一种基于全色上转换发光纳米显示器的真三维立体彩色显示系统及其显示方法

1.本发明属于三维显示技术领域，具体涉及一种基于全色上转换发光纳米显示器的真三维立体彩色显示系统及其显示方法。


背景技术：

2.我们生活在一个三维立体的空间中，眼睛对于现实世界的感知往往都是立体的三维信息。然而，作为三维立体世界的感知者，人类获取视觉信息的大约70％都是基于二维平面的，包括图片、绘画、视频等；这些基于二维显示技术的平面信息无法满足人脑信息处理机制进行信息处理的习惯，人脑更需要从三维视角获取真实物体的“全部信息”。
3.随着科学技术的不断发展，三维显示技术逐渐出现在大众的视线。特别是2009年全球第一部3d电影《阿凡达》的上映，其生动逼真的三维立体视觉感急速吸引了人们的眼球，大家对三维显示的兴趣日趋强烈。近几年来，三维显示技术由于信息量大、全视景、多角度、三维视觉效果等特点，在医疗、军事、教育及日常生活等领域展现出广泛的应用前景。目前，市场上常用的三维显示技术例如分光立体显示、全息三维显示等主要是通过人的双眼视差或心理深度暗示形成伪视觉三维空间。然而，这些基于非自然的虚拟三维立体效果事实上并不是真正的三维立体显示，因为它们不能提供物理景深，没有完整的物理深度暗示。并且这种虚拟的立体感通常需要借助眼镜、头盔等助视仪器，长时间很容易引起头痛、视觉疲劳、错觉等。因此，开发具有真正物理深度的真三维立体显示技术对于显示领域的发展具有非常重要的价值和意义。
4.真三维立体显示系统采用的主要原理就是光频上转换技术，这种显示方法由于具有实物化、高分辨、运行速度快等优点，在显示领域展现出巨大的应用潜力。在过去几十年，各种基于光频上转换的稀土掺杂材料被应用于三维显示技术中。尽管基于光频上转换技术的三维立体显示研究取得了较大的进展，但由于研究者们一直没有解决共掺多种稀土发光离子引起的激发光串扰、有害的能量传递及多色发光干扰等问题，导致三维显示成像分辨率过低，如何解决成像分辨率低的问题成为攻克真三维立体显示技术的关键。


技术实现要素：

5.针对现有技术中存在的稀土掺杂材料所面临的激发光串扰、不必要的能量传递、多色发光相互干扰、三维显示成像分辨率过低等问题，本发明的目的是提供一种基于全色上转换发光纳米显示器的真三维立体彩色显示系统及其显示方法，该显示系统采用基于三元正交激发发射体系的三维显示固体介质作为显示器，所述三元正交激发发射体系是由具有垂直激发响应正交三基色发射特性的多层核壳结构上转换纳米晶构成；在三元正交激发发射体系中，三基色发光纳米层(核)只能分别响应特定波长的近红外光激发，其中，蓝光发射核响应980nm激发，红光发射层响应1560nm激发，绿光发射层响应808nm激发；并且同一纳米材料中的三个发光过程是相互独立的，互不干扰的；从而可以获得具有高亮度和高色纯
度的多色上转换发光，可提高三维显示成像分辨率。
6.本发明通过如下技术方案实现：
7.第一方面，本发明提供了一种基于全色上转换发光纳米显示器的真三维立体彩色显示系统，包括全色上转换发光纳米显示器、光学透镜组、三个不同波长的激光器及激光扫描仪；所述光学透镜组包括激光准直透镜、长焦透镜及两个二向色镜，所述三个不同波长的激光器发射的激光依次通过相应波长的激光准直透镜和凸透镜进行准直，准直后的其中两束激光沿45度入射角通过其中一个二向色镜进行合束，合束后的激光沿45度入射角通过另外一个二向色镜与第三束激光进行合束，经过合束后的三束激光通过长焦透镜汇聚在全色上转换发光纳米显示器的三维空间定点位置处；所述全色上转换发光纳米显示器固定在激光扫描仪上，所述激光扫描仪用于根据设定好的立体图像数据，控制激光汇聚点在全色上转换发光纳米显示器上的x轴、y轴、z轴三个方向的扫描，并利用人眼视觉的暂留效应，可获得由无数个纳米体像素点组成的动态的三维立体显示图像。
8.进一步地，所述凸透镜的焦距为25mm，所述长焦透镜的焦距为10cm，所述二向色镜为980/808nm二向色镜或980/808/1560nm二向色镜。
9.进一步地，所述三个不同波长的激光器分别为980nm激光器、808nm激光器及1560nm激光器。
10.进一步地，所述全色上转换发光纳米显示器是由三元正交激发发射体系作为发光介质、高分子材料作为三维显示固体介质、通过掺杂或共聚的方法制备出的具有高透明度的基于纳米晶/高分子复合材料的全色上转换发光纳米显示器。
11.进一步地，所述高分子材料为环氧树脂、聚甲基丙烯酸甲酯或聚二甲基硅氧烷。
12.进一步地，所述三元正交激发发射体系通过如下方法制备得到，所述方法具体包括如下步骤：
13.首先，通过热共沉淀法制备蓝光发射核nayf4:yb/tm纳米晶，然后将制备好的核纳米晶作为晶种诱导外延nayf4惰性壳层的生长，随后将制备好的nayf4:yb/tm@nayf4核壳结构纳米晶作为晶种诱导外延红光发射层nayf4:er/ho的生长，同样将制备好的双层核壳结构纳米晶作为晶种诱导外延nayf4惰性壳层的生长，接着将制备好的三层核壳结构纳米晶作为晶种诱导外延绿光发射层nayf4:nd/yb/er层的生长，最后将四层核壳结构纳米晶作为晶种诱导外延nayf4:nd层的生长；制备得到的基于五层核壳结构纳米晶的三元正交激发发射体系。
14.进一步地，所述全色上转换发光纳米显示器通过如下方法制备得到，所述方法具体包括如下步骤：
15.将40mg/ml的三元正交激发发射体系与环己烷溶液按照体积比1:10加入到环氧树脂中，在室温条件下搅拌20分钟，然后依次加入体积分数为2％的有机硅消泡剂和体积分数为10％聚酰胺固化剂，将得到的分散液超声震荡30min使其分散均匀，随后通过注射器注入到透明硅胶模具中，待分散液完全固化，即得到全色上转换发光纳米显示器。
16.进一步地，所述全色上转换发光纳米显示器通过如下方法制备得到，所述方法具体包括如下步骤：
17.将0.02g引发剂偶氮二异丁腈和9g单体甲基丙烯酸甲酯加入到4ml乙酸乙酯中，随后加热到60℃保持70分钟，待低温预聚反应完成后，加入1ml含20mg三元正交激发发射体系
的乙酸乙酯溶液，然后将升温到82℃进行高温聚合，待反应液呈透明粘稠状，停止反应并将其转移到玻璃模具中，最后在真空干燥箱中加热到120℃保持24小时完成高温固化，反应结束后即得到全色上转换发光纳米显示器。
18.第二方面，本发明还提供了一种基于全色上转换发光纳米显示器的真三维立体彩色显示系统的显示方法，具体包括如下步骤：
19.步骤一：通过波长为980nm、808nm及1560nm的激光器发射激光，所述激光依次通过其相应波长的激光准直透镜和凸透镜进行准直，准直后的980nm和808nm激光沿45度入射角首先通过980/808nm二向色镜进行合束，合束后的980/808nm激光沿45度入射角再通过980/808/1560nm二向色镜与1560nm激光进行合束，经过合束后的三束激光最后通过长焦透镜汇聚在全色上转换发光纳米显示器的三维空间的定点处，通过调控三束激光激发功率，可在显示器内部产生蓝、青、黄、红、粉、白、绿全色上转换发光；
20.步骤二：通过3d建模软件输出立体图像数据,利用激光扫描仪的主控制器接收信号，通过激光扫描仪控制激光汇聚点的方法，在显示器中进行x轴、y轴、z轴三个方向的寻址扫描，利用人眼视觉的暂留效应，可获得由无数个纳米体像素点组成的三维立体图像的显示。
21.进一步地，通过调控三束激光激发功率，可以实现蓝、青、黄、红、粉、白、绿(如附图2所示从左到右)全色上转换发光的调控；具体地调控方案如下：
22.当808nm激光器的激发功率为0.0w，980nm激光器的激发功率为0.5w，1560nm激光器的电流为0.0a，产生蓝色上转换发光；
23.当808nm激光器的激发功率为0.8w，980nm激光器的激发功率为1.1w，1560nm激光器的电流为0.0a，产生青色上转换发光；
24.当808nm激光器激的发功率为1.5w，980nm激光器的激发功率为0.0w，1560nm激光器的电流为1.8a，产生黄色上转换发光；
25.当808nm激光器激的发功率为0.0w，980nm激光器激的发功率为0.0w，1560nm激光器的电流为1.6a，产生红色上转换发光；
26.当808nm激光器激的发功率为0.0w，980nm激光器的激发功率为0.5w，1560nm激光器的电流为2.0a，产生粉色上转换发光；
27.当808nm激光器的激发功率为1.1w，980nm激光器的激发功率为2.5w，1560nm激光器的电流为1.2a，产生白色上转换发光；
28.当808nm激光器的激发功率为1.0w，980nm激光器的激发功率为0.0w，1560nm激光器的电流为0.0a，产生绿色上转换发光。
29.与现有技术相比，本发明的优点如下：
30.本发明的一种基于全色上转换发光纳米显示器的真三维立体彩色显示系统及其显示方法，该显示系统采用基于三元正交激发发射体系的三维显示固体介质作为显示器，同一纳米材料中的三个发光过程是相互独立的，互不干扰的；可以获得具有高亮度和高色纯度的全色上转换发光，从而产生纳米级分辨率的动态真三维彩色立体显示图像及视频，具有显示效果逼真、显示信息量大、显示成像分辨率高等特点。涉及的显示方法是基于人眼视觉暂留效应的动态显示，具有耗用硬件资源少、软件控制方便、价格低廉等特点。
附图说明
31.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
32.图1：本发明实施例2制备的三元正交激发发射体系的透射电子显微镜(tem)照片；
33.图2：本发明实施例2制备的三元正交激发发射体系在三种不同波长近红外光(1560/980/808nm)进行合束激发下的发光照片；
34.图3：本发明实施例2制备的基于三元正交激发发射体系的全色上转换发光纳米显示器实物图；
35.图4：本发明实施例1的基于全色上转换发光纳米显示器的真三维立体彩色显示系统的结构示意图；
36.图5：本发明实施例1的基于全色上转换发光纳米显示器的真三维立体彩色显示系统实物图；
37.图6：本发明实施例2的基于全色上转换发光纳米显示器的真三维立体彩色显示系统产生的彩色真三维立体显示图像。
具体实施方式
38.为清楚、完整地描述本发明所述技术方案及其具体工作过程，结合说明书附图，本发明的具体实施方式如下：
39.实施例1
40.如图5所示，本实施例提供了一种基于全色上转换发光纳米显示器的真三维立体彩色显示系统，包括全色上转换发光纳米显示器、光学透镜组、980nm激光器、808nm激光器、1560nm激光器以及激光扫描仪，所述光学透镜组具体包括980nm、808nm和1560nm三组激光准直透镜、焦距为25mm的凸透镜、焦距为10cm的长焦透镜、980/808nm二向色镜、980/808/1560nm二向色镜。该显示系统通过3d建模软件输出立体图像数据；利用激光扫描仪主控制器接收信号；通过将980nm、808nm或1560nm中任意波长的两束/三束激光汇聚在全色上转换发光纳米显示器的定点位置处产生全色上转换发光；通过激光扫描仪程序化控制激光汇聚点在显示器中进行三维空间快速寻址扫描，利用人眼视觉的暂留效应，就可以获得纳米级分辨率的动态三维立体显示图像。
41.在本实施例中，所述全色上转换发光纳米显示器是由三元正交激发发射体系作为发光介质、高分子材料作为三维显示固体介质、通过掺杂或共聚的方法制备出的具有高透明度的基于纳米晶/高分子复合材料的全色上转换发光纳米显示器；其中，所述高分子材料为环氧树脂、聚甲基丙烯酸甲酯或聚二甲基硅氧烷。
42.本实施例的一种基于全色上转换发光纳米显示器的真三维立体彩色显示系统的工作原理如下：
43.该显示系统将980nm、808nm或1560nm中任意波长的两束激光汇聚在全色上转换发光纳米显示器的三维空间的定点处，由于正交三基色发光纳米晶分布在显示器的三维空间区域中，通过有选择的激发定点位置，就可以在显示器内部产生上转换发光；处在定点发光位置的纳米晶相当于一个纳米体像素点，通过程序化控制激光汇聚点在显示器中进行立体
图像的快速三维寻址扫描，利用人眼视觉的暂留效应，就可以获得由无数个纳米体像素点组成的动态的三维立体显示图像。
44.实施例2
45.本实施例提供了全色上转换发光纳米显示器的制备方法，具体包括如下步骤：
46.步骤一：三元正交激发发射体系的制备：
47.(1)蓝光发射核nayf4:yb/tm纳米晶的制备：按预定比例将总摩尔量为0.4mmol的稀土盐ycl3·
6h2o(0.2mmol)、ybcl3·
6h2o(0.196mmol)以及tmcl3·
6h2o(0.004mmol)加入到3ml油酸和7ml十八烯的混合溶剂中，加热到150℃反应90分钟得到y-yb-tm-oa油酸配合物，待冷却至室温后，加入氟源和钠源分别为1.6mmol nh4f和1.0mmol naoh的甲醇溶液，待甲醇挥发后，在惰性气体保护下加热到290℃反应90分钟得到核纳米晶；
48.(2)壳层前驱体的制备：将包裹壳层所需的稀土盐按照预定比例加入到3ml油酸和7ml十八烯的混合溶剂中，加热到150℃反应60分钟就可以分别得到第一壳层、第二壳层、第三壳层、第四壳层和第五壳层所需的y-oa、y-er-ho、y-oa、nd-yb-er-oa、y-nd-oa油酸配合物；
49.(3)nayf4:yb/tm@nayf4核壳结构纳米晶的制备：将已制备的nayf4:yb/tm核纳米晶作为晶种加入到壳层前驱体y-oa油酸配合物溶液中，然后加入氟源和钠源分别为1.6mmol nh4f和1.0mmol naoh的甲醇溶液，待甲醇挥发后，在惰性气体保护下加热到290℃反应90分钟得到核壳结构纳米晶；
50.(4)多层核壳结构纳米晶的制备：制备双壳层、三壳层、四壳层以及五壳层包覆的核壳结构纳米晶的方法与上述制备核壳结构纳米晶的制备方法相同。只需将前一步制备的纳米晶作为晶种，加入到预形成壳层的前驱体y-er-ho、y-oa、nd-yb-er-oa或y-nd-oa油酸配合物溶液中，然后加入氟源和钠源分别为1.6mmol nh4f和1.0mmol naoh的甲醇溶液，待甲醇挥发后，在惰性气体保护下加热到290℃反应90分钟就可以得到相应双层、三层、四层以及五层包覆的多层核壳结构纳米晶。
51.步骤二：通过掺杂或共聚的方法制备全色上转换发光纳米显示器：
52.(1)掺杂法：将40mg/ml的三元正交激发发射体系与环己烷溶液按照体积比1:10加入到环氧树脂中，在室温条件下搅拌20分钟，然后依次加入体积分数为2％的有机硅消泡剂和体积分数为10％聚酰胺固化剂，将得到的分散液超声震荡30min使其分散均匀，随后通过注射器注入到透明硅胶模具中，待分散液完全固化，即得到全色上转换发光纳米显示器；
53.(2)共聚法：将0.02g引发剂偶氮二异丁腈和9g单体甲基丙烯酸甲酯加入到4ml乙酸乙酯中，随后加热到60℃保持70分钟，待低温预聚反应完成后，加入1ml含20mg三元正交激发发射体系的乙酸乙酯溶液，然后将升温到82℃进行高温聚合，待反应液呈透明粘稠状，停止反应并将其转移到玻璃模具中，最后在真空干燥箱中加热到120℃保持24小时完成高温固化，反应结束后即得到全色上转换发光纳米显示器。
54.实施例3
55.本实施例提供了一种基于全色上转换发光纳米显示器的真三维立体彩色显示系统的显示方法，利用光学透镜和二向色镜对三束不同波长的近红外光(1560/980/808nm)进行合束调制，通过调节三束近红外激发光的激发功率，在基于三元正交激发发射体系的“全色上转换发光纳米显示器”三维空间区域的汇聚点处，可以产生基于三基色原理的全色上
转换发光。发光点相当于纳米尺度的体像素点，通过激光扫描仪进行立体图像的快速三维寻址扫描，就可以获得纳米级分辨率的彩色真三维立体显示图像及视频。
56.所述显示方法具体包括如下步骤：
57.通过调节1560/980/808nm三束近红外激发光的激发功率，在图1制备的三元正交激发发射体系中可以产生全色上转换发光，如图2所示；
58.具体地，通过调控三束激光激发功率，可以实现蓝、青、黄、红、粉、白、绿(从左往右)全色上转换发光的调控；具体地调控方案如下：
59.当808nm激光器的激发功率为0.0w，980nm激光器的激发功率为0.5w，1560nm激光器的电流为0.0a，产生蓝色上转换发光；
60.当808nm激光器的激发功率为0.8w，980nm激光器的激发功率为1.1w，1560nm激光器的电流为0.0a，产生青色上转换发光；
61.当808nm激光器激的发功率为1.5w，980nm激光器的激发功率为0.0w，1560nm激光器的电流为1.8a，产生黄色上转换发光；
62.当808nm激光器激的发功率为0.0w，980nm激光器激的发功率为0.0w，1560nm激光器的电流为1.6a，产生红色上转换发光；
63.当808nm激光器激的发功率为0.0w，980nm激光器的激发功率为0.5w，1560nm激光器的电流为2.0a，产生粉色上转换发光；
64.当808nm激光器的激发功率为1.1w，980nm激光器的激发功率为2.5w，1560nm激光器的电流为1.2a，产生白色上转换发光；
65.当808nm激光器的激发功率为1.0w，980nm激光器的激发功率为0.0w，1560nm激光器的电流为0.0a，产生绿色上转换发光。
66.将图1制备的三元正交激发发射体系通过掺杂或共聚的方法分散到透明的三维显示固体介质(环氧树脂、聚甲基丙烯酸甲酯或聚二甲基硅氧烷)中，得到全色上转换发光纳米显示器，如图3所示；
67.通过搭建真三维立体彩色显示系统，如图4和5所示，利用3d建模软件输出立体图像数据，通过准直透镜、凸透镜、长焦透镜和二向色镜对三束不同波长的近红外光(1560/980/808nm)进行合束调制，并汇聚在全色上转换发光纳米显示器的定点位置，利用激光扫描仪主控制器接收数据信号并通过程序化控制激光汇聚点在显示器中进行x轴、y轴、z轴三个方向快速寻址扫描，利用人眼视觉的暂留效应，就可以获得纳米级分辨率的动态三维立体显示图像，如图6所示。
68.以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
69.另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
70.此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。