共焦测量实验..docxVIP

共焦测量实验摘要：共焦成像具有很高的纵向分辨率，可利用其离焦信号精确测定表面的三维成像，重构出表面形貌。通过利用共焦成像原理测定了样品铁片的平整度的具体实验，分析激光共焦测量的测量方法与应用场合。(B)(B)图 1 实验原理图激光反射式共焦测量基本原理实验原理如图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，这就称为反射式共焦成像。将探测器设置在成像透镜焦平面上,如图1(A)中所示，当样品稍微偏离共焦透镜焦平面时，像成在接收器前或后，探测器上光斑半径会灵敏的随之变化，偏离距离越大，光斑半径越大。本实验利用上述原理进行测量。另外，若在成像透镜焦平面处，探测器前加上一个小孔光阑，小孔光阑要足够小，不能大于共焦时光斑大小，如图1(B)。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。通过测量光强亦能判断偏离距离的大小。实验装置图图 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） 测量金属片表面平整度测量金属片表面平整度需要测量结果中含有没一点的位置信息。对于一般成像技术，只能得到二维的图形，而测定金属表面平整度需要测量物体的三维图像，因此使用共焦成像有明显优势。本实验使用的原理是通过光斑半径的变化反应离焦量的变化，因此先分析离焦量与光斑半径的关系。从几何光学角度分析，物点的位置与像点的位置是共轭的，也就是说物点的离焦量与像点的离焦量应该是线性关系，因此光斑半径与离焦量应该也满足线性关系。实验通过在样品台上放置平面镜，并让平面镜作轴向移动，考察光斑半径与离焦量是否满足线性关系。通过观察光斑半径变化，判断共焦时样品处于轴向位置4.98mm处，所得数据如下表：表格 1 离焦量与光斑半径数据表轴向位置/mm离焦量d/mm光斑半径r/像素4.980.0089.754.970.0192.734.960.0295.874.950.03100.514.940.04104.84.930.05112.314.920.06117.134.910.07122.834.900.08125.194.890.09128.31根据表1的数据可以作出离焦量与光斑半径的关系图：图 3 离焦量与光斑半径关系图图中直线为对数据进行线性拟合得出的图形，拟合结果如下：图 4 拟合结果从图4可以看出，拟合得出相关系数R2=0.987的直线，方程为：。可知实验结果符合理论分析，光斑半径与离焦量为线性相关。同时，以上述得出的拟合曲线方程可以进行定标，根据此方程可以算得不同光斑半径对应的离焦量。下面只需对金属表面取点扫描，得出其光斑半径，便可根据上述方程计算得到离焦量，对其平整度进行研究。将平面镜调回共焦处，更换样品为待测铁片，由于两者厚度不同，铁片将处于离焦状态，避免需要判断离焦量原数值正负的问题。对铁片进行横向扫描，记录数据如下：表格 2 金属片平整度数据表横向位置/mm横向位移/mm光斑半径r/像素离焦量d/mm11.000.10145.70.12610.990.09140.50.11410.980.08144.950.12410.970.07145.450.12510.960.06148.050.13110.950.05149.350.13410.940.04151.220.13810.930.03154.620.14510.920.02151.190.13810.910.01153.890.14410.900.00146.690.128*离焦量d与光斑半径r满足方程根据表格2作得离焦量d随横向位移的变化如图5图 5 铁片表面离焦量扫描图离焦量大小的变化可以反映铁片表面的起伏。实验中样品台轴向位置通过平面镜共焦位置确定，而平面镜比铁片要厚，因此更换成铁片后，共焦透镜焦点将在铁片后方，像也会成在成像透镜焦点后。因此铁片表面凸出的点反射光斑更大，对应离焦量更大；凹下的点反射光斑会比较小，对应离焦量也会变小。常用最大差值PV与面型均方根值RMS衡量表面平整度。对于被测样品的11个样品点，有最大差值:离焦量平均值(铁片轴向位置位置)：面型均方根值：粗糙程度用均方根值与均值的比值来衡量：从E=7.0%可以看出，铁片表面粗糙度还不是很高。实验存在一定误差，首先设置CCD在成像透镜焦点上存在偏差，其次就是光路准直问题。最后便是CCD噪声问题，一部分在