Onderzoekers in China en de Verenigde Staten hebben contactlenzen ontwikkeld die infraroodstraling kunnen zien die onzichtbaar is voor het blote oog. De technologie zou mensen ook in staat kunnen stellen om in het donker te zien zonder dat ze nachtkijkers nodig hebben.
De ogen van zoogdieren, waaronder mensen, zijn vermoedelijk alleen in staat om zichtbaar licht te herkennen bij golflengten van ongeveer 400-700 nanometer. Meer dan de helft van het zonlicht bestaat echter uit infrarode straling met golflengten van 700 nanometer of meer, die voortdurend als onzichtbare informatie op de grond valt.
Gewaagde pogingen om dit gebied alleen met het menselijk oog te zien werpen vruchten af. Onderzoekers in China en de Verenigde Staten hebben met succes “upconversie nanodeeltjes” (UCNP), die nabij-infrarood licht omzetten in zichtbaar licht, verwerkt in zachte contactlenzen. Deze technologie zou mensen in staat kunnen stellen om in het donker te zien zonder externe hulpmiddelen.
De contactlenzen, die “upconversie contactlenzen” (UCL’s) worden genoemd, hebben geen stroombron nodig, in tegenstelling tot nachtzichtapparatuur, en kunnen meerdere infrarode golflengten tegelijk herkennen. Ze verstoren ook het normale zichtbare licht niet. “Het niet-invasieve draagbare apparaat zal mensen helpen bij het ‘monitoren’,” legt Xue Tian uit, een neurowetenschappelijk onderzoeker aan de Universiteit voor Wetenschap en Technologie van China.
Infrarood omzetten in de drie primaire kleuren van licht
UCNP’s, een belangrijk onderdeel van infraroodvisie, absorberen nabij-infrarood licht met golflengten tussen 800 en 1600 nanometer en zetten dit om in zichtbaar licht met golflengten tussen 400 en 700 nanometer. In het beginstadium was het mogelijk om deze verschillen tot op zekere hoogte te onderscheiden, omdat de kleuring na conversie enigszins verschilde afhankelijk van de golflengte. De omzettingsefficiëntie en kleurzuiverheid waren in die tijd echter beperkt en er trad visuele verwarring op wanneer verschillende golflengten tegelijkertijd aanwezig waren.
Dus verbeterden Shue en zijn team de structuur van de nanodeeltjes door ze in drie lagen te verdelen, die elk reageren op een andere infrarode golflengte en duidelijk zichtbaar licht kunnen uitstralen. Zo zijn golflengtes van 808 nanometer groen, van 980 nanometer blauw en van 1.532 nanometer rood. Hierdoor kunnen de golflengtes van infrarood licht worden geïdentificeerd met een hoge nauwkeurigheid voor kleurwaarneming.
De contactlenzen zijn zo ontworpen dat de brekingsindexen van de nanodeeltjes en het polymere substraat overeenkomen, waardoor infraroodinformatie kan worden herkend zonder het normale gezichtsvermogen te verstoren. Bovendien heeft het polymere basismateriaal een affiniteit voor water, waardoor ze geschikt zijn voor langdurig gebruik. De nanodeeltjes verspreiden zich ook gelijkmatig en veroorzaken geen zichtbeperking.
Toen de UCL’s in laboratoriummuizen werden geplaatst en blootgesteld aan infraroodstraling, trokken volgens de onderzoekers hun pupillen samen en werden er evoked potentials gegenereerd in de visuele cortex van de hersenen. De onderzoekers namen een infrarode visuele respons waar, zelfs met gesloten oogleden. Dit komt doordat nabij-infrarode straling gemakkelijk door de huid dringt. Daarentegen neemt de detectie-efficiëntie van visuele signalen toe wanneer de oogleden gesloten zijn omdat er minder interferentie is van zichtbaar licht.
Ruimtelijke herkenning ook mogelijk met extra apparatuur
Tests met menselijke proefpersonen hebben aangetoond dat ze morsecode kunnen lezen met knipperend infrarood licht, de richting van een infrarode lichtbron kunnen detecteren en golflengten op kleur kunnen identificeren. Aan de andere kant ontdekten ze ook dat contactlenzen te dicht op het netvlies liggen, wat de reconstructie van fijne ruimtelijke informatie beperkt door de verstrooiing van het geconverteerde licht.
Om dit probleem op te lossen, ontwikkelde het onderzoeksteam ook een brilachtig hulpmiddel met filmachtige UCNP’s ingebed in drie lenzen. Met dit apparaat konden ze ongeveer 65 licht/donker-veranderingen per graad gezichtsveld onderscheiden. Dit komt overeen met de hoge-definitie visuele prestaties van het menselijk oog. Proefpersonen die deze apparaten droegen, konden zelfs nauwkeurig woorden en zinnen lezen die waren opgebouwd uit een combinatie van verschillende infrarode golflengten en knippatronen.
Het vermogen van UCL’s om golflengten van licht om te zetten zou ook kunnen worden toegepast als hulpmiddel voor mensen met kleurenblindheid, zegt Xue. Door bijvoorbeeld rode golflengtes om te zetten naar groen zouden kleurenblinde mensen kleurverschillen beter kunnen waarnemen.
In het huidige stadium kunnen UCL’s echter alleen heldere lichtbronnen zien, zoals infrarode LED’s. De onderzoekers verbeteren de gevoeligheid en het optische ontwerp van de nanodeeltjes zodat ze ook kunnen werken met natuurlijke infrarode straling in de omgeving, zoals warmtestraling en zonlicht. In de toekomst zal de mens niet alleen in het donker kunnen zien zonder apparatuur, maar zal het “onzichtbare licht” dat de wereld dag en nacht vult, het menselijk oog kunnen bereiken als een nieuwe waarneming.
