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)的可穿戴設備，使用的是電信號、化學反應或材料變形技術。但是也有很多可穿戴設備依賴于光學技術：發(fā)射光直接進入皮膚，發(fā)揮治愈、監(jiān)控甚至是預測危險病癥的作用；被點亮的服裝，可以作為一種個人藝術表述或安全裝置；甚至還有光伏可穿戴設備，可用于為智能手機或其他可穿戴設備充電。

市場研究公司ABI Research預測，企業(yè)可穿戴設備（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600億美元。令人難以置信的是，市場研究公司IDTechEx預測，到2027年，可穿戴設備市場的規(guī)模將達到1500億美元。

也許我們很難將可穿戴設備納入光子學范疇，從理論上講，用于寵物的激光打標標簽或發(fā)光二極管（LED）項圈更適合光子學范疇。我們下面介紹的是一些較為復雜的技術密集型光子可穿戴設備，它們的問世也增加了上述數(shù)十億、上百億美元的消費預測的合理性。

人身安全和個性顯示

microLED技術公司不僅在探索該技術在視覺顯示領域的應用，同時也在探索該技術在個人可穿戴顯示器及指紋識別和手勢識別領域的應用，因為microLED技術微小的像素間距（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公司都在押寶這項技術，并且這兩家公司都有收購涉足microLED技術的公司。

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，實現(xiàn)個人可穿戴顯示的。

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

使用康寧公司的光纖技術開發(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到遠程目的地，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照明無法到達的地方。

“康寧公司已經(jīng)向大公司出售了長度達數(shù)百萬千米的光纖，但我們的目標是針對數(shù)百萬的消費者、可穿戴設備、游戲和汽車應用銷售幾米長的光纖。”硅谷新秀Versalume公司首席執(zhí)行官Mario Paniccia說道。

Versalume的解決方案在一個精巧的工業(yè)設計中集成了激光、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、綠光或藍光（639nm/515nm/450nm）激光器。此外，還有一個藍牙控制的RGB智能模塊，其帶有一個iOS應用程序，其中包括諸如加速度計、氣壓計、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。光纖本身的直徑為170μm，具有聚合物包層，彎曲直徑小于10mm，擴散長度0.5~50m。其較大的數(shù)值孔徑（0.53）可實現(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和顯示，還能照亮珠寶，或是作為一種新的時尚表達方式。，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用正在開發(fā)中。

健康與體質監(jiān)測

我們可能都聽說過用智能手機上的光譜儀來監(jiān)測健康和體質指標。該領域的下一個突破是：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，從而不再需要抽血測量。德克薩斯大學的研究人員已經(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、皮質醇和其他一些壓力和健康指標。^[1]

該設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和皮質醇水平，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）光學方法已經(jīng)證實了該傳感器適合消費者使用。

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、類似發(fā)帶狀的近紅外光譜裝置以及可穿戴顯微鏡等，這些可穿戴設備均可用于分析響應定點護理潛在條件的熒光信號變化。

除了監(jiān)測身體健康和體質的光子可穿戴設備外，光學技術也可用于治愈作用。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)射的藍光耦合到包裹在織物中的直徑160μm的聚合物光纖中，進而用于擊退新生兒黃疸。來自荷蘭皇家飛利浦公司的藍光可穿戴設備，最近獲得了美國的FDA批準，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)實的狀態(tài)中。Kinect由紅外激光二極管控制，它將人體的動作轉化為屏幕上虛擬化身的視覺運動。

然而不到十年后（第一代Kinect系統(tǒng)于2010推出），風靡全球的增強現(xiàn)實/虛擬現(xiàn)實/混合現(xiàn)實（VR / AR /MR）正在超越Kinect而使行動更接近人的身體，更重要的是，這類技術通過更小的可穿戴式耳機或眼鏡，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上的720像素、0.49英寸對角線OLED微型顯示器，在10英尺遠的地方觀看（見圖4）。

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

最近，Innovega公司通過提供最終的可穿戴設備來改變現(xiàn)實的體驗，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)實世界整合到一起，提供一種無損的增強現(xiàn)實和混合現(xiàn)實體驗，這種體驗完全超越了市場上的其他可穿戴設備。”該系統(tǒng)將隱形眼鏡（或手術植入的鏡片）與時尚眼鏡結合在一起。這種組合為用戶提供了一種高性能的娛樂和信息體驗。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。

當然，雖然許多可穿戴技術已經(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尚未進入消費市場。

例如光學糖尿病監(jiān)測范圍，正在從拉曼光譜方法向光學相干層析成像（OCT）技術探索。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血糖監(jiān)測技術。鑒于激光雷達在自動駕駛汽車領域的快速發(fā)展、3D傳感在智能手機中的快速發(fā)展，以及來自Masimo等公司的基于LED的醫(yī)療設備（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，將會以比我們想象得更快的速度，進入消費市場。

參考文獻

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