将电视遥控器对准手机摄像头并按下一个按键。在许多手机上,你会看到肉眼无法察觉的现象:遥控器顶端闪烁着微弱的光。那是遥控器的红外 LED 在闪烁着编码信号——它之所以能在阳光明媚的客厅中正常工作,而太阳发出的红外线远多于任何 LED,这并非是因为功率。而是因为调制。遥控器并不试图比太阳更亮,它只是以太阳不会产生的频率闪烁,而电视上的接收器只接收该频率的变化。对于调谐于闪烁信号的探测器来说,任何强度的稳定强光都是不可见的。

这一构想——已知的闪烁频率是一种在任何恒定光照下都能保留的特征信号——贯穿了从最简陋的遥控器到将吊灯转化为无线接入点的 Li-Fi 研究系统(Haas 等人的 "What is LiFi?" 是该领域的权威概览)。这也是 Sentio 调制光工具的完整工作原理,该工具不使用它来传输数据,而是用来传递一次测量。

双手机测量装置

该工具只是组合的一半。第二部手机(或任何屏幕上的网页版应用)作为发射端:它的显示屏在黑白之间闪烁,形成频率正好为 2 Hz 的干净方波,并且屏幕亮度固定为最大值,以确保每个周期的摆幅相同。进行测量的手机摄像头会观察六秒钟——共 12 个完整周期——并依次确认两个问题:

该工具还分别记录摄像头红、绿、蓝通道中的摆幅,并在短暂的稳定期后锁定自动曝光和白平衡——因为摄像头若任由其自动调节,就会追随平均亮度,而平均亮度恰恰是被刻意丢弃的那部分信号。

Diagram of extracting a modulated signal from ambient light. Top trace: brightness over time seen by the camera — a slowly drifting ambient level with a small two hertz square wave riding on it, plus one outlier spike. Two horizontal dashed lines mark the robust upper and lower percentile levels; their separation is the measured swing. Bottom annotation: the drifting ambient component and the outlier spike are rejected; only the oscillation at the known rate is kept. What the camera sees: ambient drift + the emitter's 2 Hz blink time (6 s capture, ≥12 cycles) brightness ambient level (drifts — rejected) glint (outlier — ignored by percentiles) swing = robust spread of samples Steady or slowly drifting light contributes nothing to the swing — only change at the emitter's known rate is measured.
手机上的锁相思维:测量即是在发射端精确频率下的亮度摆幅,通过稳健读取,从而排除漂移和闪光的影响。

摆幅的用途

单看一次捕捉的摆幅意义不大——它取决于距离、角度、发射屏幕以及接收摄像头。但如果用相同的装置进行两次捕捉并相除,所有这些因素都会抵消。这个比值是玻璃检测活动的核心:先直接对准摄像头闪烁,再透过玻璃板闪烁,“透过摆幅”除以“直接摆幅”即为玻璃板的透光率——而且是按颜色通道计算的,这就是为什么低辐射(low-e)涂层偏蓝色的强吸收可以体现为测得的选择性,而非模糊的色调。在两次捕捉之间将发射端旋转四分之一圈,同一套装置即可测试偏振。

这个比值之所以值得信赖,原因正见于第一段中关于遥控器的物理原理:室内光线、灯光、反射光和日光都无法通过 2 Hz 测试,因此在两次捕捉中都会被过滤掉。您可以在光线明亮的商店里,把贴膜贴在窗户上进行测量,商店的光线并不会产生干扰。

同类工具及边界

该工具的被动版本是闪烁,它测量由外界调制的外部光线——例如 LED 闪烁、路由器指示灯闪烁代码以及旋转机械。在这个方向上具有实际的健康相关性:LED 照明的闪烁规范是 IEEE 推荐规范 IEEE 1789-2015 的主题,这正是因为眼睛无法有意识察觉的低频调制,并不意味着头部不会感知到。调制光工具的区别仅在于一词:闪烁是我们的。已知的刺激将闪烁计时器转变为透射光度计。

坦白地说,还有一个边界:您的遥控器的实际代码超出了此工具的能力范围。红外遥控器以数十千赫兹(kHz)的频率进行调制,位定时达到毫秒级——这远远超出了每秒仅采样亮度几十次的摄像头的极限。摄像头可以看到遥控器的 LED 亮起(多亏了摄像头传感器不完美的红外滤光,这成了一个非常实用的电池没电检测方法),但解码这种模式属于专用红外接收器的工作。手机工具特意处于调制频谱中缓慢、稳健的一端:2 Hz 作为通信而言慢如冰川,但作为测量载波,它既快得足以避开环境漂移,又慢得足以让任何摄像头进行忠实的采样。

专业仪器 手机调制光装置 差距显现之处
分光光度计($3,000–$50,000):透射率对波长、纳米级分辨率、校准参考光束 三个宽颜色通道中的透射比,通过调制免受环境光干扰 涂层光谱、紫外/红外透射、任何规格书级别的数据——三个宽宽的 RGB 波段无法解析单色仪所能解析的内容
具有波形捕获功能的照度/闪烁计($500–$3,000,符合 IEEE 1789 指标) 确认并测定自身发射端的调制;稳健的摆幅读数 表征未知的高速闪烁(千赫兹级的 PWM)——摄像头的采样率限制了其所能测量的上限
光电二极管 + 锁相放大器(实验室配置,$2,000+):这一妙招的完整威力版 相同的架构,以摄像头作为光电二极管,以百分位数作为锁相 动态范围和频率范围——实验室装置可以在任何调制频率下恢复数千倍微弱的信号
红外协议分析仪 / 红外接收器模块($10–$100) 能看到遥控器的 LED 亮起;无法解码 38 kHz 载波 实际读取遥控器代码——合适的工具比一顿午饭还便宜,而且不是手机

展示的设计原则:永远不要相信未经验证的刺激源。发射器指令输出 2 Hz,但接收端独立测算到达信号的时间,并拒绝根据未经确认的闪烁进行任何计算 —— 这与频闪工具验证自身手电筒,以及隔音扫频识别自身音调是相同的原则。在“App 命令屏幕闪烁”与“相机测量到闪烁”之间,测量平台必须始终选择相信后者。

欲了解摆动比如何转化为完整的玻璃检测结论,请阅读关于透明度与偏振的博文;欲了解手机光学器件在哪些方面能真正与实验室光学器件竞争,请阅读这篇坦诚的对比。