揭開隱形世界的神秘面紗：科學家解碼雙光子視覺技術
國際眼科研究中心（ICTER）的科學家們開創了一種量化雙光子視覺亮度的方法，為醫學診斷和擴增實境（AR）/虛擬實境（VR）應用開闢了新的可能性。雙光子視覺作為一項新興技術，在眼科診斷的未來中具有巨大的潛力。儘管它擁有許多優勢，但某些方面仍需進一步改進。ICTER的科學家們透過技術創新，提升了其能力，並擴充套件了其在眼科醫學中的應用範圍。
想像一下，透過萬花筒看到超越人類視覺的光譜，將不可見的光線聚焦呈現。在傳統視覺中，光子——光的短暫信使——通常是單獨出現的。然而，在雙光子視覺的現象中，它們成對作用，使人眼能夠感知紅外線雷射脈衝，而非可見光，從而進入一個原本不可見的世界。
理解雙光子視覺的關鍵在於測量這些刺激的亮度。在此之前，這僅適用於可見光。ICTER的科學家們透過使用光度單位（cd/m²）確定紅外線的亮度值，達成了突破性的里程碑。這項發現使他們能夠將雙光子刺激的亮度與新定義的物理量——雙光子視網膜照度——聯絡起來，這是理解感知亮度的關鍵因素。
這項研究由ICTER的科學家們主導，並與博士生Oliwia Kaczkoś、工程博士Katarzyna Komar及教授Maciej Wojtkowski合作進行。研究顯示，雙光子刺激的亮度在人類眼睛的安全雷射功率範圍內可達到近670 cd/m²。他們的研究成果發表於《生物醫學光學快報》，標誌著視覺科學和超越可見光譜的人類感知研究的重要進展。
人類眼睛能夠接收來自周圍世界的電磁波刺激，範圍約為380奈米至780奈米（從紫色到紅色）。超出此範圍的波長，如紅外線（超過780奈米）和紫外線（低於380奈米），在沒有特殊裝置的情況下是看不見的，儘管它們可能以其他方式影響感官。
每個視覺過程都遵循相同的路徑，當可見光的光子被視網膜中的光感受器視覺色素吸收時，這一事件會引發一系列化學反應，最終將光量子轉換為電訊號，並在大腦中進行處理。
雙光子視覺是一種現象，人眼能夠透過吸收兩個光子來感知波長範圍在800至1300奈米的超短紅外線雷射脈衝。這一過程會導致視覺色素的異構化，從而感知到波長為紅外線波長一半的光。儘管這些雷射位於光譜的可見範圍之外，但它們對視覺色素的作用使得紅外線能夠被記錄為不同的顏色。
雙光子視覺與單光子視覺的主要區別在於光的吸收方式。在單光子視覺中，每個具有特定能量的光子被眼睛中的分子吸收，從而感知到可見光。而在雙光子視覺中，兩個能量減半的光子同時被視覺色素吸收，從而感知到波長減半的光，理論上這本應是不可見的。
此外，雙光子刺激的亮度隨著光輻射功率的平方而變化，因此眼睛中散射的光不會被感知。亮度還取決於光束在觀察者視網膜上的聚焦程度——接收到的刺激比正常的單光子視覺更清晰且對比度更高。
ICTER的科學家們長期研究雙光子視覺現象，並首次在全球範圍內描述這一現象，如今他們又取得了另一項突破性的發現。雙光子視覺在兩個關鍵領域顯示出潛力：醫學診斷和虛擬/擴增實境（VR/AR）。它可用於高階診斷測試，特別是在神經學和眼科領域，紅外線脈衝允許在不使用可見光的情況下安全監測視覺功能。另一方面，這一現象透過操縱紅外線範圍的光刺激，創造出新的、逼真的視覺體驗，為與虛擬影像的互動（VR/AR）開闢了新的可能性。
所有未來應用這一現象的技術都需要了解雙光子刺激的亮度，但可見光範圍外的光效率函式V(λ)尚屬未知。因此，需要一種非標準的方法來量化雙光子刺激的亮度，例如使用紅外線——這正是ICTER科學家們所做的。
論文中提出的方法允許以光度單位表達雙光子刺激的亮度。透過進行的測量，科學家們能夠展示紅外線光束功率與可見光束功率之間的關係，後者被主觀調整，使得兩者被感知為具有相同的亮度。利用可見光（VIS）雷射的功率密度與投射刺激亮度之間的關係，可以透過光度單位（cd/m²）確定紅外線刺激的主觀亮度。這些結果強調了雙光子視覺的非線性特性，與先前的研究一致。
該研究旨在開發一種可重複的方法來確定雙光子視覺刺激的亮度。標準方法無法在可見光譜之外實現這一點，但我們的研究為實現這一目標開啟了大門，這對於進一步研究和開發這一現象在醫學診斷和擴增實境（AR）及虛擬實境（VR）技術中的應用是必要的。新的方法還將使雙光子刺激的亮度與基於標準單光子視覺的傳統顯示器進行比較，ICTER博士生兼驗光師、該研究的主要作者Oliwia Kaczkoś表示。
研究的結果是提出了一種全新的物理量，稱為雙光子視網膜照度，足以描述發射雙光子刺激的系統。這一關係允許預測雙光子刺激的亮度值，在無需自適應光學（AO）校正的情況下，在人類眼睛的安全雷射功率範圍內可達到670 cd/m²。
此外，ICTER的科學家們在亮度為10 cd/m²的背景上記錄了兩倍的重複性。這對於未來技術的發展至關重要，例如雙光子視網膜顯示器，可用於擴增實境（AR）眼鏡或高階診斷工具，如雙光子微視野計。
參考文獻：Maciej Wojtkowski、Agnieszka Zielińska、Katarzyna Komar、Oliwia Kaczkoś和Jacek Pniewski於2024年9月9日發表的《生物醫學光學快報》中的「雙光子視覺刺激亮度測定方法」。DOI: 10.1364/BOE.525180
