フォトフォン

フォトフォンは、光のビームで音声を送信できる通信デバイスです。 1880年2月19日にアレクサンダー・グラハム・ベルと彼の助手チャールズ・サムナー・テインターによって共同で発明されました。ベルの研究所はワシントンDCの1325 L通りにあります。

1880年6月3日、ベルのアシスタントはフランクリンスクールの屋根から約213メートル（約700フィート）離れたベルの研究室の窓にワイヤレス音声電話メッセージを送信しました。

ベルは、フォトフォンが彼の最も重要な発明だと信じていました。ベルの名前だけで付与された18件の特許、および彼が共同研究者と共有した12件の特許のうち、4件はフォトフォン用であり、ベルは「最大の成果」と呼んで、死の少し前に記者にフォトフォンが「最大の「電話よりも優れた発明」。

フォトフォンは、1980年代から世界中で一般的に使用されるようになった光ファイバー通信システムの前身でした。フォトフォンのマスター特許（Photophone と呼ばれる米国特許235,199 信号および通信用装置 ）は、その原理が実用化される数十年前の1880年12月に発行されました。

設計

フォトフォンは現代の電話に似ていましたが、ワイヤレス伝送の手段として変調光を使用した点と、電話が導線回路を介して伝達される変調電気に依存していた点が異なります。

光変調器に関するベル自身の説明：

効果を生成するための装置の最も単純な形式は、話者の声が背中に向けられる柔軟な材料の平面鏡からなることを発見しました。声の作用の下で、鏡は交互に凸面と凹面になり、光を交互に散乱させ、集光します。

したがって、レシーバーの位置から観察される反射光ビームの明るさは、ミラーに作用する空気圧（音波）の可聴周波数の変動に応じて変化しました。

初期の形態では、フォトフォンレシーバーも光音響効果を使用して非電子的でした。ベルは、多くの物質が直接的な光から音への変換器として使用できることを発見しました。ランプブラックは傑出したものでした。完全に変調された太陽光のビームをテスト信号として使用し、ランプブラックの堆積物のみを使用した実験受信機の設計では、ベルがデバイスの近くに押し付けられた耳に「痛みを伴う」と説明するトーンを生成しました。

その究極の電子形式では、フォトフォン受信機は放物面鏡の焦点に単純なセレン電池光検出器を使用しました。セルの電気抵抗（約100から300オーム）は、光が当たると逆に変化しました。つまり、抵抗は薄暗いときは高く、明るいときは低くなりました。セレン電池は、すべて直列に接続されたバッテリー、電磁イヤフォン、可変抵抗で構成される、本質的に普通の電話であったものの回路で、カーボンマイクの代わりに可変抵抗デバイスを使用しました。セレンは回路を流れる電流を変調し、その電流はイヤホンによって気圧の変化（音）に戻されました。

1880年8月のアメリカ科学振興協会へのスピーチで、ベルは1878年の秋にロンドンのACブラウン氏に光によるスピーチ伝送の最初のデモを行ったことを称賛しました。

装置は放射エネルギーを使用したため、フランスの科学者アーネスト・メルカディエは、鏡が目に見えない赤外線バンドを含む複数の帯域の太陽の放射エネルギーを反射するため、「フォトフォン」ではなく「ラジオフォン」と命名することを提案しました。ベルはしばらく名前を使用しましたが、電波を使用した後の発明「無線電話」と混同しないでください。

初めて成功したワイヤレス音声通信

1878年4月25日にネイチャー誌に掲載されたロバート・サビネの論文で、花嫁のメイベル・ハバードとヨーロッパで新婚旅行をしている間、ベルは光によって作用されたときに変化する抵抗を有するセレンの新たに発見された特性を読みましたメーターを使用して、回路に接続されたセレンに作用する光の影響をバッテリーに確認しました。しかし、ベルは、同じ回線に電話の受話器を追加することで、Sabineにしか見えないものを聞くことができると考えました。

ベルの元同僚であるトーマス・ワトソンは、マサチューセッツ州ボストンに戻ってきたばかりのベル電話会社の製造責任者として完全に占領されていたため、ベルは1874年の金星トランジットの委員会に以前に割り当てられていたチャールズ・サムナー・テイターを雇いました、ワシントンにある彼の新しい「L」ストリート研究所では、週15ドルの料金で。

1880年2月19日に、ペアは金属製の回折格子を振動板に取り付け、発話された音に反応して回折格子の動きによって光線が遮られることで、新しい研究所で機能的なフォトフォンを作ることができました。変調された光線がセレンレシーバーに当たると、彼のヘッドフォンであるベルは、テインダーがオールド・ラング・シネを歌っているのをはっきりと聞くことができました。

1880年4月1日、ワシントンDCの実験で、ベルとテインターは路地に沿って約79メートル（259フィート）を研究室のリアウィンドウに伝えました。それから数ヶ月後の6月21日、彼らは約213メートル（約700フィート）の距離で明確に通信することに成功しました。光源として普通の太陽光​​を使用しました。後者の実験の送信機では、話す管の端にある非常に薄い鏡の表面で太陽光が反射していました。言葉が話されると、それらは鏡を凸面と凹面の間で振動させ、その表面から受信機に反射される光の量を変えます。フランクリン学校の屋上にいたテインターは、彼の研究室で聞いていたベルに話しかけ、要請されたように窓から帽子を激しく振ってテインターに戻って信号を送りました。

受信機は、焦点にセレン細胞を備えた放物面鏡でした。フランクリンスクールの屋根から1325 'L'ストリートのベルの実験室まで行われた、これは世界初の正式な無線電話通信（実験室から離れた場所）であり、少なくとも19最初の音声電波送信の数年先。ベルとテインターがグラフォフォンの開発に進むために研究を終える前に、彼らは光電話用の光ビームを変調および復調する約50の異なる方法を考案しました。

受け入れと採用

電話自体はまだ目新しいものであり、ラジオは商業化から何十年も離れていました。フォトフォンの未来型のコミュニケーションに対する社会的抵抗は、1880年8月のニューヨークタイムズの解説で見ることができます。

普通の人は...太陽光線がどのように使用されるかを理解するのが少し難しいでしょう。ベル教授は、ボストンとケンブリッジをつなぐつもりですか...電信柱に掛けられた太陽光線と、もしそうなら、太陽光線はどのくらいの直径になるか....それらを天候から絶縁する必要がありますか？ ..（一般の人々が）12番の太陽光線を肩につけて通りを通り、ポールからポールへとつるすのを見るまで、ベル教授のフォトフォンについて何かがあるのではないかという一般的な感覚があります。人間の信用に対する多大な負担。

しかし、1880年2月のブレイクスルーの時点で、ベルはその成果を非常に誇りに思っていたため、妻のメイベルベルに微妙に落胆させられた新しい次女「フォトフォン」に名前を付けたくなりました。 、ニックネームとして「デイジー」を使用）。彼はやや熱心に書いた：

私は日光による明瞭なスピーチを聞いたことがあります！太陽の光が笑い、咳をして歌うのを聞いたことがあります！ ...私は影を聞くことができ、太陽の円盤を横切る雲の通過を耳で知覚しました。あなたはフォトフォンの祖父であり、私の成功に喜びを共有したいと思います。

ベルは1880年5月にフォトフォンの知的財産権をアメリカのベル電話会社に譲渡しました。ベルは、新しいフォトフォンが海の船で使用できることを望み、忙しい街の通りに沿って咲く過剰な電話回線を移動させることを望んでいましたが、雲、霧、雨、雪など、光の伝送を簡単に妨害する可能性のある屋外の干渉から伝送を保護できませんでした。天候や光の不足などの要因により、ベルの発明は使用できませんでした。ベルシステム内の発明研究所は、高価な従来の電話回線を補完または交換できることを期待して、フォトフォンの改良を続けました。その初期の非実験的使用は、第一次世界大戦および第二次世界大戦中に軍事通信システムで発生しました。その主な利点は、その光ベースの送信が敵に傍受されないことです。

ベルは、人工光源、星、黒点のスペクトル分析におけるフォトフォンの科学的使用の可能性を熟考しました。彼は後にその可能な将来のアプリケーションについても推測しましたが、レーザーまたは光ファイバー通信のいずれも予想していませんでした。

この発明の将来がどうなるか想像してみてください！....導線なしで、目に見える距離まで光で話すことができます。...一般的な科学では、発見は単なる夢ではないフォトフォンによって行われます。今。

さらなる開発

ベル電話の研究者はベルとテイターの設計にいくつかのささやかな漸進的な改善を加えましたが、マルコーニの無線伝送は1897年には早くもフォトフォンの最大範囲をはるかに超え始めました。 20世紀の。

ドイツの物理学者エルンスト・ルーマーは、改良されたセレン細胞の感度の向上と、HTサイモン教授の「スピーキングアーク」の優れた受信能力を組み合わせることで、フォトフォンがより長い信号距離で実用的になると信じていました。ルーマーは、1901年から1902年にかけてハヴェル川とヴァンゼー湖で一連の実験的な送信を行いました。彼は15キロメートル（9マイル）の良好な条件下で送信距離を達成し、昼も夜も同様に成功したと報告しました。彼は1904年までベルリン周辺で実験を続け、ドイツ海軍は送信に使用する強力なサーチライトを供給しました。

ドイツのSiemens＆Halske Companyは、約8キロメートル（5.0マイル）の有効範囲を提供する電流変調カーボンアークランプを利用して、フォトフォンの範囲を拡大しました。彼らはドイツ海軍向けに商業的にユニットを生産し、音声変調船のサーチライトを使用して射程を11キロメートル（6.8マイル）に拡大するようにさらに適合させました。

第一次世界大戦中の英国海軍の研究により、1916年に振動ミラー変調器が開発されました。赤外線放射に対する感度も高い、より感度の高いモリブデナイトレシーバーセルが1917年に古いセレンセルに取って代わりました。ベルのシステムの技術的改善について。

1935年までに、ドイツのカールツァイス社は、ドイツ軍の戦車大隊用の赤外線フォトフォンの生産を開始しました。これは、振動ミラーまたはプリズムで変調される赤外線フィルター付きのタングステンランプを採用しています。これらはまた、硫化鉛検出器セルとアンプを採用した受信機を使用し、最適な条件下でその範囲を14キロメートル（8.7マイル）に拡大しました。日本軍とイタリア軍も、1945年以前に同様の光通信の開発を試みました。

米国のものを含むいくつかの軍事研究所は、1950年代までフォトフォンの研究開発努力を続け、500から2,000ワットの電力の高圧蒸気および水銀アークランプを実験しました。

記念日

アレクサンダーグラハムベルの生誕100周年である1947年3月3日、電話の開拓者は、ベルとサムナーテイターが最初の正式な裁判に使用したフランクリンスクールの建物の側面に歴史的マーカーを捧げました。距離。テインターは元々、校舎の屋根の上に立ち、研究室の窓からベルに伝わりました。マーカーは、Tainterの科学的および工学的貢献を認めませんでした。

1980年2月19日、ベルとテインターの実験室での最初のフォトフォン送信のちょうど100年後、スミソニアン研究所、ナショナルジオグラフィック協会、AT＆Tのベルラボのスタッフがベルの旧1325 'L'ストリートヴォルタの場所に集まりましたイベントの記念のためのワシントンDCの実験室。

フォトフォンセンテナリーの記念は、電子研究者兼ライターのフォレストM.ミムズによって最初に提案されました。フォレストM.ミムズは、発明者の孫であるメルビルベルグロブナー博士に提案しました。歴史的なグループ分けは、ベルとテインターのモデルと同様に機能するミムスの手作りデモンストレーションフォトフォンを使用して、フォトフォンの最初の成功したラボ伝送の100周年を後に観察しました。

Mimsはまた、100ヤード（91 m）の光ファイバーで接続された最新の携帯型バッテリー駆動LEDトランシーバーを構築および提供しました。ベル研究所のリチャード・ガンドラッハとスミソニアンのエリオット・シボウィッチは、記念にこのデバイスを使用して、フォトフォンの現代の子孫の1人を示しました。ナショナルジオグラフィックソサエティーは、エクスプローラーホールに特別な教育展示も設置し、スミソニアン協会から借りたオリジナルのアイテムでフォトフォンの発明を強調しました。