人类视觉系统天生无法直接感知近红外光波段,这主要由于视网膜中感光蛋白的物理化学限制。近红外光由于其较长的波长和较低的能量,没有产生足够的信号激活人眼的锥体和视杆细胞,使得其对人类眼睛不可见。尽管如此,近红外光在科学研究、军事安防、生物医学成像以及人机交互等领域具备独特优势,例如穿透力强、对环境影响低以及低侵入性成像等特点。因此,赋予人类直接感知近红外光的能力,便成为了视觉科技领域的重大挑战与突破方向之一。近红外光的感知问题得到创新材料科学和光学工程的有力支撑,近期由中国科学技术大学团队和美国相关机构协作研发的近红外转化隐形眼镜(Upconversion Contact Lenses,简称UCL)引发广泛关注。该技术利用纳米级的上转换发光材料,将不可见的近红外波段光转化为可见光,从而让佩戴者能够"看见"传统意义上肉眼不可见的光谱信息。
这种隐形眼镜不仅兼顾了高效光学性能,同时实现了优异的生物相容性、柔韧性和透气性,满足长期佩戴的实际需求。靠近眼睛佩戴的特点,使其实时感知外界近红外光成为可能,且无需额外设备支持,便于日常生活中集成使用。研究中,实验组将此类转化隐形眼镜置于小鼠眼部,成功观察到小鼠可以识别近红外光的时序和空间信息,表现出基于近红外光的行为决策能力。这一突破表明,基础视觉回路和神经系统能够整合经过光学转化的近红外信号,实现有效的视觉感知。更令人振奋的是,当人类受试者佩戴含有三种不同上转换材料的三色转化隐形眼镜(称为三色UCL,tUCL)时,能够辨别不同波长的近红外光,产生近似自然彩色视觉的视觉体验。这意味着,近红外光在经过定制转化技术后,可以模拟可见光的三基色体系,呈现时空彩色信息,实现全新的近红外视觉维度 - - 时域、空间及色彩。
三色转化隐形眼镜结合了多种上转换纳米颗粒,针对不同波长的近红外输入光,分别转化为红、绿、蓝三种颜色光。这种模拟人类自然色彩视觉机制的技术,使近红外不仅作为单一映射存在,更具备色彩辨别能力,极大丰富了隐藏在近红外波段的视觉信息的利用潜力。该技术的发展对医疗康复领域意义重大。对部分视力障碍患者而言,传统视觉系统对光谱的感知不足限制了其视觉功能。通过植入或佩戴此类转化隐形眼镜,有望提高视觉信号的丰富性和精度,助力视觉功能的部分恢复或增强。在安全监控和军事侦察等场合,佩戴转化隐形眼镜的人员可以直接感知常规设备难以捕捉的近红外信息,提升对环境的感知能力和反应速度。
在工业检测领域,基于近红外光谱的材料差异识别和故障检测亦具备重要价值,转化隐形眼镜同样能够提高工作人员的视觉检测效率与准确性。转化隐形眼镜所采用的高效载体材料和先进的上转换纳米颗粒具有多方面的技术优势。材料高度透明,保证了可见光的自然通透,佩戴体验舒适;纳米颗粒的光学性能稳定且转换效率高,可以精确匹配目标近红外波段;同时,纳米材料表面经过特殊修饰,确保与聚合物基质的高兼容性和整体隐形眼镜的机械强度。柔软、亲水的高分子材料结构为隐形眼镜提供了良好的生物适应性,符合眼部组织的天然湿润环境,减少异物感和眼部刺激,提高用户佩戴的安全性和持久性。未来,随着纳米材料合成技术的不断精进和转化机理的深入探究,转化隐形眼镜的性能将进一步提升。例如转换效率提升前沿,将可能使近红外信号转化更加明亮、清晰;动态响应速度的优化能够实现更快速的近红外变换视觉,支持更复杂的时序和运动视觉识别。
多波段、宽光谱的转换材料将进一步丰富可感知的光谱信息,推动可穿戴光学设备由彩色转化到超光谱乃至全光谱视觉平台的发展。此外,与人工智能、大数据及智能穿戴设备的结合,转化隐形眼镜有望成为未来智能视觉交互的新入口。例如,通过实时分析转化后的光信息,有可能实现环境感知辅助、盲点扩展显示、个性化色彩管理等功能,实现真实世界与增强现实的无缝融合。尽管技术前景广阔,该领域仍面临诸多挑战。如如何进一步减少设备的重量和厚度以提升舒适度,如何保障长时间使用的安全性以及解决大量生产和成本控制等问题,均是科研和产业界亟需攻克的热点。生物安全评估方面,虽然初步测试显示转化隐形眼镜具备良好兼容性,但长期佩戴及潜在的光生物效应仍需系统性研究。
此外,用户接受度和市场推广策略也是实际应用的重要组成部分。展望未来,近红外转化隐形眼镜不仅拓宽了人类视觉的边界,也代表了可穿戴智能光学技术的创新方向。通过材料科学、纳米光电子学、神经科学及临床医学的多学科融合,转化隐形眼镜将迈向面向大众应用的成熟阶段,助力实现超越自然的视觉能力。它不仅重塑了视觉体验,也为增强现实、智能感知及人机交互提供了全新维度,开启近红外光转化和人类视觉的新时代,极大促进医学诊断、安防监控、工业检测及娱乐等多个领域的发展。总之,近红外转化隐形眼镜的研发与应用,标志着人类从单一的可见光视觉向多波段光谱感知迈出关键一步,激发无限创新可能,带来健康、科技和生活方式的深刻变革。 。
