(57)【要約】【課題】本発明は、本質的に、３Ｄイメージング（例えば、娯楽分野又は医療分野等）のような体積投影における使用のためのハイブリッドナノ複合材料の分野に関する。特に本発明は、少なくとも２種類の（ナノ）粒子及び／又は異なる分子（量子ドット、金属ナノ粒子；カーボンナノチューブ）を含むバイナリーハイブリッド投影マトリクス、当該マトリクスを製造する方法、並びに、当該マトリクスを用いた３Ｄ投影システム及び方法に関する。【解決手段】第２の粒子の添加は、より良好な体積投影性能を達成するように、又は単一の粒子のみを用いた場合には存在しなかった新たな特徴を生み出すようにマトリクスの特性を改善することを可能にする。新しいマトリクスはまた、投影に使用されるレーザの出力を低減しながら、既存のマトリクスと同等の明るさを得ることを可能にする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
体積３次元（３Ｄ）画像投影のためのハイブリッド投影マトリクスであって、
前記マトリクスは、光透過性の固体支持体中に、少なくとも２種類の異なる粒子であって相乗的な組み合わせの粒子を含み、
第１の粒子は、１つ又は２つの光子を非線形的に吸収して可視光を放出するナノ発光粒子を含み、
第２の粒子は、ナノ発光粒子による１つ又は２つの光子に対する非線形吸収及び可視光の放出を高め、ナノ発光粒子により放出される光を増強及び／又は修正する少なくとも１つの添加剤を含む、ハイブリッド投影マトリクス。
【請求項２】
前記光透過性の固体支持体は、ポリマー支持体を含む、請求項１に記載のマトリクス。
【請求項３】
前記ポリマー支持体は、ポリメチルメタクリレートを含む、請求項２に記載のマトリクス。
【請求項４】
前記ナノ発光粒子は、量子ドット、量子ワイヤ若しくはロッド、量子井戸、量子リング、ナノ結晶、ナノプレート、蛍光分子、フルオロフォア、及び／又は蛍光体を含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載のマトリクス。
【請求項５】
前記ナノ結晶は、コア／シェルナノ結晶又はヘテロ構造ナノ結晶である、請求項４に記載のマトリクス。
【請求項６】
前記ナノ発光粒子は、量子ドットを含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載のマトリクス。
【請求項７】
前記少なくとも１つの添加剤が、金ナノ粒子、銀ナノ粒子、半導体ナノ粒子、ナノセルロース、カーボンナノチューブ、二次元材料、グラフェン、又は、導電性及び／又は半導電性ポリマーを含む、請求項１〜６のいずれか一項に記載のマトリクス。
【請求項８】
前記少なくとも１つの添加剤が、銀ナノ粒子及び／又はカーボンナノチューブである金属粒子からなる、請求項７に記載のマトリクス。
【請求項９】
前記マトリクスが、２〜５ｍｍの厚さを有するシート形状である、請求項１〜８のいずれか一項に記載のマトリクス。
【請求項１０】
前記シートが研磨された表面を有する、請求項９に記載のマトリクス。
【請求項１１】
前記研磨されたシートが約１μｍの仕上げを有する、請求項１０に記載のマトリクス。
【請求項１２】
体積的３次元（３Ｄ）画像投影のためのハイブリッド投影マトリクスを製造する方法であって、以下の工程：
ａ）ナノ発光粒子を含む第１の所定量の第１の粒子と、少なくとも１つの添加剤からなる第２の所定量の第２の粒子とを、光透過性の固体支持体を合成可能な溶液中で混合する工程；及び
ｂ）得られた混合液を固化してマトリクスを得る工程、
を含む方法。
【請求項１３】
前記光透過性の固体支持体を合成するための溶液が、一度重合されると光透過性ポリマー支持体を形成するモノマーを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
以下の工程：
ａ１）ポリマー支持体の合成のための前記モノマーの溶液と、ナノ発光粒子を含む第１の所定量の前記第１の粒子と、少なくとも１つの添加剤を含む第２の所定量の前記第２の粒子とを混合する工程：
ａ２）混合物に重合開始剤を入れる工程；及び
ｂ１）得られた混合物を重合してマトリクスを得る工程、
を含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記ポリマー支持体は、ポリメチルメタクリレートを含む、請求項１３又は１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記ナノ発光粒子は、量子ドット、量子ワイヤ若しくはロッド、量子井戸、量子リング、ナノ結晶、ナノプレート、蛍光分子、フルオロフォア、及び／又は蛍光体を含む、請求項１２〜１５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１７】
前記ナノ結晶は、コア／シェルナノ結晶又はヘテロ構造ナノ結晶である、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記少なくとも１つの添加剤が、金ナノ粒子、銀ナノ粒子、半導体ナノ粒子、ナノセルロース、カーボンナノチューブ、二次元材料、グラフェン、又は、導電性及び／又は半導電性ポリマーを含む、請求項１２〜１７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１９】
前記ナノ発光粒子は、量子ドットを含む、請求項１２〜１５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２０】
前記少なくとも１つの添加剤が、銀ナノ粒子及び／又はカーボンナノチューブである金属粒子を含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記マトリクスは、２μl/ml〜８μl/mlの濃度で量子ドットを含む量子ドット溶液、及び０．０１mg/ml〜０．２mg/mlの濃度で銀ナノ粒子を含む銀ナノ粒子溶液を用いて得られる、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記マトリクスは、２μl/ml〜８μl/mlの濃度で量子ドットを含む量子ドット溶液、及び０．０００１mg/ml〜０．０１mg/mlの濃度でカーボンナノチューブを含むカーボンナノチューブ溶液を用いて得られる、請求項２０に記載の方法。
【請求項２３】
前記重合開始剤を加える前に混合物を約９０℃の温度に予熱する工程をさらに含む、請求項２１又は２２に記載の方法。
【請求項２４】
所定形状の型に混合物を注ぎ、約７５℃の温度で約２４時間、前記混合物を重合する工程をさらに含む、請求項２１〜２３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２５】
重合後に得られた前記マトリクスを平面シートの形状に切断する工程をさらに含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
各々のスライドでナノ粒子の濃度が同程度になるように、隣接するスライドを選択する工程をさらに含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記シートの厚みが２mm〜５mmである、請求項２５又は２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記シートを研磨する工程をさらに含む、請求項２５〜２７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２９】
前記研磨されたシートが約１μmの仕上げを有する、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
３次元（３Ｄ）画像体積投影システムであって、
前記システムは、
光子放射源と、
請求項１〜１１のいずれか一項に記載のハイブリッド投影マトリクスと、を備え、
前記マトリクスは、前記放射源の下流に配置され、前記放射源から光子を受け取り、可視光を放出して３次元画像を形成する、システム。
【請求項３１】
前記光子放射源は、不可視の赤外光を放出するレーザである、請求項３０に記載のシステム。
【請求項３２】
前記レーザは、画像の各横断面に対してレーザビームの焦点を位置決めするためのＸ−Ｙスキャンを行う、請求項３０又は３１に記載のシステム。
【請求項３３】
前記レーザは、前記画像の各奥行き平面に対してレーザビームの焦点を位置決めするためのＺスキャンを行う、請求項３０又は３１に記載のシステム。
【請求項３４】
前記レーザは、ボクセルを満たすスキャンを行う、請求項３０又は３１に記載のシステム。
【請求項３５】
前記レーザは、３部構成に切り離されたスキャンを行うことにより前記システムの全リフレッシュレートを増加させ、
前記スキャンは、
画像の各横断面に対してビームの焦点を位置決めするための第１のＸＹスキャンと、
前記画像の各奥行き面に対して前記ビームの焦点を位置決めするための第２のＺスキャンと、
前記画像を完成させてボクセルを満たす第３のスキャンと、
を含む、請求項３０又は３１に記載のシステム。
【請求項３６】
請求項１〜１１のいずれか一項に記載のハイブリッド投影マトリクス上に光子を投影する３次元（３Ｄ）画像体積投影方法であって、
前記マトリクスは、可視光を発して３次元画像を形成する、方法。
【請求項３７】
前記光子は、レーザによって放出される赤外線である、請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
前記レーザは、画像の各横断面に対してレーザビームの焦点を位置決めするためのＸＹスキャンを行う、請求項３６又は３７に記載の方法。
【請求項３９】
前記レーザは、画像の各奥行き平面に対してレーザビームの焦点を位置決めするためのＺスキャンを行う、請求項３６又は３７に記載の方法。
【請求項４０】
前記レーザは、ボクセルを満たすスキャンを行う、請求項３６又は３７に記載の方法。
【請求項４１】
前記レーザは、３部構成に切り離されたスキャンを行うことにより前記システムの全リフレッシュレートを増加させ、
前記スキャンは、
画像の各横断面に対してビームの焦点を位置決めするための第１のＸＹスキャンと、
前記画像の各奥行き面に対して前記ビームの焦点を位置決めするための第２のＺスキャンと、
前記画像を完成させてボクセルを満たす第３のスキャンと、
を含む、請求項３６又は３７に記載の方法。
【請求項４２】
３次元画像を形成するための、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のハイブリッド投影マトリクスの使用。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
本特許出願は、2015年4月21日にカナダ知的財産庁に出願された「ハイブリッドナノ複合材料及び体積投影システムにおける使用」と題するカナダ特許出願番号2,889,103に基づく優先権を主張する。この優先権出願の内容は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
【技術分野】
【０００２】
本発明は、本質的に、体積３次元（３Ｄ）イメージングの用途のためのナノ複合材料及び３次元レーザ走査の技術分野に関する。本発明は、コンピュータ支援設計（ＣＡＤ）分野、娯楽又は医療分野に特に適しているが、これらの分野に限定されない。
【背景技術】
【０００３】
今日の技術は、より複雑な材料の合成を可能にし、試行的及び工業的なニーズにさらに適合されてきている。所望の特性の正確なリストを持つことにより、意図する機能を完全に満たすように材料を製造することができる。オプティクスは、マテリアルサイエンスの実験的かつ理論的な進歩を可能にする分野の一つである。
【０００４】
量子ドットは、半導体ナノ構造を有する。これらのナノ構造は、吸収エネルギを常に同じ周波数で再伝送するという特性を有する。半導体がエネルギを吸収すると、１つ以上の電子が伝導帯に向かって移動し、価電子帯に１つ以上の正孔が残る。電子と正孔は電気的な力によって束縛され、励起子を形成する。量子ドットは、その結晶性により、励起子を箱の中に入れるようにして、励起子を３次元的に数ナノメートルに亘って閉じ込める。波長の整数倍だけが固定寸法の箱の中に入ることが許容されるため、エネルギ準位同士の間に分離が生じる。量子ドットのサイズにより量子ドットの発光波長が決定され、量子ドットの半径が大きいほど発光波長は短くなる。例えば、赤色量子ドットは青色量子ドットよりもサイズが大きい。エネルギ源によって励起されると、１つの電子が伝導帯に上昇し、その後、緩和して価電子帯に戻る。次いで、蛍光により光子が放出される。
【０００５】
線形吸収とそれに続く蛍光は、主として電気的又は発光的なエネルギを受け取り、それを利用する物体によって説明することができる。この物体は、従来よりも高エネルギであり、余剰のエネルギを伴う励起状態で見出される。緩和してより低いエネルギに戻るために、その物体は、蛍光であれば、正確な波長の光子を放出する。量子ドットは、特定の周波数範囲内で光エネルギを吸収し、固有周波数で光エネルギを再放出する蛍光物体である。
【０００６】
量子ドットは、一部の研究者によって様々な用途に使用されている。量子ドットの合成及び特性については種々示されている（REISS, Peter, et al., 2009, "Core / Shell Semiconductor Nanocrystals", Small, Volume 5, Issue 2, pages 154-168）。さらに、量子ドットは、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）のマトリクス中に分散されているものがあるが、太陽光発電用途にしか使用されていない（KLEVIOV, Victor1 and MEINARDI, Francesco：Stokes-PMMAマトリクスに基づく大型発光性太陽集光器, Nature Photonics, 8, 392-399（2014）を参照）。また、量子ドットの２光子吸収が実験的に実証されている（KARABULUT, Ibrahim and BASKOUTAS, Sotirios ：球形量子ドットの線形及び非線形光学吸収係数と屈折率強度, Journal of Applied Physics, 103, 2008）。また、非線形吸収を特徴付けるためにＺスキャン技術が開発されている（VAN STRYLAND, Eric W. and SHEIK-BAHAE, Mansoor, 光学非線形性のＺスキャン測定, -692）。
【０００７】
米国特許No. US 7,858,913 B2（Refaiら、2010）には、体積ディスプレイ装置内に浮遊する複数の粒子からなる３次元画像を得るための光表面ディスプレイ装置が開示されている。第１の投影システムは、体積ディスプレイ装置の長さ及び幅に沿って、１又は複数の波長の電磁エネルギの連続するウエハを投影し、それによって粒子を励起して２次元画像を形成する。第２の投影システムは、体積表示型ディスプレイの厚み方向に励起された粒子と交差する１又は複数の波長の電磁エネルギの並進スライスを投影する。制御システムは、２次元画像及び並進スライスが所定の時間、粒子を励起するように、イメージ源及び活性化源の投影を同期させ、それにより粒子を照射し、照射された３次元画像を形成することを可能にする。この特許に記載された発明は、３次元画像を生成するために２つの投影システムの使用を必要とする。
【０００８】
他の既知の体積投影システムは、米国特許出願第US2003 / 0314416A1号（Kuhlmanら、2013）及び米国特許第2014/0327747号（Kong、2014）に開示されている。
【０００９】
現在のシステムにおいて、量子ドット又はナノ結晶のようなナノエミッタでドープされた透明マトリクスは、光子励起に対する応答が低すぎるため、３次元体積投影システムで使用することができない。そこで、ナノ複合材料においては、光子励起に対する応答が体積投影システムでの使用を可能にするのに十分に速い新たなマトリクスが必要とされている。
【発明の概要】
【００１０】
本発明は、第１に、体積３次元（３Ｄ）画像投影のためのハイブリッド投影マトリクスであって、前記マトリクスは、光透過性の固体支持体中に、少なくとも２種類の異なる粒子であって相乗的な組み合わせの粒子を含み、
第１の粒子は、１つ又は２つの光子を非線形的に吸収して可視光を放出するナノ発光粒子を含み、
第２の粒子は、ナノ発光粒子による１つ又は２つの光子に対する非線形吸収及び可視光の放出を高め、ナノ発光粒子により放出される光を増強及び／又は修正する少なくとも１つの添加剤を含むハイブリッド投影マトリクスに関する。
【００１１】
本発明はまた、体積３次元（３Ｄ）画像投影のためのハイブリッド投影マトリクスの製造方法であって、以下の工程：
ａ）ナノ発光粒子を含む第１の所定量の第１の粒子と、少なくとも１つの添加剤からなる第２の所定量の第２の粒子とを、光透過性の固体支持体を合成可能な溶液中で混合する工程；及び
ｂ）得られた混合液を固化してマトリクスを得る工程、
を含む方法に関する。
【００１２】
本発明はまた、３次元（３Ｄ）画像体積投影システムに関し、前記システムは、
光子放射源と、
ハイブリッド投影マトリクスと、を備え、
前記マトリクスは、本明細書に定義されているように、前記放射源の下流に配置され、前記放射源から光子を受け取り、可視光を放出して３次元画像を形成する。
【００１３】
本発明はまた、３次元（３Ｄ）画像体積投影方法に関し、本明細書に定義されているように、前記方法は、ハイブリッド投影マトリクスに光子を与える工程と、前記マトリクスが可視光を放出して３次元画像を形成する工程と、を含む。
【００１４】
本発明はまた、本明細書に定義されているように、ハイブリッド投影マトリクスの使用に関し、３次元画像を形成することにある。
【００１５】
本発明は、マトリクス中に使用される粒子の種類の数は限定されず、第３、第４、第５・・・第ｎの粒子を加えることによって、第３、第４等のハイブリッド材料を生成するものに一般化することができる。
【００１６】
第２の粒子又は添加剤を導入する目的は、原型の粒子を単独で含有するマトリクスの特性を改善して、希薄な投影をより良好な性能となるようにしたり、又は単一の粒子を使用する場合には存在しなかった新しい特性を生み出すようにしたりすることである。本発明はまた、樹脂マトリクス中の量子ドットの非線形吸収を測定することや、添加剤の添加がその現象に及ぼす影響を調べることを可能にする。
【００１７】
本発明の好ましい実施形態によれば、量子ドットは、光学材料（マトリクス）において所望の非線形効果を生じるように選択された構造である。それらは、実用的な状況で使用され、健康に対する有害な影響を抑えるために樹脂に保持されることが好ましい。
【００１８】
さらに、量子ドットやナノ結晶のようなナノエミッタがドープされた透明マトリクスを用いた現在のシステムとは違って、ここで、量子ドットやナノ結晶は、光励起に対する応答性が低すぎて、３Ｄ走査体積投影システムにこれらを使用できないのだが、本発明による光励起に対する応答性は、そのような体積投影システムに使用することが可能な程度に十分に高い。さらに、当該投影システムにおいてマトリクス中に可視化された画像を得ながら、レーザなどの光放射源の出力を低減させることを可能にする。結果として、樹脂マトリクスを保存可能にし、光子又はレーザビームの影響下で溶融しない。
【００１９】
本発明に含まれる光学現象は、好ましくは１つ又は２つの光子、より好ましくは２つの光子への吸収と、蛍光によるエネルギ放出に着目している。２つの光子の吸収に続く蛍光は、量子ドットが赤外光で励起された場合でさえも、可視発光波長を得ることが可能である。この現象を利用して、体積投影スクリーンの製造を可能にする。この技術は、表示画像が変更されないように、人の目に見えない入射信号を使用することが好ましい。量子ドットがその信号、つまり２つの赤外光子を受け取ると、単一の可視光子でエネルギを再放出し、３次元画像を生成する。
【００２０】
本発明は、これらの態様を組み合わせることを提案する限り特異的に異なり、Ｚスキャンレーザによって非線形吸収を特徴づけるために、量子ドットを好ましくはＰＭＭＡなどの樹脂材料の中に配置するが、材料はこれに限定されるものでない。
【００２１】
本発明は、ナノエミッタのみを含む材料に対して全ての光学特性（発光の寿命か「速度」、比色品質、「吸収量」など）を増進及び改良を加えた機能の新しい可能性への道を開くものである。
【００２２】
新規性及び進歩性があると考えられる本発明の特徴は、以下に述べる特許請求の範囲においてより詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
本発明の利点、目的及び特徴は、図面を参照してなされる以下の詳細な説明を参照することによって、より容易に明らかになるであろう。
【図１】図１は、試料位置に対する検出器からのビームの距離を表している。記載された距離は、レーザの焦点に対して近似的に測定される。赤色の存在が弱いほど光の強度が弱くなるように吸収が示されている。
【図２】図２は、紫外光下での円柱状試料を示す。 円形のブレードは円柱状試料から切断して研磨したものである。
【図３】図３は、実験で使用したパラメータを用いたＺスキャン型レーザ装置の模式図である。
【図４】図４は、１０mW（OD10）の出力における試料60,61及び62の平均光強度を位置の関数として示すグラフである。
【図５】図５は、１３．５mW（OD8）の出力における試料60,61及び62の平均光強度を位置の関数として示すグラフである。
【図６】図６は、２０mW（OD6）の出力における試料60,61及び62の平均光強度を位置の関数として示すグラフである。
【図７】図７は、２０mW（OD6）の出力における試料63,64及び65の平均光強度を位置の関数として示すグラフである。
【図８】図８は、２４mW（OD5）の出力における試料63,64及び65の平均光強度を位置の関数として示すグラフである。
【図９】図９は、量子ドットが多数ドープされたＰＭＭＡの立方体配列の非照射状態（図９Ａ）、及びＵＶ光ビームで照射された状態（図９Ｂ）を示す図である。
【図１０】図１０は、焦点領域周辺のガウスレーザビームを示す図である。
【図１１】図１１は、体積測定型ディスプレイの外形を示す図である。
【図１２】図１２は、レーザ走査システムの典型的な例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
第１の好ましい実施形態によれば、本発明は、３次元（３Ｄ）画像の体積投影のためのハイブリッド投影マトリクスからなる。マトリクスは、少なくとも２種類の異なる粒子であって相乗的な組み合わせの粒子を、光透過性の固体支持体中に含み、
第１の粒子は、１つ又は２つの光子を非線形的に吸収して可視光を放出するナノ発光粒子を含み、
第２の粒子は、ナノ発光粒子による１つ又は２つの光子に対する非線形吸収及び可視光の放出を高め、ナノ発光粒子により放出される光を増強及び／又は修正する少なくとも１つの添加剤を含む。
【００２５】
マトリクスは、光透過性の固体支持体が、例えばポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）のようなポリマー支持体を含むものであることが好ましい。光透過性構造を形成する他のポリマー材料も本発明において使用できることが理解される。
【００２６】
好ましくは、ナノ発光粒子は、量子ドット、量子ワイヤ若しくはロッド、量子井戸、量子リング、ナノ結晶（コア／シェルナノ結晶又はヘテロ構造ナノ結晶など）、ナノプレート、蛍光分子、フルオロフォア、及び／又は蛍光体を含む。より好ましくは、ナノ発光粒子は量子ドットを含む。
【００２７】
金属ナノ粒子は、より好ましくは、銀ナノ粒子又はカーボンナノ粒子である。
【００２８】
好ましくは、本発明で使用される添加剤は、金ナノ粒子、銀ナノ粒子、半導体ナノ粒子、ナノセルロース、カーボンナノチューブ、二次元材料、グラフェン、又は導電性ポリマー、及び／又は半導体を含む。より好ましくは、添加剤は、銀ナノ粒子及び／又はカーボンナノチューブである金属粒子を含む。
【００２９】
マトリクスは、好ましくは、厚さ２〜５ｍｍのシート形状である。シートは、好ましくは、約１μｍの仕上げを有する光沢のある表面を有していることが好ましい。
【００３０】
第２の態様によれば、本発明は、体積３次元（３Ｄ）画像投影のためのハイブリッド投影マトリクスを製造する方法であって、以下の工程：
ａ）ナノ発光粒子を含む第１の所定量の第１の粒子と、少なくとも１つの添加剤からなる第２の所定量の第２の粒子とを、光透過性の支持体を合成可能な溶液中で混合する工程；及び
ｂ）得られた混合液を固化してマトリクスを得る工程、
を含む方法に関する。
【００３１】
好ましくは、光透過性の固体支持体を合成可能な溶液は、一度重合されると光透過性のポリマー支持体を形成するモノマーを含んでいる。上述したように、マトリクスは、好ましくは、光透過性の固体支持体が例えばポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）のようなポリマー支持体であるマトリクスである。上述したように、マトリクスは、光透過性構造を形成する他のポリマー材料についても本発明で使用することができると理解できる。
【００３２】
好ましい実施形態によれば、３次元（３Ｄ）体積画像投影のためのハイブリッド投影マトリクスを製造する方法は、以下の工程を含む。
ａ１）ポリマー支持体の合成のためのモノマー溶液と、ナノ発光粒子を含む第１の所定量の第１の粒子と、少なくとも１つの添加剤を含む第２の所定量の第２の粒子とを混合する工程；
ａ２）混合物に重合開始剤を入れる工程；及び
ｂ１）得られた混合物を重合してマトリクスを得る工程。
【００３３】
この製造工程で使用される材料は、既に上述した通りである。
【００３４】
好ましくは、量子ドット及び金属粒子（銀及び／又はカーボンナノチューブ）に基づくマトリクスの場合、重合開始剤を添加する前に混合物を約９０℃の温度まで予め加熱しておく工程をさらに含む。この方法はさらに、混合物を角柱体又は円柱体のような成形型に注ぎ、約７５℃の温度で約２４時間、混合物を重合させる工程を含んでいてもよい。
【００３５】
この方法はまた、重合後に得られたマトリクスを平行な片に切断する工程を含んでもよい。 この方法は、スライドの各々でナノ粒子の濃度が同程度になるように、隣接するスライドを選択する工程をさらに含んでいてもよい。選択されたシートは、好ましくは厚さが２ｍｍ〜５ｍｍである。
【００３６】
この方法は、シートを研磨する工程をさらに含んでいてもよい。研磨されたシートは、好ましくは約１μｍの仕上げを有する。
【００３７】
製造プロセスにおいて、マトリクスは、好ましくは、２μl/ml〜８μl/mlの範囲の濃度の量子ドットと、０．０１mg/ml〜０．２mg/mlの範囲の濃度の銀ナノ粒子とを含む。また、マトリクスは、２μl/ml〜８μ/mlの範囲の濃度の量子ドットと、０．０００１mg/ml〜０．０１mg/mlの範囲の濃度のカーボンナノチューブとを含んでいてもよい。
【００３８】
第３の態様によれば、本発明は、３次元（３Ｄ）画像体積投影システムからなる。このシステムは、レーザのような光子放射源と、本明細書で定義されるハイブリッド投影マトリクスとを備えている。マトリクスは放射源の下流に配置されており、放射源からの光子を受け取ると可視光を発して３次元画像を形成する。
【００３９】
好ましくは、光子放射源は、不可視赤外光（ＩＲ）、ＵＶ光又は可視光などの光を発するレーザである。好ましくは、マトリクスによって放出される光との相互作用を減衰させるために不可視ＩＲ光が使用される。
【００４０】
システムは、画像の各横断面に対してビームの焦点を位置決めするためのＸＹスキャンを行うレーザを備えていてもよい。走査は、画像の各奥行き平面に対してビームの焦点を位置決めするＺスキャンであってもよい。製造物のスキャンもまた、ボクセルを満たすために使用できる。
【００４１】
本発明の好ましい実施形態によれば、投影システムは、３部構成に切り離されたスキャンを行うことによりシステムの全リフレッシュレートを増加させるレーザを備える。スキャンは、画像の各横断面に対してビームの焦点を位置決めするための第１のＸＹスキャンと、画像の各奥行き面に対してビームの焦点を位置決めするための第２のＺスキャンと、画像を完成させてボクセルを満たす第３のスキャンと、を含んでいる。
【００４２】
別の態様によれば、本発明は、本明細書に定義されているように、ハイブリッド投影マトリクスに光子を投影する３次元（３Ｄ）画像体積投影方法を含み、マトリクスは、可視光を発して３次元画像を形成する。
【００４３】
この方法の要素は、既に本明細書に記載されているものである。
【００４４】
２つの光子による吸収と蛍光：
量子ドットに吸収される入射光子の周波数fiの推移をプロットする。量子ドットは、このエネルギを周波数feの光子により再放出する。このとき、エネルギ保存によりfi>feであり、エネルギ差は熱で失われる。ここで、周波数f1の２つの光子が量子ドットに同時に到達し、それらが同時に吸収された場合を考える。2f1>f2（f2は量子ドットの発光周波数）の場合、２光子吸収が起こり、潜在的に蛍光が続く。この現象が起こるためには、入射光子は同じ周波数である必要はない。しかしながら、それぞれの周波数の合計は、検討している量子ドット又は物体の吸収範囲内であることが必要である。
【００４５】
Ｚスキャン技術の目的は、物体の非線形屈折率及び非線形吸収係数を測定することである。本発明に関しては、非線形吸収のみが定性的に検討されている。この原理は、ビーム集束によって生成された光円錐の頂点を通る軸上の焦点の両側で試料を移動させるものである（図３参照）。焦点ドットの近くで直線的に吸収されなかった光の強度は、経路の最後に収束しない。収集した光強度のグラフをその経路に沿って試料の位置の関数としてプロットすることにより、焦点で最も低い点に達する中空が得られる。
【００４６】
図１を参照すると、中心に近づくにつれて中心の暗い部分のみが変化することが分かる。これは、実際にＺスキャンによって検出可能な２光子吸収であることを示している。 この現象は、高輝度のみ（暗色及び白色の中央部分）で起こり、明るい灰色及び黒色の画像の周辺部分は試料の移動によっては変換されない。
【００４７】
ハイブリッド材料の例：
少なくとも２種類の（ナノ）粒子及び/又は異なる分子を含む新規なバイナリーハイブリッド投影マトリクスを以下に説明する。１つ又は複数の好ましい実施形態を例として取り上げて本発明を説明するが、これらの好ましい実施形態は本発明を説明するために使用され、その範囲を限定するものではない。
【００４８】
適合及び機器の説明
製造の第１工程は、角柱体又はプラスチック円筒体の成形である。メタクリル酸メチル、量子ドット、金属添加物及び重合開始剤を含む液体混合物を作り、予備重合工程を開始する。温度は例えば９０℃としてもよい。それを実現するために必要なアセンブリは、本質的に、ユニバーサルサポート上に置かれた加熱プレート、該プレート上に置かれた水で満たされた水槽、水の温度を示す温度計、及び試料を水中で支持するための２つのクランプからなる。予熱工程の後、円筒形状のガラスフラスコ又は正方形状の角柱アルミニウム型を用いて成形する。円筒ボトルを使用する技術は、製造がより容易であり、より均一な試料を与える。しかしながら、円筒形状の試料は、アルミモールドとは異なり数回使用することができないため、特性評価やバイアルには使いにくい。次いで、型を７５℃のオーブンに入れて約２４時間重合させる（付録１参照）。
【００４９】
成形された試料は、回転ダイヤモンドブレードを備えた鋸を用いて約３ｍｍのシートに切断される。その後、約１μｍの表面仕上げが得られるまで、手動研磨テーブル上でシート（試料）を研磨する。
【００５０】
試料の製造例：
量子ドット、ナノ結晶などのようなナノ発光粒子の製造は、当業者に知られている。例えば、以下の文献を参照して製造することができ、その内容は参照により本明細書に組み込まれる。
- Marie-Eve Lecavalier et al. 「電離放射線の検出のための水分散性コロイド量子ドット」、Chem. Commun., 2013,49,11629-11631;
- C.B. Murray、単分散のCdE（E =硫黄、セレン、テルル）半導体ナノ微結晶の合成と特性; J. Am. Chem. Soc., 1993, 115（19）, pp 8706-8715;
- Sam Beddar, Luc Beaulieu; 「シンチレーション線量測定」、第19章（ISBN 9781482208993）。
【００５１】
使用される特定の添加剤は、商業的に得られる：
- カーボンナノチューブ - 供給元：Raymor Nanotech <http://raymor.com/nanotech/>、製品番号：RN-02、説明：カーボンナノチューブ、> 50％C-SWNT;
-銀ナノ粒子- 供給元：Sigma-Aldrich <http://www.sigmaaldrich.com/canada-english.html>、製品番号576832、説明：銀ナノ粉末、<100nmの粒子サイズ
【００５２】
試料は、以下のように作製することができる。
- 大型晶析装置を用いて、９０℃で水を加熱する（攪拌機を用いて）。
- ＭＭＡ（揮発性）、金属添加物、量子ドットの液体混合物を調製し、それをバイアルに入れる。
- 重合開始剤を秤量して液体混合物に加える。
- バイアルキャップを差し込み、混合物が透明になるまで振とうする。
- バイアルをユニバーサルプライヤーできつく締めて、９０℃で晶析装置に浸漬する。
- ウォーミングアップカウントダウンを開始する。
- 予熱時間が経過したら、バイアルを晶析装置から取り出す。
- キャップを開けてガスを逃がす。
- キャップをしっかり閉じる。
- 水で満たされた小さなビーカーの中にバイアルを置く。
- ビーカーをオーブン中に７５℃で一日置く。
【００５３】
試料は以下の方法で切断することができる：
- フードパネルを取り外す。
- 鋸の容器からキャップを取り外す。
- 必要に応じて鋸の刃を研ぎ器に通す。
- 試料をバイスに固定する。
- 自由度が異なる補助具で鋸とトロリーを調節する。
- 運搬台車をレールに固定する。
- 刃の速度を調整する。
- 切断作業中ずっと、ペアで刃を霧吹きする。
- 手動で鋸を試料に導き、カットする。
- 切断が完了したときに鋸を止めてプラグを抜く。
- 鋸のレセプタクルをすすぎ、フードのパネルを交換する。
【００５４】
試料の研磨は、以下のようにして行うことができる。
- 実験室の入口で水バルブを開く（パイプに平行にタップする）。
- 研磨板上に研磨紙を置く（６００粒度から開始）。
- 紙を浸すために水を掛け始める; 
- 紙の周囲にベースを置いて固定する。
- ターンテーブルを始動する。
- 水流を調節する。
- 切断線をテーブルの半径に対して垂直に置くように注意しながら試料をターンテーブルの上に置く。
- 切断線が消えるまで試料を所定の位置に保持する。
- 少量のパラフィンでホットプレート上のサンプルホルダーを温める。
- パラフィンが融解したらサンプルホルダーを水浴に置き、６００粒度で表面を研磨した試料をサンプルホルダーに置く。
- ワックスが凝固したら、サンプルホルダーを中空シリンダに挿入する。
- この面を６００粒度の研磨紙、次に８００、次いで１２００で研磨する。
- 同じ方法を用い、もう一方の面を上向きにして、サンプルホルダーで試料を再び固定する。
- ６００粒度の研磨紙を用いてこの面を研磨し、次に８００、次に１２００で研磨する。
- サンプルホルダーから試料を取り出す。
- 研磨装置に研磨パッドを置き、セリウム研磨剤溶液をカーペットに数滴注ぐ。
- 必要に応じて少量の水を加える。
- 両面研磨する。
- サンドペーパー、研磨パッド及び研磨機を洗浄する。
【００５５】
測定アセンブリ
Ｚスキャン技術は、材料をあまり必要としない。図３に示すように、測定回路（10）は、光学テーブルに向かって赤外光（λ=７８８nm）（30）を放出する経路の始点であるパルス状のReg-Aレーザ（20）と、減衰フィルタ（50）と、例えば３０cmの集束レンズ（60）と、ビームプロファイラ（90）のサンプルホルダーの上にあるレールと、だけで構成されている。レーザの出力は約５００mWであり、平均パルス持続時間は約１００fsであり、レーザ周波数は１０kHzである。試料が燃えたりビームプロファイラを損傷したりしないように信号を減衰させる必要がある。アセンブリの略図には、フィルタはないが、焦点を通る試料の動きが図３に模式的に示されている。
【００５６】
実験結果：
【表１】
2018520533.tif 000003
【００５７】
なお、各試料について、予熱時間は１５分であり、重合開始剤の使用量は４mgであり、試料は４mlの溶液であり、濾過されたＭＭＡが補充されていることに留意すべきである。
【００５８】
Ｚスキャンを用いて得られた一連のグラフを図４〜図８に示している。いくつかの画像は、ノイズが大きすぎるか、又はＺスキャン中にレーザによって試料が損傷したため省略された。グラフ軸は等級付けされていない。横軸は、Ｚスキャン中の試料の移動軸上の変位を示す。しかしながら、Winkソフトウェアは手動で開始され、各試料は必ずしも同時に走査が開始されていないため、信頼性のある唯一の点は焦点（曲線の最小値付近）である。縦軸は、光の平均強度を任意の単位で表したものである。比較のために、曲線はすべてxとjで同じスケールで表している。解析のために関心があるのは、相対的な値のみである。したがって、曲線は、それらの左トレイ（すなわち、０mmから焦点まで）及びそれらの最小値について位置合わせされている。
【００５９】
赤色曲線（R）は、量子ドット（QD）のみを有するものである。 青色曲線（B）は、量子ドットと銀ナノ粒子（QD+Ag）とを有するものである。紫色曲線（P）は、量子ドットとカーボンナノチューブ（QD+CN）とを有するものである。
【００６０】
【表２】
2018520533.tif 000004
【００６１】
【表３】
2018520533.tif 000005
【００６２】
結果についてのコメント−バイアスの原因：
まず、ブロック製造工程において、改善すべき主な問題は試料の均質性である。予熱工程の後、フラスコを激しく攪拌して、空間内における粒子の均一な分布を促進させる。しかしながら、オーブン内で加熱すると、量子ドットが上へ向かう傾向があり、シリンダの第１の層における量子ドットの濃度がより高くなる。この影響を克服するために、試料を切断するとき、濃度がより高い第１の層を廃棄する。試料の均質性に関する第２の問題は、銀ナノ粒子の沈降とカーボンナノチューブの凝集である。実際、銀ナノ粒子は、バイアルの底に沈澱する傾向がある。再び試料を部分的に切断すると、この影響が解決される。カーボンナノチューブの凝集に関しては解決されていない。最後に、研磨工程は、材料のすべての凹凸をなくすことができない。そのため、互いの試料で２つの表面の起伏が異なることがある。これらの不規則性は、ビームプロファイラによって生成された画像上で可視化された。したがって、レールの移動方向に対して垂直な自由度を持つ取り外し可能なベース上に試料を固定した。平坦でないように見える領域をレーザが横切ったときに試料を動かすようにした。
【００６３】
この取り外し可能なベースを使用することによって、２番目の問題が改善された。試料が過度の力を受けると、力を受けた部分及びその周辺部に不可逆的な損傷が発生する。しかしながら、同じ試料についてＺスキャンを何回か行った。試料の異なる領域で試験を行うことができるように、ベースを用いて試料を横方向に移動させた。焦点の周りでは、レーザプロファイルが試料の約1/100を占めており、それ故にこの補正手順が許容されることに留意することが重要である。図１に示すように、画像上のいくつかの領域において、回折パターンに似た小さな同心円が見られる。これらは、光学アセンブリの何らかの要素のダストである。カメラレンズ上のダストは、それぞれの試料で同じであるため、結果にあまり影響を与えないと思われる。しかしながら、データを処理する場合、解析のために選択されたセクションは、異なる画像において全く同じ場所ではない。したがって、各ダストの影響は各画像で同一ではない。さらに、ビームプロファイラの保護のために選択されたフィルタは、必ずしも同一ではない。したがって、フィルターダストは、各試料で同じではなかった。
【００６４】
カメラソフトウェアは、ビームプロファイルの画像をリアルタイムで取り込むことを可能にする。画像は、毎秒35フレームを取り込むWinkソフトウェアを使って記録される。この技術は、画面上の表示物と光強度の定量値とを対応付けるのに非常に便利である。しかしながら、間欠的な不安定性によるレーザの振動は補正できない。したがって、レーザの振動と非線形効果とを区別することは難しい。なぜなら、後者は同じ振幅を有するからである。結果を解釈するとき、記録上焦点がどこにあるかをおおよそ知ることによって、この影響を回避することが可能である。
【００６５】
領域は各試料で同一ではないため、ImageJソフトウェアで関心領域を選択すると、バイアスが発生する可能性がある。各々の測定値の間でレーザビームプロファイルは変わるため、同一サイズの関心領域は機能しない。しかしながら、いくつかの領域を比較してチェックし、合理的である限り、その選択がどの程度の影響を与えたかを確認した。
【００６６】
結果を解釈するとき、非線形効果による中空と材料の変性との違いを区別することは難しい。実際に、図６、図７及び図８のグラフを見ると、顕著な谷は非線形効果ではなく、材料のダメージが閾値に達したことによって引き起こされている可能性がある。銀ナノ粒子を含む試料は、高出力で最も重要な中空を生成するものである。 銀は、光を直線的に吸収して熱に再放出することができ、それにより材料をより迅速に変性し、より大きな非線形効果をもたらす。プラスチック自体はレーザ波長で吸収を示さないため、試料に損傷を与えない。
【００６７】
最後に、この方法において塊の厚さは考慮されない。ここで、表１を参照すると、試料は正確に同じ厚さではないことに留意されたい。一つの例では、系２の銀ナノ粒子を含む試料の厚さは約１mmである。図７及び図８のグラフでは、最も重要なトラフ値を生成している。これは厚さが問題であり、非線形吸収に直接関係していると考えられるかもしれない。しかしながら、図６のグラフの銀ナノ粒子を含む曲線もまた、この試料は他の試料と比べて薄くはないが、大きな中空を生成している。各試料で厚さが同じであることが理想的であるが、研磨工程でバイアスが生じる。
【００６８】
分析
表１に示されているように、試料の系１（60,61,62）は、その各要素において定量的な点の濃度が同じである。また、量子ドットの濃度が一様に高くなっている点を除けば、系２（63,64,65）も同じである。金属なしの試料と、金属を含む試料とを比較するためにそのようにした。
【００６９】
示したグラフは、非線形吸収現象を視覚的に表したものである。出力の大きさに関係なく、カーボンナノチューブを含む試料は、量子ドット単独のものと非常に類似した曲線を生成し、付加的な効果がないことは興味深い。試料に使用されたカーボンナノチューブは完全に金属性ではなく、粒子の凝集が何らかの効果を妨げた可能性は高い。図４〜８の５つのグラフを要約するために、対照試料（量子ドットのみ）に対する各曲線のトラフ値の相対的な深さを表２に示す。グラフの左トレイに関して測定された相対的な深さのみが、実験パラメータは絶対的な仕事がほぼ不可能であるため、関心がある。なお、焦点を通過した後のベースが上昇していることについては原因不明のままである。しかしながら、左側の挙動よりも右側でノイズが大きいことは、材料に損傷が発生したことを示唆している。グラフに描かれた軌道とは反対の方向にレール上で試料を移動させたとき、左側の挙動は上方の位置となった。換言すれば、光の強度は、焦点の０mmの位置までは常に低く、焦点から２５mmの位置までは常に高くなった。
【００７０】
図４及び図５において、比較的低い出力では、銀ナノ粒子を含む試料は深さがより小さいことが分かる。表２に基づくと、銀ナノ粒子を含む試料におけるトラフ値の相対的な深さは、量子ドットのみを含む試料の半分程度である。それにもかかわらず、中空がグラフ上に見えており、それらの出力で２光子吸収が生じている。しかしながら、図６〜図８のグラフにおいて、比較的高い出力では反対の効果が認められる。銀ナノ粒子を含む試料は、相対的な深さがコントロールよりも３倍半も強いことが分かる。
【００７１】
最後に、裸眼で測定した試料の蛍光閾値を示す表３に基づくと、所定濃度の量子ドットに対し、蛍光閾値は同じであることが直ぐに分かる。
【００７２】
これらのすべての観察に照らして、銀ナノ粒子の存在が、材料の特性に何らかの影響を及ぼすことを示唆している可能性がある。しかしながら、蛍光閾値は、各試料において同程度であり、もし、銀ナノ粒子によって非線形吸収効果が実際に増幅されたのであれば、２光子吸収がある場合には低出力であるとも考えられるため、図６〜８のグラフのより低下したトラフ値は、材料の損傷によるものと考えるのが一般的である。この損傷は、興味深い実用的な応用を構成し、低出力でＰＭＭＡにエッチングすることを可能にする。例えば、グラフ３（図６）の実験パラメータによれば、２０mWの出力において、銀を含む試料のみがエッチングされた。しかしながら、結果の解釈とは無関係に、濃度を変更し、実験技術を改良することによって、金属添加物の存在下で増加した効果を観察することができると考えられる。これらの金属添加物の濃度は、粒子間距離に影響を及ぼす。したがって、このパラメータは、カーボンナノチューブ又は銀ナノ粒子のいずれであっても、非線形吸収を増加させる鍵となり得る。また、非線形吸収現象は、銀ナノ粒子の存在のみが、特定の出力閾値によって増加させることができることを排除するものではない。
【００７３】
プロセスを改善するためには、光ダイオードに向かってビームを部分的に偏向させることによってレーザの振動を測定できることが有利であり、測定期間を適切に選択することが可能になる。さらに、変位レールを測定ソフトウェアと同期させて、すべての曲線が時間の関数として正確に同じ変位となるように横軸を標準化することが有利である。
【００７４】
図３、４及び５に見られる銀ナノ粒子を含む試料によってもたらされる有意な効果は、非線形吸収の増加ではないが、影響が存在すると思われる。その他の測定や新しい一連の試料の製造は、この現象の本質を強調するのに役立つ。
【００７５】
体積製造システム
量子ドットでドープされたＰＭＭＡ（プレキシガラス）のマトリクス中の２光子フォトルミネッセンスを得るために行われた実験を以下説明する。 また、投影システムの機能的要件及び体積投影システムを実装するために必要な手順を確立する。
【００７６】
試験結果
最初のステップでは、ＰＭＭＡに量子ドットを導入した。本明細書に記載された方法に従って、量子ドットでドープされたＰＭＭＡを製造した。図９は、いくつかの仕上げられたＰＭＭＡ片（図９Ａ）の配列、及びＵＶ光によって励起された同じ配列（図９Ｂ）を示す。ＵＶ励起は、フォトルミネッセンスの存在を示している。これは、ＰＭＭＡ中に量子ドットが存在するためである。
【００７７】
第２のステップでは、ＵＶ光ではなく、２光子吸収プロセスによる赤外（IR）光によるフォトルミネッセンスを得る。まず、第１のレーザYAG（１０６４nm）を用いた結果は、継続的に期待はずれであった。実際に、ＰＭＭＡはフォトルミネッセンスを生じずに、一定の強度で溶融し始めた。１０Hzの周波数でパルスYAGレーザ（５〜７ns）を使用して、フォトルミネッセンスを観察したが、ここでもまたＰＭＭＡが損傷した。
【００７８】
第３のステップでは、以下の仕様のチタンサファイアレーザを使用した。
【表４】
2018520533.tif 000006
【００７９】
また、顕微鏡対物レンズを使って光を集束した。レンズの仕様は次のとおりである。
【表５】
2018520533.tif 000007
【００８０】
以下のすべての試験では、フォトルミネッセンスは、レーザの焦点でのみ観測可能であり、焦点の前後に発光の引きずりは存在しない。静的モード（走査なし）における最低平均出力、例えば＜１０mWでは、ビームは試料に損傷を与えるが、光ルミネッセンスが観察される。 静的モードで必要とされる最小強度（閾値）は、フォトルミネッセンスが既に観察されているため、これらの試験では見出せない。フォトルミネッセンスに必要な強度の下限を決定するために、中性フィルタを用いてその後の試験を行う必要がある。
【００８１】
依然として、最小出力（例えば＜１０mW）でビームを１mm/sの速度で動かすことによって、フォトルミネッセンスが観測され、ＰＭＭＡに恒久的な損傷はない。
【００８２】
常に１mm/sで動かすことで、恒久的な損傷が発生する前において、約３５mWの平均出力まで出力を増加させることが可能である。出力を５０mWよりも増加させることができ、スキャン速度を１mm/s以上まで増加させても、損傷が観察されない。
【００８３】
損傷の一部は、短パルスレーザによって誘発された熱的影響に起因している可能性がある。ＰＭＭＡにエッチングされた恒久的な損傷を顕微鏡で観察したところ、３５ミクロンの幅であった。熱的影響と非線形効果とを混同するべきではない。実際、熱的影響は、樹脂の加熱により蓄積し、永久的な欠陥を生じる。非線形効果又は光ルミネセンスは、局所的に、かつビーム強度が十分である場合にのみ生成される。フォトルミネセンス領域は、１つの場所に配置される。この領域又は体積は、顕微鏡対物レンズの焦点におけるレーザ閉じ込めの強度によって定義される。
【００８４】
最初に我々は、蛍光領域の体積は、レーザビームが集束される焦点ゾーンの周りに集束されると仮定する。軸方向の距離は、レイリー領域（b）に制限され、横方向の広がりは、図１０に示すようにビームの「ウェスト」（Ｗ０）によって制限される。これらの距離は次の式で定義される。
【数１】
2018520533.tif 000008
これらの式によれば、フォトルミネッセンスの軸方向の面積は、側方ゾーンよりも大きい。焦点レンズの逆数-f（F＃）と等しい角度θを使うことにより以下のＷ０が得られる。
【数２】
2018520533.tif 000009
軸方向の長さは約６２μmである。これは、蛍光領域が非常に長いことを示している。
【００８５】
しかしながら、我々はそうでないことに注意してほしい。いくつかの要因がこの状況を説明するかもしれない。ＰＭＭＡマトリクスは光を拡散する可能性があり、蛍光ゾーンの人工的なサイズを増加させることによって、我々が知覚する領域を増加する。また、レーザによって励起された領域により放出された蛍光は、蛍光を発する量子ドット（１光子励起）を励起し、それにより、可視蛍光ゾーンのサイズを増大させることも可能である。言及された２つの要素の組み合わせも、その状況を説明することができる。いずれの場合でも、この状況は、レーザによって励起された領域の周りのカップリング（ボクセル間のクロストーク）が将来検討されることを必要とする。
【００８６】
プロジェクターの機能要件の例
フォトルミネセンスの体積が焦点ゾーンに限定されているという仮定に基づいて、我々は、立方晶フォトルミネセンスを得るためには、範囲「b」上でボクセルを横方向に走査する必要があると確証する。これは、ボクセルを「満たす」ためにＸＹビームを走査するためのメカニズムを有することが優先的に必要であるという結果をもたらす。スキャンは、図１１に示すようなラスター走査で行うことも、システムに統合するのが簡単な円形スキャンを使用することもできる。
【００８７】
図１１に示す体積スクリーンでは、範囲「Ｄ」（深さ）のピクセル数を決定することによって、範囲「b」を定義することができる。レーザの波長（ｌ）を把握することにより、必要なビームのサイズＷ０を決定することができる。ボクセル内のスキャナの数Ｎ（マイクロスキャン）は比b/2Ｗ０によって与えられ、これは2F＃に等しい。このF＃は、システムに必要とされる走査レンズ（scan lens）を概ね決定する。
【００８８】
同様のシステムに基づいて、投影システムは３つの走査サブシステムで構成される。Ｘ−Ｙスキャンは、画像の各横断面に対してビームの焦点を位置決めする。この種の走査は、おそらく２つのガルバノミラーによって行われる。第２のタイプのスキャンは、奥行き（Ｚ）である。この軸については、図１２に示すように、おそらくは液晶空間変調器（SLM）であろう。既に述べたように、最後の走査は、ボクセルを満たすために使用される。この種のスキャンは、回転するプリズムによって行うことができるが、他のタイプのスキャンを用いてもよい。 ３部スキャンデカップリングは、システムの全リフレッシュレートを増加させる。図１２に示された投影システム（100）は、第１の変調器（120）に光を投射するIRレーザ（110）を備えている。投射された光は、さらに光偏向ミラー（130）、液晶空間変調器へ投射される。空間変調器（140）を離れると、光は、体積型スクリーン（160）に投影される前に、Ｘ−Ｙスキャナ（150）及びガルバノミラー（152-154）によって処理される。
【００８９】
体積のスキャン速度は、毎秒３０フレームの速度で変調されるボクセルの数の観点から、システムの限界閾値の１つである。他の３Ｄ走査システム（HiResFELIX）で到達可能な約１億５千万個のボクセル値に基づいて、５００×５００×５００ボクセル（１億２千５百万個に等しい）の３Ｄシステム解像度（１億２５００万）にすることができる。この解像度及びシステムのサイズから、所望のボクセルのサイズを決定することができる。このボクセルのサイズにより、上記の式に従ってビームウェストの大きさ（2*Ｗ０）を続いて与えるレイリーゾーン（ZR）のサイズが設定される。マイクロスキャン数は、ボクセルの面積を、必要とされるビームウェストの大きさで割ることによって計算される。最後に、Ti-Saphireレーザを用いたテストで計算された強度値（W/mm2）と、選択されたディスプレイに必要な新しいビームウェストの面積とを用いて、必要とされるレーザビームの新たな空間に対するレーザに必要な平均出力を求めることができる。
【数３】
2018520533.tif 000010
【００９０】
フォトルミネセンスに必要なImoy=1.63e+3ワット/mm2の値を、実験室データ（Pmoy=0.01W及び2W0=2.79ミクロン）から計算した。この値は、必ずしも最小値ではなく、他の値に達することもある。
【００９１】
走査システムとディスプレイとの間の距離により、走査レンズの焦点距離が決定される。 fナンバー（f/＃）は、焦点距離（f）とレンズの直径（D）との比として定義される。 Ｗ０は次の式に従い、f＃に比例する。
【数４】
2018520533.tif 000011
【００９２】
この式により、ビームウェスト（Ｗ０）の大きさと焦点距離、走査レンズの最小直径が決定される。最後に、ＸＹスキャンとＺスキャンは切り離されているため、「ＸＹスキャン」値は、システムに対して変調及び走査周波数を直接与える３０秒フレームを得るために調整する必要がある横方向の点の数を与える。
【００９３】
以下の表６及び表７に、実行可能な３Ｄ投影システムの計算パラメータをまとめている。
【表６】
2018520533.tif 000012
【表７】
2018520533.tif 000013
【００９４】
上記表６で算出された平均レーザ出力は１．２９１Wであり、これはかなり高い。出力を低減するために、５０×５０×５０cmの体積とすることにより、要求出力の半分を削減することができる。別の解決策としては、２つのレーザを組み合わせて必要な強度を生成することである。また、フォトルミネッセンスに対する最小光強度の要件が決定されていないため、我々のテストで発光を生じたテストレーザの最小出力（１０mW）を使用することに留意されたい。さらに、これらの計算は単色システムに対するものである。RGBカラーシステムは、好ましくは、ZRに必要な３分の１だけ減少する連続的なRGB層の積層体により構成される。SLMによるＺスキャン速度の増加により、必要な出力も３分の１に削減される。 論文-「Three-Color、Solid State、Three-Dimensional Display」、Science、1996、p 5279-1185の図５には、このタイプの積層ディスプレイの概念が示されている。
【００９５】
量子ドットは、高出力を受けた場合に非線形効果を生成するために使用することができる。実用化を目指すには、有毒成分を使用者に触れさせる可能性が高い溶液中ではなく、固体構造に量子ドットを閉じ込めることが好ましい。このため、量子ドットは、樹脂マトリクス（例えば、ポリメチルメタクリレート）に閉じ込められている。 いくつかの試料では、カーボンナノチューブと銀ナノ粒子を加えた。その目的は、Ｚスキャンを用いて試料の２光子吸収を比較することであった。 この技術では、試料が焦点を通過するときに横切るレーザの光の強度を測定する。
【００９６】
量子ドットをレーザの集束ビームに配置すると、オレンジ色の蛍光を肉眼で見ることができた。測定を行った後、我々は、カーボンナノチューブの存在は非線形吸収に影響しないようであることを観察した。しかしながら、我々は、銀ナノ粒子の存在がこの効果を４倍まで増加させることができることを観察した。しかしながら、我々はまた、蛍光閾値が２mWであったのに対し、材料の損傷閾値は約３０mWであることも見出した。これら２つの値は比較的近く、材料の非線形吸収と損傷を区別することは難しい。
【００９７】
１つ又は複数の好ましい実施形態を説明したが、本発明は、多数の他の実施形態で使用し、採用し及び／又は実施することができる。したがって、以下の特許請求の範囲は、従来技術によって設定される限界外に留まりながら、これらの異なる形態を含むと解釈されるべきである。
【図１】
2018520533.tif 000014
【図２】
2018520533.tif 000015
【図３】
2018520533.tif 000016
【図４】
2018520533.tif 000017
【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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