#2.2.1 从魔法灯笼到投影设备（1600s-1830s）

幻灯是动画和电影技术发展的重要里程碑，虽不是最早的动画投影设备，但它带来了最早使用镜头投影的、可“换片”的动画。

幻灯机是在暗箱和小孔成像的基础上发展出来的，它诞生于17世纪中叶，通常用于教育和娱乐目的，主要构件包括主体机身、光学透镜、光源、幻灯片等。幻灯的名字源于前文提及的“魔法灯笼”，两者在欧洲的主要语言中基本使用同一术语，且都是一种投影设备，加上17世纪中叶有多位发明家同时在进行相关研究，并发明了各自的“幻灯”，导致学界至今仍在辩论幻灯的真正发明者。但人类的科技文明演进本就复杂，每一个新的发明都有赖于众多前人积累的探索成果，正如科学家艾萨克·牛顿（Isaac Newton）的墓志铭所写，“如果我能看得更远，那是因为我站在巨人的肩膀上。”

对于动画技术来说，重要的是幻灯机出现了，且在17世纪便投影了“动画”，随着幻灯机的改进，最终迎来19世纪末世界上第一台公认的动画放映机。

虽然用幻灯投影动画这一概念，在幻灯发明之初便存在，但本节将仅关注幻灯机自身的发明和早期发展，而“幻灯动画”有关的内容将放在下一章中一并讨论。

17世纪

有趣的是，几乎所有和幻灯之诞生有关系的人，或多或少都与荷兰物理学、天文学和数学家克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens，1629-1695）斯有所交集。

• 1622年，克里斯蒂安·惠更斯从德雷尔（Jean De Reaux，约1590–1650）​那里得到过一个盒式暗箱，并对此很感兴趣，也很可能从德雷尔那里学习了透镜研磨技术。
  • 德雷尔是一位活跃于17世纪初的法国光学工匠，精于透镜研磨技术，与克里斯蒂安·惠更斯的父亲康斯坦丁·惠更斯（Constantijn Huygens，1596-1687）相识，他们的交往记录见于惠更斯家族书信，多次涉及光学仪器技术交流，包括早期暗箱设计。

• 1628年，威塞尔在写给安哈尔特亲王（Prince August of Anhalt）的信中描述了一种​房间大小的相机暗箱技术，能够将外部景观投影到室内墙壁或纸上。这种投影技术被认为是 ​幻灯（magic lantern）的早期雏形。
• 约1640年，德国奥格斯堡的光学工匠约翰·威塞尔（Johann Wiesel，生卒不详）制作了一款灯笼，与后来的“格里恩德尔型”幻灯设计有很多相似之处，虽没有确凿证据证明那就是幻灯机，但其继承者在1674年提供了来自同一作坊、被认为是在威塞尔去世后按照原设计继续创作的各种幻灯。
  • Rossell D. (2004). The Origins of the Magic Lantern in Germany. https://www.academia.edu/20378426
  • 惠更斯研究过威塞尔的透镜制造技术和仪器样品
    • 威塞尔发明了一种 ​双透镜显微镜目镜，后被惠更斯采用并推广，被称为 ​​“惠更斯目镜”​​（Huygens eyepiece）。
  • 虽然幻灯的发明通常归功于惠更斯和基歇尔，但威塞尔的技术成就被同时代学者 ​约翰·弗朗茨·格林德尔（Johann Franz Griendel）​​ 和 ​约翰·扎恩（Johann Zahn，1631-1707）等提及，显示他在奥格斯堡光学社群中的影响力。

• 1640-1644年，德国博学者基歇尔（Athanasius Kircher，1601-1680）被认为在这期间展示过一种投影技术，使用蜡烛作为光源并投射到屏幕上。
  • 他在《伟大的光影艺术》（Ars Magna Lucis et Umbrae，1654）中提及一种“隐写镜”，以阳光为光源、使用透镜的原始投影系统，并表示这种设备在尺寸、距离和清晰度方面均有局限性，希望有人能找到改善方法；还提及一种有多个图像围绕在滚筒上，能投影出不同图像的“变形镜”投影系统。
    • Kircher, A. (1645). Ars Magna Lucis et Umbrae.Amstelodami:Apud Joannem Janssonium à Waesberge, & Haerdes Elizaei Weyerstraet, 912-913.

• 约1655年，基歇尔的学生，“西方汉学之父”马蒂诺·马提尼（Martino Martini，汉名卫匡国，1614-1661）从中国传教返回，随后开始在欧洲的巡回讲座。他与安德烈·塔克奎（André Tacquet）一起使用所谓基歇尔的幻灯和玻璃幻灯片，来讲述其中国之旅。但也有说马提尼使用的可能是从中国进口的幻灯。
• 惠更斯和塔克奎是朋友，因此有可能从塔克奎处接触到基歇尔的投影设备并加以改进。

• 1659年，惠更斯在给他兄弟写的信中明确描述到一种设备，以及一些幻灯片手稿，上面用法语写着“通过带灯的凸透镜来表达”。
  • Huygens C. (1950). Oeuvres complètes. Tome XXII. Supplément à la correspondance. Varia. Biographie. Catalogue de vente. https://www.dbnl.org/tekst/huyg003oeuv22_01/huyg003oeuv22_01_0093.php

• 1660年代，幻灯开始作为产品销售。
  • 丹麦/瑞典数学家、荷兰莱顿大学（University of Leiden）数学教授，托马斯·沃尔根斯滕（​Thomas Rasmus Hansen Walgensten，1627–1681）在罗马（1660）、巴黎（1662）、里昂（1665）、罗马（约1670）和哥本哈根（1670年代）展示并销售幻灯。
    • 沃尔根斯滕是17世纪欧洲光学仪器领域的先驱，致力于改进并推广幻灯​​技术，被认为是早期幻灯机的商业化推动者之一，其努力促使幻灯从实验室工具发展为大众娱乐设备，为后来幻灯娱乐时代和幻灯动画片技术发展奠定了基础。
  • 自1661年开始和惠更斯通信的伦敦著名光学仪器制造商理查德·里夫（Richard Reeve，活跃于17世纪）也有售卖幻灯（不晚于1663）。
    • 法国著名旅行家巴尔塔萨·德·蒙库尼（Balthasar Monconys，活跃于17世纪）的记录（1663年），描述了里夫的幻灯：“带有半透明水晶球和绘图玻璃板的暗箱幻灯机”（une lanterne sourde qui a un demi-globe de cristal… par le moyen d’une feuille de verre peinte）。
    • 英国作家、政治家、海军行政官塞缪尔·佩皮斯（Samuel Pepys，1633-1703）在1666年8月19日的日记中描述“带有玻璃画的灯笼”（lanthorne with pictures in glasse）正是早期幻灯机原型，用于投影图像。
      • Pepys S. (1666). Sunday 19 August 1666. https://www.pepysdiary.com/diary/1666/08/19/
      • ​​《佩皮斯日记》（1660年1月1日-1669年5月31日（因眼疾中断））被誉为“17世纪最生动的私人记录”，为研究英国复辟时期社会、政治和文化的重要史料。
    • 里夫与同时代的科学家（如罗伯特·胡克）有密切合作。英国皇家学会档案（Royal Society Proceedings）中存有里夫与胡克的通信记录，涉及光学仪器设计。

• 1664年11月28日，法国工程师、数学家和物理学家皮埃尔·佩蒂特（Pierre Petit，活跃于17世纪上半叶）写信给惠更斯咨询关于幻灯的制作规范和数据细节，因为他正在试图制造一个幻灯，但总是出错。他提及雅各布（Jay）此前制作了一盏非常实用的灯，比他见过的任何一盏都好，有使用凹面镜聚光，可让更多光线通过凸透镜以产生更强的亮度。
  • 这封信也包含了现存最早的幻灯草图。
  • 信中还提及他已从法国森林地区获得新型玻璃样本，其透明度远超普通窗玻璃。若成功制成镜片，将彻底解决厚玻璃影响折射的争议。目前鲁昂的一位工匠已用此玻璃制作出2.5法尺长的优质物镜。
  • Petit P. (1664). P. Petit à Christiaan Huygens. https://www.dbnl.org/tekst/huyg003oeuv04_01/huyg003oeuv04_01_0132.php
  • 佩蒂特是17世纪法国科学与工程领域的重要人物，其核心贡献在于推动气压实验的传播，间接影响了帕斯卡尔的科学发现。
  • 信件中提及的雅各布可能是指荷兰光学仪器师雅各布·梅提斯（Jacob Metius），以改进望远镜著称，与卡瓦尼亚里竞争欧洲市场，但仍需查询其他资料核对。

• 1667年，基歇尔在《中国图说》（China Illustrata，1667）中提及一种“光影戏箱”（Ludus Opticus），可能通过其传教网络传播，但未明确记录具体执行人名。
  • 《中国图说》于1667年在阿姆斯特丹首次出版，拉丁文全名为《中国宗教、世俗和各种自然、技术奇观及其有价值的实物材料汇编》，系统呈现17世纪欧洲对中国的认知。

• 1670年代，幻灯在罗马已成日常物品。
  • Rossell D. (2002). The Magic Lantern. https://www.academia.edu/345943/The_Magic_Lantern

• 1671年，基歇尔在《伟大的光影艺术》（Ars Magna Lucis et Umbrae，1671版）中声称幻灯是他发明的，但该书中关于幻灯的插图并没有正确地描绘幻灯的构造。
  • Kircher, A.  (1671). Ars Magna Lucis et Umbrae. Amstelodami : Apud Joannem Janssonium à Waesberge, & Haerdes Elizaei Weyerstraet, 768-769.
  • 部分评论家认为基歇尔并没有真正发明或制作出幻灯，但也有人认为这可能是插图的问题，因为关于基歇尔使用幻灯吓唬所谓“叛教”民众的故事一直流传。

• 1674-1690年，法国数学家、人文主义者、水文地理学教授克劳德·德查尔（Claude Dechales，1621–1678）
  • 在其著作《数学世界之旅》（Cursus seu Mundus Mathematicus，1674版）中描述到幻灯，以及对幻灯的改进方案：
    • 优化透镜聚焦和照明效果，提供了一幅早期的幻灯插图；
    • 提出从侧面引入连续图像的幻灯片并连续放映，以描绘故事的想法；
    • 将阿尔贝蒂截线器（Alberti’s Intersector）与镜子结合以实现三维投影。
    • Burns P. (2021). The History of the Discovery of Cinematography. https://precinemahistory.net/1650.htm
    • Dechales C. Cursus seu Mundus Mathematicus [M]. 卢格杜尼: 安尼松, 1674: 665-667.
  • 在其《数学世界之旅》（1690版）中，记录了他与丹麦魔灯发明者 ​托马斯·沃尔根斯滕（​Thomas Rasmus Hansen Walgensten，1627–1681）在里昂的会面，并首次描述人眼视网膜成像的倒置现象。探讨古代光学理论（如阿尔哈曾、维泰洛的学说）与当时技术的关联。
  • 通过将数学理论与光学实践结合，德查尔对幻灯的改进推动了幻灯投影技术从娱乐工具向科学仪器的转型。

• 1676年，德国哲学家约翰·斯图姆（Johann Christoph Sturm，1635–1703）在其著作《实验学院，或好奇心：……》（Collegium Experimentale, Sive Curiosum, :…）中提供了一张“横柱式幻灯”的插图，以及关于双凸透镜的图像校正原理图。
  • 这种横柱式幻灯据说是由德国纽伦堡的仪器制造者、显微镜学家、前嘉布遣会修士约翰·格里恩德尔（Johann Franz Griendel，1631-1687）发明的，因此也被称为“格里恩德尔型”幻灯。尽管他更广为人知的科研成果是关于显微镜的创新设计。
  • Sturm J. C. (1676). Collegium experimentale[M/OL].. http://diglib.hab.de/wdb.php?dir=drucke/nc-509-1&distype=thumbs

• 1685年，德国发明家约翰·扎恩（Johann Zahn，1631-1707）
  • 发表了大量关于暗箱、透镜组合和幻灯的系统描述和插图：
    • 强调了将幻灯藏在观众视线之外的重要性，
    • 把幻灯的发明归功于基歇尔，
    • 其中一些幻灯包含了镜头盖，意味着幻灯可以在不熄灭光源的情况下保持屏幕黑暗，这是重要的进步。
  • 发明了首台便携式“抽屉式暗箱相机”（木制机身，含反射式取景器），并首次提出镜头盖设计，为后世相机发展奠定基础，被誉为“现代单反相机先驱”，但因缺乏感光材料，其发明未直接促成摄影术诞生。
  • 还描绘了一种可以投影类似于后来费纳奇镜的圆盘幻灯机，被认为是动画投影的早期尝试。但从现存的圆盘幻灯片图像看，未见满足生成动画的序列。
  • Zahn J. (1685). Oculus Artificialis Teledioptricus Sive Telescopium. Norimbergæ: Sumptibus Johannis Christophori Lochneri Bibliopolæ, typis Johannis Ernesti Adelbulneri, 100-398.
  • Rossell D. (2009). Early Magic Lantern Illustrations: What Can They Tell Us About Magic Lantern History?. The Magic Lantern Gazette, 15-23.

• 1690年，克劳德·德查尔在其《数学世界之旅》（1690版）中，记录了他与丹麦魔灯发明者 ​托马斯·沃尔根斯滕（​Thomas Rasmus Hansen Walgensten，1627–1681）在里昂的会面，并首次描述人眼视网膜成像的倒置现象。探讨古代光学理论（如阿尔哈曾、维泰洛的学说）与当时技术的关联。
  • 通过将数学理论与光学实践结合，德查尔对幻灯的改进推动了幻灯投影技术从娱乐工具向科学仪器的转型。

• 17世纪末，荷兰光学仪器制造商菲利普斯·冯·霍恩海姆（Philippus van Hooijdonck，1630–1704）在巴黎、里昂、罗马等地巡回展示幻灯装置，宣传其“魔灯”（Magic Lantern）。改进幻灯光源（如使用蜡烛与透镜组），并制作包含宗教、神话场景的幻灯片。
  • 《荷兰黄金时代科学技术史》

• 18世纪之前，幻灯片多数由发明家为实验制作，未有规模化生产。
  • 一些剪纸、油漆、实物，甚至是活体昆虫曾被用于制作幻灯片，
  • 很快也开始使用透明颜料在玻璃片或油纸上绘画，
  • 透明漆和玻璃盖都曾被用作保护。
• 而幻灯机可以使用的光源，只有阳光、蜡烛和油灯。阳光极大地限制了幻灯的时间和场地；蜡烛亮度不够稳定，且在燃烧过程中会改变光源的高；油灯可解决高度问题，但同样不够稳定和不够明亮。

18-19世纪，人类的新发明不断为幻灯机带来更好的光源、镜头、幻灯片制作工艺。

18世纪

• 18世纪，发明家和商人们
  • 一方面关注更轻便、坚固、便于运输的家用幻灯机开发，
  • 一方面关注用于剧院投影的、高亮度、远距离、甚至有特别功能的专用幻灯机。

• 瑞士以钟表制造和精密机械闻名，玻璃工业多集中于日内瓦和纳沙泰尔地区，主要生产光学透镜、玻璃仪器和装饰玻璃器皿。

• 1720年，荷兰科学家威廉·斯格拉维桑德（Willem Jacob ‘s Gravesande，1688–1742）在《物理实验》（Physices Elementa Mathematica，1720–1721）中描述了一种由4个火焰组成的油灯、搭配凹面镜和透镜的幻灯机，其图像投影距离可长达十米。
  • Gravesande W. J. (1720). Physices elementa mathematica experimentis confirmata sive introductio ad philosophiam Newtonianam. Petrus van der Aa, 76-77.
  • 1717年开始任莱顿大学数学与天文学教授，牛顿学说的积极传播者。

• 1733年，英国律师切斯特·霍尔（Chester Hall）首次尝试用冕玻璃凸透镜与火石玻璃凹透镜组合消除色差，但因保密措施不足未申请专利。

• 1756年，瑞士数学家、物理学家、天文学家莱昂哈德·欧拉（Leonhard Euler，1707-​1783）
  • 提出使用放大镜镜头进行幻灯投影，后在19世纪初的幻影秀中被改良成如今的反射幻灯机，可投影不透明物体。
  • 值得注意的是，欧拉还有不少科学研究成果，后来都成为了计算机动画技术的重要基础：
    • 图论与拓扑学​：1735年，欧拉开始研究柯尼斯堡七桥问题，将实际地理问题转化为数学抽象模型，次年完成论文《柯尼斯堡七桥问题的解法》（Solutio problematis ad geometriam situs pertinentis），指出不可能存在符合条件的路径。1741年该论文正式发表于《柏林科学院论文集》，标志着图论的诞生。后续学者在此基础上发展出网络流、拓扑学等分支。而这些成果，后来也称为计算机生成图像（CGI）技术的重要基础。
    • ​数学符号体系​：引入函数符号 f(x)（1734）、自然对数底 e（1736）、虚数单位 i（1777）、圆周率 π（1736）、求和符号 Σ （1755）等，奠定现代数学表达基础。这些符号至今仍是数学的“通用语”，深刻影响了科学技术的各个领域。
    • 流体力学​：1755年，提出欧拉方程，描述理想流体的运动规律。现代流体力学中的“欧拉方程”通常包含质量、动量和能量守恒的完整方程组，但其核心框架仍基于欧拉的工作。
    • 刚体力学​：1765年首次系统阐述了刚体动力学的基本框架，提出刚体运动方程，奠定经典力学基础。后继续完善与推广，将牛顿第二定律推广至刚体系统，结合动量定理和动量矩定理，形成矢量力学方法（即牛顿-欧拉法）。明确了刚体平动、定轴转动、定点转动及一般运动的分类，并给出相应的运动学与动力学方程。欧拉的工作标志着刚体动力学的诞生，其方程成为分析力学（如拉格朗日方程）的前身。

• 1758年，英国光学家、镜片师、望远镜制造商约翰·多伦德（John Dollond，​1706-1761）对暗箱进行改进，特别是在镜头结构方面，他制造了一种消色差镜头，可校正颜色，从而获得更清晰的图像。
  • Burns P. (2021). The History of the Discovery of Cinematography. precinemahistory.net/1700.htm
  • 消色差镜头：多伦德通过实验验证了切斯特·霍尔的方法，并优化了透镜组合的曲率与厚度，显著提升了消除色差效果。1758年，他获得英国皇家学会颁发的科普利奖章，并取得消色差镜头的专利，成为首位将技术实用化的发明者。该发明也用于改进望远镜和显微镜，推动了天文学与生物学研究。
  • 多伦德与莱昂哈德·欧拉有通过通信研究光学相关问题。
  • 其子彼得·多伦德继承事业，继续改进光学仪器，家族工坊成为18世纪英国光学工业的标杆。

• 1765年，爱尔兰数学家、数学家、军事工程师帕特里克·达西（Patrick d‘Arcy，约1720年代–1770年代）在自家花园做了一个关于视觉余像持续时间实验，用机器旋转燃烧的煤块，和一位视力好的观察者配合，测出视觉暂留时间约为0.13秒，达西计划进一步实验不同变量，但未见后续记载。
  • Académie des sciences. (1768). Histoire De L’Academie Royale Des Sciences. Paris: Boudot, Jean, 439-451.
  • 达西在1746年提出“面积原理”（Principle of Areas），即角动量守恒的早期表述，为经典力学奠定基础。该成果与欧拉、拉格朗日的工作并列，成为分析力学的重要先驱。

• 1782-1784年，瑞士物理学家、化学家艾米·阿尔冈（Aimé Argand，约1750-1803）发明了“阿尔冈灯”。
  • 1782年，阿尔冈与英国工程师马修·博尔顿（Matthew Boulton）合作，设计出革命性的中空玻璃管灯芯，通过圆柱形结构增加氧气接触面积，使火焰更稳定，同时减少烟雾，其亮度是烛光的6-10倍。
  • 1784年，两人在英国伯明翰成立工厂，生产改进后的灯塔灯，成为19世纪海上导航的核心技术。
  • 随着该技术的改进和商业推广，在一定程度上提高了幻灯的亮度和安全性。

• 1790年，瑞士玻璃制造商皮埃尔·吉纳尔（Pierre Guinard）改进了玻璃研磨技术，更精细的光学镜片得以制作。

18世纪末，随着幻灯相关技术的进步，幻灯产业开始启动。

19世纪

• 1800年，英国化学家、发明家、电化学先驱汉弗莱·戴维（Humphry Davy，1778-​1829）带来了迄今最明亮的幻灯光源“弧光灯”。
  • 他最开始使用电池创造了第一盏白炽灯，但亮度和持久度都不足以实际应用。1806年，他向伦敦皇家学会展示一种通过两根炭棒之间产生电弧的弧光灯，成为19世纪早期大型幻灯机的常用光源。由于碳棒会逐渐被消耗，需要不断调整以保持它们之间的正确距离，这项困难的工作后来由自动调节器完成。
  • 此外，戴维在1813年收留聊贫困学徒迈克尔·法拉第（Michael Faraday，1791-1867）为助手，培养其成为电磁学奠基人，被誉为科学史上最伟大的伯乐之一。而这位法拉第也是1820年代频闪效应的早期研究者之一，其贡献推动了电影动画技术的诞生。

• 随着幻灯产业开始蓬勃发展，成为流行的大众娱乐，幻灯片的设计和制作也开始被重视。

• 1821年，英国伦敦科学仪器制造商菲利普·卡彭特（Philip Carpenter）发明了一种半机械化的幻灯片生产技术，
  • 将要绘制的轮廓先转印到玻璃上，让之后手工着色的工作变得更容易，从而使幻灯片可以被批量生产。
  • 已知第一套使用该技术的幻灯片是1823年发售的《动物学要素》（The Elements of Zoology）。

• 1822年，法国物理学家奥古斯丁·菲涅尔（Augustin-Jean Fresnel）发明了“菲涅尔透镜”（Fresnel Lens）。
  • 一种通过特殊结构设计实现轻量化、薄片化的光学元件，表面由同心圆环或直线组成的锯齿状纹路构成。其核心原理是保留传统透镜的折射曲面特性，但去除冗余材料，使光线聚焦效果接近凸透镜，同时显著减轻重量和厚度。
  • 1823年首次应用于法国吉伦特河口的哥杜昂灯塔，使灯光射程提升至32公里。
  • 菲涅尔透镜通过结构创新平衡了光学性能与成本，使其成为跨领域的基础光学元件。不仅助力幻灯机提升亮度和均匀性，后续也应用于电视等现代投影与显示设备。

• 1820年代，英国化学家戈德沃西·格尼（Goldsworthy Gurney）在研究氧氢喷管时发现了“石灰光”效应，即石灰块在氢氧火焰中可发出仅次于弧光灯的亮光。
  • 氧氢喷管这项发明通常归功于美国化学家Robert Hare
  • 1826年，苏格兰土木工程师托马斯·德拉蒙德（Thomas Drummond）在格尼的基础上建造了一套工作版本。
  • 石灰光灯为幻灯机提供了明亮的光源，也广泛用于舞台照明。

• 1830年代，色彩平板印刷技术开始应用于幻灯片制作，提供更高质量的图像、大批量的生产和更亲民的价格，进一步推动了幻灯艺术的交流和普及。

• 1836年，乙炔被发现，乙炔喷灯能提供很好的照明亮度，既简单又便宜，产生的火焰稳定且无烟。但它的危险性较高，易生污垢和臭气，因此并未能取代石灰光灯或弧光灯。

1840年代，基于视觉暂留和似动效应的光学动画玩具陆续面世，它们改变了幻灯机的发展方向。幻灯机踏上了转向电影机的征途，从各种各样的动画投影机，到现代胶卷电影投影机，很多科学家、发明家为此努力了半个世纪。

• 约1860年，英国物理和化学家约瑟夫·斯旺（Joseph Swan）制造了一种原始电灯，但寿命很短。
• 经真空技术的改进，约20年后，斯旺和爱迪生都制造出了实用的电灯泡，很快便成为了幻灯的主要光源。

至19世纪末，幻灯机已经准备好变身为动画和电影的投影仪了。