Herstellung und Erprobung von automatischen photophoretischen Fanganlagen für Miniaturen
Summary
Diese Arbeit beschreibt und charakterisiert die Herstellung von automatischen photophärischen Miniatur-Fanganlagen.
Abstract
Dieser Beitrag stellt einen automatisierten, schnellen, Fab-kompatiblen, photophoretischen Fallenprüfstand vor, der die Demokratisierung und das Crowdsourcing der volumetrischen Displayforschung ermöglicht. Das Rig kann innerhalb von 2 Stunden mit einem Laserschneider, einem 3-dimensionalen (3D) Drucker und gängigen Handwerkzeugen konstruiert werden. In seiner aktuellen Form kann das Bohrgerät verwendet werden, um die folgenden kritischen Parameter zu testen: Partikeltyp, Fallentyp, numerische Apertur und Luftstrom mit einer Rate von etwa 250 Proben pro Stunde. Mit geringfügigen Änderungen kann das Rig je nach den Bedürfnissen des Benutzers einen noch größeren Satz von Parametern wie Laserleistung und Laserwellenlänge testen. Das Rig kann Machine Vision für die automatisierte Datenerfassung und -analyse nutzen. Die Bedienung und der Aufbau des Prüfstandes werden mit prägnanten, leicht verständlichen Schritten beschrieben. Es werden Ergebnisse eines vierteiligen Prüfstandsbetriebs gemeldet, der die Leistungs- und Partikeltypparameter abdeckt. Diese Plattform wird den Umfang und die Zusammensetzung von optischen Fallenanzeigeparametern und Forschern durch Zugänglichkeit und Demokratisierung erweitern.
Introduction
Das Optical Trap Display (OTD) ermöglicht die in der Science-Fiction zu sehenden Display-Geometrien. Es funktioniert, indem es ein Teilchen durch Photopherese einfängt und das Partikel beleuchtet1,2,3,4. Wenn Sie dieses Teilchen durch den Raum ziehen, entsteht dann ein Bild in der Luft, das der Betrachter gemäß der Persistenz der Vision als kontinuierlich wahrnimmt5. Diese bildschirmlose 3D-Technologie ermöglicht die Anzeige von Geometrien wie Langdistanzprojektionen, hohen Sandtischen und Rundum-Displays1. Diese Geometrien sind einzigartig überzeugend, weil sie keinen Bildschirm benötigen und Inhalte erzeugen, die aus praktisch jedem Blickwinkel betrachtet werden können.
Forscher der Brigham-Young-Universität fanden erste Erfolge in ihrem photophoretischen Fangsystem der ersten Generation, indem sie einen Strahlexpander und Galvanometerscanner sowie mehrere Spiegel und eine oder mehrere sphärische Linsen verwendeten, um eine photophoretische Falle durch sphärische Aberration zu erzeugen1,4. Dieses Trapping-Rig der ersten Generation enthielt auch RGB-Laser (Rot-Grün-Blau), um eine präzise farbige Displaybeleuchtung zu ermöglichen. Mit diesem Fangsystem werden OTDs erzeugt, indem ein einzelnes Partikel durch einen gewundenen Pfad bewegt wird. Dieser Ansatz begrenzt die Größe von Bildern auf unter einen Kubikzentimeter und beschränkt die Komplexität von Echtzeitbildern auf Wireframes und andere spärliche Inhalte6,7. Darüber hinaus ist die Skalierung dieser Technologie durch die Inkonsistenz des photophoretischen Fallenstellens begrenzt8. Wenn ein einzelnes Fallen-/Partikelsystem optimiert werden kann, könnte die Skalierung der Anzeige erreicht werden, indem eine optimierte Falle repliziert und mehrere Partikel synchron eingefangen und gescannt werden9. Alle Probleme mit einer einzelnen Falle werden in einem Multi-Trap-System verstärkt, daher ist eine sorgfältige Optimierung der Fallen- und Partikelparameter von entscheidender Bedeutung.
Die Optimierung eines individuellen Fallen-/Fallensystems erfordert umfangreiche Tests für jeden Parameter des photophoretischen Fangsystems7. Zu diesen Parametern gehören Partikeltyp (Substanz, Form, Größe), Laserleistung, Laserwellenlänge und numerische Apertur (Brennweite, Durchmesser, Neigung). Durch Testen und Experimentieren durch Versuch und Irrtum für jeden Parameter werden einzelne Traps und mehrere synchrone Traps optimiert. Dennoch werden sie große Datenmengen benötigen, um gesammelt zu werden.
In der Vergangenheit wurde der Forschungs- und Testprozess zur Optimierung des photophoretischen Einfangens durch sphärische Aberration nur von einer Handvoll Forschern auf der ganzen Welt durchgeführt1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 . Bis vor kurzem haben sich Forscher der Brigham-Young-Universität auf ein einziges, großes, teures Fangsystem verlassen, um die benötigten Daten zu sammeln, was dazu führte, dass der Prozess des Testens und Sammelns von Daten langsam war1,7. Seit der Einführung optischer Fallendisplays als Lösung für die 3D-Visualisierung im Jahr 20181 haben jedoch Personen aller Altersgruppen und aus mehreren Kontinenten den Wunsch geäußert, an der Forschung teilzunehmen. Aufgrund des geweckten Interesses an OTDs wollten die Forscher einen Weg finden, alle interessierten Parteien am Forschungsprozess teilhaben zu lassen. Frühere Generationen von photophärischen Fanganlagen, die Strahlteiler und Galvanometer enthielten, waren zu teuer und zeitaufwendig, um sie in Massenproduktion zu produzieren und per Crowdsourcing1,6 zu beschaffen, so dass eine andere Lösung erforderlich war.
Ein neues photophoretisches Miniatur-Fanggerät wurde entwickelt, das es allen interessierten Parteien ermöglicht, sich an der Forschung zu beteiligen und schnell Daten für alle oben genannten signifikanten Parameter zu testen und zu sammeln. Sie können von jedem, der Zugang zu einem 3D-Drucker und Laserschneider hat, schnell hergestellt werden. Dieses Design versucht, Kosten und Komplexität zu minimieren, Risiken zu minimieren und Automatisierung, Interkonnektivität und Flexibilität zu maximieren (Abbildung 1). Das neue Rig verwendet den einfachsten optischen Aufbau für photophoretische Fallen, der möglich ist: ein einziger Laser und ein Objektiv10. Die kleinen Rigs sind nach dem Aufbau einfach zu bedienen und können mit einer Rate von ca. 250 Versuchen pro Stunde testen.
Die von diesen Rigs gesammelten Daten aus den Tests zukünftiger Bürgerwissenschaftler und Forscher werden wesentlich dazu beitragen, photophoretische Fallen in ihrer Verwendung für die 3D-Visualisierung zu entwickeln, indem sie die Optimierung von Fangparametern und einzelnen Fallen ermöglichen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Das vorliegende Protokoll enthält mehrere wesentliche Schritte, die für den automatischen Betrieb des Fanggeräts von entscheidender Bedeutung sind. Zunächst muss der Elektromagnet über die angegebene Schaltung ordnungsgemäß an der Mikrocontrollerplatine befestigt werden. Ohne den Elektromagneten geht der gesamte Nutzen des Miniaturprüfstandes verloren. Der Elektromagnet steuert jeden Fangversuch, indem er das Partikelreservoir auf der Auslegerplattform in den Weg des Lasers anhebt. Jeder Fallenversuch ist ein weiterer Zyklus des Hebens und Senkens der Plattform.
Die Kamera wird nur in Schritt 4.2 verwendet, wie im Protokoll beschrieben, ist aber für diese Option von entscheidender Bedeutung. Schritt 4.2 erfordert, dass eine Kamera erkennt, ob ein Partikel eingeschlossen wurde, was die Datenerfassung von mehreren Bohrgeräten ermöglicht. Wenn die Kamera nicht richtig angeschlossen ist, kann das Rig kein Fallen versuchen.
Der dritte und kritischste Schritt, Schritt 5.2.1, ist das Ausrichten und Fokussieren des Lasers. Die Linse muss so platziert werden, dass der Brennpunkt über dem Elektromagneten auftritt. Die freitragende Plattform durchläuft den Brennpunkt über dem Elektromagneten, so dass Partikel eingeschlossen werden können. Angenommen, der Brennpunkt ist nicht über der Mitte des Elektromagneten zentriert. In diesem Fall wird es schwierig, sicherzustellen, dass die Kragarmplattform, die Partikel trägt, den Brennpunkt passiert, um Fallen zu erzeugen. Dies kann zu einem Mangel an Fallen führen. Es ist auch wichtig, dass die Plattform über dem Elektromagneten erhöht ist, damit der Laserpfad nicht ständig mit der Plattform in Kontakt kommt. Dies kann dazu führen, dass die Kamera falsch positive Ergebnisse meldet. Um die Position des Brennpunkts leichter einstellen zu können, wird empfohlen, beim Aufbau des Rigs eine optische Schiene zu verwenden. Auf diese Weise können Benutzer den Objektivhalter einfach nach hinten oder vorne schieben, um den Brennpunkt richtig zu positionieren. Der Laser und das Reagenzglas / Cantilever-Teil sind bereits ausgerichtet, wenn der Prüfstand entsprechend gebaut wurde. Die Verwendung der optischen Schiene hält das Objektiv mit den anderen Teilen ausgerichtet.
Zwei separate Optionen werden im Protokoll beschrieben, Schritt 4.1 und Schritt 4.2. Die erste Option, Schritt 4.1, ist die ursprüngliche einfache Möglichkeit, das Miniatur-Gewindebohrgerät zu betreiben. Diese Option stützt sich auf das menschliche Auge, um Partikel zu erkennen, anstelle eines Kamerasystems. Diese Option eignet sich am besten zum schnellen Sammeln kleinerer Datensätze oder in Situationen, in denen eine Live-Demonstration gewünscht wird. Die erste Option wurde während der ersten beiden Experimente verwendet, bevor die zweite Option erstellt wurde. Die zweite Option, Schritt 4.2, verwendet eine Kamera für die automatische Erkennung und das Überfangen, sodass Tausende von Tests ohne menschliche Aufsicht ausgeführt und in eine Datenbank eingegeben werden können. Die Genauigkeit der Kamera hängt von der genauen Testbedingung ab. Bestimmte, reflektierendere Materialien, wenn sie getestet wurden, schienen im Vergleich zu ähnlichen Tests, die mit menschlicher Erkennung durchgeführt wurden, eine weniger genaue Fangrate zu haben. Mehrere Parameter im Kameraskript können jedoch geändert werden, um die Genauigkeit der Kamera zu erhöhen. Die genaue Genauigkeit der Kamera ist etwas, das verbessert werden kann, aber es ist auch kein großes Problem, da die Miniatur-Rigs für erste Tests gedacht sind. Die zweite Option kann auch leicht modifiziert werden, um zwei Prüfstände von einer einzigen Mikrocontrollerplatine aus zu betreiben. Einzelheiten zu dieser Änderung sind in der Zusatzakte 7 enthalten.
Die aktuelle Arbeit entwickelt eine genauere und konsistentere Form der automatischen Fallenerkennung durch maschinelles Lernen. Dieses neue Machine-Learning-Erkennungssystem wird, wenn es fertig ist, Convolutional Neural Networks verwenden, um gefangene Partikel mit einer viel höheren Genauigkeit (über 95%) besser zu erkennen, was die Verwendung und die Auswirkungen, die solche Miniaturprüfstände auf die Zukunft der photophärischen Fallendisplayforschung haben können, weiter unterstützt.
In seiner jetzigen Grundform ist das Miniatur-Fanggerät in mancher Hinsicht begrenzt. Diese Miniatur-Rigs sind nicht in der Lage, tatsächliche OTDs zu erstellen, indem sie das Partikel scannen, nachdem eine Falle aufgetreten ist. Das Design schränkt auch die Möglichkeit ein, dass Scanner für die zukünftige Verwendung bei der Erstellung von OTDs hinzugefügt werden. Eine weitere Einschränkung des Designs ist die Notwendigkeit zusätzlicher Komponenten für einen bestimmten Test. Beispielsweise wurde ein variabler optischer Dämpfungsglied verwendet, um die Datensätze bei verschiedenen optischen Ausgangsleistungspegeln während des Laserleistungstests zu sammeln. Wenn ein Forscher die Laserwellenlänge in einem zukünftigen Test testen möchte, würde er zusätzlich zu dem in dieser Arbeit verwendeten Laser mehrere andere Laser mit vergleichbarer optischer Leistung mit unterschiedlichen Wellenlängen benötigen. Das Bohrgerät würde höchstwahrscheinlich zusätzliche Modifikationen erfordern, um jeden Laser zu halten, dieser Prozess würde die Geschwindigkeit begrenzen, mit der ein solcher Test durchgeführt werden könnte, aber es wäre immer noch möglich. Dieses Design wird auch durch die Notwendigkeit bestimmt, einen neuen Objektivhalter für jedes Objektiv in 3D zu drucken. Das Design und die Anwendung sind auch auf sphärische bikonvexe Linsen beschränkt, die sphärische Aberration erzeugen, um Regionen zu bilden, in denen Fallen auftreten können.
Zukünftige Anwendungen umfassen in Zukunft das kontinuierliche Testen und Optimieren von photophärischen Fangparametern. Wie oben kurz erwähnt, könnte das Miniatur-Fanggerät leicht in ein grundlegendes kostengünstiges OTD-System umgewandelt werden, indem Scanner für die y-Achsen- und x-Achsensteuerung hinzugefügt werden. Die elektromagnetgesteuerte Partikelabgabe, die in der Miniaturfanganlage verwendet wird, könnte auch in zukünftigen fortschrittlichen OTD-Systemen implementiert werden.
Das Miniatur-Fanggerät ist letztendlich einzigartig und unverwechselbar in diesem Forschungsbereich, da es kostengünstig und schnell hergestellt werden kann, was schnelle Massentests ermöglicht. Diese Prüfstände sollen schlanke Systeme sein, die für die anfängliche Prüfung und Optimierung photophoretischer Fangparameter entwickelt wurden. Ein einzelnes Rig kann mit einer Rate von ~ 250 Versuchen pro Stunde testen. Viele andere Arten von photophärischen Fangsystemen oder -anlagen wurden entwickelt, um bessere automatische Systeme zu haben oder mehr zu erreichen, indem das Partikel gescannt wird, um nach einer erfolgreichen Falle ein Bild zu erstellen1,8. Diese Miniatur-Fangsysteme sind nicht dazu gedacht, die Verwendung solcher Systeme zu ersetzen. Sie sollen Parameter und Bedingungen des photophoretischen Fallens schnell testen, um den Forschern ein besseres Verständnis dafür zu vermitteln, was ein gutes photophoretisches Fallen ausmacht. Das Miniatur-Fanggerät wird die photophoretische Fallenforschung demokratisieren und eine neue Welle edisonischer Experimente und Fortschritte in diesem Forschungsbereich ermöglichen.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Autoren danken der National Science Foundation für die finanzielle Unterstützung. NSF-Auszeichnung 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
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