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物理學家研發出反雷射裝置

peregrine
・2011/02/24 ・881字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 537 ・八年級

顛覆物理!引人矚目,美國耶魯大學(Yale University in the US)的一群研究人員研發出一種反雷射裝置,能夠幾乎完全吸收進入之相干光束(coherent light beams)。該項研發是以去年夏天發表的一項理論性研究為基礎。在此研究中,Douglas Stone及其耶魯大學的同僚們聲稱此一系統,在他們稱為相干完美吸收器(coherent perfect absorber)的裝置中,是有可能實現的。此設備並非使用雷射來產生相干光束,而是吸收到來的相干光,並將其轉變成熱或電。

圖片取自原文網址

目前,與耶魯大學實驗物理學家們組成團隊的Stone藉由在矽晶片內部產生干擾陷阱(interference trap),製作了該裝置的一種版本。將原本從單一雷射束分開的兩個射束導引到上述晶片的兩端,且固定住它們的波長,因而建立了干擾模式。以此方式,此些光波被無限期地困住,而在晶片內部來回彈跳,結果這兩射束有99.4%被轉變成熱。

該團隊表明,並無理論上的理由使此技術無法百分百吸收光。研究人員也確信,當前該裝置直徑1公分的尺寸,能縮減到僅6微米(µm)。Stone宣稱:「出乎意外地,該種倒轉雷射射出過程的可能性,先前未被認真地討論或研究過。」

專注於應用面

Stone團隊認為,該反雷射裝置顯示了諸多令人振奮的應用。此些應用可能包括頻率為太拉赫(Terahertz,相當於1012赫)之雷射型感知器所使用的濾器(filters),可用來察覺於廣大熱干擾(thermal noise)背景中,散射回之微弱雷射信號的生物製劑或污染物。

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另一構想是在醫療應用上,利用該裝置作為一種防輻射物(shield),來使外科醫師能更精確地將雷射束對準如腫瘤等有害的生物組織。Stone解釋:「利用他們的技術,一組經適當操縱的入射光波能穿透深入此類居間物(medium)且僅於中心被吸收,而使能量能遞送到指定的區域。」

該團隊也推斷,藉由添加另一「控制」束,能控制該裝置觸發1%到近乎100%的吸收。在半導體積體光學電路中,上述屬性可能使該裝置能發揮如同光學開關(optical switches)、調光器(modulators)及檢波器(detectors)的作用。

不過,所有此類裝置的一項限制是,此些裝置僅能在特定波長下運作,意味在光伏特電池(photovoltaic cells)或偽裝裝置(cloaking devices)方面,該項技術不會特別具實用性。

原文網址:http://physicsworld.com/cws/article/news/45151
本文轉載自PEREGRINE科學點滴
翻譯:peregrine | 校對:Portnoy

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peregrine
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ECU: 汽車大腦的演化與挑戰
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/07/02 ・3793字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文與 威力暘電子 合作,泛科學企劃執行。

想像一下,當你每天啟動汽車時,啟動的不再只是一台車,而是一百台電腦同步運作。但如果這些「電腦」突然集體當機,後果會有多嚴重?方向盤可能瞬間失靈,安全氣囊無法啟動,整台車就像失控的高科技廢鐵。這樣的「系統崩潰」風險並非誇張劇情,而是真實存在於你我日常的駕駛過程中。

今天,我們將深入探討汽車電子系統「逆天改運」的科學奧秘。究竟,汽車的「大腦」—電子控制單元(ECU),是如何從單一功能,暴增至上百個獨立系統?而全球頂尖的工程師們,又為何正傾盡全力,試圖將這些複雜的系統「砍掉重練」、整合優化?

第一顆「汽車大腦」的誕生

時間回到 1980 年代,當時的汽車工程師們面臨一項重要任務:如何把汽油引擎的每一滴燃油都壓榨出最大動力?「省油即省錢」是放諸四海皆準的道理。他們發現,關鍵其實潛藏在一個微小到幾乎難以察覺的瞬間:火星塞的點火時機,也就是「點火正時」。

如果能把點火的精準度控制在「兩毫秒」以內,這大約是你眨眼時間的百分之一到千分之一!引擎效率就能提升整整一成!這不僅意味著車子開起來更順暢,還能直接省下一成的油耗。那麼,要如何跨過這道門檻?答案就是:「電腦」的加入!

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工程師們引入了「微控制器」(Microcontroller),你可以把它想像成一顆專注於特定任務的迷你電腦晶片。它能即時讀取引擎轉速、進氣壓力、油門深度、甚至異常爆震等各種感測器的訊號。透過內建的演算法,在千分之一秒、甚至微秒等級的時間內,精準計算出最佳的點火角度,並立刻執行。

從此,引擎的性能表現大躍進,油耗也更漂亮。這正是汽車電子控制單元(ECU)的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)。

汽車電子控制單元的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)/ 圖片來源:shutterstock

ECU 的失控暴增與甜蜜的負荷

第一顆 ECU 的成功,在 1980 年代後期點燃了工程師們的想像:「這 ECU 這麼好用,其他地方是不是也能用?」於是,ECU 的應用範圍不再僅限於點火,燃油噴射量、怠速穩定性、變速箱換檔平順度、ABS 防鎖死煞車,甚至安全氣囊的引爆時機……各種功能都交給專屬的 ECU 負責 。

然而,問題來了:這麼多「小電腦」,它們之間該如何有效溝通?

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為了解決這個問題,1986 年,德國的博世(Bosch)公司推出了一項劃時代的發明:控制器區域網路(CAN Bus)。你可以將它想像成一條專為 ECU 打造的「神經網路」。各個 ECU 只需連接到這條共用的線路上,就能將訊息「廣播」給其他單元。

更重要的是,CAN Bus 還具備「優先通行」機制。例如,煞車指令或安全氣囊引爆訊號這類攸關人命的重要訊息,絕對能搶先通過,避免因資訊堵塞而延誤。儘管 CAN Bus 解決了 ECU 之間的溝通問題,但每顆 ECU 依然需要獨立的電源線、接地線,並連接各種感測器和致動器。結果就是,一輛汽車的電線總長度可能達到 2 到 4 公里,總重量更高達 50 到 60 公斤,等同於憑空多載了一位乘客的重量。

另一方面,大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。更別提這些密密麻麻的線束,簡直是設計師和維修技師的惡夢。要檢修這些電子故障,無疑讓人一個頭兩個大。

大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。/圖片來源:shutterstock

汽車電子革命:從「百腦亂舞」到集中治理

到了2010年代,汽車電子架構迎來一場大改革,「分區架構(Zonal Architecture)」搭配「中央高效能運算(HPC)」逐漸成為主流。簡單來說,這就像在車內建立「地方政府+中央政府」的管理系統。

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可以想像,整輛車被劃分為幾個大型區域,像是車頭、車尾、車身兩側與駕駛艙,就像數個「大都會」。每個區域控制單元(ZCU)就像「市政府」,負責收集該區所有的感測器訊號、初步處理與整合,並直接驅動該區的馬達、燈光等致動器。區域先自理,就不必大小事都等中央拍板。

而「中央政府」則由車用高效能運算平台(HPC)擔任,統籌負責更複雜的運算任務,例如先進駕駛輔助系統(ADAS)所需的環境感知、物體辨識,或是車載娛樂系統、導航功能,甚至是未來自動駕駛的決策,通通交由車輛正中央的這顆「超級大腦」執行。

乘著這波汽車電子架構的轉型浪潮中, 2008 年成立的台灣本土企業威力暘電子,便精準地切入了這個趨勢,致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台。他們專精於開發電子排檔、多功能方向盤等各式汽車電子控制模組。為了確保各部件之間的溝通順暢,威力暘提供的解決方案,就像是將好幾個「分區管理員」的職責,甚至一部分「超級大腦」的功能,都整合到一個更強大的硬體平台上。

這些模組不僅擁有強大的晶片運算能力,可同時支援 ADAS 與車載娛樂,還能兼容多種通訊協定,大幅簡化車內網路架構。如此一來,車廠在追求輕量化和高效率的同時,也能顧及穩定性與安全性。

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2008 年威力暘電子致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台 /圖片來源:shutterstock

萬無一失的「汽車大腦」:威力暘的四大策略

然而,「做出來」與「做好」之間,還是有差別。要如何確保這顆集結所有功能的「汽車大腦」不出錯?具體來說,威力暘電子憑藉以下四大策略,築起其產品的可靠性與安全性:

  1. AUTOSAR : 導入開放且標準化的汽車軟體架構 AUTOSAR。分為應用層、運行環境層(RTE)和基礎軟體層(BSW)。就像在玩「樂高積木」,ECU 開發者能靈活組合模組,專注在核心功能開發,從根本上提升軟體的穩定性和可靠性。
  2. V-Model 開發流程:這是一種強調嚴謹、能在早期發現錯誤的軟體開發流程。就像打勾 V 字形般,左側從上而下逐步執行,右側則由下而上層層檢驗,確保每個階段的安全要求都確實落實。
  3. 基於模型的設計 MBD(Model-Based Design) 威力暘的工程師們會利用 MatLab®/Simulink® 等工具,把整個 ECU 要控制的系統(如煞車),用數學模型搭建起來,然後在虛擬環境中進行大量的模擬和測試。這等於在實體 ECU 誕生前,就能在「數位雙生」世界中反覆演練、預先排除設計缺陷,,並驗證安全機制是否有效。
  4. Automotive SPICE (ASPICE) : ASPICE 是國際公認的汽車軟體「品質管理系統」,它不直接評估最終 ECU 產品本身的安全性,而是深入檢視團隊在軟體開發的「整個過程」,也就是「方法論」和「管理紀律」是否夠成熟、夠系統化,並只根據數據來評估品質。

既然 ECU 掌管了整輛車的運作,其能否正常運作,自然被視為最優先項目。為此,威力暘嚴格遵循汽車業中一本堪稱「安全聖經」的國際標準:ISO 26262。這套國際標準可視為一本針對汽車電子電氣系統(特別是 ECU)的「超嚴格品管手冊」和「開發流程指南」,從概念、設計、測試到生產和報廢,都詳細規範了每個安全要求和驗證方法,唯一目標就是把任何潛在風險降到最低

有了上述這四項策略,威力暘確保其產品從設計、生產到交付都符合嚴苛的安全標準,才能通過 ISO 26262 的嚴格檢驗。

然而,ECU 的演進並未就此停下腳步。當ECU 的數量開始精簡,「大腦」變得更集中、更強大後,汽車產業又迎來了新一波革命:「軟體定義汽車」(Software-Defined Vehicle, SDV)。

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軟體定義汽車 SDV:你的愛車也能「升級」!

未來的汽車,會越來越像你手中的智慧型手機。過去,車輛功能在出廠時幾乎就「定終身」,想升級?多半只能換車。但在軟體定義汽車(SDV)時代,汽車將搖身一變成為具備強大運算能力與高速網路連線的「行動伺服器」,能夠「二次覺醒」、不斷升級。透過 OTA(Over-the-Air)技術,車廠能像推送 App 更新一樣,遠端傳送新功能、性能優化或安全修補包到你的車上。

不過,這種美好願景也將帶來全新的挑戰:資安風險。當汽車連上網路,就等於向駭客敞開潛在的攻擊入口。如果車上的 ECU 或雲端伺服器被駭,輕則個資外洩,重則車輛被遠端鎖定或惡意操控。為了打造安全的 SDV,業界必須遵循像 ISO 21434 這樣的車用資安標準。

威力暘電子運用前面提到的四大核心策略,確保自家產品能符合從 ISO 26262 到 ISO 21434 的國際認證。從品質管理、軟體開發流程,到安全認證,這些努力,讓威力暘的模組擁有最高的網路與功能安全。他們的產品不僅展現「台灣智造」的彈性與創新,也擁有與國際大廠比肩的「車規級可靠度」。憑藉這些實力,威力暘已成功打進日本 YAMAHA、Toyota,以及歐美 ZF、Autoliv 等全球一線供應鏈,更成為 DENSO 在台灣少數核准的控制模組夥伴,以商用車熱系統專案成功打入日系核心供應鏈,並自 2025 年起與 DENSO 共同展開平台化量產,驗證其流程與品質。

毫無疑問,未來車輛將有更多運作交由電腦與 AI 判斷,交由電腦判斷,比交由人類駕駛還要安全的那一天,離我們不遠了。而人類的角色,將從操作者轉為監督者,負責在故障或斷網時擔任最後的保險。透過科技讓車子更聰明、更安全,人類甘願當一個「最弱兵器」,其實也不錯!

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科學不只是數據,還能看到想要的東西──專訪高甫仁教授
顯微觀點_96
・2024/08/29 ・2167字 ・閱讀時間約 4 分鐘

本文轉載自顯微觀點

2018 年,陽明大學生醫光電研究所教授高甫仁在台北的「未來科技展」上,展示出一種直徑遠小於市面產品的內視鏡,只有不到 0.5 公厘。「內視鏡就像是帶著車頭燈的攝影機。」高甫仁說。這種小型攝影機像是條細長的電線,能夠透過微創手術深入人體內部,檢查呼吸道、腸胃系統或各種器官,藉由鏡頭前端的光源看見病灶影像。

圖/顯微觀點

「可是你會發現,光源沒有辦法做得更小。」內視鏡受限於發光二極體(LED)的體積,似乎難以再改良。然而,高甫仁利用比頭髮更細的光纖導入雷射,取代 LED 作為光源,大大減少內視鏡體積。如此一來,就能進一步縮小手術傷口,加快恢復時間。而且只需要一至兩根光纖,亮度就會超過好幾顆 LED。

雷射是一種能量集中的光束,再加上亮度高的特性,常被應用在光學儀器上。事實上,這已經不是第一次高甫仁利用雷射作為光學儀器的光源。鑽研雷射超過 20 年的他,深知這項技術所具備的潛力。

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超快雷射結合顯微技術

其中一項重要的應用領域便是超快雷射,這種雷射的持續時間極短,甚至可達到飛秒(10-15秒)的程度,能夠形成瞬間能量極強的光,「超快雷射能夠達到的能量密度,可能是一般雷射的百萬倍以上。」高甫仁解釋。

1990 年代,超快雷射技術崛起,開始應用在各種科學場域上。當時高甫仁正在美國康乃爾大學攻讀博士班,主要研究的領域是固態物理,例如探討原子或分子間的交互作用,讓他也有機會學習使用與架設超快雷射。

然而固態物理的實驗十分昂貴,常常需要在超低溫、高磁場、超高真空等環境下進行。因此當高甫仁從美國回到台灣從事研究工作時,便面臨到經費不足的困境,「太空實驗、高能物理都不是一個人或一個團隊能夠負擔的,因此我思考,是不是能透過個人創意,在比較簡單的實驗室就能做出特別的東西。」

超快雷射除了應用在固態物理,也逐漸在顯微領域上嶄露頭角。因此高甫仁認為,若超快雷射能夠與光學顯微鏡結合,就有機會做出一番成果。於是在陽明大學的近代光學實驗室裡,高甫仁成功自製出應用超快雷射作為光源的雙光子顯微鏡,「很多以前只是在教科書上看到的非線性光學效應,跟顯微鏡結合後,居然真的實現了;本來看不到的東西,現在直接就看得到。」

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一般使用傳統的螢光顯微鏡時,會採用較高能量、短波長的光子照射樣品,使螢光分子發出低能量、長波長的光子。若使用超快雷射作為光源,就能夠將能量低的光子轉換為高能量的光子,「就像用兩個五塊錢換一個十塊錢,可是兩個五塊錢要在同一時間打到同一個點,普通光源做不到這件事。」雙光子顯微鏡讓研究者可以觀測到深層組織,並降低雜訊干擾。

能量高、亮度高的超快雷射,還可以用來捕捉快速發生的自然現象,就像我們使用單眼相機拍照時,可以調控快門速度來清楚拍攝物體,「機械快門通常可達千分之一秒,電子快門可達萬分之一秒,但如果想要更快的快門,就得從光源下手,例如使用特殊的閃光燈,在百萬分之一秒內凍結影像。」若使用超快雷射,就能抓住兆分之一秒的瞬間。

「我一直對顯微鏡很著迷,做科學不是只有數據,而是能看到很漂亮的圖像、看到想要的東西。」高甫仁真切地說,「如果有一幅影像全世界沒有人拍過,而我是全世界第一個做出來的,就會感到非常振奮。」他說,二十多年前,他第一次看到氮化鎵(gallium nitride)所形成的光電流影像,當下的感覺無可比擬。

科學與藝術

「顯微鏡需要最尖端的科技,呈現的影像又具有藝術性,很少有領域同時具有這樣的特性。」高甫仁認為,顯微鏡所呈現的影像,就像哈伯天文望遠鏡所觀測的宇宙般令人驚豔,即使兩種科技的尺度天差地別,但都是透過光學成像技術映照出前所未見的世界。

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從生物樣品到半導體元件等各種樣本,高甫仁都曾用顯微鏡觀察過,對於光學成像已有自己的一套心得,「所有的光學成像離不開三個原則:挑選與使用光源、如何用光學元件成像,以及如何偵測影像。」

高甫仁也提及,隨著人工智慧(AI)的普及,顯微鏡也已開始採用 AI。現階段顯微攝影已具備快速拍攝大量影像的技術,然而如何分析與處理影像,成為當前各研究人員急欲解決的問題,「AI的運算能力加上深度學習技術,可以分析上千張影像之間的關聯性。」高甫仁認為透過 AI,將能夠補足傳統光學顯微術的不足之處。

此外,高甫仁表示,未來還可能會出現量子光學,掀起另一波的顯微技術革命。「利用量子狀態的相關性,可以讓取像時間大幅縮短。」就像量子電腦可以利用量子位元提升運算速度,解決當前棘手的問題,「利用量子光學,只需要更少的光子,就達到同樣的精準度。」

高甫仁認為,「顯微鏡的目的,就是透過影像連結尖端科學。」影像裡所述說的故事,以及所負載的科學意義,將會持續推動科學家鑽研更新的技術,發現更多前所未見的世界。

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顯微觀點_96
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從細微的事物出發,關注微觀世界的一切,對肉眼所不能見的事物充滿好奇,發掘蘊藏在微觀影像之下的故事。

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全焦段散光矯正人工水晶體一次解決白內障、近視、老花和散光問題?一次手術重現良好視力?
careonline_96
・2024/06/21 ・2571字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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「那是一位 50 多歲的女士,原本近視將近一千度,而在出現白內障後,近視的狀況又急速惡化,於是決定接受白內障手術。」花蓮慈濟醫院眼科部視網膜科主任何明山醫師表示,「經過詳細討論後,患者選擇使用全焦段散光矯正人工水晶體,希望解決白內障並同時矯正近視、散光、老花眼。」

手術完成後,患者順利恢復。何明山醫師說,全焦段散光矯正人工水晶體能夠提供遠、中、近連續視力同時矯正散光,讓患者不用再戴近視眼鏡,也不需要戴老花眼鏡,生活與工作都方便許多。

白內障是因為眼睛裡面的水晶體老化,而影響光線進入眼球。何明山醫師指出,水晶體就像照相機的鏡頭,當鏡頭變混濁,進到眼睛的光線便會減少,所以在比較昏暗的狀況下,會覺得視力模糊、顏色改變。由於光線進入白內障後會散射,讓電燈、車燈散開,所以容易出現眩光。

白內障的形成主要與年紀有關,在過去白內障大多出現在 50 歲以上的患者。不過還有許多原因可能導致白內障提早發生,危險因子包括高度近視、糖尿病、眼睛外傷、紫外線曝曬、長期使用類固醇等。

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何明山醫師說,「隨著 3C 產品的普及,長時間使用 3C 產品的人越來越多,臨床上也發現白內障有年輕化的趨勢,有些患者在 40 歲就開始有白內障。大家一定要多關心眼睛的健康!」

當白內障已經對日常生活造成影響時,便會建議接受治療。何明山醫師指出,放任白內障惡化,除了影響視力之外,還會影響眼睛的健康,因為過熟的白內障可能造成青光眼,嚴重會導致失明,而且當白內障過熟時,也會增加手術的困難度、增加出現併發症的風險。

利用人工水晶體解決近視、老花與散光

在白內障早期,可能會使用眼藥水,幫助延緩白內障惡化。何明山醫師說,待白內障成熟時,便需要利用手術移除混濁的水晶體,然後放入人工水晶體。

人工水晶體的選擇,主要由患者的用眼需求來決定。何明山醫師說,如果有近視、老花眼、散光等狀況,現在也可以一併用人工水晶體來矯正。

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傳統的單焦點人工水晶體可以提供遠距離視力,而中、近距離便需要配戴眼鏡。何明山醫師說,隨著光學技術的進步,人工水晶體持續進化,陸續開發出多焦點人工水晶體、全焦段人工水晶體等。

多焦點人工水晶體能夠看清楚特定焦點處的物體,而全焦段人工水晶體能夠延長視覺景深,提供遠、中、近距離的連續視力,最近視距約 33 公分。何明山醫師說,中距離視力大約 60 公分,對患者非常重要,日常生活中經常使用中距離視力,例如開車看導航、煮飯、打電腦、打牌休閒娛樂等。擁有中、近距離的連續視力,能夠顯著提升便利性。

全焦段人工水晶體也能保有較佳的顏色對比度,減少夜間眩光。何明山醫師說,部分具老花矯正功能的人工水晶體有較明顯的夜間光學干擾,如果常有夜間駕車的需求,可考慮使用全焦段人工水晶體,提升行車安全。何醫師進一步表示,門診有幾位患者植入全焦段人工水晶體後,開長途車回診也都不是問題。

同時矯正散光,提升視覺品質

在台灣散光的盛行率很高,可能有四成至五成的患者有散光。何明山醫師說,散光超過 100 度便會影響視力清晰度,所以在進行白內障手術時,會建議一併矯正散光。

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因為散光具有方向性,所以放入散光矯正人工水晶體時,必須固定在特定角度,才能發揮矯正效果。何明山醫師說,傳統散光人工水晶體需要經過一段時間後才能夠穩定,若在術後出現位移旋轉,便會影響散光矯正的效果。新一代散光矯正技術能夠提升術後穩定度,較不會產生位移,讓術後視力更清晰。

何明山醫師提醒,視力對生活與工作皆很重要,接受白內障手術前,請與醫師詳細討論,選擇合適的人工水晶體!

筆記重點整理

  • 白內障的形成主要與年紀有關,不過還有許多原因可能導致白內障提早發生,危險因子包括高度近視、糖尿病、眼睛外傷、紫外線曝曬、長期使用類固醇等。
  • 當白內障已經對日常生活造成影響時,便會建議接受治療。放任白內障惡化,除了影響視力之外,還會影響眼睛的健康,因為過熟的白內障可能造成青光眼,嚴重會導致失明,而且當白內障過熟時,也會增加手術的困難度、增加出現併發症的風險。
  • 如果有近視、老花眼、散光等狀況,現在可以一併用人工水晶體來矯正。多焦點人工水晶體能夠看清楚特定焦點處的物體,而全焦段人工水晶體能夠延長視覺景深,提供遠、中、近距離的連續視力,顯著提升便利性。
  • 全焦段人工水晶體能保有較佳的顏色對比度,減少夜間眩光,有助提升安全性。
  • 散光超過 100 度便會影響視力清晰度,在進行白內障手術時,建議一併矯正散光。因為散光具有方向性,所以放入散光矯正人工水晶體時,必須固定在特定角度,才能發揮矯正效果。新一代散光矯正技術能夠提升術後穩定度,較不會產生位移,讓術後視力更清晰。

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