DE10200264B4

DE10200264B4 - Lichtsondenmikroskop

Info

Publication number: DE10200264B4
Application number: DE10200264.9A
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Muramatsu
Original assignee: Hitachi High Tech Science Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Science Corp
Priority date: 2001-01-11
Filing date: 2002-01-07
Publication date: 2016-01-07
Anticipated expiration: 2022-01-08
Also published as: DE10200264A1; US6867407B2; JP4555511B2; US20020088919A1; JP2002277375A

Abstract

Lichtsondenmikroskop mit: einer Sonde (11), die in der Lage ist, ein in einem Spitzenabschnitt lokal existierendes Lichtfeld zu erzeugen; einer Abstandskontrolleinrichtung (12), die den Abstand zwischen der Spitze der Sonde (11) und einer Probe (21) auf einen benachbarten Abstand einstellt; einer Auslenkeinrichtung (13) und einer Steuerungseinrichtung (14); einer Abtasteinrichtung (15), welche eine Probenoberfläche durch die Sonde (11) zweidimensional abtastet; einer Lichtquelle (16), die das lokal existierende Lichtfeld erzeugt; einem konvergierenden optischen System (17), das ein von der einer Lichtquelle (16), die das lokal existierende Lichtfeld erzeugt; und einer Datenerfassungseinrichtung (18), in der ein zweidimensionales Bild von der Probenoberfläche in Echtzeit von einem zweidimensionalen Bildsensor (19) erhalten und ein zweidimensionales Lichtbild gleichzeitig mit dem Bild der Oberflächenstruktur von der Datenerfassungseinrichtung (18) erhalten wird, indem die Signalstärke einer einstellbaren Detektionszone im zweidimensionalen Bild von der Probenfläche durch eine Bildsignalverarbeitungseinrichtung (20) erhalten wird.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Lichtsondenmikroskop zur Erfassung der Struktur einer Probenoberfläche und zur Erfassung von optischen Informationen der Probenoberfläche unter Nutzung einer zwischen einer Sonde und einer Probe wirkenden Kraft oder dgl.
2. Beschreibung der zugehörigen Technik
Ein optisches Rasternahfeldmikroskop (Lichtsondenmikroskop), das ein Nahfeldlicht von der mikrooptischen Apertur einer Sondenspitze oder ein Streulicht an einer scharfen Spitze verwendet, ist als ein Gerät bekannt, das in der Lage ist, eine optische Erfassung mit einem hohen Auflösungsvermögen vorzunehmen, welches die Einschränkungen der Wellenlänge des Lichts überschreitet. Durch Verwendung des Lichtsondenmikroskops ist es möglich, ein optisches Bild mit einem Auflösungsvermögen zu erfassen, das das eines optischen Bildes überschreitet, das mittels eines herkömmlichen optischen Mikroskops und einer hoch empfindlichen Kamera gemessen wurde, und gleichzeitig kann auch eine Oberflächenstruktur erfasst werden.
Beim Lichtsondenmikroskop ist es erforderlich, ein schwaches Licht wie Streulicht und Fluoreszenz, das von der Probenoberfläche neben dem Lichtfeld, das lokal an der Sondenspitze besteht, abgestrahlt wird, zu erkennen. Beim herkömmlichen Lichtsondenmikroskop werden jedoch ein Photoelektronenvervielfacher und eine Lawinen Photodiode als Lichtdetektor verwendet.
Da ein schwaches Licht im Lichtsondenmikroskop erkannt wird, wird ein Streulicht im Photoelektronenvervielfacher erfasst, dessen photosensitive Fläche groß ist, so dass mit einem stark werdenden Rauschen zu rechnen ist. So wird beispielsweise in dem Fall, in dem das Licht von einer Sonde, deren optische Apertur 100 nm beträgt, von einer Objektivlinse mit einer 100-fachen Vergrößerung konvergiert wird, die Größe entsprechend der Apertur in einem primären Bild 10 pm. Im Gegensatz dazu beträgt die Größe der photosensitiven Fläche des Photoelektronenvervielfachers etliche Millimeter bis einige Vielfache von 10 mm, so dass eine größere Zone nicht zur Erkennung beiträgt, mit dem Streulicht reagiert und zu einer Quelle wird, die ein schwarzes Rauschen erzeugt. Um das Streulicht zu beseitigen, wird erwogen, eine Lochblende in eine Bild gebende Fläche hinzufügen, aber es ist sehr schwierig, die optische Achse eines schwachen Lichts auszurichten. Andererseits ist die photosensitive Fläche der Lawinen-Photodiode mit 200 bis 500 pm relativ klein, so dass sie nicht leicht durch das Streulicht beeinflusst wird. Jedoch ist es auch in diesem Fall erforderlich, die optische Achse auszurichten, so dass die Messoperation kompliziert wird.
Als Stand der Technik wird auf die US 6 144 028 A verwiesen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ausgehend von diesem Stand der Technik wird erfindungsgemäß ein Lichtsondenmikroskop mit den Merkmalen des Anspruchs 1 angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2 bis 14.
Als ein Verfahren, das das Streulicht nicht in einer anderen als der Detektionszone erkennt, und bei dem des Weiteren keine Ausrichtung der optischen Achse erforderlich ist, ist eine Anordnung ersonnen worden, bei der ein zweidimensionales Bild in Echt Zeit erfasst wird, indem ein zweidimensionaler Bildsensor verwendet wird, und die Signalstärke einer optischen Detektionszone im zweidimensionalen Bild wird durch eine Bildsignalverarbeitungseinrichtung erhalten. Durch Erfassen des Signals gleichzeitig mit einem Bild der Oberflächenstruktur durch eine Datenerfassungseinrichtung wird es möglich, ein zweidimensionales Lichtbild gleichzeitig mit dem Bild der Oberflächenstruktur ähnlich wie in dem Fall zu erhalten, in dem ein herkömmlicher Detektor verwendet wurde.
Das heißt, dass bei der vorliegenden Erfindung ein Lichtsondenmikroskop verwirklicht worden ist, das Folgendes aufweist: eine Sonde, die in der Lage ist, ein in einem Spitzenabschnitt lokal existierendes Lichtfeld zu erzeugen, eine Abstandskontrolleinrichtung zur Einstellung des Abstands zwischen der Spitze der Sonde und einer Probe auf einen benachbarten Abstand, eine Auslenk- und Steuerungseinrichtung, eine Abtasteinrichtung zum zweidimensionalen Abtasten der Sonde auf einer Probenoberfläche, eine Lichtquelle zum Erzeugen des lokal existierenden Lichtfeldes, ein optisches System zum Konvergieren eines von der Probenoberfläche neben der Sondenspitze abgestrahlten Lichts und eine Datenerfassungseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweidimensionales Bild von der Probenoberfläche in Echtzeit von einem zweidimensionalen Bildsensor erhalten und ein zweidimensionales Lichtbild gleichzeitig mit dem Bild der Oberflächenstruktur extrahiert wird, indem die Signalstärke einer optionalen Detektionszone im zweidimensionalen Bild durch eine Bildsignalverarbeitungseinrichtung erhalten wird.
Des Weiteren wird es möglich, ein Lichtsignal einer vorgegebenen Wellenlänge selektiv zu erhalten, indem ein Spektroskop in einer vorderen Stufe eines zweidimensionalen Bildsensors angeordnet wird. Indem außerdem das konvergierende optische System durch ein optisches System mit einem Polarisator und einem Spiegel aufgebaut wird, wird es so ausgebildet, dass verschiedene Polarisationskomponenten Bilder in jeweils getrennten Positionen des zweidimensionalen Bildsensors bilden, und so dass die Polarisationskomponente selektiv erkannt wird. Analog wird durch den Aufbau des konvergierenden optischen Systems durch ein optisches System mit einem zweifarbigen Spiegel und einem Spiegel dieses so ausgebildet, dass verschiedene Wellenlängenkomponenten Bilder in jeweils getrennten Positionen des zweidimensionalen Bildsensors bilden, und so dass die Wellenlängenkomponente selektiv erkannt wird. Die Detektionszone wird hier mehrfach eingestellt und mehrere Lichtbilder können gleichzeitig erhalten werden. Dadurch ist es möglich, mehrere Lichtbilder zu erfassen, ohne mehrere Detektoren zu verwenden.
Außerdem kann durch Erhalten des zweidimensionalen Bildes als Videosignal ein Signal des optischen Bildes mit einer Videorate aktualisiert werden.
Übrigens wird in der Bildverarbeitungseinrichtung eine Signalverarbeitung mittels Digitalisieren eines Videosignals, Berechnen der Lichtstärke der Detektionszone, Übertragen an die Datenerfassungseinrichtung als intakter digitaler Wert oder durch Wandeln zu einem analogen Wert durchgeführt.
Andererseits ist es auch möglich, durch eine von der Datenerfassungseinrichtung verschiedene externe Datenerfassungseinrichtung eine Bildsynchronisierung mit dem Bild der Oberflächenstruktur zu erhalten, indem ein Daten abrufendes Ansteuersignal von der Datenerfassungseinrichtung übertragen wird.
Übrigens gibt es entsprechend dem Kenntnisstand des Erfinders der vorliegenden Erfindung ein Beispiel, bei dem der zweidimensionale Bildsensor als Erfassungseinrichtung genutzt wird, um einen gestreuten Zustand des Lichts von der Sonde zu untersuchen, aber es gibt kein Beispiel, bei dem er als Lichtdetektor in einer Sondenabtastzeit verwendet wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Diagramm, das den Aufbau eines Lichtsondenmikroskops der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 ist eine beispielhafte Ansicht, die ein Verfahren der Lichterkennung mit dem Lichtsondenmikroskop der vorliegenden Erfindung zeigt;
3 ist ein Diagramm, das den Aufbau des Licht-sondenmikroskops der vorliegenden Erfindung zeigt;
4 ist eine beispielhafte Ansicht, die die Licht-erkennung mit dem Lichtsondenmikroskop der vorliegen-den Erfindung zeigt;
5 ist ein Diagramm, das ein optisches System in einem konvergierenden optischen System zeigt, das bei der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
6 ist eine Ansicht eines Beispiels für ein Bild eines zweidimensionalen Bildsensors der vorliegenden Er-findung;
7 ist ein Diagramm, das ein optisches System in einem konvergierenden optischen System zeigt, das bei der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
8 ist eine Ansicht eines Beispiels für ein Bild eines zweidimensionalen Bildsensors der vorliegenden Er-findung;
9 ist ein Diagramm, das den Aufbau des Lichtsondenmikroskops der vorliegenden Erfindung zeigt; und
10 ist ein Diagramm, das den Aufbau des Lichtsondenmikroskops der vorliegenden Erfindung zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUG-TEN AUSFÜHRUNGSFORM
Im Folgenden wird eine Ausführungsform der vor-liegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert.
1 zeigt ein Diagramm des Aufbaus eines Lichtsondenmikroskops der vorliegenden Erfindung. In 1 hat dieses eine Sonde 11 mit einem am Spitzenabschnitt lokal existierenden Lichtfeld, eine Abstandskontrolleinrichtung 12 zur Einstellung des Abstands zwischen der Spitze 40 der Sonde 11 und einer Probe auf einen benachbarten Ab-stand, eine Auslenkeinrichtung 13 und eine Steuerungseinrichtung 14, eine Abtasteinrichtung 15 zum zweidimensionalen Abtasten der Sonde auf einer Probenoberfläche, eine Lichtquelle 16 zum Erzeugen des lokal existierenden Licht-feldes, ein optisches System 17 zum Konvergieren eines von einer Probe 21 neben der Spitze der Sonde 11 abgestrahlten Lichts und eine Datenerfassungseinrichtung 18 sowie des Weiteren einen zweidimensionalen Bildsensor 19 und eine Bildsignalverarbeitungseinrichtung 20. Hier wird ein zweidimensionales Bild von der Oberfläche der Probe 21 in Echtzeit vom zweidimensionalen Bildsensor 19 erhalten und es wird möglich gemacht, die Signalstärke einer optionalen Detektionszone im zweidimensionalen Bild durch die Bildsignalverarbeitungseinrichtung 20 zu erhalten. Konkret 55 wird in dem Fall, in dem die Spitze der Sonde 11 neben der Oberfläche der Probe 21 liegt, das zwischen der Sonde und der Probe erzeugte Streulicht in Form eines solchen punktförmigen hellen Punktes 31 wie in 2A dargestellt des auf einer Bild gebenden Fläche angeordneten zweidimensionalen Bildsensors 19 erfasst. Durch Vorgabe eines Bereichs 32 (2B), der die Pixel eines Abschnitts des hellen Punkts 31 umgibt und durch Übertragen an die Datenerfassungseinrichtung 18 können Daten der Lichtstärke gleich-zeitig mit Forminformationen gewonnen werden, so dass ein Lichtsondenmikroskop zur gleichzeitigen Erfassung des Bildes der Oberflächenstruktur und des zweidimensionalen Lichtbildes verwirklicht werden kann.
Auf diese Weise kann durch Vorgabe eines Mess-bereichs entsprechend dem hellen Punkt ein Problem, dass übermäßiges Streulicht in dem Fall, in dem der Detektor, dessen photosensitive Fläche bezogen zur Größe des hellen Punktes groß ist, erkannt wird, und ein Problem der Aus-richtung der optischen Achse in dem Fall, in dem der Detektor mit kleiner photosensitiver Fläche bezogen auf die Größenordnung des hellen Punktes verwendetet wird, gebessert werden. Insbesondere im Fall eines mikroleichten Auslegers unter Verwendung einer Mikroverarbeitungstechnik folgt, dass ein erregtes Licht direkt von der Rückseite der Mikroapertur eingeleitet wird, aber bei dieser Konstruktion gibt es den Fall, dass das Licht von einer Seitenfläche des Auslegers austritt, und ein System der vorliegenden Erfindung ist besonders deshalb nützlich, weil nur das Licht des Aperturabschnitts erkannt wird.
Die hier verwendete Bildverarbeitungseinrichtung 20 besteht aus mindestens einer Bildsignaleingabeeinrichtung, einer Bilddatenverarbeitungseinrichtung und einer Datenausgabeeinrichtung. Indem das zweidimensionale Bild als Videosignal von der Bildeingabeeinrichtung erhalten wird, können diese ein Signal der optischen Informationen mit einer Videorate aktualisieren.
In der Bildsignaleingabeeinrichtung kann auch eine Signalverarbeitung stattfinden, indem das Videosignal digitalisiert, die Lichtstärke der Detektionszone durch die Bilddatenverarbeitungseinrichtung berechnet und von der Datenausgabeeinrichtung an die Datenerfassungseinrichtung 18 geschickt wird, während es als digitaler Wert intakt bleibt oder in einen analogen Wert gewandelt wird. Bei dieser Gelegenheit erfolgen als Verarbeitung in der Bildverarbeitungseinrichtung 20 wiederholt eine vorherige Eingabe/Anzeige des Bildsignals zur Einstellung eines Bereichs, eine Bildeingabe für ein Einzelbild nach Einstellung des Messbereichs, eine Berechnung der Lichtstärke des Einstellbereichs und eine Signalausgabe. In dem Fall, dass ein übliches Videosignal von 30 Hz verwendet wird, folgt, dass eine Daten-übertragung wiederholt in etwa 33 ms erfolgt. Wird eine CCD-Kamera verwendet, in der des Weiteren Datenauslesen mit Hochgeschwindigkeit möglich ist, ist es auch möglich, eine höhere Datenübertragung auszuführen. Außerdem kann die Bildverarbeitungseinrichtung vollständig aus analogen Schaltungen aufgebaut werden.
Wie in 3 dargestellt ist es des Weiteren durch Anordnen eines Spektroskops 22 in einer vorderen Stufe des zweidimensionalen Bildsensors möglich, ein im Licht vom hellen Punkt enthaltenes Spektrum auf den Bildsensor zu projizieren, und damit ist es möglich, das Lichtsignal einer vorgegebenen Wellenlänge durch Wählen desselben zu erhalten.
Insbesondere ist es wie in 4 dargestellt bei einer Erfassung des Spektrums möglich, gleichzeitig mehrere Lichtbilder durch gleichzeitiges Einstellen mehrerer Detektionszonen des Spektrum zu erhalten. In 4A ist ein Spektralband 33 dargestellt und in 4B sind kennzeichnende Bereiche 34, 35, 36 dargestellt, die einen Teil des Spektralbandes umgeben.
Durch eine solche Einstellung der Detektionszone für jede der mehreren verschiedenen Wellenlängenkomponenten ist es möglich, ein Lichtbild jeder der verschiedenen Wellenlängenkomponenten zu erhalten. Durch kontinuierliches Einstellen der gewählten Breite der Wellenlänge in Richtung der Wellenlänge durch ihre Einengung ist es möglich, ein Lichtbild jeder feinen Wellenlängenkomponente zu erhalten, und auf Basis des Lichtbildes für jede Wellenlängenkomponente ist es auch möglich, die Extraktion eines Spektrums in einem optionalen Messpunkt in einer Abtast-zone durchzuführen. Durch Ändern der Größe der Zone des Messpunkts für die Extraktion ein Flächenauflösungsvermögen der Probenfläche der Spektralinformationen, den Rauschabstand des Spektrums selbst usw. einzustellen.
Andererseits ist es durch Einstellen der Wellenlänge des erregten Lichts in der Sondenspitze derart, dass es außerhalb einer Bildzone des zweidimensionalen Bildsensors durch das Spektroskop liegt, möglich, den Bereich der Lichterfassungsempfindlichkeit des zweidimensionalen Bildsensors so einzustellen, dass er einem schwachen Licht entspricht, das vom erregten Licht verschieden ist, so dass es auch möglich ist, den Rauschabstand des Wellensignals, das vom erregten Licht verschieden ist, zu verbessern.
Wie bei 3 ist es auch in dem Fall, in dem das Spektroskop angeordnet wird, möglich, eine Operation ähnlich der des Geräteaufbaus ohne Spektroskop gemäß 1 auszuführen, indem ein Schlitz des Spektroskops zu einem Umschalttyp zwischen Schlitz- und vollständiger Apertur gemacht wird und ein Beugungsgitter auf eine Spiegelposition eingestellt wird oder mit dem Spiegel geändert werden kann.
5 zeigt ein Beispiel, das so ausgeführt ist, dass verschiedene Polarisationskomponenten Bilder in jeweils getrennten Positionen des zweidimensionalen Bildsensors bilden, indem ein konvergierendes optisches System gebildet wird, das aus einem optischen System mit einem Polarisator und einem Spiegel besteht. In 5 tritt ein Licht mit zwei Polarisationskomponenten in einen Polarisations-Strahlteiler 41 ein und wird in zwei Polarisationskomponenten geteilt. Die beiden Polarisationskomponenten treten über Spiegel 42, 43 in einen nächsten Polarisations-Strahl-teiler 44 ein. Bei dieser Gelegenheit können jedoch verschiedene Polarisationskomponenten Bilder in jeweils getrennten Positionen bilden, indem die optischen Achsen veranlasst werden, nicht zu überlappen. In diesem Fall kann der Polarisations-Strahlteiler 44 durch einen Strahlteiler des Halbspiegeltyps ersetzt werden. Durch Verwenden eines solchen optischen Systems ist es möglich, die Polarisations-komponente zu erkennen, indem sie gewählt wird. 6 zeigt ein Bild eines zweidimensionalen Bildsensors für diesen Fall. Durch die jeweilige gleichzeitige Bereichsvorgabe der zwei Abschnitte der hellen Punkte ist es möglich, gleich-zeitig Bilder der beiden Polarisationskomponenten zu erhalten.
In ähnlicher Weise zeigt 7 ein Beispiel, das so ausgeführt ist, dass die verschiedenen Wellenlängenkomponenten jeweils Bilder in getrennten Positionen des zweidimensionalen Bildsensors bilden, indem das konvergierende optische System aus einem optischen System gebildet wird, das einen zweifarbigen Spiegel und einen Spiegel aufweist. In 7 tritt Licht, das die Wellenlängenkomponenten eines bestimmten Bereichs enthält, in einen zweifarbigen Spiegel 45 ein und wird in zwei Wellenlängenkomponenten geteilt. Über Spiegel 46, 47 treten die beiden Wellenlängenkomponenten in den nächsten zweifarbigen Spiegel 48 ein. Bei dieser Gelegenheit können jedoch verschiedene Polarisations-komponenten Bilder in jeweils getrennten Positionen bilden, indem die optischen Achsen veranlasst werden, nicht zu überlappen. In diesem Fall kann der zweifarbige Spiegel 48 durch einen Strahlteiler des Halbspiegeltyps ersetzt wer-den. Durch Verwenden eines solchen optischen Systems ist es möglich, die Polarisationskomponente zu erkennen, in-dem sie gewählt wird. 8 zeigt ein Bild eines zweidimensionalen Bildsensors für diesen Fall. Durch die jeweilige gleichzeitige Bereichsvorgabe der zwei Abschnitte der hellen Punkte ist es möglich, gleichzeitig Bilder der beiden Polarisationskomponenten zu erhalten.
Andererseits ist es von Übertragen von Daten, die ein Ansteuersignal von der Datenerfassungseinrichtung 18 gemäß einem Oberflächenstruktursignal abrufen, ebenfalls möglich, ein Bild synchron mit einem Bild der Oberflächen-struktur durch eine von der Datenerfassungseinrichtung verschiedene externe Datenerfassungseinrichtung zu erhalten. Als Verarbeitung in der Bildverarbeitungseinrichtung ist es bei dieser Gelegenheit möglich, ein Bild synchron mit dem Bild der Oberflächenstruktur durch vorherige Bildsignaleingabe/Anzeige für eine Bereichseinstellung zu erhalten, und den Messbereich einzustellen, wenn ein Ansteuersignal erkannt wird, wobei Daten für mehrere Ansteuersignale an die externe Datenerfassungseinrichtung 23 gegeben werden, während die Eingabe des Bildes für ein Einzelbild wieder-holt wird, um eine Berechnung der Lichtstärke in einem eingestellten Bereich und eine Signalausgabe auszuführen. In diesem Fall ist es durch Erweiterung der Verarbeitungsfunktionen der Bildverarbeitungseinrichtung 20 und der externen Datenerfassungseinrichtung 23 auch möglich, kontinuierlich ein Bild für jedes Einzelbild des zweidimensionalen Bildsensors gemäß dem vorliegenden Ansteuersignal einzugeben/zu speichern. Außerdem ist es auch möglich, nur einen ausgewählten Bereichsabschnitt des Einzelbildes zu speichern und in diesem Fall tritt dann der Effekt ein, dass die Verarbeitungsgeschwindigkeit verbessert und die Aufzeichnungskapazität sparsam genutzt wird.
Außerdem ist es in dem Fall, in dem die Abtastgeschwindigkeit niedrig ist und das Einzelbild mehrmals während eines Zyklus des Ansteuersignals erhalten werden kann, auch möglich, die Messgenauigkeit zu verbessern, in-dem die erhaltenen Daten addiert werden oder eine Mitteilungsverarbeitung durchgeführt wird.
Bezüglich der Sonde ist hier in 1 und 3 ein Typ dargestellt, der aus einem optischen Wellenleiter besteht und der in seiner Spitze eine optische Mikroapertur hat, die kleiner ist als die Wellenlänge des Lichts. Es ist jedoch außerdem möglich, eine Sonde des Typs ohne Apertur zu verwenden, bei der das Licht auf eine Nadel mit einer scharfen Spitze abgestrahlt wird. Im ersten Fall wird eine faseroptische Sonde, die nach einem faseroptischen Verfahren hergestellt wird, verwendet oder eine mikrooptische Sonde mit winziger Apertur, die nach einer Mikroverarbeitungs-technik hergestellt wird, und im zweiten Fall wird eine Metallnadel verwendet.
1 und 3 zeigen auch, dass das konvergierende optische System 17 das durch die Probe geschickte Licht konvergiert. Wie jedoch aus 9 ersichtlich ist, ist jedoch auch ein Aufbau des konvergierenden optischen Systems 17, bei dem das von der Probe reflektierte Licht konvergiert wird, möglich. Da bei einer solche Konstruktion die Aus-richtung der optischen Achse besonders schwierig wird, ist das System der vorliegenden Erfindung besonders effektiv.
Des Weiteren ist wie in 10 gezeigt auch eine Konstruktion, bei der das konvergierende optische System 17 das durch die optische Apertur der Sonde geschickte Licht konvergiert, möglich. In diesem Fall kann das konvergierende optische System 17 auch als ein optisches Einfallsystem bezüglich einer optischen Sonde des direkten Einfall-typs fungieren und das Licht von der Lichtquelle 16 und das Signallicht von der Probe werden von einem funktionalen Spiegel bestehend aus dem zweifarbigen Spiegel, dem Polarisationsstrahlteiler und dgl. geteilt.
Als Abstandskontrolle 12 ist es hier auch möglich, piezoelektrische Detektoreinrichtungen, die in die Sonde integriert sind, zusätzlich zu den optischen Einrichtungen zu verwenden. Außerdem zeigt 10 einen Aufbau, bei dem das Licht von der Lichtquelle 16 die Probe über das konvergierende optische System 17 erreicht, jedoch ein Aufbau, bei dem das Licht von der Lichtquelle direkt von unterhalb der Probe oder von oberhalb der Probe abgestrahlt wird, ist ebenso möglich.
Zur Abstandskontrolle zwischen der Sonde und der Probe ist es möglich, das Prinzip des zwischenatomaren Kraftmikroskops zu nutzen. Außerdem kann auch das Prinzip des Abtasttunnel-Elektronenmikroskops angewendet 5 werden.
Als zweidimensionaler Bildsensor kann ein CCD-Bildsensor verwendet werden und es ist insbesondere möglich, eine hoch empfindliche Erfassung durchzuführen, indem ein Bildverstärker an einer vorderen Stufe vorgesehen wird.
Übrigens gibt es bisher bei der Spektralanalyse ein Verfahren, bei dem die Spektralkurve durch den Empfang eines Spektrums des Lichts von einem Spektroskop mittels des zweidimensionalen Bildsensors erhalten und ein Signal senkrecht zur spektralen Verteilung des zweidimensionalen Bildsensors hinzugefügt wird. Bei der vorliegenden Erfindung wird jedoch eine Zone gewählt, in der sich die Sonden-spitze befindet, und in Echtzeit in ein Intensitätssignal gewandelt, wodurch es mit dem zweidimensionalen Bild in der Abtastzone gekoppelt wird, so dass von der vorliegenden Erfindung gesagt werden kann, dass sie gegenüber dem Stand der Technik einen vollständig anderen Abschnitt enthält und einen Abschnitt, in dem der Stand der Technik teilweise entwickelt worden ist.
Wie oben erläutert ist es durch Angebe der Mess-zone entsprechen dem hellen Punkt möglich, das Problem zu verringern, dass das übermäßige Streulicht in dem Fall erkannt wird, in dem die photosensitive Fläche des Detektors bezüglich der Größe des hellen Punktes groß ist, sowie das Problem der Ausrichtung der optischen Achse in dem Fall, in dem die photosensitive Fläche des Detektors bezüglich der Größenordnung des hellen Punkts klein ist, so dass die Funktionsfähigkeit des Lichtsondenmikroskops in hohem Maße verbessert werden konnte. Des Weiteren wurde es auch möglich, gleichzeitig und auf einfache Weise mehrere zweidimensionale Bilder der spektralen Informationen zu erhalten.
Bezugszeichenliste

11: Sonde
12: Abstandskontrolle
13: Auslenkeinrichtung
14: Steuerungseinrichtung
15: Abtasteinrichtung
16: Lichtquelle
17: konvergierendes optisches System (Ocular)
18: Datenerfassungseinrichtung
19: zweidimensionaler Bildsensor
20: Bildsignalverarbeitungseinrichtung
21: Probe
22: Spektroskop
31: heller Punkt
32: Bereich
33: Spektralband
34, 35, 36: kennzeichnende Bereiche
41: Polarisations-Strahlteiler
42,43: Spiegel
44: Polarisations-Strahlteiler
45: zweifarbiger Spiegel
46, 47: Spiegel
48: zweifarbiger Spiegel

Claims

Lichtsondenmikroskop mit: einer Sonde (11), die in der Lage ist, ein in einem Spitzenabschnitt lokal existierendes Lichtfeld zu erzeugen; einer Abstandskontrolleinrichtung (12), die den Abstand zwischen der Spitze der Sonde (11) und einer Probe (21) auf einen benachbarten Abstand einstellt; einer Auslenkeinrichtung (13) und einer Steuerungseinrichtung (14); einer Abtasteinrichtung (15), welche eine Probenoberfläche durch die Sonde (11) zweidimensional abtastet; einer Lichtquelle (16), die das lokal existierende Lichtfeld erzeugt; einem konvergierenden optischen System (17), das ein von der einer Lichtquelle (16), die das lokal existierende Lichtfeld erzeugt; und einer Datenerfassungseinrichtung (18), in der ein zweidimensionales Bild von der Probenoberfläche in Echtzeit von einem zweidimensionalen Bildsensor (19) erhalten und ein zweidimensionales Lichtbild gleichzeitig mit dem Bild der Oberflächenstruktur von der Datenerfassungseinrichtung (18) erhalten wird, indem die Signalstärke einer einstellbaren Detektionszone im zweidimensionalen Bild von der Probenfläche durch eine Bildsignalverarbeitungseinrichtung (20) erhalten wird.
Lichtsondenmikroskop nach Anspruch 1, bei dem ein Lichtsignal einer vorgegebenen Wellenlänge selektiv erhalten werden kann, indem ein Spektroskop (22) in einer vorderen Stufe des zweidimensionalen Bildsensors (19) angeordnet wird.
Lichtsondenmikroskop nach Anspruch 1, bei dem das konvergierende optische System (17) aus einem optischen System mit einem Polarisator und einem Spiegel besteht, und verschiedene Polarisationskomponenten Bilder in jeweils getrennten Positionen des zweidimensionalen Bildsensors (19) bilden.
Lichtsondenmikroskop nach Anspruch 1, bei dem das konvergierende optische System (17) aus einem optischen System mit einem zweifarbigen Spiegel (45) und einem Spiegel besteht, und verschiedene Wellenlängenkomponenten Bilder in jeweils getrennten Positionen des zweidimensionalen Bildsensors (19) bilden.
Lichtsondenmikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Detektionszone gleichzeitig mehrfach eingestellt werden kann und mehrere Lichtbilder gleichzeitig erhalten werden können.
Lichtsondenmikroskop nach Anspruch 1, bei dem das zweidimensionale Bild als Videosignal erhalten und ein Signal eines optischen Bildes mit einer Videorate aktualisiert wird.
Lichtsondenmikroskop nach Anspruch 1, bei dem in der Bildverarbeitungseinrichtung (20) ein Videosignal digitalisiert, die Lichtstärke der Detektionszone berechnet und an die Datenerfassungseinrichtung (18) intakt als digitaler Wert oder in einen analogen Wert gewandelt übertragen wird.
Lichtsondenmikroskop nach Anspruch 1, bei dem durch eine von der Datenerfassungseinrichtung (18) verschiedene externe Datenerfassungseinrichtung möglich gemacht wird, ein mit dem Bild der Oberflächenstruktur synchrones Bild zu erhalten, indem ein Daten abfragendes Ansteuersignal von der Datenerfassungseinrichtung (18) übertragen wird.
Lichtsondenmikroskop nach Anspruch 5, bei dem das Lichtbild für jede verschiedene Wellenlängenkomponente durch Einstellen der Detektionszone für jede der verschiedenen Wellenlängenkomponenten im Lichtsondenmikroskop erhalten wird.
Lichtsondenmikroskop nach Anspruch 9, bei dem eine Extraktion eines Spektrums in einem optionalen Messpunkt in einer Abtastzone auf Basis des Lichtbildes für jede Wellenlängenkomponente, die kontinuierlich in Richtung der Achse der Wellenlänge eingestellt ist, durchgeführt wird.
Lichtsondenmikroskop nach Anspruch 5, bei dem durch Einstellen mittels des Spektroskops (22) der Wellenlänge des erregten Lichts in der Sondenspitze derart, dass es außerhalb einer Bildzone des zweidimensionalen Bildsensors (19) liegt, der Rauschabstand eines Wellenlängensignals, das vom erregten Licht verschieden ist, verbessert wird.
Lichtsondenmikroskop nach Anspruch 1, bei dem das konvergierende optische System (17) das durch die Probe (21) geschickte Licht oder das von der Probe (21) reflektierte Licht konvergiert.
Lichtsondenmikroskop nach Anspruch 1, bei dem das konvergierende optische System (17) das durch eine optische Apertur der Sonde (11) geschickte Licht konvergiert.
Lichtsondenmikroskop nach Anspruch 8, bei dem ein Bild eines selektiven Bereichsabschnitts des zweidimensionalen Bildsensors (19) kontinuierlich gespeichert wird, wenn es synchron zum Ansteuersignal ist.