專利名稱：光子隧道掃描圖象分解方法及儀器的制作方法
技術領域：
本發明屬于光學顯微鏡領域，特別涉及一種超衍射分辨極限的光子掃描隧道顯微鏡。
在現有技術中，常規(透鏡)光學顯微鏡的放大倍率只能達到一千多倍，其空間分辨極限受衍射極限制約(約λ/2)。1991年美國專利局公布費雷爾(F.L.Ferrell)等人專利號為U.S.P.5，018，865的發明專利，其名稱為光子掃描隧道顯微鏡(或譯為光子隧道掃描顯微鏡)。其橫向的空間分辨極限可以好于λ/25，并具有縱向的空間分辨能力。法國斯皮拉(SPIRAL)公司買下該專利并于1991年生產出該專利樣機，由于專利樣機存在著一般光學樣品因θ變化引進的假象，且它與樣品表面起伏的形貌圖象和折射率變化分布圖象混在一起，無法解釋該專利樣機獲得的樣品圖象，嚴重影響了該專利產品的實用性能。因此，斯皮拉公司至今在國際市場上未推出該專利正式商品。有關的公開文獻至今也尚未解決上述問題。
本發明的目的是提供一種光子隧道掃描圖象分解方法，并為實現本方法提出一種光子隧道掃描圖象分解顯微鏡儀器結構設計。它可在光子隧道掃描圖象中消除因θ變化引入的假象，并分解出一般光學樣品(有表面起伏變化和折射率變化)表面形貌圖象和折射率變化分布圖象，解決當前光子掃描隧道顯微鏡中存在的假象與樣品表面形貌圖象、折射率變化分布圖象混在一起無法分解的問題，為這項新技術商品化解決一個重大的關鍵技術問題。
本
發明內容
與U.S.P.5，018，865美國專利比較主要的相同與不同之處分述如下
相同之處。都利用了廣義的“光子隧道”現象，所謂光子隧道現象就是指早已被人們研究過的受抑消逝場現象。光頻電磁波在全內反射界面消逝場“壘”上是通不過的，但當折射率大于消逝場空間介質折射率的光纖尖進入消逝場時，將使消逝場局域受抑，在光纖尖端頭界面外消逝波電磁場將通過界面耦合進入光纖尖。進入光纖尖的光子就可越過消逝場“壘”，并通過光纖光導傳至光纖尖另一端遠場，這種“局域消逝場受抑”概念就是近幾年以來大家稱呼的“光子隧道”概念。
不同之處。有儀器基本原理圖、基本公式不同和儀器結構、功能不同。不同的基本原理圖見圖1，圖1.1為U.S.P.5，018，865專利附圖中fig1B，其全內反射畫在玻璃(4)和樣品(1)界面，認為樣品調制空氣中消逝場的結果僅將消逝場推到樣品外邊去;圖1.2為本發明的基本原理圖，其全內反射發生在樣品(1)和空氣(2)界面。基本的消逝場強度公式表示也不同，U.S.P.5，018，865專利要求書中第39項基本公式為I＝Kexp{-2kZ[sin2θi-(nt/ni)2］ ｝式中K為常數，K＝2πni/λ，nt(空氣)＝1，代入上式后為I＝Kexp[- (4π)/(λ) Z(n2iSin2θi-1) ]， (1′)(1′)式說明全反射發生在玻璃(4)和空氣(2)界面。本發明采用基本公式按全反射發生在樣品(1)和空氣(2)界面給出，見下式，I＝K(n1，θ)exp[- (4π)/(λ) Z(n21Sin2θ-1) ](1)式中K(n1，θ)＝KS(n1，θ)+KP(n1，θ)KS(n1，θ)＝4n21Cos2θ/(n21-1)，(S偏振光)，KP(n1，θ)＝4n12cos2θ(2n12sin2θ-1)cos2θ+n12(n12sin2θ-1)]]>(P偏振光)，
(1′)和(1)式中，Z為樣品表面至光纖尖距離，ni為樣品載物臺玻璃折射率，n1為樣品折射率，θi為玻璃(4)和樣品(1)界面上平行光束入射角，θ為樣品(1)和空氣(2)界面平行光束入射角λ為光束波長。U.S.P.5，018，865專利根據(1′)式中θi和ni為某一給定常量，I就只取決于Z的關系，因此，在專利要求書的第一主權項中表述當光纖尖與樣品表面距離(Z)為常數時，消逝場強度(I)基本上也為常數;該說明書總結中說“光纖尖控制在樣品表面作等強度掃描時”，“可以提供樣品表面形貌變化的精確圖象。”事實說明，該專利的基本原理圖、基本公式(1′式)、專利要求書中首項及發明總結中上述論述是錯的。由(1)式可知I是Z、n1和θ的函數，根據(1)式本發明給出了光子隧道等強度掃描圖象表達式(6)式，該式說明，它不僅取決于樣品表面形貌變化，還混入折射率變化分布圖象和因θ變化引入的假象。一幅等強度掃描圖象不可能提供樣品表面形貌變化精確圖象。本發明與U.S.P.5，018，865專利最核心的不同是提出光子隧道掃描圖象分解方法和為實現本方法而給出的儀器結構設計。本發明的方法和儀器不僅可在光子隧道掃描圖象中分離出因θ變化而引入的假象，而且還可分解出正確反映樣品表面起伏的形貌圖象和反映樣品折射率變化分布圖象。
本發明的內容之一是提出光子隧道掃描圖象分解方法的原理、并推導圖象分解公式。有二種掃描圖象，等強度掃描圖象和等高度掃描圖象。當光纖尖在樣品表面消逝場中進行(x，y)二維掃描時，用反饋回路(17)控制光纖尖(3)在垂直于樣品表面(Z方向)微調，使光纖尖另一端輸出的消逝場探測信號保持某一設置常數，記錄下光纖尖高度(H(x，y))變化圖象即為光子隧道等強度掃描圖象(△H(x，y));如果光纖尖維持在某一定高度(H)不變，在樣品表面消逝場中進行(x，y)二維掃描，同時記錄下消逝場強度信息(I)的變化圖象即為光子隧道等高度掃描圖象(△I(x，y))。掃描圖象分解方法原理建立在(1)式的基礎上，(1)式成立的條件是樣品表面產生全內反射，即存在消逝場，它要求入射角(θ)大于或等于全反射臨界角(θc)，θ≥θc＝Sin-1( 1/(n1) )， (2)在超出此定義域條件的象元上，圖象分解公式將無解，這些象點稱為圖象中的一些θc域外特殊點。
等強度掃描圖象分解方法。從圖1中1.2圖可知，光纖尖高度(H(x，y))為樣品厚度(Z0(x，y))和光纖尖至樣品表面間距(Z(x，y))之和，即H(x，y)＝Z0(x，y)+Z(x，y)， (3)首先將平行光束光源(見圖2中7)放在0方位照射樣品，作0方位等強度掃描圖象(△H0(x，y))，△H0(x，y)＝△Z0(x，y)+△Z(x，y) (4)上式中△Z0(x，y)為樣品高度變化即表面形貌圖象，△Z(x，y)為Z的變化圖象。
作等強度掃描時，根據(1)式，有△I(x，y)＝0，得( )△Z(x，y)+( )△n1(x，y)+( )△θ(x，y)＝0， (5)從(4)、(5)式得到等強度掃描圖象表達式如下△HO(x，y)≈△Z0(x，y)-( )△n1(x，y)- △θy(x，y)， (6)
(5)式中△θ(x，y)為光束入射面內樣品表面傾角，見圖1.2，△θ＝θ-θ。(6)式中以△θy(x，y)代替了(5)式中的△θ(x，y)，△θy(x，y)為在0方位與Z坐標軸組成的(Y-Z)平面內樣品表面的傾角，建立(6)式時只考慮在(Y-Z)平面內樣品表面傾角，而忽略(X-Z)平面內樣品表面傾角。在Y方向掃描時，近似的樣品表面模型是，樣品表面只有y方向傾角的連續的各象元表面組成，因此，(6)式為近似等式。在實際掃描圖象中，由于臨界角(θc)關系，大約只能顯示△θ(x，y)小于0.2(弧度)的圖象，由于△θ(x，y)是小量，(6)式近似等式是能成立的。
(6)式說明一幅等強度掃描圖象中三幅圖象混在一起，它們是樣品表面起伏形貌圖象(△Z0(x，y))、折射率變化引進的圖象( △n1(x，y))，和因θ變化引進的假象( △θy(x，y))。假象與光束入射角聯系在一起，入射角是成象條件，成象條件一變它也在變，所以它屬假象成份。
將平行光束光源(7)繞主機中心垂直軸線轉過180°，放在π方位照射樣品，(見圖2)，再作π方位光照條件下的等強度掃描圖象(△Hπ(x，y))，要求該圖象與△H0(x，y)的象元嚴格地一一對應，并用同一(x，y)坐標。設樣品表面某些平行于載物臺玻璃上表面處的入射角為θ，則任一點(x，y)在θ方位光照條件下的入射角可表示為θ≈θ+△θy(x，y)。在入射角為θ處π方位光照的光路恰好是0方位光照光路的逆光路，同-(x，y)點π方位光照條件下的入射角將為θ-△θy(x，y)，因此π方位光照條件下的等強度掃描象△Hπ(x，y)將可用下式表示，△Hπ(x，y)≈△Z0(x，y)-( )△n1(x，y)+( )△θy(x，y) (7)由(6)(7)式相減可行△θy(x，y)＝ 1/2 [△Hπ(x，y)-△H0(x，y)]/ ， (8)由(8)式可知0方位、π方位二幅等強度掃描圖象的相減圖象就可得到因θ變化引入的假象。
設y為第一掃描方向，△y為掃描步長，其指向與0-π方位指向相同，第x行的坐標為(x，j)，j＝0，1，2，……m，設在同一掃描行中樣品高度差為△Zy0(x，j)，它與(y-z)平面中樣品表面傾角△θy(x，j)并不是完全獨立的變量，如設△Zy0(x，0)＝0，則它們之間存在下式關系△Zy0(x，j)＝[ △θy(x，j)]△y， (9)j＝0，1，2，……m，(9)式的含意是每一掃描行樣品表面形貌變化可由△y為線段長度的連續的象元表面傾角勾劃出的折線表示出來。(9)式只能給出同一掃描行中相對高度差，并已假定每一掃描行起始點的值均為0。為了描述整幅圖象的表面形貌，還得給出每一掃描行起始點即首掃描列(i，0)的相對高度差(△Zx0(i，0))，其中i＝0，1，2，…n，并設△Zx(0，0)＝△Z0(0，0)＝0，即整幅形貌圖象以(0，0)點為0的相對高度差來表示，因此△Z0(i，j)＝△Zx0(i，0)+△Zy0(i，j)， (10)為了求行掃描起點之間相對于△Z0(0，0)點的高度差(△Zx0(i，0))，還要將平行光束光源轉到與0-π方位垂直的π/2和3π/2方位上，分別作出等強度掃描圖象△Hπ/2(x，y)和△H3π/2(x，y)。其(x，y)坐標、平行光束照射到樣品上的光強和設置的等強度掃描控制常量均應與0、π方位掃描時嚴格相同，這是方程聯合求解不可缺少的條件。設△θx(x，y)為(x-z)平面內樣品表面傾角，根據(6)、(7)、(8)式推導相同方法可以給出下式，△θx(x，y)＝ 1/2 [△H3π/2(x，y)-△Hπ/2(x，y)]/ (＊Z)/(＊θ) ， (11)△θx(x，y)圖象同樣可以給出起始掃描列(見12式)和任一掃描列的樣品表面形貌相對變化(見13式)，△Zx0(i，0)＝[ △θx(i，0)]△x， (12)△Zx0(i，y)＝ △θx(i，y)]△x， (13)i＝0，1，2，……n，△Zx0(0，y)＝0，根據(10)、(12)、(9)式可以獲得樣品表面起伏形貌圖象為△Z0(i，j)＝[ △θx(i，0)]△x+[ △θy(i，j)]△y， (14)有時，在實際掃描圖象中將會出現θc域外特殊點。判斷最明顯的θc域外特殊點為圖象信息出現飽和;準確的判斷可在給出△θ(x，y)圖象后確定，凡△θ＞θ-θc象點處均為θc域外特殊點。這情況一般多出現在樣品邊緣。設個別的θc域外特殊點的坐標為(x，c)，當出現這情況時(9)式關系在(x，c)點將被打斷，而(x，c+1)點將是打斷后的新掃描起點。為了確定新掃描起點的高度，可用(13)式和(9)式，新掃描起點相對于(0，0)點的高度差可用下式給出，
△Z0(x，c+1)＝△Zy0(0，c+1)+△Zx0(x，c+1)，(15)在θc域外特殊點以后，用(14)式之處將改用下式，△Z0(x，j≥c+2)＝△Z0(x，c+1)+[ △θy(x，j)]△y， (16)至此，根據(14)式必要時還有(16)式就可以給出除θc域外特殊點以外整幅圖象中樣品表面起伏的形貌圖象。
(6)、(7)式相加，可以得到以下式表示的樣品折射率變化分布圖象，△n1(x，y)＝{△Z0(x，y)- 1/2 [△Hπ(x，y)+△H0(x，y)]}/ (17)根據△H0(x，y)、△Hπ(x，y)掃描圖象和△Hπ/2(x，y)、△H3π/2(x，y)圖象中首列可以給出一組△Z0(x，y)、△n1(x，y)結果;同樣根△Hπ/2(x，y)、△H3π/2(x，y)掃描圖象和△H0(x，y)、△Hπ(x，y)中首行也可以給出一組△Z0(x，y)、△n1(x，y)結果，上述二組結果求其平均圖象，將可給出信噪比得到改善的最終△Z0(x，y)、△n1(x，y)結果。
二種特殊樣品(平面樣品和折射率相同樣品)的等強度掃描圖象分解公式和求解方法將可簡化(1)平面樣品，僅折射率不同，由于△Z0(x，y)≈0，△θ(x，y)≈0，因而△Hπ(x，y)＝△H0(x，y)，由(17)式可得△n1(x，y)＝△H0(x，y)/ (18) 雖然不是常數，但它是△n1的單調函數，△H0(x，y)可以非線性地、但可以近似地反映折射率變化分布圖象。
(2)折射率相同樣品，僅有表面起伏變化，由(17)式，△n1(x，y)≈0，可得△Z0(x，y)＝ 1/2 [△Hπ(x，y)+△H0(x，y)]， (19)即0和π二個方位的等強度掃描圖象的平均圖象就等于樣品表面形貌圖象。(注意等強度掃描的Z需要得當。)等高度掃描圖象分解處理方法的原理與等強度掃描圖象分解方法的原理相類似，同樣要求作0、π及π/2、3π/2四個方位等高度掃描圖象(△I0(x，y)、△Iπ(x，y)、△Iπ/2(x，y)和△I3π/2(x，y))。其圖象分解的聯立方程為 由于等高度掃描成象過程中光纖尖容易被樣品表面未知的突出部位碰壞，一般情況不常用此法。
本發明的內容之二是求圖象分解聯立方程解的方法，在等強度掃描圖象分解聯立方程式(8、11、14和17四式)中有 二個偏導函數，它們都不是常數，要給出這二個偏導函數之后求解將非常困難;本發明提出用建立非線性關系標準曲線并用分段線性圖象變換方法求解將變難為易;非線性關系標準曲線就是分段線性圖象變換標準曲線，它的分段直線擬合數據即為分段線性圖象變換標準數據。
求△θy(x，y)解(求△θx(x，y)相同)將通過(8)式， (＊Z)/(＊θ) 不是常數，但是單調函數，說明△θy(x，y)和 1/2 [△Hπ(x，y)-△H0(x，y)]關系是非線性的。它們的非線性關系標準曲線可通過不同θ值的I(Z)～Z曲線族的實驗數據求出，見圖4(△θy(x，y)和△θx(x，y)分段線性圖象變換標準曲線制作方法示意圖。)此方法的程序為(1)在△H0(x，y)和△Hπ(x，y)二幅圖象中找圖象數據相等的象元(區)，此區內入射角為θ，△θ＝0;置光纖尖于△θ≈0的區內，作5～9個不同θ值條件下的消逝場曲線(I(Z)～(Z)族的實驗數據，見圖4.1示圖;
(2)設作△H0(x，y)和△Hπ(x，y)圖象條件為θ，Z，在圖4.1消逝場曲線族實驗數據圖中，作等強度控制線(Egu，圖4.1中點劃線)，畫出交點;
(3)從上述交點可讀出Z～θ曲線，由此曲線可讀出1/2 [Z(θ-△θ)-Z(θ+△θ)]～△θ數據，△θ＝θ-θ(用弧度單位表示)。此曲線(見圖4.2)即為△θy(x，y)與 1/2 [△Hπ(x，y)-△H0(x，y)](或△θx(x，y)與 1/2 [△H3π/2(x，y)-△Hn/2(x，y)])的非線性關系曲線，因為 1/2 [△Hπ(x，y)-△H0(x，y)]△θ＝ 1/2 [△Z0(x，y)+△Z(θ-△θ))-(△Z0(x，y)+△Z(θ+△θ))]＝ 1/2 [△Z(θ-△θ)-△Z(θ+△θ)]＝ 1/2 [Z+△Z(θ-△θ)-(Z+△Z(θ+△θ)]＝ 1/2 [Z(θ-△θ)-Z(θ+△θ)]，(21)即等強度掃描圖象上(除θc域外特殊點)所有數據均附合 1/2 [Z(θ-△θ)-Z(θ+△θ)]～△θ曲線的非線性關系;
(4)作 1/2 [△Z(θ-△θ)-Z(θ+△θ)]～△θ曲線分段直線擬合，以此分段直線擬合數據為標準數據，將 1/2 [△Hπ(x，y)-△H0(x，y)]圖象數據在分段直線內作線性內插，即可求出對應的△θy(x，y)圖象數據。以 1/2 [△Hπ(x，y)-△H0(x，y)]圖象通過分段線性內插求對應△θy(x，y)圖象的圖象處理方法即為常規的分段線性圖象變換方法。 1/2 [Z(θ-△θ)-Z(θ+△θ)]～△θ的分段直線擬合的數據稱為分段線性圖象變換標準數據;
(5)由于樣品中不同象點折射率不同，圖4.2標準曲線也有一些差異，因此要求隨機選3-5個△θ≈0的象點(區)，作3-5條圖4.2曲線，求其平均曲線作分段線性圖象變換的標準數據，以減少△θy(x，y)誤差。在同一樣品中，一般折射率分離不很大，以上平均曲線的處理辦法可以滿足要求;如果在下一步求△n1(x，y)中發現同一樣品的折射變化差別較大時，可以在第一輪結果(△θy(x，y)、△θx(x，y)、△Z0(x，y)和△n1(x，y))的基礎上，再利用數值模擬理論計稱出的不同θ、不同n1的消逝場曲線族數據(I(Z，θ，n1)～Z)，給出△θy(x，y)和△θx(x，y)的分段線性變換三維標準數據(參考下段)，進行第二輪選代，以 1/2 [△Hπ(x，y)-△H0(x，y)]圖象和第一輪△n1(x，y)圖象，作三維分段線性圖象變換，給出第二輪△θy(x，y)和△θx(x，y)。然后給出第二輪迭代的△Z0(x，y)和△n1(x，y)，一般不必通過多次迭代，便可獲得滿意結果，因為人眼視覺對圖象數據非線性的判別能力并不高。
求△n1(x，y)解將通過(17)式， (△θ，n1)是二維單調函數，說明△n1(x，y)與｛△Z0(x，y)- 1/2 [△Hπ(x，y)-△H0(x，y)]｝有非線性關系，并與對應△θy(x，y)還有關系。首先要找到它們之間的非線性關系曲線表達式，見下式｛△Z0(x，y)- 1/2 [△Hπ(x，y)+△H0(x，y)]}△θ＝- 1/2 [△Z(θ-△θ)+△Z(θ+△θ)]＝- 1/2 [(Z(θ-△θ)-Z)+Z(θ+△θ)-Z)]＝｛Z- 1/2 [Z(θ-△θ)+Z(θ+△θ)]｝，(22)通過數值模擬理論計算可以給出比用(1)式精確的不同θ、不同n1的消逝場曲線族數據，在此基礎上，給出不同θ的[Z～n1](θ)曲線族數據，見圖5.1(圖為(1)式給出的近似結果)，由[Z～n1](θ)曲線族數據，在給定θ、Z的條件下，可給出｛ 1/2 [Z(θ-△θ)+Z(θ+△θ)]～n1}(△θ)曲線族數據，見圖5.1。｛Z- 1/2 [Z(θ-△θ)+Z(θ+△θ)]}～(△θ，n1)即為△n1(x，y)與｛△Z0(x，y)- 1/2 [△Hπ(x，y)+△H0(x，y)]}的非線性關系曲線。此曲線族的分段直線擬合數據即為△n1(x，y)分段線性圖象變換三維標準數據。通過分段線性圖象變換專用程序，由已知的｛△Z0(x，y)- 1/2 [△Hπ(x，y)+△H0(x，y)]}圖象和△θy(x，y)圖象即可得到△n1(x，y)圖象。
本發明的內容之三是給出光子隧道掃描圖象分解顯微鏡儀器系統結構和光學系統結構，結構的主要特征是讓儀器能完成光子隧道掃描圖象分解功能，并使儀器具有方便的使用性能。儀器的系統結構由光子隧道掃描圖象分解顯微鏡主機和為主機服務的微機控制圖象系統二大部分組成，(見圖2)，后者由微計算機及其圖象外圍設備(20)、xy壓電陶瓷驅動器(19)、Z壓電陶瓷驅動器(18)和光子隧道信息反饋回路(17)構成。主機中光子隧道掃描成象系統包括裝在xyz三維掃描壓電陶瓷組件上的光纖尖、特殊的樣品載物臺、倒置常規光學顯微鏡圍繞主機垂直主軸線的0、π及π/2、3π/2四個方位光照方向可變的光源機構、在0方位多個θ值光照方向可變的光源機構、主機的防震系統和底座等。如光源全部采用半導體激光器方案或其中多個θ值的光照方向變換機構采用機械轉動機構，均是可行的設計;最佳的四個方位和多個θ值的光照方向可變機構是多光纖光導光照方向變換軟聯接結構，見圖3(光學系統結構示意圖)。它可使用氦氖激光器(7)還允許置換其他波長的激光器，光纖光導(25)軟聯接的優點是在變換方向時，不會影響主機的穩定性。為了補償氦氖激光器輸出的不穩定性，在光子隧道信息探測器(15)信號輸出線路中插入一個以氦氖激光器背向輸出探測器(8)信號為本底的除法器(16)。在0、π及π/2、3π/2四個方位光照方向可變機構中，入射角必須相同(θ)，照射樣品光束光強應相等;多個θ值光照方向可變的光束光強與上述四個方位也應相等;調整各光纖光導光照光強相等的措施為在光纖光導入口處設置中性減光板(26);各光纖光導出口固定在四個方位(0、π及π/2、3π/2)和多個θ值位置上，各光纖光導入口固定在滑動板(29)相應位置，通過改變滑動板定位槽(28)(相對于定位珠(30)的相對位置)變換光照方向。特殊的玻璃載稱臺(4)由常規顯微鏡蓋片(23)、約4毫米厚光學玻璃板(21)和四塊棱鏡(22)組成，其形狀特征可使倒置常規光學顯微鏡(9)的物面與光子隧道掃描圖象分解顯微鏡的物面共軛，常規光學顯微的放大倍率為50～400倍，光子隧道掃描成象系統的放大倍率為1，000～15，000倍，對同一光學樣品的目標組合的光學顯微鏡對高倍光子隧道掃描圖象分解顯微鏡選擇成象目標是必不可少的，對光纖尖進入樣品表面的消逝場中的粗調操作監視，也為必不可少。這樣的高、低倍率成象系統組合不僅為光學顯微鏡成象系統提供了大范圍可變換的放大倍率，而且還極大地提高了光子隧道掃描圖象分解顯微鏡的使用方便性能。
本發明的效果和意義。光子隧道掃描圖象分解方法和儀器解決了當前光子掃描隧道顯微鏡成象原理中存在的關鍵問題，從方法原理到儀器設備解決了假象與樣品形貌圖象、折射率變化分布圖象混在一起，不能分解又無法解釋這一重大難題，使利用光子隧道現象的超衍射極限分辨的光學顯微成象技術的實用化和商品化得以實現。在一個多世紀以來光學顯微鏡發展史中，為實現納米分辨的歷史性突破而奮斗中將作出重大貢獻;光子隧道掃描圖象分解方法和儀器將為許多領域提供納米分辨的光學微觀察手段，在生物醫學、遺傳工程、集成光學、表面科學、聚合物納米結構、光學材料折射率納米結構、光學薄膜的納米結構，光學表面和金屬表面復膜的納米光潔度究研等，將有廣泛的應用前景。該儀器分辨極限接近掃描電鏡，樣品制備比電鏡方便，不用真空環境，生物樣品可以保持活性;利用樣品光學折射率成象又不必染色;儀器價格比掃描電鏡便宜，較易普及;它與掃描電鏡都是各有特色的、互相不能完全替代的、納米分辨的顯微成象技術。
圖1.U.S.P.5，018，865基本原理圖(1.1)和本發明基本原理圖(1.2)比較，前者全內反射畫在玻璃(4)和樣品(1)界面，后者全內反射發生在樣品(1)和空氣(1)界面，圖1.1在框內數字為原標號，框外數字為與本發明附圖統一標號。圖中(3)為光纖尖，(5)為平行光束，(6)為消逝場，n1為樣品折射率，ni為玻璃折射率，nt為空氣折射率，θ為光束在樣品、空氣界面的入射角，θi為玻璃、樣品界面的入射角，圖2.光子隧道掃描圖象分解顯微鏡儀器結構示意圖，主機由光子隧道掃描圖象分解成象系統和倒置常規光學顯微成象系統(9)組成，微機控制圖象系統由微機及其圖象外圍設備(20)、xy壓電陶瓷驅動器(19)、Z壓電陶瓷驅動器(18)和反饋回路(17)、組成。(1)為樣品，(13)為光纖尖，(14)為壓電陶瓷組件，(15)為光電倍增管和前置放大器，(16)為除法器，(8)為背向激光輸出探測器，(7)為激光器，(4)為載物臺，(10)為防震系統，(11)為主機底座，(12)為從0方位的光照系統轉到π方位的示意圖，圖中還有π/2、3π/2方位光照及多個θ值的光照系統沒有畫出。
圖3.光學系統結構示意圖，多光纖光導(25)與定位滑動板(29)組合結構實現氦氖激光器(7)輸出與主機之間軟聯結，四支光纖光導輸出端固定在0、π及π/2、3π/2四個光照方位，其他光纖光導輸出端固定在多個θ值的光照位置，圖中θi為相對玻璃載物臺的入射角，θ為相對樣品上表面平行于載物臺處的入射角，光纖光導入口固定在定位滑動板(29)相應位置，(28)為定位槽，(30)為定位珠，(26)為調整各光纖光導光照光強相等的中性減光板，(20)為透鏡，(3)為光纖尖，(15)為探測光子隧道信息的光電倍增管和前置放大器，(1)為樣品，(23)為拿樣品方便而設置的常規顯微鏡蓋片，(21)為約4毫米厚的光學玻璃板，(22)為四塊棱鏡，棱鏡與玻璃板膠合，蓋片與玻璃板之間加硅油緊貼，(9)為由長工作距離物鏡、反光鏡、目鏡組成的倒置常規光學顯微鏡。
圖4.△θy(x，y)和△θx(x，y)的分段線性圖象變換標準曲線制作示意圖，4.1圖為不同θ的消逝場曲線族[I(Z)～Z](θ)實驗結果示意圖，其中點劃線(Egu)為等強度掃描設置常量控制線，圖4.2為從圖4.1得出的分段線性圖象變換標準曲線，即1/2 [Z(θ-△θ)-Z(θ+△θ)]～△θ。
圖5.△n1(x，y)的分段線性圖象變換標準曲線制作方法示意圖，圖5.1為由不同θ、不同n1的理論計算消逝場曲線族數據中處理出的不同θ的[Z～n1](θ)曲線族圖，圖5.2為從圖5.1給出的不同△θ的｛ 1/2 [Z(θ-△θ)+Z(θ+△θ)]～n1｝(△θ)曲線族圖，｛Z- 1/2 [Z(θ-△θ)+Z(θ+△θ)]｝～(△θ，n1)即為△n1(x，y)分段線性圖象變換標準曲線三維數據。
權利要求
1.一種光子隧道掃描圖象分解方法和儀器，為實現本方法的儀器由光子隧道掃描圖象分解顯微鏡主機和為主機服務的微機控制圖象系統二大部分組成，后者由微計算機及其圖象外圍設備(20)、xy壓電陶瓷驅動器(19)、z壓電陶瓷驅動器(18)和光子隧道信息反饋回路(17)構成，主機中光子隧道掃描成象系統的放大倍率為1，000～15，000倍，在樣品載物臺(4)下面，配置50～400倍放大倍率倒置常規光學顯微鏡成象系統(9)，主、付二個顯微成象系統對同一光學樣品目標在50～15，000倍放大倍率之間分擋可變換，其特征是圖象分解方法，該方法要求采集、記錄0、π及π/2、3π/2四個方位光束照射樣品條件下的四幅光子隧道等強度掃描數字圖象，利用這四幅ΔH°(x，y)、ΔHπ(x，y)、ΔHπ/2(x，y)和ΔH3π/2(x，y)等強度掃描數字圖象數據和推導出的圖象分解聯立方程求解，可消除一般光學樣品光子隧道掃描圖象中因θ變化引入的假象，并分解得到樣品表面起伏形貌圖象ΔZ0(x，y)，和樣品折射率變化分布圖象Δn1(x，y)，光子隧道等強度掃描圖象分解聯立方程表述如下Δθy(x,y)= 1/2 ［ΔHπ(x,y)-ΔHo(x,y)］/ (8) Δθx(x,y)= 1/2 ［ΔH3π/2(x,y)-ΔHπ/2(x,y)］/ (8) Δn1(x,y)={ΔZo(x,y)- 1/2 ［ΔHπ(x,y)+ΔHo(x,y)］}/ (17)
2.如權利要求1所述的光子隧道掃描圖象分解方法和儀器，其特征是求圖象分解聯立方程解的方法，避開給 和 二個偏導函數困難，用建立非線性關系標準曲線和分段線性圖象變換方法求解，非線性關系標準曲線的分段直線擬合數據即為分段線性圖象變換標準數據，作 1/2 [Z(θ-△θ)-Z(θ+△θ)]～△θ與△θy(x，y)和△θx(x，y)(即8和11式)共同的非線性關系標準曲線，需通過不同θ值的消逝場曲線族的實驗數據求出;作｛Z- 1/2 [Z(θ-△θ)+Z(θ+△θ)]}～(△θ，n1)與△n1(x，y)(即(17)式)的非線性關系標準曲線，需通過不同θ和不同n1的消逝場曲線族的數值模擬理論計算數據求出。
3.如權利要求1所述的光子隧道掃描圖象分解方法和儀器，其特征是在主機上圍繞垂直主軸線有四個方位和多個θ值光照方向可變的機構;在O、π及π/2、3π/2四個方位光照方向可變機構中，θ入射角必須相同，照射樣品光束光強應相等;在0方位的多個θ值光照方向可變的機構中，照射樣品光束光強應與上述四個方位相等;光源全部采用半導體激光器方案，或其中多個θ值的光照方向變換機構采用機械轉動方式均為可行的設計;當采用氦氖激光器或需變換其他波長的激光器光源時，在光源與主機之間最佳設計是光纖光導光照方向變換方式的軟聯接機構，此機構用一激光器(7)通過各光纖光導(25)和定位滑動板(29)實現四個方位和多個θ值光照方向變換，各光纖光導出口固定在四個方位和多個θ值光照位置，光纖光導的入口固定在滑動板相應位置，入口處有調整各光纖光導光照光強相等的中性減光板(26);在光子隧道信息探測器(15)信號輸出線路中插入一個以氦氖激光器背向輸出探測器(8)的信號為本底的除法器(16);玻璃載物臺(4)由常規顯微鏡的蓋片(23)、約4毫米厚光學玻璃板(21)和四塊棱鏡(22)組成，其形狀特征應使倒置常規光學顯微鏡的物面與光子隧道掃描圖象分解顯微鏡的物面共軛，組合的光學顯微成象系統具有50～15，000倍放大倍率。
全文摘要
光子隧道掃描圖象分解方法和儀器屬于光學顯微鏡領域，本發明提出圖象分解方法的原理、推導分解公式、給出求解方法，解決了光子掃描隧道顯微鏡中存在假象與樣品形貌圖象和折射率分布圖象混在一起不能分辨問題；為實現本方法給出光子隧道掃描圖象分解顯微鏡儀器結構和光纖光導光照變換機構，對同一光學樣品目標有五十至一萬五千倍的顯微放大倍率；在生物醫學、遺傳工程、集成光學、表面科學和納米技術等領域將有廣泛應用前景。
文檔編號G01B11/24GK1107577SQ9310411
公開日1995年8月30日 申請日期1993年4月8日 優先權日1993年4月8日
發明者吳世法 申請人:吳世法
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
