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AM易道导语：
在全球超过50亿美元规模的光学镜片市场中，一项来自英国的3D打印研究或将启发新的制造方式。![]()
从智能手机镜头到医疗内窥镜，从天文望远镜到显微镜，光学镜片作为现代科技之眼，一直是高精密制造的代名词。传统光学镜片的制造需要复杂的研磨、抛光工艺，动辄数月的生产周期和高昂的设备投入，让这个领域长期被少数巨头把持。过去十年，3D打印技术虽然在多个领域取得突破，但在光学镜片制造方面却屡屡受挫。最大的难题在于：如何在亚微米级别实现表面的光学质量。传统的FDM和SLA打印技术都难以突破层痕和表面粗糙度的限制，这让许多专家认为3D打印永远无法在精密光学领域立足。然而，2024年12月，这个固有认知正在被英国斯特拉斯克莱德大学的研究团队逐步打破。![]()
他们成功开发出了世界首个全3D打印显微镜，其核心部件—光学镜片的制造成本仅为传统工艺的1/70。这个仅需7英镑（约60人民币）材料成本的显微镜，如何实现了堪比万元级设备的成像效果？要理解这项创新的重大意义，我们需要先了解当前医疗显微镜领域面临的核心挑战。在全球医疗资源分配不均的现状下，一台基础的医用显微镜动辄数十万人民币价格，往往让基层医疗机构望而却步。而这仅仅是初始投入，后续的维护、配件更换等问题，更是让许多医疗机构陷入两难：面对这一困境，研究团队提出了一个令人耳目一新的解决方案：将3D打印技术与开源硬件设计相结合，开发出一款材料成本仅需7英镑的全3D打印显微镜。这不仅意味着成本降低了近70倍，更重要的是开创了医疗器械本地化制造的新模式。他们选择了开源的OpenFlexure v6方案（下图的网站内有一切关于该方案的资料）作为基础框架，开源设计不仅降低了开发门槛，更为后续的改进优化提供了充分空间。![]()
从Figure 1的分解图中，我们可以清晰地看到整个系统的模块化设计：显微镜主体呈灰色，各功能部件通过不同颜色标识 ：LED光源（橙色）、3D打印聚光镜（洋红色）、3D打印物镜（蓝色）和CMOS相机（绿色）。![]()
这种清晰的模块划分不仅便于组装维护，更为功能扩展预留了充足空间。在机械结构制造环节，团队选用了拓竹X1C打印机作为核心装备。通过精心优化的打印参数：0.2毫米的喷嘴直径和层高，配合15%的填充密度，在保证强度的同时实现了高效生产。整个打印过程仅需10小时，使用260.9克PLA材料，成本仅为6.52英镑（约60人民币）。这些参数的选择都经过深入的实验论证，是效率和精度的最佳平衡点。在光学系统开发方面，他们成功开发了3D打印物镜和聚光镜，这在此前被认为是难以逾越的技术壁垒。物镜采用20毫米焦距的平凸镜片设计，聚光镜则使用35毫米焦距方案。这种光学设计不仅确保了良好的成像质量，更大大简化了制造流程。光学元件的制造工艺方面他们选用Mars 3 Pro打印机搭配Formlabs公司的特制透明树脂（型号RS-F2-GPCL-04），将打印层高精确控制在10微米，每层的曝光时间通过大量实验确定为9秒。后处理工艺的开发方面，他们设计了一套三阶段处理流程：首先是基础清洗，使用高纯度异丙醇进行精确9分钟的清洗，随后用压缩空气进行表面干燥，并在385/405纳米波长的紫外光下进行15分钟固化。第二阶段的高速旋涂技术是核心。
当镜片以2000转每分钟的速度旋转时，液态树脂在离心力作用下会形成一层均匀的薄膜。
旋涂薄膜是解决3D打印加工层纹遗留的关键步骤之一。
10秒的处理时间则是通过大量实验确定的最佳值，在这个时间点，树脂膜能达到最理想的均匀性。
最后的真空辅助技术则解决了传统3D打印光学元件最棘手的问题。
在接近完全真空的90kPa环境下，不仅能清除树脂中的微小气泡，更重要的是利用树脂自身的表面张力形成完美平面。
就像水滴在失重环境中会自动形成球形一样，树脂在真空中会在表面张力作用下形成理想的平整表面。
这后面两道工序的组合，让研究团队成功实现了接近传统光学元件的表面质量，为3D打印在精密光学领域开辟了新可能。
研究团队采用了一系列严格的标准测试方法来评估这套全3D打印显微镜的性能。通过对美国空军分辨率测试板（USAF resolution test target）的成像分析，我们能够直观地看到系统的成像能力。![]()
从Figure 2中可以观察到，原始图像确实存在一定的色差现象，这是3D打印光学元件固有的特性。然而，研究团队通过前面提到的创新的后处理算法成功克服了这一挑战。在Figure 2a和2b的对比中，我们可以清晰地看到色差校正的效果。原始图像中的色散现象在校正后得到了显著改善，而图像的空间分辨率丝毫未受影响。通过Figure 2c展示的强度曲线分析，我们可以看到校正后的图像不仅保持了原有的空间细节，对比度还得到了明显提升。最终，系统实现了4.922微米的空间分辨率，这一水平已经完全满足常规医学诊断的需求。照明系统的均匀性同样是显微镜性能的关键指标。研究团队使用10毫米标尺作为测试样本，进行了系统的定量分析。![]()
如Figure 3所示，在1.7毫米的视场范围内，照明强度的均匀性保持在较好水平，从中心到边缘的亮度衰减仅为24%。这个性能指标对于常规的医学诊断应用来说已经完全够用。更值得一提的是，系统实现了2.9倍的有效放大倍率，这与理论设计值完全吻合。理论性能的验证只是第一步，研究团队更关注系统在实际医学诊断中的表现。他们选择了两类典型的临床病理样本进行测试：吉姆萨染色的血涂片和H&E染色的小鼠肾脏切片。这两类样本的选择极具代表性，因为它们分别代表了不同尺度和复杂度的生物结构观察需求。![]()
从Figure 4a中，我们可以看到血涂片的成像中，系统不仅能够清晰地分辨单个红细胞的形态，而且在整个1.7毫米的视场范围内都保持了出色的成像质量。两个局部放大区域（ROI）的对比结果尤其值得关注：即使是使用单个3D打印镜片作为物镜，系统仍然能够提供足够平整的成像平面，这一点对于血液学诊断至关重要。![]()
更具挑战性的是H&E染色的组织切片观察（Figure 4b）。在这个样本中，我们不仅能够清晰地识别包含红细胞的小叶间动脉（图中白色箭头所示），更能在放大区域中分辨出肾单位的精细结构，包括髓质射线中肾元的复杂排列。这种成像效果充分证明了3D打印光学系统在复杂组织观察中的实用价值。AM易道认为，研究团队选择完全开源的发展路线具有深远的战略意义。通过将所有设计文件和制造工艺公开，他们不仅降低了技术门槛，更为全球医疗器械的创新发展提供了一个全新思路。整个显微镜系统的核心部件都可以通过足够入门的消费级3D打印机完成制造。机械结构使用普通的PLA材料，在配备0.2毫米喷嘴的打印机上即可完成。光学元件则通过入门级的光固化打印机和标准透明树脂制造，整个过程无需特殊的工业设备支持。这种高度本地化的制造能力，为医疗资源匮乏地区提供了一个可行的解决方案。虽然本文生产的显微镜的技术指标还仅仅只是入门级，但研究成果除了是3D打印应用的一次展示，更是对全球医疗资源分配问题的一次深刻思考。![]()
透过这个造价仅60多人民币的医学显微镜，我们看到的是科技创新给人类社会（尤其是欠发达地区）带来的无限可能。如果跳出医疗领域，望远镜、传感器、电子、摄像头、投影乃至3D打印自身等所有会涉及到光学镜片的领域都值得思考一遍，有哪些场景可以用3D打印结合开源方案制造下一个“60人民币的专业医学显微镜”？这些问题的答案，也许比我们想象的更近。
当光学制造不再是少数企业的专利，当创新不再受限于昂贵的加工设备，也许，下一个改变世界的光学创新，就发生在你的3D打印机旁。
您觉得这项技术会首先在哪个领域掀起新浪潮？
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Reference:
1.:https://doi.org/10.1101/2024.12.16.628684
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