Summary
Vi presentiamo un protocollo per registrare una serie di ologrammi analogici a colori ultra realistici, che mostrano la stessa luminosità, trasparenza e colori omogenei, su emulsioni olografiche ultra-sottili di alodi d'argento per la fabbricazione di un 3D olografico dinamico Visualizzazione.
Abstract
Questo documento dimostra un metodo per registrare un insieme di dodici ologrammi analogici a colori a colori ultrarealistici che presentano la stessa luminosità, trasparenza e colori omogenei per la fabbricazione di un Fantatrope, un display 3D olografico dinamico, senza la necessità di speciali ausili per la visualizzazione. Il metodo prevede l'uso della tecnologia della stampante 3D, un'installazione ottica Denisyuk a fascio singolo con tre laser a bassa potenza (rosso, verde e blu) e un'emulsione olografica ilografica iso-panchromatica ad alta sensibilità registrando ologrammi analogici senza alcuna diffusione. Un'animazione ciclica viene creata con un programma di computer grafica 3D e diversi elementi sono stampati in 3D per formare modelli per gli ologrammi. Gli ologrammi sono registrati con una configurazione olografica a colori e sviluppati utilizzando due semplici bagni chimici. Per evitare variazioni di spessore dell'emulsione, gli ologrammi sono sigillati con colla ottica. I risultati confermano che tutti gli ologrammi registrati con questo protocollo presentano le stesse caratteristiche, che permettono loro di essere utilizzati nella Fantatrope.
Introduction
I display tridimensionali (3D) sono un importante argomento di ricerca1,2,3 e la maggior parte degli approcci attuali utilizzano il principio stereoscopico4 che causa disagio visivo e affaticamento5,6. Il Fantatrope è un comodo nuovo tipo di display 3D olografico dinamico che può mostrare una breve animazione a colori senza la necessità di speciali aiuti di visualizzazione7. Un Fantatrope utilizza una serie di dodici ologrammi a colori corrispondenti alle diverse fasi di un'animazione. Tutti gli ologrammi utilizzati in questo dispositivo devono essere ultra-realistici e presentare gli stessi colori omogenei. La registrazione di un singolo ologramma a colori di alta qualità rimane difficile anche per i professionisti esperti. Mentre le scelte della tecnica di registrazione e del materiale olografico sono punti chiave importanti, ci sono molti altri dettagli che sono cruciali per registrare con successo tali ologrammi.
Per questo protocollo, una sequenza ciclica di dodici immagini diverse viene prima creata con un programma di grafica computerizzata 3D e tutti gli elementi sono stampati in 3D per diventare modelli ologrammi. Questi ologrammi sono registrati con il metodo a fascio singolo8 introdotto da Yuri Denisyuk nel 1963 che permette la registrazione di ologrammi ultra-realistici con una parallasse completa di 180 gradi. Una configurazione a colori Denisyuk utilizza tre diversi laser (rosso, verde e blu) combinati per ottenere un raggio laser bianco. Le emulsioni Silver-halide sono la scelta migliore di materiale di registrazione9 e solo poche emulsioni a colori di argento-alode sono disponibili9,10. Inoltre, per registrare la lunghezza d'onda blu senza sfocatura, è necessaria un'emulsione iso-pancromatica con una risoluzione di oltre 10.000 linee/mm.
In questo protocollo, l'insieme di ologrammi sono registrati su lastre da 4 pollici x 5 pollici, utilizzando un materiale appositamente progettato per la registrazione di ologrammi analogici a colori senza alcuna diffusione ed è reso isopanchromomatico per tutti i laser visibili comuni utilizzati nell'olografia a colori (vedi Tabella dei materiali). La granulosità è così fine (4 nm) che qualsiasi lunghezza d'onda visibile può essere registrata all'interno senza alcuna diffusione11. Inoltre, ogni ologramma viene sviluppato utilizzando un processo chimico sicuro, non macchiato sviluppato per le emulsioni finali.
Questo protocollo dettagliato ha lo scopo di aiutare i professionisti nuovi ed esperti nel campo dell'olografia analogica per evitare molte insidie comuni associate alla registrazione di ologrammi Denisyuk a colori; può anche fornire un approccio per imparare a utilizzare materiali olografici e sostanze chimiche per ottenere materiali olografici ad alodi d'argento per ottenere risultati affidabili e riproducibili.
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Protocol
AVVISO: tutte le pratiche di sicurezza appropriate devono essere seguite quando si utilizzano laser12 e prodotti chimici, compreso l'uso di dispositivi di protezione personale come occhiali di sicurezza, occhiali, guanti e camici da laboratorio.
1. Creazione di contenuti
- Modella i diversi elementi della scena (carattere e sfondo) con programmi di computer grafica 3D come Blender, un set di strumenti software 3D gratuito e open source.
- Crea un'animazione ciclica di 12 fotogrammi con il programma di computer grafica 3D.
- Stampa e dipingi in 3D i diversi elementi.
- Stampare caratteri e sfondo sulla stessa scala utilizzando una stampante 3D monocromatica FDM (FDM) fsorprendente13, con un filamento di acido polilattico bianco (PLA).
- Utilizzare carta vetrata per eliminare i difetti di stampa.
- Dipingere a mano i diversi elementi con vernice acrilica.
AVVISO: Per evitare odori sgradevoli, dipingere all'aperto o utilizzare la ventilazione.
- Impostare la casella di registrazione. Fissare lo sfondo in una scatola di legno rigida per evitare il movimento e posizionare i diversi caratteri stampati in 3D uno dopo l'altro per consentire la registrazione dei diversi ologrammi da 4 pollici x 5 pollici.
NOTA: Per evitare movimenti durante la registrazione ologramma, fissare saldamente i singoli elementi utilizzando colla o plastilina, senza applicare lo stress.
2. Registrazione ologramma
- Su un tavolo ottico, assemblare un Denisyuk single-beam full-color optical setup9,10 per registrare gli ologrammi.
NOTA: Per registrare i diversi ologrammi, i tre laser RGB utilizzati sono un HeNe rosso, 633 nm, 20 mW; uno stato solido (DPSS) pompato a diodo verde, 532 nm, 100 mW regolato a 20 mW; e un DPSS 473 nm 50 mW blu regolato a 20 mW. Il filtro spaziale è dotato di un obiettivo al microscopio acromatico da 40x, 0,65 NA e di un foro stenopeico di 10 m.- Combina i 3 raggi laser (rosso, verde e blu) con un prisma X-cube per ottenere un raggio laser bianco che passa attraverso lo stesso filtro spaziale.
NOTA: Utilizzare due specchi per i laser rossi e blu per ottenere quattro gradi di libertà e allineare perfettamente i tre raggi. - Da una distanza di 1 m e da un angolo di 45 gradi, illuminare la scatola di registrazione con il fascio divergente.
- Regolare la distanza dei tre laser dal cubo per ottenere diametri di fascio simili proiettati sul piano dell'oggetto.
NOTA: La scatola di registrazione deve essere illuminata con un fascio bianco divergente ampio, pulito e omogeneo.
- Combina i 3 raggi laser (rosso, verde e blu) con un prisma X-cube per ottenere un raggio laser bianco che passa attraverso lo stesso filtro spaziale.
- Utilizzare un misuratore di potenza per regolare il bilanciamento del colore e determinare il tempo di esposizione.
- Misurare l'intensità di ogni laser orizzontalmente, nella posizione della piastra olografica (vedere Tabella dei materiali). Poiché il materiale della piastra è isopanchromatico, regolare equamente il bilanciamento del colore per i 3 laser.
NOTA: Il misuratore di potenza utilizzato consente la lettura diretta della potenza del laser rosso 633 nm. Per i laser blu da 473 nm e 532 nm verdi, è necessario applicare un coefficiente di correzione (x0.4 per blu e x0.6 per il verde). - Determinare il tempo di esposizione prima di registrare l'ologramma, in base alla seguente formula:
(1) - dove t è il tempo di esposizione (s), H la sensibilità del materiale (J/cm2) ed E l'intensità del laser (W/cm2). E viene misurato nella posizione della piastra olografica con un misuratore di potenza.
NOTA: La sensibilità dei materiali utilizzati qui è di 200 j/cm2 per laser per un ologramma a colori (RGB). L'intensità di ogni laser nella posizione della piastra olografica, misurata con il misuratore di potenza è di 17 W/cm2 per laser, e il tempo di esposizione è di 12 s secondo formula (1).
- Misurare l'intensità di ogni laser orizzontalmente, nella posizione della piastra olografica (vedere Tabella dei materiali). Poiché il materiale della piastra è isopanchromatico, regolare equamente il bilanciamento del colore per i 3 laser.
- Chiudere il raggio laser con un otturatore.
NOTA: Utilizzare un otturatore elettronico con un timer per controllare con precisione il tempo di esposizione. - Preparare i piatti.
AVVISO: Maneggiare i bordi della piastra con i guanti e non consentire il contatto cutaneo con l'emulsione in qualsiasi momento.- Rimuovere i piatti olografici dal frigorifero per evitare un turno e conservarli a temperatura ambiente (20-25 gradi centigradi) per 1 h prima della registrazione.
NOTA: Le piastre utilizzate qui devono essere refrigerate a 4 gradi centigradi. - Scurire il bordo superiore della piastra con un pennarello nero per evitare la riflessione interna.
- Rimuovere i piatti olografici dal frigorifero per evitare un turno e conservarli a temperatura ambiente (20-25 gradi centigradi) per 1 h prima della registrazione.
- Impostare la piastra di registrazione sotto un safelight verde.
- Soffiare sulla piastra per determinare il lato di emulsione. Il vapore appare solo sul lato vetro.
- Posizionare l'emulsione della piastra olografica verso il basso sulla scatola di registrazione. Lasciare stabilizzare per 5 min prima della registrazione.
- Aprire l'otturatore per esporre la piastra di registrazione, durante il tempo precedentemente calcolato con la formula (1).
- Tenere la piastra registrata in una scatola chiusa lontano dalla luce.
(1)3. Sviluppo ologramma
NOTA: Gli ologrammi sono sviluppati con un processo chimico sicuro e non macchiante sviluppato per le emulsioni finali.
- Una volta che la piastra è stata esposta, preparare 100 mL di sviluppatore per una piastra da 4 pollici x 5 pollici. Mescolare lo sviluppatore a un rapporto di 1 parte sviluppatore a 10 parti di stilled o demineralizzato acqua (1:10).
NOTA: Lo sviluppatore viene fornito in una soluzione concentrata in una bottiglia chiusa per prevenire l'ossidazione e deve essere diluito con acqua distillata o demineralizzata appena prima della lavorazione. - Riscaldare con precisione lo sviluppatore a 22 gradi centigradi.
NOTA: per il corretto funzionamento della temperatura dell'acqua deve essere uguale o superiore a 20 gradi centigradi. Per le ripetizioni, controllare la temperatura prima dello sviluppo con un termometro. - Sotto una luce verde, posizionare la piastra esposta nel vassoio e immergerla rapidamente, emulsione-side up, nello sviluppatore e agitare lentamente per 4 min con precisione. Alla fine dello sviluppo, la piastra raggiunge un colore giallo/arancio pallido.
NOTA: il processo di sviluppo diventa visibile pochi secondi dopo che la piastra è completamente coperta con lo sviluppatore. Utilizzare un vassoio isolato con coperchio per mantenere una temperatura costante durante lo sviluppo. Non è necessario un ulteriore sviluppo per tentare di ottenere una densità di nero. - Rimuovere lo sviluppatore e lavare la piastra nel suo vassoio sotto l'acqua del rubinetto corrente per 30 s, permettendo all'acqua di traboccare in un lavandino.
- Sotto la luce normale, posizionare la piastra sviluppata nel vassoio e immergerla rapidamente, emulsione-side up, nella candeggina senza agitazione fino a quando la piastra diventa completamente trasparente. Il processo di sbiancamento diventa visibile pochi secondi dopo che la piastra è completamente sommersa.
NOTA: Il tempo di sbiancamento tipico è di 3-5 min a temperatura ambiente (20-25 gradi centigradi). - Rimuovere la candeggina e lavare la piastra nel suo vassoio sotto l'acqua del rubinetto corrente per 2 min, permettendo all'acqua di traboccare in un lavandino.
NOTA: Quando la piastra è ancora in uno stato umido dopo lo sbiancamento, un ologramma può essere osservato per trasmissione con uno spot alogeno. Quando l'ologramma ha successo, questa immagine apparirà molto forte. - Mettere la piastra nel vassoio e immergerla, emulsione-lato verso l'alto, in una soluzione di acqua demineralizzata o distillata con alcune gocce di agente bagnante senza agitazione per 1 min.
- Togliere la piastra dal vassoio e asciugarla verticalmente per 15-20 min.
- Ripetere queste operazioni per ciascuno dei 12 ologrammi. Prima della registrazione, al fine di posizionare i diversi oggetti nella scatola di registrazione con grande precisione, applicare un metodo olografico a cipolla sostituendo il precedente ologramma trasparente nella sua posizione di registrazione e osservare entrambe le immagini allo stesso tempo sotto il laser per verificare che il nuovo carattere sia ben posizionato.
NOTA: Onion skinning è una procedura solitamente utilizzata nell'animazione stop-motion per vedere due fotogrammi diversi contemporaneamente.
4. Sigillamento ologramma
NOTA: Gli ologrammi sono protetti da una seconda lastra di vetro pulita sigillata all'ologramma utilizzando la colla ottica ultravioletta (UV).
- Utilizzare un bisturi per raschiare via 5 mm dell'emulsione intorno ai bordi.
NOTA: Questa operazione è più facile quando la piastra è ancora bagnata. - Laminare l'ologramma a una lastra di vetro pulita di uguale dimensione (4 pollici x 5 pollici), con 1 mL di colla UV.
NOTA: Per facilitare la la laminazione, preriscaldare la colla, l'ologramma e la lastra di vetro pulito in un forno a 30 gradi centigradi per 10 minuti. - Esporre il lato vetro pulito dell'ologramma alla luce solare; la colla UV si indurisce entro 5 min.
NOTA: È anche possibile utilizzare una lampada UV, ma è necessario evitare una forte esposizione ai raggi UV. - Lavare l'ologramma sigillato con acqua e sapone, asciugarlo con carta velina e annerire la parte posteriore con vernice spray nera opaca.
5. Assemblaggio e funzionamento della fantatrope
- Montare i 12 ologrammi in ordine cronologico nei telai regolarmente posizionati di un Fantatrope.
NOTA: Gentet et al. 20197 descrivono la fabbricazione e il funzionamento di un Fantatrope. - Ruotare la Fantatrope a velocità costante. Una luce stroboscopica A LED RGB sincronizzata con la velocità di rotazione illumina successivamente i diversi fotogrammi per creare una rapida successione di immagini e produrre l'illusione del movimento.
NOTA: Una rotazione di un giro al secondo è sufficiente per ottenere il senso di un movimento fluido.
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Representative Results
È stato creato il contenuto 3D ed è stata immaginata una sequenza ciclica di dodici immagini, e i diversi elementi sono stati poi stampati e dipinti in 3D (Figura 1). Un setup ottico a colori a fascio singolo Denisyuk è stato assemblato per registrare ologrammi (Figura 2). Dopo la registrazione, gli ologrammi sono stati sviluppati e sigillati (Figura 3) per ottenere un insieme di dodici ologrammi analogici a colori ultrarealistici con una parallasse completa di 180 gradi, mostrando la stessa luminosità, trasparenza e colori omogenei (Figura 4). Il Fantatrope con i dodici ologrammi montati in ordine cronologico è stato azionato con successo e ha generato l'effetto di un display 3D dinamico senza la necessità di speciali ausili di visualizzazione (Video 1).
Figura 1: Contenuto 3D. (A) Carattere e sfondo generati dal computer. (B) La sequenza ciclica completa. (C) carattere stampato in 3D e sfondo dopo la pittura, fissato nella casella di registrazione. Questa cifra è stata modificata da Gentetet al. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2: Configurazione olografica ottica Denisyuk a fascio singolo schematica a colori. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3: Sviluppo e sigillamento di piastre olografiche. (A) Piastra con un colore arancione pallido dopo lo sviluppo. (B) Piastra trasparente con quasi nessun rumore dopo lo sbiancamento. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 4: Ologrammi finali. (A) Tre diverse opinioni di uno degli ologrammi con una parallasse completa di 180 gradi. (B) Set finale dei dodici ologrammi che mostrano la stessa luminosità, trasparenza e colori omogenei. Questa cifra è stata modificata da Gentetet al. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Video 1: Fantatrope in funzione con i 12 ologrammi montati in ordine cronologico. Fare clic qui per scaricare questo file.
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Discussion
Tradizionalmente, il film in stop-motion utilizza pupazzi o modelli di argilla. Per evitare il movimento e ottenere un'immagine luminosa al momento della registrazione ologramma, viene scelta una serie di caratteri stampati in 3D e sfondi. Inoltre, i diversi elementi sono attaccati saldamente e senza stress nella scatola. Se un elemento è fissato con vincolo o si muove durante la registrazione, apparirà nero o frange nell'ologramma finale. La stampa 3D è un nuovo strumento molto interessante per la creazione di modelli originali per l'olografia analogica.
Il vantaggio principale delle pellicole fotopolimeriche, come Covestro Bayfol HX20014, su materiali aloalati d'argento è la loro lavorazione a secco. Il materiale utilizzato qui richiede una lavorazione a umido, ma rimane veloce e semplice e utilizza prodotti non tossici. Ha anche una sensibilità molto più alta (200 J/cm2 contro 20 mJ/cm2) e il tempo di esposizione accorciato risultante è preferito per la registrazione di ologrammi luminosi nell'olografia analogica per evitare problemi di vibrazione e movimento. Inoltre, molti utenti, in particolare hobbisti o scuole, hanno laser a bassa potenza (meno di 20 mW); materiale di registrazione altamente sensibile è un fattore importante per ottenere un ologramma di alta qualità con un breve tempo di esposizione. Il materiale del substrato è importante anche per determinare la qualità finale dell'ologramma, e il vetro si dimostra la scelta migliore per questo perché è meccanicamente stabile e otticamente inattivo.
Ogni ologramma registrato in questa procedura viene sviluppato con bagni chimici non tossici e non macchianti. Queste sostanze chimiche, che sono sicure e facili da usare, sono molto diverse da quelle pericolose, tossiche e dannose per l'ambiente generalmente utilizzate nell'olografia. In particolare, il processo raccomandato15, stabilito 25 anni fa per il russo Slavich PFG-03C emulsione olografica16, utilizza sostanze chimiche come formaldeide o catechol, che sono non sicuri, disordinato e difficile da gestire. Inoltre, le piastre U04 sono pre-indurite durante il processo di produzione e non richiedono bagni di indurimento pericolosi. La maggior parte degli altri materiali olografici ad alodi d'argento devono essere trattati prima dell'esposizione con una soluzione iper-sensibilizzante di trietanolamina (TEA)17 o un indurimento pre-bagno16 per aumentare la loro sensibilità, con un alto rischio di danneggiare la piastra.
Durante la registrazione, è preferibile posizionare l'oggetto e la piastra olografica in posizione orizzontale per una migliore stabilità dovuta alla gravità. L'uso di un otturatore elettronico con un timer è importante per controllare con precisione il tempo di esposizione e consentire la ripetizione. Una sovraesposizione del 10% può produrre un ologramma lattiginoso, e una mancanza del 10% del tempo di esposizione può produrre un ologramma debole. Con il cambiamento della temperatura ambiente o dell'umidità, la gelatina in cui vengono registrati gli ologrammi può gonfiarsi o ridursi. I colori e gli angoli di ricostruzione degli ologrammi vengono quindi modificati. Pertanto, per evitare eventuali variazioni di spessore dell'emulsione che possono influenzare la resa del colore, ogni ologramma deve essere protetto da una seconda lastra di vetro pulito sigillata all'ologramma utilizzando la colla ottica.
Questo protocollo consente di ottenere ologrammi luminosi, colorati, trasparenti e omogenei, ed è altamente ripetibile. I dodici ologrammi sono stati registrati per diversi giorni, seguendo questo metodo, e tutti presentano le stesse caratteristiche finali, che permettono loro di essere utilizzati nella Fantatrope. Utilizzando questo protocollo, ogni praticante nel campo dell'olografia analogica a colori può ottenere risultati affidabili e riproducibili.
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Disclosures
Philippe Gentet, Lyoung-Hui Kim, Kwang-Jib Kim e Seung-Hyun Lee dichiarano di non avere alcun conflitto di interessi. Yves Gentet è il produttore dell'emulsione utilizzata qui.
Acknowledgments
L'attuale ricerca è stata condotta dal Research Grant dell'Università di Kwangwoon nel 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
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