Gravação de hologramas analógicos de cores completas ultra-realistas para uso em uma tela de holograma em movimento

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

Apresentamos um protocolo para gravar um conjunto de hologramas analógicos ultra-realistas em cores completas, mostrando o mesmo brilho, transparência e cores homogêneas, em emulsões holográficas holográficas de tecido de prata-halido ultra-fino para a fabricação de um 3D holográfico dinâmico Exibir.

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

Este artigo demonstra um método para gravar um conjunto de doze hologramas analógicos ultra-realistas em cores, apresentando o mesmo brilho, transparência e cores homogêneas para a fabricação de um Fantatrope, uma exibição holográfica 3D dinâmica, sem a necessidade de ajudas especiais de visualização. O método envolve o uso da tecnologia de impressora 3D, uma configuração óptica Denisyuk de cor única com três lasers de baixa potência (vermelho, verde e azul) e uma emulsão holográfica de alabote de prata de alto sensível isócromática especialmente projetada para gravando hologramas analógicos sem qualquer difusão. Uma animação cíclica é criada com um programa de computação gráfica 3D e diferentes elementos são impressos em 3D para formar modelos para os hologramas. Hologramas são gravados com uma configuração holográfica colorida e desenvolvidos usando dois banhos químicos simples. Para evitar quaisquer variações de espessura de emulsão, os hologramas são selados com cola óptica. Os resultados confirmam que todos os hologramas registrados com este protocolo apresentam as mesmas características, que permitem que eles sejam usados na Corda Do Fantatrope.

Introduction

As exposições tridimensionais (3D) são um importante tópico de pesquisa1,2,3 e a maioria das abordagens atuais usam o princípio estereoscópico4 que causa desconforto visual e fadiga5,6. O Fantatrope é um novo tipo conveniente de exibição holográfica 3D dinâmica que pode mostrar uma animação curta em cores sem a necessidade de ajudas especiais de visualização7. Um Fantatrope usa uma série de doze hologramas coloridos correspondentes às diferentes fases de uma animação. Todos os hologramas utilizados neste dispositivo devem ser ultra-realistas e apresentar o mesmo brilho, transparência e cores homogêneas. A gravação de um único holograma de alta qualidade em cores continua difícil, mesmo para os praticantes experientes. Embora as escolhas da técnica de gravação e material holográfico sejam pontos-chave importantes, há vários outros detalhes que são cruciais para gravar com sucesso tais hologramas.

Para este protocolo, uma seqüência cíclica de doze imagens diferentes é criada primeiramente com um programa 3D dos gráficos de computador e todos os elementos são impressos 3D para transformar-se modelos do hologram. Estes hologramas são gravados com o método de feixe único8 introduzido por Yuri Denisyuk em 1963 que permite a gravação de hologramas ultra-realistas com uma paralaxe completa de 180°. Uma configuração de cor completa Denisyuk usa três lasers diferentes (vermelho, verde e azul) combinados para obter um feixe de laser branco. Emulsões de alabote de prata são a melhor escolha de gravação de material9 e apenas algumas emulsões de cor cheia de alabote prateado estão disponíveis9,10. Além disso, para gravar o comprimento de onda azul sem borrão, uma emulsão isopancromática com uma resolução de mais de 10.000 linhas/mm é necessária.

Neste protocolo, o conjunto de hologramas são registrados em placas de 4 polegadas x 5 polegadas, usando um material que é especialmente projetado para gravar hologramas analógicos em cores sem qualquer difusão e é feito de isopancromática para todos os lasers visíveis comuns usados na holografia de cores (ver Tabela de Materiais). O grão é tão fino (4 nm) que qualquer comprimento de onda visível pode ser registrado dentro sem qualquer difusão11. Além disso, cada holograma é desenvolvido usando um processo químico seguro, não-manchando desenvolvido para as emulsões finais.

Este protocolo detalhado destina-se a ajudar os praticantes novos e experientes no campo da holografia analógica para evitar muitas armadilhas comuns associadas com a gravação de hologramas denisyuk em cores; ele também pode fornecer uma abordagem para aprender a usar materiais holográficos e produtos químicos holográficos de alabote de prata para obter resultados confiáveis e reprodutíveis.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

CUIDADO: Todas as práticas de segurança apropriadas devem ser seguidas ao usar lasers12 e produtos químicos, incluindo o uso de equipamentos de proteção individual, como óculos de segurança, óculos, luvas e jalecos.

1. Criação de conteúdo

  1. Modele os diferentes elementos da cena (personagem e fundo) com programas de computação gráfica 3D, como o Blender, um conjunto de ferramentas de software 3D gratuito e de código aberto.
  2. Crie uma animação cíclica de 12 quadros com o programa de computação gráfica 3D.
  3. Impressão 3D e pintar os diferentes elementos.
    1. Imprimir caracteres e fundo na mesma escala usando uma modelagem de deposição fundida (FDM) impressora 3D monocromática13, com um pólio de ácido poliláctico branco (PLA) filamento.
    2. Use lixa para eliminar defeitos de impressão.
    3. Pinte à mão os diferentes elementos com tinta acrílica.
      CUIDADO: Para evitar odores desagradáveis, pintar ao ar livre ou usar ventilação.
  4. Configure a caixa de gravação. Corrija o fundo em uma caixa de madeira rígida para evitar o movimento e coloque os diferentes caracteres impressos em 3D dentro um após o outro para permitir a gravação dos diferentes hologramas de 4 polegadas x 5 polegadas.
    NOTA: Para evitar o movimento durante a gravação do holograma, una firmemente os elementos individuais usando a colagem ou o plasticine, sem aplicar o esforço.

2. Gravação do holograma

  1. Em uma tabela óptica, monte uma configuração óptica de cor completa denisyuk de feixe único9,10 para gravar os hologramas.
    NOTA: Para gravar os hologramas diferentes, os três lasers rgb usados são um HeNe vermelho, 633 nm, 20 mW; um estado sólido (DPSS), 532 mW ajustado a 20 mW; e um DPSS azul 473 nm 50 mW ajustado a 20 mW. O filtro espacial é equipado com um objetivo de microscópio acromomático de 40x, 0,65 NA e um pinhole de 10 μm.
    1. Combine os 3 feixes de laser (vermelho, verde e azul) com um prisma de cubo X para obter um feixe de laser branco que passa pelo mesmo filtro espacial.
      NOTA: Use dois espelhos para os lasers vermelhos e azuis para obter quatro graus de liberdade e alinhar perfeitamente os três feixes.
    2. A partir de uma distância de 1 m e um ângulo de 45°, ilumine a caixa de gravação com o feixe divergente.
    3. Ajuste a distância dos três lasers do cubo para obter diâmetros de feixe semelhantes projetados no plano de objeto.
      NOTA: A caixa de gravação tem que ser iluminada com um feixe branco divergente largo, limpo e homogêneo.
  2. Use um medidor de alimentação para ajustar o equilíbrio de cores e determinar o tempo de exposição.
    1. Medir a intensidade de cada laser horizontalmente, na posição da placa holográfica (ver Tabela de Materiais). Como o material da placa é isopancromático, ajuste o equilíbrio de cores igualmente para os 3 lasers.
      NOTA: O medidor de energia usado permite a leitura direta do poder do laser vermelho de 633 nm. Para os 473 nm azul e 532 nm lasers verdes, é necessário aplicar um coeficiente de correção (x0,4 para azul e x0,6 para verde).
    2. Determinar o tempo de exposição antes de gravar o holograma, de acordo com a seguinte fórmula:
      Equation 1(1)
    3. onde é o tempo de exposição (s), H a sensibilidade do material (J/cm2)e E a intensidade do laser (W/cm2). E é medido na posição da placa holográfica com um medidor de energia.
      NOTA: A sensibilidade dos materiais utilizados aqui é de 200 μJ/cm2 por laser para um holograma em cores (RGB). A intensidade de cada laser na posição da placa holográfica, medida com o medidor de potência é de 17 μW/cm² por laser, e o tempo de exposição é de 12 s de acordo com a fórmula (1).
  3. Feche o feixe de laser com um obturador.
    NOTA: Use um obturador eletrônico com um tempora para controlar o tempo de exposição com precisão.
  4. Prepare pratos.
    CUIDADO: Segure as bordas da placa usando luvas e não permita o contato da pele com a emulsão a qualquer momento.
    1. Retire as placas holográficas da geladeira para evitar um turno e armazená-los à temperatura ambiente (20-25 °C) por 1 h antes de gravar.
      NOTA: As placas usadas aqui têm que ser refrigeradas a 4 °C.
    2. Escurecer a borda superior da placa com um marcador preto para evitar a reflexão interna.
  5. Configure a placa de gravação uma luz verde.
    1. Soprar para a placa para determinar o lado da emulsão. O vapor aparece apenas no lado do vidro.
    2. Coloque a placa holográfica emulsão do lado para baixo na caixa de gravação. Permita que ele estabilize por 5 min antes da gravação.
  6. Abra o obturador para expor a placa de gravação, durante o tempo previamente calculado com a fórmula (1).
  7. Mantenha a placa gravada em uma caixa fechada longe da luz.

3. Desenvolvimento do holograma

NOTA: Hologramas são desenvolvidos com um processo químico seguro e não-coloração desenvolvido para as emulsões finais.

  1. Uma vez que a placa foi exposta, prepare 100 mL do colaborador para uma placa de 4 polegadas x 5 polegadas. Misture o desenvolvedor em uma proporção de 1 parte desenvolvedor para 10 partes destiladas ou água desmineralizada (1:10).
    NOTA: O desenvolvedor é abastecido em uma solução concentrada em uma garrafa fechada para evitar a oxidação e precisa ser diluído com água destilada ou desmineralizada pouco antes do processamento.
  2. Aqueça o desenvolvedor a 22 °C precisamente.
    NOTA: A temperatura da água deve ser igual ou superior a 20 °C para o desenvolvedor funcionar corretamente. Para repetições, controle a temperatura antes do desenvolvimento com um termômetro.
  3. uma luz segura verde, coloque a placa exposta na bandeja e submergi-lo rapidamente, emulsão-lado para cima, para o desenvolvedor e agitar lentamente por 4 min precisamente. No final do desenvolvimento, a placa atinge uma cor amarelo pálido / laranja.
    NOTA: O processo de desenvolvimento torna-se visível alguns segundos depois que a placa é coberta inteiramente com o colaborador. Use uma bandeja isolada com uma tampa para manter uma temperatura constante durante o desenvolvimento. Um desenvolvimento mais adicional para tentar começ uma densidade preta não é exigido.
  4. Retire o desenvolvedor e lave a placa em sua bandeja a água da torneira corrente para 30 s, permitindo que a água transborde em uma pia.
  5. a luz normal, coloque a placa desenvolvida na bandeja e submerlhe-a rapidamente, emulsão-lado para cima, na lixívia sem agitação até que a placa se torne totalmente transparente. O processo de branqueamento torna-se visível alguns segundos após a placa está totalmente submersa.
    NOTA: O tempo típico de branqueamento é de 3 a 5 min à temperatura ambiente (20-25 °C).
  6. Retire a lixívia e lave a placa em sua bandeja água da torneira corrente por 2 min, permitindo que a água transborde em uma pia.
    NOTA: Quando a placa ainda está em um estado úmido após o branqueamento, um holograma pode ser observado por transmissão com um ponto halogênio. Quando o holograma for bem sucedido, esta imagem parecerá muito forte.
  7. Coloque a placa na bandeja e submergi-lo, emulsão-lado para cima, em uma solução de água desmineralizada ou destilada com algumas gotas de agente molhando sem agitação por 1 min.
  8. Retire a placa da bandeja e seque-o verticalmente por 15-20 min.
  9. Repita estas operações para cada um dos 12 hologramas. Antes de gravar, a fim de colocar os diferentes objetos na caixa de gravação com grande precisão, aplique um método holográfico de cebola e pele, substituindo o holograma transparente anterior em sua posição de gravação, e observe ambas as imagens ao mesmo tempo laser Iluminação para verificar se o novo personagem está bem posicionado.
    NOTA: Onion skinning é um procedimento geralmente usado em animação stop-motion para ver dois quadros diferentes ao mesmo tempo.

4. Selagem de holograma

NOTA: Hologramas são protegidos por uma segunda placa de vidro limpa selada para o holograma usando cola ultravioleta óptica (UV).

  1. Use um bisturi para raspar 5 mm da emulsão ao redor das bordas.
    NOTA: Esta operação é mais fácil quando a placa ainda está molhada.
  2. Laminado o holograma para uma placa de vidro limpo de tamanho igual (4 polegadas x 5 polegadas), com 1 mL de cola UV.
    NOTA: Para facilitar a laminação, pré-aqueça a cola, o holograma e a placa de vidro limpo em um forno a 30 °C por 10 min.
  3. Expor o lado de vidro limpo do holograma à luz solar; a cola UV endurecerá dentro de 5 minutos.
    NOTA: Também é possível usar uma lâmpada UV, mas forte exposição UV deve ser evitada.
  4. Lave o holograma selado com água e sabão, seque-o com papel de seda e enegreça a parte de trás dele com tinta spray preta fosca.

5. Montagem e operação fantatrope

  1. Monte os 12 hologramas em ordem cronológica nos quadros regularmente colocados de um Fantatrope.
    NOTA: Gentet et al. 20197 descrevem a fabricação e operação de um Fantatrope.
  2. Gire o Fantatrope em velocidade constante. Uma luz estroboscópica RGB LED sincronizada com a velocidade de rotação ilumina sucessivamente os diferentes quadros para criar uma rápida sucessão de imagens e produzir a ilusão de movimento.
    NOTA: Uma rotação de uma volta por segundo é suficiente para obter a sensação de um movimento fluido.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

O conteúdo 3D foi criado e uma sequência cíclica de doze imagens foi imaginada, e os diferentes elementos foram então impressos e pintados em 3D(Figura 1). Uma configuração óptica de cor completa de feixe único Denisyuk foi montada para gravar hologramas(Figura 2). Após a gravação, os hologramas foram desenvolvidos e selados(Figura 3)para obter um conjunto de doze hologramas analógicos ultra-realistas de cor cheia com uma paralaxe completa de 180°, mostrando o mesmo brilho, transparência e cores homogêneas (Figura 4). O Fantatrope com os doze hologramas montados em ordem cronológica foi operado com sucesso e gerou o efeito de uma exibição 3D dinâmica sem a necessidade de quaisquer auxílios especiais de visualização (Vídeo 1).

Figure 1
Figura 1: Conteúdo 3D. (A)Computador gerado caráter e fundo. Asequência cíclica completa. (C) personagem impresso em 3D e fundo após a pintura, fixado na caixa de gravação. Este número foi modificado a partir de Gentet et al. 20197. Clique aqui para ver uma versão maior deste número.

Figure 2
Figura 2: Configuração holográfica óptica Denisyuk de cor única. Clique aqui para ver uma versão maior deste número.

Figure 3
Figura 3: Desenvolvimento e vedação de placas holográficas. (A)Placa com uma cor laranja pálido após o desenvolvimento. (B)Placa transparente com quase nenhum ruído após o branqueamento. Clique aqui para ver uma versão maior deste número.

Figure 4
Figura 4: Hologramas finais. (A) Três vistas diferentes de um dos hologramas com uma paralaxe completa de 180°. (B) Conjunto final dos doze hologramas mostrando o mesmo brilho, transparência e cores homogêneas. Este número foi modificado a partir de Gentet et al. 20197. Clique aqui para ver uma versão maior deste número.

Video 1
Vídeo 1: Fantatrope em operação com os 12 hologramas montados em ordem cronológica. Por favor, clique aqui para baixar este arquivo.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Tradicionalmente, filme stop-motion usa fantoches ou modelos de argila. Para evitar o movimento e obter uma imagem brilhante no momento da gravação do holograma, um conjunto de caracteres impressos em 3D e fundos são escolhidos. Além disso, os diferentes elementos estão ligados com firmeza e sem estresse na caixa. Se um elemento for corrigido com restrição ou movimento durante a gravação, ele aparecerá preto ou franjado no holograma final. A impressão 3D é uma nova ferramenta muito interessante para a criação de modelos originais para a holografia analógica.

A principal vantagem dos filmes fotopolímeros, como Covestro Bayfol HX20014, sobre materiais de prata-halide é o seu processamento seco. O material usado aqui requer processamento molhado, mas permanece rápido e simples, e usa produtos não tóxicos. Ele também tem uma sensibilidade muito maior (200 μJ/cm2 versus 20 mJ/cm2)e o tempo de exposição encurtado resultante é preferido para o registro de hologramas brilhantes na holografia analógica para evitar problemas de vibração e movimento. Além disso, muitos usuários, especialmente amadores ou escolas, têm lasers de baixa potência (menos de 20 mW); material de gravação altamente sensível é um fator importante para obter um holograma de alta qualidade com um curto tempo de exposição. O material substrato também é importante na determinação da qualidade final do holograma, e o vidro prova ser a melhor escolha para isso porque é mecanicamente estável e opticamente inativo.

Cada holograma registrado neste procedimento é desenvolvido com banhos químicos não tóxicos e não-manchando. Estes produtos químicos, que são seguros e fáceis de usar, são muito diferentes dos perigosos, tóxicos e ambientalmente prejudiciais geralmente usados na holografia. Em particular, o processo recomendado15, criado há 25 anos para o russo Slavich PFG-03C emulsão holográfica16, usa produtos químicos como formaldeído ou catechol, que são inseguros, confuso e difícil de manusear. Além disso, as placas U04 são pré-endurecidas durante o processo de fabricação e não exigem nenhum banho de endurecimento perigoso. A maioria dos outros materiais holográficos de alabote de prata têm de ser tratados antes da exposição com uma solução hipersensibilizante de trietanolamina (TEA)17 ou um endurecimento pré-banho16 para aumentar a sua sensibilidade, com um alto risco de danificar a placa.

Durante a gravação, é preferível colocar o objeto e a placa holográfica em uma posição horizontal para uma melhor estabilidade devido à gravidade. Usar um obturador eletrônico com um temporizador é importante controlar com precisão o tempo de exposição com precisão e permitir a repetição. Uma superexposição de 10% pode produzir um holograma leitoso, e uma falta de 10% de tempo de exposição pode produzir um holograma escuro. À medida que a temperatura ambiente ou a umidade mudam, a gelatina em que os hologramas são registrados pode inchar ou encolher. Cores e ângulos de reconstrução dos hologramas são então alterados. Portanto, para evitar quaisquer variações de espessura de emulsão que possam afetar a versão de cores, cada holograma precisa ser protegido por uma segunda placa de vidro limpa selada ao holograma usando cola óptica.

Este protocolo permite hologramas brilhantes, coloridos, transparentes e homogêneos para serem obtidos, e é altamente repetível. Os doze hologramas foram registrados ao longo de vários dias, seguindo este método, e todos eles apresentam as mesmas características finais, que lhes permitem ser usados na Corda Fantatrope. Usando este protocolo, cada praticante no campo da holografia analógica em cores pode obter resultados confiáveis e reprodutíveis.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Philippe Gentet, Lyoung-Hui Kim, Kwang-Jib Kim e Seung-Hyun Lee declaram que não têm conflito de interesses. Yves Gentet é o fabricante da emulsão usada aqui.

Acknowledgments

A pesquisa atual foi conduzida pela Bolsa de Pesquisa da Universidade de Kwangwoon em 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

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