这项工作描述并描述了微型自动光电陷印装置的制造。
本文提出了一种自动化的、快速晶圆厂兼容的光电陷阱测试台,以实现体积显示研究的民主化和众包化。该钻机可以使用激光切割机,3D(3D)打印机和普通手动工具在2小时内建造。在目前的形式下,该钻机可用于测试以下关键参数:颗粒类型,陷阱类型,数值孔径和气流,速度约为每小时250个样品。只需稍作修改,该钻机就可以根据用户需求测试更大的参数集,例如激光功率和激光波长。钻机可以使用机器视觉进行自动数据捕获和分析。测试台的操作和构造通过简洁,易于遵循的步骤进行描述。报告了一个四单元测试台“农场”的结果,涵盖了功率和粒子类型参数。该平台将通过可访问性和民主化来拓宽光学陷阱显示参数和研究人员的范围和组成。
光学陷阱显示器(OTD)使科幻小说中看到的显示几何形状成为可能。它通过光置换捕获粒子并照亮粒子1,2,3,4来运作。然后,在空间中拖动该粒子在空气中形成一个图像,根据视觉的持久性,观众认为该图像是连续的5。这种无屏幕 3D 技术使其能够显示几何图形,例如长焦投影、高沙桌和环绕式显示器1。这些几何形状具有独特的吸引力,因为它们不需要屏幕,并且可以创建几乎从各个角度看到的内容。
杨百翰大学的研究人员通过使用扩束镜和振镜扫描仪,以及几个镜子和一个或多个球面透镜,通过球面像差创建光电陷阱,在他们的第一代光电捕获系统中取得了初步成功1,4。这款第一代陷印装置还包含RGB(红-绿-蓝)激光器,可实现精确的彩色显示照明。使用这种捕获系统,OTD是通过在曲折的路径中移动单个粒子来创建的。这种方法将图像的大小限制在一立方厘米以下,并将实时图像的复杂性限制为线框和其他稀疏内容6,7。此外,该技术的缩放受到光电捕获不一致的限制8。如果可以优化单个陷阱/粒子系统,则可以通过复制优化的陷阱并同步捕获和扫描多个粒子来实现缩放显示9。单个捕集器的任何问题在多捕集器系统中都会复杂化,因此仔细优化捕集器和粒子参数至关重要。
单个捕集/捕集系统的优化需要对光泳捕集系统的每个参数进行广泛的测试7。这些参数包括粒子类型(物质、形状、大小)、激光功率、激光波长和数值孔径(焦距、直径、倾斜度)。通过对每个参数的试错测试和实验将优化单个陷阱和多个同步陷阱。尽管如此,它们仍需要收集大量数据。
过去,通过球面像差优化光电泳捕获的研究和测试过程仅由全球少数研究人员完成1,2,3,4,5,6,7,8,9,10.直到最近,杨百翰大学的研究人员一直依靠一个单一的、大型的、昂贵的诱捕系统来收集所需的数据,这导致测试和收集数据的过程很慢1,7。然而,自2018年推出光学陷阱显示器作为3D可视化解决方案1以来,来自几个大洲的所有年龄组的个人都表示希望参与这项研究。由于对OTD的兴趣,研究人员希望找到一种方法,让所有感兴趣的各方都参与研究过程。前几代光电泳陷印装置包含分束器和振镜,对于大规模生产和众包1,6来说过于昂贵和耗时,因此需要一种不同的解决方案。
已经开发了一种新的微型光电捕获装置,使所有感兴趣的各方都可以参与研究,并快速测试和收集上述所有重要参数的数据。任何可以使用3D打印机和激光切割机的人都可以快速制造它们。此设计旨在最大限度地降低成本和复杂性,降低风险,并最大限度地提高自动化、互连性和灵活性(图 1)。新装备采用最直接的光学设置进行光电捕获:单个激光器和透镜10。这些小型钻机一经设置即可简单使用,可以每小时约 250 次尝试的速度进行测试。
从这些钻机收集的数据来自未来公民科学家和研究人员的测试,通过允许优化捕获参数和单个陷阱,将极大地帮助开发光电陷印用于3D可视化。
本协议包含几个基本步骤,这些步骤对于捕获钻机的自动运行至关重要。首先,电磁铁必须通过指定的电路适当地连接到微控制器板上。如果没有电磁铁,微型试验台的全部效用就会丧失。电磁铁通过将悬臂平台上的粒子储层提升到激光路径来控制每次捕获尝试。每次陷阱尝试都是另一个升高和降低平台的循环。
相机仅在协议中描述的步骤4.2中使用,但它对于该选项至关重要。步骤4.2需要一个摄像头来检测粒子是否被捕获,从而允许从多个钻机收集数据。如果摄像机未正确连接,装备将无法尝试任何陷印。
第三步也是最关键的一步,即第5.2.1步,是对准和聚焦激光。镜头必须放置在电磁铁上的焦点。悬臂式平台将通过电磁铁上的焦点,允许颗粒捕获。假设焦点不在电磁铁中间上方的中心。在这种情况下,确保携带颗粒的悬臂平台将通过焦点以产生陷阱变得具有挑战性。这可能导致缺乏陷阱。同样重要的是,平台必须高于电磁铁,以便激光路径不会不断接触平台。这可能会导致摄像机报告误报。为了更容易地调整焦点的位置,建议在钻机的设置中使用光轨;这将允许用户轻松地向后或向前滑动镜头支架,以正确定位焦点。如果钻机已正确建造,则激光和试管/悬臂部分已经对齐;使用光学导轨将使镜头与其他部件对齐。
议定书中详细介绍了两个单独的选项,即步骤4.1和步骤4.2。第一个选项,步骤4.1,是运行微型攻丝机组的原始简单方法。此选项依靠人眼而不是相机系统来检测颗粒。此选项最适合快速收集较小的数据集,或在需要实时演示的情况下收集。在创建第二个选项之前,在前两个实验中使用了第一个选项。第二个选项,步骤4.2,使用摄像头进行自动检测和捕获,允许在没有任何人工监督的情况下运行数千个测试并将其输入到数据库中。相机的精度取决于确切的测试条件;与人类检测的类似测试相比,某些更具反射性的材料在测试时似乎具有较差的准确捕获率。但是,可以更改相机脚本中的多个参数以提高相机的精度。相机的确切精度是可以提高的,但也不是一个重大问题,因为微型钻机是用于初始测试的。第二个选项也可以很容易地修改,以便在单个微控制器板上运行两个测试台;该修改的详细信息包含在 补充文件 7 中。
目前的工作是通过机器学习开发一种更精确、更一致的自动陷阱检测形式。这种新的机器学习检测系统完成后,将使用卷积神经网络以更高的准确率(高于95%)更好地检测捕获的粒子,进一步增强这种微型测试台的使用和效果,对未来的光电陷阱显示研究。
在目前的基本形式中,微型诱捕装置在几个方面受到限制。这些微型装置无法在陷阱发生后通过扫描粒子来创建实际的OTD。该设计还限制了添加扫描仪以供将来在创建OTD时使用的可能性。设计的另一个限制是需要额外的组件才能进行特定的测试。例如,在激光功率测试期间,使用可变光衰减器来收集不同光输出功率水平的数据集。同样,如果研究人员希望在未来的测试中测试激光波长,除了这项工作中使用的激光器外,他们还需要其他几种具有不同波长的可比光功率的激光器。该钻机很可能需要额外的修改来容纳每个激光器,这个过程将限制进行此类测试的速度,但这仍然是可能的。这种设计也是由需要为每个镜头3D打印一个新的镜头支架决定的。设计和应用也仅限于球面双凸透镜,其产生球面像差以形成可能发生捕获的区域。
展望未来,未来的应用包括光泳捕获参数的持续测试和优化。如上所述,通过为y轴和x轴控制添加扫描仪,微型陷印装置可以很容易地修改为基本廉价的OTD系统。微型捕集装置中使用的电磁铁控制粒子输送也可以在未来的高级OTD系统中实现。
微型诱捕钻机在这个研究领域最终是独特和独特的,因为它可以廉价和快速地制造,允许快速的质量测试。这些钻机是精益系统,专为光泳捕获参数的初始测试和优化而设计。单个钻机组可以以每小时约 250 次尝试的速度进行测试。许多其他类型的光电捕获系统或钻机已被开发出来,以具有更好的自动系统,或者通过扫描粒子在成功捕获后创建图像来完成更多工作1,8。这些微型诱捕系统并不意味着要取代此类系统的使用。它们旨在快速测试光泳捕获的参数和条件,以使研究人员更好地了解是什么造就了良好的光泳捕获。微型诱捕装置将使光电陷阱研究民主化,并允许爱迪生在该研究领域的新一波实验和进步。
The authors have nothing to disclose.
作者感激地感谢美国国家科学基金会的财政支持。NSF奖ID-1846477。
1/4In Plywood | NA | Sized to fit in Laser-cutter (normally 1 x 1 ft) | |
3D FDM Printer | Raise 3D | Pro 2 | Any equivalent equipment would suffice |
3D Laser-cutter Printer | Glow Forge | Basic | Any equivalent equipment would suffice |
5V Power Supply | AC/DC Adaptor | ||
Alumiunum Powder | bioWORLD | 10576 | APS 17-30 micron |
Black Aluminum Foil Tape | LLTP BF255 (on Amazon) | other types of foil (black foil) can be used instead if desired | |
Black Liquor | a recycled byproduct formed during the pulping of wood | ||
Button Magnet | Mealos | 8 x 2 mm | |
Class 3B Laser 405 nm (Tube Laser) | M-16A405-300-G | Any Optical Output Power and wavelength could be used for testing. For reproducing this work 405 nm and ~120 mW should be used | |
Diamond Nanoparticles 55-75% | SkySpring Nanomaterials | 0512HZ | 55-75% purity, APS 4-15 nm |
Diamond Nanoparticles 95% | SkySpring Nanomaterials | 0510HZ | 95% purity, APS 3-4 nm |
Electromagnet | Wuxue Wn Fang Electric | WP-P25/20 | |
Glass cutter | Dyna-cut | model 500-1 | any standard glass cutter or wet-cutter could be used |
Graphite powder | AeroMarine Products | 325 Mesh, APS 44 microns | |
Jumper Wires | Elegoo | Male to Female wires and Male to Male wires are needed | |
Lens | Surplus Shed | L8435 | 32 mm Daimeter, 80 mm Focal Length. Any 32 mm lens will fit into current lens holder design |
Nigrosin (Formalin-Nigrosin) | Innovating Science | IS5818 | 30 mL , actually found on Amazon |
Open MV Camera | Open MV | M7 | Any equivalent Open MV camera should work |
Open MV IDE | Open MV | optional free to download integrated development enviroment from OpenMV | |
Optical Attenuator (Variable Neutral Density Filters) | THORLABS | NDC-100C-2 | |
Optical Rail | THORLABS | RLA1200 | 12'' optical rail |
Printer Toner (CISinks Universal Toner) | CISinks | TN420,TN450, TN540, TN660, TN720 Toner powder. Found on Amazon | |
Raspberry Pi | Raspberry PI | Pi-4 Model B | Any Pi 3 or 4, model B or B+ should suffice (referenced in text as a microcontroller board) |
Tungsten Powder 12 Micron | Alfa Aesar | 10401-22 | APS 12 micron |
Tungsten Powder 1-5 Micron | Alfa Aesar | 10400-22 | APS 1-5 micron |
USB to Micro USB cord | Any company/ model will suffice | ||
Voltage Regulator | STMicroelectronics | LM317t |