中国科学家实现3D打印显微镜，只要4美元，性能媲美商用

来源：高分子科学前沿

显微镜的发明，让我们得以清晰地认识世界，大到宇宙苍穹，小到细胞微生物，这些无一不推动了科学的发展和人类社会的进步。

然而，传统的加工制造方法使得显微镜的造价昂贵且不易组装，这在一定程度上限制了显微镜广泛地使用。

如今，且看3D打印“显神威”，打破传统显微镜制作成本壁垒。

△左为通讯作者 Sun Cheng教授，右为第一作者Hai Rihan。

近日，来自美国西北大学SunCheng教授团队设计了一款仅有8mm宽的显微镜，由五个3D打印组件及四个现成的组件组成。该显微镜性能与商业产品相当，并且可以根据不同需求定制并快速被制造出来，大大降低了显微镜制作的成本及复杂性。该研究以“3D Printing a Low-cost Miniature Accommodating Optical Microscope”为题目发表在期刊Advance Materials上。

△图|（来源：Advance Materials）

△Nature亮点报道

3D打印制作，快速！精确！物美价廉！

随着科技的发展，人们对小型化成像平台的兴趣越来越大，然而，处理尺寸越小的光学和光学机械部件需要很高的制造精度和严格的系统装配公差，以实现衍射极限性能。

而传统的透镜制作依赖于研磨及抛光工艺，消耗了大量的时间；注塑成型也需要精密加工的模具，这些方法都使得显微镜的制作成本高昂。并且在之后的组装中，也需要专业的人员对各个零部件进行精确对准安装，极耗费人力。

3D打印（AM）则成功地打破了这一壁垒，其可以通过电脑数字模型迅速地制造，从而改变了现有的光学制造工艺，降低了制造周期和成本并且提高了性能。此外，3D打印对复杂零件的可打印性使得显微镜零件计数减少（PCR），取代了现有的多组件部件。

并且，3D打印被动对准功能进一步简化了系统组装，因为所有组件都可以快速配合在一起，而不需要任何精确的机械进行主动对准。

在该论文研究中，研究人员使用投影微立体光刻（PμSL）技术制作显微镜镜片，PμSL通过在一次曝光中固化整个镜片平面来进行3D打印，在1.25×104 mm 3 /h的体积打印速度下，3毫米高的镜片可在3分钟内完成3D打印！

此外，PCR策略将显微镜系统部件数量减少到只有五个，其中包括3D打印组件（镜头、弹性镜头支架、前盖和蛤壳（两个半壳））和四个现成组件（红外截止滤波器、环形磁铁、线圈和CMOS传感器）。并且该显微镜的透镜可以与商用透镜互换，提高了其兼容性。

其中，音圈电机（VCM）（由环形磁铁、弹性镜头支架、线圈组成）具有接近零泊松比的3D打印兼容基础，以最小化聚焦期间的干扰，保持成像放大率的可定制性。所有的光学机械部件都在50分钟内一次性完成3D打印。

该显微镜外形尺寸仅有8.10×8.10×29.85 mm 3，且制作成本仅为3.74美元！

△图|3D打印微型容纳光学显微镜的系统设计和组装流程图。（来源：该论文）

△3D打印微型容纳光学显微镜（来源：该论文）

显微镜的具体设计及测试表征

首先，研究人员对每个可互换的透镜进行了实验表征：AM30（内部3D打印非球面透镜）、E30（15-271，Edmund Optics）和T30（APL0303，Thorlabs股份有限公司）

研究结果显示，所有三个透镜都有光滑的非球面，但在E30和T30上发现了额外的表面凹凸。随后研究人员为证实其表面的光滑性，采用光学轮廓仪进行了测量。结果表明AM30具有最佳的表面光滑度。

△图| 3D打印光学显微镜成像透镜的设计与表征。（来源：该论文）

其次，研究人员对VCM。组件进行了设计制造及表征。VCM组件设计用于通过电磁驱动聚焦成像透镜，它包含一个电磁线圈、一个环形磁铁、一个柔性底座和成像镜头底座。这些部件经过精心设计，以简化装配过程。

其中弹性透镜座由三个部件组成：透镜座、环形磁铁座和柔性底座。研究人员通过PCR设计，将弹性透镜座集成到整体式弹性透镜座中。

成像透镜的轴向平移由来自线圈和磁体的电磁力与来自柔性基础的弹性力之间的平衡确定。研究人员还用ANSYS中模拟压缩试验中使用的边界条件。

柔性基础的主要设计变量是支柱角度（θ），其变化范围为-4.5°至+10°。研究人员通过优化θ以实现足够的轴向变形（>1.0mm），同时减少径向变形以最小化VCM驱动期间的干扰。

在压缩试验期间，制造的柔性基础表现出高度线性的行为，从而证实了数值模拟结果。

进一步地，研究人员模拟了N50钕环形磁体（R0545，SuperMagnetMan）所承受的磁力，ANSYS模拟表明，要达到1.17 mm的最大轴向变形，需要52.96 mN的力（线圈/磁体在设计位移范围内可轻易获得的力），这验证了该论文中提出的轴向平移机构的可行性。在循环收缩和延伸运动期间，透镜支架中的模拟位移场主要沿光轴平移。

△图|弹性透镜座的工作原理及优化。（来源：该论文）

清晰，好用

最后，研究人员使用AM30对组装的微型显微镜的性能进行了实验验证。实验采用一对生物样本进行测试，结果表明其轴向空间偏移1.0mm，横向偏移0.8-1.2mm。由于轴向偏移大于系统景深（DOF），研究人员通过驱动VCM来平移成像透镜，以使所需的物体聚焦。

随后研究人员使用家蝇和蜜蜂作为样本，对焦家蝇时，可清晰得观察到其网格结构，随后平移对焦蜜蜂也可观察到清晰的相关图像。在聚焦叠加之后，与单帧相比，两个对象都同时聚焦，没有任何退化，从而扩展了系统DOF。

△图|通过聚焦叠加演示主动聚焦和扩展景深。（来源：该论文）

研究人员表示，尽管低表观图像对比度导致焦点堆叠重建保真度降低，但实验成功地集成了不同制造方法的光学组件，证明了所报告的统一AM制造和PCR策略的优势。

综上所述，研究人员建立了一个统一的增材制造过程，实现了PCR策略和被动对准功能，从而提高了小型化成像系统的组装难度并节约了成本。此外，这种与数字制造过程相关的灵活性使这种低成本的成像平台能够作为开源项目轻松定制并传播给更广泛的用户群体，并大大扩展了增材制造的应用场景。

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参考资料：

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

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