Лабораторна робота 3

ПРОЕКЦІЙНІ ЗАСОБИ НАВЧАННЯ

Мета роботи: ознайомлення з історією розвитку проекційних засобів навчання.

Обладнання: діапроектори “Етюд-2С”, “Супутник”,,,Пеленг 500К”, графопроектор “Лектор- 2000”.

Теоретичні відомості

Історичний розвиток презентаційних засобів навчання, у яких втілено принцип наочності, розпочався з засобів статичної проекції.

Проекційний апарат (проектор) (від латинського projicio — кидаю вперед) — оптико-механічний прилад для проектування на екран збільшених зображень різних об'єктів.

Перший проекційний апарат (чарівний ліхтар) створений у середині XVII століття. У 1659 році його науковий опис дав голландський фізик Хр. Гюйгенс, а популяризував його німецький вчений чернець Опанас Кирхер в своїй книзі «Велике мистецтво світла і тіні» (1671). У 1848 році у Філадельфії братами Лангенхейм фотографічним шляхом виготовлені діапозитиви для проекційного ліхтаря. У 1858 році в Петербурзі в публічній аудиторії читалися загальнодоступні лекції з демонстрацією матеріалів за допомогою “Чарівного ліхтаря”. Кадри відеозображень з частотою, що змінюються. Більше 16 кадрів в секунду сприймаються людиною як безперервний процес.

"Чарівний ліхтар"(рис. 1) – проекційний апарат для показу слайдів, який складається з дерев'яного або металевого корпусу з отвором або об'єктивом. У корпусі розміщене джерело світла (у XVII столітті – свічка або лампада, пізніше –

Рис. 1. Чарівний ліхтар з діапозитивами.

електрична лампа). Зображення (слайди) нанесені на пластини з скла в металевому, дерев'яному або картонному обрамленні, проектуються на екран через оптичну систему і отвір у фронтальній частині апарата. Джерело світла посилене за допомогою рефлектора (рис.2).

Рис. 2. Чарівний ліхтар (схема).

Технічні засоби статичної проекції доцільно використовувати тоді, коли предмет вивчення вимагає тривалого пояснення.

Статичною проекцією називається одержання на екрані нерухомого оптичного зображення предмета за допомогою джерела світла й оптичної системи. За оптичною схемою реалізації проекції існують два основні види статичної проекції – діапроекція і епіапроекція.

Діапроекцією називається формування зображення шляхом пропускання світлових променів крізь предмет, який проецюють, та фокусування його на екрані. Оптична схема подана на рис.3, зовнішний вигяд діапроектора – на рис.4.

Рис. 3. Оптична схема діапроекції

Джерело світла 2 випромінює світлові промені, що розповсюджуються в усіх напрямках. Світлові промені від джерела світла, а також відбиті дзеркальним відбивачем 1, проходять крізь конденсор 3, проецюючий об’єкт 4 і проекційний об’єктив 5 та утворюють на екрані 6 оптичне зображення. Іноді між конденсором і об’єктом розміщують тепловий фільтр, що складається з пластини, виготовленої з особливого скла, який затримує теплові (інфрачервоні) промені, зберігаючи плівку діафільму від пошкодження. Джерелом світла в проекційних апаратах є спеціальна електрична лампа накалювання – проекційна лампа.

Дзеркальний відбивач (рефлектор) (від лат. reflecto) – загинаю, повертаю) – ввігнуте сферичне дзеркало для відбивання світлових променів з метою збільшення яскравості зображення.

Конденсор (від лат. condensо – ущільнюю, згущаю) – оптична система (система лінз), що збирає промені, які випромінюються проекційною лампою, і забезпечує рівномірне освітлення об’єкта проекції. У проекційних апаратах зустрічаються конденсори, що складаються з двох і трьох лінз різного діаметра і кривизни поверхні.

Вентилятор призначений для охолодження проекційної лампи, яка під час роботи нагрівається, і носія інформації, який теж нагрівається і може покоробитись.

Проекційний об’єктив (від лат. objectus – предмет) – оптична система лінз для одержання на екрані збільшеного, різкого, дійсного зображення предмета. Головні характеристики об’єктивів: фокусна відстань, роздільна здатність, відносний отвір та ін.

Проекційна лампа, дзеркальний відбивач, конденсор та об’єктив утворюють освітлювально-проекційну систему проекційного апарата.

Апарати, що виконують діапроекцію, називаються діапроекторами. Предмети проекції – це діапозитиви (слайди) та кадри діафільмів. Діапроекція дає змогу проектувати тільки прозорі предмети.

Рис. 4. Діапроектор «Супутник»

Епіпроекція – це проецювання на екран об’єктивів (малюнків, фотокарток, схем тощо), виконаних на непрозорій основі. Схему епіпроекції подано на рис. 5

Рис. 5. Оптична схема епіроекції

На непрозорий об’єкт 3 (позначено стрілкою ВА) направляють світловий потік від джерела світла 2 і дзеркального відбивача 1. Цей потік відбивається від непрозорого об’єкта, потрапляє на плоске дзеркало 4, влаштоване під кутом 45˚ до площини предметного столика, і крізь проекційний об’єктив 5 потрапляє на екран. Отже, оптичне зображення (В′А′) на екрані утворюється відбитим і розсіюваним світловим потоком цього об’єкта. Проекційні апарати для епіпроекції називаються епіпроекторами.

Різновидом діапроекції є графопроекція або кодопроекція – процес діапрпоекії та креслення на транспаранті, що здійснюються водночас (оверхед-проекція) (рис. 6).

Рис.6.Оптична схема кодопроектора:

1- рефлектор

2- джерело світла

3- теплофільтр

4- лінза Френеля

5- об'єктив з дзеркалом

6- екран

На рис.7 подано зовнішний вигляд оверхед-проектора.

Рис. 7. Будова оверхед-проектора «ЗМ»:

1 – оптична система; 2 – дзеркало; 3 – ручка наведення різкості; 4 – стійка об'єктива; 5 – гвинт кріплення; 6 – кришка; 7 – власник кронштейна; 8 – ручка; 9 – кнопка; 10 – предметний столик; 11 – вимикач; 12 – робоче скло; 13 – корпус.

Носіями інформації є великоформатні діапозитиви, які називають транспарантами, що проектуються на екран за допомогою графопроекторів.

Діапозитивами називають позитивне зображення предмета, виконане на прозорій основі.

Носіями інформації є великоформатні діапозитиви, які називають транспарантами, що проектуються на екран за допомогою графопроекторів.

Діапозитивом називають позитивне зображення предмета, виконане на прозорій основі.

Діафільм – це серія діапозитивів, об’єднаних сюжетом і надрукованих на єдиній кіноплівці. Може супроводжуватись текстом у кадрах.

Фактори, які впливають на яскравість зображення, створеного на екрані діапроектором:

– величина світлового потоку проекційного апарата;

– інтегральна прозорість об’єкта проекції;

– розмір кадрового вікна рамки;

– світлосила об’єктива;

– коефіцієнт відбиття екрана;

– напруга живлення проекційної лампи;

– інтегральний коефіцієнт відбиття об’єкта проекції;

– якість об’єктива;

– розмір зображення на екрані;

– рівень затемнення приміщення.

Наступним кроком розвитку проекційних засобів навчання сталала поява кінопроекційних апаратів буз звукового супроводу, а згодом із звуковим супроводом (наявність звукової доріжки із магнітною або оптичною фонограмою), наприклад, кінопроектор «Радуга-2» (рис.8). Поява цих технічних засобів дозволила розширити дидактичні функції ТЗН шляхом відображення природних процесів та об‘єктів у розвитку, динаміці та їх моделей.

Рис. 8. Кінопроектор «Радуга»

Кіноефект (стробоскопічний ефект ), що створювала кінопаратура, ґрунтувався на двох видах пап‘яті: пам‘яті зору та асоціативній пам‘яті.

Поняття стробоскопічного ефекту. Око має форму яблука, внутрішня поверхня якого заслана особливою тонкою плівкою – сітчастою оболонкою, яка має велику кількість дрібних тілець, кожне з яких з'єднане тонкою ниточкою нерва з центральним зоровим нервом і далі – з мозком. Одні з цих тілець (короткі) називаються "колбочками", а другі (довші) – "паличками". Колбочки в основному реагують на колір світлового променя, що проникає в око, а палички — на яскравість чи ступінь освітлення. У паличках і колбочках під дією променів світла створюється особливе подразнення, яке по нервах передається в мозок і сприймається свідомістю людини як почуття світла. Ступінь подразнення, яке передається мозку окремими паличками чи колбочками, залежить від сили світла та його кольору, що діє на кожну з них. Отже, в нашому оці світловий малюнок складається з великої кількості подразнень паличок і колбочок. Якщо шматочок розжареного вугілля прив'язати до дротини і швидко обертати в темному приміщенні, то людина бачитиме не світлу вуглинку, а коло, яке світиться. Пояснюється це тим, що під дією променів світла, які падають на палички і колбочки сітчатки ока, в їх хімічному складі відбуваються фотохімічні реакції. Речовина, що наповнює палички і колбочки, розкладається і виділяє нові речовини, які й подразнюють відповідні нерви. Після того, як світло, що потрапляло в око, зникне, в паличках і колбочках відбувається зворотна реакція, і подразнення відповідних нервів зникне. Процес відновлення хімічного складу паличок і колбочок відбувається не миттю, а триває при середній освітленості від 1/30 до 1/7 секунди. Цим і пояснюється здатність ока зберігати деякий час (від 1/30 до 1/7 сек.) зображення предмета після його зникнення. Ця властивість ока зберігати деякий час зорове уявлення, створене раніше на його сітчатці, називається "пам'яттю зору".

Ефект видимого руху при зміні кадрів, що зображують різні фази руху, називається стробоскопічним.

У момент зміни кадрів світловий промінь перетинається непрозорою заслінкою - обтюратором, тобто екран затемнюється 24 рази за секунду. що глядачі сприймають як неприємне мерехтіння. Щоб зробити момент затемнення непомітним, екран перекривається на кожному кадрі двічі, тобто 48 разів за секунду, для чого обтюратори кінопроекторів мають дві заслонки (крила).

Поява обладнання із мікропроцесорним устаткуванням дозволило спроектувати відповідні апарати на засадах мультимедійних технологій – мультимедійні відеопроектори. Перші такі прилади були побудовані на CRT-технології та аналоговій обробці сигналу. Робота пізніших мультимедійних проекторів ґрунтувалася на цифровій обробці сигналу.

Розглянемо базові технології мультимедійних проекторів

Сьогодні в різних країнах світу розроблено основні технології проектування на екран проекційного зображення за допомогою мультимедійних проекторів:

– CRT – Cathode Ray Tube (катодно-променева трубка);

– LCD – Liquid Crystal Display (рідиннокристалічний дисплей просвітного типу);

– D-ILA – Direct Drive Image Light Amplifier (рідиннокристалічна матриця відбиваючого типу);

– DLP – Digital Light Processing (цифрова обробка світла).

Мультимедійний CRT - проектор (рис. 9) має три електронно-променевих трубки з розміром екрану від 7 до 9 дюймів по діагоналі, кожна з яких відтворює один з базових кольорів – червоний, зелений або синій. Усі трубки мають спеціальні модулятори.

Рис. 9. Мультимедійний CRT-проектор

Принцип роботи CRT - проектора. Вхідний відеосигнал надходить на катод відповідної катодно-променевої трубки. Кольорові складові, які виділяються з вхідного сигналу, керують роботою модуляторів відповідних трубок, змінюючи при цьому інтенсивність електронного променя, який під дією магнітного поля відхиляючої системи сканує внутрішню поверхню екрана трубки з фосфорним покриттям.

Таким чином, на екрані катодно-променевої трубки формується зображення одного кольору. За допомогою об’єктива проектора воно проектується на зовнішній екран, де змішується з проекціями від двох інших трубок, і на екрані ми отримуємо повноцінне кольорове, яскраве і збільшене зображення.

Мультимедійний LCD - проектор (рис. 10)

У мультимедійному проекторі, який виконаний за технологією LCD (рис. 10), функції формування зображення виконує LCD-матриця просвітлювального типу. За принципом дії такі проектори нагадують звичайні діапроектори з тією різницею, що зображення, яке проектується на екран, формується при проходженні світлового потоку, створюваного лампою, не через слайд, а через рідкокристалічну панель.

Рис. 10. Мультимедійний проектор EPSON-S72

Рідкокристалічна LCD-панель – це прямокутний масив з двох скляних пластин, на які нанесені орієнтаційні полімерні плівки й розміщені електроди з напівпрозорого оксиду індію. На поверхню полімерної плівки нанесені борозни. Між пластинами розташовані рідкі кристали, молекули яких орієнтуються в необхідному напрямку за рахунок борозен на плівці.

На скляних пластинах знаходяться також поляризаційні фільтри, які відсікають світло будь-якої поляризації, крім заданої. Молекули рідких кристалів мають властивість змінювати поляризацію світла, яке через них проходить, лише тоді, коли промінь світла, що падає проходить уздовж (паралельно) до головної осі.

Сучасні LCD-проектори виконуються на базі трьох полісиліконових рідкокристалічних матриць, які мають розміри від 0,7 до 1,9 дюйма по діагоналі. Структурна схема такого проектора вміщена на рис. 8. Кожна з панелей (матриць) призначена для забезпечення передачі одного з трьох кольорів – червоного, зеленого і синього.

Рис. 11. Структурна схема мультимедійного LCD-проектора

Переваги LCD-технологій полягають:

– гарна насиченість кольорів;

– наявність прозорого (білого) сектора для підсилення яскравості;

– точна передача кольорів;

– забезпечення чіткого зображення;

– висока яскравість зображення;

– підходить для великих екранів.

Недоліки LCD-технологій є такими:

– зображення спостерігається як через сітку;

– недостатньо виражені чорний колір і контрастність;

– більш високий рівень шуму;

– обов’язкове активне охолодження;

– швидке старіння матриць;

– велика вартість лампи.

За LCD-технологіями випускають такі моделі мультимедійних проекторів: Epson EMP-765; Sony VPL-CX-20; Sony VPL-CS-20.

Мультимедійний D-ILA - проектор (рис. 12)

D-ILA - технологія, як і LCD-технологія, базується на властивості рідких кристалів. Проте, замість звичайних просвітлювальних матриць на основі аморфного або полікристалічного кремнію в D - ILA-проекторах для формування зображення використовуються прилади відбиваючого типу.

У матриці D - ILA-проектора світломодулюючий рідкокристалічний шар розташований над підкладкою з монокристалічного кремнію, на який фотографічним способом сформовані керуючі пікселями електроди, що одночасно виконують функції відбиваючих елементів.

У D - ILA-проекторі майже вся схема управління матрицею розміщується безпосередньо у підкладці. Матриці D - ILA простіші і при менших розмірах можуть мати досить високу роздільну здатність.

Рис.12. Мультимедійний D-ILA - проектор

Більшість D - ILA-проекторів базується на матриці з роздільною здатністю 1365 1024 пікселів, мають світловий потік від 1000 до 7000 лм. Вони важчі й дорожчі, ніж LCD-проектори.

Розглянемо більш детально матрицю D - ILA-проектора, структура якої показана на рис.13. Це багатошарова структура, яка розміщена на підкладці з монокристалічного кремнію. Усі компоненти схеми управління знаходяться за світломодулюючим шаром рідких кристалів. Це дозволяє значно збільшити густину розміщення пікселів, розміри яких можуть складати лише декілька мікрон і забезпечити високу ефективність використання площі кристала.

Рис. 13. Схематичне зображення матриці мультимедійного

D - ILA-проектора

Перевагою технології D - ILA є також можливість формування світломодулюючого шару і схеми управління в ході єдиного технологічного процесу. Відбиваючі властивості матриці визначаються станом шару рідких кристалів, який змінюється під дією змінної електричної напруги, яка формується між відбиваючими піксельними електродами і загальним для всіх пікселів прозорим електродом. D - ILA-матриці витримують значне підвищення температури, що дозволяє застосовувати потужні джерела світла.

D - ILA-проектор має три матриці, кожна з яких формує червоний, зелений або синій колір. Такий проектор демонструє високої якості зображення, на якому практично непомітна піксельна структура. Оптична схема D - ILA-проектора показана на рис. 14. Основна різниця між принципом роботи LCD-проектора та D - ILA-проектора полягає в тому, що в першому випадку зображення, яке формувалось у матриці, просвічується, а в другому випадку – відбивається.

Рис. 14. Оптична схема мультимедійного D - ILA-проектора

D-ILA-проектори мають такі переваги:

– висока яскравість;

– демонстрування на великому екрані;

– ідеальна геометрія;

– легке настроювання і простота у використанні.

Мультимедійний DLP - проектор (рис. 15)

DLP (Digital Light Processing) – цифрова обробка світла. При застосуванні DLP-технології формування зображення відбувається за допомогою цифрового мікродзеркального пристрою DMD.

Рис. 15. Мультимедійний DLР - проектор BENQ/

DMD - кристал (матриця) (Digital Micromirror Device) представляє собою кремнієву пластину, на поверхні якої розміщено більше 500 000 керованих мікродзеркал розміром по 16 мікрон кожне, на якому формується зображення. Одне мікродзеркало відповідає одному пікселю. Кожне дзеркало може займати два положення. В одному положенні дзеркало спрямовує світло в оптичну систему проектора, при цьому вмикається піксель, який відповідає цьому дзеркалу. У другому положенні дзеркало спрямовує світло на світлопоглинач, при цьому піксель, який відповідає цьому дзеркалу, вимикається.

Світло надходить на дзеркала вже поділеним на основні кольори – червоний, зелений і синій. Використовується по 256 відтінків кожного кольору, які задаються тривалістю експозиції пікселя протягом одного циклу роботи DMD (рис. 16).

Рис. 16. Принцип формування зображення за допомогою DMD-матриці

Є три різновиди DLP-систем: з однією, двома і трьома DMD-матрицями. Основна різниця між ними полягає у способі поділу світла на основні кольори. Розглянемо DLP - ситему з однією DMD - матрицею (рис. 17).Для виділення основних кольорів використовується світлофільтр, який обертається з частотою 60 обертів за секунду. Він поділений на три сектори: червоний, зелений і синій. Для формування кожного основного відтінку пікселя відводиться третина робочого циклу DMD. Ці відтінки від кожного дзеркала почергово проектуються в одну і ту ж точку екрана.

Рис. 17. Структурна схема DLP-проектора з однією DMD-матрицею

Принцип роботи DLP - технології. Розглянемо на прикладі роботи однокристалічного DLP-проектора (рис.17). Вхідний сигнал від джерела відеоінформації надходить до DMD-матриці, в якій відбуваються відповідні перетворення, вихідні дані записуються в статичну оперативну пам’ять DMD-кристала.

Світло від лампи надходить через фокусуючі лінзи на обертаюче кольорове колесо (світлофільтр), яке складається з червоного, зеленого і синього фільтрів. Кольорове колесо і вхідний сигнал зв’язані між собою. Якщо, наприклад, світло проходить через синій фільтр, то дзеркала відхиляються на кут +10 градусів, тоді відповідний піксель містить синій колір. Тривалість фіксації дзеркала в такому положенні визначає яскравість відповідного пікселя.

Якщо в задану точку екрана в певний момент необхідно проектувати будь-який колір, крім чорного, то мікродзеркало залишається нерухомим і відбиває світло в об’єктив проектора, а потім на екран. Якщо піксель повинен бути чорним, то мікродзеркало «вимикається» (відхиляється на кут +10 градусів у вертикальній площині) і відбиває промінь не в об’єктив, а в «пастку», що гасить. Управління мікродзеркалами здійснюється електричними імпульсами за допомогою контролера.

Таким чином, кожне мікродзеркало у відповідний момент направляє через об’єктив на екран відповідне кольорове зображення. Швидкість обертання кольорового колеса (світлофільтра) така, що зміст екрана поновлюється 120 разів за секунду. Завдяки цьому зміна елементів зображення на екрані абсолютно непомітна для людського ока, ми бачимо на екрані чітке, яскраве і повнокольорове зображення.

Переваги DLP - проекторів:

– довговічність DMD-матриць;

– висока яскравість;

– невеликий рівень шуму;

– демонстрування на великий екран;

– мала вага;

– простота настроювання і використання.

Більшість мультимедійних проекторів, які сьогодні випускаються у різних країнах світу, конструюються на базових технологіях LCD і DLP.

Дата добавления: 2015-08-18