Еще раз о зрении в инфракрасном диапазоне

Глаз человека способен различать цвета от красного до фиолетового. Однако видимые цвета радуги занимают лишь узкий участок в оптическом спектре. Большая часть оптического спектра лежит за пределами возможностей человеческого зрения — в инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах. Дедал вспоминает историю об ученом-спектроскописте, который при аварии потерял хрусталик глаза. Прописанные ему очки обладали прозрачностью в ближней УФ-области, и профессор получил возможность видеть в УФ-свете. Например, он мог на глаз настраивать УФ-спектрометры, что принесло ему широкую известность среди коллег. Этот рассказ навел Дедала на мысль, что сетчатка глаза способна воспринимать широкий спектр ИК- и УФ-излучений и мешает ей только непрозрачность для этого излучения остальной части глаза. В этой связи Дедал вспоминает слуховую иллюзию «искусственного баса». Дешевые проигрыватели с маленькими динамиками не могут воспроизводить низкие частоты, поэтому их изготовители намеренно вводят в усилитель интермодуляционные искажения. Человеческое ухо в силу нелинейности своего восприятия слышит биения между высшими гармониками как «искусственный бас», который на самом деле не воспроизводится громкоговорителем. Соответственно Дедал предлагает проделать аналогичный фокус с глазом. Современная лазерная техника вполне позволяет получить луч света, цвет которого периодически меняется, скажем, от желтого до оранжевого с частотой, соответствующей частоте света в ИК-диапазоне, — другими словами, промодулировать видимый свет сигналом с частотой ИК-диапазона. Такой луч беспрепятственно дойдет до сетчатки; обладая нелинейной чувствительностью, сетчатка продетектирует его и выделит ИК-сигнал. Таким образом будет получен совершенно новый цвет — пределы чувственных восприятий человека будут значительно расширены.

Дедал не в состоянии вообразить (да и разве это можно выразить словами!), как будет выглядеть инфракрасный цвет. Нет сомнения, однако, что самые привычные объекты предстанут перед нами в совершенно «новом свете». Живопись, реклама, декоративное искусство засверкают новыми, доселе неведомыми красками.

New Scientist, May 29, 1969

Комментарий Дедала

Эта заметка вызвала поток писем в журнал, в которых читатели высказывали свое мнение относительно того, могут ли дешевые проигрыватели создавать иллюзию «искусственного баса» и если могут, то делается ли это за счет интермодуляционных искажений или за счет генерации новых гармоник; намеренно ли создаются искажения в усилителе или изготовители просто умело пользуются недостатками дешевой аппаратуры и т. п. Задним числом я сообразил, что лазерный луч следовало бы модулировать не по частоте, а по амплитуде: для детектирования АМ-сигнала от детектора требуется лишь амплитудная нелинейность, в то время как для детектирования ЧМ-сигнала детектор должен иметь характеристику, нелинейную как по амплитуде, так и по частоте. Однако ухо человека с успехом детектирует также и частотно-модулированные звуковые колебания: ухо, как и глаз, обладает нелинейностью обоих типов. На самом деле, все органы чувств имеют логарифмическую характеристику чувствительности, что позволяет им работать в огромном диапазоне интенсивностей (законы Фехнера, Вебера).

История о человеке, который, потеряв хрусталик глаза, получил способность видеть УФ-свет, была позднее подтверждена в письме в журнал Science (204, 1979, р. 454). Его авторы Д. Давенпорт и Дж. Фоли из Калифорнийского университета в городе Санта-Барбара пишут: «Люди, которым грозит необходимость удаления хрусталика из-за катаракты, часто относятся к своему будущему с тревогой. Этим людям, и в особенности нашим коллегам по профессии, мы хотим сказать: «Не огорчайтесь! Ваши возможности познания мира так расширятся, что вы не можете этого даже представить».

Неожиданным благоприятным последствием операции по удалению хрусталика является также усиление яркости и чистоты наблюдаемых цветов. Особенно подчеркиваются синие тона; доходят до сетчатки и УФ-лучи. УФ-излучение сетчатка поглощает непосредственно (оно воспринимается как фиолетовый цвет), под его воздействием она также флюоресцирует в видимом спектре, создавая ощущение зеленовато-синего цвета. Используя очки или лупу, на сетчатке глаза, лишенного хрусталика, можно получать резкие изображения предметов с различной степенью увеличения. Профессор Давенпорт (он познал все это на собственном опыте) был, вероятно, одним из немногих посетителей выставки сокровищ Тутанхамона, которым приходилось снимать контактные линзы, чтобы лучше разглядеть экспонаты.

Позднее я коснулся этой проблемы еще раз, предложив способ наблюдать окружающий мир в инфракрасном свете без использования модулированного освещения. Преобразователи инфракрасного изображения в видимое недавно были с успехом использованы в астрономии (см. обзор Дж. Фалька в журнале Laser Focus, 15(10), 1979, p. 72), но по-видимому, они найдут и более впечатляющие применения.

Дедал размышляет над тем фактом, что удаление хрусталика нередко приводит к значительному улучшению цветового зрения по сравнению с нормальным и даже позволяет видеть УФ-свет. Это означает, что сетчатка глаза обладает чувствительностью в очень широком спектральном диапазоне, и только хрусталик не пропускает ИК- и УФ-излучення. В поисках способа сделать глаз прозрачным для ИК-излучения Дедал вспоминает о принципе лазерного гетеродинирования, с успехом примененного недавно в астрономических исследованиях. Инфракрасное излучение астрономического объекта проходит через кристалл ниобата лития или тиоарсенида серебра, который одновременно облучается лазером, работающим в видимом диапазоне. Названные кристаллы обладают нелинейными оптическими свойствами, поэтому в них происходит модуляция одного луча другим, и выходной сигнал представляет собой видимый свет, промодулированный частотой ИК-излучення от астрономического источника. Это позволяет использовать для ИК-излучения обычные методы регистрации, применяемые для видимого света, а также получать заметное усиление сигнала.

Воодушевленные такими результатами, специалисты фирмы КОШМАР пытаются создать специальные очки на основе кристаллов ниобата лития. Чтобы излучение лазера не попадало в глаз, потребуются тщательная фильтрация его и строгое согласование фаз излучения. Однако эти сложности вполне оправданны: в результате ИК-излучение, модулирующее несущий сигнал видимого диапазона, сможет пройти через глаз и достигнуть сетчатки. Там сигнал будет продетектирован благодаря общей нелинейности характеристики зрительной чувствительности, и инфракрасное излучение станет видимым: самые обычные объекты предстанут в совершенно новых, немыслимых красках. Дело в том, что немногие химические соединения имеют видимую окраску; однако почти все вещества обладают специфическими спектральными характеристиками в ИК-диапазоне. Поэтому обладатель новых «инфраочков» получит способность различать химический состав по тонким оттенкам «инфрацвета». Соль, сахар, мел, мука будут иметь отчетливо различимую окраску; крепость джина и водки можно будет определить на глаз, так что разбавлять или подделывать продукты станет просто невозможно.

New Scientist, April 9, 1981