Flüssigkristalllinsen: Die Zukunft der Presbyopie-Korrektion?

In der Optometrie werden eine Vielzahl von Methoden genutzt, um der Presbyopie entgegenzuwirken. Diese reichen von operativen Verfahren bis hin zu diversen und Kontaktlinsen und Brillengläsern. Eine neu erforschte Möglichkeit stellt die autofokussierende Flüssigkristall (LC) Linsenbrille dar. Weiche LC-Materialien sind optisch aktive Materialien mit hoher Anpassbarkeit; aufgrund ihrer natürlichen optischen Anisotropie (Doppelbrechung) sind sie in der Lage, ihr räumliches doppelbrechendes Profil durch äußere Felder, zum Beispiel durch ein elektrisches Feld und begrenzende Oberflächen, zu verändern.¹ Das bedeutet, das Flüssigkristall wirkt als optisches Element mit variabler Brechkraft, ohne die Krümmung der Linsenoberfläche zu ändern.² Die Formänderung resultiert entweder aus einer Änderung des Flüssigkeitsdrucks durch Ein- und Auspumpen einer Hohlraumlinse oder aus mechanischer Verformung einer elastischen Membran, welche die Flüssigkeit innerhalb der Linse umschließt.^3,4 Je nach Form des Flüssigkeitshohlraums kann die Linse positiv oder negativ wirken. Der Vorteil von flüssigkeitsgefüllten Linsen ist ein breiter variabler Leistungsbereich und eine gute optische Qualität. Diese Art der Linsen sind jedoch nicht flach und erfordern Betriebsspannungen, um die Linsenkrümmung für Anwendungen mit großer Blende zu ändern.⁵

2015 hat das amerikanische Unternehmen LensVector bereits die erste Autofokustechnologie entwickelt, die auf LC-Linsentechnologie beruht und in Smartphone-Kameras eingesetzt wurden. Eine fokusabstimmbare LC-Linse mit großer Blende hat das Potenzial, auch Akkommodationsfehler des menschlichen Auges zu korrigieren und zugleich ein breites Blickfeld bereitzustellen.⁵ Um eine LC-Linse mit großer Blende mit angemessener optischer Leistung und Geschwindigkeit herzustellen, werden zwei Lösungen in Betracht gezogen. Zum einen das Stapeln mehrerer Zellen, was die optischen Eigenschaften, aber nicht die Reaktionszeit verbessert oder zum anderen das Einführen von Phasensegmenten mit einer ausreichend großen Breite, sodass die Beugung innerhalb der Auflösung des menschlichen Auges nicht wahrnehmbar ist. Die in der Studie von Jamali et al. (2020) ⁵ verwendete Linse besaß aufgrund der Materialbeschränkungen einen optischen Leistungsbereich von −0,715 dpt bis +0,715 dpt und hatte eine Fokusabstimmbarkeit von +1,50 dpt auf 0,00 dpt. Das Fokussiersystem besaß eine freie Blende von 20 mm und einen optischen Leistungsbereich von +1,43 dpt bis +0,06 dpt sowie eine maximale Treiberspannung von weniger als fünf Volt. In dieser Studie haben 20 Probanden eine direkte Bewertung vorgenommen. Die Probanden, 10 weiblich / 10 männlich, Alter zwischen 25 und 45 Jahre, verglichen den Seheindruck ohne Korrektion und mit Korrektion durch ein Glas mit +1,50 dpt sowie durch LC-Linse mit +1,43 dpt. Die Mehrheit der Probanden gab, wie erwartet, eine signifikante Verbesserung ihres Sehens bei Verwendung der Glaslinse an. Um den erfolgreichen Versuchsaufbau samt der neu entwickelten Linse auf eine tragbare Brille mit LC-­Linse zu übertragen, wird ein Eye-Tracking-System verwendet, um Pupillengröße und -position des menschlichen Auges zu verfolgen. Die Informationen vom Eye-Tracking-System werden dann an einen Prozessor gesendet, der die Antriebsspannung der entworfenen Linse steuert und die Brennweite des beschriebenen „Fokussiersystems“ des LC-Materials entsprechend ändert. Die schnelle Umschaltzeit des Linsensystems passt sich schnell der Linsenleistung an, ohne dass es unangenehm wahrgenommen wird. Das „Fokussiersystem“ hilft dem Benutzer, nähere und entferntere Objekte klar zu sehen, ohne das Sichtfeld einzuschränken.

Die Verwendung des LC-Materials, doppelt ITO-beschichtetes Glassubstrat mit 1 µm Dicke, ermöglicht eine Dicke von weniger als 2 mm und hat die Eigenschaften, flach und dünn zu sein mit möglichst großem Durchmesser, einer schnellen Reaktion und Niederspannungsantrieb. Der optische Leistungsbereich der Linse kann jedoch unter Verwendung eines LC-Materials mit höherem Doppelbrechungswert optimiert werden. Bereits 2017 haben Hasan et al.⁴ in einem experimentellen Versuchsaufbau LC-Linsen in ihrer Studie untersucht. Die optische Brechkraft der Linse lag zwischen −2,03 dpt bis +3,57 dpt für einen Spannungsbereich von −250 Volt bis +250 Volt. Das Objektiv hatte ohne Stromversorgung eine Offsetstärke von +0,78 dpt. Hasan et al. untersuchten in ihrer Studie zusätzlich die resultierenden Aberrationen. Hierzu wurde ein Shack-Hartmann-Wellenfrontsensor (SHS) (WFS150-7AR von ThorLabs) und eine kollimierte LED-Lichtquelle (M625L3-C1 von ThorLabs) mit einer Wellenlänge von 625 nm zur Messung der optischen Linsenleistung und der Wellenfrontaberration verwendet. Es stellte sich heraus, dass die Koma-Aberration bei der Offsetstärke am größten ausfiel und bei höherer optischer Leistung signifikant abnahm. Die sphärische Aberration war bei der Offsetfunktion sehr klein und nahm bei hoher optischer Leistung geringfügig zu. Die niedrigen Werte der sphärischen Aberration (von −0,068 μm bei +0,78 dpt bis −0,188 μm bei +3,00 dpt) wiesen auf die spannungsdominierte Membranauslenkung hin. Die beträchtliche Menge der Koma-Aberration ist mit einer Linsenformverzerrung zu begründen, da die Verformung der vorderen Membran der Wirkung der Schwerkraft und Kolbenkraft unterlag. Steht die Linse aufrecht auf ihrem Rand, erzeugt die Schwerkraft einen hydrostatischen Druck, der von oben nach unten linear ansteigt. Dieser hydrostatische Druck addiert sich zu dem des Kolbens und erzeugt so eine nicht-kugelförmige Verformung und eine asymmetrische Wölbung der Membran.

In der Studie von Karkhanis et al. (2022)⁶ wurden die LC-Linsen mit adaptiver Optik, variablem Fokus, einem Time-­of-Flight-Entfernungssensor und einer stromsparenden, dualen Mikroprozessor-Steuerelektronik, die in einem ergonomischen Rahmen untergebracht ist, in eine Brille eingearbeitet.6 Die LC-Linsenbrille wurde subjektiv an fünf Probanden mit präpresbyopische Akkommodationsniveau getestet. Jede Akkommodationskorrekturberechnung wurde in 67 ms durchgeführt, was 4,86 mJ Energie verbrauchte. Die optische Auflösung des Systems betrug 10,5 Zyklen/Grad und wies einen Akkommodationsbereich von 4,30 dpt auf. Dieses System konnte zwischen Ladezyklen bis zu 19 Stunden betrieben werden und wog etwa 132 Gramm. Durch die richtige Gestaltung der Gerätestruktur und die Auswahl der optimalen Materialien bieten LC-Linsen ein großes Potenzial für praktische Anwendungen. Der Antriebsmechanismus bestimmt die Anwendung und Leistung der Flüssiglinsen.³ LC-Linsen haben bereits jetzt erhebliche Auswirkungen auf Optik und Optometrie und deren Bedeutung wird mit der Erforschung neuer LC-Materialien und neuer Linsendesigns weiter zunehmen.² 

Literatur 

[1] Mur, U., Ravnik, M., Seč, D. (2022). Controllable Shifting, Steering, and Expanding of Light Beam Based on Multi-Layer Liquid-Crystal Cells. Sci. Rep., 12, 352.

[2] Lin, Y.-H., Wang, Y.-J., Reshetnyak, V. (2017). Liquid Crystal Lenses with Tunable Focal Length. Liq. Cryst. Rev., 5, 111–143.

[3] Chiu, C.-P., Chiang, T.-J., Chen, J.-K., Chang, F.-C., Ko, F.-H., Chu, C.-W., Kuo, S.-W., Fan, S.-K. (2012). Liquid Lenses and Driving Mechanisms: A Review. J. Adhes. Sci. Technol., 26, 1773–1788.

[4] Hasan, N., Banerjee, A., Kim, H., Mastrangelo, C. H. (2017). Tunable-Focus Lens for Adaptive Eyeglasses. Opt. Express, 25, 1221.

[5] Jamali, A., Bryant, D., Bhowmick, A. K., Bos, P. J. (2020). Large Area Liquid Crystal Lenses for Correction of Presbyopia. Opt. Express, 28, 33982.

[6] Karkhanis, M. U., Ghosh, C., Banerjee, A., Hasan, N.,Likhite, R., Ghosh, T., Kim, H., Mastrangelo, C. H. (2022). Correcting Presbyopia With Auto­focusing Liquid-Lens Eyeglasses. IEEE Trans. Biomed. Eng., 69, 390–400.