人類肉眼可感知的可見(jiàn)光，僅占電磁波譜很小的一部分。近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)及合作者制備出高透明、高轉(zhuǎn)化效率的上轉(zhuǎn)換隱形眼鏡，實(shí)現(xiàn)人類近紅外時(shí)空色彩圖像視覺(jué)能力。
01
拓展視覺(jué)極限新方法
在前期研究中，研究團(tuán)隊(duì)將一種可以把近紅外光轉(zhuǎn)化為綠光的上轉(zhuǎn)換納米顆粒注射到動(dòng)物視網(wǎng)膜中，首次實(shí)現(xiàn)了哺乳動(dòng)物的裸眼近紅外圖像視覺(jué)能力。但眼內(nèi)注射在人體應(yīng)用受限，如何通過(guò)非侵入性方式實(shí)現(xiàn)近紅外視覺(jué)，是該技術(shù)實(shí)用化的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。
高分子聚合材料制備的軟性透明隱形眼鏡，提供了一個(gè)可佩戴式的解決方案。但制備近紅外光上轉(zhuǎn)換隱形眼鏡要解決兩個(gè)問(wèn)題：高效上轉(zhuǎn)換能力和良好光學(xué)性能。
為此，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)上轉(zhuǎn)換納米顆粒進(jìn)行表面修飾，提高其在高分子聚合材料中的均勻分散性，同時(shí)篩選出與上轉(zhuǎn)換納米顆粒折射率匹配的高分子聚合材料，制備出了高摻雜比例（7%-9%）并且高度透明的近紅外光上轉(zhuǎn)換隱形眼鏡。
▲上轉(zhuǎn)換隱形眼鏡實(shí)現(xiàn)人類近紅外時(shí)空色彩視覺(jué)
實(shí)驗(yàn)表面，佩戴這種隱形眼鏡的小鼠，可以分辨不同時(shí)間頻率和不同方位的近紅外光信息。更重要的是，佩戴該隱形眼鏡的人類志愿者，可以準(zhǔn)確識(shí)別通過(guò)近紅外光傳遞的更多信息。
研究團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了一種內(nèi)置近紅外光上轉(zhuǎn)換隱形眼鏡的可穿戴式框架眼鏡系統(tǒng)，使人類志愿者能夠獲得與可見(jiàn)光視覺(jué)一樣空間分辨率的近紅外圖像視覺(jué)，精確識(shí)別復(fù)雜近紅外圖形。
02
幫助人類獲得更多視覺(jué)信息
除了時(shí)間和空間信息外，視覺(jué)感知還可以在色彩維度上傳遞豐富的信息。
研究團(tuán)隊(duì)用三色正交上轉(zhuǎn)換納米顆粒，取代傳統(tǒng)的上轉(zhuǎn)換納米顆粒，制備出了三色上轉(zhuǎn)換隱形眼鏡，可以將三種不同光譜的近紅外光轉(zhuǎn)換成紅、綠、藍(lán)三基色的可見(jiàn)光。
▲各種圖形（不同反射波譜的反射鏡片模擬）通過(guò)三色上轉(zhuǎn)換隱形眼鏡內(nèi)置的可穿戴式框架眼鏡系統(tǒng)在可見(jiàn)光和近紅外光照射下的色彩顯示
實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，通過(guò)佩戴三色上轉(zhuǎn)換隱形眼鏡，人類志愿者可以有效地識(shí)別三種波長(zhǎng)的近紅外光，感知多種近紅外色彩。
這表明三色上轉(zhuǎn)換隱形眼鏡，可以有效地實(shí)現(xiàn)人類近紅外色彩圖像視覺(jué)。但這項(xiàng)技術(shù)仍然有進(jìn)一步提升的空間，需要視覺(jué)生理學(xué)、材料科學(xué)和光學(xué)等的跨學(xué)科合作。
該研究通過(guò)視覺(jué)生理與納米材料技術(shù)相結(jié)合，制備出高透明、高轉(zhuǎn)化效率的上轉(zhuǎn)換隱形眼鏡，實(shí)現(xiàn)了無(wú)源、可穿戴的人類近紅外圖像視覺(jué)能力拓展，能夠使人類感知近紅外光的時(shí)間、空間和色彩多維度信息。
該技術(shù)未來(lái)在醫(yī)療、信息處理及視覺(jué)輔助技術(shù)領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。
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