Человеческий глаз не замечает инфракрасное излучение, но новая система, которую недавно придумали ученые, может решить этот промах эволюции. Лёгкий полупрозрачный преобразователь различает длину волны и интенсивность невидимого света, а затем передаёт их через оттенки красного, голубого и промежуточные цвета. Разработчики уже встроили устройство в очки массой 23 г, через которые человек одновременно видит обычное окружение и наложенное на него инфракрасное изображение.
Сетчатка реагирует только на ограниченную часть электромагнитного спектра. Фотоны инфракрасного диапазона несут меньше энергии, чем видимый свет, поэтому не запускают нормальную зрительную реакцию. Тепловизоры и приборы ночного видения обходят ограничение с помощью электронных камер и дисплеев, но обычно показывают сцену в оттенках серого или условном зелёном цвете.
Одноцветное изображение передаёт разницу в сигнале главным образом через яркость. Слабое излучение выглядит темнее, сильное — светлее, а близкие по характеристикам источники легко сливаются. Человеческое зрение гораздо лучше различает небольшие изменения цвета, поэтому исследователи решили распределить инфракрасные сигналы по нескольким оттенкам.
Основа преобразователя - коллоидные квантовые точки из теллурида ртути. Квантовыми точками называют полупроводниковые частицы размером в несколько нанометров. Благодаря малым размерам их электронные свойства зависят от геометрии, а состав и диаметр можно подобрать под поглощение определённого диапазона излучения.
Когда инфракрасный фотон попадает в квантовую точку, частица поглощает его энергию и создаёт электрические заряды. Ток поступает в органический светодиод, который уже испускает видимый свет. В результате система не пытается заставить сетчатку напрямую почувствовать инфракрасный сигнал, а сначала переводит его в электрическую форму, а затем создаёт доступное глазу изображение.
Светоизлучающий слой разделён на красную и голубовато-зелёную зоны. Более слабый сигнал создаёт достаточно заряда только для красной части. При увеличении энергии или интенсивности включается второй участок, и глаз видит сочетание двух цветов.
Оттенок поэтому зависит сразу от нескольких характеристик исходного излучения. Разные длины волн и уровни интенсивности дают собственные цветовые сочетания. Пользователь получает не просто светлые и тёмные пятна, а карту, где различия между инфракрасными источниками заметны по цвету.
Исследователи называют метод многоспектральным преобразованием инфракрасного излучения в полноцветное видимое изображение. Слово «полноцветное» здесь не означает, что устройство показывает естественную окраску предметов. Инфракрасный свет сам по себе не имеет воспринимаемого человеком цвета, поэтому система присваивает оттенки искусственно.
Цветовое кодирование помогает быстрее замечать различия, которые на традиционном экране выглядели бы как небольшие изменения яркости. Два источника могут казаться почти одинаковыми на чёрно-белой картинке, но новый преобразователь покажет их разными оттенками.
Устройство работает напрямую с падающим излучением и не требует обычной камеры, которая сначала записывает сцену, а затем выводит её на отдельный экран. Полупрозрачная конструкция пропускает видимый свет, поэтому пользователь продолжает видеть помещение, людей и предметы перед собой.
Инфракрасный слой появляется поверх обычного зрения. Если через отверстие, трафарет или движущийся объект направить невидимый луч, очки показывают его форму в выбранном системой цвете. Окружающая обстановка при этом не исчезает за цифровым изображением.
Во время испытаний исследователи пропускали инфракрасное излучение через различные фигуры и перемещали источники перед преобразователем. Прототип передавал контуры объектов без сильного размытия и сохранял различия между сигналами.
Масса очков составила 23 г, примерно столько же весят некоторые обычные оправы. Небольшой вес важен для носимой оптики: массивные камеры, аккумуляторы и дисплеи быстро утомляют пользователя и требуют сложного крепления.
Учёные также проверили реакцию человеческого глаза на преобразованное изображение. Электрические сигналы сетчатки соответствовали нормальному ответу на видимый свет. Инфракрасные фотоны по-прежнему оставались недоступны фоторецепторам, но созданные OLED-системой красные и голубовато-зелёные участки воспринимались обычным способом.
Прототип отличается от тепловизора и не показывает температуру предметов автоматически. Любое тёплое тело испускает инфракрасное излучение, однако диапазон и чувствительность конкретного преобразователя определяют, какие источники он сможет обнаружить. В работе проверяли управляемые инфракрасные сигналы, а не полноценное тепловое изображение людей и окружающих объектов.
Технология пока не превращает обычные очки в готовый прибор ночного видения. Для практического применения разработчикам потребуется увеличить площадь преобразователя, повысить стабильность изображения, обеспечить питание и проверить, как устройство ведёт себя при сложном освещении за пределами лаборатории.
Отдельного внимания требует теллурид ртути. Соединение содержит токсичный металл, поэтому материал должен оставаться надёжно изолированным от человека и окружающей среды. Перед выпуском носимого устройства инженерам придётся оценить долговечность защитных слоёв, безопасность производства и утилизации.
Цветное преобразование может пригодиться там, где человеку нужно одновременно видеть обычную сцену и невидимый источник. Очки смогут показывать инфракрасные метки, лучи систем связи, сигналы датчиков или элементы навигации, не закрывая реальный мир непрозрачным экраном. Разработчики также рассматривают систему как основу для зрительных протезов и расширения диапазона человеческого восприятия. В таком случае устройство будет не восстанавливать утраченную функцию в привычном виде, а добавлять новый канал информации, которого у нас никогда не было.