Summary
Vi præsenterer en protokol til at optage et sæt af ultra-realistiske fuld-farve analoge hologrammer, der viser den samme lysstyrke, gennemsigtighed og homogene farver, på ultra-fine-Grain sølv-Halogenid holografiske emulsioner til fremstilling af en dynamisk holografisk 3D Vise.
Abstract
Dette papir demonstrerer en metode til at optage et sæt af tolv ultra-realistiske fuld-farve analoge hologrammer, der præsenterer den samme lysstyrke, gennemsigtighed og homogene farver til fremstilling af en Fantatrope, en dynamisk holografisk 3D-skærm, uden behov for specielle visnings hjælpemidler. Metoden indebærer brug af 3D printer teknologi, en enkelt-Beam Full-Color Denisyuk optisk setup med tre Low-Power lasere (rød, grøn og blå) og en ISO-panchromatic høj-følsom sølv-halide holografisk emulsion specielt designet til optagelse af analoge hologrammer uden diffusion. En cyklisk animation er skabt med en 3D-computer grafikprogram og forskellige elementer er 3D trykt til at danne modeller for hologrammer. Hologrammer optages med et holografisk setup i fuld farve og er udviklet ved hjælp af to simple kemiske bade. For at forhindre emulsions tykkelse variationer, er hologrammer forseglet med optisk lim. Resultaterne bekræfter, at alle hologrammer, der er optaget med denne protokol, frembyder de samme egenskaber, som gør det muligt at anvende dem i Fantatrope.
Introduction
Tredimensionelle (3D) displays er et vigtigt forskningsemne1,2,3 og de fleste af de nuværende tilgange bruger stereoskopisk princip4 , der forårsager visuelt ubehag og træthed5,6. Fantatrope er en praktisk ny type dynamisk holografisk 3D-skærm, der kan vise en kort animation i fuld farve uden behov for specielle visnings hjælpemidler7. En Fantatrope bruger en serie af tolv fuld farve hologrammer svarende til de forskellige faser af en animation. Alle hologrammer, der bruges i denne enhed, skal være ultra-realistiske og vise samme lysstyrke, gennemsigtighed og homogene farver. Optagelsen af et enkelt højkvalitets hologram af høj kvalitet er stadig vanskelig selv for erfarne praktikere. Mens valg af optagelsesteknik og holografisk materiale er vigtige nøglepunkter, er der flere flere detaljer, der er afgørende for at kunne registrere sådanne hologrammer.
For denne protokol, en cyklisk sekvens af tolv forskellige billeder er først skabt med en 3D-computer grafikprogram og alle de elementer er 3D trykt til at blive hologram modeller. Disse hologrammer er optaget med single-Beam metode8 introduceret af Yuri Denisyuk i 1963, der giver mulighed for optagelse af ultra-realistiske hologrammer med en 180 ° fuld-Parallax. En Denisyuk fuld farveopsætning bruger tre forskellige lasere (rød, grøn og blå) kombineret for at få en hvid laserstråle. Sølv-Halogenid emulsioner er det bedste valg af optagelse materiale9 og kun et par sølv-Halogenid fuld-farve emulsioner er tilgængelige9,10. Desuden for at registrere den blå bølgelængde uden sløring, en ISO-panchromatic emulsion med en opløsning på mere end 10.000 linier/mm er påkrævet.
I denne protokol er sættet af hologrammer optaget på 4 tommer x 5 tommer plader, ved hjælp af et materiale, der er specielt designet til optagelse af fuld farve analoge hologrammer uden nogen diffusion og er lavet isopanchromatic for alle de almindelige synlige lasere, der anvendes i farve holografi (Se tabel over materialer). Kornet er så fint (4 nm), at enhver synlig bølgelængde kan optages inde uden nogen diffusion11. Desuden er hvert hologram udviklet ved hjælp af en sikker, ikke-farvning kemisk proces udviklet til de ultimative emulsioner.
Denne detaljerede protokol er beregnet til at hjælpe nye og erfarne praktikere inden for analog holografi for at undgå mange almindelige faldgruber forbundet med optagelse af fuld farve Denisyuk hologrammer; Det kan også give en tilgang til at lære at bruge Ultimate sølv-Halogenid holografiske materialer og kemikalier for at opnå pålidelige og reproducerbare resultater.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Forsigtig: alle relevante sikkerhedsmetoder skal følges ved brug af lasere12 og kemiske produkter, herunder brug af personlige værnemidler såsom beskyttelsesbriller, briller, handsker og laboratorie frakker.
1. oprettelse af indhold
- Modellere de forskellige elementer i scenen (karakter og baggrund) med 3D-computer grafikprogrammer som blender, en gratis og open-source 3D software Toolset.
- Opret en cyklisk animation med 12 rammer med 3D-computer grafikprogrammet.
- 3D udskrive og male de forskellige elementer.
- Udskriv tegn og baggrund i samme målestoksforhold ved hjælp af en FDM-sort/hvid 3D-printer13med et hvidt polylaktisk syre (PLA)-filament.
- Brug sandpapir til at eliminere udskrivnings defekter.
- Hånd-maling de forskellige elementer med akrylmaling.
Forsigtig: for at undgå ubehagelige lugte, maling udendørs eller bruge ventilation.
- Indstil optage boksen. Fix baggrunden i en stiv trækasse for at undgå bevægelse og placere de forskellige 3D udskrevne tegn inde i en efter en for at tillade optagelsen af de forskellige 4 tommer x 5 tommer hologrammer.
Bemærk: for at undgå bevægelse under hologram optagelsen skal de enkelte elementer fastgøres ved hjælp af lim eller plasticin uden at påføre stress.
2. optagelse af hologram
- På et optisk bord, samle en denisyuk single-Beam fuld-farve optisk Setup9,10 for at optage hologrammer.
Bemærk: for at optage de forskellige hologrammer er de tre anvendte RGB-lasere en rød HeNe, 633 nm, 20 mW; en grøn diode-pumpet Solid-State (DPSS), 532 nm, 100 mW justeret til 20 mW; og en blå DPSS 473 nm 50 mW justeret til 20 mW. Det rumlige filter er udstyret med en 40x, 0,65 na akromatisk mikroskopet mål og et 10 μm pinhole.- Kombiner de 3 laserstråler (rød, grøn og blå) med en X-Cube prisme for at få en hvid laserstråle, der passerer gennem det samme rumlige filter.
Bemærk: Brug to spejle til de røde og blå lasere for at få fire grader af frihed og perfekt justere de tre bjælker. - Fra en afstand af 1 m og en vinkel på 45 ° skal du belyse optagelses boksen med den divergerende stråle.
- Juster afstanden mellem de tre lasere fra kuben for at få lignende stråle diametre projiceret på objekt planet.
Bemærk: optage boksen skal belyses med en bred, ren og homogen, divergerende hvid stråle.
- Kombiner de 3 laserstråler (rød, grøn og blå) med en X-Cube prisme for at få en hvid laserstråle, der passerer gennem det samme rumlige filter.
- Brug en effektmåler til at justere farvebalancen og bestemme eksponeringstid.
- Mål intensiteten af hver laser vandret, på placeringen af holografisk plade (Se tabel over materialer). Da pladen materiale er isopanchromatic, justere farvebalancen ligeligt for de 3 lasere.
Bemærk: den anvendte effektmåler giver mulighed for direkte aflæsning af kraften i 633 nm rød laser. For de 473 nm blå og 532 nm grønne lasere er det nødvendigt at anvende en justeringskoefficient (x 0,4 for blå og x 0,6 for grøn). - Bestem eksponeringstid før optagelse af hologrammet, ifølge følgende formel:
1 - hvor t er eksponeringstid (r), H materialets følsomhed (J/cm2) og E intensiteten af laseren (W/cm2). E måles ved placeringen af holografisk pladen med en effektmåler.
Bemærk: følsomheden af de materialer, der anvendes her, er 200 μJ/cm2 pr. laser til et hologram i fuld farve (RGB). Intensiteten af hver laser ved placeringen af den holografiske plade, målt med effektmåleren er 17 μW/cm ² pr. laser, og eksponeringstid er 12 s ifølge formlen (1).
- Mål intensiteten af hver laser vandret, på placeringen af holografisk plade (Se tabel over materialer). Da pladen materiale er isopanchromatic, justere farvebalancen ligeligt for de 3 lasere.
- Luk laserstrålen med en udløser.
Bemærk: Brug en elektronisk udløser med en timer til at styre eksponeringstiden præcist. - Forbered plader.
Forsigtig: Håndtér pladens kanter ved hjælp af handsker, og lad ikke hudkontakt med emulsionen til enhver tid.- Fjern holografiske plader fra køleskabet for at undgå et skift, og opbevar dem ved stuetemperatur (20 – 25 °C) i 1 time før optagelse.
Bemærk: pladerne, der anvendes her, skal opbevares i køleskab ved 4 °C. - Mørkere den øverste kant af pladen med en sort markør for at undgå interne refleksion.
- Fjern holografiske plader fra køleskabet for at undgå et skift, og opbevar dem ved stuetemperatur (20 – 25 °C) i 1 time før optagelse.
- Indstil optage pladen under en grøn safelight.
- Blæse på pladen for at bestemme emulsionssiden. Damp vises kun på glas siden.
- Placer den holografiske plade emulsionssiden nedad på optage boksen. Lad det stabilisere i 5 min før optagelse.
- Åbn udløseren for at udsætte optage pladen i den tid, som tidligere er beregnet med formlen (1).
- Opbevar den indspillede plade i en lukket æske væk fra lys.
13. udvikling af hologram
Bemærk: hologrammer er udviklet med en sikker og ikke-farvning kemisk proces udviklet til de ultimative emulsioner.
- Når pladen er blevet afsløret, forberede 100 mL af udvikleren til en 4 tommer x 5 tommer plade. Bland udvikleren i forholdet 1 part Developer til 10 dele destilleret eller demineraliseret vand (1:10).
Bemærk: udvikleren er på lager i en koncentreret opløsning i en lukket flaske for at forhindre oxidation og skal fortyndes med destilleret eller demineraliseret vand lige før forarbejdningen. - Opvarm udvikleren til 22 °C præcist.
Bemærk: vandtemperaturen skal være lig med eller større end 20 °C, for at udvikleren kan fungere korrekt. For gentagelser, kontrollere temperaturen før udvikling med et termometer. - Under en grøn safelight, Placer den udsatte plade i bakken og nedsænk den hurtigt, emulsion-side op, ind i udvikleren og agitere langsomt for 4 min præcist. Ved afslutningen af udviklingen, pladen opnår en lysegul/orange farve.
Bemærk: udviklingsprocessen bliver synlig et par sekunder efter pladen er fuldt dækket med udvikleren. Brug en isoleret bakke med låg til at opretholde en konstant temperatur under udviklingen. Yderligere udvikling for at forsøge at få en sort tæthed er ikke påkrævet. - Fjern udvikleren og vask pladen i bakken under rindende ledningsvand i 30 s, så vandet kan flyde ind i en vask.
- Under normalt lys placeres den udviklede plade i bakken og nedsænkes den hurtigt, emulsion-side opad, ind i blegemiddel uden agitation, indtil pladen bliver helt gennemsigtig. Blegning processen bliver synlig et par sekunder efter pladen er helt nedsænket.
Bemærk: den typiske blegning tid er 3 til 5 min ved stuetemperatur (20 – 25 °C). - Fjern blegemiddel og vask pladen i bakken under rindende ledningsvand i 2 min, så vandet kan flyde ind i en vask.
Bemærk: når pladen stadig er i våd tilstand efter blegning, kan et hologram observeres ved transmission med et halogen punkt. Når hologrammet er vellykket, vises dette billede meget stærkt. - Anbring pladen i bakken, og nedsænk den, emulsion-side op, ind i en demineraliseret eller destilleret vand opløsning med nogle dråber befugtningsmiddel uden agitation i 1 min.
- Fjern pladen fra bakken, og tør den lodret i 15-20 min.
- Gentag disse operationer for hvert af de 12 hologrammer. Før optagelsen, for at placere de forskellige objekter i optage boksen med stor præcision, anvende en holografisk løg-Skin metode ved at erstatte det tidligere gennemsigtige hologram på sin optagelse position, og observere begge billeder på samme tid under laser belysning for at kontrollere, at den nye karakter er velpositioneret.
Bemærk: løg flåning er en procedure, der normalt anvendes i stop-motion animation til at se to forskellige rammer på samme tid.
4. hologram forsegling
Bemærk: hologrammer er beskyttet af en anden ren glasplade forseglet til hologrammet ved hjælp af optisk ultraviolet (UV) lim.
- Brug en skalpel til at skrabe 5 mm af emulsionen rundt om kanterne.
Bemærk: denne operation er lettere, når pladen stadig er våd. - Laminat hologrammet til en ren glasplade af samme størrelse (4 tommer x 5 tommer), med 1 mL UV-lim.
Bemærk: for at lette laminering, forvarme limen, hologrammet og den rene glasplade i en ovn ved 30 °C i 10 min. - Udsætte den rene glas side af hologrammet til sollys; UV-lim vil hærde inden for 5 min.
Bemærk: det er også muligt at bruge en UV-lampe, men stærk UV-eksponering bør undgås. - Vask det forseglede hologram med vand og sæbe, tør det med silkepapir og sort bagsiden af det med mat sort spraymaling.
5. fantatrope montage og drift
- Monter de 12 hologrammer i kronologisk rækkefølge i de regelmæssigt placerede rammer af en Fantatrope.
Bemærk: Gentet et al. 20197 beskriver fremstilling og drift af en Fantatrope. - Drej Fantatrope ved konstant hastighed. En RGB LED strobe lys synkroniseret med rotationshastigheden successivt belyser de forskellige rammer for at skabe en hurtig række billeder og producere illusionen af bevægelse.
Bemærk: en rotation af en tur per sekund er nok til at få følelsen af en flydende bevægelse.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
3D-indhold blev skabt og en cyklisk sekvens af tolv billeder var forestillet, og de forskellige elementer blev derefter 3D trykt og malet (figur 1). En Denisyuk single-Beam optisk opsætning i fuld farve blev samlet for at optage hologrammer (figur 2). Efter optagelsen blev hologrammerne udviklet og forseglet (figur 3) for at opnå et sæt af tolv ultra-realistiske analoge hologrammer i fuld farve med en 180 ° Full-Parallax, der viste samme lysstyrke, gennemsigtighed og homogene farver (figur 4). Fantatrope med de tolv hologrammer, der er monteret i kronologisk rækkefølge, blev succesfuldt drevet og genererede effekten af en dynamisk 3D-skærm uden behov for specielle visnings hjælpemidler (video 1).
Figur 1:3D-indhold. (A) computer genereret karakter og baggrund. B) den komplette cykliske sekvens. (C) 3D trykt karakter og baggrund efter maleri, fastgjort i optage boksen. Dette tal er blevet modificeret fra Gentet et al. 20197. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2: skematisk enkelt stråle fuld farve Denisyuk optisk holografisk opsætning. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3: udvikling og forsegling af holografiske plader. (A) plade med en bleg orange farve efter udvikling. (B) transparent plade med næsten ingen støj efter blegning. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 4: endelige hologrammer. A) tre forskellige opfattelser af et af hologrammerne med en 180 ° fuld-Parallax. B) det endelige sæt af de tolv hologrammer, der viser samme lysstyrke, gennemsigtighed og homogene farver. Dette tal er blevet modificeret fra Gentet et al. 20197. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Video 1: Fantatrope i drift med de 12 hologrammer monteret i kronologisk rækkefølge. Venligst klik her for at downloade denne fil.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Traditionelt, stop-motion film bruger dukker eller ler modeller. For at undgå bevægelse og få et lyst billede på tidspunktet for hologram optagelsen vælges et sæt 3D-udskrevne tegn og baggrunde. Desuden er de forskellige elementer fastgjort fast og uden stress i kassen. Hvis et element er fastgjort med begrænsning eller bevæger sig under optagelsen, vises det sort eller frynsede i det endelige hologram. 3D-udskrivning er et meget interessant nyt værktøj til at skabe originale modeller til analog holografi.
Den største fordel ved polymer film, som covestro bayfol HX20014, over sølv-Halogenid materialer er deres tørre forarbejdning. Det materiale, der anvendes her, kræver våd behandling, men det forbliver hurtigt og enkelt og bruger ikke-giftige produkter. Det har også en meget højere følsomhed (200 μJ/cm2 versus 20 MJ/cm2) og den resulterende forkortede eksponeringstid foretrækkes til optagelse af lyse hologrammer i analog holografi for at undgå vibrationer og bevægelsesproblemer. Desuden har mange brugere, især hobbyfolk eller skoler, laveffekt lasere (mindre end 20 MW); meget følsomt optage materiale er en vigtig faktor for at opnå et hologram af høj kvalitet med en kort eksponeringstid. Substrat materialet er også vigtigt for at bestemme den endelige hologram kvalitet, og glas viser sig at være det bedste valg for dette, fordi det er mekanisk stabil og optisk inaktiv.
Hvert hologram, der er registreret i denne procedure, er udviklet med ikke-giftige og ikke-farvning kemiske bade. Disse kemikalier, som er sikre og nemme at bruge, er meget forskellige fra de farlige, giftige og miljøskadelige dem, der generelt anvendes i holografi. Især den anbefalede proces15, der blev etableret for 25 år siden for den russiske SLAVICH PFG-03c holografiske emulsion16, bruger kemikalier som formaldehyd eller catechol, som er usikre, rodet og svære at håndtere. Desuden er U04 plader forhærdet under fremstillingsprocessen og kræver ikke nogen farlige hærdning bade. De fleste andre holografiske materialer af sølv Halogenid skal behandles før eksponering med en hyper-sensibiliserende opløsning af triethanolamin (TEA)17 eller en hærdning pre-Bath16 for at øge deres følsomhed, med en høj risiko for at beskadige pladen.
Under optagelsen foretrækkes det at placere objektet og holografisk pladen i en vandret position for bedre stabilitet på grund af tyngdekraften. Det er vigtigt at bruge en elektronisk udløser med en timer for præcist at styre eksponeringstiden præcist og tillade gentagelse. En 10% overeksponering kan producere en mælkeagtig hologram, og en 10% mangel på eksponeringstid kan producere en Dim hologram. Som rumtemperatur eller fugtigheds ændring, den gelatine, hvor hologrammer er indspillet kan svulme eller krympe. Farverne og genopbygnings vinkler af hologrammer ændres derefter. For at forhindre eventuelle emulsions tykkelses variationer, der kan påvirke farvegengivelsen, skal hvert hologram derfor beskyttes af en anden ren glasplade forseglet til hologrammet ved hjælp af optisk lim.
Denne protokol tillader lyse, farverige, gennemsigtige og homogene hologrammer, der skal opnås, og det er meget gentagelig. De tolv hologrammer blev indspillet over flere dage efter denne metode, og de har alle de samme endelige egenskaber, som gør det muligt at anvende dem i Fantatropen. Ved hjælp af denne protokol, hver praktiserende læge inden for analog fuld farve holografi kan få pålidelige og reproducerbare resultater.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Philippe Gentet, Lyoung-Hui Kim, Kwang-Jib Kim og Seung-Hyun Lee erklærer, at de ikke har nogen interessekonflikt. Yves Gentet er producenten af den emulsion, der anvendes her.
Acknowledgments
Den nuværende forskning blev udført af forsknings tilskuddet fra Kwangwoon University i 2019.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Black marker | Monami | Magic Cap | |
| FDM monochrome 3D printer | Anet | A8 | |
| Holographic bleach | Ultimate Holography | BLEACH-1L | Non-toxic |
| Holographic developer | Ultimate Holography | REV-U08-1.2 | Non-toxic |
| Holographic plates | Ultimate Holography | U04P-VICOL-4X5 | Light-sensitive |
| Laser (DPSS 532 nm 100 mW) | Cobolt | Samba | Follow safety practices |
| Laser (DPSS 473 nm 50 mW) | Cobolt | Blue | Follow safety practices |
| Laser (HeNe 633 nm 21 mW) | Thorlabs | HNL210L | Follow safety practices |
| Laser power meter | Sanwa | LP1 | |
| Matte black spray paint | Plasti-kote | 3101 | |
| Microscope objective | Edmund Optics | 40X 0.65 NA | |
| Pinhole | Edmund Optics | 10 μm | |
| Spatial Filter Movement | Edmund Optics | 39-976 | |
| UV glue | Vitralit | 6127 | Use gloves |
| Wetting agent | Kodak | Photo-Flo | |
| White PLA filament | Hatchbox | PLA-1KG1.75-BLK | |
| X-cube | Edmund Optics | 54-823 |
References
- Geng, J.
- Lim, Y., et al. 360-degree tabletop electronic holographic display. Optics Express. 24 (22), 2499 (2016).
- Sugie, T., et al. High-performance parallel computing for next-generation holographic imaging. Nature Electronics. 1 (4), 254 (2018).
- Ogle, K. N. Some aspects of stereoscopic depth perception. JOSA. 57, 1073-1081 (1967).
- Read, J. C. A., et al. Balance and coordination after viewing stereoscopic 3D television. Royal Society Open Science. 2, 140522 (2015).
- Lambooij, M., Ijsselsteijn, W., Fortuin, M., Heynderickx, I. Visual discomfort and visual fatigue of stereoscopic displays: a review. Journal of Imaging Science and Technology. 53 (3), 1-14 (2009).
- Gentet, P., Joung, J., Gentet, Y., Hamacher, A., Lee, S. H. Fantatrope, a moving hologram display: design and implementation. Optics Express. 27 (8), 11571-11584 (2019).
- Denisyuk, Y. N. On the reproduction of the optical properties of an object by the wave field of its scattered radiation. Optics and Spectroscopy. 14, 279-284 (1963).
- Bjelkhagen, H. I., Brotherton-Ratcliffe, D. Ultra-realistic imaging: advanced techniques in analogue and digital colour holography. , CRC Press. Boca Raton, FL. (2013).
- Graham, S., Zacharovas, S. Practical Holography, Fourth Edition. , CRC Press. Boca Raton, FL. (2015).
- Gentet, P., Gentet, Y., Lee, S. H. Ultimate 04 the new reference for ultra-realistic color holography. 2017 International Conference on Emerging Trends & Innovation in ICT (ICEI). , 162-166 (2017).
- International Electrotechnical Commission. IEC 60825-1: 2014. Safety of laser products-Part 1: Equipment classification and requirements. IEC Geneva. 3, (2014).
- Kun, K. Reconstruction and development of a 3D printer using FDM technology. Procedia Engineering. 149, 203-211 (2016).
- Covestro Deutschland AG, Bayfol HX200 Datasheet. , (2018).
- Bjelkhagen, H. I. Silver Halide Recording Materials for Holography and Their Processing. Springer Series in Optical Sciences. 66, Springer-Verlag. Heidelberg, New York. (1993).
- Slavich Joint Stock Company. , Russia. Available from: www.slavich.com (2019).
- Colour Holographic Ltd. , UK. Available from: www.colourholographic.com (2019).
