用於顯微拉曼光譜儀的偏振方向連續協同調節裝置的製作方法

2023-06-06 05:34:26 1

專利名稱：用於顯微拉曼光譜儀的偏振方向連續協同調節裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於光學機械，具體涉及一種用於顯微拉曼光譜儀的連續協同調節入 射光和散射光偏振方向的裝置。
背景技術：
眾所周知，顯微拉曼光譜儀是一種將現代光學顯微技術與拉曼散射光譜儀相結合 的先進實驗分析儀器，被廣泛應用於諸多領域的實驗分析。利用雷射良好的偏振性分析被 研究對象在各種偏振光激發下的拉曼散射特性，是顯微拉曼光譜儀的一個重要應用的方 式，其中許多測量工作需要在實驗中隨時對入射光和散射光的偏振方向進行連續協同調 節。其中連續指的是偏振角度可調節為圓周內的任意角度，協同指的是始終保持入射光和 散射光偏振方向一致。然而，目前的各種顯微拉曼光譜儀均無法提供能夠實現該功能的裝 置，而普遍採用入射與散射各自獨立的裝置實現偏振調節。這樣一方面無法實現入、散光偏 振方向的連續調節，另一方面協同調節操作相當繁瑣，往往需要操作員反覆走動或者多實 驗員協作。而且多次調節容易給光譜儀帶入灰塵或其它雜物從而影響其精度和壽命。因此， 採用入、散偏振分別控制的現有實驗系統很難滿足需要隨時調整入射光和散射光偏振方向 的實驗分析，甚至使得一些實驗無法實施。鑑於此，本實用新型的提出可以解決顯微拉曼光譜儀入射光與散射光偏振方向的 連續協同控制的實施問題。
發明內容本實用新型的目的是提供一種顯微拉曼光譜儀用的能夠簡便連續協同調節入射 光和散射光偏振方向的裝置。
以下結合附圖對本實用新型的技術原理進行說明。用於顯微拉曼光譜儀的偏振方 向連續協同調節裝置(如圖1 2)主要具有邊框、上蓋板、下蓋板、主動齒輪、手動轉盤、 雙聯齒輪、轉軸、傳動齒輪、過渡齒輪、半波片齒輪、半波片、偏振片齒輪、偏振片、定位齒輪 等。具體設計原理為主動齒輪與手動轉盤同軸鍵固定於轉軸，手動轉盤轉動使主動齒輪同 角速度地轉動；雙聯齒輪由同軸的上層小輪和下層大輪組成，上下兩層同軸鍵固定於轉軸， 大輪的分度圓直徑是小輪分度圓直徑的二倍，使得大輪所傳動的線速度二倍於小輪傳動的 線速度，由此實現變速。傳動齒輪分別與主動齒輪和雙聯齒輪的大輪嚙合，用於將主動齒輪 的轉動傳遞給雙聯齒輪。半波片齒輪和偏振片齒輪都為空心的齒輪環，其空心圓的部分分 別鑲入半波片和偏振片，而且半波片快光軸的初始方向與偏振片檢偏軸的初始方向都平行 於顯微拉曼光譜儀入射雷射的原始偏振方向。半波片齒輪和偏振片齒輪同軸而且二輪分度 圓半徑皆與主動齒輪分度圓半徑相等。在雙聯齒輪的上層小輪與半波片齒輪之間裝有過渡 齒輪，即過渡齒輪分別與雙聯齒輪的小輪和半波片齒輪嚙合，用於將雙聯齒輪小輪的轉動 傳遞給半波片齒輪。偏振片齒輪通過與雙聯齒輪的大輪嚙合直接實現轉動傳遞。定位齒輪 為上下兩層齒輪結構，分度圓直徑相同，上、下層分別與半波片齒輪和偏振片齒輪嚙合。由
3邊框、上蓋板和下蓋板組成矩形盒狀結構，用於封閉齒輪組傳動。所有轉軸通過鍵固定於相 應齒輪並與之共同轉動，所有心軸不限制齒輪轉動，所有的齒輪軸(轉軸或心軸)均在上下 蓋板設有軸定位孔，以限定該齒輪只能圍繞齒輪軸轉動。例如傳動齒輪和定位齒輪心軸的 上下端均固定於上蓋板和下蓋板各自的軸定位孔；過渡齒輪心軸的上端固定於上蓋板的軸 定位孔；第二轉軸的上下端置於上蓋板和下蓋板各自的軸定位孔；第一轉軸的下端置於下 蓋板的軸定位孔，上端穿過上蓋板是與手動轉盤固定。在上蓋板與手動轉盤相對應位置的 外圈鑲有刻度盤，手動轉盤設有指針刻線，指針刻線的初始位置位於刻度盤的零點。其作用 在於可以控制手動轉盤調節的角度範圍，即可以控制半波片和偏振片的旋轉角度。兩個定 位齒輪和過渡齒輪以及雙聯齒輪(大輪)間隔120°的組合，保證了半波片齒輪和偏振片齒 輪在沒有心軸的情況下也可精確保持其軸心位置不變。半波片齒輪、偏振片齒輪以及主動 齒輪的分度圓半徑相同。上蓋板和下蓋板在半波片和偏振片的軸心對應位置各開有一個鏡 片孔，用於入射光和散射光穿過並透射半波片和偏振片；上蓋板和下蓋板另開有同心的鏡 片孔作為鏡片預留孔，用於鑲入其他所需鏡片。圖3顯示了用於顯微拉曼光譜儀的偏振方向連續協同調節裝置的機械原理。主 動齒輪、傳動齒輪、雙聯齒輪大輪、雙聯齒輪小輪、過渡齒輪、半波片齒輪、偏振片齒輪的分 度圓直徑分別為Dc、DT、Dl, Ds、Da、Dh和DP，其中Ds = 0. 5隊、Dh = Dp = Dc。當手動轉盤轉
角(即刻度盤度數)為θ時，主動齒輪轉角同為θ，則傳動齒輪轉角為雙聯齒輪轉 角為舍昔0 = 偏振片齒輪的轉角(即偏振片檢偏方向的轉角)為％ Θ々 = Θ; 過渡齒輪的轉角為g·*6 = ^^;半波片齒輪轉角(即半波片光軸的轉角)為
= = 恰為偏振片檢偏方向的轉角的一半。因此，只要撥動手動轉盤便同時
轉動了半波片的快光軸方向和偏振片的檢偏方向，而且半波片快光軸的轉動角度恰為偏振 片檢偏轉動角度的一半，其中實施變速傳動的核心部件是雙聯齒輪。由於半波片實現的是 二倍於其快光軸角度的偏振方向轉動控制，所以使得半波片轉偏角度與偏振片檢偏角度始 終保持一致，從而實現了一次性操作協同調節入射光和散射光的偏振方向。

圖1為本實用新型內部主視結構示意圖。圖2為本實用新型內部俯視結構示意圖，其中點劃線圓表示齒輪的分度圓。圖3為本實用新型各齒輪傳動的機械原理簡圖，其中點劃線表示齒輪的分度圓。圖4為本實用新型實施例示意圖，其中長折線為入射光，短折線為散射光。
具體實施方式
以下通過實施例對本實用新型的結構原理作進一步的說明。按附圖1 2所示結 構將各部件進行組裝，其組成結構為由邊框1、上蓋板2和下蓋板3組成矩形盒狀結構。主 動齒輪4與手動轉盤5同軸鍵固定於轉軸6-1。雙聯齒輪7的上層是小輪下層是大輪，上下 齒輪同軸鍵固定於轉軸6-2，大輪的分度圓直徑是小輪分度圓直徑的二倍。傳動齒輪8分別與主動齒輪4和雙聯齒輪7的大齒輪嚙合。半波片齒輪10為空心的齒輪環，其空心圓部分 鑲入半波片11。偏振片齒輪12亦為空心的齒輪環，其空心圓部分鑲入偏振片13。半波片 齒輪10與偏振片齒輪12同圓心，半波片齒輪10、偏振片齒輪12以及主動齒輪4的分度圓 半徑相同。在雙聯齒輪7的上層小輪與半波片齒輪10之間裝有過渡齒輪9，偏振片齒輪12 與雙聯齒輪7的下層大輪嚙合。定位齒輪14為兩層齒輪結構，上下層具有相同的分度圓直 徑並採用共同的心軸，且分別與半波片齒輪10和偏振片齒輪12嚙合。所有的齒輪軸(轉 軸或心軸)均在上下蓋板設有軸定位孔。傳動齒輪8和定位齒輪14心軸的上下端均固定 於上蓋板2和下蓋板3各自的軸定位孔。第二轉軸6-2的上下端置於上蓋板2和下蓋板3 各自的軸定位孔。第一轉軸6-1的上端穿過上蓋板2;下端置於下蓋板3的軸定位孔。過 渡齒輪9心軸的上端固定於上蓋板2的軸定位孔。上蓋板2與手動轉盤5相對應位置的外 圈鑲有刻度盤，手動轉盤5設有指針刻線。半波片齒輪10、偏振片齒輪12以及主動齒輪4 的分度圓半徑相同。上蓋板2開有第一和第二鏡片孔15-1、15-2 ；下蓋板3開有第三和第 四鏡片孔15-3、15-4 ；其中第一和第三鏡片孔15-1、15-3分別與所述半波片11及偏振片13 的同心，第二和第四鏡片孔15-2、15-4同心。在組裝中將半波片11快光軸方向和偏振片13檢偏方向都調整到平行於顯微拉曼 光譜儀入射雷射的原始偏振方向，同時指針刻線的指向刻度盤的零點。用於顯微拉曼光譜儀的入射、散射光偏振方向連續協同調節裝置的實施例如圖4 所示。將本實用新型裝置置入顯微拉曼光譜儀16的入射光與散射光的公共光路中，其中半 波片11面對雷射器17發出的入射光，偏振片13面對被測物體18。將顯微拉曼光譜儀的 偏振方向協同調整到與入射光原始偏振呈α角的操作只有一步即將手動轉盤5調整至刻 度盤度數為a。此時，半波片11的快光軸方向與入射光初始偏振方向的夾角為0.5α，偏 振片13的檢偏方向與入射光初始偏振方向夾角為a。雷射器17發出的入射光首先經過 半波片11，其偏振方向轉動至2X0. 5 α = α，透過檢偏角度同為α的偏振片13後，實現 以α偏振方向入射被測物體18。從被測物體背向散射出的散射光，可以正交分解為偏振 方向為α的分量和偏振方向為α + π/2的分量。由於散射光首先經過偏振片13，偏振方 向為α+ π/2的分量被完全阻擋，而偏振方向為α的分量則順利通過偏振片13，經過半波 片11後其偏振方向轉為α+2Χ(-0.5α) = 0，最後進入顯微拉曼光譜儀16。就光譜本質 而言，進入顯微拉曼光譜儀16的散射光實際是從被測物體18散射出偏振方向為α的那部 分。因此，雷射器17發出的入射光以偏振方向為α入射被測物體18，被測物體18發出的 散射光只有偏振方向為α的分量進入顯微拉曼光譜儀16，而且α可以是圓周內的任意角 度，本裝置最終實現了入射光和散射光的偏振方向連續協同調節。本實用新型的特點及有益效果是，專門針對偏振顯微拉曼光譜分析，特別適用於 須連續協同調整入、散光偏振方向的實驗測量。本實用新型在入射光和散射光的公共光路 中插入半波片和偏振片，並通過雙聯齒輪變速傳動實現了一次性操作協同調節半波片和偏 振片的偏振角度，不僅簡化了實驗流程、提高實驗效率，並且可以實現高精度的自動化控 制。本裝置僅利用顯微拉曼光譜儀顯微鏡的一個開放插槽，在節省了設備空間的同時，為其 他測試分析預留更多的開放插槽，而且在結構上適用於目前大多數顯微拉曼光譜儀，具有 廣泛的實用性和兼容性。本實用新型設有鏡片預留孔，可根據需求鑲入偏振片、四分之一波 片、濾光片等，具備了較大的擴展性。本實用新型同時適用於諸如紅外、螢光等其他類型顯微光譜儀的偏振實驗分析。
權利要求用於顯微拉曼光譜儀的偏振方向連續協同調節裝置，具有邊框、上蓋板、下蓋板、主動齒輪、手動轉盤、轉軸、雙聯齒輪、傳動齒輪、過渡齒輪、半波片齒輪、半波片、偏振片齒輪、偏振片以及定位齒輪，其特徵在於由邊框(1)、上蓋板(2)和下蓋板(3)組成矩形盒狀結構；主動齒輪(4)與手動轉盤(5)同軸鍵固定於第一轉軸(6 1)；雙聯齒輪(7)的上層是小輪下層是大輪，上下齒輪同軸，大輪的分度圓直徑是小輪分度圓直徑的二倍，雙聯齒輪(7)鍵固定於第二轉軸(6 2)；傳動齒輪(8)分別與主動齒輪(4)和雙聯齒輪(7)的大輪嚙合；半波片齒輪(10)為空心的齒輪環，其空心圓部分鑲入半波片(11)，偏振片齒輪(12)亦為空心的齒輪環，其空心圓部分鑲入偏振片(13)；半波片齒輪(10)與偏振片齒輪(12)同圓心；雙聯齒輪(7)的上層小輪與半波片齒輪(10)之間裝有過渡齒輪(9)；偏振片齒輪(12)與雙聯齒輪(7)的下層大輪嚙合；定位齒輪(14)為雙層齒輪結構，上下層同軸具有相同的分度圓直徑，兩組定位齒輪(14)的上下層分別與半波片齒輪(10)和偏振片齒輪(12)嚙合。
2.按照權利要求1所述的用於顯微拉曼光譜儀的偏振方向連續協同調節裝置，其特徵 在於所述傳動齒輪(8)和定位齒輪(14)心軸的上下端均固定於所述上蓋板(2)和下蓋板 (3)各自的軸定位孔；所述第二轉軸(6-2)的上下端置於所述上蓋板(2)和下蓋板(3)各 自的軸定位孔；所述第一轉軸(6-1)的上端穿過上蓋板(2)，下端置於下蓋板(3)的軸定位 孔；所述過渡齒輪(9)心軸的上端固定於上蓋板(2)的軸定位孔。
3.按照權利要求1或2所述的用於顯微拉曼光譜儀的偏振方向連續協同調節裝置，其 特徵在於在所述上蓋板(2)與所述手動轉盤(5)相對應位置的外圈鑲有刻度盤，手動轉盤 (5)設有指針刻線。
4.按照權利要求1所述的用於顯微拉曼光譜儀的偏振方向連續協同調節裝置，其特徵 在於所述半波片齒輪(10)、偏振片齒輪(12)以及主動齒輪(4)的分度圓半徑相同。
5.按照權利要求1所述的用於顯微拉曼光譜儀的偏振方向連續協同調節裝置，其特徵 在於所述上蓋板(2)開有第一和第二鏡片孔(15-1、15-2)；所述下蓋板(3)開有第三和第 四鏡片孔(15-3,15-4)；其中第一和第三鏡片孔(15-1,15-3)分別與所述半波片(11)及偏 振片(13)的同心，第二和第四鏡片孔(15-2、15-4)同心。
專利摘要本實用新型公開了一種用於顯微拉曼光譜儀的連續協同調節入射光和散射光偏振方向的裝置。傳動齒輪分別與主動齒輪和雙聯齒輪的大輪嚙合。半波片齒輪和偏振片齒輪均為空心的齒輪環，其空心圓部分分別鑲入半波片和偏振片。半波片齒輪與偏振片齒輪同圓心。雙聯齒輪的小輪與半波片齒輪之間有過渡齒輪，偏振片齒輪與雙聯齒輪的大輪嚙合，兩個定位齒輪與半波片齒輪和偏振片齒輪嚙合。本裝置作為盒狀結構置入拉曼光譜儀入射光和散射光的公共光路中，手動轉盤做為控制部件，採用齒輪結構傳遞轉動並利用雙聯齒輪實施變速傳動，通過一次性操作協同地控制半波片的起偏角度和偏振片的偏振角度，進而簡便而高精度地實現了入射光與散射光偏振方向的連續協同調節。
文檔編號G01N21/65GK201662644SQ20102010305
公開日2010年12月1日 申請日期2010年1月28日 優先權日2010年1月28日
發明者亢一瀾, 仇巍, 李秋, 雷振坤 申請人:天津大學