Как правильно установить линзы в проекторе
Поставь ссылку
на этот сайт: 
код HTML
Для получения изображения объекта нам необходим как минимум сам объект и линза (или объектив, состоящий из нескольких линз, но работающий, как одна). Чтобы понять работу проектора, сначала вспомним курс физики. Основное свойство линзы заключается в следующем: все лучи, попадающие в линзу параллельно ее оптической оси, пройдя через линзу, сходятся в одну точку на оптической оси. Эта точка называется фокусом, а расстояние от центра линзы до этой точки — фокусным расстоянием. Верно и обратное: любой луч, проходящий через фокус линзы и попадающий в линзу, покидает ее параллельно оптической оси. Кроме того, любой луч, проходящий через центр линзы, сохраняет свое направление.
Имеем объект O, находящийся за фокусом линзы (F). Чтобы понять ход лучей, нам достаточно рассмотреть две крайние точки объекта (все остальные точки будут подчиняться той же схеме). Кроме того, при геометрическом построении достаточно рассмотреть всего по два луча для каждой точки (пунктирные линии): один проходящий через центр линзы, другой — параллельно оптической оси. Каждая пара лучей, проходящие от объекта через линзу, пересекаются с другой стороны на расстоянии, большем удвоенного фокусного расстояния линзы. При этом все остальные лучи (сплошные линии), исходящие от объекта, пересекутся там же. В месте пересечения лучей и будет сформировано изображение объекта O’, причем изображение будет перевернуто и увеличено. Для того, чтобы его увидеть, нужно в эту точку поместить экран.
Для нашего проектора схема с учетом пропорций компонентов будет иметь примерно следующий вид (пунктирные линии — не реальные лучи, а используются только для геометрического построения) :
Для того, чтобы получить яркое изображение, объект должен излучать свет. В нашем случае объект излучать свет не может, зато в наших силах его подсветить, установив за объектом лампу. В обычных кинопроекторах лампа освещает кинопленку, в нашем случае проецируемым объектом является матрица (панель) от LCD монитора. Подробнее о матрице см. соответствующий раздел.
Для простоты далее будем развивать первую схему, уменьшив размер линзы. Саму линзу будем именовать объективом.
Если просто установить за объектом лампу, получим следующую картину:
Выходит, что в объектив попадает только часть лучей от лампы, проходящих сквозь панель. В итоге на экране мы получим лишь часть изображения. Чтобы этого избежать, используется вторая линза. Размер этой линзы должен быть не меньше размера панели.
Изготовить стеклянную выпуклую линзу такого размера практически нереально, а ее вес исчислялся бы десятками килограмм. Поэтому в проекторе используется плоская линза Френеля. В форуме и на этом сайте используется уменьшительно-ласкательно-жаргонное наименование «френель» (женского рода). Подробнее о линзе Френеля см. следующий раздел. Сейчас нам достаточно знать, что френель плоская, тонкая, но ведет себя, как обычная выпуклая линза. Установив френель между лампой и панелью, получаем вот что:
На этой схеме ход лучей несколько упрощен, подробнее см. в разделе оптика.
Если рассматривать в качестве источника света лампу (любой конструкции), приходится принимать во внимание, что свет излучается ей во все стороны практически равномерно. Наша задача — собрать максимум светового потока на френели. Для этого используются два дополнительных элемента — сферический отражатель и конденсорная линза.
Сферический отражатель устанавливается за лампой и отражает все лучи от лампы обратно. Строго говоря, он формирует зеркальное изображение лампы на самой лампе. Лампа при этом располагается в центре кривизны зеркала, т.е. на расстоянии от поверхности, равном радиусу кривизны сферы. Это расстояние, в свою очередь, равно удвоенному фокусному расстоянию сферического зеркала. При использовании галогенной лампы, где свет излучается непрозрачной нитью, это зеркальное отражение нити частично затеняется самой нитью. При использовании металлогалогенной лампы, в которой свет излучается электрической дугой, эффективность отражателя наиболее высока — лучи проходят от отражателя сквозь дугу, фактически удваивая эффективный световой поток.
В правильности термина «конденсораная линза» я в данном случае не уверен. Кроме этого названия мне еще встречалось «менисковая линза». Если точно знаешь, как правильно, сообщи, исправлю.
Конденсорная линза — это выпукло-вогнутая линза, устанавливаемая между лампой и френелью. Ее форма позволяет захватить более широкий пучок света от лампы (другими словами, увеличить телесный угол светового пучка), увеличивая таким образом яркость. Длина системы при этом также уменьшается. Конденсорные линзы ставятся во многих оверхед-проекторах. Отдельно достать конденсорную линзу довольно сложно.
Все рассматриваемые выше схемы являются, так сказать, линейными, т.е. все компоненты лежат на одной оси. Это наиболее простой, но наименее компактный вариант. Чтобы создать более компактный аппарат, можно использовать зеркала. Причем необходимы зеркала с внешним отражающим слоем, чтобы изображение не двоилось. Вот некоторые варианты использования зеркал:
Вопрос на сообразительность: что напоминает левая схема? Правильно, оверхед-проектор.
Итак, при строительстве проектора главная задача — реализовать одну из вышеуказанных схем. А это значит, что необходимо изготовить корпус, раздобыть объектив, френель, матрицу, лампу, отражатель, конденсорную линзу (если получится), зеркала (если нужно), установить это все в корпус и обеспечить вентиляцию. Ну или не изготавливать корпус, если речь идет об использовании оверхед-проектора.
Источник
Как правильно установить линзы в проекторе
Поставь ссылку
на этот сайт:
код HTML
В предыдущем разделе мы определились, что для освещения нашей LCD панели необходима линза Френеля, или «френель». Линза названа по имени ее изобретателя, французского физика Огюстена Жана Френеля. Первоначально использовалась в маяках. Основное свойство френели в том, что она легкая, плоская и тонкая, но при этом обладает всеми свойствами обычной линзы. Френель состоит из концентрических канавок треугольного профиля. Шаг канавок сопоставим с высотой их профиля. Таким образом, получается, что каждая канавка является как бы частью обычной линзы.
Кое-что о линзах Френеля можно почитать тут.
Нужно отметить, что в проекторе вместо одной френели используется пара. Если тебе попадется френель от оверхед-проектора, обрати внимание, что она с обеих сторон гладкая, т.е. на самом деле состоит из двух френелей, обращенных ребристыми поверхностями друг к другу и склеенных по периметру.
Зачем использовать две френели и можно ли обойтись одной?
Взгляни на схему и все станет ясно.
Если использовать только одну френель, необходимо, чтобы лампа находилась примерно в двойном фокусе. Лучи от лампы будут также сходиться примерно в двойном фокусе. Минимальное фокусное расстояние у доступных френелей составляет 220 мм. Это означает, что конструкцию придется сильно удлинить. Но самое главное — при таком расстоянии от лампы до френели эффективный телесный угол лампы оказывается очень мал.
При использовании 2 френелей от обоих недостатков удается избавиться. Источник света располагается чуть ближе фокусного расстояния от левой френели, а она формирует «мнимый» источник за пределами двойного фокусного расстояния правой френели. После прохождения правой френели лучи будут сходится между фокусом и двойным фокусом.
Вернемся к нашей оптической схеме из предыдущего раздела (имеем в виду, что у нас две френели, хотя нарисована одна):
Помнишь, я говорил, что эта схема упрощена? Если бы все было так, как нарисовано, объектив нам был бы не нужен. Каждый луч от источника света проходил бы через единственную точку френели, затем через единственную точку на матрице и летел бы себе дальше, пока не наткнется на экран и не сформирует на нем точку нужного цвета. Для точечного источника и идеальной матрицы это было бы верно. Теперь добавляем реализма — неточечный источник.
В виду того, что у нас в качестве источника света используется лампа, т.е. светящееся тело вполне определенных, конечных размеров, реальная схема прохождения лучей будет выглядеть следующим образом:
1-й этап построения — левая френель формирует «мнимое изображение» электрической дуги лампы. Оно необходимо нам, чтобы правильно построить ход лучей через правую френель.
2-й этап построения — забываем про наличие левой линзы и строим ход лучей для правой линзы, как если бы «мнимое» изображение было реальным.
3-й этап — отбрасываем все лишнее и объединяем две схемы.
Нетрудно догадаться, что именно в той точке, где формируется изображение дуги лампы, нам и нужно установить объектив. Изображение дуги при этом несет в себе информацию о цвете каждого пикселя матрицы, через которую прошел свет (на рисунке не показана).
Какое фокусное расстояние должно быть у френелей?
Френель, обращенная к лампе (левая, №2), берется максимально короткофокусной для большего угла охвата. Фокусное расстояние другой френели (правой, №1) должно быть на 10-50% меньше фокусного расстояния объектива (1-2 см расстояние от френели до матрицы, сама матрица находится между фокусом и двойным фокусом объектива, в зависимости от расстояния от объектива до экрана). Фактически на рынке наиболее распространены френели с 2 значениями фокусных расстояний: 220 мм и 330 мм.
При выборе фокусного расстояния френелей нужно обращать внимание на тот факт, что, в отличие от обычных линз, френели капризны к углу падения света. Поясню двумя схемами:
Каприз заключается в том, что лучи, падающие на рифленую поверхность френели, должны быть параллельны оптической оси (или иметь минимальное отклонение от нее). В противном случае эти лучи «улетают вникуда». На левой схеме источник света находится приблизительно в фокусе левой линзы, поэтому лучи между линзами идут почти параллельно оптической оси и в итоге сходятся приблизительно в фокусе второй линзы. На правой схеме источник света расположен гораздо ближе фокусного расстояния, поэтому часть лучей попадает на нерабочие поверхности правой линзы. Этот эффект тем больше, чем больше расстояние от фокуса до источника и чем больше диаметр линзы.
1. Линзы должны размещаться рифлеными сторонами друг к другу, а не наоборот.
2. Источник света желательно располагать как можно ближе к фокусу первой линзы, и как следствие:
3. Возможности по перемещению источника света для регулировки точки схождения пучка в объектив ограничены всего несколькими сантиметрами, иначе — потрея яркости картинки по краям и появление муара.
Какого размера должны быть френели?
Френели изначально изготавливаются круглыми. Перед продажей производитель обрезает их до получения прямоугольной формы. Чаще всего френели доступны в виде квадратов со скругленными углами или прямоугольников с соотношением сторон приблизительно 4:3. Размер френелей целиком диктуется размером LCD матрицы. Для полного охвата матицы размеры френели должны превышать размеры матрицы минимум на 15 мм в каждом измерении. Из них по 2,5 мм с каждой стороны уйдет под монтажную рамку. Остальные 5 мм требуются, чтобы компенсировать трапециевидный ход лучей (см. рисунок). Исходя из вышесказанного, следует, что стандартные френели от ОХП размером 285х285 мм, и даже 310х310 мм не покроют матрицу 15″ целиком. Если для тебя это критично, используй бОльшие линзы или меньшую матрицу. Еще вариант — программно уменьшить размер рабочего стола (Windows) так, чтобы он занимал не всю матрицу, а только ее часть, захватываемую френелями. Подробнее об этом разделе Источник изображения.
Из какого материала должны быть френели?
Наиболее доступны в настоящий момент френели из оптического акрила (оргстекла, иначе говоря). Они имеют отличную прозрачность и немного эластичны. Для нашей цели этого достаточно, учитывая, что качество френелей АБСОЛЮТНО НЕ ВЛИЯЕТ на резкость и геометрию картинки (только на яркость).
Как обращаться с френелями?
Исходя из собственного опыта, рекомендую обращаться с френелями особо осторожно.
1. Не оставляй отпечатков пальцев на рифленой стороне френели. Тщательно мой руки с мылом перед любыми операциями над френелями. Лучше всего с момента покупки и до окончания экспериментов обернуть френели полиэтиленовой пленкой для упаковки продуктов.
2. Если отпечатки на рифленой стороне все-таки появились, НЕ ПЫТАЙСЯ их стереть. Никакие моющие средства (в т.ч. средства для мытья окон на основе нашатыря) не помогают, т.к. не проникают достаточно глубоко. Наружные ребра канавок при этом слегка скругляются, а между канавками забиваются частички от салфетки/ваты, используемой для протирки. В итоге френель начинает рассеивать лучи. Лучше оставить с отпечатками. Гладкую сторону протирать можно, но только будучи уверенным, что моющее средство не попадет на рифленую сторону.
3. Следи за температурным режимом. Не допускай нагрева френелей выше 70 градусов. При 90 градусах линзы начинают плыть, а пучок света теряет форму. Лично я запорол один комплект линз из-за этого. Для контроля температуры используй тестер с термопарой. Продается в любом радиомагазине.
Что такое объектив и зачем он нужен, думаю, ты понял. Самое главное правильно его выбрать, а, выбрав, найти, где купить 🙂 Для выбора нам необходимо знать 4 основные характеристики:
В принципе объективом может служит и одна линза, например лупа. Однако чем дальше от центра картинки, тем хуже будет ее качество. Появятся сферические искажения (абберации), хроматические абберации (за счет разных углов преломления лучей различных длин волн белая точка, например, превращается в кусочек радуги), потеря резкости. Поэтому для достижения максимального качества картинки используются ахроматические объективы из 3 или более линз. Такие использовались в эпидиаскопах, старых фотокамерах, аппаратах для аэрофотосъемки и т.п. В оверхед-проекторах также используются трехлинзовые объективы, но такие модели проекторов дороже, чем модели с однолинзовыми объективами.
От фокусного расстояния объектива зависит, на каком расстоянии от исходного объекта (матрицы) его нужно расположить и какого размера изображение на экране ты получишь. Чем больше фокусное расстояние, тем меньше размер экрана, тем дальше от экрана можно разместить проектор, тем длиннее корпус проектора. И наоборот.
Показывает, какого размера исходное изображение может охватить объектив, сохраняя приемлемую яркость, резкость (разрешающую способность) и т.п. «Приемлемое» — понятие растяжимое. Если для аэрофотообъектива в паспорте указан угол зрения, например, 30 градусов, это может означать, что реально он охватит и 50 градусов, но резкость по краям для аэрофотосъемки уже не годится, зато для нашего проектора, где не нужна большая разрешающая способность, вполне подойдет.
Светосила и относительное отверстие
Относительное отверстие, если упрощенно — отношение диаметра объектива к его фокусному расстоянию. Обозначается в виде дроби, например 1:5,6, где 5,6 — «диафрагменное число». Если у нас есть объектив с диаметром внутренней линзы 60 мм и фокусным расстоянием 320 мм, его относительное отверстие будет равно 1:5,3. Чем больше относительное отверстие (меньше диафрагменное число), тем больше светосила объектива — способность передавать яркость объекта — и тем обычно хуже резкость/разрешающая способность.
Каким должно быть относительное отверстие?
Относительное отверстие можно найти, зная диаметр линз и фокусное расстояние. Применительно к нашей оптической схеме можно сказать, что диаметр линз объектива должен быть не меньше размера изображения дуги лампы, формируемого френелями. Иначе часть света лампы будет потеряна.
Тут настало время сделать еще одно уточнение к нашей оптической схеме.
Очевидно, что матрица рассеивает проходящие сквозь нее лучи. Т.е. каждый луч, попадающий на матрицу, выходит из нее уже в виде пучка лучей с различным угловым отклонением. В итоге изображение дуги лампы в плоскости объектива оказывается «расплывчатым», увеличивается в размерах, однако продолжает нести в себе информацию о цветах пикселей матрицы.
Наша задача — собрать это «расплывчатое изображение дуги» объективом полностью.
Отсюда вывод: относительное отверстие объектива должно быть таким, чтобы собрать изображение лампы, но не более того.
Какими должны быть фокусное расстояние и угол зрения?
Эти параметры определяются размером исходного изображения (матрицы), расстояния от объектива до экрана и размером желаемого изображения на экране.
Вот калькулятор для расчетов (содранный с www.opsci.com, слегка адаптированный и переведенный на понятный язык)
Из отечественных объективов есть положительные результаты использования Индустаров 17, 13, 37, а также Уран-12, ОФ-41 и ОР-451. Вот выдержки из таблицы объективов, собранной Arthurka:
Источник
