Jak zobaczyć niewidzialne? Granice widzenia dwufotonowego

Bliska podczerwień jest dla człowieka niewidzialna. A jednak w odpowiednich warunkach ludzkie oko potrafi ją dostrzec. Naukowcy z ICTER pokazali teraz, że o wydajności tego zjawiska decyduje nie tylko sam impuls laserowy, ale też dwa bardzo konkretne czynniki: średnica wiązki i precyzyjne ustawienie ostrości na siatkówce.

Na co dzień widzimy światło widzialne, czyli takie, którego długości fal są odbierane przez fotoreceptory siatkówki. Bliska podczerwień leży poza tym zakresem, dlatego w normalnych warunkach pozostaje dla nas niewidoczna. Od kilku lat wiadomo jednak, że istnieje wyjątek.

Chodzi o tzw. widzenie dwufotonowe. W tym zjawisku fotopigment w siatkówce pochłania niemal jednocześnie dwa fotony światła podczerwonego. Każdy z nich osobno ma za mało energii, by wywołać wrażenie wzrokowe, ale razem mogą uruchomić proces widzenia. To właśnie dlatego człowiek może w pewnych warunkach "zobaczyć" promieniowanie, którego teoretycznie widzieć nie powinien.

Ten mechanizm różni się od zwykłego widzenia także w bardzie subtelny sposób. W widzeniu dwufotonowym liczy się nie tylko ilość światła, ale też to, jak dokładnie jest ono skupione. Im większa lokalna intensywność, tym większa szansa, że dwa fotony zostaną pochłonięte niemal równocześnie. Ta właściwość sprawia, że cały proces jest znacznie bardziej wrażliwy na parametry optyczne wiązki pobudzającej niż klasyczne widzenie.

Co dokładnie zbadali naukowcy?

Opublikowana w Optics Letters praca "The effect of laser-beam diameter on the visibility of two-photon stimuli" została przygotowana przez zespół: Agnieszkę Zielińską, Daniela Rumińskiego, Macieja Szkulmowskiego, Macieja Wojtkowskiego i Katarzynę Komar. Badacze chcieli sprawdzić, jak średnica wiązki laserowej wpływa na próg widzenia bodźców dwufotonowych i jak duże znaczenie ma odpowiednie ustawienie ostrości.

To pytanie jest ważne nie tylko z punktu widzenia samej fizyki widzenia dwufotonowego. Od odpowiedzi zależy bowiem, jak projektować urządzenia wykorzystujące to zjawisko, na przykład systemy do badania siatkówki czy przyszłe wyświetlacze oparte na dwufotonowej percepcji wzrokowej. Autorzy porównali też zachowanie bodźców dwufotonowych z klasycznym widzeniem jednofotonowym, żeby pokazać, co naprawdę odróżnia oba procesy.

W eksperymencie użyto dwóch rodzajów światła: podczerwieni o długości fali 1040 nm oraz światła widzialnego 520 nm. Co ciekawe, oba bodźce były odbierane przez uczestników jako zielone. Samo to dobrze pokazuje, jak nieintuicyjne potrafi być widzenie dwufotonowe.

Jak wyglądał eksperyment?

Badanie przeprowadzono z udziałem trojga zdrowych ochotników. Pomiary wykonywano w preferowanym oku, przy rozszerzonych źrenicach i z zablokowaną akomodacją, czyli naturalną zdolnością oka do zmiany ostrości. Przed właściwymi pomiarami u każdego uczestnika korygowano ustawienie optyczne tak, by wyznaczyć punkt najlepszego ogniskowania.

Następnie badacze sprawdzali, jak zmienia się próg widzenia przy różnym stopniu rozogniskowania, zarówno w ciemności, jak i przy świetle. Bodźce wyświetlano w centrum siatkówki oraz 5 stopni od środka. Miały postać niewielkiego migającego pierścienia, podobnego do bodźców używanych w standardowych badaniach pola widzenia. Badanie przeprowadzono zgodnie z normami bezpieczeństwa dla laserów i po uzyskaniu zgody komisji bioetycznej.

Był to bardzo precyzyjny eksperyment. Średnicę wiązki zmieniano przez wymianę odpowiednich  soczewek, a rozogniskowanie uzyskiwano przez przesuwanie jednego z elementów optycznych. W warunkach jasnych tło tworzyła zielona dioda LED. Nie był to więc prosty test typu "czy coś widać", ale dokładnie kontrolowane badanie psychofizyczne, które pozwalało oddzielić wpływ różnych parametrów optycznych na próg widzenia.

Co pokazały wyniki?

Najważniejszy wniosek był bardzo wyraźny: w widzeniu dwufotonowym średnica wiązki ma duże znaczenie. Gdy światło było dobrze zogniskowane na siatkówce, próg widzenia dla bodźca podczerwonego zmieniał się istotnie wraz ze zmianą średnicy wiązki. Dla światła widzialnego takiego efektu nie stwierdzono.

To oznacza, że w przypadku widzenia dwufotonowego geometria wiązki nie jest tylko technicznym szczegółem. To jeden z głównych czynników decydujących o tym, czy bodziec będzie dobrze widoczny. Im silniej światło jest skupione, tym większa staje się gęstość fotonów docierających do siatkówki - a to z kolei zwiększa prawdopodobieństwo zajścia procesu dwufotonowego.

Badacze pokazali też, że widzenie dwufotonowe jest bardziej wrażliwe na rozogniskowanie niż zwykłe widzenie. I właśnie tutaj pojawiła się jedna z najciekawszych obserwacji. W klasycznym widzeniu nieostrość przede wszystkim rozmywa obraz. W widzeniu dwufotonowym sytuacja wyglądała inaczej: bodziec w podczerwieni mniej tracił na ostrości, ale dużo szybciej słabł. Innymi słowy, zamiast się rozmazywać, po prostu przygasał.

To ważna różnica, bo pokazuje, że siatkówka w takim układzie działa jak nieliniowy detektor światła. Nawet niewielka utrata koncentracji energii w ognisku może wyraźnie obniżyć skuteczność pobudzenia. W praktyce oznacza to, że w widzeniu dwufotonowym precyzja ustawienia światła ma większe znaczenie niż w zwykłym widzeniu.

Dlaczego to ważne dla zwykłego człowieka?

Na pierwszy rzut oka może się wydawać, że to bardzo specjalistyczny problem z pogranicza fizyki i optyki. W rzeczywistości wyniki tego badania mogą mieć praktyczne znaczenie dla medycyny. Lepsze zrozumienie widzenia dwufotonowego pomaga projektować dokładniejsze urządzenia do badania funkcji siatkówki, w tym mikroperymetry dwufotonowe.

Takie technologie mogą w przyszłości pomóc w wykrywaniu i monitorowaniu chorób oczu, takich jak jaskra, retinopatia cukrzycowa czy zwyrodnienie plamki związane z wiekiem. Autorzy przypominają, że widzenie dwufotonowe już było badane w kontekście tych schorzeń, a nowa praca dostarcza wiedzy, która może pomóc dopracować takie narzędzia.

"Zrozumienie tych zależności jest ważne, jeśli chcemy przekuć zjawisko widzenia dwufotonowego w realne narzędzia diagnostyczne i przyszłe technologie wyświetlania obrazu. Im lepiej poznamy fizykę tego procesu, tym skuteczniej będziemy mogli wykorzystać ją w praktyce" - mówi dr Katarzyna Komar z ICTER.

Wyniki sugerują też, że mniejsze średnice wiązki mogą być mniej wrażliwe na błędy ostrości. To dobra wiadomość z punktu widzenia przyszłych zastosowań praktycznych, bo w realnych warunkach klinicznych trudno zawsze uzyskać idealne ustawienie optyki. Z drugiej strony, tam, gdzie liczy się maksymalna skuteczność i najwyższa precyzja, konieczna będzie bardzo dokładna kontrola ogniska.

Kolejny krok w badaniach nad granicami widzenia

Autorzy podkreślają, że badanie objęło niewielką grupę uczestników, ale wyniki były spójne. Najważniejszy wniosek jest jasny: progi widzenia dwufotonowego zależą od średnicy wiązki i od rozogniskowania wyraźniej niż progi klasycznego widzenia. To kolejny mocny dowód na to, że widzenie dwufotonowe rządzi się innymi prawami niż zwykłe widzenie.

Ta praca pokazuje też coś szerszego. Granice ludzkiego widzenia są trudniejsze do uchwycenia, niż przez lata sądziliśmy. Oko w pewnych warunkach potrafi reagować na bodźce, które wydają się wykraczać poza jego naturalne możliwości. Żeby jednak "zobaczyć niewidzialne", światło musi zostać dostarczone do siatkówki z naprawdę wyjątkową precyzją.

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------

Źródło: Agnieszka Zielińska, Daniel Rumiński, Maciej Szkulmowski, Maciej Wojtkowski, Katarzyna Komar (2026). Effect of laser-beam diameter on the visibility of two-photon stimuli. Optics Letters.

DOI: https://doi.org/10.1364/OL.589174