Para peneliti telah menunjukkan bahwa printer 3D kelas konsumen dan material berbiaya rendah dapat digunakan untuk menghasilkan komponen optik multi-elemen yang memungkinkan pencitraan super-resolusi, dengan setiap lensa berbiaya kurang dari $1 untuk diproduksi. Pendekatan fabrikasi baru ini siap untuk memperluas akses ke komponen optik yang sepenuhnya dapat disesuaikan dan dapat memungkinkan jenis alat pencitraan yang sama sekali baru.
“Kami menciptakan komponen optik yang memungkinkan pencitraan blok bangunan terkecil kehidupan dengan tingkat detail yang luar biasa,” kata penulis utama Jay Christopher dari Universitas Strathclyde di Inggris. “Pendekatan ini membuka kemungkinan untuk sistem pencitraan yang disesuaikan dan membuka skenario pencitraan yang secara tradisional tidak mungkin dilakukan atau membutuhkan layanan pembuatan kaca yang mahal.”
Dalam jurnal Biomedical Optics Express , para peneliti menjelaskan desain lensa dan proses pembuatannya, yang menggabungkan pencetakan 3D, pencetakan silikon, dan resin bening yang dapat mengeras dengan sinar UV. Mereka menggunakan lensa mikro yang dibuat dengan teknik mereka untuk menciptakan mikroskop iluminasi terstruktur multifokal yang memvisualisasikan mikrotubulus dalam sitoskeleton sel dengan resolusi sekitar 150 nm.
“Pendekatan baru kami dapat memberdayakan para ilmuwan dan perusahaan untuk mengakses alat-alat yang sebelumnya hanya dapat diakses melalui teknologi khusus dengan biaya tinggi,” kata Christopher. “Dengan menggunakan printer 3D dan material yang ramah anggaran, mereka dapat memproduksi komponen mereka sendiri untuk memecahkan masalah yang mereka hadapi dan, pada gilirannya, menghasilkan solusi penelitian dan pengembangan produk yang unik.”
Lensa murah untuk pencitraan tingkat lanjut
Penelitian ini didasarkan pada karya sebelumnya di mana para peneliti menunjukkan bahwa printer 3D dan material kelas konsumen dapat digunakan untuk membuat lensa dasar yang identik dengan optik yang diproduksi di pabrik. Lensa-lensa ini, di antara yang lainnya, digunakan untuk menghasilkan mikroskop yang sepenuhnya dicetak 3D .
“Dengan teknologi pencetakan 3D kelas konsumen yang semakin canggih dan presisi setiap tahunnya, ambisi kami berkembang dari sekadar melihat apakah lensa cetak 3D dapat digunakan untuk pencitraan biologis secara umum, hingga seberapa jauh lensa cetak 3D benar-benar dapat digunakan dalam konsep pencitraan canggih terbaru,” kata ketua tim peneliti, Ralf Bauer.
Untuk penelitian terbaru ini, para peneliti ingin membuat lensa murah yang dapat digunakan dalam mikroskop iluminasi terstruktur multifokal (SIM). Jenis mikroskop ini menggunakan cahaya berpola pada beberapa titik fokus untuk menerangi sampel, menangkap beberapa gambar yang kemudian digabungkan secara komputasi untuk mengungkapkan detail yang lebih kecil dari batas difraksi normal.
Untuk menciptakan lensa berkualitas tinggi untuk mikroskop, para peneliti perlu mencari cara untuk mengurangi hamburan optik yang mereka amati ketika memfokuskan laser melalui lensa yang dicetak 3D. Hamburan ini terjadi karena lensa dicetak lapis demi lapis menggunakan layar berpiksel, yang dapat menyebabkan efek difraksi yang tidak diinginkan pada lensa. Mereka mengembangkan metode pencetakan untuk membantu menghilangkan masalah ini.
Membuat lensa yang ramah laser
Pendekatan fabrikasi baru ini dimulai dengan proses pencetakan 3D tipikal yang melibatkan perancangan optik dalam perangkat lunak CAD yang tersedia secara gratis, kemudian menggunakan printer 3D untuk membuat desain tersebut. Setelah beberapa langkah pemrosesan sederhana, ini menghasilkan optik mentah yang dicetak 3D.
Untuk meningkatkan kejernihan dan transparansi lensa, para peneliti menambahkan lebih banyak material pencetakan 3D ke setiap permukaan lensa untuk menghaluskan lapisan tipis yang dihasilkan oleh pencetakan 3D. Pendekatan aditif ini, yang jauh lebih cepat daripada pendekatan pemolesan tradisional, menciptakan lensa yang dirancang khusus dengan permukaan yang cukup halus untuk bersaing dengan lensa kaca kelas komersial.
Untuk mikroskop iluminasi terstruktur multifokal, mereka merancang dan mencetak susunan lensa kecil (lenslet array ), yaitu optik tunggal yang terdiri dari banyak lensa kecil pada permukaan yang sama. Desain optik ini memungkinkan terciptanya banyak titik iluminasi dalam mikroskop, mempercepat kemampuan untuk menangkap detail kecil dalam sampel biologis.
Setelah mencetak dan menyempurnakan susunan lensa mikro, para peneliti membuat cetakan silikon darinya yang kemudian mereka isi dengan resin bening yang dapat mengeras dengan sinar UV yang murah. Ini menciptakan bagian optik yang tidak mengalami efek difraksi.
Para peneliti menggunakan pengukuran permukaan presisi untuk membandingkan optik berbiaya rendah mereka dengan optik komersial kelas atas dan ekonomis, dan menemukan bahwa permukaan lensa yang dicetak 3D sangat cocok dengan kedua jenis permukaan optik komersial tersebut. Kemudian, mereka menggunakan susunan lensa optik yang dicetak 3D dalam mikroskop iluminasi terstruktur multifokal prototipe laboratorium mereka, dan mengamati data biologis resolusi super yang kualitasnya hampir identik dengan data yang diperoleh menggunakan susunan lensa kaca komersial.
Selanjutnya, para peneliti berencana untuk mengeksplorasi lebih lanjut kebebasan desain penuh yang ditawarkan oleh pencetakan 3D optik. Misalnya, pendekatan ini dapat digunakan untuk menghasilkan beberapa titik fokus dalam tiga dimensi, untuk mengeksplorasi desain pencitraan dan penginderaan yang terinspirasi dari biologi , atau untuk menggabungkan berbagai material untuk membuat komponen tunggal yang terjangkau yang menggabungkan fitur transparan dan buram untuk fungsionalitas tambahan.