– Widzenie dwufotonowe, najprościej mówiąc, polega na tym, iż człowiek widzi podczerwień, przy czym długość fali 950 nanometrów wydaje się nam niebieska, 1000 nanometrów zielona, a 1100 nanometrów żółta, czyli kolory odpowiadają z grubsza takim kolorom, jakie ma dla nas światło widzialne, które ma połowę długości fali – wyjaśnia w rozmowie z agencją Newseria Innowacje prof. UMK Katarzyna Komar, badaczka Międzynarodowego Centrum Badań Oka ICTER w Instytucie Chemii Fizycznej PAN.
Pierwszy na świecie prototyp okularów wyświetlających obraz dzięki podczerwieni
Polscy naukowcy stworzyli pierwszy na świecie prototyp okularów rozszerzonej rzeczywistości wykorzystujących widzenie dwufotonowe. Technologia pozwala wyświetlać dzięki impulsów podczerwieni treści, które mają zachować ostrość przy przenoszeniu wzroku między różnymi planami. Ma również ograniczyć przyciemnienie i zniekształcenie obrazu otoczenia. realizowane są prace nad mobilną wersją urządzenia przeznaczoną m.in. dla medycyny, lotnictwa i wojska.
Zjawisko widzenia dwufotonowego zostało opisane w 2014 r. przez międzynarodowy zespół naukowców, w którym uczestniczyła Katarzyna Komar. Badacze wykazali, iż człowiek może zobaczyć krótkie impulsy bliskiej podczerwieni, choć ten zakres promieniowania jest zwykle niewidoczny dla oka. Dzieje się tak, gdy pigment wzrokowy niemal jednocześnie pochłonie dwa fotony podczerwieni. Ich łączna energia wystarcza do pobudzenia fotoreceptorów, a mózg odbiera powstały bodziec jako światło widzialne.
Widzenie dwufotonowe może ograniczyć te problemy, ponieważ wykorzystuje inny zakres promieniowania niż światło docierające z otoczenia
W okularach rozszerzonej rzeczywistości cyfrowy obraz musi być nałożony na widok otoczenia. Stosowane w tej chwili układy optyczne mogą jednak powodować straty światła, przyciemnienie lub zniekształcenie obrazu świata zewnętrznego. Trudnością jest również utrzymanie ostrości dodatkowych treści, gdy użytkownik przenosi wzrok między obiektami znajdującymi się w różnych odległościach. Widzenie dwufotonowe może ograniczyć te problemy, ponieważ wykorzystuje inny zakres promieniowania niż światło docierające z otoczenia. Dzięki temu oba tory optyczne można połączyć dzięki zwierciadła dichroicznego, które przepuszcza światło widzialne, a odbija podczerwień. W prototypie przepuszcza ono 96 proc. światła widzialnego i odbija 98 proc. bodźca podczerwonego.
– Widzenie dwufotonowe jest procesem nieliniowym optycznie, co oznacza, iż jasność bodźca kwadratowo zależy od mocy wiązki pobudzającej, w związku z czym o wiele łatwiej będzie osiągnąć sytuację, iż widzimy bodziec ostro i wyraźnie zarówno w warunkach jasnego dnia, jak i w ciemniejszym oświetleniu. Dodatkowo bodziec dwufotonowy, z tego powodu, iż wywołuje go proces nieliniowy, jest zawsze ostry – mówi Katarzyna Komar.
U osób z większą zdolnością akomodacji średnia tolerancja wyniosła 6,6 dioptrii dla widzenia dwufotonowego
Większą tolerancję obrazu dwufotonowego na rozogniskowanie potwierdzają wyniki badania jej zespołu, opublikowanego w sierpniu 2026 r. w czasopiśmie „Optics Letters”. Naukowcy wyświetlali uczestnikom zieloną literę dzięki światła widzialnego oraz impulsów podczerwieni, a następnie stopniowo zwiększali rozogniskowanie obrazu. U osób z większą zdolnością akomodacji średnia tolerancja wyniosła 6,6 dioptrii dla widzenia dwufotonowego i 4,3 dioptrii dla tradycyjnego obrazu. Podobną przewagę odnotowano również u osób z prezbiopią.
Ma to znaczenie w urządzeniach AR, ponieważ odległość, w której użytkownik widzi wirtualny obiekt, nie zawsze odpowiada płaszczyźnie, na której oko musi ustawić ostrość. Taka rozbieżność – konflikt akomodacji i konwergencji – może powodować dyskomfort podczas dłuższego korzystania z okularów. Autorzy badania wskazują, iż większa tolerancja na rozogniskowanie może poprawić jakość obrazu w przyszłych wyświetlaczach AR. To, czy przełoży się również na mniejsze zmęczenie wzroku podczas długiego korzystania z urządzenia, wymaga dalszych badań.
W ciągu roku naukowcy zbudowali prototyp łączący skaner MEMS, regulowane elementy optyczne, światłowodowy tor laserowy i oprogramowanie
– Idea stworzenia okularów opartych na widzeniu dwufotonowym zakłada, iż na głowie użytkownika umieścimy układ optyczny, który normalnie zajmuje sporą część stołu optycznego. Ludzie mają różną anatomię i musimy tak dostosować sposób zakładania tego układu optycznego, żeby pasowało do osób o różnej anatomii. Pomógł nam pomysł, żeby użyć optometrycznej ramy, na której umocowaliśmy elementy, które służą do wyświetlania bodźców dwufotonowych. Dodatkowo musimy szukać jak najmniejszych i jak najlżejszych wersji urządzeń, żeby wyświetlać dwufotonowe bodźce – mówi prof. Katarzyna Komar.
W ciągu roku naukowcy zbudowali prototyp łączący skaner MEMS, regulowane elementy optyczne, światłowodowy tor laserowy i oprogramowanie, które synchronizuje pracę całego układu w czasie rzeczywistym. Elementy umieszczono na lekkiej oprawie optometrycznej, która utrzymuje je w odpowiedniej odległości i pozycji względem oka. Urządzenie wykorzystuje femtosekundowy laser światłowodowy domieszkowany erbem, opracowany przez dr inż. Dorotę Stachowiak i jej współpracowników z Politechniki Wrocławskiej. Laser można przestrajać w zakresie od 872 do 1075 nm, co odpowiada potrzebom badań nad widzeniem dwufotonowym.
Prototyp jest przypięty do lasera, który zajmuje trochę miejsca w laboratorium optycznym
– Przy wsparciu projektu Proof of Concept powstał prototyp, który jest w pełni możliwy do użycia i który już założyliśmy kilkudziesięciu osobom i pokazaliśmy im widzenie dwufotonowe jako element rozszerzonej rzeczywistości. Natomiast wymaga on przez cały czas udoskonaleń, w tej chwili założenie go trwa kilka minut i wymaga pomocy operatora. Prototyp jest przypięty do lasera, który zajmuje trochę miejsca w laboratorium optycznym – wskazuje ekspertka.
