近日，來自美國西北大學Sun Cheng教授團隊設計了一款僅有8毫米寬的微型顯微鏡，由五個3D打印零件及四個現有零件組成。該顯微鏡性能與商業產品相當，并且可以根據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”為題目發表在期刊Advance Materials上。

此外，頂級期刊Nature(自然)也在其網站的研究亮點欄目中，對這一科研成果進行了報道，Nature指出這一研究中開發的顯微鏡具有低成本、高性能的特點。

本期谷.專欄將對這一微型顯微鏡所采用的3D打印技術，具體設計及測試表征進行分享。

論文鏈接：

DOI:10.1002/adma.202208365

 零件少、體積小、成本低

隨著科技的發展，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裝配公差，以實現衍射極限性能。

而傳統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，也需要專業的人員對各個零部件進行精確對準安裝，極耗費人力。
3D打印（AM）則成功地打破了這一壁壘，改變了現有的光學制造工藝，降低制造周期和成本并且提高性能。此外，3D打印對復雜零件的可打印性使得顯微鏡零件計數減少（PCR），取代了現有的多組件部件。
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 立方毫米/小時的打印速度下，3毫米高的鏡片可在3分鐘內完成3D打印。
此外，顯微鏡零件計數減少（PCR）策略將顯微鏡系統部件數量減少到只有五個3D打印零件（鏡頭、彈性鏡頭支架、前蓋和蛤殼（兩個半殼））和四個現成零件（紅外截止濾波器、環形磁鐵、線圈和CMOS傳感器）。這一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，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分鐘內一次性完成3D打印。

顯微鏡外形尺寸僅有8.10×8.10×29.85立方毫米，且制作成本僅為3.74美元。

3D打印微型容納光學顯微鏡的系統設計和組裝流程圖。

3D打印微型容納光學顯微鏡

 顯微鏡的具體設計及測試表征

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）
研究結果顯示，所有三個透鏡都有光滑的非球面，但在E30和T30上發現了額外的表面凹凸。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。結果表明AM30具有最佳的表面光滑度。

3D打印光學顯微鏡成像透鏡的設計與表征

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

其中彈性透鏡座由三個部件組成：透鏡座、環形磁鐵座和柔性底座。研究人員通過PCR設計，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。

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

在壓縮試驗期間，制造的柔性基礎表現出高度線性的行為，從而證實了數值模擬結果。

進一步地，研究人員模擬了N50釹環形磁體（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/磁體在設計位移范圍內可輕易獲得的力），這驗證了該論文中提出的軸向平移機構的可行性。在循環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。

彈性透鏡座的工作原理及優化

 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景深（DOF），研究人員通過驅動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格結構，隨后平移對焦蜜蜂也可觀察到清晰的相關圖像。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DOF。

通過聚焦疊加演示主動聚焦和擴展景深

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，證明了所報告的統一增材制造和PCR策略的優勢。
綜上所述，研究人員建立了一個統一的增材制造過程，實現了PCR策略和被動對準功能，從而提高了小型化成像系統的組裝難度并節約了成本。此外，這種與數字制造過程相關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用場景。

(責任編輯：admin)

• 博世先進陶瓷公司使用Lith
• Xenia進軍大幅面增材制造
• 研究人員基于3D打印冰模板
• 美國Brooks與惠普合作開發
• 《AHM》：3D打印為患者定
• MB Therapeutics與Lynxter

• ·博世先進陶瓷公司使用Lithoz技術，一次
• ·Xenia進軍大幅面增材制造市場，憑借獨
• ·研究人員基于3D打印冰模板開發出混凝土
• ·美國Brooks與惠普合作開發高性能競技3D
• ·《AHM》：3D打印為患者定制“一對一”
• ·MB Therapeutics與Lynxter合作，推出針
• ·美國國防部正在使用3D打印制造高超音速
• ·HYP3D項目采用陶瓷3D打印生產高壓氫氣