专利名称：提高远场光学显微镜分辨率的方法
技术领域：
本发明属于光学显微技术领域，特别涉及一种提高远场光学显微镜分辨率的方法。
背景技术：
自从光学显微技术诞生以后，人们一直为提高光学显微镜的分辨率而努力。显微镜的分辨率是指显微镜能够分辨两个物点的能力。目前使用的分辨率判断标准主要是1879年由瑞利提出的瑞利判据，该判据的表达式如下Δx＝0.61λ/n sinθ，其中Δx是显微镜的分辨极限，λ是入射光在真空中的波长，n是物镜与样品之间的折射率，θ是显微镜物镜在样品一侧的半孔径角，n sinθ也称作显微镜的数值孔径(NA)。
根据瑞利判据，提高远场光学显微镜分辨率的途径主要有两个，一是缩短入射光的波长λ，二是提高显微镜的数值孔径NA，包括通过设计复合透镜加大显微镜物镜的孔径角θ和采用油浸润物镜增大物镜与样品之间的折射率n。单纯增大孔径角只能使NA增大到0.95，即使采用油浸润镜，NA最大也只能到1.5。而且使用上述方法在原来的基础上再进一步提高远场光学显微镜的分辨率必然会使设备的技术难度和成本都急剧的上涨。
发明内容
本发明的目的在于提供一种简便有效的提高远场光学显微镜分辨率的方法，其特征在于在公知的远场光学显微镜的载物台上放置一块用溅射法镀上一层含有无序金属—绝缘体膜层的载玻片。
所述载玻片的结构在厚度为(0.17～1.2)mm的玻璃片上镀一层厚度为(10～80)nm无序金属—绝缘体膜层，并在涂层上再复一层厚度为(5～50)nm的近场间隔层，样品置于近场间隔层之上。
所述无序金属—绝缘体膜层中含有金属和绝缘体两种组分，直径为(1～10)nm的金属颗粒随机分散在绝缘体中，金属组分的体积分数为(0.3～0.7)。
所述绝缘体材料、近场间隔层的材料为Si3N4或SiO2。
本发明的有益效果是当均匀的照明光穿过无序金属—绝缘体膜层时，由于无序金属—绝缘体介质会改变光场的分布，产生巨大的光场起伏，这种起伏的空间尺度在亚波长量级，并且只存在于无序金属—绝缘体膜层附近的近场范围内。因此利用近场间隔层控制近场距离，就可以获得相当于无数亚波长尺度光源同时进行近场照明的效果。由于照明方式的变化以及无序金属—绝缘体介质与样品之间的光学耦合作用，显微镜的分辨能力会大大提高。本发明将复有无序—绝缘体薄膜的载玻片，设置在光学显微镜的光路中，在不改变显微镜设备和操作方法的情况下使显微镜的分辨率大大提高，在最优条件下使可分辨的最小距离减小到原来的2/5、用瑞利公式计算的判据计算值的1/2以下，具有简便、高效以及成本低的优点。
图1为透射式远场光学显微镜的光路示意图。
图2为载玻片的结构示意图。
具体实施例方式
本发明是一种简便有效的提高远场光学显微镜分辨率的方法，它是在公知的远场光学显微镜的载物台上放置一块用溅射法镀上一层含有无序金属—绝缘体膜层的载玻片。
图1所示使用公知的透射式远场光学显微镜光路示意图，该显微镜的光路从上到下经过目镜1、消色差物镜2，载物台3、聚光镜4、孔径光栏5、视场光栏6、照明用的卤素灯7。以上显微镜系统的数值孔径是0.5，照明光波长范围400nm到700nm，采用Koehler照明方式。根据瑞利判据，选用波长的中间值550nm计算该系统的分辨率，计算值是670nm，而测量值是700nm，略高于理论值。
图2所示为含有无序金属—绝缘体膜层的载玻片8，其结构是在玻璃片9上涂复一层无序金属—绝缘体膜层10，纳米级金属Sb颗粒11无序的分布在Si3N4或SiO212中，近场间隔层13附在无序金属—绝缘体膜层10上面，该层上放置样品14。
下面再举实施例对本发明方法予以进一步说明实施例1在本例中，玻璃片厚度0.17mm；无序金属—绝缘体膜层由Sb和Si3N4构成，膜厚50nm，Sb的体积分数为0.5，Sb颗粒分散在Si3N4中，颗粒尺寸为5nm；近场间隔层是Si3N4，厚度30nm。测得分辨率280nm。
实施例2在本例中，玻璃片厚度0.17mm；无序金属—绝缘体膜层由Sb和Si3N4构成，膜厚50nm，Sb的体积分数为0.5，Sb颗粒分散在Si3N4中，颗粒尺寸为5nm；近场间隔层是Si3N4，厚度5nm。测得分辨率350nm。
实施例3在本例中，玻璃片厚度0.17mm；无序金属—绝缘体膜层由Sb和Si3N4构成，膜厚50nm，Sb的体积分数为0.5，Sb颗粒分散在Si3N4中，颗粒尺寸为5nm；近场间隔层是Si3N4，厚度50nm。测得分辨率340nm。
实施例4在本例中，玻璃片厚度1.2mm；无序金属—绝缘体膜层由Sb和SiO2构成，膜厚10nm，Sb的体积分数为0.7，Sb颗粒分散在SiO2中，颗粒尺寸为1nm；近场间隔层是SiO2，厚度5nm。测得分辨率450nm。
实施例5在本例中，玻璃片厚度1.0mm；无序金属—绝缘体膜层由Sb和SiO2构成，膜厚80nm，Sb的体积分数为0.3，Sb颗粒分散在SiO2中，颗粒尺寸为10nm；近场间隔层是SiO2，厚度5nm。测得分辨率420nm。
在以上各例中，用公知的复合靶磁控溅射法来制备无序金属—绝缘体膜层，溅射气压(0.1～2.0)Pa，溅射前背景真空低于5×10-5Pa，在氩气中溅射。显微镜的放大倍数使用最小刻度为0.01mm的标尺进行校正，分辨率测量则采用直径300nm和210nm的标准PS树脂颗粒进行测定。由此本发明在不改变显微镜设备和操作方法的情况下，在最优条件下使可分辨的最小距离减小到原来的2/5、用瑞利公式计算的判据计算值的1/2以下，具有简便高效以及成本低的优点。
权利要求
1.一种提高远场光学显微镜分辨率的方法，其特征在于在公知的远场光学显微镜的载物台上放置一块用溅射法镀上一层含有无序金属—绝缘体膜层的载玻片。
2.根据权利要求1所述提高远场光学显微镜分辨率的方法，其特征在于所述载玻片的结构为在厚度为(0.17～1.2)mm的玻璃片上镀一层厚度为(10～80)nm无序金属—绝缘体膜层，并在涂层上再复一层厚度为(5～50)nm的近场间隔层，样品置于近场间隔层之上。
3.根据权利要求1或2所述提高远场光学显微镜分辨率的方法，其特征在于所述无序金属—绝缘体膜层中含有金属Sb和绝缘体两种组分，直径为(1～10)nm的金属Sb颗粒随机分散在绝缘体中，金属组分的体积分数为(0.3～0.7)。
4.根据权利要求1或2所述提高远场光学显微镜分辨率的方法，其特征在于所述绝缘体材料、近场间隔层的材料为Si3N4或SiO2。
全文摘要
本发明公开了属于光学显微技术范围的一种提高远场光学显微镜分辨率的方法。本方法是利用均匀的照明光穿过无序金属一绝缘膜层时产生巨大的光起伏，相当于无数亚波尺度光源同时进行近场照明的效果，以及无序金属一绝缘体介质与样品之间的光耦合作用，使显微镜的分辨能力大大提高这一原理，在现有光学显微镜的光路中的载物台上放置一表面涂复有无序金属一绝缘膜层的载玻片，使该显微镜在最优条件下的可分辨的最小距离减小到原来的2/5。本发明应用于提高光学显微镜的分辨率，简便有效、改造成本低。
文档编号G02B21/34GK1412593SQ0215541
公开日2003年4月23日 申请日期2002年12月12日 优先权日2002年12月12日
发明者区定容, 朱静, 赵嘉昊, 周惠华 申请人:清华大学