Opptak ultra-realistisk full-farge analog hologrammer for bruk i en bevegelig hologram skjerm

Summary

Vi presenterer en protokoll for å spille inn et sett av Ultra-realistiske full-farge analoge hologrammer, som viser samme lysstyrke, gjennomsiktighet og homogene farger, på ultra-fine-Grain sølv-halogen holografiske emulsjoner for fabrikasjon av en dynamisk holografisk 3D Vise.

Abstract

Dette papiret demonstrerer en metode for å spille inn et sett av tolv Ultra-realistiske full-farge analoge hologrammer presentere samme lysstyrke, åpenhet og homogene farger for fabrikasjon av en Fantatrope, en dynamisk holografisk 3D-skjerm, uten behov for spesielle visnings hjelpemidler. Metoden innebærer bruk av 3D-skriver teknologi, en enkelt-bjelke full-farge Denisyuk optisk oppsett med tre laveffekts lasere (rød, grønn og blå) og en ISO-panchromatic høysensitiv sølv-halogen holografiske emulsjon spesielt designet for innspilling av analoge hologrammer uten diffusjon. En syklisk animasjon er laget med et 3D datagrafikk program og ulike elementer er 3D trykt å danne modeller for hologrammer. Hologrammer er registrert med en full-farge holografisk oppsett og utviklet ved hjelp av to enkle kjemiske bad. For å hindre noen emulsjon tykkelse variasjoner, er hologrammer forseglet med optisk lim. Resultatene bekrefter at alle hologrammer som er registrert med denne protokollen, har de samme egenskapene, slik at de kan brukes i Fantatrope.

Introduction

Tredimensjonale (3D) skjermer er et viktig forsknings emne^1,2,3 og de fleste av dagens tilnærminger bruke stereoskopisk prinsipp⁴ som forårsaker syns ubehag og tretthet^5,6. Den Fantatrope er en praktisk ny type dynamisk holografisk 3D-skjerm som kan vise en kort animasjon i full farge uten behov for spesielle ser hjelpemidler⁷. En Fantatrope bruker en serie med tolv hologrammer i full farge som tilsvarer de ulike fasene i en animasjon. Alle hologrammer som brukes i denne enheten, må være svært realistiske og vise samme lysstyrke, gjennomsiktighet og homogene farger. Innspillingen av en enkelt høykvalitets full-farge hologram fortsatt vanskelig selv for erfarne utøvere. Mens valgene av innspillingen teknikk og holografiske materiale er viktige viktige punkter, er det flere detaljer som er avgjørende for å kunne registrere slike hologrammer.

For denne protokollen, en syklisk sekvens av tolv forskjellige bilder er først opprettet med en 3D datagrafikk program og alle elementene er 3D trykt å bli hologram modeller. Disse hologrammer er registrert med single-Beam metoden⁸ introdusert av Yuri Denisyuk i 1963 som gjør at innspillingen av Ultra-realistiske hologrammer med 180 ° full-Parallax. En Denisyuk full fargeoppsett bruker tre forskjellige lasere (rød, grønn og blå) kombinert for å få en hvit laserstråle. Sølv-halogen emulsjoner er det beste valget av opptaks materiale⁹ og bare noen få sølv-halogen full-farge emulsjoner er tilgjengelige^9,10. Videre til posten den blå bølgelengde uten uskarphet, en ISO-panchromatic emulsjon med en oppløsning på mer enn 10 000 linjer/mm er nødvendig.

I denne protokollen, settet av hologrammer er registrert på 4 tommer x 5 tommers plater, ved hjelp av et materiale som er spesialdesignet for opptak full-farge analoge hologrammer uten diffusjon og er laget isopanchromatic for alle de vanlige synlige lasere som brukes i farge holography (se tabell over materialer). Kornet er så fin (4 NM) at noen synlige bølgelengde kan registreres på innsiden uten noen diffusjon¹¹. Videre utvikles hvert hologram ved hjelp av en sikker, ikke-farge kjemisk prosess som er utviklet for de ultimate emulsjoner.

Denne detaljerte protokollen er ment å hjelpe nye og erfarne utøvere innen analog holography å unngå mange vanlige fallgruver forbundet med innspillingen full-farge Denisyuk hologrammer; Det kan også gi en tilnærming for å lære å bruke ultimate sølv-halogen holografiske materialer og kjemikalier for å oppnå pålitelige og reproduserbar resultater.

Protocol

Advarsel: alle egnede sikkerhetsrutiner må følges ved bruk av lasere¹² og kjemiske produkter, inkludert bruk av personlig verneutstyr som vernebriller, briller, hansker og laboratorie frakker.

1. opprettelse av innhold

1. Modellere de ulike elementene i scenen (karakter og bakgrunn) med 3D datagrafikk programmer som blender, en gratis og åpen kildekode 3D programvareverktøy sett.
2. Lag en 12-ramme syklisk animasjon med 3D datagrafikk program.
3. 3D skrive ut og male de ulike elementene.
   1. Skriv ut tegn og bakgrunn på samme skala ved hjelp av en smeltet deponering modellering (FDM) monokrom 3D-skriver¹³, med en hvit polymelkesyren acid (PLA) filament.
   2. Bruk sandpapir for å eliminere utskriftsfeil.
   3. Hand-male de ulike elementene med akrylmaling.
      FORSIKTIG: for å unngå ubehagelig lukt, maling utendørs eller bruk ventilasjon.
4. Sett opp opptaks boksen. Fest bakgrunnen i en rigid tre boksen for å unngå bevegelse og plassere de forskjellige 3D trykte tegn inni den ene etter den andre for å tillate opptak av de forskjellige 4 tommer x 5 tommers hologrammer.
   Merk: for å unngå bevegelse under hologram innspillingen, fast feste de enkelte elementene ved hjelp av lim eller plastikk, uten å bruke stress.

2. hologram-opptak

1. På en optisk tabell, sette sammen en Denisyuk single-Beam Full-Color optisk oppsett^9,10 for å spille inn hologrammer.
   Merk: for å spille inn de forskjellige hologrammer, de tre RGB-lasere som brukes er en rød HeNe, 633 NM, 20 mW; en grønn diode-pumpet Solid-State (DPSS), 532 nm, 100 mW justert til 20 mW; og en blå DPSS 473 NM 50 mW justert til 20 mW. Den romlige filteret er utstyrt med en 40x, 0,65 NA akromatisk mikroskop objektiv og en 10 μm pinhole.
   1. Kombiner de 3 laserstråler (rød, grønn og blå) med en X-Cube prisme for å få en hvit laserstråle som passerer gjennom samme romlig filter.
      Merk: Bruk to speil for de røde og blå lasere for å få fire grader av frihet og perfekt justere de trebjelkene.
   2. Fra en avstand på 1 m og en vinkel på 45 °, lyser opptaks boksen med den avvikende strålen.
   3. Juster avstanden mellom de tre lasere fra kuben for å få lignende stråle diametere projisert på objekt planet.
      Merk: opptaks boksen må være opplyst med en bred, ren og homogen avvikende hvit stråle.
2. Bruk en kraftmåler til å justere fargebalansen og bestemme eksponeringstiden.
   1. Mål intensiteten til hver laser horisontalt, i posisjonen til den holografiske platen (se tabell over materialer). Siden platematerialet er isopanchromatic, justerer du fargebalansen likt for de tre lasere.
      Merk: strømmåleren som brukes gir direkte avlesning av kraften til 633 NM rød laser. For 473 NM blå og 532 nm grønne lasere, er det nødvendig å bruke en korreksjon koeffisient (x 0.4 for blå og x 0.6 for grønn).
   2. Bestem eksponeringstiden før du registrerer hologram, i henhold til følgende formel:
      1
   3. hvor t er eksponeringstid (r), H følsomheten av materialet (J/cm²) og E intensiteten av laseren (W/cm²). E måles i posisjonen til den holografiske platen med en kraftmåler.
      Merk: følsomheten av materialene som brukes her er 200 μJ/cm² per laser for et full-farge (RGB) hologram. Intensiteten av hver laser på plasseringen av den holografiske plate, målt med strøm-meter er 17 μW/cm ² per laser, og eksponeringstid er 12 s i henhold til formel (1).
3. Lukk laserstrålen med en lukker.
   Merk: Bruk en elektronisk utløser med en tidtaker for å kontrollere eksponeringstiden nøyaktig.
4. Forbered platene.
   FORSIKTIG: Håndter plate kantene ved hjelp av hansker, og ikke la hudkontakt med emulsjon når som helst.
   1. Fjern holografiske plater fra kjøleskapet for å unngå Skift og oppbevar dem ved romtemperatur (20 – 25 ° c) i 1 time før opptak.
      Merk: platene som brukes her må være nedkjølt ved 4 ° c.
   2. Mørkere den øvre kanten av platen med en svart markør for å unngå indre refleksjon.
5. Sett opp opptaks platen under en grønn safelight.
   1. Blås på tallerkenen for å bestemme emulsjon side. Steam vises bare på glass siden.
   2. Plasser den holografiske platen emulsjon-side ned på opptaks boksen. La den stabilisere seg i 5 minutter før opptak.
6. Åpne lukkeren for å vise opptaks platen, i løpet av tiden som tidligere ble beregnet med formelen (1).
7. Hold den innspilte platen i en lukket boks vekk fra lyset.

3. utvikling av hologram

Merk: hologrammer er utviklet med en sikker og ikke-farging kjemisk prosess utviklet for den ultimate emulsjoner.

1. Når platen har blitt utsatt, forberede 100 mL av utbygger for en 4 tommers x 5 tommers plate. Bland utvikleren i forholdet 1 del utbygger til 10 deler destillert eller demineralisert vann (1:10).
   Merk: utvikleren er på lager i en konsentrert løsning i en lukket flaske for å hindre oksidasjon og må fortynnes med destillert eller demineralisert vann like før behandling.
2. Varm opp utvikleren til 22 ° c presist.
   Merk: vanntemperaturen må være lik eller større enn 20 ° c for at utvikleren skal fungere ordentlig. For repetisjoner, Kontroller temperaturen før utviklingen med et termometer.
3. Under en grønn safelight, plassere eksponert plate i skuffen og senk den raskt, emulsjon-side opp, inn i utbygger og agitere langsomt for 4 min presist. På slutten av utviklingen, platen oppnår en blek gul/oransje farge.
   Merk: utviklingsprosessen blir synlig noen få sekunder etter at platen er fullt dekket med utbygger. Bruk et isolert brett med lokk for å opprettholde en konstant temperatur under utviklingen. Videre utvikling for å forsøke å få en svart tetthet er ikke nødvendig.
4. Fjern utbygger og vaske platen i sin skuff under rennende vann fra springen i 30 s, slik at vannet til overflyt i en vask.
5. Under normalt lys, plassere utviklet platen i skuffen og senk den raskt, emulsjon-side opp, inn i blekemiddel uten omrøring til platen blir helt gjennomsiktig. Bleking prosessen blir synlig noen få sekunder etter at platen er helt neddykket.
   Merk: den typiske bleking tiden er 3 til 5 min ved romtemperatur (20 – 25 ° c).
6. Fjern blekemiddel og vask platen i skuffen under rennende vann fra springen i 2 min, slik at vannet kan renne over i en vask.
   Merk: når platen fortsatt er i våt tilstand etter bleking, kan et hologram observeres ved overføring med en halogen flekk. Når hologram er vellykket, vil dette bildet vises veldig sterk.
7. Plasser platen i skuffen og senk den, emulsjon-side opp, i en demineralisert eller destillert vann løsning med noen dråper fukte middel uten omrøring for 1 min.
8. Fjern platen fra skuffen og tørk den vertikalt i 15-20 min.
9. Gjenta disse operasjonene for hver av de 12 hologrammer. Før opptak, for å plassere de forskjellige objektene i opptaks boksen med stor presisjon, Påfør en holografisk løk-hud-metode ved å erstatte det forrige gjennomsiktige hologram ved Innspillings posisjonen, og observere begge bildene samtidig under laser lys for å kontrollere at den nye karakteren er godt posisjonert.
   Merk: Onion skinning er en prosedyre som vanligvis brukes i stop-motion animasjon for å se to forskjellige rammer på samme tid.

4. hologram

Merk: hologrammer er beskyttet av en annen ren glassplate forseglet til hologram ved hjelp av optisk ultrafiolett (UV) lim.

1. Bruk en skalpell til å skrape av 5 mm av emulsjon rundt kantene.
   Merk: denne operasjonen er lettere når platen fortsatt er våt.
2. Laminat hologram til en ren glassplate av samme størrelse (4 tommer x 5 tommer), med 1 mL UV-lim.
   Merk: for å lette laminering, pre-varme limet, hologram og ren glassplate i en ovn ved 30 ° c i 10 min.
3. Utsett den rene glass siden av hologram til sollys; UV lim vil herde innen 5 min.
   Merk: det er også mulig å bruke en UV-lampe, men sterk UV-eksponering bør unngås.
4. Vask det forseglede hologram med vann og såpe, tørk den med silkepapir og sverte baksiden av den med matt svart spray maling.

5. Fantatrope montering og drift

1. Monter de 12 hologrammer i kronologisk rekkefølge i de regelmessig plasserte rammene på en Fantatrope.
   Merk: Gentet et al. 2019⁷ beskriver produksjon og drift av en Fantatrope.
2. Roter Fantatrope med konstant hastighet. En RGB LED strobe lys synkronisert med rotasjonshastighet suksessivt belyser de ulike rammer for å skape en rask rekkefølge av bilder og produsere illusjonen av bevegelse.
   Merk: en rotasjon av en sving per sekund er nok til å få følelsen av en flytende bevegelse.

Representative Results

3D-innhold ble opprettet og en syklisk sekvens av tolv bilder ble forestilt, og de ulike elementene ble deretter 3D trykt og malt (figur 1). En Denisyuk enkelt-stråle i sin helhet-fargen optisk setup var satt sammen å fortegnelse hologrammer (skikkelsen 2). Etter innspillingen ble hologrammer utviklet og forseglet (Figur 3) for å få et sett med tolv Ultra-realistiske full-farge analoge hologrammer med en 180 ° full-Parallax, som viser samme lysstyrke, gjennomsiktighet og homogene farger (Figur 4). Den Fantatrope med de tolv hologrammer montert i kronologisk rekkefølge ble vellykket operert og genererte effekten av en dynamisk 3D-skjerm uten behov for noen spesielle ser hjelpemidler (Video 1).

Figur 1:3D-innhold. (A) datagenerert tegn og bakgrunn. (B) den komplette sykliske sekvensen. (C) 3D trykt karakter og bakgrunn etter maling, fast i innspillingen boksen. Dette tallet er blitt modifisert fra Gentet et al. 2019⁷. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 2: skjematisk single-Beam full-farge Denisyuk optisk holografisk oppsett. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 3: utvikling og tetting av holografiske plater. (A) plate med en blek oransje farge etter utvikling. (B) transparent plate med nesten ingen støy etter bleking. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 4: siste hologrammer. (A) tre forskjellige visninger av en av hologrammer med en 180 ° full-Parallax. (B) endelig sett av de tolv hologrammer viser samme lysstyrke, åpenhet og homogene farger. Dette tallet er blitt modifisert fra Gentet et al. 2019⁷. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Video 1: Fantatrope i drift med 12 hologrammer montert i kronologisk rekkefølge. Vennligst klikk her for å laste ned denne filen.

Discussion

Tradisjonelt, stop-motion film bruker dukkene eller leire modeller. For å unngå bevegelse og få et skarpt bilde på tidspunktet for hologram, velges et sett med 3D-trykte tegn og bakgrunner. Videre er de ulike elementene festet fast og uten stress i boksen. Hvis et element er fast med begrensning eller beveger seg under innspillingen, vil det vises svart eller kantet i det endelige hologram. 3D-utskrift er et veldig interessant nytt verktøy for å lage originale modeller for analoge holography.

Den største fordelen med photopolymer filmer, som Covestro Bayfol HX200¹⁴, over sølv-halogen materialer er deres tørr prosessering. Materialet som brukes her krever våt prosessering, men det er fortsatt raskt og enkelt, og bruker ikke-giftige produkter. Det har også en mye høyere følsomhet (200 μJ/cm² versus 20 mJ/cm²) og den resulterende forkortet eksponeringstid foretrekkes for opptak lyse hologrammer i analoge holography å unngå vibrasjoner og bevegelse problemer. Videre har mange brukere, spesielt amatører eller skoler, laveffekts lasere (mindre enn 20 mW); svært sensitivt opptaks materiale er en viktig faktor for å få et hologram av høy kvalitet med en kort eksponeringstid. Underlaget materialet er også viktig for å bestemme den endelige hologram kvalitet, og glass viser seg å være det beste valget for dette fordi det er mekanisk stabil og optisk inaktiv.

Hver hologram registrert i denne prosedyren er utviklet med ikke-giftige og ikke-flekker kjemiske bad. Disse kjemikaliene, som er trygge og enkle å bruke, er svært forskjellige fra de farlige, giftige og miljømessig skadelige de som vanligvis brukes i holography. Spesielt den anbefalte prosessen¹⁵, etablert 25 år siden for den russiske Slavich PFG-03C holografiske emulsjon¹⁶, bruker kjemikalier som formaldehyd eller catechol, som er usikre, rotete og vanskelig å håndtere. Videre U04 platene er pre-herdet under produksjonsprosessen og ikke krever noen farlige herding bad. De fleste andre sølv-halogen holografiske materialer må behandles før eksponering med en hyper-sensibiliserende løsning av trietanolamin (TEA)¹⁷ eller en herding pre-bad¹⁶ for å øke sin følsomhet, med høy risiko for å skade platen.

Mens innspillingen, er det best å plassere objektet og holografisk plate i en horisontal posisjon for bedre stabilitet på grunn av tyngdekraften. Ved hjelp av en elektronisk lukker med en tidtaker er viktig å nøyaktig kontrollere eksponeringstid presist og tillate repetisjon. En 10% kan ikke produsere et melkeaktig hologram, og en 10% mangel på eksponeringstid kan gi et svakt hologram. Som romtemperatur eller luftfuktighet endres, gelatin der hologrammer er registrert kan hovne opp eller krympe. Farger og rekonstruksjon vinkler av hologrammer blir deretter endret. Derfor, for å hindre eventuelle emulsjon tykkelse variasjoner som kan påvirke fargegjengivelsen, må hvert hologram beskyttes av en annen ren glassplate forseglet til hologram ved hjelp av optisk lim.

Denne protokollen gjør det mulig å oppnå lyse, fargerike, gjennomsiktige og homogene hologrammer, og det er svært repeterbar. De tolv hologrammer ble registrert over flere dager, etter denne metoden, og de alle presentere de samme endelige egenskaper, som tillater dem å bli brukt i Fantatrope. Ved hjelp av denne protokollen, kan hver utøver innen analoge Full-Color holography få pålitelige og reproduserbar resultater.

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