Einrichtung zur trä bheitsfreien Lichtsteuerung. Gegenstand der Erfindung ist eine Ein richtung zur trägheitsfreien Lichtsteuerung durch elektrische Spannungsschwankungen für optische Darstellung oder photographische Aufzeichnung periodischer Vorgänge bis zu den höchsten Frequenzen, z. B. in der Bild telegraphie, beim Fernseher, für Schall- und Sprechfilme, Lichttelegraphie und -telephönie 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 Licht intensität, teils durch andere Mängel, wie geringen Gesamteffekt der Steuerung, grossen Energieverbrauch hierfür, Unmöglichkeit scharfer Abbildung der Lichtquelle (bei Glimm- licht) beschränkt waren, gibt die Erfindung das Mittel zur quantitativen,
bildgetreuen Aussteuerung praktisch fast beliebiger Licht mengen mit zu vernachlässigenden Energie beträgen bis zu Frequenzen von über zehn Millionen Hertz hinauf. Sie gestattet nötigen falls auch eine scharfe Abbildung der Licht quelle auf die Aufnahmefläche.
Die Lichtsteuerung erfolgt bei der vor liegenden Einrichtung mit Hilfe der $errschen Zelle, das heisst unterAusnutzung des bekannten Phänomens der elektrischen Doppelbrechung, wie man die Zerlegung polarisierten Lichtes in zwei Komponenten verschiedener Fort pflanzungsgeschwindigkeit in starken elek trischen Feldern zu- nennen pflegt.
Erfindungsgemäss werden die schwachen, zur Übertragung der Bilder oder Nachrichten dienenden Ströme, das heisst die zur Licht steuerung zu benutzenden Steuerströme, zu nächst mit Hilfe von praktisch trägheitsloa arbeitenden Verstärkereinrichtungen (Elek tronenröhren) in ihrer Spannung verstärkt, und dann die verstärkten Spannungsschwan kungen der Kerr-Zelle zugeführt.
Diese für den Durchtritt des zu steuernden Lichtes bestimmte Kerr-Zelle, welche eine als Konden sator wirkende Elektronenanordnung enthält, ist mit elektrisch doppelbrechenden Medien, zumeist Flüssigkeiten, Emulsionen, Kolloiden von 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 Strahlen bündel hindurchtritt, einander sehr nahe ge bracht und dadurch die erforderlichen hohen Feldstärken schon durch Spannungen einer ('rrössenordnung gewonnen werden, wie sie die heute vorhandenen Verstärkerapparaturen ohne nennenswerte Verluste anzuwenden gestatten.
Vor dem Eintritt in die Kerr-Zelle wird das Licht durch eine geeignete Vorrichtung, z. B. ein Nieolsches Prisma, polarisiert. nach dem Durchgang passiert es den Analysator. Das an die Platte der Zelle gelegte elektrische Feld bestimmt dann durch seine Stärke und Ausdehnung den Phasenunterschied der Strah lenkomponenten und steuert dadurch die nach der Interferenz derselben resultierende Licht stärke quantitativ zwischen Null und 11Tasimuni.
Da in der Kerr-Zelle Medien verwendet werdet), welche infolge ihrer geringen di- elektrischen Verluste die Spannungsduelle 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 Span- nungsschwankungen erhalte werdet). Bei gewissen Flüssigkeiten, z:
B. Nitrobenzol oder Abkömmlingen, kommt man unter den nach stehend bezeichneten Bedingungen in Zellen mit kleinem Plattenabstande mit etwa 1000 Volt oder weniger Spannungsunterschied aus.
Solche Grössenordnungen werden durch die heute vorhandenen Verstärkerrnittel in Ver bindung mit Transformation, beziehungsweise in reiner Spannungs-Verstärkungsschaltung leicht beherrscht, selbst bei sehr geringen Anfangsamplituden, und die dafür verwen deten Mittel können genügend verlustfrei gehalten-werden; auch wirken die in Frage koninienden C13eY5etzungsVerb ältnisse der Tran sformatorenwindungen in elektrischer Hinsicht noch nicht nachteilig.
Hierin liegt ein wesentlicher, durch die Erfindung beding ter Fortschritt, da man vor dieser zur Her- vorrufung des Fortschritt Spannungen von einer (Gröl)eriordriurig für erforderlich hielt, mit denen man in der Technik nicht arbeiten kann.
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 Isolier festigkeit erliiiIien und so die Zelle verbessern kann. Wahrscheinlich ist dies einer elektro chemischen Wirkung zuzuschreiben, die lei tende Bestandteile, etwa Feuchtigkeit oder Säurespuren, an den Eleldroden 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 Gleichstromvorspaiinung, wodurch, abgesehen von den i#-n Folgenden behandelten elektrischen und optischen M'ir- kungen,
eine ausreichende Konstanz der Zelle in Bezug auf die elektrische Beschaffenheit des Mediums gewährleistet ist.
Durch Anwendung geeigneter Gefäss materialien und Zellenfüllungen ist es auch möglich, nicht sichtbares, z. B. ultraviolettes Licht quantitativ zu steuern.- Bei jeder Art von Licht inuf) natürlich die Gesamtabsorption auf dein Wege durch die Zelle gering, das heisst die Füllung gut lichtdurchlässig sein, da ebenso wie durch die dielektrisehen Ver luste des Kondensators auch durch die Ab sorption eine Temperaturerhöhung eintritt,
welche die Grösse des Kei-r-Effektes ändert und den geregelten Strahlengang infolge Schlierenbildung stören kann.
Die weiteren Vorteile der vorstehend er w . ähnten Gleichstron:tvorspannung n bestehen in der Vermeidung der Frequenzverdoppelung und in der Erhöhung der Steuerschärfe. Ar beitet man -um den Nullwert der Spannung am Kerr-Kondensator leeruni, so erhält nian 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 Steuerwechsel spannung, 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 dein Quadrat der Feldstärke proportional ist. Dabei lässt sich die Steuerwirkung folgender massen noch beträchtlich steigern.
Man arbei tet unter passend gewählten Verhältnissen mit einer Vorspannung an der Zelle, die nahe an dem Grenzwert für die Auslösi:hung der kurzwelligen Strahlenbestandteile des hin- durcbgesandten Lichtes liegt. Die Auslöschung. beginnt naturgemäss am kurzwelligen Ende des Spektrums. Die überlagerte Steuerampli tude 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 irgend eine andere, auf Lichtwellen selektiv reagierende Vor richtung, z. B. die photographische Platte oder den Film, so ergibt sieh eine ausser ordentlich starke Änderung im Ansprechen dieser lichtempfindlichen Organe infolge der bewirkten Verarmung des Spektrums an ak- tinischen Bestandteilen. Man kann diese "chromatische" Steuerung auch andern tech nischen Zwecken nutzbar machen. Auf der beigefügten Zeichnung sind in den Fig.1-5 einige Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
In diesen Figuren bedeuten übereinstim mend 1 die Kerr-Zelle mit den Kondensator platten 2, zwischen denen sich das elektrisch doppelbrechende Medium, z. B. Nitro-Benzol, befindet. In Figur 111 ist eine Ausführungsform der an sich bekannten Kerr-Zelle dargestellt. Es bezeichnen hier a die Sammellinsen für das Licht, b die beiden Polarisationsvor- richtungen, und zwar den Polarisator und den Analysator und 3 das zwischen den . Kondensatorplatten 2 befindliche doppelbre chende Medium.
Die Wirkungsweise der Kerr-Zelle ist an sich bekannt: Das von der Lichtquelle ausgehende Licht wird in dem Polarisator zunächst polarisiert und durch fliesst dann das zwischen den Belegungen 2 befindliche, doppelbrechende Medium. Ist die Feldrichtung des elektrischen Feldes um 45 gegen. die Polarisationsebene des Lichtes geneigt, so wird das Licht in zwei Kompo nenten gespalten, die in senkrecht zueinander stehenden Ebenen schwingen und sich auf dem im Felde befindlichen Wege in diesem Medium mit verschiedener Geschwindigkeit fortpflanzen. Der Unterschied der Fortpflan zungsgeschwindigkeit ist bedingt durch die elektrische Feldstärke. Ist diese gross genug, so kann der Gangunterschied der beiden Strahlen bis zu einer halben.
Wellenlänge und mehr betragen. Die beiden aus dem Dielektrikum austretenden Komponenten wer= den dann durch das Analysatorprisma in derselben Ebene zur Interferenz gebracht, und das resultierende Lichtbündel auf die Bildfläche geworfen. Auf diese Weise kann also durch Spannungsschwankungen an den Kondensatorbelegungen 2- die Steuerung der Helligkeit des Lichtstrahls zwischen Null und einem Maximalwert erfolgen.
An Stelle zweier Kondensatorplatten kann die Kerr-Zelle auch ein System von mehreren Kondensatorplatten besitzen, die in bekannter Weise nach Art der mehrplattigen Konden satoren angeordnet sind.
Statt die Konden- satorplatten parallel gegenüber zu stellen, können dieselben auch in einem Winkel zu einander angeordnet sein, so dass das elek trische Feld zwischen denselben inhomogen wird. Derartige Anordnungen kommen bei spielsweise zur Durchführung der beschrie benen chromatischen Steuerung in Frage, deren Verlauf- ja bei gegebener Spannung am Kondensator von der örtlichen Feldstärke, mithin von den geometrischen Verhältnissen (Elektrodenabstand) gestimmt wird. 5 stellt eine Elektronenröhre mit der Anodenstrom- quelle 6, der Anode 7, Glühkathode S und Gitterelektrode 9 dar.
In den auf der Zeichnung dargestellten Schaltungen ist der Einfachheit halber all genommen, dass die Steuerung des Lichtes durch die Kerr-Zelle von ATikrophonströmen direkt beziehungsweise indirekt bewirkt wird.
In Fig. 1 bezeichnet 12 das von einer Stromquelle 11 gespeiste Mikrophon, dessen Stromschwankungen vermittelst des Trans formators 10 auf den Gitterkreis der Ver- stärkerröhre 5 übertragen werden. Die mittelst der Röhre verstärkten Schwankungen des Anodenstromes werden durch den Transfor- nrator 4 in ausreichende Spannungsschwan kungen übersetzt, die dann den Kondensator platten der Kerr-Zelle zugeführt werden und Trier eine Steuerung des Lichtbündels nach Massgabe der Schwankungen des Mikrophon- stromes bewirken.
Fig. 2 zeigt eine Sparrnungsverstärkungs- schaltung unter Benutzung der Röhre 5 als variabler Widerstand. Sie unterscheidet sieh von der Anordnung nach Fig. 1 dadurch, class die Kerr-Zelle an den Enden eines in den Anodenkreis der Röhre 5 eingeschalteten Widerstandes 13 liegt, der zugleich die Vor- spanrrung für die Zelle liefert.
Die den 1likrophonströmen entsprechenden verstärkten Schwankungen des Anodenstromes steuern durch die Änderungen des Spannungsabfalles die Kerr-Zelle. Eine besonders wirksame Spannungsschaltung gibt Eig. 3 an. Die Zelle liegt im Nebenschluss zu einer der beiden in Reihe geschalteten Röhren 5 und Der Mikrophonstromkreis wirkt durch die beiden Transformatoren 10 und 10' auf die beiden Gitter im entgegengesetzten Sinne, das heisst 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 Gleich stromquelle 6 zwischen den Röhren hin und her, das heisst die Spannungsamplituden an der Kerr-Zelle werden sehr gross, und zwar umso grösser, je höher ihr Isoliervermögen und die Spannung voll 6 ist. Die bisher beschriebenen Verstärkungs schaltungen arbeiten rein niederfrequent, das heisst die Lichtänderungen erfolgen mittelst der Kerr-Zelle nur in der Frequenz des Mikro phonstromkreises.
Für gewisse Zwecke, z. B: für die nach der Erfindung leicht auch auf grössere Entfernungen durchführbareLicht- telephonie, für Bildtelegraphie und anderes, ist es jedoch für Interesse der Geheimhaltung und zwecks Erreichung einer hohen Selek tivität der Empfangsschaltung vorteilhaft, die Kerr-Zelle mittelst niederfrequent modu lierter Hochfrequenz zu steuern.
Dadurch wird auf der Empfängerseite die rnit den bekannten Vorzügen verbundene Hochfre- quenzverstärkung möglich gemacht, indem beispielsweise im Falle der Lichttelephonie die ankommenden Lichtimpulse, in welche senderartig die Kerr-Zelle den Mikrophon strom umgeformt hat, auf eine Photozelle wirken, die an einen Hoelrfrequenzverstärker angeschlossen ist,
voll dein aus die verstärk ten Hochfrequenzströme zwecks Hörbar- machung derNiederfrequenz d'ernDetektoroder Audion zugeführt werden.
Für eine derartige Lichttelepholiie, bei der das Licht mittelst niederfrequent modulierter Hochfrequenz ge steuert werden soll, erzeugt man die Hoch frequenzwellen mit Hilfe eines Generators, vorteilhaft mittelst eines eigen- oder fremd erregten Röhrensenders. wobei der Konden- satorkreis der Ker-r-Zelle rnit dem Arbeitskreis des Generators gekoppelt ist oder wobei die Kerr-Zelle einen Teil beziehungsweise die gesamte Kapazität des Schwingungskreises bildet.
Die hochfrequente Schwingung wird durch die Niederfrequenz in einer der zahl reichen bekannten Schaltungen moduliert, so dass die Kerr-Zelle unter dem Einfluss einer modulierten Hochfrequenz steht. Für eine solche Anordnung ist in Fig. 4 als Ausfüh rungsbeispiel ein Röhrensender in Rückkopp lungsschaltung dargestellt. 15 bedeutet den abstimmbaren Schwingungskreis, mit dein die Kerr-Zelle 1, 2 durch die Spule 14 ge nügend lose gekoppelt ist.
Die Besprechung des Gitters 9 der Schwingröhre 5 erfolgt über den Transformator 10, dessen Sekundär- wicklung für den Durchlass der 1lochfrequenz durch der) Kondensator 16 überbrückt ist. 17 ist der übliche Blockkondensator, 18 und 18' sind die Hochfrequenz-Sperrdrosseln im Kreise der Anodenstromquelle. Bei dieser Anordnung ist, wie ohne weiteres ersichtlich, die Kerr-Zelle durch eine niederfrequent mo dulierte Hochfrequenz gesteuert.
Es ist ohne weiteres klar, dass die dar gestellten und beschriebenen Schaltungen nicht nur zur Übertragung von Mikrophon strömen, sondern auch zur Aufzeichnung von irgendwelchen andern Stromschwankungen benutzt werden können, wie sie beispielsweise bei der Bildtelegrahpie durch die Helligkeits unterschiede eines Bildes mittelst der Photo zelle erzeugt werden oder wie sie zur Über tragung von Schriften oder Signalen oder dergleichen in bekannter Weise Verwendung finden.
In Fig. 5 ist beispielsweise eine Schaltung zur Bildübertragung dargestellt. A bezeichnet hier einen Röhrensender. Die durch die Röhre erzeugten Hochfrequenzschwingungen werden hierbei durch die Helligkeitsunterschiede des zu übertragenden Bildes in bekannter Weise moduliert. B bezeichnet den Empfänger, der mit der üblichen Empfangseinrichtung, be stehend aus dem Hochfrequenzverstärker C, dem Gleichrichter D und dem Niederfrequenz verstärker E zusammenwirkt. An den Nieder frequenzverstärker ist nun die Kerr-Zelle 1 angeschlossen, durch welche der Lichtstrahl in einer dem Verlauf der modulierten Sende schwingungen entsprechenden Weise gesteuert wird.
PATENTANSPRUCH: Einrichtung zur trägheitsfreien Licht steuerung, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerströme mittelst praktisch wattlos steuer barer Verstärker (Elektronenröhren) in ihrer Spannung verstärkt und die verstärkten Spannungsschwankungen dann den gonden- Batorbelegungen einer Kerr-Zelle zugeführt werden, zwischen denen ein doppelbrechendes Medium von geringen dielektrischen Verlusten.
eingefüllt ist, in welchem ein hindurchtreten der Strahl polarisierten Lichtes unter der Wirkung der Änderungen des elektrischen Feldes in seiner Helligkeit durch den an sich bekannten Effekt der elektrischen Doppel brechung gesteuert wird.