Wyświetlacz siatkówkowy oparty na widzeniu dwufotonowym dla potrzeb rozszerzonej rzeczywistości

Zobaczyć to, co niewidzialne: gogle AR nowej generacji oparte na widzeniu dwufotonowym

Dekadę temu polscy fizycy z Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu i Międzynarodowego Centrum Badań Oka – ICTER odkryli, jako pierwsi na świecie, zjawisko widzenia dwufotonowego, dzięki któremu człowiek może zobaczyć krótkie impulsy promieniowania podczerwonego. Odkrycie to było niezwykle ciekawe, ponieważ podczerwień leży, generalnie, poza zakresem widzialnym dla oka ludzkiego. Obecnie naukowcy szukają zastosowań dla zjawiska widzenia dwufotonowego, a jedną z możliwości jest stworzenie udoskonalonych okularów, które będą użyteczne np. w wojskowości czy medycynie. Pracami nad prototypem takiego urządzenia, prowadzonymi w Instytucie Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk (IChF PAN) w ramach projektu Proof of Concept finansowanego z Funduszy Europejskich dla Nowoczesnej Gospodarki 2021-2027 (FENG) przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej, kieruje dr inż. Katarzyna Komar. Badaczka jest współodkrywczynią zjawiska widzenia dwufotonowego.

Światłoczuła, odpowiedzialna za widzenie, część ludzkiego oka to siatkówka. Zbudowana jest ona z ok. 120 milionów pręcików i 6 milionów czopków, czyli komórek zawierających pigmenty wzrokowe. Zadaniem pigmentów jest absorbcja fotonów światła, co inicjuje szereg reakcji chemicznych, w wyniku których powstaje sygnał elektryczny docierający do mózgu i tam przetwarzany na obraz. Pigmenty ludzkiego oka są w stanie absorbować fotony i odbierać bodźce w postaci fal elektromagnetycznych w zakresie od ok. 380 nm do 780 nm (czyli od fioletu do czerwieni). Fale będące poza tym zakresem, takie jak podczerwień (powyżej 780 nm) czy ultrafiolet (poniżej 380 nm), są dla nas niewidoczne bez pomocy specjalnych urządzeń.

Fotony promieniowania podczerwonego mają większą długość fali, dlatego ich energia jest zbyt mała, aby pobudzić cząsteczki pigmentów w ludzkim oku. Może jednak zdarzyć się tak, że dwa fotony promieniowania podczerwonego dotrą do siatkówki w tym samym momencie – wówczas „połączą siły” i zostaną zaabsorbowane przez pigmenty wzrokowe, wyzwalając taką samą kaskadę reakcji, jak ma to miejsce przy pochłonięciu fotonu światła widzialnego.

„Można powiedzieć, że mózg zostaje oszukany, przyjmując, że w siatkówce został zaabsorbowany foton widzialnego światła. W rzeczywistości to dwa fotony promieniowania podczerwonego, o dwa razy mniejszej energii. Na tym właśnie polega widzenie dwufotonowe, które pozwala zobaczyć nam wiązki laserowe o krótkich impulsach z zakresu bliskiej podczerwieni (w zakresie 800-1300 nm). Są one postrzegane w postaci różnych kolorów, czyli tak, jakby miały kolor odpowiadający w przybliżeniu połowie długości swojej fali” – tłumaczy dr inż. Katarzyna Komar.

Badaczka planuje, wykorzystując mechanizm widzenia dwufotonowego, stworzyć okulary AR rozszerzające zakres postrzeganego promieniowania na bliską podczerwień. „Jest wiele sytuacji czy zawodów, w których bardzo pomocne byłoby mieć dodatkową informację wyświetlaną na tle tego, co widzimy, bez konieczności zerkania na ekran. Taka rozszerzona rzeczywistość z pewnością byłaby użyteczna w medycynie, wojsku, ale też w edukacji. Największym wyzwaniem jest miniaturyzacja takiego urządzenia, ponieważ obecne układy do badania i wykorzystywania widzenia dwufotonowego to układy zbudowane na stole optycznym. Cel był ambitny, ale  udało nam się w ciągu roku  zbudować  prototyp okularów AR nowej generacji” – mówi dr inż. Katarzyna Komar.

Dr inż. Katarzyna Komar ukończyła studia z fizyki technicznej na Politechnice Gdańskiej, a stopień doktora nauk technicznych otrzymała w Instytucie Maszyn Przepływowych PAN. Na początkowym etapie swojej kariery zajmowała się zastosowaniem technik spektroskopii laserowej do diagnostyki obiektów zabytkowych. Od 2011 r. pracuje w Instytucie Fizyki na Uniwersytecie Mikołaja Kopernika w Toruniu, a od 2020 r. również w Międzynarodowym Centrum Badań Oka w Warszawie. Od kilkunastu lat obszarem jej zainteresowań naukowych są badania funkcjonalne i obrazowe ludzkiego oka. Koncentruje się na budowie układów optycznych i opracowywaniu metod psychofizycznych do badania widzenia dwufotonowego oraz ich integracji z układami obrazującymi oko. Na obu etapach swojej kariery zawodowej brała udział w projektach badawczych finansowanych ze środków krajowych i międzynarodowych. Odbyła kilka staży naukowych oraz liczne wizyty w następujących ośrodkach: Case Western Reserve University w Cleveland w USA; University of California w Irvine w USA; Heidelberg University w Niemczech oraz University of Murcia w Hiszpanii. W latach 2017-2022 kierowała grantem OPUS NCN poświęconym widzeniu dwufotonowemu. Obecnie kieruje grantem OPUS NCN, którego celem jest zmierzenie czułości poszczególnych typów fotoreceptorów siatkówki na widzenie dwufotonowe, dzięki czemu będzie możliwe w przyszłości wprowadzenie dwufotonowej fotometrii. Badania prowadzone są w Międzynarodowym Centrum Badań Oka ICTER, które jest częścią Instytutu Chemii Fizycznej PAN.