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Verfahren und Einrichtung zur trägheitsfreien Lichtsteuerung.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren nebst Einrichtungen zur trägheitsfreien Lichtsteuerung durch elektrische Spannungsschwankungen für optische Darstellung oder photographische Aufzeichnung periodischer Vorgänge bis zu den höchsten Frequenzen, z. B. in der Bildtelegraphie, beim Fernseher, für Schall-und Sprechfilme, Lichttelegraphie un-telephone über kleinere oder grössere Abstände und dergleichen Zwecke mehr. Während die bisher für solche Anwendungen in der Technik benutzten Lichtsteuermethoden in bezug auf ihre Ausnutzbarkeit oder Wirksamkeit teils durch die Trägheit, d. h.
Verzerrung, bei höheren Frequenzen, teils durch die geringe Lichtintensität, teils durch andere Mängel, wie geringen Gesamteffekt der Steuerung, grossen Energieverbrauch hiefür, Unmöglichkeit scharfer Abbildung der Lichtquelle (bei Glimmlicht), beschränkt waren, gibt die Erfindung das Mittel zur quantitativen, bildgetreuen Aussteuerung praktisch fast beliebiger Lichtmengen mit zu vernachlässigenden Energiebeträgen bis zu Frequenzen von über 10 Millionen hinauf. Sie gestattet nötigenfalls auch eine scharfe Abbildung der Lichtquelle auf die Aufnahmefläche.
Die Lichtsteuerung erfolgt gemäss der Erfindung mit Hilfe der Kerrschen Zelle, d. h. unter Ausnutzung des bekannten Phänomens der elektrischen Doppelbrechung, wie man die Zerlegung polarisierten Lichtes in zwei Komponenten verschiedener Fortpflanzungsgeschwindigkeit in starken elektrischen Feldern zu nennen pflegt. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangs-oder Steuerstrome mit Hilfe von Elektronenröhren in ihrer Spannung verstärkt und die verstärkten Ströme den Elektroden einer elektrostatisch und trägheitslos auf die Heiligkeit des hindurchtretenden polarisierten Lichtes einwirkenden Kerrzelle zugeführt werden.
Die für den Durchtritt des zu steuernden Lichtes bestimmte Kerrzelle, welche eine als Kondensator wirkende Elektrodenanordnung enthält, ist mit elektrisch doppelbrechenden Medien, zumeist Flüssigkeiten, Emulsionen, Kolloiden von solcher Reinheit und so geringen Isolations-und sonstigen dielektrischen Verlusten versehen, dass die Steuerung bis zu den grössten praktisch in Betracht kommenden Lichtstärken wattlos oder nahezu wattlos erfolgt. Infolge der hohen Isolierfestigkeit des benutzten Mediums können die Platten der Zelle, zwischen denen das Licht zweckmässig als paralleles Strahlenbündel hindurchtritt, einander sehr nahe gebracht und dadurch die erforderlichen hohen Feldstärken schon durch Spannungen einer Grössenordnung gewonnen werden, wie sie die heute vorhandenen Verstärkerapparaturen ohne nennenswerte Verluste anzuwenden gestatten.
Die Benutzung einer Kerrzelle zur Steuerung des Lichtes für Zwecke des Fernsehens ist wohl bereits vorgeschlagen worden, ohne dass jedoch dieser Vorschlag zu einem praktischen Ergebnis geführt hätte. Es wurden offenbar eben die technischen Bedingungen nicht erkannt, unter denen das Zusammenwirken der Kerrzelle mit den zur Verfügung stehenden Betriebsspannungen zu einem praktisch brauchbaren Ergebnis führt.
Vor dem Eintritt in die Kerrzelle wird das Licht durch eine geeignete Vorrichtung, z. B. ein Nicolsehes Prisma polarisiert, nach dem Durchgang passiert es den Analysator. Das an die Platten der Zelle gelegte elektrische Feld bestimmt dann durch seine Stärke und Aus- dehnung den Phasenunterschied der Strahlenkomponenten und steuert dadurch die nach der Interferenz derselben resultierende Lichtstärke quantitativ zwischen Null und Maximum.
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. Dagemäss-der Erfindung in der Kerrzelle Medien verwendet werden, welche infolge ihrer , geringen dielektnschen'Verluste die Spannungsquelle praktisch nicht belasten, kann die Spannung für die Elektroden der Zelle unschwer durch Transformation der von dem Mikrophon oder sonstigen Aufnahmeorgan hervorgebrachten, gegebenenfalls genügend vorverstärkten Spannungs- schwankungen erhalten werden. Bei gewissen Flüssigkeiten, z. B. Nitrobenzol oder Abkömm- lingen, kommt man unter den nachstehend bezeichneten Bedingungen in Zellen mit kleinem
Plattenabstande mit etwa 1000 Volt oder weniger Spannungsunterschied aus.
Solche Grössen- ordnungen werden durch die heute vorhandenen Verstärkermittel in Verbindung mit Transformation bzw. in reiner Spannungsverstärkungsschaltung leicht beherrscht, selbst bei sehr geringen Anfangsamplituden, und die dafür verwendeten Mittel können genügend verlustfrei gehalten werden ; auch wirken die in Frage kommenden Übersetzungsverhältnisse der TransformatorenWindungen in elektrischer Hinsicht noch nicht nachteilig. Hierin liegt ein wesentlicher, durch die Erfindung bedingter Fortschritt, da man vor dieser zur Hervorrufung des Kerr-Effektes
Spannungen von einer Grössenordnung für erforderlich hielt, mit denen man in der Technik nicht arbeiten kann.
Weiter gehört folgendes zum Wesen der Erfindung :
Es hat sich gezeigt, dass man bei den benutzten. Medien, z. B. bei Nitrobenzol, durch
Anlegen einer Gleichspannung an die Zelle für kürzere oder längere Dauer die Isolierfestigkeit erhöhen und so die Zelle verbessern kann. Wahrscheinlich ist dies einer elektrochemischen
Wirkung zuzuschreiben, die leitende Bestandteile, etwa Feuchtigkeit oder Säurespuren, an den
Elektroden ausscheidet. Selbstverständlich wird'man. besonders reine Substanzen anwenden und zu diesem Zweck das Ausgangsmaterial entsprechend chemisch vorbehandeln (Destillation, Trocknung usw. ).
Vorteilhaft arbeitet man*mrt"einer dauernd an die Zelle gelegten Gleichstromvorspannung,-wodurch, abgesehen'von'den im folgenden'behandelten elektrischen und optischen
Wirkungen, eine ausreichende Konstanz der Zelle.'in bezug auf die elektrische Beschaffenheit des Mediums gewährleistet ist,
Durch Anwendung geeigneter Gefässmaterialien und Zellenfüllungen ist es gemäss der Erfindung auch möglich, nicht sichtbares, z. B ultraviolettes Licht quantitativ zu steuern. Bei jeder Art von Licht muss natürlich die Gesamtabsorption auf dem Wege durch die Zelle gering, d. h. die Füllung gut lichtdurchlässig sein, da ebenso wie durch die dielektrischen Verluste des Kondensators'auch'durch die Absorption eine Temperaturerhöhung eintritt, welche die
Grösse des Kerreffektes ändert und den geregelten Strahlengang infolge Schlierenbildung stören kann.
Die-weiteren Vorteile der vorstehend erwähnten Gleichstromvorspannung bestehen in der
Vermeidung der Frequenzverdoppelung und in der Erhöhung der Steuerschärfe. Arbeitet man um den Nullwert der Spannung am Kerrkondensator herum, so erhält man offenbar ein Maximum und ein Minimum der Helligkeit zweimal während einer Periode des. Steuerwechsel- stromes. Legt man dagegen eine genügende Gleichstromspannung an die Platten und überlagert ihr die Steuerwechselspannung, so behält das Feld seine Richtung bei und es stimmen Steuer- frequenz und Frequenz der Lichtschwankungen überein. Man erreicht auf diese Weise ausserdem, dass sehr kleine Steuerwechselspannungen wirksam werden, wobei zu bedenken ist, dass der
Effekt dem Quadrat der Feldstärke proportional ist.
Dabei lässt sich die Steuerwirkung folgender- massen noch beträchtlich steigern. Man arbeitet unter passend gewählten Verhältnissen mit einer
Vorspannung an der Zelle, die nahe an dem Grenzwert für die Auslöschung der kurzwelligen
Strahlenbestandteile des hindurchgesandten Lichtes liegt. Die Auslöschung beginnt naturgemäss am kurzwelligen Ende des Spektrums. Die überlagerte Steueramplitude wird dann nur so gross gemacht, dass dabei die Auslöschung der aktinisch stärksten Wellenlängen (etwa violett und blau) eben eintritt. Wirken die Strahlen nach dem Austritt aus der Zelle und dem Analysator auf eine Photozelle oder irgendeine andere, auf Lichtwellen selektiv reagierende Vorrichtung, z.
B. die photographische Platte oder den Film,. so ergibt sich eine ausserordentlich starke Änderung im Ansprechen dieser lichtempfindlichen Organe infolge der bewirkten Verarmung des Spektrums an aktinischen Bestandteilen. Man kann diese"chromatische"Steuerung auch anderen technischen Zwecken nutzbar machen.
Auf der beigefügten Zeichnung sind. in den Figuren 1- 5 einige Ausführungsbeiapiele der
Erfindung dargestellt. In diesen Figuren bedeuten übereinstimmend 1. die Kerrzelle mit den
Kondensatorplatten 2 (vgL auch Fig. 1 a), zwischen denen sich das elektrisch doppeltbrechende Medium 3, z. B. Nitrobenzol, befindet, Das von der Lichtquelle ausgehende Lichtbündel wird hiebei in bekannter Weise durch Linsen a und Polarisationsvorrichtupgen b swischen die
Kondensatorplatten hindurchgeleitet und auf die Bildfläche oder'das photographische Papier geworfen. An Stelle zweier Kondensatorplatten kann die Kerrzelle auch ein System von mehreren Kondensatorplatten besitzen, die in bekannter Weise nach Art der mehrplattigen Kondensatoren angeordnet sind.
Statt die Kondensatorplatten. parallel gegenüberzustellen,, können dieselben
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auch in einem Winkel zueinander angeordnet sein, so dass das elektrische Feld zwischen denselben inhomogen wird. Derartige Anordnungen kommen beispielsweise zur Durchführung der beschriebenen chromatischen Steuerung in Frage, deren Verlauf ja bei gegebener Spannung am Kondensator von der örtlichen Feldstärke, mithin von den geometrischen Verhältnissen (Elektrodenabstand) bestimmt wird. 5 stellt eine Elektronenröhre mit der Anodensfromquelle G, der Anode 7, Glühkathode 8 und Gitterelektrode 9 dar.
In den auf der Zeichnung dargestellten Schaltungen ist der Einfachheit halber angenommen, dass die Steuerung des Lichtes durch die Kerrzelle von Mikrophonströmen direkt bzw. indirekt bewirkt wird.
In Figur 1 bezeichnet 12 das von einer Stromquelle 11 gespeiste Mikrophon, dessen Stromschwankungen vermittels des Transformators 10 auf den Gitterkreis der Verstärkerröhre 5 übertragen werden. Die mittels der Röhre verstärkten Schwankungen des Anodenstromes werden durch den Transformator 4 in ausreichende Spannungsschwankungen übersetzt, die dann den Kondensatorplatten der Kerrzelle zugeführt werden und hier eine Steuerung des Lichtbündels nach Massgabe der Schwankungen des Mikrophonstromes bewirken.
Fig. 2 zeigt eine Spannungsverstärkungsschaltung unter Benutzung der Röhre 5 als variabler Widerstand. Sie unterscheidet sich von der Anordnung nach Fig. 1 dadurch, dass die Kerrzelle an den Enden eines in den Anodenkreis der Röhre 5 eingeschalteten Widerstandes 13 liegt, der zugleich die Vorspannung für die Zelle liefert. Die den Mikrophonströmen entsprechenden verstärkten Schwankungen des Anodenstromes steuern durch die Änderungen des Spannungsabfalles die Kerrzelle. Eine besonders wirksame Spannungssehaltung gibt Fig. 3 an.
Die Zelle liegt im Nebenschluss zu einer der beiden in Reihe geschalteten Röhren 5 und 5'.
Der Mikrophonstromkreis wirkt durch die beiden Transformatoren 10 und 10'auf die beiden Gitter im entgegengesetzten Sinne, d. h. wenn der Widerstand der einen Röhre zunimmt, sinkt er in der andern. So wandert aus bekannten Gründen bei kleinen Stromschwankungen des Mikrophonkreises fast der volle Spannungsbetrag der Gleichstromquelle 6 zwischen den Röhren hin und her, d. h. die Spannungsamplituden an der Kerrzelle werden sehr gross, u. ZW. um so grösser, je höher ihr Isoliervermögen und die Spannung von 6 ist.
Die bisher beschriebenen Verstärkungsschaltungen arbeiten rein niederfrequent, d. h. die Lichtänderungen erfolgen mittels der Kerrzelle nur in der Frequenz des Mikrophonstromkreises.
Für gewisse Zwecke, z. B. für die nach der Erfindung leicht auch auf grössere Entfernungen durchführbare Lichttelephonie, für Bildtelegraphie u. a., ist es jedoch im Interesse der Geheimhaltung und zwecks Erreichung einer hohen Selektivität der Empfangsschaltung vorteilhaft, die Kerrzelle mittels niederfrequent modulierter Hochfrequenz zu steuern.
Dadurch wird auf der Empfängerseite die mit den bekannten Vorzügen verbundene Hochfrequenzverstärkung möglich gemacht, indem beispielsweise im Falle der Lichttelephonie die ankommenden Lichtimpulse, in welche senderseitig die Kerrzelle den Mikrophonstrom umgeformt hat, auf eine Photozelle wirken, die an einen Hochfrequenzverstärker angeschlossen ist, von dem aus die verstärkten Hochfrequenzströme zwecks Hörbarmachung der Niederfrequenz dem Detektor oder Audion zugeführt werden.
Für eine derartige Lichttelephonie, bei der das Licht mittels niederfrequent modulierter Hochfrequenz gesteuert werden soll, erzeugt man die Hochfrequenzwellen mit Hilfe eines Generators, vorteilhaft mittels eines eigen-oder fremderregten Röhrensenders, wobei der Kondensatorkreis der Kerrzelle mit dem Arbeitskreis des Generators gekoppelt ist oder wobei die Kerrzelle einen Teil bzw. die gesamte Kapazität des Schwingungskreises bildet. Die hochfrequente Schwingung wird durch die Niederfrequenz in einer der zahlreichen bekannten Schaltungen moduliert, so dass die Kerrzelle unter dem Einfluss einer modulierten Hochfrequenz steht.
Für eine solche Anordnung ist in Fig. 4 als Ausführungsbeispiel ein Röhrensender in Rückkopplungsschaltung dargestellt. 15 bedeutet den abstimmbaren Schwingungskreis, mit dem die Kerrzelle durch die Spule 14 genügend lose gekoppelt ist. Die Besprechung des Gitters 9 der Schwingröhre 5 erfolgt über den Transformator 10, dessen Sekundärwicklung für den Durchlass der Hochfrequenz durch den Kondensator 16 überbrückt ist. 17 ist der übliche Blockkondensator, 18 und 181 sind die Hochfrequenz-Sperrdrosseln im Kreise der Anodenstromquelle. Bei dieser Anordnung ist, wie ohne weiteres ersichtlich, die Kerrzelle durch eine niederfrequent modulierte Hochfrequenz gesteuert.
Es ist ohne weiteres klar, dass die dargestellten und beschriebenen Schaltungen nicht nur zur Übertragung von Mikrophonströmen, sondern auch zur Aufzeichnung von irgendwelchen andern Stromschwankungen benutzt werden können, wie sie beispielsweise bei der Bildtelegraphie durch die Helligkeitsunterschiede eines Bildes mittels der Photozelle erzeugt werden oder wie sie zur Übertragung von Schriften oder Signalen od. dgl. in bekannter Weise Verwendung finden.
In Fig. 5 ist beispielsweise eine Schaltung zur Bildübertragung dargestellt. A bezeichnet
EMI3.1
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hiebei durch die Helligkeitsunterschiede des zu übertragenden Bildes in bekannter Weise moduliert. B bezeichnet den Empfänger, der mit der üblichen Empfangseinrichtung, bestehend aus dem Hochfrequenzverstärker C, dem Gleichrichter D und dem Niederfrequenzverstärker E zusammen wirkt. An den Niederfrequenzverstärker ist nun erfindungsgemäss die Kerrzelle 1 angeschlossen, durch welche der Lichtstrahl in einer dem Verlauf der modulierten Sendeschwingungen entsprechenden Weise gesteuert wird.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren bzw. Einrichtung zur trägheitsfreien Steuerung der Helligkeit eines räumlich feststehenden Lichtstrahles mit Hilfe des Kerreffektes, insbesondere für die Zwecke der elektrischen Fernbildübertragung und des Fernsehens bzw. zur Aufzeichnung von Schallvorgängen u.
dgl., dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangs- oder Steuerströme mit Hilfe von Elektronenröhren in ihrer Spannung verstärkt und die verstärkten Ströme den Elektroden einer elektrostatisch und trägheitslos auf die Helligkeit des hindurchtretenden polarisierten Lichtes einwirkenden Kerrzelle zugeführt werden, deren lichtdurchlässiges Dielektrikum aus einem hochisolierenden Medium besteht, das von solcher Reinheit ist und in so dünner Schicht zwischen den Elektroden angeordnet ist, dass die durch die Elektronenröhren erreichbare Verstärkung genügt, um die zur Aufzeichnung notwendige Aussteuerung des Helligkeitsbereiches zu erzielen.