Dette arbeidet beskriver og karakteriserer fabrikasjonen av miniatyr automatiske fotoforetiske fangstrigger.
Dette dokumentet presenterer en automatisert, hurtig-fab-kompatibel, fotoforetisk felle testrigg for å muliggjøre demokratisering og crowdsourcing av volumetrisk skjermforskning. Riggen kan konstrueres innen 2 timer ved hjelp av en laserkutter, 3-dimensjonal (3D) skriver og vanlige håndverktøy. I sin nåværende form kan riggen brukes til å teste følgende kritiske parametere: partikkeltype, felletype, numerisk blenderåpning og luftstrøm med en hastighet på ca. 250 prøver per time. Med mindre modifikasjoner kan riggen gjøres for å teste et enda større sett med parametere, for eksempel laserkraft og laserbølgelengde, avhengig av brukerens behov. Riggen kan bruke maskinsyn til automatisert datafangst og -analyse. Driften og konstruksjonen av testriggen er beskrevet med konsise, lettfattede trinn. Resultater fra en fire-enhet testrigg ‘gård’ som dekker effekt- og partikkeltypeparametrene rapporteres. Denne plattformen vil utvide omfanget og sammensetningen av optiske felleskjermparametere og forskere gjennom tilgjengelighet og demokratisering.
Den optiske fellevisningen (OTD) gjør det mulig å se skjermgeometriene sett i science fiction. Den opererer ved å fange en partikkel gjennom fotoferese og belyse partikkelen1,2,3,4. Deretter danner det å dra den partikkelen gjennom rommet et bilde i luften som betrakteren oppfatter som kontinuerlig i henhold til vedvarende syn5. Denne skjermløse 3D-teknologien gjør det mulig å vise geometrier som langkastprojeksjoner, høye sandbord og omsluttende skjermer1. Disse geometriene er unikt overbevisende fordi de ikke krever skjerm og lager innhold som kan sees fra nesten alle vinkler.
Forskere ved Brigham Young University fant innledende suksess i sin første generasjons fotoforetiske fangstsystem ved å bruke en stråleutviser og galvanometerskannere, sammen med flere speil og en eller flere sfæriske linser for å skape en fotoforetisk felle gjennom sfærisk avvik1,4. Denne førstegenerasjons fangstriggen inneholdt også RGB-lasere (rødgrønn-blå) for å muliggjøre presis farget skjermbelysning. Ved hjelp av dette overlappingssystemet opprettes OTDer ved å flytte en enkelt partikkel gjennom en innviklet bane. Denne tilnærmingen begrenser størrelsen på bilder til under en kubikkcentimeter og begrenser kompleksiteten til sanntidsbilder til trådrammer og annet sparsomt innhold6,7. Videre er skaleringen av denne teknologien begrenset av inkonsekvensen av fotoforetisk fangst8. Hvis et enkelt felle-/partikkelsystem kan optimaliseres, kan du oppnå skalering av skjermen ved å replikere en optimalisert overlapping og synkront overlappe og skanne flere partikler9. Eventuelle problemer med en enkelt felle vil bli sammensatt i et flerfellesystem, så nøye optimalisering av felle- og partikkelparametere er kritisk.
Optimalisering av et individuelt felle-/overlappingssystem krever omfattende testing for hver parameter i det fotoforetiske fangstsystemet7. Slike parametere inkluderer partikkeltype (substans, form, størrelse), laserkraft, laserbølgelengde og numerisk blenderåpning (brennvidde, diameter, tilt). Testing og eksperimentering gjennom prøving og feiling for hver parameter vil optimalisere individuelle feller og flere synkrone overlappinger. Likevel vil de kreve at store mengder data samles inn.
Tidligere har forskning og testingsprosessen for optimalisering av fotoforetisk fangst gjennom sfærisk avvik bare blitt gjort av en håndfull forskere over hele verden1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 . Inntil nylig har forskere ved Brigham Young University stolt på et enkelt, stort, dyrt fangstsystem for å samle inn dataene som trengs, noe som førte til at prosessen med å teste og samle inn data gikk tregt1,7. Men siden vi introduserte optiske felleskjermer som en løsning for 3D-visualisering i 20181, har personer i alle aldersgrupper og fra flere kontinenter uttrykt et ønske om å delta i forskningen. På grunn av den genererte interessen for OD-er har forskere ønsket å finne en måte å la alle interesserte delta i forskningsprosessen. Tidligere generasjoner av fotoforetiske fangstrigger, som inneholdt bjelkesplittere og galvanometre, var for dyre og tidkrevende for masseprodusering og crowdsource1,6, så en annen løsning var nødvendig.
En ny miniatyr fotoforetisk fangstrigg er utviklet, noe som gjør at alle interesserte kan delta i forskning og raskt teste og samle inn data for alle viktige parametere nevnt ovenfor. De kan fremstilles raskt av alle som har tilgang til en 3D-skriver og laserkutter. Denne utformingen forsøker å minimere kostnader og kompleksitet, redusere risiko og maksimere automatisering, sammenkobling og fleksibilitet (figur 1). Den nye riggen benytter det mest enkle optiske oppsettet for fotoforetisk fangst mulig: en enkelt laser og linse10. De små riggene er enkle å bruke når de er satt opp og kan teste med en hastighet på ca. 250 forsøk per time.
Dataene som samles inn fra disse riggene fra testene av fremtidige borgerforskere og forskere, vil bidra til å utvikle fotoforetisk fangst i bruken av 3D-visualisering ved å muliggjøre optimalisering av fangstparametere og individuelle feller.
Den nåværende protokollen inneholder flere viktige trinn som er avgjørende for automatisk kjøring av fangstriggen. For det første må elektromagneten festes riktig til mikrokontrollerkortet gjennom den angitte kretsen. Uten elektromagneten går den totale nytten av miniatyrtestriggen tapt. Elektromagneten styrer hvert fangstforsøk ved å heve partikkelreservoaret på cantilever-plattformen opp i laserens bane. Hvert felleforsøk er en annen syklus med å heve og senke plattformen.
Kameraet brukes bare i trinn 4.2 som beskrevet i protokollen, men det er avgjørende for dette alternativet. Trinn 4.2 krever et kamera for å oppdage om en partikkel har blitt fanget, slik at datainnsamling fra flere rigger. Hvis kameraet ikke er riktig tilkoblet, kan ikke riggen prøve overlapping.
Det tredje og mest kritiske trinnet, trinn 5.2.1, er å justere og fokusere laseren. Linsen må plasseres slik at fokuspunktet oppstår over elektromagneten. Den cantilevered plattformen vil passere gjennom fokuspunktet over elektromagneten, slik at partikler kan fange. Anta at fokuspunktet ikke er sentrert over midten av elektromagneten. I så fall blir det utfordrende å sikre at cantilever-plattformen som bærer partikler vil passere gjennom fokuspunktet for å skape feller. Dette kan føre til mangel på feller. Det er også viktig at plattformen er forhøyet over elektromagneten slik at laserbanen ikke hele tiden kontakter plattformen. Dette kan føre til at kameraet rapporterer falske positiver. For å lettere justere fokuspunktets plassering, anbefales det å bruke en optisk skinne i oppsettet av riggen; Dette gjør det enkelt for brukerne å skyve linseholderen bakover eller fremover for å plassere fokuspunktet riktig. Laser- og reagensglasset/cantilever-delen er allerede justert hvis riggen er riktig bygget; Bruken av den optiske skinnen vil holde linsen på linje med de andre delene.
To separate alternativer er beskrevet i protokollen, trinn 4.1 og trinn 4.2. Det første alternativet, trinn 4.1, er den opprinnelige enkle måten å kjøre miniatyr tapperiggen på. Dette alternativet er avhengig av det menneskelige øye for å oppdage partikler i stedet for et kamerasystem. Dette alternativet er best når du skal samle inn mindre datasett raskt eller i situasjoner der du ønsker en direkte demonstrasjon. Det første alternativet ble brukt under de to første eksperimentene før det andre alternativet ble opprettet. Det andre alternativet, trinn 4.2, bruker et kamera for automatisk deteksjon og overlapping, slik at tusenvis av tester kan kjøres og legges inn i en database uten menneskelig tilsyn. Nøyaktigheten til kameraet avhenger av den nøyaktige testtilstanden; visse mer reflekterende materialer, når de ble testet, så ut til å ha en mindre nøyaktig overlappingshastighet sammenlignet med lignende tester gjort med menneskelig deteksjon. Flere parametere i kameraskriptet kan imidlertid endres for å øke kameraets nøyaktighet. Den nøyaktige nøyaktigheten til kameraet er noe som kan forbedres, men det er heller ikke en betydelig bekymring fordi miniatyrriggene er ment for første testing. Det andre alternativet kan også enkelt endres for å kjøre to testrigger fra et enkelt mikrokontrollerkort; detaljer for denne endringen er inkludert i tilleggsfil 7.
Dagens arbeid utvikler en mer nøyaktig og konsistent form for automatisk felledeteksjon gjennom maskinlæring. Dette nye deteksjonssystemet for maskinlæring, når det er ferdig, vil bruke konvolusjonelle nevrale nettverk for bedre å oppdage fanget partikler med en mye høyere nøyaktighetsgrad (over 95%), noe som ytterligere styrker bruken og effekten slike miniatyrtestingsrigger kan ha på fremtiden for fotoforetisk fellevisningsforskning.
I sin nåværende basisform er miniatyrfangstriggen begrenset på noen få måter. Disse miniatyrriggene kan ikke lage faktiske OTDer ved å skanne partikkelen etter at en felle har skjedd. Designet begrenser også muligheten for at skannere blir lagt til for fremtidig bruk ved å lage OTDer. En annen begrensning ved utformingen er behovet for tilleggskomponenter for at en bestemt test skal skje. For eksempel ble en variabel optisk demper brukt til å samle datasettene på forskjellige optiske utgangseffektnivåer under lasereffekttesten. På samme måte, hvis en forsker ønsket å teste laserbølgelengde i en fremtidig test, ville de kreve flere andre lasere med sammenlignbar optisk kraft med forskjellige bølgelengder i tillegg til laseren som brukes i dette arbeidet. Riggen vil mest sannsynlig kreve ytterligere modifikasjoner for å holde hver laser, denne prosessen vil begrense hastigheten som en slik test kan utføres med, men det vil fortsatt være mulig. Denne designen bestemmes også av behovet for å 3D skrive ut en ny linseholder for hvert objektiv. Designet og applikasjonen er også begrenset til sfæriske bikonvekse linser, som produserer sfærisk avvik for å danne regioner der fangst kan oppstå.
Fremover inkluderer fremtidige applikasjoner fortsatt testing og optimalisering av fotoforetiske overlappingsparametere. Som kort nevnt ovenfor, kan miniatyrfangstriggen enkelt endres til et grunnleggende billig OTD-system ved å legge til skannere for y-aksen og x-aksekontrollen. Den elektromagnetkontrollerte partikkelleveransen som brukes i miniatyrfangstriggen kan også implementeres i fremtidige avanserte OTD-systemer.
Miniatyrfangstriggen er til syvende og sist unik og distinkt innen dette forskningsfeltet fordi den kan fremstilles billig og raskt, noe som gir rask massetesting. Disse riggene er ment å være magre systemer designet for innledende testing og optimalisering av fotoforetiske fangstparametere. En individuell rigg kan teste med en hastighet på ~ 250 forsøk per time. Mange andre typer fotoforetiske fangstsystemer eller rigger er utviklet for å ha bedre automatiske systemer eller oppnå mer ved å skanne partikkelen for å lage et bilde etter en vellykket felle1,8. Disse miniatyrfangstsystemene er ikke ment å erstatte bruken av slike systemer. De er ment å raskt teste parametere og betingelser for fotoforetisk fangst for å gi forskere en bedre forståelse av hva som gir god fotoforetisk fangst. Miniatyrfangstriggen vil demokratisere fotoforetisk felleforskning og muliggjøre en ny bølge av edisonsk eksperimentering og progresjon innen dette forskningsfeltet.
The authors have nothing to disclose.
Forfatterne anerkjenner takknemlig økonomisk støtte fra National Science Foundation. NSF-pris-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 |