Licht dat een boodschap draagt: gemoduleerd licht, van afstandsbedieningen tot twee telefoons

Richt de afstandsbediening van je tv op de camera van je telefoon en druk op een knop. Op veel telefoons zie je iets wat je ogen niet kunnen zien: de punt van de afstandsbediening die pulseert met een zwak licht. Dat is de infrarood-led van de afstandsbediening die een code knippert — en de reden dat dit werkt in een zonovergoten woonkamer, waar de zon enorm veel meer infrarood uitstraalt dan welke led dan ook, is niet vermogen. Het is modulatie. De afstandsbediening probeert de zon niet te overtreffen; hij knippert met een snelheid die de zon niet heeft, en de ontvanger in de tv luistert alleen naar veranderingen in dat tempo. Constant fel licht, hoe sterk ook, is onzichtbaar voor een detector die is afgestemd op flikkeringen.

Dit ene idee — een bekende knippersnelheid is een kenmerk dat elk constant licht overleeft — loopt van de eenvoudigste afstandsbediening tot Li-Fi-onderzoekssystemen die plafondlampen veranderen in draadloze toegangspunten (Haas et al., "What is LiFi?" is de standaardintroductie). En het is het volledige werkingsprincipe van de tool voor gemoduleerd licht van Sentio, die het niet gebruikt om data te versturen, maar om een meting over te brengen.

De opstelling met twee telefoons

De tool is de helft van een paar. Een tweede telefoon (of de web-app op een willekeurig scherm) is de zender: deze knippert zijn scherm tussen zwart en wit, een zuivere blokgolf van exact 2 Hz, met de helderheid van het scherm op maximaal ingesteld zodat elke cyclus dezelfde amplitude heeft. De camera van de meettelefoon kijkt zes seconden lang mee — een dozijn volledige cycli — en stelt achtereenvolgens twee vragen:

• Is het geknipper van 2 Hz daadwerkelijk aanwezig? De opname meet de timing van de flikkering die hij ziet en bevestigt of de frequentie overeenkomt met de verwachte waarde. Geen bevestiging betekent geen meting — een schommeling die niet aantoonbaar van de zender is, kan een voorbijgaande schaduw zijn, een screensaver, of wat dan ook.
• Hoe groot is de schommeling? Niet simpelweg maximum min minimum — één schittering zou dat verpesten — maar een robuuste percentielspreiding van de helderheidsmetingen, die uitschieters negeert en de werkelijke amplitude van de blokgolf registreert. Het is een zakversie van wat instrumentenbouwers lock-in-detectie noemen: verwerp alles, behalve de verandering op de bekende frequentie.

De tool registreert de schommeling ook afzonderlijk in de rode, groene en blauwe kanalen van de camera, en vergrendelt de automatische belichting en witbalans na een kort stabilisatiemoment — omdat een camera die aan zijn lot wordt overgelaten de gemiddelde helderheid najaagt, en dat gemiddelde is nu juist het deel van het signaal dat bewust wordt weggegooid.

Waar de schommeling voor dient

Op zichzelf zegt de schommeling van één opname weinig — deze hangt af van de afstand, de hoek, het zendscherm en de ontvangende camera. Maar maak twee opnames met dezelfde opstelling en deel ze door elkaar, en dat valt allemaal tegen elkaar weg. Die verhouding is de motor achter de beglazingsactiviteiten: knipper rechtstreeks in de camera, knipper vervolgens door de ruit, en de schommeling-erdoorheen gedeeld door de rechtstreekse-schommeling is de transparantie van de ruit — per kleurkanaal, waardoor de blauw-absorptie van een warmtewerende coating zichtbaar wordt als een gemeten selectiviteit in plaats van een vage tint. Draai de zender een kwartslag tussen de opnames en dezelfde opstelling test de polarisatie.

De reden dat deze verhouding zo betrouwbaar is, ligt in de fysica van de afstandsbediening uit de eerste paragraaf: kamerlicht, lampen, reflecties en daglicht slagen allemaal niet voor de 2 Hz-test en vallen bij beide opnames weg. Je kunt de meting uitvoeren in een verlichte winkel, terwijl je folies tegen een raam houdt, zonder dat de winkelverlichting de meting beïnvloedt.

Verwante tools en een grens

De passieve tegenhanger van deze tool is Knipperen, die de timing meet van licht dat door de wereld wordt gemoduleerd — LED-flikkering, knipperende codes van routers, draaiende machines. Die richting heeft reële betekenis voor de gezondheid: de flikkerpraktijken van LED-verlichting zijn het onderwerp van een aanbevolen IEEE-praktijkrichtlijn, IEEE 1789-2015, juist omdat laagfrequente modulatie die het oog niet bewust waarneemt, niet altijd modulatie is die het hoofd niet voelt. De tool voor gemoduleerd licht verschilt in één essentieel aspect: het geknipper is van ons. Een bekende stimulus verandert een flikkeringsmeter in een transmissiefotometer.

En om eerlijk te zijn, een grens: de werkelijke code van je afstandsbediening ligt buiten het bereik van deze tool. Infraroodafstandsbedieningen moduleren op tientallen kilohertz met bit-timings op milliseconden-schaal — ver buiten het bereik van een camera die de helderheid slechts tientallen keren per seconde scant. De camera kan wel zien dat de LED van de afstandsbediening oplicht (een heel handige manier om lege batterijen op te sporen, dankzij de imperfecte infraroodfiltering van camerasensoren), maar het decoderen van het patroon is werk voor speciale infraroodontvangers. De telefoontool bevindt zich bewust aan het trage, robuuste uiteinde van het modulatiespectrum: 2 Hz is extreem traag voor communicatie, maar als drager van een meting is het snel genoeg om te ontsnappen aan omgevingsverloop en traag genoeg om door elke camera natuurgetrouw te worden geregistreerd.

Voor hoe de swing-ratio leidt tot een volwaardig oordeel over de beglazing, lees het artikel over transparantie en polarisatie; voor de kaart van waar telefoonoptiek echt concurreert met laboratoriumoptiek, zie de eerlijke balans.