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Verfahren zur trägheitsfreien Steuerung der Helligkeit eines Lichtstrahlenbündels
mit Hilfe des Keaeffektes, insbesondere für Fernbildübertragung Den Gegenstand der
vorliegenden Erfindung bildet ein Verfahren und eine Einrichtung zur trägheitsfreien
Steuerung der Helligkeit eines Lichtstrahlenbündels mit Hilfe des Kerreffektes,
insbesondere für die Zwecke der elektrischen Fernbildübertragung und des Fernsehens;
d. h. es soll bei dem Verfahren das bekannte Phänomen der elektrischen Doppelbrechung,
wie man die Zerlegung polarisierten Lichtes in zwei Komponenten verschiedener Fortpflanzungsgeschwindigkeit
in starken elektrischen Feldern zu nennen pflegt, ausgenutzt werden. Es ist zwar
im Handbuch der Phototelegraphie von K o r n - G 1 a t z e 1, S. 444 ff., die Verwendung
der Kerrzelle zur Steuerung von Helligkeitswerten für bildtelegraphische Zwecke
bereits erwähnt, es wird aber dort die praktische Anwendbarkeit der Kerrzelle bestritten
mit dem Hinweis darauf, daß die für diese Zelle benötigten hohen Spannungen sich
nicht über Fernleitungen übertragen lassen bzw. daß, wenn man erst am Empfänger
jene hohen Spannungen erzeugen wollte, die Transformation der schwachen Empfangsströme
auf so beträchtliche Spannungswerte unmöglich sein würde. Der Vorschlag, den die
erwähnte Literatur bespricht, wurde von S u t t o n im Jahre 18 9o gemacht,
ohne daß es bis jetzt gelungen wäre, darauf eine praktisch brauchbare Bildtelegraphie
zu begründen. .
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Die vorliegende Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, die Kerrzelle
dadurch zu einem hervorragenden Lichtsteuerorgan für Bildtelegraphie und verwandte
Zwecke zu machen, indem man sie in Verbindung mit einem wattlos steuerbaren und
trägheitslosen Verstärker (Elektronenröhre) benutzt und durch Verwendung geeigneter
Medien im Kerrkondensator dafür sorgt, daß die dielektrischen Verluste, d. h. die
Wattleistung, die der Verstärker in der Kerrzelle aufzubringen hat, praktisch verschwindend
klein werden.
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Demgemäß besteht das Wesen der vorliegenden Erfindung darin, daß die
Empfangsströme oder Steuerströme durch möglichst wattlos und trägheitslos zu steuernde
Verstärker auf genügend hohe Spannungswerte gebracht und diese den Elektroden einer
elektrostatisch und trägheitslos auf ,die Helligkeit des hindurchtretenden polarisierten
Lichtes einwirkenden Kondensatoranordnung zur Hervorrufung des Kerreffektes zugeführt
werden, deren lichtdurchlässiges Dielektrikum hochisolierend und möglichst frei
von dielektrischen.Verlusten ist.
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Um die Isolationsfestigkeit des Dielektrikums zu erhöhen, wird dasselbe
zuvor chemisch gereinigt, insbesondere von Feuchtigkeit und nitrosen Bestandteilen
befreit. Die Vorbehandlung des Mediums kann aber auch im Kondensator auf elektrochemischem
Wege durch längeres oder kürzeres, gegebenenfalls im Betrieb dauernd aufrechterhaltenes
Anlegen einer Gleichstromvorspannung an die Kerrzelle erfolgen, welcher Gleichstromvorspannung
.die
Steuerwechselspannung ' überlagert wird. Die überlagerte Wechselspannungsamplitude
und die Gleichstromvorspannung können ferner so geregelt werden, daß zwecks Steigerung
der Empfindlichkeit der Steuerung nur ein kurzwelliger Teilbereich des durch die
Zelle hindurchtretenden spektralen Lichtgemisches ausgelöscht wird, und zwar bei
Benutzung von auf Licht selektiv reagierenden Einrichtungen. Die Kerrzelle kann
außerdem gleichzeitig von mehreren Frequenzen gesteuert werden, die sämtlich zugleich
auf die Lichtintensität einwirken, oder sie kann durch niederfrequent modulierte
Hochfrequenz gesteuert werden. Diese verschiedenen Frequenzen treten z. B. dann
auf, wenn man die Bildzeichen als Modulation einer genügend hohen Trägerfrequenz
auf die Zelle wirken läßt oder wenn man bei lichttelephonischer Übertragung mit
mehreren Trägerfrequenzen arbeitet, welche in besonderen abgestimmten Kreisen wieder
voneinander getrennt werden.
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Der Hochfrequenzverstärker kann außerdem auch bei dem Empfänger zur
Anwendung kommen.
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Der Vorgang der Lichtsteuerung ergibt sich aus Nachstehendem: Vor
dein Eintritt in die Kerrzelle wird das Licht durch eine geeignete Vorrichtung,
z. B. ein Nicolsches Prisma, polarisiert, nach dein Durchgang passiert es den Analysator.
Das an die Platten der Zelle gelegte elektrische Feld bestimmt dann durch seine
Stärke und Ausdehnung den Phasenunterschied der beiden Komponenten der Doppelbrechung
und steuert dadurch die nach der Interferenz derselben resultierende Lichtstärke
quantitativ zwischen Null und Höchstwert. Es gelingt auf diese Weise mit äußerst
kleinen elektrischen Leistungen außerordentlich hohe Lichtmengen auszusteuern, und
Versuche haben ergeben, daß dies bis zu Frequenzen oberhalb io Millionen Hertz ohne
merkliche Trägheit erfolgt.
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Die Kerrzelle .ist daher in der beschriebenen Form und unter den hier
angegebenen Arbeitsbedingungen ganz allgemein für die Aufzeichnung periodischer
Stromvorgänge bzw. -spannengen bis zu den höchsten Wechselzahlen hinauf vorteilhaft
brauchbar.
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Da gemäß der Erfindung mit solchen durchsichtigen flüssigen, kolloidalen
oder emulgierten Mitteln gearbeitet wird, welche infolge ihrer geringen dielektrischen
Verluste die Spannungsquelle praktisch nicht belasten, so kann die Spannung für
die Elektroden der Zelle unschwer durch Transformation der von dem Mikrophon oder
sonstigen Aufnahmeorgan oder Empfangsorgan hervorgebrachten, gegebenenfalls genügend
vorverstärktenSpannungsschwankungen erhalten werden. Bei ge= wissen Flüssigkeiten,
z. B. Nitrobenzol oder Abkömmlingen, kommt man unter den nachstehend bezeichneten
Bedingungen in Zellen mit kleinem Plattenabstande mit etwa oooVolt oder weniger
Spannungsunterschied aus. Solche Größenordnungen 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 gegebenenfalls verwendeten Transformatorenwindungen
in elektrischer Hinsicht noch nicht nachteilig. Hierin liegt ein wesentlicher, durch
die Erfindung bedingter Fortschritt, da man vor dieser zur Hervorrufung des Kerreffektes
Spannungen von einer Größenordnung für erforderlich hielt, mit denen man in der
Technik nicht arbeiten kann.
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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 mit 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. Ist auf die vorbeschriebene
Weise die Isolierfestigkeit der Zelle erhöht und dadurch ebenfalls die Durchschlagspannung
heraufgesetzt, so ist es leicht, mit dem Elektrodenabstand der Zelle auf so kleine
Werte herunterzugehen, daß die notwendigen hohen Feldstärken, welche zur Hervorbringung
des Kerreffektes in dem Medium erforderlich sind, bereits mit mäßigen Spapnungen
erzielt werden.
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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
Kerrzelle
werden groß, und zwar um so größer, je höher ihr Isoliervermögen und die Spannung
von 6 ist.
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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 Bildtelegraphieempfang
u. a. ist es jedoch im Interesse der Geheimhaltung und zwecks Erreichung einer höhen
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 es dann
zwecks Hörbarmachung der Niederfrequenz zum Detektor oder Audion geht. Für eine
derartige Lichttelephonie mittels hochfrequenter Trägerwelle oder andere Zwecke
erzeugt man mit Hilfe eines Hochfrequenzgenerators, vorteilhaft mittels eines :eigen-
oder fremderregten Röhrensenders, die Trägerschwingungen, 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, und moduliert
mit der Niederfrequenz in einer .der zahlreichen bekannten Schaltungen. In Abb.
q. ist 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 g der Schwingröhre
5 erfolgt über den Transformator io, dessen Sekundärwicklung für den Durchlaß der
Hochfrequenz durch den Kondensator 16 überbrückt ist. 17 ist der übliche Blockkondensator,
18 und 181 sind die Hochfrequenzsperrdrosseln im Kreise der Anodenstrornquelle.
Bei dieser Anordnung ist, wie ohne weiteres ersichtlich, die Kerrzelle durch eine
niederfrequent modulierte Hochfrequenz gesteuert.
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PATENTANSPRÜCHE: i. Verfahren zur trägheitsfreien Steuerung der Helligkeit
eines Lichtstrahlenbündels mit Hilfe des Kerreffektes, insbesondere für die Zwecke
der elektrischen Fernbildübertragung und des Fernsehens, dadurch gekennzeichnet,
daß die Empfangsströme oder Steuerströme durch möglichst wattlos und trägheitslos
zu steuernde Verstärker (Elektronenröhren) auf genügend hohe Spannungswerte gebracht
und diese den Elektroden einer elektrostatisch und trägheitslos auf die Helligkeit
des hindurchtretenden polarisierten Lichtes einwirkenden Kondensatoranordnung zur
Hervorrufung desKerreffektes zugeführt werden, deren lichtdurchlässiges Dielektrikum
hochisolierend und möglichst frei von dielektrischenVerlusten ist, wie z. B. reines
Nitrobenzol.
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2. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Kerrzelle
mit einer Gleichstromvorspannung arbeitet, der die Steuerwechselspannung überlagert
wird.
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3. Verfahren nach Ansprüchen i und 2, dadurch gekennzeichnet, daß
das in der Kerrzelle verwendete Medium zuvor chemisch gereinigt, insbesondere vori
Feuchtigkeit und nitrosen Bestandteilen befreit wird, um seine Isolationsfestigkeit
zu erhöhen.
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_q.. Verfahren nach Ansprüchen 2 und 3, dadurch.gekennzeichnet, daß
die Vorbehandlung des Mediums im Kondensator auf elektrochemischem Wege durch längeres
oder kürzeres, zweckmäßig im Betrieb dauernd aufrechterhaltenes Anlegen von Gleichstromvorspannung
an die Kerrzelle erfolgt.
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5. Verfahren nach Ansprüchen i bis q., dadurch gekennzeichnet, daß
die Kerrzelle gleichzeitig von mehreren Frequenzen gesteuert wird, die sämtlich
zugleich auf die Lichtintensität einwirken.
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6. Verfahren nach Ansprüchen i bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß
die Kerrzelle durch niederfrequent modulierte Hochfrequenz gesteuert wird.
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7. Verfahren nach Ansprüchen i bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß
.der Kondensator der Kerrzelle zusammen- mit einer Spule einen Schwingungskreis
bildet, der mit dem Arbeitskreis eines Hochfrequenzgenerators gekoppelt ist.
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B. Verfahren nach Ansprüchen i und 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die überlagerte Wechselspannungsamplitude und die Gleichstromvorspannung so geregelt
werden, daß zwecks Steigerung der Empfindlichkeit der Steuerung nur ein kurzwelliger
Teilbereich des durch die Zelle hindurchtretenden spektralen Lichtgemisches ausgelöscht
wird bei Benutzung von auf Licht selektiv reagierenden Einrichtungen.
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g. Verfahren nach Ansprüchen i und 6;
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.
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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 Steuerwechselstromes. Legt man dagegen eine genügende Gleichstromspannung an
die Platten und überlagert ihr die Steuerwechselspannung, so behält das Feld seine
Richtung bei, und es stimmen Steuerfrequenz 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 folgendermaßen 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 i Spektrums an aktinischen Bestandteilen.
Man kann diese chromatische Steuerung auch anderen technischen Zwecken nutzbar machen.
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Die Verstärkung der Steuerwechselströme für die Ausführung der Erfindung
erfolgt in irgendeiner der zahlreichen bekannten Schaltungen. Die Abb. i bis q.
geben einige Beispiele. Darin bedeuten übereinstimmend: i Kerrzelle mit den Kondensatorplatten
2 und 3, zwischen denen das zu steuerndeLicht= bündel zweckmäßig parallel und homogen
hin durchgeht. Die Optik ist der Einfachheit halber fortgelassen. An Stelle zweier
Platten kann auch ein System von mehreren Platten verwendet werden, das nach Art
der mehrplattigen Kondensatoren angeordnet .ist. Das angewendete elektrische Feld
kann homogen oder inhomogen sein; letzteres wird durch Abweichung von der planparallelen
Stellung der Elektroden 2 und 3 erreicht, -indem man z. B. die im Lichtein-
und -austritt liegenden Enden ,der Elektroden auseinänderbiegt oder abschrägt, d.
h. die sogenannte Apertur der Zelle vergrößert, um auch bei konvergenten Lichtbündeln
das Licht möglichst voll ausnutzen zu können. Derartige Anordnungen kommen z. B.
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 Anodenstromquelle 6, der Anode 7, Glühkathode 8 und Gitterelektrode
9 dar. Die Heizstromquelle für die Glühkathode ist nicht mitgezeichnet. Es wird
angenommen, daß die Schwankungen eines Mikrophonstromkreises verstärkt die Kerrzelle
steuern sollen. Dies geschieht durch Beeinflussung des Gitters 9 von einem Transformator
io aus, in dessen Primärkreis die Stromquelle i i und das Mikrophon 12 liegen. Abb.
i gibt nun die normale, grundsätzlich für Nieder- und Hochfrequenz brauchbare Verstärkerschaltung
an, in welcher die verstärkten Schwankungen des Anodenstromes durch einen Transformator
q. in ausreichende Spannungsschwankungen an den Elektroden der Kerrzelle i übersetzt
werden. Abb.2 zeigt eine Spannungsverstärkungsschaltung unter Benutzung der Röhre
5 als variabler Widerstand. Sie unterscheidet sich von der Anordnung nach Abb. i
dadurch, daß die Kerrzelle an den Enden eines in den Anodenkreis der Röhre 5 eingeschalteten
Widerstandes 13 liegt, der zugleich die Gleichstromvorspannung für die Zelle
liefert. Die den Mikrophonströmen entsprechenden verstärkten Schwankungen des Anodenstromes
steuern durch die Änderungen des Spannungsabfalles in 13 die Kerrzelle. Natürlich
kann in die Abzweigungen von 13 zur Kerrzelle noch eine besondere Gleichspannungsquelle
geschaltet sein. Eine besonders wirksame Spannungsschaltung gibt Abb. 3 ,an. Die
Zelle liegt im Nebenschluß zu einer' der beiden in Reihe geschalteten Röhren 5 und
51: Der Mikrophonstromkreis wirkt durch die beiden Transformatoren io und iol auf
die beiden Gitter im entgegengesetzten Sinne, d. h. wenn der Widerstand der einen
Röhre zunimmt, sinkt er in der anderen. 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