Ведение ночной деятельности без освещения обычно предполагает ношение специальных оптических приборов, которые улавливают инфракрасное излучение или способны усиливать слабую освещенность окружающего пространства. Недавно австралийские исследователи добились значительного прогресса в создании новой технологии ночного видения. В исследовании, опубликованном в журнале Advanced Materials, они представили преобразователь инфракрасного света, который тоньше липкой пленки. Благодаря своим компактным размерам он может быть интегрирован, например, в обычные очки, позволяя одновременно видеть видимый и инфракрасный свет.
Исследователи из австралийского центра TMOS (Centre of Excellence for Transformative Meta-Optical Systems) давно мечтают сделать приборы ночного видения более легкими и компактными. Для этого они рассматривают возможность миниатюризации технологии, чтобы сложная обработка света происходила по более простому и узкому пути. Такой подход, по мнению команды TMOS, может привести к более широкому применению приборов.
По словам исследователей, новый прибор ночного видения может весить менее одного грамма. Нынешние очки ночного видения и бинокли тяжелы и громоздки. Для достижения такой миниатюрности команда использовала нелокальную метаповерхность ниобата лития. «Это первая демонстрация высокоразрешающей апконверсионной визуализации с 1550 нм инфракрасного до 550 нм видимого света на нелокальной метаповерхности«, — говорит Росио Камачо Моралес, один из соавторов исследования, в пресс-релизе.
На пути к более простому способу обработки фотонов
Традиционная технология ночного видения основана на сложном механизме, который включает в себя прохождение фотонов через объектив и направление их в электронную трубку усилителя изображения, состоящую из двух ключевых компонентов. Фотокатод сначала преобразует фотоны в электроны, которые затем направляются в микроканальную пластину (состоящую из миллионов крошечных отверстий), чтобы увеличить количество генерируемых электронов. Эти электроны проходят через фосфоресцирующий экран, где снова преобразуются в фотоны. При контакте с экраном они излучают зеленое свечение, освещая сцену, наблюдаемую через прибор ночного видения.
Механизм стандартного прибора ночного видения. © TMOS
Конечно, этот метод невозможно воспроизвести в узком устройстве. Поэтому исследователи TMOS разработали технологию преобразования фотонов через метаповерхности. Цель состоит в том, чтобы использовать более простой путь для обработки фотонов. В новом подходе фотоны проходят через одну резонансную метаповерхность, где они смешиваются с лучом накачки. Резонансная метаповерхность увеличивает энергию фотонов, переводя их в спектр видимого света. Это означает, что преобразование электронов не требуется.
Этот метод также работает при комнатной температуре и не требует системы охлаждения. Традиционные системы инфракрасной и видимой визуализации также не позволяют получать идентичные изображения, поскольку они снимают изображения каждого спектра по отдельности. Теперь, благодаря апконверсии, эти системы могут захватывать как видимый, так и «невидимый» спектр в одном изображении.
«Эти результаты открывают широкие возможности, в частности, для систем наблюдения, автономной навигации и биологической визуализации«, — говорит главный исследователь Драгомир Нешев. «Снижение веса и энергопотребления технологии ночного видения — пример того, как метаоптика и работа, проделанная TMOS, важны для Индустрии 4.0 и будущей экстремальной миниатюризации технологий«, — добавил он.
Преобразование инфракрасного излучения в видимый свет (VIS). a) Схема нелинейного преобразователя для инфракрасной съемки, в которой инфракрасный свет, освещающий объект и проходящий через линзу (L1), когерентно преобразуется в видимый свет и захватывается другой линзой (L2) для последующего наблюдения на обычной камере. b) Эффективность преобразования всех лучей, падающих под разными углами, одинакова. c) Из-за угловой дисперсии (или нелокальных свойств) преобразователя компоненты, распространяющиеся под нормальным углом падения, преобразуются с большей эффективностью, чем те, которые распространяются под большими углами. © TMOS
Команда TMOS уже разработала технологию инфракрасного видения на основе метаповерхности арсенида галлия. Однако новый метод призван значительно улучшить предыдущий, сделав его гораздо более эффективным. Кроме того, пучок фотонов распространяется на более широкую область, тем самым ограничивая угловые потери данных.
«Некоторые люди говорили, что высокоэффективная апконверсия из инфракрасного диапазона в видимый невозможна из-за большого количества несобранной информации, обусловленной угловыми потерями, присущими нелокальным метаповерхностям. Мы преодолели эти ограничения и экспериментально продемонстрировали высокоэффективную апконверсию изображения«, — заключает ведущий автор исследования Лаура Валенсия Молина.
