移動ホログラムディスプレイで使用するための超現実的なフルカラーアナログホログラムの記録

Engineering

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Summary

我々は、動的ホログラフィック3Dの製造のための超微細な銀ハロゲン化ホログラフィックエマルジョンで、同じ明るさ、透明性、および均質な色を示す超現実的なフルカラーアナログホログラムのセットを記録するためのプロトコルを提示します表示。

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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

本論文では、ダイナミックなホログラフィック3Dディスプレイであるファンタトロープの製造に同じ明るさ、透明度、均質な色を提示する12個の超リアルなフルカラーアナログホログラムのセットを記録する方法を示します。特別な視聴援助。この方法には、3Dプリンタ技術、3つの低消費電力レーザー(赤、緑、青)とイソパンクロマティック高感度銀ハロゲン化ホログラフィックエマルジョンを用いたシングルビームフルカラーのデニシュック光学セットアップを使用します。拡散せずにアナログホログラムを記録します。周期的なアニメーションは、3Dコンピュータグラフィックスプログラムで作成され、ホログラムのモデルを形成するために異なる要素が3D印刷されます。ホログラムはフルカラーホログラフィックセットアップで記録され、2つの簡単な化学浴を使用して開発されました。エマルションの厚さの変化を防ぐために、ホログラムは光学接着剤で密封される。結果は、このプロトコルで記録されたすべてのホログラムが同じ特性を提示し、ファンタトロープで使用することを可能にすることを確認します。

Introduction

3次元(3D)ディスプレイは、重要な研究テーマ1、2、3であり、現在のアプローチのほとんどは、視覚的な不快感と疲労を引き起こす立体原理4を使用しています5,6.ファンタトロープは、特別な視聴援助7を必要とせずにフルカラーで短いアニメーションを表示することができるダイナミックホログラフィック3Dディスプレイの便利な新しいタイプです。ファンタトロープは、アニメーションのさまざまなフェーズに対応する 12 個のフルカラー ホログラムを使用します。このデバイスで使用されるすべてのホログラムは、超現実的であり、同じ明るさ、透明度、および均質な色を提示する必要があります。単一の高品質のフルカラーホログラムの記録は、経験豊富な開業医にとっても困難なままです。記録技術とホログラフィック素材の選択は重要な重要なポイントですが、このようなホログラムを正常に記録するために重要な詳細がいくつかあります。

このプロトコルでは、12種類の画像の周期的なシーケンスが最初に3Dコンピュータグラフィックスプログラムで作成され、すべての要素がホログラムモデルになるように3Dプリントされます。これらのホログラムは、180°フル視差で超現実的なホログラムの記録を可能にする1963年にユーリ・デニスユックによって導入されたシングルビーム法8で記録されています。デニシュクのフルカラーセットアップでは、3つの異なるレーザー(赤、緑、青)を組み合わせて白いレーザービームを得ます。銀ハロゲン化エマルションは、記録材料9の最良の選択であり、わずか数個の銀ハロゲン化物フルカラーエマルジョンのみが利用可能である9、10.さらにぼかしのない青色波長を記録するには、10,000本以上の線/mmの分解能を有するアイソパンクロマティックエマルジョンが必要です。

このプロトコルでは、ホログラムのセットは、拡散することなくフルカラーアナログホログラムを記録するために特別に設計された材料を使用して、4インチx 5インチプレートに記録され、カラーホログラフィーで使用されるすべての一般的な可視レーザーに対してアイソパクロマティックが作られています(材料表を参照)。粒は非常に細かい(4 nm)なので、目に見える波長は拡散することなく内部に記録することができます。さらに、各ホログラムは、究極のエマルジョンのために開発された安全な非染色化学プロセスを使用して開発されます。

この詳細なプロトコルは、フルカラーのDenisyukホログラムの記録に関連する多くの一般的な落とし穴を避けるために、アナログホログラフィーの分野で新しい経験豊富な実践者を助けることを目的としています。また、究極の銀ハロゲン化物ホログラフィック材料と化学物質を使用して信頼性の高い再現性のある結果を得る方法を学ぶアプローチを提供することもできます。

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Protocol

注意:レーザー12および化学製品を使用する場合は、安全ゴーグル、メガネ、手袋、ラボコートなどの個人用保護具の使用を含め、すべての適切な安全対策に従う必要があります。

1. コンテンツ作成

  1. Blenderなどの3Dコンピュータグラフィックスプログラム、無料でオープンソースの3Dソフトウェアツールセットを使用して、シーン(キャラクターと背景)のさまざまな要素をモデル化します。
  2. 3D コンピュータ グラフィックス プログラムを使用して、12 フレームの循環アニメーションを作成します。
  3. 3D プリントし、異なる要素をペイントします。
    1. 白色ポリ乳酸(PLA)フィラメントを用いた融合蒸着モデリング(FDM)モノクロ3Dプリンタ13を用いて、同じスケールで文字と背景を印刷する。
    2. サンドペーパーを使用して、印刷の欠陥を除去します。
    3. アクリル塗料で異なる要素を手描きします。
      注意:不快な臭いを避けるために、屋外にペイントしたり、換気を使用してください。
  4. 録音ボックスを設定します。動きを避けるために硬い木箱に背景を固定し、異なる4インチx 5インチホログラムの記録を可能にするために、次々に内側に異なる3Dプリント文字を配置します。
    メモ:ホログラム記録中の動きを避けるために、応力を加えることなく、接着剤またはプラスチックを使用して個々の要素をしっかりと取り付けます。

2. ホログラム録音

  1. 光学式テーブルに、デニショックのシングルビームフルカラー光学セットアップ9、10を組み立ててホログラムを記録します。
    注:異なるホログラムを記録するために、使用される3つのRGBレーザーは赤いHeNe、633 nm、20 mWです。グリーンダイオードポンプソリッドステート(DPSS)、532 nm、100 mWを20 mWに調整。青いDPSS 473 nm 50 mWは20 mWに調節される。空間フィルターは40x、0.65 NAの無彩顕微鏡の目的および10 μmのピンホールが装備されている。
    1. 3 つのレーザー ビーム (赤、緑、青) と X 立方体プリズムを組み合わせて、同じ空間フィルターを通過する白いレーザー ビームを取得します。
      注:赤と青のレーザーには2つのミラーを使用して、4つの自由度を取得し、3つのビームを完全に位置合わせします。
    2. 1 mの距離と45°の角度から、発散ビームで記録ボックスを照らします。
    3. 立方体からの 3 つのレーザーの距離を調整して、オブジェクト平面に投影される同様のビーム直径を取得します。
      メモ:録音ボックスは、広く、清潔で均質な発散白いビームで照らされる必要があります。
  2. パワーメーターを使用してカラーバランスを調整し、露光時間を決定します。
    1. ホログラフィックプレートの位置で、各レーザーの強度を水平方向に測定します(材料表を参照)。プレート材料はアイソパクロマティックなので、3レーザーのカラーバランスを均等に調整します。
      メモ:使用されるパワーメーターは633 nmの赤いレーザーの力の直接読書を可能にする。473 nmの青と532 nmのグリーンレーザーの場合は、補正係数(青の場合はx0.4、緑の場合はx0.6)を適用する必要があります。
    2. 次の式に従って、ホログラムを記録する前の露出時間を決定します。
      Equation 1(1)
    3. ここで、t は露光時間(s)、H は材料の感度(J/cm2)、Eはレーザーの強度(W/cm2)です。Eは、パワーメータを用いてホログラフィックプレートの位置で測定される。
      メモ:ここで使用される材料の感度は、フルカラー(RGB)ホログラムのレーザーあたり200μJ/cm2です。ホログラフィックプレートの位置における各レーザーの強度は、パワーメータで測定され、レーザー当たり17μW/cm²であり、露光時間は式(1)に従って12秒である。
  3. レーザービームをシャッターで閉じます。
    メモ:タイマー付きの電子シャッターを使用して、露光時間を正確に制御します。
  4. プレートを準備します。
    注意:手袋を使用してプレートの端を取り扱い、エマルジョンとの皮膚接触をいつでも許可しないでください。
    1. ホログラフィックプレートを冷蔵庫から取り出してシフトを避け、室温(20~25°C)で1時間保存してから記録してください。
      メモ:ここで使用するプレートは4°Cで冷蔵する必要があります。
    2. プレートの上端を黒いマーカーで暗くして、内部反射を避けます。
  5. 緑色のセーフライトの下に録音プレートを設定します。
    1. プレートに吹き付け、エマルジョン側を決定します。蒸気はガラス側にのみ現れます。
    2. ホログラフィックプレートエマルジョン側を記録ボックスの下に置きます。録音前に5分間安定させます。
  6. シャッターを開けて記録プレートを露出し、式(1)で以前に計算した時間の間に。
  7. 記録したプレートは、閉じた箱の中に光から離れた場所に保管してください。

3. ホログラム開発

注:ホログラムは、究極のエマルジョンのために開発された安全で非染色化学プロセスで開発されています。

  1. プレートが露出したら、4インチx5インチプレート用に100mLの開発者を準備します。1部現像液と10部の蒸留水または脱塩水(1:10)の比率で開発者を混合します。
    注:開発者は、酸化を防ぐために密閉されたボトルに濃縮された溶液にストックされ、処理の直前に蒸留水または脱塩水で希釈する必要があります。
  2. 開発者を正確に22°Cに加熱します。
    メモ:開発者が正しく機能するには、水温が20°C以上である必要があります。繰り返しの場合は、温度計で開発前の温度を制御します。
  3. 緑色のセーフライトの下で、露出したプレートをトレイに入れ、エマルジョン側を素早く下に置き、4分間ゆっくりと攪拌します。開発の終わりに、版は淡い黄色/オレンジ色を達成する。
    メモ:プレートが開発者によって完全に覆われてから数秒後に、開発プロセスが表示されます。開発中に一定の温度を維持するために蓋付きの絶縁された皿を使用してください。黒密度を得ようとするさらなる開発は必要ありません。
  4. 開発者を取り外し、水道水の下のトレイでプレートを30s洗い、水が流しにあふれます。
  5. 通常の光の下で、開発したプレートをトレイに入れ、プレートが完全に透明になるまで攪拌することなく、エマルジョン側を素早く浸漬して漂白剤に入れます。漂白プロセスは、プレートが完全に水没した数秒後に表示されます。
    注:典型的な漂白時間は室温(20~25°C)で3~5分です。
  6. 漂白剤を取り出し、流水の下のトレイでプレートを2分間洗い、水が流しにあふれます。
    注:漂白後もプレートが濡れた状態の場合、ハロゲンスポットでの透過によりホログラムを観察できます。ホログラムが成功すると、この画像は非常に強く表示されます。
  7. プレートをトレイに入れ、エマルジョン側を上に水没させ、1分間攪拌することなく湿潤剤を少し滴で脱塩または蒸留水溶液に入れます。
  8. トレイからプレートを取り出し、15~20分間垂直に乾かします。
  9. 12 個のホログラムごとにこれらの操作を繰り返します。記録する前に、記録ボックスに異なるオブジェクトを高精度に配置するために、以前の透明なホログラムを記録位置に置き換えてホログラフィックオニオンスキン法を適用し、レーザーの下で同時に両方の画像を観察します新しい文字が適切に配置されていることを確認するためのイルミネーション。
    注: オニオン スキニングは、通常、ストップ モーション アニメーションで 2 つの異なるフレームを同時に表示するために使用される手順です。

4. ホログラムシール

注:ホログラムは、光学紫外線(UV)接着剤を使用してホログラムに密封された第2のクリーンガラス板によって保護されています。

  1. メスを使用して、エッジの周りにエマルションの5mmを削り取ります。
    メモ:プレートがまだ濡れている場合、この操作は簡単です。
  2. ホログラムを同じサイズ(4インチ×5インチ)のきれいなガラス板に、1 mLのUV接着剤でラミネートします。
    注:ラミネートを容易にするために、接着剤、ホログラム、クリーンガラス板をオーブンで30°Cで10分間予熱します。
  3. ホログラムのきれいなガラス側を日光にさらします。UV接着剤は5分以内に硬化します。
    注:UVランプを使用することもできますが、強い紫外線暴露は避ける必要があります。
  4. 密閉されたホログラムを水と石鹸で洗い、ティッシュペーパーで乾かし、マットブラックのスプレー塗料で裏を黒くします。

5. ファンタトロープの組み立てと操作

  1. ファンタトロープの定期的に配置されたフレームに12個のホログラムを時系列で取り付けます。
    注:ゲンテら20197は、ファンタトロープの製造と操作について説明します。
  2. 一定の速度でファンタロープを回転させます。回転速度と同期したRGB LEDストロボライトは、異なるフレームを連続的に照らし、画像の急速な連続を作成し、動きの錯覚を生成します。
    注: 1 秒間に 1 回転するだけで、流体モーションの感覚を得ることができます。

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Representative Results

3D コンテンツが作成され、12 個のイメージの周期的なシーケンスが想像され、異なる要素が 3D 印刷され、描画されました (図 1)。ホログラムを記録するために、デニショックのシングルビームフルカラー光学セットアップが組み立てられました(図2)。記録後、ホログラムを開発して密閉し(3)、180°フル視差を用いた超リアルなフルカラーアナログホログラム12個のセットを得て、同じ明るさ、透明度、均質な色を示した(図4)。12個のホログラムが時系列に取り付けられたファンタトロープは正常に操作され、特別な視聴支援を必要とせずにダイナミックな3Dディスプレイの効果を生み出しました(ビデオ1)。

Figure 1
図 1: 3D コンテンツ(A) コンピュータが生成した文字と背景。(B) 完全な周期シーケンス。(C)3Dプリント後の文字と背景を、記録ボックスに固定。この図は、Gentetら 20197から変更されました。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 2
図2:回路図シングルビームフルカラーデニソク光ホログラフィックセットアップこの図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 3
図3:ホログラフィックプレートの開発とシール(A)開発後は淡いオレンジ色のプレート。(B)漂白後の騒音がほとんどない透明プレート。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 4
図4:最終ホログラム(A) 180°フル視差を持つホログラムの1つの3つの異なるビュー。(B)同じ明るさ、透明度および均質な色を示す12個のホログラムの最終セット。この図は、Gentetら 20197から変更されました。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Video 1
ビデオ1:時系列に取り付けられた12ホログラムで動作中のファンタトロープ。このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。

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Discussion

伝統的に、ストップモーションフィルムは人形や粘土モデルを使用しています。ホログラム録画時の動きを避け、明るい画像を得るために、3Dプリントされた文字と背景のセットが選択されます。さらに、異なる要素は、ボックス内の応力なしでしっかりと取り付けられています。要素が拘束で固定されている場合、または記録中に移動すると、最終的なホログラムに黒またはフリンジが表示されます。3Dプリントは、アナログホログラフィのためのオリジナルモデルを作成するための非常に興味深い新しいツールです。

コベストロベイフォルHX20014のようなフォトポリマーフィルムの主な利点は、銀ハロゲン化物材料の上に、その乾燥処理です。ここで使用される材料は、湿式処理を必要としますが、それは迅速かつ簡単なままであり、非毒性製品を使用しています。また、感度がはるかに高く(200 μJ/cm2対20 mJ/cm2)、振動や動きの問題を避けるためにアナログホログラフィーで明るいホログラムを記録する場合に、露光時間の短縮が好まれます。さらに、多くのユーザー、特に愛好家や学校は、低電力レーザー(20 mW未満)を持っています。高感度記録材料は、短い露光時間で高品質のホログラムを得るための重要な要因です。基板材料は、最終的なホログラム品質を決定する上でも重要であり、ガラスは機械的に安定し、光学的に不活性であるため、このための最良の選択であることが証明されています。

この手順で記録された各ホログラムは、非毒性および非染色化学浴で開発される。安全で使いやすいこれらの化学物質は、ホログラフィーで一般的に使用される危険で有毒で環境的に有害なものとは大きく異なります。特に、ロシアのスラヴィチPFG-03Cホログラフィックエマルジョン16のために25年前に確立された推奨プロセス15は、ホルムアルデヒドやカテコールなどの化学物質を使用し、安全で乱雑で扱いにくい。さらに、U04プレートは製造プロセス中に事前に硬化され、危険な硬化浴を必要としません。他のほとんどの銀ハロゲン化物ホログラフィック材料は、トリエタノールアミン(TEA)17または硬化プレバス16の超感作溶液で曝露する前に治療され、その感度を高め、プレートを損傷する危険性が高い。

記録しながらは、重力による安定性を高めるために物体とホログラフィックプレートを水平位置に配置することが好ましい。タイマー付きの電子シャッターを使用することは、露光時間を正確に制御し、繰り返しを可能にするために重要です。10%の過暴露は乳白色のホログラムを産生し、露光時間の10%の欠如は薄暗いホログラムを作り出すことができる。室温や湿度が変化するにつれて、ホログラムが記録されるゼラチンが膨潤したり収縮したりすることがある。その後、ホログラムの色と再構成角度が変更されます。したがって、カラーレンディションに影響を与える可能性のあるエマルションの厚さの変化を防ぐために、各ホログラムは、光学接着剤を使用してホログラムに密封された第2のクリーンガラス板によって保護される必要があります。

このプロトコルは、明るく、カラフルで、透明で、均質なホログラムを得ることができ、非常に反復可能です。12個のホログラムは、この方法に従って数日間にわたって記録され、それらはすべて同じ最終的な特性を提示し、ファンタトロープで使用することができます。このプロトコルを使用して、アナログフルカラーホログラフィーの分野のすべての実践者は、信頼性と再現性の高い結果を得ることができます。

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Disclosures

フィリップ・ゲンテット、リョン・ホイ・キム、クァンジブ・キム、スンヒョン・リーは利害の対立はないと宣言する。イヴ・ゲンテは、ここで使用されるエマルジョンのメーカーです。

Acknowledgments

本研究は、2019年に光雲大学研究助成によって行われました。

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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