光子隧道扫描图象分解方法技术

光子隧道扫描图象分解方法和仪器属于光学显微镜领域，本发明专利技术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。（*该技术在2013年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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的专利技术专利，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。本专利技术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
技术实现思路
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为本专利技术的基本原理图，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， (1′)(1′)式说明全反射发生在玻璃(4)和空气(2)界面。本专利技术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(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专利技术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)式本专利技术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。本专利技术与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。本专利技术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。本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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）、ΔＨ↑［π］（ｘ，ｙ）、ΔＨ↑［π／２］（ｘ，ｙ）和ΔＨ↑［３π／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ΔＺ↓［０］（ｘ，ｙ），和样品折射率变化分布图象Δｎ↓［１］（ｘ，ｙ），光子隧道等强度扫描图象分解联立方程表述如下：＊＊＊。

【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：91[中国|大连]