چرا دوربین گوشی نور نامرئی کنترل تلویزیون را می‌بیند؟

همین حالا یک آزمایش ده‌ثانیه‌ای انجام دهید. کنترل تلویزیون را بردارید و دوربین گوشی را باز کنید. سرِ کنترل را رو به لنز بگیرید و یکی از دکمه‌ها را نگه دارید. به‌احتمال زیاد روی صفحه نقطه‌ای کم‌رنگ از نور بنفش یا سفید ظاهر می‌شود که چشمک می‌زند. حالا گوشی را کنار بگذارید و مستقیم به همان نقطه نگاه کنید. هیچ‌چیزی نمی‌بینید.

شما احتمالاً سال‌ها با همین کنترل کار کرده‌اید و یک‌بار هم نورش را ندیده‌اید. ولی این نور همیشه همان‌جا حضور داشت؛ هر بار که صدای تلویزیون را کم کردید یا کانال را عوض کردید، کنترل رگباری از فوتون‌ها را به سمت تلویزیون فرستاده بی‌آنکه چشم شما ثبتش کند.

چطور تکه‌ای سیلیکون کوچک در گوشی چیزی را می‌بیند که چشم انسان، با همه‌ی پیچیدگی‌اش به‌عنوان اندامی پیشرفته، از دیدنش ناتوان می‌ماند؟ بیایید مسیر نور عجیب را قدم‌به‌قدم دنبال کنیم؛ از لحظه‌ای که انگشت شما دکمه را فشار می‌دهد تا لحظه‌ای که نقطه‌ی بنفش روی صفحه‌ی گوشی روشن می‌شود.

وقتی دکمه‌ی کنترل تلویزیون را فشار می‌دهید، مدار داخل کنترل ابتدا تشخیص می‌دهد کدام دکمه را زده‌اید و کد مخصوص آن را می‌سازد. این کد به LED کوچکی در سر کنترل می‌رسد که با چراغ‌های معمولی فرق دارد؛ نوعی ال‌ای‌دی مادون‌قرمز که معمولا از گالیم آرسنید ساخته می‌شود و اغلب نورش را در طول‌موجی حدود ۹۴۰ نانومتر گسیل می‌کند.

البته گیرنده تلویزیون هر نور مادون‌قرمزی را فرمان کنترل حساب نمی‌کند؛ چراغ کنترل با الگوی مشخصی بسیار سریع روشن و خاموش می‌شود و تلویزیون همین الگو را تشخیص می‌دهد. کمی جلوتر می‌بینیم این چشمک‌های سریع چطور فرمان‌ها را منتقل می‌کنند.

از طرفی بخار آب جو بخشی از نور خورشید را درست در حوالی ۹۴۰ نانومتر جذب می‌کند. در نتیجه نور خورشید در این طول‌موج شدت کمتری دارد و کمتر با سیگنال کنترل تداخل می‌کند. پس تا اینجا می‌دانیم نور کنترل در اتاق پخش می‌شود و بخشی از آن به چشم ما هم می‌رسد. چرا چشم ما از این نور تصویری نمی‌سازد؟

چشم انسان عمدتاً نورهایی با طول‌موج حدود ۳۸۰ تا ۷۵۰ نانومتر را می‌بیند، ولی طیف نور در دو طرف این بازه ادامه دارد، فرابنفش در یک سو، و مادون‌قرمز، ریزموج و امواج رادیویی در سوی دیگر. نور ۹۴۰ نانومتری کنترل تلویزیون کمی بیرون از لبه‌ی قرمز این بازه قرار می‌گیرد و همین فاصله برای سلول‌های بینایی اهمیت دارد.

دیدن نور از شبکیه آغاز می‌شود. شبکیه سه نوع سلول مخروطی اصلی دارد که هر گروه به بخش متفاوتی از نور مرئی حساس‌ترند. درون رنگ‌دانه‌های بینایی این سلول‌ها، مولکولی به نام رتینال با جذب فوتون تغییر شکل می‌دهد و زنجیره‌ای از واکنش‌ها را راه می‌اندازد که در نهایت به سیگنال عصبی تبدیل می‌شود.

انرژی هر فوتون به طول‌موج آن بستگی دارد و هرچه طول‌موج بلندتر شود، انرژی فوتون پایین‌تر می‌آید. برای مثال انرژی فوتون نور سبز با طول‌موج ۵۵۰ نانومتر حدود ۲٫۲۵ الکترون‌ولت عنوان می‌شود، درحالی‌که این مقدار برای فوتون ۹۴۰ نانومتریِ کنترل به حدود ۱٫۳۲ الکترون‌ولت می‌رسد.

رنگ‌دانه‌های بینایی انسان به این طول‌موج حساسیت بسیار کمی دارند؛ بنابراین نور معمولی کنترل، حتی اگر بخشی از آن به شبکیه برسد، واکنشی ایجاد نمی‌کند که به دیدن منجر شود.

(اگر بخواهیم دقیق‌تر بگوییم، چشم انسان در شرایط ویژه و با نور لیزر پالسی می‌تواند به مادون‌قرمز هم پاسخ دهد، اما کنترل تلویزیون چنین شرایطی ایجاد نمی‌کند.)

حالا سؤالمان عوض می‌شود. اگر دوربین با همان نوری روبه‌رو می‌شود که به شبکیه می‌رسد، گیرنده‌اش چه فرقی با گیرنده‌ی چشم ما دارد؟

دوربین‌های گوشی‌های امروزی به سنسور CMOS مجهزند، تراشه‌ای از سیلیکون که میلیون‌ها پیکسل روی آن کنار هم چیده شده‌اند. هر پیکسل در عمل مانند یک فوتودیود کوچک رفتار می‌کند. وقتی فوتون به سیلیکون می‌رسد، اگر انرژی کافی داشته باشد، می‌تواند الکترونی را آزاد کند.

الکترون‌های آزادشده در هر پیکسل جمع می‌شوند و در زمان پایان نوردهی، دوربین تعدادشان را اندازه می‌گیرد و به عدد دیجیتال تبدیل می‌کند. هرچه نور بیشتری به پیکسل برسد، الکترون‌های بیشتری جمع می‌شوند و آن پیکسل روشن‌تر ثبت می‌شود.

حالا باید ببینیم فوتون برای آزادکردن الکترون در سیلیکون به چه مقدار انرژی نیاز دارد. در سیلیکون، حداقل انرژی (گاف) حدود ۱٫۱۲ الکترون‌ولت است و هر فوتونی که انرژی‌اش از این مقدار بیشتر باشد، می‌تواند الکترون آزاد کند. اگر این انرژی را به طول‌موج تبدیل کنیم، به حدود ۱۱۰۰ نانومتر می‌رسیم. به همین دلیل سیلیکون علاوه بر نور مرئی، بخشی از نور مادون‌قرمز نزدیک را هم تشخیص می‌دهد.

البته مادون‌قرمز محدوده‌ی بزرگی از طیف نور را در برمی‌گیرد. اینکه دوربین گوشی چراغ کنترل را می‌بیند، به این معنا نیست که می‌تواند گرمای بدن یا اشیای اتاق را مانند دوربین حرارتی ثبت کند. نور کنترل در بخش نزدیکِ مادون‌قرمز قرار دارد و فوتون‌هایش هنوز آن‌قدر انرژی دارند که در سیلیکون واکنش ایجاد کنند.

چشم ما به کمک مولکول‌هایی نور را تشخیص می‌دهد که طی فرایند تکامل با نور خورشیدِ رسیده به سطح زمین سازگار شده‌اند. سنسور دوربین با ماده‌ای کار می‌کند که خواص فیزیکی‌اش چنین مرزی ندارد.

ولی چطور نوری که اصلاً رنگی برای چشم ما ندارد، روی صفحه‌ی گوشی بنفش دیده می‌شود؟

اگر نور ۹۴۰ نانومتری برای ما هیچ رنگی ندارد، چطور روی صفحه‌ی گوشی بنفش دیده می‌شود؟ خود سنسور دوربین رنگ را تشخیص نمی‌دهد. هر فوتودیود فقط مقدار بار الکتریکی تولیدشده بر اثر نور را ثبت می‌کند و نمی‌فهمد آن نور قرمز بوده، سبز یا آبی.

برای اینکه دوربین تصویر رنگی ثبت کند، روی پیکسل‌ها موزاییکی از فیلترهای رنگی کوچک قرار می‌دهند؛ با آرایشی که الگوی بایر نامیده می‌شود. در این الگو نیمی از پیکسل‌ها فیلتر سبز، یک‌چهارم فیلتر قرمز و یک‌چهارم فیلتر آبی دارند. پردازنده‌ی تصویر بعداً با مقایسه‌ی پیکسل‌های همسایه، رنگ کامل هر نقطه را بازسازی می‌کند.

فیلترهای قرمز، سبز و آبی برای جداکردن رنگ‌ها در محدوده‌ی نور مرئی طراحی شده‌اند. اما وقتی طول‌موج وارد مادون‌قرمز نزدیک می‌شود، این جداسازی دیگر به‌خوبی انجام نمی‌شود. نور ۹۴۰ نانومتری می‌تواند از هر سه نوع فیلتر عبور کند و به پیکسل‌های قرمز، سبز و آبی برسد.

در بسیاری از سنسورها، نور مادون‌قرمز از فیلترهای قرمز و آبی کمی بیشتر از فیلتر سبز عبور می‌کند و تنظیم خودکار تعادل رنگ هم می‌تواند این اختلاف را تشدید کند. ترکیب سیگنال قرمز و آبی روی صفحه هم به رنگ بنفش یا صورتی دیده می‌شود.

پس رنگ صورتی یا بنفشی که روی صفحه‌ی گوشی می‌بینیم رنگ واقعی نور ۹۴۰ نانومتری نیست، چون این نور برای انسان اصلاً رنگی ندارد. این رنگ از پردازش و ترجمه‌ی گوشی حاصل می‌شود؛ تلاشی برای نمایش چیزی بیرون از دنیای رنگ‌ها، با کلمات همان دنیا.

اگر آزمایش اول مقاله را با هر دو دوربین گوشی تکرار کنید، احتمالاً به نتیجه‌ی عجیبی می‌رسید. در بسیاری از گوشی‌ها یکی از دوربین‌ها نور کنترل را واضح نشان می‌دهد و دیگری کم‌رنگ‌تر، یا شاید یکی از دوربین‌ها چیزی نشان ندهد. اگر سیلیکون همه‌ی دوربین‌ها مادون‌قرمز را حس می‌کند، این تفاوت از کجا می‌آید؟

طراحان دوربین‌های گوشی می‌دانند که حساسیت سیلیکون به مادون‌قرمز برای عکاسی معمولی دردسر درست می‌کند و اگر به‌نحوی جلوی آن را نگیرند؛ رنگ پوست غیرطبیعی می‌شود، پارچه‌های مشکی گاهی بنفش به نظر می‌رسند و شاخ‌وبرگ درختان روشن‌تر از واقعیت دیده می‌شود.

میزان نشت از دوربینی به دوربین دیگر فرق می‌کند و به کیفیت فیلتر، طراحی لنز و اولویت‌های سازنده بستگی دارد. ممکن است دوربین جلو نور را واضح‌تر ثبت کند؛ شاید دوربین عقب بهتر نور را نشان دهد یا در بعضی گوشی‌ها فیلتر هر دو دوربین نور مادون‌قرمز را بگیرند.

پس اگر آزمایش با یکی از دوربین‌های گوشی‌تان جواب نداد، دوربین دیگر را هم امتحان کنید. البته بعضی کنترل‌های جدید هم فرمان را با بلوتوث یا امواج رادیویی می‌فرستند و طبیعتاً نمی‌توان کاربرد ارتباطی‌شان را با دوربین آزمایش کرد.

حالا به آخرین سؤال می‌رسیم، چرا وقتی دکمه کنترل را نگه می‌داریم، نور را چشمک‌زنان می‌بینیم نه ثابت؟ چون کنترل، فرمان را با روشن نگه‌داشتن پیوسته‌ی ال‌ای‌دی نمی‌فرستد. نور مادون‌قرمز در قالب پالس‌هایی بسیار سریع ارسال می‌شود که دو مقیاس زمانی متفاوت دارند.

مقیاس اول، موج حاملال‌ای‌دی کنترل معمولاً با فرکانسی نزدیک به ۳۸ کیلوهرتز روشن و خاموش می‌شود؛ یعنی حدود ۳۸ هزار بار در هر ثانیه. گیرنده‌ی تلویزیون فقط به نوری واکنش نشان می‌دهد که با همین ریتم نوسان کند.

نور ثابت خورشید یا لامپ اتاق، حتی اگر مادون‌قرمز داشته باشد، این ریتم را ندارد و نادیده گرفته می‌شود. همین ترفند اجازه می‌دهد کنترل در اتاقی پر از نور هم کار کند.

مقیاس دوم، خود پیامکنترل برای فرستادن صفر و یک‌ها، این چشمک‌های فوق‌سریع را در بازه‌هایی مشخص قطع و وصل می‌کند.

مثلاً در پروتکل رایج NEC، پیام با ۹ میلی‌ثانیه چشمک‌زدن بسیار سریع شروع می‌شود؛ بعد ال‌ای‌دی برای ۴٫۵ میلی‌ثانیه خاموش می‌ماند و سپس ۳۲ بیت اطلاعات یکی پس از دیگری فرستاده می‌شوند. مدت خاموش‌ماندن میان هر دو بخش مشخص می‌کند بیت بعدی صفر است یا یک.

دوربین گوشی معمولاً با سرعت ۳۰ فریم در ثانیه کار می‌کند، یعنی برای هر فریم حدود ۳۳ میلی‌ثانیه زمان دارد. این سرعت برای دیدن نوسان ۳۸ کیلوهرتزی کفایت نمی‌کند، پس دوربین آن را میانگین می‌گیرد و نوری یکنواخت می‌بیند. اما فاصله‌های چند میلی‌ثانیه‌ایِ بین پیام‌ها و آن سکوت‌های ۱۰۸ میلی‌ثانیه‌ای، دقیقاً در محدوده سرعت دوربین قرار می‌گیرند.

در نتیجه بعضی فریم‌ها سهم بیشتری از نور می‌گیرند و بعضی کمتر و ما این را به شکل چشمک‌زدن نامنظم می‌بینیم. گاهی هم به‌خاطر شاتر غلتان سنسورهای CMOS که تصویر را ردیف‌به‌ردیف ثبت می‌کند، نوارهای افقی روشن و تاریک روی نقطه‌ی نور ظاهر می‌شود.

بنابراین چشمک‌های نور تصادفی رخ نمی‌دهند. شما در واقع سایه‌ای کم‌وضوح از خود پیام کنترل را روی صفحه تماشا می‌کنید.

در زندگی روزمره اگر تلویزیون به کنترل جواب نداد، می‌توانید دوربین گوشی را جلوی آن بگیرید. اگر از قبل مطمئن هستید که دوربینتان نور را نشان می‌دهد و حالا نوری نمی‌بینید، ایراد را در کنترل یا باتری‌اش جست‌وجو کنید. اگر نور را می‌بینید، احتمالاً مشکل به تلویزیون برمی‌گردد.

سیستم‌های تشخیص چهره در گوشی‌ها هم الگویی از نقطه‌های مادون‌قرمز را روی صورت می‌تابانند که چشم ما نمی‌بیند، ولی گاهی می‌توان با دوربینی دیگر ثبتشان کرد.

بیایید آزمایش اولیه را با هم مرور کنیم. یک نیمه‌هادی مثلاً از جنس گالیم آرسنید؛ فوتون‌هایی در محدوده مادون‌قرمز تولید کرد. رنگدانه‌های چشم ما توانایی جذب این فوتون‌ها را نداشتند، اما سیلیکون به‌کاررفته در سنسور دوربین با گاف انرژی ۱٫۱۲ الکترون‌ولتی خود، انرژی‌شان را جذب و به بار الکتریکی تبدیل کرد.

در این میان، فیلترهای بایر که فقط برای هدایت نور مرئی طراحی شده بودند نتوانستند کاملاً سد راه فوتون‌ها شوند و حتی فیلتر حذف مادون‌قرمز (IR-cut) نیز بخشی از این فوتون‌ها را از دست داد و به داخل فرستاد. در نهایت، پروتکل ارتباطی مشخص کرد ال‌ای‌دی مادون‌قرمز با چه الگویی روشن و خاموش شود؛ همان ریتمی که دوربین بخشی از آن را روی صفحه آشکار می‌کند.

نور مادون‌قرمز همیشه اطراف ما بود و چشممان راهی برای دیدنش پیدا نمی‌کرد. شاید مهم‌ترین نکته‌ی آزمایش کنترل تلویزیون، همین باشد که گاهی باید گیرنده را عوض کنیم تا بخش دیگری از جهان وارد تصویرمان شود.