人類肉眼可感知的可見光，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)空色彩圖像視覺能力。
01
拓展視覺極限新方法
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，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
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光視覺一樣空間分辨率的近紅外圖像視覺，精確識(shí)別復(fù)雜近紅外圖形。
02
幫助人類獲得更多視覺信息
除了時(shí)間和空間信息外，視覺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。但這項(xiàng)技術(shù)仍然有進(jìn)一步提升的空間，需要視覺生理學(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、信息處理及視覺輔助技術(shù)領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。
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