Neue Brille macht Infrarotlicht in echten Farben sichtbar

Sehen beginnt damit, dass ein Lichtteilchen auf ein Sehpigment in der Netzhaut trifft und dessen Molekülform verändert. Infrarotlicht bringt für diesen Schritt zu wenig Energie mit, weshalb Wärmestrahlung für den Menschen grundsätzlich unsichtbar bleibt. Technisch lässt sich das umgehen, indem ein Sensor die Strahlung aufnimmt und in ein sichtbares Bild umrechnet. Genau so arbeitet ein klassisches Nachtsichtgerät, das die Umgebung in Grüntönen oder in Graustufen darstellt. Der Preis dafür ist ein erheblicher Informationsverlust, denn die gesamte spektrale Information wird auf einen einzigen Farbkanal reduziert. Helligkeitsunterschiede bleiben erkennbar, die Wellenlänge geht dagegen verloren. Wie stark die Grenzen der menschlichen Wahrnehmung technisch ausgenutzt werden können, zeigte zuletzt auch eine Drohne, die im Flug für das Auge verschwindet. Die Alternative besteht darin, das Infrarotsignal nicht erst in Elektronik und dann in ein Display zu übersetzen, sondern direkt in sichtbares Licht umzuwandeln. Solche Aufwärtswandler koppeln einen Infrarotdetektor unmittelbar an ein lichtemittierendes Bauteil, ohne Kamera, Rechner und Bildschirm dazwischen. Bisherige Umsetzungen dieser Bauart hatten allerdings dasselbe Problem wie herkömmliche Geräte, weil sie das Signal nur in einer einzigen Emissionsfarbe ausgaben. Parallel arbeitet die Forschung daran, dieselbe Idee eines Tages ins Auge selbst zu verlegen und beschädigte Sinneszellen zu ersetzen, wie es Ansätze mit einer künstlichen Netzhaut als visuelle Prothese vorzeichnen. Der neue Prototyp verfolgt zunächst den einfacheren Weg als tragbares Brillenglas. Wie die Brille Infrarotlicht in Farbe übersetzt Herzstück des Aufbaus sind kolloidale Quantenpunkte aus Quecksilbertellurid. Diese wenige Nanometer großen Halbleiterteilchen absorbieren Strahlung vom nahen bis in den kurzwelligen Infrarotbereich und setzen dabei Ladungsträger frei. Direkt darunter sitzt eine organische Leuchtdiode mit zwei getrennten Emissionsschichten, einer roten und einer cyanfarbenen. Zwischen beiden Farbstoffen liegt eine gezielt eingebaute Energiebarriere von 0,82 Elektronenvolt. Trifft nur schwaches Infrarotlicht ein, bleiben die wenigen Ladungsträger im roten Bereich hängen und die OLED leuchtet rot. Steigen Photonenenergie und Photonenzahl, überwinden sie die Barriere und die zweite Schicht schaltet sich hinzu, wodurch sich der Farbeindruck verschiebt. Die in Science Advances veröffentlichte Arbeit des Beijing Institute of Technology beschreibt damit erstmals eine direkte Zuordnung von Wellenlänge und Intensität zu Farbe und Helligkeit. Was der Prototyp im Test leisten konnte Aus diesem Schichtstapel bauten die Forscher ein Brillenglas mit einem Gesamtgewicht von 23 Gramm. Weil das Bauteil für sichtbares Licht durchlässig bleibt, sieht der Träger die reale Umgebung und das eingeblendete Infrarotbild gleichzeitig, statt wie bei einer Nachtsichtbrille vollständig auf einen Bildschirm angewiesen zu sein. In Laborversuchen entstanden auf diese Weise scharfe, farblich codierte Aufnahmen einfacher Objekte mit hohem Kontrast. Ergänzend prüfte das Team, ob die erzeugten Lichtsignale das Sehsystem tatsächlich erreichen. Dafür kombinierte es Messungen an isolierten Nervenzellen, Ableitungen der Hirnströme bei Mäusen und Netzhautmessungen bei Menschen, denen das umgewandelte Licht von außen ins Auge geleitet wurde. Die Reaktionen entsprachen dabei dem, was normales sichtbares Licht auslöst. Warum daraus noch keine marktreife Brille wird Zwischen diesem Ergebnis und einem Alltagsprodukt liegen mehrere ungelöste Fragen. Getestet wurde in kontrollierter Umgebung mit einfachen, kontrastreichen Motiven, nicht in einer unübersichtlichen realen Szene mit vielen Wärmequellen. Die OLED benötigt außerdem eine externe Stromversorgung, weshalb es sich streng genommen um ein tragbares Display und nicht um ein rein passives optisches Element handelt. Hinzu kommt der Werkstoff selbst, denn Quecksilbertellurid ist eine Schwermetallverbindung, und zu langfristigem Hautkontakt oder gar zur Verträglichkeit im Auge liegen bislang keine Daten vor. Die im Aufsatz skizzierte Anwendung als künstlicher Fotorezeptor bleibt daher vorerst eine Perspektive. Wer sich für weitere Forschung rund um das Sehen und seine biologischen Grenzen interessiert, findet dort den größeren Zusammenhang. Science Advances, Multispectral infrared-to-full-color upconversion expanding human vision; doi:10.1126/sciadv.aed0245