本发明原子力/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)[1]。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发明专利，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[2]，具有优先权的日本国专利申请号为 95512/94[3]。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。

发明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[4] $I(n_1,\theta ,Z)=K(n_1,\theta )\exp [-Z\frac{4\pi }{\lambda }{(n_1^2{\sin }^2\theta -1)}^{1/2}]---\left(3\right)$ 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 $\mathrm{\Delta I}(x,y)=\frac{\partial I}{{\partial n}_1}{\mathrm{\Delta n}}_1(x,y)+\frac{\partial I}{\partial \theta }\mathrm{\Delta \theta }(x,y)+\frac{\partial I}{\partial Z}\mathrm{\Delta Z}(x,y)---\left(5\right)$ 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 ${\mathrm{\Delta I}}^o(x,y)=\frac{\partial I}{{\partial n}_1}{\mathrm{\Delta n}}_1(x,y)+\frac{\partial I}{\partial \theta }\mathrm{\Delta \theta }(x,y)---\left(6\right)$ 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 ${\mathrm{\Delta I}}^{\pi }(x,y)=\frac{\partial I}{{\partial n}_1}{\mathrm{\Delta n}}_1(x,y)-\frac{\partial I}{\partial \theta }\mathrm{\Delta \theta }(x,y)---\left(7\right)$ 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 ${\mathrm{\Delta I}}^p(x,y)={\mathrm{\Delta I}}^o(x,y)+{\mathrm{\Delta I}}^{\pi }(x,y)=2\frac{\partial I}{{\partial n}_1}\Delta n_1(x,y)---\left(8\right)$ 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象可表示为 ${\mathrm{\Delta I}}^{\mathrm{kp}}(x,y)=2k\frac{\partial I}{{\partial n}_1}{\mathrm{\Delta n}}_1(x,y)---\left(9\right)$ 这时样品折射率变化分布图象即为 ${\mathrm{\Delta n}}_1(x,y)={\mathrm{\Delta I}}^{\mathrm{kp}}(x,y)/2k\left(\frac{\partial I}{{\partial n}_1}\right)---\left(10\right)$ 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。

发明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，可实现本发明内容之一和之 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 $\frac{I_{2A}(x,y)}{\bar{I}}=\frac{4\pi }{\lambda }\left\{\right[n_1(x,y)\sin \theta (x,y){]}^2-1{\}}^{1/2}\left(2A\right)---\left(12\right)$ 此式可写成 $\sin \theta (x,y)=\frac{1}{n_1(x,y)}[1+{\left(\frac{\lambda }{8\pi \bar{I}A}{I}_{2A}(x,y)\right)}^2{]}^{1/2}---\left(13\right)$

π对称方位光束照明系统中，样品可分别在O方位和π方位单独照明条件下实现等光 子隧道信息强度扫描成像(或同一次扫描中交替采集图象象素值信号)。O方位光束入射角 为0o＝ 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I2AO(x，y)和I2Aπ(x，y)，则 $\sin {\theta }^o=\sin (\bar{\theta }+\mathrm{\Delta \theta })\approx \sin \bar{\theta }+\mathrm{\Delta \theta }\cos \bar{\theta }=\frac{1}{n_1(x,y)}[1+{\left(\frac{\lambda }{8\pi \bar{I}A}{I}_{2A}^O(x,y)\right)}^2{]}^{1/2}---\left(14\right)$ $\sin {\theta }^{\pi }=\sin (\bar{\theta }-\mathrm{\Delta \theta })\approx \sin \bar{\theta }-\mathrm{\Delta \theta }\cos \bar{\theta }=\frac{1}{n_1(x,y)}[1+{\left(\frac{\lambda }{8\pi \bar{I}A}{I}_{2A}^{\pi }(x,y)\right)}^2{]}^{1/2}--\left(15\right)$ 式(14)与式(15)相加得 $n_1(x,y)=\frac{1}{2\sin \bar{\theta }}\left\{\right[1+{\left(\frac{\lambda }{8\pi \bar{I}A}{I}_{2A}^O(x,y)\right)}^2{]}^{1/2}+[1+{\left(\frac{\lambda }{8\pi \bar{I}A}{I}_{2A}^{\pi }(x,y)\right)}^2{]}^{1/2}\}--\left(16\right)$ 和 均＜1，上式展开，近似可得 $n_1(x,y)\approx \frac{1}{2\sin \bar{\theta }}\{2+\frac{1}{2}{\left(\frac{\lambda }{8\pi \bar{I}A}\right)}^2[{\left(I_{2A}^O(x,y)\right)}^2+{\left(I_{2A}^{\pi }(x,y)\right)}^2\left]\right\}--\left(17\right)$ 由于 θ， I，A和λ均为给定常数，因此 ${\mathrm{\Delta n}}_1(x,y)\propto \Delta [{\left(I_{2A}^O(x,y)\right)}^2+{\left(I_{2A}^{\pi }(x,y)\right)}^2]---\left(18\right)$ 即折射率变化分布图象Δn1(x，y)与I2AO(x，y)自相关图象加I2Aπ(x，y)自相关图象之和图象的 变化分布图象成正比。在π对称方位分别照明条件下，颤动光纤尖等光子隧道信息强度扫 描成像( I＝常数)可获得光子隧道信息颤动量图象：I2AO(x，y)和I2Aπ(x，y)，然后在图象处理 系统中用自相关图象变换程序给出自相关图象：(I2AO(x，y))2和(I2Aπ(x，y))2。再求该两自相 关图象之和图象。该和图象中的变化即可正确的按比例的反映样品折射率变化图象Δn1(x， y)。

发明的内容之三是为实施上述AF/PSTM图象分解方法提出仪器概念设计及其中的 关键技术。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-T：P)，光纤弯曲部位漏光损耗大，需镀金属反射膜。光纤横向段用作弹力臂， 其横断面略呈偏平形，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。照明关键技术之一是用油浸大数值孔径显微物镜产生空心锥形光束，实现π 对称全方位(0～2π连续方位)的全内反射照明，见图1。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。当光纤尖纵向颤动分别采集O 方位照明与π方位照明条件下的光子隧道信息颤动量图象信息时，可采用挡板分别挡去空 心锥形光束的另半边光束。照明关键技术之二是在不用上述空心锥形光束情况时，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，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，将分路器球表面作精细磨 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象分解—原子力/光子扫描隧道显微 镜(IS—AF/PSTM)，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。

附图说明：

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IS—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。

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—SAF/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—半球全内反射棱镜；8—产生平行光束小透镜；9—球形 分束器输出光纤；10—球形分束器输入光纤；11—球形分束器(表面磨毛，再镀金属反光 膜)；12—大功率半导体激光器。

参考文献 [1]Ferrel TL，Warmack RJ，Reddick RC：Photon Scanning Tunneling Microscopy.USP 5, 018,865，May 28，1991 [2]吴世法：光子隧道扫描图象分解方法和仪器，中国发明专利公报1995，Vol.11，No. 35，P.100 [3]日本国专利受理通知书，(复印件) [4]Shifa Wu：Photon Scanning Tunneling Microscopy Now and in the Future.Scanning 17 (1995)，No.1，18-22