科学家破译双光子视觉

Doi: 10.1364/ boe.525180

光学系统描述了一种创新的眼科诊断技术——双光子视觉，该技术通过飞秒激光器（产生脉冲宽度为200飞秒、重复频率为76兆赫兹的红外与可见光光束）得以实施。该系统包含了分束器（BS）、相机（凸轮）、振镜扫描仪（GS）、940纳米带通滤波器（IF）、照明装置（IL）、透镜（L）、白光发光二极管（LED）、反射镜（M）、中性密度过滤器（NDF）、中性密度梯度滤波器（NDV）、物镜（OBJ）以及功率计（PM）。其中，瞳孔平面（PP）与视网膜平面（RP）及其共轭平面（PP和RP）分别用蓝色和红色线条标示。系统插图展示了在瞳孔平面上测得的刺激激光与白光LED（作为背景光）的光谱分布，相关信息来源于《生物医学光学快报》（2024年）。

双光子视觉作为一种潜力巨大的眼科诊断新技术，尽管优势显著，但在某些核心领域仍有待优化。国际眼科研究中心（ICTER）的科研人员在此领域取得了显著进展，为眼科医学带来了新曙光。

设想一下，你不再依赖镜头捕捉图像，而是通过一种特殊装置聚焦不可见光，从而揭示一系列新颖的色彩。光子，作为光的短暂传递者，通常单独行动，但在双光子视觉中，它们却成对出现。这是一种奇特的现象，让人眼不再感知常规光线，而是接收红外激光脉冲，这是通往隐形世界的钥匙。然而，关键挑战在于测量双光子刺激的亮度，以往这仅限于可见光范围。ICTER的科研人员取得了突破性成就，他们利用光度单位（cd/m²）成功测定了红外光的亮度值。这一方法使得双光子刺激的亮度能够与一个与感知亮度相关联的新物理量——双光子视网膜照明——建立联系。此次研究由ICTER的科研人员完成，其中也包括博士生Oliwia Kaczkoka，以及Katarzyna Komar和Maciej Wojtkowski教授。他们证实，在人眼安全的激光功率范围内，双光子刺激的亮度几乎可以达到670 cd/m²。

研究成果已在《生物医学光学快报》上发表，题为《测定双光子视觉刺激亮度的方法》。

通常，人眼能够接收并响应波长在380纳米至780纳米范围内的电磁波（从紫色到红色）。而在此范围之外的波，如红外线（780纳米以上）和紫外线（380纳米以下），若无特殊设备辅助，我们无法看见。尽管这些波以其他方式影响我们的感官。在可见光的光子被视网膜（眼睛的感光区域）的感光色素捕获时，每个视觉过程都遵循相同的路径。这一事件触发了一系列化学反应，导致一个光子被转换成电信号，并在大脑中进行处理。双光子视觉则是一种人眼通过吸收两个光子来感知波长在800至1300纳米范围内的红外激光超短脉冲的现象。这一过程导致视觉色素发生异构化，从而使光波感知为对应红外波长一半的颜色。尽管这些激光不在可见光谱范围内，但它们对视觉色素的作用使得红外光被记录为不同的颜色。双光子视觉与单光子视觉的主要差异在于光子的吸收方式。在单光子视觉中，具有特定能量的单个光子被眼睛中的分子吸收，使光在可见范围内被感知。而在双光子视觉中，两个具有一半能量的光子同时被视觉色素吸收，导致感知到波长为一半的光，这在理论上不应为可见光。

此外，双光子刺激的亮度随光辐射功率的平方而变化，因此人眼无法察觉散射的光。亮度还取决于光束在观察者视网膜上的聚焦程度——与“常规”单光子视觉相比，接收到的刺激更加清晰，对比度更高。

ICTER的科研人员长期以来一直在探索双光子视觉现象，并率先描述了这一现象。如今，他们再次取得了突破性发现。

亮度调节法中刺激同时显示的示意图。资料来源：生物医学光学快报（2024）。Doi: 10.1364/ boe.525180

一种创新方法用于测定双光子刺激亮度

双光子视觉在医疗诊断和虚拟/增强现实（VR/AR）两大领域展现出巨大潜力。在医疗领域，尤其是神经病学和眼科，双光子视觉利用红外脉冲实现安全监测视觉功能，无需借助可见光。而在VR/AR领域，通过操控红外光刺激，双光子视觉能够创造出新颖且逼真的视觉体验，为与虚拟图像的交互开辟了新途径。

然而，要实现双光子视觉的所有潜在应用，关键在于了解双光子刺激的亮度。遗憾的是，目前对于可见光范围外的发光效率函数V（λ）仍缺乏了解。因此，ICTER的科学家们采用了一种非传统的方法来量化双光子刺激的亮度，即利用红外线进行测量。他们提出的方法能够用光度单位来表示双光子刺激的亮度。通过测量，科学家们揭示了红外光束功率与可见光光束功率之间的主观调整关系，并认定两者具有相同的亮度。

借助VIS激光功率密度与投射刺激亮度之间的关联，科学家们成功使用光度单位（cd/m²）来确定红外刺激的主观亮度。这些发现进一步证实了双光子视觉的非线性特性，与先前研究结论相符。

本研究致力于开发一种可靠的方法来测定双光子视觉刺激的亮度。由于标准方法无法在可见光谱之外进行此类测量，因此本研究为实现这一目标提供了新途径，这对于推动双光子视觉在医疗诊断和VR/AR技术中的进一步研究和应用至关重要。ICTER的博士生、验光师及本研究第一作者Oliwia Kaczkoś指出，这一新方法还能将双光子刺激的亮度与基于标准单光子视觉的传统显示进行比较。

本研究成果提出了一个全新的物理量——双光子视网膜照明，用于充分描述发射双光子刺激的系统。该关系能够预测双光子刺激的亮度值，在人眼安全激光功率范围内，无需自适应光学（AO）校正，亮度值即可达到670 cd/m²。

此外，科学家们在亮度为10 cd/m²的背景下进行的测量结果显示出高度的可重复性，这对于未来技术的发展具有重要意义。例如，在增强现实（AR）眼镜或先进的诊断工具（如双光子显微镜）中，双光子视网膜显示器将发挥重要作用。本研究的作者包括Oliwia Kaczkoś、Agnieszka Zielińska、Jacek Pniewski、Maciej Wojtkowski和Katarzyna Komar。