چرا موبایلت با لامپ‌های خانه «جنگ» دارد؟ رمزگشایی از فلیکر LED

لامپ‌های دیود ساطع‌کننده نور (LED) بر خلاف لامپ‌های رشته‌ای قدیمی که بر اساس داغ شدن فیلامان و تولید نور مداوم کار می‌کردند، قطعات نیمه‌هادی هستند که به تغییرات جریان پاسخ آنی می‌دهند. برای کنترل نوردهی، کاهش مصرف انرژی و کنترل حرارت، این لامپ‌ها با سرعت بسیار بالا خاموش و روشن می‌شوند. این پدیده قطع و وصل متوالی و سریع نور را « فلیکر » (Flicker) یا چشمک زدن می‌نامند. از آنجا که فرکانس این نوسان معمولاً فراتر از ۵۰ یا ۶۰ هرتز (و اغلب در محدوده کیلوهرتز با تکنیک‌های مدرن) است، سیستم بینایی انسان به دلیل «پایداری تصویر در چشم» (Persistence of Vision) متوجه آن نشده و نور را کاملاً یکنواخت می‌بیند.

مکانیسم سوئیچینگ: مدولاسیون پهنای باند پالس (PWM)

در هسته درایور اکثر لامپ‌های LED، از تکنیکی به نام مدولاسیون پهنای باند پالس (Pulse Width Modulation یا به اختصار PWM) استفاده می‌شود. در روش PWM، برای کاهش نور لامپ، ولتاژ اعمال‌شده کاهش نمی‌یابد؛ بلکه بازه زمانی روشن بودن لامپ در یک چرخه مشخص (Duty Cycle) کوتاه می‌شود. به زبان ساده، لامپ در هر ثانیه صدها یا هزاران بار به طور کامل خاموش و روشن می‌شود. هرچه مدت زمان خاموش بودن در یک سیکل بیشتر باشد، میانگین نور خروجی از دید انسان کمتر به نظر می‌رسد. این قطع و وصل‌های مکرر همان عاملی است که دوربین گوشی را به اشتباه می‌اندازد.

اگر دوست داری، سری «دانستنی برقاب» رو در بله دنبال کن.

مکانیسم سنسور دوربین: اثر شاتر غلتان (Rolling Shutter Effect)

چرا دوربین خطوط تاریک را ثبت می‌کند؟ بیشتر سنسورهای تصویر دوربین‌های موبایل از نوع CMOS هستند و از مکانیسم «شاتر غلتان» استفاده می‌کنند. در این سنسورها، کل پیکسل‌های تصویر در یک لحظه واحد نوردهی نمی‌شوند؛ بلکه سنسور تصویر را سطر به سطر (از بالا به پایین) اسکن و ثبت می‌کند.

وقتی سنسور در حال اسکن کردن سطرهاست و همزمان لامپ LED با تکنیک PWM در حال خاموش و روشن شدن است، اتفاق زیر رخ می‌دهد:

۱. در سطرهایی از سنسور که اسکن آن‌ها همزمان با فاز «روشن» بودن LED است، نور ثبت می‌شود (باندهای روشن).

۲. در سطرهایی از سنسور که اسکن آن‌ها همزمان با فاز «خاموش» بودن LED است، تاریکی ثبت می‌شود (باندهای تاریک).

حاصل تداخل سرعت اسکن سطرها (Readout Speed) و فرکانس خاموش-روشن شدن LED، به صورت خطوط افقی تیره و روشن متحرک روی نمایشگر گوشی پدیدار می‌شود که به آن فلیکر تصویر می‌گویند.

راهکارهای مهندسی و نرم‌افزاری برای حل مشکل فلیکر LED

برای رفع این اختلال تصویری، دو رویکرد وجود دارد؛ یکی در طراحی درایورهای صنعتی و دیگری در تنظیمات دوربین:

• استفاده از درایورهای بدون فلیکر (Flicker-Free): در صنایع روشنایی پیشرفته، از درایورهای جریان ثابت (Constant Current Reduction) به جای PWM استفاده می‌شود که در آن‌ها جریان الکتریکی به صورت پیوسته و بدون قطع و وصل کاهش می‌یابد تا فلیکری رخ ندهد.
• تنظیم نرخ فریم و شاتر در دوربین: در نرم‌افزارهای حرفه‌ای دوربین عکاسی (Pro Mode)، با تنظیم سرعت شاتر (Shutter Speed) به مضاربی از فرکانس برق شهری (مثلاً $1/50$ یا $1/100$ ثانیه در فرکانس برق ۵۰ هرتز ایران) می‌توان اثر این تداخل فرکانسی را خنثی کرد. همچنین فعال کردن قابلیت Anti-Banding در تنظیمات دوربین گوشی، فرکانس تصویربرداری را با فرکانس نوری محیط کالیبره می‌کند.

جمع‌بندی

تداخل و جنگ میان لامپ خانه و دوربین موبایل، یک نقص فنی در گوشی یا لامپ نیست، بلکه پیامد مستقیم نحوه کارکرد دو تکنولوژی پیشرفته الکترونیکی است: مدولاسیون ولتاژ دیجیتال در منابع نوری و اسکن سطر به سطر در حسگرهای CMOS. درک فیزیک نوری و ساختار درایورها به عکاسان و تصویربرداران کمک می‌کند تا با تنظیم سرعت شاتر، این نویزهای فرکانسی را مهار کرده و تصاویری یکدست ثبت کنند.

بیشتر بخوانیم : چرا شارژر موبایل داغ می‌شود؟ تحلیل علمی تبدیل انرژی