在透明介质内部形成三维彩色显示的方法

摘要

本发明公开了在透明介质内部形成三维彩色显示的方法，是以含有1纳米至1000纳米的二阶非线性光学微晶的透明介质为显示体，用红，绿，蓝三基色可见光对应的二倍波长的红外激光对显示体进行扫描，并通过计算机控制扫描速度和激光聚焦位置，在透明介质内部形成三维彩色显示。本发明工艺简单、又具有分辨率高不存在幽灵点现象，与以往三维立体彩色显示方法相比在显示器的材料制备工艺以及显示系统的分辨率等综合特性方面具有明显的优势。

说明书

技术领域

本发明涉及一种在透明介质内部形成三维彩色显示的方法。

背景技术

长期以来人们一直在寻求一种能够在三维空间内显示图象的技术。电视是已经相当成熟的平面显示，它利用电子束快速扫描二维平面激发产生荧光的原理来显示图象，观察者只能在正对屏幕的一定区域内观察图像，不能获得任何关于图像的深度信息。三维立体显示则不受观察者所在位置的影响，观察者可以围绕显示体360°进行观察。并且三维显示所能表达的信息量远远超过了平面显示，它能即时表现物体任何一个角度任何一个部位的动态信息。这些优点使得三维立体显示技术在光信息、医疗、国防等领域具有广泛的应用前景，现在欧美和日本等国都在竞相开发相关的三维立体显示技术。

目前仍然有研究者利用二维显示技术表现三维立体空间，称之为虚拟三维显示，如近期日本东芝公司开发了一种平面立体显示技术。其原理主要是利用了人的双眼的视差，利用左眼和右眼接收到的不同图象，从而产生立体的感觉。但是由于其存在图形显示更新频率低，动态显示困难、图形分辨率低等问题，不能满足未来立体显示的要求；另一种三维显示技术——全息术则利用的是光的衍射和干涉。它不同于平面显示技术，它显示的图象具有真实的体积，然而全息映像技术仅仅是记录物体的静态立体映像，尚不能主动创造立体图像，不适合计算机的控制，而且对观察范围也有较大的限制。

体三维显示技术显示的是真实的立体图像。早期研究者开发了扫描体显示，如FELIX 3D和Perspecta。FELIX 3D使用的是一张围绕旋转轴的螺旋面，红、绿、蓝三色激光通过反射镜经过同样的光路作用在同一个点上，形成一个体像素。螺旋面高速旋转而变得透明，激光快速扫描形成的体像素点则在空间构成一幅立体图像。Perspectra的结构相对FELIX 3D来说更为简单，它的旋转面只是一个直立投影平面，转速大于600rpm。在显示物体的三维图像时，先通过软件生成几百张物体的剖面图，将构成物体的剖面图以每秒约2500帧的速率投影到高速旋转的投影面上去，利用人眼视觉的暂留效应产生物体的立体影像。Perspectra采用的了三块DLP(数字光处理)芯片，分别控制形成红、绿、蓝三种颜色的剖面图像，通过底座固定的光学系统以及随马达同步旋转的光中继镜片的反射，最终投影至屏幕上面。

但FELIX 3D等的扫描体显示由于旋转屏幕遮挡造成的死区太多，并且对旋转屏幕的平稳性要求较高，任何震动都会造成图像的模糊甚至难以辨认，这些缺点使研究者转向了静态体显示的研究。

静态体显示的显示体并不需要高速旋转的投影屏来获得一个“体积”，显示体本身就拥有一定的体积。激光束照射到显示体内部某一点激发出荧光，利用人眼视觉的暂留效应，当激光快速地依次激发显示体内部空间中的点时就可以形成一幅三维立体图像，图像以一定的频率进行更新便能够表现动态的图像。

实现静态体显示的最重要的原则就是利用两种频率、两步上转换(TFTS)的技术。TFTS实际上是属于激发态吸收的上转换过程。通常将光活性粒子掺杂在透明的作为显示体的材料中，这些掺杂的原子，分子或者离子在光的照射下可以吸收光子，跃迁到激发态。利用两束波长不同的红外激光，一束激光将作用点的粒子激发到一个中间态，另一束激光将粒子激发到更高的激发态，衰减的过程中发出可见光。也有用两束波长相同的激光作为激发源的，这种情况下两个光子是被同时吸收的，没有中间态。但由此却有可能在激光的光路上而不仅仅是两束激光的交叉点上引起荧光效应。

早在1912年法国发明家Luzy和Dupuis就提出了利用TFTS技术来实现静态体显示的基础理论。以气体作为显示基体的研究较为成功的是1989年Kim等开发的以铷蒸汽为显示基体的静态三维体显示器。两束低能二极管激光束，分别为波长为630nm的红色激光和波长为780nm的近红外激光，垂直相交于容有铷蒸汽的体积，在两束激光相交的微小区域，铷原子首先在780nm的激光激发下发生5S_1/2到5P_3/2的上转换，然后在630nm激光的作用下发生5P_3/2到6D_5/2的上转换，在激发态经历244纳秒后发出红色可见荧光。尽管作为激发源的630nm的激光是在可见光区，但是激发一个发光点的时间很短，激光快速的移动到其它激发点去不断地刷新三维图像以至于人眼感觉不到红色激光。而且当图像以每秒15次的速度进行更新时就不会出现图像闪烁现象。

以固体作为基体的静态体显示的显示器不需要专门的容器来容纳，激发源也多采用不可见的红外激光。1964年Brown等申请了第一项基于双光子上转换的三维显示专利(U.S.patent 3,474,248(1969))。显示基体是几种含有浓度在0.05到25％的三价铥、铒、钬离子的氟化物晶体。作为激发源的其中一束激光被展开成为扇形平面，可以在Z方向上移动，另一束激光则可以在X、Y方向移动，由于相交的角度不变所以生成的体像素的形状也是固定的。1971年Lewis等人开发的静态三维体显示技术是利用TFTS原理。显示基体是掺杂了铒的CaF₂晶体，激发源是两盏氙灯提供的波长分别为1540nm和830nm的红外激光，铒离子受激发后衰减时发出绿光。从其装置结构上看，第二束激光的反射光也通过显示体又和第一束激光相交，一个瞬间可以激发出两个体像素。

Downing等在1994年开创了一种三维显示技术，引起了全世界的轰动。显示体是掺杂了稀土的重金属氟化物玻璃；激发源是三对市场上可以买到的红外激光。为了能达到三色显示，Downing用了三种不同的掺杂物：镨产生红光，铥产生蓝光，铒产生绿光。为了解决能级不同的三种稀土元素的混合造成的很多问题，采用了100μm到500μm的薄层，薄层之间通过折射率相同的光学粘着剂粘接，薄层掺杂不同的稀土元素。掺杂物的浓度约为0.5mol％时可以获得最大的亮度的发光点。更高的浓度会提高单频率的上转换，引入多余的可视线条。每一种掺杂物都要靠波长合适的激光交叉才能激发。通过使用计算机控制的扫描仪和镜子，发光点可以在显示体内任何一点显现，从而构成复杂的图像结构。因为发光点在激发源移开后就马上消失，所以图片必须有规律地更新。30Hz到100Hz的速率可以避免图像闪烁。他们成功地进行了利用上转换荧光的立体显示。

但是基于TFTS的静态体显示技术需要一束激光将掺杂离子先激发到一个中间态，再由另一束激光激发到更高一级的激发态，电子在此能级上停留一定的时间后衰减发出可见光，由于其涉及到两束激光，故其激发上转换的光斑不能太小，至少要大于100μm，否则在寻址扫描中两束激光很难重叠，这样使基于TFTS的静态体显示分辨率很低，并且由于光斑太大，使得体象素的发光强度减弱。

另外利用TFTS原理的静态体显示器存在幽灵点的问题。由于激光在到达交叉点时需要在显示体内部穿越一定的距离，在这段光路上掺杂粒子都被激发到了中间态，若中间态的寿命足够长，以至于在激发下一个点时仍没有衰减，并且碰巧激发下一个点时，第二束激光要与第一束激光激发前一个点的光路交叉，这时就使交叉点上的掺杂粒子被激发产生荧光，出现幽灵点现象。静态显示器对激光束位置的控制精度要求较高，高的分辨率要求体像素更为微小，两束激光必须准确的交叉在预定的位置，然而基于TFTS原理的静态体显示由于要满足两束激光相重叠，故体象素不可能太小，否则两束激光很难相交，这样就降低了显示器的分辨率。

发明内容

本发明的目的是提供一种工艺简单、又具有分辨率高不存在幽灵点现象的在透明介质内部形成三维彩色显示的方法。

本发明的在透明介质内部形成三维彩色显示的方法，是以含有1纳米至1000纳米的二阶非线性光学微晶的透明介质为显示体，用红，绿，兰三基色可见光对应的二倍波长的红外激光对显示体扫描，并通过计算机控制扫描速度和光聚焦位置，在透明介质内部形成三维彩色显示。

本发明的工作原理是当将激光(包括连续和脉冲激光)照射到含有纳米尺度(1纳米-1000纳米)二阶非线性光学微晶的透明介质时，在激光焦点附近会产生光强与激光光强的平方成正比的倍频散射光。改变激光的波长，倍频光的波长相应改变，从而可实现在透明介质内部的三维彩色立体显示。

本发明中，所说的含有1纳米至1000纳米的二阶非线性光学微晶为具有二阶光学非线性的无机晶体和有机晶体。无机晶体可以是β-BaB₂O₄(BBO)，BiBO(BiBO)，LiB₃O₅(LBO)，KTiOPO₄(KTP)，KTiOAsO₄(KTA)，KH₂PO₄(KDP)，a-HIO₃，LiNbO₃(LN)，KNbO₃(KN)，LiIO₃，BaTiO₃，Ba2NaNb5O15，CsB3O5(CB0)和CsLiB6010中的一种或一种以上的混合体。有机晶体可以是甲酸钠(HCOONa)，L-磷酸精氨酸(LAP)，二氯二硫脲合镉(BTTC)，一水二氯氨基硫脲合镉(TSCCC)和二卤素三丙烯基硫脲合镉中的一种或一种以上的混合体。

尺度限制在1-1000纳米是为了减少纳米晶体对光的散射。晶体过小则发光效率低，晶体过大则介质会变得不透明，不能实现三维立体现实。

本发明利用激光倍频纳米晶掺杂在透明介质内部形成三维彩色显示的方法与利用TFTS原理的静态立体彩色显示方法相比具有以下有益效果：

1)可以通过单光束聚焦扫描，而无需二个光束的空间交叉，大大改善了系统的复杂性，又可提高显示器的空间分辨率。

2)只需一块纳米晶掺杂的透明介质，而无需Downing等采用的先将不同稀土掺杂的玻璃加工成100μm的薄层，然后用折射率相同的光学粘结剂再将不同离子掺杂的玻璃粘结起来成一个块体的繁复而又耗时的工艺。

3)与TFTS利用荧光上转换的效率一般低于1％相比，利用倍频晶体的光-光转换效率可高达50％。

4)基于光学二阶非线性的响应速度为几百个飞秒，因此不会产生TFTS中由于稀土离子长的荧光寿命而导致的幽灵点现象。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

将六面抛光的100mm×100mm×1000mm³的含β-BBO纳米晶的透明硼硅酸盐微晶玻璃作为显示体，用聚焦的900nm，1082nm以及1224nm的调Q的纳秒激光照射，分别在激光聚焦的焦点附近产生了兰，绿，红的发光(倍频散射光)，通过计算机控制扫描系统，在玻璃内部形成了立体三维彩色显示。

实施例2：

将六面抛光的100mm×100mm×1000mm³的含KTP纳米晶的透明聚甲基丙烯酸甲酯作为显示体，用聚焦的960nm，1080nm以及1240nm的调Q的纳秒激光照射，分别在激光聚焦的焦点附近产生了兰，绿，红的发光(倍频散射光)，通过计算机控制扫描系统，在玻璃内部形成了立体三维彩色显示。

实施例3：

将六面抛光的100mm×100mm×1000mm³的含LN纳米晶的透明硅酸盐微晶玻璃作为显示体，用聚焦的950nm，1032nm以及1260nm的锁模的飞秒激光照射，分别在激光聚焦的焦点附近产生了兰，绿，红的发光(倍频散射光)，通过计算机控制扫描系统，在玻璃内部形成了立体三维彩色显示。

实施例4：

将六面抛光的100mm×100mm×1000mm³的含BaTiO₃纳米晶的透明硼硅酸盐微晶玻璃作为显示体，用聚焦的930nm，1060nm以及1250nm的调Q的纳秒激光照射，分别在激光聚焦的焦点附近产生了兰，绿，红的发光(倍频散射光)，通过计算机控制扫描系统，在玻璃内部形成了立体三维彩色显示。

实施例5：

将六面抛光的100mm×100mm×1000mm³的含CsLiB₆O₁₀纳米晶的透明聚甲基丙烯酸甲酯作为显示体，用聚焦的940nm，1052nm以及1255nm的调Q的纳秒激光照射，分别在激光聚焦的焦点附近产生了兰，绿，红的发光(倍频散射光)，通过计算机控制扫描系统，在玻璃内部形成了立体三维彩色显示。

实施例6：

将六面抛光的100mm×100mm×1000mm³的含Ba₂NaNb₅O₁₅纳米晶的透明硅酸盐微晶玻璃作为显示体，用聚焦的935nm，1058nm以及1258nm的调Q的纳秒激光照射，分别在激光聚焦的焦点附近产生了兰，绿，红的发光(倍频散射光)，通过计算机控制扫描系统，在玻璃内部形成了立体三维彩色显示。

实施例7：

将六面抛光的100mm×100mm×1000mm³的含甲酸钠纳米晶的透明聚甲基丙烯酸甲酯作为显示体，用聚焦的938nm，1054nm以及1258nm的调Q的纳秒激光照射，分别在激光聚焦的焦点附近产生了兰，绿，红的发光(倍频散射光)，通过计算机控制扫描系统，在玻璃内部形成了立体三维彩色显示。

实施例8：

将六面抛光的100mm×100mm×1000mm³的含L-LAP纳米晶的透明聚甲基丙烯酸甲酯作为显示体，用聚焦的900nm，1082nm以及1224nm的调Q的纳秒激光照射，分别在激光聚焦的焦点附近产生了兰，绿，红的发光(倍频散射光)，通过计算机控制扫描系统，在玻璃内部形成了立体三维彩色显示。

实施例9：

将六面抛光的100mm×100mm×1000mm³的含二氯二硫脲合镉(BTTC)纳米晶的透明聚甲基丙烯酸甲酯作为显示体，用聚焦的910nm，1072nm以及1234nm的调Q的纳秒激光照射，分别在激光聚焦的焦点附近产生了兰，绿，红的发光(倍频散射光)，通过计算机控制扫描系统，在玻璃内部形成了立体三维彩色显示。

实施例10：

将六面抛光的100mm×100mm×1000mm³的含一水二氯氨基硫脲合镉(TSCCC)纳米晶的透明聚甲基丙烯酸甲酯作为显示体，用聚焦的906nm，1082nm以及1225nm的调Q的纳秒激光照射，分别在激光聚焦的焦点附近产生了兰，绿，红的发光(倍频散射光)，通过计算机控制扫描系统，在玻璃内部形成了立体三维彩色显示。

以上实施例及其实验证明，本发明以含有纳米尺度(1纳米至1000纳米)二阶非线性光学特性微晶的透明介质为显示体。通过采用三种不同波长(分别对应红，绿，兰三基色的二倍的波长)的激光的计算机控制快速扫描，可实现三维立体彩色显示。与以往三维立体彩色显示方法相比在显示器的材料制备工艺以及显示系统的分辨率等综合特性方面具有明显的优势。