Summary
这项工作描述并描述了微型自动光电陷印装置的制造。
Abstract
本文提出了一种自动化的、快速晶圆厂兼容的光电陷阱测试台，以实现体积显示研究的民主化和众包化。该钻机可以使用激光切割机，3D（3D）打印机和普通手动工具在2小时内建造。在目前的形式下，该钻机可用于测试以下关键参数：颗粒类型，陷阱类型，数值孔径和气流，速度约为每小时250个样品。只需稍作修改，该钻机就可以根据用户需求测试更大的参数集，例如激光功率和激光波长。钻机可以使用机器视觉进行自动数据捕获和分析。测试台的操作和构造通过简洁，易于遵循的步骤进行描述。报告了一个四单元测试台“农场”的结果，涵盖了功率和粒子类型参数。该平台将通过可访问性和民主化来拓宽光学陷阱显示参数和研究人员的范围和组成。
Introduction
光学陷阱显示器（OTD）使科幻小说中看到的显示几何形状成为可能。它通过光置换捕获粒子并照亮粒子1，2，3，4来运作。然后，在空间中拖动该粒子在空气中形成一个图像，根据视觉的持久性，观众认为该图像是连续的5。这种无屏幕 3D 技术使其能够显示几何图形，例如长焦投影、高沙桌和环绕式显示器1。这些几何形状具有独特的吸引力，因为它们不需要屏幕，并且可以创建几乎从各个角度看到的内容。
杨百翰大学的研究人员通过使用扩束镜和振镜扫描仪，以及几个镜子和一个或多个球面透镜，通过球面像差创建光电陷阱，在他们的第一代光电捕获系统中取得了初步成功1，4。这款第一代陷印装置还包含RGB（红-绿-蓝）激光器，可实现精确的彩色显示照明。使用这种捕获系统，OTD是通过在曲折的路径中移动单个粒子来创建的。这种方法将图像的大小限制在一立方厘米以下，并将实时图像的复杂性限制为线框和其他稀疏内容6，7。此外，该技术的缩放受到光电捕获不一致的限制8。如果可以优化单个陷阱/粒子系统，则可以通过复制优化的陷阱并同步捕获和扫描多个粒子来实现缩放显示9。单个捕集器的任何问题在多捕集器系统中都会复杂化，因此仔细优化捕集器和粒子参数至关重要。
单个捕集/捕集系统的优化需要对光泳捕集系统的每个参数进行广泛的测试7。这些参数包括粒子类型（物质、形状、大小）、激光功率、激光波长和数值孔径（焦距、直径、倾斜度）。通过对每个参数的试错测试和实验将优化单个陷阱和多个同步陷阱。尽管如此，它们仍需要收集大量数据。
过去，通过球面像差优化光电泳捕获的研究和测试过程仅由全球少数研究人员完成1，2，3，4，5，6，7，8，9，10.直到最近，杨百翰大学的研究人员一直依靠一个单一的、大型的、昂贵的诱捕系统来收集所需的数据，这导致测试和收集数据的过程很慢1，7。然而，自2018年推出光学陷阱显示器作为3D可视化解决方案1以来，来自几个大洲的所有年龄组的个人都表示希望参与这项研究。由于对OTD的兴趣，研究人员希望找到一种方法，让所有感兴趣的各方都参与研究过程。前几代光电泳陷印装置包含分束器和振镜，对于大规模生产和众包1，6来说过于昂贵和耗时，因此需要一种不同的解决方案。
已经开发了一种新的微型光电捕获装置，使所有感兴趣的各方都可以参与研究，并快速测试和收集上述所有重要参数的数据。任何可以使用3D打印机和激光切割机的人都可以快速制造它们。此设计旨在最大限度地降低成本和复杂性，降低风险，并最大限度地提高自动化、互连性和灵活性（图 1）。新装备采用最直接的光学设置进行光电捕获：单个激光器和透镜10。这些小型钻机一经设置即可简单使用，可以每小时约 250 次尝试的速度进行测试。
从这些钻机收集的数据来自未来公民科学家和研究人员的测试，通过允许优化捕获参数和单个陷阱，将极大地帮助开发光电陷印用于3D可视化。
Protocol
1.3D所需材料的印刷和激光切割
- 3D 打印下面列出的材料
- 根据补充文件1中提供的信息，使用灯丝FDM（熔融沉积建模）3D打印机（见材料表）打印镜头支架。此镜头支架适用于 30 mm（直径）镜头（图 2）。
注：该文件可以轻松定制，以适应其他镜头。 - 接下来，打印出悬臂平台和支架（图2）（补充文件2 和 补充文件3）。
注意：这可能需要大约2-14小时，具体取决于打印的细节。如果放置了足够的陷印物质，则打印件的细节不应影响陷印率（步骤5.3.4）。
- 根据补充文件1中提供的信息，使用灯丝FDM（熔融沉积建模）3D打印机（见材料表）打印镜头支架。此镜头支架适用于 30 mm（直径）镜头（图 2）。
- 使用3D激光切割机（见 材料表），切出钻机件（图3）（补充文件4-5）。
注意：这种切割可以在任何四分之一英寸厚度的材料上进行，但木材是推荐的材料。 补充文件 4 包含所需的钻机件，这些钻机适合 12 x 12 的木片。 补充文件 5 包括一个可选的遮光罩/阻挡器。 - 使用玻璃切割机（见 材料表），将标准试管（直径约2.5厘米）大致切成两半，使两个开口端的试管长约6.5厘米。
2. 组装木制钻机
注意：在组装木制装备时，步骤2.1-2.5中的说明可能会说“滑动”，但碎片可能需要更大的力才能正确定位和构建。
- 将底座朝下放置，Y 徽章朝上（图1A）。
- 将两个长边片固定在底座的任一侧，同时将第一个激光支架滑入一端，将第一个试管支架滑入另一端（图1B，C）。
- 向一侧，将两个电磁铁支架滑到相机支架上。确保磁体支架每侧相距约1厘米（图1D）。
- 将磁铁支架和相机支架作为一个单元滑到第一个试管支架旁边，间隔。因此，试管支架和第一个电磁铁支架之间相距1厘米（相机支架的边缘经过电磁铁支架可以作为1厘米的参考）（图1E）。
注：微型陷印系统的主要用途不需要相机支架和遮光罩，但建议使用两者，以确保钻机设置的均匀性。
- 将磁铁支架和相机支架作为一个单元滑到第一个试管支架旁边，间隔。因此，试管支架和第一个电磁铁支架之间相距1厘米（相机支架的边缘经过电磁铁支架可以作为1厘米的参考）（图1E）。
- 接下来，将第二试管支架放在两个电磁铁支架之后，以便第二个试管支架和第二个电磁铁支架之间有~1厘米的空间。
注：在两个试管支架之间，总共有约4厘米的空间（相机支架的宽度为4厘米，用于定位参考）（图1F）。- 如果使用可选的遮光罩/阻挡器（补充文件5），请将光罩滑到试管支架的另一端和相机支架上的电磁铁支架上;这将有助于将试管和电磁铁支架居中和对齐。
- 将第二个激光支架滑入到位;不需要确切的距离。建议的距离为3-4厘米，但这可能需要根据激光的长度而变化。
- 如果需要，可以在所有支架下方滑动光学导轨（参见 材料表），以对齐陷印系统的其他元件。这对于将镜头与激光和试管对齐特别有用（图1G）。
- 将电磁铁（见 材料表）放入电磁铁支架（图1H）。
3.电路与指定的微控制器板的连接
- 将计算机显示器、键盘和鼠标插入微控制器板（请参见 材料表）。启动微控制器主板并确保操作系统正常工作。不需要更改原始微控制器配置，但如果需要，可以选择 VNC（虚拟网络连接）和 SSH（安全外壳）。这将允许远程访问微控制器。
- 使用稳压器（参见 材料表）、试验板和几根导线构建电磁铁控制电路（图4A）。
注：微控制器板的所有引脚号均为GPIO（通用输入和输出）引脚。- 将稳压器放在试验板中，使每个引脚位于不同的行中，以便正确使用。
- 将稳压器的输入引脚连接到微控制器板上的一个5V电源引脚。
- 将稳压器的调节引脚连接到微控制器板上的 GPIO 23。
- 将电磁铁的输入线连接到稳压器的输出引脚。然后将电磁铁的输出导线连接到微控制器上的接地引脚;当使用试验板中的另一行使用额外的电线连接两者时，最好实现这一点。
4. 上传操作系统代码
注意：要上传代码，需要遵循步骤 4.1 或步骤 4.2。步骤 4.1 提供了不使用相机的简单版本的代码的说明。步骤 4.2 提供了使用相机的版本的说明。
- 按照 补充文件 6 中提供的说明执行这些步骤。
- 打开终端并导航到存储所需文件的位置。在微控制器板上创建一个新目录，方法是键入终端命令 “mkdir” ，后跟所需的目录名称。此目录将用于存储用于运行陷阱装备的文件。
- 将 补充文件 6 插入到新目录中。有关详细信息，请参阅文件开头部分的自述文件部分。将测试编号更改为所需数量后，程序即可运行。
注意：此文件包含一个名为 num_tries 的所需变量，该变量控制在一次运行中要执行的测试数。此文件始终包含一些暂停，可以缩短这些暂停时间以加快测试速度。
- 按照以下步骤在微控制器主板上运行并查看 SQLite。这需要 补充文件7-11 和相机以及相关的专业知识。
- 通过在终端 中键入“Sudo apt-get install SQLite浏览器”和“Sudo apt-get install sqlite3”，将所需的数据库库安装到微控制器板上。这将允许微控制器板使用 补充文件9自动存储测试中的所有数据。
- 保存 补充文件11，相机脚本作为相机上的 main.py。这可以通过文件浏览器或为相机开发的集成开发环境（IDE）来完成（请参见 材料表）。
注：建议使用IDE，因为它允许用户查看照相机的输出，这有助于确保照相机正确对焦。 - 将相机连接到微控制器板。使用 4 个引脚，包括摄像机的接地引脚。必须将接地引脚连接到微控制器板的接地。以下引脚应如下所述匹配：
- 将相机引脚 8 连接到 GPIO 19：此引脚将每个陷阱的结果发送回 pi。
- 将相机引脚 9 连接到 GPIO 17：此引脚允许相机开始搜索。
- 将相机针脚 7 连接到 GPIO 5：这是摄像机状态针脚。
- 创建一个目录来存储所有文件。创建此目录后，将 补充文件7-10 中提供的文件保存在目录中;分别重命名自述文件.txt main.py、electromagnet.py 和test_insert.py。
- 通读 补充文件 7 （自述文件.txt）。
注意：自述文件很好地解释了每个文件的功能以及每个文件可能需要的更改，例如数据库的目录路径。 - 打开在步骤 4.2.1 中安装的数据库查看器。单击“ 新建数据库 ”按钮，并将数据库保存在与其他文件相同的目录中。新数据库必须与在test_insert.py中找到的数据库文件的名称匹配。
- 在数据库内部，在新数据库中创建一个表以保存数据。该数据库有 5 个字段，parameter_type、陷印、测试名称、testnum 和 rigID。
注意：表格部分必须按照指定精确，否则需要在 Main.py 和test_insert.py中进行更多更改。
5. 考试准备
- 通过将镜头放在镜头支架内来准备镜头。确保镜头在测试期间保持在支架内。这里可能需要一些热胶水。
注：钻机需要使用球形双凸，以确保捕获区域的正确形成。 - 准备镜头（步骤5.1）后，将镜头支架放在光轨上，并将激光器（见 材料表）放在激光支架上。
注：材料列表中建议的激光器在使用前无需校准。任何时候使用激光时都必须戴安全眼镜。- 使用透镜和激光或其他光源，找到激光的焦点，并沿着光轨滑动透镜支架，直到焦点在电磁铁上居中。
注意：此步骤对于陷印至关重要。如果焦点不在电磁铁上居中，悬臂平台不会将粒子提升到焦点中。 - 在木制底座上用铅笔标记这一点，以备将来参考。
注意：每个镜头都已附带焦距测量值，但这些测量值并不总是正确的。
- 使用透镜和激光或其他光源，找到激光的焦点，并沿着光轨滑动透镜支架，直到焦点在电磁铁上居中。
- 准备诱捕引用
- 确保激光再次正确关闭。
- 使用热胶枪，将与电磁铁具有相同极性的小按钮磁铁（见 材料表）粘在平台的平坦表面上，以便电磁铁排斥平台。
注意：磁铁的极性必须适当匹配，以便平台将被电磁铁排斥，将颗粒推入激光束中，以便发生捕获。 - 采用3D打印的悬臂式平台，并用黑色铝箔涂覆平台，以保护平台不熔化。
注意：可以使用常规箔片，但会导致相机系统出现太多眩光。尝试使用黑色箔胶带（参见 材料表），该胶带可与相机配合使用（图5A）。建议使用铝箔，因为它可以很容易地更换以测试其他物质，但如果需要，可以使用类似的产品。 - 用铝箔覆盖平台后，将用户选择的用于测试的所选颗粒类型放在平台的倾斜侧（请参阅颗粒类型选项 的材料表 或参见 图6A）。
- 轻轻地将悬臂插入圆形支架，使磁铁侧朝外。然后轻轻地将试管插入同一支架。如果正确完成此操作，磁铁几乎会接触到玻璃（图5B）。
- 将试管放在试管支架上，使平台在电磁铁上居中。如果磁铁已适当地连接到悬臂平台，则悬臂应显示为处于被电磁铁排斥的向上位置。
- 将相机放在相机支架中，以捕获平台上方/周围出现的任何陷阱。然后仔细检查所有其他定位（图1I-J）。
6. 开始测试
注意：对于测试，需要遵循步骤 6.1 或步骤 6.2。
- 如果使用步骤 4.1 中的说明，请在文件中按 start 键或从终端正常启动文件。
- 如果使用步骤 4.2 中的说明，请使用下面提到的参数从终端开始此测试。
- 使用终端命令，使用命令“python3 main.py test_num parameter_type exact_parameter”在正确的目录中运行文件系统。main.py 的文件在 补充文件 8 中提供。
- 将 test_num 替换为所需的测试次数。将 Parameter_type 替换为测试所关注的参数类型。
注意：例如，如果正在进行测试以确定哪种有源激光器是最好的，Parameter_type将被laser_power取代，并且exact_parameter将被当前激光器的光输出功率所取代。
Representative Results
遵循上述协议获得的主要结果是创建一个微型光电泳陷印装置，可以快速测试各种参数。到目前为止，这些钻机已被用于测试两个关键参数，激光功率和粒子类型。多个微型钻机的并行运行使研究人员能够在更快的时间内收集样本量大得多的数据。
在开发上述协议时进行的第一个测试是激光功率测试。在这次测试中，使用了一个微型钻机，没有相机检测系统，因为它尚未开发;相反，使用了协议中的步骤4.1。这需要一名研究人员在场收集所有陷阱检测的数据。该测试的目标是确定发生捕获的理想激光功率输出。通过在设备上的激光器和透镜之间放置光学衰减器（可变中性密度滤光片），可以改变激光器的光功率。 图 7 显示了此实验的结果。高光功率输出对应于较高的捕获率。全功率激光器在该测试中具有最高的记录捕获率。然而，该测试仅限于一个激光器，最大光功率约为120 mW。
第二项测试是确定哪种材料或物质具有最高的捕获率。该测试是使用一个没有相机检测系统的单一微型测试台进行的。测试了十种不同的颗粒，每个颗粒的样本量为100次尝试（所有测试的物质都可以在 材料表 及其描述中找到）。样本数量限制为100，因为每次尝试数据收集时都需要有研究人员观察。所有必要的数据都在两个工作日内收集完毕。 图6A 显示了颗粒类型试验的结果。在测试的10种材料/颗粒类型中，发现金刚石纳米颗粒（55-75%）和打印机碳粉是两种最好的颗粒类型，分别为14%和10%（表1）。
在前两次测试之后，研究人员感到仅限于一个单一的钻机，需要在测试期间进行主动观察。这导致了协议中概述的步骤4.2。此选项包括一个相机检测系统，使用户能够一次运行多个微型测试台，并且不需要用户在场进行测试。
为了测试这种新的相机系统，对粒子类型测试进行了修改后的重新测试。从最初用于重新测试这种新粒子类型测试的10种粒子类型中仅选择了几种不同的粒子类型。选定的颗粒经过了新一轮的测试。使用由四个微型测试台组成的测试台“农场”，每个选定的颗粒的总测试样本量为4，000次尝试。同样，所有必要的数据都是在两个完整的工作日内收集的（表2）。这种粒子类型重新测试的主要目的是测试新的相机系统。该测试允许将初始粒子类型测试的结果（研究人员报告陷阱）与相机检测系统的结果进行比较。测试结果与原始测试略有不同，但仍然具有可比性（图6B）。初始测试中最好的颗粒类型，金刚石纳米颗粒55-75%，在重新测试中仍然是最好的，但确实具有比以前略低的捕获率。结果的差异很可能是由于更大的样本量和不完美的相机检测系统。虽然这个粒子测试的结果与预期的略有不同，但在测试材料保持不变的其他参数（例如激光功率或镜头焦距）时，相机脚本收集的结果将是可靠的。
所有进行的三项测试的结果都是相对于它们所执行的钻机而言的，但是当在其他更精确的光泳试验台上进行测试时，数据中发现的趋势将被证明是正确的。微型试验台并非要完全取代其他试验台。尽管如此，它们仍旨在使研究人员能够在爱迪生（试错法）测试中快速有效地探索所有参数和可能性，以找到趋势和发现，以便在更精确的钻机上进行进一步研究。
图 1：已完成的微型光泳试验台的钻机进度。 该图对应于步骤 2 及其子步骤。（A） 显示步骤 2.1。（B）演示步骤2.2，底座用两条长边。（C）显示步骤2.2，钻机的框架，带有两侧的底座，以及第一激光支架和试管支架。（D）步骤2.3显示了相机支架与两个电磁铁支架的组合。（E）步骤2.3.1提供了图1C，D.（F）步骤2.4的组合，增加了第二个试管支架和第二个激光支架。（G）增加了可选的光屏蔽和光轨。（H）将电磁铁放在其支架中。（I）激光器和试管已放置在其支架中。（J）这显示了整个完成的测试tig，没有电源的微控制器板。 请点击此处查看此图的放大版本。
图2：3D打印件。 此图中包括镜头支架、圆形平台支架和悬臂平台。3D打印镜头支架的设计可以在 补充文件1中找到。该镜头支架在打印时适用于直径为30 mm的镜头。 补充文件2-3 包含平台支架和平台的设计。平台支架有四套平台可以使用，但要使钻机按设计工作，平台应使用图中指示的孔。 请点击此处查看此图的放大版本。
图3：贴有标签的激光切割件。 此图标记了 补充文件 4 的各个部分，其中包含除可选遮光罩之外的所有激光切割片段的文件。打印后，应有1个底座，2个侧面，2个激光支架，2个试管支架，2个电磁铁支架和2个相机支架（只需要一个）。可选的遮光罩可在 补充文件 5 中找到。 请点击此处查看此图的放大版本。
图 4：稳压器和电磁铁电路。 （A） 构建电路时，以供参考。稳压器具有 3 个引脚，一个调节、输入和输出。（B） 此图显示了步骤3中描述的已完成的电路。 请点击此处查看此图的放大版本。
图5：平台准备和试管陷阱引用（A）在进行测试之前，必须准备好平台。激光将发光以拾取颗粒的粒子库将在测试前立即放置在平台上。黑色铝箔应放置在颗粒之前的平台上。这可以防止激光通过平台熔化。（B）在测试期间，颗粒的实际捕获发生在试管内，确保每次陷阱尝试平台的自动运动一致。请点击此处查看此图的放大版本。
图6：粒子类型测试（手动）和（相机）。 （A）对10种不同的粒子进行了测试，以找到具有最佳捕获率的粒子。（B）使用相机检测系统进行了第二次粒子类型试验。最初的10个颗粒中只有4个进行了测试。 请点击此处查看此图的放大版本。
图 7：激光功率测试结果。 在激光功率测试期间测量了不同激光功率水平的捕获速率。功率越高，捕获率越高。 请点击此处查看此图的放大版本。
| 黑液（粉末） | 黑液（糊状） | 钨（12微米） | 钨（1-5微米） | 铝粉 | 打印机碳粉 | 石墨 | 金刚石纳米颗粒 （95%） | 金刚石纳米颗粒（55-75%） | 黑甘素 | ||
| 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% | ||
表1：具有最佳捕获率的粒子类型测试结果。 对每种材料在4组25次中执行100次尝试的总样本量。
| 黑液膏 | 金刚石纳米颗粒55-75% | 石墨 | 钨（12微米） |
| 2.10% | 11.70% | 10.60% | 6.40% |
表2：使用相机检测系统进行的粒子类型测试的结果。 从 SQLite 数据库收集的数据。数据最初以4组1000组进行编译，每个材料的样本量为4000。每个集合的单独记录不是从SQLite编译的;只编制了总百分比。
补充文件1：File_1镜头支架.stl。这包含镜头支架的3D打印文件（见 图2）。 请点击此处下载此文件。
补充文件 2：File_2-Platform.stl.这包含悬臂平台的3D打印文件（见 图2）。 请点击此处下载此文件。
补充文件3：File_3平台持有人.stl。这包含平台支架的3D打印文件（见 图2）。 请点击此处下载此文件。
补充文件 4：File_4-Rig Pieces.odg。这包含钻机件的激光切割文件（请参见 图 1 和 图 3）。 请点击此处下载此文件。
补充文件5：File_5-Light Shield.odg。这包含可选光屏蔽/阻挡器的激光切割文件。 请点击此处下载此文件。
补充文件6：File_6-Opt1.system.py。这包含用于使用步骤 4.1 中的指令的完整代码。 请点击此处下载此文件。
补充文件 7：File_7-Opt2.自述文件.txt。这包含自述文件，其中包含补充文件 8-11 的一些详细信息。请单击此处下载此文件。
补充文件 8：File_8-Opt2.main.py。这包含步骤 4.2 中说明的主脚本。 请点击此处下载此文件。
补充文件9：File_9-Opt2.electromagnet.py。这包含控制电磁铁的步骤 4.2 的脚本。 请点击此处下载此文件。
补充文件10：File_10-Opt2.test_insert.py。这包含步骤 4.2 的脚本，该脚本会自动将数据上载到数据库中。 请点击此处下载此文件。
补充文件11：File_11-Opt2.camera_controller.py。这包含需要在步骤 4.2.2 中上传到摄像机的脚本。 请点击此处下载此文件。
Discussion
本协议包含几个基本步骤，这些步骤对于捕获钻机的自动运行至关重要。首先，电磁铁必须通过指定的电路适当地连接到微控制器板上。如果没有电磁铁，微型试验台的全部效用就会丧失。电磁铁通过将悬臂平台上的粒子储层提升到激光路径来控制每次捕获尝试。每次陷阱尝试都是另一个升高和降低平台的循环。
相机仅在协议中描述的步骤4.2中使用，但它对于该选项至关重要。步骤4.2需要一个摄像头来检测粒子是否被捕获，从而允许从多个钻机收集数据。如果摄像机未正确连接，装备将无法尝试任何陷印。
第三步也是最关键的一步，即第5.2.1步，是对准和聚焦激光。镜头必须放置在电磁铁上的焦点。悬臂式平台将通过电磁铁上的焦点，允许颗粒捕获。假设焦点不在电磁铁中间上方的中心。在这种情况下，确保携带颗粒的悬臂平台将通过焦点以产生陷阱变得具有挑战性。这可能导致缺乏陷阱。同样重要的是，平台必须高于电磁铁，以便激光路径不会不断接触平台。这可能会导致摄像机报告误报。为了更容易地调整焦点的位置，建议在钻机的设置中使用光轨;这将允许用户轻松地向后或向前滑动镜头支架，以正确定位焦点。如果钻机已正确建造，则激光和试管/悬臂部分已经对齐;使用光学导轨将使镜头与其他部件对齐。
议定书中详细介绍了两个单独的选项，即步骤4.1和步骤4.2。第一个选项，步骤4.1，是运行微型攻丝机组的原始简单方法。此选项依靠人眼而不是相机系统来检测颗粒。此选项最适合快速收集较小的数据集，或在需要实时演示的情况下收集。在创建第二个选项之前，在前两个实验中使用了第一个选项。第二个选项，步骤4.2，使用摄像头进行自动检测和捕获，允许在没有任何人工监督的情况下运行数千个测试并将其输入到数据库中。相机的精度取决于确切的测试条件;与人类检测的类似测试相比，某些更具反射性的材料在测试时似乎具有较差的准确捕获率。但是，可以更改相机脚本中的多个参数以提高相机的精度。相机的确切精度是可以提高的，但也不是一个重大问题，因为微型钻机是用于初始测试的。第二个选项也可以很容易地修改，以便在单个微控制器板上运行两个测试台;该修改的详细信息包含在 补充文件 7 中。
目前的工作是通过机器学习开发一种更精确、更一致的自动陷阱检测形式。这种新的机器学习检测系统完成后，将使用卷积神经网络以更高的准确率（高于95%）更好地检测捕获的粒子，进一步增强这种微型测试台的使用和效果，对未来的光电陷阱显示研究。
在目前的基本形式中，微型诱捕装置在几个方面受到限制。这些微型装置无法在陷阱发生后通过扫描粒子来创建实际的OTD。该设计还限制了添加扫描仪以供将来在创建OTD时使用的可能性。设计的另一个限制是需要额外的组件才能进行特定的测试。例如，在激光功率测试期间，使用可变光衰减器来收集不同光输出功率水平的数据集。同样，如果研究人员希望在未来的测试中测试激光波长，除了这项工作中使用的激光器外，他们还需要其他几种具有不同波长的可比光功率的激光器。该钻机很可能需要额外的修改来容纳每个激光器，这个过程将限制进行此类测试的速度，但这仍然是可能的。这种设计也是由需要为每个镜头3D打印一个新的镜头支架决定的。设计和应用也仅限于球面双凸透镜，其产生球面像差以形成可能发生捕获的区域。
展望未来，未来的应用包括光泳捕获参数的持续测试和优化。如上所述，通过为y轴和x轴控制添加扫描仪，微型陷印装置可以很容易地修改为基本廉价的OTD系统。微型捕集装置中使用的电磁铁控制粒子输送也可以在未来的高级OTD系统中实现。
微型诱捕钻机在这个研究领域最终是独特和独特的，因为它可以廉价和快速地制造，允许快速的质量测试。这些钻机是精益系统，专为光泳捕获参数的初始测试和优化而设计。单个钻机组可以以每小时约 250 次尝试的速度进行测试。许多其他类型的光电捕获系统或钻机已被开发出来，以具有更好的自动系统，或者通过扫描粒子在成功捕获后创建图像来完成更多工作1，8。这些微型诱捕系统并不意味着要取代此类系统的使用。它们旨在快速测试光泳捕获的参数和条件，以使研究人员更好地了解是什么造就了良好的光泳捕获。微型诱捕装置将使光电陷阱研究民主化，并允许爱迪生在该研究领域的新一波实验和进步。
Disclosures
作者没有什么可透露的。
Acknowledgments
作者感激地感谢美国国家科学基金会的财政支持。NSF奖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).
