中國科學家實現(xiàn)3D打印顯微鏡，只要4美元，性能媲美商用

來源：高分子科學前沿

顯微鏡的發(fā)明，讓我們得以清晰地認識世界，大到宇宙蒼穹，小到細胞微生物，這些無一不推動了科學的發(fā)展和人類社會的進步。

然而，傳統(tǒng)的加工制造方法使得顯微鏡的造價昂貴且不易組裝，這在一定程度上限制了顯微鏡廣泛地使用。

如今，且看3D打印“顯神威”，打破傳統(tǒng)顯微鏡制作成本壁壘。

△左為通訊作者 Sun Cheng教授，右為第一作者Hai Rihan。

近日，來自美國西北大學SunCheng教授團隊設(shè)計了一款僅有8mm寬的顯微鏡，由五個3D打印組件及四個現(xiàn)成的組件組成。該顯微鏡性能與商業(yè)產(chǎn)品相當，并且可以根據(jù)不同需求定制并快速被制造出來，大大降低了顯微鏡制作的成本及復雜性。該研究以“3D Printing a Low-cost Miniature Accommodating Optical Microscope”為題目發(fā)表在期刊Advance Materials上。

△圖|（來源：Advance Materials）

△Nature亮點報道

3D打印制作，快速！精確！物美價廉！

隨著科技的發(fā)展，人們對小型化成像平臺的興趣越來越大，然而，處理尺寸越小的光學和光學機械部件需要很高的制造精度和嚴格的系統(tǒng)裝配公差，以實現(xiàn)衍射極限性能。

而傳統(tǒng)的透鏡制作依賴于研磨及拋光工藝，消耗了大量的時間；注塑成型也需要精密加工的模具，這些方法都使得顯微鏡的制作成本高昂。并且在之后的組裝中，也需要專業(yè)的人員對各個零部件進行精確對準安裝，極耗費人力。

3D打�。ˋM）則成功地打破了這一壁壘，其可以通過電腦數(shù)字模型迅速地制造，從而改變了現(xiàn)有的光學制造工藝，降低了制造周期和成本并且提高了性能。此外，3D打印對復雜零件的可打印性使得顯微鏡零件計數(shù)減少（PCR），取代了現(xiàn)有的多組件部件。

并且，3D打印被動對準功能進一步簡化了系統(tǒng)組裝，因為所有組件都可以快速配合在一起，而不需要任何精確的機械進行主動對準。

在該論文研究中，研究人員使用投影微立體光刻（PμSL）技術(shù)制作顯微鏡鏡片，PμSL通過在一次曝光中固化整個鏡片平面來進行3D打印，在1.25×104 mm 3 /h的體積打印速度下，3毫米高的鏡片可在3分鐘內(nèi)完成3D打��！

此外，PCR策略將顯微鏡系統(tǒng)部件數(shù)量減少到只有五個，其中包括3D打印組件（鏡頭、彈性鏡頭支架、前蓋和蛤殼（兩個半殼））和四個現(xiàn)成組件（紅外截止濾波器、環(huán)形磁鐵、線圈和CMOS傳感器）。并且該顯微鏡的透鏡可以與商用透鏡互換，提高了其兼容性。

其中，音圈電機（VCM）（由環(huán)形磁鐵、彈性鏡頭支架、線圈組成）具有接近零泊松比的3D打印兼容基礎(chǔ)，以最小化聚焦期間的干擾，保持成像放大率的可定制性。所有的光學機械部件都在50分鐘內(nèi)一次性完成3D打印。

該顯微鏡外形尺寸僅有8.10×8.10×29.85 mm 3，且制作成本僅為3.74美元！

△圖|3D打印微型容納光學顯微鏡的系統(tǒng)設(shè)計和組裝流程圖。（來源：該論文）

△3D打印微型容納光學顯微鏡（來源：該論文）

顯微鏡的具體設(shè)計及測試表征

首先，研究人員對每個可互換的透鏡進行了實驗表征：AM30（內(nèi)部3D打印非球面透鏡）、E30（15-271，Edmund Optics）和T30（APL0303，Thorlabs股份有限公司）

研究結(jié)果顯示，所有三個透鏡都有光滑的非球面，但在E30和T30上發(fā)現(xiàn)了額外的表面凹凸。隨后研究人員為證實其表面的光滑性，采用光學輪廓儀進行了測量。結(jié)果表明AM30具有最佳的表面光滑度。

△圖| 3D打印光學顯微鏡成像透鏡的設(shè)計與表征。（來源：該論文）

其次，研究人員對VCM。組件進行了設(shè)計制造及表征。VCM組件設(shè)計用于通過電磁驅(qū)動聚焦成像透鏡，它包含一個電磁線圈、一個環(huán)形磁鐵、一個柔性底座和成像鏡頭底座。這些部件經(jīng)過精心設(shè)計，以簡化裝配過程。

其中彈性透鏡座由三個部件組成：透鏡座、環(huán)形磁鐵座和柔性底座。研究人員通過PCR設(shè)計，將彈性透鏡座集成到整體式彈性透鏡座中。

成像透鏡的軸向平移由來自線圈和磁體的電磁力與來自柔性基礎(chǔ)的彈性力之間的平衡確定。研究人員還用ANSYS中模擬壓縮試驗中使用的邊界條件。

柔性基礎(chǔ)的主要設(shè)計變量是支柱角度（θ），其變化范圍為-4.5°至+10°。研究人員通過優(yōu)化θ以實現(xiàn)足夠的軸向變形（>1.0mm），同時減少徑向變形以最小化VCM驅(qū)動期間的干擾。

在壓縮試驗期間，制造的柔性基礎(chǔ)表現(xiàn)出高度線性的行為，從而證實了數(shù)值模擬結(jié)果。

進一步地，研究人員模擬了N50釹環(huán)形磁體（R0545，SuperMagnetMan）所承受的磁力，ANSYS模擬表明，要達到1.17 mm的最大軸向變形，需要52.96 mN的力（線圈/磁體在設(shè)計位移范圍內(nèi)可輕易獲得的力），這驗證了該論文中提出的軸向平移機構(gòu)的可行性。在循環(huán)收縮和延伸運動期間，透鏡支架中的模擬位移場主要沿光軸平移。

△圖|彈性透鏡座的工作原理及優(yōu)化。（來源：該論文）

清晰，好用

最后，研究人員使用AM30對組裝的微型顯微鏡的性能進行了實驗驗證。實驗采用一對生物樣本進行測試，結(jié)果表明其軸向空間偏移1.0mm，橫向偏移0.8-1.2mm。由于軸向偏移大于系統(tǒng)景深（DOF），研究人員通過驅(qū)動VCM來平移成像透鏡，以使所需的物體聚焦。

隨后研究人員使用家蠅和蜜蜂作為樣本，對焦家蠅時，可清晰得觀察到其網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，隨后平移對焦蜜蜂也可觀察到清晰的相關(guān)圖像。在聚焦疊加之后，與單幀相比，兩個對象都同時聚焦，沒有任何退化，從而擴展了系統(tǒng)DOF。

△圖|通過聚焦疊加演示主動聚焦和擴展景深。（來源：該論文）

研究人員表示，盡管低表觀圖像對比度導致焦點堆疊重建保真度降低，但實驗成功地集成了不同制造方法的光學組件，證明了所報告的統(tǒng)一AM制造和PCR策略的優(yōu)勢。

綜上所述，研究人員建立了一個統(tǒng)一的增材制造過程，實現(xiàn)了PCR策略和被動對準功能，從而提高了小型化成像系統(tǒng)的組裝難度并節(jié)約了成本。此外，這種與數(shù)字制造過程相關(guān)的靈活性使這種低成本的成像平臺能夠作為開源項目輕松定制并傳播給更廣泛的用戶群體，并大大擴展了增材制造的應(yīng)用場景。

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參考資料：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202208365?af=R

https://www.nature.com/articles/d41586-023-00072-7