CN111837071A - 用于显示三维图像的装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于显示三维图像的装置，包括：光场生成单元(110)，该光场生成单元(110)被配置成用于接收入射光束(112)并生成三维光场；以及图像显影介质(120)，该图像显影介质(120)被布置成接收由该光场生成单元(110)生成的该三维光场，其中该图像显影介质(120)包括在其中悬浮有气泡或颗粒的流体，其中该气泡或颗粒具有在40‑500nm范围内的大小。

Description

用于显示三维图像的装置
技术领域
本发明概念涉及一种用于显示三维图像的装置。特别地，本发明概念涉及一种用于基于经投射的三维光场形成图像的装置。
背景技术
三维显示可以以许多不同的方式实现。在一些实现中，三维显示可以包括诸光源的分布。这意味着为了控制用于形成三维显示的诸源，可能需要复杂的硬件。
然而，在另一实现中，可以通过对光场的三维控制来形成全息图像。因此，光场的投射可以形成三维空间。然后，为了创造可被观察者看到的图像，三维光场可能需要通过会散射光的介质进行传播。散射点形成光的起点，使得散射点可以基于三维光场形成可以看到的图像。
在US 2010/0321478中公开了容积三维图形或计算机显示，其允许独立的观察者以自然的深度提示和较好的图像质量从多个角度观察静态或运动的物体。该显示利用由微粒阵列形成的运动屏幕，其中多个图像会当每个飞行屏幕通过图像容积时光学地投射在每个飞行屏幕上，从而使微粒质量流最小化，因为每个图像容积只需要一个屏幕即可呈现每个容积帧的几个或多个必要的切片。
然而，控制用于生成三维图像的介质是相对复杂的，因此期望促进对介质的控制，以便能够实现实际可行的三维显示。
概述
本发明概念的目的是提供一种三维显示，该三维显示可以是实际可行的，并且其不需要对用于生成三维图像的介质进行恒定且细致的控制。
本发明的这一目标和其他目的至少部分地由独立权利要求中限定的本发明来满足。优选实施例在从属权利要求中陈述。
根据第一方面，提供了一种用于显示三维图像的装置，所述装置包括：光场生成单元，该光场生成单元被配置成用于接收入射光束并生成三维光场；以及图像显影介质，该图像显影介质被布置成接收由该光场生成单元生成的该三维光场，其中该图像显影介质包括在其中悬浮有气泡或颗粒的流体，其中该气泡或颗粒具有在40-500nm范围内的大小。
接收三维场的图像显影介质被配置成散射入射光。因此，每个散射点都可形成光的起点，使得观察者可能能够看到由三维光场的光的散射形成的三维图像。三维光场可以控制从图像显影介质的每个部分散射的光的强度以控制所形成的三维图像，而图像显影介质可以确保形成可观察的三维图像。
使气泡或颗粒在图像显影介质中具有期望的分布确保了图像显影介质基于接收到的三维光场适当地形成可观察的三维图像。
凭借根据本发明概念选择了气泡或颗粒的大小，因此气泡或颗粒可表现出中性浮力。这意味着在图像显影介质中气泡或颗粒运动的净效果将是微不足道或接近于零的。因此，在长时间内，图像显影介质内的气泡或颗粒的分布可以保持恒定或几乎恒定。
应理解，气泡或颗粒可以具有负表面电荷，这将有助于(对于足够高的浓度而言)具有均匀的气泡或颗粒分布，由于具有相同电荷的气泡或颗粒之间的排斥库仑力，该分布在介质中长时间保持稳定。该效果将导致气泡或颗粒在流体中的分布相当恒定，并且气泡或颗粒间的平均距离非常均匀，从而促进了图像显影介质120中散射效果的均匀性。
因此，本发明的一个洞察是，通过将气泡或颗粒的大小选择成在40-500nm范围内，气泡或颗粒在图像显影介质中的稳定分布可使图像显影介质的长期稳定性得以实现。因此，图像显影介质可长时间被使用以形成三维图像或诸如三维视频之类的三维图像序列。
此外，对于包括悬浮在流体中的气泡的图像显影介质，大小在40-500nm范围内的气泡可确保气泡具有长期稳定性。应理解，毫米范围内的较大大小的气泡可能会迅速上升到介质的表面，并然后在到达该表面时破裂，而微米范围内的较大大小的气泡倾向于减小大小并在流体中消失。因此，通过将气泡的大小选择成在40-500nm范围内，可以确保气泡在大小不减小或增大的情况下具有长期稳定性，以便保持为悬浮在流体中的气泡。
悬浮在流体中的气泡或颗粒可能会基于Tyndall散射和/或Rayleigh散射而引起光散射，这两者都基于光的波长与气泡/颗粒的大小的关系提供了光散射机制。对于远小于光的波长的气泡/颗粒的大小可能会发生Rayleigh散射，而对于小于或约等于光的波长的气泡/颗粒的大小可能会发生Tyndall散射。
利用Rayleigh散射和/或Tyndall散射可允许形成具有以适当浓度布置在流体中的气泡或颗粒的图像显影介质从而可提供足够强的散射光强度，以便为了在通过图像显影介质传播的光的衰减不太高的情况下使形成的三维图像清晰可见，从而使得光能够到达图像显影介质的所有部分来从大量图像显影介质形成图像。
对图像显影介质中的气泡或颗粒的浓度的选择可以基于确保形成三维图像的最小可辨别细节(体素)的图像显影介质的每个部分具有基于包含多个气泡或颗粒的均匀散射效果。此外，对气泡或颗粒的浓度的选择可以基于确保通过图像显影介质传播的光的衰减不太高。由于根据本发明概念的气泡或颗粒的大小的选择，因此还可以确保可以在图像显影介质内使用适当浓度的气泡或颗粒。
使用大小至少为40nm的气泡或颗粒可能是有利的，因为在实践中可能很难生成较小大小的气泡或颗粒并同时具有均匀大小的气泡或颗粒。因此，气泡或颗粒的大小可促进气泡或颗粒的大小的可靠生成可被提供。
使用大小不大于500nm的气泡或颗粒可能是有利的，因为两个散射点之间的间隔可能不会太大，从而可以提供具有高分辨率的均匀散射效果，从而形成高质量的三维图像。
气泡或颗粒通常可以是球形的。特别是对于大小在40-500nm范围内的气泡，气泡通常可以形成具有最大表面积的形状，这意味着气泡可以是球形的。球形气泡或颗粒的大小应理解为与球体的直径相对应。因此，根据一个实现，气泡或颗粒具有在40-500nm范围内的直径。
但是，应理解，气泡或颗粒不必一定是精确球形的。气泡或颗粒的大小可然后被理解为气泡或颗粒的最大截面尺寸。
不规则形状的气泡或颗粒的等效球形直径可以是与不规则形状的气泡或颗粒具有相等容积的球体的直径。气泡或颗粒的大小可然后被理解为不规则形状的气泡或颗粒的等效球形直径。
此外，应理解，尽管本发明概念可提供在图像显影介质中长时间保持恒定或几乎恒定的气泡或颗粒的分布，但在分布整个图像显影介质中不一定必须均匀。如下面将进一步详细说明的，在图像显影介质的不同部分之间的气泡或颗粒的大小可以不同，并且在图像显影介质的不同部分之间的气泡或颗粒的浓度也可以不同。
如本文所使用的，术语“光场生成单元”应被解释为可基于入射光束形成光的三维分布的任何单元。光场生成单元可被配置成反射入射光束或透射入射光束。
光场生成单元可以包括多个晶格，其中每个晶格可被配置成与入射光束的一部分相互作用，以便提供与入射光束的一部分的相互作用。组合地，入射光束的各部分与多个晶格之间的相互作用可以形成三维光场。晶格可以是可控的，从而可以改变与光的相互作用，这可以使得能够动态地控制三维光场的分布，并因此能够动态地控制将显示的三维图像。然而，应理解，多个晶格可提供与入射光束的静态相互作用，使得该装置将被适配成用于显示特定的静态三维图像。
根据一个实施例，气泡或颗粒具有在40-200nm范围内的大小。
使用大小不大于200nm的气泡或颗粒可能是有利的，因为例如在使用水中的空气气泡时，相对散射截面可能相对较低，使得通过图像显影介质的散射损失也相对较低。这意味着光可通过图像显影介质进行传播，从而使光能够到达图像显影介质的所有部分，以便从大量图像显影介质形成图像。此外，因为两个散射点之间的间隔可能不会太大，从而可以提供具有高分辨率的均匀散射效果，以便形成高质量的三维图像。
根据一个实施例，气泡或颗粒具有在50-150nm范围内的大小。
使用大小不大于150nm的气泡或颗粒更有利地确保了通过图像显影介质的散射损失低且两个散射点之间的间隔小，从而可以提供具有高分辨率的均匀散射效果。
使用大小至少为50nm的气泡或颗粒可能是有利的，因为它可以进一步促进该大小的气泡或颗粒的可靠生成可被提供。
根据一个实施例，流体是水性液体。这意味着可以使用非危险液体，从而简化了对图像显影介质的处理。这可能是特别有利的，因为可以容易地处置从装置中移除的图像显影介质(例如，在更换图像显影介质时)。
水性液体和基本上透明的气体之间的折射率差可以提供适当水平的散射，使得图像显影介质可以允许适当强度的光被散射以观察图像，同时允许光通过图像显影介质进行传播以使光能够到达图像显影介质的所有部分，来从大量图像显影介质形成图像。
应理解，可通过选择用于形成颗粒的合适的塑料材料(例如聚苯乙烯材料)来提供水性液体和颗粒之间的折射率的对应关系。然而，与水性液体和透明气体之间的折射率关系相反，聚苯乙烯颗粒的折射率可以大于水性液体的折射率。
根据一个实施例，气泡由空气或包含氧气、氮气和/或二氧化碳的另一气体填充。这也意味着气泡中使用的物质是非危险的，这从而简化了对图像显影介质的处理和对气泡的生成。
根据一个实施例，该流体中的气泡或颗粒的大小以及气泡或颗粒的浓度被选择以用于针对该光束的光波长提供10-200dB/m范围内的光衰减常数。
对气泡或颗粒的大小的选择可以控制气泡或颗粒的散射效果，因为散射截面取决于气泡或颗粒的大小。
对气泡或颗粒的浓度的选择还控制图像显影介质中的光学衰减，因为图像显影介质的每容积单位的散射点数发生了变化。
图像显影介质的光学衰减常数可限定完全通过图像显影介质的容积进行传播的光的量。光衰减常数可被选择使得大量的光被图像显影介质所散射(以在形成三维图像时具有足够的光强度)，同时仍然允许大量的光完全通过图像显影介质(使得图像显影介质中距离入射光束最远的部分可以接收到足够的光强度，以在形成三维图像时有助于散射具有可观察强度的光)。因此，可以适当地设置散射衰减，以便允许入射光束的强度的10％到1％通过图像显影介质的整个容积传播。这可以允许图像显影介质散射足够强度的光，同时允许图像显影介质的整个容积接收足够强度的光。
此外，可能期望图像显影介质的容积相对较大以便允许形成相对较大的三维图像。例如，图像显影介质的容积的立方体的一侧可具有在0.1-1m的范围内的大小。为了在允许适当的光散射衰减的同时具有大容积的图像显影介质，因此可能期望具有在10-200dB/m范围内的光学衰减常数。
因此，可对流体中气泡或颗粒的大小以及气泡或颗粒的浓度进行选择以确保将光学衰减常数设置在10-200dB/m的范围内。
根据一个实施例，该流体中的气泡或颗粒的大小以及气泡或颗粒的浓度被选择以用于在该流体中的两个相邻气泡或颗粒之间提供低于200μm的平均距离。
如上文提及的，可对气泡或颗粒的大小和气泡或颗粒的浓度进行选择以控制图像显影介质的光衰减常数，并确保光衰减常数适合于允许在形成三维图像时使用图像显影介质的适当大小的容积。
然而，对气泡或颗粒的浓度的选择也可能需要考虑到在图像显影介质的最小可辨别晶格内应该有足够数量的气泡或颗粒，使得每个体素都将提供可靠的光散射。因此，对于每个体素，图像显影介质应当包括多个散射点(即气泡或颗粒)，使得足够强度的光将从每个体素可靠地散射。
体素的大小可以由装置的期望分辨率来设置。但是，对于大的大小的显示(例如，具有1×1×1m尺寸的图像显影介质)，高质量的图像通常可能要求立方体体素的侧面具有1mm的大小。因此，可能期望多个散射点可以适配到具有1mm的侧边的体素中。还应理解，对于较小的大小的显示(例如具有0.1×0.1×0.1m尺寸的图像显影介质)可能需要立方体体素的侧边更小。例如，立方体体素的侧边可以具有100μm的大小。因此，可能期望多个散射点可以适配在侧边为100μm的体素中，使得相对于上述大的大小显示示例，散射点的浓度增加。然而，由于图像显影介质的总容积较小，因此由于散射点的浓度增加而增加的光衰减常数可能不会在三维光场通过图像显影介质的整个容积传播时造成问题。
因此，为了在形成三维图像时获得适当的分辨率，在一些实施例中，图像显影介质可被选择以使在该图像显影介质中的相邻气泡或颗粒之间具有低于200μm的平均距离。在其他实施例中，图像显影介质可被选择成使在该图像显影介质中的相邻气泡或颗粒之间具有低于30μm的平均距离。
根据一实施例，流体中气泡的浓度大于2*1014气泡/m3。在流体中，尤其是在水性液体中，此类浓度的气泡可以在图像显影介质中提供抗菌功能。这可能意味着在图像显影介质中细菌生长不发生或显著减少，这可能是特别有利的，因为图像显影介质可被保持在装置中供长期使用。因此，在图像显影介质中存在细菌的风险较低，当在装置中更换图像显影介质时，这可以简化对图像显影介质的处理。
根据一实施例，该装置进一步包括其中布置有图像显影介质的容器，其中该容器的壁的至少一部分是透明的，以用于输出由该流体中的气泡或颗粒散射的光。
容器可以提供可以在其中布置图像显影介质的明确定义的空间。因此，图像显影介质可以被保持在容器内以形成用于生成三维图像的容积。
该容器可有利地包括透明壁以便允许光通过容器壁透射并到达观察者。容器壁的一部分可以是透明的，以便允许从特定方向观察在图像显影介质中形成的三维图像。然而，容器的整个壁可以是透明的，以便允许从所有方向观察三维图像。
根据一实施例，容器可相对于光场生成单元布置，以便将光接收到图像显影介质中。例如，容器可被形成在其中形成有光场生成单元的公共基板上，例如布置在光场生成单元上方，以用于通过容器的底表面接收光。
该装置可以在光场生成单元和容器之间包括一个或多个光学组件(诸如一个或多个透镜)，用于控制容器内图像显影介质中三维光场的分布。此类光学组件可形成容器壁的一部分以用于将光引导到图像显影介质中。
根据一实施例，该装置进一步包括至少一个通道，该至少一个通道被连接到该容器以用于将该图像显影介质输送入该容器和将该图像显影介质输送出该容器。
这有利于以规则间隔更换容器中的图像显影介质。因此，当图像显影介质的质量劣化时(例如图像显影介质中气泡的大小和/或浓度改变)，图像显影介质可以通过通道从容器中被输送出来，并被具有期望特性的新图像显影介质所代替。
该至少一个通道可确保可以容易地执行对图像显影介质的更换，而无需拆卸装置的各部件。
尽管图像显影介质可以被提供成具有长期稳定性，但是为了保持图像显影介质的期望特性质量，图像显影介质仍然需要以规则间隔更换，诸如每天一次、每周一次或每月一次。
根据一实施例，该图像显影介质被布置在该容器中，以使得在该容器中所生成的光场的光的传播方向上具有不断增加的气泡或颗粒的浓度。
由于光在传播通过图像显影介质时被散射，所以光的强度沿光的传播方向衰减。这意味着由图像显影介质的一部分的容积接收的光强度将沿着光的传播方向降低，并因此散射光的强度可能会降低。通过使气泡或颗粒的浓度沿着光的传播增加，可以至少部分地抵消散射光强度降低的影响。这可以允许在三维图像的所有部分中以相对均匀的光强度形成三维图像。
附加地或替换地，图像显影介质被布置在容器中，以沿着在容器中所生成的光场的光的传播方向上具有不断增加的悬浮在流体中的气泡或颗粒的大小。由于散射强度可能随着气泡或颗粒大小的增加而增加，因此这也可以抵消沿着图像显影介质中光的传播方向散射光强度降低的影响。
根据又一实施例，图像显影介质被布置在容器中，以沿着在容器中所生成的光场的光的传播方向上具有不断增加的气泡或颗粒的浓度和具有不断增加的悬浮在流体中的气泡或颗粒的大小的组合。
气泡或颗粒的浓度和气泡或颗粒的大小可因此组合使用，以便允许在三维图像的所有部分中以相对均匀的光强度形成三维图像。
在显影介质中气泡或颗粒的浓度或大小不同的情况下，气泡或颗粒可能倾向于重新布置，从而在一定时间后会获得恒定的浓度和随机的大小分布。
根据一实施例，容器可以包括透明的分隔壁，以便在具有不同特性(气泡或颗粒的浓度和/或气泡或颗粒的大小)的图像显影介质的不同部分之间分开。透明分隔壁可以非常薄，并且由具有与图像显影介质的流体相同或至少相似的折射率的材料形成，以便使光在容器中的传播受到最小程度的影响。因此，透明分隔壁可确保在长时间内在图像显影介质内保持不同浓度和/或大小的气泡或颗粒。
替换地或附加地，容器可包括允许将具有不同特性的流体引入容器的不同部分中的多个通道，使得至少在短时间内，图像显影介质可以沿着光的传播方向具有不同的特性。多个通道可被用于连续地或在需要时在容器的各个部分处引入所需浓度的气泡或所需大小的颗粒，以便在图像显影介质的不同部分中保持不同浓度和/或大小的气泡或颗粒。
根据一个实施例，该装置进一步包括至少一个校准传感器，该校准传感器可被配置成接收通过该图像显影介质透射的光以检测接收到的光的强度，作为对通过该图像显影介质传播的光束的衰减的量度。
当更换装置中的图像显影介质时，可以使用校准传感器以便确定新图像显影介质对光的衰减。校准传感器的结果可用于设置要由图像显影介质接收的光的强度。
校准传感器还可被用于确定图像显影介质的衰减，以便能够检测图像显影介质的特性是否改变(例如，气泡的浓度是否降低)，从而可以标识是否需要更换图像显影介质。
在容器包括用于将图像显影介质布置在多个隔室中的分隔壁的情况下，每个隔室可以与相应的校准传感器相关联。因此，来自每个隔室的校准传感器的结果可被用作输入以用于设置要由图像显影介质接收的光的强度和/或控制提供每个隔室的期望特性，例如，在每个隔室中提供图像显影介质的所需光衰减(使得如果非期望特性被标识，则隔室中的图像显影介质可被更换)。
根据一个实施例，该装置进一步包括光学系统，该光学系统用于将由该光场生成单元该生成的该光场传递到该图像显影介质中。
光学系统可以将来自光场生成单元的光引导到图像显影介质中。这可能意味着可以通过使用光学系统引导光来减轻对光场生成单元和图像显影介质之间的特定几何关系的要求。
此外，光学系统可包括用于控制光场的一个或多个组件，诸如用于控制在图像显影介质中形成的三维光场的一个或多个透镜和/或孔径光阑。
根据一个实施例，该装置进一步包括控制器单元，该控制器单元该用于控制该光场生成单元该，以控制由该光场生成单元输出的该三维光场中的光的分布。
这意味着光场生成单元可被控制使得三维光场中的光的分布可被动态地改变。例如，光场生成单元可以包括单位晶格的阵列，其中每个单位晶格的光学性质是可单独控制的。因此，通过控制单位晶格的光学性质，由入射光和光场生成单元之间的组合交互作用形成的三维光场的分布可被控制。
控制器可因此控制和改变由光场生成单元输出的三维光场中的光的分布，并因此由装置形成三维图像。这可被用于允许装置显示正在改变的三维图像，诸如允许装置显示三维视频。
根据一实施例，该装置进一步包括至少一个光源，该光源被配置成生成入射在该光场生成单元上的光束。
这意味着该装置可以包括用于形成三维显示的所有部件：提供光束的光源、用于将光束转换为三维光场的分布的光场生成单元，以及用于形成可被观察者看到的三维图像的图像显影介质。因此，该装置可被封装成在光源和光场生成单元之间具有适当的关系，使得该装置可以容易地被使用。而且，包括光源的装置可以允许以紧凑的方式提供三维显示的完整系统。
然而，应理解，可以在不包括光源的情况下交付和出售该装置。希望将装置投入使用的用户可然后将装置与可单独购买的光源进行组合。
光源可被布置成形成相干光束，诸如激光束。这可以提供对由光场生成单元形成的三维光场的精确控制。
根据本发明概念的第二方面，提供了一种用于显示三维图像的装置，所述装置包括：光场生成单元，该光场生成单元被配置成用于接收入射光束并生成三维光场；以及气泡生成设备，该气泡生成设备被配置成在图像显影介质中生成气泡，以形成包括悬浮在其中的气泡的流体的图像显影介质，其中所述气泡具有在40-500nm范围内的大小。
该第二方面的效果和特征在很大程度上类似于上文结合第一方面所描述的那些效果和特征。关于第一方面所提及的各实施例在很大程度上与第二方面相兼容。
因此，根据第二方面，用于显示三维图像的装置可以包括气泡生成设备，使得该装置可形成具有适当大小的气泡的图像显影介质。这意味着该装置可能够生成适当大小的气泡，使得当要使用设备时，或以规则间隔在可能需要更换图像显影介质时，图像显影介质可被生成。
应理解，即使图像显影介质可以具有长期稳定性，但是为了维持所生成的三维图像的质量，也可能需要以规则间隔更换图像显影介质例如，取决于所形成的三维图像的质量的要求，可能需要每天一次、每周一次或每月一次更换图像显影介质。
凭借具有气泡生成设备的装置，该装置不需要与任何先进的或复杂的设备组合来对图像显影介质进行更换。
此外，该装置可包括其中将容纳图像显影介质的容器，使得气泡生成设备可被配置成在被输送到容器中的图像显影介质中生成气泡。该装置可进一步被配置成使得容器中的图像显影介质容纳三维光场，使得图像显影介质可以基于接收到的三维光场形成三维图像。
附图简述
通过以下参考附图的说明性和非限制性的详细描述，将更好地理解本发明概念的以上以及其他目的，特征和优点。在附图中，除非另有说明，否则相似的附图标记将用于相似的元件。
图1是根据一实施例的装置的示意图。
图2a-d是分别例示了不同直径的气泡和颗粒的水中空气气泡和水中聚苯乙烯颗粒的绝对和相对散射截面的图表。
图3a-c是例示了图像显影介质的吸光率与图像显影介质中不同大小的颗粒的波长的函数的图表。
图4是例示了图像显影介质的吸光率与图像显影介质中颗粒的浓度的函数的图表。
图5是根据第一实施例的在包括具有多个隔室的容器的装置中对图像显影介质的控制的示意图。
图6是根据第二实施例的在包括具有多个隔室的容器的装置中对图像显影介质的控制的示意图。
详细描述
现在参考图1，将一般性地描述用于显示三维图像的装置100。装置100包括光场生成单元110，该光场生成单元110被配置成基于入射在装置100上的光束来生成三维光场。装置100进一步包括图像显影介质120，该图像显影介质120被配置成接收三维光场。图像显影介质120包括在图像显影介质120中采用气泡或颗粒形式的散射源。散射源将散射三维光场的光，从而在三维图像光场的分布控制下在图像显影介质内形成光的起点。散射源可因此输出观察者可以看到的光，使得散射源可以基于图像显影介质120中的三维光场向观察者显影三维图像。
装置100可以进一步包括容器130，图像显影介质120可以布置在容器130中。容器130可以具有限定内部中空空间的壁132，该壁可以由图像显影介质120填充。
容器130可以布置在装置100的公共基板102上。光场生成单元110也可以形成在基板102之上或之中，或者安装在基板102之上或之中。因此，基板102可以在容器130和光场生成单元110之间限定良好控制的关系，从而可以提供对图像显影介质120中的三维光场的精确控制。
然而，应理解，容器130不必一定要与光场生成单元110一起布置在公共基板上。相反，容器130可以与光场生成单元110分开布置。容器130和光场生成单元110可以安装在公共壳体中，以便在容器130和光场生成单元110之间限定良好控制的关系容器130可以至少部分地从此类公共壳体中伸出，以使得观察者看到的三维图像不会受到公共壳体的外壁的干扰。
容器130的壁132的至少一部分可以是透明的，至少对于用于在图像显影介质120中形成三维图像的波长的光而言是透明的。壁132在容器130的侧面上可以是透明的，通过该侧面可以观察三维图像。因此，墙132可以包括透明窗口，通过该透明窗口可以观察三维图像。替换地，整个(或几乎整个)壁132都可以是透明的。
容器130可以进一步包括表面或壁134，来自光场生成单元110的光通过该表面或壁134被允许进入容器130，并从而被投射到容器130中的图像显影介质120中。来自光场生成单元110的光可以通过容器130的底表面134进入容器130，该底表面134可以被布置在公共基板102上。
光通过其进入容器130的壁134对光而言是透明的，光通过其进入容器130的壁134的至少一部分对光而言是透明的。替换地，在壁134中可以有孔洞或开口，光可通过该孔洞或开口被允许进入容器130。诸如透镜之类的光学组件可被安装在壁134的孔洞中以便控制投射到图像显影介质120中的光。
容器130可以至少包括第一开口136和第二开口138，这可以允许图像显影介质120的流流入和流出容器130。这意味着可以更换图像显影介质120，使得如果图像显影介质120的特性随着时间的流逝而劣化，则可为装置100配备新的图像显影介质120以维持三维显示的质量。
第一开口136和第二开口138可以形成在容器130的底壁134中，使得开口136、138可以不干扰对三维图像的观看。因此，开口136、138可布置在允许光通过其进入容器130的壁134的一部分的相应侧面上。
然而，应理解，开口136、138可以以任何其他方式被布置以允许访问容器130的内部空间来更换图像显影介质120。
装置100可包括与第一开口136相关联的入口通道104和与第二开口138相关联的出口通道106。入口通道104和出口通道106可被布置在公共基板102中以形成紧凑的装置100。
入口通道104和出口通道106可各自与阀相关联以控制是否允许图像显影介质120流入或流出容器130。此外，容器130可替换地包括与单个通道相关联的单个开口，其中通过该通道的流方向可被控制，以便使该通道用于将图像显影介质120输送入容器130并且用于将图像显影介质120输送出容器130两者。
光场生成单元110可被配置成基于入射光束112生成三维光场。光场生成单元110可以包括与光有不同相互作用的部分以便基于入射光束112生成不均匀的三维光场。光场生成单元110可以包括用于生成三维光场的静态装置，使得装置100可被布置成显示静态三维图像。然而，根据替换实施例，光场生成单元110可包括单位晶格116的阵列114，其中单位晶格116可单独寻址以控制单位晶格116的光学性质，并从而控制单位晶格116的阵列114的光学响应。
每一个单位晶格116都可单独寻址。然而，应理解，不一定单位晶格116个个都是可单独寻址的。
通过控制单位晶格116的光学性质，可控制对入射在阵列上的光束112的影响。由此，单位晶格116可以相组合地形成对入射光束112的可控影响。由此，阵列114可用于基于入射光束112来形成并控制三维光场分布。
三维光场可被用于通过图像显影介质120来显影全息图像。凭借单位晶格116是可控的，可提供所形成的全息图像的变化。这意味着装置100可被用于显示全息图像的视频。
光场生成单元110可被设置成用于反射入射光束112或者入射光束112的透射。光束112可由相干光源(诸如作为激光束的光束112)来提供，该光源提供了单位晶格116的阵列114上的入射光场的明确定义的关系，并因此适合用作使用单位晶格116的阵列114来形成三维光场的期望分布的基础。
每个单位晶格116可包括可在第一状态和第二状态之间切换的相变材料(PCM)，其中在第一状态和第二状态之间切换PCM被配置成在光学性质的第一条件和光学性质的第二条件之间切换单位晶格116的光学性质。
PCM可被配置成在晶态和非晶态之间切换。然而，应理解，第一和第二状态可以是PCM的状态的其他配置。例如，PCM可被配置成在两种不同的晶态之间切换。
单位晶格116可以包括PCM层，其可以例如在材料层的堆叠中与其他材料组合，使得材料的组合可限定单位晶格116的光学性质。PCM的状态的切换可然后影响例如单位晶格116中的层的堆叠的光学性质，使得单位晶格116的光学性质的条件可以由PCM的状态控制。
例如，PCM的状态的切换可影响PCM的折射率和/或介电常数，使得，例如，对于给定波长的入射光，PCM层或包括PCM层的堆栈可以从高反射状态切换到低反射状态。
单位晶格116可因此包括用于控制单位晶格116的光学性质的条件的PCM层。例如，对于给定波长，单位晶格116的反射率或传输可被配置成高度依赖于PCM的状态。
根据一实施例，PCM是锗、锑和碲的化合物。例如，PCM可由Ge2Sb2Te5(GST)形成。这是可以在非晶态和晶态之间变化并且可以合适地用于提供单位晶格116的阵列114的所期望的光学性质的材料。
然而，应理解，PCM可以是基于两个状态之间的切换来提供光学性质变化的任何材料。PCM可以是例如可相对于暴露于温度(热致变色材料)或者相对于暴露于光(光致变色材料)而经历相变的任何材料或者此类材料的组合。例如，可使用多种不同形式的钒氧化物，诸如VO2和V2O3。PCM可以包括由以下各项形成的热致变色材料，金属氧化物材料(诸如上述氧化钒)、聚合物(诸如包含偶氮苯的聚二乙炔)、或纳米结构的聚合物(诸如二嵌段(聚[苯乙烯-b-异戊二烯])共聚物)。PCM可替换地是基于所施加的电场来改变光学性质的条件的电光材料(诸如双折射材料)或者基于所施加的磁场来改变光学性质的条件的磁光材料(诸如石榴石和铁磁金属)。
在将GST用作PCM的特定情形中，切换材料将该结果从等离子(晶态)变为介电(非晶态)天线，这将展示出非常类似但在不同波长下的共振，从而允许对于给定波长将该单位晶格116的结构从高反射(透射)状态变为低反射(透射)状态。
在切换GST状态之际，光学性质被显著改变，从而导致折射率和介电常数的实部和虚部两者的较大变化。应注意到，在其晶态中，GST具有介电常数的负实部，这意味着它表现出金属行为，并因此支持等离子共振。在其非晶态中，GST具有介电常数的正实部，伴有较大虚部，这意味着它充当高损耗电介质。
单位晶格116中的PCM可以热切换(如对于GST)，但不限于此。应理解，在不同实施例中，电光材料和磁光材料可用作替代实现。
应理解，对PCM状态的控制可以通过单独寻址单位晶格116来提供，例如通过向与单位晶格116相关联的电极发送控制信号以诱导在单位晶格116中局部地切换相变材料的状态，例如通过局部加热PCM，或通过将PCM施加到局部电场或磁场中。
单位晶格116可配置成使得单位晶格104的光学性质的条件的切换提供单位晶格116对期望的操作波长的强烈效果。
装置100可以包括可集成在基板102内的控制线，使得控制信号可被提供给单位晶格116。控制信号可以诱导单位晶格116的光学性质的改变，例如，通过控制信号提供对单位晶格116的加热或形成电场或磁场来引起单位晶格116的光学性质的切换。
装置100可包括用于每个单位晶格116的单独的控制线以便控制该单位晶格116。根据替换方案，装置100可包括以列和行布置的多个控制线，使得可通过使用控制线的交叉点寻址来控制单个单位晶格116。
光场生成单元110可进一步包括光学系统118以用于将由单位晶格116的阵列114生成的三维光场传递到图像显影介质120中。因此，光学系统118可布置在单位晶格116的阵列114和图像显影介质120之间。
光学系统118可以例如通过重定向光的光路来引导来自单位晶格116的阵列114的光。这可能意味着可以放宽对单位晶格116的阵列114与(容器130中的)图像显影介质120之间的几何关系的要求。
光学系统118可以进一步包括一个或多个透镜和/或一个或多个孔洞光阑，其可以控制将三维光场以期望的尺寸传递到图像显影介质120中。
光学系统118可布置在单位晶格116的阵列114和容器130之间的公共基板102之中或之上。根据一个实施例，光学系统118的组件(诸如透镜)可布置在容器130的壁134中以通过该壁134中的透镜将光传递到容器130中。
装置100可进一步包括一个或多个光源140，用于提供装置100的操作波长的照明光。如上文提及的，一个或多个光源140可配置成在单位晶格116的阵列114上提供入射光束112。
光场生成单元110可以以反射布置或透射布置操作，即，单位晶格116的阵列114被布置成反射或透射入射光束112。一个或多个光源140取决于是否使用反射或透射布置，相对于光场生成单元110来被安装。
在图1中，单个光源140被示为安装在单位晶格116的阵列114上方的公共基板102之上或之中以便提供入射光束112，该入射光束112将由单位晶格116的阵列114向图像显影介质120反射。因此，光源140和单位晶格116的阵列114之间的明确定义的关系可被提供。
光源140可与光学系统142(诸如一个或多个透镜和/或一个或多个孔洞光阑)相关联，以用于在单位晶格116的阵列114上形成入射光束112的所需形状并用于照明整个阵列114。
光源140可以是任何类型的激光源，诸如具有明确定义的操作波长的激光源或具有可调操作波长的激光源。
应理解，装置100可包括一个或多个光源140，其可以按预定义和精确关系被安装到单位晶格116的阵列114中以确保在单位晶格116的阵列114上提供期望的入射光束。还应理解，一个或多个光源140可被安装在装置100中以用于提供由单位晶格116的阵列114反射或透射的入射光束112。
然而，装置100可以替换地在不包括光源的情况下被制造和交付。因此，用户可能能够分别获取(一个或多个)光源和装置100，以便用(一个或多个)光源设置装置100来形成三维显示。这可以为用户设计自己的系统提供灵活性，并且例如，选择要与装置100一起使用的光源的操作波长。
装置100可进一步包括控制器150，该控制器150可控制光场生成单元110的功能，特别是单位晶格116的阵列114的功能。控制器150可以集成在其上形成单位晶格116的阵列114的单位中，并且可以控制何时将控制信号提供给单位晶格116以切换单位晶格116的光学性质的条件。
因此，具有相关联的控制电路系统和控制器150的单位晶格116的阵列114可以(诸如在集成式电路封装中)一件式地被制造，提供用于将信号输入封装和使信号输出封装的引脚。这可能意味着集成式电路封装可被安装在提供用于控制单位晶格116的阵列114的集成式功能的公共基板102上从而控制三维图像的显示。
然而，应理解，控制器150可以被单独提供。因此，控制器150可以利用装置100的通用处理单元，并且可以被实现为由处理单元执行的软件。这对于启用控制器150的功能更新可能是有利的。为了简单起见，控制器150在图1中被例示为与单位晶格116的阵列114分开地布置。
控制器150可以接收要显示的期望全息图像的信息，并且可以执行用于计算要为各单位晶格16设置的光学性质的条件的算法，以便形成三维光场的期望分布。替换地，控制器150可以从可执行该算法的外部单元接收要为单位晶格116设置的光学性质的条件的信息。
控制器150还可控制光源140，例如，用于控制何时激活光源140或用于控制入射光束112的性质(诸如入射光束112的偏振)。
控制器150还可以确定图像显影介质120何时将被更换，并可被配置成在作出此类确定时输出信号。控制器150可以基于接收到测量结果来确定图像显影介质120需要被更换。然而，根据一个实施例，装置100可设置成以规则间隔更换图像显影介质120，并且控制器150可配置成跟踪何时应该更换图像显影介质120。
图像显影介质120可以具有长期稳定性以长时间(甚至几个月)保持稳定性质。更换图像显影介质120的频率可以取决于三维图像的期望质量来被设置。例如，控制器150可被设置成每小时一次、每天一次或每月一次控制对图像显影介质的更换。
控制器150可输出可触发更换图像显影介质120的信号。因此，控制器150可以输出信号，该信号可以激活阀和/或泵以控制图像显影介质120流入和流出容器130。对图像显影介质120的更换可以是自动化的，其中装置100被连接到图像显影介质120的储液器或供给源，或用以使得能够形成新的图像显影介质120。因此，由控制器150输出的信号可以触发用于替换图像显影介质120的此类自动控制。然而，控制器150可替换地例如以在显示器上呈现信息或激活灯或扬声器的形式向用户输出信号，以提醒用户图像显影介质120需要更换。用户可因此手动地控制对图像显影介质120的替换，诸如将装置100连接到新的图像显影介质120的供给源。
应理解，控制器150可实现为诸如中央处理单元(CPU)之类的一个或多个处理单元，该一个或多个处理单元可执行一个或多个计算机程序的指令以实现装置100的功能。
控制器150可替换地被实现为被布置在例如嵌入式系统的固件，或者被实现为专门设计的处理单元，诸如专用集成电路(ASIC)、微控制器单元(MCU)或场可编程门阵列(FPGA)。
装置100可进一步包括至少一个校准传感器160。至少一个校准传感器160可以获取可由控制器150使用的测量结果。校准传感器160的测量结果可被用于确定图像显影介质120是否需要更换。
校准传感器160可被配置成接收通过图像显影介质120透射的光以检测接收到的光的强度，作为对通过图像显影介质120传播的光束的衰减的量度。
校准传感器160可以被安装在容器130的与壁134(光通过壁134进入容器130)相对的内壁处。因此，校准传感器160可接收已经通过图像显影介质120传播的光。然而，作为替换，镜子或反射表面可被安装在容器130的与壁134(光通过壁134进入容器130)相对的内壁处。然后，校准传感器160可被布置在光场生成单元110附近，并且接收来自镜/反射表面的背反射，以便检测已经(两次)通过图像显影介质120传播的光。在一些实施例中，装置100可以包括多个校准传感器160和/或镜以用于(通过确定通过图像显影介质容积的不同部分的光传播来)确定图像显影介质120中的局部密度变化。这甚至可以向控制器150提供经改善的反馈。
当更换装置100中的图像显影介质120时，可以使用校准传感器160以便确定新图像显影介质120对光的衰减。校准传感器160的测量结果可被用于设置要由图像显影介质120接收的光的强度。
当通过校准传感器160执行测量时，校准图案可以由光场生成单元110生成，其中校准图案将光束聚焦到校准传感器160上，该校准传感器160允许针对不同颜色测量传播光束通过图像显影介质120的衰减。
在更换图像显影介质120期间，校准传感器160的测量结果还可被用于确定是否要调整图像显影介质120的性质。例如，校准传感器160可被用于确定是否需要增加气泡或颗粒的浓度，从而更多的气泡或颗粒可(通过入口通道108或通过单独的气泡或颗粒入口)被注入容器130内的图像显影介质120中。因此，当更换图像显影介质120时，校准传感器160可被用于控制图像显影介质120的性质。
控制器150还可以或替换地使用校准传感器160的测量结果，以便能够检测图像显影介质的特性是否发生了变化(例如，气泡的浓度是否降低了，或图像显影介质120中的气泡或颗粒的分布是否发生了变化)，从而可以标识更换或调整图像显影介质120的需要。
控制器150可被配置成以规则间隔生成校准图案以执行对校准传感器160的测量。对校准传感器160的测量可替换地或附加地在装置100启动之际被触发。
如上文提及的，装置100可被连接到图像显影介质120的储液器或供给源。连接可在需要更换图像显影介质120时被形成。装置100可因此从外部供给源或从储液器接收图像显影介质120。
图像显影介质120可以包括悬浮在流体中的气泡或颗粒。流体中的气泡可能具有长期稳定性，因为气泡不会溶解在流体中，也不会上升到流体表面而在那里破裂。然而，在长时间内，一些气泡可能会消失并图像显影介质120的质量可能会劣化。
流体中的颗粒可能不会以与气泡相同的方式(如上文解释的)消失。然而，由于颗粒在流体中的分布变化，包括颗粒的图像显影介质120的质量也可能会劣化。
当需要更换图像显影介质120时，可在将会被引入到容器130中的新图像显影介质120的流体中形成气泡或引入颗粒。因此，在流体中悬浮有颗粒或气泡的图像显影介质120可在要更换图像显影介质120时被形成。
新图像显影介质120的形成可以涉及用于形成图像显影介质120的手动操作，诸如将颗粒引入流体中。然而，新图像显影介质120的形成可以替换地为自动化的或半自动化的，因为流体与颗粒混合或因为气泡被注入图像显影介质120中。
在一个实施例中，装置100可包括气泡生成设备170。气泡生成设备170可被配置成接收流体，并且可被配置成将气泡注入流体中使得气泡悬浮在流体中。气泡生成设备170可因此生成图像显影介质120，并且可被连接到入口通道104以将图像显影介质120提供到容器130中。
例如，气泡生成设备170可以包括用于接收气体的气体入口，气泡将从该气体生成。气泡生成设备170可进一步包括用于对气体加压的压缩机。气泡生成设备170可进一步包括一个或多个喷嘴，用于将经加压的气体引入流体中并在其中形成气泡。气体的压力和喷嘴的大小可以控制在流体中形成的气泡的大小。
通过包括气泡生成设备170的装置100，装置100可能仅需要被连接到流体入口和气体入口，以便能够形成图像显影介质120。流体可以是水，而气体可以是空气，这意味着可以容易地获得流体和气体。而且，图像显影介质120可因此由非危险物质形成，这在处置要更换的旧图像显影介质120时有助于对图像显影介质120的处理。
现在，将进一步详细描述图像显影介质120。图像显影介质120可以包括对操作波长而言应该是透明的流体，以及悬浮在该流体中的气泡或颗粒，从而在流体中形成散射点。
以下，将讨论选择颗粒或气泡大小的因素。在这方面，大小应解释为球体的直径，但特别地，颗粒不一定是精确球形的，因此大小也可被解释成颗粒或气泡的最大截面或颗粒或气泡的等效球形直径。
当选择颗粒或气泡的大小时，应考虑以下因素：
1.散射介质应以足够的效率散射，以使观察者能够在散射强度方面看到清晰的全息图像，从而转化为所需的分辨率和对比度。
2.散射介质不应对操作波长造成太大的衰减，因为高衰减会限制图像显影介质120的最大容积尺寸。
3.介质内部的散射体密度应足够大(例如，气泡或颗粒浓度需要足够高以使图像显影介质120的最小可分辨容积(体素)中始终具有至少一个或几个气泡或颗粒)以有效地散射光。
在本公开中使用的气泡或颗粒大小在受益于Tyndall散射(由小于或近似于操作波长的大小的颗粒/气泡散射)和Rayleigh散射(由远小于操作波长的颗粒散射)的范围内。Tyndall和Rayleigh散射机制本质上(特别是在散射效率与频率的四次方成比例的意义上)非常相似。在具有恒定背景折射率(例如，水悬浮液中的颗粒、水悬浮液中的气泡)的流体的亚波长大小悬浮液中，散射效应是由此类颗粒/气泡的电极化率(其中电荷随驱动电场振荡)引起的并因此，颗粒充当点偶极子源，其辐射被观察为散射光。
在超细气泡或颗粒的大小选择方面，必须在图像显影介质120的每个体素具有足够高的散射效率与图像显影介质120具有足够低的吸收/散射以使其仍然足够透明中作出权衡，得以不妨碍视野并且能够在图像显影介质120的整个容积上照明体素。
在弱吸收和/或散射光的均匀介质中，强度衰减由Beer-Lambert定律限定，该定律指出光强随随传播距离呈指数衰减。在其最简单的形式中，Beer-Lambert定律可以写成
Figure BDA0002673821030000191
其中A是介质的吸收率，T是介质的透射率，It是光的透射强度，而I0是入射光的强度。这可以将光学深度τ的函数重写成
Figure BDA0002673821030000201
这意味着以dB/m表示的吸收系数可用于限定所需的气泡或颗粒的浓度和气泡或颗粒的大小。
为了实现通过图像显影介质120的充分传播并且在图像显影介质120的整个容积中具有合理的亮度，装置100可被设计成使得10％到1％之间的光被允许通过图像显影介质120的整个容积进行传播。这对应于在图像显影介质120的整个容积上下降10到20dB的光功率。
图像显影介质120的容积可以由在0.1-1m范围内的立方体的大小来限定。这将意味着装置100可以提供相对大容积的图像显影介质120以便于观察者观看三维图像。然而，应理解，至少当三维显示技术发展时，图像显影介质120的容积的更大大小可能是令人感兴趣的。
基于光功率在整个容积上下降10到20dB且图像显影介质容积的一侧在0.1-1m范围内的假设，装置100可有利地被设计成提供-10到-200dB/m之间的衰减常数。
由于小颗粒或气泡的散射强度与频率的四次方成比例，因此，与较短的波长相比，较长的波长将需要更大的照明功率才能达到相似的散射强度。这意味着入射光束112的光强度对于蓝光而言应该是最低的，对于绿光和红光而言应该分别更大，以便在图像显影介质120中提供相似的光散射强度。
水中的空气气泡可能以与水中的颗粒相似的方式影响光，其中水和空气的折射率之间的关系类似于颗粒和水的折射率之间的关系。特别地，水具有的折射率约1.33的折射率，而空气具有约1.00的折射率。然后可以将水中的空气气泡的光学行为与水中的塑料颗粒的光学行为进行比较，其中可以选择塑料材料(例如聚苯乙烯，其具有1.60的折射率)。已经基于悬浮在水中的聚苯乙烯颗粒进行了测量，并且可以假设水中的空气气泡将具有相应的行为。
现在参考图2a-d，示出了水中空气气泡(图2a和2c)和水中聚苯乙烯颗粒(图2b和2d)的散射截面和相对散射截面的模拟。
特别是对于具有从50nm到200nm直径的气泡或颗粒，其相对散射截面小于1，这意味着包括这种大小的气泡或颗粒的图像显影介质120将具有非常低的散射损耗，从而散射介质将相对透明。很明显为了使蓝光、绿光和红光具有相同的散射强度，入射光束112从蓝光向红光的方向应该增加功率。
使用不同大小的聚苯乙烯颗粒进行吸光率测量，即测量以确定包括不同大小和不同浓度的颗粒的图像显影介质120的衰减。
在图3a-c中，示出了不同大小的颗粒的吸光率与波长的函数。在图3a中，颗粒的直径大小为65nm。在图3b中，颗粒的直径大小为120nm。在图3c中，颗粒的直径大小为250nm。对于每种直径大小，吸光率以聚苯乙烯在介质中的重量百分比表示。相同的重量百分比通过图3a-c中相同的线条表示。应理解，相同的重量百分比并不对应于介质中每容积单位中相同的颗粒数。
从图3a-c可以清楚地看出，随着颗粒大小的增加，相同重量百分比会产生更大的介质吸光率。
基于这些测量结果，吸光率与颗粒的每立方米颗粒浓度的函数可被限定。在图4中，例示了吸光率和浓度的函数。吸光率可有利地在0.01–0.1(对应于10–100dB/m的衰减常数)之间，如图4中的阴影区域所示。此类值至少对于1米3的图像显影介质的容积而言是令人感兴趣的。
在图4中，可基于颗粒直径的不同大小来确定合适的颗粒浓度。较小大小的颗粒，可能需要较高的颗粒浓度。
使用较低期望值0.01的吸光率(衰减因子为10dB/m)，以及较高期望值0.1的吸光率(衰减因子为100dB/m)，图像显影介质120针对不同大小的颗粒的特性可以根据下表限定。
Figure BDA0002673821030000211
在此表中，浓度以颗粒数/m3来表示；填充因子是颗粒相对于悬浮在其中的流体(水)的容积分数；距离是其中存在单个颗粒的以μm为单位的立方体容积的长度(或换言之，流体中两个相邻颗粒之间的平均距离)；以及颗粒/mm3例示每个具有1mm边长的立方体的容积的颗粒数，这可以指示每个体素的颗粒数。
从该表可清楚地看出，可以将具有在测试范围内的颗粒的图像显影介质120设计成具有适当的衰减因子，以使得能够通过大容积的图像显影介质120进行传播(从而能够进行大尺寸的三维显示)，同时允许在图像显影介质120的小容积内放置大量颗粒，从而可以提供高分辨率的三维图像，因为可以将最小的可分辨容积设置成非常小。
虽然只获得了流体中颗粒的测试结果，但由于空气和水之间的折射率对比度与聚苯乙烯和水之间的折射率对比度非常相似，进而，在光学方面，包括气泡的图像显影介质120与包括颗粒的图像显影介质120非常相似，因此，可基于流体中的气泡来预期相应的结果。
超细气泡(具有小于500nm直径的气泡，特别是具有小于200nm直径的气泡)可能具有长期稳定性，最长可达几个月。
气泡的不稳定性可能是由不同的机制引起的，这取决于气泡的大小。所谓的毫气泡(具有在1μm-1mm范围内的直径)通常会在流体中快速上升，然后在到达表面时破裂。所谓的微气泡(具有在10μm至50μm范围内的直径)倾向于在水下消失并减小大小。但是，超细气泡(具有低于500nm(特别是低于200nm)直径的气泡)可能具有长期稳定性，最长可达几个月。因此，将理解，在图像显影介质120的使用中，气泡大小是特别重要的，因为不希望经常发生对介质的再生或替换。
据信，气泡的长期稳定性可归因于这些小气泡的较大的表面与容积比，从而使其对环境具有高度反应性。水中的超细气泡具有负表面电荷，这可以通过Zeta电位测量来验证。这种负表面电荷增强了与带相反电荷的分子或小颗粒的化学相互作用。在实际应用中，超细气泡在电解质溶液中分散时寿命极长，由于库仑相互作用，正电荷会在气泡周围排列，从而形成避免气体分子逸出气泡的屏蔽层。
而且，由于带相同电荷的颗粒之间的排斥库仑力，表面电荷将有助于在介质中具有更均匀的颗粒分布。该效果将导致气泡在流体中的分布相当恒定，并且颗粒间的平均距离非常均匀，从而促进了图像显影介质120中散射强度的均匀性。
对于感兴趣的超细气泡，内部的气压非常大，约为10-30个大气压。这意味着，鉴于气泡的长期稳定性，此类气泡的表面张力也非常大。由于它们的小的大小，超细气泡倾向于在溶液中以高速随机运动，同时由于库仑斥力而与相邻颗粒连续相互作用。这意味着气泡之间几乎没有物理相互作用，这也可有助于气泡的长期稳定性。因此，与微气泡和毫气泡一样，此类气泡将不再具有上升到介质表面或破裂的趋势。因此，超细气泡可表现出中性浮力并且图像显影介质120内的气泡分布可长时间保持恒定。
当水中的超细气泡以足够高的浓度(即大于2.108/ml(2.1014/m3))存在时，可能具有抗菌功能。图像显影介质120的抗菌功能可能是有利的，因为它可以简化图像显影介质120的处理。
如果根据图4的光散射性质来获得具有所需浓度的抗菌功能性的最低浓度要求，则可以看到，至少需为直径小于120nm的气泡提供最小浓度。另外，如果允许更高的吸收率，则可以使用直径为250nm的气泡大小。
尽管上面描述了图像显影介质120可以设置有气泡或颗粒，使得图像显影介质120中的气泡或颗粒的分布在很长一段时间内保持恒定，但应理解，提供对图像显影介质120的主动控制仍然是令人感兴趣的。
因此，根据一个实施例，控制器150可被配置成控制阀和/或泵，以主动地控制容器130中的图像显影介质120。控制器150可例如取决于要显示的三维图像来动态地控制图像显影介质120。因此，控制器150可以通过确保在需要时改变图像显影介质120的特性来控制对光学衰减常数的调节。
可借助于控制器150控制要更换的图像显影介质120来在需要不同光学衰减常数的三维图像的显示之前提供对图像显影介质120的主动控制。此类控制可能是相对缓慢的，并且可能不允许改变要在诸如视频中以快速序列显示的图像序列内的光学衰减常数。
根据另一实施例，控制器150可被配置成控制图像显影介质120的循环，以连续地将图像显影介质120泵送通过容器120。装置100可然后设置有流控制系统以用于将图像显影介质120泵送通过容器130。
流控制系统可提供闭合回路，其中图像显影介质(例如，通过入口通道104)被连续地输送入容器130并(例如，通过出口通道106)被输送出容器。出口通道106可然后被连接到入口通道104，以提供图像显影介质120的回路。
在容器130外部的流控制系统的路径中，流控制系统可包括介质控制单元180(参考下文更详细讨论的图5-6的各实施例例示)。介质控制单元180可被连接到气泡生成设备170以使得气泡能够被引入图像显影介质120中。可替换地，介质控制单元180可被连接到颗粒供给源以使得颗粒能够被引入图像显影介质120中。而且，介质控制单元180可包括按大小或密度或按大小和密度的组合过滤气泡或颗粒的过滤器。介质控制单元180可然后通过控制进入图像显影介质120的气泡或颗粒的混合和/或控制在图像显影介质120中的气泡或颗粒的过滤来动态地控制图像显影介质120的性质。
介质控制单元180中的气泡或颗粒的过滤可以通过外力来实现。例如，可由介质控制单元180控制诸如声波(压力)波或电磁波之类的外部场将力施加在图像显影介质120中的气泡或颗粒上，从而允许过滤气泡或颗粒。过滤也可以或替换地使用至少一个半透膜或多孔膜，任选地与作用在图像显影介质120上的施加压力组合来实现。
对图像显影介质120的主动控制可被用于对三维图像的显示的高级控制。主动控制可被用于控制要观察的三维图像的亮度和对比度。
另外，控制器150可从校准传感器160接收测量结果，该测量结果可被用于控制介质控制单元180。基于来自校准传感器160的测量结果的这种控制可用于确保图像显影介质120的光学衰减常数保持恒定，从而确保图像显影介质120的光学性质恒定。替换地，当要动态地改变图像显影介质120的性质时，可以将来自校准传感器160的测量结果用作控制图像显影介质120的输入。
在一些实施例中，取决于图像显影介质120的容积内的位置，对散射效率进行局部控制将是有用的。由于图像显影介质120内的恒定气泡或颗粒浓度导致光在通过图像显影介质120传播时呈指数衰减，因此对于远离光进入图像显影介质120的体素，将需要更大的光强度才能以与邻近光进入图像显影介质120的体素相比相同的强度进行散射。
可以多种方式实现对图像显影介质120的体素中的散射效率的局部控制。
根据一个实施例，图像显影介质120可以被分成多个分段，其中图像显影介质120中的气泡的浓度随着远离光进入图像显影介质120的距离而增加。此类实现的优点在于，取决于三维图像中体素的位置，光场的强度可以均匀地(或至少更均匀地)分布。这可以允许形成用于计算三维光场的算法来以相对简单的方式考虑通过图像显影介质120的光的衰减。
可通过在容器130内提供多个隔室130a-f来实现图像显影介质120的分段。因此，每个隔室130a-f可被设置有单独的入口/出口，并且可以在每个隔室130a-f中布置具有适当浓度的气泡/颗粒的图像显影介质120。隔室130a-f可以由具有与流体相似的折射率的透明壁分隔，以便不影响光通过容器130传播。
以类似的方式，代替在图像显影介质120的容积的不同分段中具有变化的气泡或颗粒浓度，可以在图像显影介质120的不同分段中提供不同大小的颗粒或气泡。如上文讨论的，较大大小的颗粒或气泡可导致光传播的更大衰减，使得图像显影介质120可具有增大的气泡大小或随着远离光进入图像显影介质120的距离的增加而增大的颗粒。而且，如上文提及的，散射效率与频率的四次方成比例，因此，如果在三维图像的显示中需要组合多个波长，则可以将图像显影介质的组成调整为不同波长的强度，以提高图像质量。
根据另一实施例，当计算要形成的三维光场时，用于计算三维光场的算法可以校正图像显影介质120中的指数衰减。该算法可以利用每个体素随着从光进入图像显影介质120的距离的增加的强度的指数增加。这可能增加了用于计算三维光场的算法的复杂性。然而，可能不需要对容器130中的图像显影介质120进行复杂布置或控制。
如图5所例示的，图像显影介质120的本地控制可以由介质控制单元180提供。介质控制单元180可被连接到气泡生成设备170(或者替换地，连接到颗粒供给源)。
应理解，如本领域技术人员所理解的，图5-6所例示和以下讨论的实施例可以与以上参考图1-4描述的一个或多个特征相结合，并且仅为简洁起见而被省略。
此外，在图5-6中例示了容器130，其隔室130a-f由球体的部分封套的相对壁限定，使得隔室130a-f的大小随着光进入图像显影介质120的位置的距离而增大。应理解，容器130的此类形状也可以与以上参考图1-4所描述的实施例一起使用。还应理解，容器130的其他形状可被用于任何实施例中，诸如具有圆柱形形状的容器130。
光场生成单元110(仅在图5-6中大体上指示)可被配置成生成通过第一隔室130a的底表面投射到容器130中的光，以便通过第一隔室130a传播到达第二隔室130b，并以此类推，通过所有隔室130a-f。光场生成单元110可因此在隔室130a-f中生成三维光场，其可被用于通过隔室130a-f中的图像显影介质来显影全息图像。
介质控制单元180可包括用于控制图像显影介质120中的气泡或颗粒的浓度和/或大小的过滤器和混合系统。介质控制单元180可因此控制从过滤器和混合系统输出的图像显影介质120的性质。如图5中例示的，多个阀182a-f可被用于控制图像显影介质120到容器130中的各个隔室130a-f的入口。而且，如图5所例示的，隔室130a-f可设置有出口通道，该出口通道由另外的阀控制，以能够排空各个隔室130a-f。从隔室130a-f排空的图像显影介质120可被输送到废料池。
可在介质控制单元180中监视图像显影介质120的光学性质，以确保实现目标隔室130a-f的图像显影介质120的期望的光学衰减常数和散射性质。一旦达到目标规范，适当的阀182a-f就可被打开以将图像显影介质120提供到所选隔室130a-f中。
每个隔室130a-f还可设置有单独的校准传感器160以用于监视图像显影介质120的光学衰减常数。因此，可在填充各个隔室130a-f期间将来自校准传感器160的测量结果提供给介质控制单元180，以便确保每个隔室130a-f中的图像显影介质120都满足目标规范。来自每个隔室130a-f中的校准传感器160的测量结果也可以或替换地被用作控制器150的输入，用于控制将形成的三维光场和/或将由图像显影介质120接收的光强度。
如图6进一步例示的，可将多个隔室130a-f中的图像显影介质120的本地控制与图像显影介质120的主动控制结合起来。
因此，每个隔室130a-f可以与用于使图像显影介质120循环通过各个隔室130a-f的流控制系统相关联。此外，介质控制单元180可然后动态地控制每个隔室130a-f中的图像显影介质120的特性，使得可在不同的隔室130a-f中不同地改变性质。
介质控制单元180可进一步接收来自每个隔室130a-f中的校准传感器160的测量结果，以便能够基于各个隔室130a-f中的图像显影介质120的测得性质来控制每个隔室130a-f中的图像显影介质120。
这意味着可提供对容器130中的图像显影介质120的精确控制，并动态控制容器130中不同部分的特征。因此，图像显影介质120的主动和局部控制可确保装置100能够连续地显示高质量的三维图像，并且还可快速地调整装置100的图像显影特性以适配将显示的不同三维图像。
在上文中已主要参考有限数量的示例描述了本发明的概念。然而，如本领域技术人员容易领会的，除了上文所公开的各示例以外的其他示例在如所附权利要求限定的本发明的概念的范围内同样是可能的。
在上文描述中，已经主要从包括水和悬浮在水中的空气气泡或聚苯乙烯颗粒的角度描述了图像显影介质120。
应理解，图像显影介质120可以基于其他流体和气泡中的其他气体或其他颗粒材料形成。特别地，如果相似的折射率对比被使用，则可期望图像显影介质120提供相似的特性。
特别地，应理解，流体可以是任何水性液体，诸如可提供有表面活性剂或电解溶液的水，这可有助于提供流体中气泡的长期稳定性。
此外，流体可被图像显影介质120中用于生成气泡的气体饱和。这可进一步改善流体中气泡的长期稳定性。
此外，气泡可填充有相对透明的任何类型的气体。例如，气泡可填充有包括氧气、氮气或二氧化碳或其组合的气体，因为此类气体可被容易地获得并且可仅包含非危险物质。
还应理解，颗粒可以用具有适当折射率的任何其他材料形成，并且可形成为期望大小的小珠。因此，可以使用另一种塑料材料，或甚至可以使用另一种材料(诸如二氧化硅)。二氧化硅颗粒将具有比上文讨论的聚苯乙烯颗粒小的折射率(约1.45)，这意味着需要在图像显影介质中使用更高浓度的颗粒才能获得相同的散射性质。

Claims (15)

1.一种用于显示三维图像的装置，所述装置(100)包括：
光场生成单元(110)，所述光场生成单元(110)被配置成用于接收入射光束(112)并生成三维光场；以及
图像显影介质(120)，所述图像显影介质(120)被布置成接收由所述光场生成单元(110)生成的所述三维光场，其中所述图像显影介质(120)包括在其中悬浮有气泡或颗粒的流体，其中所述气泡或颗粒具有在40-500nm范围内的大小。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述气泡或颗粒具有在40-200nm范围内的大小。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述气泡或颗粒具有在50-150nm范围内的大小。
4.如前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述流体是水性液体。
5.如前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述气泡被空气或包含氧气、氮气或二氧化碳的另一气体填充。
6.如前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述流体中的气泡或颗粒的大小以及气泡或颗粒的浓度被选择以用于针对所述光束的光波长提供10-200dB/m范围内的光衰减常数。
7.如前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述流体中的气泡或颗粒的大小以及气泡或颗粒的浓度被选择以用于在所述流体中的两个相邻气泡或颗粒之间提供低于200μm的平均距离。
8.如前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述流体中气泡的浓度大于2*1014气泡/m3。
9.如前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，进一步包括其中布置有所述图像显影介质(120)的容器(130)，其中所述容器(130)的壁(132)的至少一部分是透明的，以用于输出由所述流体中的气泡或颗粒散射的光。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，进一步包括至少一个通道(104；106)，所述至少一个通道(104；106)被连接到所述容器(130)以用于将所述图像显影介质(120)输送入所述容器(130)和将所述图像显影介质(120)输送出所述容器(130)。
11.如权利要求9-10中任一项所述的装置，其特征在于，所述图像显影介质(120)被布置在所述容器(130)中，以使得所述容器(130)中在所生成的光场的光的传播方向上具有不断增加的气泡或颗粒的浓度。
12.如前述权利要求任一项所述的装置，其特征在于，进一步包括至少一个校准传感器(160)，所述校准传感器(160)可被配置成接收通过所述图像显影介质(120)透射的光以检测接收到的光的强度，作为对通过所述图像显影介质(120)传播的光束的衰减的量度。
13.如前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，进一步包括光学系统(118)，所述光学系统(118)用于将由所述光场生成单元(110)生成的所述光场传递到所述图像显影介质(120)中。
14.如前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，进一步包括控制器单元(150)，所述控制器单元(150)用于控制所述光场生成单元(110)，以控制由所述光场生成单元(110)输出的所述三维光场中的光的分布。
15.如前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，进一步包括至少一个光源(140)，所述光源(140)被配置成生成入射在所述光场生成单元(110)上的所述光束(112)。
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