三維形貌的共焦測(cè)量

 
一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?br /> 1． 認(rèn)識(shí)共焦成像原理及及其測(cè)量特點(diǎn)
2． 掌握共焦光學(xué)層析方法
3． 了解激光共焦測(cè)量的應(yīng)用場(chǎng)合
 
二、實(shí)驗(yàn)原理：
激光共焦測(cè)量是基于發(fā)展的共焦成像原理實(shí)現(xiàn)的。共焦成像原理如圖1所示。點(diǎn)光源P位于準(zhǔn)直物鏡L1的焦點(diǎn)上，發(fā)出的平行光經(jīng)分光鏡分光進(jìn)入成像物鏡L2，在L2的焦點(diǎn)上成點(diǎn)光源P的像P’。當(dāng)被測(cè)件（試樣）表面位于L2的焦面上時(shí)（d1=F2），入射光原路返回，過(guò)分光鏡和另一準(zhǔn)直物鏡L3后，在L3的焦點(diǎn)上成點(diǎn)光源P的第二次成像P”。只有當(dāng)P，P’，P”在各自光學(xué)元件的焦點(diǎn)位置上，才成立共軛的成像關(guān)系，這就稱(chēng)為共焦成像。

共焦成像在測(cè)量上具有如下特點(diǎn)：
(1) 當(dāng)被測(cè)表面處于物鏡的焦面位置時(shí)光線(xiàn)才能自準(zhǔn)直反射，在探測(cè)器上成像并獲得能量，因此具有很高的縱向分辨率，可用于精密測(cè)量的定位；
(2) 在探測(cè)器前加小孔，可以大大減小光學(xué)系統(tǒng)成像時(shí)的雜散光，使成像信號(hào)噪聲最?。?br /> (3) 當(dāng)被測(cè)表面作三維移動(dòng)（掃描）時(shí)存在層析性，即從表面很弱的離焦信號(hào)，可以測(cè)定表面的三維成像。從三維像重構(gòu)物體，因而獲得十分的表面形貌。
激光共焦成像與顯微鏡結(jié)合形成共焦顯微術(shù)，已廣泛用于生物，醫(yī)學(xué)與工業(yè)探測(cè)上，特別是活體的形貌探測(cè)上。
激光共焦與熒光技術(shù)結(jié)合形成單光子及雙光子共焦熒光顯微術(shù)，這是當(dāng)前分子光譜中的探測(cè)技術(shù)。
理論上對(duì)點(diǎn)光源和點(diǎn)探測(cè)器時(shí)，即完全相干情況下，共焦成像的三維（3D）表達(dá)式，可用3D點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)（PSF）來(lái)描述。即

式中：和分別表示，物空間的物鏡L2和準(zhǔn)直物鏡L3的3D振幅點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)；表示探測(cè)器的強(qiáng)度靈敏度；v, u是掃描點(diǎn)的歸一化光學(xué)坐標(biāo)。
在上式中再考慮共焦光學(xué)系統(tǒng)的參數(shù)，即物像的成像比例，就可獲得被測(cè)物的3D形貌。
上式是完全相干成像，當(dāng)探測(cè)器為有限尺度，則為部分相干成像。對(duì)共焦熒光測(cè)量時(shí)，樣品被熒光材料標(biāo)記，就成為非相干成像。另外更的描述成像響應(yīng)可用傳遞函數(shù)（OTF）的方法，本實(shí)驗(yàn)就不予展開(kāi)。
三、實(shí)驗(yàn)光路
光路如圖2所示。
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
圖2  實(shí)驗(yàn)光路圖
四、實(shí)驗(yàn)步驟： 
1. 擴(kuò)束；
2. 插入共焦透鏡15（10倍物鏡）；
3. 用粗糙黑紙屏放入工作臺(tái)18上的試件夾，阻斷一路反射光，將平面反射鏡夾入工作臺(tái)16的試件夾上，調(diào)整16上的X，Y向測(cè)微螺桿，使試件初始位置在共焦透鏡組焦面上(f=5mm)；
4. 移動(dòng)CMOS23至透鏡20的焦面上，得尺寸最小、邊緣清晰的共焦像點(diǎn)；
5. 調(diào)節(jié)工作臺(tái)16的X，Y向測(cè)微螺桿，觀察共焦成像，測(cè)量像斑大小；
6. 根據(jù)測(cè)量結(jié)果，可得平面反射鏡的三維形貌。
 
 
 
五、實(shí)驗(yàn)記錄

序號(hào)	光斑尺寸（直徑）	DZ（縱向位移值）