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Interferenzmodulator zum Modulieren von Lichtstrahlen Es is.t bereits
ein Interferenzmodulator zum Modulieren von Lichtstrahlen bekanntgeworden, bei dem
das Interferenzsystem aus einer in Ruhe verbleibenden halb lichtdurchlässigen Spiegeischicht
und zwei zu beiden Seiten dieser Schicht stehenden Spiegeln besteht. Einer dieser
Spiegel steht ebenfalls fest, während der andere mit der umzuwandelnden Schwingung
gekoppelt ist. Damit Interferenz eintreten kann, müssen die Lichtwege zwischen jedem
der Spiegel und der halb lichtdurchlässigen Spiegeischicht genau gleich sein. Da
sich nun zwischen einem dèr Spiegel und der halb lichtdurchlässigen Spiegelschicht
außer einer Luftstrecke die als Träger dieser Schicht notwendige Glasplatte befindet,
die den Lichtstrahlen andere Bedingungen für die Fortpflanzung darbietet als Luft,
muß auch zwischen dem anderen Spiegel und der halb lichtdurchlässigen Schicht eine
Platte aus demselben Material und mit genau der gleichen Dicke angeordnet werden.
Nur dann lasseri sich wirklich symmetrische Wege der kohärenten Teilstrahl,enbündel
erreichen. Bei dem bekannten Interferenzmodulator ist deshalb der feststehende Spiegel
auf der Rückseite einer zweiten Glasplatte angebracht. Die Übereinstimmung der Abstände
der beiden Glasplatten voneinander und einer den beweglichen Spiegel tragenden Membran
von der
halb lichtdurchlässigen Schicht wird durch Abstandsringe
erreicht, die aus dem gleichen Stoff lvie die Platten hergestellt sein können.
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Auch diese Abstandsringe müssen untereinander genau gleiche Dicke
aufweisen.
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Es hat sich nun gezeigt, daß es praktisch unmöglich ist, des für
einen Interferenzmodulator erforderlichen beiden planparallelen Platten genau übereinstimmende
Dicke zu geben. Selbst wenn man zunächst eine größere Platte anfertigt, um aus dieser
schließlich die benötigten Platten zu schneiden, so gelingt es doch nicht, deren
Dicke au den verhältnismäßig weit auseinanderliegenden Stellen bis auf geringe Bruchteile
einer Lichtwellenlänge gleichzumachen.
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Bei der Herstellung der Abstandsringe kann man zwar nach einem friiizer
gemachten Norschlag diese Schwierigkeiten umgehen, indem man diesen Ringen verschiedene
Durchmesser gibt und sie als konzentrische Ringe aus einer einzigen, entsprechend
kleinen: Platte herausschneidet.
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Dagegen muß man bei der Herstellung der Platten die Dickenunterschiede
in Kauf nehmen und nachträglich durch Einstellung des Abstandes der Membran. d.
h. also durch eine Veränderung der Länge des optischen Weges zwischen dem Spiegel
der Membran und der halb lichtdurchlässigen Spiegelschicht auszugleichen versuchen.
Eine Kompensation des in der Länge des Glasweges bestehenden Unterschiedes durch
Änderung eines Luftweges ist jedoch immer nur für kleine Aperturkegel und für bestimmte
Wellenlängen des Lichtes erreichbar. Hiervon abgesehen, besteht aber auch schon
ein erheblicher Nachteil darin, eine Einstellvorrichtung für die Membran vorsehen
zu müssen.
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Um nun die der Herstellung gleich dicker Platten entgegenstehenden
Schwierigkeiten und die Notwendigkeit der Verwendung einer Membraneinstellvorrichtung
zu vermeiden. werden gemäß der Erfindung genau gleich lange Lichtwege dadurch hergestellt,
daß die halb lichtdurchlässige Spiegelschicht in zwei Hälften aufgeteilt ist. deren
eine auf der einen und deren andere auf der anderen Seite einer einzigen planparallelen
Platte. und zwar so angebracht ist, daß sie sich, senkrecht zu dieser Platte gesehen.
nicht überdecken. Durch diese Maßnahme gelingt es also, ein und dieselbe planparallele
Platte in den Lichtweg eines jeden der beiden kohärenten Teilstrahlenbündel zu bringen.
Dadurch entsteht ein einfach herzustellender Interferenzmodulator, der ohne Einstellvorrichtung
auskommt und auch zum Modulieren von Lichtstrahlen eines breiten Spektralbereiches,
z. B. für weißes Licht. sowie für einen größeren Aperturliegel erfüllende L.chtstrahlen
brauchbar ist. In den Fällen, in denen eine Einstellvorrichtung zum Ausgleichen
geringer Restfehler der Abstandsstücke oder zum absichtlichen Herbeiführen von Weglängendifferenzen
vorgesehen wird, bleibt der Modulator auch für breite Spektralbereiche und große
Aperturkegel voll ausnutzbar, da nur Luftweglängen auszugleichen sind.
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Die seitlich der halb lichtdurchlässigen Schicht stehenden Spiegel
können von Platten getragen werden, deren Dicke jetzt ohne Einfluß auf das Zustandekommen
der Kinterferenz ist. Die als Abstandsstücke verwendeten Ringe, Ringsegmente oder
rechteckigen Streifen werden vorteilhaft aus einer einzigen Platte, und zwar bei
Anwendung von Ringen als konzentrische Ringe verschiedenen Durchmessers geschnitten.
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Bei einer bevorzugten Ausführung form der Erfindung sind die halb
durchlässigen spiegelnden Schichten als Halbkreise oder Halbkreisringe ausgebildet.
Bei einer Weiterbildung des Gegenstands der Erfindung sind beide Spiegel mit je
einem schwingungsfähigen Träger verbunden, von denen der eine mit einer Träaerfrequenz
und der andere mit einer Sprach- oder Signalfrequenz schwingt. Weitere Älerkmale
der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Unteransprüchen.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgedankens
dargestellt. Es zeigt Fig. I einen Interferenzmodulator im konve rgenten 5 trahlengang,
Fig. 2 einen Interferenzmodulator im telezentrischen Strahlengang.
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Fig. 3 einen Interferenzmodulator in Verbindung mit zwei Sendesystemen,
Fig. 4 die Verwendung zweier Sendelam pen mit telezentrischem Strahlengang und Fig.
5 mehrere auf ein Sendesystem arbeitende Interferenzmodulatoren.
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Die runde Platte I aus Quarz oder Glas trägt auf jeder Seite eine
halb verspiegelte Schicht 2 bzw. 3. Diese Schichten sind in den Figuren gestrichelt
angedeutet. Die beiden Schichten 2 und 3 werden zweckmäßig halbkreisförmig ausgebildet,
sie können jedoch auch aus Halbkreisringen bestehen. Die beiden Platten (Membranen)
4 und 5 tragen die Spiegel 6 und 7 und werden mit Hilfe der Ringe S und g in gleichem
Abstand von der Platte I gehalten. Die Platten 4 und 5 sowie die Ringe 8 und g haben
vorzugsweise verschiedene Durchmesser. Der Nußendurchmesser des Ringes g ist dabei
fast genau gleich dem Innendurchmesser des Ringes 8.
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Um Luftdruckschwankungen zum Ausgleich kommen zu lassen, erhalten
die beidenRinge8 und 9 auf den der Platte I zugekehrten Seiten
kleine
radiale Einfräslungen I0 und II auf ihrer Oberfläche, um die Luftkammern I2 und
I3 mit dem Außenraum zu verbinden.
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Die Einfräsungen 10 und II müssen so bemessen sein, daß die Luftkammern
12 und I3 keine zu tiefen Eigenfrequenzen erhalten, so daß nur sehr langsame Druckschwankungen
ausgeglichen werden, nicht aber die beim Modulieren auftretenden Druckschwankungen.
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Der erfindungsgemäße Modulator kann als Modulator für Sprachfrequenz,
Mittel- oder Hochfrequenz benutzt werden. In diesem Fall ist z.B. die Membran 4
mit der umzuwandelnden Schwingung (Sprachfrequenz) gekoppelt. Bei den bisher bekannten
Interferenzmodulatoren ist in jedem Fall nur eine Membran mit einer Schwingung koppelbar,
weil zur Erzielung symmetrischer Wege der kohärenten Teilstrahlenbündel der eine
Spiegel auf einer dicken Platte befestigt werden muß, deren Dicke gleich der Dicke
der die balb durchlässig spiegelnde Schicht tragenden Platte ist. Bei dem erfindungsgemäßen
Interferenzmo dulator werden im Gegensatz hierzu symmetrische Wege der kohärenten
Teilstrahlenbündel auch bei Verwendung nur einer einzigen die halb durchlässig spiegelnde
Schicht tragenden Platte erzielt. Es ist daher möglich, außer der Membran 4 auch
noch die Membran 5 als Modulationsorgan z. B. für eine Trägerfrequenz zu benutzen.
Man erhält auf diese Weise einen Interferenzmodulator für optische Trägerfrequenztelefonie.
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Der Eintritt des zu modulfierenden Lichtes und der Austritt des modulierten
Lichtes ist in der Fig. I durch Pfeile angedeutet. Die Halterung der Bauteile dzes
Modulators und deren Einbau in den Strahlengang eines Lichtsprech- oder Signalgerätes
ist nicht mit dargestellt und beschrieben worden, weil dies für die Erfindung unerheblich
ist.
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Im konvergenten Strahlengang bringt die Verwendung des erfindungsgemäßen
Modw lators einen Aperturverlust mit sich, der in einem Schnitt durch den Strahlengang
in einer Zone parallel zur Trennungskante der beiden halb durchlässigen Schichten
2 und 3 liegt. Dieser Verlust läßt sich durch exakte Ausführung der Lage der halb
durchlässigen Schichten 2 und 3 klein halten. Er ist am kleinsten, wenn beide halb
durchlässigen Schichten 2 und 3 die Form von Halbkreisen besitzen.
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Es ist aber auch möglich, den erfindungsgemäßen Interferenzmodulator
im telezentrischen, Strahlengang zu benutzen. Der in Fig. 2 dargestellte Interferenzmodulator
ist grundsätzlich gleich aufgebaut und bezeichnet wie in Fig. I. Der Strahlengang
ist ebenfalls wieder durch Pfeile angedeutet. Die vorgeschlagene neue Art des Interferenzmodulators
erweist sich durch größere Vignettierungsfreiheit infolge seiner kürzeren Baulänge
für seine Verwendung im telezentri schen Strahlengang besonders geeignet. Als weiterer
Vorteil kommt noch hinzu, daß sich die Modulatoren in ihren Abmessungen günstiger
gestalten lassen, weil sie außerhalb des optischen Strahlenganges eines Lichtsprech-oder
Signalgerätes angeordnet werden können.
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Auch der in Fig. 2 dargestellte Interferenzmodulator kann wieder als
Modulator für Sprachfrequenz, Mittel- oder Hochfrequenz sowie als Doppelmodulator
für optische Trägerfr,equenztelbefoni,e Anwendung finden.
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Die Anwendung des telezentrischen Strahlenganges gestattet aber auch
die Erreichung eines höheren Modulationsgrades als bisher.
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Durch Versuche ist festgestellt worden, daß die Einfallswinkelunterschiede
im Strahlengang des Interferenzmodulators eine Abflachung der Steuercharakteristik
und eine Verringerung des aus steuerbaren Bereiches ergeben. Infolge der Anwendung
hochgeöffneter Spiegelsysteme werden bei Verwendung des Interferenzmodulators im
konvergenten Strahlengang diese beiden Effekte am stärksten sein. Um diese Schwierigkeiten
weitestgehend zu vermeiden, ist es daher zweckmäßig, den Interferenzmodulator in
den telezentrischen Strahlengang zu legen. Die optische Anordnung ist für den Fall
der Verwendung von Linsen durch die Fig. 3, 4 und 5, auf die im einzelnen weiter
unten noch eingegangen wird, dargestellt. Die gleiche Anordnung läßt sich aber auch
mit Spiegelsystemen verwirklichen. Es bleiben in beiden Fällen nur Einfallswinkelunterschiede
übrig, die sich durch die endliche Ausdehnung der Wendeln der verwendeten Blinklampen
ergeben. Dieser Winkel läßt sich nicht wesentlich unter etwa 0,1° bringen, da er
gleichzeitig die Streuung des Senders ergibt, die zur Vermeidung von Richtschwierigkeiten
einen Mindestwert nicht unterschreiten darf.
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Aber selbst bei noch wesentlich größerem Streuwinkel ist die Verwendung
des telezentrischen Strahlenganges zweckmäßig, da die wirksamen Einfallswinkelunterschiede
bei Verwendung des Interferenzmo dulators im konvergenten Strahlengang im wesentlichen
durch die Benutzung hoher Aperturen gegeben sind. Durch folgende zwei Beispiele
sind die in der Praxis herrschenden Verhältnisse am besten charakterisiert: Bei
einer Apertur 1 :0,7 und einem Streuwinkel von O,I° sind die wirksamen Einfalls
winkel, die zur Verflachung beitragen, im telezentrischen Strahlengang 0,1° und
im konvergenten Strahlengang450. Bei der gleichen Apertur I: :0,7 und einem Streuwinkel
von 60 sind die Einfallswiukelunterschiede im telezentrischen
Strahlengang
6°, im konvergenten Strahlengang 45°. Nian sieht daraus, daß der telezentriscbe
Strahlengang selbst in den beiden Extremfällen deutlich bevorzugt ist.
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In Fig. 3 ist mit 14 eine Sendelampe be zeichnet. deren Strahlen
durch die Kondensorlinse I5 parallel gemacht werden. Durch Ausnutzung der Interferenzerscheinung
auch in Reflexion entstehen zwei modulierte Strahlenbüschel, die mit 16 und 17 bezeichnet
sind.
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Das Strahlenbüschel 16 gelangt über die Linse 18 zu einem nicht mitgezeichneten
Sendesystem und das Strahlenbüschel 17 über die Linse 19 zu einem zweiten Sendesystem.
Die Ausnutzung der Strahlenbüschel I6 und 17 gestattet die gleichzeitige Aussendung
von Signalen, Sprache od. dgl. mit zwei optischeil Sendern nach verschiedenen, frei
wählbaren Richtungen.
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Die Aussendung der Strahlenbüschel 16 und I7 in eine Richtung mittels
eines Sendesystems ist nicht möglich, da die beiden Strahlenbüschel infolge der
Interferenz eine Phasenverschiebung um ISo aufweisen und sich deswegen im Empfänger
zu Sull ergänzen.
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Das eine der beiden Strahlenbüschel, z.B.
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17, kann aber auch zur Überwachung und selbsttätigen Regelung der
Einstellung des AIodulators, beispielsweise unter Verwendung einer besonderen Leitfrequenz,
benutzt werden. Zu diesem Zweck liegt in seinem Strahlengung z. B. eine Photozelle,
welche über einen Verstärker auf ein Anzeigeorgan arbeitet. Einer bestimmten Stellung
dieses Anzeigeorgans entspricht dabei der günstigste Modulationsgrad. Ändert sich
diese Stellung. so ist dies ein Zeichen dafiir, daß sich die Ruhelage der AIembran
5 geändert hat. Die Ruhelage der Membran 5 muß nunmehr so eingestellt werden, daß
der günstigste Modulationsgrad wieder erreicht wird. Diese Einstellung kann gegebenenfalls
unmittelbar in Abhängigkeit von der Verstellung des Anzeigeorgans erfolgen.
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Während in Fig. 3 die Mehrfachausnutzung eines Interierenzmodulators
mit Hilfe einer Sendelampe erfolgte, sind in Fig. 4 zum gleichen Zweck die Sendelampen
20 und 21 vorgesehen. deren Strahlen durch die Kondensoren 22 und 23 telezentrisch
gemacht werden. Es können auch hier wieder Sprache, Signale od. dgl. nach verschiedenen
Richtungen ausgesendet werden. Die Zahl der Sendelampen ist selbstverständlich nicht
auf zwei beschränkt. Hierbei sind die Strahlenbündel der rotationssymmetrischen
Sendelampen in verschiedenen Ebenen angeordnet. Auf diese Weise ist es möglich,
gleichzeitig beliebig viele Sender zu betreiben.
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Es ist aber auch möglich, mehrere Lichtquellen für ein Sendesystem
zu verwenden.
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Hierdurch kann sein Beleuchtungssystem 24 besonders günstig bemessen
werden. Um alle modulierten Strahlenbündel nach dem Beleuchtungssystem 24 zu bringen,
ist noch ein Spiegel 25 vorgesehen. der auch mehrfach, gegebenenfalls auch in verschiedenen
Ebenen vorhanden sein kann.
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Werden mehrere erfindungsgemäße Interferenzmodulatoren verwendet,
so kann eine zwischen zwei Stellen bestehende Lichtverbindung auch mehrfach ausgenutzt
werden.
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In der Fig. 5 ist die grundsätzliche Anordnung hierfür auf der Sendeseite
dargestellt unter Verwendung der drei Modulatoren 26, 27 und 28. Die zugehörigen
Sendelampen sind mit 29, 30 und 3I und ihre Kondensoren mit 32, 33 und 34 bezeichnet.
Die Niembran 5 des Modulator 26 ist mit einer bestimmten Trägerfrequenz gekoppelt.
ebenso auch die Membran 5 der Modula@@@en 27 und 28. Die Trägerfrequenzen selbst
sind voneinander verschieden gewählt. Diw Membranen 4 der Modulatoren werden z.
B. mit Sprachfrequenzen angetrieben, die drei verschiedenen Sprechstellen entstammen.
Die mittels des Modulators 26 modulierte Strahlung wird über einen Spiegel 35 dem
Beteuchtungssystem 38 eines im übrigen nicht miteingezeichneten Senders zugeführt.
Weiterhin wird dem Beleuchtungssystem 38 die modulierte Strahlung der Sendelampe
30 über den Spiegel 36 und die modulierte Strahlung der Sendelampe 31 über den Spiegel
37 zugeführt. Vom Sendesystem wird also ein den Modulatoren 26, 27 und 28 entstammendes
Frequenzgemisch ausgesendet und auf der Empfangsseite in bekannter Weise wieder
getrennt und hörbar gemacht. Auf diese Weise können eine Vielzahl von Gesprächen
und/oder Signalen über eine einzige Lichtverbindung übertragen werden.
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Wenn in vorliegender Erfindung von einem symmetrischen Aufbau des
Interferenzmodulators gesprochen ist, so muß doch dabei immer im Auge behalten werden,
daß eine gewisse Unsymmetrie in bezug auf die halb verspiegelten Schichten vorhanden
sein muß, um überhaupt ein Arbeiten des Interferenzmodulators zu ermöglichen. Zur
Herbeiführung dieser Unsymmetrie wird bei dem in der Praxis zur Verwendung kommenden
Modulator z. B. der Ring 8 8. gegenüber dem Ring g um einen Betrag dicker ausgebildet.
der kleiner ist als #/2, wobei # die Wellenlänge des Lichtes bedeutet, oder durch
Gleichstromsteuerung die Ruhelage einer Membran entsprechend eingestellt.