Summary
Ce travail décrit et caractérise la fabrication de plates-formes de piégeage photophorétiques automatiques miniatures.
Abstract
Cet article présente un banc d’essai de piège photophorétique automatisé, compatible avec les fabrications rapides, pour permettre la démocratisation et le crowdsourcing de la recherche sur les affichages volumétriques. La plate-forme peut être construite en 2 h à l’aide d’une découpeuse laser, d’une imprimante 3 dimensions (3D) et d’outils à main courants. Dans sa forme actuelle, la plate-forme peut être utilisée pour tester les paramètres critiques suivants: type de particule, type de piège, ouverture numérique et débit d’air à une vitesse d’environ 250 échantillons par heure. Avec des modifications mineures, la plate-forme peut être conçue pour tester un ensemble encore plus grand de paramètres, tels que la puissance laser et la longueur d’onde laser, en fonction des besoins de l’utilisateur. La plate-forme peut utiliser la vision industrielle pour la capture et l’analyse automatisées des données. Le fonctionnement et la construction du banc d’essai sont décrits avec des étapes concises et faciles à suivre. Les résultats d’une « ferme » de banc d’essai à quatre unités couvrant les paramètres de puissance et de type de particules sont rapportés. Cette plateforme élargira la portée et la composition des paramètres d’affichage des pièges optiques et des chercheurs grâce à l’accessibilité et à la démocratisation.
Introduction
L’affichage par piège optique (OTD) rend possible les géométries d’affichage vues dans la science-fiction. Il opère en piégeant une particule par photophérèse et en éclairant la particule1,2,3,4. Ensuite, faire glisser cette particule dans l’espace forme une image dans l’air que le spectateur perçoit comme continue selon la persistance de la vision5. Cette technologie 3D sans écran lui permet d’afficher des géométries telles que des projections à longue focale, de hautes tables de sable et des affichages enveloppants1. Ces géométries sont particulièrement convaincantes car elles ne nécessitent aucun écran et créent un contenu qui peut être vu sous pratiquement tous les angles.
Des chercheurs de l’Université Brigham Young ont trouvé un premier succès dans leur système de piégeage photophorétique de première génération en utilisant un expanseur de faisceau et des scanners galvanométriques, ainsi que plusieurs miroirs et une ou plusieurs lentilles sphériques pour créer un piège photophorétique par aberration sphérique1,4. Cette plate-forme de piégeage de première génération contenait également des lasers RVB (rouge-vert-bleu) pour permettre un éclairage d’affichage coloré précis. En utilisant ce système de piégeage, les OTD sont créés en déplaçant une seule particule à travers un chemin alambiqué. Cette approche limite la taille des images à moins d’un centimètre cube et limite la complexité des images en temps réel aux wireframes et autres contenus clairsemés6,7. De plus, la mise à l’échelle de cette technologie est limitée par l’incohérence du piégeage photophorétique8. Si un seul système de pièges/particules peut être optimisé, la mise à l’échelle de l’affichage peut être réalisée en reproduisant un piège optimisé et en piégeant et en scannant de manière synchrone plusieurs particules9. Tout problème avec un seul piège sera aggravé dans un système multi-pièges, il est donc essentiel d’optimiser soigneusement les paramètres du piège et des particules.
L’optimisation d’un système individuel de piégeage nécessite des tests approfondis pour chaque paramètre du système de piégeage photophorétique7. Ces paramètres comprennent le type de particule (substance, forme, taille), la puissance laser, la longueur d’onde laser et l’ouverture numérique (distance focale, diamètre, inclinaison). Les tests et l’expérimentation par essais et erreurs pour chaque paramètre optimiseront les pièges individuels et les pièges synchrones multiples. Néanmoins, ils nécessiteront la collecte de grandes quantités de données.
Dans le passé, le processus de recherche et de test pour optimiser le piégeage photophorétique par aberration sphérique n’a été effectué que par une poignée de chercheurs à travers le monde1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 . Jusqu’à récemment, les chercheurs de l’Université Brigham Young s’appuyaient sur un système de piégeage unique, volumineux et coûteux pour collecter les données nécessaires, ce qui ralentissait le processus de test et de collecte des données1,7. Cependant, depuis l’introduction des écrans de pièges optiques comme solution pour la visualisation 3D en 20181, des individus de tous les groupes d’âge et de plusieurs continents ont exprimé le désir de participer à la recherche. En raison de l’intérêt suscité pour les OTD, les chercheurs ont voulu trouver un moyen de permettre à toutes les parties intéressées de participer au processus de recherche. Les générations précédentes de plates-formes de piégeage photophorétiques, qui contenaient des séparateurs de faisceau et des galvanomètres, étaient trop coûteuses et prenaient trop de temps pour produire en série et externaliser1,6, de sorte qu’une solution différente était nécessaire.
Une nouvelle plate-forme de piégeage photophorétique miniature a été développée, ce qui permet à toutes les parties intéressées de participer à la recherche et de tester et de recueillir rapidement des données pour tous les paramètres importants mentionnés ci-dessus. Ils peuvent être fabriqués rapidement par toute personne ayant accès à une imprimante 3D et à une découpeuse laser. Cette conception tente de minimiser les coûts et la complexité, d’atténuer les risques et de maximiser l’automatisation, l’interconnectivité et la flexibilité (Figure 1). La nouvelle plate-forme utilise la configuration optique la plus simple possible pour le piégeage photophorétique : un seul laser et une seule lentille10. Les petites plates-formes sont simples à utiliser une fois installées et peuvent être testées à une vitesse d’environ 250 tentatives par heure.
Les données recueillies à partir de ces plates-formes à partir des tests des futurs scientifiques et chercheurs citoyens aideront de manière significative à développer le piégeage photophorétique dans son utilisation pour la visualisation 3D en permettant l’optimisation des paramètres de piégeage et des pièges individuels.
Protocol
1.3D l’impression et la découpe laser des matériaux requis
- Imprimez en 3D les matériaux énumérés ci-dessous
- Imprimez le support d’objectif à l’aide d’une imprimante 3D FDM (Fused Deposition Modeling) à filament (voir Tableau des matériaux) conformément aux informations fournies dans le fichier supplémentaire 1. Ce support d’objectif est destiné à un objectif de 30 mm (diamètre) (Figure 2).
REMARQUE: Le fichier peut être facilement personnalisé pour s’adapter à d’autres objectifs. - Ensuite, imprimez la plate-forme en porte-à-faux et le support (Figure 2) (Dossier supplémentaire 2 et Dossier supplémentaire 3).
REMARQUE: Cela peut prendre ~ 2-14 h, selon le détail des impressions. Le détail des impressions ne doit pas avoir d’incidence sur le taux de piégeage si une quantité suffisante de la substance de piégeage a été placée (étape 5.3.4).
- Imprimez le support d’objectif à l’aide d’une imprimante 3D FDM (Fused Deposition Modeling) à filament (voir Tableau des matériaux) conformément aux informations fournies dans le fichier supplémentaire 1. Ce support d’objectif est destiné à un objectif de 30 mm (diamètre) (Figure 2).
- À l’aide d’une découpeuse laser 3D (voir Tableau des matériaux), découpez les pièces de la plate-forme (Figure 3) (Dossier supplémentaire 4-5).
REMARQUE: Cette coupe peut être effectuée sur n’importe quel matériau d’épaisseur d’un quart de pouce, mais le bois est le matériau recommandé. Le dossier supplémentaire 4 contient les pièces de forage requises qui tiennent sur un morceau de bois de 12 x 12. Le fichier supplémentaire 5 comprend un bouclier/bloqueur de lumière en option. - À l’aide d’un coupe-verre (voir Tableau des matériaux), coupez un tube à essai standard (~ 2,5 cm de diamètre) environ en deux de sorte que la moitié avec deux extrémités ouvertes mesure environ 6,5 cm de long.
2. Assemblage des plates-formes en bois
REMARQUE: Lors de l’assemblage de la plate-forme en bois, les instructions des étapes 2.1 à 2.5 peuvent indiquer « glisser », mais les pièces peuvent nécessiter plus de force pour être correctement positionnées et construites.
- Placez la pièce de base vers le bas avec l’emblème Y vers le haut (Figure 1A).
- Tenez les deux longues pièces latérales de chaque côté de la base pendant que le premier support laser est glissé pour placer à une extrémité et le premier support de tube à essai de l’autre côté (Figure 1B,C).
- Sur le côté, faites glisser les deux supports d’électroaimant sur le support de l’appareil photo. Assurez-vous que les supports d’aimant sont séparés d’environ 1 cm de chaque côté (Figure 1D).
- Glissez les supports magnétiques et le support de caméra comme une unité à côté du premier support de tube à essai, espacé. Par conséquent, 1 cm entre le porte-éprouvette et le premier porte-électroaimant (le bord du support de caméra au-delà du support d’électroaimant peut servir de référence pour 1 cm) (Figure 1E).
REMARQUE: Le support de caméra et le bouclier lumineux ne sont pas nécessaires pour l’utilisation principale du système de piégeage miniature, mais les deux sont recommandés pour l’uniformité de la configuration de la plate-forme.
- Glissez les supports magnétiques et le support de caméra comme une unité à côté du premier support de tube à essai, espacé. Par conséquent, 1 cm entre le porte-éprouvette et le premier porte-électroaimant (le bord du support de caméra au-delà du support d’électroaimant peut servir de référence pour 1 cm) (Figure 1E).
- Ensuite, placez le deuxième support de tube à essai après les deux supports d’électroaimant de sorte qu’il y ait environ 1 cm d’espace entre le deuxième support de tube à essai et le deuxième support d’électroaimant.
REMARQUE: Au total, entre les deux porte-éprouvettes, il y a environ 4 cm d’espace (le support de la caméra a une largeur de 4 cm, pour une référence de positionnement) (Figure 1F).- Si vous utilisez le bouclier/bloqueur de lumière en option (dossier supplémentaire 5), faites glisser le bouclier lumineux sur l’extrémité opposée des porte-éprouvettes et des porte-électroaimants du support de l’appareil photo; cela aidera à centrer et à aligner les supports de tubes à essai et d’électroaimants.
- Faites glisser le deuxième support laser en place; aucune distance exacte n’est requise. La distance recommandée est de 3-4 cm, mais cela peut devoir varier en fonction de la longueur du laser.
- Si vous le souhaitez, un rail optique (voir Tableau des matériaux) peut être glissé sous tous les supports pour aligner d’autres éléments du système de piégeage. Cela sera particulièrement utile pour aligner la lentille avec le laser et le tube à essai (Figure 1G).
- Placez l’électroaimant (voir Tableau des matériaux) dans les supports de l’électroaimant (Figure 1H).
3. Connexion du circuit avec la carte de microcontrôleur spécifiée
- Branchez un écran d’ordinateur, un clavier et une souris sur la carte du microcontrôleur (voir Tableau des matériaux). Démarrez la carte du microcontrôleur et assurez-vous que le système d’exploitation fonctionne. Aucune modification des configurations de microcontrôleur d’origine n’est requise, bien que VNC (connexion réseau virtuelle) et SSH (shell sécurisé) puissent être sélectionnés si vous le souhaitez. Cela permettrait un accès à distance au microcontrôleur.
- Construisez le circuit de commande de l’électroaimant à l’aide d’un régulateur de tension (voir tableau des matériaux), d’une planche à pain et de quelques fils (Figure 4A).
REMARQUE: Tous les numéros de broche de la carte de microcontrôleur sont les broches GPIO (entrée et sortie à usage général).- Placez le régulateur de tension dans la breadboard de sorte que chaque broche soit dans une rangée différente pour permettre une utilisation correcte.
- Câblez la broche d’entrée du régulateur de tension à l’une des broches d’alimentation 5V de la carte du microcontrôleur.
- Câblez la broche de réglage du régulateur de tension à GPIO 23 sur la carte du microcontrôleur.
- Connectez le fil d’entrée de l’électroaimant à la broche de sortie du régulateur de tension. Ensuite, connectez le fil de sortie de l’électroaimant à une broche de terre sur le microcontrôleur; ceci est mieux réalisé lorsque vous utilisez une autre rangée dans la planche à pain pour connecter les deux à l’aide d’un fil supplémentaire.
4. Téléchargement du code d’exploitation du système
REMARQUE: Pour télécharger le code, l’étape 4.1 ou l’étape 4.2 doit être suivie. L’étape 4.1 fournit des instructions pour la version simple du code qui n’utilise pas de caméra. L’étape 4.2 fournit des instructions pour la version qui utilise une caméra.
- Effectuez les étapes conformément aux instructions fournies dans le fichier supplémentaire 6.
- Ouvrez le terminal et accédez à l’emplacement pour stocker les fichiers nécessaires. Créez un nouveau répertoire sur la carte du microcontrôleur en tapant la commande de terminal 'mkdir' suivie du nom de répertoire souhaité. Ce répertoire sera utilisé pour stocker les fichiers permettant d’exécuter la plate-forme d’interruption.
- Insérez le fichier supplémentaire 6 dans le nouveau répertoire. Reportez-vous à la section Lisez-moi au début du fichier pour plus de détails. Après avoir modifié le numéro de test à la quantité souhaitée, le programme est prêt à s’exécuter.
Remarque : Ce fichier contient une variable nécessaire appelée num_tries qui contrôle le nombre de tests à effectuer en une seule exécution. Ce fichier comprend toujours quelques pauses, qui peuvent être raccourcies pour des tests plus rapides.
- Exécutez et affichez SQLite sur la carte du microcontrôleur en suivant les étapes ci-dessous. Cela nécessite le dossier supplémentaire 7-11 et une caméra et l’expertise pertinente.
- Installez les bibliothèques de base de données nécessaires sur la carte du microcontrôleur en tapant dans le terminal 'Sudo apt-get install SQLite browser' et 'Sudo apt-get install sqlite3'. Cela permettra à la carte du microcontrôleur de stocker automatiquement toutes les données des tests à l’aide du fichier supplémentaire 9.
- Enregistrez le fichier supplémentaire 11, le script de la caméra tel qu’main.py sur la caméra. Cela peut être fait via un explorateur de fichiers ou l’environnement de développement intégré (IDE) développé pour la caméra (voir Tableau des matériaux).
REMARQUE: IDE est recommandé car il permet aux utilisateurs de voir la sortie de l’appareil photo, ce qui aide à s’assurer que l’appareil photo fait la mise au point correctement. - Connectez la caméra à la carte du microcontrôleur. Utilisez 4 broches, y compris la broche de terre de l’appareil photo. Connectez la broche de terre à la terre de la carte du microcontrôleur. Les broches suivantes doivent correspondre comme mentionné ci-dessous:
- Connecter la broche 8 de la caméra au GPIO 19 : cette broche renvoie les résultats de chaque piège au pi.
- Connecter la broche 9 de l’appareil photo au GPIO 17 : cette broche permet à l’appareil photo de commencer la recherche.
- Connecter la broche 7 de l’appareil photo au GPIO 5 : il s’agit de la broche d’état de l’appareil photo.
- Créez un répertoire pour stocker tous les fichiers. Après avoir créé ce répertoire, enregistrez les fichiers comme indiqué dans le fichier supplémentaire 7-10 dans le répertoire; renommez-les lisez-moi.txt, main.py, electromagnet.py et test_insert.py, respectivement.
- Lisez le fichier supplémentaire 7 (Lisez-moi.txt).
Remarque : Le fichier Lisez-moi donne une bonne explication de ce que fait chaque fichier et les modifications qui peuvent être nécessaires sur chaque fichier, telles que le chemin d’accès au répertoire de la base de données. - Ouvrez la visionneuse de base de données installée à l’étape 4.2.1. Cliquez sur le bouton Nouvelle base de données et enregistrez la base de données dans le même répertoire que les autres fichiers. La nouvelle base de données doit correspondre au nom du fichier de base de données trouvé dans test_insert.py.
- À l’intérieur de la base de données, créez une table à l’intérieur de la nouvelle base de données pour enregistrer les données. La base de données comporte 5 champs, parameter_type, trapped, testname, testnum et rigID.
REMARQUE: Les sections du tableau doivent être précises comme spécifié ou d’autres modifications devront être apportées dans Main.py et test_insert.py.
5. Préparations aux tests
- Préparez l’objectif en le plaçant à l’intérieur du porte-lentille. Assurez-vous que la lentille reste à l’intérieur du support pendant le test. Un peu de colle chaude pourrait être nécessaire ici.
REMARQUE: La plate-forme nécessite l’utilisation d’un bi-convexe sphérique pour assurer la bonne formation des régions de piégeage. - Après avoir préparé la lentille (étape 5.1), placez le support de lentille sur le rail optique et le laser (voir Tableau des matériaux) dans le support laser.
REMARQUE: Le laser suggéré dans la liste des matériaux ne nécessite aucun étalonnage avant utilisation. Les lunettes de sécurité doivent être portées chaque fois que le laser est utilisé.- À l’aide de la lentille et du laser ou d’une autre source de lumière, trouvez le point focal du laser et faites glisser le support de lentille le long du rail optique jusqu’à ce que le point focal soit centré sur l’électroaimant.
REMARQUE: Cette étape est essentielle pour le piégeage; si le point focal n’est pas centré sur l’électroaimant, la plate-forme en porte-à-faux ne soulèvera pas de particules dans le point focal. - Marquez ce point avec un crayon sur la base en bois pour référence future.
REMARQUE: Chaque objectif est déjà livré avec une mesure de distance focale, mais ces mesures ne sont pas toujours correctes.
- À l’aide de la lentille et du laser ou d’une autre source de lumière, trouvez le point focal du laser et faites glisser le support de lentille le long du rail optique jusqu’à ce que le point focal soit centré sur l’électroaimant.
- Préparer la citation de piégeage
- Assurez-vous que le laser est correctement éteint à nouveau.
- À l’aide d’un pistolet à colle chaude, collez un petit aimant à bouton (voir Tableau des matériaux) de la même polarité que l’électroaimant sur la surface plane de la plate-forme afin que l’électroaimant repousse la plate-forme.
REMARQUE: La polarité des aimants doit être adaptée de manière appropriée afin que la plate-forme soit repoussée par l’électroaimant, poussant les particules dans le faisceau du laser afin que le piégeage puisse se produire. - Prenez la plate-forme en forme de porte-à-faux imprimée en 3D et recouvrez la plate-forme d’une feuille d’aluminium noire, ce qui protège la plate-forme de la fusion.
REMARQUE: Une feuille ordinaire peut être utilisée, mais elle provoque trop d’éblouissement pour que le système de caméra soit utilisé. Essayez d’utiliser le ruban adhésif noir (voir Tableau des matériaux), qui fonctionne bien avec l’appareil photo (Figure 5A). Le papier d’aluminium est recommandé car il peut être facilement remplacé pour tester d’autres substances, mais des produits similaires peuvent être utilisés si vous le souhaitez. - Après avoir recouvert la plate-forme avec la feuille d’aluminium, placez le type de particule sélectionné choisi par l’utilisateur pour le test sur le côté incliné de la plate-forme (voir tableau des matériaux pour les options de type de particule ou voir figure 6A).
- Insérez doucement les bras en porte-à-faux dans le support circulaire afin que le côté de l’aimant soit orienté vers l’extérieur. Insérez ensuite doucement le tube à essai dans le même support. Si cela a été fait correctement, l’aimant touchera presque le verre (Figure 5B).
- Placez le tube à essai sur les supports de tube à essai de sorte que la plate-forme soit centrée sur l’électroaimant. Si l’aimant a été correctement fixé à la plate-forme en porte-à-faux, le porte-à-faux doit sembler être en position ascendante repoussé par l’électroaimant.
- Placez la caméra dans le support de la caméra pour capturer les pièges qui se produisent au-dessus / autour de la plate-forme. Vérifiez ensuite tous les autres positionnements (Figure 1I-J).
6. Début du test
REMARQUE: Pour les tests, l’étape 6.1 ou l’étape 6.2 doit être suivie.
- Si vous utilisez les instructions de l’étape 4.1, appuyez sur Démarrer dans le fichier ou démarrez le fichier normalement à partir du terminal.
- Si vous utilisez les instructions de l’étape 4.2, commencez ce test à partir du terminal avec les paramètres mentionnés ci-dessous.
- À l’aide des commandes terminales, exécutez le système de fichiers une fois dans le répertoire approprié avec la commande « python3 main.py test_num parameter_type exact_parameter ». Le fichier main.py est fourni dans le dossier supplémentaire 8.
- Remplacez le test_num par le nombre de tests souhaité. Remplacez le Parameter_type par le type de paramètre sur lequel le test est ciblé.
REMARQUE: Par exemple, si des tests étaient effectués pour déterminer quel laser alimenté est le meilleur, Parameter_type serait remplacé par laser_power et le exact_parameter serait remplacé par la puissance de sortie optique du laser actuel.
Representative Results
Le principal résultat obtenu en suivant le protocole ci-dessus est la création d’une plate-forme de piégeage photophorétique miniature, qui peut rapidement tester divers paramètres. Jusqu’à présent, ces plates-formes ont été utilisées pour tester deux paramètres critiques, la puissance laser et le type de particules. Le fonctionnement parallèle de plusieurs plates-formes miniatures a permis aux chercheurs de collecter des données avec des échantillons de taille beaucoup plus grande dans un laps de temps beaucoup plus rapide.
Le premier test, effectué lors du développement du protocole ci-dessus, était un test de puissance laser. Un seul engin miniature a été utilisé lors de cet essai, sans le système de détection par caméra, car il n’avait pas encore été développé; au lieu de cela, l’étape 4.1 du protocole a été utilisée. Cela nécessitait la présence d’un chercheur pour la collecte de données de toutes les détections de pièges. L’objectif de ce test était de déterminer la puissance de sortie laser idéale pour le piégeage. En plaçant un atténuateur optique (filtre à densité neutre variable) entre le laser et la lentille sur la plate-forme, la puissance optique du laser a été modifiée. La figure 7 montre les résultats de cette expérience. Une puissance de sortie optique élevée correspondait à un taux de piégeage plus élevé. Le laser à pleine puissance avait le taux de piégeage enregistré le plus élevé pour ce test. Cependant, ce test a été limité à un laser avec une puissance optique maximale d’environ 120 mW.
Le deuxième essai consistait à déterminer quel matériau ou quelle substance aurait le taux de piégeage le plus élevé. Ce test a été réalisé à l’aide d’un banc d’essai miniature singulier sans le système de détection par caméra. Dix particules différentes ont été testées avec une taille d’échantillon de 100 tentatives pour chaque particule (toutes les substances testées peuvent être trouvées dans le tableau des matériaux avec leurs descriptions). La taille de l’échantillon a été limitée à 100 en raison de la nécessité pour un chercheur de surveiller chaque tentative de collecte de données. Toutes les données nécessaires ont été collectées en deux jours ouvrables. La figure 6A montre les résultats de l’essai du type de particule. Sur les 10 types de matériaux/particules testés, il a été constaté que les nanoparticules de diamant (55-75%) et le toner d’imprimante étaient les deux meilleurs types de particules avec des taux de 14% et 10%, respectivement (tableau 1).
Après les deux premiers tests, les chercheurs se sont sentis limités à une plate-forme unique qui nécessitait une surveillance active pendant les tests; cela a conduit à l’étape 4.2 décrite dans le protocole. Cette option comprend un système de détection par caméra, qui permet aux utilisateurs d’exécuter plusieurs bancs d’essai miniatures à la fois et ne nécessite pas la présence d’un utilisateur pour les tests.
Pour tester ce nouveau système de caméra, un nouveau test modifié du test de type particule a été effectué. Seuls quelques types de particules différents ont été sélectionnés parmi les 10 utilisés initialement pour être testés à nouveau pour ce nouveau test de type de particules. Les particules sélectionnées ont fait l’objet d’une nouvelle série de tests. À l’aide d’une « ferme » de banc d’essai de quatre bancs d’essai miniatures, chacune des particules sélectionnées avait une taille d’échantillon d’essai totale de 4 000 tentatives. Une fois de plus, toutes les données nécessaires ont été recueillies en deux jours ouvrables complets (tableau 2). L’objectif principal de ce nouveau test de type particule était de tester le nouveau système de caméra. Ce test a permis de comparer les résultats du test initial de type particule, avec un chercheur signalant les pièges, aux résultats du système de détection par caméra. Les résultats des tests étaient légèrement différents des tests initiaux, mais toujours comparables (figure 6B). Le meilleur type de particule du test initial, les nanoparticules de diamant 55-75%, était toujours le meilleur dans le nouveau test, mais avait un taux de piégeage légèrement inférieur à celui d’avant. La différence dans les résultats est probablement due à une plus grande taille d’échantillon et à un système de détection de caméra imparfait. Bien que les résultats de ce test de particules aient été légèrement différents de ceux attendus, lors du test d’autres paramètres où le matériau reste constant, tels que la puissance laser ou la distance focale de l’objectif, les résultats recueillis par le script de la caméra seront fiables.
Les résultats des trois tests effectués sont relatifs aux plates-formes sur lesquelles ils ont été effectués, mais les tendances trouvées dans les données s’avéreront vraies lorsqu’elles seront testées sur d’autres bancs d’essai photophorétiques plus précis. Les bancs d’essai miniatures ne sont pas destinés à remplacer entièrement d’autres bancs d’essai. Pourtant, ils sont destinés à permettre aux chercheurs d’explorer tous les paramètres et possibilités rapidement et efficacement dans les tests edisoniens (essais et erreurs) pour trouver des tendances et des découvertes pour des recherches ultérieures sur des plates-formes plus précises.
Figure 1 : Progression de la plate-forme avec le banc d’essai photophorétique miniature terminé. La figure correspond à l’étape 2 et à ses sous-étapes. (A) Affiche l’étape 2.1. (B) Illustre l’étape 2.2, la base avec les deux côtés longs. (C) Montre l’étape 2.2, le cadre de la plate-forme, une base des deux côtés et le premier support laser et porte-tube à essai. (D) L’étape 2.3 montre le support de caméra combiné avec les deux supports d’électroaimant. (E) L’étape 2.3.1 offre la combinaison des figures 1C, D. (F) Étape 2.4, le deuxième porte-éprouvette et le deuxième support laser ont été ajoutés. (G) Le bouclier lumineux et le rail optique en option ont été ajoutés. (H) L’électroaimant est placé dans son support. (I) Le laser et le tube à essai ont été placés dans leurs supports. (J) Cela montre l’ensemble du test terminé tig sans la source d’alimentation de la carte de microcontrôleur. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 2 : Pièces imprimées en 3D. Cette figure comprend le support de lentille, le support de plate-forme circulaire et la plate-forme en porte-à-faux. La conception du support d’objectif imprimé en 3D se trouve dans le fichier supplémentaire 1. Ce support d’objectif, lorsqu’il est imprimé, est destiné à un objectif de 30 mm de diamètre. Le dossier supplémentaire 2-3 contient les conceptions du support de la plate-forme et de la plate-forme. Le support de plate-forme a quatre ensembles que la plate-forme peut utiliser, mais pour que la plate-forme fonctionne comme prévu, la plate-forme doit utiliser les trous indiqués dans la figure. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 3 : Pièces découpées au laser étiquetées. Cette figure étiquette les pièces du fichier supplémentaire 4, qui contient le fichier de toutes les pièces découpées au laser, à l’exception du bouclier lumineux facultatif. Après l’impression, il devrait y avoir 1 base, 2 côtés, 2 supports laser, 2 porte-tubes à essai, 2 supports d’électroaimant et 2 supports de caméra (un seul est nécessaire). Le bouclier lumineux en option se trouve dans le fichier supplémentaire 5. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 4: Régulateur de tension et circuit électroaimant. (A) Pour référence, lors de la construction du circuit. Le régulateur de tension a 3 broches, un réglage, une entrée et une sortie. (B) Cette figure montre le circuit terminé décrit à l’étape 3. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 5 : Préparations de la plate-forme et piège à éprouvette cite. (A) Avant que les essais puissent être effectués, la plate-forme doit être préparée. Le réservoir de particules où le laser brillera pour capter les particules sera placé sur la plate-forme immédiatement avant le test. Une feuille d’aluminium noire doit être placée sur la plate-forme avant les particules. Cela empêche le laser de fondre à travers la plate-forme. (B) Pendant l’essai, le piégeage réel des particules se produit à l’intérieur du tube à essai, assurant un mouvement automatique constant de la plate-forme pour chaque tentative de piège. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 6 : Essai de type de particule (manuel) et (caméra). (A) Un test de 10 particules différentes a été effectué pour trouver la particule ayant le meilleur taux de piégeage. B) Un deuxième essai de type particule a été effectué à l’aide d’un système de détection par caméra. Seules 4 des 10 particules d’origine ont été testées. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 7 : Résultats des tests de puissance laser. Le taux de piégeage pour différents niveaux de puissance laser a été mesuré lors du test de puissance laser. Les puissances supérieures produisaient des taux de piégeage plus élevés. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
| Liqueur noire (poudre) | Black Liquor (pâte) | Tungstène (12 microns) | Tungstène (1-5 microns) | Poudre d’aluminium | Toner d’imprimante | Graphite | Nanoparticules de diamant (95 %) | Nanoparticules de diamant (55-75%) | Nigrosine | ||
| 1 | 2 | 2 | 1 | 0 | 3 | 2 | 1 | 5 | 2 | ||
| 1 | 3 | 2 | 0 | 1 | 2 | 1 | 2 | 3 | 1 | ||
| 2 | 1 | 1 | 1 | 0 | 3 | 1 | 1 | 3 | 1 | ||
| 2 | 1 | 0 | 2 | 0 | 2 | 0 | 1 | 3 | 0 | ||
| 6 | 7 | 5 | 4 | 1 | 10 | 4 | 5 | 14 | 4 | ||
| 6.00% | 7.00% | 5.00% | 4.00% | 1.00% | 10.00% | 4.00% | 5.00% | 14.00% | 4.00% | ||
Tableau 1 : Résultats de l’essai du type de particule qui aurait le meilleur taux de piégeage. La taille totale de l’échantillon de 100 tentatives a été effectuée en 4 séries de 25 pour chaque matériau.
| Pâte de liqueur noire | Nanoparticules de diamant 55-75% | Graphite | Tungstène (12 microns) |
| 2.10% | 11.70% | 10.60% | 6.40% |
Tableau 2 : Résultats de l’essai de type particule effectué à l’aide d’un système de détection par caméra. Données collectées à partir de la base de données SQLite. Les données ont été compilées initialement en 4 séries de 1000 pour une taille d’échantillon de 4000 par matériau. Les enregistrements individuels pour chaque ensemble n’ont pas été compilés à partir de SQLite; seuls les pourcentages totaux ont été compilés.
Fichier supplémentaire 1 : File_1-Lens Holder.stl. Celui-ci contient le fichier d’impression 3D pour le support d’objectif (voir Figure 2). Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.
Fichier supplémentaire 2 : File_2-Platform.stl. Celui-ci contient le fichier d’impression 3D pour la plate-forme en porte-à-faux (voir Figure 2). Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.
Fichier supplémentaire 3 : File_3-Platform Holder.stl. Celui-ci contient le fichier d’impression 3D pour le support de plate-forme (voir Figure 2). Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.
Dossier supplémentaire 4 : File_4-Rig Pieces.odg. Celui-ci contient le fichier de découpe laser pour les pièces de l’engin (voir Figure 1 et Figure 3). Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.
Fichier supplémentaire 5: File_5-Light Shield.odg. Celui-ci contient le fichier de découpe laser pour le bouclier/bloqueur de lumière en option. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.
Dossier supplémentaire 6 : File_6-Opt1.system.py. Il contient le code entier pour l’utilisation de l’instruction de l’étape 4.1. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.
Dossier supplémentaire 7: File_7-Opt2.Lisez-moi.txt. Celui-ci contient le fichier Readme avec quelques détails pour les fichiers supplémentaires 8-11. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.
Dossier supplémentaire 8 : File_8-Opt2.main.py. Il contient le script principal des instructions de l’étape 4.2. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.
Dossier supplémentaire 9 : File_9-Opt2.electromagnet.py. Il contient le script de l’étape 4.2 qui contrôle l’électroaimant. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.
Dossier supplémentaire 10 : File_10-Opt2.test_insert.py. Il contient le script de l’étape 4.2 qui télécharge automatiquement les données dans la base de données. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.
Dossier supplémentaire 11 : File_11-Opt2.camera_controller.py. Il contient le script qui doit être téléchargé sur la caméra au cours de l’étape 4.2.2. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.
Discussion
Le présent protocole contient plusieurs étapes essentielles qui sont essentielles au fonctionnement automatique de la plate-forme de piégeage. Tout d’abord, l’électroaimant doit être correctement fixé à la carte du microcontrôleur via le circuit spécifié. Sans l’électroaimant, l’utilité totale du banc d’essai miniature est perdue. L’électroaimant contrôle chaque tentative de piégeage en soulevant le réservoir de particules sur la plate-forme en porte-à-faux jusqu’à la trajectoire du laser. Chaque tentative de piège est un autre cycle de levage et d’abaissement de la plate-forme.
La caméra n’est utilisée qu’à l’étape 4.2 comme décrit dans le protocole, mais elle est essentielle pour cette option. L’étape 4.2 nécessite une caméra pour détecter si une particule a été piégée, ce qui permet la collecte de données à partir de plusieurs plates-formes. Si la caméra n’est pas correctement fixée, la plate-forme ne pourra tenter aucun piégeage.
La troisième étape, la plus critique, l’étape 5.2.1, consiste à aligner et à focaliser le laser. La lentille doit être placée de manière à ce que le point focal se produise au-dessus de l’électroaimant. La plate-forme en porte-à-faux passera par le point focal au-dessus de l’électroaimant, permettant aux particules de se piéger. Supposons que le point focal ne soit pas centré au-dessus du milieu de l’électroaimant. Dans ce cas, il devient difficile de s’assurer que la plate-forme en porte-à-faux transportant des particules passera par le point focal pour créer des pièges. Cela peut conduire à un manque de pièges. Il est également essentiel que la plate-forme soit surélevée au-dessus de l’électroaimant afin que le trajet laser ne soit pas constamment en contact avec la plate-forme. Cela peut amener la caméra à signaler des faux positifs. Pour ajuster plus facilement l’emplacement du point focal, il est suggéré d’utiliser un rail optique dans la configuration de la plate-forme; cela permettra aux utilisateurs de faire glisser facilement le support d’objectif vers l’arrière ou vers l’avant pour positionner correctement le point focal. Le laser et la partie tube à essai/porte-à-faux sont déjà alignés si la plate-forme a été construite de manière appropriée; l’utilisation du rail optique maintiendra la lentille alignée avec les autres parties.
Deux options distinctes sont détaillées dans le Protocole, les étapes 4.1 et 4.2. La première option, l’étape 4.1, est le moyen simple d’origine d’exécuter la plate-forme de taraudage miniature. Cette option repose sur l’œil humain pour détecter les particules au lieu d’un système de caméra. Cette option est la meilleure pour collecter rapidement de plus petits ensembles de données ou dans des situations où une démonstration en direct est souhaitée. La première option a été utilisée lors des deux premières expériences avant la création de la deuxième option. La deuxième option, l’étape 4.2, utilise une caméra pour la détection et le piégeage automatiques, permettant d’exécuter des milliers de tests et de les entrer dans une base de données sans aucune supervision humaine. La précision de la caméra dépend de l’état de test exact; certains matériaux plus réfléchissants, lorsqu’ils ont été testés, semblaient avoir un taux de piégeage moins précis par rapport à des tests similaires effectués avec la détection humaine. Cependant, plusieurs paramètres du script de la caméra peuvent être modifiés pour augmenter la précision de la caméra. La précision exacte de la caméra peut être améliorée, mais ce n’est pas non plus une préoccupation importante car les plates-formes miniatures sont destinées aux tests initiaux. La deuxième option peut également être facilement modifiée pour exécuter deux bancs d’essai sur une seule carte de microcontrôleur; les détails de cette modification sont inclus dans le dossier supplémentaire 7.
Les travaux actuels développent une forme plus précise et cohérente de détection automatique des pièges grâce à l’apprentissage automatique. Ce nouveau système de détection d’apprentissage automatique, une fois terminé, utilisera des réseaux de neurones convolutifs pour mieux détecter les particules piégées avec un taux de précision beaucoup plus élevé (supérieur à 95%), renforçant encore l’utilisation et l’effet que ces bancs d’essai miniatures peuvent avoir sur l’avenir de la recherche sur l’affichage de pièges photophorétiques.
Dans sa forme de base actuelle, la plate-forme de piégeage miniature est limitée de plusieurs façons. Ces plates-formes miniatures sont incapables de créer des OTD réels en scannant la particule après qu’un piège se soit produit. La conception limite également la possibilité d’ajouter des scanners pour une utilisation future dans la création d’OTD. Une autre limite de la conception est la nécessité de composants supplémentaires pour qu’un test spécifique ait lieu. Par exemple, un atténuateur optique variable a été utilisé pour collecter les ensembles de données à différents niveaux de puissance de sortie optique pendant le test de puissance laser. De même, si un chercheur souhaitait tester la longueur d’onde du laser dans un test futur, il aurait besoin de plusieurs autres lasers de puissance optique comparable avec des longueurs d’onde différentes en plus du laser utilisé dans ce travail. La plate-forme nécessiterait très probablement des modifications supplémentaires pour contenir chaque laser, ce processus limiterait la vitesse à laquelle un tel test pourrait être effectué, mais ce serait toujours possible. Cette conception est également déterminée par la nécessité d’imprimer en 3D un nouveau support d’objectif pour chaque objectif. La conception et l’application sont également limitées aux lentilles biconvexes sphériques, qui produisent une aberration sphérique pour former des zones où le piégeage peut se produire.
À l’avenir, les applications futures comprennent la poursuite des tests et l’optimisation des paramètres de piégeage photophorétique. Comme mentionné brièvement ci-dessus, la plate-forme de piégeage miniature pourrait facilement être modifiée en un système OTD de base peu coûteux en ajoutant des scanners pour le contrôle de l’axe y et de l’axe x. La livraison de particules contrôlée par électroaimant utilisée dans la plate-forme de piégeage miniature pourrait également être mise en œuvre dans de futurs systèmes OTD avancés.
La plate-forme de piégeage miniature est finalement unique et distincte dans ce domaine de recherche car elle peut être fabriquée rapidement et à peu de frais, ce qui permet des tests de masse rapides. Ces plates-formes sont destinées à être des systèmes allégés conçus pour les tests initiaux et l’optimisation des paramètres de piégeage photophorétique. Une plate-forme individuelle peut tester à un rythme d’environ 250 tentatives par heure. De nombreux autres types de systèmes ou de plates-formes de piégeage photophorétique ont été développés pour avoir de meilleurs systèmes automatiques ou accomplir plus en scannant la particule pour créer une image après un piège réussi1,8. Ces systèmes de piégeage miniatures ne sont pas destinés à remplacer l’utilisation de tels systèmes. Ils sont destinés à tester rapidement les paramètres et les conditions du piégeage photophorétique pour donner aux chercheurs une meilleure compréhension de ce qui fait un bon piégeage photophorétique. La plate-forme de piégeage miniature démocratisera la recherche sur les pièges photophorétiques et permettra une nouvelle vague d’expérimentation et de progression edisoniennes dans ce domaine de recherche.
Disclosures
Les auteurs n’ont rien à divulguer.
Acknowledgments
Les auteurs remercient la National Science Foundation de leur soutien financier. Prix NSF ID-1846477.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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.
- 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. , OSA Technical Digest. paper FM4C.2 (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).
