Теоретичні відомості

ПРАКТИЧНА 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.

Кодоскоп «LECH-3» (рис. 8) призначений для демонстрування стандартних транспарантів (144х105мм), малюнків, схем та інших зображень на прозорому матеріалі (склі, плівці тощо).

Елементи проекційно-освітлювальної системи (рефлектор, конденсор і плоске дзеркало), а також вентилятор для охолодження проекційної лампи розташовані у металевому корпусі. Проекційний об’єктив 3 закріплено на кронштейні 2 над скляним предметним столиком 6. Чіткість зображення досягається поворотом гвинта 5.

Кодоскоп використовують для демонстрування стандартних транспарантів. Основна перевага цього приладу при демонструванні набору транспарантів полягає у тому, що зображення на екрані можна відтворювати поетапно, а потім порівнювати їх. Фільтр 4 захищає очі демонстратора від потужного пучка світла проекційної лампи.

Рис. 8. Кодоскоп «LECH-3»: 1 – корпус; 2 – кронштейн; 3 – об’єктив; 4 – захисний фільтр; 5 – гвинт; 6 – предметний столик; 7 – вимикач проекційної лампи; 8 – вимикач електродвигуна вентилятора.

Якщо прилад використовують у режимі класної оптичної дошки, то на предметний столик кладуть форматну плівку, на якій виконують необхідні записи, креслення, арифметичні дії тощо, а прилад відтворює їх на екрані. Можна відтворювати на екрані і зображення, які виготовлені на рулонній плівці завширшки 150 мм. Під час роботи цю плівку поступово перемотують з одного ролика на інший.

Кодоскоп має значні переваги у порівнянні із друкованими таблицями і різноманітними схемами. Учитель має можливість під час заняття змінювати зміст зображення (наприклад, нанесенням відповідних елементів на плівці за допомогою фломастера, маркера або спеціального олівця).

У минулому промисловість випускала графопроектори «ППЛ» та «Лектор–2000». Завдяки великому світловому потоку (Ф=2000 лм) їх доцільно використовувати не лише на уроках, а й під час проведення позакласних заходів.

Розміри статичних зображень залежать від конструктивних параметрів об’єктива, зокрема фокусної відстані, а також від відстані між апаратом і екраном.

Фокусна відстань F – це відстань між оптичним центром лінзи й точкою на оптичній вісі, в якій перетинаються промені, що паралельним пучком падають на збиральну лінзу.

Відносний отвір – це відношення діаметра діючого отвору до фокусної відстані: d/F.

Розмір зображення для конкретної відстані між екраном і проектором обчислюється за формулою: В/b = L/F, де В – ширина зображення; b – ширина кадрового вікна проектора; L – відстань між екраном і проектором; F – фокусна відстань об’єктива.

Необхідно пам’ятати, що чим менша фокусна відстань об’єктива і чим більша відстань між проекційним апаратом і екраном, тим більших розмірів зображення предмета на екрані можна отримати. Але при цьому освітленість екрана буде суттєво зменшуватися. Для досягнення потрібного розміру зображення на екрані корисно завчасно відтворити демонстрацію.

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 стала поява кінопроекційних апаратів буз звукового супроводу, а згодом із звуковим супроводом (наявність звукової доріжки із магнітною або оптичною фонограмою), наприклад, кінопроектор «Радуга-2» (рис. 9). Поява цих технічних засобів дозволила розширити дидактичні функції ТЗН шляхом відображення природних процесів та об‘єктів у розвитку, динаміці та їх моделей.

Рис. 9. 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. 10) 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. 10. 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. 11)

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. 11. 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. 12. Кожна з панелей (матриць) призначена для забезпечення передачі одного з трьох кольорів – червоного, зеленого і синього.

Рис. 12. 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. 13)

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.13. 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.14. 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. 14. Схематичне зображення матриці мультимедійного