怎么就儀器的設(shè)計(jì)進(jìn)行頭腦風(fēng)暴。怎么規(guī)劃和測(cè)試光學(xué)設(shè)計(jì)。怎么使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件來(lái)設(shè)計(jì)主體和定制部件。怎么訂購(gòu)部件，并制造定制的機(jī)械和光學(xué)濾光片部件。怎么借用組件來(lái)測(cè)試其性能和集成的簡(jiǎn)易性。怎么組裝原型。怎么編碼顯微鏡控制軟件。怎么根據(jù)性能細(xì)化自定義組件。怎么進(jìn)行原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。怎么開(kāi)發(fā)和改進(jìn)圖像處理軟件。
十步DIY 顯微鏡制作顯微鏡非常復(fù)雜。但霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所珍利亞研究園區(qū)（Howard Hughes Medical Institute’s Janelia Research Campus）的物理學(xué)家 Philipp Keller 把這個(gè)過(guò)程拆分成十個(gè)可行的步驟：怎么就儀器的設(shè)計(jì)進(jìn)行頭腦風(fēng)暴。怎么規(guī)劃和測(cè)試光學(xué)設(shè)計(jì)。怎么使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件來(lái)設(shè)計(jì)主體和定制部件。怎么訂購(gòu)部件，并制造定制的機(jī)械和光學(xué)濾光片部件。怎么借用組件來(lái)測(cè)試其性能和集成的簡(jiǎn)易性。怎么組裝原型。怎么編碼顯微鏡控制軟件。怎么根據(jù)性能細(xì)化自定義組件。怎么進(jìn)行原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。怎么開(kāi)發(fā)和改進(jìn)圖像處理軟件。
第一步是光學(xué)設(shè)計(jì)。這一步需要使用專(zhuān)門(mén)的軟件——Keller 和 Legant 使用的是 OpticStudio 軟件（可從華盛頓州柯克蘭市的 Zemax 公司獲得）。這類(lèi)軟件可以仿真，根據(jù)需要的分辨率和特性來(lái)安排激光器、透鏡、反射鏡和其它光學(xué)部件的正確分布。
然后，機(jī)械工程師根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果，思考如何把所有這些部分真實(shí)地融合在現(xiàn)實(shí)世界中，例如用螺栓把零件固定在光學(xué)平臺(tái)上。一位在珍利亞研究園區(qū)和 Keller 合作的機(jī)械工程師 Brian Coop 表示，在此之前，你看到的，只是一排漂浮在空中的鏡頭。這需要他來(lái)把這些設(shè)計(jì)落實(shí)。
現(xiàn)階段最大的挑戰(zhàn)是其物理限制。當(dāng)顯微鏡必須專(zhuān)注于幾微米乃至幾納米的尺寸時(shí)，幾乎不允許誤差的存在。鏡頭、透鏡和激光器需要精確對(duì)準(zhǔn)，以產(chǎn)生有用的對(duì)焦圖像。Coop 需要考慮的是怎么排除微小的變化（如金屬的熱膨脹）對(duì)對(duì)焦的影響。Coop 指出，嚴(yán)格確保光學(xué)元件排布的準(zhǔn)確性會(huì)讓后面的工作簡(jiǎn)單一些。
在準(zhǔn)備部件時(shí)，會(huì)盡可能多地使用現(xiàn)成的零件制造顯微鏡，或者重復(fù)使用以前的零件。但是每臺(tái)顯微鏡都至少有一些定制的部件，因此 Coop 必須自己去機(jī)器車(chē)間設(shè)計(jì)，甚至制造自己需要的部件。
例如，最新的顯微鏡的樣品室具有端口，可方便四個(gè)物鏡浸入到樣本所在的液體介質(zhì)中。但這樣，要確保鏡頭被嚴(yán)格密封，防止液體浸入，同時(shí)還要保證每個(gè)鏡頭都可以獨(dú)立移動(dòng)。另外，由于物鏡之間的距離非常近，只有 100 微米的間隙，同時(shí)尺寸和形狀各不相同，所以 Coop 必須調(diào)整樣品室和密封，以適應(yīng)各種可能的組合。他估計(jì)每個(gè)樣品室的設(shè)計(jì)和制作需要兩到三天時(shí)間，花費(fèi)在 800 美元到 1000 美元之間。
一旦光學(xué)和機(jī)械工程師完成了原型組裝，軟件開(kāi)發(fā)人員和計(jì)算機(jī)科學(xué)家便會(huì)加入，開(kāi)發(fā)軟件，以確保這些部件能夠正常工作，并能夠生成可用的圖像。許多顯微鏡制造商使用名為 LabVIEW 的商業(yè)軟件包來(lái)控制他們的顯微鏡。但據(jù)珍利亞研究員園區(qū)的程序員 Daniel Milkie 表示，當(dāng)機(jī)器變得更加先進(jìn)時(shí)，有時(shí)需要定制解決方案。
他們之所以設(shè)計(jì)新的工具和新型顯微鏡，其實(shí)是在突破硬件能力的極限，因此他們需要有專(zhuān)門(mén)的軟件來(lái)獲得最大的性能。該訣竅在于確保軟件具有足夠的靈活性，能夠快速調(diào)整以滿足新的要求，如更多的檢測(cè)器。鑒于此，Milkie 選擇將代碼模塊化，這意味著軟件很容易整合新的元素，而不必從頭開(kāi)始。
但是，軟件方面最大的挑戰(zhàn)是如何處理顯微鏡產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)。高速攝像機(jī)每秒可以產(chǎn)生千兆字節(jié)的數(shù)據(jù)，有些機(jī)器可以同時(shí)運(yùn)行多臺(tái)攝像機(jī)。例如 Betzig 實(shí)驗(yàn)室每年可以生成 50-100 兆兆字節(jié)的數(shù)據(jù)。既然有這么大量的數(shù)據(jù)生成，就需要一個(gè)解決方案。
看起來(lái)一點(diǎn)都不像傳統(tǒng)的顯微鏡。所有部件——鏡子、鏡頭、激光器、照相機(jī)和樣品室——都被連接到重量為幾噸的桌子上的各種支柱和夾具上，以防止顯微鏡受到振動(dòng)的影響。Legant 表示，這就像一個(gè)精致的樂(lè)高套件。
從頭開(kāi)始制造顯微鏡至少需要一年，但如果團(tuán)隊(duì)可以回收利用前一代儀器的零件和軟件，則可以減少這個(gè)時(shí)間。而且由于設(shè)計(jì)需要越來(lái)越高級(jí)的定制，開(kāi)發(fā)成本只會(huì)越來(lái)越高。Keller 在 2005 年構(gòu)建 DSLM 的成本約為 5 萬(wàn)美元，而后來(lái)的機(jī)器需要 10 萬(wàn)到 20 萬(wàn)美元。他在 2015 年的最新版本——各向同性多視圖顯微鏡（isotropic multiview microscope）——成本高達(dá) 100 萬(wàn)美元。Keller 感慨，花 5 萬(wàn)美金打造一個(gè)高級(jí)顯微鏡的日子一去不復(fù)返了。
定制顯微鏡的使用也很復(fù)雜，因?yàn)橥ǔＳ脩粜枰鶕?jù)每個(gè)實(shí)驗(yàn)，手動(dòng)更改大量設(shè)置和校準(zhǔn)——這是商業(yè)制造商極力避免的。不過(guò) Waterman 指出，這不應(yīng)該是一個(gè)障礙。這是你在顯微鏡入門(mén)課程中應(yīng)該學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)知識(shí)。
