Summary
Мы представляем протокол для записи набора ультра-реалистичных полноцветных аналоговых голограмм, показывающих такую же яркость, прозрачность и однородные цвета, на ультра-тонком зерновом серебряно-галидных голографических эмульсиях для изготовления динамического голографического 3D Отображения.
Abstract
В этой статье демонстрируется метод записи набора из двенадцати ультра-реалистичных полноцветных аналоговых голограмм, представляющих ту же яркость, прозрачность и однородные цвета для изготовления Fantatrope, динамического голографического 3D-дисплея, без необходимости специальные средства просмотра. Метод предполагает использование технологии 3D принтера, однолучевой полноцветной оптической установки Denisyuk с тремя маломощными лазерами (красным, зеленым и синим) и изо-панхроматической высокочувствительной голографической эмульсией серебра, специально разработанной для запись аналоговых голограмм без каких-либо диффузии. Циклическая анимация создается с помощью 3D компьютерной графической программы и различные элементы напечатаны на 3D для формирования моделей для голограмм. Голограммы регистрируются с помощью полноцветных голографических установк и разрабатываются с использованием двух простых химических ванн. Чтобы предотвратить любые изменения толщины эмульсии, голограммы запечатываются оптическим клеем. Результаты подтверждают, что все голограммы, записанные с помощью этого протокола, представляют те же характеристики, которые позволяют использовать их в Fantatrope.
Introduction
Трехмерные (3D) дисплеи являются важной темой исследования1,2, 3и большинство современных подходов используют стереоскопический принцип4, который вызывает визуальный дискомфорт и усталость5,6. Fantatrope является удобным новым типом динамического голографического 3D-дисплея, который может показать короткую анимацию в полном цвете без необходимости специальных средств просмотра7. Fantatrope использует серию из двенадцати полноцветных голограмм, соответствующих различным фазам анимации. Все голограммы, используемые в этом устройстве, должны быть ультрареалистичными и представлять одинаковую яркость, прозрачность и однородные цвета. Запись одной высококачественной полноцветной голограммы остается сложной даже для опытных практиков. Хотя выбор техники записи и голографического материала являются важными ключевыми моментами, есть еще несколько деталей, которые имеют решающее значение для успешной записи таких голограмм.
Для этого протокола, циклическая последовательность из двенадцати различных изображений сначала создается с 3D компьютерной графики программы и все элементы 3D напечатаны, чтобы стать голограммы моделей. Эти голограммы записаны однолучевым методом8, введенным в 1963 г., который позволяет записывать ультрареалистичные голограммы с полным пароалаксом 180 градусов. Полноцветная установка Denisyuk использует три различных лазера (красный, зеленый и синий), объединенных для получения белого лазерного луча. Эмульсии серебряного галида являются лучшим выбором записи материала9 и только несколько серебряный галид полноцветные эмульсии доступны9,10. Кроме того, для записи голубой длины волны без размытия требуется изо-панхроматическая эмульсия с разрешением более 10 000 линий/мм.
В этом протоколе набор голограмм записывается на 4 дюймовых х 5-дюймовых пластинах, используя материал, который специально разработан для записи полноцветных аналоговых голограмм без каких-либо диффузий и производится изопанхроматический для всех общих видимых лазеров, используемых в цветовой голографии (см. Таблица материалов). Зерно настолько тонко (4 нм), что любая видимая длина волны может быть записана внутри без каких-либо диффузии11. Кроме того, каждая голограмма разрабатывается с использованием безопасного, неокрабительного химического процесса, разработанного для конечной эмульсии.
Этот подробный протокол предназначен для оказания помощи новым и опытным практикующим в области аналоговой голографии, чтобы избежать многих распространенных ловушек, связанных с записью полноцветных голограмм Денисюка; он может также обеспечить подход, чтобы узнать, как использовать конечной серебра галидго голографических материалов и химических веществ для получения надежных и воспроизводимых результатов.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
ВНИМАНИЕ: При использовании лазеров12 и химических продуктов необходимо соблюдать все надлежащие методы безопасности, включая использование средств индивидуальной защиты, таких как защитные очки, очки, перчатки и лабораторные пальто.
1. Создание контента
- Моделируйте различные элементы сцены (символ и фон) с помощью 3D компьютерных графических программ, таких как Blender, бесплатный и с открытым исходным кодом 3D программное обеспечение.
- Создайте 12-кадровую циклическую анимацию с помощью 3D-программы компьютерной графики.
- 3D печать и краска различных элементов.
- Печать символов и фона в том же масштабе с использованием сросшиеся осаждения моделирования (FDM) монохромный 3D принтер13, с белой полилактической кислоты (PLA) нить.
- Используйте наждачной бумагой для устранения дефектов печати.
- Ручная краска различных элементов с акриловой краской.
ВНИМАНИЕ: Чтобы избежать неприятных запахов, краска на открытом воздухе или использовать вентиляцию.
- Настроили запись. Исправьте фон в жесткой деревянной коробке, чтобы избежать движения и поместите различные 3D печатные символы внутри одного за другим, чтобы позволить запись различных 4 дюйма х 5 дюймов голограмм.
ПРИМЕЧАНИЕ: Чтобы избежать движения во время записи голограммы, твердо прикрепите отдельные элементы с помощью клея или пластилина, не применяя стресса.
2. Голограмма записи
- На оптическом столе соберите Денисюк однолучевую полноцветную оптическую установку9,10 для записи голограмм.
ПРИМЕЧАНИЕ: Для записи различных голограмм, три RGB лазеры используются красный HeNe, 633 нм, 20 мВт; зеленый диод-накачанный твердотельный (DPSS), 532 нм, 100 мВт с поправкой на 20 мВт; и синий DPSS 473 нм 50 мВт с поправкой на 20 мВт. Пространственный фильтр оснащен целью ахроматического микроскопа 40x, 0.65 NA и пинхолом 10 мкм.- Объедините 3 лазерных луча (красный, зеленый и синий) с призмы X-куб, чтобы получить белый лазерный луч, который проходит через тот же пространственный фильтр.
ПРИМЕЧАНИЕ: Используйте два зеркала для красных и синих лазеров, чтобы получить четыре степени свободы и идеально выровнять три луча. - С расстояния 1 м и угла 45 ", осветите запись окна с дивергентным лучом.
- Отрегулируйте расстояние трех лазеров от куба, чтобы получить аналогичные диаметры пучка, проецируемого на плоскость объекта.
ПРИМЕЧАНИЕ: Запись окна должна быть освещена с широким, чистым и однородным расходящихся белый луч.
- Объедините 3 лазерных луча (красный, зеленый и синий) с призмы X-куб, чтобы получить белый лазерный луч, который проходит через тот же пространственный фильтр.
- Используйте счетчик мощности, чтобы настроить цветовой баланс и определить время экспозиции.
- Измерьте интенсивность каждого лазера горизонтально, в положении голографической пластины (см. Таблицу Материалов). Так как материал пластины является изопорхроматический, настроить цветовой баланс в равной степени для 3 лазеров.
ПРИМЕЧАНИЕ: Используемый электросчетчик позволяет прямо считывать мощность красного лазера мощностью 633 нм. Для 473 нм синего и 532 нм зеленых лазеров необходимо применять коэффициент коррекции (x0.4 для синего и x0.6 для зеленого). - Определить время экспозиции перед записью голограммы, в соответствии со следующей формулой:
(1) - где t время выдержки (s), H чувствительность материала (J/cm2)и E интенсивность лазера (W/cm2). E измеряется в положении голографической пластины с счетчиком мощности.
ПРИМЕЧАНИЕ: Чувствительность используемых здесь материалов составляет 200 j/cm2 на лазер для полноцветной (RGB) голограммы. Интенсивность каждого лазера в положении голографической пластины, измеряемой с помощью электрометра, составляет 17 зВт/см 2 на лазер, а время экспозиции - 12 с по формуле (1).
- Измерьте интенсивность каждого лазера горизонтально, в положении голографической пластины (см. Таблицу Материалов). Так как материал пластины является изопорхроматический, настроить цветовой баланс в равной степени для 3 лазеров.
- Закройте лазерный луч затвором.
ПРИМЕЧАНИЕ: Используйте электронный затвор с таймером, чтобы точно контролировать время экспозиции. - Приготовьте тарелки.
ВНИМАНИЕ: Обвиссите краями пластины с помощью перчаток и не допускайте контакта кожи с эмульсией в любое время.- Удалите голографические пластины их из холодильника, чтобы избежать сдвига и хранить их при комнатной температуре (20-25 градусов по Цельсию) в течение 1 ч перед записью.
ПРИМЕЧАНИЕ: Пластины, используемые здесь, должны быть охлаждены при 4 градусах Цельсия. - Затемните верхний край пластины черным маркером, чтобы избежать внутреннего отражения.
- Удалите голографические пластины их из холодильника, чтобы избежать сдвига и хранить их при комнатной температуре (20-25 градусов по Цельсию) в течение 1 ч перед записью.
- Настройка записывающей пластины под зеленым сейфом.
- Удар по пластине, чтобы определить сторону эмульсии. Пар появляется только на стеклянной стороне.
- Поместите голографическую эмульсию вниз на запись коробки. Дайте ему стабилизироваться в течение 5 минут перед записью.
- Откройте затвор, чтобы выставить записывающую пластину, в течение времени, предварительно рассчитанного с формулой (1).
- Храните записанную тарелку в закрытой коробке подальше от света.
(1)3. Развитие голограммы
ПРИМЕЧАНИЕ: Голограммы разрабатываются с безопасным и неокражая химический процесс, разработанный для конечной эмульсии.
- После того, как пластина была выставлена, подготовить 100 мл разработчика для 4 дюйма х 5 дюймов пластины. Смешайте разработчика в соотношении 1 части разработчика к 10 частям дистиллированной или деминерализованной воды (1:10).
ПРИМЕЧАНИЕ: Разработчик снабжен концентрированным раствором в закрытой бутылке для предотвращения окисления и должен быть разбавлен дистиллированной или деминерализованной водой непосредственно перед обработкой. - Нагрейте разработчика до 22 градусов точно.
ПРИМЕЧАНИЕ: Температура воды должна быть равна или больше, чем 20 градусов по Цельсию для разработчика, чтобы функционировать должным образом. Для повторений, контролировать температуру перед развитием с термометром. - Под зеленым сейфом поместите выставленную пластину в лоток и быстро погрузите ее, эмульсию вверх, в разработчика и медленно агитировать в течение 4 минут точно. В конце разработки пластина достигает бледно-желтого/оранжевого цвета.
ПРИМЕЧАНИЕ: Процесс разработки становится видимым через несколько секунд после того, как пластина полностью покрыта разработчиком. Используйте изолированный лоток с крышкой для поддержания постоянной температуры во время разработки. Дальнейшее развитие, чтобы попытаться получить черную плотность не требуется. - Снимите застройщика и промойте тарелку в подносе под проточной водопроводной водой в течение 30 с, что позволит воде перетекать в раковину.
- Под нормальным светом поместите развитую пластину в лоток и быстро погрузите ее, эмульсию вверх, в отбеливатель без возбуждения до тех пор, пока пластина не станет полностью прозрачной. Процесс отбеливания становится видимым через несколько секунд после того, как пластина полностью погружена в воду.
ПРИМЕЧАНИЕ: Типичное время отбеливания составляет от 3 до 5 мин при комнатной температуре (20-25 градусов по Цельсию). - Удалите отбеливатель и промойте тарелку в подносе под проточной водопроводной водой в течение 2 минут, что позволит воде перетекать в раковину.
ПРИМЕЧАНИЕ: Когда пластина все еще находится в мокром состоянии после отбеливания, голограмма может наблюдаться путем передачи с галогенным пятном. Когда голограмма будет успешной, это изображение будет казаться очень сильным. - Поместите тарелку в лоток и погрузите ее, эмульсии вверх, в деминерализованный или дистиллированного раствора воды с некоторыми каплями смачивания агента без волнения в течение 1 мин.
- Снимите тарелку с подноса и высушите ее вертикально в течение 15-20 мин.
- Повторите эти операции для каждого из 12 голограмм. Перед записью, для того, чтобы поместить различные объекты в записывающую коробку с большой точностью, применить голографический метод луковой кожи, заменив предыдущую прозрачную голограмму в своем положении записи, и наблюдать оба изображения в то же время под лазером освещение, чтобы проверить, что новый персонаж хорошо расположен.
ПРИМЕЧАНИЕ: Лук шкуры является процедура обычно используется в стоп-движение анимации, чтобы увидеть два различных кадров в то же время.
4. Голограмма уплотнения
ПРИМЕЧАНИЕ: Голограммы защищены второй чистой стеклянной пластиной, запечатанной на голограмму с помощью оптического ультрафиолетового (УФ) клея.
- Используйте скальпель, чтобы соскребать 5 мм эмульсии по краям.
ПРИМЕЧАНИЕ: Эта операция легче, когда пластина еще мокрая. - Ламинировать голограмму до чистой стеклянной пластины одинакового размера (4 дюйма х 5 дюймов), с 1 мл УФ-клея.
ПРИМЕЧАНИЕ: Для облегчения ламинирования, предварительно разогреть клей, голограмму и чистую стеклянную пластину в духовке при температуре 30 градусов по Цельсию в течение 10 минут. - Выставить чистую стеклянную сторону голограммы солнечному свету; УФ-клей затвердеет в течение 5 мин.
ПРИМЕЧАНИЕ: Можно также использовать УФ-лампу, но сильного воздействия УФ следует избегать. - Вымойте запечатанную голограмму водой и мылом, высушите ее салфеткой и очерните заднюю часть с помощью матовой черной краски.
5. Фантатропсборка и эксплуатация
- Установите 12 голограмм в хронологическом порядке в регулярно размещенных кадрах Fantatrope.
ПРИМЕЧАНИЕ: Gentet et al. 20197 описывают производство и эксплуатацию Fantatrope. - Вращайте Fantatrope на постоянной скорости. RGB светодиодный строб свет синхронизирован ы с скоростью вращения последовательно освещает различные кадры, чтобы создать быструю последовательность изображений и создать иллюзию движения.
ПРИМЕЧАНИЕ: Вращения одного хода в секунду достаточно, чтобы получить ощущение движения жидкости.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
3D-контент был создан и циклическая последовательность из двенадцати изображений была себе, и различные элементы были затем 3D печатных и окрашенных (Рисунок 1). Денисюк однолучевой полноцветной оптической установки была собрана для записи голограмм(рисунок 2). После записи, голограммы были разработаны и запечатаны(Рисунок 3), чтобы получить набор из двенадцати ультра-реалистичных полноцветных аналоговых голограмм с 180 "полнопараллакс, показывая такую же яркость, прозрачность и однородные цвета (Рисунок 4). Fantatrope с двенадцатью голограммами, установленными в хронологическом порядке, успешно эксплуатировался и генерировал эффект динамического 3D-дисплея без необходимости в каких-либо специальных средствах просмотра(Видео 1).
Рисунок 1: 3D-контент. (A) Компьютерный характер и фон. (B) Полная циклическая последовательность. (C) 3D печатный характер и фон после картины, фиксированной в записывающей коробке. Эта цифра была изменена с Gentet et al. 20197. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 2: Схематическая однолучевая полноцветная денисюк оптическая голографическая установка. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 3: Разработка и уплотнение голографических пластин. (A) Плита с бледно-оранжевым цветом после развития. (B) Прозрачная пластина с почти без шума после отбеливания. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 4: Заключительные голограммы. (A) Три различных вида на одну из голограмм с 180 "полный параллакс. (B) Заключительный набор из двенадцати голограмм, показывающих ту же яркость, прозрачность и однородные цвета. Эта цифра была изменена с Gentet et al. 20197. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Видео 1: Фантатроп в действии с 12 голограммами, установленными в хронологическом порядке. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Традиционно, стоп-движение фильм использует куклы или глины моделей. Чтобы избежать движения и получить яркое изображение во время записи голограммы, выбирается набор 3D печатных символов и фонов. Кроме того, различные элементы крепятся твердо и без стресса в коробке. Если элемент фиксируется с ограничением или движется во время записи, он будет отображаться черным или бахромой в окончательной голограмме. 3D-печать является очень интересным новым инструментом для создания оригинальных моделей для аналоговой голографии.
Основным преимуществом фотополимерных пленок, таких как Covestro Bayfol HX20014,по сравнению с материалами из серебра- галиды является их сухая обработка. Материал, используемый здесь требует влажной обработки, но он остается быстрым и простым, и использует нетоксичные продукты. Он также имеет гораздо более высокую чувствительность (200 j/cm2 против 20 мДж/см2)и в результате укороченного времени экспозиции предпочтительнее для записи ярких голограмм в аналоговой голографии, чтобы избежать вибрации и проблем движения. Кроме того, многие пользователи, особенно любители или школы, имеют маломощные лазеры (менее 20 мВт); высокочувствительный записывающий материал является важным фактором для получения высококачественной голограммы с коротким временем экспозиции. Субстрат материал также имеет важное значение в определении окончательного качества голограммы, и стекло оказывается лучшим выбором для этого, потому что это механически стабильной и оптически неактивным.
Каждая голограмма, записанная в этой процедуре, разрабатывается с нетоксичными и неокрающими химическими ваннами. Эти химические вещества, которые являются безопасными и простыми в использовании, очень отличаются от опасных, токсичных и экологически вредных, которые обычно используются в голографии. В частности, в рекомендуемом процессе15,созданном 25 лет назад для голографической эмульсии "Славич ПФГ-03С"16,используются такие химические вещества, как формальдегид или катехол, которые являются небезопасными, грязными и сложными в обращении. Кроме того, пластины U04 предварительно затвердевают во время производственного процесса и не требуют каких-либо опасных затвердевных ванн. Большинство других серебряных галидных голографических материалов должны быть обработаны до воздействия с гипер-сенсибилизирующим раствором триэтаноламин (TEA)17 или затвердевания предварительной ванны16, чтобы увеличить их чувствительность, с высоким риском повреждения пластины.
Во время записи предпочтительнее поместить объект и голографическую пластину в горизонтальное положение для лучшей стабильности из-за гравитации. Использование электронного затвора с таймером важно точно контролировать время экспозиции точно и позволить повторения. 10% передержки может производить молочную голограмму, а 10% недостаток времени экспозиции может привести к тусклой голограмме. По мере изменения комнатной температуры или влажности желатин, в котором регистрируются голограммы, может набухать или уменьшаться. Затем цвета и углы реконструкции голограмм изменяются. Поэтому, чтобы предотвратить любые изменения толщины эмульсии, которые могут повлиять на исполнение цвета, каждая голограмма должна быть защищена второй чистой стеклянной пластиной, запечатанной на голограмму с помощью оптического клея.
Этот протокол позволяет получить яркие, красочные, прозрачные и однородные голограммы, и это очень повторяемо. Двенадцать голограмм были записаны в течение нескольких дней, следуя этому методу, и все они представляют те же конечные характеристики, которые позволяют использовать их в Fantatrope. Используя этот протокол, каждый практикующий врач в области аналоговой полноцветной голографии может получить надежные и воспроизводимые результаты.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Филипп Генте, Лён Хуэй Ким, Кванг-Джиб Ким и Сын Хён Ли заявляют, что у них нет конфликта интересов. Yves Gentet является производителем эмульсии, используемой здесь.
Acknowledgments
Настоящее исследование было проведено исследовательским грантом Университета Кванвуна в 2019 году.
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. Three-dimensional display technologies. Advances in Optics and Photonics. 5 (4), 456-535 (2013).
- 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).
