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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Objektivanordnung für
die Nahfeldmikroskopie, insbesondere zur Durchführung von
nahfeldoptischen Streumessungen, beispielsweise Ramanmessungen.
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Mit
dem Verfahren der scannenden nahfeldoptischen Mikroskopie (SNOM)
kann die klassische Beugungsbegrenzung der Auflösung von
herkömmlichen Lichtmikroskopen unterschritten werden, indem das
optische Nahfeld einer Sonde in die Nähe einer Probe gebracht
wird. Ein Konzept, welches hier zum Einsatz kommen kann, ist die
so genannte aperturlose nahfeldoptische Sondenmikroskopie, bei der
das optische Nahfeld durch die Wechselwirkung einer Nahfeldsonde,
welche beispielsweise eine Spitze mit kleinem Krümmungsradius
(beispielsweise 20 nm oder kleiner) aufweisen kann, mit einer fernfeldoptischen
Anregung im Brennpunkt eines Anregungsstrahlengangs erzeugt wird.
Das durch die Wechselwirkung der Probe mit der angeregten Spitze
stark lokalisiert entstehende optische Antwortsignal der Probe wird
aufgesammelt, wozu beispielsweise die gleiche optische Anordnung
wie zur Anregung dienen kann, indem der Anregungsstrahlengang rückwärts durchlaufen
kann, und wird von einem Detektor detektiert. Die Ortsauflösung
bei dieser Herangehensweise wird durch das an der Spitze der Nahfeldsonde resultierende
Nahfeld gegeben und wird maßgeblich durch den Spitzenradius
bestimmt. Die Ortsauflösung kann dabei bis auf wenige Nanometer
reduziert werden. Durch plasmonische Verstärkung an einer metallischen
oder metallisierten Spitze der Nahfeldsonde wird fokussiert eingestrahltes
Licht im Bereich der Spitze konzentriert, und gestreutes Licht wird
effizienter aus der Probenregion im Nahfeld der Spitze emittiert.
Die bedeutendsten Streumechanismen in diesem Zusammenhang sind die
Ramanstreuung, Fluoreszenz und Photolumineszenz sowie durch Absorption
beeinflusste elastische Streuung.
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Bei
derartigen Nahfeldmessungen wird wie bereits erwähnt Anregungslicht
auf die Spitze der Nahfeldsonde fokussiert. Dabei ist wünschenswert, das
Anregungsvolumen des eingestrahlten Licht möglichst klein
zu halten, um Hintergrundstreuung zu vermeiden. Zudem ist es wünschenswert,
einen möglichst großen Anteil des gestreuten Lichts
einzusammeln.
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Es
ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine für
Nahfeldmikroskopie, insbesondere aperturlose nahfeldoptische Sondenmikroskopie, geeignete
Objektivanordnung be reitzustellen. Zudem ist es eine Aufgabe der
vorliegenden Erfindung, ein Justageverfahren für eine derartige
Objektivanordnung bereitzustellen.
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Diese
Aufgabe wird gelöst durch eine Objektivanordnung gemäß Anspruch
1 sowie ein Verfahren gemäß Anspruch 15. Die abhängigen
Ansprüche definieren weitere Ausführungsbeispiele.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel wird eine Objektivanordnung bereitgestellt,
umfassend: eine Nahfeldsondeneinheit und ein refraktives Objektiv zum
Fokussieren von Anregungsstrahlung auf die Nahfeldsondeneinheit,
wobei die Nahfeldsondeneinheit über eine Justiereinheit
an dem refraktiven Objektiv befestigt ist, wobei die Justiereinheit
eine Relativbewegung der Nahfeldsondeneinheit zum Objektiv gestattet.
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Somit
wird eine kompakte Anordnung bereitgestellt, bei welcher die Nahfeldsondeneinheit
mit dem refraktiven Objektiv zusammen bewegt werden kann und relativ
zu diesem über die Justiereinheit eingestellt werden kann.
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Das
refraktive Objektiv kann eine numerische Apertur größer
0,95, bevorzugt größer 0,99 aufweisen. Ein Linsendurchmesser
einer einer zu untersuchenden Probe zugewandten Seite des refraktiven Objektivs
kann einen Durchmesser größer 10 mm, bevorzugt
größer 14 mm, aufweisen.
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Die
der Probe zugewandte Linse des refraktiven Objektivs kann eine konkave
Wölbung zum Inneren des Objektivs hin, d. h. von der Probe
weg, aufweisen. In diesem Fall ist bei einer Messung der Abstand
zwischen dem Objektiv und der optischen Achse größer
als der Abstand zwischen der Probe und dem Objektiv am Rand dieser
Linse.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel wird dies dazu benutzt, die Justiereinheit
mit der Nahfeldsondeneinheit näherungsweise auf der optischen
Achse des Objektivs anzubringen, so dass die Justiereinheit und/oder
die Nahfeldsondeneinheit aus der Frontlinse des Objektivs herausragt.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel kann eine Bohrung in der der
Probe zugewandten Linse und gegebenenfalls auch in weiteren Linsen
des Objektivs vorhanden sein, um die Justiereinheit und gegebenenfalls
einen Teil der Nahfeldsondeneinheit aufzunehmen.
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Die
Justiereinheit kann insbesondere derart ausgestaltet sein, dass
die Nahfeldsondeneinheit in allen drei Raumrichtungen relativ zum
Objektiv bewegt werden kann. Die Justiereinheit kann hierfür eine
Piezoröhre oder ein oder mehrere Piezoelemente aufweisen.
Die erwähnte Bohrung kann dabei derart dimensioniert sein,
dass eine Stellbewegung auch in Richtungen senkrecht zur optischen
Achse des Objektivs möglich ist.
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Die
Objektivanordnung kann derart ausgestaltet sein, dass die Nahfeldsondeneinheit
austauschbar ist, beispielsweise mittels einer Steckverbindung oder
einer magnetischen Halterung. Die Justiereinheit kann dabei mit
dem Objektiv fest verbunden, beispielsweise verklebt sein.
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Die
oben erwähnte Bohrung kann durch das ganze Objektiv hindurchgehen,
so dass die Justiereinheit und die Nahfeldsonde auch von einer der
Probe abgewandten Seite entfernt werden können.
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Bei
einem anderen Ausführungsbeispiel ist die Justiereinheit
an einer Fassung des Objektivs angebracht.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Verfahrens für eine Objektivanordnung wird die Nahfeldsonde
entlang der optischen Achse des Objektivs verstellt, bis die Nahfeldsonde im
Messabstand zu einer zu untersuchenden Probe liegt. Zudem wird die
Nahfeldsonde senkrecht zur optischen Achse des Objektivs verfahren,
um einen Anregungsfokuspunkt auf der Nahfeldsonde zu positionieren.
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Zusätzlich
kann die Probe entlang der optischen Achse der Objektivanordnung
justiert werden, so dass die Probe in der Fokusebene des Objektivs der
Objektivanordnung liegt.
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Weitere
Merkmale, Ausführungsformen und Vorteile von Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden detaillierten
Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung.
Es zeigen:
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1 ein
Schemadiagramm einer Objektivanordnung gemäß einem
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
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2 ein
Schemadiagramm einer Objektivanordnung gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
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3 ein
Schemadiagramm einer Objektivanordnung gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
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4 ein
Schemadiagramm einer Objektivanordnung gemäß einem
anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
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5 ein
Schemadiagramm einer Objektivanordnung gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
und
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6 ein
Flussdiagramm eines Justierverfahrens gemäß einem
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Im
Folgenden werden verschiedene Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer
Objektivanordnungen dargestellt. In den Figuren tragen dabei gleiche
oder einander entsprechende Elemente die gleichen Bezugszeichen,
wobei gleiche Bezugszeichen nicht bedeuten, dass die Elemente absolut
identisch sein müssen.
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Ein
erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Objektivanordnung ist in 1 dargestellt. Die Objektivanordnung
weist dabei ein refraktives, d. h. aus Linsen aufgebautes, Objektiv
mit Linsen 1, 6 und 7 auf. Die Linse 1,
welche einer Probe 5 zugewandt ist, wird im Folgenden auch
als Frontlinse bezeichnet. Ein Durchmesser der Frontlinse 1 ist in 1 mit
d bezeichnet.
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In 1 ist
die Frontlinse 1 von der Probe 5 weg, d. h. zum
Inneren des Objektivs hin, gekrümmt. Somit ist ein Abstand
der Frontlinse 1 von der Probe 5 am Rand der Frontlinse,
in 1 mit a bezeichnet, kleiner als ein Abstand der
Frontlinse 1 von der Probe 5 an einer optischen
Achse 9 des Objektivs, in 1 mit b
bezeichnet.
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Die
Linsen 1 und 6 sind bei dem Objektiv von 1 „zwiebelschalenartig” angeordnet,
d. h. die Linse 6 weist eine ähnliche Krümmung
auf wie die Linse 1.
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Durch
die Kombination mehrerer Linsen 1, 6 und 7 können
Abbildungsfehler des Objektivs reduziert werden.
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Näherungsweise
bei der optischen Achse 9 ist eine Justiereinheit 4 an
der Frontlinse 1 befestigt. Die Befestigung kann beispielsweise
durch Kleben, mittels einer Steckverbindung oder mittels eines Schraubgewindes
erfolgen. An der Justiereinheit 4 ist eine Nahfeldson deneinheit 2, 3 umfassend
eine Stimmgabel 3 zur Abstandskontrolle und eine Nahfeldsondenspitze 2 angebracht.
Durch die Justiereinheit 4 kann die Nahfeldsondeneinheit 2, 3 relativ
zu dem Objektiv, d. h. relativ zu den Linsen 1, 6, 7,
bewegt werden, beispielsweise in drei Raumrichtungen bewegt werden.
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Durch
das Objektiv kann Anregungslicht, welches auf die Linse 7 fällt,
auf die Nahfeldsondenspitze 2 fokussiert werden. Mit 32 sind
dabei veranschaulichend Strahlengänge am Rand der Linsen 1, 6, 7 in 1 bezeichnet.
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Im
Folgenden werden mögliche Ausgestaltungen der verschiedenen
Komponenten der Objektivanordnung von 1 näher
erläutert.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel ist die numerische Apertur NA
des Objektivs größer als 0,95, bevorzugt größer
als 0,99. Der Zusammenhang zwischen numerischer Apertur NA, Arbeitsabstand
a und Linsendurchmesser d der Frontlinse 1 ist wie folgt: d2 = a·tan(arcsin(NA)) (1)tan bezeichnet
dabei die Tangensfunktion und arcsin die Arcussinusfunktion.
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Bei
einem Arbeitsabstand a von 1 mm kann der Linsendurchmesser beispielsweise
größer oder gleich 14 mm sein, um eine numerische
Apertur von 0,99 zu erreichen. Bei einem kleineren Arbeitsabstand
kann dies auch mit kleineren Linsendurchmessern erreicht werden.
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Bei
Ausführungsbeispielen ist d größer/gleich
10 mm, um die Nahfeldsondeneinheit 2, 3 problemlos
unterbringen zu können. Es sind jedoch grundsätzlich
auch kleinere Durchmesser möglich, dies hängt
auch von dem Platzbedarf der jeweils verwendeten Nahfeldsondeneinheit 2, 3 ab.
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Die
Nahfeldsondeneinheit 2, 3 und die Justiereinheit 4 können
entlang der optischen Achse eine Länge zwischen 5 und 50
mm aufweisen, wobei auch andere Maße möglich sind.
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Die
Justiereinheit 4 kann dabei Piezoelemente umfassen, d.
h. Elemente, welche den piezoelektrischen Effekt benutzen, um die
Nahfeldsondeneinheit 2, 3 relativ zu dem Objektiv
zu bewegen. Beispielsweise kann eine so genannte Piezoröhre
benutzt werden, die durch das Anlegen von einer oder mehreren Spannungen
bewegt oder verfahren werden kann. Typi sche Abmessungen solcher
Röhren liegen zwischen 0,5·5 mm (Durchmesser·Länge)
und 10·50 mm. Der Verstellweg, der mit derartigen Piezoröhren
erzielt werden kann, liegt zwischen wenigen Mikrometern und kann
bis zum 50 μm erreichen, wobei die Genauigkeit bei manchen
Ausführungsbeispielen kleiner 1 nm sein kann. An Stelle
einer Piezoröhre sind auch mehrere Piezokristalle, beispielsweise
ein Piezokristall zur Bewegung in jeder gewünschten Raumrichtung,
möglich. Auch andere mechanische oder elektrische Mittel
zum Verstellen können verwendet werden.
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Wie
bereits erläutert umfasst die Nahfeldsondeneinheit einen
Stimmgabelsensor
3. Der Stimmgabelsensor
3 weist
eine Eigenschwingungsfrequenz auf, welche abhängig von
dem Abstand zwischen der Nahfeldsondeneinheit
2,
3 und
der Probe
5 ist. Die Anregung des Stimmgabelsensors
3 kann beispielsweise über
(nicht dargestellte) Piezoaktuatoren erfolgen, welche das System
entlang der Breite der Stimmgabel, d. h. in Richtung parallel zur
Probe, zum Schwingen bringen. Die Abmessungen eines derartigen Stimmgabelsensors
liegen typischerweise in der Größenanordnung von
3 mm·1 mm·0,5 mm (Länge·Breite·Tiefe),
sind jedoch nicht hierauf beschränkt. Bei anderen Ausführungsbeispielen
können andere Mechanismen zur Abstandsregelung vorgesehen
sein, beispielsweise eine auf einem Piezoresonator basierende Abstandsregelung,
wie sie in der
EP 0 764 261 beschrieben
ist.
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Die
Nahfeldsondenspitze 2 weist bei einem Ausführungsbeispiel
einen Krümmungsradius kleiner als 20 nm auf und kann entsprechend
einer Rasterkraftmikroskopiespitze (AFM; Atomic Force Microscopy)
gebildet sein. Die Nahfeldsondenspitze 2 kann auch die
Form eines Nanowires oder einer so genannten Carbon Nanotube haben,
oder ein Nanopartikel, beispielsweise in sphärischer oder
elipsoider Form, kann am Ende eines Nanowires oder einer Spitze
angebracht sein.
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Die
Nahfeldsonde 2 ist bei einem Ausführungsbeispiel
aus Metall gefertigt oder mit einer metallischen Schicht beschichtet.
Hierdurch können bei geeigneter Bestrahlung mit Anregungslicht
Plasmonen im Spitzenmaterial, d. h. im Metall, angeregt werden,
was eine Verstärkung des elektromagnetischen Feldes in
unmittelbarer Nähe der Probenspitze zur Folge hat. Beispielsweise
kann die Nahfeldsondenspitze 2 durch elektrochemisches Ätzen
von Golddrähten hergestellt werden. Die Golddrähte
können beispielsweise einen Durchmesser in der Größenordnung
von 0,25 mm haben. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel
wird eine metallische Schicht auf eine Spitze aus dielektrischem
oder halbleitenden Trägermaterial aufgebracht, beispielsweise
eine Goldschicht auf herkömmliche AFM-Spitzen aus Silizium
aufgedampft. Neben Silizium kann beispielsweise auch Siliziumnitrid
(Si3N4) als Spit zenmaterial verwendet
werden, auf welches ein Metall aufgedampft wird. Neben Gold kann
beispielsweise auch Silber verwendet werden.
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Bei
einer Messung kann die Wellenlänge der zur Anregung benutzten
Strahlung an das Material der Spitze angepasst werden. Beispielsweise
können für Nahfeldsondenspitzen, welche aus Gold
bestehen oder mit Gold beschichtet sind, rote Laser mit einer Anregungswellenlänge
von beispielsweise 633 nm verwendet werden, während für
aus Silber bestehende oder mit Silber beschichtete Spitzen beispielsweise
grüne oder blaue Laser mit Wellenlängen im Bereich
von 350 bis 550 nm verwendet werden können.
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Die
vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf metallische Spitzen beschränkt,
und es können auch andere Materialien, beispielsweise polare
Materialien, verwendet werden.
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In
dem Ausführungsbeispiel von 1 ist die Justiereinheit 1 an
der Frontlinse 1 befestigt, beispielsweise durch Kleben.
Die Nahfeldsondeneinheit 2, 3 kann an der Justiereinheit 4 lösbar,
beispielsweise mittels einer Steckverbindung oder einer magnetischen
Halterung 8, angebracht sein, so dass die Nahfeldsondeneinheit 2, 3 im
Bedarfsfall leicht ausgetauscht werden kann. Bei einer Steckverbindung oder
magnetischen Halterung 8 können elektrische Verbindungen
zu dem Stimmgabelsensor 3 oder einer anderen Vorrichtung
zur Abstandskontrolle vorgesehen sein.
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Neben
einer Steckverbindung und einer magnetischen Halterung wie der magnetischen
Halterung 8 können auch andere reversible Befestigungsmittel,
beispielsweise eine Schraubbefestigung, zur Befestigung der Nahfeldsondeneinheit 2, 3 an
der Justiereinheit 4 verwendet werden. Unter einem reversibel
lösbaren Befestigungsmittel ist dabei ein Befestigungsmittel
zu verstehen, bei dem ein Lösen der Nahfeldsondeneinheit 2, 3 von
der Justiereinheit 4 ohne Zerstörungen und ohne
großen Aufwand möglich sind, um eine schnelle
Austauschbarkeit zu gewährleisten.
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Wie
bereits erläutert kann durch das Objektiv des Ausführungsbeispiels
von 1 wie durch Strahlengänge 32 veranschaulicht
Anregungslicht auf die Nahfeldsondenspitze 2 fokussiert
werden. Zudem kann mit dem umgekehrten Strahlengang Streulicht gesammelt
werden. Das Objektiv kann je nach Bedarf zusätzlich verwendet
werden, um ein Übersichtsbild von der Probe zu erhalten
und beispielsweise einen Justageprozess visuell zu unterstützen. Hierbei
kann zur Generierung des Übersichtsbilds, d. h. zur Beobachtung
der Probe 5 und der Nahfeldsondenspitze 2, eine
andere Wellenlänge benutzt werden als zur Anregung, wobei
die Wellenlängen beispielsweise durch dichroitische Filter
oder Siegel getrennt werden können.
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Dabei
können die Linsen 1, 6, 7 derart
ausgestaltet sein, dass die äußeren Bereiche der
Linsen zur Fokussierung des Anregungslichts optimiert sind, während
die näher an der optischen Achse liegenden Teile zur Aufnahme
des Übersichtsbilds optimiert sind. Diese Optimierung kann
je nach Anforderung spektrale Korrekturen, Feldkorrekturen und dergleichen
beinhalten.
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Bei
Ausführungsbeispielen können die Linsen des Objektivs
auf optimale Fokussiereigenschaften des Anregungslichts und Sammeleigenschaften, d.
h. zum Sammeln des gestreuten Lichts, optimiert sein. Hierzu kann
auf eine Feldkorrektur und chromatische Korrektur des Objektivs
bei einem Ausführungsbeispiel zumindest weitestgehend verzichtet werden.
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Im
Folgenden werden weitere Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer
Objektivanordnungen unter Bezugnahme auf 2 bis 5 erläutert.
Die Ausführungsbeispiele der 2 bis 5 basieren auf
dem Ausführungsbeispiel von 1, und ähnliche
oder einander entsprechende Elemente tragen die gleichen Bezugszeichen
und werden nicht nochmals detailliert erläutert.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel von 2 ist die
Justiereinheit 4 nicht an der Frontlinse 1, sondern an
der Linse 6 befestigt, beispielsweise durch Kleben. Die
Frontlinse 1 weist bei dem Ausführungsbeispiel
von 2 eine Bohrung 10 auf, welche eine Bewegung
der Justiereinheit 4 soweit nötig auch in der Probenebene 5,
d. h. in der Richtung parallel zur Oberfläche der Probe 5,
gestattet. Die Nahfeldsondeneinheit 2, 3 bei dem
Ausführungsbeispiel in 2 ist wiederum
an der Justiereinheit 4 angebracht, was wie bei dem Ausführungsbeispiel
von 1 durch ein reversibel lösbares Befestigungsmittel
wie eine Magnethalterung erfolgen kann.
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Bei
der Anordnung von 2 kann bei ansonsten gleicher
Dimensionierung eine größere Justiereinheit 4 und/oder
eine größere Nahfeldsondeneinheit 2, 3 als
bei dem Ausführungsbeispiel von 1 verwendet
werden.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel von 3 geht eine
Bohrung 10 durch die Frontlinse 1 und die Linse 6 hindurch.
Eine Justiereinheit 13 ist mittels einer Halterung 12 an
der Linse 6 angebracht. Die Justiereinheit 13 entspricht
im Wesentlichen der Justiereinheit 4 der 1 und 2,
kann jedoch eine größere Länge aufweisen.
Die Bohrung 10 ist bei diesem Ausführungsbeispiel
wiederum groß genug, um nicht nur eine Verstellung entlang
der optischen Achse, sondern auch – wie in 3 gezeigt – eine
Bewegung bzw. Auslenkung senkrecht zu der Richtung der optischen
Achse zu ermöglichen.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel von 3 kann die
Nahfeldsondeneinheit 2, 3 mit der Justiereinheit 13 fest
verbunden sein, und die Justiereinheit 13 kann reversibel
lösbar an der Halterung 12 befestigt sein. In
diesem Fall wird beispielsweise die Justiereinheit 13 zusammen
mit der Nahfeldsondeneinheit 2, 3 ausgetauscht.
Es ist jedoch ebenso möglich, dass die Nahfeldsondeneinheit 2, 3 reversibel
lösbar an der Justiereinheit 13 angebracht ist,
so dass die Nahfeldsondeneinheit 2, 3 separat
austauschbar ist.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
ist in 4 dargestellt. Bei dem Ausführungsbeispiel
von 4 umfasst das Objektiv zusätzliche Linsen 30, 31.
Zudem ist eine Objektivfassung 16 dargestellt. Eine Bohrung 10 geht
durch die Linsen 1, 6, 7 und 30 hindurch
und endet in einem verbreiterten Abschnitt in der Linse 31.
In der Linse 31 ist ein zusätzliches Verstellelement 15 vorgesehen,
welches einen beweglichen Läufer 14 aufweist. Die
Justiereinheit 4 ist an dem Läufer 14 angebracht. Durch
das Verstellelement 15 mit dem Läufer 14 kann
eine Grobeinstellung der Position der Justiereinheit 4 und
somit der Nahfeldsondeneinheit 2, 3 vorgenommen
werden. Bei dem Ausführungsbeispiel von 4 ist
das Verstellelement 15 reversibel lösbar mit der
Linse 31 verbunden, so dass der gesamte Verstellmechanismus
mit Nahfeldsondeneinheit, d. h. die Elemente 2, 3, 4, 14 und 15,
von der Seite der Linse 31 her aus dem Objektiv herausgenommen
werden können, beispielsweise um einzelne Teile wie die Nahfeldsondeneinheit 2, 3 oder
auch nur die Nahfeldsondenspitze 2 auszutauschen.
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Bei
einem anderen Ausführungsbeispiel kann die Justiereinheit 4 auch
mit der Objektivfassung 16 verbunden sein.
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Bei
den Ausführungsbeispielen der 1 bis 4 wird
ein Stimmgabelsensor 3 zur Abstandsregelung verwendet.
Bei anderen Ausführungsbeispielen können andere
Arten von Sensoren hierzu verwendet werden. Als Beispiel zeigt 5 ein
Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Objektivanordnung, bei welcher eine Nahfeldsonde 2 am Ende eines
beweglichen Hebelarms (engl. cantilever) 23 angebracht
ist. In einer Bohrung 10, welche bei dem Ausführungsbeispiel
von 5 durch die Linsen 1 und 6 hindurchgeht,
ist neben einer Justiereinheit 4 eine Lichtquelle 21,
beispielsweise ein VCSEL („Vertical Cavity Surface Emitting
Laser”) und ein Detektor 22, angebracht. Ein von
der Lichtquelle 21 emittierter Strahl 24 wird
an dem Hebelarm 23 reflektiert und fällt auf den
Detektor 22. Der Detektor 22 kann beispielsweise
als 2D-Positionsdetektor (PSD, engl. Position Sensitive Device)
oder als Quadrantendiode realisiert sein. Durch die Position, an
welcher der Lichtstrahl 24 auf den Detektor 22 fällt,
kann die Position der Nahfeldsonde 2 bestimmt werden.
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Generell
kann mit einer derartigen Anordnung die Abstandsregelung entweder
im so genannten Kontaktmodus, in welchem die Nahfeldsonde 2 die
Probe 5 berührt, als auch im so genannten AC- oder
Tapping-Modus, in welcher die Spitze vertikal schwingt, erfolgen.
In allen Fällen wird die Auslenkung des Hebelarms 23 gemessen.
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Die
Nahfeldsonde 2 der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele
kann wie beschrieben dazu verwendet werden, nahfeldoptische Anregungen
hervorzurufen. Sie kann jedoch auch als Spitze eines Rasterkraftmikroskops
verwendet werden, um ein topographisches Bild der Probe aufzunehmen.
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Zu
bemerken ist, dass verschiedene Merkmale der vorstehend erwähnten
Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können.
Beispielsweise kann eine Abstandsregelung mit Hebelarm wie bei dem
Ausführungsbeispiel von 5 auch bei
anderen Ausführungsbeispielen integriert werden. Eine Objektivfassung 16 kann
wie im Ausführungsbeispiel der 4 kann auch
bei den anderen Ausführungsbeispielen vorgesehen sein.
Zudem ist die Anzahl der Linsen generell variabel und richtet sich
nach den Bedürfnissen, ist also nicht auf die dargestellte
Linsenanzahl beschränkt. Darüber hinaus kann die
Befestigung der Nahfeldsonde auch an anderen als den dargestellten
Linsen realisiert werden. Ein Verstellelement 15 wie in 4 kann
beispielsweise auch bei den Ausführungsbeispielen der 1 bis 3 vorgesehen
sein.
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Die
unter Bezugnahme auf 1 bis 5 diskutierten
Objektivanordnungen können in einer Mikroskopanordnung
zur Durchführung von optischer Nahfeldmikroskopie eingesetzt
werden. Hierzu kann die Objektivanordnung derart dimensioniert sein,
dass sie in ein standardmäßiges Mikroskop einsetzbar
ist.
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Bei
derartigen Mikroskopanordnungen ist das Objektiv dann üblicherweise
in drei Raumrichtungen relativ zu einer zu untersuchenden Probe
wie der Probe 5 der 1 bis 5 beweglich.
Beispielsweise kann die Objektivanordnung in Richtung senkrecht
zur Probe bewegbar sein, und die Probe selbst kann in der Probenebene
bewegbar sein. Bei anderen Ausführungsbeispielen können
auch sowohl das Objektiv als auch die Probe in zwei oder mehr Raumrichtungen
bewegbar sein.
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Zu
Beginn einer Messung wird dann die Probe relativ zu der Objektivanordnung
ausgerichtet, und die Nahfeldsonde wird mittels der jeweiligen Justiereinheit,
beispielsweise der Justiereinheit 4 der 1 bis 5,
eingestellt. 6 zeigt ein Flussdiagramm eines
entsprechenden Justageverfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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In
einem Schritt 501 wird die Messung initialisiert, beispielsweise
werden für die Messung nötige Parameter eingegeben.
In Schritt 502 wird die Probe entlang der optischen Achse
des Objektivs (Bezugszeichen 9 in den 1 bis 5)
justiert, bis in Schritt 503 festgestellt wird, dass die
Probe in der Fokusebene des Objektivs liegt. Dieses Fokussieren kann
mit Hilfe herkömmlicher Autofokusverfahren, beispielsweise
durch Aufnahme und Analyse des durch das Objektiv gesehenen Bildes,
erfolgen.
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In
einem Schritt 504 wird dann ein Fokuspunkt beleuchtet oder,
in anderen Worten, die Lichtquelle für ein Anregungslicht,
welches auf die Spitze einer Nahfeldsonde zu fokussieren ist, wird
eingeschaltet.
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In
Schritt 505 wird die jeweilige Nahfeldsonde, beispielsweise
mittels der Justiereinheit 4 bzw. 3 der 1 bis 5,
entlang der optischen Achse des Objektivs justiert, bis in Schritt 506 festgestellt wird,
dass die Nahfeldsonde im passenden Messabstand zur Probe liegt.
Diese Abstandsregelung kann wie bereits erwähnt unter Benutzung
eines Stimmgabelsensors oder eines Hebelarms mit optischer Detektion
erfolgen.
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In
Schritt 507 wird dann überprüft, ob der
Fokuspunkt des Anregungslichtes auf der Nahfeldsonde positioniert
ist. Falls dies nicht der Fall ist, wird in Schritt 508 die
Nahfeldsonde in der Probenebene, d. h. senkrecht zur optischen Achse
des Objektivs, verfahren, bis der Fokuspunkt auf der Nahfeldsonde
positioniert ist. Dieses Verfahren kann wiederum mittels der Justiereinheit 4 bzw. 13 der 1 bis 5 erfolgen.
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Zusätzlich
oder alternativ kann zur Einstellung des Messabstandes in den Schritten 505 und 506 ein
sich durch die Beleuchtung des Fokuspunkts ergebendes Signal von
der Probe ausgewertet und maximiert werden. Dies kann auch in den
Schritten 507 und 508 erfolgen, oder nach den
Schritten 505 bis 508 kann eine nochmalige Feinjustage
auf das Maximum des Signals durchgeführt werden.
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Sobald
der Fokuspunkt auf der Nahfeldsonde positioniert ist, ist die Justage
abgeschlossen, und im Schritt 509 wird die Messung durchgeführt.
Optional kann gemäß Schritt 510, solange
die Messung noch nicht abgeschlossen ist, die Schritte 505 bis 509 wiederholt
durchge führt werden, um eine fortwährende Kontrolle
und Justage zu gewährleisten. Nach Abschluss der Messung
wird in Schritt 511 die Messung beendet.
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Das
unter Bezugnahme auf 6 diskutierte Verfahren stellt
lediglich ein mögliches Ausführungsbeispiel der
Erfindung dar. Bei anderen Ausführungsbeispielen können
die dargestellten Schritte in anderer Reihenfolge erfolgen. Beispielsweise
können die Schritte 507 und 508 bei einem
Ausführungsbeispiel vor den Schritten 505 und 506 erfolgen.
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Wie
oben erläutert sind eine Vielzahl von Variationen und Abwandlungen
von Ausführungsbeispielen der Erfindung möglich,
und die Erfindung ist daher nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele
begrenzt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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