フォトフォン

フォトフォンは、光線で音声を送信できる通信装置である。1880年2月19日、ワシントンD.C.の1325 Lストリートにあるベルの研究所で、アレクサンダー・グラハム・ベルと助手のチャールズ・サムナー・テインターによって共同発明された^{[1] [2]。2}人は後に、ベルが設立し資金提供したボルタ研究所協会の正会員となった。

1880年6月3日、ベルの助手がフランクリン学校の屋上から、約213メートル（約700フィート）離れたベルの研究室の窓に無線音声電話メッセージを送信した。^{[3] [4] [5] [6]}

ベルは、写真電話が彼の最も重要な発明であると信じていました。ベルの名だけで与えられた18の特許と、共同研究者と共有した12の特許のうち、4つは写真電話に関するものでした。ベルは写真電話を「最大の功績」と呼び、死の直前に記者に写真電話は「私がこれまでに作った中で最も偉大な発明であり、電話よりも偉大だ」と語っています。^{[7] [8]}

フォトフォンは、1980年代から世界中で普及した光ファイバー通信システムの先駆けでした。 ^{[9] [10] [11]}フォトフォンの基本特許（米国特許235,199 信号および通信装置、通称フォトフォン）は、その原理が実用化される何十年も前の 1880年12月に発行されました。 ^[5]

フォトフォンは当時の電話機と似ていましたが、電話機が導電線回路で運ばれる変調電気に依存していたのに対し、フォトフォンは無線送信の手段として変調光を使用していました。

ベル自身の光変調器の説明：^[12]

この効果を生み出す最も単純な装置は、柔軟な素材でできた平面鏡で、その背面に話者の声が向けられるというものであることがわかりました。声の作用により、鏡は交互に凸面と凹面になり、交互に光を散乱させたり集光したりします。

したがって、受信機の位置から観察される反射光線の明るさは、鏡に作用する空気圧（音波）の可聴周波数の変化に応じて変化します。

初期の形態では、フォトフォン受信機も非電子的で、光音響効果を利用していた。ベルは、多くの物質が直接光から音への変換器として使用できることを発見した。ランプの黒色は傑出していることが判明した。完全に変調された太陽光線をテスト信号として使用し、ランプの黒色のみを使用した実験的な受信機設計は、ベルが装置に耳を近づけたときに「痛いほど大きい」と表現した音を発した。^[13]

究極の電子形式では、フォトフォン受信機は、放物面鏡の焦点にある単純なセレン電池 光検出器を使用していました。 ^[5]電池の電気抵抗（約100〜300オーム）は、セルに当たる光に反比例して変化しました。つまり、薄暗いときは抵抗が高くなり、明るいときは低くなります。セレン電池は、バッテリー、電磁イヤホン、可変抵抗がすべて直列に接続された通常の電話の回路で、可変抵抗デバイスでもあるカーボンマイクの代わりとなりました。セレンは回路を流れる電流を調整し、電流はイヤホンによって空気圧の変化、つまり音に変換されました。

1880年8月のアメリカ科学振興協会での演説で、ベルは1878年秋にロンドンのACブラウン氏が光による音声伝送を初めて実証した功績を認めた。^{[5] [14]}

この装置は放射エネルギーを使用していたため、フランスの科学者アーネスト・メルカディエは、この発明は「フォトフォン」ではなく「ラジオフォン」と名付けるべきだと提案した。これは、その鏡が目に見えない赤外線帯域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である。^[15]ベルはしばらくこの名前を使用していたが、後に発明された電波を使用する「ラジオフォン」と混同しないようにする必要がある。^[16]

ベルは、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たとき、1878年4月25日にネイチャー誌に掲載されたロバート・サビーヌの論文で、光の作用を受けると抵抗が変化するというセレンの新発見の特性について読んだと思われる。実験では、サビーヌはメーターを使って、電池に接続された回路に接続されたセレンに作用する光の効果を調べた。しかし、ベルは、同じ回路に電話の受話器を追加すれば、サビーヌには見えていた音を聞くことができると考えた。^[17]

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ある新興のベル電話会社の製造部門の監督者として多忙だったため、ベルは、 1874年の米国金星通過委員会に配属されていた機器製作者のチャールズ・サムナー・テインターを、ワシントンのLストリートにある新しい研究所に週給15ドルで雇った。^[18]

1880年2月19日、2人は新しい研究室で、ダイヤフラムに金属格子を取り付け、話し声に反応して格子が動くことで光線が遮られる、機能的なフォトフォンを製作することに成功した。変調された光線がセレン受信機に当たると、ヘッドフォンをつけたベルは、テイナーが歌う『オール・ラング・サイン』をはっきりと聞くことができた。^[19]

1880年4月1日、ワシントンDCで行われた実験で、ベルとテインターは、研究室の裏窓までの路地を通って約79メートル（259フィート）の距離で通信を行った。その後、数か月後の6月21日、彼らは、実用的な電気照明がエジソンによって米国に導入されたばかりであったにもかかわらず、直射日光を光源として約213メートル（約700フィート）の距離で明瞭に通信することに成功した。後者の実験の送信機は、伝声管の端に置かれた非常に薄い鏡の表面で反射した太陽光を利用した。言葉を話すと、鏡は凸面と凹面の間で振動し、表面から受信機に反射される光の量が変化する。フランクリン学校の屋上にいたテインターは、研究室で聞いていたベルに話しかけ、ベルは、頼まれていたように窓から帽子を激しく振ってテインターに合図を返した。^[6]

受信機は焦点にセレン電池を置いた放物面鏡だった。 ^[5]フランクリン学校の屋上からベルの研究所（1325 'L' ストリート）まで伝送されたこの通信は、世界初の正式な無線電話通信（研究所外）となり、フォトフォンは世界最古の音声無線電話システムとなった^{[要出典] 。これは最初の音声による電波送信より少なくとも19年も先んじていた。ベルとテインターは}グラフォフォンの開発に移るための研究を終える前に、光電話用に光線を変調および復調する約50種類の方法を考案していた。^[20]

電話自体がまだ目新しいものであり、ラジオが商業化されるまでには数十年かかりました。フォトフォンの未来的な通信手段に対する社会的な抵抗は、1880年8月のニューヨークタイムズの論説に見ることができます。^{[21] [22]}

一般の人には、太陽光線がどのように使用されるのか理解するのは少々難しいでしょう。ベル教授は、ボストンとケンブリッジを電信柱に吊るした太陽光線で結ぶつもりなのでしょうか。もしそうなら、太陽光線の直径はどれくらいでしょうか。天候から太陽光線を遮断する必要があるでしょうか。12番太陽光線のコイルを肩に担ぎ、電柱から電柱へと吊るした男が通りを歩いているのを（一般の人々が）目にするまでは、ベル教授の写真電話には、人間の信じやすさに多大な負担をかける何かがあるという一般的な感覚が生まれるでしょう。

しかし、1880年2月に画期的な成果を上げた当時、ベルはこの業績を非常に誇りに思っており、生まれたばかりの次女に「フォトフォン」という名前をつけたいと考えていたが、妻のメイベル・ベルはそれを微妙に思いとどまらせた（代わりに「マリアン」という名前を選び、彼女のニックネームは「デイジー」だった）。^[23]彼はやや熱心に次のように書いている。^{[4] [24]}

私は日光による明瞭な会話を聞きました！ 太陽の光が笑ったり、咳をしたり、歌ったりするのを聞きました！ ...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感知することさえできました。 あなたはフォトフォンの祖父であり、私は自分の成功の喜びを分かち合いたいと思っています。

— アレクサンダー・グラハム・ベル、父アレクサンダー・メルヴィル・ベルに宛てた手紙、1880年2月26日

ベルは1880年5月に写真電話機の知的財産権をアメリカのベル電話会社に譲渡した。 ^[25]ベルは新しい写真電話機が海上の船舶で使用でき、また混雑した都市の大通りに沿って張り巡らされていた無数の電話線に取って代わることを期待していたが、^[26]彼の設計では、光の送信を簡単に妨害する雲、霧、雨、雪などの屋外の干渉から送信を保護することができなかった。 ^[27]天候や光不足などの要因により、ベルの発明品の使用は妨げられた。^[28]発明後間もなく、ベルシステム内の研究所は、高価な従来の電話線を補完または置き換えることができるという希望を抱いて、写真電話機の改良を続けた。実験以外の目的で最初に使用されたのは、第一次世界大戦と第二次世界大戦中の軍事通信システムであり、光ベースの送信は敵に傍受されないという主な利点があった。

ベルは、人工光源、恒星、太陽黒点のスペクトル分析におけるフォトフォンの科学的利用の可能性について考えていた。後に彼は、レーザーや光ファイバー通信への応用を予想していなかったものの、フォトフォンの将来の応用についても推測した。^[24]

この発明の将来がどうなるかを想像できますか!... 導線を使わずに、目に見える距離であればどこでも光で会話することができます... 科学全般において、フォトフォンによって、現在では夢にも思わなかった発見がなされるでしょう。

ベル電話の研究者たちはベルとテインターの設計にいくつかの控えめな改良を加えたが、マルコーニの無線通信は1897年にはすでに光電話の最大範囲をはるかに超え始めていた^[8]ため、光電話のさらなる開発は20世紀初頭にドイツとオーストリアの実験が始まるまでほとんど停止していた。

ドイツの物理学者エルンスト・ルーマーは、改良したセレン電池の感度向上と、H・T・シモン教授の「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、より長距離の信号伝送に実用的なフォトフォンが実現できると考えていた。ルーマーは、 1901年から1902年にかけて、ハーフェル川沿いとヴァンゼー湖で一連の実験的送信を行った。彼は、良好な条件下で15キロメートル（9マイル）の送信距離を達成したと報告した。^[30]昼夜を問わず、同様に成功した。彼は、送信に使用するために高出力のサーチライトを提供したドイツ海軍と協力して、1904年までベルリン周辺で実験を続けた。^[31]

ドイツのシーメンス・ハルスケ社は、電流変調カーボンアークランプを使用してフォトフォンの有効範囲を約8キロメートル（5.0マイル）まで拡大しました。同社はドイツ海軍向けにユニットを商業的に生産し、音声変調船舶サーチライトを使用して範囲を11キロメートル（6.8マイル）まで拡大しました。^[5]

第一次世界大戦中の英国海軍本部の研究により、1916年に振動ミラー変調器が開発されました。 1917年には、より感度が高く、赤外線に対する感度も高いモリブデン石受信セルが、古いセレンセルに取って代わりました。 ^[5]米国政府とドイツ政府もベルのシステムの技術的改良に取り組みました。^[32]

1935年までに、ドイツのカールツァイス社は、振動鏡やプリズムで変調された赤外線フィルターを備えたタングステンランプを採用した、ドイツ軍の戦車大隊向けの赤外線写真電話の製造を開始した。これらはまた、硫化鉛検出器セルと増幅器を採用した受信機を使用し、最適な条件下では範囲を14キロメートル（8.7マイル）まで拡大した。日本軍とイタリア軍も1945年以前に同様の光波通信の開発を試みた。^[5]

アメリカ合衆国を含むいくつかの軍事研究所は1950年代まで写真電話の研究開発を続け、500～2,000ワットの高圧蒸気灯や水銀アークランプを使った実験を行った。^[5]

1947 年 3 月 3 日、アレクサンダー グラハム ベルの生誕100 周年に、アメリカ電話パイオニア協会は、建物の 1 つであるフランクリン スクールの側面に歴史標識を奉納しました。この建物は、ベルとサムナー テインターがかなりの距離を伴う最初の正式な試験に使用した場所です。テインターは当初、学校の屋上に立って、研究室の窓からベルに通信していました。標識には、テインターの科学および工学への貢献は記されていませんでした。^{[独自の研究? ]}

1980年2月19日、ベルとテインターが研究室で初めて写真電話による通信を行ってからちょうど100年後に、スミソニアン協会、ナショナルジオグラフィック協会、AT&Tベル研究所のスタッフがワシントンDCの1325 'L'ストリートにあったベルの旧ボルタ研究所の場所に集まり、この出来事を記念した。^{[11] [33]}

フォトフォン100周年記念は、電子工学研究者で作家のフォレスト・M・ミムズが最初に提案したもので、彼はナショナルジオグラフィック協会のオフィスを訪れた際に、発明者の孫であるメルヴィル・ベル・グロブナー博士に提案した。この歴史的なグループは後に、ミムズが手作りしたデモ用フォトフォン（ベルとテインターのモデルに似た機能を持つ）を使用して、フォトフォンの最初の実験室送信成功の100周年を記念した。^{[20] [注1]}

ミムズはまた、 100ヤード（91メートル）の光ファイバーで接続された、現代の携帯型電池式LEDトランシーバー一組を製作し提供した。ベル研究所のリチャード・ガンドラックとスミソニアン博物館のエリオット・シボウィッチは、記念式典でこの装置を使用して、フォトフォンの現代の子孫の1つを実演した。ナショナルジオグラフィック協会はまた、エクスプローラーズホールで特別な教育展示を行い、スミソニアン協会から借りたオリジナルの品々を使ってフォトフォンの発明を強調した。^[34]

脚注

引用

文献

• クリス・ロングとマイク・グロスの光オーディオ通信ウェブページ
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• 1880年8月27日、ボストンで開催されたアメリカ科学振興協会でのベルの演説。この演説でベルは論文「光による音の生成と再生について：フォトフォン」を発表しました。
• 長距離大気光通信、Chris Long と Mike Groth (VK7MJ) 著
• 電話と写真電話: グラハム・ベルの間接的な貢献 (1880–1895 (フランス語))