Obraz, który wybacza nieostrość. ICTER zmierzył granice widzenia dwufotonowego

Podczerwień jest dla nas niewidzialna. A jednak w odpowiednich warunkach podczerwone światło może być widoczne dla oka i w dodatku zachować się inaczej, niż podpowiada intuicja. Naukowcy z ICTER sprawdzili, co dzieje się z takim obrazem, gdy ostrość przestaje być idealna.

Zdrowe ludzkie oko automatycznie dostosowuje ostrość do odległości obiektu, który obserwujemy. Kiedy przenosimy wzrok z drugiego końca ulicy na telefon, soczewka zmienia kształt, aby obraz na siatkówce pozostał wyraźny. Proces ten nazywa się akomodacją. Zwykle przebiega niezauważalnie, ale urządzenia rozszerzonej rzeczywistości, np. okulary VR/AR, mogą stawiać oko w nietypowej sytuacji. Wirtualny obiekt wydaje się znajdować w jednej odległości, chociaż układ optyczny wymaga ustawienia ostrości w innej płaszczyźnie.

Naukowcy z Międzynarodowego Centrum Badań Oka (ICTER) działającego przy Instytucie Chemii Fizycznej PAN badają sposób wyświetlania obrazu wykorzystujący widzenie dwufotonowe. W tym zjawisku impulsy bliskiej podczerwieni, normalnie niewidzialnej dla człowieka, mogą pobudzić fotopigmenty siatkówki. Dzieje się tak, gdy niemal jednocześnie pochłonięte zostaną dwa fotony. Energia sumuje się, dlatego podczerwień o długości fali około 1040 nm może wywołać wrażenie koloru odpowiadającego mniej więcej światłu o długości 520 nm, czyli zieleni.

Badanie przeprowadził międzynarodowy zespół, którego większość stanowili naukowcy ICTER: Oliwia Kaczkoś, Mateusz Grochalski, Katarzyna Komar oraz Maciej Wojtkowski, dyrektor ICTER. W pracach uczestniczyli również María Viñas Peña z Instituto de Óptica CSIC w Madrycie i Jacek Pniewski z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego. Wyniki opublikowano w czasopiśmie "Optics Letters" w artykule "Extended defocus tolerance for image quality in two-photon vision".

"Wiedzieliśmy już, że podczerwień może stworzyć widzialny obraz. Tym razem chcieliśmy sprawdzić coś bardziej praktycznego: jak duże rozogniskowanie taki obraz może znieść, zanim zacznie wyglądać na nieostry" - mówi mgr Oliwia Kaczkoś, pierwsza autorka publikacji.

Dwie zielone litery, dwa mechanizmy widzenia

W eksperymencie uczestniczyło 12 zdrowych osób: 8 mężczyzn i 4 kobiety w wieku od 25 do 47 lat. Wszyscy mieli prawidłową lub skorygowaną do co najmniej 20/20 ostrość wzroku, niewielkie wady refrakcji i nie mieli rozpoznanych chorób narządu wzroku.

Badanie prowadzono jednym, dominującym okiem. Drugie było zasłonięte. Nie stosowano środków blokujących akomodację, dzięki czemu oko mogło naturalnie próbować odzyskać ostrość. Przed eksperymentem u każdego uczestnika zmierzono amplitudę akomodacji, czyli zakres, w którym soczewka potrafi jeszcze zmieniać swoją moc. Na tej podstawie uczestników podzielono na grupę z zachowaną pełną akomodacją oraz grupę prezbiopijną, o amplitudzie nieprzekraczającej 5 dioptrii.

Bodźcem była niewielka litera E o rozmiarze 12,5 minuty kątowej. Nie wyświetlano jej jednak na zwykłym ekranie, a przez skanowanie laserem. Punkt laserowy poruszał się po siatkówce tak szybko, że tworzył pełny kształt litery. Obraz był odświeżany 50 razy na sekundę, dlatego uczestnicy nie widzieli migotania.

Literę tworzono na dwa sposoby. Pierwszy wykorzystywał światło widzialne o długości fali 520 nm. Drugi - ultrakrótkie impulsy podczerwieni o długości około 1040 nm, postrzegane wzrokowo dzięki absorpcji dwufotonowej. W obu przypadkach uczestnicy widzieli zielone litery E, o takiej samej subiektywnej jasności. .

Następnie naukowcy stopniowo wprowadzali ujemne rozogniskowanie, zwiększając je co 0,5 dioptrii. Uczestnik miał zgłosić pierwszy moment, w którym pojawiała się lekka, ale utrzymująca się nieostrość. Odpowiadająca mu wartość była zapisywana jako tolerancja rozogniskowania. Każdy pomiar powtarzano 3 razy dla światła widzialnego i podczerwieni.

"Chcieliśmy porównać oba mechanizmy możliwie uczciwie. Uczestnicy widzieli tę samą zieloną literę E, a jasność bodźców dopasowaliśmy indywidualnie. Dopiero potem zwiększaliśmy rozogniskowanie co 0,5 dioptrii, aż pojawiała się stała, lekka nieostrość" - wyjaśnia mgr Mateusz Grochalski.

Ponad 40% szersze okno ostrości

Najważniejszy wynik był taki sam u wszystkich 12 uczestników: obraz tworzony przez wiązkę dwufotonową charakteryzował się większą tolerancją na rozogniskowanie , zanim zaczynał być postrzegany jako trwale rozmyty.

"Kluczowy był fakt, że efekt wystąpił u wszystkich 12 badanych osób. Choć skala różnic była zmienna, sam trend pozostawał stały: obraz dwufotonowy zachowywał ostrość przy znacznie większym rozogniskowaniu niż tradycyjny obraz jednofotonowy" - podkreśla mgr Oliwia Kaczkoś.

Największą różnicę zaobserwowano u osób nieprezbiopijnych, czyli u badanych z zachowaną pełną sprawnością akomodacyjną. . W ich przypadku obraz dwufotonowy pozostawał wyraźny średnio do 6,6 ± 0,7 dioptrii rozogniskowania. Dla obrazu tworzonego przez zwykłe światło widzialne granicą było 4,3 ± 0,7 dioptrii. U osób z prezbiopią, o niższej amplitudzie akomodacji, wartości były niższe, ale przewaga widzenia dwufotonowego nadal się utrzymywała: 2,7 ± 0,4 wobec 1,9 ± 0,3 dioptrii.

W praktyce oznacza to, że w obu grupach zakres, w którym obraz dwufotonowy zachowywał ostrość, był ponad 1,4 razy większy niż obraz generowany światłem postrzeganym normalnie. Można więc powiedzieć, że "okno ostrego widzenia" poszerzyło się o ponad 40%. Gdy uwzględniono wszystkich uczestników, dodatkowy margines wyniósł średnio 1,7 ± 0,3 dioptrii. Wyniki są istotne statystycznie.

Dlaczego obraz dłużej zachowuje ostrość?

Właściwość ta wynika z kwadratowej zależności absorpcji dwufotonowej od natężenia światła. Odpowiedź rośnie tu z kwadratem natężenia światła: gdy natężenie spada o połowę, jasność bodźca maleje nie do połowy, lecz do 1/4. Słabe fragmenty rozogniskowanej wiązki są więc mocno tłumione, dzięki czemu krawędzie dłużej pozostają czytelne.

Potwierdziły to symulacje na komputerowym modelu oka. Wraz ze wzrostem rozogniskowania litera utworzona przez zwykłe światło szybciej traciła ostre krawędzie, podczas gdy jej dwufotonowy odpowiednik dłużej pozostawał rozpoznawalny.

"Najważniejsze jest to, że wcześniejszą jakościową obserwację udało się zamienić w ilościowy wynik. Wiemy już nie tylko, że obraz dwufotonowy inaczej reaguje na rozogniskowanie, ale także, jak duża jest ta różnica. To daje nam punkt odniesienia do dalszych prac nad dwufotonowymi wyświetlaczami siatkówkowymi" - mówi dr hab. inż. Katarzyna Komar.

O ile wniosek, że obraz dwufotonowy może przygasać podczas rozogniskowania, pochodzi z wcześniejszych prac, nowa publikacja pokazuje, jak duże może być rozogniskowanie, zanim obraz zacznie wyglądać na trwale rozmyty.

Co z tego wynika?

To, że obraz dwufotonowy zachowuje ostrość mimo większego rozogniskowania, może mieć praktyczne znaczenie w okularach rozszerzonej rzeczywistości. W takich urządzeniach cyfrowy obiekt może sprawiać wrażenie, że znajduje się w innym miejscu niż płaszczyzna, na której oko musi ustawić ostrość. Ta sprzeczność, nazywana konfliktem akomodacyjno-wergencyjnym (ang. vergence- accomodation conflict, VAC), jest jedną z przyczyn dyskomfortu podczas korzystania z okularów z rozszerzoną rzeczywistością (ang. Augmented Reality, AR).

Obraz mniej wrażliwy na niedopasowanie rozgoniskowania mógłby ograniczyć potrzebę ciągłego dostosowywania pracy oka. Mogłoby to ułatwić przenoszenie wzroku między cyfrową informacją a rzeczywistym otoczeniem, na przykład podczas naprawy urządzenia lub zabiegu medycznego. Jest to możliwy obszar zastosowania widzenia dwufotonowego, który będzie badany w przyszłości.

Ważne jest również to, że przewaga widzenia dwufotonowego utrzymała się u osób z prezbiopią, czyli związaną z wiekiem, fizjologicznie osłabioną zdolnością akomodacji.

Większy komfort widzenia? Na razie to hipoteza

Choć obecny etap badań skupiał się na pomiarach progu rozmycia w standaryzowanych warunkach laboratoryjnych (przy jednoocznej stymulacji i kontrolowanym rozogniskowaniu), uzyskane wyniki stanowią obiecujący punkt wyjścia do oceny rzeczywistego komfortu widzenia. Kolejnym, naturalnym krokiem badawczym będzie weryfikacja dynamicznej reakcji akomodacyjnej oraz zmęczenia wzroku podczas długotrwałej pracy z okularami AR.

"Chociaż wykazaliśmy już, że obraz dwufotonowy utrzymuje ostrość w szerszym zakresie rozogniskowania - również u osób z ograniczoną amplitudą akomodacji - kluczowym wyzwaniem pozostaje potwierdzenie tego efektu w warunkach długotrwałego użytkowania. Następnym krokiem będzie pomiar komfortu widzenia w rzeczywistym systemie AR." - podsumowuje mgr Oliwia Kaczkoś.

Na razie zielona litera z niewidzialnej podczerwieni powstała w precyzyjnym układzie laboratoryjnym. Badanie pokazało jednak, że w widzeniu dwufotonowym granica wyraźnego obrazu znajduje się dalej, niż podpowiada doświadczenie ze zwykłym światłem widzialnym.