Ce travail décrit et caractérise la fabrication de plates-formes de piégeage photophorétiques automatiques miniatures.
Cet article présente un banc d’essai de piège photophorétique automatisé, compatible avec les fabrications rapides, pour permettre la démocratisation et le crowdsourcing de la recherche sur les affichages volumétriques. La plate-forme peut être construite en 2 h à l’aide d’une découpeuse laser, d’une imprimante 3 dimensions (3D) et d’outils à main courants. Dans sa forme actuelle, la plate-forme peut être utilisée pour tester les paramètres critiques suivants: type de particule, type de piège, ouverture numérique et débit d’air à une vitesse d’environ 250 échantillons par heure. Avec des modifications mineures, la plate-forme peut être conçue pour tester un ensemble encore plus grand de paramètres, tels que la puissance laser et la longueur d’onde laser, en fonction des besoins de l’utilisateur. La plate-forme peut utiliser la vision industrielle pour la capture et l’analyse automatisées des données. Le fonctionnement et la construction du banc d’essai sont décrits avec des étapes concises et faciles à suivre. Les résultats d’une « ferme » de banc d’essai à quatre unités couvrant les paramètres de puissance et de type de particules sont rapportés. Cette plateforme élargira la portée et la composition des paramètres d’affichage des pièges optiques et des chercheurs grâce à l’accessibilité et à la démocratisation.
L’affichage par piège optique (OTD) rend possible les géométries d’affichage vues dans la science-fiction. Il opère en piégeant une particule par photophérèse et en éclairant la particule1,2,3,4. Ensuite, faire glisser cette particule dans l’espace forme une image dans l’air que le spectateur perçoit comme continue selon la persistance de la vision5. Cette technologie 3D sans écran lui permet d’afficher des géométries telles que des projections à longue focale, de hautes tables de sable et des affichages enveloppants1. Ces géométries sont particulièrement convaincantes car elles ne nécessitent aucun écran et créent un contenu qui peut être vu sous pratiquement tous les angles.
Des chercheurs de l’Université Brigham Young ont trouvé un premier succès dans leur système de piégeage photophorétique de première génération en utilisant un expanseur de faisceau et des scanners galvanométriques, ainsi que plusieurs miroirs et une ou plusieurs lentilles sphériques pour créer un piège photophorétique par aberration sphérique1,4. Cette plate-forme de piégeage de première génération contenait également des lasers RVB (rouge-vert-bleu) pour permettre un éclairage d’affichage coloré précis. En utilisant ce système de piégeage, les OTD sont créés en déplaçant une seule particule à travers un chemin alambiqué. Cette approche limite la taille des images à moins d’un centimètre cube et limite la complexité des images en temps réel aux wireframes et autres contenus clairsemés6,7. De plus, la mise à l’échelle de cette technologie est limitée par l’incohérence du piégeage photophorétique8. Si un seul système de pièges/particules peut être optimisé, la mise à l’échelle de l’affichage peut être réalisée en reproduisant un piège optimisé et en piégeant et en scannant de manière synchrone plusieurs particules9. Tout problème avec un seul piège sera aggravé dans un système multi-pièges, il est donc essentiel d’optimiser soigneusement les paramètres du piège et des particules.
L’optimisation d’un système individuel de piégeage nécessite des tests approfondis pour chaque paramètre du système de piégeage photophorétique7. Ces paramètres comprennent le type de particule (substance, forme, taille), la puissance laser, la longueur d’onde laser et l’ouverture numérique (distance focale, diamètre, inclinaison). Les tests et l’expérimentation par essais et erreurs pour chaque paramètre optimiseront les pièges individuels et les pièges synchrones multiples. Néanmoins, ils nécessiteront la collecte de grandes quantités de données.
Dans le passé, le processus de recherche et de test pour optimiser le piégeage photophorétique par aberration sphérique n’a été effectué que par une poignée de chercheurs à travers le monde1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 . Jusqu’à récemment, les chercheurs de l’Université Brigham Young s’appuyaient sur un système de piégeage unique, volumineux et coûteux pour collecter les données nécessaires, ce qui ralentissait le processus de test et de collecte des données1,7. Cependant, depuis l’introduction des écrans de pièges optiques comme solution pour la visualisation 3D en 20181, des individus de tous les groupes d’âge et de plusieurs continents ont exprimé le désir de participer à la recherche. En raison de l’intérêt suscité pour les OTD, les chercheurs ont voulu trouver un moyen de permettre à toutes les parties intéressées de participer au processus de recherche. Les générations précédentes de plates-formes de piégeage photophorétiques, qui contenaient des séparateurs de faisceau et des galvanomètres, étaient trop coûteuses et prenaient trop de temps pour produire en série et externaliser1,6, de sorte qu’une solution différente était nécessaire.
Une nouvelle plate-forme de piégeage photophorétique miniature a été développée, ce qui permet à toutes les parties intéressées de participer à la recherche et de tester et de recueillir rapidement des données pour tous les paramètres importants mentionnés ci-dessus. Ils peuvent être fabriqués rapidement par toute personne ayant accès à une imprimante 3D et à une découpeuse laser. Cette conception tente de minimiser les coûts et la complexité, d’atténuer les risques et de maximiser l’automatisation, l’interconnectivité et la flexibilité (Figure 1). La nouvelle plate-forme utilise la configuration optique la plus simple possible pour le piégeage photophorétique : un seul laser et une seule lentille10. Les petites plates-formes sont simples à utiliser une fois installées et peuvent être testées à une vitesse d’environ 250 tentatives par heure.
Les données recueillies à partir de ces plates-formes à partir des tests des futurs scientifiques et chercheurs citoyens aideront de manière significative à développer le piégeage photophorétique dans son utilisation pour la visualisation 3D en permettant l’optimisation des paramètres de piégeage et des pièges individuels.
Le présent protocole contient plusieurs étapes essentielles qui sont essentielles au fonctionnement automatique de la plate-forme de piégeage. Tout d’abord, l’électroaimant doit être correctement fixé à la carte du microcontrôleur via le circuit spécifié. Sans l’électroaimant, l’utilité totale du banc d’essai miniature est perdue. L’électroaimant contrôle chaque tentative de piégeage en soulevant le réservoir de particules sur la plate-forme en porte-à-faux jusqu’à la trajectoire du laser. Chaque tentative de piège est un autre cycle de levage et d’abaissement de la plate-forme.
La caméra n’est utilisée qu’à l’étape 4.2 comme décrit dans le protocole, mais elle est essentielle pour cette option. L’étape 4.2 nécessite une caméra pour détecter si une particule a été piégée, ce qui permet la collecte de données à partir de plusieurs plates-formes. Si la caméra n’est pas correctement fixée, la plate-forme ne pourra tenter aucun piégeage.
La troisième étape, la plus critique, l’étape 5.2.1, consiste à aligner et à focaliser le laser. La lentille doit être placée de manière à ce que le point focal se produise au-dessus de l’électroaimant. La plate-forme en porte-à-faux passera par le point focal au-dessus de l’électroaimant, permettant aux particules de se piéger. Supposons que le point focal ne soit pas centré au-dessus du milieu de l’électroaimant. Dans ce cas, il devient difficile de s’assurer que la plate-forme en porte-à-faux transportant des particules passera par le point focal pour créer des pièges. Cela peut conduire à un manque de pièges. Il est également essentiel que la plate-forme soit surélevée au-dessus de l’électroaimant afin que le trajet laser ne soit pas constamment en contact avec la plate-forme. Cela peut amener la caméra à signaler des faux positifs. Pour ajuster plus facilement l’emplacement du point focal, il est suggéré d’utiliser un rail optique dans la configuration de la plate-forme; cela permettra aux utilisateurs de faire glisser facilement le support d’objectif vers l’arrière ou vers l’avant pour positionner correctement le point focal. Le laser et la partie tube à essai/porte-à-faux sont déjà alignés si la plate-forme a été construite de manière appropriée; l’utilisation du rail optique maintiendra la lentille alignée avec les autres parties.
Deux options distinctes sont détaillées dans le Protocole, les étapes 4.1 et 4.2. La première option, l’étape 4.1, est le moyen simple d’origine d’exécuter la plate-forme de taraudage miniature. Cette option repose sur l’œil humain pour détecter les particules au lieu d’un système de caméra. Cette option est la meilleure pour collecter rapidement de plus petits ensembles de données ou dans des situations où une démonstration en direct est souhaitée. La première option a été utilisée lors des deux premières expériences avant la création de la deuxième option. La deuxième option, l’étape 4.2, utilise une caméra pour la détection et le piégeage automatiques, permettant d’exécuter des milliers de tests et de les entrer dans une base de données sans aucune supervision humaine. La précision de la caméra dépend de l’état de test exact; certains matériaux plus réfléchissants, lorsqu’ils ont été testés, semblaient avoir un taux de piégeage moins précis par rapport à des tests similaires effectués avec la détection humaine. Cependant, plusieurs paramètres du script de la caméra peuvent être modifiés pour augmenter la précision de la caméra. La précision exacte de la caméra peut être améliorée, mais ce n’est pas non plus une préoccupation importante car les plates-formes miniatures sont destinées aux tests initiaux. La deuxième option peut également être facilement modifiée pour exécuter deux bancs d’essai sur une seule carte de microcontrôleur; les détails de cette modification sont inclus dans le dossier supplémentaire 7.
Les travaux actuels développent une forme plus précise et cohérente de détection automatique des pièges grâce à l’apprentissage automatique. Ce nouveau système de détection d’apprentissage automatique, une fois terminé, utilisera des réseaux de neurones convolutifs pour mieux détecter les particules piégées avec un taux de précision beaucoup plus élevé (supérieur à 95%), renforçant encore l’utilisation et l’effet que ces bancs d’essai miniatures peuvent avoir sur l’avenir de la recherche sur l’affichage de pièges photophorétiques.
Dans sa forme de base actuelle, la plate-forme de piégeage miniature est limitée de plusieurs façons. Ces plates-formes miniatures sont incapables de créer des OTD réels en scannant la particule après qu’un piège se soit produit. La conception limite également la possibilité d’ajouter des scanners pour une utilisation future dans la création d’OTD. Une autre limite de la conception est la nécessité de composants supplémentaires pour qu’un test spécifique ait lieu. Par exemple, un atténuateur optique variable a été utilisé pour collecter les ensembles de données à différents niveaux de puissance de sortie optique pendant le test de puissance laser. De même, si un chercheur souhaitait tester la longueur d’onde du laser dans un test futur, il aurait besoin de plusieurs autres lasers de puissance optique comparable avec des longueurs d’onde différentes en plus du laser utilisé dans ce travail. La plate-forme nécessiterait très probablement des modifications supplémentaires pour contenir chaque laser, ce processus limiterait la vitesse à laquelle un tel test pourrait être effectué, mais ce serait toujours possible. Cette conception est également déterminée par la nécessité d’imprimer en 3D un nouveau support d’objectif pour chaque objectif. La conception et l’application sont également limitées aux lentilles biconvexes sphériques, qui produisent une aberration sphérique pour former des zones où le piégeage peut se produire.
À l’avenir, les applications futures comprennent la poursuite des tests et l’optimisation des paramètres de piégeage photophorétique. Comme mentionné brièvement ci-dessus, la plate-forme de piégeage miniature pourrait facilement être modifiée en un système OTD de base peu coûteux en ajoutant des scanners pour le contrôle de l’axe y et de l’axe x. La livraison de particules contrôlée par électroaimant utilisée dans la plate-forme de piégeage miniature pourrait également être mise en œuvre dans de futurs systèmes OTD avancés.
La plate-forme de piégeage miniature est finalement unique et distincte dans ce domaine de recherche car elle peut être fabriquée rapidement et à peu de frais, ce qui permet des tests de masse rapides. Ces plates-formes sont destinées à être des systèmes allégés conçus pour les tests initiaux et l’optimisation des paramètres de piégeage photophorétique. Une plate-forme individuelle peut tester à un rythme d’environ 250 tentatives par heure. De nombreux autres types de systèmes ou de plates-formes de piégeage photophorétique ont été développés pour avoir de meilleurs systèmes automatiques ou accomplir plus en scannant la particule pour créer une image après un piège réussi1,8. Ces systèmes de piégeage miniatures ne sont pas destinés à remplacer l’utilisation de tels systèmes. Ils sont destinés à tester rapidement les paramètres et les conditions du piégeage photophorétique pour donner aux chercheurs une meilleure compréhension de ce qui fait un bon piégeage photophorétique. La plate-forme de piégeage miniature démocratisera la recherche sur les pièges photophorétiques et permettra une nouvelle vague d’expérimentation et de progression edisoniennes dans ce domaine de recherche.
The authors have nothing to disclose.
Les auteurs remercient la National Science Foundation de leur soutien financier. Prix NSF 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 |