CN113640219B - 光谱仪激发光、分束器和滤光片的联动切换装置 - Google Patents

光谱仪激发光、分束器和滤光片的联动切换装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种光谱仪激发光、分束器和滤光片的联动切换装置，其特征在于，所述联动切换装置包括：底板；旋转位移台，通过旋转位移台支架固定于所述底板；转动管，固定于所述旋转位移台的中心孔；转动反射镜，固定于所述转动管的入射端；转动分束器固定架，固定于所述转动管的出射端；分束器，固定于所述转动分束器固定架；长波通滤光片，固定于所述转动分束器固定架；入射光耦合立方，通过入射光耦合立方支架固定于所述底板；入射反射镜，固定于所述入射光耦合立方，反射激发光至转动反射镜；高度提升反射镜，包括第一高度提升反射镜和第二高度提升反射镜，通过高度提升反射镜支架固定于所述底板。

Description

光谱仪激发光、分束器和滤光片的联动切换装置
技术领域
本发明涉及光谱仪技术领域，尤其涉及一种光谱仪的激发光、分束器和滤光片的联动切换装置。
背景技术
光谱仪用于材料的光谱测量，包括荧光光谱、拉曼光谱、反射光谱等，在生物、化学、物理等领域都有广泛的应用。在共焦光谱仪显微光路中，通常需要分束器和长波通滤光片，激发光经分束器反射至物镜聚焦来激发样品，样品光谱信号光(荧光信号、拉曼信号)经过同一个物镜收集后经过分束器的透射后，经过长波通滤光片(阻挡激发光、光谱信号光透过)滤光后至光谱仪进行光谱测量。
在实际的光谱测量过程中，通常需要不同波长的激发光来研究材料的特性，比如荧光光谱测量过程中，改变激发光的波长可以测量低维半导体材料的非共振、准共振激发荧光光谱；拉曼光谱测量过程中，改变激发光的波长可以实现荧光抑制和拉曼信号共振增强。光谱仪光路中的分束器和低通滤光片通常需要对特定的光学波长和波段进行光学镀膜来实现其光学性能，因此当改变光谱仪激发光波长时也需要更换光路中相应的分束器和长波通滤光片。商用光谱仪激发光的切换通常有两种方式，一种是切换不同波长的激发光耦合到同一光纤，经光纤出射端至入射光路，来实现光路的准直；另一种方式是通过平动光路中的反射镜将不同波长的激发光准直到入射光路。这两种激发光切换方式，当激发光源的数量增多时，需要移动的反射镜数量也会增多，造成光路复杂和体积变大，另外将激发光耦合到单模光纤也存在效率较低、操作复杂的缺点。光谱仪中的分束器及低通滤光片的切换通常是将原分束器和长波通滤光片从机械固定装置中取出，新的分束器和长波通滤光片原位替换原来的分束器和滤光片，这种切换方法通常为手动操作，切换效率不高，且机械定位精度不高，光路需要重新准直。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种光谱仪激发光、分束器和滤光片的联动切换装置，以期部分地解决上述技术问题中的至少之一。
为了实现上述目的，本发明提供了一种光谱仪激发光、分束器和滤光片的联动切换装置，所述联动切换装置包括：
底板；
旋转位移台，通过旋转位移台支架固定于所述底板；
转动管，固定于所述旋转位移台的中心孔；
转动反射镜，固定于所述转动管的入射端；
转动分束器固定架，固定于所述转动管的出射端；
分束器，固定于所述转动分束器固定架；
长波通滤光片，固定于所述转动分束器固定架；
入射光耦合立方，通过入射光耦合立方支架固定于所述底板；
入射反射镜，固定于所述入射光耦合立方，反射激发光至转动反射镜；
高度提升反射镜，包括第一高度提升反射镜和第二高度提升反射镜，通过高度提升反射镜支架固定于所述底板。
其中，激发光经过所述入射反射镜反射后，45度入射至所述转动反射镜，经所述转动反射镜反射，经所述转动管的中心孔从入射端沿转动管轴向水平传播至出射端，45度入射至所述第一高度提升反射镜，经所述第一高度提升反射镜反射，垂直向上传播，45度入射至所述第二高度提升反射镜，经所述第二高度提升反射镜反射，水平向左传播，45度入射至所述分束器，经所述分束器反射，水平向前传播至物镜，经物镜聚焦后激发材料，材料光谱信号经过同一物镜收集，45度入射至所述分束器，经所述分束器透射，0度入射至所述长波通滤光片，经所述长波通滤光片透射至光谱仪入射端。
其中，所述装置的光路数量为4，即存在4束激发光，分别为第一激发光、第二激发光、第三激发光和第四激发光；所述分束器包括第一分束器、第二分束器、第三分束器和第四分束器；所述长波通滤光片包括第一长波通滤光片、第二长波通滤光片、第三长波通滤光片和第四长波通滤光片；所述入射反射镜包括第一入射反射镜、第二入射反射镜、第三入射反射镜和第四入射反射镜。
其中，当所述旋转位移台的刻度为0度时，所述第一激发光经所述第一入射反射镜从入射光耦合立方上方反射至所述转动反射镜，对应于所述第一分束器和所述第一长波通滤光片；所述旋转位移台向前旋转90度至刻度为90度时，所述第二激发光经所述第四入射反射镜从入射光耦合立方前方反射至所述转动反射镜，对应于所述第二分束器和所述第二长波通滤光片；所述旋转位移台向前旋转180度至刻度为180度时，所述第三激发光经所述第三入射反射镜从入射光耦合立方下方反射至所述转动反射镜，对应于所述第三分束器和所述第三长波通滤光片；所述旋转位移台向前旋转270度至刻度为270度时，所述第四激发光经所述第二入射反射镜从入射光耦合立方后方反射至所述转动反射镜，对应于所述第四分束器和所述第四长波通滤光片。
其中，所述联动切换装置当所述旋转位移台的刻度为0、90、180、270时，能够实现四路激发光、分束器及长波通滤光片的联动切换；若细分更多的旋转位移台的刻度，就能够实现更多路的激发光、分束器及长波通滤光片的联动切换。
其中，调谐激发光及入射反射镜的二维俯、仰让各个方向的激发光经所述入射反射镜反射后都45度入射至所述转动反射镜的同一位置；进行所述转动反射镜的两维俯、仰调节，使45度入射激发光，反射后沿转动管轴向水平传播；调谐两个高度提升反射镜的二维俯、仰，让激发光水平向左传播，即平行于转动管轴向45度入射至所述分束器；进行所述分束器两维俯、仰及一维平动调谐，使45度入射各个方向的激发光经所述分束器反射后沿同一光路水平向前传播，即垂直于转动管轴向至显微物镜；从而保证各个方向的激发光经所述转动反射镜反射和所述分束器反射后都保持同一光路传播。
其中，所述联动切换装置要求激发光不切换而只切换分束器和滤光片，只需要将转动反射镜脱离转动管并固定于入射光耦合立方的内部；要求激发光切换而不切换分束器和滤光片，只需要经转动分束器固定架脱离转动管并固定于底板。
其中，所述分束器包括二向色分束镜、立方体分束镜、平板分束镜和薄膜分束镜。
其中，有一些特殊的光谱测量采用光学滤光片、线偏振片作为分束器，这些分束器需要小角度入射，因此需要增加一个反射镜，第二高度提升反射镜将激发光反射至增加的反射镜，经增加的反射镜反射后，小角度入射分束器，经分束器反射后，水平向前传播，即垂直于转动管轴向至显微物镜。
其中，所述光学滤光片包括陡带长波通滤光片和布拉格光栅滤光片。
基于上述技术方案可知，本发明的光谱仪激发光、分束器和滤光片的联动切换装置相对于现有技术至少具有如下有益效果之一：
(1)采用转动反射镜和转动分束器固定架联动设计可以实现激发光和分束器及滤光片的同时切换，使变激发波长光谱测量更加高效、方便。
(2)通过平动和俯、仰转动调谐使不同方向入射的激发光经转动反射镜和分束器反射后保持同一光路传播，采用高精度、高速度的旋转位移台可以实现多路(四路及四路以上)激发光、分束器及滤光片的高精度、快速切换。
(3)本发明设计结构紧凑，使激发光、分束器及滤光片切换装置的体积小，使用灵活。
附图说明
图1为本发明实施例中一种光谱仪激发光、分束器、滤光片的联动切换装置的结构示意图的俯视图；
图2为本发明实施例中一种光谱仪激发光、分束器、滤光片的联动切换装置的沿转动管轴向的截面图；
图3为本发明实施例中一种光谱仪激发光、分束器、滤光片的联动切换装置的转动分束器固定架及固定于其上的第一分束器、第一长波通滤光片的示意图。
上述附图中，附图标记的含义如下：
1-底板；2-入射光耦合立方支架；3-入射光耦合立方；
41-第一入射反射镜；42-第二入射反射镜；43-第三入射反射镜；
44-第四入射反射镜；5-转动反射镜；6-转动管；7-旋转位移台支架；
8-旋转位移台；9-转动分束器固定架；91-转动分束器固定架右视结构；
92-转动分束器固定架前视结构；93-转动分束器固定架后视结构；
101-第一分束器；1011-第一分束器右视结构；1012-第一分束器前
视结构；1013-第一分束器后视结构；
102-第二分束器；103-第三分束器；
104-第四分束器；111-第一长波通滤光片；
1111-第一长波通滤光片右视结构；1113-第一长波通滤光片后视结构；
114-第四长波通滤光片；12-第二光路提升反射镜；
13-第一光路提升反射镜；14-光路提升反射镜支架；
15-二维俯、仰旋转调节钮；153-二维俯、仰旋转调节钮后视结构。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明提出了一种光谱仪激发光、分束器、滤光片的联动切换装置。该装置包括：底板；旋转位移台，通过旋转位移台支架固定于底板；转动管，固定于旋转位移台的中心孔；转动反射镜，固定于转动管的入射端；转动分束器固定架，固定于转动管的出射端；第一、二、三、四分束器，固定于转动分束器固定架的上方、后方、下方、前方；第一、二、三、四长波通滤光片，固定于转动分束器固定架的上方、后方、下方、前方；入射光耦合立方，通过入射光耦合立方支架固定于底板；第一、二、三、四入射反射镜，固定于入射光耦合立方的上方、后方、下方、前方，分别从上方、后方、下方、前方反射第一、四、三、二激发光至转动反射镜；第一、二高度提升反射镜，通过高度提升反射镜支架固定于底板。
激发光经过入射反射镜反射后，45度入射至转动反射镜，经转动反射镜反射，经转动管的中心孔从入射端沿转动管轴向水平传播至出射端，45度入射至第一高度提升反射镜，经第一高度提升反射镜反射，垂直向上传播，45度入射至第二高度提升反射镜，经第二高度提升反射镜反射，水平向左传播，45度入射至分束器，经分束器反射，水平向前传播至物镜，经物镜聚焦后激发材料，材料光谱信号经过同一物镜收集，45度入射至分束器，经分束器透射，0度入射至长波通滤光片，经长波通滤光片透射至光谱仪入射端。
当旋转位移台的刻度为0度时，第一激发光经第一入射反射镜从入射光耦合立方上方反射至转动反射镜，对于对应于第一分束器和第一长波通滤光片；旋转位移台向前旋转90度至刻度为90度时，第二激发光经第四入射反射镜从入射光耦合立方前方反射至转动反射镜，对于对应于第二分束器和第二长波通滤光片；旋转位移台向前旋转180度至刻度为180度时，第三激发光经第三入射反射镜从入射光耦合立方下方反射至转动反射镜，对于对应于第三分束器和第三长波通滤光片；旋转位移台向前旋转270度至刻度为270度时，第四激发光经第二入射反射镜从入射光耦合立方后方反射至转动反射镜，对于对应于第四分束器和第四长波通滤光片。可以看出，转动旋转位移台，当其刻度为0、90、180、270时，可以实现四路激发光、分束器及长波通滤光片的联动切换；同理，若细分更多的旋转位移台刻度，可以实现更多路的激发光、分束器及长波通滤光片的联动切换。
调谐激发光及入射反射镜的二维俯、仰让各个方向的激发光经入射反射镜反射后都45度入射至转动反射镜的同一位置；进行转动反射镜的两维俯、仰调节，使45度入射激发光，反射后沿转动管轴向水平传播；调谐两个高度提升反射镜的二维俯、仰，让激发光水平向左传播(平行于转动管轴向)45度入射至分束器；进行分束器两维俯、仰及一维平动调谐，使45度入射四个方向的激发光经各个分束器反射后沿同一光路水平向前传播(垂直于转动管轴向)至显微物镜；从而保证四个方向的第一、二、三、四激发光经转动反射镜反射和分束器反射后都保持同一光路传播。
分束器有多种类型，包括二向色分束镜、立方体分束镜、平板分束镜、薄膜分束镜等，这些分束器通常为上面所述的45度入射。此外有一些特殊的光谱测量采用光学滤光片(陡带长波通滤光片，布拉格光栅滤光片等)、线偏振片作为分束器，这些分束器需要小角度入射，因此需要增加一个反射镜，第二高度提升反射镜将激发光反射至增加的反射镜，经增加的反射镜反射后，小角度入射分束器，经分束器反射后，水平向前传播(垂直于转动管轴向)至显微物镜。
要求激发光不切换而只切换分束器、滤光片，只需要将转动反射镜脱离转动管并固定于入射光耦合立方的内部；要求激发光切换而不切换分束器、滤光片，只需要经转动分束器固定架脱离转动管并固定于底板。
从上述技术方案可以看出，本发明至少具有以下有益效果之一：
(1)采用转动反射镜和转动分束器固定架联动设计可以实现激发光和分束器及滤光片的同时切换，使变激发波长光谱测量更加高效、方便。
(2)通过平动和俯、仰转动调谐使不同方向入射的激发光经转动反射镜和分束器反射后保持同一光路传播，采用高精度、高速度的旋转位移台可以实现多路(四路及四路以上)激发光、分束器及滤光片的高精度、快速切换。
(3)本发明设计结构紧凑，使激发光、分束器及滤光片切换装置的体积小，使用灵活。
如图1、2所示，入射耦合立方3通过入射耦合立方支架2固定于底板1，旋转位移台8通过旋转位移台支架7固定于底板1，第一光路提升反射镜13和第二光路提升反射镜12通过光路提升反射镜支架14固定于底板1。第一入射反射镜41、第二入射反射镜42、第三入射反射镜43、第四入射反射镜44分别固定于入射耦合立方的上方、后方、下方、前方。转动管6固定于旋转位移台8的中心孔，转动反射镜5固定于转动管6的左端，转动分束器固定架9固定于转动管6的右端，第一分束器101、第一长波通滤光片111固定于转动分束器固定架9的上方，第二分束器102、第二长波通滤光片固定于转动分束器固定架9的后方，第三分束器103、第三长波段滤光片固定于转动分束器固定架9的下方，第四分束器104、第四长波通滤光片114固定于转动分束器固定架9的前方。其中，转动分束器固定架右视结构91、转动分束器固定架前视结构92、转动分束器固定架后视结构93如图3所示。第一长波通滤光片111位于第一分束器101的后方，二维俯、仰旋转调节钮15固定于第一分束器101用于调谐第一分束器101的二维俯、仰旋转调谐，其中，第一分束器右视结构1011、第一分束器前视结构1012、第一分束器后视结构1013和二维俯、仰旋转调节钮后视结构153如图3所示。
当旋转位移台8刻度为0度时，调谐第一激发光、第一入射反射镜41的二维俯仰，使第一激发光经第一入射反射镜反射后45度入射至转动反射镜5的中心，调谐转动反射镜5的二维俯仰，使第一激发光沿转动管6的轴向水平向右传播至第一光路提升反射镜13，调谐第一光路提升反射镜13、第二光路提升反射镜12的二维俯仰，使第一激发光水平向左45度入射至第一分束器101，调谐第一分束器101的二维俯仰及一维平动调谐，第一激发光经第一分束器101反射后水平向前入射至显微物镜，经显微物镜聚焦至材料来激发材料，材料发出的荧光经同一个显微物镜收集后水平向后45度入射至第一分束器101，经第一分束器101透射后，0度入射至第一长波通滤光片111，其中，第一长波通滤光片右视结构1111和第一长波通滤光片后视结构1113如图3所示。经第一长波通滤光片111滤光后，入射至光谱仪进行光谱测量。当旋转位移台刻度为0度时，光谱仪配置对应于第一激发光、第一分束器、第一长波通滤光片，同样；当旋转位移台旋转90度，光谱仪配置对应于第二激发光、第二分束器、第二长波通滤光片；当旋转位移台旋转180度，光谱仪配置对应于第三激发光、第三分束器、第三长波通滤光片；当旋转位移台旋转270度，光谱仪配置对应于第四激发光、第四分束器、第四长波通滤光片。这样通过旋转转动位移台的角度就可以实现光谱仪激发光、分束器、长波通滤光片的联动切换。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种光谱仪激发光、分束器和滤光片的联动切换装置，其特征在于，所述联动切换装置包括：
底板；
旋转位移台，通过旋转位移台支架固定于所述底板；
转动管，固定于所述旋转位移台的中心孔；
转动反射镜，固定于所述转动管的入射端；
转动分束器固定架，固定于所述转动管的出射端；
分束器，固定于所述转动分束器固定架；
长波通滤光片，固定于所述转动分束器固定架；
入射光耦合立方，通过入射光耦合立方支架固定于所述底板；
入射反射镜，固定于所述入射光耦合立方，反射激发光至转动反射镜；
高度提升反射镜，包括第一高度提升反射镜和第二高度提升反射镜，通过高度提升反射镜支架固定于所述底板；
其中，所述装置的光路数量为4，即存在4束激发光，分别为第一激发光、第二激发光、第三激发光和第四激发光；所述分束器包括第一分束器、第二分束器、第三分束器和第四分束器；所述长波通滤光片包括第一长波通滤光片、第二长波通滤光片、第三长波通滤光片和第四长波通滤光片；所述入射反射镜包括第一入射反射镜、第二入射反射镜、第三入射反射镜和第四入射反射镜；
当所述旋转位移台的刻度为0度时，所述第一激发光经所述第一入射反射镜从入射光耦合立方上方反射至所述转动反射镜，对应于所述第一分束器和所述第一长波通滤光片；所述旋转位移台向前旋转90度至刻度为90度时，所述第二激发光经所述第四入射反射镜从入射光耦合立方前方反射至所述转动反射镜，对应于所述第二分束器和所述第二长波通滤光片；所述旋转位移台向前旋转180度至刻度为180度时，所述第三激发光经所述第三入射反射镜从入射光耦合立方下方反射至所述转动反射镜，对应于所述第三分束器和所述第三长波通滤光片；所述旋转位移台向前旋转270度至刻度为270度时，所述第四激发光经所述第二入射反射镜从入射光耦合立方后方反射至所述转动反射镜，对应于所述第四分束器和所述第四长波通滤光片；
所述联动切换装置当所述旋转位移台的刻度为0、90、180、270时，能够实现四路激发光、分束器及长波通滤光片的联动切换；若细分更多的旋转位移台的刻度，就能够实现更多路的激发光、分束器及长波通滤光片的联动切换；
调谐激发光及入射反射镜的二维俯、仰让各个方向的激发光经所述入射反射镜反射后都45度入射至所述转动反射镜的同一位置；进行所述转动反射镜的两维俯、仰调节，使45度入射激发光，反射后沿转动管轴向水平传播；调谐两个高度提升反射镜的二维俯、仰，让激发光水平向左传播，即平行于转动管轴向45度入射至所述分束器；进行所述分束器两维俯、仰及一维平动调谐，使45度入射各个方向的激发光经所述分束器反射后沿同一光路水平向前传播，即垂直于转动管轴向至显微物镜；从而保证各个方向的激发光经所述转动反射镜反射和所述分束器反射后都保持同一光路传播；
所述联动切换装置要求激发光不切换而只切换分束器和滤光片，只需要将转动反射镜脱离转动管并固定于入射光耦合立方的内部；要求激发光切换而不切换分束器和滤光片，只需要经转动分束器固定架脱离转动管并固定于底板。
2.根据权利要求1所述的联动切换装置，其特征在于，激发光经过所述入射反射镜反射后，45度入射至所述转动反射镜，经所述转动反射镜反射，经所述转动管的中心孔从入射端沿转动管轴向水平传播至出射端，45度入射至所述第一高度提升反射镜，经所述第一高度提升反射镜反射，垂直向上传播，45度入射至所述第二高度提升反射镜，经所述第二高度提升反射镜反射，水平向左传播，45度入射至所述分束器，经所述分束器反射，水平向前传播至物镜，经物镜聚焦后激发材料，材料光谱信号经过同一物镜收集，45度入射至所述分束器，经所述分束器透射，0度入射至所述长波通滤光片，经所述长波通滤光片透射至光谱仪入射端。
3.根据权利要求1所述的联动切换装置，其特征在于，所述分束器包括二向色分束镜、立方体分束镜、平板分束镜和薄膜分束镜。
4.根据权利要求1所述的联动切换装置，其特征在于，有一些特殊的光谱测量采用光学滤光片、线偏振片作为分束器，这些分束器需要小角度入射，因此需要增加一个反射镜，第二高度提升反射镜将激发光反射至增加的反射镜，经增加的反射镜反射后，小角度入射分束器，经分束器反射后，水平向前传播，即垂直于转动管轴向至显微物镜。
5.根据权利要求4所述的联动切换装置，其特征在于，所述光学滤光片包括陡带长波通滤光片和布拉格光栅滤光片。
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