ИК-свет в цвете: ученые создали новый тип ночного видения

Человеческий глаз ограничен эволюцией: инфракрасные (ИК) фотоны с длиной волны более 700 нанометров не несут достаточно энергии (менее 1,6 электронвольта), чтобы изменить форму светочувствительного пигмента в сетчатке и запустить нервный импульс. Из-за этого более половины солнечной энергии и все тепловое излучение остаются вне пределов нашего зрения.

• Смартфон без рамок: какой рекорд хотят cделать в Tecno

Детали

Традиционные приборы ночного видения решают эту проблему лишь частично. Они преобразуют инфракрасный свет в зеленоватое свечение разной интенсивности. Однако человеческий глаз значительно лучше различает тонкие цветовые оттенки, чем градации яркости, поэтому значительная часть нашей зрительной чувствительности остается неиспользованной.

Исследователи из Пекинского технологического института под руководством Синь Тана (Xin Tang) и Ге Му (Ge Mu) разработали устройство, которое радикально меняет этот подход: оно кодирует различные длины ИК-волн в видимые цвета, приближая инфракрасное зрение к естественному.

Архитектура устройства: от квантовых точек к двухслойному OLED

Новая технология объединяет два ключевых компонента в единую полупрозрачную структуру:

• Коллоидные квантовые точки из теллурида ртути HgTe: распознают входящий инфракрасный свет.
• Двухслойный светодиод (OLED): преобразует полученный электрический сигнал в видимую цветовую палитру.

1. Детекция с помощью квантовых точек

Обычные полупроводники имеют непрерывные энергетические полосы и поглощают свет "обобщённым массивом". Вместо этого квантовые точки HgTe диаметром всего 4 нанометра благодаря эффекту квантового ограничения имеют дискретные (ступенчатые) энергетические уровни:

• Длинные волны (около 2 мкм): фотоны возбуждают основную запрещённую зону, генерируя небольшое количество носителей заряда (электронов и дырок).
• Короткие волны (более энергичные): активируют дополнительные высокоэнергетические переходы. Один фотон может генерировать более одной электронно-дырочной пары.

В результате короткая длина волны и высокая интенсивность ИК-света выталкивают большее количество положительно заряженных дырок в сторону OLED-слоя.

2. Цветовое кодирование в двухслойном OLED

OLED-модуль состоит из двух эмиссионных слоев с люминофорами разного цвета, разделённых энергетическим барьером примерно в 0,82 электронвольта:

• Первый слой (красный): захватывает носители при низком потоке дырок (тусклый или длинноволновый ИК-свет). Устройство излучает мягкий красный цвет.
• Второй слой (голубой): расположен за барьером. Когда интенсивность ИК-света возрастает или длина волны укорачивается, поток дырок насыщает барьер и проникает в голубой слой.

Смешивание красного и голубого свечения изменяет общий оттенок и яркость. Такая система позволяет примерно в 200 раз точнее различать различия в ИК-мощности, чем одноколеровые мониторы яркости.

Прототипы: от очков до биологического интерфейса

Учёные создали рабочий очковый прототип весом всего 23 грамма с активной зоной обзора 3,57 см кв. Благодаря полупрозрачности он может работать как в режиме дополненной реальности (накладывая цветную ИК-картину на обычное зрение), так и в режиме полного погружения.

Также команда проверила взаимодействие технологии с биологической зрительной системой:

• Клеточный уровень: преобразованный свет успешно вызывал фототоки в нейронах с белком каналродопсин-2.
• Организмы: ИК-импульсы через конвертер вызывали чёткие реакции на ЭЭГ у мышей и ЭРГ (электроретинограмму) у людей-добровольцев. Без конвертера инфракрасный свет никакой реакции не вызывал.

Существующие ограничения и вызовы

Несмотря на потенциал для создания глазных имплантатов и очков ночного видения нового поколения, технология имеет ряд существенных ограничений:

• Лабораторные условия: тесты проводились с калиброванными источниками света и чёткими геометрическими фигурами. Как поведёт себя цветовое кодирование в реальном мире с хаотичным ИК-фоном, пока неизвестно.
• Необходимость в питании: OLED-структура требует внешнего источника энергии, что делает устройство активным дисплеем, а не пассивной линзой.
• Токсичность материалов: теллурид ртути (HgTe) содержит тяжёлые металлы. Вопросы биосовместимости, длительного контакта с кожей или имплантации в сетчатку пока остаются открытыми.

Также мы писали, что нового будет в Tesla Model Y L 2027. Новый автомобиль создан для решения некоторых проблем за счёт удлинённого кузова и новой компоновки.