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1、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（ 11343022） 合作人：徐艺灵 组号 B13 （2014 年 3 月 27 日星期四）【实验目的】1. 了解共焦成像原理及其测量特点；2. 掌握用共焦成像法测量物体表面的平整度；3. 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
2、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
3、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
4、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。PV xmax xmin（ 1）本实验中， x 即为样品离焦量。RMS 是表面形貌的均值方根x2（2）RMSN 1（2）式中xxix ， xi 为单次测量值，x 是所有测量值的平均值。【实验用具及装置】实验装置图如图2：123489765接计算机131
5、211101415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 CCD14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
6、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
7、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的高度，使光束从小孔中间通过正入射CCD 中心。这时计算机上将显示一个圆散斑，调节衰减器2，使圆散斑不至于太亮也不要太暗。调节 CCD 的前后位置，使之处于成像透镜11 的焦面上。调节过程中可用白纸放在CCD 前观察光斑大小（焦面处光斑最小），同时观察计算机上显示的散斑大小及光斑半径的数据，当光斑半径最小时， CCD 即处在成像透镜的焦面上。使小孔光阑尽量靠近CCD 。将分光棱镜拨回图2 所示的位置，使反射光经过物镜14；把平面反射镜
8、装到试件架上，反射镜两边与试件架接触处垫两张纸片，以防固定时拧得过紧损坏平面镜。转动微动平移台的纵向调节螺杆，调节反射镜的前后距离，使之处于物镜14 的焦面上。调节时，观察计算机显示的散斑大小，当反射镜处于物镜14 的焦面上时， 显示的光斑半径最小且光斑最亮。这是因为当平面镜偏离焦点位置时，平面镜反射的光经过物镜后就不是平行光了，也就不能成像于透镜11 的焦面位置（即CCD 所在处）了，因而不能形成共焦成像。2. 测量及评价金属片表面平整度从样品架上取下平面反射镜，换上待测的金属片，保持纵向距离不变，调节微动平台的横向螺杆， 使光束对金属片表面进行横向扫描。 每隔 0.05mm 记录一组横向位
9、移和对应的光斑半径的数据并填入表 2。根据上面得到的定标曲线计算每个光斑半径对应的离焦量，作出离焦量随横向位移的变化曲线。计算PV 值和 RMS 值，对样品表面平整度作出评价。【实验过程及结果】1. 光斑直径与离焦量之间关系曲线的测量按内容 1 中的实验步骤（ 1）、（2）、（3）、（ 4）进行实验。需要说明的是，实验中由于小孔光阑的高度不可调，因而要协调反射镜 8 的角度以及 9、10、11、13 的高度使光束通过各器件的中心，并实现光的准直和共焦。测得的实验数据如表1 所示：表 1定标测定数据离焦量光斑半径（ pixel） - 第一次测） - 第二次测量序号量光斑半径（ pixel（ mm
10、）17.67025.5225.9027.68031.1630.7537.69033.1634.4047.70038.8940.5757.71041.6944.3867.72047.9445.4177.73054.5952.5887.74061.2258.7397.75065.5462.40107.76067.4264.84117.77069.1973.73为了减少误差， 上表显示的是两次的定标数据，以光斑半径为横坐标，离焦量为纵坐标，绘制曲线如图3(a)。用 Origin 软件对图3(a)做线性拟合，得到拟合情况如图3(b)7.787.787.767.767.747.74)mmm7.72m7.
11、72(量量焦焦移7.70移7.707.687.687.667.662030405060708020304050607080光斑 半径 (pixel)光 斑 半 径 (pixel)(a)(b)图 3离焦量与光斑半径关系图: (a)原散点图(b)拟合曲线拟合信息如下：Equation y = a + b*xWeightNo WeightingResidual Sum of SquaresPearsons r0.99361Adj. R-Square 0.98661Value离焦量Intercept7.61665Slope0.002122.80462E-4Standard Error0.002745.3994E-5分析 :从图3 的可以看出，光斑半径r 与平面镜离焦量y 呈线性关系，其关系曲线为：2y=0.00212r+7.61665 ，相关系数 R =0.98661。可见光斑半径与离焦量之间的关系是线性关系，并且实验数据相当可靠。图4 为拟合情况的残差分析。我们可以根据得到的拟合信息得到定标公式：y=0.00212r+7.61665（ 3）Regular Residual of Sheet1移焦 量0.010量焦0.005移1teehSfo0.000laudiseRr-0.005lau
