本发明原子力与光子扫描隧道组合显微镜(AF/PSTM)图像分解方法属于光学显微镜领域，特别涉及 一种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，样品表面形貌图像、折射率分布图像和样品表面倾角引入 的假像混在一起，无法分辨，因而难于解释所获得的图像，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发明专利，其名称为光子隧道扫描图像分解方法和仪器，中国专 利局的申请号为93 1 04111.2(专利号为ZL93 1 04111.2)，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像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发 明专利公报1995，Vol.11，No.35中。

本发明的目的是提供简化的图像分解方法，为开发图像分解一原子力与光子扫描隧道组合显微镜 (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ZL 93 1 044111.2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像中因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 发明专利是前项发明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 化了图像分解过程及软件；主要缺点：根据式(10)图像分解公式中获得样品折射率分布图像Δn1(x，y)存 在非线性；根据式(18)图像分解公式中获得n1(x，y)图像虽是线性的，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像，均不存在图像解释困难，且成像与图像分解过程速度快，有一定实用 价值。因此本专利SI-AF/PSTM仪器将有商业生产前景。

本发明内容是原子力与光子扫描隧道组合显微镜图像分解方法，在原子力与光子扫描隧道组合显微镜 中设置消假像的π对称光束全内反射照明样品，其特征是：π对称光束同时一起照明样品一次扫描成像； 原子力与光子隧道双重功能弯光纤尖在样品表面近场作纵向共振颤动，进行等振幅条件下扫描，作等光子 隧道平均间距扫描模式成像或作等光子隧道信息平均强度扫描模式成像；在同一次扫描过程中采集原子力 样品形貌图像，同时采集已消除假像和分离形貌图像的样品折射率图像。

下面结合附图和近似的数学表达式对本发明做进一步说明：

附图1用空心锥形光束对样品实现π对称全方位全内反射照明的AF/PSTM系统图。

附图2用两个半导体激光器通过球形分路器对样品实现π对称照明的AF/PSTM系统图。

图中：1-xyz三维扫描压电陶瓷管；2-光子隧道信号探测器；3-颤动压电器件；4-弹力臂；5-光 纤尖；6-样品；7-玻璃盖片；8-硅油；9-空心锥形光束；10-数值孔径NA＝1.25显微镜物镜；11-半 球全内反射棱镜；12-产生平行光束小透镜；13-球形分束器输出光纤；14-球形分束器输入光纤；15- 球形分束器(表面磨毛，再镀金属反光膜)；16-大功率半导体激光器。

设光纤尖至样品载物台面距离为H(x，y)，样品厚度为Z0(x，y)，光子隧道间距(光纤尖至样品表面平均 间距)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)＝Z0(x，y)+ΔZ(x，y)                                               (2) 理论和实践均已证实，PSTM光子隧道信息可近似表示为(见Shifa Wu：Photon Scanning Tunneling Microscopy，Now and in the Future，Scanning Vol.17(1995)No.1：18～22)： $I(n_1,\theta ,Z)=K(n_1,\theta )\exp \left[{-Z\frac{4\pi }{\lambda }({n_1}^2{\sin }^2\theta -1)}^{1/2}\right]-----\left(3\right)$ 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 为光波长，K(n1，θ)为与光束偏振特性有关的系数，Z为光子隧道间距。

用原子力显微镜原理监控技术的等光子隧道平均间距模式扫描成像( Z→A)，可获得两个图像：光纤 尖高度变化图像ΔH(x，y)和光子隧道信息变化图像Δ I(x，y)，由于Δ Z(x，y)＝0，因此样品厚度变化由式 (2)可知

        ΔZ0(x，y)＝ΔH(x，y)                                                  (4) 由式(3)I(x，y)的微分表达式为 $\Delta \stackrel{\_}{I}(x,y)=\frac{\partial I}{\partial n_1}\Delta n_1(x,y)+\frac{\partial I}{\partial \theta }\mathrm{\Delta \theta }(x,y)+\frac{\partial I}{\partial Z}\Delta \stackrel{\_}{Z}(x,y)-----\left(5\right)$ 在某0方位(由光束入射面决定)的照明光束条件下，等光子隧道平均间距扫描成像(Δ Z(x，y)＝0)，光 子隧道信息变化图像可表述如下 $\Delta \stackrel{-}{I^0}(x,y)=\frac{\partial I}{\partial n_1}\Delta n_1(x,y)+\frac{\partial I}{\partial \theta }\mathrm{\Delta \theta }(x,y)-----\left(6\right)$ 在束强度与0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像可表述为 $\Delta \stackrel{-}{I^{\pi }}(x,y)=\frac{\partial I}{\partial n_1}\Delta n_1(x,y)-\frac{\partial I}{\partial \theta }\mathrm{\Delta \theta }(x,y)-----\left(7\right)$ 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0方位光 束入射角为θ0＝ θ+Δθ，π方位光束入射角为θπ＝ θ-Δθ。如果0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模式成像，由式(6)和式(7)可知，光子隧道信息变化图像将可表示为 $\Delta \stackrel{-}{I^P}(x,y)=\Delta \stackrel{-}{I^0}(x,y)+\Delta \stackrel{-}{I^{\pi }}(x,y)=2\frac{\partial I}{\partial n_1}\Delta n_1(x,y)-----\left(8\right)$ 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像可表示为 $\Delta \stackrel{-}{I^{\mathrm{kp}}}(x,y)=2k\frac{\partial I}{\partial n_1}\Delta n_1(x,y)-----\left(9\right)$ 这时样品折射率变化分布图像即为 $\Delta n_1(x,y)=\Delta \stackrel{-}{I^{\mathrm{kp}}}(x,y)/2k\left(\frac{\partial I}{\partial n_1}\right)-----\left(10\right)$

显然k数愈大，Δn1(x，y)图像精度愈高，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 表示的Δn1(x，y)图像将是非线性的，这种没有假像的、具有较高精度 的非线性Δn1(x，y)图像，仍然有很重要的实用价值。

在光纤尖纵向颤动AF/PSTM仪器中，可实现等隧道间距扫描成像和等光子隧道信息强度扫描成像， 两个图像分解方法。

设颤动光纤尖颤动纵向振幅为A(设置常量)，平均光子隧道间距为 Z(x，y)，当光纤尖位于( Z+A)光 子隧道间距时，光子隧道信息为I( Z+A)，光纤尖位于( Z-A)光子隧道间距时，光子隧道信息为I( Z-A)， 其平均值为 I＝[I( Z+A)+I( Z-A)]/2，光子隧道信息颤动量图像为

          ΔI2A(x，y)＝I( Z-A)-I( Z+A)                                            (11) 在上述条件下，用式(3)对Z的微分式可表示如下(ΔZ＝2A) $\frac{\Delta I_{2A}(x,y)}{\stackrel{-}{I}}=\frac{4\pi }{\lambda }{\{{[n_1(x,y)\sin \theta (x,y)]}^2-1\}}^{1/2}\left(2A\right)-----\left(12\right)$ 此式可写成 $\sin \theta (x,y)=\frac{1}{n_1(x,y)}\{1+{\left[\frac{\lambda }{8\pi \stackrel{-}{I}A}\Delta I_{2A}^0(x,y)\right]}^2{\}}^{1/2}-----\left(13\right)$ 在π对称两方位光束照明系统中，0方位光束入射角为θ0＝ θ+Δθ；π方位光束入射角为θπ＝ θ-Δθ， 设颤动光纤尖给出光子隧道信息颤动量分别为ΔI2A0(x，y)和ΔI2Aπ(x，y)，则 ${\sin \theta }^0=\sin (\stackrel{-}{\theta }+\mathrm{\Delta \theta })\approx \sin \stackrel{-}{\theta }+\mathrm{\Delta \theta }\cos \stackrel{-}{\theta }=\frac{1}{n_1(x,y)}{\{1+{\left[\frac{\lambda }{8\pi \stackrel{-}{I}A}\Delta I_{2A}^0(x,y)\right]}^2\}}^{1/2}-----\left(14\right)$ ${\sin \theta }^{\pi }=\sin (\stackrel{-}{\theta }-\mathrm{\Delta \theta })\approx \sin \stackrel{-}{\theta }-\mathrm{\Delta \theta }\cos \stackrel{-}{\theta }=\frac{1}{n_1(x,y)}{\{1+{\left[\frac{\lambda }{8\pi \stackrel{-}{I}A}\Delta I_{2A}^{\pi }(x,y)\right]}^2\}}^{1/2}-----\left(15\right)$ 式(14)与式(15)相加得 $n_1(x,y)=\frac{1}{2\sin \stackrel{-}{\theta }}\left\{\right[1+{\left(\frac{\lambda }{8\pi \stackrel{-}{I}A}\Delta I_{2A}^0(x,y)\right)}^2{]}^{1/2}+{[1+{\left(\frac{\lambda }{8\pi \stackrel{-}{I}A}\Delta I_{2A}^{\pi }(x,y)\right)}^2]}^{1/2}\}-----\left(16\right)$ 因 和 均＜1，上式展开，近似可得 $n_1(x,y)=\frac{1}{2\sin \stackrel{-}{\theta }}\{2+\frac{1}{2}{\left(\frac{\lambda }{8\pi \stackrel{-}{I}A}\right)}^2[{\left(\Delta I_{2A}^0(x,y)\right)}^2+{\left(\Delta I_{2A}^{\pi }(x,y)\right)}^2\left]\right\}-----\left(17\right)$ 由于 θ，λ，A均为设定常量，因此 $n_1(x,y)\propto [\Delta I_{2A}^0{(x,y)}^2+\Delta I_{2A}^{\pi }{(x,y)}^2]/\stackrel{-2}{I}-----\left(18\right)$

上式即为折射率变化分布图像的近似表达式。

为实施上述AF/PSTM图像分解方法提出仪器概念设计及其中的关键技术如下：IS-AF/PSTM仪器有一 个原子力/光子扫描隧道显微镜双重功能的弯曲光纤尖(AF/PSTM-TIP)，光纤弯曲部分漏光损耗大，需镀 金属反射膜。光纤横向段用作弹力臂，其横断面略呈扁平形，以防止扫描时影响侧向的精度。由颤动压电 器件策动使光纤尖垂直于样品表面方向颤动，颤动振幅为A。IS-AF/PSTM仪器需配置π对称方位光束为样 品全内反射照明。照明关键技术可用0，π两方位一组对称光束(见图1)，或用油浸大数值孔径显微镜产生 空心锥形光束，实现π对称方位(0～2π连续方位)的全内反射的照明。样品放在盖片上，盖片放在显微物 镜上，盖片与物镜间浸硅油。油浸显微物镜数值数值孔径NA＝1.25，空心锥光束的数值孔径(NA)约从 1.2至1.25，光束对样品的平均入射角 θ约为55°，满足全内反射条件。光源可以采用白炽灯加单色滤光片， 或采用激光器加透光相位干扰器。如不用上述空心锥形光束时可采用两个(或多个)大功率半导体激光器， 通过两个(或多个)球形光纤分路器，实现多组π对称光束为样品全内反射照明，见图2。样品载物台为半 球形全内反射棱镜。设π对称光束的组数k值为6，则可由光纤分路器给出12路光束，每两路呈π对称，均 匀分布在0～2π全方位内。半导体激光器用光纤耦合输入球形光纤分路器，输入光纤置于中间位置，6路输 出光纤在球形光纤分路器中紧挨输入光纤，呈中心对称排列。分路器球是实心透明体，将7根光纤头紧包 其中。输入激光有相干特性，6路输出又要求具有互不相干特性，因此，将分路球表面作精细磨砂处理， 然后再镀金属全包反光膜，经此表面反射后输出光束互不相干且输出强度相同。

本发明的效果和意义：利用本发明可以生产出图像分解一原子力与光子扫描隧道组合显微镜 (IS-AF/PSTM)仪器，此仪器在生物医学、遗传工程、集成光学、表面科学等较广的领域具有广泛的应用 前景。