Minyatür Otomatik Fotoforetik Tuzak Makinelerinin İmalatı ve Test Edilmesi
Summary
Bu çalışma, minyatür otomatik fotoforetik tuzak kulelerinin imalatını tanımlamakta ve karakterize etmektedir.
Abstract
Bu makale, hacimsel ekran araştırmalarının demokratikleşmesini ve kitle kaynak kullanımını sağlamak için otomatik, hızlı-fab-uyumlu, fotoforetik tuzak test donanımı sunmaktadır. Makine lazer kesici, 3 boyutlu (3D) yazıcı ve yaygın el aletleri kullanılarak 2 saat içinde inşa edilebilir. Makine mevcut haliyle şu kritik parametreleri test etmek için kullanılabilir: partikül tipi, tuzak tipi, sayısal açıklık ve saatte yaklaşık 250 numune hızında hava akışı. Küçük değişikliklerle makine, kullanıcının ihtiyaçlarına bağlı olarak lazer gücü ve lazer dalga boyu gibi daha da büyük bir parametre kümesini test etmek için yapılabilir. Makine otomatik veri yakalama ve analiz için makine görüşünü kullanabilir. Test donanımının çalışması ve yapımı kısa ve takip edilmesi kolay adımlarla açıklanmaktadır. Güç ve parçacık tipi parametrelerini kapsayan dört birimli bir test donanımı ‘çiftliğinden’ elde edilen sonuçlar raporlanır. Bu platform, erişilebilirlik ve demokratikleşme yoluyla optik tuzak ekran parametrelerinin ve araştırmacıların kapsamını ve bileşimini genişletecektir.
Introduction
Optik tuzak ekranı (OTD), bilim kurguda görülen ekran geometrilerini mümkün kılar. Bir parçacığı fotoferez yoluyla yakalayarak ve parçacığı aydınlatarak çalışır1,2,3,4. Daha sonra, bu parçacığı uzayda sürüklemek, izleyicinin vizyonun kalıcılığına göre sürekli olarak algıladığı havada bir görüntü oluşturur5. Bu ekransız 3D teknolojisi, uzun yansıtma açılı projeksiyonlar, uzun kum masaları ve etrafı saran ekranlar gibi geometrileri görüntülemesini sağlar1. Bu geometriler benzersiz bir şekilde çekicidir, çünkü ekran gerektirmezler ve neredeyse her açıdan görülebilecek içerik oluştururlar.
Brigham Young Üniversitesi’ndeki araştırmacılar, küresel sapma yoluyla fotoforetik bir tuzak oluşturmak için birkaç ayna ve bir veya daha fazla küresel lensle birlikte bir ışın genişletici ve galvanometre tarayıcıları kullanarak birinci nesil fotoforetik yakalama sistemlerinde ilk başarıyı buldular1,4. Bu birinci nesil yakalama makinesi, hassas renkli ekran aydınlatması sağlamak için RGB (kırmızı-yeşil-mavi) lazerler de içeriyordu. Bu yakalama sistemini kullanarak, OTD’ler tek bir parçacığın kıvrımlı bir yoldan hareket ettirilmesiyle oluşturulur. Bu yaklaşım, görüntülerin boyutunu bir santimetreküpün altına sınırlar ve gerçek zamanlı görüntülerin karmaşıklığını tel kafesler ve diğer seyrek içeriklerle sınırlar6,7. Ayrıca, bu teknolojinin ölçeklendirilmesi, fotoforetik yakalamanın tutarsızlığı ile sınırlıdır8. Tek bir tuzak/parçacık sistemi optimize edilebilirse, optimize edilmiş bir tuzağın çoğaltılması ve birden fazla parçacığın eşzamanlı olarak yakalanması ve taranmasıyla ekranın ölçeklendirilmesi sağlanabilir9. Tek bir tuzakla ilgili herhangi bir sorun, çok tuzaklı bir sistemde birleştirilecektir, bu nedenle tuzak ve parçacık parametrelerinin dikkatli bir şekilde optimize edilmesi kritik öneme sahiptir.
Bireysel bir tuzak/yakalama sisteminin optimizasyonu, fotoforetik yakalama sisteminin her parametresi için kapsamlı testlerin yapılmasını gerektirir7. Bu parametreler arasında parçacık tipi (madde, şekil, boyut), lazer gücü, lazer dalga boyu ve sayısal diyafram açıklığı (odak uzaklığı, çap, eğim) bulunur. Her parametre için deneme yanılma yoluyla test ve deneme, bireysel tuzakları ve çoklu senkron tuzakları optimize edecektir. Yine de, büyük miktarda verinin toplanmasını gerektireceklerdir.
Geçmişte, küresel sapma yoluyla fotoforetik tuzağı optimize etmek için araştırma ve test süreci sadece dünya çapında bir avuç araştırmacı tarafından yapılmıştır1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 . Yakın zamana kadar, Brigham Young Üniversitesi’ndeki araştırmacılar, ihtiyaç duyulan verileri toplamak için tek, büyük, pahalı bir tuzak sistemine güveniyorlardı ve bu da test etme ve toplama sürecinin yavaş olmasına neden oluyordu1,7. Bununla birlikte, 20181’de optik tuzak ekranlarını 3D görselleştirme için bir çözüm olarak sunduğundan beri, her yaş grubundan ve çeşitli kıtalardan bireyler araştırmaya katılma arzusunu dile getirdi. OTD’lere olan ilgi nedeniyle, araştırmacılar tüm ilgili tarafların araştırma sürecine katılmasına izin vermenin bir yolunu bulmak istediler. Kiriş ayırıcılar ve galvanometreler içeren önceki nesil fotoforetik yakalama makineleri, seri üretim ve kitle kaynağı için çok pahalı ve zaman alıcıydı1,6, bu nedenle farklı bir çözüme ihtiyaç vardı.
İlgili tüm tarafların araştırmaya katılmasına ve yukarıda belirtilen tüm önemli parametreler için hızlı bir şekilde test etmesine ve veri toplamasına olanak tanıyan yeni bir minyatür fotoforetik yakalama teçhizatı geliştirilmiştir. Bir 3D yazıcıya ve lazer kesiciye erişimi olan herkes tarafından hızla üretilebilirler. Bu tasarım, maliyeti ve karmaşıklığı en aza indirmeye, riski azaltmaya ve otomasyonu, ara bağlantıyı ve esnekliği en üst düzeye çıkarmaya çalışır (Şekil 1). Yeni sondaj makinesi, fotoforetik yakalama için mümkün olan en basit optik kurulumu kullanır: tek bir lazer ve lens10. Küçük makinelerin kurulumu tamamlandıktan sonra kullanımı kolaydır ve saatte yaklaşık 250 deneme hızında test yapabilir.
Bu teçhizatlardan gelecekteki vatandaş bilim adamlarının ve araştırmacıların testlerinden toplanan veriler, tuzak parametrelerinin ve bireysel tuzakların optimizasyonuna izin vererek 3D görselleştirme kullanımında fotoforetik yakalamanın geliştirilmesine önemli ölçüde yardımcı olacaktır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Mevcut protokol, bindirme makinesinin otomatik çalışması için kritik öneme sahip birkaç temel adım içermektedir. İlk olarak, elektromıknatıs belirtilen devre aracılığıyla mikrodenetleyici kartına uygun şekilde bağlanmalıdır. Elektromıknatıs olmadan, minyatür test donanımının toplam faydası kaybolur. Elektromıknatıs, konsol platformundaki parçacık rezervuarını lazerin yoluna yükselterek her yakalama girişimini kontrol eder. Her tuzak girişimi, platformu yükseltmek ve alçaltmak için başka bir döngüdür.
Kamera yalnızca protokolde açıklandığı gibi adım 4.2’de kullanılır, ancak bu seçenek için kritik öneme sahiptir. Adım 4.2, bir parçacığın sıkışıp kalmadığını algılamak için bir kamera gerektirir ve birden fazla makineden veri toplanmasına izin verir. Kamera doğru şekilde takılmazsa makine herhangi bir yakalama girişiminde bulunamaz.
Üçüncü ve en kritik adım olan adım 5.2.1, lazeri hizalamak ve odaklamaktır. Lens, odak noktası elektromıknatıs üzerinde oluşacak şekilde yerleştirilmelidir. Konsollu platform, elektromıknatıs üzerindeki odak noktasından geçecek ve parçacıkların yakalanmasına izin verecektir. Odak noktasının elektromıknatısın ortasının üzerinde ortalanmadığını varsayalım. Bu durumda, parçacıkları taşıyan konsol platformunun tuzaklar oluşturmak için odak noktasından geçmesini sağlamak zorlaşır. Bu, tuzakların eksikliğine yol açabilir. Platformun elektromıknatıs üzerinde yükseltilmesi de önemlidir, böylece lazer yolu platforma sürekli temas etmez. Bu, kameranın yanlış pozitifleri bildirmesine neden olabilir. Odak noktasının konumunu daha kolay ayarlamak için, makinenin kurulumunda optik bir ray kullanılması önerilir; bu, kullanıcıların odak noktasını doğru konumlandırmak için lens tutucuyu kolayca geriye veya ileriye doğru kaydırmalarını sağlar. Lazer ve test tüpü/konsol parçası, makine uygun şekilde inşa edilmişse zaten hizalanmıştır; optik rayın kullanılması, lensin diğer parçalarla aynı hizada kalmasını sağlayacaktır.
Protokol’de iki ayrı seçenek ayrıntılı olarak açıklanmıştır, adım 4.1 ve adım 4.2. İlk seçenek olan adım 4.1, minyatür kılavuz çekme makinesini çalıştırmanın orijinal basit yoludur. Bu seçenek, bir kamera sistemi yerine parçacıkları algılamak için insan gözüne dayanır. Bu seçenek, daha küçük veri kümelerini hızlı bir şekilde toplamak veya canlı bir gösterimin istendiği durumlarda en iyisidir. İlk seçenek, ikinci seçenek oluşturulmadan önce ilk iki deney sırasında kullanılmıştır. İkinci seçenek olan adım 4.2, otomatik algılama ve yakalama için bir kamera kullanır ve binlerce testin herhangi bir insan gözetimi olmadan çalıştırılmasına ve bir veritabanına girilmesine izin verir. Kameranın doğruluğu tam test koşuluna bağlıdır; Bazı daha yansıtıcı malzemeler, test edildiğinde, insan tespiti ile yapılan benzer testlere kıyasla daha az doğru bir yakalama oranına sahip gibi görünüyordu. Bununla birlikte, kameranın doğruluğunu artırmak için kamera komut dosyasındaki birkaç parametre değiştirilebilir. Kameranın tam doğruluğu geliştirilebilecek bir şeydir, ancak minyatür makineler ilk test için tasarlandığı için önemli bir endişe kaynağı değildir. İkinci seçenek, tek bir mikrodenetleyici kartından iki test donanımını çalıştırmak için kolayca değiştirilebilir; Bu değişikliğin ayrıntıları Ek Dosya 7’de yer almaktadır.
Mevcut çalışma, makine öğrenimi yoluyla daha kesin ve tutarlı bir otomatik tuzak algılama biçimi geliştiriyor. Bu yeni makine öğrenimi algılama sistemi, tamamlandığında, sıkışmış parçacıkları çok daha yüksek bir doğruluk oranıyla (% 95’in üzerinde) daha iyi tespit etmek için evrişimli sinir ağlarını kullanacak ve bu tür minyatür test donanımlarının fotoforetik tuzak ekran araştırmasının geleceği üzerindeki kullanımını ve etkisini daha da güçlendirecektir.
Mevcut temel formunda, minyatür yakalama teçhizatı birkaç şekilde sınırlıdır. Bu minyatür makineler, bir tuzak oluştuktan sonra parçacığı tarayarak gerçek OTD’ler oluşturamaz. Tasarım ayrıca, OTD’lerin oluşturulmasında gelecekte kullanılmak üzere tarayıcıların eklenme olasılığını da sınırlar. Tasarımın bir başka sınırlaması, belirli bir testin gerçekleşmesi için ek bileşenlere duyulan ihtiyaçtır. Örneğin, lazer güç testi sırasında farklı optik çıkış güç seviyelerinde veri kümelerini toplamak için değişken bir optik zayıflatıcı kullanılmıştır. Benzer şekilde, bir araştırmacı gelecekteki bir testte lazer dalga boyunu test etmek isterse, bu çalışmada kullanılan lazere ek olarak, farklı dalga boylarına sahip karşılaştırılabilir optik güce sahip birkaç lazere ihtiyaç duyacaktır. Makine büyük olasılıkla her lazeri tutmak için ek modifikasyonlar gerektirecektir, bu işlem böyle bir testin yapılabileceği hızı sınırlayacaktır, ancak yine de mümkün olacaktır. Bu tasarım aynı zamanda her lens için yeni bir lens tutucuyu 3D yazdırma ihtiyacıyla da belirlenir. Tasarım ve uygulama ayrıca, sıkışmanın meydana gelebileceği bölgeler oluşturmak için küresel sapma üreten küresel bikonveks lenslerle sınırlıdır.
İleriye dönük olarak, gelecekteki uygulamalar fotoforetik yakalama parametrelerinin sürekli test edilmesini ve optimizasyonunu içermektedir. Yukarıda kısaca belirtildiği gibi, minyatür yakalama makinesi, y ekseni ve x ekseni kontrolü için tarayıcılar eklenerek kolayca temel bir ucuz OTD sistemine dönüştürülebilir. Minyatür yakalama makinesinde kullanılan elektromıknatıs kontrollü parçacık dağıtımı, gelecekteki gelişmiş OTD sistemlerinde de uygulanabilir.
Minyatür yakalama teçhizatı, bu araştırma alanında nihayetinde benzersiz ve farklıdır, çünkü ucuz ve hızlı bir şekilde üretilebilir ve hızlı bir şekilde seri teste izin verir. Bu sondaj makinelerinin, fotoforetik yakalama parametrelerinin ilk testi ve optimizasyonu için tasarlanmış yalın sistemler olması amaçlanmıştır. Tek bir makine, saatte ~250 deneme hızında test yapabilir. Diğer birçok fotoforetik yakalama sistemi veya sondaj makinesi, daha iyi otomatik sistemlere sahip olmak veya başarılı bir tuzaktan sonra görüntü oluşturmak için parçacığı tarayarak daha fazlasını başarmak için geliştirilmiştir1,8. Bu minyatür yakalama sistemleri, bu tür sistemlerin kullanımının yerini almak için tasarlanmamıştır. Araştırmacılara iyi fotoforetik tuzaklama için neyin yapıldığını daha iyi anlamalarını sağlamak için fotoforetik tuzaklama parametrelerini ve koşullarını hızlı bir şekilde test etmeleri amaçlanmıştır. Minyatür tuzak teçhizatı, fotoforetik tuzak araştırmalarını demokratikleştirecek ve bu araştırma alanında yeni bir Edison deneyi ve ilerlemesi dalgasına izin verecektir.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar, Ulusal Bilim Vakfı’nın finansal desteğini minnetle kabul ediyor. NSF Ödülü 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).
