چرا دوربین گوشی نور نامرئی کنترل تلویزیون را میبیند؟
چگونه حسگرهای سیلیکونی دوربین میتوانند نوری را ثبت کنند که شبکیه چشم انسان توانایی دیدن طولموجش را ندارد؟
چگونه حسگرهای سیلیکونی دوربین میتوانند نوری را ثبت کنند که شبکیه چشم انسان توانایی دیدن طولموجش را ندارد؟
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.
کنترل تلویزیون پیامهایش را با رگباری از فوتونهای نادیدنی میفرستد
الایدی با مصرف مناسب باتری نور کافی تولید میکند و گیرندهی سیلیکونی تلویزیون هم به همین محدوده حساسیت دارد. تابش چنین نوری موقع عوضکردن کانال چشم بیننده را هم نمیزند.
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.
نور کنترل از قرنیه میگذرد، اما چشم گیرندهای برای دریافت این موج ندارد
در واقع بخش زیادی از نور کنترل از قرنیه و عدسی چشم رد میشود و به شبکیه میرسد، ولی آنجا گیرندهای برایش نیست و به فرایند دیدن منجر نمیشود. درست مثل رادیویی که روی ایستگاه دیگری تنظیم شده؛ موج در اتاق حضور دارد، ولی رادیو صدایی پخش نمیکند. برای مغز ما، نوری که هیچ سلولی آن را ثبت نمیکند، اصلاً وجود ندارد.
(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.
سنسور سیلیکونی دوربین بر خلاف چشم، مرزهای نور مرئی را به رسمیت نمیشناسد
فوتون کنترل تلویزیون با ۱٫۳ الکترونولت انرژی بهراحتی از این آستانه عبور میکند. سیلیکون در ۹۴۰ نانومتر کارایی نور سبز را ندارد، چون فوتونها عمیقتر در تراشه نفوذ میکنند و بخشی از آنها از دست میروند. ولی هنوز آنقدر الکترون آزاد میکنند که سیگنالی واضح بسازند.
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.
پردازندهی تصویر از این اتفاق خبر ندارد و فقط میبیند هر سه کانال سیگنال گرفتهاند و طبق منطق خودش آن را نوری سفید یا نزدیک به سفید تفسیر میکند. اینکه در بیشتر گوشیها نتیجه به سمت بنفش یا صورتی متمایل میشود، به جزئیات هر سنسور برمیگردد.
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.