发现看不见世界的关键：科学家破译双光子视觉

双光子视觉是一种新颖的方法，对眼科诊断的未来具有巨大潜力。尽管它有很多优点，但它需要在关键领域进行改进。国际眼科研究中心 （ICTER） 的科学家们通过改进这项技术并开辟了眼科医学的新视角，向前迈进了一步。

想象一下，您不是通过镜头查看图像，而是通过万花筒观察，该万花筒聚焦不可见光以获得新的颜色范围。光子，即短暂的光使，通常单独出现，但在这里它以二重奏的形式出现，这是双光子视觉的基础。这是一种非凡的现象，人眼不是感知传统的光，而是接收红外激光的脉冲，这是通往不可见世界的门户。

然而，关键是测量双光子刺激的亮度，到目前为止，这只能用于可见光。ICTER 科学家取得了一项突破，使用光度单位 （cd/m²).由于这种方法，可以将双光子刺激的亮度与与感知亮度相关的新物理量联系起来：双光子视网膜照明。

由国际眼科研究中心 （ICTER） 的科学家在博士生 Oliwia Kaczkoś、博士工程师 Katarzyna Komar 和 Maciej Wojtkowski 教授的参与下进行的研究表明，双光子刺激的亮度可以达到近 670 cd/m2在眼睛的激光功率安全范围内。

结果是一篇题为“测定双光子视觉刺激亮度的方法”的论文，发表在《生物医学光学快报》杂志上。

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光学系统

看到看不见的世界

人眼可以接收来自周围世界的电磁波形式的刺激，范围约为 380 nm 至 780 nm（从紫色到红色）。超出此范围的波，例如红外线（高于 780 nm）和紫外线（低于 380 nm），如果没有特殊设备，我们是看不见的，尽管它们可以以其他方式影响感官。

当可见光的光子被视网膜（眼睛的感光部分）中感光器的视觉色素吸收时，每个视觉过程都遵循相同的路径。该事件引发了一系列化学反应，结果光量子被转换为电信号，在大脑中处理。

双光子视觉是一种现象，其中人眼可以通过吸收两个光子来感知波长在 800-1300 nm 范围内的红外激光的超短脉冲。这个过程导致视觉色素的异构化，从而导致对波长相当于红外波长一半的光的感知。尽管这些激光器超出了光谱的可见范围，但它们对视觉色素的影响允许将红外光记录为不同的颜色。

双光子视觉与单光子视觉的主要区别在于光的吸收方式。在单光子视觉中，每个具有特定能量的光子都被眼睛中的分子吸收，从而可以在可见光范围内感知光线。另一方面，在双光子视觉中，两个能量为一半的光子同时被视觉色素吸收，这导致对波长为一半的光的感知，这在理论上应该是不可见的。

此外，双光子刺激的亮度随光辐射功率的平方而变化，因此不会感知到散射在眼睛中的光。亮度还取决于光束在观察者视网膜上的焦点——接收到的刺激比“正常”单光子视觉更清晰，对比度更好。

ICTER 科学家长期以来一直在研究双光子视觉现象，并且是世界上第一个描述它的人，现在他们又有了另一个突破性的发现。

一种确定双光子刺激亮度的新方法

双光子视觉在两个关键领域显示出潜力：医疗诊断和虚拟/增强现实 （VR/AR）。它可用于高级诊断测试，尤其是在神经病学和眼科中，红外脉冲允许安全地监测视觉功能，而无需使用可见光。另一方面，这种现象允许通过操纵红外范围内的光刺激来创建新的、逼真的视觉体验，为与虚拟图像 （VR/AR） 的交互开辟了新的可能性。

这种现象的所有未来应用都需要了解双光子刺激的亮度，但可见光范围之外的发光效率函数 V（λ） 是未知的。需要一种非标准方法来量化双光子刺激的亮度，例如，使用红外——ICTER 科学家就是这样做的。

论文中提出的方法允许以光度单位表示双光子刺激物的亮度。由于进行的测量，科学家们能够证明红外光束的功率和可见光束的功率之间的关系，这种关系是经过主观调整的，因此两者被认为具有相同的亮度。

利用可见光激光器的功率密度与投射刺激的亮度之间的关系，他们能够使用光度单位 （cd/m2).这些结果强调了双光子视觉的非线性性质，这与以前的研究一致。

该研究旨在开发一种可重复的方法来确定双光子视觉刺激的亮度。标准方法不允许在可见光谱之外进行此操作，但我们的研究为实现这一目标打开了大门，这对于进一步研究和开发这种现象在医疗诊断和增强现实 （AR） 和虚拟现实 （VR） 技术中的应用是必要的。

该研究的主要作者、ICTER 博士生兼验光师 Oliwia Kaczkoś 说，新方法还将能够将双光子刺激的亮度与基于标准单光子视觉的传统显示器进行比较。

进一步发现的平台

研究的结果是提出了一个全新的物理量，称为双光子视网膜照明，它足以描述发射双光子刺激的系统。这种关系允许预测双光子刺激的亮度值，可以达到 670 cd/m2在人眼的安全激光功率范围内，无需自适应光学 （AO） 校正。

此外，科学家们记录了在亮度为 10 cd/m 的背景上进行的测量的可重复性是其两倍2.这对于未来技术的发展至关重要，例如双光子视网膜显示器，可用于增强现实 （AR） 眼镜或双光子显微视野计等高级诊断工具。

相关链接：https://phys.org/news/2024-11-scientists-decipher-photon-vision.html

论文链接：https://dx.doi.org/10.1364/BOE.525180