CN104614971A - 一种3d全息影像显示装置及方法 - Google Patents
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Abstract
公开了一种3D全息影像显示装置及方法，其是基于特定上转换材料的3D全息影像显示装置及方法，由于特定上转换材料的使用，抑制了一些光电全息显示中散射背景光的影响、增强了稳定性、提高了可加工性。本发明装置主要包括红外激光器、全息光电影像重现系统、空间影像承载容器和计算机等组成部分。
Description
技术领域
本发明涉及一种全息3D影像显示装置及方法，尤其是基于特定上转换材料的3D全息影像显示装置及方法。
背景技术
全息成像又称全息投影技术，可在空间再现出真实的3D立体影像，满足观者的视觉感知功能，现有主流的全息成像技术利用全息显示膜进行全息成像，但全息投影膜价格昂贵，造成全息投影的成本较高。为降低全息投影的成本，现有技术提出采用全息底片进行全息成像的技术方案，首先采用激光照射待显示物体形成漫射式的物光束，另一部分激光作为参考光束照射到全息底片上和物光束叠加产生干涉，产生干涉条纹。记录着干涉条纹的底片经过显影、定影等处理程序后，便成为一张全息图，或称全息底片；然后再采用激光照射该全息底片，还原出待显示物体的物光束，以形成待显示物体的3D全息图像。
全息技术的特点是具有再现空间三维影像的独特优势，且在全息片的前后既能再现虚像，也能再现实像，因此被视为三维立体显示的发展技术之一。以全息以空间光调制器为代表的光电器件代替传统的全息片，实现了全息显示的动态性，这种光电全息显示方式由于受空间光调制器阵列尺寸的限制，较难获得大尺寸的虚像。但如何在空间承载光电全息再现的实像，一直是获得空间立体悬浮影像的一个瓶颈问题。
基于全息原理的光电全息技术，在空间再现的立体实像是很多衍射光束在空间的聚焦点，如果投射到一般的平面型的幕布上，就变成了这些再现光束的平面投影，从而又变成平面图像，失去了空间的立体性。目前研究者提出了几种承载光电全息再现空间实像的方法，包括水雾屏、透明固态凝胶等。从目前的效果上看，由于光束穿过介质时的散射效应引起拖影，大大影响了显示效果。同时，利用水雾及透明固态凝胶承载空间影像的方法，机理上的可行性还有待理论探讨和认可。或者将影像投射到可控开、关的多层液晶屏上，通过次序地快速的开、关各层液晶屏并利用人眼的视觉暂留效应产生立体感。但这种方法造价比较昂贵，显示图像的立体感及空间分辨率也非常有限。
总体上，计算机制全息图(CGH)可以分为归因于射线追踪法的计算方法、利用查找表(LUT)的计算方法、应用快速傅里叶变换的方法等。并且，CGH还可以分为具有宽视角的总全息图的方法以及具有有限视角的子全息图的方法。查找表还可以用于计算子全息图，由此显著增强计算速度。
CN102645751A公开了一种基于上转换材料的光电全息空间立体显示装置和方法，利用了上转换材料激励波长与荧光波长的差异特性，以红外光作为光源，激发出可见的荧光，从而抑制了一些光电全息显示中散射背景光的影响，取得了较好的效果。然而，其中所述上转换材料所产生的光仅限于可见光例如红光和绿光，且转换效率较低。通过引用将该专利文献全文并入本文。
CN102262301A公开了一种全息立体影像投射装置及应用该装置的电子产品、触控输入装置、输入方法以及安装触控输入装置的电子设备，该全息立体影像投射装置包括复合全息像片、投射光源、像片座，所述的复合全息像片呈平面圆盘状放置在像片座上，所述的投射光源设置在所述的复合全息像片下方，所述的复合全息像片在投射光源照射下，在所述的复合全息片的上方呈现出全息立体影像。
CN201540406U公开了一种光影衍射全息影像系统，包括四维空间立体成像装置、投影机和与投影机相接的主控机；四维空间立体成像装置包括对投影机镜头所投射光影进行成像的平面成像装置和根据平面镜成像原理对平面成像装置上所成的平面视频图像进行立体动态成像的四维成像装置，四维成像装置为由4块等腰直角三角形平面光反射介质拼装而成的倒四棱锥状成像装置，平面成像装置布设在四维成像装置正下方；投影机位于平面成像装置下方，投影机镜头与平面成像装置底部相对且其位于四维成像装置正下方。
CN203981980U公开了一种立体影像系统，包括：棱锥形立体影像显示器和立体光源成像装置，立体光源成像装置与棱锥形立体影像显示器配合实现立体影像的显示，所述立体影像显示在棱锥形立体影像显示器的内部，其特征在于，还包括一个液体容器，上述立体影像显示器和立体光源成像装置均位于该液体容器内。
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CN1428396A公开了一种蓝色上转换材料，属于发光物理学中的发光材料。(a)该材料由下列组分组成(摩尔百分比)：含钇、钆化合物50～70％，含镱化合物20～40％，含铒、铥的化合物中的至少一种0.1～10％，将上述组分按摩尔百分比称重，研磨混合均匀，在500～800℃恒温1～6时，制成烧结体，其可以是玻璃态、陶瓷态、微晶颗粒态再研成粒度为100～400目的粉末即成。
CN101353578A公开了一种上转换荧光材料，该材料在玻璃基体中含有稀土离子和纳微米尺度的二阶非线性光学微晶，稀土离子在玻璃基体中的摩尔浓度为0.001-5％，二阶非线性光学微晶在玻璃基体中的体积百分比为0.1-50％。稀土离子对Λ波长没有吸收而对Λ/2波长有吸收。通过Λ波长激光聚焦微晶玻璃样品产生Λ/2波长的光被稀土离子再吸收产生可见发光。
CN102337135A公开了一种蓝光红外上转换发光材料及其制备方法，蓝光红外上转换发光材料具有式(1)表示的原子比组成:NaY1-x-yYbxTmyF4，本发明以相应的稀土氧化物、氢氧化物、碳酸盐或硝酸盐为稀土源，以氟化铵或氟化氢铵作为氟源，首选在水溶液中搅拌反应得到沉淀物，然后与NaF、NH4F与Na2CO3或NaHCO3的混合物中的一种或几种机械混合得前驱物，最后将所述前驱物在马弗炉中焙烧得到具有式(1)表示的原子比组成的粒径可控的蓝光红外上转换发光材料；本发明提供的制备方法对设备要求低，操作比较简单，容易规模化，大大降低了生产难度和生产成本，同时还减少了对环境和人体健康的危害。
WO2012019081A1公开了一种上转换材料，包括：第一颜色发射体，所述第一颜色发射体配置为在暴露于能量源时响应于第一波长带的能量的吸收而发射第一目标颜色的可见光；第二颜色发射体，所述第二颜色发射体配置为在暴露于所述能量源时响应于第二波长带的能量的吸收而发射第二目标颜色的可见光；其中相对于没有从所述第一颜色发射体和所述第二颜色发射体发射的、经反射的白光，可观察到的所述目标颜色的光强度被增强。
US2013049011A1公开了一种微电子器件，其在操作中产生热或者包括产生热的部件，其中，所述器件包括热转换介质，所述热转换介质将所述热转换为具有比所述热更短的波长的光发射，由此，通过该光发射来冷却所述器件，并且对不需要的热进行散发。热转换介质可以包括上转换发光材料，例如，反斯托克司磷光体或磷光体组分。该热转换介质的提供能够以有效的方式来实现微电子器件，例如，光电子器件的热管理，以延长在它们的操作中产生的过量热劣化性能的诸如LED、激光二极管等的器件的操作服务寿命。
“上转换材料的制备及发展"，广东化工，陈奇丹等，2012年，第08期，公开了多种上转换荧光材料方面的研究，并且对上转换材料的发展状况、种类及制备进行介绍。
在上述现有技术的基础上，本发明利用特定上转化材料的激励波长和荧光波长的差异性，投射光源可不局限于红外光，能够以非常高的转换性能再现呈可见光的全息影像，并且上转化材料的水溶性得到改善、容易加工且稳定性好，还使得背景噪声几乎得到完全抑制。
发明内容
鉴于上述，本发明人经过深入研究和大量试验提出了如下技术方案：
在本发明的一方面，提供了一种3D全息影像显示装置，包括红外激光器、全息光电影像重现系统、空间影像承载容器和计算机；所述红外激光器的位置能保证投射的激光束进入全息光电重现系统，全息光电影像重现系统位于空间影像承载容器的一侧，所再现的影像光束能充满空间影像承载容器，计算机与空间再现影像系统相连接；其特征在于：该装置中所用的上转换材料为稀土纳米材料。
优选地，所述上转换材料为掺杂至少两种稀土的功能化的上转换发光材料。
优选地，所述上转换材料为包覆型上转换发光材料。
进一步优选地，所述包覆型上转换发光材料为NaLuF4:Yb,Tm,Er纳米颗粒，其中Lu:Yb:Tm:Er摩尔比为(70-76):(15-20):(1-3):(1-3)，优选75:20:2:3。所述4种稀土元素的共掺杂，通过它们之间的协同作用，使得Yb能级间隙达到约1×104cm-1，覆盖范围更广，能够被波长更长的光激发，另外可以使上转换能力增强，例如比现有的含Er的上转换材料的红光波段发光强度提高约1倍，还可以使背景干扰得到更有效的抑制，成像质量显著提高。这样的效果是先前所未曾预料到的。
最优选地，所述纳米颗粒为乙二胺四亚甲基膦酸包覆的NaLuF4:Yb,Tm,Er，其中Lu:Yb:Tm:Er摩尔比为(70-76):(15-20):(1-3):(1-3)，优选75:20:2:3，乙二胺四亚甲基膦酸与NaLuF4:Yb,Tm,Er的重量比可以为1:5-1:50。所述乙二胺四亚甲基膦酸包覆的NaLuF4:Yb,Tm,Er的纳米颗粒的直径可以为10-40nm，优选20nm。采用乙二胺四亚甲基膦酸对NaLuF4:Yb,Tm,Er进行包覆来制备上转换材料在现有技术中尚没有记载。本发明人经过研究，出乎意料地发现，通过用乙二胺四亚甲基膦酸包覆NaLuF4:Yb,Tm,Er，使得乙二胺四亚甲基膦酸可以螯合在NaLuF4:Yb,Tm,Er的表面，并且非常有效地改善其水溶性和稳定性，从而使NaLuF4:Yb,Tm,Er在实际应用中处理更方便、涂覆效果更佳，例如由于水溶性得到改善，提高了其在介质中的分散性，从而在很大程度上避免了一般上转换材料在使用中所通常发生的固结现象，使得能够满足更高要求的功能化器件的制造。推测其原因，可能是因为带负电荷的表面膦配体改变了所述包覆纳米颗粒的zeta电位。通过在环己烷介质中按DLS测量方法测试NaLuF4:Yb,Tm,Er与乙二胺四亚甲基膦酸包覆的NaLuF4:Yb,Tm,Er的稳定性，发现后者的稳定性为前者的3倍以上。另外，还发现，由于水溶性的提高，使得其还可以用作生物分子荧光信标材料。
NaLuF4:Yb,Tm,Er纳米颗粒可通过如下方法进行制备：将Yb、Tm、Er的氯化物盐按照化学式的化学计量比加入到装有油酸和1-十八烯(油酸和1-十八烯的体积比为1:1)的烧瓶中，加热到约130-140℃，获得清亮溶液，然后降温至60-80℃，在搅拌条件下加入氟化铵和氢氧化钠混合水溶液(0.01-0.2mol/L，二者摩尔比为约1:1-1:3)，保持溶液pH为7.5-9，搅拌约1-3小时，然后加入乙醇和环己烷(体积比为1:1)混合溶液，并降至室温，即沉淀出NaLuF4:Yb,Tm,Er纳米颗粒。
按照所需要的摩尔比，将上述NaLuF4:Yb,Tm,Er纳米颗粒分散在一定量的乙二胺四亚甲基膦酸的10mg/mL乙醇溶液中，超声分散30分钟至1小时，然后过滤，用乙醇洗涤，即获得乙二胺四亚甲基膦酸包覆的NaLuF4:Yb,Tm,Er的纳米颗粒。
在本发明中，基于上转换材料的3D全息影像显示装置可以由红外激光器、全息光电影像重现系统、空间影像承载容器和计算机等构成，其特征在于：所述红外激光器的位置能保证投射的激光束进入全息光电重现系统，全息光电影像重现系统位于空间影像承载容器的一侧，所再现的影像光束能充满空间影像承载容器，计算机与空间再现影像系统相连接，如图1所示。
上述红外激光器可以是半导体激光器，发出的激光中心波长与所选用的上转换材料的激发中心波长相一致。红外激光器具有较高功率，保证全息再现影像的聚焦点的能量高于上转换材料的激发能量。
上述全息光电影像重现系统可以由投射光束扩束系统、电寻址空间光调制器、再现影像放大系统等组成，如图2所示。
优选地，所述全息光电影像重现系统2由一个投射光束扩束系统2-1经一个电寻址空间光调制器2-2连接到一个再现影像放大系统2-3构成，其中电寻址空间光调制器2-2通过接口与所述计算机4相连，将计算全息图传输到空间光调制器。
优选地，所述全息光电影像重现系统2中的投射光束扩束系统2-1由一个显微物镜2-1-1、二个透镜2-1-2、2-1-3组成，显微物镜2-1-1与两个透镜2-1-2、2-1-3成同一轴线放置。
上述全息光电影像重现系统中，投射光束扩束系统由一个显微物镜、两个凸透镜组成，显微物镜与两个透镜成同一轴线放置。其中显微物镜将光束变成球面波，经过两个透镜后变成合适会聚角和口径的会聚光，然后投射到电寻址空间光调制器上。要求投射到空间光调制器上的光束要充满空间光调制器件的像素阵列平面，并使衍射光束会聚在空间光调制器像素阵列平面的后侧(针对透射型空间光调制器)或前侧(针对反射型空间光调制器)。
上述全息光电影像重现系统中，再现影像放大系统由两个凸透镜组成。两个透镜成同一轴线放置这两个透镜参数和空间放置距离的选择，根据所需要的空间再现影像的大小确定。
上述空间影像承载容器可以有三种类型，即固态介质型、液态介质型和气态介质型。固态介质型的空间影像承载容器是将上转换材料均匀地制备在固态介质中并放在透明的容器中，或固态介质单独作为影像承载介质使用。液态介质型的空间影像承载容器是将上转换材料均匀地制备在具有相容性的液态介质中并放在透明的容器中。气态介质型的空间影像承载容器是将上转换材料均匀地悬浮在气体介质中并充满在透明的容器中。该气体介质一般通过气体发生器，如雾化器等产生。
上述所利用的上转换材料，要求其具有纳米级尺度的颗粒，激发波长是红外波段，且激发能量具有阶跃性。
上述所使用的计算机，具有与电寻址空间光调制器进行通讯的接口，能将计算全息图发送到空间光调制器上显示，且其发送速率与空间光调制器的刷新速率相匹配。
在本发明的另一方面，提供了一种基于上转换材料的3D全息影像显示方法，采用上述装置进行显示，其特征在于：红外激光器发出的激光束，经过投射光束扩束系统后，变成充满电寻址空间光调制器像素阵列平面的会聚光束。空间光调制器上显示从计算机传输过来的计算全息图。投射光束经过空间光调制器时发生了衍射，从而使光波的位相或振幅受到调制，在空间以光束会聚点的形式再现出立体影像。但该立体影像尺寸较小，再现像放大系统将其放大到合适的尺寸，以充满影像承载容器的空间。由于全息再现实像时实际光束的会聚点，理论上该成像会聚点的光强要高于其它点，因此只要控制好激光器的输出功率，使成像会聚点的光强满足上转换材料的激发光强，就可在成像会聚点看到可见的荧光影像，而其它点不发荧光，从而在影像承载容器中可以看到空间三维立体影像。其中所使用的上转换材料为上文所述上转换材料。
本发明与上述现有技术相比较，具有的技术效果是，本发明装置和方法中利用了上转换材料的激发波长和荧光波长的转换特性，几乎完全抑制了背景光的影响，成像质量大幅提高，并且在空间展现的全息再现的实像具有更强的空间悬浮立体感，可加工性强且较为稳定。
附图说明
图1是根据本发明的基于上转换材料的3D全息影像显示装置的结构框图；
图2是图1中全息光电影像重现系统的结构框图；
图3是图2中投射光束扩束系统原理图；
图4是根据本发明的乙二胺四亚甲基膦酸包覆NaLuF4:Yb,Tm,Er纳米颗粒的TEM图像。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
实施例1：
参见图1，本基于上转换材料的3D全息影像显示装置，包括一个红外激光器1、一个全息光电影像重现系统2、一个空间影像承载容器3和一个计算机4。其特征在于：所述红外激光器的位置能保证投射的激光束进入全息光电重现系统，全息光电影像重现系统位于空间影像承载容器的一侧，所再现的影像光束能充满空间影像承载容器，计算机与空间再现影像系统相连接。在该实施例中，所使用的上转换材料为通过前文所述方法制备的乙二胺四亚甲基膦酸包覆的NaLuF4:Yb,Tm,Er纳米颗粒，其中Lu:Yb:Tm:Er摩尔比为75:20:2:3，乙二胺四亚甲基膦酸与NaLuF4:Yb,Tm,Er的重量比为1:40，所述乙二胺四亚甲基膦酸包覆的NaLuF4:Yb,Tm,Er的纳米颗粒的直径为约18nm。
对比例1：
对比例1与实施例1的区别仅在于所使用的上转换材料为市售的掺杂Er/Yb的NaYF4，其可以市售购得或者按照现有方法(例如“NaYF4∶YbEr材料的制备及其上转换发光性能”，李丽平等，稀土，第33卷第2期，2012年4月中公开的方法合成)合成。
通过实施例1和对比例1的比较，在实施例1中，背景光的影响几乎完全被抑制，而在对比例1中，尚存有一定的背景光影响；另外，实施例1中成像质量大幅提高，例如与对比例1相比深度分辨率提高达40％，在空间展现的全息再现的实像具有更强的空间悬浮立体感；此外还发现，实施例1的上转换材料比对比例1的上转换材料更容易施用在装置中，并且寿命提高3倍。这些效果都是本领域技术人员所预料不到的。
本书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳模式，且还使本领域技术人员能够制造和使用本发明。本发明的可授予专利的范围由权利要求书限定，且可以包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这种其它实例具有不异于权利要求书的字面语言的结构元素，或者如果这种其它实例包括与权利要求书的字面语言无实质性差异的等效结构元素，则这种其它实例旨在处于权利要求书的范围之内。在不会造成不一致的程度下，通过参考将本文中参考的所有引用之处并入本文中。
Claims (8)
1.一种3D全息影像显示装置，包括红外激光器(1)、全息光电影像重现系统(2)、空间影像承载容器(3)和计算机(4)；所述红外激光器的位置能保证投射的激光束进入全息光电重现系统，全息光电影像重现系统位于空间影像承载容器的一侧，所再现的影像光束能充满空间影像承载容器，计算机与空间再现影像系统相连接；其特征在于：该装置中的上转换材料为稀土纳米材料。
2.根据权利要求1所述的3D全息影像显示装置，其特征在于：所述上转换材料为掺杂至少两种稀土的功能化的上转换发光材料。
3.根据权利要求1或2所述的3D全息影像显示装置，其特征在于：所述上转换材料为包覆型上转换发光材料。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的3D全息影像显示装置，其特征在于：所述红外激光器发出的中心波长与所选用的上转换材料的激发中心波长相一致，并具有较高功率，保证全息再现影像的聚焦点的能量高于上转换材料的激发能量。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的3D全息影像显示装置，其特征在于：所述全息光电影像重现系统(2)由一个投射光束扩束系统(2-1)经一个电寻址空间光调制器(2-2)连接到一个再现影像放大系统(2-3)构成，其中电寻址空间光调制器(2-2)通过接口与所述计算机(4)相连，将计算全息图传输到空间光调制器。
6.根据权利要求5所述的3D全息影像显示装置，其特征在于：所述全息光电影像重现系统(2)中的投射光束扩束系统(2-1)由一个显微物镜(2-1-1)、二个透镜(2-1-2、2-1-3)组成，显微物镜(2-1-1)与两个透镜(2-1-2、2-1-3)成同一轴线放置。
7.根据权利要求6所述的3D全息影像显示装置，其特征在于：所述再现影像放大系统由两个透镜组成，两个透镜成同一轴线放置。
8.一种3D全息影像显示方法，采用根据权利要求1-7中任一项所述的3D全息影像显示装置进行显示，其特征在于：红外激光器发出的激光束，经过显微物镜变成球面波，经过两个透镜扩束整形后变成会聚光束，变成充满电寻址空间光调制器像素阵列平面的会聚光束；投射光束经过承载了计算全息图的空间光调制器时发生了衍射，形成全息影像，然后经过再现影像放大系统中的两个透镜调整到合适的尺寸，进入空间影像承载容器，与其中的上转换材料发生相互作用，在汇聚成像点激发出荧光，从而在空间影像承载容器的周围可以观察到空间三维立体影像。
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