Вчені розшифрували двофотонний зір

Вчені ICTER запровадили метод кількісної оцінки двофотонної яскравості зору, що відкриває нові можливості для медичної діагностики та додатків AR/VR. Двофотонний зір є новим методом зі значним потенціалом для майбутньої офтальмологічної діагностики. Хоча він пропонує багато переваг, деякі аспекти все ще потребують уточнення. Вчені з ICTER вдосконалили цю технологію, розширивши її можливості та розширивши потенційні можливості застосування в офтальмології.

Уявіть собі, що ви дивитесь крізь калейдоскоп, який показує спектр кольорів, недоступних для людського зору, де невидиме світло фокусується. У традиційному баченні фотони — швидкоплинні посланці світла — зазвичай з’являються поодинці. Однак у феномені двофотонного зору вони працюють у парі, дозволяючи людському оку сприймати інфрачервоні лазерні імпульси замість видимого світла, відкриваючи доступ до невидимого світу.

Вирішальним аспектом розуміння двофотонного зору є вимірювання яскравості цих подразників. Досі це було можливо лише для видимого світла. Вчені з Міжнародного центру дослідження очей (ICTER) досягли революційної віхи, визначивши значення яскравості інфрачервоного світла за допомогою фотометричних одиниць (кд/м²). Це відкриття дозволило їм пов’язати яскравість двофотонних подразників із новою фізичною величиною: двофотонним освітленням сітківки ока, ключовим фактором у розумінні яскравості, що сприймається.

Дослідження, проведене науковцями ICTER у співпраці з докторантом Олівією Качкось, доктором технічних наук. Катажина Комар і професор Мацей Войтковський показали, що яскравість двофотонного стимулу може досягати майже 670 кд/м², залишаючись у межах безпечної потужності лазера для людського ока. Їхні висновки, опубліковані в Biomedical Optics Express , знаменують значний прогрес у науці про зір і вивченні людського сприйняття за межами видимого спектру.

Бачити невидимий світ

Людське око може сприймати стимули з навколишнього світу у вигляді електромагнітних хвиль в діапазоні приблизно від 380 нм до 780 нм (від фіолетового до червоного). Хвилі за межами цього діапазону, такі як інфрачервоні (вище 780 нм) і ультрафіолетові (нижче 380 нм), невидимі для нас без спеціальних пристроїв, хоча вони можуть впливати на органи чуття іншими способами.

Кожен процес зору відбувається за тим самим шляхом, коли фотон видимого світла поглинається зоровим пігментом фоторецептора в сітківці (світлочутлива частина ока). Ця подія ініціює низку хімічних реакцій, у результаті яких квант світла перетворюється на електричний сигнал, який обробляється в мозку.

Двофотонний зір — це явище, при якому людське око може сприймати ультракороткі імпульси інфрачервоних лазерів з довжиною хвилі в діапазоні 800-1300 нм шляхом поглинання двох фотонів. Цей процес викликає ізомеризацію зорових пігментів, що призводить до сприйняття світла з довжиною хвилі, що відповідає половині довжини інфрачервоної хвилі. Хоча ці лазери знаходяться за межами видимого діапазону спектра, їх вплив на зорові пігменти дозволяє реєструвати інфрачервоне світло у вигляді різних кольорів.

Двофотонний зір відрізняється від однофотонного в основному способом поглинання світла. При однофотонному зорі кожен фотон із певною енергією поглинається молекулами в оці, що дозволяє сприймати світло у видимому діапазоні. У двофотонному зорі, з іншого боку, два фотони з половиною енергії одночасно поглинаються зоровими пігментами, що призводить до сприйняття світла з половиною довжини хвилі, яке теоретично не повинно бути видимим.

Крім того, яскравість двофотонного стимулу змінюється залежно від квадрата потужності оптичного випромінювання, тому світло, розсіяне в оці, не сприйматиметься. Яскравість також залежить від фокусування променя на сітківці спостерігача – отримані стимули чіткіші та мають кращий контраст, ніж у випадку «нормального» однофотонного зору.

Вчені ICTER давно вивчають феномен двофотонного зору, першими в світі його описали, а тепер зробили ще одне революційне відкриття.

Новий метод визначення яскравості двофотонних стимулів

Двофотонний зір демонструє потенціал у двох ключових сферах: медична діагностика та віртуальна/доповнена реальність (VR/AR). Його можна використовувати для розширених діагностичних тестів, особливо в неврології та офтальмології, де інфрачервоні імпульси дозволяють безпечно контролювати функції зору без необхідності використовувати видиме світло. З іншого боку, це явище дозволяє створювати нові, реалістичні візуальні враження шляхом маніпулювання світловими подразниками з інфрачервоного діапазону, відкриваючи нові можливості у взаємодії з віртуальними зображеннями (VR/AR).

Усі майбутні застосування цього явища вимагають знання яскравості двофотонних стимулів, але функція світлової ефективності V(λ) за межами видимого діапазону невідома. Необхідний нестандартний підхід до кількісної оцінки яскравості двофотонних стимулів, наприклад, за допомогою інфрачервоного випромінювання – що й зробили вчені ICTER.

Представлений у статті метод дозволив виразити яскравість двофотонних стимулів у фотометричних одиницях. Завдяки проведеним вимірюванням вчені змогли продемонструвати зв’язок між потужністю інфрачервоного променя та потужністю видимого променя, який був суб’єктивно скоригований таким чином, щоб обидва сприймалися як такі, що мають однакову яскравість. Використовуючи співвідношення між щільністю потужності лазера VIS та яскравістю проектованих стимулів, можна було визначити суб’єктивну яскравість інфрачервоних стимулів за допомогою фотометричних одиниць (кд/м²). Ці результати підкреслюють нелінійну природу двофотонного зору, що узгоджується з попередніми дослідженнями.

«Дослідження мало на меті розробити повторюваний метод визначення яскравості стимулів для двофотонного зору. Стандартні методи не дозволяють це зробити за межами видимого спектру світла, але наше дослідження відкриває двері для досягнення цієї мети, яка є необхідною для подальших досліджень і розвитку застосування цього явища в медичній діагностиці та технологіях доповненої реальності (AR) і віртуальної реальності (VR). Новий підхід також дозволить порівняти яскравість двофотонних стимулів із традиційними дисплеями на основі стандартного однофотонного зору», — каже Олівія Качкось, аспірант ICTER і оптометрист, провідний автор дослідження.

Платформа для подальших відкриттів

Результатом дослідження є пропозиція абсолютно нової фізичної величини, яка називається двофотонним освітленням сітківки, яка є достатньою для опису систем, що випромінюють двофотонні стимули. Це співвідношення дозволило передбачити значення яскравості двофотонних стимулів, які могли досягати 670 кд/м² у безпечному діапазоні потужності лазера людського ока без корекції адаптивної оптики (AO).

Крім того, вчені ICTER задокументували вдвічі більшу повторюваність вимірювань, проведених на фоні з яскравістю 10 кд/м². Це має вирішальне значення для розробки майбутніх технологій, таких як двофотонні дисплеї сітківки, які можна використовувати в окулярах доповненої реальності (AR) або в передових діагностичних інструментах, таких як двофотонна мікропериметрія.