用于超分辨率显微镜的低成本高质量透镜

研究人员证实，利用消费级3D打印机与低成本材料可制造出实现超分辨率成像的多元件光学元件，每个镜头的生产成本不足1美元。这一新制造方法有望推动全定制光学元件的普及，并可能催生全新类型的成像工具。

英国思克莱德大学的团队负责人Jay Christopher表示：“我们开发的光学元件能以极高的细节水平捕捉生命最小单元的图像。这一方法为定制化成像系统开辟了可能，并突破了传统上无法实现或依赖昂贵玻璃制造服务的成像场景限制。”

在《生物医学光学快报》期刊中，研究团队描述了结合3D打印、硅胶模具和紫外光固化透明树脂的透镜设计与制造流程。他们使用该技术制作的透镜阵列构建了一台多焦点结构照明明微镜，成功以约150纳米的分辨率对细胞骨架中的微管进行了成像。

Christopher指出：“这项新技术将使科学家和企业能够触及以往因高昂成本而被专业科技封锁的工具。利用经济实惠的3D打印机和材料，他们可自主制造组件以解决实际问题，从而催生独特的研究与产品开发方案。”

高级成像的低成本透镜

该研究基于团队早期工作——他们曾证明消费级3D打印机和材料可制造与工厂生产光学元件性能相当的基础透镜。这些透镜曾被用于制造完全3D打印的显微镜。

研究团队负责Ralf Bauer表示：“随着消费级3D打印技术逐年精进，我们的目标从探索3D打印透镜能否用于生物成像，扩展到挑战其在最新先进成像概念中的应用极限。”

在新研究中，团队旨在制造可用于多焦点结构照明显微镜（SIM）的低成本透镜。此类显微镜通过多焦点图案化光线照射样本，捕获多幅图像并经算法融合，从而突破常规衍射极限揭示更微小的细节。

为制备高质量显微镜头，研究人员需解决激光透过3D打印透镜时的光散射问题。这种散射源于逐层打印过程中像素化屏幕导致的衍射效应。为此他们开发了新型模具成型法以消除该问题。

制造适配激光的透镜

新制造流程始于常规3D打印步骤：通过免费CAD软件设计光学元件，经3D打印成型后简单处理得到原始光学件。为提升透镜透明度，研究者在透镜表面额外添加3D打印材料以平滑打印产生的薄层纹路。这种增材处理方法远比传统抛光工艺快捷，最终获得的定制透镜表面光滑度可与商用玻璃透镜媲美。

针对多焦点结构照明显微镜，团队设计并打印了透镜阵列——即在单一光学表面集成多个微型透镜。该设计能在显微镜中生成多个照明焦点，加速生物样本微观细节的捕捉。

完成透镜阵列的打印与精加工后，研究人员制作硅胶模具并注入廉价的紫外光固化透明树脂，最终获得无衍射效应的光学元件。通过精密表面测量对比，3D打印透镜表面质量与高端及经济型商用光学件相当。在实验室原型机中，该透镜阵列获取的超分辨率生物数据质量与商用玻璃透镜阵列几乎无异。

下一步，团队计划深入探索光学3D打印提供的全设计自由度。例如开发三维多焦点系统、研究仿生成像与传感设计，或融合多种材料制造兼具透明与不透明特性的多功能廉价元件。

相关链接：https://dx.doi.org/10.1364/boe.583760