我來自位于瑞士蘇黎世的IBM歐洲研發(fā)中心，我們團隊的主要工作是針對醫(yī)療應用開發(fā)微流體技術。兩年前，我要為一場大型技術活動提供我們微流控芯片的高質量照片和視頻。我向同事借了一臺4K攝影機，在上面增加了一個微距鏡頭，用LED矩陣和聚酯薄膜制作了一個專用的光擴散器，再用高端三腳架和幾個顯微操縱器定位所有部件。當液體充滿微流體通道時，我拍出了非常吸引人的視頻。我很清楚，這應成為出版物和各類展示質量與風格的新水準。但是，我的拍照裝置占據(jù)了實驗室的半個工作臺，需要幾個小時的細致調整才能拍出一張照片。

IBM歐洲研發(fā)中心一直有發(fā)明顯微鏡的傳統(tǒng)。1981年，格爾德?賓尼（Gerd Binnig）和海因里希?羅勒（Heinrich Rohrer）在這里創(chuàng)造了掃描隧道顯微鏡。作為DIY愛好者，我很快開始著手制造更好的設備。結果便是價值300美元的模塊化電動顯微鏡，并融入了我成年后的3項最愛：微控制器Arduino、樹莓派和樂高。 給微流控芯片拍照片并不容易。這些芯片通常尺寸過大，無法全部納入標準顯微鏡的視野中，但它們的精細特性又無法通過常規(guī)相機解析。由于芯片多以高反射率材料或透明材料制成，均勻的照明也非常關鍵。看看其他研究小組的出版物便會發(fā)現(xiàn)，這顯然是一項具有共性的挑戰(zhàn)。為此，我利用部分空閑時間設計了一款多功能的緊湊型實驗室儀器，幾乎可以從任意角度拍攝微距照片。

我的第一個原型機是樹莓派相機模塊，模塊安裝在基座平臺上，用舊CD-ROM驅動器中的線性步進電機機構來實現(xiàn)3個維度上的移動。樹莓派相機是理想的選擇，可以手動調整ISO設置和曝光時間等關鍵參數(shù)。小心地卸下固定鏡頭的塑料外殼，互補金屬氧化物半導體（CMOS）圖像傳感器便露出來了，我設計了精細的機械部件，可對鏡頭的前后移動進行微調，以便拍攝高倍放大的微距照片。這臺裝置正常工作了一段時間，但它非常脆弱。有好幾次，我無意中將移動部件推出了最大活動范圍，導致鏡頭機械部件和圖像傳感器損壞。

于是我決定換個方法。我將整個鏡頭從樹莓派相機上取下，然后從一臺廉價的USB顯微鏡中取出物鏡，安裝在另一個CD-ROM線性傳動器上，令物鏡可以沿著樹莓派相機的光軸前后移動。我用樂高積木造了個外殼，保護裸露的相機傳感器。 然而，這次嘗試除了讓我認識到顯微鏡線性平移臺昂貴的價格外，一無所獲。CD-ROM傳動器的行程太短，無法實現(xiàn)高倍放大。 我又換了3D打印機使用的絲杠機構。用3毫米直徑的組件替代常用的8毫米直徑螺紋、軸和軸承，使結構更為緊湊。此外，移動物鏡會導致在消除雜散光時出現(xiàn)問題，因此我決定改為移動相機傳感器。我建了一個平臺，拍攝對象可以沿著x軸和y軸移動并旋轉。我一共用了6個帶齒輪箱的微型步進電機，用于移動平臺、調整顯微鏡的傾角、調節(jié)顯微鏡與拍攝對象的距離并進行圖像對焦。

為實現(xiàn)更緊湊的結構，我常常自己設計Arduino電路板。這次，我設計的是18毫米×18毫米的電路板，配備了ATtiny84微控制器和DRV8834步進電機驅動器。此裝置的圖像質量令人驚嘆，不僅可拍攝精美的芯片圖片，還能用于觀查物體尺寸僅為幾微米的特征，甚至還可以用作測量接觸角的數(shù)字測角儀。我做這個項目本是為了滿足特定的需求，但我逐漸認識到，它也可以成為能夠在家中或學校組裝并使用的多功能圖像系統(tǒng)。

IBM和我的經理都支持我公開共享組裝說明。但當我準備公開發(fā)布組裝說明時，卻遇到了一系列問題。在制作過程中，我用的是最先進的3D打印機和設備齊全的機械車間。另外，小型步進電機價格昂貴，在一般的電子產品商店中難以找到。通過專用的ISP編程器對ATtiny84進行編程也肯定不如通過USB端口對商業(yè)Arduino主板編程那么容易。于是，我坐回繪圖板前，用常見的組件重新設計了所有內容，例如Arduino主、Adafruit Industries的步進電機驅動器，以及28BYJ-48步進電機，這些花上幾美元便能在任何地方買齊。為了對DIY人士更友好，同時降低成本，我還替換掉了LED矩陣光源，以3美元的價格從Adafruit買了LED背光模塊并連接了大功率LED。強度略低于原始的LED矩陣，但反射光和透射光顯微鏡的光照均勻度都很好。至于新的線性傳動裝置，我用FreeCAD的齒輪工具箱設計了齒條齒輪組合，將它與樂高的“滑動”塊組裝在一起，用自己的Creality Ender 3打印機打印出來。新設計與原先版本相比，即使沒有改進，但也效果不錯。 改進的空間可能還有許多，我希望這一原型能夠帶動其他DIY人士嘗試更好的新想法。有可能替代實驗室顯微鏡嗎？也許不能，但對預算有限的學校而言卻不失為一個極好的解決方案，所以我們開源了說明文件，供大家調取并享受動手的樂趣。