แสงที่นำพาสาร: แสงมอดูเลต จากรีโมททีวีถึงโทรศัพท์สองเครื่อง

ลองเล็งรีโมททีวีไปที่กล้องโทรศัพท์ของคุณแล้วกดปุ่ม ในโทรศัพท์หลายๆ รุ่น คุณจะเห็นบางสิ่งที่ดวงตามองไม่เห็น นั่นคือปลายรีโมทที่กะพริบเป็นแสงสลัวๆ ซึ่งนั่นก็คือหลอด LED อินฟราเรดของรีโมทที่กะพริบเป็นรหัสสัญญาณ และเหตุผลที่มันสามารถทำงานได้ท่ามกลางห้องนั่งเล่นที่มีแสงแดดส่องถึง ซึ่งดวงอาทิตย์แผ่รังสีอินฟราเรดออกมามากกว่าแสงจากหลอด LED มหาศาล ไม่ใช่เรื่องของกำลังส่ง แต่มันคือ modulation รีโมทไม่ได้พยายามส่องแสงให้สว่างกว่าดวงอาทิตย์ แต่กะพริบในอัตราที่แสงอาทิตย์ไม่กะพริบ และตัวรับสัญญาณในทีวีก็จะจับสัญญาณเฉพาะการเปลี่ยนแปลงในอัตรานั้นเท่านั้น แสงจ้าที่สว่างคงที่ ไม่ว่าจะแรงแค่ไหน ก็ไม่ส่งผลต่อตัวตรวจจับที่ปรับจูนมาเพื่อรับสัญญาณการกะพริบ

แนวคิดเดียวนี้ — อัตราการกะพริบที่ทราบแน่ชัดคือเอกลักษณ์ที่คงอยู่รอดจากแสงที่ส่องสว่างคงที่ในทุกระดับความสว่าง — ถูกนำไปใช้ตั้งแต่รีโมตคอนโทรลรุ่นธรรมดาที่สุด ไปจนถึงระบบวิจัย Li-Fi ที่เปลี่ยนหลอดไฟเพดานให้เป็นจุดเชื่อมต่อไร้สาย (Haas et al., "What is LiFi?" คือคู่มืออ้างอิงหลัก) และนี่คือหลักการทำงานทั้งหมดของเครื่องมือวัดแสงมอดูเลตของ Sentio ซึ่งไม่ได้นำมาใช้เพื่อส่งผ่านข้อมูล แต่ใช้เพื่อส่งผ่าน การวัดค่า

ชุดอุปกรณ์ที่ใช้โทรศัพท์สองเครื่อง

เครื่องมือนี้เป็นเพียงส่วนหนึ่งของระบบที่ต้องใช้คู่กัน โทรศัพท์เครื่องที่สอง (หรือเว็บแอปบนหน้าจอใดก็ได้) จะทำหน้าที่เป็น ตัวส่งสัญญาณ ซึ่งจะกะพริบหน้าจอเป็นสีดำสลับขาวเป็นคลื่นสี่เหลี่ยม (square wave) ที่ความถี่ 2 Hz เป๊ะ และเปิดความสว่างหน้าจอไว้สูงสุดเพื่อให้ทุกรอบการกะพริบมีระดับเท่ากัน กล้องของโทรศัพท์เครื่องที่ใช้วัดค่าจะเฝ้าสังเกตเป็นเวลา 6 วินาที — หรือครบ 12 รอบเต็ม — จากนั้นจะถามคำถามสองข้อตามลำดับ:

• มีการกะพริบที่ 2 Hz จริงหรือไม่? การบันทึกภาพจะจับเวลาการกะพริบที่มองเห็นและยืนยันว่าอัตรานั้นตรงกับที่คาดไว้ หากไม่มีการยืนยัน ก็จะไม่มีการวัดค่า — การสวิงของค่าที่ไม่สามารถพิสูจน์ได้ว่ามาจากแหล่งกำเนิดแสงอาจเป็นเพียงเงาที่พาดผ่าน สกรีนเซฟเวอร์ หรืออะไรก็ตาม
• การสวิงมีขนาดเท่าใด? ไม่ใช่ค่าสูงสุดลบด้วยค่าต่ำสุด — เพราะแสงสะท้อนแวบเดียวก็ทำให้ค่านั้นเพี้ยนได้ — แต่เป็นช่วงการกระจายแบบเปอร์เซ็นไทล์ที่เสถียรของตัวอย่างความสว่าง ซึ่งจะละทิ้งเฟรมที่ผิดปกติและอ่านค่าแอมพลิจูดที่แท้จริงของคลื่นสี่เหลี่ยม นี่คือเวอร์ชันพกพาของสิ่งที่ผู้ผลิตเครื่องมือเรียกว่าการตรวจจับแบบล็อกอิน (lock-in detection): ปฏิเสธค่าอื่นๆ ทั้งหมด และเก็บไว้เฉพาะการเปลี่ยนแปลงตามอัตราที่ทราบแน่ชัดเท่านั้น

เครื่องมือนี้ยังบันทึกค่าการสวิงแยกกันในช่องสัญญาณสีแดง เขียว และน้ำเงินของกล้อง และจะล็อกระบบรับแสงอัตโนมัติและสมดุลแสงสีขาวหลังจากที่ภาพนิ่งลงครู่หนึ่ง — เนื่องจากกล้องที่ปล่อยให้ทำงานเองโดยอัตโนมัติจะคอยปรับตามความสว่างเฉลี่ย และค่าเฉลี่ยนี้เองคือส่วนของสัญญาณที่เราตั้งใจจะละทิ้งไป

การสวิงนี้มีไว้เพื่ออะไร

เพียงแค่การสวิงจากระบบบันทึกภาพครั้งเดียวอาจไม่มีความหมายมากนัก — เพราะขึ้นอยู่กับระยะทาง มุม หน้าจอผู้ส่ง และกล้องผู้รับ แต่หากบันทึกภาพ สอง ครั้งด้วยอุปกรณ์เดิมแล้วนำมาหารกัน ค่าเหล่านั้นทั้งหมดก็จะหักล้างกันไป อัตราส่วนดังกล่าวคือกลไกหลักของกิจกรรมเกี่ยวกับกระจก: โดยให้กะพริบแสงตรงไปที่กล้อง จากนั้นกะพริบแสงผ่านแผ่นกระจก และนำค่าการสวิงที่ผ่านกระจกตั้งหารด้วยค่าการสวิงโดยตรง ก็จะได้ค่าความโปร่งแสงของแผ่นกระจก — แยกตามช่องสัญญาณสี ซึ่งช่วยให้เห็นการดูดกลืนแสงสีน้ำเงินที่เข้มข้นของสารเคลือบ Low-E ออกมาเป็นค่าการเลือกผ่านแสงที่วัดค่าได้ แทนที่จะเห็นเป็นเพียงสีเพี้ยนๆ จางๆ และหากหมุนตัวส่งแสงไปหนึ่งในสี่รอบระหว่างการบันทึกภาพ อุปกรณ์ชุดเดิมนี้ก็จะสามารถทดสอบโพลาไรเซชันได้

เหตุผลที่อัตราส่วนนี้มีความน่าเชื่อถือสูงก็คือหลักฟิสิกส์ของการทำงานของรีโมตคอนโทรลตามที่กล่าวไว้ในย่อหน้าแรก: แสนในห้อง โคมไฟ แสงสะท้อน และแสงแดดต่างก็ไม่ผ่านการทดสอบที่ 2 Hz และจะถูกตัดออกไปจากการบันทึกภาพทั้งสองครั้ง คุณจึงสามารถทำการวัดค่าในร้านที่เปิดไฟสว่างขณะถือฟิล์มทาบกับหน้าต่างได้โดยที่แสงไฟในร้านไม่มีผลต่อผลลัพธ์เลย

เครื่องมือในกลุ่มเดียวกัน และขีดจำกัด

ลูกพี่ลูกน้องสายพาสซีฟของเครื่องมือนี้คือ การกะพริบ ซึ่งจะจับเวลาแสงที่ถูกมอดูเลตโดยสิ่งภายนอก — เช่น การกะพริบของไฟ LED, รหัสกะพริบของเราเตอร์, เครื่องจักรที่กำลังหมุน มีความเกี่ยวข้องกับสุขภาพอย่างแท้จริงในด้านนี้: แนวปฏิบัติเกี่ยวกับการกะพริบของแสง LED เป็นหัวข้อในข้อแนะนำของ IEEE นั่นคือ IEEE 1789-2015 เนื่องจากความถี่การมอดูเลตต่ำที่ดวงตามองไม่เห็นนั้น ไม่ได้หมายความว่าจะไม่ส่งผลให้รู้สึกปวดศีรษะเสมอไป เครื่องมือแสงมอดูเลตนี้แตกต่างกันเพียงคำเดียว: การกะพริบนี้เป็นของเรา ตัวกระตุ้นที่ทราบแน่ชัดช่วยเปลี่ยนเครื่องจับเวลาการกะพริบให้กลายเป็นทรานสมิชชันโฟโตมิเตอร์

และเพื่อความซื่อสัตย์ ขีดจำกัดก็คือ: รหัสจริงๆ ของรีโมตของคุณนั้นเกินความสามารถของเครื่องมือนี้ รีโมตอินฟราเรด (IR) มอดูเลตที่ความถี่หลายสิบกิโลเฮิรตซ์ด้วยการจับเวลาบิตในระดับมิลลิวินาที ซึ่งเกินกว่าที่กล้องที่สุ่มตัวอย่างความสว่างเพียงไม่กี่สิบครั้งต่อวินาทีจะจับได้ กล้องสามารถมองเห็นได้ว่าไฟ LED ของรีโมตสว่างขึ้น (ซึ่งเป็นวิธีตรวจสอบว่าแบตเตอรี่หมดหรือไม่ที่มีประโยชน์มาก ต้องขอบคุณการกรองแสงอินฟราเรดที่ไม่สมบูรณ์ของเซนเซอร์กล้อง) แต่การถอดรหัสรูปแบบสัญญาณนั้นต้องใช้เครื่องรับ IR เฉพาะทาง เครื่องมือบนโทรศัพท์นี้ตั้งใจทำงานอยู่ที่ช่วงปลายที่ช้าและเสถียรของสเปกตรัมการมอดูเลต: ความถี่ 2 Hz นั้นช้ามากสำหรับการสื่อสารข้อมูล แต่ในฐานะคลื่นพาหะสำหรับการวัดค่านั้น ถือว่าเร็วพอที่จะหลีกเลี่ยงการเลื่อนลอยของสัญญาณรบกวนรอบข้าง และช้าพอที่กล้องทุกตัวจะสุ่มตัวอย่างค่าได้อย่างแม่นยำ

สำหรับวิธีที่อัตราส่วนการสวิงเปลี่ยนมาเป็นผลการตัดสินเรื่องกระจกอย่างสมบูรณ์ สามารถอ่านได้ที่บทความเกี่ยวกับความโปร่งแสงและโพลาไรเซชัน และสำหรับการเปรียบเทียบว่าเลนส์ของโทรศัพท์สามารถแข่งขันกับเลนส์ในห้องแล็บได้อย่างแท้จริงในด้านใดบ้าง สามารถอ่านได้ที่การวิเคราะห์ตามความเป็นจริง