Приборы ночного видения десятилетиями показывали окружающий мир примерно одинаково: зернистая зелёная картинка, где предметы отличаются главным образом яркостью. Человек видит в темноте гораздо больше, чем невооружённым глазом, но разбирать детали и оценивать расстояние всё равно трудно. Новая система переводит инфракрасное излучение в видимые цвета и за счёт оттенков помогает различать сигналы, которые на обычном монохромном изображении почти сливаются.
Классические приборы ночного видения усиливают слабый доступный свет и формируют одноцветное изображение. Дополнительная информация передаётся изменением яркости: сильный сигнал даёт более светлый участок, слабый остаётся тёмным. Для зрения такой способ не идеален. Человеческий глаз хорошо замечает различия между цветами, поэтому разработчики решили использовать цвет как дополнительный канал передачи информации.
Но с этими очками оттенок зависит сразу от интенсивности инфракрасного излучения и его длины волны. Два сигнала с близкой яркостью могут получить разные цвета, если отличаются по спектральным характеристикам. Благодаря этому наблюдателю не приходится различать едва заметные градации одного и того же зелёного изображения.
Главная часть прототипа представляет собой преобразователь инфракрасного излучения в видимый свет. На стеклянную подложку нанесли несколько очень тонких слоёв общей толщиной в несколько сотен нанометров. Один из них содержит квантовые точки из теллурида ртути. Размер каждого полупроводникового кристалла не превышает четырёх нанометров. Благодаря квантовым эффектам частицы реагируют даже на небольшое количество инфракрасного излучения.
Когда инфракрасные фотоны попадают на квантовые точки, в материале возникают электрические заряды. Над чувствительным слоем расположен органический светодиод, OLED. Аббревиатура OLED широко используется и в русском языке. В обычных экранах смартфонов и телевизоров свет формирует один активный слой, а в экспериментальном преобразователе их два.
Нижний слой начинает светиться красным уже при сравнительно слабом электрическом сигнале. Верхнему слою требуется больший поток заряда, после чего он испускает циановый свет, то есть оттенок между голубым и зелёным. При слабом инфракрасном освещении человек видит преимущественно красный цвет. С ростом интенсивности включается второй слой, цвета смешиваются, изображение становится ярче и постепенно переходит к другим оттенкам.
Количество электрического заряда зависит не только от интенсивности света. Значение имеет и длина волны инфракрасного излучения. Фотоны с меньшей длиной волны несут больше энергии и вызывают более сильный отклик квантовых точек. Поэтому цвет на выходе несёт приблизительную информацию о спектре сигнала, а яркость помогает оценивать его мощность.
Расчёты показывают, насколько сильно цвет облегчает восприятие небольших различий. При одновременном использовании цвета и яркости человек способен заметить разницу в мощности инфракрасного излучения около 0,11 милливатта на квадратный сантиметр. Если передавать информацию только яркостью, порог возрастает до 23,71 милливатта на квадратный сантиметр. Разница составляет примерно 200 раз.
Работу преобразователя проверили в носимом прототипе. Тонкий элемент встроили в оправу очков и направляли на него инфракрасный свет различной интенсивности. При усилении освещения изображение менялось от насыщенного красного через оранжевый к жёлтому. Очки также воспроизводили заданные рисунки и буквы, а во время других опытов позволяли отслеживать перемещавшиеся и вращавшиеся объекты.
Следующий эксперимент проверял, способен ли преобразователь передавать инфракрасный сигнал непосредственно светочувствительным клеткам. Для опыта использовали нейроны с каналродопсином-2. Каналродопсин-2, или ChR2, представляет собой светочувствительный белок, который широко применяется в оптогенетике. При воздействии синего света белок открывает ионный канал в клеточной мембране и тем самым позволяет возбуждать нейрон.
Сам инфракрасный свет каналродопсин-2 не активирует. Поэтому рядом с подготовленными клетками закрепили преобразователь. Инфракрасное излучение попадало на квантовые точки, система превращала его в синий видимый свет, который и запускал работу каналродопсина-2. Электрические измерения подтвердили связь между интенсивностью исходного излучения и реакцией клеток: при усилении инфракрасного сигнала возрастали токи, зарегистрированные в нейронах.
Затем преобразователь разместили перед глазами мышей и людей и проследили за электрической реакцией зрительной системы. Инфракрасные импульсы без дополнительного устройства заметного ответа не вызывали, поскольку обычные фоторецепторы не воспринимают инфракрасный диапазон. После установки преобразователя исследователи зарегистрировали выраженную реакцию. У мышей сигнал фиксировали в мозге, у людей измеряли электрический ответ сетчатки.
Эксперимент не означает, что человеческий глаз начал самостоятельно видеть инфракрасный свет. Преобразователь выполнял роль промежуточного звена: сначала принимал невидимое излучение, затем превращал его в видимое, которое уже воспринимала зрительная система. Поэтому принцип заметно отличается от попыток напрямую изменить спектральную чувствительность человеческих фоторецепторов.
До практических очков ночного видения разработке ещё далеко. Все испытания проходили в контролируемых лабораторных условиях. OLED требуется электрическое питание, а для работы самого преобразователя нужен источник инфракрасного света. Такой источник освещает окружающие предметы, отражённое излучение возвращается к очкам, после чего квантовые точки превращают поступивший сигнал в видимое изображение.
Ключевое отличие экспериментальной системы от привычных приборов заключается в способе передачи информации человеку. Обычное ночное видение в основном кодирует инфракрасный или слабый видимый сигнал яркостью. Новый преобразователь добавляет цвет и позволяет человеческому зрению различать гораздо меньшие изменения интенсивности. Пока разработчики подтвердили принцип на тонких плёнках, прототипе очков, клетках и зрительной системе животных и людей, а переход к автономному устройству потребует решить вопросы питания, инфракрасной подсветки и работы вне лаборатории.