Grabación de hologramas analógicos a todo color ultrarealistas para su uso en una pantalla de holograma móvil

Engineering

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Summary

Presentamos un protocolo para grabar un conjunto de hologramas analógicos ultrarrealistas a todo color, que muestran el mismo brillo, transparencia y colores homogéneos, en emulsiones holográficas de halogenuros de plata de grano ultrafino para la fabricación de un 3D holográfico dinámico Monitor.

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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

Este documento demuestra un método para grabar un conjunto de doce hologramas analógicos a todo color ultrarrealistas que presentan el mismo brillo, transparencia y colores homogéneos para la fabricación de un Fantatrope, una pantalla 3D holográfica dinámica, sin necesidad de ayudas especiales para ver. El método implica el uso de la tecnología de impresora 3D, una configuración óptica Denisyuk a todo color de un solo haz con tres láseres de baja potencia (rojo, verde y azul) y una emulsión holográfica de halogenuros de plata de alta sensibilidad iso-pancromática especialmente diseñada para grabando hologramas analógicos sin difusión. Se crea una animación cíclica con un programa de gráficos por ordenador 3D y diferentes elementos se imprimen en 3D para formar modelos para los hologramas. Los hologramas se graban con una configuración holográfica a todo color y se desarrollan utilizando dos simples baños químicos. Para evitar cualquier variación de espesor de emulsión, los hologramas se sellan con pegamento óptico. Los resultados confirman que todos los hologramas registrados con este protocolo presentan las mismas características, que permiten ser utilizados en la Fantatrope.

Introduction

Las pantallas tridimensionales (3D) son un importante tema de investigación1,2,3 y la mayoría de los enfoques actuales utilizan el principio estereoscópico4 que causa malestar visual y fatiga5,6. El Fantatrope es un nuevo tipo conveniente de pantalla 3D holográfica dinámica que puede mostrar una animación corta a todo color sin la necesidad de ayudas de visualización especiales7. Un Fantatrope utiliza una serie de doce hologramas a todo color correspondientes a las diferentes fases de una animación. Todos los hologramas utilizados en este dispositivo deben ser ultrarealistas y presentar el mismo brillo, transparencia y colores homogéneos. El registro de un solo holograma a todo color de alta calidad sigue siendo difícil incluso para los profesionales experimentados. Si bien las opciones de la técnica de grabación y el material holográfico son puntos clave importantes, hay varios detalles más que son cruciales para registrar con éxito dichos hologramas.

Para este protocolo, primero se crea una secuencia cíclica de doce imágenes diferentes con un programa de gráficos por ordenador 3D y todos los elementos se imprimen en 3D para convertirse en modelos de holograma. Estos hologramas se registran con el método de haz único8 introducido por Yuri Denisyuk en 1963 que permite el registro de hologramas ultrarrealistas con un paralaje completo de 180o. Una configuración a todo color de Denisyuk utiliza tres láseres diferentes (rojo, verde y azul) combinados para obtener un rayo láser blanco. Las emulsiones de halogenuros de plata son la mejor opción de material de grabación9 y sólo unas pocas emulsiones de color completo de halogenuros de plata están disponibles9,10. Además, para registrar la longitud de onda azul sin desenfoque, se requiere una emulsión isopancromática con una resolución de más de 10.000 líneas/mm.

En este protocolo, el conjunto de hologramas se registra en placas de 4 pulgadas x 5 pulgadas, utilizando un material especialmente diseñado para grabar hologramas analógicos a todo color sin ninguna difusión y se hace isopancromático para todos los láseres visibles comunes utilizados en la holografía de color (ver Tabla de Materiales). El grano es tan fino (4 nm) que cualquier longitud de onda visible se puede registrar en el interior sin ninguna difusión11. Además, cada holograma se desarrolla utilizando un proceso químico seguro y sin manchas desarrollado para las emulsiones finales.

Este protocolo detallado está destinado a ayudar a los profesionales nuevos y experimentados en el campo de la holografía analógica para evitar muchos escollos comunes asociados con el registro de hologramas Denisyuk a todo color; también puede proporcionar un enfoque para aprender a usar materiales holográficos y productos químicos de halogenuros de plata definitivos para obtener resultados confiables y reproducibles.

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Protocol

ADVERTENCIA: Se deben seguir todas las prácticas de seguridad adecuadas cuando se utilicen láseres12 y productos químicos, incluido el uso de equipos de protección personal, como gafas de seguridad, gafas, guantes y batas de laboratorio.

1. Creación de contenido

  1. Modele los diferentes elementos de la escena (carácter y fondo) con programas de gráficos por ordenador 3D como Blender, un conjunto de herramientas de software 3D libre y de código abierto.
  2. Cree una animación cíclica de 12 fotogramas con el programa de gráficos por ordenador 3D.
  3. Imprima en 3D y pinte los diferentes elementos.
    1. Imprima caracteres y fondo a la misma escala utilizando una impresora 3D monocromática de modelado de deposición fusionada (FDM)13, con un filamento de ácido poliláctico blanco (PLA).
    2. Utilice papel de lija para eliminar defectos de impresión.
    3. Pinta a mano los diferentes elementos con pintura acrílica.
      ADVERTENCIA: Para evitar olores desagradables, pinte al aire libre o utilice ventilación.
  4. Configure la caja de grabación. Fijar el fondo en una caja rígida de madera para evitar el movimiento y colocar los diferentes caracteres impresos en 3D dentro de uno tras otro para permitir la grabación de los diferentes hologramas de 4 pulgadas x 5 pulgadas.
    NOTA: Para evitar el movimiento durante el registro del holograma, adjunte firmemente los elementos individuales con pegamento o plastilina, sin aplicar tensión.

2. Grabación de hologramas

  1. En una mesa óptica, ensamble una configuración óptica a todo color Denisyuk de un solo haz9,10 para registrar los hologramas.
    NOTA: Para registrar los diferentes hologramas, los tres láseres RGB utilizados son un HeNe rojo, 633 nm, 20 mW; un diodo verde bombeado en estado sólido (DPSS), 532 nm, 100 mW ajustado a 20 mW; y un DPSS azul 473 nm 50 mW ajustado a 20 mW. El filtro espacial está equipado con un objetivo de microscopio acromático de 40x, 0,65 NA y un agujero de 10 m.
    1. Combine los 3 rayos láser (rojo, verde y azul) con un prisma X-cubo para obtener un rayo láser blanco que pasa a través del mismo filtro espacial.
      NOTA: Utilice dos espejos para los láseres rojo sin rojo y azul para obtener cuatro grados de libertad y alinear perfectamente los tres haces.
    2. Desde una distancia de 1 m y un ángulo de 45o, ilumine la caja de grabación con el haz divergente.
    3. Ajuste la distancia de los tres láseres del cubo para obtener diámetros de haz similares proyectados en el plano del objeto.
      NOTA: La caja de grabación debe iluminarse con un haz blanco divergente amplio, limpio y homogéneo.
  2. Utilice un medidor de potencia para ajustar el balance de color y determinar el tiempo de exposición.
    1. Mida la intensidad de cada láser horizontalmente, en la posición de la placa holográfica (ver Tabla de Materiales). Dado que el material de la placa es isopancromático, ajuste el balance de color por igual para los 3 láseres.
      NOTA: El medidor de potencia utilizado permite la lectura directa de la potencia del láser rojo de 633 nm. Para los láseres azules de 473 nm y 532 nm, es necesario aplicar un coeficiente de corrección (x0.4 para azul y x0.6 para verde).
    2. Determine el tiempo de exposición antes de registrar el holograma, de acuerdo con la siguiente fórmula:
      Equation 1(1)
    3. donde t es el tiempo de exposición (s), H la sensibilidad del material (J/cm2) y E la intensidad del láser (W/cm2). E se mide en la posición de la placa holográfica con un medidor de potencia.
      NOTA: La sensibilidad de los materiales utilizados aquí es de 200 J/cm2 por láser para un holograma a todo color (RGB). La intensidad de cada láser en la posición de la placa holográfica, medida con el medidor de potencia es de 17 W/cm2 por láser, y el tiempo de exposición es de 12 s s según la fórmula (1).
  3. Cierre el rayo láser con un obturador.
    NOTA: Utilice un obturador electrónico con un temporizador para controlar el tiempo de exposición con precisión.
  4. Preparen platos.
    ADVERTENCIA: Manipule los bordes de la placa con guantes y no permita el contacto de la piel con la emulsión en ningún momento.
    1. Retire las placas holográficas del refrigerador para evitar un cambio y guárdelas a temperatura ambiente (20-25 oC) durante 1 hora antes de grabar.
      NOTA: Las placas utilizadas aquí tienen que ser refrigeradas a 4 oC.
    2. Oscurezca el borde superior de la placa con un marcador negro para evitar la reflexión interna.
  5. Configure la placa de grabación bajo una luz verde.
    1. Soplar sobre la placa para determinar el lado de la emulsión. El vapor aparece sólo en el lado del vidrio.
    2. Coloque la placa holográfica de la emulsión hacia abajo en la caja de grabación. Deje que se estabilice durante 5 minutos antes de grabar.
  6. Abra el obturador para exponer la placa de grabación, durante el tiempo calculado previamente con la fórmula (1).
  7. Mantenga la placa grabada en una caja cerrada lejos de la luz.

3. Desarrollo de hologramas

NOTA: Los hologramas se desarrollan con un proceso químico seguro y sin manchas desarrollado para las emulsiones definitivas.

  1. Una vez que la placa ha sido expuesta, prepare 100 ml de desarrollador para una placa de 4 pulgadas x 5 pulgadas. Mezclar el desarrollador en una proporción de 1 parte desarrollador a 10 partes de agua destilada o desmineralizada (1:10).
    NOTA: El desarrollador se almacena en una solución concentrada en una botella cerrada para evitar la oxidación y necesita diluirse con agua destilada o desmineralizada justo antes del procesamiento.
  2. Calentar el desarrollador a 22 oC con precisión.
    NOTA: La temperatura del agua debe ser igual o superior a 20 oC para que el desarrollador funcione correctamente. Para repeticiones, controle la temperatura antes del desarrollo con un termómetro.
  3. Bajo un seguro verde, coloque la placa expuesta en la bandeja y sumerja rápidamente, de lado de la emulsión hacia arriba, en el desarrollador y agitar lentamente durante 4 minutos con precisión. Al final del desarrollo, la placa alcanza un color amarillo pálido/naranja.
    NOTA: El proceso de desarrollo se hace visible unos segundos después de que la placa esté completamente cubierta con el desarrollador. Utilice una bandeja aislada con tapa para mantener una temperatura constante durante el desarrollo. No es necesario seguir desarrollando para intentar obtener una densidad negra.
  4. Retire al desarrollador y lave la placa en su bandeja bajo el agua corriente del grifo durante 30 s, permitiendo que el agua se desborde en un fregadero.
  5. Bajo la luz normal, coloque la placa desarrollada en la bandeja y sumerja rápidamente, de lado emulsión hacia arriba, en la lejía sin agitación hasta que la placa se vuelva completamente transparente. El proceso de blanqueo se hace visible unos segundos después de que la placa está completamente sumergida.
    NOTA: El tiempo de blanqueo típico es de 3 a 5 min a temperatura ambiente (20-25 oC).
  6. Retire la lejía y lave la placa en su bandeja bajo el agua corriente del grifo durante 2 minutos, permitiendo que el agua se desborde en un fregadero.
    NOTA: Cuando la placa todavía está en estado húmedo después del blanqueo, se puede observar un holograma por transmisión con un punto halógeno. Cuando el holograma tenga éxito, esta imagen aparecerá muy fuerte.
  7. Coloque la placa en la bandeja y sumerjala, de lado emulsión hacia arriba, en una solución de agua desmineralizada o destilada con unas gotas de agente humectante sin agitación durante 1 min.
  8. Retire la placa de la bandeja y séquela verticalmente durante 15-20 min.
  9. Repita estas operaciones para cada uno de los 12 hologramas. Antes de grabar, con el fin de colocar los diferentes objetos en la caja de grabación con gran precisión, aplicar un método holográfico cebolla-piel reemplazando el holograma transparente anterior en su posición de grabación, y observar ambas imágenes al mismo tiempo bajo láser iluminación para comprobar que el nuevo personaje está bien posicionado.
    NOTA: El despellejamiento de cebolla es un procedimiento que se suele utilizar en la animación stop-motion para ver dos fotogramas diferentes al mismo tiempo.

4. Sellado de hologramas

NOTA: Los hologramas están protegidos por una segunda placa de vidrio limpia sellada al holograma utilizando pegamento ultravioleta óptico (UV).

  1. Utilice un bisturí para raspar 5 mm de la emulsión alrededor de los bordes.
    NOTA: Esta operación es más fácil cuando la placa todavía está mojada.
  2. Laminar el holograma a una placa de vidrio limpia de igual tamaño (4 pulgadas x 5 pulgadas), con 1 ml de pegamento UV.
    NOTA: Para facilitar la laminación, precaliente el pegamento, el holograma y la placa de vidrio limpia en un horno a 30 oC durante 10 min.
  3. Exponer el lado de vidrio limpio del holograma a la luz solar; el pegamento UV se endurecerá dentro de 5 min.
    NOTA: También es posible utilizar una lámpara UV, pero se debe evitar una fuerte exposición UV.
  4. Lavar el holograma sellado con agua y jabón, secarlo con papel tisú y ennegrecer la parte posterior del mismo con pintura en aerosol negra mate.

5. Ensamblaje y operación de Fantatrope

  1. Monte los 12 hologramas en orden cronológico en los marcos colocados regularmente de una Fantatrope.
    NOTA: Gentet et al. 20197 describen la fabricación y el funcionamiento de una fantatrope.
  2. Gira el Fantatrope a velocidad constante. Una luz estroboscópica LED RGB sincronizada con la velocidad de rotación ilumina sucesivamente los diferentes fotogramas para crear una rápida sucesión de imágenes y producir la ilusión de movimiento.
    NOTA: Una rotación de una vuelta por segundo es suficiente para tener la sensación de un movimiento fluido.

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Representative Results

Se creó contenido 3D y se imaginó una secuencia cíclica de doce imágenes, y los diferentes elementos fueron entonces impresos y pintados en 3D(Figura 1). Se ensambló una configuración óptica a todo color de Denisyuk a todo color para registrar hologramas (Figura 2). Después del registro, los hologramas fueron desarrollados y sellados(Figura 3) para obtener un conjunto de doce hologramas analógicos a todo color ultrarrealistas con un paralaje completo de 180o, mostrando el mismo brillo, transparencia y colores homogéneos(Figura 4). El Fantatrope con los doce hologramas montados en orden cronológico fue operado con éxito y generó el efecto de una pantalla 3D dinámica sin necesidad de ninguna ayuda de visualización especial (Video 1).

Figure 1
Figura 1: Contenido 3D. (A) Carácter y fondo generados por el ordenador. (B) La secuencia cíclica completa. (C) carácter impreso en 3D y fondo después de la pintura, fijo en la caja de grabación. Esta cifra ha sido modificada de Gentet et al. 20197. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 2
Figura 2: Configuración holográfica óptica Denisyuk a todo color esquemática de un solo haz. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 3
Figura 3: Desarrollo y sellado de placas holográficas. (A) Placa de color naranja pálido después del desarrollo. (B) Placa transparente con casi ningún ruido después del blanqueo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 4
Figura 4: Hologramas finales. (A) Tres vistas diferentes de uno de los hologramas con un paralaje completo de 180o. (B) Conjunto final de los doce hologramas que muestran el mismo brillo, transparencia y colores homogéneos. Esta cifra ha sido modificada de Gentet et al. 20197. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Video 1
Video 1: Fantatrope en funcionamiento con los 12 hologramas montados en orden cronológico. Haga clic aquí para descargar este archivo.

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Discussion

Tradicionalmente, la película stop-motion utiliza marionetas o modelos de arcilla. Para evitar el movimiento y obtener una imagen brillante en el momento de la grabación del holograma, se elige un conjunto de caracteres y fondos impresos en 3D. Además, los diferentes elementos se fijan firmemente y sin tensión en la caja. Si un elemento se fija con restricción o se mueve durante la grabación, aparecerá negro o flecos en el holograma final. La impresión 3D es una nueva herramienta muy interesante para crear modelos originales para la holografía analógica.

La principal ventaja de las películas de fotopolímeros, como Covestro Bayfol HX20014, sobre los materiales de halogenuros de plata es su procesamiento en seco. El material utilizado aquí requiere un procesamiento en húmedo, pero sigue siendo rápido y simple, y utiliza productos no tóxicos. También tiene una sensibilidad mucho mayor (200 oJ/cm2 frente a 20 mJ/cm2) y el tiempo de exposición acortado resultante se prefiere para registrar hologramas brillantes en holografía analógica para evitar problemas de vibración y movimiento. Además, muchos usuarios, especialmente aficionados o escuelas, tienen láseres de baja potencia (menos de 20 mW); material de grabación altamente sensible es un factor importante para obtener un holograma de alta calidad con un tiempo de exposición corto. El material del sustrato también es importante para determinar la calidad final del holograma, y el vidrio demuestra ser la mejor opción para esto porque es mecánicamente estable y ópticamente inactivo.

Cada holograma registrado en este procedimiento se desarrolla con baños químicos no tóxicos y no manchados. Estos productos químicos, que son seguros y fáciles de usar, son muy diferentes de los peligrosos, tóxicos y perjudiciales para el medio ambiente generalmente utilizados en la holografía. En particular, el proceso recomendado15, establecido hace 25 años para la emulsión holográfica rusa Slavich PFG-03C16, utiliza productos químicos como el formaldehído o el catecol, que son inseguros, desordenados y difíciles de manejar. Además, las placas U04 están preendurecidas durante el proceso de fabricación y no requieren baños de endurecimiento peligrosos. La mayoría de los otros materiales holográficos de halogenuros de plata deben tratarse antes de la exposición con una solución hipersensibilizante de trietanolamina (TEA)17 o un prebaño de endurecimiento16 para aumentar su sensibilidad, con un alto riesgo de dañar la placa.

Durante la grabación, es preferible colocar el objeto y la placa holográfica en una posición horizontal para una mejor estabilidad debido a la gravedad. El uso de un obturador electrónico con un temporizador es importante para controlar con precisión el tiempo de exposición y permitir la repetición. Una sobreexposición del 10% puede producir un holograma lechoso, y una falta de tiempo de exposición del 10% puede producir un holograma tenue. A medida que cambia la temperatura ambiente o la humedad, la gelatina en la que se registran los hologramas puede hincharse o encogerse. A continuación, se cambian los colores y los ángulos de reconstrucción de los hologramas. Por lo tanto, para evitar cualquier variación de espesor de emulsión que pueda afectar a la reproducción del color, cada holograma debe ser protegido por una segunda placa de vidrio limpia sellada al holograma usando pegamento óptico.

Este protocolo permite obtener hologramas brillantes, coloridos, transparentes y homogéneos, y es altamente repetible. Los doce hologramas se registraron durante varios días, siguiendo este método, y todos presentan las mismas características finales, que les permiten ser utilizados en la Fantatrope. Usando este protocolo, cada practicante en el campo de la holografía analógica a todo color puede obtener resultados confiables y reproducibles.

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Disclosures

Philippe Gentet, Lyoung-Hui Kim, Kwang-Jib Kim y Seung-Hyun Lee declaran que no tienen conflicto de intereses. Yves Gentet es el fabricante de la emulsión utilizada aquí.

Acknowledgments

La presente investigación fue realizada por la Beca de Investigación de la Universidad 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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