İnsan gözü, kızılötesi ışık spektrumunu algılayamaz çünkü bu ışık fotonları, gözümüzdeki ışığa duyarlı hücrelerde sinyal yolunu tetikleyecek kadar enerji taşımaz. Ancak, kızılötesi alanda neler olup bittiğini görselleştirmemizi sağlayan cihazlar geliştirmeyi başardık.
Teknoscope olarak, Pekin Teknoloji Enstitüsü'nde Xin Tang ve Ge Mu liderliğindeki bir ekip tarafından geliştirilen ve insanların kızılötesi ışığı daha önce hiç görmediği bir yolla görmelerini sağlayan yeni bir cihazı duyurmaktan heyecan duyuyoruz. Standart gece görüş gözlüklerinin yaptığı gibi bunu sadece yeşilin farklı tonlarına çevirmek yerine, bu yeni teknoloji farklı kızılötesi dalga boylarını görsel spektrumun farklı bölümlerine çevirerek göze daha doğal bir görüş sunuyor.
Araştırmacılar, kızılötesi ışığı emen cıva tellürür kolloidal kuantum noktalarını ve bu emilen enerjiyi görünür renklere dönüştüren çift katmanlı bir OLED'i birleştirerek bu başarıya ulaştı. Doğru iç kablolama ile bir araya getirilen bu bileşenler, gelen kızılötesi radyasyonun diğer taraftan sıradan görünümlü, tam renkli bir görüntü olarak çıkmasını sağlıyor.
Görünmez Işıkla Tanışın
Görüş, bir foton retinanın ışığa duyarlı bir pigmentine çarptığında ve şeklinin değişmesine neden olduğunda başlar. Bu, pigmentin yerleştirildiği bir proteini değiştirerek beyinde bir görüntüye katkıda bulunan bir sinir dürtüsü başlatır. Her şeyin başlangıcındaki moleküler şekil değişikliği için minimum bir enerjiye, yaklaşık 1.6 elektron voltluk bir enerjiye ihtiyaç vardır; 700 nanometreden daha uzun dalga boylarına sahip kızılötesi fotonlar bunu yapacak kadar enerji taşımaz. Bu durum, Güneş'in yayılan enerjisinin yarısından fazlasını ve ısı yayan veya yansıtan her şeyi görüş alanımızın dışında bırakır.
Kızılötesi ışığı görmemizi sağlayan mevcut cihazların çoğu, görünür ışık LED'lerine bağlı IR fotodetektörleri kullanır. Bu yaklaşım kızılötesi ışığı görünür hale getirir, ancak sadece parlaklık olarak: Daha sıcak bir nesne biraz daha fazla parlar, daha soğuk bir nesne biraz daha az parlar ve biz bunları aynı (genellikle yeşilimsi) renkte temsil ederiz. Bunun bir sorunu, insan gözünün parlaklık farklılıklarını seçmekten ziyade tonlardaki ince farkları ayırt etmede çok daha iyi olmasıdır, bu nedenle yalnızca parlaklığı değiştiren bir cihaz, gözün hassasiyetinin çoğunu kullanılmadan bırakır.
Tang'ın ekibinin vardığı çözüm, kızılötesi ışığın ilk etapta nasıl kaydedildiğiyle başlar.
Seçici Kuantum Noktaları
IR dedektörlerinde yaygın olarak kullanılan toplu yarı iletkenler, sürekli enerji bantlarına sahiptir, bu da kızılötesi spektrumun geniş, ayrım gözetmeyen bir bölümünü emdikleri anlamına gelir. Bu, hangi belirli dalga boyunun geldiği hakkında fazla bilgi saklamaz. Çinli ekibin cihazları için seçtiği cıva tellürür kolloidal kuantum noktaları farklı davranır. Yaklaşık 4 nanometre çapındaki küçük boyutları nedeniyle, kuantum sınırlaması enerji seviyelerini sürekli bir parça yerine ayrık adımlara böler. Farklı kızılötesi dalga boyları ve yoğunluklardaki fotonlar, tek bir sinyalin daha fazla veya daha az üretilmesinden ziyade, nokta içindeki ayrık enerji seviyeleri arasında bir elektronu hareket ettiren farklı elektronik geçişleri uyarır.
Ekibin test ettiği en uzun dalga boylarından biri olan yaklaşık 2 mikrometre civarındaki dalga boylarında, gelen fotonlar, elektronu noktanın temel bant aralığının karşısına çıkaracak kadar enerjiye sahip olur ve nispeten az sayıda yük taşıyıcısı, yani noktanın etrafında hareket eden negatif yüklü elektronlar veya pozitif yüklü delikler üretir.
Daha kısa kızılötesi dalga boylarında, fotonlar parçacık başına daha fazla enerji taşır ve noktanın içindeki ek, daha yüksek enerjili elektronik geçişlere erişebilirler. Bazı durumlarda, bir taşıyıcıdaki fazla enerji, foton başına birden fazla elektron-delik çiftini serbest bırakacak kadar olabilir. Bu süreçler, yük taşıyıcıları üretmek için ek kanallar açar. Etkisi, daha kısa kızılötesi dalga boyları ve daha yoğun kızılötesi ışığın, kuantum noktasından OLED tarafına daha fazla pozitif yüklü delik itmesidir.
Ancak dedektörden kızılötesi ışığın dalga boyuna ve yoğunluğuna bağlı olarak değişken sayıda delik elde etmek sorunun sadece yarısıydı. Diğer yarısı ise bu sinyali diğer tarafta bir renkli görüntüye çevirmekti.
Engel
Ekip, bunu üst üste yığılmış iki ayrı yayıcı katmanla OLED inşa ederek başardı. Deliklerin girdiği katmana daha yakın olan bir katman, kırmızı yayan bir fosfor ile katkılandırılmıştı. Daha uzakta konumlandırılmış olan diğer katman ise siyan ışığı yayan fosfor ile katkılandırılmıştı. Tam renkli görüşü mümkün kılan kilit bileşen, bu iki katman arasında yaklaşık 0.82 elektron voltluk bir enerji engeliydi.
Dim aydınlatma veya uzun dalga boylu fotonlar nedeniyle dedektörden gelen az sayıda delik olduğunda, hepsi kırmızı katman tarafından yakalanır ve cihaz düşük parlaklıkta kırmızı bir parlama yayar. Gelen delik sayısı arttıkça, ister kızılötesi ışık daha parlak olduğu için, ister daha kısa dalga boyları içerdiği için olsun, kuantum noktalarındaki ek taşıyıcı oluşturma yolları açılır ve bariyer doygunluğa ulaşır. Delikler onu geçip siyan katmanına ulaşmaya başlar ve cihaz aynı anda kırmızı ve siyan karışımı yaymaya başlar, genel rengi kaydırır ve parlaklığı artırır.
Bu renk kayması, sabit bir arama tablosundan ziyade taşıyıcı sayısına bağlı olduğundan, sonuçta ortaya çıkan renk uzayı, gelen kızılötesi ışığın hem dalga boyunu hem de yoğunluğunu kodlar. Ekibin çalışmada sunduğu hesaplamalar, cihazın kullanıcıların, tek renkli, yalnızca parlaklık tasarımına göre yaklaşık 200 kat daha küçük kızılötesi güç farklarını ayırt etmesini sağlaması gerektiğini gösteriyor.
Tüm bunların nasıl çalıştığını göstermek için bilim insanları bu kuantum noktalarını kullanarak bir IR-görüş gözlüğü inşa ettiler.
Gözlükler ve İmplantlar
Gözlük yarı saydamdır ve sadece 23 gram ağırlığındadır; aktif izleme alanı yaklaşık 3,57 santimetrekaredir. Kısa dalga kızılötesi ışıkla aydınlatılmış nesnelere yönelik ilk testte, gözlük keskin, renk kodlu görüntüler yansıttı; bunlar arasında test desenleri ve standart bir kamera tarafından yakalanabilen hareketli nesneler de vardı. Yarı saydam yapıdan sıradan görünür ışığın geçmesine de izin verdi. Prensipte, gözlük, kızılötesi bilgiyi normal görüşün üzerine bindiren artırılmış gerçeklik modu ile basit bir filtre ile tam bir kızılötesi modu arasında geçiş yapabilir.
Ekip ayrıca yükseltilmiş IR ışığının biyolojik bir görsel sistemi mi yoksa sadece bir kamerayı mı tetikleyebileceğini test etti. Yükselticileri, nöronları mavi ışığa duyarlı hale getirmek için yaygın olarak kullanılan ışığa duyarlı bir protein olan channelrhodopsin-2 üreten hücrelere bağladılar. Cihaz aracılığıyla yapılan kızılötesi aydınlatma, gerçekten de bu hücrelerde fot akımlarını tetikledi.
Bütün organizmalara doğru ilerleyerek, deneklerin LED ekranı kızılötesi darbelerle aydınlatılırken izlemesi, farelerde net elektroensefalogram yanıtları ve insan gönüllülerde net elektrokardiyografi yanıtları üretti. Her iki durumda da, yükseltici olmadan yalnızca aynı kızılötesi darbeler ölçülebilir bir yanıt vermedi.
Makalede ekip, çalışmalarının "monokrom paradigmayı aşarak" "kızılötesi vizyonu yeniden tanımladığını" söylüyor. Yazarlar, "biyolojik fotoreseptörlerin evrimsel sınırlarını aşarak" cihazlarının "gelecek nesil görsel protezlere" yol açtığını iddia ediyor. Ancak, tam renkli IR gözlükleri veya retinal implantların bu teknolojiyle elde edilebilir hale gelmeden önce araştırmacıların çözmesi gereken pek çok ayrıntı var.
Ağır Metal Vizyonu
Çalışmada ele alınan her gösterim, gerçek dünyanın nadiren sunduğu kontrollü koşullar altında gerçekleşti. Gözlük, kalibre edilmiş bir siyah cisim kaynağına ve gerçek bir odanın veya sokağın çok dalga boylu kızılötesi karmaşasına değil, harfler ve yaprak şekilleri gibi basit, yüksek kontrastlı test desenlerine karşı test edildi. Gerçek sahneler söz konusu olduğunda renk kodlamanın ne kadar okunabilir kaldığı belirsizdir. OLED tarafı ayrıca harici bir güç kaynağına ihtiyaç duyar, bu da gözlüğü pasif bir lense kıyasla küçük bir güç kaynağına daha yakın hale getirir.
Son olarak, cıva tellürür, ağır metal bir bileşiktir ve makale, uzun süreli cilt teması veya daha iddialı implante edilebilir versiyon için zamanla biyouyumluluk veya güvenlik hakkında hiçbir şey söylemez. Bir implante edilebilir retinal fotoreseptör fikri, şimdilik sadece bir kapta bulunan izole nöronlar, farelerden alınan EEG izleri ve dışarıdan göze ışık tutulan insanlardan alınan ERG okumaları ile desteklenmektedir. Tüm bunlar, bu şekilde yükseltilen kızılötesi ışık sinyalinin görsel sisteme ulaşabileceğinin ikna edici kanıtı olarak hizmet ediyor. Ancak ekip, bir göze implante edilebilecek veya hatta gerçek gece görüş gözlüklerinde çalışacak bir cihazdan hala birkaç adım uzakta.
