后再轉向基礎理論知識。

除了眼科學，這一突破性成就為可穿戴光學和超緊湊嵌入式成像系統領域開辟了新途徑。這些新型隱形眼鏡還有可能在成像系統、照明和混合現實方面帶來重大進展。從非常實用的角度來看，可以想象比如汽車頭燈的照明更加聚焦，更小、更輕的相機鏡頭......

在這項研究中，還體現了跨學科合作的重要性，由臨床發明家的直覺與研究人員系統的觀察和解釋現象的研究方法相結合，可以形成真正的科學創新。