Kontaktlinser gör det möjligt för människor att uppfatta infrarött ljus i färg

Människan känner normalt av ljus mellan 400 nm och 700 nm. Ett team lett av Yuqian Ma har nu utökat detta intervall genom att utveckla mjuka kontaktlinser som omvandlar nära infraröda (NIR) fotoner till synligt ljus, vilket ger bäraren direkt NIR-seende utan kirurgi.

Linserna bäddar in nanopartiklar med uppkonvertering i en poly-HEMA-matris. Genom att matcha polymerens brytningsindex med partiklarna och hålla nanopartikelmängden på sju viktprocent kunde författarna bibehålla mer än 85 procents transparens i hela det synliga spektrumet. Mekaniska tester visade på flexibilitet och utmattningsbeständighet som var jämförbar med kommersiella linser, och sex timmars okulära säkerhetstester på möss visade inte på någon extra hornhinnesapoptos eller inflammation i näthinnan.

Elektroretinografi registrerade normala svar i synligt ljus och tydliga svar i NIR endast när linserna användes. Möss som bar linserna drog ihop pupillerna under 980 nm belysning, undvek en NIR-belyst kammare och använde NIR-flimmer för att undvika chock. Dessa effekter kvarstod med suturerade ögonlock, vilket överensstämmer med en ögonlockstransmittans på 23 procent vid 980 nm jämfört med 0,4 procent vid 535 nm.

Frivilliga försökspersoner uppvisade liknande resultat. Linsbärare upptäckte NIR-blixtar i mörker och under 300 lux omgivande ljus; att stänga ögonen försämrade knappast NIR-känsligheten men undertryckte känsligheten för synligt ljus med två storleksordningar. Deras tröskelvärde för NIR-flicker-fusion matchade det synliga riktmärket och de avkodade Morse-sekvenser lika exakt som med synligt ljus. En extern glasögonmodul med tre linser projicerade NIR-scener genom en platt uppkonverteringsfilm, vilket gav en rumslig upplösningsgräns på nära 65 cykler per grad och möjliggjorde igenkänning av enkla NIR-linje-, bokstavs- och formmönster.

Genom att ersätta de konventionella nanopartiklarna med en trikromatisk, ortogonalt exciterad design tillfördes färg. Separata excitationer på 808 nm, 980 nm och 1532 nm gav isolerade gröna, blå respektive röda emissioner. Försök med färgmatchning visade att användarna kunde blanda dessa tre "primära" NIR-kanaler för att återge hela färgskalan i NTSC-storlek och urskilja flerfärgssymboler, meningar som kodas med kombinerade färg- och tidsangivelser och reflekterande föremål vars NIR-nyanser skiljer sig från deras synliga utseende.

Kom ihåg att linser fortfarande är långt borta - problem som låg känslighet utan aktiv NIR-belysning, inneboende upplösningsgränser, utmaningar med färgkonstans och behovet av bredare tester på människor måste lösas. Smarta glasögon med NIR-kameror och -skärmar kan nå konsumenterna inom några år, medan uppkonverterande kontaktlinser sannolikt kommer att kräva många fler år av arbete med material, optik och regelverk.