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光信息专业实验：共焦测量实验 PAGE 2 中山大学光信息专业实验报告：共焦测量实验 实验人：何杰勇 合作人：徐艺灵 组号B13 （2014年3月27日星期四） 【实验目的】 了解共焦成像原理及其测量特点； 掌握用共焦成像法测量物体表面的平整度； 了解激光共焦测量的应用场合。 【实验基本原理】 1. 激光共焦测量基本原理 共焦成像分为反射式和透射式两种，本实验采用反射式共焦成像为例简述共焦成像原理，如图1所示。点光源位于准直物镜的焦点上，所发出的光被准直成平行光后，经分光镜反射至共焦透镜，照射在样品上。当样品恰好位于共焦透镜的焦平面上时入射光恢复成平行光原路返回，通过分光镜和成像透镜后，在成像透镜的焦点上成点光源的第二次像，这就称为共焦成像。 共焦成像过程中，在探测器前加小孔光阑可有效抑制杂散光干扰。当光源、样品及CCD探测器均处于彼此的共轭位置时，CCD接收到的反射光最多。当样品稍微偏离共焦透镜的焦平面时，部分反射光将被光阑挡住，使探测器接收到的反射光迅速减弱，相应的轴向曲线变窄。由此可见，共焦测量具有很高的轴向分辨率，因此只有当物体处在透镜焦平面时，其反射像才能有效的记录下来。对被测物体的不同层次进行扫描可以得到不同层次的像，从而可以利用不同层次的像重构出物体的三维图像。而普通光学显微镜观察到的只是物体的平面像，物体稍微偏离焦平面时，分辨率会迅速下降，因此不能达到重构物体三维图像的效果。当输入的光源时激光光源时，因其单色性好，故图像会具有较高的衬度。 激光共焦成像与显微镜结合形成共焦显微术，已广泛用于生物，医学与工业探测上，特别是活体的形貌探测上。 实验中，我们利用CCD观察测量反射光斑的大小，当光源、样品及CCD探测器均处于彼此的共轭位置时，光斑半径最小，当样品稍微偏离物镜焦平面时，反射光斑半径将发生变化。随着样品偏离焦平面的距离增大，光斑半径将增大，增大到一定程度，由于光阑会挡住一部分光，光斑半径又开始减小。在反射光斑半径增大的范围内，我们要用表面光滑的反射镜测量光斑半径与离焦量的关系曲线。 2. 物体表面平整度的测量及评价 得到光斑半径与离焦量的关系曲线后，我们可以测量样品表面的平整度。固定样品的轴向距离不变，利用微动平台使光束对样品表面进行横向扫描，若样品表面凹凸不平，则在扫描过程中离焦量会发生变化，测得的反射光光斑半径也会随之变化。根据光斑半径的变化情况可判断样品表面的凹凸情况。 通常用PV和RMS两个指标来评价光学平面零件的表面平整度。PV是表面形貌的最大峰谷值。 （1） 本实验中，x即为样品离焦量。 RMS是表面形貌的均值方根 （2） （2）式中，xi为单次测量值，是所有测量值的平均值。 【实验用具及装置】 实验装置图如图2： 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 13 12 11 10 14 15 接计算机 图2 实验装置示意图 1－激光器 2－小口径衰减器 3－定向孔 4－反射镜 5－反射镜 6－扩束镜 7－滤波孔 8－反射镜 9－准直透镜 10－分光棱镜 11－成像透镜 12－可调光阑 13－CCD 14－物镜透镜 15－多功能试件夹及组合微动平移台（可横向和纵向移动） 共焦成像时，激光经6，9扩束、准直，经分光棱镜10后由物镜14聚焦于样品上，由样品反射的光束经过物镜14恢复成平行光，透过分光棱镜10后由成像透镜11聚焦于CCD上，通过计算机上的相关软件可观察到在CCD上形成的弥散斑图像。当样品偏离物镜焦点位置时，弥散斑圆直径将发生变化，经程序计算，实现定量检测。 【实验内容及步骤】 1.测量样品离焦量与光斑直径关系曲线（即定标） (1) 打开电脑，双击桌面上的“csylaser”图标，即打开与实验配套的测量软件，实验类别选择“D-共焦计量测试”。 (2) 打开实验仪电源，把激光器后面的电源开关拨到III档使之起辉，待出射光稳定，重新拨回I档。 (3)按照光路图调节光路。 调节反射镜8的高低、俯仰角度和准直透镜9的高度，使光束垂直通过准直透镜9的中心；调节分光棱镜10使光束通过10的中心并垂直于与光束相对的外表面；将分光镜的反射面相对于图2中位置旋转90°，放一张白纸在分光镜后，在较长距离内前后移动白纸，若打在纸上的光般大小不变，说明反射镜8处在准直透镜9的焦面上，即透过9的光已是准直的平行光。为了得到更精确的且高度适中的平行光,还得调节扩束透镜6， 调节成像透镜11，使由分光棱镜反射的光垂直入射透镜中心；调节小孔光阑和CCD的高