ЛИНЗОВЫЙ РАСТР В ВИДЕ ТРИПЛЕКСА ДЛЯ СОЗДАНИЯ АВТОСТЕРЕОСКОПИЧЕСКОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
LENS RASTER IN FORM OF TRIPLEX FOR FORMING AUTOSTEREOSCOPIC IMAGE AND METHOD OF MAKING SAME

Изобретение относится к оптическим системам и их элементам, предназначенным для воспроизведения стереоскопических эффектов, а именно к линзовому растру, формирующему автостереоскопическое изображение, то есть стереоскопическое изображение, которое можно наблюдать, не используя специальные очки, и может быть использовано в области оптического приборостроения.
В последнее время усиливается интерес к проблемам создания систем, воспроизводящих стереоскопические эффекты. Основные успехи достигнуты за счет применения различного типа очков или других специальных оптических устройств (С. Chinnok. The Many Ways to Create a 3-D Image // SMPTE Motion Imaging Journal, 2008, May/June, pp. 26-30). Альтернативой является использование линзовых растровых систем, позволяющих формировать автостереоскопическое изображение (Н.А. Валюс «Стереоскопия». М., АН СССР, 1962, 580 с; Ю.А. Дудников, Б.К. Рожков. Растровые системы для получения объемных изображений. Л., «Машиностроение». 1986), в частности, по этой системе в Москве одно время работал безочковый стереокинотеатр (в варианте С.П. Иванова и А.Н. Андриевского: «Проекционный экран». Авт. свид. СССР №81626, 42h23/27, 07.07.1943).
Выпускаемые линзовые (лентикулярные) растры представляют собой набор пластиковых цилиндрических линз с фокусным расстоянием от 1.1 до 8.0 мм, что является недостаточным для многих применений с большим числом зрителей: стереоскопический кинематограф, музейные экспозиции, лектории, учебные и тренировочные процессы. Фокусное расстояние линз растра f жестко связано с расстоянием от растра до экрана l и расстоянием от растра до мест расположения зрителей Z формулой линзы:
.
Известен двухслойный линзовый растр (линзовая сборка) для стереоскопических телевизионных систем, в котором первый слой представляет собой набор положительных лентикулярных линз, а второй слой выполнен из материала, отличающегося от первого слоя показателем преломления, при этом линзовая сборка сконструирована не только на основе разности показателей преломления двух слоев, но и на основе геометрии линзы, в частности, радиуса линзы и линзового шага, что позволило сохранить неизменным фокусное расстояние линзы, которое приблизительно равно частному радиуса линзы и разности показателей преломления слоев, образующих поверхность линзы (RU 2507550, G02B 27/22, H04N 13/04, 20.02.2014).
Данный известный линзовый растр отличается повышенной производительностью линз: достигнуто снижение полосатости изображения, уменьшение помехи от дневного света и уменьшение зависимости автостереоскопического эффекта от угла наблюдения. Однако линзы данного растра имеют фокусное расстояние 5.0 мм, что не может обеспечить формирование зон видения автостереоскопического изображения на расстоянии более 3 м от экрана.
В работе (В.А. Елхов, Н.В. Кондратьев, Ю.Н. Овечкис, Л.В. Паутова. Безочковая система показа объемных многоракурсных киноизображений. Мир техники кино, 2009, №11, с. 2-7 - прототип) линзовый растр с шагом 2,5 мм (10 линий/дюйм) и с исходным фокусным расстоянием линз 3,5 мм, был помещен в кювету с иммерсионной жидкостью - смесь глицерина с водой. Экспериментально подобранная концентрация смеси позволила увеличить фокусное расстояние линз растра до требуемой величины - ƒ=36 мм - и разработать автостереоскопическую проекционную систему (был изготовлен опытный образец для демонстрации объемных кинематографических изображений).
Однако погружение линзового растра в кювету с жидкостью создает массу неудобств и, прежде всего, крайне нетехнологично - идеальным вариантом является монолитный линзовый растр с твердой иммерсионной средой.
Задачей изобретения является создание монолитного линзового растра в виде триплекса: растр - твердый полимерный иммерсионный слой - силикатное стекло с фокусным расстоянием, позволяющим формировать зоны видения автостереоскопического изображения на расстоянии не менее 3-7 м от экрана, который будет отличаться удобством при эксплуатации, технологичностью изготовления и высокой оптической и механической стабильность в достаточно широком диапазоне плюсовых температур: 5-40°С.
Задачей изобретения является также разработка способа изготовления предлагаемого монолитного линзового растра в виде триплекса: растр - твердый полимерный иммерсионный слой - силикатное стекло, который будет отличаться достаточной простотой и технологичностью и обеспечит высокую оптическую и механическую стабильность растра.
Решение поставленной задачи достигается предлагаемым линзовым растром для создания автостереоскопического изображения, выполненным в виде набора положительных лентикулярных линз, поверхность которых помещена в иммерсионную среду для увеличения их фокусного расстояния, в котором, согласно изобретению, иммерсионная среда представляет собой твердый полимер, полученный отверждением фотополимеризующейся композиции, включающей олигоуретан(мет)акрилаты и/или олигомеры моно(мет)акрилата оксиалкиленгликоля, моно- или ди(мет)акриловые мономеры и инициатор радикальной фотохимической полимеризации при следующем соотношении компонентов, мас.%:
олигоуретан(мет)акрилаты и/или
олигомеры моно(мет)акрилата оксиалкиленгликоля 79,1-39,5;
моно- или ди(мет)акриловые мономеры 59,5-19,7;
инициатор полимеризации 1-3,
при этом иммерсионная среда является внутренним слоем триплекса: линзовый растр - твердый полимерный иммерсионный слой - силикатное стекло и значение показателя преломления материала линз растра превышает значение показателя преломления полимерного иммерсионного слоя не менее, чем на 0,006.
Для повышения степени сохранности растра в виде триплекса он может содержать дополнительный стеклянный слой, закрывающий растр.
Решение поставленной задачи достигается также предлагаемым способом изготовления заявляемого линзового растра, состоящим из следующих операций:
- приготовление смеси компонентов композиции и их перемешивание при температуре 40-50°С в течение 40-60 мин;
- формирование триплекса, для чего на поверхность растра, ограниченную липкой прокладкой заданной толщины, устанавливают лист силикатного стекла поверх прокладки, фиксируют зажимами и заливают через воронку приготовленную композицию;
- отверждение композиции путем фотохимически инициированной трехмерной радикальной полимеризации с образованием во внутреннем слое триплекса твердой иммерсионной среды.
Создание предлагаемого изобретения потребовало большого объема экспериментальных исследований.
Анализ известных способов получения многослойных стекол (RU 2118977, 20.09.1998; US 6797383, 28.09.2004; US 6986946, 17.01.2006; US 7375144, 20.05.2008; RU 2337119, 27.10.2008; RU 2373061, 20.11.2009; RU 2402578, 27.10.2010; RU 2458953, 20.08.2012 и др.) по заливочной технологии, когда при изготовлении, например триплексов, между листами органических или силикатных стекол заливается жидкая полимеризационноспособная композиция, которая затем полимеризуется с образованием твердого слоя, обеспечивающего необходимые прочностные и оптические свойства многослойному стеклу, показывает принципиальную возможность получения монолитного линзового растра в виде триплекса.
Однако при создании монолитного линзового растра в виде триплекса (растр - твердый полимерный слой - силикатное стекло) по этой технологии необходимо было ясно представлять круг проблем, обусловленных требованиями к такому растру. Прежде всего, предлагаемый монолитный линзовый растр должен иметь фокальное расстояние, обеспечивающее формирование индивидуальных зон видения автостереоскопического изображения на расстоянии 3-7 м от экрана. Важным также является высокая оптическая и механическая стабильность растра в достаточно широком диапазоне плюсовых температур (5-40°С) и внешний вид образующегося триплекса: его окраска, прозрачность и отсутствие пузырьков воздуха в полимерном внутреннем слое.
Отсюда вытекают требования к фотополимеризующейся композиции и материалу (иммерсионной среде), получаемому при ее отверждении. При разработке композиции необходимо было учитывать, как минимум, следующие факторы:
1) химические и оптические характеристики материала растра (пластиковых цилиндрических линз): показатель преломления материала растра, устойчивость поверхности растра к воздействию жидкой полимеризационноспособной композиции, адгезионные свойства поверхности растра;
2) оптические свойства твердой полимерной иммерсионной среды: показатель преломления, цвет, прозрачность, отсутствие трудноудаляемых воздушных включений и стабильность оптических свойств полимера при изменении температуры;
3) химический состав жидкой фотополимеризующейся композиции должен обеспечить ее оптимальную вязкость, низкую усадку в процессе полимеризации и высокую адгезию к материалу растровой поверхности и поверхности силикатного стекла.
4) метод инициирования трехмерной радикальной полимеризации жидкой композиции, определяющий скорость инициирования, концентрацию свободных радикалов, константы скорости процесса полимеризации, что существенно влияет на качество монолитного растра.
Выполненные исследования позволили решить перечисленные выше проблемы.
При получении триплексов в составе полимеризационноспособной композиции практически всегда (см. вышеприведенные ссылки на патенты) содержатся олигомерные каучуки с концевыми (мет)акриловыми группами - уретановые компоненты - для обеспечения высокой эластичности и прочности отвержденного внутреннего слоя (здесь и далее (мет)акриловый означает, что это понятие относится как к акрилатам, так и метакрилатам). Также гибкость и прочность полимерной прослойки триплекса может быть обеспечена введением в состав композиции линейных (мет)акриловых олигомеров (олигомеров моно(мет)акрилата оксиэтилен- или оксипропиленгликоля) (RU 2373061, В32В 27/00, 20.11.2009).
В качестве олигомерных каучуков с концевыми (мет)акриловыми группами (уретановых компонентов) нами были исследованы доступные для приобретения коммерческие продукты: ОУА 2000Т (получен на основе моно(мет)акрилата этиленгликоля (МЭГ), толуилендиизоцианата и полипропиленгликоля, фирма «РЕПЕР», г. Нижний Новгород) и близкий по свойствам ОУМА 21УИФ (получен на основе МЭГ, изофорондиизоцианата и полипропиленгликоля, «Лаборатория акриловых мономеров», г. Дзержинск), а также синтезированные в Лаборатории химии реакционноспособных олигомеров ИХФ РАН олигоуретан(мет)акрилаты (ОУМ), полученные на основе МЭГ, толуилендиизоцианата и олиготетрагидрофуран-α,ω-диола (структура и способ получения описаны в патенте RU 2373061, В32В 27/00, 20.11.2009). В процессе полимеризации показатель преломления олигоуретанметакрилатов изменяется - увеличивается, кроме того, показатель преломления полимеров довольно сильно зависит от температуры, поэтому был определен температурный коэффициент показателя преломления отвержденных олигоуретан(мет)акрилатов в интервале температур от +5 до +42°С. Полученные рефрактометрические данные приведены в таблице 1.
пол
Как видно из таблицы 1, для всех исследованных олигоуретан(мет)акрилатов характерны низкие величины Δn и Δn/t. Это означает, что отверждение данных олигомеров сопровождается низкой усадкой и, следовательно, отсутствием значительных внутренних напряжений в получаемом сетчатом трехмерном полимере, а полимер отличается широким температурным диапазоном оптической однородности, что в совокупности является гарантией получения триплексов высокого качества. Однако все приведенные олигоуретан(мет)акрилаты имеют высокую вязкость. Например, ОУА 2000Т имеет вязкость ~326 пуаз, что несовместимо с заливочной технологией получения триплексов.
пол
Дальнейшие эксперименты были направлены на создание полимеризационноспособной композиции на основе олигоуретан(мет)акрилатов, компоненты которой позволили бы снизить ее вязкость при сохранении высокой эластичности и прочности отвержденного материала, а также сохранить низкие значения разности показателей преломления жидкой композиции и отвержденной (Δn) и температурного коэффициента показателя преломления полимера Δn/t в сочетании с высокой адгезией к стеклу, в нашем случае, силикатному и органическому. При этом необходимо было учитывать также требование минимизировать возможную агрессивность жидкой композиции к материалу растра. В случае заметной чувствительности пластика линз растра к низкомолекулярным компонентам композиции (например, некоторые марки поликарбоната) необходимо сокращать длительность процесса фотоотверждения, что достигается увеличением концентрации фотоинициатора.
Добавление к олигоуретан(мет)акрилатам низковязких (мет)акриловых мономеров и известного пластификатора моноэтилового эфира этиленгликоля обеспечивает широкий диапазон вязкости жидкой композиции и позволяет получать из нее оптически однородные материалы с достаточно широким спектром значений показателей преломления.
Исследовались также композиции, содержащие упомянутые выше линейные олигомеры моно(мет)акрилата оксиэтилен- или оксипропиленгликоля, присутствие которых и/или уретанового компонента в композиции обеспечивает низкую усадку в процессе ее полимеризации - у исследованных композиций усадка варьировалась от 4 до 9%.
В таблице 2 приведены мономеры, олигомеры и пластификатор, которые использовались в качестве компонентов при разработке фотоотверждаемой композиции. Уретановые компоненты приведены в таблице 1. Эти соединения позволяют варьировать вязкость и оптические свойства жидкой и отвержденной композиции. В таблице 2 приведен также фотоинициатор, обеспечивающий фотоактивность системы.
D
Выбранный фотоинициатор - коммерческий продукт Дарокур-4265 (смесь 1:1, мас. дифенил(2,4,6-триметилбензоил)фосфиноксида и 2-гидрокси-2-метилпропио-фенона) представляет собой вязкую жидкость с достаточно высоким показателем преломления (n=1,5748).
При оценке качества экспериментальных образцов триплексов: линзовый растр - твердый полимерный иммерсионный слой - силикатное стекло измеряемыми параметрами являлись показатели преломления исходной и отвержденной композиции, температурный коэффициент показателя преломления иммерсионного слоя (отвержденной композиции), фокусное расстояние полученного монолитного растра. Проверялось также сохранение оптических свойств монолитного растра во времени и прочность соединения внутреннего полимерного слоя со стеклами триплекса.
Для испытаний были выбраны два линзовых растра из различных пластиков (условно обозначенные нами как «крупный» (КР) и «мелкий» (М) растры):
Dкp
1) «крупный» - показатель преломления материала линз растра n=1,4905, фокусное расстояние линз 3,5 мм, шаг 10 линий/дюйм;
Dм
2) «мелкий» - показатель преломления материала линз растра n=1,5225, фокусное расстояние линз 3,1 мм, шаг 20 линий/дюйм.
исх
отв
иммКР
иммМ
КР
M
В таблице 3 представлены экспериментальные данные по составу исследованных олигомерных композиций, показатель преломления исходной жидкой композиции (n), показатель преломления полимерного иммерсионного слоя (отвержденной композиции) (n), разница между ними (Δn), разница между показателями преломления материала линз растра и полимерного иммерсионного слоя (Δn и Δn), фокусное расстояние полученных монолитных растров F и F.
Оценка фокусного расстояния полученных образцов монолитных растров (в виде триплексов) позволяет проследить связь между показателем преломления отвержденной композиции (полимерного иммерсионного слоя) и первоначальным фокусным расстоянием линз растра.
Для фокусного расстояния линзового растра, помещенного в иммерсионную среду, справедливо уравнение:
, где С - константа, то есть при условии, что f>0,
в
отв
растра
(n растра - n от)≠0, следовательно n - показатель преломления полимерного иммерсионного слоя всегда должен быть меньше n.
растра
отв
растра
Полученные нами результаты согласуются с приведенной закономерностью. При изменении показателя преломления полимерного иммерсионного слоя (что достигается изменением качественного и количественного состава композиции) можно получить требуемое фокусное расстояние изготовленного монолитного растра. При этом необходимо учитывать, что увеличивать показатель преломления полимерной прослойки триплекса (для увеличения f) можно лишь до определенного предела - по нашим данным значение показателя преломления полимерного иммерсионного слоя (n) не должно приближаться к значению показателя преломления материала линз растра (n) ближе, чем на 0,006 - дальнейшее увеличение показателя преломления полимерного иммерсионного слоя приводит к асимптотически бесконечному увеличению фокусного расстояния линз растра (см. таблицу 3 и рис. 1).
Примеры 1-39 позволяют получать заявленный растр-триплекс высокого качества. Увеличение содержания уретанового компонента и/или олигомеров моно(мет)акрилата оксиалкиленгликоля выше заявленного предела приводит к увеличению вязкости композиции и невозможности использовать заливочную технологию для изготовления предлагаемого линзового растра. Снижение содержания уретанового компонента и/или олигомеров моно(мет)акрилата оксиалкиленгликоля и, соответственно, увеличение количества (мет)акриловых мономеров приводит к ухудшению адгезионных свойств композиции по отношению к органическому стеклу (материалу растров) и не позволяет получать растр-триплекс хорошего качества (см. пример 40, контрольный).
отв
отв
отв
Из приведенных в таблице 3 экспериментальных данных видно, что использование в составе композиции пластификатора (МЭЭЭГ) не обеспечивает получения растров-триплексов высокого качества (см. примеры 46-50, контрольные). Композиция, содержащая в качестве фотополимеризующихся компонентов только (мет)акриловые мономеры, не обеспечивает достаточной адгезии к материалу растров и также не позволяет получать растр-триплекс хорошего качества (см. примеры 41 и 42, контрольные). Указанные контрольные примеры, также как и примеры 43-45 (контрольные), в которых иммерсионный слой представляет собой отвержденный олигоуретан(мет)акрилат, позволяют расширить диапазон значений показателя преломления полимерного иммерсионного слоя (n), и использовались при построении кривых, приведенных на рис. 1, иллюстрирующих зависимость фокусного расстояния линзовых растров от n и позволяющих экспериментально определить предел возможного приближения n к показателю преломления материала линз растров.
Следует отметить, что качество триплексов с внутренним слоем из гомополимеров олигоуретан(мет)акрилатов (контрольные примеры 43-45) хорошее, но из-за высокой вязкости олигомеров уретан(мет)акрилатов невозможно получать триплексы по предлагаемой заливочной технологии.
-4
-1
С помощью рефрактометрического метода была исследована термостабильность оптических свойств полученных монолитных растров - на рис. 2 приведена температурная зависимость показателя преломления полимерного иммерсионного слоя в интервале температур от +20 до +42°С. Из рисунка видно, что для всех исследованных композиций прослеживается прямолинейная зависимость показателя преломления от температуры, характеризующаяся значениями Δn/t=(1,95-2,9)·10 град. Такие значения Δn/t гарантируют неизменность фокусного расстояния растров-триплексов в приведенном диапазоне температур.
Термостабильность полученных монолитных растров в виде триплексов оценивалась также визуально. Образцы триплексов выдерживались в камере холодильника (4,5-5,5°С) в течение 24 ч и в термошкафу при 40°С в течение 10 ч. Испытания показали, что полимерный иммерсионный слой не изменяет оптических характеристик и не наблюдается деструкции элементов триплекса.
На рис. 3 приведена зависимость показателя преломления полимерного иммерсионного слоя от времени хранения. Рисунок демонстрирует оптическую стабильность полученных растров-триплексов во времени - в течение длительного времени наблюдения сохраняется неизменный показатель преломления полимерного иммерсионного слоя.
Таким образом, предлагаемый линзовый растр для создания автостереоскопического изображения, изготовленный в виде триплекса: растр - твердый полимерный иммерсионный слой - силикатное стекло, имеет фокусное расстояние, позволяющее формировать зоны видения автостереоскопического изображения на расстоянии не менее 3-7 м от экрана, отличается удобством при эксплуатации, технологичностью изготовления и высокой оптической и механической стабильность в достаточно широком диапазоне плюсовых температур: 5-40°С. Способ изготовления предлагаемого монолитного линзового растра отличается простотой и технологичностью и обеспечивает высокую оптическую и механическую стабильность растра.