Polski przełom w rozszerzonej rzeczywistości. Naukowcy stworzyli okulary wykorzystujące podczerwień

• Walka ze zniekształceniami obrazu w urządzeniach AR
• Miniaturyzacja laboratoryjnego lasera
• Mobilny prototyp i plany powołania spółki spin-off

– Widzenie dwufotonowe, najprościej mówiąc, polega na tym, że człowiek zaczyna widzieć podczerwień – wyjaśnia w rozmowie z agencją Newseria Innowacje dr hab. inż. Katarzyna Komar, prof. UMK, badaczka Międzynarodowego Centrum Badań Oka ICTER, działającego w Instytucie Chemii Fizycznej PAN. – Przy tym długość fali 950 nanometrów wydaje się nam niebieska, 1000 nanometrów zielona, a 1100 nanometrów żółta. Te odcienie odpowiadają z grubsza barwom, jakie ma dla nas światło widzialne o połowę krótszej fali.

Zjawisko widzenia dwufotonowego zostało opisane w 2014 roku przez międzynarodowy zespół naukowców, w którym uczestniczyła Katarzyna Komar. Badacze wykazali, że człowiek może zobaczyć krótkie impulsy bliskiej podczerwieni, choć ten zakres promieniowania jest zwykle całkowicie niewidoczny dla ludzkiego oka. Dzieje się tak, gdy pigment wzrokowy niemal jednocześnie pochłonie dwa fotony podczerwieni. Ich łączna energia wystarcza do pobudzenia fotoreceptorów, a ludzki mózg odbiera powstały bodziec jako klasyczne światło widzialne.

Walka ze zniekształceniami obrazu w urządzeniach AR

W tradycyjnych okularach rozszerzonej rzeczywistości cyfrowy obraz musi być nałożony na widok otoczenia. Stosowane obecnie na rynku układy optyczne mogą jednak powodować straty światła, przyciemnienie lub zniekształcenie obrazu świata zewnętrznego. Wielką trudnością jest również utrzymanie idealnej ostrości dodatkowych treści, gdy użytkownik przenosi wzrok między obiektami znajdującymi się w różnych odległościach.

Widzenie dwufotonowe może całkowicie wyeliminować te problemy, ponieważ wykorzystuje zupełnie inny zakres promieniowania niż światło docierające do nas z otoczenia. Dzięki temu oba tory optyczne można połączyć za pomocą zwierciadła dichroicznego, które przepuszcza światło widzialne, a odbija podczerwień. В polskim prototypie przepuszcza ono aż 96 proc. światła widzialnego i odbija 98 proc. bodźca podczerwonego.

– Widzenie dwufotonowe jest procesem nieliniowym optycznie, co oznacza, że jasność bodźca kwadratowo zależy od mocy wiązki pobudzającej – mówi prof. UMK. – W związku z tym o wiele łatwiej będzie osiągnąć sytuację, w której widzimy cyfrowy komunikat ostro i wyraźnie zarówno w warunkach jasnego dnia, jak i w ciemniejszym oświetleniu. Dodatkowo bodziec dwufotonowy, z tego powodu, że wywołuje go proces nieliniowy, jest zawsze idealnie ostry.

Większą tolerancję obrazu dwufotonowego na rozogniskowanie potwierdzają wyniki badania zespołu prof. Katarzyny Komar, opublikowanego w sierpniu 2026 roku w prestiżowym czasopiśmie „Optics Letters”. Naukowcy wyświetlali uczestnikom eksperymentu zieloną literę za pomocą światła widzialnego oraz impulsów podczerwieni, a następnie stopniowo zwiększali rozogniskowanie. U osób z większą zdolnością akomodacji średnia tolerancja wyniosła 6,6 dioptrii dla widzenia dwufotonowego i 4,3 dioptrii dla tradycyjnego obrazu. Podobną przewagę odnotowano u osób z prezbiopią.

Ma to kluczowe znaczenie, ponieważ w urządzeniach AR odległość, w której użytkownik widzi wirtualny obiekt, nie zawsze odpowiada płaszczyźnie, na której oko automatycznie ustawia ostrość. Taka rozbieżność – nazywana konfliktem akomodacji i konwergencji – wywołuje ból i dyskomfort podczas dłuższego korzystania z gogli. Większa tolerancja na rozogniskowanie może drastycznie poprawić jakość wyświetlaczy AR nowej generacji.

Miniaturyzacja laboratoryjnego lasera

– Idea stworzenia takich okularów zakłada, że na głowie użytkownika musimy umieścić zaawansowany układ optyczny, który normalnie zajmuje sporą część potężnego stołu laboratoryjnego – tłumaczy prof. Katarzyna Komar. – Ludzie mają bardzo różną anatomię. Musimy tak dostosować konstrukcję, żeby pasował do osób o różnej budowie twarzy. Pomógł nam pomysł, aby użyć specjalnej oprawy optometrycznej, na której stabilnie umocowaliśmy elementy służące do wyświetlania bodźców. Cały czas musimy jednak szukać jak najmniejszych i najlżejszych podzespołów.

W ciągu roku intensywnych prac naukowcy zbudowali zaawansowany prototyp łączący miniaturowy skaner MEMS, regulowane elementy optyczne, światłowodowy tor laserowy i autorskie oprogramowanie, które synchronizuje pracę układu w czasie rzeczywistym. Urządzenie wykorzystuje femtosekundowy laser światłowodowy domieszkowany erbem, opracowany przez dr inż. Dorotę Stachowiak i jej współpracowników z Politechniki Wrocławskiej. Laser można precyzyjnie przestrajać w zakresie od 872 do 1075 nm.

– Przy wsparciu projektu Proof of Concept powstał prototyp, który jest w pełni zdatny do użycia. Założyło go już kilkadziesiąt osób, którym naocznie pokazaliśmy widzenie dwufotonowe jako element rozszerzonej rzeczywistości. Konstrukcja wymaga jednak dalszych udoskonaleń. Obecnie samo zakładanie systemu trwa kilka minut i wymaga pomocy operatora, ponieważ prototyp jest na stałe przypięty do lasera zajmującego miejsce w laboratorium optycznym.

Mobilny prototyp i plany powołania spółki spin-off

Kolejnym etapem prac zespołu z Warszawy będzie drastyczne zmniejszenie źródła laserowego i zastąpienie pozostałych elementów układu rozwiązaniami światłowodowymi, aby z okularów można było swobodnie korzystać poza laboratorium. Prototyp powstał w ramach projektu „Wyświetlacz siatkówkowy oparty na widzeniu dwufotonowym dla potrzeb rozszerzonej rzeczywistości”, który otrzymał dofinansowanie w programie Proof of Concept Fundacji na rzecz Nauki Polskiej ze środków Funduszy Europejskich dla Nowoczesnej Gospodarki 2021–2027.

– Chcielibyśmy użyć mniejszego lasera, aby całość można było po prostu założyć na siebie i wyjść z urządzeniem na zewnątrz – zapowiada badaczka. – Chcemy to zrealizować już w ramach spółki spin-off, która właśnie powstaje w Instytucie Chemii Fizycznej PAN. Mamy nadzieję, że gdy stworzymy w pełni mobilną wersję, szybko zainteresujemy nią komercyjnych użytkowników końcowych.

W pierwszej kolejności technologia będzie rozwijana z myślą o zastosowaniach ściśle specjalistycznych. Okulary mogłyby wyświetlać precyzyjne parametry pilotom i żołnierzom, wspierać realizację programów kosmicznych, a w medycynie dostarczać kluczowe dane chirurgom bezpośrednio w trakcie operacji. Samo zjawisko jest również badane pod kątem zaawansowanej diagnostyki okulistycznej, m.in. w mikroperymetrii służącej do oceny czułości siatkówki.

– Na razie celujemy w rynek wojskowy, lotnictwo, programy kosmiczne oraz nowoczesne wyposażenie sal operacyjnych. Aby takie gogle mogły trafić do zwykłych konsumentów, musimy poczekać, aż krótkoimpulsowe lasery zostaną jeszcze bardziej zminiaturyzowane – podsumowuje dr hab. inż. Katarzyna Komar.

Miniaturyzację może przyspieszyć rozwój femtosekundowych laserów na chipach. Zdaniem ekspertki w ciągu kilku lat takie źródła światła mogą trafić do produkcji, co otworzyłoby drogę do powstania okularów przeznaczonych także dla zwykłych użytkowników.

Źródło: Newseria

Projekt jest realizowany z działania Proof of Concept prowadzonego przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej i finansowanego ze środków pochodzących z Funduszy Europejskich dla Nowoczesnej Gospodarki.