Photophone - Photophone

Historická deska na boku Franklin School ve Washingtonu, DC, která označuje jeden z bodů, ze kterých byl předveden fotofon

Schéma z jednoho z Bellových papírů z roku 1880

Photophone je telekomunikační zařízení, které umožňuje přenos řeči na paprsku světla . Vynalezli to společně Alexander Graham Bell a jeho asistent Charles Sumner Tainter 19. února 1880 v Bellově laboratoři na ulici 1325 L ve Washingtonu, DC Oba se později stali plnoprávnými spolupracovníky ve Volta Laboratory Association , kterou vytvořil a financoval Bell.

3. června 1880 Bellův asistent přenesl bezdrátovou hlasovou telefonní zprávu ze střechy Franklinovy ​​školy do okna Bellovy laboratoře, vzdáleného asi 213 metrů (asi 700 stop).

Bell věřil, že fotofon je jeho nejdůležitějším vynálezem . Z 18 patentů udělených pouze Bellovým jménem a 12, které sdílel se svými spolupracovníky, byly čtyři pro fotofon, což Bell označoval jako svůj „největší úspěch“ a krátce před smrtí řekl reportérovi, že fotofon je „největší vynález, který jsem kdy udělal, větší než telefon “.

Fotoaparát byl předchůdcem komunikačních systémů s optickými vlákny, které dosáhly celosvětového populárního využití od 80. let minulého století. Hlavní patent na fotofon ( US Patent 235,199 zařízení pro signalizaci a komunikaci, nazývaný Photophone ) byl vydán v prosinci 1880, mnoho desetiletí předtím, než jeho principy začaly mít praktické aplikace.

Design

Fotofonní přijímač a náhlavní souprava, jedna polovina optického telekomunikačního systému Bell a Tainter z roku 1880

Fotofon byl podobný současnému telefonu, kromě toho, že používal modulované světlo jako prostředek bezdrátového přenosu, zatímco telefon spoléhal na modulovanou elektřinu přenášenou po vodivém drátovém obvodu .

Bellův vlastní popis modulátoru světla:

Zjistili jsme, že nejjednodušší forma zařízení pro vytváření efektu se skládá z rovinného zrcadla z pružného materiálu, na jehož zadní stranu je namířen hlas mluvčího. Působením hlasu se zrcadlo střídavě konvexní a konkávní a střídavě tak rozptyluje a kondenzuje světlo.

Jas odraženého paprsku světla pozorovaný z umístění přijímače se proto měnil v souladu se změnami audiofrekvenčního tlaku vzduchu-zvukovými vlnami-, které působily na zrcadlo.

Ve své původní podobě byl fotofonní přijímač také neelektronický s využitím fotoakustického efektu . Bell zjistil, že mnoho látek lze použít jako přímé snímače zvuku a zvuku. Lampblack se ukázal jako vynikající. Použitím plně modulovaného paprsku slunečního světla jako testovacího signálu vytvořil jeden experimentální přijímač, využívající pouze nános světelného zdroje, tón, který Bell popsal jako „bolestně hlasitý“ do ucha přitlačeného blízko zařízení.

Ve své konečné elektronické podobě přijímač fotofonu používal jednoduchý fotodetektor selenových buněk v ohnisku parabolického zrcadla. Buňky elektrický odpor (mezi 100 a 300 ohmů ) měnit inverzně světlo dopadající na něj, tj, jeho odpor byl vyšší, když špatně osvětlen, nižší, pokud jasně osvětlené Selenový článek nahradil uhlíkový mikrofon-také zařízení s proměnným odporem-v obvodu jinak v podstatě obyčejného telefonu, skládajícího se z baterie, elektromagnetického sluchátka a proměnného odporu, všechny zapojené do série. Selen moduloval proud protékající obvodem a proud byl pomocí sluchátek převeden zpět na změny tlaku vzduchu - zvuku.

Ve svém projevu k Americké asociaci pro rozvoj vědy v srpnu 1880 Bell ocenil první ukázku přenosu řeči světlem panu AC Brownovi z Londýna na podzim roku 1878.

Vzhledem k tomu, že zařízení používalo zářivou energii , francouzský vědec Ernest Mercadier navrhl, aby vynález nebyl pojmenován „fotofon“, ale „radiofon“, protože jeho zrcadla odrážela zářivou energii Slunce ve více pásmech včetně neviditelného infračerveného pásma . Bell používal jméno na chvíli, ale to by nemělo být zaměňováno s pozdějším vynálezem „ radiophone “, který používal rádiové vlny .

První úspěšná bezdrátová hlasová komunikace

Ilustrace fotofonního vysílače ukazující cestu odraženého slunečního světla před a po modulaci

Ilustrace přijímače fotofonu zachycující převod modulovaného světla na zvuk a jeho zdroj elektrické energie (P)

Při líbánkách v Evropě se svou nevěstou Mabel Hubbardovou si Bell pravděpodobně přečetl o nově objevené vlastnosti selenu, který má při působení světla proměnný odpor, v dokumentu Roberta Sabina publikovaném v Nature dne 25. dubna 1878. Ve svých experimentech Sabine použil metr k zobrazení účinků světla působícího na selen připojený v obvodu k baterii. Nicméně Bell usoudil, že přidáním telefonního sluchátka do stejného obvodu bude moci slyšet to, co Sabine mohla vidět jen.

Jako Bellův bývalý spolupracovník Thomas Watson byl plně obsazen jako dozorce výroby rodící se telefonní společnosti Bell zpět v Bostonu, Massachusetts, Bell najal Charlese Sumnera Taintera , výrobce nástrojů, který byl dříve přidělen do USA 1874 Transit of Venus Commission za jeho novou laboratoř na ulici „L“ ve Washingtonu za 15 $ za týden.

19. února 1880 se dvojici podařilo ve své nové laboratoři vyrobit funkční fotofon připojením sady kovových mřížek k membráně, přičemž paprsek světla byl přerušen pohybem mřížek v reakci na mluvené zvuky. Když modulovaný světelný paprsek dopadl na jejich přijímač selenu, Bell na sluchátkách jasně slyšel Taintera zpívat Auld Lang Syne .

V dubnu 1, 1880, Washington, DC , experiment, Bell a Tainter komunikovali asi 79 metrů (259 ft) podél uličky k zadnímu oknu laboratoře. Poté, o několik měsíců později, 21. června, se jim podařilo jasně komunikovat na vzdálenost přibližně 213 metrů (asi 700 stop), přičemž jako zdroj světla používali obyčejné sluneční světlo, praktické elektrické osvětlení, které do USA právě představil Edison . Vysílač v jejich posledních experimentech měl sluneční světlo odražené od povrchu velmi tenkého zrcadla umístěného na konci mluvící trubice; jak byla vyslovována slova, způsobují, že zrcadlo kmitá mezi konvexním a konkávním, čímž mění množství světla odraženého od jeho povrchu k přijímači. Tainter, který byl na střeše Franklinovy ​​školy , promluvil s Bellem, který poslouchal v laboratoři a který signalizoval zpět Tainterovi energickým mávnutím klobouku z okna, jak bylo požadováno.

Přijímačem bylo parabolické zrcadlo se selenovými buňkami v ohnisku. Vedeno ze střechy Franklinovy ​​školy do Bellovy laboratoře na ulici 1325 'L', jednalo se o první formální bezdrátovou telefonní komunikaci na světě (mimo jejich laboratoř), což z fotophone učinilo nejstarší známý hlasový bezdrátový telefonní systém na světě, nejméně 19 let před prvními mluvenými přenosy rádiových vln. Než Bell a Tainter ukončili svůj výzkum, aby mohli přejít k vývoji grafafonu , vymysleli asi 50 různých metod modulace a demodulace světelných paprsků pro optickou telefonii.

Příjem a adopce

Samotný telefon byl stále něco jako novinka a rádio bylo desítky let od komercializace. Sociální odpor vůči futuristické formě fotophone byl vidět v komentáři New York Times ze srpna 1880 :

Obyčejný člověk ... bude mít trochu potíže pochopit, jak mají být sluneční paprsky používány. Má prof. Bell v úmyslu spojit Boston a Cambridge ... s řadou slunečních paprsků zavěšených na telegrafních sloupcích , a pokud ano, jaký průměr mají sluneční paprsky… [a] bude nutné je izolovat proti počasí ... dokud (veřejnost) neuvidí muže procházet ulicemi s cívkou slunečních paprsků č. 12 na rameni a zavěšovat je od pólu k pólu, bude obecně cítit, že něco na profesoru Bellovi je fotofon, který nesmírně zatěžuje lidskou důvěřivost.

Nicméně v době jejich průlomu v únoru 1880 byl Bell na tento úspěch nesmírně hrdý, až chtěl svou novou druhou dceru pojmenovat „Photophone“, což jemně odrazovala jeho manželka Mabel Bell (místo toho zvolili „Marian“ , s „Daisy“ jako její přezdívkou ). Napsal poněkud nadšeně:

Slyšel jsem artikulovanou řeč slunečního světla! Slyšel jsem paprsek slunce, jak se směje, kašle a zpívá! ... Byl jsem schopen slyšet stín a dokonce jsem uchem vnímal průchod mraku přes sluneční disk. Jsi dědeček Photophone a chci se podělit o své potěšení z mého úspěchu.

-  Alexander Graham Bell v dopise otci Alexandru Melville Bellovi ze dne 26. února 1880

V květnu 1880 Bell převedl práva duševního vlastnictví fotofonu na společnost American Bell Telephone Company . Zatímco Bell doufal, že jeho nový fotophone bude možné používat na moři na lodích a také vytlačit nepřeberné množství telefonních linek, které kvetly podél rušných městských bulvárů, jeho návrh nedokázal chránit své přenosy před vnějšími interferencemi, jako jsou mraky, mlha, déšť, sníh a podobně, které by mohly snadno narušit přenos světla. Faktory, jako je počasí a nedostatek světla, bránily použití Bellova vynálezu. Nedlouho poté, co jeho vynálezové laboratoře v Bell System pokračovaly ve vylepšování fotofonu v naději, že by mohl doplnit nebo nahradit drahé konvenční telefonní linky . Jeho první neexperimentální použití přišlo s vojenskými komunikačními systémy během první a druhé světové války, přičemž jeho klíčovou výhodou bylo, že jeho světelné přenosy nemohly být zachyceny nepřítelem.

Bell uvažoval nad možným vědeckým využitím fotofonu při spektrální analýze umělých světelných zdrojů, hvězd a slunečních skvrn . Později také spekuloval o jeho možných budoucích aplikacích, ačkoli nepředpokládal ani laserovou ani optickou telekomunikaci :

Může představivost představovat, jaká má být budoucnost tohoto vynálezu! .... Můžeme hovořit světlem na jakoukoli viditelnou vzdálenost bez jakéhokoli vodivého drátu ... Obecně lze říci, že objevy bude provádět fotofon, o kterém se ani nesní Nyní.

Další vývoj

Ernst Ruhmer na své stanici „fotoelektrických“ optických telefonních systémů. (1905)

Ačkoli výzkumníci společnosti Bell Telephone provedli několik mírných přírůstkových vylepšení designu Bell a Tainter, Marconiho rádiové přenosy začaly daleko překonávat maximální dosah fotofonu již v roce 1897 a další vývoj fotofonu byl do značné míry zatčen, dokud na přelomu nezačaly německo-rakouské experimenty 20. století.

Německý fyzik Ernst Ruhmer věřil, že zvýšená citlivost jeho vylepšených selenových buněk v kombinaci s vynikajícími schopnostmi přijímání „mluvícího oblouku“ profesora HT Simona by umožnila praktický fotofon na delší signální vzdálenosti. Ruhmer provedl sérii experimentálních přenosů podél řeky Havla a na jezeře Wannsee v letech 1901 až 1902. Uvedl, že dosáhl vysílací vzdálenosti za dobrých podmínek 15 kilometrů (9 mil), se stejným úspěchem ve dne i v noci. Pokračoval ve svých experimentech kolem Berlína až do roku 1904 ve spojení s německým námořnictvem, které dodávalo vysoce výkonné světlomety pro použití v převodovkách.

Německá společnost Siemens & Halske rozšířila dosah fotophone využitím proudově modulovaných uhlíkových obloukových lamp, které poskytly užitečný dosah přibližně 8 kilometrů (5,0 mil). Produkovali jednotky komerčně pro německé námořnictvo , které byly dále upraveny tak, aby se zvýšil jejich dosah na 11 kilometrů (6,8 mil) pomocí hlasových modulovaných světlometů lodí .

Výzkum britské admirality během první světové války vedl v roce 1916 k vývoji modulátoru vibračních zrcadel. Citlivější molybdenitové přijímací buňky, které měly také větší citlivost na infračervené záření, nahradily v roce 1917 starší selenové články. USA a německé vlády také pracovaly o technických vylepšeních Bellova systému.

V roce 1935 začala německá společnost Carl Zeiss vyrábět infračervené fotofony pro tankové prapory německé armády s využitím wolframových lamp s infračervenými filtry, které byly modulovány vibračními zrcadly nebo hranoly. Tito také používali přijímače, které využívaly detektorové články olova a zesilovače, což za optimálních podmínek zvýšilo jejich dosah na 14 kilometrů (8,7 mil). Japonská a italská armáda se také pokusily o podobný vývoj světelných telekomunikací před rokem 1945.

Několik vojenských laboratoří, včetně těch ve Spojených státech, pokračovalo ve výzkumu a vývoji na fotophone do padesátých let minulého století a experimentovalo s vysokotlakými parními a rtuťovými obloukovými lampami o výkonu 500 až 2 000 wattů.

Vzpomínky

3. března 1947, sté výročí narození Alexandra Grahama Bella , věnovali telefonní průkopníci Ameriky historickou značku na straně jedné z budov, Franklinovy ​​školy , kterou Bell a Sumner Tainter použili pro svůj první formální proces zahrnující značnou vzdálenost. Tainter původně stál na střeše školní budovy a vysílal Bellovi do okna své laboratoře. Značka neuznala Tainterovy vědecké a technické příspěvky.

19. února 1980, přesně 100 let od prvního přenosu Bellinho a Tainterova fotophone v jejich laboratoři, se shromáždili zaměstnanci Smithsonian Institution , National Geographic Society a AT & T's Bell Labs na místě Bellovy bývalé 1325 'L' Street Volta Laboratoř ve Washingtonu, DC na památku této události.

Připomínka stého výročí Photophone byla poprvé navržena výzkumníkem elektroniky a spisovatelem Forrestem M. Mimsem , který ji navrhl Dr. Melville Bell Grosvenorovi , vnukovi vynálezce, během návštěvy jeho kanceláře v National Geographic Society. Historické seskupení později pozorovalo sté výročí prvního úspěšného laboratorního přenosu fotophone pomocí ručně vyrobeného předváděcího fotomobilu Mims, který fungoval podobně jako Bellův a Tainterův model.

Mims také postavil a poskytl dvojici moderních ručních bateriově napájených transceiverů LED propojených optickým vláknem o délce 100 yardů (91 m) . Richard Gundlach společnosti Bell Labs a Elliot Sivowitch společnosti Smithsonian použili zařízení při vzpomínkové akci k demonstraci jednoho z dnešních potomků fotophone. National Geographic Society také namontovala speciální vzdělávací výstavu ve své Explorer's Hall, která zdůraznila vynález fotophone s originálními předměty vypůjčenými od Smithsonian Institution.

Viz také

Reference

Poznámky pod čarou

Citace

Bibliografie

Další čtení

• Chris Long a Mike Groth's optical audio telecommunications webpage
• Ackroyd, William. „The Photophone“ v „Science for All“, sv. 2 (R. Brown, ed.), Cassell & Co., London, circa 1884, s. 307–312. Populární účet, hojně ilustrovaný ocelovými rytinami.
• Armengaud, J. „Le photophone de M. Graham Bell“. Soc. Ing. občan. Mem., Rok 1880, sv. 2. s. 513–522.
• Společnost AT&T. „The Radiophone“, brožura distribuovaná na Louisiana Purchase Exhibition, St Louis, Missouri, 1904. Popisuje práci s mikrofonem Hammonda V Hayese v Bell Labs (patentováno 1897) a německého inženýra HT Simona ve stejném roce.
• Bell, Alexander Graham . „O produkci a reprodukci zvuku světlem: fotofon“. Dopoledne. Osel. for the Advancement of Sci., Proc., Vol 29., October 1880, pp. 115–136. Také v American Journal of Science , řada 3. č. 20, 1880, s. 305–324; Eng. L., 30. 1880, s. 240–242; Elektrikář, sv. 5. 1880, s. 214–215, 220–221, 237; Časopis Společnosti telegrafních inženýrů , č. 9, 1880, s. 404–426; Nat. L., svazek 22. 1880, s. 500–503; Ann. Chim. Phys., Serie 5. Sv. 21. 1880, s. 399–430; ETZ, sv. 1. 1880, s. 391–396. Dlouze projednáno v angl. L., sv. 30. 1880, s. 253–254, 407–409. V těchto dokumentech Bell uděluje uznání za první ukázky přenosu řeči světlem panu AC Brownovi z Londýna „v září nebo říjnu 1878“.
• Bell, Alexander Graham . „Aplikace fotophone a vybití barev na povrchu povrchu“. CR, sv. 91. 1880, s. 726–727.
• Bell, Alexander Graham . „Profesor AG Bell na selenu a fotophone“. Pharm. J. a Trans., Řada 3. Sv. 11., 1880–1881, s. 272–276; Elektrikář č. 5, 18. září 1880, s. 220–221 a 2. října 1880 s. 237; Nature (London), svazek 22, 23. září 1880, s. 500–503; Engineering Vol 30, pp 240–242, 253, 254, 407–409; a Journal of the Society of Telegraph Engineers Vol. 9, s. 375–387.
• Bell, Alexander Graham . „Ostatní papíry na fotofon“ ETZ č. 1, 1880, s. 391–396; Časopis Společnosti pro umění 1880, č. 28, s. 847–848 & č. 29 s. 60–62; ČR č. 91, 1880–1881, s. 595–598, 726, 727, 929–931, 982, 1882 s. 409–412, 450, 451, 1224–1227.
• Bell, Alexander Graham . „Le Photophone De La Production Et De La Lumiere“. Gauthier-Villars, Imprimeur-Libraire, Paříž. 1880. (Poznámka: toto je položka č. 26, složka č. 4, jak je uvedeno v „Hledání pomoci pro sbírku Alexandra Grahama Bella, 1880–1925“, číslo sbírky: 308, knihovna UCLA , oddělení zvláštních sbírek rukopisů, jako viditelné v online archivu Kalifornie )
• „Bellův fotofon“. Nature Vol 24, 4. listopadu 1880; Elektrikář, sv. 6, 1881, s. 136–138.
• Appletonův deník. „The Photophone“. Appleton's Journal, sv. 10 č. 56, New York, únor 1881, s. 181–182.
• Bidwell, Shelford. „Fotofon“. Nature., 23. 1881, s. 58–59.
• Bidwell, Shelford. „Selen a jeho aplikace na fotofon a teleobjektiv“. Proceedings of the Royal Institution (GB), sv. 9. 1881, s. 524–535; Anglický mechanik a svět vědy, sv. 33, 22. dubna 1881, s. 158–159 a 29. dubna 1881 s. 180–181. Také v Chem. News, sv. 44, 1881, s. 1–3, 18–21. (Z přednášky u královské instituce 11. března 1881).
• Breguet, A. „Les recepteurs photophoniques de selenium“. Ann. Chim. Phys., Řada 5. Sv. 21. 1880, s. 560–563.
• Breguet, A. „Sur les zážitky photophonique du Professeur Alexander Graham Bell et de M. Sumner Tainter“: CR; Sv. 91., 1880, s. 595–598.
• Elektrikář. „Bellův fotofon“, elektrikář, sv. 6, 5. února 1881, s. 136–138,183.
• Jamieson, Andrew. Nat. L., sv. 10, 1881, s. 11. Zdá se, že tento glasgowský vědec byl prvním, kdo navrhl použití manometrického plynového plamene pro optický přenos, ukázaný na setkání Glasgowské filozofické společnosti; „Historie selenu a jeho působení v Bell Photophone, s popisem nedávno navržené formy“, Proceedings of the Philosophical Society of Glasgow No. 13, 1881, *** Moser, J. „The Microphonic Action of Selenium Cells“. Fyz. Soc., Proc., Sv. 4, 1881, s. 348–360. Také v Philu. Mag., Řada 5, sv. 12, 1881, s. 212–223.
• Kalischer, S. „Photophon Ohne Batterie“. Opak. F. Phys., Sv. 17., 1881, s. 563–570.
• MacKenzie, Catherine „Alexander Graham Bell“, Houghton Mifflin Company, Boston, s. 226, 1928.
• Mercadier, E. „La radiofonie nepřímo“. Lumiere Electrique, sv. 4, 1881, s. 295–299.
• Mercadier, E. „Sur la radiophonie produite a l'aide du selenium“. CR, sv. 92,1881, s. 705–707.
• Mercadier, E. „Sur la construction de recepteurs photophoniques a selenium“. CR, sv. 92, 1881, s. 789–790.
• Mercadier, E. „Sur l'influence de la temperature sur les recepteurs radiophoniques a selenium“. CR, sv. 92, 1881, s. 1407–1408.
• Molera a Cebrian. „The Photophone“. Eng. L., sv. 31, 1881, s. 358.
• Preece, Sir William H. „Radiophony“, Engineering Vol. 32, 8. července 1881, s. 29–33; Journal of the Society of Telegraph Engineers , sv. 10, 1881, s. 212–228. Na fotophone.
• Rankine, AO „Mluvení přes sluneční paprsek“. El. Exp. (NY), sv. 7, 1920, s. 1265–1316.
• Sternberg, JM Cena Volty Francouzské akademie udělená prof. Alexandru Grahamovi Bellovi: Rozhovor s Dr. JM Sternbergem , Večerním cestovatelem, 1. září 1880, The Alexander Graham Bell Papers v Kongresové knihovně
• Thompson, Silvanus P. „Poznámky ke konstrukci fotofonu“. Fyz. Soc.Proc., Sv. 4, 1881, s. 184–190. Také v Philu. Mag., Sv. 11, 1881, s. 286–291. Abstrakce v Chem. News, sv. 43, 1881, s. 43; Eng. L., sv. 31, 1881, s. 96.
• Tomlinson, H. „The Photophone“. Nat. L., sv. 23, 1881, s. 457–458.
• US Radio and Television Corp. „Ultrafialové paprsky používané v televizi“, New York Times, 29. května 1929, s. 5: Ukázka přenosu video signálu s nízkým rozlišením (mechanicky snímaného) přes modulovaný světelný paprsek. Koncové stanice vzdálené 50 stop. Veřejná demonstrace v Bamberger and Company's Store, Newark, New Jersey. Nejdříve známé použití modulovaných světelných komunikací pro přenos video signálů. Viz také zpráva „Neviditelný paprsek přenáší obrázky“ v časopise Science and Invention, listopad 1929, sv. 17, s. 629.
• White, RH "Photophone". Harmsworth's Wireless Encyclopaedia, sv. 3, s. 1541–1544.
• Weinhold, A. „Herstellung von Selenwiderstanden fur Photophonzwecke“. ETZ, sv. 1, 1880, s. 423.

externí odkazy

• Bellův projev před Americkou asociací pro rozvoj vědy v Bostonu 27. srpna 1880, ve kterém představil svůj příspěvek „O produkci a reprodukci zvuku světlem: fotofon“ .
• Optická komunikace na dlouhé vzdálenosti od Chris Long a Mike Groth (VK7MJ)
• Telefony a fotofony: nepřímé příspěvky od Grahama Bella do víza do dálky na vzdálenost elektřiny