Polacy stworzyli okulary AR wykorzystujące podczerwień

Polscy naukowcy opracowali prototyp okularów rozszerzonej rzeczywistości wykorzystujących widzenie dwufotonowe. Według twórców to pierwsze takie urządzenie na świecie. Okulary wykorzystują impulsy podczerwieni do wyświetlania dodatkowych informacji bezpośrednio przed okiem użytkownika. Obraz zachowuje przy tym ostrość podczas przenoszenia wzroku między różnymi planami. Technologia może również ograniczyć przyciemnienie oraz zniekształcenie widoku otoczenia. Naukowcy pracują obecnie nad mobilną wersją urządzenia. W przyszłości technologia może znaleźć zastosowanie między innymi w medycynie, lotnictwie i wojsku.

Źródło: Newseria

Jak człowiek może zobaczyć podczerwień?

Podstawą działania okularów jest zjawisko widzenia dwufotonowego. Pozwala ono człowiekowi odbierać określone impulsy podczerwieni jako światło widzialne.

– Widzenie dwufotonowe, najprościej mówiąc, polega na tym, że człowiek widzi podczerwień – wyjaśnia dr hab. inż. Katarzyna Komar, prof. UMK. Badaczka pracuje w Międzynarodowym Centrum Badań Oka ICTER, działającym w Instytucie Chemii Fizycznej PAN.

Długość fali wynosząca 950 nm daje wrażenie koloru niebieskiego. Natomiast 1000 nm odpowiada zieleni, a 1100 nm jest postrzegane jako żółć. Międzynarodowy zespół naukowców opisał zjawisko widzenia dwufotonowego w 2014 roku. W badaniach uczestniczyła również Katarzyna Komar. Naukowcy wykazali, że człowiek może zobaczyć krótkie impulsy bliskiej podczerwieni. Zwykle ten zakres promieniowania pozostaje niewidoczny dla ludzkiego oka.

Dr hab. inż. Katarzyna Komar, prof. UMK | Źródło: Newseria

Dwa fotony pobudzają fotoreceptory

Mechanizm działa, gdy pigment wzrokowy niemal jednocześnie pochłonie dwa fotony podczerwieni. Ich łączna energia wystarcza wtedy do pobudzenia fotoreceptorów. W rezultacie mózg interpretuje powstały bodziec jako światło widzialne. Zjawisko pozwala więc wykorzystać podczerwień do tworzenia obrazu widocznego dla człowieka. Ta właściwość może mieć znaczenie dla rozwoju okularów rozszerzonej rzeczywistości. Obecne urządzenia AR muszą bowiem nakładać cyfrowy obraz na rzeczywiste otoczenie.

Okulary AR bez mocnego przyciemniania otoczenia

Tradycyjne układy optyczne stosowane w AR mogą powodować straty światła. Ponadto mogą przyciemniać lub zniekształcać obraz otoczenia. Problem pojawia się również podczas przenoszenia wzroku między obiektami położonymi w różnych odległościach. Użytkownik musi wtedy szybko dostosowywać ostrość. Widzenie dwufotonowe może ograniczyć część tych problemów. Technologia wykorzystuje bowiem inny zakres promieniowania niż światło docierające z otoczenia. Dzięki temu naukowcy mogą połączyć oba tory optyczne za pomocą zwierciadła dichroicznego. Element przepuszcza światło widzialne, natomiast odbija podczerwień. W prototypie zwierciadło przepuszcza 96 proc. światła widzialnego. Jednocześnie odbija 98 proc. bodźca podczerwonego.

Obraz pozostaje ostry przy zmianie odległości

Widzenie dwufotonowe jest procesem nieliniowym optycznie. Oznacza to, że jasność bodźca zależy kwadratowo od mocy wiązki pobudzającej. Według Katarzyny Komar ułatwia to uzyskanie wyraźnego obrazu w różnych warunkach oświetleniowych. Dotyczy to zarówno jasnego dnia, jak i ciemniejszego otoczenia.

– Bodziec dwufotonowy, z tego powodu, że wywołuje go proces nieliniowy, jest zawsze ostry – mówi badaczka.

Zespół prof. Komar sprawdził tę właściwość podczas badań nad tolerancją obrazu na rozogniskowanie. Wyniki ukazały się w sierpniu 2026 roku w czasopiśmie „Optics Letters”.

Źródło: Newseria

Naukowcy porównali dwa sposoby wyświetlania obrazu

Uczestnicy eksperymentu oglądali zieloną literę wyświetlaną na dwa sposoby. Naukowcy wykorzystali światło widzialne oraz impulsy podczerwieni. Następnie badacze stopniowo zwiększali rozogniskowanie obrazu. Dzięki temu mogli porównać tolerancję obu metod na zmianę ostrości. U osób z większą zdolnością akomodacji wynik dla widzenia dwufotonowego wyniósł średnio 6,6 dioptrii. Dla tradycyjnego obrazu wartość wyniosła 4,3 dioptrii. Podobną różnicę naukowcy zaobserwowali również u osób z prezbiopią.

Technologia może ograniczyć jeden z problemów AR

Wyniki mają znaczenie dla urządzeń rozszerzonej rzeczywistości. Wirtualny obiekt nie zawsze znajduje się bowiem na płaszczyźnie ustawienia ostrości oka. Powstaje wtedy konflikt między akomodacją a konwergencją. Zjawisko może powodować dyskomfort podczas dłuższego korzystania z okularów AR. Większa tolerancja na rozogniskowanie może więc poprawić jakość wyświetlanego obrazu. Naukowcy nie wiedzą jednak jeszcze, czy ograniczy także zmęczenie wzroku. Potwierdzenie takiego działania wymaga dalszych badań.

Układ optyczny trzeba było zmieścić na głowie

Kolejnym wyzwaniem była miniaturyzacja całego systemu. Układ wykorzystywany podczas badań zajmował wcześniej znaczną część stołu optycznego. Naukowcy musieli więc zmniejszyć jego rozmiary i dostosować konstrukcję do różnej anatomii użytkowników. W tym celu wykorzystali regulowaną oprawę optometryczną. Na ramie umieścili elementy odpowiedzialne za wyświetlanie bodźców dwufotonowych. Konstrukcja pozwala również odpowiednio ustawić urządzenie względem oka.

Prototyp powstał w ciągu roku

Naukowcy zbudowali działający prototyp w ciągu roku. Urządzenie łączy skaner MEMS, regulowaną optykę, światłowodowy tor laserowy oraz odpowiednie oprogramowanie. System synchronizuje działanie poszczególnych elementów w czasie rzeczywistym. Natomiast oprawa optometryczna utrzymuje je w odpowiedniej pozycji względem oka. Urządzenie wykorzystuje femtosekundowy laser światłowodowy domieszkowany erbem. Opracowała go dr inż. Dorota Stachowiak wraz ze współpracownikami z Politechniki Wrocławskiej. Laser można przestrajać w zakresie od 872 do 1075 nm. Zakres ten odpowiada wymaganiom badań nad widzeniem dwufotonowym.

Kilkadziesiąt osób przetestowało okulary

Naukowcy przetestowali prototyp na kilkudziesięciu osobach. Uczestnicy mogli zobaczyć obraz dwufotonowy jako element rozszerzonej rzeczywistości. Urządzenie nadal wymaga jednak pomocy operatora podczas zakładania. Samo przygotowanie okularów do pracy zajmuje obecnie kilka minut. Dodatkowym ograniczeniem pozostaje źródło światła. Prototyp łączy się bowiem z laserem znajdującym się w laboratorium optycznym.

Prototyp powstał w ramach projektu dotyczącego wyświetlacza siatkówkowego wykorzystującego widzenie dwufotonowe. Projekt otrzymał wsparcie programu Proof of Concept Fundacji na rzecz Nauki Polskiej. Środki pochodzą z Funduszy Europejskich dla Nowoczesnej Gospodarki 2021–2027. Naukowcy chcą teraz zmniejszyć źródło laserowe. Ponadto planują zastąpić pozostałe części układu rozwiązaniami światłowodowymi. Dzięki temu użytkownik mógłby korzystać z urządzenia poza laboratorium. Prace nad mobilnym rozwiązaniem ma kontynuować powstająca spółka spin-off Instytutu Chemii Fizycznej PAN.

Od sali operacyjnej po lotnictwo i wojsko

Początkowo twórcy koncentrują się na zastosowaniach specjalistycznych. Technologia może dostarczać dodatkowe informacje pilotom oraz żołnierzom. Naukowcy wskazują również na możliwość wykorzystania urządzenia podczas misji kosmicznych. Kolejnym obszarem jest medycyna, w tym wyposażenie sal operacyjnych. Okulary mogłyby na przykład prezentować chirurgowi potrzebne informacje bezpośrednio podczas zabiegu. Dzięki temu lekarz nie musiałby przenosić wzroku na dodatkowy ekran. Samo widzenie dwufotonowe może znaleźć zastosowanie także w diagnostyce okulistycznej. Naukowcy badają je między innymi pod kątem mikroperymetrii siatkówki.

Miniaturowe lasery mogą otworzyć drogę do lżejszych okularów

Na razie rozmiar źródła laserowego ogranicza możliwość stworzenia niewielkiego urządzenia konsumenckiego. Sytuację może jednak zmienić rozwój femtosekundowych laserów zintegrowanych z chipami. Według Katarzyny Komar takie źródła światła mogą trafić do produkcji w ciągu kilku lat. Wówczas możliwe stanie się dalsze zmniejszenie całego systemu. Dopiero miniaturyzacja może otworzyć drogę do urządzeń przeznaczonych dla szerszej grupy użytkowników.

Źródło: Newseria