JP2006249254A - 三次元表示装置用蛍光体微粒子分散体、およびそれを用いた三次元表示装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 本発明は、2種以上の異なる波長の光により励起されてアップコンバージョン発光する蛍光体微粒子が、透明液体または透明樹脂に分散されてなることを特徴とする三次元表示装置用蛍光体微粒子分散体を提供することにより、上記目的を達成するものである。
【選択図】 無し
Description
医療分野におけるCT診断や手術シミュレーション、建築分野におけるCAD、航空管制システムおける航空機の位置表示、科学技術計算における分子構造表示など、多くの分野で三次元情報を取り扱うことが必要不可欠になっている。現在、三次元表示が可能な表示装置としてはCRT(ブラウン管)ディスプレイ、液晶ディスプレイ、エレクトロルミネッセンスディスプレイ等が知られているが、これらの表示装置では二次元映像しか表示できないため、遠近法などを利用した疑似三次元表示方式により三次元表示を可能としている。しかしながら、疑似三次元表示方式では上述したような三次元情報を十分に表示するのは困難である。したがって、大量の三次元情報を高速に表示し、前後、左右、上下から自由に観察できる三次元表示装置が望まれている。
従来、三次元表示に用いられてきた方法は、ほとんどが(1)両眼視差のみを実現したものであり、不自然さや極度の疲労感を伴わざるを得ない。また立体知覚の異常といった生理的疾患の原因になっているとも考えられている。最近では、複数の平面スクリーンを重ねて、擬似的に(2)両眼のふくそう角、および(3)焦点調節(水晶体の調節)を満たそうという試みもなされているが十分とは言えず、また(4)単眼の運動視差を実現するまでには至っていない。
最近では、フッ化物ガラスに蛍光体を析出させたものを表示部とし、この表示部に別々の方向から2つの異なる波長のレーザー光を入射して一点で交差させ、その一点のみを発光させるという方法が提案されている(例えば非特許文献1参照)。この方法では、それぞれのレーザー光を同期させながら水平および垂直方向に走査していくことにより、発光点が移動するので立体的な画像を表示することができる。
しかしながら、表示部はフッ化物ガラスに蛍光体を析出させてなるものであり、大型のものを作製するのは困難である。また、フッ化ガラスの組成により発光色に影響が及ぼされるおそれがあり、目的とする発光色を得られない場合がある。さらに、複数の発光色で立体画像を表示する、すなわち立体画像をカラー表示するためには、三原色の単色光のみを発光する蛍光体を選択し、各蛍光体を析出させたフッ化ガラスをそれぞれ作製し、これらを積層して表示部とする必要があり、製造工程が煩雑である。このため、実用化には至っていない。
蛍光体は、ほとんどの場合、粉末の形で用いられ、その平均粒子径は3〜12μm程度である。粒子径を小さくしていくと、ある粒子径(物質によって異なるが、1〜2μm程度)以下で発光効率が低下し始める。これは、結晶の表面層の発光効率が低いためと考えられている。1994年、粒子径数十〜数nmの蛍光体微粒子で高い発光効率が得られることが報じられ、注目された("Optical Properties of Manganese-Doped Nanocrystals of ZnS" APPLIED PHYSICS LETTERS, VOLUME 72, NUMBER 317, JANUARY, 1994 )。この現象は、励起子の閉じ込め効果によって説明される。したがって、蛍光体微粒子の粒子径を概ね100nm以下にすることにより、蛍光体微粒子によるアップコンバージョン発光の発光効率をさらに高めることが期待できる。
本発明の三次元表示装置用蛍光体微粒子分散体(以下、蛍光体微粒子分散体と称する場合がある。)は、2種以上の異なる波長の光により励起されてアップコンバージョン発光する蛍光体微粒子が、透明液体または透明樹脂に分散されてなる蛍光体微粒子分散体である場合(第1実施態様)、および、2種以上の異なる波長の光により励起されてアップコンバージョン発光する蛍光体微粒子の表面に分散剤膜が形成された被覆蛍光体微粒子が、透明媒体に分散されてなる蛍光体微粒子分散体である場合(第2実施態様)の2つの実施態様がある。以下、各実施態様について説明する。
本発明の蛍光体微粒子分散体の第1実施態様は、2種以上の異なる波長の光により励起されてアップコンバージョン発光する蛍光体微粒子が透明液体または透明樹脂に分散されてなることを特徴とするものである。
このように、2種以上の異なる波長の励起光によりエネルギー準位を経て励起されアップコンバージョン発光する場合を、本発明においては二段階吸収によるアップコンバージョン発光という。
以下、本実施態様の蛍光体微粒子分散体の各構成について説明する。
本実施態様における蛍光体微粒子は、母材に蛍光を発する元素等がドープされた、いわゆる付活型の蛍光体の微粒子であることが好ましい。元素等の種類やドープ量により、発光の強さや色を調整することができるからである。
1種の希土類元素を励起してアップコンバージョン発光させるには、上述したように2種以上の波長の異なる赤外光を照射することから、それぞれの希土類元素をアップコンバージョン発光させるために用いる励起光の波長が、それぞれ異なることが好ましい。具体的には±5nm以上異なることが好ましく、より好ましくは±10nm以上で異なることが好ましい。
なお、上記平均粒子径は、走査型電子顕微鏡(SEM)や透過型電子顕微鏡(TEM)等の電子顕微鏡写真より100個の蛍光体微粒子を抽出し、それぞれの粒子径を平均した値とする。
まず、Erが付活された塩基性炭酸塩を得、このErが付活された塩基性炭酸塩を焼成することによって、Erがドープされた蛍光体微粒子を得ることができる。焼成後に必要に応じて所定の粒子径に調整してもよい。
本実施態様に用いられる透明液体としては、上記蛍光体微粒子を分散可能なものであれば特に限定されるものではないが、蛍光体微粒子の分散性が良好であり、アップコンバージョン発光に影響を及ぼさないものである、具体的には発光強度を著しく低下させないものであることが好ましい。このような透明液体としては、例えば非水系溶媒が挙げられる。水系溶媒に比較して非水系溶媒を用いた方が、透明液体の影響により発光強度が低下するのを抑えることができるからである。
本実施態様に用いられる透明樹脂としては、上記蛍光体微粒子を分散可能なものであれば特に限定されるものではないが、蛍光体微粒子を固定化することができるものであることが好ましい。このような透明樹脂としては、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、および光硬化性樹脂のいずれも用いることが可能である。
熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、および光硬化性樹脂としては、一般的に使用されているものを用いることができる。
本実施態様において、蛍光体微粒子分散体中の蛍光体微粒子の含有量としては、特に限定されるものではない。一般に、蛍光体微粒子の含有量が低いほど発光強度が小さくなり、蛍光体微粒子の含有量が多いほど発光強度が大きくなる傾向にある。ただし、蛍光体微粒子の含有量が多すぎると蛍光体微粒子により散乱が生じるので、発光強度が低下する可能性がある。
このように蛍光体微粒子分散体中の蛍光体微粒子の含有量は、アップコンバージョン発光の発光強度等を考慮し、本発明の用途に応じて適宜調整される。
なお、上記平均透過率は、波長380nm〜800nmの範囲内において、島津製作所(株)社製 UV−3100を用いて測定した値の平均値とする。
なお、上記ヘイズは、JIS K 7105に準拠して測定した値である。
本発明の蛍光体微粒子分散体の第2実施態様は、2種以上の異なる波長の光により励起されてアップコンバージョン発光する蛍光体微粒子の表面に分散剤膜が形成された被覆蛍光体微粒子が、透明媒体に分散されてなることを特徴とするものである。
以下、本実施態様の蛍光体微粒子分散体の各構成について説明する。
図5に例示するように、本実施態様における被覆蛍光体微粒子分散体20は、蛍光体微粒子21の表面に分散剤膜22が形成されたものである。
本実施態様に用いられる透明媒体としては、上記蛍光体微粒子を分散可能なものであれば特に限定されるものではなく、例えば液体であっても固体であってもよい。具体的には、上記第1実施態様に記載した透明液体や透明樹脂を用いることができる。
本実施態様において、蛍光体微粒子分散体中の被覆蛍光体微粒子の含有量としては、特に限定されるものではなく、アップコンバージョン発光の発光強度等を考慮し、本発明の用途に応じて適宜調整される。
次に、本発明の三次元表示装置について説明する。本発明の三次元表示装置は、上述した蛍光体微粒子分散体を有する表示部と、上記表示部の周囲に配置された2つ以上の赤外光源と、上記赤外光源から発せられた光の方向を制御する制御手段とを有することを特徴とするものである。
以下、本発明の三次元表示装置の各構成について説明する。
本発明に用いられる表示部は、蛍光体微粒子分散体を有するものである。
この際、蛍光体微粒子分散体を充填等するのに用いられるセルとしては、アップコンバージョン発光に影響を及ぼさないもの、具体的には発光強度を著しく低下させないものであれば特に限定されるものではない。また、セルは透明であることが好ましく、具体的には可視領域における平均透過率が比較的高いものであることが好ましい。このようなセルとしては、例えばガラスセル、石英セル、プラスチックセル等が挙げられる。
本発明に用いられる赤外光源は、少なくとも2つ必要であり、表示部の周囲に配置され、赤外光が発せられるものである。
本発明における制御手段は、赤外光源から発せられた光の方向を制御するものであれば特に限定されるものではない。制御手段は、例えば図3に示すように赤外光源12a,12bを移動させることにより赤外光15a,15bの方向を制御するものであってもよく、また例えば図7に示すように赤外光源12a,12bの近傍に鏡16a,16bが配置されており、鏡16a,16bの角度や位置を変えることにより赤外光15a,15bの方向を制御するものであってもよい。
1.(Y0.99,Tm0.01)2O3微粒子の合成
液相反応にてTmをドープした前駆体を得、この前駆体を焼成することによりY0.99,Tm0.01)2O3微粒子を作製した。以下に製造工程を示す。
次に、遠心分離機を用い、3000rpm、30分間の遠心分離を三回繰り返し行った。その後、沈殿物を真空中で45℃、5時間乾燥し、前駆体であるTmが付活された塩基性炭酸イットリウムを得た。
この前駆体を空気中900℃の電気炉に入れて急熱し、30分保持した後、取り出して急冷した。このようにして、(Y0.99,Tm0.01)2O3微粒子を合成した。SEMおよびXDRの測定結果より、(Y0.99,Tm0.01)2O3微粒子の平均粒子径は約40nmであることが確認された。
合成した(Y0.99,Tm0.01)2O3微粒子0.1gをMIBK(メチルイソブチルケトン)10mlに入れ、分散剤としてDisperbyk-161(ビックケミー・ジャパン(株)製)を0.18g加えた。さらにφ0.05mmのYTZボール(株式会社ニッカトー製)を20g加え、ペイントシェーカー(浅田鉄鋼社製)を用いて1時間分散し、蛍光体微粒子分散体を作製した。
得られた微粒子分散体を静置させることにより分級し、分散・安定化した蛍光体微粒子分散体を調製した。SEMおよびTEMにより、(Y0.99,Tm0.01)2O3微粒子は球状であり粒子径30〜50nmの粒子であることが確認された。
このようにして得られた(Y0.99,Tm0.01)2O3微粒子分散体をガラスセルに充填して表示部を作製し、表示部の周囲に2つの赤外光源を配置した。一方の赤外光源としては波長800nm付近の半導体レーザーを使用し、もう一方の赤外光源には波長1120nm付近の半導体レーザーを使用した。
(Y0.99,Tm0.01)2O3微粒子分散体が充填されたガラスセルに、2つの赤外光源からそれぞれの赤外光が交差するように光を照射した。その結果、2種の赤外光の交点において、Tm3+の480nm付近の青色発光が観測された。
11 … 表示部
12a,12b … 赤外光源
15a,15b … 赤外光
20 … 被覆蛍光体微粒子
21 … 蛍光体微粒子
22 … 分散剤膜
Claims (10)
- 2種以上の異なる波長の光により励起されてアップコンバージョン発光する蛍光体微粒子が、透明液体または透明樹脂に分散されてなることを特徴とする三次元表示装置用蛍光体微粒子分散体。
- 2種以上の異なる波長の光により励起されてアップコンバージョン発光する蛍光体微粒子の表面に分散剤膜が形成された被覆蛍光体微粒子が、透明媒体に分散されてなることを特徴とする三次元表示装置用蛍光体微粒子分散体。
- 透明であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の三次元表示装置用蛍光体微粒子分散体。
- 前記蛍光体微粒子の平均粒子径が、1nm〜100nmの範囲内であることを特徴とする請求項1から請求項3までのいずれかの請求項に記載の三次元表示装置用蛍光体微粒子分散体。
- 前記蛍光体微粒子が希土類元素を含有し、前記蛍光体微粒子の母材がハロゲン化物または酸化物であることを特徴とする請求項1から請求項4までのいずれかの請求項に記載の三次元表示装置用蛍光体微粒子分散体。
- 前記希土類元素が、エルビウム(Er)、ホロミウム(Ho)、プラセオジウム(Pr)、ツリウム(Tm)、ネオジウム(Nd)、ガドリニウム(Gd)、ユウロピウム(Eu)、サマリウム(Sm)、テルビウム(Tb)、ジスプロシウム(Dy)およびセリウム(Ce)からなる群から選択される少なくとも1つ以上の希土類元素であることを特徴とする請求項5に記載の三次元表示装置用蛍光体微粒子分散体。
- 前記蛍光体微粒子が、イッテルビウム(Yb)を含有することを特徴とする請求項6に記載の三次元表示装置用蛍光体微粒子分散体。
- 前記蛍光体微粒子が、複数の発光色を示すものであることを特徴とする請求項1から請求項7までのいずれかの請求項に記載の三次元表示装置用蛍光体微粒子分散体。
- 互いに異なる発光色を示す複数の前記蛍光体微粒子を含有することを特徴とする請求項1から請求項7までのいずれかの請求項に記載の三次元表示装置用蛍光体微粒子分散体。
- 請求項1から請求項9までのいずれかの請求項に記載の三次元表示装置用蛍光体微粒子分散体を有する表示部と、前記表示部の周囲に配置された2つ以上の赤外光源と、前記赤外光源から発せられた光の方向を制御する制御手段とを有することを特徴とする三次元表示装置。
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