录制超逼真的全彩色模拟全息图,用于移动全息图显示

Engineering

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Summary

我们提出一个协议,用于记录一组超逼真的全彩色模拟全息图,显示相同的亮度、透明度和均匀色,在超细粒银卤化物全息乳液上,用于制造动态全息 3D显示。

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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).

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Abstract

本文演示了一种记录一组 12 个超逼真的全彩色全彩模拟全息图的方法,该图呈现相同的亮度、透明度和均匀色,用于制造 Fantatrope(动态全息 3D 显示器),无需特殊的查看辅助工具。该方法涉及使用 3D 打印机技术、单光束全彩色 Denisyuk 光学设置,配备三种低功耗激光器(红色、绿色和蓝色),以及专为记录模拟全息图,没有任何扩散。使用 3D 计算机图形程序创建循环动画,并将不同的元素打印为全息图的模型。全息图采用全彩全息设置进行记录,并使用两个简单的化学浴场进行开发。为了防止任何乳液厚度的变化,全息图用光学胶水密封。结果证实,使用该协议记录的所有全息图都具有相同的特性,这使得它们可用于Fantatrope。

Introduction

三维(3D)显示器是一个重要的研究课题1,2,3和大多数目前的方法使用立体原理4,导致视觉不适和疲劳5,6。Fantatrope是一种方便的新型动态全息3D显示屏,可以全彩显示一个简短的动画,无需特殊的观看辅助设备7。Fantatrope 使用一系列 12 个全彩色全息图,对应于动画的不同阶段。此设备中使用的所有全息图必须超逼真,并呈现相同的亮度、透明度和均匀色。即使对于经验丰富的从业人员来说,记录一个高质量的全彩色全息图仍然很困难。虽然记录技术和全息材料的选择是重要的关键点,但有几个细节是成功记录这种全息图的关键。

对于此协议,首先使用 3D 计算机图形程序创建由 12 个不同图像组成的循环序列,所有元素都打印成全息模型。这些全息图采用尤里·丹尼纽克于1963年推出的单光束方法8进行记录,该方法允许使用180°全视差记录超逼真的全息图。Denisyuk 全彩色设置使用三种不同的激光(红色、绿色和蓝色)组合来获得白色激光束。银卤化物乳液是记录材料9的最佳选择,只有一些银卤化物全色乳液可用9,10。此外,为了在不模糊的情况下记录蓝色波长,需要分辨率超过 10,000 线/毫米的异色乳液。

在此协议中,全息图集记录在4英寸×5英寸的印版上,使用一种专为记录全彩色模拟全息图而没有任何扩散的材料,并且针对全息法中使用的所有常见可见激光器(见材料表)进行异色处理。颗粒是如此精细(4纳米),任何可见的波长可以记录里面没有任何扩散11。此外,每个全息图都是使用安全、无染色的化学工艺开发的,为最终的乳液而开发。

此详细协议旨在帮助模拟全息领域的新经验实践者避免与记录全彩色 Denisyuk 全息图相关的许多常见陷阱;它还可以提供一种学习如何使用最终的银卤全息材料和化学品来获得可靠和可重复的结果的方法。

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Protocol

注意:使用激光12和化学产品时,必须遵守所有适当的安全规范,包括使用个人防护设备,如安全护目镜、眼镜、手套和实验室外套。

1. 内容创建

  1. 使用 3D 计算机图形程序(如 Blender,一个免费的开源 3D 软件工具集)对场景的不同元素(角色和背景)进行建模。
  2. 使用 3D 计算机图形程序创建 12 帧循环动画。
  3. 3D 打印和绘制不同的元素。
    1. 使用熔融沉积建模 (FDM) 单色 3D 打印机13以相同的比例打印字符和背景,并带有白色聚乳酸 (PLA) 灯丝。
    2. 使用沙纸消除打印缺陷。
    3. 用丙烯酸漆手工绘制不同的元素。
      注意:为了避免难闻的气味,在户外涂漆或使用通风。
  4. 设置录制框。将背景固定在一个坚硬的木箱中,以避免移动,并将不同的 3D 打印字符一个接一个地放入室内,以便录制不同的 4 英寸 x 5 英寸全息图。
    注:为避免在全息记录期间移动,请使用胶水或塑料牢固地连接各个元件,而不施加应力。

2. 全息记录

  1. 在光学桌子上,组装一个Denisyuk单光束全彩光学设置9,10记录全息图。
    注:为了记录不同的全息图,使用的三种RGB激光器为红色HeNe,633nm,20 mW;绿色二极管泵送固态(DPSS),532纳米,100 mW调整为20 mW;和蓝色 DPSS 473 nm 50 mW 调整为 20 mW。空间滤波器配有 40x、0.65 NA 无色显微镜和 10 μm 针孔。
    1. 将 3 个激光束(红色、绿色和蓝色)与 X 立方体棱镜相结合,获得穿过同一空间滤镜的白色激光束。
      注:使用两个镜子为红色和蓝色激光获得四个自由度,并完美对齐三束。
    2. 从 1 米的距离和 45° 的角度,用发散光束照亮录制盒。
    3. 调整三个激光器与立方体的距离,以获得投影到对象平面上的相似光束直径。
      注:记录盒必须用宽、干净和均匀的发散白光束照明。
  2. 使用功率计调整颜色平衡并确定曝光时间。
    1. 在全息板的位置水平测量每台激光的强度(参见材料表)。由于板材料是异色,因此 3 激光器的颜色平衡均匀调整。
      注:使用的功率计允许直接读取 633 nm 红色激光器的功率。对于 473 nm 蓝色和 532 nm 绿色激光器,必须应用校正系数(x0.4 表示蓝色,x0.6 表示绿色)。
    2. 根据以下公式确定记录全息图前的曝光时间:
      Equation 1(1)
    3. 其中 t 是曝光时间 (s),H 是材料的灵敏度 (J/cm2),E 是激光的强度 (W/cm2)。E 在全息板的位置使用功率计进行测量。
      注:此处使用的材料的灵敏度为 200 μJ/cm2每激光全色 (RGB) 全息图。每台激光器在全息板位置的强度(使用功率计测量)为每激光17μW/cm2,根据公式(1)曝光时间是12s。
  3. 用快门关闭激光束。
    注:使用带定时器的电子快门精确控制曝光时间。
  4. 准备盘子。
    注意:使用手套处理板边缘,并且不允许皮肤随时与乳液接触。
    1. 从冰箱中取出全息板,以避免移位,并在室温(20-25°C)下存放1小时,然后再进行记录。
      注:此处使用的板材必须在 4°C 下冷藏。
    2. 用黑色标记使板的上边缘变暗,以避免内部反射。
  5. 将记录板设置在绿色安全灯下。
    1. 吹到板上以确定乳液侧。蒸汽只出现在玻璃面上。
    2. 将全息板乳液侧下放在记录盒上。在录制前,让其稳定 5 分钟。
  6. 在以前使用公式 (1) 计算的时间内,打开快门以露出记录板。
  7. 将录制的板放在一个封闭的盒子里,远离光线。

3. 全息图开发

注:全息图是使用安全且无染色的化学工艺开发的,专为最终乳液开发。

  1. 一旦板被暴露,准备100 mL的显影板为4英寸×5英寸板。以 1 部分显影体与 10 个蒸馏或脱矿水 (1:10) 的比例将开发人员混合。
    注:显影剂将浓缩溶液储存在封闭的瓶子中,以防止氧化,需要在加工前用蒸馏水或脱矿水稀释。
  2. 将显影器精确加热至 22°C。
    注: 水温必须等于或大于 20°C,开发人员才能正常工作。对于重复,使用温度计控制开发前的温度。
  3. 在绿色安全灯下,将外露的板放入托盘中,快速将其浸入其中,乳液侧向上,缓慢搅拌 4 分钟。在开发结束时,板达到淡黄色/橙色。
    注: 开发过程在板完全覆盖显影板几秒钟后变得可见。在开发过程中,使用带盖子的绝缘托盘保持恒定的温度。不需要进一步开发以尝试获得黑色密度。
  4. 取出显影器,在自来水下将托盘中的盘子洗30s,让水溢出到水槽中。
  5. 在正常光线下,将已开发的板放入托盘中,并将其快速、乳化面向上浸入漂白剂中,而不会搅拌,直到板完全透明。在板完全浸没几秒钟后,漂白过程就变得可见。
    注:在室温(20~25 °C)下,典型的漂白时间为3至5分钟。
  6. 取出漂白剂,在自来水下清洗托盘中的盘子 2 分钟,让水溢出到水槽中。
    注:当板材在漂白后仍处于潮湿状态时,可以通过卤素点的传输观察到全息图。当全息图成功时,此图像将显得非常强大。
  7. 将盘子放入托盘中,将乳液侧上浸入脱矿或蒸馏水溶液中,加入一些润湿剂滴,无需搅拌 1 分钟。
  8. 从托盘中取出板并垂直干燥 15-20 分钟。
  9. 对 12 个全息图中的每一个重复这些操作。在录制之前,为了将不同的物体精确地放置在记录盒中,应用全息洋葱皮方法,在记录位置替换以前的透明全息图,并在激光下同时观察两个图像照明以检查新字符是否定位良好。
    注: 洋葱蒙皮是一个过程,通常用于停止运动动画,以同时看到两个不同的帧。

4. 全息图密封

注:全息图由第二块干净的玻璃板保护,该玻璃板使用光学紫外线 (UV) 胶水密封到全息图上。

  1. 使用手术刀刮掉边缘周围 5 mm 的乳液。
    注:当板仍然潮湿时,此操作更容易。
  2. 将全息图层压到大小相等(4 英寸 x 5 英寸)的清洁玻璃板,使用 1 mL 的 UV 胶水。
    注:为了便于层压,在30°C的烤箱中预热胶水、全息图和清洁玻璃板10分钟。
  3. 将全息图的清洁玻璃面暴露在阳光下;紫外线胶水将在5分钟内变硬。
    注:也可以使用紫外线灯,但应避免强紫外线照射。
  4. 用水和肥皂清洗密封全息图,用纸巾擦干,用哑光黑色喷漆将其背面涂黑。

5. 幻想装配和操作

  1. 按时间顺序将 12 个全息图按星形图的定期放置帧进行安装。
    注:Gentet等人2019年7描述了一个Fantatrope的制造和操作。
  2. 以恒定的速度旋转扇形图。与转速同步的 RGB LED 频闪灯可连续照亮不同帧,以创建快速连续的图像,并产生运动的错觉。
    注:每秒旋转一圈就足以感受到流体运动。

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Representative Results

3D内容被创建,并想象了十二个图像的循环序列,然后不同元素被3D打印和绘制(图1)。一个Denisyuk单光束全彩色光学设置被组装成记录全息图(图2)。记录后,全息图被开发和密封(图3),以获得一套12个超逼真的全彩色全彩色全色全息图,全视差,显示相同的亮度,透明度和均匀的颜色(图4)。以时间顺序安装的12个全息图的Fantatrope已成功运行,并产生了动态3D显示的效果,无需任何特殊的观看辅助设备(视频1)。

Figure 1
图 1:3D 内容。A) 计算机生成的字符和背景。(B) 完整的循环序列.(C) 3D 打印字符和背景后绘制,固定在记录框中。这个数字已由Gentet等人修改,2019年7。请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 2
图2:架构单光束全彩色Denisyuk光学全息设置。请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 3
图3:全息板的开发和密封。A) 开发后呈淡橙色的板。(B) 漂白后几乎没有噪音的透明板。请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 4
图 4:最终全息图。A) 三种不同的视图之一的全息图与180°全视差。(B) 十二个全息图的最后一组显示相同的亮度、透明度和均匀的颜色。这个数字已由Gentet等人修改,2019年7。请点击此处查看此图的较大版本。

Video 1
视频 1:扇形图在运行,12 个全息图按时间顺序安装。请点击此处下载此文件。

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Discussion

传统上,停止运动电影使用木偶或粘土模型。为了避免移动并在全息图记录时获得明亮的图像,选择一组 3D 打印的字符和背景。此外,不同的元件被牢固地连接在盒子里,没有压力。如果元素在录制过程中具有约束或移动的固定性,则该元素将在最终全息图中显示为黑色或边缘。3D 打印是创建模拟全息原始模型的非常有趣的新工具。

光聚合物薄膜的主要优点,如科思创Bayfol HX20014,比银卤化物材料是他们的干加工。这里使用的材料需要湿加工,但它仍然快速和简单,并使用无毒产品。它还具有更高的灵敏度(200 μJ/cm2对 20 mJ/cm2),因此缩短的曝光时间是记录模拟全息图中明亮全息图的首选,以避免振动和运动问题。此外,许多用户,特别是业余爱好者或学校,都有低功率激光器(小于20 mW);高灵敏度的记录材料是获得高质量的全息图,曝光时间短的重要因素。基材材料在确定最终全息图质量方面也很重要,而玻璃被证明是最好的选择,因为它在机械上稳定且光学不活动。

在此过程记录的每个全息图都是用无毒和无染色的化学浴液开发的。这些化学品安全且易于使用,与全息法中通常使用的危险、有毒和环境有害的化学品大不相同。特别是推荐工艺15,25年前为俄罗斯斯拉维奇PFG-03C全息乳液16,使用化学品,如甲醛或甲醛,这是不安全的,凌乱和难以处理。此外,U04 板在制造过程中经过预硬化,不需要任何危险的硬化槽。大多数其他银卤全息材料在接触前必须使用三乙醇胺(TEA)17的超敏化溶液或硬化前浴16进行处理,以增加其灵敏度,具有很高的损坏板的风险。

在录制时,最好将物体和全息板置于水平位置,以便由于重力而具有更好的稳定性。使用带定时器的电子快门对于精确控制曝光时间并允许重复非常重要。10%的过度曝光可以产生乳白色的全息图,而10%的曝光时间不足会产生暗淡的全息图。随着室温或湿度的变化,记录全息图的明胶会膨胀或收缩。然后改变全息图的颜色和重建角度。因此,为了防止任何可能影响颜色再现的乳液厚度变化,每个全息图都需要使用光学胶水密封到全息图的第二块干净的玻璃板进行保护。

该协议允许获得明亮、多彩、透明和均匀的全息图,并且高度可重复。按照这种方法,在几天内记录了十二个全息图,它们都呈现相同的最终特征,从而可以在Fantatrope中使用。使用该协议,模拟全色全息领域的每位从业者都能获得可靠且可重复的结果。

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Disclosures

菲利普·根特、金英惠、金光和李承贤宣布,他们之间没有利益冲突。伊夫·根特是这里使用的乳液的制造商。

Acknowledgments

本研究由光翁大学研究资助部于2019年进行。

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

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References

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