突破人类视觉极限！人类实现“近红外”视觉？

【导语】人类肉眼所(suǒ)能感知的可见光仅是电磁波谱中的冰山一角。近日，中国科学技术大学及(jí)其(qí)合(hé)作(zuò)团(tuán)队(duì)取得突破，成功研发出高透明、高转化效率的上转换隐形眼镜，使人类能够首次通过裸眼感知近红外光，实现近红外时空色彩图像视觉。这一创新不仅拓展了人类的视觉极限，还为医疗、信息处理及视觉辅助技术等领域带来了广阔的应用前景。

人类肉眼可感知的可见光，仅占电磁波谱很小的一部分。近日，中国科学技术大学及合作者制备出高透明、高转化效率的上转换隐形眼镜，实现人类近红外时空色彩图像视觉能力。

拓展视觉极限新方法在前期研究中，研究团队将一种可以把近红外光转化为绿光的上转换纳米颗粒注射到动物视网膜中，首次实现了哺乳动物的裸眼近红外图像视觉能力。但眼内注射在人体应用受限，如何通过非侵入性方式实现近红外视觉，是该技术实用化的关键挑战。
高分子聚合材料制备的软性透明隐形眼镜，提供了一个可佩戴式的解决方案。但制备近红外光上转换隐形眼镜要解决两个问题：高效上转换能力和良好光学性能。

为此，研究团队对上转换纳米颗粒进行表面修饰，提高其在(zài)高(gāo)分(fēn)子(zi)聚(jù)合(hé)材(cái)料(liào)中(zhōng)的(de)均(jūn)匀(yún)分(fēn)散(sàn)性(xìng)，同(tóng)时(shí)筛(shāi)选(xuǎn)出(chū)与(yǔ)上(shàng)转(zhuǎn)换(huàn)纳(nà)米(mǐ)颗(kē)粒(lì)折(zhé)射(shè)率(lǜ)匹(pǐ)配(pèi)的(de)高(gāo)分(fēn)子(zi)聚(jù)合(hé)材(cái)料(liào)，制(zhì)备(bèi)出(chū)了(le)高(gāo)掺(càn)杂(zá)比(bǐ)例(lì)（7%-9%）并(bìng)且(qiě)高(gāo)度(dù)透(tòu)明(míng)的(de)近(jìn)红(hóng)外(wài)光(guāng)上(shàng)转(zhuǎn)换(huàn)隐(yǐn)形(xíng)眼(yǎn)镜(jìng)。

▲上(shàng)转(zhuǎn)换(huàn)隐(yǐn)形(xíng)眼(yǎn)镜(jìng)实(shí)现(xiàn)人(rén)类(lèi)近(jìn)红(hóng)外(wài)时(shí)空(kōng)色(sè)彩(cǎi)视(shì)觉(jué)

实(shí)验(yàn)表(biǎo)面(miàn)，佩(pèi)戴(dài)这(zhè)种(zhǒng)隐(yǐn)形(xíng)眼(yǎn)镜(jìng)的(de)小(xiǎo)鼠(shǔ)，可(kě)以(yǐ)分(fēn)辨(biàn)不(bù)同(tóng)时(shí)间(jiān)频(pín)率(lǜ)和(hé)不(bù)同(tóng)方(fāng)位(wèi)的(de)近(jìn)红(hóng)外(wài)光(guāng)信(xìn)息(xi)。更(gèng)重(zhòng)要(yào)的(de)是(shì)，佩(pèi)戴(dài)该(gāi)隐(yǐn)形(xíng)眼(yǎn)镜(jìng)的(de)人(rén)类(lèi)志(zhì)愿(yuàn)者(zhě)，可(kě)以(yǐ)准(zhǔn)确(què)识(shi)别(bié)通(tōng)过(guò)近(jìn)红(hóng)外(wài)光(guāng)传(chuán)递(dì)的(de)更(gèng)多(duō)信(xìn)息(xi)。

研(yán)究(jiū)团(tuán)队(duì)还(hái)开(kāi)发(fā)了(le)一(yī)种(zhǒng)内(nèi)置(zhì)近(jìn)红(hóng)外(wài)光(guāng)上(shàng)转(zhuǎn)换(huàn)隐(yǐn)形(xíng)眼(yǎn)镜(jìng)的(de)可(kě)穿(chuān)戴(dài)式(shì)框(kuāng)架(jià)眼(yǎn)镜(jìng)系(xì)统(tǒng)，使人类志愿者能够获得与可见光视觉一样空间分辨率的近红外图像视觉，精确识别复杂近红外图形。

帮助人类获得更多视觉信息
除了时间和空间信息外，视觉感知还可以在色彩维度上传递丰富的信息。

研究团队用三色正交上转换纳米颗粒，取代传统的上转换纳米颗粒，制备出了三色上转换隐形眼镜，可以将三种不同光谱的近红外光转换成红、绿、蓝三基色的可见光。

▲各种图形（不同反射波谱的反射镜片模拟）通过三色上转换隐形眼镜内置的可穿戴式框架眼镜系统在可见光和近红外光照射下的色彩显示

实验结果证明，通过佩戴三色上转换隐形眼镜，人类志愿者可以有效地识别三种波长的近红外光，感知多种近红外色彩。

这(zhè)表(biǎo)明(míng)三(sān)色(sè)上(shàng)转(zhuǎn)换(huàn)隐(yǐn)形(xíng)眼(yǎn)镜(jìng)，可(kě)以(yǐ)有(yǒu)效(xiào)地(de)实(shí)现(xiàn)人(rén)类(lèi)近(jìn)红(hóng)外(wài)色(sè)彩(cǎi)图(tú)像(xiàng)视(shì)觉(jué)。但(dàn)这(zhè)项(xiàng)技术仍然有进一步提升的空间，需要视觉生理学、材料科学和光学等的跨学科合作。

该研究通过视觉生理与纳米材料技术相结合，制备出高透明、高转化效率的上转换隐形眼镜，实现了无源、可穿戴的人类近红外图像视觉能力拓展，能够使人类感知近红外光的时间、空间和色彩多维度信息。

该技术未来在医疗、信息处理及视觉辅助技术领域具有广泛应用前景。