OpenFlexureMicroscopeメモ の履歴(No.3)
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OpenFlexureMicroscopeはflexure（曲げ）を利用した試料移動メカニズムを採用した、デジタルカメラで画像を撮るタイプの顕微鏡です。ステッピングモーターでXYZ方向の試料移動が自動化されています。3Dプリンターでは金属のような精密な加工はできないし、材料は変形しやすいので、精密ステージのようなメカニズムはうまく機能しません。そのためにflexureを利用して変位させるのがこの顕微鏡独自のアイデアです。
この顕微鏡の本体部分は3Dプリンターで印刷することができますし、それ以外も市販のパーツを集めて、顕微鏡を作ることができます。これらの作成方法等は公開されており、誰でも作ることができるようになってます。基本は倒立型有限光学系の透過顕微鏡ですが、反射、蛍光、偏光、無限光学系、uprightタイプなど色々なバリエーションが作られています。flexureを使った移動機構の説明はRev. Scientific Inst.の論文が分かりやすいと思います。それとbioRxivの論文も。どちらもオープンアクセスです。
制御（モーターやカメラ）にはラズパイ(Raspberry Pi)を使ってます。顕微鏡制御のみラズパイにやらせて観察はPCでするか、ラズパイで観察まですることもできるようです。後者の場合はラズパイ4Bが必要だと思います。標準ではラズパイの公式カメラを使って試料を観察します。
私は顕微分光装置の一部として顕微鏡部分を作ることがよくあるので、この顕微鏡に興味を持ちました。機構から見てあまり重いものは載せることはできなさそうですが、試料部の走査などで参考になるところがありそうです。そこで作成してみることにしました。3Dプリンターを昨年購入して、Sunscanなど印刷して経験しているのも後押ししてくれてます。
作成しているのは最新版Ver.7のものです。とりあえずは基本の倒立型で透過照明の顕微鏡を作成してますが、無限光学系や反射、偏光ができるものへの改造も考えています。XYZ軸はステッピングモーターで駆動します。ステッピングモーターでネジを回転させて、そのネジがレバーを押して、そのレバーがflexureを押して変位が生じるようになってます。
作成に必要な主要パーツを含むキットが複数のベンダーから現在入手可能となってます。ちょっと調べた感じでは、TauLabかIO Rodeoがよさそうでした。IO Rodeoでは3Dプリントしたパーツを含むキットが200ドル、含まないものが135ドルで売られています。これらにはラズパイカメラ、照明部分とSangaboardが含まれています。一方、ラズパイ4Bと対物レンズとチューブレンズが含まれていません。なおlow cost版はラズパイカメラのレンズを対物レンズに流用するので、別途対物レンズは必要ないようです。
私はキットではなく自分で作ることを選びました。これはキットに含まれるパーツの一部を既にいくつか持っていることがあります。さらに照明部分とモーターのラズパイ対応ドライバーボード(Sangaboard)は既製品をキットを売っているところで買った方が簡単なのですが、それらも自作で対応することにしました。ただ照明部分とモータードライバーを自作する場合は、標準の組み立て方法ではなく、それらの部分については"Customisations and alternatives"の"No access to the ilumination PCB"と"No access to the Sangaboard"のところを参照して同等品を作る必要があります。
まずはパーツの印刷から。手順では最初にflexure部分をテスト印刷することが要求されます。これで自分の持っている3Dプリンターで印刷可能かどうかの判断ができます。比較的小さいパーツでそれほど時間もかからないので、プリンターの適切な条件を見つけるためにも使えます。これがうまく印刷出来ない場合はキットを買うか、印刷を外部に依頼する必要があります。私の場合はAnkerMakeのM5CでPLA+フィラメント、0.4 mmのノズルで印刷してみましたが、特に問題はなかったので自分でパーツを印刷することにしました。最初に0.2 mmノズルを試しました。表面などは綺麗になるのですが、印刷に時間がかかりすぎるので止めました。
なおいくつかプリンター設定を変える必要がありました。まずサポートを使いません。スライサーでサポートを使うように警告が出ることがありますが、無視します。また本体部分のみはbrim（つば）自体がstlに含まれているので、brimを無効にします。layer heightは0.2 mmに、Slice gap closing radiusは0.001 mmに設定。ちょうど白と黒のフィラメントを持っていたので、本体側は主に白、スタンド側とギアは黒で印刷しました。なお対物レンズを取り付けるパーツは黒で作る必要があります。なお、無限光学系にするとかの場合はスタンドを高さが高いバージョンで作る必要があります。
一応必要なパーツは印刷できました。オーバーハング部分（中空に浮いている部分）がサポートなしでうまく印刷されるか気になりますが、フィラメントの垂れ下がりが本体とスタンドで一部ありましたが、装置の機構に影響を及ぼすほどではないようなので、これでOKとしました。本体部分(main_body)が一番印刷時間がかかり、９時間弱でした。
１箇所だけネジを印刷しているパーツがあります。RMS対物レンズをネジで取り付けるパーツのところで、対物レンズが届いたので取り付けてみたところ問題なく固定されました。
印刷された本体を触ってみると、flexureをどう使ってX,Y軸移動、Z軸移動させているかがよく分かります。
顕微鏡には色んなバリエーションがありますが、作成の情報等は少なくなるようです…
顕微鏡作成の手順の最初のところにパーツリストがあります。照明部分とSangaboardを使わない場合にはそこに含まれていないパーツも必要になります。また倒立型でないタイプや無限光学系などでは違うパーツを使ったり、部品が増えたりするので要注意。キットだとネジ類も一式用意されているので便利なのですが…
現在(2025/01/19)まだ届いてないパーツがあるので、それらを待っているところ。