Ueber die Anwendung des polarisirten Lichtes in der optischen Telegraphie für militärische Zwecke. Mit Abbildungen. Anwendung des polarisirten Lichtes in der optischen Telegraphie. Die neuesten Untersuchungen des Ingenieurs Raoul Ellie, vormaligen Zöglings der École centrale, sind der Gegenstand eines ausführlichen Berichtes im Génie civil, 1889 S. 6, dem wir in Folgendem das Wichtigste entnehmen. Der heutzutage am häufigsten in Anwendung kommende optische Telegraph für mittlere oder gröſsere Entfernungen besteht im Wesentlichen aus einer im Brennpunkte einer Objectivlinse oder eines Hohlspiegels angeordneten Lichtquelle. Ein mit dem Instrumente verbundenes Fernrohr dient zum Richten des Lichtsignals auf die Station, mit welcher man sich in telegraphische Verbindung zu setzen wünscht, und zugleich zum Beobachten der von dieser Station gegebenen Zeichen. Das Signal selbst ist nur in dem Orte des konjugirten Bildes der Lichtquelle sichtbar. Bringt man die Lichtquelle in geeignetem Abstande von einer Linse oder zwei planconvexen Linsen an, so lassen sich die von ihr ausgehenden Strahlen im Brennpunkte des Objectivs vereinigen. Das von dieser Stelle ausstrahlende Lichtbündel läſst sich so ansehen, als käme es aus der Lichtquelle selbst, die man nun mit Hilfe eines Diaphragmas abgrenzen kann. Die Signale bestehen aus Lichtblitzen und langen oder kurzen Verdunkelungen, welche dadurch hervorgebracht werden, daſs man die Lichtstrahlen mit Hilfe eines beweglichen Schirmes längere oder kürzere Zeit unterbricht. Ein kurzer Lichtblitz entspricht dem Punkte, ein längerer Lichtblitz dem Striche des Morse'schen Alphabetes. Im Uebrigen sind für die optische Zeichengebung folgende Regeln eingeführt: 1) Ein Strich ist gleich vier Punkten. 2) Der Raum zwischen zwei Signalen, welche einen Buchstaben oder eine Ziffer bilden, ist gleich einem Punkte. 3) Der Raum zwischen zwei Buchstaben eines Wortes oder zwei Ziffern einer Zahl entspricht vier Punkten oder einem Striche. 4) Der Raum zwischen zwei Worten oder zwei Zahlen entspricht acht Punkten oder zwei Strichen. Der Signalempfänger schlieſst aus dem Unterschiede in der Dauer der Lichtblitze und Verdunkelungen auf den signalisirten Buchstaben des Alphabetes. Die Signale müssen, um sie leicht von einander unterscheiden zu können, rasch und taktmäſsig dargestellt werden. Die Schirmvorrichtung ist daher bei dem Apparate ohne Beleuchtungslinse so nahe wie möglich an der Lichtquelle, bei dem Apparate mit Beleuchtungslinse sehr nahe am Brennpunkte des Objektivs anzubringen. Ein Apparat der letzteren Art läſst einen kleinen und leichten Schirm zu und gestattet daher ein sehr schnelles Signalisiren. Allein diese Schnelligkeit hat eine Grenze, welche von der Dauer des Lichteindrucks im Auge abhängt. Würde man zu schnell signalisiren, so würden die Eindrücke der Lichtblitze in einander verschwimmen. Nach Mangin sollte das Maximum der Geschwindigkeit die Hälfte der bei der elektrischen Telegraphie erreichbaren Geschwindigkeit nicht übersteigen. Bei Anwendung der Polarisation für die Zwecke der optischen Telegraphie hat Ellie darauf Bedacht genommen, die Transmissionsgeschwindigkeit durch gleichzeitige Hervorbringung der Signalelemente eines Buchstabens zu erhöhen. Sein Apparat kann Licht entsenden, welches in einer wagerechten oder senkrechten Ebene polarisirt ist, sowie auch natürliches Licht. Als Empfangsapparat bedient man sich eines Fernrohrs, welches ein Rochon'sches Prisma als Analyseur enthält. Bei einem polarisirten Signal kann man den Rochon so anordnen, daſs man nur ein einziges Signal rechts oder links wahrnimmt, während man mit natürlichem Lichte ein Signal doppelt sieht. Man kann also nach Ellie drei elementare Signale erzeugen und z.B. den Punkt des Morse'schen Alphabetes durch das Signal links, den Strich durch das Doppelsignal, und die Trennung der Buchstaben durch das Signal rechts darstellen. Es scheint leichter zu sein, die Signale der Lage als der Zeitdauer nach zu unterscheiden. Jedenfalls erfordert die von der Zeit unabhängige Manipulation, wobei nur drei Tasten niederzudrücken sind, keine besondere Uebung, und geht auf diese Weise die Signalisirung rascher als mit dem gewöhnlichen Apparate vor sich. Die nachstehende Figur dient zur Veranschaulichung des Ellie'schen Systemes. S ist die Lichtquelle, E die Beleuchtungslinse, O die Objectivlinse. Zwischen diesen sind zu beiden Seiten ihres gemeinschaftlichen Brennpunktes S1 zwei isländische Doppelspathe J und J1 von gleicher Dicke und gleichem Hauptschnitte in umgekehrter Lage angeordnet. Ein von der Linse E herkommender Lichtstrahl (Strahlenbündel) wird durch den Doppelspath J in zwei senkrecht zu einander polarisirte Strahlen zerlegt. Der ordentliche Strahl bleibt in der Hauptachse: er ist in der Ebene des Hauptschnittes – dieselbe mag hier wagerecht angenommen werden – polarisirt, der auſserordentliche Strahl wird seitwärts abgelenkt. Diese Ablenkung ist aber nicht für alle Farben des Spectrums die gleiche. Für die gelben Strahlen ist ihr Werth = e . tang 6° 13' 42'', wenn e die Dicke des Doppelspaths und 6° 13' 42'' den Ablenkungswinkel der Achse des Strahlenkegels im Späth bezeichnet. Uebrigens ist dieser Strahl in der auf dem Hauptschnitte senkrechten Ebene polarisirt. Aber der zweite Doppelspath J1 führt denselben in die Achse des Apparates zurück, so daſs er mit dem gewöhnlichen Strahle zusammenfällt und nun beide Strahlen in geometrischem Sinne auf gleiche Weise wirken: sie haben augenscheinlich den nämlichen virtuellen Brennpunkt in S3. Textabbildung Bd. 273, S. 199 Es ist nun möglich, in S1 und S2 zwei kleine Schirme anzubringen, welche den einen oder den anderen Strahl, oder beide zusammen, äquivalent einem Strahle natürlichen Lichtes, durchlassen werden. Die Apparate haben daher drei Tasten, wovon die beiden äuſseren die zwei Schirme, jeden für sich allein, bewegen, während die mittlere ihnen eine gemeinschaftliche Bewegung ertheilt. Es empfiehlt sich, ein mit zwei Oeffnungen durchbohrtes verschiebbares Diaphragma in S1 und S2 anzubringen, mit dessen Hilfe sich, wenn man es wünscht, das Sichtbarkeitsfeld abgrenzen läſst. Dasselbe ist unerläſslich, wenn man sich des Sonnenlichtes bedient) und dient auf alle Fälle zur Regulirung. Mit dieser Anordnung ist man im Stande, zwei Depeschen gleichzeitig in der nämlichen Richtung abzusenden. Jeder der beiden Telegraphirenden bedient sich alsdann nur einer Taste und läſst immer eines und dasselbe Strahlenbündel spielen. Auf der Empfangsstation hat jeder der beiden Beobachter ein Fernrohr, dessen Analyseur ein einziges Bild gibt. Aber beide Analyseurs sind so angeordnet, daſs der eine Beobachter die von dem anderen empfangenen Signale nicht wahrnimmt. Ein Uebelstand haftet an der Anwendung der Polarisation, besonders mit zwei Doppelspathen, nämlich die erhebliche Schwächung der specifischen Lichtstärke im Vergleiche mit einem gewöhnlichen Apparate, als Folge der Reflexion des Lichtes beim Durchgange durch die beiden Krystalle. Die Verdoppelung vermindert gleichfalls bei Entsendung eines einzigen Strahles die Intensität des von dem Objectiv ausstrahlenden Lichtes um die Hälfte. Diesem lieſse sich durch Benützung einer intensiveren Lichtquelle, statt der Erdöllampe z.B. einer elektrischen Lampe, abhelfen. Bei Anwendung der Doppelspathe müssen die Bilder S1 und S2 der Lichtquelle hinreichenden Abstand von einander haben, so daſs sie sich nicht, auch nicht zum Theil, vermischen. Die Gröſse dieser Bilder muſs zu der sphärischen Aberration der Objectivlinse in richtigem Verhältnisse stehen. Das kleinste der von Ellie angewendeten Objective ist eine planconvexe Linse von 16cm Durchmesser und 44cm Brennweite für die centralen Strahlen. Bei Anwendung homogenen Lichtes – um die ganze Linsenfläche auszunützen – muſs für diesen Durchmesser der kleinste Durchmesser des Bildes der als ebene Fläche angenommenen Lichtquelle gleich sein dem Durchmesser des Schnittes des Randstrahlenkegels mit der kaustischen Fläche. Für obiges Objectiv beträgt derselbe ungefähr 1mm,5. Bei weiſsem Lichte ist dieser Werth, um der Abweichung der Brechbarkeit Rechnung zu tragen, bis zu ungefähr 2mm,5 zu vergröſsern. Hieraus leitet man die den Doppelspathen zu gebende Dicke ab: e=\frac{2,5}{tang\,6^{\circ}\,13'\,42''}=23^{mm}. Bei einem ähnlichen und gröſseren Objectiv bedarf es verhältniſsmäſsig gröſserer Doppelspathe. Es gibt indessen wegen der Seltenheit und Kostspieligkeit groſser Exemplare eine Grenze, welche nicht überschritten werden kann. In diesem Falle wäre die Wahl eines Objectivs von sehr geringer sphärischer Abweichung, z.B. Mangin's Reflectorlinse, vorzuziehen. Aber selbst bei Anwendung eines vollkommenen optischen Systems würde die Einschaltung von Doppelspathen Abweichungen hervorrufen. Zieht man zunächst nur das homogene Licht in Betracht, so zeigt es sich, daſs hauptsächlich der auſserordentliche Strahl merkbare Aenderungen erleidet. So verwandelt sich z.B. die Kegelfläche der Randstrahlen in eine Fläche ziemlich complexer Natur. Es dürfte wohl genügen, die Längsabweichungen für diejenigen Strahlen zu berechnen, welche den Krystall in der Ebene des Hauptschnittes, und für diejenigen, welche ihn in der auf letzterer senkrechten Ebene durchlaufen, indem man den Brennpunkt der gewöhnlichen Centralstrahlen als Fixpunkt betrachtet. Es bezeichne: e die Dicke des Doppelspathes, i den halben Winkel an der Kegelspitze der einfallenden Randstrahlen; a und b die Geschwindigkeiten des ordentlichen und des auſserordentlichen Strahls, wenn die Einfallsebene senkrecht, a1 und b1 die Geschwindigkeiten, wenn sie parallel zur Hauptachse des Krystalls ist. Für die der Linie D des Sonnenspectrums entsprechende Lichtgattung findet man a = 0,60297, b = 0,67273; ε = 45° 23' 20'' der Winkel, welchen die Achse des Krystalls mit der Eintrittsfläche bildet; ε1, bestimmt durch die Gleichung tang\,\varepsilon^1=-\frac{b^2}{a^2\,tang\,\varepsilon}\,tang\,50^{\circ}\,50'\,22''; R Ablenkungswinkel der Achse des conischen Strahlenbündels im Doppelspath, bestimmt durch die Relation tang\,R=\frac{(b^2-a^2)\,tang\,\varepsilon}{a^2\,tang\,\varepsilon+b^2} woraus R = 6° 13' 42'' für die Linie D. a_1=\frac{a\,b}{\sqrt{a^2\,sin^2\,\varepsilon+b^2\,cos^2\,\varepsilon}}=0,63545 b_1=\frac{a\,b}{\sqrt{a^2\,sin^2\,\varepsilon^1+b^2\,cos^2\,\varepsilon^1}}=0,64211 Nimmt man für die Dicke des Spathes obigen Werth e = 23mm und den Winkel i = 10°, so ergibt sich, indem man die Abstände auf der Seite der Beleuchtungslinse als positiv bezeichnet: Abstand der Centralstrahlen und der ordentlichen Randstrahlen: e\,\left[\frac{a\,sin\,i}{tang\,i\,\sqrt{1-a^2sin\,i}}-a\right]=-0^{mm},135; Abstand in der Richtung der Achse des Apparates: der ordentlichen und auſserordentlichen Centralstrahlen im Hauptschnitte: e\,\left[\frac{{a_1}^2}{b_1\,cos\,R}-a\right]=+0^{mm},682; der ordentlichen und auſserordentlichen Centralstrahlen in dem zum Hauptschnitte senkrechten Schnitte: e\,\left[\frac{b^2}{b_1\,cos\,R}-a\right]=+2^{mm},438; der ordentlichen Centralstrahlen und der auſserordentlichen Randstrahlen im Hauptschnitte: e\,\left[\frac{{a_1}^2\,sin\,i}{b_1\,tang\,i\,cos\,R\,\sqrt{1-{a_1}^2\,sin^2\,i}}-a\right]=+0^{mm},549; der ordentlichen Centralstrahlen und der auſserordentlichen Randstrahlen in dem zum Hauptschnitte senkrechten Schnitte: e\,\left[\frac{b^2\,sin\,i}{b_1\,tang\,i\,cos\,R\,\sqrt{1-b^2\,sin^2\,i}}-a\right]=+2^{mm},300. Man kann indessen., ohne sich mit der vollständigen Untersuchung des Querschnittes der auſserordentlichen Fläche zu befassen, nach den vorstehenden Resultaten voraussehen, daſs dieser Schnitt in senkrechtem Sinne in die Länge gezogen ist, wenn die schneidende Ebene dem Brennpunkte der ordentlichen Strahlen nahe liegt. Näher der Beleuchtungslinse wird das Bild eines Punktes rund; dann verlängert es sich in wagerechtem Sinne, während zugleich das ordentliche Bild nach allen Richtungen sich erweitert. Es ist aber von Belang, daſs die ordentlichen Strahlen auf dem Diaphragma zu einem klaren Bilde sich vereinigen, damit das auſserordentliche Bild sich nicht allzusehr erweitere. Der zweite Späth verdoppelt diese Abweichungen. Diese Ergebnisse finden auf experimentellem Wege ihre Bestätigung, wenn man sich einer achromatischen Beleuchtungslinse bedient und die Lichtquelle in hinreichender Entfernung anbringt. Es gibt auch chromatische, im Verhältnisse zu den genannten jedoch nur schwache Abweichungen. Für die den Linien C und F des Sonnenspectrums entsprechenden Lichtgattungen z.B. läſst sich R leicht berechnen. Für C erhält man R = 6° 5' 50'', für F ergibt sich R = 6° 23' 22''. Die transversalen Abstände der entsprechenden Brennpunkte bezüglich der Achse des Apparates sind 2mm,5101 und 2mm,5789. Unterschied = 0mm,0688, stets unter der Annahme, daſs e = 23mm. Es wurde endlich angenommen, sämmtliche Strahlen des polarisirten Lichtbündels seien in der nämlichen Ebene polarisirt, was jedoch nicht streng genau ist. Wie gering übrigens diese Ursache des Verlustes ist, davon kann man sich überzeugen, wenn man aus hinreichender Entfernung das Objectiv mit einem Rochon'schen Fernrohr betrachtet. Eines der Bilder des Objectivs erscheint alsdann sehr lichtschwach und sogar von einem schwarzen Kreuz durchzogen. Der Glanz eines polarisirten Signals ist ohne Analyseur halb so groſs als der eines Doppelsignals. Mit Rochon's Prisma haben alle Signale den gleichen Glanz. Aber es ist leicht, den Hintergrund halb so lichthell zu machen, wodurch die relative Sichtbarkeit ungefähr dieselbe wird wie mit einem gewöhnlichen Apparate. Zu diesem Zwecke braucht man nur im Brennpunkte der Objectivlinse ein Diaphragma mit kleiner Oeffnung anzubringen. Zwischen diesem und dem Ocular schaltet man das Rochon'sche Prisma ein. Man sieht alsdann zwei Bilder der Oeffnung, welche aber nicht über einander greifen dürfen. Die Helligkeit des Hintergrundes ist dabei nur halb so groſs als ohne Diaphragma, während das polarisirte Signal die absolute Lichtstärke beibehält, wodurch es deutlicher sichtbar ist. Bei Nacht müſste man das Diaphragma schwach beleuchten, etwa mit Hilfe eines in der Nähe angebrachten und auf galvanischem Wege glühend gemachten Platindrahtes. Ellie hat mit den in Rede stehenden Apparaten im September 1887 mehrere Versuche angestellt, wozu er sich des Sonnenlichtes bediente. Ein Versuch mit beiden Apparaten auf 5km Entfernung gelang sehr gut. Dank der Intensität der Lichtquelle wirkte das Signal auf das Auge beinahe blendend. Man konnte es beobachten, indem man einfach den Rochon vor das Auge brachte. Der entscheidendste Versuch wurde auf 20km Entfernung angestellt. In neuester Zeit bedient sich Ellie einer Erdöllampe. Auf 5km Entfernung ist das Signal dem bloſsen Auge nicht sichtbar, durch ein Fernrohr mit 20facher Vergröſserung jedoch leicht zu unterscheiden. Es verdient hervorgehoben zu werden, daſs das Geheimniſs der Correspondenz jedem gegenüber, der nicht im Besitze eines Rochon ist, gewahrt bleibt; und hierin liegt auch hauptsächlich der Grund, warum das Prinzip der Polarisation in der optischen Telegraphie für militärische Zwecke eingeführt ist. Es läſst sich allerdings nicht in Abrede stellen; daſs der entsendete Lichtstrahl in Folge von Reflexionen wohl die Hälfte seiner Intensität einbüſst, dagegen aber ist zu bemerken, daſs der Analyseur den Glanz des Hintergrundes um die Hälfte vermindert, während das Signal selbst nur sehr wenig geschwächt wird.