文/Gail Overton

許多用于顯示信息或跟蹤個人健康或醫(yī)療參數(shù)的可穿戴設(shè)備，使用的是電信號、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)測危險病癥的作用；被點(diǎn)亮的服裝，可以作為一種個人藝術(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。

市場研究公司ABI Research預(yù)測，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）的市場規(guī)模將從2017年的106億美元增長到到2022年的高達(dá)600億美元。令人難以置信的是，市場研究公司IDTechEx預(yù)測，到2027年，可穿戴設(shè)備市場的規(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)測的合理性。

人身安全和個性顯示

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，同時也在探索該技術(shù)在個人可穿戴顯示器及指紋識別和手勢識別領(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)向大公司出售了長度達(dá)數(shù)百萬千米的光纖，但我們的目標(biāo)是針對數(shù)百萬的消費(fèi)者、可穿戴設(shè)備、游戲和汽車應(yīng)用銷售幾米長的光纖。”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。Versalume的單色產(chǎn)品有紅光、綠光或藍(lán)光（639nm/515nm/450nm）激光器。此外，還有一個藍(lán)牙控制的RGB智能模塊，其帶有一個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性化表達(dá)和顯示，還能照亮珠寶，或是作為一種新的時尚表達(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，用于個人時尚和安全目的，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

我們可能都聽說過用智能手機(jī)上的光譜儀來監(jiān)測健康和體質(zhì)指標(biāo)。該領(lǐng)域的下一個突破是：用無創(chuàng)施加到人體皮膚上的光譜儀來測量人體的血糖等體征指標(biāo)，從而不再需要抽血測量。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的產(chǎn)品。德國法蘭克福大學(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)生一個聲音信號，用于記錄皮膚細(xì)胞中的血糖水平。

此外還有一些新的報道，比如太陽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變化。

除了監(jiān)測身體健康和體質(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，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)問世的時候，很多人都在自家的客廳里像孩子一樣用他們的肢體動作來打高爾夫球，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，它將人體的動作轉(zhuǎn)化為屏幕上虛擬化身的視覺運(yùn)動。

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。

例如光學(xué)糖尿病監(jiān)測范圍，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)測技術(shù)。鑒于激光雷達(dá)在自動駕駛汽車領(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)，將會以比我們想象得更快的速度，進(jìn)入消費(fèi)市場。

參考文獻(xiàn)

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