Новая эра инфракрасного зрения: как китайские ученые преобразуют невидимый свет в цветные изображения

Инфракрасное излучение, которое мы не можем увидеть, может быть преобразовано в цветные изображения благодаря новым технологиям. Команда исследователей из Пекинского института технологий под руководством Синь Тана и Ге Му разработала устройство, которое позволяет людям видеть инфракрасный свет в новом формате. Вместо стандартного перевода инфракрасного излучения в оттенки зеленого, как это делается в обычных ночных очках, их устройство переводит различные длины волн инфракрасного света в разные части видимого спектра, что приближает восприятие к естественному зрению.

Как работает инфракрасное зрение

Человеческий глаз не регистрирует инфракрасную часть спектра, так как фотоны инфракрасного света не обладают достаточной энергией для активации сигналов в светочувствительных клетках сетчатки. Это означает, что более половина солнечной энергии остается вне нашего визуального восприятия, включая все, что излучает или отражает тепло. Существующие устройства, позволяющие видеть инфракрасное излучение, используют ИК-фотодетекторы, подключенные к светодиодам видимого света. Однако этот подход лишь отображает инфракрасный свет в виде яркости, что не позволяет использовать всю чувствительность человеческого глаза.

Инновационный подход

Исследователи из Пекинского института технологий использовали коллоидные квантовые точки на основе ртути и теллурида для своего устройства. Эти точки, размером около 4 нанометров, обладают уникальными свойствами: благодаря квантовому ограничению их энергетические уровни разбиваются на дискретные шаги. Это позволяет различным длинам волн инфракрасного света возбуждать разные электронные переходы, что создает более сложный сигнал, чем просто изменение яркости. На длине волны около 2 микрометров, которая была максимальной в тестах, фотоны имеют достаточно энергии, чтобы перемещать электроны внутри квантовой точки, создавая зарядовые носители. Более короткие длины волн могут создавать большее количество электронно-дырочных пар, что позволяет генерировать больше зарядов в зависимости от интенсивности инфракрасного света.

Преобразование сигнала в цвет

Для того чтобы перевести сигнал в цветное изображение, команда разработала OLED-экран с двумя отдельными эмиссионными слоями. Один слой, ближе к источнику зарядов, был допирован красным фосфором, а другой, более удаленный, — фосфором, излучающим циан. Энергетический барьер между этими слоями составляет около 0.82 электрон-вольта. Когда количество зарядов невелико, устройство излучает низкоконтрастный красный свет. С увеличением интенсивности инфракрасного света, дополнительные каналы в квантовых точках открываются, и устройство начинает излучать смесь красного и цианового света, что позволяет создать цветное изображение.

Применение технологии

Команда создала полупрозрачные очки, которые весят всего 23 грамма и имеют активную область просмотра около 3.57 квадратных сантиметров. В первых тестах, проведенных с использованием коротковолнового инфракрасного света, очки продемонстрировали четкие цветные изображения, включая тестовые паттерны и движущиеся объекты. Очки могут переключаться между режимом дополненной реальности, накладывающим инфракрасную информацию на обычное зрение, и режимом только инфракрасного света. Исследователи также проверили, может ли преобразованный инфракрасный свет активировать биологическую визуальную систему. Эксперименты показали, что инфракрасное освещение действительно вызывало реакции в клетках, чувствительных к свету, и у животных, и у людей.

Проблемы и перспективы

Несмотря на многообещающие результаты, есть еще много вопросов, которые необходимо решить, прежде чем технология станет доступной в виде полноцветных инфракрасных очков или имплантатов. Все тесты проводились в контролируемых условиях, что ставит под сомнение, насколько хорошо цветовая кодировка будет работать в реальных условиях. Кроме того, использование ртутного теллурида, тяжелого металла, вызывает вопросы о безопасности и совместимости с организмом. Таким образом, хотя работа команды действительно "переопределяет инфракрасное зрение" и открывает новые горизонты для визуальных протезов, еще предстоит много сделать, чтобы эта технология стала реальностью.