Dette arbejde beskriver og karakteriserer fremstillingen af miniature automatiske fotoforetiske fangstrigge.
Dette papir præsenterer en automatiseret, hurtig-fab-kompatibel, fotoforetisk fælde testrig for at muliggøre demokratisering og crowdsourcing af volumetrisk displayforskning. Riggen kan konstrueres inden for 2 timer ved hjælp af en laserskærer, 3-dimensionel (3D) printer og almindeligt håndværktøj. I sin nuværende form kan riggen bruges til at teste følgende kritiske parametre: partikeltype, fældetype, numerisk blænde og luftstrøm med en hastighed på ca. 250 prøver i timen. Med mindre ændringer kan riggen laves til at teste et endnu større sæt parametre, såsom lasereffekt og laserbølgelængde, afhængigt af brugerens behov. Riggen kan bruge maskinsyn til automatiseret datafangst og analyse. Betjeningen og konstruktionen af testriggen er beskrevet med kortfattede, nemme at følge trin. Resultater fra en fire-enhed testrig ‘farm’, der dækker effekt- og partikeltypeparametrene, rapporteres. Denne platform vil udvide omfanget og sammensætningen af optiske fældevisningsparametre og forskere gennem tilgængelighed og demokratisering.
Det optiske fældedisplay (OTD) muliggør de displaygeometrier, der ses i science fiction. Det fungerer ved at fange en partikel gennem fotoferese og belyse partiklen1,2,3,4. Derefter danner det at trække denne partikel gennem rummet et billede i luften, som seeren opfatter som kontinuerligt i henhold til visionens vedholdenhed5. Denne skærmløse 3D-teknologi gør det muligt at vise geometrier såsom projektioner med langt kast, høje sandborde og wrap-around-skærme1. Disse geometrier er unikt overbevisende, fordi de ikke kræver nogen skærm og skaber indhold, der kan ses fra stort set alle vinkler.
Forskere ved Brigham Young University fandt indledende succes i deres første generations fotoforetiske fangstsystem ved at bruge en stråleekspeder og galvanometerscannere sammen med flere spejle og en eller flere sfæriske linser til at skabe en fotoforetisk fælde gennem sfærisk aberration1,4. Denne første generations fangstrig indeholdt også RGB (rød-grøn-blå) lasere for at give mulighed for præcis farvet skærmbelysning. Ved hjælp af dette fangstsystem oprettes OTD’er ved at flytte en enkelt partikel gennem en indviklet sti. Denne tilgang begrænser størrelsen på billeder til under en kubikcentimeter og begrænser kompleksiteten af realtidsbilleder til wireframes og andet sparsomt indhold6,7. Desuden er skaleringen af denne teknologi begrænset af inkonsekvensen af fotoforetisk fangst8. Hvis et enkelt fælde-/partikelsystem kan optimeres, kan skalering af displayet opnås ved at replikere en optimeret fælde og synkront fange og scanne flere partikler9. Eventuelle problemer med en enkelt fælde vil blive forværret i et multi-trap system, så omhyggelig optimering af fælde- og partikelparametre er kritisk.
Optimeringen af et individuelt fælde-/fældesystem kræver omfattende test for hver parameter i det fotoforetiske fældesystem7. Sådanne parametre indbefatter partikeltype (stof, form, størrelse), lasereffekt, laserbølgelængde og numerisk blænde (brændvidde, diameter, hældning). Test og eksperimentering gennem forsøg og fejl for hver parameter optimerer individuelle fælder og flere synkrone fælder. Alligevel vil de kræve, at der indsamles store mængder data.
Tidligere er forsknings- og testprocessen til optimering af fotoforetisk fangst gennem sfærisk aberration kun blevet udført af en håndfuld forskere over hele verden1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 . Indtil for nylig har forskere ved Brigham Young University været afhængige af et enkelt, stort, dyrt fældesystem til at indsamle de nødvendige data, hvilket fik processen med at teste og indsamle data til at være langsom1,7. Men siden introduktionen af optiske fældeskærme som en løsning til 3D-visualisering i 20181 har personer i alle aldersgrupper og fra flere kontinenter udtrykt ønske om at deltage i forskningen. På grund af den genererede interesse for OTD’er har forskere ønsket at finde en måde at give alle interesserede parter mulighed for at deltage i forskningsprocessen. Tidligere generationer af fotoforetiske fangstrigge, der indeholdt strålesplittere og galvanometre, var for dyre og tidskrævende til at masseproducere og crowdsource1,6, så der var behov for en anden løsning.
Der er udviklet en ny miniature fotoforetisk fangstrig, som gør det muligt for alle interesserede parter at deltage i forskning og hurtigt teste og indsamle data for alle væsentlige parametre, der er nævnt ovenfor. De kan fremstilles hurtigt af alle, der har adgang til en 3D-printer og laserskærer. Dette design forsøger at minimere omkostninger og kompleksitet, mindske risikoen og maksimere automatisering, sammenkobling og fleksibilitet (figur 1). Den nye rig anvender den mest enkle optiske opsætning til fotoforetisk fangst muligt: en enkelt laser og linse10. De små rigge er enkle at bruge, når de er sat op, og kan teste med en hastighed på cirka 250 forsøg i timen.
De data, der indsamles fra disse rigge fra test af fremtidige borgerforskere og forskere, vil betydeligt hjælpe med at udvikle fotoforetisk fangst i brugen til 3D-visualisering ved at muliggøre optimering af fangstparametre og individuelle fælder.
Den nuværende protokol indeholder flere vigtige trin, der er afgørende for den automatiske kørsel af fangstriggen. For det første skal elektromagneten være passende fastgjort til mikrocontrollerkortet gennem det specificerede kredsløb. Uden elektromagneten går den samlede anvendelighed af miniaturetestriggen tabt. Elektromagneten styrer hvert fangstforsøg ved at hæve partikelbeholderen på udkragende platformen op i laserens bane. Hvert fældeforsøg er en anden cyklus med at hæve og sænke platformen.
Kameraet bruges kun i trin 4.2 som beskrevet i protokollen, men det er afgørende for denne mulighed. Trin 4.2 kræver, at et kamera registrerer, om en partikel er blevet fanget, hvilket muliggør dataindsamling fra flere rigge. Hvis kameraet ikke er monteret korrekt, kan riggen ikke forsøge at fange.
Det tredje og mest kritiske trin, trin 5.2.1, er justering og fokusering af laseren. Linsen skal placeres, så brændpunktet opstår over elektromagneten. Den udkragede platform vil passere gennem brændpunktet over elektromagneten, hvilket gør det muligt for partikler at fange. Antag, at brændpunktet ikke er centreret over midten af elektromagneten. I så fald bliver det udfordrende at sikre, at udkragningsplatformen, der bærer partikler, passerer gennem brændpunktet for at skabe fælder. Dette kan føre til mangel på fælder. Det er også vigtigt, at platformen er hævet over elektromagneten, så laserbanen ikke konstant kommer i kontakt med platformen. Dette kan få kameraet til at rapportere falske positiver. For lettere at justere fokuspunktets placering foreslås det at bruge en optisk skinne i opsætningen af riggen; dette giver brugerne mulighed for nemt at skubbe objektivholderen bagud eller fremad for at placere brændpunktet korrekt. Laser- og reagensglas-/udkragelsningsdelen er allerede justeret, hvis riggen er korrekt bygget; brugen af den optiske skinne holder linsen på linje med de andre dele.
To separate indstillinger er beskrevet i protokollen, trin 4.1 og trin 4.2. Den første mulighed, trin 4.1, er den originale enkle måde at køre miniature-tapperiggen på. Denne mulighed er afhængig af det menneskelige øje til at detektere partikler i stedet for et kamerasystem. Denne mulighed er bedst til at indsamle mindre datasæt hurtigt eller i situationer, hvor der ønskes en live demonstration. Den første mulighed blev brugt under de to første eksperimenter, før den anden mulighed blev oprettet. Den anden mulighed, trin 4.2, bruger et kamera til automatisk detektion og fangst, hvilket gør det muligt at køre tusindvis af tests og indtaste i en database uden menneskelig overvågning. Kameraets nøjagtighed afhænger af den nøjagtige testtilstand; visse mere reflekterende materialer, når de blev testet, syntes at have en mindre nøjagtig fangsthastighed sammenlignet med lignende tests udført med menneskelig påvisning. Flere parametre i kameraets script kan dog ændres for at øge kameraets nøjagtighed. Kameraets nøjagtige nøjagtighed er noget, der kan forbedres, men det er heller ikke en væsentlig bekymring, fordi miniatureriggene er beregnet til indledende test. Den anden mulighed kan også let ændres til at køre to testrigge fra et enkelt mikrocontrollerkort; Nærmere oplysninger om denne ændring er medtaget i supplerende sag 7.
Nuværende arbejde udvikler en mere præcis og konsekvent form for automatisk fældedetektion gennem maskinindlæring. Dette nye maskinlæringsdetekteringssystem, når det er færdigt, vil bruge konvolutionelle neurale netværk til bedre at detektere fangede partikler med en meget højere nøjagtighed (over 95%), hvilket yderligere styrker brugen og effekten, som sådanne miniaturetestrigge kan have på fremtiden for fotoforetisk fældevisningsforskning.
I sin nuværende basisform er miniaturefangstriggen begrænset på få måder. Disse miniaturerigge er ikke i stand til at skabe faktiske OTD’er ved at scanne partiklen, efter at der er opstået en fælde. Designet begrænser også muligheden for, at scannere tilføjes til fremtidig brug ved oprettelse af OTD’er. En anden begrænsning af designet er behovet for yderligere komponenter til en bestemt test, der skal forekomme. For eksempel blev en variabel optisk dæmper brugt til at indsamle datasæt på forskellige optiske udgangseffektniveauer under lasereffekttesten. Tilsvarende, hvis en forsker ønskede at teste laserbølgelængde i en fremtidig test, ville de kræve flere andre lasere med sammenlignelig optisk effekt med forskellige bølgelængder ud over den laser, der anvendes i dette arbejde. Riggen ville sandsynligvis kræve yderligere ændringer for at holde hver laser, denne proces ville begrænse den hastighed, hvormed en sådan test kunne udføres, men det ville stadig være muligt. Dette design bestemmes også af behovet for at 3D-udskrive en ny linseholder til hvert objektiv. Designet og anvendelsen er også begrænset til sfæriske bikonvekse linser, der producerer sfærisk aberration for at danne områder, hvor fangst kan forekomme.
Fremadrettet omfatter fremtidige applikationer fortsat test og optimering af fotoforetiske fangstparametre. Som kort nævnt ovenfor kunne miniaturefangstriggen let ændres til et grundlæggende billigt OTD-system ved at tilføje scannere til y-aksen og x-aksekontrollen. Den elektromagnetstyrede partikellevering, der anvendes i miniaturefangstriggen, kan også implementeres i fremtidige avancerede OTD-systemer.
Miniaturefangstriggen er i sidste ende unik og tydelig inden for dette forskningsområde, fordi den kan fremstilles billigt og hurtigt, hvilket giver mulighed for hurtig massetestning. Disse rigge er beregnet til at være magre systemer designet til den indledende test og optimering af fotoforetiske fangstparametre. En individuel rig kan teste med en hastighed på ~ 250 forsøg i timen. Mange andre typer fotoforetiske fangstsystemer eller rigge er blevet udviklet til at have bedre automatiske systemer eller opnå mere ved at scanne partiklen for at skabe et billede efter en vellykket fælde1,8. Disse miniaturefangstsystemer er ikke beregnet til at erstatte brugen af sådanne systemer. De er beregnet til hurtigt at teste parametre og betingelser for fotoforetisk fangst for at give forskere en bedre forståelse af, hvad der giver god fotoforetisk fangst. Miniaturefangstriggen vil demokratisere fotoforetisk fældeforskning og give mulighed for en ny bølge af edisoniske eksperimenter og progression inden for dette forskningsområde.
The authors have nothing to disclose.
Forfatterne anerkender taknemmeligt økonomisk støtte fra National Science Foundation. NSF Award ID-1846477.
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 |