Summary
Vi presenterar ett protokoll för att spela in en uppsättning Ultra-realistiska fyrfärg analoga hologram, som visar samma ljusstyrka, transparens och homogena färger, på Ultra-finkornig silver-Halide holografiska emulsioner för tillverkning av en dynamisk holografisk 3D Visa.
Abstract
Denna uppsats visar en metod för att spela in en uppsättning av tolv Ultra-realistiska fyrfärg analoga hologram presentera samma ljusstyrka, transparens och homogena färger för tillverkning av en Fantatrope, en dynamisk holografisk 3D-display, utan behov av särskilda visnings hjälpmedel. Metoden innebär användning av 3D-skrivare teknik, en enda stråle full-Color Denisyuk optisk installation med tre låg effekt lasrar (röd, grön och blå) och en ISO-pankromatisk högkänslig silver-Halid holografisk emulsion speciellt utformad för inspelning av analoga hologram utan diffusion. En cyklisk animering skapas med ett 3D-datorgrafikprogram och olika element är 3D-tryckta för att bilda modeller för hologrammen. Hologrammen är inspelade med en full-Color holografisk installation och utvecklas med hjälp av två enkla kemiska bad. För att förhindra variationer i emulsionstjocklek är hologrammen förseglade med optiskt lim. Resultaten bekräftar att alla hologram som registrerats med detta protokoll uppvisar samma egenskaper, vilket gör att de kan användas i Fantatrope.
Introduction
Tredimensionella (3D) displayer är ett viktigt forskningsämne1,2,3 och de flesta av de nuvarande metoderna använder stereoskopiska princip4 som orsakar visuella obehag och trötthet5,6. Den Fantatrope är en bekväm ny typ av dynamisk holografisk 3D-skärm som kan visa en kort animation i fyrfärg utan behov av särskilda tittande aids7. En Fantatrope använder en serie av tolv fullfärg hologram som motsvarar de olika faserna i en animation. Alla hologram som används i den här enheten måste vara Ultra-realistiska och uppvisa samma ljusstyrka, transparens och homogena färger. Inspelningen av ett enda högkvalitativt full färgs hologram är fortfarande svårt även för erfarna utövare. Medan val av inspelningsteknik och holografiskt material är viktiga viktiga punkter, finns det flera fler detaljer som är avgörande för att framgångsrikt kunna registrera sådana hologram.
För detta protokoll, en cyklisk sekvens av tolv olika bilder skapas först med en 3D-datorgrafik program och alla element är 3D tryckta för att bli hologram modeller. Dessa hologram är inspelade med Single-beam metod8 infördes av Yuri Denisyuk i 1963 som tillåter inspelning av Ultra-realistiska hologram med en 180 ° full-parallax. En Denisyuk fyrfärg Setup använder tre olika lasrar (röd, grön och blå) kombineras för att få en vit laserstråle. Silver-halidemulsioner är det bästa valet av inspelningsmaterial9 och endast ett fåtal silverhalogenlampor fullfärg emulsioner finns9,10. Dessutom för att spela in den blå våglängd utan oskärpa, en ISO-pankromatisk emulsion med en upplösning på mer än 10 000 linjer/mm krävs.
I detta protokoll är uppsättningen av hologram registreras på 4 tum x 5 tum plattor, med hjälp av ett material som är speciellt utformad för att spela in full-Color analoga hologram utan diffusion och görs isopanchromatic för alla vanliga synliga lasrar som används i färg holografi (se tabell över material). Säden är så fin (4 Nm) att någon synlig våglängd kan registreras inuti utan någon diffusion11. Dessutom är varje hologram utvecklad med en säker, icke-färgning kemisk process som utvecklats för den ultimata emulsioner.
Detta detaljerade protokoll är avsett att hjälpa nya och erfarna utövare inom området analog holografi för att undvika många vanliga fallgropar i samband med inspelning full-Color Denisyuk hologram; Det kan också ge en metod för att lära sig att använda Ultimate silver-Halide holografiskt material och kemikalier för att få tillförlitliga och reproducerbara resultat.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
FÖRSIKTIGHET: alla lämpliga säkerhetsrutiner måste följas vid användning av lasrar12 och kemiska produkter, inklusive användning av personlig skyddsutrustning såsom skyddsglasögon, Glasögon, handskar, och labb rockar.
1. skapande av innehåll
- Modellera olika delar av scenen (karaktär och bakgrund) med 3D-datorgrafik program som Blender, en fri och öppen källkod 3D-programvara verktygsuppsättning.
- Skapa en cyklisk animering med 12 bildruta med 3D-datorgrafikprogrammet.
- 3D skriva ut och måla de olika elementen.
- Skriv ut tecken och bakgrund i samma skala med hjälp av en kondenserad deposition modellering (FDM) svartvit 3D-skrivare13, med en vit polymjölksyra (PLA) glödtråden.
- Använd sandpapper för att eliminera utskriftsfel.
- Hand-måla de olika elementen med akrylfärg.
FÖRSIKTIGHET: för att undvika obehagliga lukter, måla utomhus eller använda ventilation.
- Ställ in inspelnings boxen. Fixa bakgrunden i en styv trälåda för att undvika rörelse och placera de olika 3D utskrivna tecknen inuti en efter en för att möjliggöra inspelningen av de olika 4 tum x 5 tum hologram.
Obs: för att undvika förflyttning under hologram inspelning, fäst de enskilda elementen med lim eller Plasticine, utan att använda stress.
2. inspelning av hologram
- På en optisk tabell, montera en denisyuk Single-beam fyrfärg optisk inställning9,10 för att spela in hologrammen.
Notera: för att spela in de olika hologrammen, de tre RGB-lasrar som används är en röd HeNe, 633 nm, 20 mW; en grön diodpumpad solid-state (DPSS), 532 nm, 100 mW justerad till 20 mW; och en blå DPSS 473 nm 50 mW justerad till 20 mW. Det rumsliga filtret är utrustat med ett 40x, 0,65 na akromatisk Mikroskop mål och en 10 μm hål.- Kombinera 3 laserstrålar (röd, grön och blå) med en X-Cube Prisma för att få en vit laserstråle som passerar genom samma rumsliga filter.
Obs: Använd två speglar för den röda och blå lasrar för att få fyra frihetsgrader och perfekt anpassa de tre balkar. - Från ett avstånd av 1 m och en vinkel på 45 °, belysa inspelnings boxen med avvikande balk.
- Justera avståndet mellan de tre lasrarna från kuben för att få liknande strål diametrar projicerade på objekt planet.
Obs: inspelnings boxen måste belysas med en bred, ren och homogen avvikande vit stråle.
- Kombinera 3 laserstrålar (röd, grön och blå) med en X-Cube Prisma för att få en vit laserstråle som passerar genom samma rumsliga filter.
- Använd en kraftmätare för att justera färgbalansen och bestämma exponeringstiden.
- Mät intensiteten på varje laser horisontellt, vid den holografiska plattans position (se tabell över material). Eftersom plattan materialet är isopanchromatic, justera färgbalansen lika för 3 lasrar.
Obs: den effektmätare som används möjliggör direkt avläsning av kraften i 633 nm röd laser. För 473 nm blå och 532 nm grön lasrar, är det nödvändigt att tillämpa en korrigeringskoefficient (x 0,4 för blått och x 0,6 för grönt). - Bestäm exponeringstiden innan du spelar in hologrammet enligt följande formel:
1 - där t är exponeringstiden (s), H materialets känslighet (J/cm2) och E intensiteten av lasern (W/cm2). E mäts vid den holografiska plattans position med en kraftmätare.
Obs: känsligheten hos de material som används här är 200 μJ/cm2 per laser för ett fullfärg (RGB) hologram. Intensiteten av varje laser vid positionen av den holografiska plattan, mätt med kraftmätaren är 17 μW/cm ² per laser, och exponeringstiden är 12 s enligt formel (1).
- Mät intensiteten på varje laser horisontellt, vid den holografiska plattans position (se tabell över material). Eftersom plattan materialet är isopanchromatic, justera färgbalansen lika för 3 lasrar.
- Stäng laserstrålen med en slutare.
Obs: Använd en elektronisk slutare med en timer för att kontrollera exponeringstiden exakt. - Förbered plattorna.
FÖRSIKTIGHET: hantera plattkanterna med handskar och låt inte hudkontakt med emulsionen när som helst.- Ta bort holografiska plåtar dem från kylskåpet för att undvika en förskjutning och förvara dem i rumstemperatur (20-25 ° c) för 1 h före inspelningen.
Observera: plattorna som används här måste förvaras i kylskåp vid 4 ° c. - Mörkna den övre kanten av plattan med en svart markör för att undvika inre reflektion.
- Ta bort holografiska plåtar dem från kylskåpet för att undvika en förskjutning och förvara dem i rumstemperatur (20-25 ° c) för 1 h före inspelningen.
- Ställ in inspelnings plattan under ett grönt safelight.
- Blås på plattan för att bestämma emulsionssidan. Ånga visas bara på glas sidan.
- Placera den holografiska plattan med emulsionssidan nedåt på inspelnings boxen. Låt den stabiliseras i 5 minuter före inspelningen.
- Öppna avtryckaren för att exponera registrerings plattan, under den tid som tidigare beräknats med formeln (1).
- Förvara den inspelade plattan i en sluten låda bort från ljuset.
13. hologram utveckling
Obs: Hologram är utvecklade med en säker och icke-färgning kemisk process som utvecklats för den ultimata emulsioner.
- När plattan har utsatts, förbereda 100 mL av utvecklaren för en 4 tum x 5 tum tallrik. Blanda utvecklaren på ett förhållande av 1 del utvecklare till 10 delar destillerat eller demineraliserat vatten (1:10).
Anmärkning: utvecklaren är lagerförd i en koncentrerad lösning i en sluten flaska för att förhindra oxidation och behöver spädas med destillerat eller demineraliserat vatten strax före bearbetning. - Värm utvecklaren till 22 ° c exakt.
Observera: vattentemperaturen måste vara lika med eller större än 20 ° c för att utvecklaren ska fungera korrekt. För repetitioner, kontrollera temperaturen före utveckling med en termometer. - Under en grön safelight, placera den exponerade plattan i facket och dränera den snabbt, emulsion-sida upp, in i utvecklaren och agitera långsamt i 4 min exakt. I slutet av utvecklingen, når plattan en blekgul/orange färg.
Obs: utvecklingsprocessen blir synlig några sekunder efter att plattan är helt täckt med utvecklaren. Använd en isolerad bricka med lock för att bibehålla en konstant temperatur under utvecklingen. Ytterligare utveckling för att försöka få en svart densitet krävs inte. - Ta bort utvecklaren och tvätta plattan i dess bricka under rinnande kranvatten för 30 s, vilket gör att vattnet svämma över i en diskbänk.
- Under normalt ljus, placera den utvecklade plattan i facket och dränks den snabbt, emulsion-sida upp, i blekmedel utan agitation tills plattan blir helt transparent. Blekningsprocessen blir synlig några sekunder efter att plattan är helt nedsänkt.
Anmärkning: den typiska bleknings tiden är 3 till 5 min vid rumstemperatur (20 – 25 ° c). - Ta bort blekmedel och tvätta plattan i sin bricka under rinnande kranvatten i 2 min, vilket gör att vattnet svämma över i en diskbänk.
Anmärkning: när plattan fortfarande är i vått tillstånd efter blekning, kan ett hologram observeras genom överföring med en halogen spot. När hologrammet lyckas visas den här bilden mycket stark. - Placera plattan i facket och dränera den, emulsion-sida upp, i en demineraliserad eller destillerat vattenlösning med några droppar vätmedel utan agitation för 1 min.
- Ta bort plattan från facket och torka den vertikalt för 15-20 min.
- Upprepa dessa åtgärder för vart och ett av de 12 hologrammen. Innan inspelningen, för att placera de olika objekten i inspelnings boxen med stor precision, tillämpa en holografisk lök-Skin metod genom att ersätta det tidigare genomskinliga hologrammet vid sin inspelnings position, och observera båda bilderna samtidigt under laser belysningen för att kontrollera att den nya karaktären är väl positionerad.
Obs: lök flås är en procedur som vanligtvis används i stop-motion animation för att se två olika ramar på samma gång.
4. hologram tätning
Obs: hologrammen skyddas av en andra ren glasplatta förseglad på hologrammet med optisk ultraviolett (UV) lim.
- Använd en skalpell för att skrapa bort 5 mm av emulsionen runt kanterna.
Obs: denna operation är lättare när plattan fortfarande är våt. - Laminera hologrammet till en ren glasplatta av samma storlek (4 tum x 5 tum), med 1 mL UV-lim.
Anmärkning: för att underlätta laminering, Värm upp limmet, hologrammet och den rena glasplattan i en ugn vid 30 ° c i 10 min. - Exponera den rena glas sidan av hologrammet för solljus; UV-lim kommer att härda inom 5 min.
Obs: det är också möjligt att använda en UV-lampa, men stark UV-exponering bör undvikas. - Tvätta det förseglade hologrammet med vatten och tvål, torka det med mjukpapper och svartmåla bak bilden med matt svart sprayfärg.
5. fantatrope montering och drift
- Montera de 12 hologrammen i kronologisk ordning i regelbundet placerade ramar av en Fantatrope.
Anmärkning: GENTET et al. 20197 beskriva tillverkning och drift av en Fantatrope. - Rotera Fantatrope med konstant hastighet. En RGB LED strobe ljus synkroniseras med rotationshastigheten successivt belyser de olika ramarna för att skapa en snabb följd av bilder och producera illusionen av rörelse.
Anmärkning: en rotation av en sväng per sekund är tillräckligt för att få känslan av en flytande rörelse.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
3D-innehåll skapades och en cyklisk sekvens av tolv bilder föreställdes, och de olika elementen var då 3D tryckta och målade (figur 1). En Denisyuk Single-beam fyrfärg optisk inställning samlades för att spela in hologram (figur 2). Efter inspelningen har hologrammen utvecklats och tätats (figur 3) för att få en uppsättning av tolv Ultra-realistiska fyrfärgade analoga hologram med en 180 ° full-parallax, som visar samma ljusstyrka, transparens och homogena färger (figur 4). Den Fantatrope med de tolv hologrammen monterade i kronologisk ordning framgångsrikt fungerade och genererade effekten av en dynamisk 3D-skärm utan behov av någon speciell tittande hjälpmedel (video 1).
Bild 1:3D-innehåll. (A) datorgenererade tecken och bakgrund. B) den fullständiga cykliska sekvensen. (C) 3D tryckt karaktär och bakgrund efter målning, fast i inspelnings boxen. Denna siffra har modifierats från GENTET et al. 20197. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2: Schematisk enkelstråle i full färg Denisyuk optisk holografisk inställning. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3: utveckling och tätning av holografiska plåtar. (A) tallrik med blek orange färg efter utveckling. B) transparent plåt med nästan inget brus efter blekning. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 4: slutliga hologram. (A) tre olika vyer av ett av hologrammen med en 180 ° full-parallax. Bslutlig uppsättning av de tolv hologrammen som uppvisar samma ljusstyrka, transparens och homogena färger. Denna siffra har modifierats från GENTET et al. 20197. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Video 1: Fantatrope i drift med de 12 hologrammen monterade i kronologisk ordning. Vänligen klicka här för att ladda ner denna fil.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Traditionellt, stop-motion film använder marionetter eller lermodeller. För att undvika rörelse och få en ljus bild vid tiden för hologram inspelning väljs en uppsättning 3D-utskrivna tecken och bakgrunder. Dessutom är de olika elementen fästa fast och utan stress i lådan. Om ett element är fast med tvång eller flyttar under inspelningen, kommer det att visas svart eller FRANSAD i det sista hologrammet. 3D-utskrifter är ett mycket intressant nytt verktyg för att skapa originella modeller för analog holografi.
Den största fördelen med fotopolymer filmer, som covestro bayfol HX20014, över silver-Halide material är deras torra bearbetning. Det material som används här kräver våt bearbetning, men det är fortfarande snabbt och enkelt, och använder giftfria produkter. Den har också en mycket högre känslighet (200 μJ/cm2 kontra 20 MJ/cm2) och den resulterande förkortade exponeringstiden är att föredra för inspelning av ljusa hologram i analog holografi för att undvika vibrationer och rörelseproblem. Dessutom, många användare, särskilt hobbyister eller skolor, har låg effekt lasrar (mindre än 20 mW); mycket känsligt inspelningsmaterial är en viktig faktor för att få ett hologram av hög kvalitet med en kort exponeringstid. Underlaget materialet är också viktigt för att bestämma den slutliga hologram kvalitet, och glas visar sig vara det bästa valet för detta eftersom det är mekaniskt stabilt och optiskt inaktiva.
Varje hologram som registreras i detta förfarande har utvecklats med giftfria och icke-färgning kemiska bad. Dessa kemikalier, som är säkra och lätta att använda, skiljer sig mycket från de farliga, giftiga och miljömässigt skadliga sådana som vanligtvis används i holografi. I synnerhet den rekommenderade processen15, som inrättades för 25 år sedan för den ryska slavich PFG-03c holografisk emulsion16, använder kemikalier som formaldehyd eller katekol, som är osäkra, rörigt och svårt att hantera. Dessutom är U04 plattor förhärdat under tillverkningsprocessen och kräver inga farliga härdnings bad. De flesta andra silver-Halid holografiska material måste behandlas före exponering med en Hyper-sensibiliserande lösning av trietanolamin (te)17 eller en härdning pre-Bath16 för att öka deras känslighet, med en hög risk för att skada plattan.
Under inspelningen är det bättre att placera objektet och den holografiska plattan i horisontellt läge för att förbättra stabiliteten på grund av gravitationen. Att använda en elektronisk slutare med en timer är viktigt för att exakt kontrollera exponeringstiden exakt och möjliggöra upprepning. En 10% överexponering kan producera en mjölkaktig hologram, och en 10% brist på exponeringstid kan ge ett dim hologram. Som rumstemperatur eller luftfuktighet förändring, gelatin där hologrammen registreras kan svälla eller krympa. Färgar och rekonstruktion metar av hologrammen ändras därefter. För att undvika variationer i emulsionsnittjockleken som kan påverka färgåtergivningen måste varje hologram skyddas av en andra ren glasplatta förseglad med ett optiskt lim i hologrammet.
Detta protokoll tillåter ljusa, färgglada, transparenta och homogena hologram som kan erhållas, och det är mycket repeterbara. De tolv hologrammen spelades in under flera dagar, efter denna metod, och de uppvisar alla samma slutgiltiga egenskaper, vilket gör att de kan användas i Fantatrope. Med hjälp av detta protokoll kan varje utövare inom området analog fullfärg holografi få pålitliga och reproducerbara resultat.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Philippe GENTET, Lyoung-Hui Kim, Kwang-jib Kim och Seung-Hyun Lee förklarar att de inte har någon intressekonflikt. Yves GENTET är tillverkaren av emulsionen som används här.
Acknowledgments
Den nuvarande forskningen utfördes av Forskningsbidraget från Kwangwoon University 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).
