이 작품은 소형 자동 광영동 트랩핑 장비의 제작을 설명하고 특성화합니다.
이 논문은 체적 디스플레이 연구의 민주화 및 크라우드 소싱을 가능하게하는 자동화되고 신속한 팹 호환, 광영동 트랩 테스트 장비를 제시합니다. 이 장비는 레이저 커터, 3차원(3D) 프린터 및 일반적인 수공구를 사용하여 2시간 이내에 구성할 수 있습니다. 현재 형태의 이 장비는 입자 유형, 트랩 유형, 수치 조리개 및 공기 흐름과 같은 중요한 파라미터를 시간당 약 250개 샘플의 속도로 테스트하는 데 사용할 수 있습니다. 약간의 수정으로 사용자의 필요에 따라 레이저 전력 및 레이저 파장과 같은 더 큰 매개 변수 세트를 테스트하기 위해 리그를 만들 수 있습니다. 이 장비는 자동화된 데이터 캡처 및 분석을 위해 머신 비전을 사용할 수 있습니다. 테스트 장비의 작동 및 구성은 간결하고 따라하기 쉬운 단계로 설명됩니다. 전력 및 입자 유형 파라미터를 다루는 네 개의 유닛 테스트 리그 ‘팜’의 결과가 보고된다. 이 플랫폼은 접근성과 민주화를 통해 광학 트랩 디스플레이 매개 변수 및 연구원의 범위와 구성을 확대 할 것입니다.
광학 트랩 디스플레이(OTD)는 공상 과학 소설에서 볼 수 있는 디스플레이 형상을 가능하게 합니다. 그것은 광페레시스를 통해 입자를 포획하고 입자를 비추는 것으로 작동합니다 1,2,3,4. 그런 다음 그 입자를 공간을 통해 드래그하면 시청자가 비전의 지속성에 따라 연속으로 인식하는 공기 중의 이미지가 형성됩니다5. 이 스크린리스 3D 기술을 통해 긴 투사 프로젝션, 높은 모래 테이블, 랩어라운드 디스플레이1와 같은 형상을 표시할 수 있습니다. 이러한 지오메트리는 화면이 필요 없고 거의 모든 각도에서 볼 수 있는 콘텐츠를 만들기 때문에 독특하게 매력적입니다.
브리검 영 대학교의 연구원들은 빔 확장기 및 갈바노미터 스캐너와 여러 개의 거울 및 하나 이상의 구형 렌즈를 사용하여 구형 수차를 통해 광영동 트랩을 생성함으로써 1세대 광영동 트랩핑 시스템에서 초기 성공을 거두었습니다1,4. 이 1세대 트래핑 장비에는 RGB(적색-녹색-파랑) 레이저도 포함되어 있어 정밀한 컬러 디스플레이 조명이 가능합니다. 이 트래핑 시스템을 사용하면 OTD는 복잡한 경로를 통해 단일 파티클을 이동하여 생성됩니다. 이 접근법은 이미지의 크기를 입방 센티미터 미만으로 제한하고 실시간 이미지의 복잡성을 와이어프레임 및 기타 희소 컨텐츠6,7로 제한한다. 또한,이 기술의 스케일링은 광영동 트랩핑의 불일치에 의해 제한됩니다8. 단일 트랩/파티클 시스템을 최적화할 수 있는 경우, 최적화된 트랩을 복제하고 여러 파티클을 동기적으로 트랩 및 스캔하여 디스플레이를 확장할 수 있습니다9. 단일 트랩의 모든 문제는 다중 트랩 시스템에서 복합화되므로 트랩 및 파티클 파라미터의 신중한 최적화가 중요합니다.
개별 트랩/트랩핑 시스템을 최적화하려면 광영동 트랩핑 시스템의 모든 파라미터에 대해 광범위한 테스트를 수행해야 합니다7. 이러한 파라미터는 입자 유형(물질, 형상, 크기), 레이저 파워, 레이저 파장 및 수치 조리개(초점 거리, 직경, 기울기)를 포함한다. 각 매개 변수에 대한 시행 착오를 통한 테스트 및 실험은 개별 트랩과 여러 동기식 트랩을 최적화합니다. 그래도 많은 양의 데이터를 수집해야합니다.
과거에는 구형 수차를 통한 광영동 포획을 최적화하기위한 연구 및 테스트 프로세스는 전 세계 소수의 연구자에 의해서만 수행되었습니다.1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 . 최근까지 브리검 영 대학교의 연구원들은 필요한 데이터를 수집하기 위해 하나의 크고 값 비싼 트래핑 시스템에 의존해 왔으며, 이로 인해 테스트 및 데이터 수집 프로세스가 느려졌습니다1,7. 그러나 20181 년에 광학 트랩 디스플레이를 3D 시각화를위한 솔루션으로 도입 한 이래로 모든 연령대와 여러 대륙의 개인이이 연구에 참여하고자하는 열망을 표명했습니다. OTD에 대한 관심이 높아짐에 따라 연구자들은 모든 이해 관계자가 연구 과정에 참여할 수있는 방법을 찾고 싶어했습니다. 빔 스플리터와 갈바노미터가 포함된 이전 세대의 광영동 트래핑 장비는 대량 생산 및 크라우드소스1,6에 비해 너무 비싸고 시간이 많이 소요되었기 때문에 다른 솔루션이 필요했습니다.
새로운 소형 광영동 트래핑 장비가 개발되어 모든 이해 관계자가 연구에 참여하고 위에서 언급 한 모든 중요한 매개 변수에 대한 데이터를 신속하게 테스트하고 수집 할 수 있습니다. 3D 프린터와 레이저 커터에 액세스 할 수있는 사람이 신속하게 제조 할 수 있습니다. 이 설계는 비용과 복잡성을 최소화하고 위험을 완화하며 자동화, 상호 연결 및 유연성을 극대화하려고 시도합니다(그림 1). 새로운 장비는 가능한 광영동 트랩핑을 위해 가장 간단한 광학 설정, 즉 단일 레이저 및 렌즈10을 사용합니다. 소형 리그는 일단 설정되면 사용이 간편하며 시간당 약 250회 시도의 속도로 테스트할 수 있습니다.
미래의 시민 과학자 및 연구원의 테스트에서 이러한 리그에서 수집 된 데이터는 트랩핑 매개 변수 및 개별 트랩의 최적화를 허용함으로써 3D 시각화에 사용되는 광영동 트랩핑을 개발하는 데 크게 도움이 될 것입니다.
본 프로토콜에는 트랩핑 장비의 자동 실행에 중요한 몇 가지 필수 단계가 포함되어 있습니다. 첫째, 전자석은 지정된 회로를 통해 마이크로 컨트롤러 보드에 적절하게 부착되어야합니다. 전자석이 없으면 소형 테스트 장비의 전체 유용성이 손실됩니다. 전자석은 캔틸레버 플랫폼의 입자 저장소를 레이저의 경로로 올려 각 포획 시도를 제어합니다. 각 트랩 시도는 플랫폼을 올리고 내리는 또 다른 사이클입니다.
카메라는 프로토콜에 설명된 대로 4.2단계에서만 사용되지만 이 옵션에는 매우 중요합니다. 4.2단계에서는 카메라가 파티클이 갇혀 있는지 감지해야 하며, 이를 통해 여러 리그에서 데이터를 수집할 수 있습니다. 카메라가 올바르게 연결되지 않으면 장비가 트래핑을 시도할 수 없습니다.
세 번째이자 가장 중요한 단계인 5.2.1단계는 레이저를 정렬하고 초점을 맞추는 것입니다. 초점이 전자석 위에 발생하도록 렌즈를 배치해야 합니다. 캔틸레버 플랫폼은 전자석 위의 초점을 통과하여 입자가 트랩 될 수 있도록합니다. 초점이 전자석의 중간 위에 중심을 두지 않는다고 가정합니다. 이 경우 입자를 운반하는 캔틸레버 플랫폼이 초점을 통과하여 트랩을 만드는 것이 어려워집니다. 이로 인해 함정이 부족해질 수 있습니다. 또한 레이저 경로가 플랫폼에 지속적으로 접촉하지 않도록 플랫폼이 전자석 위로 상승하는 것이 중요합니다. 이로 인해 카메라가 가양성을 보고할 수 있습니다. 초점의 위치를보다 쉽게 조정하려면 리그 설정에 광학 레일을 사용하는 것이 좋습니다. 이렇게 하면 렌즈 홀더를 앞뒤로 쉽게 밀어 초점을 올바르게 배치할 수 있습니다. 레이저 및 시험관 / 캔틸레버 부품은 장비가 적절하게 제작 된 경우 이미 정렬되어 있습니다. 광학 레일을 사용하면 렌즈가 다른 부분과 정렬됩니다.
두 가지 개별 옵션이 프로토콜, 단계 4.1 및 단계 4.2에 자세히 설명되어 있습니다. 첫 번째 옵션인 4.1단계는 미니어처 태핑 리그를 실행하는 원래의 간단한 방법입니다. 이 옵션은 카메라 시스템 대신 인간의 눈에 의존하여 입자를 감지합니다. 이 옵션은 더 작은 데이터 집합을 빠르게 수집하거나 라이브 데모가 필요한 상황에서 수집하는 데 가장 적합합니다. 첫 번째 옵션은 두 번째 옵션이 만들어지기 전에 처음 두 실험 중에 사용되었습니다. 두 번째 옵션인 4.2단계는 자동 감지 및 트래핑을 위해 카메라를 사용하여 사람의 감독 없이 수천 개의 테스트를 실행하고 데이터베이스에 입력할 수 있도록 합니다. 카메라의 정확도는 정확한 테스트 조건에 따라 다릅니다. 특정 더 반사 재료는 테스트 할 때 인간 탐지로 수행 된 유사한 테스트와 비교할 때 덜 정확한 포획 속도를 갖는 것으로 나타났습니다. 그러나 카메라 스크립트의 여러 매개 변수를 변경하여 카메라의 정확도를 높일 수 있습니다. 카메라의 정확한 정확도는 향상시킬 수있는 것이지만 소형 리그는 초기 테스트를위한 것이므로 중요한 관심사는 아닙니다. 두 번째 옵션은 단일 마이크로 컨트롤러 보드에서 두 개의 테스트 리그를 실행하도록 쉽게 수정할 수도 있습니다. 해당 수정에 대한 자세한 내용은 보충 파일 7에 포함되어 있습니다.
현재 작업은 기계 학습을 통해보다 정확하고 일관된 형태의 자동 트랩 감지를 개발하고 있습니다. 이 새로운 기계 학습 탐지 시스템은 완료되면 컨볼루션 신경망을 사용하여 훨씬 높은 정확도 (95 % 이상)로 갇힌 입자를 더 잘 감지하여 이러한 소형 테스트 장비가 광영동 트랩 디스플레이 연구의 미래에 미칠 수있는 사용과 효과를 더욱 강화합니다.
현재의 기본 형태에서, 소형 트래핑 장비는 몇 가지 방법으로 제한됩니다. 이러한 소형 리그는 트랩이 발생한 후 파티클을 스캔하여 실제 OTD를 생성할 수 없습니다. 이 설계는 또한 스캐너가 OTD 제작에 향후 사용할 수 있도록 추가될 가능성을 제한합니다. 설계의 또 다른 한계는 특정 테스트가 발생하기 위해 추가 구성 요소가 필요하다는 것입니다. 예를 들어, 가변 광학 감쇠기를 사용하여 레이저 전력 테스트 동안 서로 다른 광 출력 전력 레벨에서 데이터 세트를 수집했습니다. 마찬가지로, 연구자가 향후 테스트에서 레이저 파장을 테스트하기를 원한다면,이 작업에 사용 된 레이저 외에도 다른 파장을 가진 유사한 광학적 힘을 가진 몇 가지 다른 레이저가 필요할 것입니다. 이 장비는 각 레이저를 고정하기 위해 추가 수정이 필요할 가능성이 높으며,이 프로세스는 그러한 테스트를 수행 할 수있는 속도를 제한하지만 여전히 가능합니다. 이 설계는 또한 각 렌즈에 대해 새로운 렌즈 홀더를 3D 인쇄해야 할 필요성에 따라 결정됩니다. 설계 및 적용은 또한 구형 이중 볼록 렌즈로 제한되며, 구형 수차를 생성하여 트랩핑이 발생할 수있는 영역을 형성합니다.
앞으로, 미래의 응용 분야에는 광영동 트랩핑 파라미터의 지속적인 테스트 및 최적화가 포함됩니다. 위에서 간략하게 언급했듯이 소형 트래핑 장비는 y축 및 x축 제어를 위한 스캐너를 추가하여 기본 저렴한 OTD 시스템으로 쉽게 수정할 수 있습니다. 소형 트래핑 장비에 사용되는 전자석 제어 입자 전달은 향후 첨단 OTD 시스템에서도 구현될 수 있습니다.
소형 트래핑 장비는 저렴하고 신속하게 제조 될 수 있기 때문에이 연구 분야에서 궁극적으로 독특하고 뚜렷하며 신속한 대량 테스트가 가능합니다. 이 리그는 광영동 트랩핑 파라미터의 초기 테스트 및 최적화를 위해 설계된 린 시스템입니다. 개별 장비는 시간당 ~ 250회 시도의 속도로 테스트할 수 있습니다. 다른 많은 유형의 광영동 트랩핑 시스템 또는 리그는 더 나은 자동 시스템을 갖거나 입자를 스캔하여 성공적인 트랩 후 이미지를 생성함으로써 더 많은 것을 성취하기 위해 개발되었습니다1,8. 이러한 소형 트래핑 시스템은 이러한 시스템의 사용을 대체하기위한 것이 아닙니다. 그들은 광영동 포획의 매개 변수와 조건을 신속하게 테스트하여 연구원이 좋은 광영동 포획을 만드는 이유를 더 잘 이해할 수 있도록하기위한 것입니다. 소형 트랩핑 장비는 광영동 트랩 연구를 민주화하고이 연구 분야에서 에디소니아 실험과 진보의 새로운 물결을 허용 할 것입니다.
The authors have nothing to disclose.
저자들은 국립 과학 재단의 재정 지원을 감사하게 인정합니다. NSF 어워드 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 |