1、  前言

想象一下，无论要矫正近视还是老视、散光，如果有一种隐形眼镜可以完全改善视力，但感觉就像根本没有佩戴任何东西一样。期待吗？

结合前沿的自由曲面设计技术，来自法国的研究人员开发了一种新型螺旋设计的隐形眼镜，提供比传统隐形眼镜更自然的视觉质量。比如需要老花镜的近视人士可以通过这些镜片享受更舒适的视觉体验。总的来说，本文研究内容和带来的行业影响总结如下：

研究内容：

1. 产品：螺旋屈光镜片-具有多个焦点的创新镜片，可在不同距离提供清晰视野。

2. 技术：光学涡旋技术-利用光相互作用提高多距离聚焦能力。

3. 应用：革命性的眼科视觉解决方案——颠覆性的进步可能会改变被用于显著增强隐形眼镜功能，以及用于白内障治疗的眼内植入物。

行业影响：

1. 视光：创新的多焦点镜片可能重新定义视力矫正行业标准。

2. 光子学：利用光学涡旋技术来增强光操作和聚焦应用的领域。

3. 医疗器械：探索眼科革命性解决方案，有可能解构视力矫正市场格局。

2、  背景理论

涡旋

自然界最常见的现象之一，它普遍存在于水、云及气旋等经典宏观系统中，也存在于超流体、超导体及波色–爱因斯坦凝聚等量子微观系统中，被认为是波的一种固有形态特征。

光学涡旋

Optical vortex，也称为光涡，是光学场中的零点，也就是光强度为零的点。自从约翰·奈和迈克尔·贝里在1974年提出全面性的论文后，就开始了许多光学涡旋性质的研究。在光学涡旋中，光会像螺旋开瓶器一般，沿着其轴扭转。因为其扭转，在轴的位置光会彼此相消。若投影在一平坦表面上，光学涡旋看起来会像一个光环，在中间有一个没有光的黑色区域。这种螺旋形行进、中间黑暗的光，称为光学涡旋。

轨道角动量

2019年，来自西班牙和美国的科研团队宣布，他们发现了光的一种新特性——自扭矩特性。

这种属性叫做角动量，具有高度结构化角动量的光束具有轨道角动量（OAM），这种携带OAM 的光束被称为“涡旋光束”。它们看起来像一个围绕共同中心的螺旋线，当光线撞击一个平坦的表面时，可以发生扭曲，如下图，光线看起来就像围绕共同中心旋转的螺旋。这一属性此前从未被以往科学家预测过。研究人员认为，使用他们在实验中的技术应该可以调制光的轨道角动量，其调制方式与通信设备中调制频率的方式非常相似。这一发现将使科学家能够以新的方式控制光的行为。

当时科学家预测，这个新发现的特性有一天可用它捕获和操纵微观粒子。在通信领域，它们通过允许操纵颜色、强度和偏振等光特性来实现更高的数据速率。它们还可能实现更精细的医疗诊断工具，将原子和分子激发到奇异状态，使得微型和非规模机械的控制器成为可能。

3、  始于偶然的创新

法国波尔多有一个视光师同时也是为视觉科学家Laurent Galinier，一直在为因圆锥角膜疾病而导致角膜变薄和变形的患者研究设计符合这类患者角膜光学特性的隐形眼镜。他在没有完全理解这种现象的情况下，受到启发，创造出了具有螺旋设计的新型隐形眼镜。但是当时的他还不知道设计是基于什么科学原理，也不知道光学涡旋现象的存在。

偶然机会，他在销售隐形眼镜过程中，遇到了来自IOGS（波尔多光学研究所）的Bertrand Simon和Jean Augereau，后二者是光子学、数值学和纳米科学实验室（LP2N）的成员（一个由法国国家科学研究中心、波尔多光学研究所和波尔多大学组成的科研机构），并开始与他们合作。两年后，他们进一步设计了这种创新型隐形眼镜，现称为螺旋屈光镜片（Spiral diopter）。独特的螺旋设计使光线旋转，就像虹吸管中的水一样，光束的这种特殊行为使镜片能够在不同距离和不同照明条件下提供清晰的焦点。

4、  成果发布

2024年2月，该隐形眼镜的设计和涉及的物理现象解释发表在国际期刊「Optica」，由双方共同撰写，Laurent Galinier为一作。

文章指出，在不断发展的技术世界中，镜片设计至关重要，从智能手机和可穿戴设备到车辆和虚拟现实，紧凑性和高光学性能是必需的。自由曲面设计技术虽能够超越传统的限制，但创造新的光学器件仍然是一个巨大的挑战。在这里，研究者提出了一种基于自由曲面设计的镜片类型，采用螺旋屈光设计，从而产生光学涡流。这使得多焦点成为可能，目前主要满足眼科的需求。然而，它的潜在应用可能会广泛影响许多其他领域。

图：(a) 传统散光镜片和 (b) 螺旋镜片之间的比较。对于每个镜片，

4.1 新型螺旋屈光度镜片

螺旋屈光镜片模仿人眼的自然模式，提供更真实的视觉体验。研究人员创造了一种直径为10mm的新型隐形眼镜。该镜片设计独特，在有效光学区采用螺旋设计，增强了其光学性能。

在研究中，该团队使用 532nm 波长照明进行了两次评估，以评估镜片的性能。第一个基于模拟的评估使研究人员能够观察镜片在不同照明条件下的表现。第二次评估将新创的螺旋镜片与不同光圈和焦距的传统三焦点镜片进行了对比，展示了螺旋设计镜片的显著优势，特别是在较大光圈时。光学系统的孔径通过控制光穿过的开口的大小来限制光。

结果表明，螺旋镜片比三焦点镜片具有多个优点，特别是在较大光圈时。即使在较小的光圈下，螺旋镜片也能保持其多焦点行为，这是三焦点镜片所不具备的特征。

4.2 目前进展与计划

研究人员利用先进的数字加工技术，以高精度塑造独特的螺旋设计，从而制造出这款镜片。然后，他们通过使用镜片对数字“E”进行成像来验证该镜片。研究者观察到，无论使用何种光圈大小，图像质量仍然令人满意。他们还发现，可以通过调整拓扑电荷来改变光学涡旋，拓扑电荷本质上是围绕光轴的缠绕数。使用镜片的志愿者还报告说，在各种距离和照明条件下，视力都有明显改善。

研究人员现在正在努力更好地了解他们的镜片产生的独特光学涡流。为了进一步改进这些镜头，未来的研究应集中于优化设计参数，例如螺旋的形状和分布，以提高各种光圈和聚焦区域的性能。

他们还计划对镜片矫正人们视力的能力进行系统临床试验（截止到4月20日笔者尚未找到其临床试验相关信息），以全面确定其在现实条件下的性能和优势。此外，他们正在探索将该概念应用于处方眼镜的可能性，这可能为用户提供多距离的清晰视力。

4.3 专利

已申请spiral dioptre with meridians of different optical power专利（u.s20220244569a1）。当然不会放弃中国巨大的老视市场，以下为中国专利信息。图片

5、 结语

综上所述，螺旋屈光镜片代表了多焦点光学技术的重大进步，将光学涡旋的优点与紧凑、可佩戴的设计相结合，并在该领域的进一步发展和应用具有广阔的前景。

这项研究项目具有双重新颖性。除了螺旋屈光技术的原创性本身，另外它与大多数研究采取了相反的路线，即先从应用开始，然后再转向基础理论知识。

除了眼科学，这一突破性成就为可穿戴光学和超紧凑嵌入式成像系统领域开辟了新途径。这些新型隐形眼镜还有可能在成像系统、照明和混合现实方面带来重大进展。从非常实用的角度来看，可以想象比如汽车头灯的照明更加聚焦，更小、更轻的相机镜头......

在这项研究中，还体现了跨学科合作的重要性，由临床发明家的直觉与研究人员系统的观察和解释现象的研究方法相结合，可以形成真正的科学创新。