Enregistrement ultra-réaliste Full-Color Analog Holograms pour une utilisation dans un affichage Hologramme en mouvement

Engineering

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Summary

Nous présentons un protocole pour enregistrer un ensemble d'hologrammes analogiques ultra-réalistes en couleur, montrant la même luminosité, transparence et couleurs homogènes, sur des émulsions holographiques d'argent-halogénure ultra-fine pour la fabrication d'une 3D holographique dynamique Affichage.

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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

Cet article démontre une méthode pour enregistrer un ensemble de douze hologrammes analogiques ultra-réalistes en couleur présentant la même luminosité, transparence et couleurs homogènes pour la fabrication d'un Fantatrope, un affichage 3D holographique dynamique, sans avoir besoin de aides à l'écoute spéciales. La méthode comprend l'utilisation de la technologie d'imprimante 3D, d'une configuration optique Denisyuk couleur à faisceau unique avec trois lasers de faible puissance (rouge, vert et bleu) et d'une émulsion holographique iso-panchromatique à haute sensibilité à l'halogénure d'argent spécialement conçue pour l'enregistrement d'hologrammes analogiques sans aucune diffusion. Une animation cyclique est créée avec un programme d'infographie 3D et différents éléments sont imprimés en 3D pour former des modèles pour les hologrammes. Les hologrammes sont enregistrés avec une configuration holographique en couleur et développés à l'aide de deux bains chimiques simples. Pour éviter toute variation de l'épaisseur de l'émulsion, les hologrammes sont scellés avec de la colle optique. Les résultats confirment que tous les hologrammes enregistrés avec ce protocole présentent les mêmes caractéristiques, qui leur permettent d'être utilisés dans le Fantatrope.

Introduction

Les affichages tridimensionnels (3D) sont un sujet de recherche important1,2,3 et la plupart des approches actuelles utilisent le principe stéréoscopique4 qui cause l'inconfort visuel et la fatigue5,6. Le Fantatrope est un nouveau type pratique d'affichage 3D holographique dynamique qui peut montrer une courte animation en couleur sans avoir besoin d'aides spéciales à la visualisation7. Un Fantatrope utilise une série de douze hologrammes en couleur correspondant aux différentes phases d'une animation. Tous les hologrammes utilisés dans cet appareil doivent être ultra-réalistes et présenter la même luminosité, la transparence et les couleurs homogènes. L'enregistrement d'un seul hologramme couleur de haute qualité reste difficile, même pour les praticiens expérimentés. Bien que les choix de la technique d'enregistrement et du matériel holographique soient des points clés importants, il y a plusieurs autres détails qui sont cruciaux pour enregistrer avec succès de tels hologrammes.

Pour ce protocole, une séquence cyclique de douze images différentes est d'abord créée avec un programme d'infographie 3D et tous les éléments sont imprimés en 3D pour devenir des modèles hologrammes. Ces hologrammes sont enregistrés avec la méthode à faisceau unique8 introduite par Yuri Denisyuk en 1963 qui permet l'enregistrement d'hologrammes ultra-réalistes avec un parallaxe complet de 180 degrés. Une configuration en couleur Denisyuk utilise trois lasers différents (rouge, vert et bleu) combinés pour obtenir un faisceau laser blanc. Émulsions d'halogénure argentée sont le meilleur choix de matériel d'enregistrement9 et seulement quelques émulsions en couleur d'argent-halogénure sont disponibles9,10. En outre, pour enregistrer la longueur d'onde bleue sans flou, une émulsion iso-panchromatique avec une résolution de plus de 10.000 lignes/mm est nécessaire.

Dans ce protocole, l'ensemble d'hologrammes sont enregistrés sur des plaques de 4 pouces x 5 pouces, à l'aide d'un matériau spécialement conçu pour l'enregistrement des hologrammes analogiques en couleur sans aucune diffusion et est fait isopanchromatique pour tous les lasers visibles communs utilisés dans l'holographie de couleur (voir tableau des matériaux). Le grain est si fin (4 nm) que toute longueur d'onde visible peut être enregistrée à l'intérieur sans aucune diffusion11. En outre, chaque hologramme est développé à l'aide d'un processus chimique sûr et non taché développé pour les émulsions ultimes.

Ce protocole détaillé est destiné à aider les praticiens nouveaux et expérimentés dans le domaine de l'holographie analogique pour éviter de nombreux pièges communs associés à l'enregistrement des hologrammes Denisyuk en couleur; il peut également fournir une approche pour apprendre à utiliser les matériaux holographiques d'argent-haïde ultimes et les produits chimiques pour obtenir des résultats fiables et reproductibles.

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Protocol

CAUTION : Toutes les pratiques de sécurité appropriées doivent être suivies lors de l'utilisation de lasers12 et de produits chimiques, y compris l'utilisation d'équipements de protection individuelle tels que des lunettes de sécurité, des lunettes, des gants et des blouses de laboratoire.

1. Création de contenu

  1. Modélisez les différents éléments de la scène (caractère et arrière-plan) avec des programmes d'infographie 3D tels que Blender, un ensemble d'outils logiciels 3D libre et open-source.
  2. Créez une animation cyclique de 12 images avec le programme d'infographie 3D.
  3. Impression 3D et peinture des différents éléments.
    1. Imprimez des caractères et un arrière-plan à la même échelle à l'aide d'une imprimante 3D monochrome de modélisation de dépôt fusionnée (FDM)13, avec un filament d'acide polylactique blanc (APL).
    2. Utilisez du papier de verre pour éliminer les défauts d'impression.
    3. Peignez à la main les différents éléments avec de la peinture acrylique.
      CAUTION: Pour éviter les odeurs désagréables, peindre à l'extérieur ou utiliser la ventilation.
  4. Configurez la boîte d'enregistrement. Fixez l'arrière-plan dans une boîte rigide en bois pour éviter le mouvement et placez les différents caractères imprimés en 3D à l'intérieur de l'un après l'autre pour permettre l'enregistrement des différents hologrammes de 4 pouces x 5 pouces.
    REMARQUE : Pour éviter le mouvement pendant l'enregistrement de l'hologramme, attachez fermement les éléments individuels à l'aide de colle ou de plasticine, sans stress.

2. Enregistrement d'hologramme

  1. Sur une table optique, assemblez une configuration optique couleur haute couleur Denisyuk9,10 pour enregistrer les hologrammes.
    REMARQUE: Pour enregistrer les différents hologrammes, les trois lasers RGB utilisés sont un HeNe rouge, 633 nm, 20 mW; une diode verte pompée à l'état solide (DPSS), 532 nm, 100 mW ajustée à 20 mW; et un DPSS bleu 473 nm 50 mW ajusté à 20 mW. Le filtre spatial est équipé d'un objectif de microscope achromatique de 40x, 0,65 NA et d'un trou d'épingle de 10 m.
    1. Combinez les 3 faisceaux laser (rouge, vert et bleu) avec un prisme X-cube pour obtenir un faisceau laser blanc qui passe à travers le même filtre spatial.
      REMARQUE: Utilisez deux miroirs pour les lasers rouges et bleus pour obtenir quatre degrés de liberté et parfaitement aligner les trois faisceaux.
    2. À une distance de 1 m et d'un angle de 45 degrés, illuminez la boîte d'enregistrement avec le faisceau divergent.
    3. Ajustez la distance des trois lasers du cube pour obtenir des diamètres de faisceau similaires projetés sur le plan d'objet.
      REMARQUE : La boîte d'enregistrement doit être illuminée d'un faisceau blanc large, propre et homogène.
  2. Utilisez un compteur de puissance pour ajuster l'équilibre des couleurs et déterminer le temps d'exposition.
    1. Mesurer l'intensité de chaque laser horizontalement, à la position de la plaque holographique (voir Tableau des matériaux). Puisque le matériau de plaque est isopanchromatique, ajustez l'équilibre de couleur également pour les 3 lasers.
      REMARQUE : Le compteur de puissance utilisé permet une lecture directe de la puissance du laser rouge de 633 nm. Pour les lasers bleus de 473 nm et 532 nm verts, il est nécessaire d'appliquer un coefficient de correction (x0,4 pour le bleu et x0,6 pour le vert).
    2. Déterminez le temps d'exposition avant l'enregistrement de l'hologramme, selon la formule suivante :
      Equation 1(1)
    3. où est le temps d'exposition (s), H la sensibilité du matériau (J/cm2) et E l'intensité du laser (W/cm2). E est mesuré à la position de la plaque holographique avec un compteur de puissance.
      REMARQUE : La sensibilité des matériaux utilisés ici est de 200 J/cm2 par laser pour un hologramme couleur (RGB). L'intensité de chaque laser à la position de la plaque holographique, mesurée avec le compteur de puissance est de 17 W/cm2 par laser, et le temps d'exposition est de 12 s selon la formule (1).
  3. Fermez le faisceau laser avec un obturateur.
    REMARQUE : Utilisez un obturateur électronique avec une minuterie pour contrôler le temps d'exposition avec précision.
  4. Préparer les assiettes.
    CAUTION: Manipulez les bords de la plaque à l'aide de gants, et ne laissez pas le contact de la peau avec l'émulsion à tout moment.
    1. Retirer les plaques holographiques du réfrigérateur pour éviter un quart de travail et les conserver à température ambiante (20 à 25 oC) pendant 1 h avant l'enregistrement.
      REMARQUE : Les assiettes utilisées ici doivent être réfrigérées à 4 oC.
    2. Assombrir le bord supérieur de la plaque avec un marqueur noir pour éviter la réflexion interne.
  5. Installez la plaque d'enregistrement sous un feu vert.
    1. Souffler sur la plaque pour déterminer le côté émulsion. La vapeur n'apparaît que sur le côté verre.
    2. Placez la plaque holographique côté émulsion vers le bas sur la boîte d'enregistrement. Laisser se stabiliser pendant 5 minutes avant l'enregistrement.
  6. Ouvrez l'obturateur pour exposer la plaque d'enregistrement, pendant le temps précédemment calculé avec la formule (1).
  7. Gardez la plaque enregistrée dans une boîte fermée à l'écart de la lumière.

3. Développement d'hologrammes

REMARQUE : Les hologrammes sont développés avec un processus chimique sûr et non-staining développé pour les émulsions ultimes.

  1. Une fois que la plaque a été exposée, préparer 100 ml de développeur pour une plaque de 4 pouces x 5 pouces. Mélanger le développeur à un rapport de 1 partie développeur à 10 pièces d'eau distillée ou déminéralisée (1:10).
    REMARQUE : Le développeur est stocké dans une solution concentrée dans une bouteille fermée pour empêcher l'oxydation et doit être dilué avec de l'eau distillée ou déminéralisée juste avant le traitement.
  2. Chauffez le développeur à 22 oC avec précision.
    REMARQUE : La température de l'eau doit être égale ou supérieure à 20 oC pour que le développeur fonctionne correctement. Pour les répétitions, contrôlez la température avant le développement avec un thermomètre.
  3. Sous un feu vert, placez la plaque exposée dans le plateau et immerger rapidement, côté émulsion vers le haut, dans le développeur et agiter lentement pendant 4 min précisément. À la fin du développement, la plaque atteint une couleur jaune pâle/orange.
    REMARQUE : Le processus de développement devient visible quelques secondes après que la plaque est entièrement recouverte par le développeur. Utilisez un plateau isolé avec couvercle pour maintenir une température constante pendant le développement. D'autres développements pour tenter d'obtenir une densité noire n'est pas nécessaire.
  4. Retirez le développeur et lavez la plaque dans son plateau sous l'eau courante du robinet pendant 30 s, ce qui permet à l'eau de déborder dans un évier.
  5. Sous une lumière normale, placez la plaque développée dans le plateau et plongez-la rapidement, côté émulsion vers le haut, dans l'eau de Javel sans agitation jusqu'à ce que la plaque devienne entièrement transparente. Le processus de blanchiment devient visible quelques secondes après que la plaque est complètement submergée.
    REMARQUE : Le temps de blanchiment typique est de 3 à 5 min à température ambiante (20 à 25 oC).
  6. Retirer l'eau de Javel et laver la plaque dans son plateau sous l'eau courante du robinet pendant 2 min, ce qui permet à l'eau de déborder dans un évier.
    REMARQUE : Lorsque la plaque est encore humide après le blanchiment, un hologramme peut être observé par transmission avec une tache halogène. Lorsque l'hologramme est réussi, cette image apparaîtra très forte.
  7. Placer la plaque dans le plateau et la plonger, côté émulsion vers le haut, dans une solution d'eau déminéralisée ou distillée avec quelques gouttes d'agent mouillant sans agitation pendant 1 min.
  8. Retirer la plaque du plateau et la sécher verticalement pendant 15-20 min.
  9. Répétez ces opérations pour chacun des 12 hologrammes. Avant d'enregistrer, afin de placer les différents objets dans la boîte d'enregistrement avec une grande précision, appliquer une méthode holographique oignon-peau en remplaçant l'hologramme transparent précédent à sa position d'enregistrement, et d'observer les deux images en même temps sous laser l'éclairage pour vérifier que le nouveau personnage est bien positionné.
    REMARQUE : Le dépeçage d'oignons est une procédure habituellement utilisée dans l'animation en stop-motion pour voir deux images différentes en même temps.

4. Scellage d'hologramme

REMARQUE : Les hologrammes sont protégés par une deuxième plaque de verre propre scellée à l'hologramme à l'aide de colle ultraviolette optique (UV).

  1. Utilisez un scalpel pour gratter 5 mm de l'émulsion autour des bords.
    REMARQUE : Cette opération est plus facile lorsque la plaque est encore mouillée.
  2. Stratififier l'hologramme à une plaque de verre propre de taille égale (4 pouces x 5 pouces), avec 1 ml de colle UV.
    REMARQUE : Pour faciliter le laminage, préchauffer la colle, l'hologramme et la plaque de verre propre dans un four à 30 oC pendant 10 min.
  3. Exposer le côté verre propre de l'hologramme à la lumière du soleil; la colle UV durcira dans les 5 minutes.
    REMARQUE : Il est également possible d'utiliser une lampe UV, mais une forte exposition aux UV doit être évitée.
  4. Laver l'hologramme scellé avec de l'eau et du savon, le sécher avec du papier de soie et noircir le dos de celui-ci avec de la peinture noire mat.

5. Assemblage et fonctionnement de Fantatrope

  1. Montez les 12 hologrammes dans l'ordre chronologique dans les cadres régulièrement placés d'un Fantatrope.
    REMARQUE : Gentet et coll. 20197 décrivent la fabrication et l'exploitation d'un Fantatrope.
  2. Faites pivoter le Fantatrope à vitesse constante. Une lumière stroboscopique À DERGB synchronisée avec la vitesse de rotation éclaire successivement les différents cadres pour créer une succession rapide d'images et produire l'illusion du mouvement.
    REMARQUE : Une rotation d'un tour par seconde est suffisante pour obtenir le sens d'un mouvement fluide.

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Representative Results

Le contenu 3D a été créé et une séquence cyclique de douze images a été imaginée, et les différents éléments ont ensuite été imprimés et peints en 3D (Figure 1). Une configuration optique couleur à faisceau unique Denisyuk a été assemblée pour enregistrer des hologrammes (Figure 2). Après l'enregistrement, les hologrammes ont été développés et scellés (Figure 3) pour obtenir un ensemble de douze hologrammes analogiques ultra-réalistes en couleur avec un 180 'full-parallax, montrant la même luminosité, la transparence et les couleurs homogènes (Figure 4). Le Fantatrope avec les douze hologrammes montés dans l'ordre chronologique a été actionné avec succès et a généré l'effet d'un affichage 3D dynamique sans avoir besoin d'aides spéciales de visionnement (Vidéo 1).

Figure 1
Figure 1 : Contenu 3D. (A) Caractère et fond générés par ordinateur. (B) La séquence cyclique complète. (C) Caractère imprimé en 3D et fond après peinture, fixé dans la boîte d'enregistrement. Ce chiffre a été modifié à partir de Gentet et al. 20197. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 2
Figure 2 : Configuration holographique optique Denisyuk à faisceau unique schématique. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 3
Figure 3 : Développement et scellement des plaques holographiques. (A) Plaque avec une couleur orange pâle après le développement. (B) Plaque transparente avec presque aucun bruit après le blanchiment. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 4
Figure 4 : Hologrammes finaux. (A) Trois vues différentes de l'un des hologrammes avec un 180 'full-parallax. (B) Ensemble final des douze hologrammes montrant la même luminosité, la transparence et les couleurs homogènes. Ce chiffre a été modifié à partir de Gentet et al. 20197. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Video 1
Vidéo 1 : Fantatrope en opération avec les 12 hologrammes montés dans l'ordre chronologique. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.

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Discussion

Traditionnellement, le film stop-motion utilise des marionnettes ou des modèles en argile. Pour éviter le mouvement et obtenir une image lumineuse au moment de l'enregistrement de l'hologramme, un ensemble de caractères imprimés en 3D et des arrière-plans sont choisis. En outre, les différents éléments sont attachés fermement et sans stress dans la boîte. Si un élément est fixé avec contrainte ou se déplace pendant l'enregistrement, il apparaîtra noir ou frangé dans l'hologramme final. L'impression 3D est un nouvel outil très intéressant pour créer des modèles originaux pour l'holographie analogique.

Le principal avantage des films photopolymères, comme Covestro Bayfol HX20014, sur les matériaux d'halogénure d'argent est leur traitement à sec. Le matériau utilisé ici nécessite un traitement humide, mais il reste rapide et simple, et utilise des produits non toxiques. Il a également une sensibilité beaucoup plus élevée (200 J/cm2 contre 20 mJ/cm2) et le temps d'exposition raccourci qui en résulte est préférable pour l'enregistrement d'hologrammes lumineux dans l'holographie analogique pour éviter les problèmes de vibration et de mouvement. En outre, de nombreux utilisateurs, en particulier les amateurs ou les écoles, ont des lasers de faible puissance (moins de 20 mW); le matériel d'enregistrement très sensible est un facteur important pour obtenir un hologramme de haute qualité avec un temps d'exposition court. Le matériau de substrat est également important dans la détermination de la qualité finale d'hologramme, et le verre s'avère être le meilleur choix pour ceci parce qu'il est mécaniquement stable et optiquement inactif.

Chaque hologramme enregistré dans cette procédure est développé avec des bains chimiques non toxiques et non tachés. Ces produits chimiques, qui sont sûrs et faciles à utiliser, sont très différents des produits dangereux, toxiques et nocifs pour l'environnement généralement utilisés dans l'holographie. En particulier, le processus recommandé15, établi il ya 25 ans pour le russe Slavich PFG-03C émulsion holographique16, utilise des produits chimiques tels que le formaldéhyde ou le catéchol, qui sont dangereux, désordonné et difficile à manipuler. En outre, les plaques U04 sont prédurcies pendant le processus de fabrication et ne nécessitent pas de bains de durcissement dangereux. La plupart des autres matériaux holographiques d'halogénure argentée doivent être traités avant l'exposition avec une solution hyper-sensibilisante de triethanolamine (TEA)17 ou un durcissement pré-bain16 pour augmenter leur sensibilité, avec un risque élevé d'endommager la plaque.

Lors de l'enregistrement, il est préférable de placer l'objet et la plaque holographique dans une position horizontale pour une meilleure stabilité due à la gravité. L'utilisation d'un obturateur électronique avec une minuterie est importante pour contrôler précisément le temps d'exposition et permettre la répétition. Une surexposition de 10 % peut produire un hologramme laiteux, et un manque de temps d'exposition de 10 % peut produire un hologramme faible. À mesure que la température ou l'humidité changent dans la pièce, la gélatine dans laquelle les hologrammes sont enregistrés peut gonfler ou rétrécir. Les couleurs et les angles de reconstruction des hologrammes sont ensuite changés. Par conséquent, pour éviter toute variation d'épaisseur d'émulsion qui peut affecter la restitution des couleurs, chaque hologramme doit être protégé par une deuxième plaque de verre propre scellée à l'hologramme à l'aide de colle optique.

Ce protocole permet d'obtenir des hologrammes lumineux, colorés, transparents et homogènes, et il est très répétable. Les douze hologrammes ont été enregistrés sur plusieurs jours, suivant cette méthode, et ils présentent tous les mêmes caractéristiques finales, qui leur permettent d'être utilisés dans le Fantatrope. En utilisant ce protocole, chaque praticien dans le domaine de l'holographie analogique en couleur peut obtenir des résultats fiables et reproductibles.

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Disclosures

Philippe Gentet, Lyoung-Hui Kim, Kwang-Jib Kim et Seung-Hyun Lee déclarent qu'ils n'ont pas de conflit d'intérêts. Yves Gentet est le fabricant de l'émulsion utilisée ici.

Acknowledgments

La présente recherche a été menée par la subvention de recherche de l'Université de Kwangwoon en 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

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References

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  9. Bjelkhagen, H. I., Brotherton-Ratcliffe, D. Ultra-realistic imaging: advanced techniques in analogue and digital colour holography. CRC Press. Boca Raton, FL. (2013).
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