基于3D打印集成透镜-双棱镜的大视场透射立体显微镜对比度增强技术

《Microscopy and Microanalysis》：A Large 3D-Printed Integrated Lens-Biprism Element Enhances Contrast in Transmission Stereomicroscopy

本刊推荐：研究人员针对传统立体显微镜在透射照明模式下因单光束共享导致的视场照明不均、样本对比度差的问题，开展了一项通过3D打印集成透镜-双棱镜元件优化照明路径的研究。该元件将点光源发散光转换为两束平行会聚光束，使照明均匀性提升67.62%，显著增强透明生物样本中折射结构的可视性，为生命科学领域提供了一种低成本、易操作的显微镜改进方案。

　　

在生物医学研究中，科学家常需要观察透明或半透明的样本，如细胞、组织切片或微生物。然而，传统的立体显微镜（stereomicroscope）在透射照明（transillumination）模式下存在一个固有缺陷：单一入射光束在样本平面被左右两个偏置的检测轴共享，导致照明不均匀和视场边缘暗区。这种设计尤其不利于透明样本的成像，因为样本的折射率微变化难以转化为足够的对比度，使得许多亚细胞结构无法清晰辨识。

目前改善立体显微镜成像质量的方法多依赖昂贵设备或复杂工艺，例如光纤照明优化、微流控透镜阵列或超构表面（metamaterial）透镜技术，这些方案成本高且不易普及。为此，来自英国思克莱德大学和格拉斯哥大学的研究团队在《Microscopy and Microanalysis》上发表了一项创新研究，提出通过消费级3D打印技术制造集成透镜-双棱镜（integrated lens-biprism）元件，以极低成本实现照明路径的物理优化，显著提升图像对比度和结构分辨能力。

研究人员设计了一种一体式光学元件，其前端为凸透镜面，用于收集并准直光源发出的发散光束，后端为双棱镜结构，将光束分为两束平行光，最终在样本平面交汇。该元件放置于光源与样本之间，通过精确计算透镜曲率半径（R₁=75 mm）和棱镜楔角（72.5°），确保光束均匀覆盖约15 mm的视场。元件采用光固化树脂（n_R=1.51）打印，并经旋涂抛光处理以提高透光率。

在技术方法上，作者首先通过几何光学理论推导出元件参数，使用 Fusion 软件建模并导出为.STL 文件，借助 Mars 3 Pro 3D 打印机以10 μm层厚打印。打印件经异丙醇清洗、气吹干燥和紫外固化后，通过定制旋涂夹具在光学表面覆盖液态树脂层，以2000 rpm转速抛光形成光滑透光面。该元件被集成于 Greenough 型立体显微镜（XTL-3400）照明路径中，配合三层毛玻璃扩散板使用，通过 CMOS 相机采集图像，并利用 FIJI 软件进行图像配准、强度分析和对比度量化。

A Large 3D-Printed Integrated Lens-Biprism Element Enhances Contrast in Transmission Stereomicroscopy

A 3D Printed Lens-Biprism Transilluminator Improves Field Illumination

通过对比标准透射照明、三层扩散板照明及透镜-双棱镜组合照明三种设置，研究发现标准照明下视场存在明显亮度不均和视差（图2a–b）；加入扩散板后照明范围扩大，但仍有左右亮度差异（图2c–d）；而集成透镜-双棱镜元件后，视场照明均匀性显著提升，视差基本消除（图2e–f）。量化分析显示，该元件使照明均匀区域覆盖整个15 mm视场。

Homogeneous Illumination Using a 3D Printed Biprism Transilluminator Enhances Contrast

在生物样本验证中，以金鱼鳞片（Carassius auratus）和洋葱表皮（Allium cepa）为对象，透镜-双棱镜照明方案展现出显著优势。金鱼鳞片生长环带在传统照明下对比度低（图3a），而新方案下环带轮廓清晰可见（图3b）。线性ROI强度分析表明，归一化对比度从0.1986提升至0.3329，增幅达67.62%（图3c）。此外，活体洋葱表皮时间序列成像显示，新方案能清晰捕捉细胞核动态、胞质环流和细胞间液流动等现象，而传统照明难以分辨这些结构（图4a–b）。

本研究通过理论推导、光学设计、3D打印与实验验证，成功开发了一种低成本、易集成的立体显微镜照明优化方案。该透镜-双棱镜元件不仅显著提升透明样本的成像对比度，还避免了数字后处理可能引入的伪影问题。其材料成本仅约1.65英镑，且兼容偏振成像等扩展功能，在生物医学、材料检测、法医鉴定等领域具有广泛适用性。该工作为传统光学仪器的低成本升级提供了新思路，尤其适用于资源有限的研究环境与野外便携场景，有望推动立体显微镜在生命科学和临床诊断中的更广泛应用。