背景簡介
背景
光學顯微鏡使用方便 ，圖像解釋簡單明了，對試樣無損傷，可觀察物質的自然狀態，通過光譜技術還能研究其化學組成等 ，因而套用範圍極廣。 但其解析度受光波半波長的衍射限制 ，約 0.2～ 0.5μm。現代半導體積體電路的線寬已小到十分之幾微米，細胞生物學等領域也需要更高的解析度。
衍射分辨極限帶來的限制
常規光學顯微鏡的有效放大倍數受到光學系統的衍射極限的限制，根據瑞利判據空間分辨極限為光子掃描隧道顯微鏡的原理與套用概述，波長、折射率、光學系統的孔徑角。
光子掃描隧道顯微鏡由上式可以看出在可見光波段其分辨不能達到納米量級。
存在於樣品表面的隱失場
物體表面外的場分布可以劃分為兩個區域: 一個是距物體表面僅僅幾個波長的區域, 稱為近場區域 ; 另一部分從近場區域外至無窮遠處稱為遠場區域，常規的觀察工具如顯微鏡, 望遠鏡及各種光學鏡頭均處於遠場範圍，遠場所呈現的是物體的大于波長範圍的結構，而近場表現的是物體遠小于波長的精細結構，近場存在的即是隱失場。
隱失場是離開物體或光源表面在空間急劇衰減的電磁場，隱失場和傳播場不同，它對光源和物體本身的擾動已不可忽略。它僅僅存在於物體最表面, 而不能向遠處傳播，由此知道物體中細微結構的信息不能傳遞到遠場去, 而被限制在接近物體表面的區域。所以，衰逝波為非輻射場。
PSTM簡介
1928年 E.H.Synge提出了一種可以克服 (遠場)衍射極限的方法：用一個直徑比波長小很多的小孔光闌作光源並使其離試樣的距離也小於一個波長 ，則成像的解析度將受小孔尺寸的限制。 由於技術上的困難，直到1982年發明了掃描隧道顯微鏡 STM，這種近場光學顯微鏡才可能實現。 1989年 R.C.Reddick等製成光子掃描隧道顯微鏡PSTM ，其機理與 STM 相似，解析度優於光波半波長值。 而且可以利用光學顯微鏡成熟的多種成像機制和方法研究觀察大氣條件下的透明體等一般電子顯微鏡和掃描隧道顯微鏡難以解決的課題，引起世人矚目。
光子掃描隧道顯微鏡是一種特殊的光學顯微鏡，它利用全內反射的隱失場，打破了傳統光學顯微鏡衍射極限的限制，實現了納米水平的解析度。它不僅可以觀測樣品的表面形貌，而且可以測量樣品的微區折射率分布情況。
事實上，電子掃描隧道顯微鏡（ESTM) 與光子掃描隧道顯微鏡(PSTM)不論在機理上,還是在結構上都有著 極為相似的一面。相比之下，光子掃描隧道顯微鏡可以說是顯微儀器家族的新成員，其理論基礎來源於近場光學。
光子掃描隧道顯微鏡的構造
圖1 光子掃描隧道顯微鏡的基本構造PSTM系統 由PSTM工作頭 、相應的圖像處理系統及防振工作檯三部分組成。工作頭包括可調置坡鏡、光纖探頭、機械操作架；圖像採集及處理系統包括一台計算機，彩色印表機及一台高精度的監示器，由這套系統可進行多種樣品圖像的採集及處理，具體見圖1。
光子掃描隧道顯微鏡作用機理
光子掃描隧道顯微鏡的基本思想 是，雷射在樣品與稜鏡的分界面上發生全反射，在樣品的表面將形成隱失場，只要用探針探索到該隱失場即可實現納米量級的高解析度。
圖2 PSTM原理圖PSTM的作用機理如圖2所示。圖下部為稜鏡中平行光在界面處發生全內反射， 中部起伏的為樣品, 虛線代表由此產生的消逝場，上部的光纖探頭對隱失場信號進行探測，隱失場是近場光學中的一個極為重要的概念，它是一個非均勻場，沿著入射面上的媒質邊界傳播，面振幅、場強隨離界面的距離的增大作指數衰減，樣品表面形 狀起伏不同，則其形成的隱失場就產生相應的變化，採用光纖對場進行探測，然後對探測信號加以處理， 就得到樣品表面的三維立體圖像，當光探頭進入距樣品波長範圍以內時，即達到工作點時，便可形兼地理解為已進入 隧道， 此時可產生類似於電子掃描隧道顯微鏡的隧道電流，然後採用電子跟蹤反饋系統， 使探針保持等場強掃描，將信號送至計算圖像處理系統，便可在監示器上得到逼真的表面立體圖像。
光子掃描隧道顯微鏡特點及適用範圍
特點
相對於掃描電鏡，光子掃描隧道顯微鏡 還具有以下優點：
•可用 於不導電樣品的觀測
•要以進行表面三維立體成像
•更適用於光譜學等方面的套用
•圖像由數字數據流組成，便於遠距離觀察、 儲存及處理，採用電子顯微鏡觀察時，必須對樣品做特別 處理，因而會引進許多人為因素；
•由於不需要真空條件，使用成本和維修費用都很低，其套用範圍也較為廣泛，尤其在生物工程等領域，更具優勢，因為電子顯微鏡的真空工作環境對活細脆具有直接的破壞作用，而PSTM則可以看到活細胞的三維立體圖像。
適用範圍
PSTM在國際上已經開展了以下幾個方面的具體套用：
•對生物樣品、聚合物、光學材料等多種樣品進行表面形狀觀測，表面 輪廓、粗糙度觀測
•對薄膠片的研究
•光波導的研究
•觀測衍射光柵的表面像，以推知和評價光柵的閃耀角和頂角，這將有助於光姍的標準化，無損檢查半導體晶片等
•套用於毫微結構分析，化學成份分析與光譜分析等諸多領域中。
展望
綜上，預計PSTM這項新技術將在醫學、 生物工程、光波導和光電積體電路檢測，材料科學和表面科學等一些高技術學科和產業中有著廣闊的套用前景。 此外，還可將此新興技術不斷向其它技術領域多方面滲透，逐步開拓、建立新的套用領域，充分發揮其內在潛力，這將對科技發展及國民經濟建設產生一系列重要的影響。
