Fabricage en testen van miniatuur automatische fotoforetische vanginstallaties
Summary
Dit werk beschrijft en karakteriseert de fabricage van miniatuur automatische fotoforetische vanginstallaties.
Abstract
Dit artikel presenteert een geautomatiseerde, snel-fab-compatibele, fotoforetische valtestbank om de democratisering en crowdsourcing van volumetrisch display-onderzoek mogelijk te maken. De rig kan binnen 2 uur worden gebouwd met behulp van een lasersnijder, 3-dimensionale (3D) printer en gangbare handgereedschappen. In zijn huidige vorm kan de rig worden gebruikt om de volgende kritische parameters te testen: deeltjestype, valtype, numerieke opening en luchtstroom met een snelheid van ongeveer 250 monsters per uur. Met kleine aanpassingen kan de rig worden gemaakt om een nog grotere set parameters te testen, zoals laservermogen en lasergolflengte, afhankelijk van de behoeften van de gebruiker. De rig kan machine vision gebruiken voor geautomatiseerde data capture en analyse. De bediening en constructie van de testopstelling worden beschreven met beknopte, eenvoudig te volgen stappen. De resultaten van een “boerderij” met vier eenheden voor de vermogens- en deeltjestypeparameters worden gerapporteerd. Dit platform zal de reikwijdte en samenstelling van optische trapweergaveparameters en onderzoekers verbreden door middel van toegankelijkheid en democratisering.
Introduction
Het optical trap display (OTD) maakt de display geometrieën uit sciencefiction mogelijk. Het werkt door een deeltje te vangen door middel van fotoferese en het belichten van het deeltje1,2,3,4. Vervolgens vormt het slepen van dat deeltje door de ruimte een beeld in de lucht dat de kijker waarneemt als continu volgens de persistentie van visie5. Met deze schermloze 3D-technologie kan geometrieën worden weergegeven, zoals projecties met lange projecties, hoge zandtafels en wrap-around displays1. Deze geometrieën zijn uniek aantrekkelijk omdat ze geen scherm vereisen en inhoud creëren die vanuit vrijwel elke hoek kan worden bekeken.
Onderzoekers van de Brigham Young University vonden aanvankelijk succes in hun fotoforetische vangsysteem van de eerste generatie door gebruik te maken van een beam expander en galvanometerscanners, samen met verschillende spiegels en een of meer bolvormige lenzen om een fotoforetische val te creëren door bolvormige aberratie1,4. Deze vanginstallatie van de eerste generatie bevatte ook RGB-lasers (rood-groen-blauw) om nauwkeurige gekleurde schermverlichting mogelijk te maken. Met behulp van dit vangsysteem worden OTD’s gemaakt door een enkel deeltje door een ingewikkeld pad te bewegen. Deze aanpak beperkt de grootte van afbeeldingen tot minder dan een kubieke centimeter en beperkt de complexiteit van realtime afbeeldingen tot wireframes en andere schaarse inhoud6,7. Bovendien wordt de schaalvergroting van deze technologie beperkt door de inconsistentie van fotoforetische overvulling8. Als een enkel val-/deeltjessysteem kan worden geoptimaliseerd, kan het scherm worden geschaald door een geoptimaliseerde val te repliceren en meerdere deeltjes synchroon te vangen en te scannen9. Eventuele problemen met een enkele val worden verergerd in een multi-trap-systeem, dus zorgvuldige optimalisatie van val- en deeltjesparameters is van cruciaal belang.
De optimalisatie van een individueel val-/vangsysteem vereist uitgebreide tests voor elke parameter van het fotoforetische vangsysteem7. Dergelijke parameters omvatten deeltjestype (substantie, vorm, grootte), laservermogen, lasergolflengte en numeriek diafragma (brandpuntsafstand, diameter, kanteling). Testen en experimenteren met vallen en opstaan voor elke parameter zal individuele vallen en meerdere synchrone vallen optimaliseren. Toch zullen ze grote hoeveelheden gegevens moeten verzamelen.
In het verleden is het onderzoeks- en testproces voor het optimaliseren van fotoforetische overvulling door middel van sferische aberratie slechts gedaan door een handvol onderzoekers over de hele wereld1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 . Tot voor kort vertrouwden onderzoekers van de Brigham Young University op een enkel, groot, duur vangsysteem om de benodigde gegevens te verzamelen, waardoor het proces van testen en verzamelen van gegevens traag was1,7. Sinds de introductie van optische valschermen als oplossing voor 3D-visualisatie in 20181, hebben individuen van alle leeftijdsgroepen en uit verschillende continenten echter de wens geuit om deel te nemen aan het onderzoek. Vanwege de gegenereerde interesse in OTD’s hebben onderzoekers een manier willen vinden om alle geïnteresseerde partijen te laten deelnemen aan het onderzoeksproces. Eerdere generaties fotoforetische vanginstallaties, die beam splitters en galvanometers bevatten, waren te duur en tijdrovend om in massa te produceren en te crowdsourcen1,6, dus was een andere oplossing nodig.
Er is een nieuwe miniatuur fotoforetische vanginstallatie ontwikkeld, waarmee alle geïnteresseerde partijen kunnen deelnemen aan onderzoek en snel gegevens kunnen testen en verzamelen voor alle hierboven genoemde belangrijke parameters. Ze kunnen snel worden gefabriceerd door iedereen die toegang heeft tot een 3D-printer en lasersnijder. Dit ontwerp probeert kosten en complexiteit te minimaliseren, risico’s te beperken en automatisering, interconnectiviteit en flexibiliteit te maximaliseren (figuur 1). De nieuwe rig maakt gebruik van de meest eenvoudige optische opstelling voor fotoforetische vangmethoden die mogelijk zijn: een enkele laser en lens10. De kleine rigs zijn eenvoudig te gebruiken zodra ze zijn ingesteld en kunnen testen met een snelheid van ongeveer 250 pogingen per uur.
De gegevens die van deze rigs worden verzameld uit de tests van toekomstige burgerwetenschappers en onderzoekers zullen aanzienlijk helpen bij het ontwikkelen van fotoforetische trapping in het gebruik ervan voor 3D-visualisatie door de optimalisatie van vangparameters en individuele vallen mogelijk te maken.
Protocol
Representative Results
Discussion
Het huidige protocol bevat verschillende essentiële stappen die van cruciaal belang zijn voor het automatisch draaien van de vanginstallatie. Ten eerste moet de elektromagneet op de juiste manier aan de microcontrollerkaart worden bevestigd via het opgegeven circuit. Zonder de elektromagneet gaat het totale nut van de miniatuurtestbank verloren. De elektromagneet regelt elke vangpoging door het deeltjesreservoir op het sledeplatform omhoog te brengen in het pad van de laser. Elke valpoging is een andere cyclus van het verhogen en verlagen van het platform.
De camera wordt alleen gebruikt in stap 4.2 zoals beschreven in het protocol, maar het is van cruciaal belang voor die optie. Stap 4.2 vereist dat een camera detecteert of een deeltje is gevangen, waardoor gegevens van meerdere platforms kunnen worden verzameld. Als de camera niet correct is aangesloten, kan de rig geen overvulling proberen.
De derde en meest kritieke stap, stap 5.2.1, is het uitlijnen en scherpstellen van de laser. De lens moet zo geplaatst worden dat het brandpunt over de elektromagneet komt. Het vrijdragende platform zal door het brandpunt over de elektromagneet gaan, waardoor deeltjes kunnen worden opgevangen. Stel dat het brandpunt niet gecentreerd is boven het midden van de elektromagneet. In dat geval wordt het een uitdaging om ervoor te zorgen dat het vrijdragende platform dat deeltjes vervoert door het brandpunt gaat om vallen te creëren. Dit kan leiden tot een gebrek aan vallen. Het is ook essentieel dat het platform boven de elektromagneet wordt verhoogd, zodat het laserpad niet constant contact maakt met het platform. Dit kan ertoe leiden dat de camera valse positieven meldt. Om de locatie van het brandpunt gemakkelijker aan te passen, wordt voorgesteld om een optische rail te gebruiken bij de opstelling van de rig; hierdoor kunnen gebruikers de lenshouder gemakkelijk naar achteren of naar voren schuiven om het brandpunt goed te positioneren. Het laser- en reageerbuis/slededeel zijn al uitgelijnd als de rig op de juiste manier is gebouwd; het gebruik van de optische rail houdt de lens uitgelijnd met de andere delen.
Twee afzonderlijke opties worden beschreven in het protocol, stap 4.1 en stap 4.2. De eerste optie, stap 4.1, is de originele eenvoudige manier om de miniatuur tapinstallatie uit te voeren. Deze optie vertrouwt op het menselijk oog om deeltjes te detecteren in plaats van een camerasysteem. Deze optie is het beste voor het snel verzamelen van kleinere gegevenssets of in situaties waarin een live demonstratie gewenst is. De eerste optie werd gebruikt tijdens de eerste twee experimenten voordat de tweede optie werd gemaakt. De tweede optie, stap 4.2, maakt gebruik van een camera voor automatische detectie en overvulling, waardoor duizenden tests kunnen worden uitgevoerd en ingevoerd in een database zonder enig menselijk toezicht. De nauwkeurigheid van de camera is afhankelijk van de exacte testconditie; bepaalde meer reflecterende materialen bleken, wanneer getest, een minder nauwkeurige vangsnelheid te hebben in vergelijking met vergelijkbare tests die werden uitgevoerd met menselijke detectie. Verschillende parameters in het camerascript kunnen echter worden gewijzigd om de nauwkeurigheid van de camera te vergroten. De exacte nauwkeurigheid van de camera is iets dat kan worden verbeterd, maar het is ook geen grote zorg omdat de miniatuur rigs bedoeld zijn voor de eerste tests. De tweede optie kan ook eenvoudig worden aangepast om twee testopstellingen op één microcontrollerkaart uit te voeren; de details voor die wijziging zijn opgenomen in aanvullend dossier 7.
Het huidige werk is het ontwikkelen van een meer exacte en consistente vorm van automatische valdetectie door middel van machine learning. Dit nieuwe machine learning-detectiesysteem zal, wanneer het klaar is, convolutionele neurale netwerken gebruiken om gevangen deeltjes beter te detecteren met een veel hogere nauwkeurigheid (meer dan 95%), waardoor het gebruik en het effect dat dergelijke miniatuurtestbanken kunnen hebben op de toekomst van fotoforetisch valschermonderzoek verder wordt versterkt.
In zijn huidige basisvorm is de miniatuur vanginstallatie op een paar manieren beperkt. Deze miniatuur rigs zijn niet in staat om echte OTD’s te maken door het deeltje te scannen nadat een val is opgetreden. Het ontwerp beperkt ook de mogelijkheid om scanners toe te voegen voor toekomstig gebruik bij het maken van OTD’s. Een andere beperking van het ontwerp is de behoefte aan extra componenten voor een specifieke test. Een variabele optische verzwakker werd bijvoorbeeld gebruikt om de datasets te verzamelen op verschillende optische uitgangsvermogensniveaus tijdens de laservermogenstest. Evenzo, als een onderzoeker de lasergolflengte in een toekomstige test zou willen testen, zouden ze verschillende andere lasers met een vergelijkbaar optisch vermogen met verschillende golflengten nodig hebben naast de laser die in dit werk wordt gebruikt. De rig zou hoogstwaarschijnlijk extra aanpassingen vereisen om elke laser vast te houden, dit proces zou de snelheid beperken waarmee een dergelijke test kan worden uitgevoerd, maar het zou nog steeds mogelijk zijn. Dit ontwerp wordt ook bepaald door de noodzaak om voor elke lens een nieuwe lenshouder te 3D-printen. Het ontwerp en de toepassing zijn ook beperkt tot bolvormige biconvexe lenzen, die sferische aberratie produceren om gebieden te vormen waar overvulling kan optreden.
In de toekomst omvatten toekomstige toepassingen voortdurende tests en optimalisatie van fotoforetische overvulparameters. Zoals hierboven kort vermeld, kan de miniatuur vanginstallatie eenvoudig worden gewijzigd in een goedkoop OTD-basissysteem door scanners toe te voegen voor de y-as en x-asbesturing. De elektromagneetgestuurde deeltjesafgifte die in de miniatuur vanginstallatie wordt gebruikt, kan ook worden geïmplementeerd in toekomstige geavanceerde OTD-systemen.
De miniatuur vanginstallatie is uiteindelijk uniek en onderscheidend in dit onderzoeksgebied omdat het goedkoop en snel kan worden vervaardigd, waardoor snelle massatests mogelijk zijn. Deze rigs zijn bedoeld als slanke systemen die zijn ontworpen voor het initiële testen en optimaliseren van fotoforetische vangparameters. Een individuele rig kan testen met een snelheid van ~250 pogingen per uur. Veel andere soorten fotoforetische vangsystemen of rigs zijn ontwikkeld om betere automatische systemen te hebben of meer te bereiken door het deeltje te scannen om een beeld te creëren na een succesvolle val1,8. Deze miniatuur vangsystemen zijn niet bedoeld om het gebruik van dergelijke systemen te vervangen. Ze zijn bedoeld om snel parameters en omstandigheden van fotoforetische trapping te testen om onderzoekers een beter begrip te geven van wat zorgt voor goede fotoforetische trapping. De miniatuur vanginstallatie zal fotoforetisch valonderzoek democratiseren en een nieuwe golf van Edisoniaanse experimenten en progressie op dit onderzoeksgebied mogelijk maken.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs erkennen dankbaar de financiële steun van de National Science Foundation. NSF Award ID-1846477.
Materials
| 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 |
References
- Smalley, D., et al. A photophoretic-trap volumetric display. Nature. 553 (7689), 486-490 (2018).
- Rohatschek, H. Direction, magnitude and causes of photophoretic forces. Journal of Aerosol Science. 16 (1), 29-42 (1985).
- Desyatnikov, A. S., Shvedov, V. G., Rode, A. V., Krolikowski, W., Kivshar, Y. S. Photophoretic manipulation of absorbing aerosol particles with vortex beams: theory versus experiment. Optics Express. 17 (10), 8201-8211 (2009).
- Ke, P. C., Gu, M. Characterization of trapping force in the presence of spherical aberration. Journal of Modern Optics. 45 (10), 2159-2168 (1998).
- Blundell, B. G. On the uncertain future of the volumetric 3D display paradigm. 3D Research. 8, 11 (2017).
- Smalley, D., Nygaard, E., Rogers, W., Gneiting, S. A., Qaderi, K. Progress on photophoretic trap displays. Frontiers in Optics / Laser Science. , (2018).
- Rogers, W., Laney, J., Peatross, J., Smalley, D. Improving photophoretic trap volumetric displays. Applied Optics. 58 (34), 363-369 (2019).
- Peatross, J., Smalley, D., Rogers, W., Nygaard, E., Laughlin, E., Qaderi, K., Howe, L. Volumetric display by movement of particles trapped in a laser via photophoresis. SPIE Proceedings. 10723, 02 (2018).
- Smalley, D., Poon, T., Gao, H., Kvavle, J., Qaderi, K. Volumetric Displays: Turning 3-D inside-out. Optics and Photonics News. 29 (6), 26-33 (2018).
- Shvedov, V. G., Hnatovsky, C., Rode, A. V., Krolikowski, W. Robust trapping and manipulation of airborne particles with a bottle beam. Optics Express. 19 (18), 17350-17356 (2011).
