南科大陆为课题组在立体三维显示领域取得研究新进展
2020年04月20日 科研新闻 浏览量 :1800

近日,南方科技大学化学系副教授陆为课题组在光活化磷光方法应用于立体三维(3D)显示的研究中取得进展,研究成果以“A Prototype of Volumetric Three-Dimensional Display Based on Programmable Photo-activated Phosphorescence”(《基于可程控光活化磷光发射的立体三维显示模型》)为题在《德国应用化学》(Angewandte Chemie International Edition)上发表。

 

立体三维显示技术在医疗成像、军事和建筑成像等方面有巨大的应用前景。在电影《星球大战》中,可以在空气中投射出三维图像的机器人R2-D2给观众留下了深刻印象。R2-D2所采用的显示技术即为立体3D显示技术。在现实世界中,虽然人类的技术还无法实现电影中的酷炫效果,但相关的研究却从未停止。

图1.电影《星球大战》中的机器人R2-D2投射的立体三维图像

目前,立体3D显示技术采用的主要原理是利用分散在空气或溶液中的介质对激光光束的散射、吸收或发射等,在立体空间形成所期望的图像。分子光谱学技术或光化学技术是一种比较有前景的可应用于立体3D显示的光学技术。在以往研究中,具有代表性的光化学技术有双光束控制的稀土离子上转换发光3D显示技术、双光束控制的可逆荧光活化的数字光处理(DLP)3D显示技术等。然而两种技术均存在一定局限性,稀土离子上转换发光技术需要很高强度的激光激发,危险且难以控制;而可逆荧光活化技术虽然操作相对容易,但因荧光的Stokes位移小,所获得的荧光图案对比度相对较低。因此,开发一种既操作简便、又图案对比度高的光化学立体3D显示技术是目前的难点。

图2.基于PAP的3D显示模型及其原理

在前期研究工作中,陆为课题组发现了光化学除氧溶液(二甲亚砜DMSO就是一种典型的光化学除氧溶剂)体系中长寿命磷光化合物的光活化磷光发射(PAP)现象(相关论文发表在Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 1784;Chem. Commun. 2018, 54, 3907;Chem. Commun. 2019, 55, 4299)。在此基础上,陆为课题组开发了一种基于磷光化合物光活化磷光发射(Photo-activated Phosphorescence, PAP)的立体三维显示系统模型(如图2所示)。在这个模型中,研究人员首先选定了含两种磷光化合物(光敏剂Pt(TPBP)和发射子Pt(OEP))的DMSO溶液,然后再根据这两种磷光化合物的特性对该溶液施加两束激发光束。在针对光敏剂吸收光束的作用下,光敏剂吸收光能产生三重激发态,溶液中的氧气吸收光敏剂三重激发态的能量形成激发态氧(1O2),激发态氧与DMSO反应,生成二甲基砜,从而消耗了溶液中的氧气,进而在光束通过的地方形成一片微环境乏氧的区域(相当于一个虚拟的屏幕);在另一束相对较弱的针对发射子吸收的光束作用下,通过控制这束光的强度,可使其仅在两束光交汇的地方,激活发射子的磷光,从而在两束光交汇的立体空间形成体素点。研究人员采用光谱仪对磷光体像素点进行了充分的表征,验证了磷光化合物光活化磷光发射体3D显示用于实际的可能。

图3.基于PAP的3D显示装置及显示效果图

根据设计的系统模型,研究人员搭建了一个3D显示装置,该装置包含浓度在105 M量级的Pt(TPBP)和Pt(OEP)的DMSO溶液及用于盛放溶液的立方石英槽,一个针对光敏剂吸收波长的可以发射出线型光束的激光器,一台DLP投影仪(用于激发发射子)。利用此装置,研究人员制作了一系列3D图像和动画。3D显示的基本操作如下:(1)对于普通的文字或图形,首先在PPT中制作好需要的文字或图案,其颜色设置为绿色(510 nm),背景设置为黑色,开启除氧光束(光束厚度较薄),把PPT中的图案投影到除氧光束所在位置,即可在三维空间观察到相应的红色图案;(2)对于具有立体结构的图案,过程与(1)所述相同,只是需要把除氧光束的厚度加厚,以圆筒为例,在PPT中设置的圆形光束穿过除氧区域,即可在三维空间观察到一个立体的红色圆筒。

基于PAP的3D显示演示

研究人员详细介绍了磷光化合物的选择标准和两束激发光波长和强度的选择依据:所选两种磷光化合物的吸收和发射光谱必须正交,而且发射子在可见光区有较强的磷光发射且不能有荧光,光敏剂在可见光区没有发射或发射在近红外区。

该研究工作拓展了长寿命磷光化合物的应用,开发了一种基于PAP的3D显示模型,揭示并阐述了在此模型中起到关键性作用的两项因素:磷光化合物的选择以及显示光束强度的控制。该3D显示系统具有制作简单、激发光强度低、图像对比度高、裸眼识别度高、可能实现多彩显示等优点,为立体3D显示技术的进一步发展提供了可能。

陆为课题组高级研究学者万仕刚为论文第一作者,陆为是该论文唯一通讯作者,南科大2019级博士生周洪齐及2018届硕士毕业生(现为柏林自由大学在读博士生)林进雄参与了该研究。

该研究得到了国家自然科学基金、深圳市科技创新基金、广东省基础与应用研究重大项目的支持。

 

供稿单位:化学系

编辑:吴一敏

主图设计:丘妍

 

 

 

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