Запись ультра-реалистичных полноцветных аналоговых голограмм для использования в движущемся голограмме

Engineering

Your institution must subscribe to JoVE's Engineering section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

 

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.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations | Reprints and Permissions

Gentet, P., Gentet, Y., Kim, L. H., Kim, K. J., Lee, S. H. Recording Ultra-Realistic Full-Color Analog Holograms for Use in a Moving Hologram Display. J. Vis. Exp. (155), e60459, doi:10.3791/60459 (2020).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

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

  1. 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.
  2. Создайте 12-кадровую циклическую анимацию с помощью 3D-программы компьютерной графики.
  3. 3D печать и краска различных элементов.
    1. Печать символов и фона в том же масштабе с использованием сросшиеся осаждения моделирования (FDM) монохромный 3D принтер13, с белой полилактической кислоты (PLA) нить.
    2. Используйте наждачной бумагой для устранения дефектов печати.
    3. Ручная краска различных элементов с акриловой краской.
      ВНИМАНИЕ: Чтобы избежать неприятных запахов, краска на открытом воздухе или использовать вентиляцию.
  4. 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

  1. 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.
    1. 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.
    2. С расстояния 1 м и угла 45 ", осветите запись окна с дивергентным лучом.
    3. 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.
  2. Используйте счетчик мощности, чтобы настроить цветовой баланс и определить время экспозиции.
    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.
      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).
    2. Определить время экспозиции перед записью голограммы, в соответствии со следующей формулой:
      Equation 1(1)
    3. 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).
  3. Закройте лазерный луч затвором.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Используйте электронный затвор с таймером, чтобы точно контролировать время экспозиции.
  4. Приготовьте тарелки.
    ВНИМАНИЕ: Обвиссите краями пластины с помощью перчаток и не допускайте контакта кожи с эмульсией в любое время.
    1. 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.
    2. Затемните верхний край пластины черным маркером, чтобы избежать внутреннего отражения.
  5. Настройка записывающей пластины под зеленым сейфом.
    1. Удар по пластине, чтобы определить сторону эмульсии. Пар появляется только на стеклянной стороне.
    2. Поместите голографическую эмульсию вниз на запись коробки. Дайте ему стабилизироваться в течение 5 минут перед записью.
  6. Откройте затвор, чтобы выставить записывающую пластину, в течение времени, предварительно рассчитанного с формулой (1).
  7. Храните записанную тарелку в закрытой коробке подальше от света.

3. Развитие голограммы

ПРИМЕЧАНИЕ: Голограммы разрабатываются с безопасным и неокражая химический процесс, разработанный для конечной эмульсии.

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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.
  4. Снимите застройщика и промойте тарелку в подносе под проточной водопроводной водой в течение 30 с, что позволит воде перетекать в раковину.
  5. 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).
  6. 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.
  7. 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.
  8. Снимите тарелку с подноса и высушите ее вертикально в течение 15-20 мин.
  9. 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.

  1. Используйте скальпель, чтобы соскребать 5 мм эмульсии по краям.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Эта операция легче, когда пластина еще мокрая.
  2. 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.
  3. 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.
  4. Вымойте запечатанную голограмму водой и мылом, высушите ее салфеткой и очерните заднюю часть с помощью матовой черной краски.

5. Фантатропсборка и эксплуатация

  1. Установите 12 голограмм в хронологическом порядке в регулярно размещенных кадрах Fantatrope.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Gentet et al. 20197 описывают производство и эксплуатацию Fantatrope.
  2. 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).

Figure 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.

Figure 2
Рисунок 2: Схематическая однолучевая полноцветная денисюк оптическая голографическая установка. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Figure 3
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.

Figure 4
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.

Video 1
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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Geng, J. Three-dimensional display technologies. Advances in Optics and Photonics. 5, (4), 456-535 (2013).
  2. Lim, Y., et al. 360-degree tabletop electronic holographic display. Optics Express. 24, (22), 2499 (2016).
  3. Sugie, T., et al. High-performance parallel computing for next-generation holographic imaging. Nature Electronics. 1, (4), 254 (2018).
  4. Ogle, K. N. Some aspects of stereoscopic depth perception. JOSA. 57, 1073-1081 (1967).
  5. Read, J. C. A., et al. Balance and coordination after viewing stereoscopic 3D television. Royal Society Open Science. 2, 140522 (2015).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. Bjelkhagen, H. I., Brotherton-Ratcliffe, D. Ultra-realistic imaging: advanced techniques in analogue and digital colour holography. CRC Press. Boca Raton, FL. (2013).
  10. Graham, S., Zacharovas, S. Practical Holography, Fourth Edition. CRC Press. Boca Raton, FL. (2015).
  11. 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).
  12. International Electrotechnical Commission. IEC 60825-1: 2014. Safety of laser products-Part 1: Equipment classification and requirements. IEC Geneva. 3, (2014).
  13. Kun, K. Reconstruction and development of a 3D printer using FDM technology. Procedia Engineering. 149, 203-211 (2016).
  14. Covestro Deutschland AG, Bayfol HX200 Datasheet. (2018).
  15. Bjelkhagen, H. I. Silver Halide Recording Materials for Holography and Their Processing. Springer Series in Optical Sciences. 66, Springer-Verlag. Heidelberg, New York. (1993).
  16. Slavich Joint Stock Company. Russia. Available from: www.slavich.com (2019).
  17. Colour Holographic Ltd. UK. Available from: www.colourholographic.com (2019).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics