Описание: Монохромное зелёное изображение являлось стандартом приборов ночного видения на протяжении восьми десятилетий. Сейчас ситуация кардинально меняется благодаря инновационной технологии.

Традиционные устройства ночного видения на протяжении многих лет отображали окружающую среду практически одинаково: зёрнистое монохромное изображение, где различия объектов определяются главным образом уровнем освещённости. Пользователь получает значительно лучшую видимость в условиях низкой освещённости по сравнению с невооружённым зрением, однако определение деталей и расстояния остаётся затруднительным. Новый метод преобразует инфракрасное излучение в спектр видимых цветов, позволяя человеческому глазу легче различать сигналы, которые в традиционном чёрно-белом формате практически неразличимы.

Традиционные устройства ночного видения усиливают слабое естественное освещение и формируют монохромное изображение. Дополнительные данные передаются через интенсивность свечения: интенсивный сигнал создаёт более яркие области, слабый остаётся тёмным. Для человеческого восприятия этот подход имеет ограничения. Человеческий мозг отличается повышенной чувствительностью к цветовым различиям, поэтому разработчики решили использовать цвет как дополнительный канал для передачи визуальной информации.

В новых очках цветовой оттенок зависит одновременно от силы инфракрасного излучения и его спектрального состава. Два сигнала с приблизительно одинаковой интенсивностью могут быть представлены различными цветами при наличии спектральных различий. Это позволяет оператору не прилагать усилий для различения едва заметных вариаций одного цвета.

Основным компонентом экспериментального устройства является конвертер, переводящий инфракрасное излучение в видимый диапазон. На стеклянное основание нанесли несколько тончайших слоёв общей толщиной несколько сотен нанометров. Один из этих слоёв содержит квантовые точки, изготовленные из ртутного теллурида. Размер каждого полупроводникового кристаллита составляет не более четырёх нанометров. Благодаря квантово-механическим явлениям такие частицы реагируют даже на слабое инфракрасное излучение.

При попадании инфракрасных фотонов на квантовые точки в материале образуются электрические заряды. Над чувствительным слоем находится органический светодиод (OLED). В обычных дисплеях смартфонов и телевизоров свет создаёт один активный слой, тогда как в экспериментальном конвертере используются два слоя.

Нижний слой начинает испускать красный свет уже при относительно небольшом электрическом сигнале. Верхний слой требует более высокого уровня электрического заряда и испускает голубовато-зелёный цвет (циан). При слабом инфракрасном излучении человек видит преимущественно красный оттенок. По мере роста интенсивности активируется верхний слой, цвета смешиваются, картинка становится светлее и постепенно изменяет свой оттенок.

Объём электрического заряда определяется не только уровнем светового потока. Существенное значение имеет длина волны инфракрасного излучения. Фотоны с более короткой длиной волны содержат больше энергии и вызывают более интенсивный отклик квантовых точек. Таким образом, цвет выходного изображения содержит информацию о спектральном составе сигнала, а интенсивность позволяет оценить его мощность.

Математические модели показывают, насколько существенно цвет упрощает выявление минимальных различий. При одновременном использовании цвета и яркости человеческое зрение способно зафиксировать изменение в мощности инфракрасного излучения порядка 0,11 милливатта на квадратный сантиметр. Если информация передаётся исключительно через яркость, чувствительность падает до 23,71 милливатта на квадратный сантиметр. Различие составляет приблизительно двести раз.

Функциональность преобразователя проверили в портативной версии. Компактный элемент встроили в очковую оправу и подвергли воздействию инфракрасного излучения различной мощности. При повышении интенсивности освещения цвет плавно переходил от насыщенного красного сквозь оранжевый к жёлтому. Очки успешно воспроизводили установленные узоры и символы, а в ходе дополнительных экспериментов позволяли наблюдать за движущимися и поворачивающимися объектами.

Следующий этап исследования проверял способность преобразователя воздействовать непосредственно на светочувствительные клетки. В эксперименте применяли нейроны, содержащие каналродопсин-2 (ChR2) — светочувствительный белок, широко используемый в оптогенетических исследованиях. При воздействии голубого света белок открывает ионный канал в клеточной мембране, обеспечивая возбуждение нейрона.

Инфракрасное излучение само по себе не активирует каналродопсин-2. Поэтому преобразователь разместили непосредственно рядом с подготовленными клетками. Инфракрасный свет попадал на квантовые точки, устройство преобразовывало его в голубой видимый свет, который активировал каналродопсин-2. Электрические измерения подтвердили прямую связь между мощностью входящего излучения и активностью клеток: при увеличении инфракрасного сигнала повышались электрические токи в нейронах.

Затем преобразователь установили перед органами зрения мышей и человека и зафиксировали электрическую активность зрительной системы. Инфракрасные импульсы без преобразующего устройства не вызывали заметной реакции, поскольку естественные фоторецепторы не чувствительны к инфракрасному спектру. После подключения преобразователя исследователи обнаружили выраженную реакцию. У грызунов активность регистрировалась в головном мозге, у человека регистрировали электрический отклик сетчатки.

Этот эксперимент не свидетельствует о том, что человеческое зрение приобрело способность самостоятельно воспринимать инфракрасный диапазон. Преобразователь служил промежуточным звеном: сначала получал невидимое излучение, затем трансформировал его в видимое, которое уже воспринимала зрительная система. Следовательно, подход значительно отличается от попыток напрямую модифицировать спектральную чувствительность природных фоторецепторов человека.

Путь к практическому применению таких очков ещё достаточно дальний. Все опыты выполнялись в оптимальных лабораторных условиях. OLED-слой нуждается в электропитании, а преобразователь требует источника инфракрасного излучения. Этот источник освещает окружающие предметы, отражённое излучение возвращается к очкам, где квантовые точки трансформируют поступивший сигнал в видимый образ.

Главное достижение экспериментальной системы заключается в принципиально иной методике передачи информации человеку. Традиционное ночное видение кодирует инфракрасное или слабое видимое излучение преимущественно через яркость. Новый преобразователь внедряет цвет как дополнительный параметр, позволяя человеческому глазу фиксировать значительно меньшие колебания интенсивности. На текущий момент разработчики подтвердили работоспособность концепции на тонкопленочных структурах, очковом прототипе, биологических клетках и зрительной системе животных и людей. Переход к полностью автономному прибору потребует решить технические задачи, связанные с электропитанием, инфракрасной подсветкой и функционированием вне контролируемой среды.