Ludzkie oko nie rejestruje podczerwieni, ponieważ fotony z tego zakresu widma mają zbyt mało energii, aby uruchomić proces prowadzący do powstania sygnału w komórkach światłoczułych siatkówki. Naukowcy od dawna obchodzą to ograniczenie za pomocą detektorów i wyświetlaczy, które przedstawiają promieniowanie podczerwone jako obraz widzialny. Zespół z Beijing Institute of Technology, kierowany przez Xin Tang i Ge Mu, zaproponował jednak inną metodę. Ich urządzenie nie ogranicza się do rozjaśniania lub przyciemniania jednego koloru. Różne długości fal podczerwieni są w nim przekształcane w różne kolory światła widzialnego, a intensywność promieniowania wpływa jednocześnie na jasność i skład kolorystyczny obrazu.
Dlaczego podczerwień jest niewidoczna
Widzenie zaczyna się, gdy foton trafia w światłoczuły barwnik w siatkówce i zmienia jego kształt. Ta zmiana uruchamia kolejne reakcje w białku, w którym znajduje się barwnik, a następnie impuls nerwowy przekazywany do układu wzrokowego. Do rozpoczęcia tego procesu potrzebna jest energia rzędu 1,6 elektronowolta. Fotony o długości fali większej niż około 700 nanometrów, czyli obejmujące podczerwień, nie dostarczają jej wystarczająco dużo. Poza zasięgiem wzroku pozostaje w ten sposób ponad połowa energii promieniowania Słońca, a także promieniowanie emitowane lub odbijane przez rozgrzane obiekty.
Typowe urządzenia noktowizyjne korzystają z detektorów podczerwieni połączonych z diodami LED emitującymi światło widzialne. Taki układ pozwala zobaczyć podczerwień, ale zazwyczaj przedstawia ją wyłącznie za pomocą jasności. Cieplejszy albo silniej promieniujący obiekt pojawia się jako jaśniejszy, a chłodniejszy jako ciemniejszy, przy czym cała scena pozostaje utrzymana w jednym kolorze, często zielonym. To praktyczne rozwiązanie, lecz wykorzystuje tylko część możliwości ludzkiego wzroku. Oko znacznie lepiej rozpoznaje subtelne różnice odcieni niż niewielkie różnice jasności, dlatego zakodowanie dodatkowych informacji za pomocą koloru może poprawić rozróżnianie szczegółów.
Kropki kwantowe zachowują informację o długości fali
Pierwszą częścią nowego układu jest warstwa koloidalnych kropek kwantowych z tellurku rtęci. Mają one około 4 nanometrów średnicy. W zwykłych, masowych półprzewodnikach wykorzystywanych w detektorach podczerwieni poziomy energetyczne tworzą ciągłe pasma. Materiał pochłania wtedy szeroki zakres promieniowania, ale traci znaczną część informacji o tym, jaka konkretna długość fali dotarła do detektora. W kropkach kwantowych bardzo mały rozmiar materiału powoduje zjawisko uwięzienia kwantowego. Poziomy energetyczne zostają rozdzielone na dyskretne stopnie, a fotony o różnej energii mogą uruchamiać różne przejścia elektronowe.
Najdłuższa fala sprawdzana przez zespół miała około 2 mikrometrów. Fotony o takiej długości mają energię wystarczającą do przeniesienia elektronu przez podstawową przerwę energetyczną kropki kwantowej. Powstaje wtedy niewielka liczba nośników ładunku, czyli elektronów lub dodatnio naładowanych dziur. Krótsze fale podczerwieni niosą więcej energii na pojedynczy foton i mogą uruchamiać dodatkowe przejścia o wyższej energii. W niektórych przypadkach nadmiar energii pozwala wygenerować więcej niż jedną parę elektron, dziura z jednego fotonu. W rezultacie krótsza fala oraz większa intensywność promieniowania wypychają z warstwy kropek większą liczbę dodatnio naładowanych dziur w kierunku wyświetlacza OLED.
Dwuwarstwowy OLED tłumaczy sygnał na kolor
Sam detektor nie wystarczał, ponieważ trzeba było jeszcze zamienić różną liczbę wygenerowanych dziur na czytelny kolor. Naukowcy zastosowali w tym celu OLED z dwiema ułożonymi jedna nad drugą warstwami emisyjnymi. Warstwa znajdująca się bliżej miejsca, do którego docierają dziury, została domieszkowana luminoforem emitującym czerwone światło. Druga warstwa, położona dalej, emituje światło cyjanowe. Pomiędzy nimi umieszczono barierę energetyczną o wartości około 0,82 elektronowolta.
Przy słabym oświetleniu podczerwonym albo przy dłuższych falach do OLED-u dociera niewiele dziur. Są one przechwytywane przez warstwę czerwoną, więc urządzenie emituje słabe czerwone światło. Gdy rośnie intensywność promieniowania lub pojawiają się krótsze fale, w kropkach kwantowych otwierają się dodatkowe drogi generowania nośników. Bariera energetyczna zostaje nasycona, a część dziur dociera do warstwy cyjanowej. OLED zaczyna wtedy emitować jednocześnie światło czerwone i cyjanowe, zmieniając ogólny odcień oraz zwiększając jasność.
- Dłuższe fale podczerwieni i słabsze oświetlenie prowadzą przede wszystkim do emisji czerwonej.
- Krótsze fale oraz większa intensywność zwiększają liczbę nośników docierających do warstwy cyjanowej.
- Kolor nie jest przypisany do sygnału za pomocą zewnętrznej tabeli, lecz wynika z liczby nośników wytworzonych w detektorze.
- Według obliczeń przedstawionych w badaniu układ może rozróżniać różnice mocy podczerwieni około 200 razy mniejsze niż konstrukcja jednokolorowa oparta tylko na jasności.
Prototyp okularów i testy układu wzrokowego
Aby zademonstrować działanie rozwiązania, zespół zbudował okulary do widzenia w podczerwieni. Półprzezroczysta konstrukcja ważyła 23 gramy, a jej aktywny obszar widzenia miał około 3,57 centymetra kwadratowego. W pierwszych testach urządzenie obserwowało obiekty oświetlone krótkofalową podczerwienią. Okulary wyświetlały ostre, zakodowane kolorystycznie obrazy, w tym wzory testowe i poruszające się obiekty rejestrowane również przez standardową kamerę. Półprzezroczysta struktura przepuszczała przy tym zwykłe światło widzialne.
Taka budowa może w założeniu obsługiwać dwa sposoby pracy. W trybie rozszerzonej rzeczywistości informacje o podczerwieni byłyby nakładane na normalny obraz widziany przez użytkownika. Po zastosowaniu prostego filtra urządzenie mogłoby natomiast działać jako system pokazujący przede wszystkim obraz w podczerwieni. OLED wymaga jednak zewnętrznego zasilania, dlatego obecny prototyp jest bliższy małemu zasilanemu wyświetlaczowi niż pasywnej soczewce.
Badacze sprawdzili również, czy przekształcone światło może oddziaływać na biologiczny układ wzrokowy, a nie tylko na kamerę. Najpierw połączyli konwertery podczerwieni z komórkami produkującymi channelrhodopsin-2, światłoczułe białko często wykorzystywane do uwrażliwiania neuronów na niebieskie światło. Oświetlenie podczerwienią przez układ upkonwersji wywołało w tych komórkach prądy fotogeniczne. W kolejnym eksperymencie myszy obserwowały ekran LED oświetlany impulsami podczerwieni. Zarejestrowano wyraźne odpowiedzi elektroencefalograficzne u zwierząt oraz odpowiedzi elektroretinograficzne u ludzkich ochotników. Same impulsy podczerwieni, bez układu przekształcającego światło, nie wywołały mierzalnej reakcji.
Do praktycznych okularów jeszcze daleko
Wyniki pokazują, że sygnał podczerwieni można przekształcić w światło widzialne o zmiennym kolorze, a następnie doprowadzić go do elementów biologicznego układu wzrokowego. Nie oznacza to jednak, że powstały już gotowe okulary do codziennego użycia albo implant siatkówkowy. Wszystkie demonstracje przeprowadzono w kontrolowanych warunkach. Okulary testowano z użyciem skalibrowanego źródła typu ciało doskonale czarne oraz prostych wzorów o wysokim kontraście, takich jak litery i kształty liści. Nie wiadomo jeszcze, jak czytelne pozostanie kodowanie kolorami w rzeczywistym pomieszczeniu lub na ulicy, gdzie występuje wiele nakładających się zakresów promieniowania podczerwonego.
Istotne pytania dotyczą także materiału i bezpieczeństwa. Tellurek rtęci jest związkiem zawierającym metal ciężki, a opis badania nie rozstrzyga kwestii długotrwałego kontaktu ze skórą. Tym bardziej nie ma jeszcze danych potwierdzających biokompatybilność i bezpieczeństwo takiego rozwiązania w przypadku implantu. Eksperymenty z komórkami, zapisy EEG u myszy i odczyty ERG u ludzi są dowodem, że odpowiednio przekształcony sygnał może dotrzeć do układu wzrokowego. To jednak dopiero etap demonstracji. Zanim podobna technologia trafi do rzeczywistych okularów noktowizyjnych lub do oka, musi przejść kolejne testy dotyczące obrazu w naturalnym otoczeniu, zasilania, trwałości oraz bezpieczeństwa.
