专利名称：光子隧道扫描图象分解方法及仪器的制作方法
技术领域：
本发明属于光学显微镜领域，特别涉及一种超衍射分辨极限的光子扫描隧道显微镜。
在现有技术中，常规(透镜)光学显微镜的放大倍率只能达到一千多倍，其空间分辨极限受衍射极限制约(约λ/2)。1991年美国专利局公布费雷尔(F.L.Ferrell)等人专利号为U.S.P.5，018，865的发明专利，其名称为光子扫描隧道显微镜(或译为光子隧道扫描显微镜)。其横向的空间分辨极限可以好于λ/25，并具有纵向的空间分辨能力。法国斯皮拉(SPIRAL)公司买下该专利并于1991年生产出该专利样机，由于专利样机存在着一般光学样品因θ变化引进的假象，且它与样品表面起伏的形貌图象和折射率变化分布图象混在一起，无法解释该专利样机获得的样品图象，严重影响了该专利产品的实用性能。因此，斯皮拉公司至今在国际市场上未推出该专利正式商品。有关的公开文献至今也尚未解决上述问题。
本发明的目的是提供一种光子隧道扫描图象分解方法，并为实现本方法提出一种光子隧道扫描图象分解显微镜仪器结构设计。它可在光子隧道扫描图象中消除因θ变化引入的假象，并分解出一般光学样品(有表面起伏变化和折射率变化)表面形貌图象和折射率变化分布图象，解决当前光子扫描隧道显微镜中存在的假象与样品表面形貌图象、折射率变化分布图象混在一起无法分解的问题，为这项新技术商品化解决一个重大的关键技术问题。
本
发明内容
与U.S.P.5，018，865美国专利比较主要的相同与不同之处分述如下
相同之处。都利用了广义的“光子隧道”现象，所谓光子隧道现象就是指早已被人们研究过的受抑消逝场现象。光频电磁波在全内反射界面消逝场“垒”上是通不过的，但当折射率大于消逝场空间介质折射率的光纤尖进入消逝场时，将使消逝场局域受抑，在光纤尖端头界面外消逝波电磁场将通过界面耦合进入光纤尖。进入光纤尖的光子就可越过消逝场“垒”，并通过光纤光导传至光纤尖另一端远场，这种“局域消逝场受抑”概念就是近几年以来大家称呼的“光子隧道”概念。
不同之处。有仪器基本原理图、基本公式不同和仪器结构、功能不同。不同的基本原理图见图1，图1.1为U.S.P.5，018，865专利附图中fig1B，其全内反射画在玻璃(4)和样品(1)界面，认为样品调制空气中消逝场的结果仅将消逝场推到样品外边去;图1.2为本发明的基本原理图，其全内反射发生在样品(1)和空气(2)界面。基本的消逝场强度公式表示也不同，U.S.P.5，018，865专利要求书中第39项基本公式为I＝Kexp{-2kZ[sin2θi-(nt/ni)2］ ｝式中K为常数，K＝2πni/λ，nt(空气)＝1，代入上式后为I＝Kexp[- (4π)/(λ) Z(n2iSin2θi-1) ]， (1′)(1′)式说明全反射发生在玻璃(4)和空气(2)界面。本发明采用基本公式按全反射发生在样品(1)和空气(2)界面给出，见下式，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为样品表面至光纤尖距离，ni为样品载物台玻璃折射率，n1为样品折射率，θi为玻璃(4)和样品(1)界面上平行光束入射角，θ为样品(1)和空气(2)界面平行光束入射角λ为光束波长。U.S.P.5，018，865专利根据(1′)式中θi和ni为某一给定常量，I就只取决于Z的关系，因此，在专利要求书的第一主权项中表述当光纤尖与样品表面距离(Z)为常数时，消逝场强度(I)基本上也为常数;该说明书总结中说“光纤尖控制在样品表面作等强度扫描时”，“可以提供样品表面形貌变化的精确图象。”事实说明，该专利的基本原理图、基本公式(1′式)、专利要求书中首项及发明总结中上述论述是错的。由(1)式可知I是Z、n1和θ的函数，根据(1)式本发明给出了光子隧道等强度扫描图象表达式(6)式，该式说明，它不仅取决于样品表面形貌变化，还混入折射率变化分布图象和因θ变化引入的假象。一幅等强度扫描图象不可能提供样品表面形貌变化精确图象。本发明与U.S.P.5，018，865专利最核心的不同是提出光子隧道扫描图象分解方法和为实现本方法而给出的仪器结构设计。本发明的方法和仪器不仅可在光子隧道扫描图象中分离出因θ变化而引入的假象，而且还可分解出正确反映样品表面起伏的形貌图象和反映样品折射率变化分布图象。
本发明的内容之一是提出光子隧道扫描图象分解方法的原理、并推导图象分解公式。有二种扫描图象，等强度扫描图象和等高度扫描图象。当光纤尖在样品表面消逝场中进行(x，y)二维扫描时，用反馈回路(17)控制光纤尖(3)在垂直于样品表面(Z方向)微调，使光纤尖另一端输出的消逝场探测信号保持某一设置常数，记录下光纤尖高度(H(x，y))变化图象即为光子隧道等强度扫描图象(△H(x，y));如果光纤尖维持在某一定高度(H)不变，在样品表面消逝场中进行(x，y)二维扫描，同时记录下消逝场强度信息(I)的变化图象即为光子隧道等高度扫描图象(△I(x，y))。扫描图象分解方法原理建立在(1)式的基础上，(1)式成立的条件是样品表面产生全内反射，即存在消逝场，它要求入射角(θ)大于或等于全反射临界角(θc)，θ≥θc＝Sin-1( 1/(n1) )， (2)在超出此定义域条件的象元上，图象分解公式将无解，这些象点称为图象中的一些θc域外特殊点。
等强度扫描图象分解方法。从图1中1.2图可知，光纤尖高度(H(x，y))为样品厚度(Z0(x，y))和光纤尖至样品表面间距(Z(x，y))之和，即H(x，y)＝Z0(x，y)+Z(x，y)， (3)首先将平行光束光源(见图2中7)放在0方位照射样品，作0方位等强度扫描图象(△H0(x，y))，△H0(x，y)＝△Z0(x，y)+△Z(x，y) (4)上式中△Z0(x，y)为样品高度变化即表面形貌图象，△Z(x，y)为Z的变化图象。
作等强度扫描时，根据(1)式，有△I(x，y)＝0，得( )△Z(x，y)+( )△n1(x，y)+( )△θ(x，y)＝0， (5)从(4)、(5)式得到等强度扫描图象表达式如下△HO(x，y)≈△Z0(x，y)-( )△n1(x，y)- △θy(x，y)， (6)
(5)式中△θ(x，y)为光束入射面内样品表面倾角，见图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)为在0方位与Z坐标轴组成的(Y-Z)平面内样品表面的倾角，建立(6)式时只考虑在(Y-Z)平面内样品表面倾角，而忽略(X-Z)平面内样品表面倾角。在Y方向扫描时，近似的样品表面模型是，样品表面只有y方向倾角的连续的各象元表面组成，因此，(6)式为近似等式。在实际扫描图象中，由于临界角(θc)关系，大约只能显示△θ(x，y)小于0.2(弧度)的图象，由于△θ(x，y)是小量，(6)式近似等式是能成立的。
(6)式说明一幅等强度扫描图象中三幅图象混在一起，它们是样品表面起伏形貌图象(△Z0(x，y))、折射率变化引进的图象( △n1(x，y))，和因θ变化引进的假象( △θy(x，y))。假象与光束入射角联系在一起，入射角是成象条件，成象条件一变它也在变，所以它属假象成份。
将平行光束光源(7)绕主机中心垂直轴线转过180°，放在π方位照射样品，(见图2)，再作π方位光照条件下的等强度扫描图象(△Hπ(x，y))，要求该图象与△H0(x，y)的象元严格地一一对应，并用同一(x，y)坐标。设样品表面某些平行于载物台玻璃上表面处的入射角为θ，则任一点(x，y)在θ方位光照条件下的入射角可表示为θ≈θ+△θy(x，y)。在入射角为θ处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)点π方位光照条件下的入射角将为θ-△θy(x，y)，因此π方位光照条件下的等强度扫描象△Hπ(x，y)将可用下式表示，△Hπ(x，y)≈△Z0(x，y)-( )△n1(x，y)+( )△θy(x，y) (7)由(6)(7)式相减可行△θy(x，y)＝ 1/2 [△Hπ(x，y)-△H0(x，y)]/ ， (8)由(8)式可知0方位、π方位二幅等强度扫描图象的相减图象就可得到因θ变化引入的假象。
设y为第一扫描方向，△y为扫描步长，其指向与0-π方位指向相同，第x行的坐标为(x，j)，j＝0，1，2，……m，设在同一扫描行中样品高度差为△Zy0(x，j)，它与(y-z)平面中样品表面倾角△θy(x，j)并不是完全独立的变量，如设△Zy0(x，0)＝0，则它们之间存在下式关系△Zy0(x，j)＝[ △θy(x，j)]△y， (9)j＝0，1，2，……m，(9)式的含意是每一扫描行样品表面形貌变化可由△y为线段长度的连续的象元表面倾角勾划出的折线表示出来。(9)式只能给出同一扫描行中相对高度差，并已假定每一扫描行起始点的值均为0。为了描述整幅图象的表面形貌，还得给出每一扫描行起始点即首扫描列(i，0)的相对高度差(△Zx0(i，0))，其中i＝0，1，2，…n，并设△Zx(0，0)＝△Z0(0，0)＝0，即整幅形貌图象以(0，0)点为0的相对高度差来表示，因此△Z0(i，j)＝△Zx0(i，0)+△Zy0(i，j)， (10)为了求行扫描起点之间相对于△Z0(0，0)点的高度差(△Zx0(i，0))，还要将平行光束光源转到与0-π方位垂直的π/2和3π/2方位上，分别作出等强度扫描图象△Hπ/2(x，y)和△H3π/2(x，y)。其(x，y)坐标、平行光束照射到样品上的光强和设置的等强度扫描控制常量均应与0、π方位扫描时严格相同，这是方程联合求解不可缺少的条件。设△θx(x，y)为(x-z)平面内样品表面倾角，根据(6)、(7)、(8)式推导相同方法可以给出下式，△θx(x，y)＝ 1/2 [△H3π/2(x，y)-△Hπ/2(x，y)]/ (＊Z)/(＊θ) ， (11)△θx(x，y)图象同样可以给出起始扫描列(见12式)和任一扫描列的样品表面形貌相对变化(见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，根据(10)、(12)、(9)式可以获得样品表面起伏形貌图象为△Z0(i，j)＝[ △θx(i，0)]△x+[ △θy(i，j)]△y， (14)有时，在实际扫描图象中将会出现θc域外特殊点。判断最明显的θc域外特殊点为图象信息出现饱和;准确的判断可在给出△θ(x，y)图象后确定，凡△θ＞θ-θc象点处均为θc域外特殊点。这情况一般多出现在样品边缘。设个别的θc域外特殊点的坐标为(x，c)，当出现这情况时(9)式关系在(x，c)点将被打断，而(x，c+1)点将是打断后的新扫描起点。为了确定新扫描起点的高度，可用(13)式和(9)式，新扫描起点相对于(0，0)点的高度差可用下式给出，
△Z0(x，c+1)＝△Zy0(0，c+1)+△Zx0(x，c+1)，(15)在θc域外特殊点以后，用(14)式之处将改用下式，△Z0(x，j≥c+2)＝△Z0(x，c+1)+[ △θy(x，j)]△y， (16)至此，根据(14)式必要时还有(16)式就可以给出除θc域外特殊点以外整幅图象中样品表面起伏的形貌图象。
(6)、(7)式相加，可以得到以下式表示的样品折射率变化分布图象，△n1(x，y)＝{△Z0(x，y)- 1/2 [△Hπ(x，y)+△H0(x，y)]}/ (17)根据△H0(x，y)、△Hπ(x，y)扫描图象和△Hπ/2(x，y)、△H3π/2(x，y)图象中首列可以给出一组△Z0(x，y)、△n1(x，y)结果;同样根△Hπ/2(x，y)、△H3π/2(x，y)扫描图象和△H0(x，y)、△Hπ(x，y)中首行也可以给出一组△Z0(x，y)、△n1(x，y)结果，上述二组结果求其平均图象，将可给出信噪比得到改善的最终△Z0(x，y)、△n1(x，y)结果。
二种特殊样品(平面样品和折射率相同样品)的等强度扫描图象分解公式和求解方法将可简化(1)平面样品，仅折射率不同，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) 虽然不是常数，但它是△n1的单调函数，△H0(x，y)可以非线性地、但可以近似地反映折射率变化分布图象。
(2)折射率相同样品，仅有表面起伏变化，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二个方位的等强度扫描图象的平均图象就等于样品表面形貌图象。(注意等强度扫描的Z需要得当。)等高度扫描图象分解处理方法的原理与等强度扫描图象分解方法的原理相类似，同样要求作0、π及π/2、3π/2四个方位等高度扫描图象(△I0(x，y)、△Iπ(x，y)、△Iπ/2(x，y)和△I3π/2(x，y))。其图象分解的联立方程为 由于等高度扫描成象过程中光纤尖容易被样品表面未知的突出部位碰坏，一般情况不常用此法。
本发明的内容之二是求图象分解联立方程解的方法，在等强度扫描图象分解联立方程式(8、11、14和17四式)中有 二个偏导函数，它们都不是常数，要给出这二个偏导函数之后求解将非常困难;本发明提出用建立非线性关系标准曲线并用分段线性图象变换方法求解将变难为易;非线性关系标准曲线就是分段线性图象变换标准曲线，它的分段直线拟合数据即为分段线性图象变换标准数据。
求△θy(x，y)解(求△θx(x，y)相同)将通过(8)式， (＊Z)/(＊θ) 不是常数，但是单调函数，说明△θy(x，y)和 1/2 [△Hπ(x，y)-△H0(x，y)]关系是非线性的。它们的非线性关系标准曲线可通过不同θ值的I(Z)～Z曲线族的实验数据求出，见图4(△θy(x，y)和△θx(x，y)分段线性图象变换标准曲线制作方法示意图。)此方法的程序为(1)在△H0(x，y)和△Hπ(x，y)二幅图象中找图象数据相等的象元(区)，此区内入射角为θ，△θ＝0;置光纤尖于△θ≈0的区内，作5～9个不同θ值条件下的消逝场曲线(I(Z)～(Z)族的实验数据，见图4.1示图;
(2)设作△H0(x，y)和△Hπ(x，y)图象条件为θ，Z，在图4.1消逝场曲线族实验数据图中，作等强度控制线(Egu，图4.1中点划线)，画出交点;
(3)从上述交点可读出Z～θ曲线，由此曲线可读出1/2 [Z(θ-△θ)-Z(θ+△θ)]～△θ数据，△θ＝θ-θ(用弧度单位表示)。此曲线(见图4.2)即为△θy(x，y)与 1/2 [△Hπ(x，y)-△H0(x，y)](或△θx(x，y)与 1/2 [△H3π/2(x，y)-△Hn/2(x，y)])的非线性关系曲线，因为 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)即等强度扫描图象上(除θc域外特殊点)所有数据均附合 1/2 [Z(θ-△θ)-Z(θ+△θ)]～△θ曲线的非线性关系;
(4)作 1/2 [△Z(θ-△θ)-Z(θ+△θ)]～△θ曲线分段直线拟合，以此分段直线拟合数据为标准数据，将 1/2 [△Hπ(x，y)-△H0(x，y)]图象数据在分段直线内作线性内插，即可求出对应的△θy(x，y)图象数据。以 1/2 [△Hπ(x，y)-△H0(x，y)]图象通过分段线性内插求对应△θy(x，y)图象的图象处理方法即为常规的分段线性图象变换方法。 1/2 [Z(θ-△θ)-Z(θ+△θ)]～△θ的分段直线拟合的数据称为分段线性图象变换标准数据;
(5)由于样品中不同象点折射率不同，图4.2标准曲线也有一些差异，因此要求随机选3-5个△θ≈0的象点(区)，作3-5条图4.2曲线，求其平均曲线作分段线性图象变换的标准数据，以减少△θy(x，y)误差。在同一样品中，一般折射率分离不很大，以上平均曲线的处理办法可以满足要求;如果在下一步求△n1(x，y)中发现同一样品的折射变化差别较大时，可以在第一轮结果(△θy(x，y)、△θx(x，y)、△Z0(x，y)和△n1(x，y))的基础上，再利用数值模拟理论计称出的不同θ、不同n1的消逝场曲线族数据(I(Z，θ，n1)～Z)，给出△θy(x，y)和△θx(x，y)的分段线性变换三维标准数据(参考下段)，进行第二轮选代，以 1/2 [△Hπ(x，y)-△H0(x，y)]图象和第一轮△n1(x，y)图象，作三维分段线性图象变换，给出第二轮△θy(x，y)和△θx(x，y)。然后给出第二轮迭代的△Z0(x，y)和△n1(x，y)，一般不必通过多次迭代，便可获得满意结果，因为人眼视觉对图象数据非线性的判别能力并不高。
求△n1(x，y)解将通过(17)式， (△θ，n1)是二维单调函数，说明△n1(x，y)与｛△Z0(x，y)- 1/2 [△Hπ(x，y)-△H0(x，y)]｝有非线性关系，并与对应△θy(x，y)还有关系。首先要找到它们之间的非线性关系曲线表达式，见下式｛△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)通过数值模拟理论计算可以给出比用(1)式精确的不同θ、不同n1的消逝场曲线族数据，在此基础上，给出不同θ的[Z～n1](θ)曲线族数据，见图5.1(图为(1)式给出的近似结果)，由[Z～n1](θ)曲线族数据，在给定θ、Z的条件下，可给出｛ 1/2 [Z(θ-△θ)+Z(θ+△θ)]～n1}(△θ)曲线族数据，见图5.1。｛Z- 1/2 [Z(θ-△θ)+Z(θ+△θ)]}～(△θ，n1)即为△n1(x，y)与｛△Z0(x，y)- 1/2 [△Hπ(x，y)+△H0(x，y)]}的非线性关系曲线。此曲线族的分段直线拟合数据即为△n1(x，y)分段线性图象变换三维标准数据。通过分段线性图象变换专用程序，由已知的｛△Z0(x，y)- 1/2 [△Hπ(x，y)+△H0(x，y)]}图象和△θy(x，y)图象即可得到△n1(x，y)图象。
本发明的内容之三是给出光子隧道扫描图象分解显微镜仪器系统结构和光学系统结构，结构的主要特征是让仪器能完成光子隧道扫描图象分解功能，并使仪器具有方便的使用性能。仪器的系统结构由光子隧道扫描图象分解显微镜主机和为主机服务的微机控制图象系统二大部分组成，(见图2)，后者由微计算机及其图象外围设备(20)、xy压电陶瓷驱动器(19)、Z压电陶瓷驱动器(18)和光子隧道信息反馈回路(17)构成。主机中光子隧道扫描成象系统包括装在xyz三维扫描压电陶瓷组件上的光纤尖、特殊的样品载物台、倒置常规光学显微镜围绕主机垂直主轴线的0、π及π/2、3π/2四个方位光照方向可变的光源机构、在0方位多个θ值光照方向可变的光源机构、主机的防震系统和底座等。如光源全部采用半导体激光器方案或其中多个θ值的光照方向变换机构采用机械转动机构，均是可行的设计;最佳的四个方位和多个θ值的光照方向可变机构是多光纤光导光照方向变换软联接结构，见图3(光学系统结构示意图)。它可使用氦氖激光器(7)还允许置换其他波长的激光器，光纤光导(25)软联接的优点是在变换方向时，不会影响主机的稳定性。为了补偿氦氖激光器输出的不稳定性，在光子隧道信息探测器(15)信号输出线路中插入一个以氦氖激光器背向输出探测器(8)信号为本底的除法器(16)。在0、π及π/2、3π/2四个方位光照方向可变机构中，入射角必须相同(θ)，照射样品光束光强应相等;多个θ值光照方向可变的光束光强与上述四个方位也应相等;调整各光纤光导光照光强相等的措施为在光纤光导入口处设置中性减光板(26);各光纤光导出口固定在四个方位(0、π及π/2、3π/2)和多个θ值位置上，各光纤光导入口固定在滑动板(29)相应位置，通过改变滑动板定位槽(28)(相对于定位珠(30)的相对位置)变换光照方向。特殊的玻璃载称台(4)由常规显微镜盖片(23)、约4毫米厚光学玻璃板(21)和四块棱镜(22)组成，其形状特征可使倒置常规光学显微镜(9)的物面与光子隧道扫描图象分解显微镜的物面共轭，常规光学显微的放大倍率为50～400倍，光子隧道扫描成象系统的放大倍率为1，000～15，000倍，对同一光学样品的目标组合的光学显微镜对高倍光子隧道扫描图象分解显微镜选择成象目标是必不可少的，对光纤尖进入样品表面的消逝场中的粗调操作监视，也为必不可少。这样的高、低倍率成象系统组合不仅为光学显微镜成象系统提供了大范围可变换的放大倍率，而且还极大地提高了光子隧道扫描图象分解显微镜的使用方便性能。
本发明的效果和意义。光子隧道扫描图象分解方法和仪器解决了当前光子扫描隧道显微镜成象原理中存在的关键问题，从方法原理到仪器设备解决了假象与样品形貌图象、折射率变化分布图象混在一起，不能分解又无法解释这一重大难题，使利用光子隧道现象的超衍射极限分辨的光学显微成象技术的实用化和商品化得以实现。在一个多世纪以来光学显微镜发展史中，为实现纳米分辨的历史性突破而奋斗中将作出重大贡献;光子隧道扫描图象分解方法和仪器将为许多领域提供纳米分辨的光学微观察手段，在生物医学、遗传工程、集成光学、表面科学、聚合物纳米结构、光学材料折射率纳米结构、光学薄膜的纳米结构，光学表面和金属表面复膜的纳米光洁度究研等，将有广泛的应用前景。该仪器分辨极限接近扫描电镜，样品制备比电镜方便，不用真空环境，生物样品可以保持活性;利用样品光学折射率成象又不必染色;仪器价格比扫描电镜便宜，较易普及;它与扫描电镜都是各有特色的、互相不能完全替代的、纳米分辨的显微成象技术。
图1.U.S.P.5，018，865基本原理图(1.1)和本发明基本原理图(1.2)比较，前者全内反射画在玻璃(4)和样品(1)界面，后者全内反射发生在样品(1)和空气(1)界面，图1.1在框内数字为原标号，框外数字为与本发明附图统一标号。图中(3)为光纤尖，(5)为平行光束，(6)为消逝场，n1为样品折射率，ni为玻璃折射率，nt为空气折射率，θ为光束在样品、空气界面的入射角，θi为玻璃、样品界面的入射角，图2.光子隧道扫描图象分解显微镜仪器结构示意图，主机由光子隧道扫描图象分解成象系统和倒置常规光学显微成象系统(9)组成，微机控制图象系统由微机及其图象外围设备(20)、xy压电陶瓷驱动器(19)、Z压电陶瓷驱动器(18)和反馈回路(17)、组成。(1)为样品，(13)为光纤尖，(14)为压电陶瓷组件，(15)为光电倍增管和前置放大器，(16)为除法器，(8)为背向激光输出探测器，(7)为激光器，(4)为载物台，(10)为防震系统，(11)为主机底座，(12)为从0方位的光照系统转到π方位的示意图，图中还有π/2、3π/2方位光照及多个θ值的光照系统没有画出。
图3.光学系统结构示意图，多光纤光导(25)与定位滑动板(29)组合结构实现氦氖激光器(7)输出与主机之间软联结，四支光纤光导输出端固定在0、π及π/2、3π/2四个光照方位，其他光纤光导输出端固定在多个θ值的光照位置，图中θi为相对玻璃载物台的入射角，θ为相对样品上表面平行于载物台处的入射角，光纤光导入口固定在定位滑动板(29)相应位置，(28)为定位槽，(30)为定位珠，(26)为调整各光纤光导光照光强相等的中性减光板，(20)为透镜，(3)为光纤尖，(15)为探测光子隧道信息的光电倍增管和前置放大器，(1)为样品，(23)为拿样品方便而设置的常规显微镜盖片，(21)为约4毫米厚的光学玻璃板，(22)为四块棱镜，棱镜与玻璃板膠合，盖片与玻璃板之间加硅油紧贴，(9)为由长工作距离物镜、反光镜、目镜组成的倒置常规光学显微镜。
图4.△θy(x，y)和△θx(x，y)的分段线性图象变换标准曲线制作示意图，4.1图为不同θ的消逝场曲线族[I(Z)～Z](θ)实验结果示意图，其中点划线(Egu)为等强度扫描设置常量控制线，图4.2为从图4.1得出的分段线性图象变换标准曲线，即1/2 [Z(θ-△θ)-Z(θ+△θ)]～△θ。
图5.△n1(x，y)的分段线性图象变换标准曲线制作方法示意图，图5.1为由不同θ、不同n1的理论计算消逝场曲线族数据中处理出的不同θ的[Z～n1](θ)曲线族图，图5.2为从图5.1给出的不同△θ的｛ 1/2 [Z(θ-△θ)+Z(θ+△θ)]～n1｝(△θ)曲线族图，｛Z- 1/2 [Z(θ-△θ)+Z(θ+△θ)]｝～(△θ，n1)即为△n1(x，y)分段线性图象变换标准曲线三维数据。
权利要求
1.一种光子隧道扫描图象分解方法和仪器，为实现本方法的仪器由光子隧道扫描图象分解显微镜主机和为主机服务的微机控制图象系统二大部分组成，后者由微计算机及其图象外围设备(20)、xy压电陶瓷驱动器(19)、z压电陶瓷驱动器(18)和光子隧道信息反馈回路(17)构成，主机中光子隧道扫描成象系统的放大倍率为1，000～15，000倍，在样品载物台(4)下面，配置50～400倍放大倍率倒置常规光学显微镜成象系统(9)，主、付二个显微成象系统对同一光学样品目标在50～15，000倍放大倍率之间分挡可变换，其特征是图象分解方法，该方法要求采集、记录0、π及π/2、3π/2四个方位光束照射样品条件下的四幅光子隧道等强度扫描数字图象，利用这四幅ΔH°(x，y)、ΔHπ(x，y)、ΔHπ/2(x，y)和ΔH3π/2(x，y)等强度扫描数字图象数据和推导出的图象分解联立方程求解，可消除一般光学样品光子隧道扫描图象中因θ变化引入的假象，并分解得到样品表面起伏形貌图象ΔZ0(x，y)，和样品折射率变化分布图象Δn1(x，y)，光子隧道等强度扫描图象分解联立方程表述如下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.如权利要求1所述的光子隧道扫描图象分解方法和仪器，其特征是求图象分解联立方程解的方法，避开给 和 二个偏导函数困难，用建立非线性关系标准曲线和分段线性图象变换方法求解，非线性关系标准曲线的分段直线拟合数据即为分段线性图象变换标准数据，作 1/2 [Z(θ-△θ)-Z(θ+△θ)]～△θ与△θy(x，y)和△θx(x，y)(即8和11式)共同的非线性关系标准曲线，需通过不同θ值的消逝场曲线族的实验数据求出;作｛Z- 1/2 [Z(θ-△θ)+Z(θ+△θ)]}～(△θ，n1)与△n1(x，y)(即(17)式)的非线性关系标准曲线，需通过不同θ和不同n1的消逝场曲线族的数值模拟理论计算数据求出。
3.如权利要求1所述的光子隧道扫描图象分解方法和仪器，其特征是在主机上围绕垂直主轴线有四个方位和多个θ值光照方向可变的机构;在O、π及π/2、3π/2四个方位光照方向可变机构中，θ入射角必须相同，照射样品光束光强应相等;在0方位的多个θ值光照方向可变的机构中，照射样品光束光强应与上述四个方位相等;光源全部采用半导体激光器方案，或其中多个θ值的光照方向变换机构采用机械转动方式均为可行的设计;当采用氦氖激光器或需变换其他波长的激光器光源时，在光源与主机之间最佳设计是光纤光导光照方向变换方式的软联接机构，此机构用一激光器(7)通过各光纤光导(25)和定位滑动板(29)实现四个方位和多个θ值光照方向变换，各光纤光导出口固定在四个方位和多个θ值光照位置，光纤光导的入口固定在滑动板相应位置，入口处有调整各光纤光导光照光强相等的中性减光板(26);在光子隧道信息探测器(15)信号输出线路中插入一个以氦氖激光器背向输出探测器(8)的信号为本底的除法器(16);玻璃载物台(4)由常规显微镜的盖片(23)、约4毫米厚光学玻璃板(21)和四块棱镜(22)组成，其形状特征应使倒置常规光学显微镜的物面与光子隧道扫描图象分解显微镜的物面共轭，组合的光学显微成象系统具有50～15，000倍放大倍率。
全文摘要
光子隧道扫描图象分解方法和仪器属于光学显微镜领域，本发明提出图象分解方法的原理、推导分解公式、给出求解方法，解决了光子扫描隧道显微镜中存在假象与样品形貌图象和折射率分布图象混在一起不能分辨问题；为实现本方法给出光子隧道扫描图象分解显微镜仪器结构和光纤光导光照变换机构，对同一光学样品目标有五十至一万五千倍的显微放大倍率；在生物医学、遗传工程、集成光学、表面科学和纳米技术等领域将有广泛应用前景。
文档编号G01B11/24GK1107577SQ9310411
公开日1995年8月30日 申请日期1993年4月8日 优先权日1993年4月8日
发明者吴世法 申请人:吴世法