Режиссер Дени Вильнёв и оператор Грег Фрейзер в фильме Дюна: Часть Вторая приняли любопытное кинематографическое решение и сняли сцены на планете Гьеди Прайм в инфракрасном спектре. Кроме выдающегося визуального ряда это дает повод обсудить связанные интересные физические явления.

Как это было снято?

В интервью Грег Фрейзер рассказывает как были сняты сцены в инфракрасном спектре. Не было необходимости в использовании какой-либо специальной техники. Были использованы обычные кинокамеры, у которых фильтр блокирующий инфракрасное излучение был заменен на фильтр блокирующий видимое излучение и пропускающие инфракрасное. Достоверно неизвестно, какой именно фильтр был использован, но эксперимент показал, что наиболее похожий результат дают фильтры, пропускающие инфракрасное излучение с длиной волны 720 нм.

Возможность перехода от съемок в видимом диапазоне к съемкам в инфракрасном диапазоне простой сменой фильтров на камере обусловлено тем, что нет принципиальной фундаментальной физической разницы и четкой границы между видимым и ближним инфракрасным излучением. И на самом деле все современные цифровые камеры способны регистрировать инфракрасное излучение. Но инфракрасное излучение портит изображение в видимом свете, поэтому на всех камерах устанавливают фильтры, которые отсекают ИК излучение.

Детектор излучения в цифровых камерах это фотоматрица, каждый элемент которой это полупроводниковый прибор, преобразующий энергию светового излучения в электрический сигнал. Два основных типа фотоматриц это ПЗС-матрицы - прибор с зарядовой связью (CCD - charge-coupled device), в которой преобразующий элемент это конденсатор на основе полупроводника, и КМОП-матрица (CMOS), в которой преобразующий элемент это фотодиод. Работа обоих типов матриц основана на явлении фотоэффекта в полупроводниках.  В полупроводниковом устройстве для преобразования энергии светового излучения частица излучения - фотон, должен обладать энергией большей пороговой энергии, которая связана с шириной запрещенной зоны полупроводника.

Для кремния, который лежит в основе всей современной полупроводниковой электроники ширина запрещенной зоны составляет около 1.14 эВ. Длина волны фотона с такой энергией составляет 1080 нм. Т.е. начиная с середины ближнего инфракрасного спектра излучение будет регистрироваться матрицами из кремния.

В более дешевых устройствах на применении ИК фильтров экономят, поэтому можно провести небольшой эксперимент в домашних условиях по регистрации ИК излучения. В пультах управления, например телевизора или кондиционера, для передачи команды используется ИК светодиод. Если заснять на цифровую камеру этот светодиод при нажатии на кнопку, светодиод на экране камеры загорается фиолетовым светом. Это происходит из-за недостаточного отсечения ИК излучения фильтром, которое регистрируется синими и красными элементами матрицы.

Как выглядит человек в ИК?

Вернемся к кадру из фильма с головами Атрейдеса и Фейда-Раyта в инфракрасном спектре.

Верхняя часть головы Фейд-Рауты выглядит очень светлой и чистой по сравнению с нижней частью и головой Атрейдеса. Объясняется это очень просто: Остин Батлер, актер сыгравший Фейд-Рауту, не брился на лысо для фильма. На актера наложили грим - специальную шапку имитирующую лысину и отсутствие бровей. На кадре можно заметить, где естественна кожа переходит в грим.

Ткани человека в видимом диапазоне очевидно непрозрачны, но излучение ближнего инфракрасного диапазона способно глубже проникать в ткани из-за меньшего рассеяния и поглощения. При этом на голове Атрейдеса хорошо видны вены, т.к. хорошо поглощают в ближнем ИК спектре из-за наличия в них гемоглобина.

Этот эффект нашел применение в медицине. Например пульсоксиметры, измеряющие пульс и количество кислорода в крови, делают это за счет измерения поглощения тканями ближнего инфракрасного излучения.

Также созданы приборы, помогающие медсестрам в обнаружении вен, когда требуется поставить катетер и взять кровь на анализ. Освещение в ближнем ИК не видно глазу и не мешает, но вены на изображениях гораздо проще обнаружить с помощью алгоритмов обработки изображений. Потом на руку можно спроецировать контуры этих вен.

Насколько виды Гьеди Прайм реалистичны?

Такое визуальное восприятие конечно не очень реалистично. Человеческий глаз не приспособлен к зрению в инфракрасном диапазоне, а только в видимом. Из-за этого видимый диапазон и выделен отдельно. 

Детектором излучения в глазу является сетчатка, а чувствительными элементами в ней выступают клетки двух типов палочки и колбочки. У палочек высокая чувствительность и они отвечают за ночное черно-белое зрение при низкой освещенности. Колбочки работают при высокой освещенности и отвечают за цветное зрение. Поэтому их бывает 3 вида, наиболее чувствительные соответственно к красному, зеленому и синему цвету.

При хорошем освещении с наибольшая эффективностью глаз в целом регистрирует излучение с длиной волны 555 нм, что соответствует зеленому цвету. И при низкой освещенности лучше всего будут видны предметы сине-зеленого цвета.

Т.к. глаз более чувствителен к зеленому, зеленые объекты воспринимаются ярче чем объекты других цветов, хотя в абсолютных величинах от них исходит одинаковая интенсивность света. Поэтому камеры, которые предназначены для записи того, как человек видит мир, должны собирать больше излучения зеленого цвета, иначе на фотографиях зеленые объекты будут казаться неестественно темными. Поэтому для получения цветных изображений используются цветные фильтры, например фильтр Байера, и один пиксель изображения получается из 4-х элементов матрицы сенсора: красного, синего и 2-х зеленых. Это видно на фотографии фотоматрицы выше. В одном квадрате матрицы по диагонали два зеленых элемента, а по другой один синий и один красный.

Чувствительность рецепторов глаза не имеет резкого порога, после которого она равна нулю. Поэтому глаз в принципе способен регистрировать ближнее инфракрасное излучение, а человек видеть в этом диапазоне. А из-за эффекта двухфотонного поглощения к длине волны 1000 нм чувствительность фоторецепторов растёт.

Если попробовать представить возможные сценарии и рассмотреть источник излучения монохромный с длинной волны 720 нм, то при достаточной интенсивности в принципе возможно видеть очень тусклое черно-белое изображение. Если же источник излучения со спектром абсолютно черного тела с пиком на 720 нм, то часть излучения попадает в красную и оранжевую часть видимого спектра. Поэтому в свете такого источника изображение будет в красно-оранжевых тонах.

Так или иначе получить не модифицированным глазом человека именно такое восприятие как от съемки камерой в инфракрасном диапазоне кажется невозможным. 

Некоторые другие виды животных на Земле обладают более продвинутыми глазами, например у птиц есть 4 тип колбочек, позволяющим им видеть в ультрафиолете. А в глазах у раков-богомолов могут быть до 16 типов фоторецепторов, которые позволяет им видеть и в УФ и в ИК. Но представить как такие виды воспринимают окружающий мир думаю невозможно. Отдельно стоит отметить тепловое излучение в дальнем ИК с длиной волны порядка 10 мкм от предметов с температурой около комнатной, 30 ℃. Это излучение “видят” некоторые змеи, а человек может его увидеть с помощью тепловизоров.

Высокая чувствительность глаза человека к зеленому в свою очередь скорее всего связана с нашим Солнцем. Температура поверхности Солнца около 5800 К, а значит пик спектра солнечного излучения по закону Вина лежит на длине волны около 500 нм, как раз в зеленой части спектра и рядом с пиком чувствительности палочек сетчатки.

Во Вселенной Дюны планета Гьеди Прайм приписана к реальной звезде - 36 Змееносца B - оранжевому карлику спектрального класса K2. 36 Змееносца B немного холоднее Солнца, температура её поверхности около 5000 К и пик спектра излучения приходится на 580 нм в оранжевой части видимого спектра. Чтобы жизнь эволюционировала глаза, наиболее чувствительные в ближнем инфракрасном спектре с длиной волны 700 нм, как в фильме Вильнёва, то она должна зародиться на планете, вращающейся вокруг звезды похолоднее, с температурой поверхности около 4100 К.