Noční vidění, které místo zelené hraje všemi barvami, může přinést revoluci v mnoha směrech

Noční vidění si většina lidí spojuje s charakteristickým zeleným obrazem, který známe z filmů i vojenské techniky. Tým z Pekingského technologického institutu teď ukázal, že to jde i jinak. Jejich zařízení převádí různé vlnové délky infračerveného světla na odlišné barvy, takže výsledný obraz připomíná spíš běžné barevné vidění než klasický noční monitor.

Proč bylo noční vidění dosud zelené

Lidské oko nedokáže infračervené záření vnímat samo o sobě. Fotony v této části spektra prostě nenesou dost energie na to, aby ve světločivných buňkách sítnice spustily potřebnou reakci. Přístroje pro noční vidění proto infračervené záření nejprve zachytí a teprve pak ho promítnou jako viditelný obraz.

Klasické detektory ale zachycují širokou škálu vlnových délek najednou a nedokážou je od sebe rozlišit. Výsledkem je obraz, kde se rozdíly ukazují hlavně jako různá jasnost – teplejší objekt svítí víc, chladnější míň. Tato jasnost se pak obvykle zobrazuje v jedné barvě, nejčastěji zelené, protože je lidské oko na zelenou citlivé a vydrží se na ni dlouho dívat, aniž by to unavovalo zrak.
Problém je, že lidské oko rozezná mnohem jemnější rozdíly v barevném odstínu než v pouhé jasnosti. Přístroj, který pracuje jen s jasem, tak nevyužívá velkou část toho, co lidské vidění umí.

Jak funguje nové řešení

Klíč k novému přístupu leží už v samotném zachytávání infračerveného záření. Tým použil kvantové tečky z teluridu rtuti, tedy nepatrné částice o velikosti jen několika nanometrů. Díky své malé velikosti mají tyto tečky diskrétní energetické hladiny, ne plynulé pásmo jako běžné polovodiče používané v detektorech.

To znamená, že tečky reagují jinak podle toho, jakou vlnovou délku a intenzitu má dopadající infračervené záření. Delší vlnové délky s nižší energií vytvoří jen málo nosičů náboje. Kratší vlnové délky a silnější signál naopak spustí složitější přechody a nosičů náboje vznikne víc.

Tento signál pak putuje do dvouvrstvé OLED diody. Jedna vrstva vyzařuje červené světlo, druhá azurové. Mezi nimi je energetická bariéra, která řídí, jak náboj mezi vrstvami prochází. Při slabém infračerveném signálu svítí jen tlumeně červená vrstva. Jakmile signál zesílí nebo se zkrátí vlnová délka, víc náboje prochází přes bariéru a rozsvítí se i azurová vrstva. Výsledkem je směs barev a zároveň vyšší jas.

Protože je výsledná barva přímo odvozená od fyzikálních vlastností signálu, a ne od předem daného mapování, nese obraz mnohem víc informací. Podle odhadů týmu dokáže systém rozeznat rozdíly v síle infračerveného záření zhruba dvěstěkrát menší, než jaké by odhalil klasický přístroj založený jen na jasu.

Brýle o hmotnosti 23 gramů

Aby princip otestovali v praxi, vědci postavili lehký prototyp brýlí. Brýle váží 23 gramů a jsou poloprůhledné, takže uživatel vidí zároveň normální obraz i infračervenou informaci navrch. V řízených testech dokázaly brýle zobrazit ostré, barevně odlišené obrazce i pohybující se objekty osvětlené krátkovlnným infračerveným zářením.

Zařízení lze přepnout mezi dvěma režimy. V jednom se infračervená informace jen přidává k běžnému obrazu, ve druhém se viditelné světlo odfiltruje úplně a uživatel vidí čistě infračervenou scénu.

Testy na buňkách, myších i lidech

Vědci šli ještě dál a zkoumali, jestli by převedený signál mohl fungovat i s biologickými systémy. V laboratoři infračervené světlo prošlé zařízením vyvolalo reakci u uměle upravených buněk, které normálně reagují na viditelné světlo.

Další experimenty ukázaly měřitelnou mozkovou aktivitu u myší a odezvu sítnice u lidských dobrovolníků, když se dívali na infračervený signál přes tento systém. Samotné infračervené záření bez zařízení žádnou reakci nevyvolalo.

Autoři studie píší, že jejich práce posouvá hranice infračerveného vidění za tradiční černobílé, respektive zelené zobrazení, a otevírá cestu k dalším generacím zrakových implantátů.

Kde jsou limity

Výsledky zatím vznikly jen v laboratorních podmínkách, na jednoduchých obrazcích s vysokým kontrastem. Není jasné, jak dobře by systém fungoval v běžném prostředí, kde se mísí mnoho různých zdrojů infračerveného záření najednou.

OLED část navíc potřebuje externí napájení, takže současná verze zařízení je spíš malý displej než pasivní optická součástka, jakou známe z běžných brýlí nebo kontaktních čoček. Otevřená zůstává i otázka bezpečnosti materiálu. Telurid rtuti je sloučenina těžkého kovu a studie se vůbec nevěnuje tomu, jestli je dlouhodobě bezpečný při kontaktu s pokožkou, natož při případném použití v implantátech.

I přes tato omezení jde o zajímavý posun v tom, jak s infračerveným zářením pracovat. Místo aby se barva přidávala až dodatečně, je součástí už samotného snímání signálu. To může být první krok k nočnímu vidění, které nebude jen o rozeznávání siluet ve tmě, ale bude podávat mnohem detailnější a přirozenější obraz.

Než se ale podobná technologie dostane do běžných nočních brýlí nebo dokonce do zrakových implantátů, čeká výzkumníky ještě řada kroků. Hlavně ověření v reálném prostředí a vyřešení otázky dlouhodobé bezpečnosti použitých materiálů.

Zdroj: Science, Techspot, Arstechnica, OLED info