CN107836113A - 混合纳米组合物材料、激光扫描系统及其在立体图像投影中的用途 - Google Patents

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Abstract

本发明主要涉及用于立体投影的混合纳米复合材料领域，例如在3D成像(例如娱乐领域或医学领域)中。具体而言，本发明描述了包括至少两种类型的(纳米)粒子和/或不同的分子(量子点、金属纳米粒子、碳纳米管)的二元混合投影基质、用于制造基质的方法、3D投影系统以及包括使用基质的方法。第二种类型的粒子的添加使得可以修改基质的性质，以实现更好的立体投影性能或者产生单个粒子没有的新特征。新的基质还可以降低用于投影的激光器的功率，同时获得与现有基质相等的亮度。

Description

混合纳米组合物材料、激光扫描系统及其在立体图像投影中 的用途
母案引用
本专利申请要求于2015年4月21日向加拿大知识产权局提交的申请号为2,889,103、标题为“混合纳米组合物材料及其在立体投影系统中的用途”的加拿大专利申请的优先权。该优先权申请的内容通过引用整体结合于本文中。
技术领域
本发明主要涉及用于立体或三维(3D)成像的纳米复合材料和三维激光扫描的领域。本发明特别适用于计算机辅助设计(CAD)、娱乐或医疗领域，但不限于这些领域。
背景技术
当前的技术使合成更复杂的材料成为可能并更好地适应实验和工业需求。通过具有期望特性的准确列表，可以制造这些材料以完全实现其预期的功能。光学是材料科学使多个实验及理论进展成为可能的领域之一。
量子点是半导体纳米结构。这些纳米结构的特殊性在于总是以相同的频率重新传输吸收的能量。当半导体吸收能量时，一个或多个电子向导带移动，在价带中留下一个或多个空穴。电子和空穴仍然受到电场力的束缚，形成激子。量子点由于它们的结晶性质而将激子限制在几纳米的三维空间内，就像它们被捕捉在一个盒子里一样。由于在固定尺寸的盒子内只允许波长的整数倍，所以能级是离散的。量子点的发射波长是由量子点的大小决定的。量子点半径越大，发射波长越短。例如，红色量子点具有比蓝色量子点更大的尺寸。当被能量源激发时，其中一个电子上升到导带，然后驰豫并回落到价带中。之后通过荧光辐射发射光子。
线性吸收及之后的荧光辐射可以用一个接收以主要是电能或光能的能量并将其占用的物体来描述。这个比以前更活跃的对象被发现处于能量过剩的激发态。为了驰豫和回落到较低的能量，该对象，如果是荧光的话，可以发射精确波长的光子。量子点是可以吸收一定频率范围内的光能并以固有频率重新发射的荧光对象。
量子点被许多研究人员用于各种应用。他们的合成和性质已有文献报道(REISS,Peter,et al.,2009,“Core/Shell Semiconductor Nanocrystals”,Small,Volume 5,Issue 2,pages 154-168)。此外，量子点已经分散在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)基质中，但仅用于光伏应用(KLEVIOV,Victor 1.and MEINARDI,Francesco:Large-area luminescentsolar concentrators based on Stokes-PMMA matrix,Nature Photonics,8,392-399(2014))从而生产更高效的太阳能电池板。最后，量子点的双光子吸收已经被实验证实(KARABULUT,Ibrahim and BASKOUTAS,Sotirios:Linear and nonlinear opticalabsorption coefficients and refractive indexes in spherical quantum dotsIntensity,Journal of Applied Physics,103,2008)。Z-Scan技术已经被开发以用于表征非线性吸收(VAN STRYLAND,Eric W.and SHEIK-BAHAE,Mansoor,Z-Scan Measurements ofOptical Nonlinearities,-692)。
美国专利US 7,858,913B2(Refai et al.,2010)公开了一种用于获取三维图像的光表面显示装置，该三维图像包括悬浮在立体显示装置中的多个粒子。第一投影系统沿着立体显示设备的长度和宽度投影具有一个或多个波长的电磁能量的顺序晶片，由此激发粒子以形成二维图像。第二投影系统投影一个或多个波长的电磁能量的平移切片，所述一个或多个波长的电磁能量穿过立体显示器的厚度与激发的粒子相交。控制系统使图像源和激活源的投影同步，使得二维图像和平移切片激励粒子达预定的时间段，从而使所述粒子照亮以形成照亮的三维图像。在该专利中描述的发明需要使用两个投影系统以便能够产生三维图像。
其他已知的立体投影系统在美国专利申请US2013/0314416A1(Kuhlman et al.,2013)和US2014/0327747A1(Kong,2014)中被公开。
目前的掺杂有纳米发光体(例如量子点或纳米晶体)的透明基质的系统对光子激发的响应太低而不允许在3D立体投影系统中使用这些基质。因此需要纳米复合材料的新型基质，其对光子激发的响应将足够强大从而允许其用于这种立体投影系统中。
发明内容
本发明首先涉及一种用于立体三维(3D)成像投影的混合投影基质，所述基质包括在对光透明的固体支持物中至少两种不同类型的粒子的协同组合：
包括适于非线性地吸收一个或两个光子并发射可见光的纳米发光粒子的第一类型；以及
包括至少一种添加剂的第二类型，所述至少一种添加剂增强纳米发光粒子对一个或两个光子的非线性吸收以及可见光的发射，从而使得可以增强和/或修改由纳米发光粒子发出的光。
本发明还涉及制作用于立体三维(3D)成像投影的混合投影基质的方法，该方法包括以下步骤：
a)在允许合成对光透明的支持物的溶液中，混合第一给定量的包含纳米发光粒子的第一类型的粒子和第二给定量的由至少一种添加剂组成的第二类型的粒子；以及
b)固化所获得的混合物以获得所述基质。
本发明还涉及一种三维(3D)成像立体投影系统，该系统包括：
光子发射源；和
如本文所定义的混合投影基质，所述基质位于发射源的下游以便接收来自发射源的光子，于是所述基质发射可见光以便产生三维图像。
本发明还涉及一种用于三维(3D)成像的立体投影的方法，所述方法包括在如本文所定义的混合投影基质上投射光子，然后所述基质发射可见光以形成三维图像。
本发明还涉及如本文所定义的混合投影基质的用途，以便形成三维图像。
本发明不限于基质中使用的粒子类型的数量，并且可以通过添加第三、第四、第五、...第n类型的粒子来推广以产生第三、第四等混合基质。
引入第二类型的粒子或添加剂的目的在于改变含有原始单一类型的粒子的基质的性质，从而实现更好的稀疏投影性能或产生并不存在于单个粒子中的新特征。本发明还使得可以测量塑料基质中的量子点的非线性吸收并检查添加剂添加对该现象的影响。
根据本发明的优选实施例，量子点是被选择为在光学材料(基质)中产生期望的非线性效应的结构。它们优选被塑料保留，以便它们可以在实际情况下使用并限制其对健康的有害影响。
而且，不同于目前的掺杂有纳米发光体(例如量子点或纳米晶体)的透明基质系统，其对光子激发的响应太低而不能在3D跨度立体投影系统中使用这些印模，通过本发明，对光子激发的响应足够强大以允许其用于这种立体投影系统中。此外，这使得可以在基质中获得可见图像同时减少投影系统中的光子发射源，例如激光，的功率，从而使得可以保存塑料基质，其不会在光子或激光束的作用下熔化。
本发明涉及的光学现象优先集中在对一个或两个光子，更优选为两个光子，的吸收以及通过荧光发射能量。即使当量子点被红外光激发时，伴随有荧光的双光子吸收使得可以获得可见的发射波长。这使得有可能利用这种现象来制造立体投影屏幕。优选地，该技术使用为人眼不可见的事件信号，从而不改变呈现的图像。当量子点接收到两个红外光子的信号时，它以单个可见光子重新发射能量，从而产生三维图像。
本发明优选地不同之处在于它提出将这些方面组合，优选将量子点放置在诸如PMMA的塑料材料中，但不限于此材料，以便通过Z-Scan激光器来表征它们的非线性吸收。
除了意在增强和改善仅包含纳米发光体材料的所有光学特性(寿命时间或光发射“速度”、比色质量和“吸收量”等)的材料之外，本发明为新的功能可能性铺平了道路。
本发明的被认为有新颖性和创造性的特征将在下面提出的权利要求中进行更详细地描述。
附图说明
以下将参照附图进行详细描述，使本发明的优点、目的和特征将变得更加明显。其中：
图1表示来自检测器的光束相对于样品位置的距离。内接距离大致相对于激光的焦点进行测量。红色较弱的存在意味着较少的光强度，表明光的吸收。
图2显示了在紫外光下的圆柱形样品。圆形片状物被从圆柱体上切下并打磨。
图3说明了在实验过程中使用带参数的Z-Scan类型的激光器的完整组装。
图4显示在10mW的功率(OD10)下作为样品60、61和62的位置函数的平均光强度曲线图。
图5显示在13.5mW的功率(OD8)下作为样品60、61和62的位置函数的平均光强度曲线图。
图6显示在20mW的功率(OD6)下作为样品60、61和62的位置函数的平均光强度曲线图。
图7显示在20mW的功率(OD6)下作为样品63、64和65的位置函数的平均光强度曲线图。
图8显示在24mW的功率(OD5)下作为样品63、64和65位置函数的平均光强度曲线图。
图9示出了带有未照射的量子点(图9A)以及在UV光束照射下(图9B)的多个PMMA掺杂的点的立方体布置。
图10示出了聚焦区周围的高斯激光束。
图11为立体屏幕的示意图。
图12示出了激光扫描系统的典型示例。
具体实施方式
根据第一优选实施例，本发明包括用于三维(3D)图像的立体投影的混合投影基质。所述基质包括在对光透明的固体支持物中至少两种不同类型的粒子的协同组合：
包括适于非线性地吸收一个或两个光子并发射可见光的纳米发光粒子的第一类型；以及
由至少一种添加剂组成的第二类型，所述至少一种添加剂增强纳米发光粒子对一个或两个光子的非线性吸收以及可见光的发射，从而使得可以增强和/或修改由纳米发光粒子。
所述基质优选为一种基质，其中的对光透明的固体支持物包含聚合支持物，例如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。应该理解，形成透光结构的其他聚合物材料可以用于本发明。
优选地，所述纳米发光粒子包括量子点、量子线或棒、量子阱、量子环、诸如核/壳纳米晶体或异质结构纳米晶体的纳米晶体、纳米板、荧光分子、荧光团和/或荧光体。更优选地，纳米发光粒子包括量子点。
金属纳米粒子更优选为银纳米粒子或碳纳米粒子。
优选地，用于本发明的所述一种或多种添加剂包含金纳米粒子、银纳米粒子、半导体纳米粒子、纳米纤维素、碳纳米管、二维材料、石墨烯或导体聚合物和/或半导体聚合物。更优选地，所述一种或多种添加剂包含金属粒子，所述金属粒子为银纳米粒子和/或碳纳米管。
所述基质的形式优选为厚度在2和5mm之间的片材。所述片材优选具有抛光表面，其表面光洁度约为1μm。
根据第二方面，本发明涉及一种制作用于立体三维(3D)成像投影的混合投影基质的方法，所述方法包括以下步骤：
a)在允许合成对光透明的支持物的溶液中，混合第一给定量的包含纳米发光粒子的第一类型的粒子和第二给定量的由至少一种添加剂组成的第二类型的粒子；以及
b)固化所获得的混合物以获得所述基质。
优选地，允许合成对光透明的固体支持物的溶液包含一单体，所述单体一旦聚合就形成所述对光透明的聚合支持物。如上所述，所述基质优选为一种基质，其中的对光透明的固体支持物包含聚合支持物，例如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。应该理解，形成透光结构的其他聚合物材料可以用于本发明。
根据一优选实施例，所述用于制作立体三维(3D)成像投影的混合投影基质的方法包括以下步骤：
a1)混合用于合成聚合支持物的单体溶液、第一给定量的包含纳米发光粒子的第一类型的粒子以及第二给定量的包含所述至少一种添加剂的第二类型的粒子；
a2)将聚合引发剂插入到混合物中；和
b1)使得到的混合物发生聚合以获得所述基质。
该过程中使用的材料如上所述。
优选地，对于基于量子点和金属粒子(银和/或碳纳米管)的基质，该方法还包括在引发剂插入之前将混合物预热至约90℃的温度的步骤。该方法可以进一步包括将混合物倒入成形的，例如棱柱体或圆柱体，模具中，并使混合物在约75℃的温度下聚合约24小时的步骤。
该方法还可以包括将聚合后获得的基质切割为平行的条状物的形式的步骤。该过程可以进一步包括选择相邻片材从而获得在每个所选的片材中的相似的纳米粒子浓度的步骤。所选片材的厚度优选在2mm和5mm之间。
该方法可以进一步包括抛光所述片材的步骤。抛光后的片材优选具有约1μm的细度。
在制造过程中，所述基质优选包含浓度在2μl/ml和8μl/ml之间的量子点以及浓度在0.01mg/ml和0.2mg/ml之间的银纳米粒子。所述基质还可以包含浓度在2μl/ml至8μl/ml之间的量子点以及浓度在0.0001mg/ml至0.01mg/ml之间的碳纳米管。
根据第三方面，本发明还包括三维(3D)成像立体投影系统。该系统包括：光子发射源，例如激光器，以及如本文所定义的混合投影基质。所述基质位于发射源的下游以便接收来自发射源的光子，于是所述基质发射可见光以便产生三维图像。
优选地，所述光子发射源是发射光，例如不可见红外光(IR)、紫外光或可见光，的激光器。优选地，使用IR光来衰减与基质发射的光的相互作用。
该系统可以包括激光器，该激光器产生XY-扫描从而为图像的每个横向平面定位光束的焦点。所产生的扫描可以是Z-扫描从而为图像的每个深度平面定位光束的焦点。所产生的扫描也可以用来填充三维像素。
根据本发明的优选实施例，投影系统包括激光器，该激光器以三部分产生解耦扫描，使得可以增加系统的总刷新率，该扫描包括：
第一X-Y扫描，用于为图像的每个横向平面定位光束的焦点；
第二Z-扫描，用于为图像的每个深度平面定位光束的焦点；以及
第三扫描，从而完成图像并填充三维像素。
根据另一方面，本发明还包括三维(3D)成像立体投影方法，所述三维(3D)成像立体投影方法包括将光子投影到如本文所定义的混合投影基质上，然后所述基质发射可见光以形成三维图像。
该方法的要素为本文已经描述的那些要素。
双光子吸收和荧光：绘制频率为fi的将被量子点吸收的入射光子的情况。量子点将以一个频率为fe的光子重新发射这个能量，其中，通过能量守恒，fi>fe。能量差异以热量形式丧失。现在让我们想象一下，频率为f1的双光子同时到达量子点上并且同时被吸收。如果2f1>f2，其中f2是量子点的发射频率，则发生双光子吸收，接着可能发生荧光。对于将发生的现象，入射光子不必须是在相同的频率。然而，它们各自的频率之和必须在所研究的量子点或物体的吸收范围内。
Z-扫描技术的目的是测量物体的非线性折射率和非线性吸收系数。
在本发明的范围内，仅定性研究了非线性吸收。其原理包括：在通过由光束聚焦产生的光锥的顶点的轴上的焦点的任一侧上移动样品(参见图3)。在焦点附近没有被线性吸收的光的强度在该过程结束时不被收集。通过绘制作为样本沿其路径的位置的函数所收集的光强度曲线图，获得达到其在焦点处的最低点的凹陷。
参考图1，可以注意到，接近焦点，只有中心的黑色部分发生变化。这表明它确实是Z-扫描可检测到的双光子吸收。这种现象只发生在高强度(黑色和白色的中心部分)，浅灰色和黑色图像的外围部分不会因样品的移动而变形。
混合基质的示例：
下文将对包含至少两种类型的(纳米)粒子和/或不同分子的新型二元混合投影基质进行描述。即使本发明将以一个或多个优选实施例为例进行描述，但重要的是理解这些优选实施例是用于说明本发明而不是限制其范围。
配件和设备的描述
制作的第一步是棱柱体或塑料圆柱体的制模。在制备包含甲基丙烯酸甲酯、量子点、金属添加剂和聚合引发剂的液体混合物后，可以开始预聚合步骤。例如，温度可以是90℃。其实现所需的组件基本上包括放置在通用支撑件上的加热板、放置在板上加有水的水浴、指示水的温度的温度计以及支撑水下样本的两个夹具。在预热步骤之后，将块体制模形成圆柱形玻璃烧瓶或方形棱柱形铝模具。使用圆柱瓶的技术更容易生产，并提供更均匀的样品。然而，处理圆柱形样品更不方便于表征，并且(圆柱体)小瓶，不像铝模具，不能使用多次。然后将模具置于75℃的烘箱中聚合约24小时(见附录1)
使用带有旋转金刚石刀片的锯将脱模的样品切割成约3mm的片材。之后，在手动抛光台上抛光片材(样品)直到获得约1μm的表面光洁度。
样品制备的示例：
纳米发光粒子，例如量子点、纳米晶体或其类似物的制作是本领域技术人员已知的。例如，可以参考以下文章，其内容通过引用合并于此：
-Marie-Eve Lecavalier et al.“Water-dispersable colloidal quantum dotsfor the detection of ionizing radiation”,Chem.Commun.,2013,49,11629-11631；
-C.B.Murray,Synthesis and characterization of nearly monodisperse CdE(E＝sulfur,selenium,tellurium)semiconductor nanocrystallites；J.Am.Chem.Soc.,1993,115(19),pp 8706–8715；以及
-Sam Beddar,Luc Beaulieu；“Scintillation Dosimetry”,Chapter 19(ISBN9781482208993).
所使用的具体添加剂可以从市售获得：
碳纳米管-供应商：雷默纳米技术(Raymor Nanotech)<http://raymor.com/nanotech/>，产品编号：RN-02，说明：碳纳米管，>50％C-SWNT；
银纳米粒子-供应商：西格玛奥德里奇公司(Sigma-Aldrich)<http://www.sigmaaldrich.com/canada-english.html>，产品#576832，描述：银纳米粉末，<100nm的粒径。
制作样品的步骤可以如下：
-(用搅拌器)在90℃的大结晶器中将水加热；
-制备甲基丙烯酸甲酯(MMA)(挥发性)、金属添加剂以及量子点的液体混合物，并将其置于小瓶中；
-称量聚合引发剂并将其加入液体混合物中；
-拔出瓶盖并摇动，直到混合物变澄清；
-将小瓶在通用夹钳中固定，将其浸入90℃的结晶器中；
-开始加热倒计时；
-预热时间过后，从结晶器中取出小瓶；
-打开盖子让气体逸出；
-安全地关上盖子；
-将小瓶置于充满水的小烧杯中；以及
-将烧杯置于75℃的烘箱中一天。
样品可以按以下方式进行切割：
-取下盖板；
-从锯的容器上取下盖子；
-必要时，将锯的刀片穿过磨刀块；
-将样品固定在夹钳中；
-借助于不同的自由度来调整锯和小车；
-将小车固定在轨道上；
-调整刀片的速度；
-在整个切割过程中用刀片撒上聚醚酰胺树脂；
-手动引导锯至样品上并切割；
-在切割完成时将锯停止并拔出；和
-冲洗锯的容器并更换盖板。
样品的抛光可以如下进行：
-打开实验室入口处的水阀(水龙头与管道平行)；
-在抛光板上铺上砂纸(从600粒度开始)；
-启动水以浸泡纸张；
-在纸张周围放置基座使其固定；
-开启转台；
-调整水流量；
-将样品放在转台上，注意将切割线垂直于工作台的半径；
-保持样品到位，直到切割线消失；
-用一点石蜡在加热板上加热样品保持物；
-当石蜡熔化时，将样品架保持物在水浴中，并将粒度为600的抛光面样品放置在样品保持物上；
-蜡固化后，将样品保持物插入空心圆柱体；
-用粒度为600、然后800以及1200的砂纸先后抛光样品表面；
-使用相同的技术，再次将样品固定在样品架上，但另一面朝上；
-用粒度为600、然后800以及1200的砂纸先后抛光样品的另一表面；
-从样品架上取下样品；
-在抛光机上放置抛光垫，并将几滴铈研磨溶液倒在表层覆盖物上；
-必要时加一点水；
-双面抛光；以及
-清洗砂纸和抛光垫并清洗抛光机。
特性表征
Z-扫描并技术并不要求太多需要制作的材料。参考图3，该表征电路(10)仅包括在发射红外光(λ＝788nm)(30)以朝向光学平台定向的路径开始处的脉冲Reg-A激光器(20)、衰减滤波器50)，例如30cm的聚焦透镜(60)以及被光束廓线仪(90)的样品架所覆盖的导轨。激光器的输出功率约为500mW，平均脉冲宽度约为100fs，激光频率为10kHz。有必要衰减信号，以免烧坏样品或损坏光束轮廓仪。没有过滤器的组件的图示于图3中模拟样品通过焦点的运动。
实验结果:
表1：样品序列
对于每个样品，预热时间为15分钟，聚合引发剂质量为4mg，应该注意的是，样品含有4ml溶液并补充有过滤的MMA。
图4至图8给出了使用Z扫描构建的一系列曲线图。由于太嘈杂或者因为在Z扫描期间样品已经被激光器损坏，所以省略了一些图形。曲线图的轴不分级。横坐标轴显示Z轴扫描过程中样品平移轴上的位移。但是，由于Wink软件是手动启动的，而不是每个样本的同一时间，唯一的可靠点是焦点(大约是最小曲线)。纵坐标轴是任意单位的平均光强度。出于比较的目的，曲线在x和j中都被调整到相同的比例：为了分析，我们只对相关的的感兴趣。
曲线因此已经被相对于它们的左托盘(即，从0mm到焦点)并且相对于它们的最小值对齐。
红色曲线(R)是仅具有量子点(QD)的曲线。蓝色曲线(B)是具有量子点和银纳米粒子(QD+Ag)的曲线。紫色曲线(P)是具有量子点和碳纳米管(QD+CN)的曲线。
表2：相对于仅包含两个系列的量子点的样品曲线的谷的相对深度。
表3：样品荧光阈值
样品号 荧光阈值(mW)±0,3
60 2.1
61 2.2
62 2.1
63 1.2
64 1.3
65 1.3
对结果的评论——偏差的原因
首先，在块体制作步骤中，仍然需要改进的主要问题是样品的均匀性。预热步骤后，剧烈搅拌烧瓶以促进粒子空间上的均匀分布。然而，在烤箱中加热后，量子点趋向于向上升，使得圆柱体的第一层的量子点更集中。为了克服这个影响，当切割样品时，该量子点更集中的第一层被丢弃。与样品均匀性有关的第二个问题是银纳米粒子的沉降和碳纳米管的聚集。事实上，银纳米粒子倾向于沉积在小瓶的底部。再次，切割样品部分地纠正了这种效应。至于聚集的碳纳米管，没有采取任何解决方案。最后，抛光步骤不能消除材料的所有不规则性。这样做，从一个样本到另一个样本，两面的起伏可能会有差异。这些不规则性在光束轮廓仪生成的图像上可见。因此，我们将样品固定在与轨道位移垂直的有一定自由度的可移动基座上。当激光穿过看起来不太平坦的区域时，可以移动样品。
第二个问题已经通过使用该可移动的基座而被解决。当样品遭受过大功率时，会对受影响的点及周边区域造成不可逆转的损害。然而，几个Z-扫描是在同一个样本上完成的。为了能够在样品的不同位置进行测试，使用底座将其横向移动。需要特别注意的是，在焦点附近，激光轮廓约占样本的1/100，从而允许该校正过程。如图1所示，在图像上的几个地方可以看到类似衍射图案的小的同心圆。这些是光学组件的一些元件上的灰尘。由于对每个样品来说灰尘都是相同的，因此假定相机镜头上的灰尘不会太大地影响结果。但是，在处理数据时，被选取的用于分析的部分在不同图像上的位置不完全相同。因此，每个灰尘对每幅影像的影响都不相同。此外，选择用于保护光束轮廓仪的滤光器并不总是相同的。因此，每个样品的过滤器粉尘不均匀分布。
相机软件可以实时捕捉光束轮廓的图像。使用Wink软件记录图像，每秒捕捉35帧。这种技术非常方便将屏幕上可见的东西与光强度的定量值进行关联。但是，由于其间歇性的不稳定性导致的激光器的波动不能被校正。因此，难以区分激光器的波动和非线性效应，因为后者具有相似的幅度。当对结果做解释时，可以通过大致了解焦点位于记录的哪个位置来绕过这种效应。
在ImageJ软件中选择感兴趣的区域可能会导致偏差，因为每个样本的截面不相同。相同尺寸的感兴趣区域将不起作用，因为从一次测量到另一次测量，激光束的轮廓发生改变。但是，我通过比较几个区域进行了数据检查，看看合理的选择的影响能有多低。
在解释结果时，很难区分由于非线性效应造成的凹陷与材料的变化之间的差异。事实上，如图6、7和8所示，明显的波谷可能是由于材料的损伤阈值，而不是由非线性效应，造成的。含有银纳米粒子的样品是那些在高功率下产生最重要的凹陷的样品。银可以线性地吸收光并将其重新发热，从而更迅速地改变材料并且提示更大的非线性效应。塑料本身不会对样品造成损伤，因为它不会在激光波长处吸收。
最后，该方法不能考虑块体的厚度。现参考表1，可以注意到样品厚度并不完全相同。一个包含系列2的银纳米粒子的样品厚约1mm。在图7和图8的图中，它是产生最重要的波谷的波形。有人可能会认为厚度是有问题的，并且与非线性吸收直接相关。但是，图6的曲线图中的银曲线表明，其也会产生一个大的凹陷，而这个样本并不比其他的厚。理想的样品仍然会有相似的厚度，但抛光会产生偏差。
分析
从表1中可以看出，一系列样品1(60、61、62)在每个元素中具有相同的定量点浓度。除了在量子点更集中的事实之外，系列2(63、64、65)也是如此。选择这样做是为了比较不含有金属的样品和含有金属的样品。
所呈现的曲线图是非线性吸收现象的视觉表现。值得注意的是，无论功率值如何，包含碳纳米管的样品都产生与单独的量子点非常相似的曲线，显示为不产生额外的效果。样品中使用的碳纳米管不是完全金属的，并且粒子的聚集可能阻止了任何效果。为总结图4-8中的五个曲线图，表2列出了每条曲线相对于对照样品(仅为量子点)的波谷的相对深度。只有相对的深度，即相对于曲线图的左侧托盘来衡量的，是我们感兴趣，因为实验的参数使得这项工作几乎不可能。应该注意的是，在通向焦点之后，板的上升仍然没有解释。但是，右侧的轴承比左侧的轴承噪声大，这表明材料已经损坏。当样品在轨道上的移动方向与其在曲线图上绘制的轨迹相反时，左侧的轴承是上部的。换句话说，从焦点处的0mm位置开始，光的强度总是较低，从焦点到25mm的位置总是较高。
在图4和5所示的曲线图中，或者以较低的功率，可以看出，含有银纳米粒子的样品产生较浅的凹陷。根据表2可以看出，含有银的样品的波谷的相对深度是单独量子点的波谷的大小的一半。在这些功率下仍然存在双光子吸收，因为凹陷在曲线图上依然可见。但是，在图6至8的曲线图中，或相对较高的功率，可以看到产生相反的效果。含有银纳米粒子的样品的相对深度比对照物高达三倍半。
最后，基于表3(其显示用肉眼测量的样品的荧光阈值)，很快推断对于给定浓度的量子点，荧光阈值是相同的。
鉴于所有这些观察结果，可以表明银纳米粒子的存在对材料的性质有任何影响。然而，由于荧光阈值对于每个样品是相似的，并且如果非线性吸收效果实际上被银纳米粒子放大，如果在两个光子处有吸收，则它也将处于低功率，通常认为图6-8中的曲线图上较深的波谷是由于材料的损坏造成的。这种损坏可能构成一个有趣的实际应用，使得雕刻能够以更低的功率写入PMMA中。例如，根据曲线图3(图6)的实验参数，对于20mW的给定功率，仅含有银的样品被雕刻。然而，与结果的解释无关，很可能通过改变浓度并完善实验技术，以便能够观察到在金属添加物的存在下增加的效应。这些金属添加物的浓度影响粒子间的距离。因此，这个参数无论是对碳纳米管还是银纳米粒子来说可以是增加非线性吸收的关键。另外，不排除只有从一定的功率阈值出发的银纳米粒子才能增加非线性吸收现象。
为了改进该过程，能够借助于朝向光电二极管的光束的部分偏转来测量激光器的波动将是有利的，使得可以适当地选择测量周期。此外，开发一种使位移轨与测量软件同步的方法是有利的，使得所有曲线具有与时间函数完全相同的位移，从而使横坐标轴标准化。
尽管图3、4和5中的包含可见的银纳米粒子的样品产生的显著效果并不是非线性洗手的增加，但看上去产生了效果。这些样品的新序列的其他的测量以及制造可以突出这种线性的本质。
立体投影系统
我们在下文中描述了为了在用量子点掺杂的PMMA(有机玻璃)的基质中获得双光子光致发光而进行的实验。我们还建立了投影系统的功能要求和实现立体投影系统所需的步骤。
检测结果
第一步是将量子点引入PMMA中。因此，根据这里描述的方法，我们已经生产了用量子点掺杂的PMMA。图9显示了几个封端的PMMA条带(图9A)的布置和由UV光激发的相同布置(图9B)。紫外激发表明存在光致发光，这是由于在PMMA中存在量子点。
第二步是通过双光子吸收过程的红外光而不是从紫外光获得光致发光。首先，连续使用第一个激光YAG(1064nm)的结果令人失望。事实上，PMMA开始以一定强度熔化而不产生光致发光。使用频率为10Hz的脉冲YAG激光(5-7ns)，我们观察到了光致发光，但是此处PMMA又被损坏了。
第三步，我们使用钛蓝宝石激光器，具有以下规格：
表4：
波长 789nm
重复率 250kHz
脉冲宽度 82飞秒
最小平均功率 <10mW
我们还用显微镜镜头来聚焦光线。该物镜的规格如下：
表5：
在以下的所有测试中，仅在激光器的焦点处可观察到光致发光，在焦点之前或之后没有发光踪迹。在静态模式下(无扫描)，在最小平均功率下，例如<10mW，光束损坏样品，但观察到光致发光。由于已经观察到了光致发光，所以在这些测试中不能找到静态模式下所需的最小强度(阈值)。应使用中性滤光片进行后续测试，以确定光致发光所需强度的下限。
仍然以最小的功率，例如<10mW，但是通过以1mm/s的速度移动光束，观察到了光致发光，并且没有对PMMA的永久性损伤。
通过始终以1mm/s的速度移动，在发现永久性损坏之前，可以将功率提高到平均功率约35mW。如果扫描速度增加超过1mm/s.，可以增加功率>50mW，并且观察不到损坏。
有些损坏可能是由于短脉冲激光引起的热效应。用显微镜测量在PMMA中蚀刻的永久性损伤，宽度为35微米。热效应和非线性效应不应当混淆。事实上，热效应累积会产生塑料的加热并产生永久的缺陷。非线性效应或光致发光是局部产生的，当且仅当光束强度足够时才发生。光致发光区位于一个位置。该区域或体积由显微镜物镜的焦点处的激光限制的强度定义。
首先，我们假设荧光区的体积被限制在激光束被限制的焦点区域的周围。轴向距离限于Rayleigh区(b)，横向范围由如图10所示的光束的“腰部”(W0)限制。这些距离由以下公式定义：
根据这些方程式，轴向光致发光的面积大于侧面区域。通过使用角度θ等于聚焦透镜的倒数-f(F#)，我们获得W0为：
对于轴向尺寸，我们有大约62微米。这表明荧光区域应该很长。
但是，我们注意到情况并非如此。有几个因素可以解释这种情况。PMMA基质有可能扩散光线，这增加了我们通过增加荧光区的人为尺寸而感知的面积。由激光激发的区域发射的荧光又可能激发发出荧光的量子点(1-光子激发)，由此增加可见荧光区域的尺寸。所提到的两个因素的组合也可以解释这种情况。无论如何，这种情况要求将来检查激光激发的区域周围的耦合(三维像素之间的串扰)。
投影仪的功能要求的示例
基于光致发光的体积被限制在聚焦区的假设，因此我们可以确定为获得一定体积的立方体光致发光，有必要在维度“b”上横向扫描三维像素。其结果是，为了“填充”三维像素，优选地需要具有扫描XY光束的机构。扫描可以通过光栅扫描完成(如图11所示)，也可以通过圆形扫描进行，该扫描更易于集成到系统中。
对于如图11所示的立体屏幕，我们可以通过确定维度D(深度)中的像素数量来定义维度“b”。由于知晓激光器(1)的波长，我们可以确定所需光束的尺寸W0。三维像素中的扫描器数目N(微扫描)由等于2F#的比率b/2W0给出。这个F#近似决定了系统所需的扫描镜头(扫描镜头)。
基于类似的系统，投影系统由3个扫描子系统组成。X-Y扫描将为图像的每个横向平面定位光束的焦点。这种类型的扫描可能会由两个检流镜完成。第二种类型的扫描将在深度(Z)上进行。对于这个轴线，它可能是一个液晶空间调制器(SLM)，如图12所示。如前所述，最后一种扫描将被用来填充三维像素。这种类型的扫描可以通过旋转棱镜完成，但也可以考虑其他类型的扫描。三部分扫描解耦增加了系统的总刷新率。图12中描述的投影系统(100)包括将光投射到第一调制器(120)上然后到光偏转镜(130)到液晶空间调制器的IR激光器(110)。在离开空间调制器(140)时，在被投射到立体屏(160)上之前，光线被Y-Y扫描仪(150)及其检流镜(152-154)处理。
体积的扫描速度是系统的限制标准之一，可以以每秒30帧的速率调制三维像素的数量。基于在其他3D扫描系统(HiResFELIX)中可达到的约1.5亿个三维像素的值，我们可以构建500×500×500三维像素(等于1.25亿)的3D系统分辨率。根据该分辨率和系统的大小，可以确定所需三维像素的大小，其设定Rayleigh区(ZR)的大小，该Rayleigh区(ZR)的大小随后根据上述公式施加光束束腰尺寸(2*W0)。微扫描的数量是通过将三维像素的面积除以所需束腰的尺寸来计算的。最后，使用Ti-Saphire激光器的测试计算的强度值(Watt/mm2)和所选显示器所需的新光束束腰的面积，我们可以确定所需要的新的维度所需的平均功率激光束。
从实验室数据(Pmoy＝0.01W和2W0＝2.79微米)计算出光致发光所需的Imoy＝1.63e+3Watt/mm2值。这个值不一定是最小值，其他值可能会达到。
扫描系统和显示器之间的距离决定了扫描透镜的焦距。f值(f/#)被定义为焦距(f)与透镜直径(D)之间的比率。根据以下公式，W0与f#成比例。
利用这个公式、光束束腰的大小(W0)和焦距，我们可以确定扫描透镜的最小直径。最后，由于XY和Z-扫描被解耦，所以“XY扫描”值给出需要调制的横向点的数量以获得30秒的帧，其直接给出系统的调制和扫描频率。
下面的表6和表7总结了可能的3D投影系统的计算参数。
表6：
表7：
表6中计算的平均激光功率是1.291W，这是相当高的。为了减少功率，可以放置50×50×50厘米的体积，这将减少一半所需的功率。另一个解决方案是组合两个激光器来产生所需的强度。另外，应该记住，对于光致发光的最小光强度要求还没有确定，因此我们使用在我们的测试中产生发光的测试激光器(10mW)的最小功率。而且，这些计算是针对单色系统的。RGB颜色系统可以优选地由连续RGB层的层压体构成，其将以3减少所需的ZR。所需功率也将减少三分之一，有利于SLM提高Z-扫描速度。文章Downing-"A Three-Color,SolidState,Three-Dimensional Display",Science,1996,p 5279-1185中的图5介绍了这种叠层显示的概念。
量子点可以用来产生在高功率时的非线性效应。为追求实际应用，最好把它们牢牢地结构化，而不是把它们留在溶液中，使有毒物质更容易暴露给用户。因此，量子点被限制在塑料基质(如聚甲基丙烯酸甲酯)中。碳纳米管和银纳米粒子被连接到一些样品上。目标是能够使用Z-扫描来比较样品的双光子吸收。这种技术可以测量通过样品的激光通过焦点时的光强度。
当量子点被放置在激光的聚焦光束中时，可以用肉眼看到橙色的荧光。在测量之后，我们观察到碳纳米管的存在似乎不影响非线性吸收。然而，我们观察到，银纳米粒子的存在可以使这种效应增加四倍以上。然而，我们也发现材料损伤阈值约为30mW，而荧光阈值为2mW。这两个值比较接近，材料的非线性吸收和损伤难以区分。
虽然已通过一个或多个优选实施例进行了描述，但是应该理解，本发明可以以多种其他形式使用、采用和/或实施。因此，下面的权利要求将被解释为包括这些不同的形式，同时保持在现有技术设定的范围之外。

Claims (42)

1.一种用于三维(3D)成像立体投影的混合投影基质，所述基质包括在对光透明的固体支持物中的至少两种不同类型的粒子的协同组合：
包括适于非线性地吸收一个或两个光子并发射可见光的纳米发光粒子的第一类型；以及
包括至少一种添加剂的第二类型，所述至少一种添加剂增强纳米发光粒子对一个或两个光子的非线性吸收以及可见光的发射，从而使得可以增强和/或修改由纳米发光粒子发出的光。
2.如权利要求1所述的基质，其特征在于：所述对光透明的固体支持物包含聚合支持物。
3.如权利要求2所述的基质，其特征在于：所述聚合支持物包含聚甲基丙烯酸甲酯。
4.如权利要求1至3中任意一项所述的基质，其特征在于：所述纳米发光粒子包括量子点、量子线或棒、量子阱、量子环、纳米晶体、纳米板、荧光分子、荧光团和/或荧光体。
5.如权利要求4所述的基质，其特征在于：所述纳米晶体是核/壳纳米晶体或异质结构纳米晶体。
6.如权利要求1至4中任意一项所述的基质，其特征在于：所述纳米发光粒子包括量子点。
7.如权利要求1至6中任意一项所述的基质，其特征在于：所述至少一种添加剂包括金纳米粒子、银纳米粒子、半导体纳米粒子、纳米纤维素、碳纳米管、二维材料、石墨烯，或者导体聚合物和/或半导体聚合物聚合物。
8.如权利要求7所述的基质，其特征在于：所述至少一种添加剂包含金属粒子，所述金属粒子为银纳米粒子和/或碳纳米管。
9.如权利要求1-8中任意一项所述的基质，其特征在于：所述基质的形式为厚度在2和5mm之间的片材。
10.如权利要求9所述的基质，其特征在于：所述片材具有抛光表面。
11.如权利要求10所述的基质，其特征在于：抛光后的片材的表面光洁度为1μm左右。
12.一种用于制作用于三维(3D)成像立体投影的混合投影基质的方法，所述方法包括以下步骤：
a)在允许合成对光透明的支持物的溶液中，混合第一给定量的包含纳米发光粒子的第一类型的粒子和第二给定量的由至少一种添加剂组成的第二类型的粒子；以及
b)固化所获得的混合物以获得所述基质。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于：允许合成对光透明的固体支持物的溶液包含一单体，所述单体一旦聚合就形成所述对光透明的聚合支持物。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于：
a1)混合允许合成聚合支持物的单体溶液、第一给定量的包含纳米发光粒子的第一类型的粒子以及第二给定量的包含所述至少一种添加剂的第二类型的粒子；
a2)将聚合引发剂插入到混合物中；和
b1)使得到的混合物发生聚合以获得所述基质。
15.如权利要求13-14中任意一项所述的方法，其特征在于：所述聚合支持物包括聚甲基丙烯酸甲酯。
16.如权利要求12-15中任意一项所述的方法，其特征在于：所述纳米发光粒子包括量子点、量子线或棒、量子阱、量子环、纳米晶体、纳米板、荧光分子、荧光团和/或荧光体。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于：所述纳米晶体是核/壳纳米晶体或异质结构纳米晶体。
18.如权利要求12-17中任意一项所述的方法，其特征在于：所述至少一种添加剂包括金纳米粒子、银纳米粒子、半导体纳米粒子、纳米纤维素、碳纳米管、二维材料、石墨烯或导体聚合物和/或半导体聚合物。
19.如权利要求12-15中任意一项所述的方法，其特征在于：所述纳米发光粒子包括量子点。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于：所述至少一种添加剂包含金属粒子，所述金属粒子为银纳米粒子和/或碳纳米管。
21.如权利要求20所述的方法，其特征在于：所述基质从具有处于2μl/ml和8μl/ml之间的量子点浓度的量子点溶液以及具有处于0.01mg/ml和0.2mg/ml之间的银纳米粒子浓度的银纳米粒子溶液获得。
22.如权利要求20所述的方法，其特征在于：所述基质从具有处于2μl/ml至8μl/ml之间的量子点浓度的量子点溶液以及具有处于0.0001mg/ml至0.01mg/ml之间的碳纳米管浓度的碳纳米管溶液获得。
23.如权利要求21或22所述的方法，进一步包括在插入引发剂之前将混合物预热至约90℃的温度的步骤。
24.如权利要求21-23中任意一项所述的方法，进一步包括将混合物倒入给定形状的模具中，并使混合物在约75℃的温度下聚合约24小时的步骤。
25.如权利要求24所述的方法，进一步包括将聚合后获得的基质切割为平行的片材的形式的步骤。
26.如权利要求25所述的方法，进一步包括选择相邻的切片从而获得在每个所选的切片中的相似的纳米粒子浓度的步骤。
27.如权利要求25或26所述的方法，其特征在于：所述片材的厚度在2mm和5mm之间。
28.如权利要求25-27任意一项所述的方法，进一步包括抛光所述片材的步骤。
29.如权利要求28所述的方法，其特征在于：抛光后的片材具有约1μm的细度。
30.一种三维(3D)成像立体投影系统，该系统包括：
光子发射源；以及
如权利要求1-11中任意一项所限定的混合投影基质，所述基质位于发射源的下游以便接收来自发射源的光子，于是所述基质发射可见光以便产生三维图像。
31.如权利要求30所述的系统，其特征在于：所述光子发射源为发生不可见红外光的激光器。
32.如权利要求30或31所述的系统，其特征在于：所述激光器产生XY-扫描从而为图像的每个横向平面定位光束的焦点。
33.如权利要求30或31所述的系统，其特征在于：所述激光器产生Z-扫描从而为图像的每个深度平面定位光束的焦点。
34.如权利要求30或31所述的系统，其特征在于：所述激光器产生用来填充三维像素的扫描。
35.如权利要求30或31所述的系统，其特征在于：所述激光器产生解耦的三部分扫描以增加系统的总刷新率，所述扫描包括：
第一X-Y扫描，用于为图像的每个横向平面定位光束的焦点；
第二Z-扫描，用于为图像的每个深度平面定位光束的焦点；以及
第三扫描，从而完成图像并填充三维像素。
36.一种三维(3D)成像立体投影方法，该方法包括将光子投影到如权利要求1-11中任意一项所限定的混合投影基质上，然后所述基质发射可见光以形成三维图像。
37.如权利要求36所述的方法，其特征在于：所述光子为激光器发射的的不可见红外光。
38.如权利要求36或37所述的方法，其特征在于：所述激光器产生XY-扫描从而为图像的每个横向平面定位光束的焦点。
39.如权利要求36或37所述的方法，其特征在于：所述激光器产生Z-扫描从而为图像的每个深度平面定位光束的焦点。
40.如权利要求36或37所述的方法，其特征在于：所述激光器产生用来填充三维像素的扫描。
41.如权利要求36或37所述的方法，其特征在于：所述激光器产生解耦的三部分扫描以增加系统的总刷新率，所述扫描包括：
第一X-Y扫描，用于为图像的每个横向平面定位光束的焦点；
第二Z-扫描，用于为图像的每个深度平面定位光束的焦点；以及
第三扫描，从而完成图像并填充三维像素。
42.如权利要求1-11中任意一项所限定的混合投影基质用于形成三维图像的用途。
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