Проектор для прозрачных изображений

Введение

Устройство, проецирующее прозрачное изображение

Вверхпроектор (часто сокращенно OHP), подобно фильмо- или слайд-проектору, использует свет для проецирования увеличенного изображения на экран, позволяя большому количеству людей видеть небольшой документ или изображение. Вверхпроектор использует в качестве источника изображения прозрачную пластиковую пленку (также известную как "диапозитивы", "пленки для проектора" или "транспаренции") с изображением, нанесенным печатью или написанным/нарисованным от руки. Эти прозрачные листы помещаются на стеклянную платформу проектора, который имеет источник света под ней и систему зеркал и линз для проецирования над ней (отсюда и название "вверхпроектор"). Они широко использовались в образовании и бизнесе до появления видеопроекторов.

Оптическая система

Верхний проектор работает по тому же принципу, что и слайд-проектор, в котором фокусирующая линза проецирует свет с освещенной пленки на проекционный экран, где формируется реальное изображение. Однако некоторые различия обусловлены значительно большим размером используемых прозрачных листов (обычно размером с печатную страницу) и требованием, чтобы лист располагался лицевой стороной вверх (и был читаемым для докладчика). Для этого проектор включает зеркало непосредственно перед или после фокусирующей линзы, чтобы изменить направление оптической системы в горизонтальной плоскости. Это зеркало также переворачивает изображение, чтобы изображение, проецируемое на экран, соответствовало тому, что видит докладчик, глядя на лист сверху, а не его зеркальному отражению. Поэтому прозрачный лист помещается лицевой стороной вверх (в сторону зеркала и фокусирующей линзы), в отличие от слайд-проектора или кинопроектора на 35-мм пленке (в которых нет такого зеркала), где изображение слайда не переворачивается на стороне, противоположной фокусирующей линзе. Родственным изобретением для увеличения прозрачных изображений является солнечная камера. Непрозрачный проектор, или эпископ, – это устройство, которое отображает непрозрачные материалы, направляя на объект яркий свет сверху. Эпископ следует отличать от диаскопа, который используется для проецирования изображений прозрачных объектов (таких как пленки или слайды), и от эпидископа, который способен проецировать изображения как непрозрачных, так и прозрачных объектов.

Конденсатор

Поскольку фокусирующая линза (обычно диаметром менее чем ...) значительно меньше, чем прозрачная пленка, ключевую роль играет оптический конденсор, который освещает эту пленку. Для этого требуется большая оптическая линза (как минимум размером с прозрачную пленку), однако она может быть невысокого оптического качества (поскольку четкость изображения от нее не зависит), поэтому используется линза Френеля. Линза Френеля располагается на стеклянной пластине (или является ее частью), на которой помещена прозрачная пленка, и служит для перенаправления большей части света, попадающего на нее, в сходящийся конус, направленный на фокусирующую линзу. Без такого конденсора большая часть света не попала бы на фокусирующую линзу (либо фокусирующая линза должна была бы быть очень большой и чрезмерно дорогой). Дополнительно, зеркала или другие конденсирующие элементы, расположенные под линзой Френеля, служат для увеличения доли светового потока лампы, достигающей линзы Френеля. Для обеспечения достаточной яркости изображения на экране используется мощная лампа, которая часто требует принудительного воздушного охлаждения.

Настройка фокуса

Оверхед-проекторы обычно оснащены механизмом ручной фокусировки, который поднимает и опускает положение фокусирующей линзы (включая откидное зеркало) для регулировки расстояния до объекта (оптического расстояния между слайдом и линзой) с целью фокусировки на выбранном расстоянии изображения (расстоянии до экрана проекции) при заданном фиксированном фокусном расстоянии фокусирующей линзы. Это обеспечивает диапазон расстояний проекции. Увеличение (или уменьшение) расстояния проекции увеличивает (или уменьшает) увеличение системы фокусировки, чтобы соответствовать используемому экрану проекции (или иногда просто учитывать конфигурацию помещения). Увеличение расстояния до экрана также означает, что тот же объем света распределяется по большей площади, что приводит к более тусклому изображению. При изменении расстояния проекции необходимо повторно настроить фокусировку для получения четкого изображения. Однако конденсирующая оптика (линза Френеля) оптимизирована для одного конкретного вертикального положения линзы, соответствующего определенному расстоянию проекции. Поэтому, при фокусировке на значительно отличающемся расстоянии проекции, часть светового конуса, проецируемого линзой Френеля на фокусирующую линзу, не попадает в эту линзу. Это наиболее заметно на внешних краях проецируемого изображения, поэтому обычно можно увидеть синюю или коричневую окантовку по краю экрана при фокусировке на предельных значениях. Использование проектора вблизи рекомендованного расстояния проекции позволяет установить положение фокусировки, при котором этого удается избежать, и обеспечить примерно равномерную яркость по всему экрану.

Источник освещения

Технология ламп в воздушных проекторах, как правило, значительно проще по сравнению с современными видеопроекторами с ЖК-дисплеем или DLP. Большинство воздушных проекторов используют галогенную лампу очень высокой мощности, потребляющую до 750 или 1000 Вт. Для предотвращения перегрева и плавления лампы требуется мощный вентилятор, который часто включается по таймеру и продолжает работать некоторое время после выключения света. Кроме того, интенсивное тепло ускоряет выход из строя лампы высокой интенсивности, приводя к ее перегоранию менее чем за 100 часов, что требует замены – часто самой дорогостоящей части обслуживания проектора. В отличие от этого, современные ЖК- или DLP-проекторы обычно используют лампы сверхвысокой производительности, обладающие более высокой светоотдачей и рассчитанные на тысячи часов работы. Недостатком данной технологии является время прогрева, необходимое для таких ламп. В старых воздушных проекторах использовалась трубчатая кварцевая лампа, устанавливаемая над полированным отражателем в форме чаши. Однако, поскольку лампа располагалась над и вне отражателя, значительная часть света рассеивалась в стороны внутри корпуса проектора, теряясь впустую, что требовало использования более мощной лампы для обеспечения достаточной яркости изображения на экране. В более современных воздушных проекторах применяется интегрированная конструкция, состоящая из лампы и конического отражателя, позволяющая разместить лампу глубоко внутри отражателя и направить большую часть светового потока к линзе Френеля. Это позволяет использовать лампу меньшей мощности при той же яркости изображения. Полезным нововведением для воздушных проекторов с интегрированными лампами и отражателями является система управления двумя лампами с функцией быстрой замены, позволяющая установить два источника света в подвижных патронах. В случае выхода из строя одной лампы во время презентации, докладчик может просто переключить рычаг, чтобы ввести в работу запасную лампу и продолжить презентацию, не открывая проекционный блок и не дожидаясь остывания перегоревшей лампы.

История

Некоторые древние проекторы, такие как волшебный фонарь, можно рассматривать как предшественников проектора с просветкой. Стеганографическое зеркало, возможно, было ближе всего к принципу использования проектора с просветкой. В книге немецкого иезуита Афанасия Кирхера «Ars Magna Lucis et Umbrae» 1645 года содержится описание его изобретения – «стеганографического зеркала»: примитивной системы проекции с фокусирующей линзой и текстом или изображениями, нарисованными на вогнутом зеркале, отражающем солнечный свет, предназначенной главным образом для связи на большие расстояния. В 1654 году бельгийский математик-иезуит Андре Такке использовал технику Кирхера, чтобы продемонстрировать путешествие из Китая в Бельгию итальянского иезуитского миссионера Мартино Мартини. Неизвестно, как именно Такке использовал систему Кирхера, но предполагается, что он рисовал изображения на проекционном зеркале, одновременно объясняя детали путешествия. «Солнечный микроскоп» применялся в ранних фотографических экспериментах с фоточувствительным нитратом серебра Томасом Веджвудом и Хамфри Дэви для получения первых, но недолговечных, увеличенных изображений мельчайших объектов. Французский физик Эдмон Беккерель разработал первый известный аппарат для проекции с просветкой в 1853 году. Он был продемонстрирован французским мастером-инструментальщиком и изобретателем Жюлем Дюбоском в 1866 году. Впоследствии, в 1857 году, балтиморский художник Дэвид Эчесон Вудворд запатентовал солнечную увеличивающую камеру – большой прибор, работающий на открытом воздухе. Она использовала солнечный свет и копирующие линзы для увеличения изображений с небольшого негатива на большую фоточувствительную бумагу или холст. Проектор с просветкой, разработанный американским ученым Генри Мортоном, продавался примерно с 1880 года под названием «вертикальный фонарь». Использование прозрачных листов для проекции с просветкой, называемых виуфолиями или виуграфами, в основном было разработано в Соединенных Штатах. Проекторы с просветкой были внедрены в военную подготовку в США во время Второй мировой войны уже в 1940 году и быстро стали использоваться преподавателями высших учебных заведений, а в течение десятилетия – и в корпорациях. После войны их использовали в учебных заведениях, таких как Военная академия США. Параллельно с разработкой ВМС США усовершенствованного легкого проектора с просветкой была адаптирована технология сухой печати Ozalid, разработанная в Германии в 1923 году, для копирования учебных документов и иллюстраций на прозрачные проекционные листы – процесс, достаточно простой для проведения в полевых условиях и обеспечивающий единообразие учебных материалов. Проекторы с просветкой изначально использовались в работе полиции с целлофановой лентой на 9-дюймовой платформе, позволяя прокручивать черты лица по платформе. С ростом спроса на проекторы в 1953 году была основана компания Buhl Industries, которая стала ведущим американским поставщиком оптических усовершенствований для проектора с просветкой и его проекционной линзы. Проекторы с просветкой начали широко использоваться в школах и на предприятиях в конце 1950-х и начале 1960-х годов, наряду с одновременно разработанными карусельными слайд-проекторами с горизонтально расположенным лотком, производимыми компанией Kodak. В конце 1950-х годов Роджер Аппельдорн получил от своего начальника в 3M задание найти применение прозрачным листам, которые были отходами их цветной копировальной системы. Аппельдорн разработал процесс проекции прозрачных листов, который привел к созданию первой продаваемой прозрачной пленки 3M. База Стратегического Воздушного Командования в Омахе была одним из первых крупных клиентов, использующим около 20 000 листов в месяц. Затем 3M решила разработать собственный проектор с просветкой вместо того, который они продавали до этого, который производился сторонним производителем. Потребовалось несколько прототипов, прежде чем 15 января 1962 года была представлена экономически эффективная, небольшая и складная версия. Она была оснащена новой линзой Френеля, изготовленной из структурированного пластика, намного лучше, чем другие пластиковые линзы, и намного дешевле, чем стекло. В 1957 году первая федеральная программа помощи образованию в Соединенных Штатах стимулировала продажи, которые оставались высокими до конца 1990-х годов и в 21-м веке.

Some ancient projectors like the magic lantern can be regarded as predecessors of the overhead projector. The steganographic mirror possibly came closest to how the overhead projector was used. German Jesuit scholar Athanasius Kircher's 1645 book Ars Magna Lucis et Umbrae included a description of his invention, the "Steganographic Mirror": a primitive projection system with a focusing lens and text or pictures painted on a concave mirror reflecting sunlight, mostly intended for long distance communication. In 1654 Belgian Jesuit mathematician André Tacquet used Kircher's technique to show the journey from China to Belgium of Italian Jesuit missionary Martino Martini. It is unknown how exactly Tacquet used Kircher's system, but it is imagined that he drew pictures on the projecting mirror while details of the journey were explained. The "solar microscope" was employed in early photographic experiments with photosensitive silver nitrate by Thomas Wedgwood and Humphry Davy in making the first, but impermanent, enlargements of minute objects. French physicist Edmond Becquerel developed the first known overhead projection apparatus in 1853. It was demonstrated by French instrument maker and inventor Jules Duboscq in 1866. Subsequently, in 1857 Baltimore painter David Acheson Woodward' patented a solar enlarging camera, a large instrument operated out of doors. It used sunlight and copying lenses for enlargements from a small negative onto large photographically sensitized paper or canvas. An overhead projector designed by American scientist Henry Morton was marketed around 1880 as a "vertical lantern". The use of transparent sheets for overhead projection, called viewfoils or viewgraphs, was largely developed in the United States. Overhead projectors were introduced into U. S. military training during World War II as early as 1940 and were quickly being taken up by tertiary educators, and within the decade they were being used in corporations. After the war they were used at schools like the U. S. Military Academy. Allied to the US Navy development of the improved lightweight overhead projector was its adaptation of the Ozalid dry printing process, developed in Germany in 1923, to copy training documents and illustrations on projection transparencies, a process simple enough to be carried out in the field and which ensured uniformity of instructional material used. Overhead projectors were used early on for police work with a cellophane roll over a 9 inch stage, allowing facial characteristics to be rolled across the stage. As the demand for projectors grew, Buhl Industries was founded in 1953, and became the leading US contributor for several optical refinements for the overhead projector and its projection lens. Overhead projectors began to be widely used in schools and businesses in the late 1950s and early 1960s, beside the contemporaneously developed carousel slide projectors with a horizontally mounted tray manufactured by Kodak. In the late 1950s Roger Appeldorn was challenged by his boss at 3M to find a use for the transparencies that were the waste of their color copy process. Appeldorn developed a process for the projection of transparent sheets that led to 3M's first marketable transparency film. The Strategic Air Command base in Omaha was one of the first big clients, using circa 20,000 sheets per month. 3M then decided to develop their own overhead projector instead of the one they had been selling until then, which was produced by an outside manufacturer. It took several prototypes before a cost effective, small and foldable version could be presented on January 15, 1962. It had a new Fresnel lens made with a structured surface plastic, much better than other plastic lenses and much cheaper than glass. In 1957, the United States' first Federal Aid to Education program stimulated overhead sales which remained high up to the late 1990s and into the 21st Century.

Использование в образовании

До появления компьютерной проекции, проекторы широко использовались в образовании и деловой среде. Проектор с просветной матрицей (overhead projector) создает простую, недорогую и интерактивную среду для преподавателей. Учебные материалы можно предварительно напечатать на прозрачных пластиковых листах, прямо на которых преподаватель может писать нестираемыми, моющимися цветными маркерами. Это экономит время, так как листы можно использовать повторно с уже напечатанным материалом, вместо того чтобы писать все вручную перед каждым занятием. Обычно проектор устанавливается на удобной для письма высоте, позволяя преподавателю обращаться к аудитории и обеспечивая лучшее взаимодействие между студентами и преподавателем. Функция увеличения проектора позволяет преподавателю писать мелким, привычным почерком в естественной позе, а не крупными буквами на доске, постоянно вытягивая руку для письма. Когда лист заполнен записями или рисунками, его можно легко заменить новым листом с предварительно напечатанным материалом, что опять же экономит время по сравнению с необходимостью стирать доску и переписывать учебные материалы. После занятия прозрачные листы легко очищаются мылом и водой, возвращаясь в исходное состояние.

Дисплей с жидкокристаллическим экраном

В начале 1980-х – 1990-х годов накладные проекторы использовались как часть компьютерной системы отображения/проекции в классе. Жидкокристаллическая панель в пластиковой раме устанавливалась поверх накладного проектора и подключалась к видеовыходу компьютера, часто разделяя обычный выход на монитор. Охлаждающий вентилятор в раме ЖК-панели обдувал панель охлажденным воздухом, чтобы предотвратить перегрев, который мог бы привести к помутнению изображения. Первые ЖК-панели были монохромными и могли отображать видеосигнал NTSC, например, с компьютера Apple II или видеомагнитофона. В конце 1980-х годов появились цветные модели, способные отображать «тысячи» цветов (16-битная цветовая палитра) для цветных компьютеров Macintosh и VGA. Дисплеи не отличались высокой скоростью обновления, что приводило к размытию быстро движущихся изображений, но это было приемлемо, когда не было других вариантов. Сообщество энтузиастов-самодельщиков начало использовать эту идею для создания недорогих домашних кинопроекторов. Удаляя корпус и подсветку обычного ЖК-монитора, можно использовать открытый ЖК-экран в сочетании с накладным проектором для проецирования изображения на стену с гораздо меньшими затратами, чем при использовании стандартных ЖК-проекторов. Из-за зеркального отражения изображения в оптической головке проектора, изображение на стене отображается как бы «перевернутым» – таким, каким оно выглядело бы при обычном просмотре ЖК-экрана.

Снижение использования

Верхние проекторы когда-то были привычным оборудованием в большинстве учебных классов и конференц-залов в Соединенных Штатах, но в 2000-х годах их постепенно заменили документ-камеры, специализированные компьютерные проекционные системы и интерактивные доски. Эти системы позволяют докладчику проецировать изображение непосредственно из приложений, таких как Microsoft PowerPoint или LibreOffice, а презентации могут включать анимацию, интерактивные элементы и видеофрагменты. Качество изображения, обеспечиваемое этими системами, обычно выше, чем у верхнего проектора. Отпадает необходимость в печати или копировании цветных прозрачных пленок.