三维形貌的共焦测量
一、 实验目的：
1． 认识共焦成像原理及及其测量特点
2． 掌握共焦光学层析方法
3． 了解激光共焦测量的应用场合
二、实验原理：
激光共焦测量是基于发展的共焦成像原理实现的。共焦成像原理如图1所示。点光源P位于准直物镜L1的焦点上，发出的平行光经分光镜分光进入成像物镜L2，在L2的焦点上成点光源P的像P’。当被测件（试样）表面位于L2的焦面上时（d1=F2），入射光原路返回，过分光镜和另一准直物镜L3后，在L3的焦点上成点光源P的第二次成像P”。只有当P，P’，P”在各自光学元件的焦点位置上，才成立共轭的成像关系，这就称为共焦成像。
共焦成像在测量上具有如下特点：
(1) 当被测表面处于物镜的焦面位置时光线才能自准直反射，在探测器上成像并获得能量，因此具有很高的纵向分辨率，可用于精密测量的定位；
(2) 在探测器前加小孔，可以大大减小光学系统成像时的杂散光，使成像信号噪声最小；
(3) 当被测表面作三维移动（扫描）时存在层析性，即从表面很弱的离焦信号，可以测定表面的三维成像。从三维像重构物体，因而获得十分的表面形貌。
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。
激光共焦与荧光技术结合形成单光子及双光子共焦荧光显微术，这是当前分子光谱中的探测技术。
理论上对点光源和点探测器时，即完全相干情况下，共焦成像的三维（3D）表达式，可用3D点扩散函数（PSF）来描述。即
式中：
和
分别表示，物空间的物镜L2和准直物镜L3的3D振幅点扩散函数；
表示探测器的强度灵敏度；v, u是扫描点的归一化光学坐标。
在上式中再考虑共焦光学系统的参数，即物像的成像比例，就可获得被测物的3D形貌。
上式是完全相干成像，当探测器为有限尺度，则为部分相干成像。对共焦荧光测量时，样品被荧光材料标记，就成为非相干成像。另外更的描述成像响应可用传递函数（OTF）的方法，本实验就不予展开。
三、实验光路
光路如图2所示。
图2 实验光路图
四、实验步骤：
1. 扩束；
2. 插入共焦透镜15（10倍物镜）；
3. 用粗糙黑纸屏放入工作台18上的试件夹，阻断一路反射光，将平面反射镜夹入工作台16的试件夹上，调整16上的X，Y向测微螺杆，使试件初始位置在共焦透镜组焦面上(f=5mm)；
4. 移动CMOS23至透镜20的焦面上，得尺寸最小、边缘清晰的共焦像点；
5. 调节工作台16的X，Y向测微螺杆，观察共焦成像，测量像斑大小；
6. 根据测量结果，可得平面反射镜的三维形貌。
五、实验记录
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