CN101746054A - 一种手动薄膜波片拉伸机及用其制作波片的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种手动薄膜波片拉伸机，包含：手动拉伸薄膜竖直框架单元，延迟测试系统装置及移动的烘烤设备；延迟测试系统装置的单色光源、准直镜及起偏器位于薄膜竖直框架单元的前方，烘烤设备则位于薄膜竖直框架单元的后方，延迟测试系统装置的1/4波片和检偏器时段插入于烘烤设备与手动拉伸薄膜竖直框架单元间。用其制作波片的方法：先将塑薄膜分别在蒸馏水和硼酸水溶液中浸泡，经单色光源稳定，将起偏器刻度置于“零位”，检偏器置于目标延迟刻度位置，同时移开烘烤设备；将处理过的塑料薄膜平放在装卡轴装置的平面端上夹紧，以同样的速度转动手轮，当眼睛观察到的视场变得最暗时，锁紧手轮，移过来烘干设备，进行烘干，得到了波片成品。

Description

一种手动薄膜波片拉伸机及用其制作波片的方法

技术领域

本发明属于光学领域制造技术，尤其涉及一种手动薄膜波片拉伸机及用其制作波片的方法。

背景技术

波片在偏振光学领域是最基本、应用最广泛的光学元件之一。对于单色波片，主要由两种材料制成，一种是双折射晶体材料、另一种是塑料薄膜。与晶体波片相比，塑料薄膜波片的通光口径大、延迟随入射角和温度变化小，材料成本低，因而越来越受使用者的欢迎。但是它的应用情况并不如人意。目前国内还没有一个能够提供塑料波片的厂家，国外也只在日本和美国有一两个生产厂家在制作塑料波片，原因在于它的制作工艺非常复杂，在加工过程中受温度、湿度和薄膜所受拉力等多种因素的影响，采用机械化的批量生产方式，一方面不能严格控制加工过程中的波片延迟量，产品精度在很多场合不能满足使用要求，限制了产品的应用范围；另一方面不能按照用户要求提供任意延迟的波片。

现有技术中，用于塑料薄膜的拉伸机器通常采用卧式结构，即PVA(聚乙烯醇)塑料膜在水平状态下拉伸。在这种拉伸方式下，受重力影响，薄膜不仅有拉伸方向的变形，还存在一个向重心下垂的变形，而且变形大小沿此重心呈径向不均匀分布，使得要选取的中心区域光轴方向弯曲，且延迟的大小不严格一致，这一现象对拉伸量很小的低延迟波片影响更为明显。

发明内容

本发明的目的是提供一种手动薄膜波片拉伸机及用其制作波片的方法，其可制作具有指定延迟量并具有较高精度的塑料波片。

为实现上述目的，本发明采取以下设计方案：

一种手动薄膜波片拉伸机，其包含有：

手动拉伸薄膜竖直框架单元，包括一竖直框架，在竖直框架内，在上、下端分别置有拉伸薄膜的装卡轴装置，该装卡轴装置水平安装，两端与旋转手轮连接；

一延迟测试系统装置，包括：在同一轴线上依次设有单色光源、准直镜、起偏器及1/4波片和检偏器；

一烘烤设备，置于一可移动的支架上；

所述延迟测试系统装置的单色光源、准直镜及起偏器位于手动拉伸薄膜竖直框架单元的前方，烘烤设备位于手动拉伸薄膜竖直框架单元的后方，延迟测试系统装置的1/4波片和检偏器时段插入于烘烤设备与手动拉伸薄膜竖直框架单元间。

所述的拉伸薄膜的装卡轴装置由旋转轴、主动半圆柱和从动半圆装卡轴组合构成，所述的主动半圆柱和从动半圆装卡轴可契合为一整体圆柱杆，所述的旋转轴一端与主动半圆柱对接，另一端穿过竖直框架立柱上开设的孔与旋转手轮连接。

所述的烘烤设备可以采用一组远红外取暖器，沿薄膜拉伸方向从上至下均匀分布。

所述的单色光源为单色纳光源或单色汞光源等多种单色气体光源。

一种用上述手动薄膜波片拉伸机制作波片的方法，其方法如下：

a)打开单色光源，稳定20～35分钟，将起偏器刻度置于“零位”，检偏器置于目标延迟刻度位置；同时移开烘烤设备；

b)控制制作环境条件，温度：30℃±5℃，相对湿度：70％±10％；

c)将宽0.5米，长1.2米的聚乙烯醇薄膜平铺在30℃±2℃的蒸馏水中浸泡1分钟；

d)利用长条夹板分别夹住薄膜两短边，快速从蒸馏水中取出，并浸入3％浓度、温度30℃±2℃的硼酸水溶液中保持3分钟。

e)同样用夹板将薄膜取出，使表面的液体尽量流下，平铺在桌面上，该桌面底层放置厚约8厘米的海绵，海绵上平铺吸水性极强的柔软桑蚕丝织布。

f)用柔软、清洁无尘、不掉毛、吸水性强、略微潮湿的麂皮或绸布轻轻地快速擦净薄膜表面水分，此过程要防止划伤表面。

g)松开拉伸薄膜装卡轴装置的主动半圆柱和从动半圆装卡轴间的锁紧螺钉，取下从动半圆装卡轴；

h)将浸过蒸馏水和硼酸液的塑料薄膜上、下两边段分别平放在上、下拉伸薄膜装卡轴装置的主动半圆柱平面端平面上；

i)将从动半圆装卡轴与主动半圆柱夹紧；

j)两名操作者以同样的速度同时缓慢转动上下两个手轮。转动中，其中一名操作者将眼睛放在检偏器出光处，观察出射光的视场变化，当视场变得最暗时(在不同的环境温度和相对湿度下，视场最暗时对应的拉伸量不同)，停止转动，锁紧手轮；用竖直框架侧边的夹子夹住薄膜侧边。

k)移走检偏器，移过来烘干设备，烘干30分钟，同时打开实验室内风扇和门窗，使环境湿度降低。

l)完全干燥后，从薄膜中间剪下1/3-1/2平行部分，按照技术要求检验，合格的薄膜根据零件尺寸大小和光轴要求裁成小片，至此，就得到了波片成品。

本发明的优点是：

1、利用本发明设备可以制作具有较高精度的塑料波片，制作的单色1/2、1/4波片，延迟精度高于1/300波长。

2、由于采用竖直拉伸方式，可减少重力造成的影响；另采用两个半圆柱形卡具固定薄膜，使得薄膜受到的装卡力尽可能均匀，故而可以避免薄膜在拉伸方向因重心下垂的变形，使得光轴方向正，且延迟的大小一致，从而制作出具有指定延迟量并具有较高精度的塑料波片。

3、装配并采用了一套波片延迟测试系统，可以实时掌握拉伸过程中的延迟变化；从而指导操作者的手动旋转调节量，更易满足制作的要求。

附图说明

图1为本发明手动薄膜波片拉伸机结构示意图。

图2为手动拉伸薄膜竖直框架单元结构示意图(主视)。

图3a为装卡轴装置结构示意图(主剖视，图1中I部图示结构)。

图3b为图3a中A-A剖视图。

图4为延迟测试系统装置光学原理示意图。

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步说明：

具体实施方式

参阅图1所示，本发明手动薄膜波片拉伸机包括有拉伸薄膜竖直框架单元，延迟测试系统装置及烘烤设备。

本发明手动薄膜波片拉伸机的技术关键是保证在拉伸过程中，薄膜表面各个点受力均匀，拉伸量一致。另外考虑到温度、湿度对波片的影响，增加辅助设备以保证塑料波片的拉伸质量。

为提高波片的制作质量，本手动薄膜波片拉伸机将薄膜采用竖直悬挂方式固定，在垂直状态下拉伸薄膜，以使薄膜的重力方向与拉伸方向一致，这样薄膜表面各点的所有受力方向一致，避免了因重力影响造成的光轴弯曲。参见图2，本发明的拉伸薄膜竖直框架单元包括：一由立柱3、横梁4和底板9构成的竖直框架，在竖直框架里侧的上、下端对称置有拉伸薄膜的装卡轴装置5，该装卡轴装置的两端设有手轮2，待拉伸的薄膜100就置于上、下端的装卡轴装置间且由其固定拉紧。

本发明塑料薄膜制作波片的工艺制作中，按要求需要利用塑料聚合物的水溶性，先将薄膜分别在蒸馏水和硼酸水溶液中浸泡几分钟，然后再对其做拉伸和烘干。由于浸水后的塑料薄膜很软，刚性极差，如果装卡时各点松紧不一致，在拉伸过程中，薄膜各点的拉伸量也会不一致，为此，本发明设计了专用卡具--拉伸薄膜的装卡轴装置，如图3a、图3b所示，拉伸薄膜的装卡轴装置5由旋转轴501、主动半圆柱502和从动半圆装卡轴503组合构成，所述的主动半圆柱502和从动半圆装卡轴503可用两个锁紧螺钉13锁紧而契合为一整体圆柱杆，所述的旋转轴501一端与主动半圆柱对接，通过连接器15连接固定，另一端穿过竖直框架立柱上开设的孔与旋转手轮2连接。分别在主动半圆柱502和从动半圆柱503的平面端，粘接一层(1毫米厚为佳)的橡胶板14作为薄膜的夹紧装置，第一，增加平面与薄膜的接触摩擦力，从而加大夹紧力。第二，在拉伸过程中，薄膜缠绕在两半圆组成的圆柱上，以弧形接触薄膜各点，使得拉力分布均匀。考虑到薄膜的延迟不只是由拉伸长度决定，同时环境温度、湿度对它的影响也很大，也就是说，要得到同一个延迟，不同情况下的拉伸量是不一样的，这样手动拉伸控制起来会方便些。在上、下拉伸薄膜的装卡轴装置的圆柱杆两端装有四个旋转手轮2，手轮旋转轴与旋转轴501连接，拉伸时旋转手轮可以带动旋转轴501转动，且手轮可以通过螺钉顶住立柱，将其锁紧。通过拆卸从动半圆柱503完成薄膜100的装卡。利用连接器15将主动半圆柱502的一端与旋转轴501连接，另一端穿过竖直框架立柱上开设的孔与旋转手轮连接。这样，旋转手轮，就可以带动装卡轴转动，使薄膜沿轴缠绕，实现拉伸。

参见图1，所述的延迟测试系统装置包括：在同一轴线上依次设有的单色光源(钠或汞等单色光源)和准直镜7、起偏器6及1/4波片和检偏器8；其中，起偏器、检偏器在与薄膜拉伸方向成45°方向正交，1/4波片光轴沿起偏器方向。由于波片的延迟受拉伸量以外的多种因素影响，为了实时监测薄膜在拉伸过程中的状态，以便进行有效控制，本发明安装一台波片测试系统装置，利用它，可以随时测量任意时刻的延迟大小，根据外界影响因素，调整加工工艺。其可以为制作工艺提供很多技术参数，使制作效率和制作水平同时得到了很大提高。延迟测试系统装置的单色光源和准直镜7及起偏器6位于手动拉伸薄膜竖直框架单元的前方，且起偏器的偏振片的透光轴与薄膜拉伸方向成45°。延迟测试系统装置的1/4波片和检偏器12根据需要时段性的插入在手动拉伸薄膜竖直框架单元的后方。

此测试系统工作情况如下：单色钠(还可以是单色汞光源等多种单色气体光源)光源，经过准直镜，以平行光通过起偏器的线性偏振片成为线偏振光，起偏器的偏振片的透光轴与薄膜拉伸方向成45°，被拉伸薄膜位于1/4波片前，1/4波片的快轴与检偏器的偏振片平行，光束最后通过检偏器，检偏器的旋转角度可以通过圆刻度读出。人眼放在检偏器后，旋转检偏器直至视场内光强变为最暗，读取此时的角度读数，该读数的2倍，即为此时塑料薄膜的延迟数值。1/4波片与检偏器安装在一套结构上，此结构采用快速插拔式与框架结构连接，以防挡住烘干设备的散热，造成薄膜受热不均匀。图4为此套测试系统的光学示意图。

拉伸后的塑料薄膜需要烤干水分，通过比较，用于冬季取暖的远红外取暖器作为烘烤设备是很好的选择，它的散热量大，散热均匀，有利于保持薄膜的拉伸状态。所述的烘烤设备可以采用一组多个采暖设备，均匀排布，本实施例中，采用三个取暖器10沿薄膜拉伸方向上、中、下均匀分布，固定在可以行走的铁架子11上，拉伸时，将其移开；拉伸后，将其推入，打开开关进行烘烤。

本发明的工作过程是：上下两个手轮以同样的速度转动同样的大小，尽可能使得薄膜所受拉力相同，薄膜绕圆柱杆转动并缠绕在它的外圆面上，实现对薄膜的拉伸。在拉伸的同时，测试薄膜的延迟变化，当在所需要的延迟位置处偏振片视场变得最暗时(薄膜拉伸过程中，转动检偏器使视场最暗，这个转角的二倍就是薄膜的延迟位相差)，锁紧手轮，取下检偏器结构，移过烘干设备，进行烘干。完全干燥后，就得到了所要的波片。

本发明手动薄膜波片拉伸机在用于国家天文台消色差波片制作的试验中，先后拉伸制作的波片，经过各方面性能参数测试，可以达到很好的技术指标。利用这套设备制作的单色1/2、1/4波片，延迟精度高于1/300波长；消色差波片，在486.1nm-656.3nm波长范围内，1/2波片延迟的最大相对误差小于1.5％(绝对误差小于1％波长)，光轴误差小于±10′，1/4波片延迟的最大相对误差小于2.5％(绝对误差小于1％波长)，光轴误差小于±35′。

Claims (9)

1.一种手动薄膜波片拉伸机，其特征在于包含有：

手动拉伸薄膜竖直框架单元，包括一竖直框架，在竖直框架内，在上、下端分别置有拉伸薄膜的装卡轴装置，该装卡轴装置水平安装，两端与旋转手轮连接；

一延迟测试系统装置，包括：在同一轴线上依次设有单色光源、准直镜、起偏器及1/4波片和检偏器；

一烘烤设备，置于一可移动的支架上；

所述延迟测试系统装置的单色光源、准直镜及起偏器位于拉伸薄膜竖直框架单元的前方，烘烤设备位于手动拉伸薄膜竖直框架单元的后方，延迟测试系统装置的1/4波片和检偏器时段插入于烘烤设备与手动拉伸薄膜竖直框架单元之间。

2.根据权利要求1所述的手动薄膜波片拉伸机，其特征在于：所述的拉伸薄膜的装卡轴装置由旋转轴、主动半圆柱和从动半圆装卡轴组合构成，所述的主动半圆柱和从动半圆装卡轴可契合为一整体圆柱杆，所述的旋转轴一端与主动半圆柱对接，另一端穿过竖直框架立柱上开设的孔与旋转手轮连接。

3.根据权利要求2所述的手动薄膜波片拉伸机，其特征在于：所述的主动半圆柱两端为短园柱，中间为长半圆柱，从动半圆装卡轴的平面端与主动半圆柱长半圆柱的平面端对接并通过锁紧螺钉相互拧紧，两者间夹置橡胶板。

4.根据权利要求3所述的手动薄膜波片拉伸机，其特征在于：所述的两者间夹置的橡胶板厚1mm。

5.根据权利要求1所述的手动薄膜波片拉伸机，其特征在于：其中，起偏器、检偏器在与薄膜拉伸方向成45°方向正交，1/4波片光轴沿起偏器方向。

6.根据权利要求1所述的手动薄膜波片拉伸机，其特征在于：所述的烘烤设备采用一组取暖器，沿薄膜拉伸方向从上至下分布。

7.根据权利要求6所述的手动薄膜波片拉伸机，其特征在于：所述的烘烤设备采用三个远红外取暖器，沿薄膜拉伸方向上、中、下均匀分布。

8.根据权利要求1所述的手动薄膜波片拉伸机，其特征在于：所述的单色光源为单色纳光源或单色汞光源。

9.一种用权利要求1所述手动薄膜波片拉伸机制作波片的方法，其特征在于方法如下：

a)打开单色光源，稳定20～35分钟，将起偏器刻度置于“零位”，检偏器置于目标延迟刻度位置；同时移开烘烤设备；

b)控制制作环境条件，温度：30℃±5℃，相对湿度：70％±10％；

c)将宽0.5米，长1.2米的聚乙烯醇薄膜平铺在30℃±2℃的蒸馏水中浸泡1分钟；

d)利用长条夹板分别夹住薄膜两短边，快速从蒸馏水中取出，并浸入3％±1％浓度、温度30℃±2℃的硼酸水溶液中保持3分钟；

e)同样用夹板将薄膜取出，使表面的液体尽量流下，平铺在桌面上；该桌面底层放置厚约8厘米的海绵，海绵上平铺洁净的吸水性极强的柔软桑蚕丝织布；

f)用柔软、清洁无尘、不掉毛、吸水性强、略微潮湿的麂皮或绸布轻轻地快速擦净薄膜表面水分，此过程要防止划伤表面；

g)松开拉伸薄膜装卡轴装置的主动半圆柱和从动半圆装卡轴间的锁紧螺钉，取下从动半圆装卡轴；

h)将浸过蒸馏水和硼酸液的塑料薄膜上、下两边端分别平放在上、下拉伸薄膜装卡轴装置的主动半圆柱平面橡胶端平面上；

i)将从动半圆装卡轴与主动半圆柱夹紧；

j)两名操作者以同样的速度同时缓慢转动上下两个手轮，转动中，其中一名操作者将眼睛放在检偏器出光处，观察出射光的视场变化，当视场变得最暗时，停止转动，锁紧手轮；用竖直框架侧边的夹子夹住薄膜侧边；

k)移走检偏器，移过来烘干设备，烘干30分钟，同时打开实验室内风扇和门窗，使环境湿度降低；

l)完全干燥后，从薄膜中间剪下1/3-1/2平行部分，按照技术要求检验，合格的薄膜根据零件尺寸大小和光轴要求裁成小片，至此，得到波片成品。

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