原子力与光子扫描隧道组合显微镜图像分解方法技术

原子力／光子扫功隧道显微镜（ＡＦ／ＰＳＴＭ）图象分解方法属于光学显微镜领域。它消除了过去光子扫描隧道显微镜中因样品表面倾角变化引进的假象，并从混合图象中分解出样品折射率变化图象和样品表面形貌图象。提出在π对称光束照明和ＡＦ／ＰＳＴＭ双重功能光纤尖共振颤动条件下，作等隧道间距扫描成象和等光子隧道信息强度扫描成象两种简化的图象分解方法。解决了光子扫描隧道显微镜产业化的技术关键。（*该技术在2016年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术原子力/光子扫描隧道显微镜(AF/PSTM)图象分解方法属于光学显微镜领域，特别涉及光子扫描隧道显微镜。美国费雷尔(Ferrel TL)等人于1991年5月获得第一个光子扫描隧道显微镜(PSTM)专利(USP5,018,865)。该专利观察样品局限性很大，且样品表面形貌图象、折射率分布图象和样品表面侦角引入的假象混在一起，无法分辨，因而难于解释所获得的图象，严重影响该专利产品的实用性能，不能投入商品生产。1993年3月8日本人曾申请了一个专利技术专利，其名称为光子隧道扫描图象分解方法和仪器，中国专利局的申请号为93 1 04111 2-5，具有优先权的日本国专利申请号为95512/94。应用该专利生产的仪器可称为图象分解光子扫描隧道显微镜(IS-PSTM)。该专利已发表在中国专利局专利技术专利公报1995，Vol.11，No.35中。本专利技术的目的是提供简化的图象分解方法，为开发图象分解一原子力/光子扫描隧道显微镜(IS-AF/PSTM)仪器生产提供专利。采用本专利方法和生产IS-AF/PSTM仪器，需要应用本人已申请的专利号为93 1 04111 2-5中部分专利方法中的“关于消除一般光学样品光子隧道扫描图象中因θ变化(表面倾角Δθ)引进假像”而提出的“π对称方位全内反射光束照明样品”的概念(方法不同)。因此，本专利技术专利是前项专利技术专利的一项拓展专利。IS-AF/PSTM与IS-PSTM比较硬件有些不同，IS-AF/PSTM简化了PSTM图象分解过程及其软件；主要缺点在等隧道间距扫描成像图象分解方法中获得样品折射率分布图象Δn1(x，y)存在非线性；在等光子隧道信息强度扫描成像图象分解方法中获得Δn1(x，y)图象虽是线性的，由于公式采用近似推导，精度较差些。但是该两方法都已消除假象，均不存在图象解释困难，且成像与图象分解过程速度快，有一定实用价值。因此本专利IS-AF/PSTM仪器有商业生产前景。专利技术的内容之一是提出原子力/光子扫描隧道显微镜的等隧道间距扫描成像图象分解方法。设光纤尖至样品载物台面的距离为H(x，y)，样品厚为Z0(x，y)，光子隧道间距(光纤尖至样品表面距离)为Z(x，y)，见图1，有H(x，y)＝Z0(x，y)+Z(x，y) (1)其微分式为ΔH(x，y)＝ΔZ0(x，y)+ΔZ(x，y)(2)理论和实验均已证实，PSTM光子隧道信息可表示为I(n1,θ,Z)=K(n1,θ)exp[-Z4πλ(n12sin2θ-1)1/2]---(3)]]>式中n1为样品折射率，θ为大于全内反射临界角(θc＝arctan(1/n1))的单色平行光束在样品表面的入射角，λ为光的波长，K(n1，θ)为与光束偏振特性有关的系数。用原子力显微镜原理监控技术的等光子隧道间距扫描成像可获得两个图象光纤尖高度变化图象ΔH(x，y)和光子隧道信息变化图象ΔI(x，y)。由于ΔZ(x，y)＝0，因此样品厚度变化图象由式(2)可知ΔZ0(x，y)＝ΔH(x，y) (4)由式(3)I(x，y)的微分表达式为ΔI(x,y)=∂I∂n1Δn1(x,y)+∂I∂θΔθ(x,y)+∂I∂ZΔZ(x,y)---(5)]]>在某O方位(由光束入射面决定)的照明光束条件下，等光子隧道间距扫描成像(ΔZ(x，y)＝0)，光子隧道信息变化图象可表述如下ΔIo(x,y)=∂I∂n1Δn1(x,y)+∂I∂θΔθ(x,y)---(6)]]>在束强度与O方位相同的π对称方位光束照明条件下，光子隧道信息变化图象可表述为ΔIπ(x,y)=∂I∂n1Δn1(x,y)-∂I∂θΔθ(x,y)---(7)]]>设样品表面与载物台面平行处的入射角为θ，光束入射面内(x，y)点样品的表面倾角为Δθ(x，y)，则O方位光束入射角为θ°＝θ+Δθ，π方位光束入射角为θπ＝θ-Δθ。如O方位与π方位一组π对称光束同时照射样品，作等光子隧道间距扫描成像，由式(6)和式(7)可知光子隧道信息变化图象将可表示为ΔIp(x,y)=ΔIo(x,y)+ΔIπ(x,y)=2∂I∂n1Δn1(x,y)---(8)]]>如果有k组π对称光束同时照明样品，则光子隧道信息变化图象可表示为ΔIkp(x,y)=2k∂I∂n1Δn1(x,y)---(9)]]>这时样品折射率变化分布图象即为Δn1(x,y)=ΔIkp(x,y)/2k(∂I∂n1)---(10)]]>显然k数愈大，Δn1(x，y)图象精度愈高。由数值模拟结果可知， 不是常数，但它是一个单调函数，因此，用此方法获得的以ΔIkp(x，y)表示的Δn1(x，y)图象，将是非线性的，这种没有假象的、具有较高精度的非线性Δn1(x，y)图象，仍然有很重要的实用价值。专利技术的内容之二是提出原子力/光子扫描隧道显微镜的等光子隧道信息强度扫描成像图象分解方法。在光纤尖纵向颤动剪切力AF/PSTM仪器中，可实现本
技术实现思路
之一和之二两个图象分解方法。设颤动光纤尖纵向振幅为A(由设计决定的常量)，平均光子隧道间距为Z(x，y)，当光纤尖位于(Z+A)隧道间距时，光子隧道信息为IA+，光纤尖位于(Z-A)隧道间距时，光子隧道信息为IA-，等强度扫描成像时，即设置I＝(IA-+IA+)/2为预置的常量。设光子隧道信息颤动量图象为I2A(x，y)＝IA-(x，y)-IA+(x，y)(11)在上述条件下，用式(3)对Z的微分式可表示如下I2A(x,y)I‾=4πλ{[n1(x,y)sinθ(x,y)]2-1}1/2(2A)---(12)]]>此式可写成sinθ(x,y)=1n1(x,y)[1+(&a本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种原子力／光子扫描隧道显微镜的等隧道间距扫描成像图象分解方法，其特征是用原子力显微镜原理监控技术实现等光子隧道间距扫描成像，获得两个图象：光纤尖高度变化图象即样品厚度变化图象和光子隧道信息变化图象，此图象在多组π对称方位光束照明样品条件下产生，它是已消除了假象的可反映样品折射率变化分布图象，该图象是非线性的。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：吴世法，
申请(专利权)人：吴世法，
类型：发明
国别省市：21[中国|辽宁]