雙光子視覺是一種新穎的方法，對(duì)眼科診斷的未來具有巨大潛力。盡管它有很多優(yōu)點(diǎn)，但它需要在關(guān)鍵領(lǐng)域進(jìn)行改進(jìn)。國際眼科研究中心 （ICTER） 的科學(xué)家們通過改進(jìn)這項(xiàng)技術(shù)并開辟了眼科醫(yī)學(xué)的新視角，向前邁進(jìn)了一步。

想象一下，您不是通過鏡頭查看圖像，而是通過萬花筒觀察，該萬花筒聚焦不可見光以獲得新的顏色范圍。光子，即短暫的光使，通常單獨(dú)出現(xiàn)，但在這里它以二重奏的形式出現(xiàn)，這是雙光子視覺的基礎(chǔ)。這是一種非凡的現(xiàn)象，人眼不是感知傳統(tǒng)的光，而是接收紅外激光的脈沖，這是通往不可見世界的門戶。

然而，關(guān)鍵是測(cè)量雙光子刺激的亮度，到目前為止，這只能用于可見光。ICTER 科學(xué)家取得了一項(xiàng)突破，使用光度單位 （cd/m²).由于這種方法，可以將雙光子刺激的亮度與與感知亮度相關(guān)的新物理量聯(lián)系起來：雙光子視網(wǎng)膜照明。

由國際眼科研究中心 （ICTER） 的科學(xué)家在博士生 Oliwia Kaczkoś、博士工程師 Katarzyna Komar 和 Maciej Wojtkowski 教授的參與下進(jìn)行的研究表明，雙光子刺激的亮度可以達(dá)到近 670 cd/m2在眼睛的激光功率安全范圍內(nèi)。

結(jié)果是一篇題為“測(cè)定雙光子視覺刺激亮度的方法”的論文，發(fā)表在《生物醫(yī)學(xué)光學(xué)快報(bào)》雜志上。

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光學(xué)系統(tǒng)

看到看不見的世界

人眼可以接收來自周圍世界的電磁波形式的刺激，范圍約為 380 nm 至 780 nm（從紫色到紅色）。超出此范圍的波，例如紅外線（高于 780 nm）和紫外線（低于 380 nm），如果沒有特殊設(shè)備，我們是看不見的，盡管它們可以以其他方式影響感官。

當(dāng)可見光的光子被視網(wǎng)膜（眼睛的感光部分）中感光器的視覺色素吸收時(shí)，每個(gè)視覺過程都遵循相同的路徑。該事件引發(fā)了一系列化學(xué)反應(yīng)，結(jié)果光量子被轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，在大腦中處理。

雙光子視覺是一種現(xiàn)象，其中人眼可以通過吸收兩個(gè)光子來感知波長在 800-1300 nm 范圍內(nèi)的紅外激光的超短脈沖。這個(gè)過程導(dǎo)致視覺色素的異構(gòu)化，從而導(dǎo)致對(duì)波長相當(dāng)于紅外波長一半的光的感知。盡管這些激光器超出了光譜的可見范圍，但它們對(duì)視覺色素的影響允許將紅外光記錄為不同的顏色。

雙光子視覺與單光子視覺的主要區(qū)別在于光的吸收方式。在單光子視覺中，每個(gè)具有特定能量的光子都被眼睛中的分子吸收，從而可以在可見光范圍內(nèi)感知光線。另一方面，在雙光子視覺中，兩個(gè)能量為一半的光子同時(shí)被視覺色素吸收，這導(dǎo)致對(duì)波長為一半的光的感知，這在理論上應(yīng)該是不可見的。

此外，雙光子刺激的亮度隨光輻射功率的平方而變化，因此不會(huì)感知到散射在眼睛中的光。亮度還取決于光束在觀察者視網(wǎng)膜上的焦點(diǎn)——接收到的刺激比“正常”單光子視覺更清晰，對(duì)比度更好。

ICTER 科學(xué)家長期以來一直在研究雙光子視覺現(xiàn)象，并且是世界上第一個(gè)描述它的人，現(xiàn)在他們又有了另一個(gè)突破性的發(fā)現(xiàn)。

一種確定雙光子刺激亮度的新方法

雙光子視覺在兩個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域顯示出潛力：醫(yī)療診斷和虛擬/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí) （VR/AR）。它可用于高級(jí)診斷測(cè)試，尤其是在神經(jīng)病學(xué)和眼科中，紅外脈沖允許安全地監(jiān)測(cè)視覺功能，而無需使用可見光。另一方面，這種現(xiàn)象允許通過操縱紅外范圍內(nèi)的光刺激來創(chuàng)建新的、逼真的視覺體驗(yàn)，為與虛擬圖像 （VR/AR） 的交互開辟了新的可能性。

這種現(xiàn)象的所有未來應(yīng)用都需要了解雙光子刺激的亮度，但可見光范圍之外的發(fā)光效率函數(shù) V（λ） 是未知的。需要一種非標(biāo)準(zhǔn)方法來量化雙光子刺激的亮度，例如，使用紅外——ICTER 科學(xué)家就是這樣做的。

論文中提出的方法允許以光度單位表示雙光子刺激物的亮度。由于進(jìn)行的測(cè)量，科學(xué)家們能夠證明紅外光束的功率和可見光束的功率之間的關(guān)系，這種關(guān)系是經(jīng)過主觀調(diào)整的，因此兩者被認(rèn)為具有相同的亮度。

利用可見光激光器的功率密度與投射刺激的亮度之間的關(guān)系，他們能夠使用光度單位 （cd/m2).這些結(jié)果強(qiáng)調(diào)了雙光子視覺的非線性性質(zhì)，這與以前的研究一致。

該研究旨在開發(fā)一種可重復(fù)的方法來確定雙光子視覺刺激的亮度。標(biāo)準(zhǔn)方法不允許在可見光譜之外進(jìn)行此操作，但我們的研究為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)打開了大門，這對(duì)于進(jìn)一步研究和開發(fā)這種現(xiàn)象在醫(yī)療診斷和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí) （AR） 和虛擬現(xiàn)實(shí) （VR） 技術(shù)中的應(yīng)用是必要的。

該研究的主要作者、ICTER 博士生兼驗(yàn)光師 Oliwia Kaczkoś 說，新方法還將能夠?qū)㈦p光子刺激的亮度與基于標(biāo)準(zhǔn)單光子視覺的傳統(tǒng)顯示器進(jìn)行比較。

進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)的平臺(tái)

研究的結(jié)果是提出了一個(gè)全新的物理量，稱為雙光子視網(wǎng)膜照明，它足以描述發(fā)射雙光子刺激的系統(tǒng)。這種關(guān)系允許預(yù)測(cè)雙光子刺激的亮度值，可以達(dá)到 670 cd/m2在人眼的安全激光功率范圍內(nèi)，無需自適應(yīng)光學(xué) （AO） 校正。

此外，科學(xué)家們記錄了在亮度為 10 cd/m 的背景上進(jìn)行的測(cè)量的可重復(fù)性是其兩倍2.這對(duì)于未來技術(shù)的發(fā)展至關(guān)重要，例如雙光子視網(wǎng)膜顯示器，可用于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí) （AR） 眼鏡或雙光子顯微視野計(jì)等高級(jí)診斷工具。

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論文鏈接：https://dx.doi.org/10.1364/BOE.525180