Визуализация того, что не может увидеть человеческий глаз, не знает пределов

Трехмерное «спектральное» изображение сингапурского фонтана «Мерлион» (справа). Слева – принцип работы камеры, с помощью которой было получено это изображение. Иллюстрация Physorg

Амброзией называют травы, пыльца которых вызывает сенную лихорадку. Об этой болезни знали еще в Древнем Риме, но слово «армариум» использовали для военных складов, где хранили оружие. Так из сохраняющей божественную молодость и красоту амброзии возникла embrasure – амбразура, то есть узкая прорезь, позволяющая сохранять жизнь лучника или стрелка…

Вот и мы видим мир сквозь узкую «амбразуру» гигантского спектра электромагнитных колебаний. Человек в отличие от змей не видит инфракрасных лучей (инфракрасного излучения) их жертв. Не можем мы непосредственно наблюдать и ультрафиолет, идущий от Солнца и помогающий ориентироваться пчелам. Мы, конечно же, видим свет бактерицидных ламп, но только его видимой части. А за ультрафиолетом следуют рентгеновские лучи и совсем уж на краю спектра – гамма-излучение, которое в обычном физическом анализе не используется…

Кстати, в самом названии термина «спектр» слышится латинское spectrum, то есть что-то зримое/призрак, на что можно глядеть. Отсюда английское spy – «соглядатай», шпион, спектакль, спирит (дух). Развитие оптики привело к созданию спектрометров, позволяющих увидеть спектральные линии атомов и молекулярные полосы. Так родилось название химических элементов таллия, данное за ярко-зеленую линию (в древнеримской мифологии Талия – богиня сельской, «луговой» поэзии), и цезия – за нежно-голубую, как небо.

Со временем было изобретено и тепловидение, дающее изображение благодаря улавливанию инфракрасных лучей. Улавливаются они оптическими преобразователями, конвертирующими инфракрасный спектр в видимое изображение, зачастую весьма расплывчатое из-за низкого разрешения.

Плод рентгеновского «просвечивания» – это 2D-послойное изображение органов и тканей, получаемое с помощью компьютерной томографии, низкая интенсивность излучения которой позволяет проводить довольно длительное исследование. То же произошло с флюоро- и маммографией, которые благодаря компьютерам тоже стали малоопасны. Но линейчатые спектры и 2D-пленки (рентгенограммы) с изображениями исследуемых объектов давно уже не удовлетворяют ученых.

В связи с этим понятен интерес к сообщению университетов Нанкина и Нагои, где сделали высокочувствительный сенсор с высоким разрешением, использовав изгиб оптоволокна. В качестве оптоэлектронного компонента авторы работы взяли чип площадью 1,5 х 2,5 мм с нитридом галлия (GaN) на сапфировой подложке. Фотодетектор чипа эффективно реагирует на изменение интенсивности отраженного света, извлекая информацию по мере изгиба оптоволокна. Информации при этом оказалось вполне достаточно для распознавания движений пальца на 30–90 градусов с частотой 0,4; 1 и 1,6 Гц. Это позволяет отказаться от привычных клавиатур.

Еще дальше пошли в университетах китайского города Тяньцзинь и Сингапура. Ученые создали цветную камеру. В ней с помощью электрического заряда (CCD – Charge-Coupled Device) путем «сплетения» лучей трех диапазонов спектра создается окрашенное 3D-изображение предмета. Достигается это с помощью нанокристаллического спектрального сенсора с 400 азимутальными (угловыми) детекторами. Он реагирует как на лучи с длиной волны 0,002, так и на зеленые 550 нанометров. С помощью этого устройства было получено изображение достопримечательности Сингапура – знаменитой статуи-фонтана «Мерлион» («Морской лев»).