ГИБРИДНЫЙ НАНОКОМПОЗИТНЫЙ МАТЕРИАЛ, СИСТЕМА ЛАЗЕРНОГО СКАНИРОВАНИЯ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ ОБЪЕМНОГО ПРОЕЦИРОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ Российский патент 2020 года по МПК G03B21/606 H04N5/74 B82Y20/00 

Ссылки на связанные с изобретением патентные заявки

[0001] Настоящая патентная заявка испрашивает приоритет по канадской патентной заявке №2889103, озаглавленной "Гибридные нанокомпозитные материалы и их применение в системе объемного проецирования", поданной 21 апреля 2015 г. в Канадское Ведомство Интеллектуальной Собственности (CIPO). Полное содержание данной приоритетной заявки включено в настоящую заявку посредством ссылки.

Область техники, к которой относится изобретение

[0002] Настоящее изобретение относится, по существу, к области нанокомпозитных материалов и трехмерного лазерного сканирования, применяемых в формировании объемного или трехмерного (3D) изображения. Настоящее изобретение, в частности, применимо в областях компьютерного проектирования (CAD), в индустрии развлечений или в медицине, однако не ограничено этими областями.

Уровень техники

[0003] Современные технологии позволяют синтезировать все более сложные материалы, лучше отвечающие экспериментальным и промышленным потребностям. При наличии точного перечня требуемых характеристик может быть изготовлен материал, в полной мере выполняющий ту функцию, для которой он предназначается. Оптика - одна из областей, в которой наука о материалах обеспечила множество экспериментальных и теоретических достижений.

[0004] Квантовые точки представляют собой полупроводниковые наноструктуры. Особенность этих наноструктур заключается в том, что они всегда передают поглощенную энергию на одной той же частоте. Когда полупроводник поглощает энергию, один или более электрон переходит в зону проводимости, оставляя одну или более дырку в зоне валентности. Электрон и дырка остаются связанными посредством электрической силы и образуют экситон. Квантовые точки, в силу своей кристаллической природы, ограничивают экситоны в трех измерениях на расстоянии нескольких нанометров, как если бы они были заключены в ячейке. Поскольку в ячейке фиксированных размеров допустимы только кратные длины волн, уровни энергии дискретизированы. Длина волны излучения квантовой точки определяется ее размеров. Чем больше радиус квантовой точки, тем меньше длина волны излучения. Например, красные квантовые точки имеют больший размер, чем синие квантовые точки. При возбуждении от источника энергии, один из их электронов поднимается в зону проводимости, а затем релаксирует в исходное состояние и падает обратно в зону валентности. После чего в результате флуоресценции испускается фотон.

[0005] Линейное поглощение, после которого случается флуоресценция, может быть описано как явление, когда объект получает энергию, главным образом, электрическую или световую, и аккумулирует ее. Этот объект, обладающий большей энергией, чем раньше, находится в возбужденном состоянии за счет избытка энергии. Чтобы релаксировать и опуститься в состояние с меньшей энергией, объект, если речь идет о флуоресценции, испускает фотон с определенной длиной волны. Таким образом, квантовые точки представляют собой флуоресцирующие объекты, которые могут поглощать световую энергию в определенном диапазоне частот и переизлучать ее на собственной частоте.

[0006] Квантовые точки используются многими исследователями для различных целей. Их синтез и свойства описаны в уровне техники (REISS, Peter, et al., 2009, Core/Shell Semiconductor Nanocrystals, Small, т. 5, вып. 2, стр. 154-168). Кроме того, диспергирование квантовых точек в матрице из полиметилакрилата (РММА) уже было раскрыто в уровне техники, но только с точки зрения фотоэлектрического применения (KLEVIOV, Victor 1. and MEINARDI, Francesco: Large-area luminescent solar concentrators based on Stokes- PMMA matrix, Nature Photonics, 8, 392-399 (2014)), в частности, для для создания более эффективных солнечных панелей. Наконец, было экспериментально продемонстрировано двухфотонное поглощение квантовых точек (KARABULUT, Ibrahim and BASKOUTAS, Sotirios: Linear and nonlinear optical absorption coefficients and refractive indexes in spherical quantum dots Intensity, Journal of Applied Physics, 103, 2008). Для исследования характеристик нелинейного поглощения был разработан метод Z-сканирования (VAN STRYLAND, Eric W. and SHEIK-BAHAE, Mansoor, Z-Scan Measurements of Optical Nonlinearities, -692).

[0007] В патенте США US 7858913 В2 (Refai et al., 2010) описывается оснащенное светоизлучающей поверхностью отображающее устройство для получения трехмерного изображения, содержащее множество частиц, взвешенных в устройстве объемного отображения. Первая проекционная система проецирует последовательные срезы электромагнитной энергии с одной или более длиной волны вдоль длины и ширины устройства объемного отображения, тем самым возбуждая частицы с образованием двумерного изображения. Вторая проекционная система проецирует поступательные срезы электромагнитной энергии с одной или более длиной волны, пересекающие возбужденные частицы по толщине объемного отображения. Система контроля синхронизирует проецирование источника изображения и источника активации таким образом, что упомянутое двумерное изображение и поступательные срезы возбуждают частицы в течение заданного периода времени, тем самым обеспечивая свечение упомянутых частиц для формирования освещаемого трехмерного изображения. Изобретение, описанное в упомянутом патенте, для формирования трехмерного изображения требует использования двух проекционных систем.

[0008] Другие известные из уровня техники системы объемного проецирования раскрыты в патентных заявках США № US 2013/0314416 A1 (Kuhlman et al., 2013) и US 2014/0327747 A1 (Kong, 2014).

[0009] Существующие системы прозрачных матриц с добавлением наноизлучающих элементов, например квантовых точек или нанокристаллов, имеют слишком низкий отклик на фотонное возбуждение для использования этих матриц в 3D системах объемного проецирования. Следовательно, существует проблема создания матрицы из нанокомпозитных материалов нового типа, чей отклик на фотонное возбуждение является достаточно сильным для обеспечения возможности ее использования в системах объемного проецирования.

Раскрытие сущности изобретения

[0010] Настоящее изобретение относится к гибридной проекционной матрице для объемного проецирования трехмерного (3D) изображения, причем упомянутая матрица содержит в прозрачной для света твердой подложке синергетическую комбинацию частиц по меньшей мере двух различных типов:

первый тип, содержащий наноизлучающие частицы, выполненные с возможностью нелинейного поглощения одного или двух фотонов и излучения видимого света; и

второй тип, содержащий по меньшей мере одну добавку, улучшающую нелинейное поглощение одного или двух фотонов и излучение видимого света наноизлучающими частицами с обеспечением возможности повышения интенсивности и/или модифицирования света, излучаемого наноизлучающими частицами.

[0011] Настоящее изобретение также относится к способу изготовления гибридной проекционной матрицы для объемного проецирования трехмерного (3D) изображения, причем способ включает в себя следующие этапы:

a) смешивают в растворе для синтеза прозрачной для света подложки первое заданное количество частиц первого типа, содержащих наноизлучающие частицы, и второе заданное количество частиц второго типа, состоящих из по меньшей мере одной добавки; и

b) отверждают полученную смесь для получения матрицы.

[0012] Настоящее изобретение также относится к системе объемного проецирования трехмерного (3D) изображения, содержащей:

источник излучения фотонов; и

гибридную проекционную матрицу согласно настоящему изобретению, расположенную после источника излучения для приема фотонов от источника излучения, при этом матрица выполнена с возможностью излучения после этого видимого света для создания трехмерного изображения.

[0013] Настоящее изобретение также относится к способу объемного проецирования трехмерного (3D) изображения, согласно которому фотоны проецируют на гибридную проекционную матрицу согласно настоящему изобретению, после чего матрица излучает видимый свет для формирования изображения в трех измерениях.

[0014] Настоящее изобретение также относится к применению гибридной проекционной матрицы согласно настоящему изобретению для формирования трехмерного изображения.

[0015] Настоящее изобретение не ограничено числом типов частиц, используемых в матрице, и в общем случае могут быть добавлены частицы третьего, четвертого, пятого, …, n-го типа для образования третичной, четвертичной и так далее гибридных матриц.

[0016] Цель внесения частиц второго типа, или добавок, заключается в модифицировании свойств матрицы, содержащей первоначальный тип частиц, для обеспечения лучших характеристик разреженного проецирования или придания новых характеристик, не обеспечиваемых при наличии только одного типа частиц. Настоящее изобретение также раскрывает измерение нелинейного поглощения квантовых точек в пластиковой матрице и оценку воздействия от внесения добавок на упомянутое явление.

[0017] Согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения, квантовые точки представляют собой структуры, предназначенные для создания необходимого нелинейного эффекта в оптическом материале (матрице). Они предпочтительно удерживаются в пластике так, что они являются применимыми на практике, и при этом их нежелательное воздействие на здоровье ограничено.

[0018] Кроме того, в отличие от существующих систем прозрачных матриц с добавлением наноизлучающих элементов, например квантовых точек или нанокристаллов, обладающих слишком низким откликом на фотонное возбуждение для того, чтобы эти структуры могли использоваться в системах связанного объемного 3D проецирования, отклик на фотонное возбуждение в решении согласно настоящему изобретению обладает достаточной силой для использования этого решения в системах объемного проецирования. Кроме того, это позволяет уменьшить в проекционной системе мощность источника излучения фотонов, например лазера с обеспечением при этом создания видимого изображения в матрице, что позволяет сохранить пластиковую матрицу, предотвращая ее плавления под действием фотонов или лазерного луча.

[0019] Оптические явления, используемые в настоящем изобретении, предпочтительно относятся к поглощению одного или двух фотонов, предпочтительнее двух фотонов, и излучению энергии посредством флуоресценции. Двухфотонное поглощение, предшествующее флуоресценции, позволяет получить излучение с длиной волны в видимом диапазоне, даже когда возбуждение квантовых точек осуществляется посредством инфракрасного света, что позволяет использовать данное явление при изготовлении объемных проекционных экранов. В этой технологии предпочтительно используется невидимое для человеческого глаза падающее излучение, чтобы исключить искажение отображаемого изображения. Когда квантовая точка получает сигнал (два инфракрасных фотона) она переизлучает его энергию в виде одного видимого фотона, образуя тем самым изображение, которое может быть представлено в трех измерениях.

[0020] Настоящее изобретение предпочтительно отличается тем, что предлагает скомбинировать эти аспекты, размещая квантовые точек предпочтительно в пластиковом материале, например, РММА, не ограничиваясь этим материалом, для определения характеристик их нелинейного поглощения посредством Z-сканирующего лазера.

[0021] Настоящее изобретение обеспечивает возможность новых функций в дополнение к тому, что оно обеспечивает улучшение и усовершенствование всех оптических свойств (времени жизни, либо "скорость" излучения света, колориметрическое качество, "величины поглощения" и так далее) материалов, содержащих только наноизлучатели.

[0022] Совокупность признаков настоящего изобретения, рассматриваемая заявителем как новая и обладающая изобретательским уровнем, подробно описана в прилагаемой формуле изобретения.

Краткое описание чертежей

[0023] Преимущества, задачи и характеристики настоящего изобретения более ясны из последующего подробного описания, сопровожденного ссылками на чертежи, где:

[0024] На фиг. 1 проиллюстрировано расстояние луча от детектора относительно положения образца; упомянутые расстояния измерены по существу относительно точки фокуса лазера; меньшее присутствие красного цвета означает меньшую интенсивность света, что предполагает поглощение.

[0025] На фиг. 2 показаны цилиндрические образцы в ультрафиолетовом свете, причем круговой диск вырезан из цилиндров и отполирован.

[0027] На фиг. 3 показана установка лазера Z-сканирующего типа с параметрами, используемыми в эксперименте.

[0027] На фиг. 4 показан график, иллюстрирующий зависимость средней интенсивности света от положения образцов 60, 61 и 62 при мощности 10 мВт (OD10).

[0028] На фиг. 5 показан график, иллюстрирующий зависимость средней интенсивности света от положения образцов 60, 61 и 62 при мощности 13,5 мВт (OD8).

[0029] На фиг. 6 показан график, иллюстрирующий зависимость средней интенсивности света от положения образцов 60, 61 и 62 при мощности 20 мВт (OD6).

[0030] На фиг. 7 показан график, иллюстрирующий зависимость средней интенсивности света от положения образцов 63, 64 и 65 при мощности 20 мВт (OD6).

[0031] На фиг. 8 показан график, иллюстрирующий зависимость средней интенсивности света от положения образцов 63, 64 и 65 при мощности 24 мВт (OD5).

[0032] На фиг. 9 показана кубическое расположение множества добавленных в РММА точек в состоянии, когда квантовые точки не подсвечены (фиг. 9А), и когда подсвечены УФ световым лучом (фиг. 9В).

[0033] На фиг. 10 показан гауссов лазерный луч вблизи фокального пятна.

[0034] На фиг. 11 проиллюстрировано строение объемного экрана.

[0035] На фиг. 12 показан типовой пример системы лазерного сканирования.

Осуществление изобретения

[0036] Согласно первому предпочтительному варианту осуществления настоящее изобретение включает в себя гибридную проекционную матрицу для объемного проецирования трехмерного (3D) изображения. Матрица содержит в твердой подложке, прозрачной для света, синергетическую комбинацию частиц по меньшей мере двух различных типов:

первый тип, содержащий наноизлучающие частицы, обеспечивающие возможность поглощения нелинейным образом одного или двух фотонов и излучения видимого света; и

второй тип, содержащий по меньшей мере одну добавку, улучшающую нелинейное поглощение одного или двух фотонов и излучение видимого света наноизлучающими частицами с обеспечением возможности повышения интенсивности и/или модифицирования света, излучаемого наноизлучающими частицами.

[0037] Матрица предпочтительно представляет собой матрицу, в которой твердая подложка, прозрачная для света, содержит полимерную подложку, например, полиметилакрилат (РММА). Следует понимать, что в настоящем изобретении могут быть использованы и другие полимерные материалы, образующие прозрачные для света структуры.

[0038] Наноизлучающие частицы предпочтительно содержат квантовые точки, квантовые проволоки или стержни, квантовые ямы, квантовые кольца, нанокристаллы, такие как нанокристаллы со структурой ядро/оболочка или гетероструктурные нанокристаллы, нанопластины, флуоресцирующие молекулы, флуорофоры и/или фосфоры. Наноизлучающие частицы предпочтительно содержат квантовые точки.

[0039] Металлические наночастицы более предпочтительно представляют собой наночастицы серебра или наночастицы углерода.

[0040] Добавка или добавки, используемые в настоящем изобретении, предпочтительно содержат наночастицы золота, наночастицы серебра, полупроводниковые наночастицы, наноцеллюлозу, углеродные нанотрубки, двумерные материалы, графен, или проводящие полимеры и/или полупроводники. Более предпочтительно добавка или добавки содержат металлические частицы, представляющие собой наночастицы серебра и/или углеродные нанотрубки.

[0041] Матрица предпочтительно выполнена в форме листа с толщиной от 2 до 5 мм. Этот лист предпочтительно имеет полированную поверхность с чистотой обработки порядка 1 мкм.

[0042] Согласно второму аспекту, настоящее изобретение относится к способу изготовления гибридной проекционной матрицы для объемного проецирования трехмерного (3D) изображения, причем способ включает в себя следующие этапы:

a) смешивают в растворе для синтеза прозрачной для света твердой подложки, первое заданное количество частиц первого типа, содержащих наноизлучающие частицы, и второе заданное количество частиц второго типа, состоящих из по меньшей мере одной добавки; и

b) отверждают полученную смесь для получения матрицы.

[0043] Раствор, обеспечивающий синтез прозрачной для света твердой подложки, предпочтительно содержит мономер, который после полимеризации образует полимерную подложку, прозрачную для света. Как упомянуто выше, матрица предпочтительно представляет собой матрицу, в которой прозрачная для света твердая подложка содержит полимерную подложку, например, из полиметилакрилата (РММА). Следует понимать, что в настоящем изобретении могут быть использованы и другие полимерные материалы, образующие прозрачные для света структуры.

[0044] Согласно предпочтительному варианту осуществления, способ изготовления гибридной проекционной матрицы для объемного проецирования трехмерного (3D) изображения, включает в себя следующие этапы:

a1) смешивают в растворе мономера для синтеза полимерной подложки первое заданное количество частиц первого типа, содержащих наноизлучающие частицы, и второе заданное количество частиц второго типа, содержащих упомянутую по меньшей мере одну добавку;

а2) вводят в смесь инициатор полимеризации; и

b1) обеспечивают возможность полимеризации полученной смеси для получения матрицы.

[0045] Используемые в этом способе материалы описаны выше.

[0046] В случае матрицы на основе квантовых точек и металлических частиц (серебра и/или углеродных нанотрубок) упомянутый способ предпочтительно дополнительно содержит этап, на котором смесь перед введением инициатора предварительно нагревают до температуры около 90°С. При этом способ может дополнительно содержать следующие этапы: смесь наливают в литейную форму, образованную в виде, например, призм или цилиндров, и обеспечивают возможность полимеризации смеси при температуре около 75°С на протяжении около 24 часов.

[0047] Упомянутый способ может также включать в себя этап, на котором полученную после полимеризации матрицу нарезают в форме параллельных полос. Упомянутый способ может дополнительно включать в себя этап, на котором отбирают соседние пластинки для получения аналогичных концентраций наночастиц в каждой из отобранных пластинок. Отобранные пластинки предпочтительно имеют толщину от 2 мм до 5 мм.

[0048] Упомянутый способ может дополнительно включать в себя этап, на котором пластинки полируют. Отполированные пластинки предпочтительно имеют зернистость поверхности около 1 мкм.

[0049] Согласно упомянутому способу изготовления, матрица предпочтительно содержит квантовые точки с концентрацией от 2 мкл/мл до 8 мкл/мл, а концентрация наночастиц серебра составляет от 0,01 мг/мл до 0,2 мг/мл. Матрица может также иметь концентрацию количественных точек от 2 мкл/мл до 8 мкл/мл и концентрацию углеродных нанотрубок от 0,0001 мг/мл до 0,01 мг/мл.

[0050] Согласно третьему аспекту, настоящее изобретение относится к системе объемного проецирования трехмерного (3D) изображения, содержащей источник излучения фотонов, например лазер; и гибридную проекционную матрицу согласно настоящему изобретению. Матрица расположена после источника излучения для приема фотонов от источника излучения, при этом матрица выполнена с возможностью излучения после этого видимого свет для создания трехмерного изображения.

[0051] Источник излучения фотонов предпочтительно представляет собой лазер, выполненный с возможностью излучения света, например невидимого инфракрасного (ИК) света, УФ света или видимого света. Для ослабления интерференции со светом, излучаемым матрицей, предпочтительно используется невидимый ИК свет.

[0052] Система может включать в себя лазер, выполненный с возможностью осуществления XY-сканирования для позиционирования фокальной точки луча для каждой секущей плоскости изображения. Осуществляемое сканирование может представлять собой Z-сканирование для позиционирования фокальной точки луча для каждой плоскости по глубине изображения. Для заполнения вокселя также быть использовано сканирование предмета.

[0053] Согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения, проекционная система содержит лазер, выполненный с возможностью осуществлять несвязное трехчастное сканирование, что обеспечивает возможность повышения общей скорости обновления системы, причем сканирование включает в себя:

первое XY-сканирование для позиционирования фокальной точки луча для каждой секущей плоскости изображения;

второе Z-сканирование для позиционирования фокальной точки луча для каждой плоскости по глубине изображения; и

третье сканирование для завершения изображение и заполнения вокселя.

[0054] Согласно другому аспекту, настоящее изобретение относится к способу объемного проецирования трехмерного (3D) изображения, включающему в себя следующие этапы: проецируют фотоны на гибридную проекционную матрицу согласно настоящему изобретению, причем матрица затем излучает видимый свет для формирования трехмерного изображения.

[0055] Элементы данного способа описаны выше.

[0056] Поглощение двух фотонов и флуоресценция: рассмотрим ситуацию, в которой падающий фотон с частотой fi поглощается квантовой точкой. Квантовая точка переизлучает эту энергия в фотон с частотой fe, причем с учетом принципа сохранения энергии fi>fe. Разница энергии выделяется в виде тепла. Теперь рассмотрим ситуацию, в которой два фотона с частотой f1 попадают в один и тот же момент времени в квантовую точку, и что они оба одновременно поглощаются. Если 2f1>f2, где f2 - частота излучения квантовой точки, то имеет место двухфотонное поглощение, после которого потенциально возникает флуоресценция. Для возникновения этого явления падающие фотоны не обязательно должны иметь одну и ту же частоту. Однако сумма их соответствующих частот должна быть в диапазоне поглощения квантовой точки или изучаемого предмета.

[0057] Целью техники, основанной на методе Z-сканирования, является измерение нелинейного показателя преломления и коэффициента нелинейного поглощения предмета. Согласно настоящему изобретению качественно изучается только нелинейное поглощение. Принцип заключается в перемещении образца в какую-либо сторону от фокальной точки по оси, проходящей через вершины световых конусов, образованных при фокусировке луча (см. фиг. 3). Интенсивность света, который не был линейно поглощен вблизи фокальной точки, не учитывается в конце линии пути. При построении графика зависимости интенсивности света от положения образца вдоль его траектории, получается углубление с наименьшим значением в фокальной точке.

[0058] Следует заметить, что, как показано на фиг. 1, при приближении к фокальной точке только темный участок в центре претерпевает изменения. Это свидетельствует о том, что двухфотонное поглощение действительно может быть обнаружено посредством Z-сканирования. Причем это явление возникает только при высокой интенсивности (темные и белые центральные участки), периферийные участки изображений светлосерого и черного цвета при перемещении образца не изменяются.

Примеры гибридных матриц:

[0059] Предложенная бинарная гибридная проекционная матрица содержит по меньшей мере два типа (нано)частиц и/или различных молекул, описанных далее. Не смотря на то, что настоящее изобретение описано с использованием в качестве примера одного или более предпочтительного варианта осуществления, следует понимать, что эти предпочтительные варианты осуществления использованы для иллюстрации настоящего изобретения и не должны трактоваться как ограничивающие область патентной защиты.

Описание установки и оборудования

[0060] На первом этапе изготовления формуют призмы или пластиковые цилиндры. После того, как сформирована жидкая смесь, содержащая метилметакрилат, квантовые точки, металлические добавки, а также инициатор полимеризации, может быть начат этап предварительной полимеризации. Например, температура может составлять 90°С. Установка для его осуществления содержит, по существу, нагревательную пластину, размещенную на универсальной подложке, водяную ванну, заполненную водой и установленную на пластине, термометр, показывающий температуры воды, и два зажима для удержания погруженных образцов. После этапа предварительного нагрева заготовки формуют в цилиндрической стеклянной колбе или в алюминиевых формах в форме квадратной призмы. Технология, в которой используются цилиндрические бутыли, является более легкой для реализации и позволяет достичь большей однородности образцов. Однако работа с цилиндрическими образцами менее удобна для получения характеристик, и колбы, в отличие от алюминиевых форм, не могут использоваться несколько раз. Формы затем помещают в печь при 75°С для полимеризации в течение около 24 часов.

[0061] Извлеченные из форм образцы нарезают на пластинки порядка 3 мм с использованием пилы с вращающимся алмазным диском. После этого пластинки (образцы) полируют на ручном полировальном столе до получения чистоты обработки поверхности порядка 1 мкм.

Пример изготовления образцов:

[0062] Изготовление наноизлучающих частиц, таких как квантовых точек, нанокристаллов или подобных им, известно специалисту в данной области техники и раскрыто, например, в следующих документах, содержание которых может быть включено в данный документ в качестве ссылки:

- Marie-Eve Lecavalier et al. "Water-dispersable colloidal quantum dots for 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), стр. 8706-8715;

- Sam Beddar, Luc Beaulieu; "Scintillation Dosimetry", глава 19 (ISBN 9781482208993).

[0063] Доступные в продаже используемые добавки:

- углеродные нанотрубки - Поставщик: Raymor Nanotech <http://raymor.com/nanotech/>, № продукта: RN-02, Описание: Углеродные нанотрубки, >50% C-SWNT;

- наночастицы серебра - Поставщик: Sigma-Aldrich <http://vvww.sigmaaldrich.com/canada-english.html>, № продукта 576832, Описание: Нанопорошок серебра, размер частиц <100 нм.

[0064] Этапы изготовления образцов могут быть следующими:

- нагревают воду в большом кристаллизаторе при 90°С (с мешалкой);

- подготавливают жидкую смесь из ММА (легкоиспаряемого), металлической добавки, квантовых точек и помещают ее в колбу;

- взвешивают инициатор полимеризации и добавляют его в жидкую смесь;

- закрывают крышку колбы и встряхивают колбу, пока смесь не станет прозрачной;

- зажимают колбу в универсальных клещах для погружения ее в кристаллизатор при 90°С;

- начинают отсчет времени нагревания;

- по истечении времени предварительного нагревания извлекают колбу из кристаллизатора;

- открывают крышку колбы для выпуска газа;

- плотно закрывают крышку;

- помещают колбу в небольшой лабораторный стакан, заполненный водой; и

- помещают лабораторный стакан в печь при 75°С на один день.

[0065] Образцы могут быть вырезаны следующим образом:

- удаляют панели кожуха;

- снимают крышку с приемника пилы;

- при необходимости проходят лезвием пилы по точильному блоку;

- закрепляют образец в зажиме;

- регулируют пилу и каретку с использованием различных степеней свободы;

- прикрепляют тележку к направляющей;

- регулируют скорость лезвия;

- опрыскивают лезвие спринцовкой в процессе разрезания;

- вручную подводят пилу к образцу и обеспечивают возможность разрезания;

- останавливают пилу по завершении разрезания и отключают ее; и

- ополаскивают приемник пилы и устанавливают обратно панели кожуха.

[0066] Полировка образцов может быть выполнена следующим образом:

- открывают водяные клапаны на входе в лабораторию (кран, параллельный трубе);

- укладывают шлифовальную бумагу на полировочную пластину (начиная с зернистости 600);

- включают воду для замачивания бумаги;

- размещают основание вокруг бумаги для ее фиксации;

- включают поворотный стол;

- регулируют поток воды;

- помещают образец на поворотный стол, стараясь поместить линии разреза перпендикулярно радиусу стола;

- удерживают образец на месте до исчезновения линий разреза;

- нагревают держатель образца на горячей пластине с небольшим количеством парафина;

- после расплавления парафина помещают держатель образца в водяную ванну и помещают полирующуюся при зернистости 600 грань образца в держатель образца;

- когда воск затвердевает, вводят держатель образца в полый цилиндр;

- полируют эту грань с использованием бумаги с зернистостью 600, затем 800, а затем 1200;

- по аналогии, повторно закрепляют образец на держателе образца, но при этом размещают сверху другую грань;

- полируют эту грань с помощью бумаги с зернистостью 600, затем 800, а затем 1200;

- извлекают образец из держателя образца;

- помещают полировальную подушку на полировальное устройство и выливают несколько капель абразивного раствора церия на поверхностный слой;

- добавляют при необходимости небольшое количество воды;

- полируют обе стороны; и

- ополаскивают наждачную бумагу, полировальную подушку и моют полировальное устройство.

Установка для определения характеристик

[0067] Метод Z-сканирования не требует большого количество материала. Как показано на фиг.3, схема (10) определения характеристик содержит только импульсный Reg-A лазер (20) в начале пути, излучающий инфракрасный свет (λ=788 нм) (30), направленный на оптический стол, ослабляющие фотофильтры (50), фокусирующую линзу (60), например, с фокусным расстоянием 30 см, направляющую рельсу, оканчивающуюся держателем образца устройства (90) построения профиля луча. Выходная мощность лазера составляет около 500 мВт, средняя длительность импульса составляет приблизительно 100 фс, а частота лазера составляет 10 кГц. Ослабление импульса необходимо, чтобы не сжечь образец или повредить устройство построения профиля луча. Схема установки без фильтров, представленная на фиг. 3, используется для моделирования движения образца через фокальную точку.

Экспериментальные результаты:

[0068]

[0069] Для каждого образца время предварительного нагревания составляла 15 минут, масса инициатора полимеризации - 4 мг. Также следует отметить, что образцы содержали 4 мл раствора, и в них был добавлен фильтрованный ММА.

[0070] Серия графиков, построенных с использованием Z-сканирования, показан на фиг. 4-8. Некоторые графики не показаны, поскольку на них было слишком много шума, или же образцы были повреждены лазером во время Z-сканирования. Оси графиков не маркированы. Ось абсцисс соответствует смещению по оси перемещения образца во время его Z-сканирования. Однако достоверной точкой является только фокальная точка (вблизи минимума кривых), поскольку программное обеспечение «Wink» запускалось вручную, не обязательно в одно и то же время для каждого образца. Что касается оси ординат, по ней отложена средняя интенсивность света в условных единицах. Кривые приведены в одном масштабе по X и Y с целью сравнения, поскольку для анализа представляет интерес только их относительная форма.

Таким образом, кривые были выровнены относительно их левого плато (то есть, от 0 мм до точки фокуса) и относительно их минимального значения.

[0071] Красные кривые (R) представляют собой кривые, соответствующие только квантовым точкам (QD). Синие кривые (В) соответствуют квантовым точкам и наночастицам серебра (QD+Ag). Фиолетовые кривые (Р) соответствуют квантовым точкам и углеродным нанотрубкам (QD+CN).

[0072]

[0073]

Анализ результатов - причины отклонения:

[0074] Вначале, на этапе изготовления заготовки, главной проблемой является повышение однородности образцов. После этапа предварительного нагревания сосуды активно встряхивают для обеспечения равномерного распределения частиц в пространстве. Однако после нагревания в печи квантовые точки стремятся подняться вверх, в результате чего в первом слое цилиндра концентрация квантовых точек становится выше. Для того, чтобы преодолеть этот эффект, при разрезании образцов первый, более концентрированный слой отбраковывают. Вторая проблема, связанная с однородностью образцов, заключается в осаждении наночастиц серебра и агломерации углеродных нанотрубок. Действительно, наночастицы серебра стремятся отложиться в нижней части колбы. Как и прежде, нарезание образцов частично исправляет этот эффект. Что же касается агломерации углеродных нанотрубок, эта проблема не была решена. Наконец, этап полировки не обеспечивает удаление всех неровностей материала. При его выполнении, от одного образца к другому могут иметь место различия рельефа для двух граней. Эти неровности видны на изображениях, формируемых устройством построения профиля луча. Поэтому образец закреплялся на съемном основании со степенью свободы перпендикулярной смещению направляющей рейки. В результате можно было смещать образец, когда лазер пересекал область, которая представлялась менее плоской.

[0075] Вторая проблема была решена путем использования упомянутого съемного основания. Когда образцы подвергались воздействию избыточной мощности, они претерпевали необратимые повреждения в точке воздействия и окружающей ее области. Однако на одном и том же образце выполнялось несколько Z-сканирований. Для того, чтобы тест можно было выполнять на различных участках образца, его перемещали в боковом направлении посредством основания. Важно отметить, что вблизи фокальной точки пятно лазера занимает приблизительно 1/100 образца, что тем самым обеспечивает данную процедуру корректировки. На фиг. 1, можно видеть на нескольких участках изображения небольшие концентрические окружности, напоминающие дифракционные картины. Они представляют собой пыль на некоторых из элементов оптической установки. Предполагается, что пыль на линзе камеры особенно не влияет на результаты, поскольку она неизменна для каждого образца. Однако при обработке данных участки, выбранные для анализа, не обязательно имеют то же самое местоположение на различных изображениях. Следовательно, влияние каждой частички пыли не будет идентичным для каждого изображения. Помимо этого, фильтры для защиты устройства построения профиля луча отбирались не всегда одни и те же. Следовательно, пыль на фильтрах для каждого из образцов была распределена не идентично.

[0076] Программное обеспечение камеры позволяло зарегистрировать изображение профиля луча в реальном времени Изображения записывались с использованием программного обеспечения «Wink», регистрирующего 35 кадров в секунду. Эта технология очень удобна для сопоставления того, что видно на экране, и количественных значений интенсивности света. Однако флуктуации лазера вследствие его периодической нестабильности не могут быть скорректированы. Поэтому трудно отличить флуктуацию лазера от нелинейного эффекта, поскольку последний имеет сходную амплитуду. При интерпретации результатов можно избежать этого эффекта, учитывая приблизительно, где на записи расположена фокальная точка.

[0077] Выбор исследуемой области в программном обеспечении «ImageJ» может привести к расхождениям, поскольку этот участок не идентичен для каждого из образцов. Выбор исследуемой области идентичного размера не является эффективным, поскольку для каждого из измерений профиль лазерного луча меняется. Однако посредством сравнения нескольких областей была проведена проверка для демонстрации того, какое незначительное влияние оказывает этот выбор и насколько это было обосновано.

[0078] При интерпретации результатов трудно различить, возникло ли углубление по причине нелинейного эффекта или же изменений в материале. В самом деле, рассматривая графики с фиг. 6, 7 и 8, может быть так, что выраженные прогибы вызваны достижением порога разрушения материала, а не нелинейным эффектом. Именно образцы, содержащие наночастицы серебра, вызывают наиболее существенные углубления при высокой мощности. Серебро может линейным образом поглощать свет и переизлучать его в тепло, тем самым изменяя материал более быстро и вызывая более сильный нелинейный эффект. Сам пластик не может вызывать повреждение образца, поскольку он не поглощать излучение с длиной волны лазера.

[0079] Наконец, в упомянутом способе не может быть учтена толщина заготовок. Таким образом, ссылаясь на таблицу 1, следует отметить, что образцы имеют не одну и ту же толщину. Один образец, содержащий наночастицы серебра из серии 2, приблизительно на 1 мм толще. На графиках фиг. 7 и 8, это тот, который проявляет более существенный прогиб. Можно было бы предположить, что дело в толщине и что она непосредственно коррелирует с нелинейным поглощением. Однако кривая серебра на графике фиг. 6 также проявляет сильное углубление, при этом данный образец не толще, чем другие. В идеальном случае следовало бы иметь одинаковую толщину для каждого образца, но полировка вызывает расхождения.

Анализ

[0080] Как можно видеть на таблице 1, образцы (60, 61, 62) серии 1 имеют одинаковую концентрацию количественных точек в каждом из своих элементов. То же справедливо для серии 2 (63, 64, 65), с той разницей, что в этом случае концентрация квантовых точек однородно выше. Это было выбрано для того, чтобы сравнить образцы не содержащие металл и содержащие его.

[0081] Приведенные графики иллюстрируют эффект нелинейного поглощения. Следует отметить, что независимо от величины мощности образцы, содержащие углеродные нанотрубки, имеют кривые, очень сходные с таковыми для образцов, содержащих только квантовые точки, то есть, углеродные нанотрубки по существу не обеспечивают никакого дополнительного эффекта. Углеродные нанотрубки, используемые в образцах, не были полностью металлическими, и вероятно, что агрегация частиц блокировала проявление какого-либо эффекта. Обобщая пять графиков на фиг. 4 -8, таблица 2 показывает относительную глубину прогиба каждой кривой относительно контрольного образца (содержащего только квантовые точки). Рассматривать следует только относительную глубину, измеренную относительно левого плато графика, поскольку параметры эксперимента практически не позволяют оперировать абсолютными величинами. Следует отметить, что подъем уровня после прохождения фокальной точки остается без объяснения. Однако тот факт, что ход кривых с правой стороны проявляет больше шума, чем в левой части, указывает на то, что имеет место повреждение материала. Когда образец перемещают по направляющей в противоположном направлении к траектории, изображенной на графиках, левая кривая - это та, что расположена выше. Другими словами, интенсивность света всегда была ниже от положения 0 мм до фокальной точки, и всегда выше от фокальной точки до положения 25 мм.

[0082] На графиках фиг. 4 и 5, или при относительно низкой мощности, можно видеть, что образец, содержащий наночастицы серебра, имеет менее глубокие углубления. На основе таблицы 2 следует отметить, что относительная глубина прогибов образцов, содержащих серебро, составляет половину глубины прогибов образцов, содержащих только квантовые точки. Тем не менее, при такой мощности также имеется двухфотонное поглощение, поскольку углубления остаются видимыми на графиках. Однако на графиках фиг. 6-8, или при относительно высокой мощности, отмечается противоположный эффект. Это образцы, содержащие наночастицы серебра, для которых относительная глубина до трех с половиной раз больше по сравнению с контрольным образцом.

[0083] Наконец, на основе таблица 3, иллюстрирующей порог флуоресценции образцов, измеренных невооруженным глазом, можно легко заключить, что для данной концентрации квантовых точек, порог флуоресценции один и тот же.

[0084] С учетом всех этих наблюдений, можно предположить, что наличие наночастиц серебра оказывают некоторый эффект на свойства материала. Однако, поскольку пороги флуоресценции для каждого из образцов сходны, а также если бы эффект нелинейного поглощения фактически усиливался наночастицами серебра, это бы также происходило при низкой мощности при наличии поглощения двух фотонов, поэтому принято считать, что более глубокие прогибы на графиках на фиг. 6-8 вызваны повреждением материала. Это повреждение может иметь интересное практическое приложение, позволяя наносить гравировку в РММА при более низкой мощности. Например, согласно экспериментальным параметрам графика 3 (фиг. 6), при данной мощности 20 мВт, гравировка наносится только в образце, содержащем серебро. Однако, независимо от интерпретации результатов, вероятно, что при изменении концентраций и усовершенствовании экспериментальных технологии можно наблюдать более выраженные эффекты в присутствии металлических добавок. Концентрация этих металлических добавок влияет на расстояния между частицами. Таким образом, этот параметр может являться ключевым для повышения нелинейного поглощения для углеродных нанотрубок или наночастиц серебра. Кроме того, не исключено, что явление нелинейного поглощения может быть усилено за счет присутствия наночастиц серебра только после некой пороговой мощности.

[0085] Для усовершенствования способа предпочтительно иметь возможность измерять флуктуацию лазера посредством частичного отклонения луча в направлении фотодиода, что обеспечило бы возможность адекватного выбора периодов измерений. Кроме того, предпочтительно разработать способ синхронизации смещения направляющей с помощью измеряющего программного обеспечения, так чтобы все кривые имели бы одно и то же смещение как функцию от времени, что таким образом позволит нормировать ось абсцисс.

[0086] Хотя значительный эффект, продемонстрированный посредством образцов, содержащих видимые наночастицы серебра, на фиг. 3, 4 и 5, не относится к эффекту нелинейного поглощения, представляется что этот эффект имеет место. Дальнейшие измерения и изготовление новых серий образцов могут помочь лучше изучить природу этого явления.

Система получения объемного изображения

[0087] Ниже описаны эксперименты, выполненные с целью получения двухфотонной фотолюминесценции в матрицах из РММА (плексигласа), в которые введены квантовые точки. Также определяются функциональные требования для проекционной системы и этапы, необходимые для реализации системы объемного проецирования.

Тестовые результаты

[0088] На первом этапе в РММА вводят квантовые точки. Таким образом осуществляется изготовление РММА с введенными квантовыми точками согласно способу, описанному в данном документе. На фиг.9 показана система из нескольких уложенных РММА полосок (фиг. 9А) и эта же система при возбуждении с помощью УФ света (фиг. 9В). УФ-возбуждение иллюстрирует наличие фотолюминесценции, вследствие наличия квантовых точек в РММА.

[0089] Второй этап заключается в получении фотолюминесценции с использованием не УФ света, а инфракрасного (ИК) света, посредством процесса двухфотонного поглощения. В первое время результаты, полученные с использованием первого YAG-лазера (1064 нм), довольно долго не удовлетворяли поставленные задачи. В самом деле, РММА начинал плавиться при определенной интенсивности без проявления фотолюминесценции. При использовании импульсного YAG-лазера (5-7 нс) при частоте 10 Гц наблюдалась фотолюминесценция, но при этом опять же РММА оказывался поврежденным.

[0090] На третьем этапе использовался титаново-сапфировый лазер со следующими характеристикам и:

[0091] Также для фокусировки света использовалась микроскопическая линза со следующими характеристиками:

[0092] Во всех последующих тестах фотолюминесценцию можно было наблюдать только в фокальной точке лазера, люминесценция до или после фокальной точки не наблюдалась. При минимальной средней мощности, например <10 мВт, в статическом режиме (не сканировании), луч повреждал образец, но фотолюминесценция наблюдалась. Минимальная интенсивность, требуемая (пороговая) в статическом режиме, в этих тестах не определялась, поскольку фотолюминесценция уже наблюдалась. Требовалось проведение последующих тестов с нейтральными фильтрами для определения более низкого предела интенсивности, необходимой для фотолюминесценции.

[0093] Также при минимальной мощности, например <10 мВт, но при перемещении луча со скоростью 1 мм/с, наблюдалась фотолюминесценция, и при этом не было устойчивого повреждения РММА.

[0094] При постоянном перемещении со скоростью 1 мм/с имеется возможность повышения мощности до приблизительно 35 мВт от средней мощности до проявления устойчивого повреждения. Также возможно повысить мощность до >50 мВт и не получить повреждений, если скорость сканирования увеличить более, чем на 1 мм/с.

[0095] Некоторые повреждения может быть обусловлены тепловыми эффектами, вызванными короткоимпульсным лазером. Устойчивые повреждения, выжигаемые в РММА, были измерены с помощью микроскопа и имели ширину 35 мкм. Следует различать тепловые эффекты и нелинейные эффекты. В самом деле, тепловые эффекты аккумулируются, вызывая нагревание пластика и образование устойчивых дефектов. Нелинейные эффекты или фотолюминесценция вызываются локально, и, если и только если интенсивность излучения является достаточной. Область фотолюминесценции расположена в одном месте. Этот участок или объем определяется интенсивностью пятна лазера в фокусе микрообъектива.

[0096] Сначала предположим, что объем области флюоресценции ограничен фокальной областью, в которой локализован лазерный луч. Аксиальное расстояние ограничено рэлеевской областью (b), а поперечная протяженность ограничена "перетяжкой" (W₀) луча, как проиллюстрировано на фиг. 10. Эти расстояния определяются посредством следующих формул:

Согласно этим формулам, участок аксиальной фотолюминесценции больше, чем боковая область. Принимая угол равным обратному числу f (F#) фокусирующей линзы, получаем W₀:

Для аксиального размера получается примерно 62 мкм. Это указывает на то, что участок флюоресценции должен быть очень длинным.

[0097] Однако было обнаружено, что это не так. Для этой ситуации может быть несколько причин. Возможно, что матрица РММА рассеивает свет, что увеличивает наблюдаемый участок, искусственно увеличивая размер области флюоресценции. Также возможно, что флуоресцентный свет, излучаемый областью, возбуждаемой лазером, в свою очередь возбуждает квантовые точки (1-фотонное возбуждение), которые флюоресцируют, что тем самым повышает размер видимой области флюоресценции. Комбинация этих двух факторов также может влиять на ситуацию. В любом случае, в этой ситуации требуется, чтобы преобразования излучения вокруг возбужденного лазером участка (перекрестные помехи между вокселями) были исследованы в дальнейшем.

Пример функциональных требований к проектору

[0098] Основываясь на предположении, что область фотолюминесценции ограничена фокальной областью, можно, таким образом, заключить, что, чтобы получить объем кубической фотолюминесценции, необходимо выполнить сканирование вокселя поперечно вдоль размера 'b'. Вследствие этого предпочтительно необходимо обеспечить наличие механизма для XY-сканирования луча для того, чтобы "заполнить" воксель. Сканирование может быть выполнено в виде растрового сканирования, как проиллюстрировано на фиг. 11, или посредством кругового сканирования, которое проще интегрировать в систему.

[0099] Для объемного экрана, проиллюстрированного на фиг. 11, можно задать размер 'b' путем определения количества пикселей в размере D (соответствует глубине). Зная длину волны лазера (1), можно затем определить размер W₀ необходимого луча. Количество сканирований N на воксель (микро-сканирований) получается как отношение b/2W₀, что равно 2F#. Это F# приблизительно определяет необходимую сканирующую линзу системы (линзу сканирования).

[00100] Основываясь на аналогичных системах, проекционная система состоит из 3 сканирующих подсистем. Позиционирование фокальной точки луча для каждой секущей плоскости изображения обеспечивается посредством XY-сканирования. Этот тип сканирования возможно осуществить с использованием двух гальванометрических зеркал. Второй тип сканирования осуществляется по глубине (Z). Для этой оси можно использовать жидкокристаллический пространственный модулятор (SLM), показанный на фиг. 12. Как уже упоминалось, последний тип сканирования будет использоваться для заполнения вокселя. Этот тип сканирования может быть выполнен посредством вращающейся призмы, но могут быть использованы и другие типы сканирований. Несвязанное трехчастное сканирование увеличивает общую скорость обновления системы. Проекционная система (100), показанная на фиг. 12, содержит ИК-лазер (110), проецирующий свет на первый модулятор (120), а затем на зеркало (130), отражающее свет на жидкокристаллический пространственный модулятор. На выходе пространственного модулятора (140) свет обрабатывают с помощью Y-Y сканера (150) и его зеркал (152-154) гальванометра, после чего проецируют на объемный экран (160).

[00101] Скорость сканирования объема является одним из ограничивающих параметром системы с точки зрения количества вокселей, которое может быть промодулировано со скоростью 30 кадров в секунду. Основываясь на величине порядка 150 миллионов вокселей, достигаемой в других системах 3D сканирования (HiResFELIX), можем задать разрешение 3D системы как 500×500×500 вокселей (равное 125 миллионов). Для этого разрешения и размера системы можно определить необходимый размер вокселя, что задает размер рэлеевской области (ZR), соответственно определяющий размер фокусного пятна (2*W₀) согласно описанным выше выражениям. Количество микро-сканирований вычисляется путем деления площади вокселя на необходимый размер перетяжки луча. Наконец, с использованием значений интенсивности (Вт/мм²), вычисленных для вышеописанных тестов с Ti-сапфировым лазером, и новой площади перетяжки луча, необходимой для выбранного дисплея, можно определить необходимую среднюю мощность лазера для этого необходимого нового размера лазерного луча.

[00101] На основании лабораторных данных было вычислено, что для фотолюминесценции необходимо I_moy=1,63е⁺³ Вт/мм² (при P_moy=0,01 Вт и 2W₀=2,79 мкм). Это величина не обязательно является минимальной, и могут быть достигнуты и другие величины.

[00103] Расстояние между сканирующей системой и дисплеем определяет фокальное расстояние сканирующей линзы. Апертура (f/#) задается как отношение фокального расстояния (f) к диаметру (D) линзы. W₀ пропорционально f# согласно следующему выражению.

[00104] Используя это выражение, размер (W₀) фокусного пятна и фокальное расстояние, можно определить минимальный диаметр сканирующей линзы. Наконец, поскольку XY- и Z-сканирования являются несвязанными, значение "XY-сканирования" дает количество поперечных точек, необходимых для модуляции для получения 30 кадров в секунду, что непосредственно определяет частоту модуляции и сканирования системы.

[00105] Ниже, в таблицах 6 и 7, приведены вычисленные параметры для возможной 3D проекционной системы.

[00106] Средняя мощность лазера, вычисленная в предыдущей таблице 6, составляет 1,291 Вт, что является довольно большой величиной. Для того, чтобы сократить мощность, можно задать объем 50×50×50 см, что сократит необходимую мощность в полтора раза. Другим решением для обеспечения необходимой интенсивности будет комбинирование двух лазеров. Также следует иметь ввиду, что не были определены требования к минимальной интенсивности света для фотолюминесценции, и, следовательно, был использован тестовый лазер минимальной мощности (10 мВт), обеспечивающий в вышеописанных тестах люминесценцию. Кроме того, эти вычисления справедливы для монохроматической системы. Может быть предпочтительно использована RGB-цветовая система, состоящая из наслоения последовательных RGB слоев, снижающая требования к ZR в 3 раза. Необходимая мощность также будет сокращена в три раза в пользу повышения скорости Z-сканирования посредством SLM. На фиг. 5 документа Downing - "A Three-Color, Solid State, Three-Dimensional Display", Science, 1996, стр. 5279-1185 проиллюстрирована концепция ламинированного дисплея такого типа.

[00107] Квантовые точки могут быть использованы для проявления нелинейных эффектов при воздействиях высокой мощности. С точки зрения практического применения предпочтительно, чтобы они были заключены в твердой структуре, а не в растворе, в котором их токсическое влияние с большей вероятность может оказывать воздействие на пользователей. В результате квантовые точки заключены в пластиковую матрицу (например, в полиметилакрилат). Углеродные нанотрубки и наночастицы серебра добавлены в некоторые из образцов. Задача заключется в обеспечении возможности сравнения двухфотонного поглощения образцов с использованием Z-сканирования. Эта технология измеряет интенсивность света лазера, пропущенного через образец, проходящий через фокальную точку.

[00108] Когда квантовые точки попадали в сфокусированный луч лазера, можно было наблюдать невооруженным глазом оранжевую флуоресценцию. На основании измерении было сделано заключение, что наличие углеродных нанотрубок, как оказалось, не влияло на нелинейное поглощение. Однако было замечено, что наличие наночастиц серебра может до 4 раз усилить этот эффект. Однако также было обнаружено, что порог разрушения материала составлял приблизительно 30 мВт, в то время как порог флуоресценции был равен 2 мВт. Поскольку эти два значения являются относительно близкими, нелинейное поглощение и повреждение материала трудно отличить друг от друга.

[00109] Хотя настоящее изобретение было описано с помощью одного или более предпочтительных вариантов осуществления, следует понимать, что настоящее изобретение может быть использовано, реализовано и/или осуществлено в множестве других форм. Таким образом, последующую формулу изобретения следует трактовать как включающую в себя эти различных формы, и при этом выходящую за пределы известных из уровня техники решений.

Настоящее изобретение относится по существу к области гибридных нанокомпозитных материалов, применяемых для объемного проецирования, например, при создании 3D изображения (например, в области индустрии развлечений или в медицине). Гибридная проекционная матрица содержит синергетическую комбинацию частиц двух различных типов. Первый тип частиц состоит из наноизлучающих частиц, выполненных с возможностью нелинейного поглощения одного или двух фотонов и излучения видимого света. Второй тип частиц состоит из добавки, улучшающей нелинейное поглощение одного или двух фотонов и излучение видимого света наноизлучающими частицами. Упомянутая одна или более добавка выбрана из следующей группы: наночастицы золота, наночастицы серебра, полупроводниковые наночастицы, наноцеллюлоза, углеродные нанотрубки, двумерные материалы, графен и проводящие и/или полупроводниковые полимеры. Технический результат – улучшение объемного эффекта проецирования и сокращение необходимой мощности лазера. 4 н. и 25 з.п. ф-лы, 12 ил., 7 табл.

1. Гибридная проекционная матрица для объемного проецирования трехмерного (3D) изображения, содержащая синергетическую комбинацию частиц по меньшей мере двух различных типов, причем:

первый тип частиц состоит из наноизлучающих частиц, выполненных с возможностью нелинейного поглощения одного или двух фотонов и излучения видимого света; и

второй тип частиц состоит из одной или более добавки, улучшающей нелинейное поглощение одного или двух фотонов и излучение видимого света наноизлучающими частицами, причем упомянутая одна или более добавка выбрана из группы, содержащей наночастицы золота, наночастицы серебра, полупроводниковые наночастицы, наноцеллюлозу, углеродные нанотрубки, двумерные материалы, графен и проводящие и/или полупроводниковые полимеры.

2. Матрица по п. 1, заключенная в прозрачную для света твердую подложку.

3. Матрица по п. 2, в которой прозрачная для света твердая подложка содержит полимерную подложку.

4. Матрица по п. 3, в которой полимерная подложка содержит полиметилакрилат.

5. Матрица по любому из пп. 1-4, в которой наноизлучающие частицы содержат квантовые точки, квантовые проволоки или стержни, квантовые ямы, квантовые кольца, нанокристаллы, нанопластины, флуоресцирующие молекулы, флуорофоры и/или фосфоры.

6. Матрица по п. 5, в которой нанокристаллы представляют собой нанокристаллы со структурой ядро/оболочка или гетероструктурные нанокристаллы.

7. Матрица по любому из пп. 2-6, выполненная в форме листа с толщиной от 2 до 5 мм.

8. Матрица по п. 7, причем лист имеет полированную поверхность и чистоту обработки около 1 мкм.

9. Система объемного проецирования трехмерного (3D) изображения, содержащая:

источник излучения фотонов;

и гибридную проекционную матрицу по п. 1, причем матрица расположена после источника излучения, для приема фотонов от упомянутого источника излучения, при этом матрица выполнена с возможностью излучения после этого видимого света для создания трехмерного изображения.

10. Система по п. 9, в которой источник излучения фотонов представляет собой лазер, выполненный с возможностью излучения невидимого инфракрасного света.

11. Система по п. 10, в которой лазер выполнен с возможностью выполнения XY-сканирования для позиционирования фокальной точки лазерного луча для каждой секущей плоскости изображения.

12. Система по п. 10, в которой лазер выполнен с возможностью выполнения Z-сканирования для позиционирования фокальной точки лазерного луча для каждой плоскости по глубине изображения.

13. Система по п. 10, в которой лазер выполнен с возможностью выполнения сканирования для заполнения вокселя.

14. Система по п. 10, в которой для повышения общей скорости обновления системы лазер выполнен с возможностью выполнения несвязанного трехчастного сканирования, причем упомянутое сканирование включает в себя:

первое XY-сканирование для позиционирования фокальной точки луча для каждой секущей плоскости изображения;

второе Z-сканирование для позиционирования фокальной точки луча для каждой плоскости по глубине изображения;

и третье сканирование для завершения изображения и заполнения вокселя.

15. Способ объемного проецирования трехмерного (3D) изображения, в соответствии с которым фотоны проецируют на гибридную проекционную матрицу по п. 1, причем матрица после этого излучает видимый свет для формирования трехмерного изображения.

16. Способ по п. 15, в котором фотоны представляют собой фотоны инфракрасного света, излучаемого лазером.

17. Способ по п. 16, в котором лазер выполняет XY-сканирование для позиционирования фокальной точки лазерного луча для каждой секущей плоскости изображения.

18. Способ по п. 16, в котором лазер выполняет Z-сканирование для позиционирования фокальной точки лазерного луча для каждой плоскости по глубине изображения.

19. Способ по п. 16, в котором лазер выполняет сканирование для заполнения вокселя.

20. Способ по п. 16, в котором для повышения общей скорости обновления системы лазер выполняет несвязанное трехчастное сканирование, причем упомянутое сканирование включает в себя:

первое XY-сканирование для позиционирования фокальной точки луча для каждой секущей плоскости изображения;

второе Z-сканирование для позиционирования фокальной точки луча для каждой плоскости по глубине изображения;

и третье сканирование для завершения изображения и заполнения вокселя.

21. Способ изготовления гибридной проекционной матрицы для объемного проецирования трехмерного (3D) изображения по п. 1, включающий в себя следующие этапы:

a) смешивают в растворе для синтеза прозрачной для света твердой подложки первое заданное количество частиц первого типа и второе заданное количество частиц второго типа; и

b) отверждают полученную смесь для получения матрицы.

22. Способ по п. 21, в котором раствор для синтеза прозрачной для света твердой подложки содержит мономер, который после полимеризации образует прозрачную для света полимерную подложку.

23. Способ по п. 22, включающий в себя следующие этапы:

a1) смешивают в растворе мономера для синтеза полимерной подложки первое заданное количество частиц первого типа, содержащих наноизлучающие частицы, и второе заданное количество частиц второго типа, содержащих по меньшей мере одну добавку;

a2) вводят в смесь инициатор полимеризации; и

b1) обеспечивают возможность полимеризации полученной смеси для получения матрицы.

24. Способ по п. 23, в котором полимерная подложка содержит полиметилакрилат.

25. Способ по п. 21, в котором наноизлучающие частицы содержат квантовые точки, квантовые проволоки или стержни, квантовые ямы, квантовые кольца, нанокристаллы, нанопластины, флуоресцирующие молекулы, флуорофоры и/или фосфоры.

26. Способ по п. 21, в котором одна или более добавка выбрана из группы, содержащей наночастицы золота, наночастицы серебра, полупроводниковые наночастицы, наноцеллюлозу, углеродные нанотрубки, двумерные материалы, графен и проводящие и/или полупроводниковые полимеры.

27. Способ по п. 23 или 24, в котором матрицу получают из раствора квантовых точек с концентрацией квантовых точек от 2 мкл/мл до 8 мкл/мл, при этом раствор наночастиц серебра имеет концентрацию наночастиц серебра от 0,01 мг/мл до 0,2 мг/мл.

28. Способ по п. 23 или 24, в котором матрицу получают из раствора квантовых точек с концентрацией квантовых точек от 2 мкл/мл до 8 мкл/мл, при этом раствор углеродных нанотрубок имеет концентрацию наночастиц углерода от 0,0001 мг/мл до 0,01 мг/мл.

29. Способ по п. 24, дополнительно включающий в себя этап, на котором полученную после полимеризации матрицу нарезают в форме параллельных листов/пластинок и отбирают соседние пластинки для получения аналогичных концентраций наночастиц в каждой из отобранных пластинок.