Исследователи разработали полноцветные очки ночного видения.

Длина волны и интенсивность инфракрасного излучения преобразуются в цвета видимого спектра.

Фото: Дмитрий Томс

Человеческий глаз не воспринимает инфракрасную часть светового спектра, потому что инфракрасные фотоны не несут достаточно энергии для запуска сигнального пути внутри наших светочувствительных клеток. Но нам удалось создать устройства, которые позволяют нам визуально отображать происходящее в инфракрасном диапазоне.

Группа исследователей из Пекинского технологического института под руководством Синь Тана и Гэ Му создала устройство, позволяющее людям видеть инфракрасное излучение по-новому. Вместо простого преобразования его в видимые оттенки зеленого, как это делается в стандартных приборах ночного видения, устройство преобразует различные длины волн инфракрасного излучения в отдельные части видимого спектра, обеспечивая глазу зрение, более близкое к естественному.

Исследователи добились этого, объединив коллоидные квантовые точки теллурида ртути, поглощающие инфракрасное излучение, и двухслойный OLED-дисплей, преобразующий поглощенную энергию в видимый цвет. Благодаря правильной внутренней проводке, входящее инфракрасное излучение выходит с другой стороны в виде обычного полноцветного изображения.

Невидимый свет

Зрение начинается, когда фотон попадает на светочувствительный пигмент в сетчатке и вызывает изменение его формы. Это изменяет белок, в который встроен пигмент, запуская нервный импульс, который в конечном итоге формирует изображение в мозге. Для начала этого молекулярного изменения формы требуется минимальное количество энергии, примерно 1,6 электронвольт; инфракрасные фотоны с длиной волны более 700 нанометров не несут достаточной энергии для этого. Это означает, что более половины солнечной энергии находится вне зоны нашего зрения, как и всё, что излучает или отражает тепло, а не видимый свет.

Большинство существующих устройств, позволяющих нам видеть инфракрасное излучение, используют ИК-фотодетекторы, подключенные к светодиодам видимого света. Такой подход делает инфракрасный свет видимым, но только в виде яркости: более теплый объект светится немного сильнее, более холодный — немного слабее, и мы представляем их все одним и тем же (обычно зеленоватым) цветом. Одна из проблем заключается в том, что человеческий глаз гораздо лучше различает тонкие различия в оттенке, чем различия в яркости, поэтому устройство, которое модулирует только яркость, оставляет большую часть чувствительности глаза неиспользованной.

Решение, к которому пришла команда Танга, начинается со способа регистрации инфракрасного света.

Селективные квантовые точки

Объемные полупроводники, обычно используемые в ИК-детекторах, имеют непрерывные энергетические полосы, что означает, что они поглощают широкий, недифференцированный участок инфракрасного спектра. Это не сохраняет много информации о том, какая именно длина волны была получена. Коллоидные квантовые точки теллурида ртути, выбранные китайской командой для своего устройства, ведут себя иначе. Из-за их крошечного размера, примерно 4 нанометра в поперечнике, квантовое ограничение разбивает их энергетические уровни на дискретные ступени, а не на непрерывный участок. Фотоны с разными длинами волн и интенсивностями инфракрасного излучения возбуждают разные электронные переходы, перемещая электрон между дискретными энергетическими уровнями внутри точки, а не просто производя больше или меньше одного и того же сигнала.

При длинах волн около 2 микрометров, самой длинной из протестированных командой, входящие фотоны обладают достаточной энергией, чтобы переместить электрон через основную запрещенную зону квантовой точки, создавая небольшое количество носителей заряда — либо отрицательно заряженных электронов, либо положительно заряженных дырок, которые перемещаются внутри точки.

При более коротких длинах волн инфракрасного излучения фотоны несут больше энергии на частицу и могут осуществлять дополнительные, более высокоэнергетические электронные переходы внутри квантовой точки. В некоторых случаях избыточной энергии носителя может быть достаточно, чтобы высвободить более одной электронно-дырочной пары на фотон. Эти процессы открывают дополнительные каналы для генерации носителей заряда. В результате более короткие длины волн инфракрасного излучения и более интенсивный инфракрасный свет выталкивают больше положительно заряженных дырок из слоя квантовых точек в сторону OLED-устройства.

Однако получение переменного числа отверстий в зависимости от длины волны и интенсивности инфракрасного света, выходящего из детектора, представляло собой лишь половину проблемы. Другая половина заключалась в преобразовании этого сигнала в цветное изображение на другой стороне.

Барьер

Команда добилась этого, создав OLED-дисплей с двумя отдельными излучающими слоями, расположенными друг над другом. Один слой, расположенный ближе к месту входа дырок, был легирован люминофором, излучающим красный свет. Другой слой, расположенный дальше, был легирован люминофором, излучающим голубой свет. Ключевым компонентом, обеспечивающим работу полноцветного изображения, стал энергетический барьер около 0,82 электронвольт между этими двумя слоями.

Когда из-за слабого освещения или длинноволновых фотонов от инфракрасного детектора поступает лишь небольшое количество дырок, все они захватываются красным слоем, и устройство излучает слабояркое красное свечение. По мере увеличения количества поступающих дырок, будь то из-за большей яркости инфракрасного света или из-за более коротких длин волн, открываются дополнительные пути генерации носителей заряда в квантовых точках, и барьер насыщается. Дырки начинают проникать сквозь него в голубой слой, и устройство начинает одновременно излучать смесь красного и голубого цветов, изменяя общий цвет и увеличивая яркость.

Поскольку это изменение цвета связано с номером несущей, а не с фиксированной таблицей соответствия, результирующее цветовое пространство кодирует как длину волны, так и интенсивность входящего инфракрасного света. Расчеты команды, представленные в исследовании, показывают, что устройство должно позволить пользователям различать разницу в мощности инфракрасного излучения примерно в 200 раз меньшую, чем при использовании одноцветной конструкции, определяющей только яркость.

Чтобы продемонстрировать принцип работы всего этого, учёные создали очки с инфракрасным зрением, используя эти квантовые точки.

Очки и имплантаты

Очки полупрозрачные и весят всего 23 грамма, с активной зоной обзора около 3,57 квадратных сантиметров. В первом тесте, направленном на объекты, освещенные коротковолновым инфракрасным светом, очки проецировали четкие цветные изображения, включая тестовые шаблоны и движущиеся объекты, которые можно было запечатлеть стандартной камерой. При этом они пропускали и обычный видимый свет через полупрозрачную структуру. В принципе, очки можно переключать между режимом дополненной реальности, накладывающим инфракрасную информацию на обычное зрение, и иммерсивным режимом только с инфракрасным излучением и простым фильтром.

Команда также проверила, может ли преобразованный инфракрасный свет управлять биологической зрительной системой, а не только камерой. Они связали преобразователи с клетками, которые вырабатывают каналородопсин-2, светочувствительный белок, обычно используемый для того, чтобы нейроны реагировали на синий свет. Инфракрасное излучение, проходящее через устройство, действительно вызывало фототоки в этих клетках.

При исследовании целых организмов, когда испытуемые смотрели на светодиодный экран, освещенный инфракрасными импульсами, у мышей наблюдались четкие электроэнцефалографические реакции, а у добровольцев — четкие электроретинографические реакции. В обоих случаях одни и те же инфракрасные импульсы, без преобразователя частоты, не вызывали никаких измеримых реакций.

В статье команда утверждает, что их работа «переосмыслила инфракрасное зрение», «преодолев монохромную парадигму». Авторы заявляют, что, «преодолев эволюционные границы биологической фоторецепции», их устройство открывает путь к «визуальным протезам следующего поколения». Однако исследователям еще предстоит выяснить множество деталей, прежде чем с помощью этой технологии станет возможным создание полноцветных ИК-очков или имплантатов в сетчатку.

Тяжелый металлический взгляд

Все демонстрации, описанные в исследовании, проводились в контролируемых условиях, которые редко встречаются в реальном мире. Очки тестировались с использованием калиброванного источника черного тела и простых высококонтрастных тестовых шаблонов, таких как буквы и листья, а не многоволнового инфракрасного излучения, характерного для реальной комнаты или улицы. Неясно, насколько хорошо сохраняется читаемость цветовой кодировки при работе в реальных условиях. Кроме того, OLED-дисплей требует внешнего источника питания, что делает очки ближе к небольшому питаемому дисплею, чем к пассивной линзе.

Наконец, теллурид ртути — это соединение тяжелого металла, и в статье ничего не говорится о длительном контакте с кожей или, в случае более амбициозной имплантируемой версии, о биосовместимости или безопасности в течение длительного времени. Идея имплантируемого фоторецептора сетчатки пока подтверждается лишь изолированными нейронами в чашке Петри, данными ЭЭГ мышей и показаниями ЭРГ людей, которым свет направляли в глаз. Все это служит убедительным доказательством того, что преобразованный таким образом инфракрасный световой сигнал может достигать зрительной системы. Но команде еще предстоит пройти несколько шагов до создания устройства, которое можно было бы имплантировать в глаз или даже использовать в настоящих очках ночного видения.

Science Advances, 2026. DOI: 10.1126/sciadv.aed0245

Источник: arstechnica.com