一种三原色波长选择性散射透明投影膜及其包括该透明投影膜的投影屏幕
技术领域
本发明属于光学领域的透明投影技术，涉及一种三原色波长选择性散射透明投影膜及其包括该透明投影膜的投影屏幕，具体涉及一种基于等离激元共振效应的选择性散射介质，其在三原色(红：～640nm、绿：～532nm、蓝：～456nm)对应波长上具有较强的散射特性，从而得到的一种三原色波长选择性散射透明投影膜。
背景技术
光与介质间的相互作用一直以来都是人类发展密切相关的技术，从中国古代采用铜镜反射光线作为镜子，到透明玻璃，再到现在投影幕布，对于介质对光线的发射、透过等相关应用逐渐进入人们生活。随着科技技术的发展，人们对介质的光学特性要求愈来愈高。在投影领域，需要介质对投射过来的光线具有较高的反射特性，并且具有较宽的散射角度，以适应在不同角度观看投影内容。
目前的全息透明屏幕胶片产品，有一半的光透过屏幕就会损失掉，一般透明度好的全息透明屏幕需要强大的电流功率支撑投影。此外，还可以采用电控调光玻璃在电场作用下的通透态也可作为透明投影屏幕使用，但只有在光线暗的地方使用，而且也依赖于投影机的性能。除此之外，散射偏光玻璃也可应用于透明投影，其存在透光轴。在自然光入射，一半光透过，一般光散射，处于半透明状态。但是其在透明投影屏幕上的应用也依赖于单片式投影机，即要求投射光为偏振光。(高攀,张亚龙,刘晓梦,等.现代显示,2013,6:49-51)(范志新，姜丽，李祖华.CN201710372284.0)
因此，需要开发简单有效的透明介质投影介质，要求其不仅可以投影特定波长的入射光线，而且可以透过介质观察背景环境，避免对投影系统的要求，可以广泛应用于需要保持透明性与显影性的场合，例如：夜间商业区玻璃橱窗、夜间会车时汽车玻璃示警显影等领域。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是在于提供了一种三原色波长选择性散射透明投影膜，可以使得观察者在不同的角度都可以看到投影的影像，且投影影像的色彩分辨率和饱和度均较好。
为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
一种三原色波长选择性散射透明投影膜，为含有Au纳米颗粒、Ag纳米颗粒和Au@Ag核壳纳米颗粒中的至少一种纳米颗粒的透明薄膜。
对于透明投影介质，其需要在投射波长之外的光谱上具有较高的透过率，在投射波长上具有较高的散射率和散射角，即需要介质具有较好的选择性散射特性与低吸收性能。本发明基于纳米颗粒的等离激元共振效应，提供了一种三原色波长选择性散射透明投影膜，对于三原色中红色光线(～640nm)的投影，金属Au在该区域具有较高的等离激元共振品质因数，能够产生较强的局部表面等离激元共振效应，选择Au纳米颗粒作为散射介质，有利于形成较强的散射特性；对于三原色中蓝色光线(～456nm)的投影，同理选择Ag纳米颗粒作为散射介质；而对于三原色中绿色光线(～532nm)的投影，由于其波长位于蓝色与红色光所对应波长之间，并且Au和Ag间易于制备球形核壳颗粒，因此选用Au@Ag核壳纳米颗粒作为绿色光线散射介质。进一步为了得到优选的纳米颗粒尺寸，采用如下目标函数FOM对纳米颗粒粒径进行优化设计：
式中，σscat(λo)为纳米颗粒在三原色对应波长下的散射截面积，
优选的，所述Au纳米颗粒的粒径为103～113nm；进一步优选为108nm。
优选的，所述Ag纳米颗粒的粒径为57～63nm；进一步优选为60nm。
优选的，Au@Ag核壳纳米颗粒的粒径为78～102nm，其中Au核半径为17～23nm，Ag壳层厚度为22～28nm；进一步优选为90nm，其中Au核半径为20nm，Ag壳层厚度为25nm。
本发明优选的纳米颗粒尺寸可以有效地平衡纳米颗粒在可见光波长上选择性散射与低吸收性能，当颗粒尺寸大于所优选的尺寸范围时，会导致其散射作用增强，散射峰值波长大于所优化目标波长(三原色波长)；而当颗粒尺寸小于所优选的尺寸范围时，会导致其吸收性能增强，散射峰值波长小于所优化目标波长(三原色波长)。
本发明中对Au纳米颗粒、Ag纳米颗粒和Au@Ag核壳纳米颗粒的形貌并无特殊要求，如球形颗粒、棒状颗粒等，但为了避免复杂形貌的设计，优先选择球形纳米颗粒，既可以降低工艺成本，同时基于纳米尺度效应，球形纳米颗粒可以获得远大于其几何截面积的散射截面积，所使用的纳米颗粒的量很少，有利于降低颗粒成本和保持较好的透明性。
优选的，所述透明薄膜的材质为具有成膜性的透明高分子聚合物，例如PVA、PMMA、PVDF等。
优选的，所述透明投影膜的厚度为10～500μm，进一步优选为50～200μm。
优选的，所述含有纳米颗粒的透明薄膜中，纳米颗粒占透明薄膜质量的0.001％～0.1％，进一步优选为0.01％～0.05％。
本发明中，当需要在界面上投影三原色(红：～640nm、绿：～532nm、蓝：～456nm)中任意单原色图案时，将对应单原色波长散射的纳米颗粒与具有成膜性的高分子聚合物混合成膜即可得到对应单原色透明投影功能的透明投影膜；
当需要在同一界面上投影三原色(红：～640nm、绿：～532nm、蓝：～456nm)中任意二原色图案时，将对应二原色波长散射的纳米颗粒一起与具有成膜性的高分子聚合物混合成膜即可得到在同一界面上有效投影二原色图案的透明投影膜；而当需要在不同界面上投影三原色(红：～640nm、绿：～532nm、蓝：～456nm)中任意二色图案时，先将对应某一种单色波长散射的纳米颗粒与具有成膜性的高分子聚合物混合成膜，再在此薄膜的基础上，再形成另一种对应的薄膜，得到在不同界面上选择性投影二原色图案的透明投影膜。
当需要在同一界面上投影三原色(红：～640nm、绿：～532nm、蓝：～456nm)图案时，将对应三原色波长散射的纳米颗粒一起与具有成膜性的高分子聚合物混合成膜即可得到在同一界面上有效投影三原色图案的透明投影膜(图2a)；而当需要在不同界面上投影三原色(红：～640nm、绿：～532nm、蓝：～456nm)图案时，先将对应某一种单色波长散射的纳米颗粒与具有成膜性的高分子聚合物混合成膜，再在此薄膜的基础上，再形成另一种对应的薄膜，最后在前两种堆叠的薄膜的基础上，最后形成第三种对应的薄膜，得到在不同界面上选择性投影三原色图案的透明投影膜(图2b)。
本发明中，透明投影膜的制备时，首先纳米颗粒的制备可采用常规的种子生长法，更好的对形成的纳米颗粒的尺寸进行调控；然后将制得的纳米颗粒与具有成膜性的高分子聚合物的水溶液混合，经常规的蒸发固化技术即可制得所述的透明投影膜。
本发明还提供了一种投影屏幕，包括上述任一种透明投影膜。
本发明的透明投影膜，Au纳米颗粒、Ag纳米颗粒和Au@Ag核壳纳米颗粒在对应三原色波长区域具有较高的等离激元共振品质因数，能够产生较强的局部表面等离激元共振效应，纳米颗粒嵌入透明薄膜内，当投射光线打到纳米颗粒表面时，其具有较强的散射特性，可以将光线发射到不同角度，从而使观察者在不同的角度都可以看到投影的影像。并且，由于颗粒在纳米级别，其色彩分辨率和饱和度均较好。
附图说明
图1为三原色透明投影膜投影示意图；
图2为两种不同的实施方式形成的三原色透明投影膜；
图3为实施例1中制得的Au纳米颗粒光谱曲线及其SEM图像；
图4为在红色激光照射下的实施例1中的添加Au纳米颗粒的红色透明投影膜和对比例1中的未添加Au纳米颗粒的普通透明投影膜的投影实物对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
实施例1
一种红色透明投影膜的制备方法：
1、首先基于种子生长方法，制备直径为108nm左右的Au纳米颗粒：
(1)将100mL的5mM柠檬酸三钠(SC，99％，Aladdin)溶液和2mL的10-mM HAuCl4(HAuCl4·3H2O，Au≥48％，Aladdin)溶液的混合物加热至100℃。30分钟。最后，溶液的颜色变成酒红色，表明Au种子形成，将种子溶液冷却并备用；
(2)将0.5g十六烷基三甲基氯化铵(CTAC，97％，Aladdin)，2mL 10-mM HAuCl4和40mL去离子水均匀混合。随后，在垂直搅拌下将40μL的0.8-mM制备的抗坏血酸溶液加入上述混合液中，在搅拌下混合物的颜色从黄色变为无色，表明Au3+离子已经还原成Au+，得到生长溶液；
(3)将200μL种子溶液加入到生长溶液中，老化30分钟得到Au纳米流体。Au纳米流体经固液分离、干燥后得到Au纳米颗粒。如图3所示，为制得的Au纳米颗粒光谱曲线及SEM图像，可以看出Au纳米颗粒平均粒径为107nm，Au纳米颗粒在红色波长上具有较强的共振峰值，能够有效地散射投射过来的红光。
2、红色透明投影膜的制备：
将PVA粉末加入蒸馏水中，并在60℃下水合过夜，然后冷却到室温。将3mL Au纳米流体添加到聚合物溶液中以形成Au-PVA聚合物溶液(PVA：10wt.％；Au颗粒：2.5ppm)。将溶液静置直至除去捕获的气泡。将聚合物溶液(10g)倒入玻璃培养皿(直径10cm)中，并在50℃下烘箱干燥24h，即可获得红色透明投影膜，其厚度为100μm，Au纳米颗粒占透明薄膜质量的0.015％。
对比例1
将PVA粉末加入蒸馏水中，并在60℃下水合过夜，然后冷却到室温。将相同体积的无Au颗粒水溶液添加到聚合物溶液中以形成PVA聚合物溶液(PVA：10wt.％；Au颗粒：0ppm)。将溶液静置直至除去捕获的气泡。将聚合物溶液(10g)倒入玻璃培养皿(直径10cm)中，并在50℃下烘箱干燥24h，即可获得普通透明投影膜。
如图4所示，为在红色激光照射下的添加Au纳米颗粒的红色透明投影膜和对比例1中的未添加Au纳米颗粒的普通透明投影膜的投影实物对比图，在正视图中，本发明的添加Au纳米颗粒的红色透明投影膜中可以清楚地看到“雪花”图案，而未添加Au纳米颗粒的普通透明投影膜仅显示由于正常反射引起的模糊图案。同时，从侧视图看时，本发明的添加Au纳米颗粒的红色透明投影膜仍然可以清楚地显示“雪花”图案，而未添加Au纳米颗粒的普通透明投影膜则不能再显示图案。
