來(lái)源: 高分子科學(xué)前沿

顯微鏡的發(fā)明，讓我們得以清晰地認(rèn)識(shí)世界，大到宇宙蒼穹，小到細(xì)胞微生物，這些無(wú)一不推動(dòng)了科學(xué)的發(fā)展和人類社會(huì)的進(jìn)步。

然而，傳統(tǒng)的加工制造方法使得顯微鏡的造價(jià)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**作者Hai Rihan。

近日，來(lái)自美國(guó)西北大學(xué)SunCheng教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一款僅有8mm寬的顯微鏡，由五個(gè)3D打印組件及四個(gè)現(xiàn)成的組件組成。該顯微鏡性能與商業(yè)產(chǎn)品相當(dāng)，并且可以根據(jù)不同需求定制并快速被制造出來(lái)，大大降低了顯微鏡制作的成本及復(fù)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(lái)源：Advance Materials）

Nature亮點(diǎn)報(bào)道

3D打印制作，快速！精確！物美價(jià)廉！

隨著科技的發(fā)展，人們對(duì)小型化成像平臺(tái)的興趣越來(lái)越大，然而，處理尺寸越小的光學(xué)和光學(xué)機(jī)械部件需要很高的制造精度和嚴(yán)格的系統(tǒng)裝配公差，以實(shí)現(xiàn)衍射J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(shí)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(duì)各個(gè)零部件進(jìn)行精確對(duì)準(zhǔn)安裝，J耗費(fèi)人力。

3D打印（AM）則成功地打破了這一壁壘，其可以通過(guò)電腦數(shù)字模型迅速地制造，從而改變了現(xiàn)有的光學(xué)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(duì)復(fù)雜零件的可打印性使得顯微鏡零件計(jì)數(shù)減少（PCR），取代了現(xiàn)有的多組件部件。

并且，3D打印被動(dòng)對(duì)準(zhǔn)功能進(jìn)一步簡(jiǎn)化了系統(tǒng)組裝，因?yàn)樗薪M件都可以快速配合在一起，而不需要任何精確的機(jī)械進(jìn)行主動(dòng)對(duì)準(zhǔn)。

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(guò)在一次曝光中固化整個(gè)鏡片平面來(lái)進(jìn)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打印！

此外，PCR策略將顯微鏡系統(tǒng)部件數(shù)量減少到只有五個(gè)，其中包括3D打印組件（鏡頭、彈性鏡頭支架、前蓋和蛤殼（兩個(gè)半殼））和四個(gè)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(jī)（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Z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(xué)機(jī)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(xué)顯微鏡的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和組裝流程圖。（來(lái)源：該論文）

3D打印微型容納光學(xué)顯微鏡（來(lái)源：該論文）

顯微鏡的具體設(shè)計(jì)及測(cè)試表征

研究人員對(duì)每個(gè)可互換的透鏡進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)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(gè)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(shí)其表面的光滑性，采用光學(xué)輪廓儀進(jìn)行了測(cè)量。結(jié)果表明AM30具有Z佳的表面光滑度。

圖| 3D打印光學(xué)顯微鏡成像透鏡的設(shè)計(jì)與表征。（來(lái)源：該論文）

其次，研究人員對(duì)VCM。組件進(jìn)行了設(shè)計(jì)制造及表征。VCM組件設(shè)計(jì)用于通過(guò)電磁驅(qū)動(dòng)聚焦成像透鏡，它包含一個(gè)電磁線圈、一個(gè)環(huán)形磁鐵、一個(gè)柔性底座和成像鏡頭底座。這些部件經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，以簡(jiǎn)化裝配過(guò)程。

其中彈性透鏡座由三個(gè)部件組成：透鏡座、環(huán)形磁鐵座和柔性底座。研究人員通過(guò)PCR設(shè)計(jì)，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(lái)自線圈和磁體的電磁力與來(lái)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(yàn)中使用的邊界條件。

柔性基礎(chǔ)的主要設(shè)計(jì)變量是支柱角度（θ），其變化范圍為-4.5°至+10°。研究人員通過(guò)優(yōu)化θ以實(shí)現(xiàn)足夠的軸向變形（>1.0mm），同時(shí)減少?gòu)较蜃冃我?/span>Z小化VCM驅(qū)動(dòng)期間的干擾。

在壓縮試驗(yàn)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(shí)了數(shù)值模擬結(jié)果。

進(jìn)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(dá)到1.17 mm的Z大軸向變形，需要52.96 mN的力（線圈/磁體在設(shè)計(jì)位移范圍內(nèi)可輕易獲得的力），這驗(yàn)證了該論文中提出的軸向平移機(jī)構(gòu)的可行性。在循環(huán)收縮和延伸運(yùn)動(dòng)期間，透鏡支架中的模擬位移場(chǎng)主要沿光軸平移。

圖|彈性透鏡座的工作原理及優(yōu)化。（來(lái)源：該論文）

清晰，好用

Z后，研究人員使用AM30對(duì)組裝的微型顯微鏡的性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)采用一對(duì)生物樣本進(jìn)行測(cè)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(guò)驅(qū)動(dòng)VCM來(lái)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(duì)焦家蠅時(shí)，可清晰得觀察到其網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，隨后平移對(duì)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(gè)對(duì)象都同時(shí)聚焦，沒(méi)有任何退化，從而擴(kuò)展了系統(tǒng)DOF。

圖|通過(guò)聚焦疊加演示主動(dòng)聚焦和擴(kuò)展景深。（來(lái)源：該論文）

研究人員表示，盡管低表觀圖像對(duì)比度導(dǎo)致焦點(diǎn)堆疊重建保真度降低，但實(shí)驗(yàn)成功地集成了不同制造方法的光學(xué)組件，證明了所報(bào)告的統(tǒng)一AM制造和PCR策略的優(yōu)勢(shì)。

綜上所述，研究人員建立了一個(gè)統(tǒng)一的增材制造過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了PCR策略和被動(dòng)對(duì)準(zhǔn)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(guò)程相關(guān)的靈活性使這種低成本的成像平臺(tái)能夠作為開(kāi)源項(xiàng)目輕松定制并傳播給更廣泛的用戶群體，并大大擴(kuò)展了增材制造的應(yīng)用場(chǎng)景。

參考資料：

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

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

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