文/Gail Overton

許多用于顯示信息或跟蹤個(gè)人健康或醫(yī)療參數(shù)的可穿戴設(shè)備，使用的是電信號(hào)、化學(xué)反應(yīng)或材料變形技術(shù)。但是也有很多可穿戴設(shè)備依賴于光學(xué)技術(shù)：發(fā)射光直接進(jìn)入皮膚，發(fā)揮治愈、監(jiān)控甚至是預(yù)測(cè)危險(xiǎn)病癥的作用；被點(diǎn)亮的服裝，可以作為一種個(gè)人藝術(shù)表述或安全裝置；甚至還有光伏可穿戴設(shè)備，可用于為智能手機(jī)或其他可穿戴設(shè)備充電。

市場(chǎng)研究公司ABI Research預(yù)測(cè)，企業(yè)可穿戴設(shè)備（包括智能手表、智能眼鏡和可穿戴式掃描儀）的市場(chǎng)規(guī)模將從2017年的106億美元增長(zhǎng)到到2022年的高達(dá)600億美元。令人難以置信的是，市場(chǎng)研究公司IDTechEx預(yù)測(cè)，到2027年，可穿戴設(shè)備市場(chǎng)的規(guī)模將達(dá)到1500億美元。

也許我們很難將可穿戴設(shè)備納入光子學(xué)范疇，從理論上講，用于寵物的激光打標(biāo)標(biāo)簽或發(fā)光二極管（LED）項(xiàng)圈更適合光子學(xué)范疇。我們下面介紹的是一些較為復(fù)雜的技術(shù)密集型光子可穿戴設(shè)備，它們的問世也增加了上述數(shù)十億、上百億美元的消費(fèi)預(yù)測(cè)的合理性。

人身安全和個(gè)性顯示

microLED技術(shù)公司不僅在探索該技術(shù)在視覺顯示領(lǐng)域的應(yīng)用，同時(shí)也在探索該技術(shù)在個(gè)人可穿戴顯示器及指紋識(shí)別和手勢(shì)識(shí)別領(lǐng)域的應(yīng)用，因?yàn)閙icroLED技術(shù)微小的像素間距（直徑1~10μm，間隔距離1mm，比液晶顯示和OLED顯示更具能量效率）可以在柔性襯底上制作，并且還可以在柔性襯底上整合電子電路，用于實(shí)現(xiàn)傳感功能（見圖1）。

目前蘋果公司和Oculus公司都在押寶這項(xiàng)技術(shù)，并且這兩家公司都有收購(gòu)涉足microLED技術(shù)的公司。

圖1：microLED面板顯示了微小、緊密排列的像素是如何集成到柔性材料中，實(shí)現(xiàn)個(gè)人可穿戴顯示的。

Luminit公司甚至設(shè)計(jì)了微擴(kuò)散技術(shù)，來提高近距離觀看時(shí)像素化microLED的視覺吸引力。擴(kuò)散器包括嵌入在聚酯或聚碳酸酯膜上的全息光整形擴(kuò)散器（LSD）微結(jié)構(gòu)，其放置位置距離microLED表面10μm。根據(jù)選擇的LSD結(jié)構(gòu)，擴(kuò)散器可以將光擴(kuò)散到不同的自定義光束角度。

使用康寧公司的光纖技術(shù)開發(fā)的一種稱為Fibrance可穿戴產(chǎn)品，現(xiàn)在已經(jīng)商業(yè)化。Fibrance不是用最小的損失將光引導(dǎo)到遠(yuǎn)程目的地，而是使用有損光纖，沿其長(zhǎng)度均勻發(fā)光，并將光帶到體狀的或分布式microLED或OLED照明無法到達(dá)的地方。

“康寧公司已經(jīng)向大公司出售了長(zhǎng)度達(dá)數(shù)百萬(wàn)千米的光纖，但我們的目標(biāo)是針對(duì)數(shù)百萬(wàn)的消費(fèi)者、可穿戴設(shè)備、游戲和汽車應(yīng)用銷售幾米長(zhǎng)的光纖。”硅谷新秀Versalume公司首席執(zhí)行官M(fèi)ario Paniccia說道。

Versalume的解決方案在一個(gè)精巧的工業(yè)設(shè)計(jì)中集成了激光、電子、光纖、電池和軟件，它讓用戶將主要精力集中到應(yīng)用上，以便能更加容易地把他們的產(chǎn)品推向市場(chǎng)。Versalume的單色產(chǎn)品有紅光、綠光或藍(lán)光（639nm/515nm/450nm）激光器。此外，還有一個(gè)藍(lán)牙控制的RGB智能模塊，其帶有一個(gè)iOS應(yīng)用程序，其中包括諸如加速度計(jì)、氣壓計(jì)、溫度監(jiān)視器和陀螺儀之類的傳感器，并且可以工作在連續(xù)、閃爍、暗淡等多種模式。

Versalume的解決方案還提供FC或LC連接選項(xiàng)。光纖本身的直徑為170μm，具有聚合物包層，彎曲直徑小于10mm，擴(kuò)散長(zhǎng)度0.5~50m。其較大的數(shù)值孔徑（0.53）可實(shí)現(xiàn)可見光、近紅外光和紫外激光二極管的低損耗耦合。

Versalume的模塊面對(duì)的一項(xiàng)巨大的可穿戴照明挑戰(zhàn)是：用于照亮光纖的功率/控制器模塊的體積和重量。畢竟，大多數(shù)LED或電致發(fā)光板的T恤均使用兩節(jié)AA電池供電。

雖然說服消費(fèi)者接受“激光照明的光纖對(duì)眼睛和身體是安全的”這一概念有些困難，但Paniccia公司還是通過其輕薄的柔性產(chǎn)品贏得了消費(fèi)者的青睞，作為一款可穿戴的帽子，其不僅能在帽子上彰顯個(gè)性化表達(dá)和顯示，還能照亮珠寶，或是作為一種新的時(shí)尚表達(dá)方式。，此外，Paniccia公司也在努力將霓虹燈般的光纖植入到汽車顯示、頭盔顯示、游戲PC和建筑照明中，并率先開發(fā)輕量化、低功耗模塊，目的是提升建筑/公路施工者、夜晚騎行者以及遛狗者的安全性（見圖2）。

圖2：Versalume公司正在商業(yè)化康寧公司的Fibrance光纖，用于個(gè)人時(shí)尚和安全目的，另外還有許多其他應(yīng)用正在開發(fā)中。

健康與體質(zhì)監(jiān)測(cè)

我們可能都聽說過用智能手機(jī)上的光譜儀來監(jiān)測(cè)健康和體質(zhì)指標(biāo)。該領(lǐng)域的下一個(gè)突破是：用無創(chuàng)施加到人體皮膚上的光譜儀來測(cè)量人體的血糖等體征指標(biāo)，從而不再需要抽血測(cè)量。德克薩斯大學(xué)的研究人員已經(jīng)開發(fā)出了一種傳感器，這種傳感器可以佩戴在手腕上或其他與皮膚的地方，用于監(jiān)控人體的血糖、皮質(zhì)醇和其他一些壓力和健康指標(biāo)。^[1]

該設(shè)備使用位于納米多孔聚酰胺基底上的氧化鋅（ZnO）薄膜，可以確定人體汗水中的蛋白質(zhì)和皮質(zhì)醇水平，以揭示人體的某些健康狀況。傅立葉變換紅外光譜（FTIR）和動(dòng)態(tài)光散射（DLS）光學(xué)方法已經(jīng)證實(shí)了該傳感器適合消費(fèi)者使用。

另外，還有專門用于血糖檢測(cè)的產(chǎn)品。德國(guó)法蘭克福大學(xué)的研究人員正在利用光聲光譜（PAS）來獲得中紅外光譜，其吸收葡萄糖分子產(chǎn)生一個(gè)聲音信號(hào)，用于記錄皮膚細(xì)胞中的血糖水平。

此外還有一些新的報(bào)道，比如太陽(yáng)能供電的拇指大小的紫外劑量計(jì)、類似發(fā)帶狀的近紅外光譜裝置以及可穿戴顯微鏡等，這些可穿戴設(shè)備均可用于分析響應(yīng)定點(diǎn)護(hù)理潛在條件的熒光信號(hào)變化。

除了監(jiān)測(cè)身體健康和體質(zhì)的光子可穿戴設(shè)備外，光學(xué)技術(shù)也可用于治愈作用。瑞士Biomimetic Membranes and Textiles的研究人員開發(fā)了一種可洗的耐穿光子服，其通過將LED發(fā)射的藍(lán)光耦合到包裹在織物中的直徑160μm的聚合物光纖中，進(jìn)而用于擊退新生兒黃疸。來自荷蘭皇家飛利浦公司的藍(lán)光可穿戴設(shè)備，最近獲得了美國(guó)的FDA批準(zhǔn)，用于治療輕度銀屑病。澳洲瑞泰姆生物眼鏡（Re -Timer眼鏡），在澳大利亞的零售價(jià)為299美元；還有發(fā)射500nm藍(lán)綠光的超薄可穿戴眼鏡，據(jù)說每天戴上大約60分鐘，可以改善睡眠，減少疲勞，能讓輪班制工人在夜間工作時(shí)，更好地管理他們的警覺水平（見圖3）。

圖3：Re-Timer眼鏡發(fā)射500nm的藍(lán)綠光，可用于減少疲勞，改善睡眠，提高倒班工人的警覺度。

超越Kinect

還記得微軟的Kinect系統(tǒng)問世的時(shí)候，很多人都在自家的客廳里像孩子一樣用他們的肢體動(dòng)作來打高爾夫球，或是開跑車。Kinect的想法讓人的身體沉浸在一個(gè)改變現(xiàn)實(shí)的狀態(tài)中。Kinect由紅外激光二極管控制，它將人體的動(dòng)作轉(zhuǎn)化為屏幕上虛擬化身的視覺運(yùn)動(dòng)。

然而不到十年后（第一代Kinect系統(tǒng)于2010推出），風(fēng)靡全球的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)/虛擬現(xiàn)實(shí)/混合現(xiàn)實(shí)（VR / AR /MR）正在超越Kinect而使行動(dòng)更接近人的身體，更重要的是，這類技術(shù)通過更小的可穿戴式耳機(jī)或眼鏡，能夠更接近人的大腦和思維過程。

在拉斯維加斯舉行的2018消費(fèi)電子展（CES）上，Kopin公司推出了AR/VR Eagle可穿戴家庭影院，這是Kopin與Pico Interactive公司聯(lián)合開發(fā)的產(chǎn)品，其相當(dāng)于一個(gè)80英寸的大屏幕。Eagle可穿戴家庭影院具有高清屏幕（分辨率1280×720），可以通過位于超薄耳機(jī)上的720像素、0.49英寸對(duì)角線OLED微型顯示器，在10英尺遠(yuǎn)的地方觀看（見圖4）。

圖4：在2018消費(fèi)電子展上，Eagle家庭影院系統(tǒng)亮相，其通過超薄耳機(jī)實(shí)現(xiàn)了觀看80英寸高清電視的體驗(yàn)。

最近，Innovega公司通過提供最終的可穿戴設(shè)備來改變現(xiàn)實(shí)的體驗(yàn)，又比一些大塊頭的AR/VR觀看眼鏡超前一步。2018年1月發(fā)布的新聞稿中寫道，“Innovega公司的系列專利，將允許穿戴者將數(shù)字世界和現(xiàn)實(shí)世界整合到一起，提供一種無損的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和混合現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)，這種體驗(yàn)完全超越了市場(chǎng)上的其他可穿戴設(shè)備。”該系統(tǒng)將隱形眼鏡（或手術(shù)植入的鏡片）與時(shí)尚眼鏡結(jié)合在一起。這種組合為用戶提供了一種高性能的娛樂和信息體驗(yàn)。Innovega公司的專利讓人想起谷歌智能隱形眼鏡，它們基本上是在人的眼睛中植入了一個(gè)電腦。

當(dāng)然，雖然許多可穿戴技術(shù)已經(jīng)商業(yè)化或正處于商業(yè)開發(fā)中，仍然有更多的可穿戴技術(shù)尚未進(jìn)入消費(fèi)市場(chǎng)。

例如光學(xué)糖尿病監(jiān)測(cè)范圍，正在從拉曼光譜方法向光學(xué)相干層析成像（OCT）技術(shù)探索。然而到目前為止，市面上還沒有一種可供大眾使用的單一光學(xué)血糖監(jiān)測(cè)技術(shù)。鑒于激光雷達(dá)在自動(dòng)駕駛汽車領(lǐng)域的快速發(fā)展、3D傳感在智能手機(jī)中的快速發(fā)展，以及來自Masimo等公司的基于LED的醫(yī)療設(shè)備（如脈搏血氧儀）的成功，毫無疑問，尚處于產(chǎn)品原型階段的光子可穿戴技術(shù)，將會(huì)以比我們想象得更快的速度，進(jìn)入消費(fèi)市場(chǎng)。

參考文獻(xiàn)

1. H. Huu Le et al., Int. J. Phys. Math. Sci., 11, 5, 202–205 (2017).