DE102008057097A1

DE102008057097A1 - Objektivanordnung und Justageverfahren

Info

Publication number: DE102008057097A1
Application number: DE102008057097A
Authority: DE
Inventors: Oliver Dr. Schmidt; Martin Dr. Peschka; Christian Dr. Thomas; Markus Dr. Seesselberg; Lutz Dr. Höring; Alexander Dr. Thesen; Frank Dr. Höller
Original assignee: Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss AG
Priority date: 2008-11-13
Filing date: 2008-11-13
Publication date: 2010-05-27

Abstract

Es wird eine Objektivanordnung mit einer Nahfeldsonde (8) einer ersten optischen Anordnung (3) zum Fokussieren von Strahlung auf die Nahfeldsonde (8) und einer zweiten optischen Anordnung (1) zum Beobachten einer Probe (4) und der Nahfeldsonde (8) bereitgestellt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Objektivanordnungen sowie Justageverfahren für derartige Objektivanordnungen. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf Objektivanordnungen, welche zur Nahfeldmikroskopie geeignet sind.
Bei der sogenannten scannenden nahfeldoptischen Mikroskopie (SNOM) kann die klassische Beugungsbegrenzung der Auflösung von herkömmlichen Mikroskopen unterschritten werden, indem das optische Nahfeld einer Sonde in die Nähe der Probe gebracht wird.
Ein Ansatz ist dabei die sogenannte aperturlose nahfeldoptische Sondenmikroskopie, bei der ein optisches Nahfeld durch Wechselwirkung einer mikroskopischen Spitze 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 durchläuft bei derartigen Anordnungen typischerweise den Anregungsstrahlengang rückwärts, bis es an geeigneter Stelle zur Detektion ausgekoppelt wird. Die Ortsauflösung bei diesem Verfahren ist im Wesentlichen durch das an der Spitze resultierende Nahfeld gegeben und wird maßgeblich durch den Spitzenradius der verwendeten mikroskopischen Spitze bestimmt. Die Ortsauflösung kann hierbei bei wenigen Nanometern liegen. Durch plasmonische Verstärkung an einer metallischen oder metallisierten Spitze wird fokussiert eingestrahltes Licht im Bereich der Spitze konzentriert und gestreutes Licht wird effizient aus der Probenregion im Nahfeld der Spitze emittiert. Die wichtigsten Streumechanismen in diesem Zusammenhang sind die Raman-Streuung, Fluoreszenz und Photolumineszenz sowie die durch Absorption beeinflusste elastische Streuung.
Bei derartigen Verfahren ist es wünschenswert, das Anregungsvolumen von eingestrahltem Licht möglichst klein zu halten, um Hintergrundstreuung zu vermeiden. Gleichzeitig sollte ein möglichst großer Anteil des gestreuten Lichts eingesammelt werden. Zudem ist es wünschenswert, die Probe zur Kontrolle optisch beobachten zu können. Da bei derartigen Verfahren verwendete Spitzen Verbrauchsmaterialien sind, die leicht beschädigt werden können, ist zudem eine einfache Austauschbarkeit derartiger Spitzen wünschenswert.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Objektivanordnung, welche für die Nahfeldmikroskopie geeignet ist, sowie ein Justageverfahren für eine derartige Objektivanordnung bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Objektivanordnung nach Anspruch 1 sowie durch ein Justageverfahren nach Anspruch 28. Die Unteransprüche definieren weitere Ausführungsbeispiele.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird eine Objektivanordnung bereitgestellt, umfassend:
eine Nahfeldsonde,
eine erste optische Anordnung zum Fokussieren von Strahlung auf die Nahfeldsonde, und
eine zweite optische Anordnung zur Beobachtung der Nahfeldsonde und einer Probe.
Bei einer derartigen Objektivanordnung kann eine gute Fokussierung von Strahlung durch die erste optische Anordnung erreicht werden, welche durch die zweite optische Anordnung kontrolliert werden kann. Die erste optische Anordnung kann insbesondere ein reflektives Element umfassen. Beispielsweise kann die erste optische Anordnung durch einen ringförmigen Hohlspiegel gebildet sein, beispielsweise einen Parabolspiegel, einen Hyperboloidspiegel oder einen Ellipsoidspiegel. Der ringförmige Hohlspiegel kann derart angeordnet sein, dass er sich zu einer Probe hin verjüngt.
Der ringförmige Hohlspiegel kann derart ausgelegt sein, dass seine Symmetrieachse im Betrieb im Wesentlichen senkrecht zu einer Probenoberfläche liegt. Es ist jedoch auch eine sogenannte „Off Axis”-Anordnung möglich.
Die zweite optische Anordnung kann bei einem derartigen Aufbau zumindest teilweise innerhalb des ringförmigen Hohlspiegels angeordnet sein. Auf diese Weise wird ein kompakter Aufbau ermöglicht.
Die zweite optische Anordnung kann dabei insbesondere eine refraktive optische Anordnung mit ein oder mehreren Linsen sein.
Die zweite optische Anordnung kann relativ zu der ersten optischen Anordnung beweglich, beispielsweise in drei Raumrichtungen beweglich, angeordnet sein. Die Relativbewegung kann mittels eines Piezoantriebs erfolgen. Hierdurch ist eine unabhängigen Fokussierung und Ausrichtung der ersten und zweiten optischen Anordnung möglich.
Die Nahfeldsonde kann mit der zweiten optischen Anordnung zur gemeinsamen Bewegung mit der zweiten optischen Anordnung gekoppelt sein. Die Kopplung kann dabei derart erfolgen, dass ein Abstand zwischen der Nahfeldsonde und der zweiten Objektivanordnung in mindestens eine Raumrichtung einstellbar ist, beispielsweise mittels eines Piezoantriebs.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel sind die erste optische Anordnung und die zweite optische Anordnung auf zwei unterschiedlichen Seiten eines transparenten Trägers angeordnet.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren wird die erste optische Anordnung derart justiert, dass ein Fokuspunkt der ersten optischen Anordnung in der Fokusebene der zweiten optischen Anordnung angeordnet ist, und der Fokus der zweiten optischen Anordnung wird auf die Nahfeldsonde positioniert.
Die obigen Schritte müssen nicht notwendigerweise in der oben dargestellten Reihenfolge durchgeführt werden.
Weitere optionale Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung. Es zeigen:
1 eine Schemazeichnung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Objektivanordnung,
2 eine Schemazeichnung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Objektivanordnung,
3 Graphen, welche Eigenschaften der Objektivanordnung von 2 zeigen,
4 eine Schemazeichnung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Objektivanordnung,
5 eine Schemazeichnung eines anderen Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Objektivanordnung,
6 eine Schemazeichnung noch eines anderen Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Objektivanordnung,
7 eine Schemazeichnung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Objektivanordnung,
8 eine Schemazeichnung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Objektivanordnung,
9–12 verschiedene Varianten der Kopplung einer Nahfeldsonde mit einem Beobachtungsobjektiv gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung,
13 eine Schemazeichnung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Objektivanordnung,
14 ein Diagramm einer Mikroskopanordnung mit einer erfindungsgemäßen Objektivanordnung,
15 ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Justageverfahrens,
16 ein Flussdiagramm eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Justageverfahrens, und
17 und 18 Diagramme zur Veranschaulichung von erfindungsgemäßen Justageverfahren.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung näher erläutert. Diese Ausführungsbeispiele sind nicht als den Bereich der Erfindung einschränkend auszulegen. Insbesondere ist eine Beschreibung eines Ausführungsbeispiels mit einer Vielzahl von Eigenschaften und Komponenten nicht dahingehend auszulegen, dass alle Komponenten und Eigenschaften zur Ausführung der Erfindung notwendig sind.
In 1 ist eine Objektivanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt. Die Objektivanordnung aus 1 umfasst ein Beobachtungsobjektiv 1 zum Beobachten einer Probe 4, welches wie durch Pfeile 2 angeordnet bezüglich eines rotationssymmetrischen Hohlspiegels 3 in drei Raumrichtungen verfahrbar ist. Die Probe 4 kann dabei in x-y-Richtung, d. h. in der Probenebene, beweglich gelagert sein, um so ein Abrastern (Scannen) der Probenoberfläche zu ermöglichen. Zusätzlich oder alternativ kann die Probe in 2 oder 3 Raumrichtungen verkippbar und/oder rotierbar gelagert sein, so dass die Probenoberfläche z. B. senkrecht zur optischen Achse der Objektivanordnung justiert werden kann. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel kann das Beobachtungsobjektiv 1 und/oder der Hohlspiegel 3 verkippbar gelagert sein.
Das Beobachtungsobjektiv 1 kann insbesondere ein linsenbasiertes Mikroskopobjektiv, d. h. eine refraktive Optik, sein. Ein Arbeitsabstand 11 des Beobachtungsobjektivs 1 kann beispielsweise größer oder gleich 3 mm sein, und ein Durchmesser 10 einer der Probe 4 zugewandten Seite des Beobachtungsobjektivs 1 kann 2 mm betragen. Ein Objektfeld 5 des Beobachtungsobjektivs 1 kann z. B. bei einem Arbeitsabstand 11 von ca. 12 mm beispielsweise mindestens 1 mm betragen. Eine Ortsauflösung des Beobachtungsobjektivs 1 kann 2 μm oder weniger betragen. Die oben angegebenen Werte sind lediglich als Beispiele zu verstehen, und andere Werte sind bei anderen Ausführungsbeispielen der Erfindung ebenso möglich.
Eine Vergrößerung des Beobachtungsobjektivs 1 kann in der Größenordnung von 20-facher Vergrößerung liegen, und eine numerische Apertur des Beobachtungsobjektivs 1 kann in der Größenordnung von 0,4 liegen. Das Beobachtungsobjektiv 1 kann neben der Beobachtung der Probe 4 und der Nahfeldsonde 8 dazu verwendet werden, die Probe 4 zur Beobachtung zu beleuchten, beispielsweise durch eine Ausgestaltung als sogenannte Köhlersche Optik (Köhlersche Beleuchtung). Das Beobachtungsobjektiv 1 kann einen optischen Filter enthalten oder mit einem optischen Filter gekoppelt sein, um Licht bestimmter Wellenlänge, welches beispielsweise zur Anregung benutzt wird, herauszufiltern.
An dem Beobachtungsobjektiv 1 ist über ein Justierelement 6, beispielsweise einen piezoelektrischen Kristall, eine Nahfeldsonde 8 angebracht. Die Nahfeldsonde 8 ist als Spitze ausgeführt und an einer Stimmgabel 7 befestigt, wobei die Stimmgabel 7 wie später näher erläutert zur Abstandsjustage dienen kann. Der Abstand der Spitze 8 zu dem Beobachtungsobjektiv 1 kann dabei über die Justageeinheit 6 eingestellt werden.
Die Eigenschwingungsfrequenz der Stimmgabel 7 ist abhängig vom Abstand zwischen der Nahfeldsonde 8 und der Probe 4. Eine typische Dimension der Stimmgabel ist dabei 3 mm·1 mm·0,5 mm (Länge·Breite·Tiefe), wobei die Anregung der Stimmgabel beispielsweise über Piezoaktuatoren erfolgen kann, die das System entlang der Breite der Stimmgabel zum Schwingen bringen. Durch Konstanthalten der Eigenschwingungsfrequenz der Stimmgabel kann dabei ein konstanter Abstand zwischen Probe 4 und Nahfeldsonde 8 beibehalten werden. Anstelle einer Stimmgabel kann beispielsweise auch ein auf einem Piezoresonator basierendes Verfahren zur Abstandskontrolle angewendet werden, wie es beispielsweise in der EP 0 764 261 beschrieben ist.
Elektrische Leitungen zur Kontaktierung der Stimmgabel 7 können außen entlang der Fassung des Beobachtungsobjektivs 1 oder innerhalb des Objektivs durch zentrale Bohrungen in den Linsen geführt werden. Die Bohrungen können dabei insbesondere an Stellen angebracht werden, in welchen die Beobachtung durch die Nahfeldsonde (Abschattung) ohnehin eingeschränkt ist.
Zu bemerken ist, dass, während bei dem Ausführungsbeispiel von 1 die Nahfeldsonde 8 an dem Beobachtungsobjektiv 1 angebracht ist, während bei anderen Ausführungsbeispielen die Nahfeldsonde an einem separaten Halter, welcher nicht direkt mit dem Beobachtungsobjektiv 1 verbunden ist, angebracht sein kann.
Die Nahfeldsonde 8 kann wie bereits erwähnt die Form einer Spitze aufweisen, bei welcher der Krümmungsradius beispielsweise kleiner als 20 nm ist. Die Sonde kann auch die Form eines so genannten Nanowires (Nanodrahtes) oder einer so genannten Carbon Nanotube haben, oder ein Nanopartikel, z. B. in sphärischer oder ellipsoider Form, kann am Ende eines Nanowires oder an der Spitze angebracht sein. Die Nahfeldsonde ist bei einem Ausführungsbeispiel aus Metall gefertigt, so dass bei geeigneter Bestrahlung mit Anregungslicht Plasmonen im Spitzenmaterial angeregt werden können und so eine Verstärkung des elektromagnetischen Feldes des Anregungslichtes in unmittelbarer Nähe der Nahfeldsondenspitze erzielt wird. Die Nahfeldsonde kann dabei aus massivem Metall bestehen, oder eine metallische Schicht kann auf einer Spitze z. B. aus dielektrischem oder halbleitendem Trägermaterial aufgebracht werden. Beispielsweise kann eine Goldschicht auf Spitzen aus Silizium, beispielsweise auf herkömmlichen Rasterkraftmikroskopiespitzen (AFM, Atomic Force Mircroscopy) angebracht werden. Bei einem anderen Verfahren wird Gold auf Silizium oder Siliziumnitrit (Si₃N₄) Spitzen aufgedampft. Eine Möglichkeit zur Herstellung von spitzenförmigen Nahfeldsonden aus Metall ist elektrochemisches Ätzen von Golddrähten, wobei als Rohmaterial beispielsweise Golddrähte mit einem Durchmesser von 0,25 mm verwendet werden können.
Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf metallische oder metallisierte Spitzen beschränkt, und es können auch andere Materialien, beispielsweise polare Materialien, verwendet werden.
Der ringförmige Hohlspiegel 3 ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein rotationssymmetrischer Parabolspiegel, dessen Rotationsachse im Wesentlichen senkrecht auf der Probe 4 steht. Mit „Parabolspiegel” werden in dieser Anmeldung nicht nur vollständige Parabolspiegel, sondern auch Abschnitte eines vollständigen Parabolspiegels, z. B. ringförmige Abschnitte wie der Hohlspiegel 3, bezeichnet.
Der Hohlspiegel 3 weist einen Arbeitsabstand 12 zu der Probe 4 auf. Im Betrieb fokussiert der Hohlspiegel 3 parallel von der der Probe 4 abgewandten Seite her einfallendes Licht auf einen Fokuspunkt 9 an der Spitze der Nahfeldsonde 8. Die Erfindung ist jedoch nicht auf paraboloidförmige Hohlspiegel, d. h. Parabolspiegel, beschränkt, sondern es können, wie später anhand von weiteren Ausführungsbeispielen näher erläutert werden wird, auch andere Arten von Hohlspiegeln wie beispielsweise Ellipsoidspiegel oder Hyperboloidspiegel verwendet werden. Zudem kann bei anderen Ausführungsbeispielen eine sogenannte „Off Axis”-Konfiguration verwendet werden, bei welcher die Rotationssymmetrieachse des Hohlspiegels nicht senkrecht auf der jeweiligen Probe steht.
Im Folgenden werden verschiedene Möglichkeiten zur Gestaltung des Hohlspiegels 3 als Parabolspiegel erläutert. Hierzu werden zunächst einige Parameter derartiger Paraboloidspiegel dargestellt.
Generell entsteht ein Paraboloid durch Rotation einer Parabel um ihre Symmetrieachse. Diese Parabel wird auch als generierende Parabel bezeichnet und kann bezüglich eines rechtsdrehenden Koordinatensystems über die Parabelgleichung
beschrieben werden, wobei f die Brennweite des entstehenden Parabolspiegels und z₀ eine Verschiebung des Parabelscheitels entlang der z-Achse ist. Für z₀ = –f entspricht die Brennebene des Parabolspiegels der x, y-Ebene des Koordinatensystems, und der Brennpunkt liegt im Koordinatenursprung (0, 0), was die mathematische Beschreibung vereinfachen kann. Die Wahl von z₀ hat jedoch keine Auswirkung auf die tatsächliche Form des entstehenden Parabolspiegels.
Durch die Brennweite f wird die Baugröße des Parabolspiegels beeinflusst. So ist der Radius R_f des Schnittkreises zwischen dem Paraboloid und einer zur x-, y-Ebene parallelen Ebene durch den Brennpunkt des Paraboloids R_f = 2·f.
Zur Bildung eines bei einem Ausführungsbeispiel wie dem Ausführungsbeispiel von 1 verwendeten Parabolspiegels wird der Paraboloid an zwei zur z-Achse senkrechten Ebenen abgeschnitten und besitzt demnach zwei parallele Ränder. Der vom Durchmesser her kleinere Parabolspiegelrand ist bei dem Ausführungsbeispiel von 1 der Probe zugewandt und befindet sich relativ nahe am Brennpunkt.
Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der der Probe 4 zugewandte Rand des Hohlspiegels 3 in Betrieb der Anordnung, d. h. während einer Messung, weiter von der Probe 4 entfernt als das Ende der Nahfeldsonde 8, so dass der Hohlspiegel 3 nicht an die Probe 4 stößt. Der Brennpunkt des Hohlspiegels 3 entsprechend dem Fokus 9 in 1 ist daher um den benötigten Arbeitsabstand 12 von dem der Probe zugewandten Rand des Hohlspiegels 3 beabstandet. Bei einem Ausführungsbeispiel beträgt dieser Arbeitsabstand mindestens 100 μm, so dass auch bei einer eventuell vorhandenen Topologie oder Verkippung der Probe 4 kein Stoßen des Hohlspiegels 3 an die Probe 4 auftritt. Je nach Wahl des Arbeitsabstandes b (Bezugszeichen 12 in 1) und der Brennweite f eines als Hohlspiegel 3 verwendeten Parabolspiegelabschnitts ergibt sich ein maximaler Winkel θ_max, unter dem Licht eingestrahlt bzw. aufgesammelt wird:
arctan bezeichnet dabei die Arcustangens-Funktion.
Eine Höhe h des Parabolspiegels, d. h. der Abstand des der Probe zugewandten Randes zu dem der Probe abgewandten Rand, kann im Wesentlichen frei unter Berücksichtigung der Fertigbarkeit und der akzeptablen Gesamtgröße des Systems festgelegt werden. Ein minimaler Winkel, unter dem Licht eingestrahlt bzw. aufgesammelt wird, ergibt sich dann zu
Der minimale Winkel θ_min wird somit mit wachsender Baulänge L = h + b kleiner, wobei mit wachsender Baulänge auch der Außendurchmesser des Systems anwächst.
Für eine maximale Sammeleffizienz, d. h. um möglichst viel des gestreuten Lichtes und somit des Messsignals aufzusammeln, ist es wünschenswert, θ_max so groß wie möglich (z. B. nahe 90°) und θ_min so klein wie möglich (z. B. nahe 20°) zu wählen, wobei der zur Verfügung stehende Bereich durch Anforderungen hinsichtlich Größe und Fertigungsmöglichkeiten begrenzt sein kann. Bei Ausführungsbeispielen wird der Hohlspiegel 3 sowohl zur Anregung, d. h. zum Fokussieren von Anregungslicht auf den Fokuspunkt 9 bei der Nahfeldsonde 8, als auch zum Sammeln des gestreuten Lichtes verwendet.
Bei manchen Anwendungen kann es wünschenswert sein, für die Optimierung der Anregung θ_min relativ groß zu wählen, z. B. 70°. So kann der als Parabolspiegel ausgestaltete Hohlspiegel 3 des Ausführungsbeispiels von 1 hinsichtlich der Sammeleffizienz oder hinsichtlich der Anregung optimiert werden. Bei anderen Ausführungsbeispielen wird der Parabolspiegel oder ein anderer Hohlspiegel für optimale Sammeleffizienz ausgelegt, d. h. θ_min wird so klein wie möglich und θ_max so groß wie möglich gewählt, und zur Anregung wird nur ein ringförmiger Teil des Parabolspiegels ausgeleuchtet, der Licht unter relativ großen Winkeln, beispielsweise Winkeln größer 70°, auf die Nahfeldsonde fokussiert. Durch Wahl eines großen Winkels θ_min oder durch ringförmiges Ausleuchten des Parabolspiegels kann eine starke Polarisation im Fokuspunkt senkrecht zur Probenebene und eine geringe Ausdehnung des Fokuspunkts in der Probenebene erreicht werden.
Eine derartige ringförmige Ausleuchtung kann durch eine Vorrichtung zur ringförmigen Strahlformung erreicht werden. Beispielsweise kann zur Anregung ein Laserstrahl verwendet werden, welcher mit einem sogenannten Galilei-Teleskop aufgeweitet wird, wobei die Mitte des aufgeweiteten Strahls durch eine Blende abgeschattet wird, so dass der Parabolspiegel nur ringförmig beleuchtet wird. Eine weitere Möglichkeit ist die Verwendung zweier Axikons, d. h. zumindest abschnittsweise kegelförmige optische Elemente, welche aus einem aufgeweiteten Gauss-förmigen Laserstrahl näherungsweise einen Gauss-Sessel-Strahl machen, der wieder mit einer Blende in der Mitte abgeschattet werden kann. Bei letzterer Variante wird generell weniger Laserintensität durch die Blende abgeschattet. Als Axikons können reflektive Axikons, refraktive Axikons oder auch aus diffraktiven optischen Elementen aufgebaute Axikons verwendet werden.
Im Folgenden werden unter Bezugnahme auf 2–5 weitere Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Objektivanordnung mit Parabolspiegel erläutert, welche Varianten des Ausführungsbeispiels von 1 darstellen.
Bei den Ausführungsbeispielen der 2, 4 und 5 ist die Nahfeldsonde zur Vereinfachung der Darstellung weggelassen, sie kann wie in 1 an dem jeweiligen Beobachtungsobjektiv angebracht sein oder von einem separaten Halter gehalten werden.
Bei dem Ausführungsbeispiel von 2 ist ein Beobachtungsobjektiv 16, beispielsweise ein Mikroskopobjektiv, innerhalb eines ringförmigen Parabolspiegels 15 angeordnet. Der Parabolspiegel 15 kann beispielsweise einen Außendurchmesser von 40 mm (entsprechend dem Durchmesser der einer Probe 20 abgewandten Öffnung) und einen Innendurchmesser von 22 mm (entsprechend einem Durchmesser der der Probe 20 zugewandten Öffnung des Parabolspiegels 15) und einen Arbeitsabstand von 0,1 mm aufweisen. Bei dem dargestellten Parabolspiegel ist der minimale Sammelwinkel θ_min = 56,9°, und der maximale Sammelwinkel θ_max = 89,5°.
Der Parabolspiegel 15 fokussiert Anregungsstrahlen 19 auf die Proben und sammelt mit dem umgekehrten Lichtweg gestreutes Licht auf. Das Beobachtungsobjektiv 16 leitet Beleuchtungslicht 17 wie durch Lichtstrahlen 18 schematisch dargestellt auf die Probe und ermöglicht eine Beobachtung der erleuchteten Probe 20.
Ein derartiger Parabolspiegel kann eine numerische Apertur von näherungsweise 1 aufweisen. Die Brennweite in dem des Parabolspiegels 15 des Ausführungsbeispiels von 2 kann beispielsweise 5,4 mm betragen.
In 3 ist die Punktspreizfunktion (englisch: „Point Spread Function”, PSF) des Parabolspiegels 15 aus 2 bei Beleuchtung mit radial polarisiertem Licht der Wellenlänge 633 nm dargestellt. Eine Kurve 21 zeigt die Gesamtintensität (E²), eine Kurve 23 zeigt die Intensität von in z-Richtung polarisiertem Licht (Ez²), und eine Kurve 22 zeigt die Intensität von in radialer Richtung polarisiertem Licht (Er²). Wie zu sehen ist, ist das Licht zu etwa 94% in z-Richtung polarisiert.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Objektivanordnung ist in 4 dargestellt. Bei dem Ausführungsbeispiel von 4 beträgt ein Arbeitsabstand 24 zu einer Probe 25 1,0 mm. Ein Parabolspiegel 23 weist ähnlich wie bei dem Ausführungsbeispiel von 2 einen Außendurchmesser von 40 mm und einen Innendurchmesser von 22 mm auf. Der Winkel θ_min beträgt bei dem dargestellten Beispiel 52,0°, und der Winkel θ_max beträgt 84,8°. Der Parabolspiegel 23 fokussiert Anregungslicht 29 auf eine (nicht dargestellte) Nahfeldsonde und sammelt von der Probe gestreutes Licht auf. Ein Beobachtungsobjektiv 26 lenkt Beleuchtungslicht 27 wie durch Lichtstrahlen 28 angedeutet auf die Probe 25 und dient zur Beobachtung der Probe. Durch den im Vergleich zu dem Ausführungsbeispiel von 2 größeren Arbeitsabstand sind hier die Winkel θ_min und θ_max kleiner als bei dem Ausführungs beispiel von 2. Dies führt zu einem größeren Volumen des „Anregungsspots”, d. h. des zur Anregung auf die Nahfeldsonde fokussierten Anregungslichts.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Objektivanordnung ist in 5 dargestellt. Bei der Objektivanordnung aus 5 ist ein Parabolspiegel 32 mit hoher Sammeleffizienz vorgesehen. Der Innendurchmesser beträgt 22 mm, der Arbeitsabstand 0,7 mm und der Außendurchmesser des Parabolspiegels 32 beträgt 116 mm. Der Winkel θ_min beträgt 18,9°, der Winkel θ_max 86,4°. Licht wird demnach über einen großen Winkelbereich aufgesammelt bzw. eingestrahlt, wobei auf der anderen Seite die Dimensionen des Parabolspiegels größer sind als bei den Ausführungsbeispielen der 2 und 4.
Der Parabolspiegel 32 lenkt Anregungslicht 34 auf eine Probe 33 bzw. auf eine Nahfeldsonde und sammelt gestreutes Licht auf. Ein Beobachtungsobjektiv 31 ist wie bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen vorgesehen, um Beleuchtungslicht 35 wie durch Lichtstrahlen 36 angedeutet auf die Probe 33 zu lenken und die Probe zu beobachten.
Bei den vorstehenden Ausführungsbeispielen sind Parabolspiegel vorgesehen, welche näherungsweise parallele Lichtstrahlen auf eine Nahfeld-Spitze fokussieren. Wie bereits erwähnt können bei anderen Ausführungsbeispielen andere Arten von Spiegeln, beispielsweise Ellipsoidspiegel oder Hyperboloidspiegel vorgesehen sein. Auch andere rotationssymmetrische asphärische reflektive Flächen, insbesondere Kegelschnittflächen, können verwendet werden.
In 6 ist ein Beispiel für einen rotationssymmetrischen Ellipsoidspiegel 38 dargestellt. Die Form einer reflektiven Oberfläche des Ellipsoidspiegels 38 ergibt sich durch Rotation einer Ellipse um eine Symmetrieachse und durch Abschneiden gemäß zweier zu der Rotationsachse senkrechten Ebenen. Ähnlich wie bei den Parabolspiegeln der vorstehend besprochenen Ausführungsbeispiele ist eine Öffnung des Ellipsoidspiegels 38 mit kleinerem Durchmesser einer Probe 39 zugewandt, und eine Öffnung des Ellipsoidspiegels mit größerem Durchmesser ist von der Probe 39 abgewandt. Der Ellipsoidspiegel 38 wird bei dem Ausführungsbeispiel von 6 von einer im Wesentlichen punktförmigen Lichtquelle wie durch Lichtstrahlen 41 angedeutet beleuchtet und fokussiert das Licht auf eine (nicht dargestellte) Nahfeldsonde. Eine derartige punktförmige Lichtquelle kann beispielsweise durch eine Blende 40 erreicht werden.
Ein Beobachtungsobjektiv kann bei dem Ausführungsbeispiel von 6 wie bei den vorstehend erläuterten Ausführungsbeispielen vorgesehen sein und ist daher nicht nochmals sepa rat erläutert. Insbesondere kann das Beobachtungsobjektiv im Wesentlichen koaxial zu der Rotationsachse des Ellipsoidspiegels 38 angeordnet sein und relativ zu diesem in drei Raumrichtungen bewegbar sein.
Bei dem Ausführungsbeispiel von 6 ist die Rotationssymmetrieachse des Ellipsoidspiegels im Wesentlichen senkrecht zur Probenoberfläche. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel kann die Rotationsachse schräg zu der Probenoberfläche stehen (Off-Axis-Konfiguration). Ein derartiges Ausführungsbeispiel ist schematisch in 7 dargestellt.
Bei dem Ausführungsbeispiel von 7 wird Anregungslicht, z. B. Laserlicht, durch einen Ellipsoidspiegel 45 auf eine Probe 46 gelenkt und gestreutes Licht wird über den Ellipsoidspiegel 45 gesammelt. Eine Rotationssymmetrieachse des Ellipsoidspiegels 45 weist einen Winkel α zur Senkrechten auf einer Oberfläche der Probe 46 auf. Anregungslicht 50 geht in diesem Fall wie bei dem Ausführungsbeispiel von 6 von einer im Wesentlichen punktförmigen Lichtquelle aus, welche in 7 durch eine Blende 49 angedeutet ist.
Der Ellipsoidspiegel 45 weist in diesem Fall eine Form auf, welche durch Abschneiden eines kompletten Ellipsoids entlang zweier Flächen, welche schräg zur Rotationssymmetrieachse des Ellipsoids stehen, entsteht.
Bei dem Ausführungsbeispiel von 7 ist weiterhin ein Beobachtungsobjektiv 47 vorgesehen, welches im Wesentlichen entlang der Senkrechten 48 zur Oberfläche der Probe 46 ausgerichtet ist. Bei einer derartigen Anordnung ist das Beobachtungsobjektiv 47, welches im Wesentlichen wie bei den vorstehend diskutierten Ausführungsbeispielen aufgebaut sein kann, außerhalb der Strahlen 50 angeordnet.
Bei dem Ausführungsbeispiel von 7 kann eine Nahfeldsonde an einem separaten Halter befestigt sein, kann aber auch wie bei dem Ausführungsbeispiel von 1 an dem Beobachtungsobjektiv 47 angebracht sein.
Eine Off-Axis-Konfiguration wie bei dem Ausführungsbeispiel von 7 ist nicht nur bei Ellipsoidspiegeln, sondern auch bei anderen Arten von Hohlspiegeln möglich. Als Beispiel zeigt 8 schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei welchem ein Parabolspiegel in Off-Axis-Konfiguration angeordnet ist.
Bei dem Ausführungsbeispiel von 8 ist ein Parabolspiegel 54 derart konfiguriert, dass seine Rotationssymmetrieachse unter einem Winkel β zur Senkrechten 55 auf der Proben- Oberfläche steht. Der Paraboloidspiegel 54 wird bei dem Ausführungsbeispiel von 8 ähnlich wie bei den Ausführungsbeispielen der 1–4 mit im Wesentlichen parallelen Anregungslicht 57 bestrahlt und fokussiert dieses Anregungslicht auf die Probe bzw. auf eine (nicht gezeigte) Nahfeldsonde. Ein Beobachtungsobjektiv 56 ist im Wesentlichen auf der Senkrechten 55 angeordnet, um Beleuchtung und Beobachtung der Probe 53 zu ermöglichen.
Der Parabolspiegel 54 weist eine Oberfläche auf, welche einem Ausschnitt eines Paraboloids entlang zweier zu der Rotationssymmetrieachse schräg stehenden Ebenen entspricht. Die Ebene, welche die der Probe 53 zugewandte Seite des Parabolspiegels 54 definiert steht dabei in einem Winkel von näherungsweise 90°-β zu der Rotationssymmetrieachse. Wie bei den anderen dargestellten Ausführungsbeispielen ist eine der Probe 53 zugewandte Öffnung des Parabolspiegels 54 kleiner als eine der Probe 53 abgewandte Öffnung.
Bei den unter Bezugnahme auf 1–8 dargestellten Ausführungsbeispielen werden ringförmige Hohlspiegel verwendet. Bei anderen Ausführungsbeispielen können auch nur Teile eines Rings verwendet werden. Wie bereits erwähnt sind auch andere Flächen als Paraboloide und Ellipsoide, beispielsweise Hyperboloide, möglich.
Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen wird das von einer Nahfeldsonde gestreute Licht über einen Hohlspiegel gesammelt, über welchen auch die Anregung erfolgt. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann das gestreute Licht zusätzlich oder alternativ durch ein anderes Objektiv, beispielsweise durch das jeweilige Beobachtungsobjektiv, gesammelt werden.
Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen kann eine Nahfeldsonde an einem Beobachtungsobjektiv angebracht sein. Verschiedene Möglichkeiten einer derartigen Anbringung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf 9–12 erläutert. Die Ausführungsbeispiele der 9–12 beruhen auf dem Ausführungsbeispiel von 1, und gleiche oder einander entsprechende Elemente tragen die gleichen Bezugszeichen und werden nicht nochmals detailliert erläutert.
Bei dem Ausführungsbeispiel von 9 ist das Justierelement 6 über eine Steckverbindung 71 an dem Beobachtungsobjektiv 1 befestigt.
Bei dem Ausführungsbeispiel von 10 ist das Justierelement 6 an einem Deckglas 73 befestigt, welches über eine Klemmhalterung 74 an einem Beobachtungsobjektiv 72 angebracht ist. Das Beobachtungsobjektiv 72 ist hinsichtlich des Deckglases 74 korrigiert, d. h. das Objektiv 72 berücksichtigt die optischen Eigenschaften des Deckglases 74, so dass das Beobachtungsobjektiv 72 zusammen mit dem Deckglas 74 im Wesentlichen die gleichen optischen Eigenschaften hat wie das Beobachtungsobjektiv 1.
Das Ausführungsbeispiel von 11 entspricht im Wesentlichen dem Ausführungsbeispiel von 10, wobei das Justierelement 6 in dem Ausführungsbeispiel von 10 mittig, d. h. im Wesentlichen zentriert, an dem Deckglas 73 angebracht ist, während es bei dem Ausführungsbeispiel von 11 außermittig, im Wesentlichen am Rande des Deckglases 73 angebracht ist. Eine derartige außermittige Anbringung ist auch bei anderen Verbindungen, beispielsweise einer Steckverbindung wie in 9, möglich.
Bei dem Ausführungsbeispiel von 12 ist eine Schraub-, Steck- oder Klemmhalterung 75 vorgesehen, an welcher das Justierelement schräg, d. h. nicht parallel zur optischen Achse des Beobachtungsobjektivs 1, angebracht ist. Der Winkel der Anbringung kann dabei so gewählt sein, dass die Spitze der Nahfeldsonde 8 näherungsweise auf der optischen Achse des Beobachtungsobjektivs 1 liegt.
Zu bemerken ist, dass auch bei den Ausführungsbeispielen von 9 und 12 ein Deckglas vorgesehen sein kann, in diesem Fall kann entsprechend ein Deckglas-korrigiertes Beobachtungsobjektiv verwendet werden.
Bei den bisher diskutierten Ausführungsbeispielen ist ein Hohlspiegel als erste optische Anordnung zum Leiten von Anregungslicht auf eine Nahfeldsonde und ein Beobachtungsobjektiv als zweite optische Anordnung zum Beobachten einer Probe vorgesehen. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann statt eines Hohlspiegels ein refraktives Objektiv, d. h. ein auf Linsen basierendes Objektiv, zum Leiten von Anregungslicht auf die Nahfeldsonde eingesetzt werden. Ein Ausführungsbeispiel einer derartigen Objektivanordnung ist in 13 dargestellt.
Bei dem Ausführungsbeispiel von 13 ist eine Probe in einer Ebene 84 auf einem transparenten Träger angeordnet.
Zur Beobachtung der Probe dient ein Beobachtungsobjektiv 81, an welchem über ein Justierelement 85 eine Nahfeldsonde mit Stimmgabel 86 angebracht ist. Ein Bildfeld des Beo bachtungsobjektivs 81 ist durch Linien 88 angedeutet. Das Beobachtungsobjektiv 81 ist wie durch Pfeile 80 angeordnet beispielsweise mittels einer Piezosteuerung in drei Raumrichtungen beweglich. Das Beobachtungsobjektiv 81 mit Justierelement 85 und Nahfeldsonde 86 entspricht dem Aufbau von 1, auch die unter Bezugnahme auf 9–12 diskutierten Variationen sind möglich.
Zum Fokussieren von Anregungslicht auf die Probe dient ein Fokussierobjektiv 82, welches Anregungslicht, beispielsweise Laserlicht, wie durch Linien 89 angedeutet auf einen Fokuspunkt 87 bei der Nahfeld-Spitze 86 fokussiert. Das Fokussierobjektiv 82 kann ein auf Linsen aufgebautes Objektiv sein, kann aber grundsätzlich auch eine Hohlspiegelanordnung wie bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen umfassen. Das Fokussierobjektiv ist bei dem Ausführungsbeispiel 82 auf einer anderen Seite des Trägers angeordnet als das Beobachtungsobjektiv 81.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist das Fokussierobjektiv 82 nur in Richtung senkrecht zur Probenoberfläche bzw. senkrecht zum transparenten Träger 83 bewegbar. Bei anderen Ausführungsbeispielen ist das Fokussierobjektiv 82 auch in der Ebene des transparenten Trägers 83 bewegbar.
Bei dem Ausführungsbeispiel von 13 können sowohl das Fokussierobjektiv 82 als auch das Beobachtungsobjektiv 81 zum Sammeln von gestreutem Licht verwendet werden, so dass gestreutes Licht sowohl oberhalb als auch unterhalb der Probe aufgesammelt werden kann (4Pi-artige Mikroskop-Geometrie) und eine hohe Sammeleffizienz erreicht werden kann.
Die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele von Objektivanordnungen können in einer Mikroskopanordnung, insbesondere einer Mikroskopanordnung zur Nahfeld-Mikroskopie und/oder Nahfeld-Raman-Spektroskopie eingebaut sein. Die Objektivanordnungen können dabei derart dimensioniert sein, dass sie in Standardmikroskopaufbauten eingebaut werden können. Ein Beispiel für einen erfindungsgemäßen Mikroskopaufbau mit einer erfindungsgemäßen Objektivanordnung ist schematisch in 14 dargestellt. Als Objektivanordnung wird bei dem Beispiel eine Kombination aus einem ringförmigen Parabolspiegel 115 und einem Beobachtungsobjektiv 120 in Form eines Mikroskopobjektivs verwendet, wobei an dem Beobachtungsobjektiv 120 eine Nahfeldsonde mit Justiereinheit und Stimmgabel 116a angebracht sind, entsprechend dem Ausführungsbeispiel von 1. Optional kann ein Deckglas 116b wie bei den Ausführungsbeispielen von 10 und 11 vorgesehen sein, wobei in diesem Fall die Nahfeldsondeneinheit 116a an dem Deckglas 116b angebracht sein kann und das Beobachtungsobjektiv 120 ein Deckglas-korrigiertes Beobachtungsobjektiv sein kann.
Bei dem Ausführungsbeispiel von 14 wird radial polarisiertes Laserlicht durch ein Pinhole 111 eingekoppelt und durch eine Kollimatorlinse 112 kollimiert. Ein afokales System 113a, 113b, z. B. ein Galilei-Teleskop oder ein Kegler-Teleskop, dienen zur Aufweitung des Laserstrahls. Der aufgeweitete Laserstrahl geht durch einen Strahlteiler 118 hindurch und wird von einer Ringstrahlformungseinheit 114a, 114b zu einem ringförmigen parallelen Laserstrahl geformt, welcher auf den ringförmigen Parabolspiegel 115 gelenkt wird und von dort auf die Spitze der Nahfeldsonde der Nahfeldsondeneinheit 116a fokussiert wird. Die Elemente 114a, 114b können wie bereits beschrieben zwei diffraktive Axikons sein, wobei auch reflektive oder refraktive Axikons eingesetzt werden können.
Bei dem Aufbau von 14 kann die Wellenlänge des zur Anregung verwendeten Lichts in Abhängigkeit von einem für die Nahfeldsonde verwendeten spitzen Material angepasst werden. Beispielsweise kann bei einer aus Gold bestehenden oder mit Gold beschichteten Spitze ein roter Laser, z. B. mit einer Wellenlänge von 633 nm, benutzt werden, während für aus Silber bestehende oder mit Silber beschichtete Spitzen grüne und/oder blaue Laser verwendet werden können, d. h. Laser im Wellenlängenbereich von 350–550 nm.
Das von der Spitze der Nahfeldsonde der Nahfeldsondeneinheit 116 gestreute Licht wird von dem ringförmigen Parabolspiegel 115 zurück durch die Ringstrahlformungseinheit 114a, 114b auf den Strahlteiler 118 gelenkt und von diesem zu einer Einheit 119 gelenkt, welche weitere optische Einheiten beispielsweise eine konfokale Empfängeroptik und/oder Detektoren zur Analyse des von der Probe gestreuten Lichts umfassen kann.
Die Probe 117 ist beispielsweise über Piezoelemente in der Probenebene verfahrbar, wobei dieses Verfahren und die Analyse der von der Einheit 119 detektierten Daten durch eine Steuer- und Analyseeinheit 126 erfolgen kann. So kann die Einheit 116 die Probe 117 beispielsweise schrittweise in der Probenebene verfahren (abrastern) und die an jeder Position aufgenommenen Daten auswerten und zuordnen.
Zum Beleuchten der Probe, so dass die Probe beobachtet werden kann, wird Licht durch eine Lichtquelle 122 erzeugt. Dieses Licht wird von einer Strahlteilerplatte 123 auf einen Umlenkspiegel 121, welcher das Licht zu dem Beobachtungsobjektiv 120 lenkt, gelenkt. Das Beobachtungsobjektiv 120 leitet das Licht dann gemäß dem Bildfeld des Beobachtugnsobjektivs 120 auf die Probe. Ein Bild der Probe wird durch das Beobachtungsobjektiv 120, den Umlenkspiegel 121, die Strahlteilerplatte 123 und eine Optik 124, beispielsweise eine Tubuslinse, auf eine Probenbildebene 125 abgebildet. Diese kann mit einem Bildwandler, beispielsweise einem CCD(Charge Coupled Device)-Sensor oder einem CMOS-Sensor, aufgenommen werden oder auch mittels eines Okulars direkt visuell beobachtet werden. Zu bemerken ist, dass allgemein zum Fokussieren, Weiterleiten und Ablenken des Lichts je nach Anordnung weitere optische Elemente wie Spiegel oder Linsen vorgesehen sein können, so dass die Anordnung von 14 lediglich als ein mögliches Beispiel zu verstehen ist.
Als nächstes werden Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Verfahren zum Justieren von Objektivanordnungen unter Bezugnahme auf 15–18 erläutert. Die erläuterten Verfahren können beispielsweise zur Justage der unter Bezugnahme auf 1–13 diskutierten Objektivanordnungen dienen, sind jedoch nicht hierauf beschränkt, sondern sind generell auf Objektivanordnungen anwendbar, bei welchen ein Beobachtungsobjektiv relativ zu einer optischen Anordnung zum Fokussieren von Anregungslicht, beispielsweise einem Hohlspiegel oder einem weiteren Objektiv wie in 13, bewegbar ist und eine Nahfeldsonde vorgesehen ist, die zumindest in einer Raumrichtung relativ zu dem Beobachtungsobjektiv bewegbar ist. Die optische Anordnung, welche zum Fokussieren des Anregungslichts dient, wird im Folgenden auch als Fokussierobjektiv bezeichnet. Bei einem Ausführungsbeispiel ist das Fokussierobjektiv ortsfest, und das Beobachtungsobjektiv sowie die Probe sind beweglich. Die optischen Achsen von Beobachtungs- und Fokussierobjektiv können parallel zueinander sein.
Die Verfahrgenauigkeit der Objektive zueinander kann in der Größenordnung der Ausdehnung des Fokuspunkts des Fokussierobjektivs liegen. Bei Ausführungsbeispielen wie den in den 1–10 dargestellten, bei welchen eine Nahfeldsonde an einem Beobachtungsobjektiv angebracht ist, ist eine höhere Positioniergenauigkeit, beispielsweise in der Größenordnung von 1/10 der Ausdehnung des Fokuspunktes oder höher, vorteilhaft, um die Nahfeldsonde zuverlässig im Zentrum des Fokuspunktes positionieren zu können.
Ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines derartigen Justageverfahrens ist in 15 dargestellt.
In Schritt 501 wird eine Messung gestartet. In Schritt 502 wird eine zu untersuchende Probe entlang der optischen Achse des jeweils verwendeten Beobachtungsobjektivs justiert, bis in Schritt 503 festgestellt wird, dass die Probe in der Fokusebene des Beobachtungsobjektivs liegt. Diese Justage kann durch Bewegen des Beobachtungsobjektivs und/oder durch Bewe gen der Probe erfolgen. Zur Steuerung der Justage kann beispielsweise ein Autofokus-System verwendet werden, bei dem überprüft wird, ob die Probe scharf abgebildet wird.
In Schritt 504 wird dann der Fokuspunkt des Fokussierobjektivs beleuchtet, z. B. ein Anregungslaser, welcher über einen Hohlspiegel auf die Probe fokussiert wird, eingeschaltet. In Schritt 505 wird überprüft, ob der Fokuspunkt auf der Probenoberfläche liegt, oder, in anderen Worten, ob der Fokuspunkt durch das Beobachtungsobjektiv scharf zu sehen ist. Ist dies nicht der Fall, wird die Probe in Schritt 506 relativ zum Fokussierobjektiv entlang der optischen Achse des Fokussierobjektivs verfahren.
Das relative Verfahren in Schritt 506 kann durch Verfahren der Probe, durch Verfahren des Fokussierobjektivs oder durch Verfahren der Probe und des Fokussierobjektivs bewerkstelligt werden. Bei einem Ausführungsbeispiel wird dabei der Abstand zwischen Beobachtungsobjektiv und Probe konstant gehalten, so dass die Probe weiterhin in der Fokusebene des Beobachtungsobjektivs liegt, d. h. der in Schritt 503 eingestellte Abstand zwischen Probe und Beobachtungsobjektiv wird beibehalten. Bei Ausführungsbeispielen, bei denen in Schritt 506 die Probe verfahren wird, wird dabei gleichzeitig das Beobachtungsobjektiv bewegt. Bei anderen Ausführungsbeispielen ist die Schärfentiefe des Beobachtungsobjektivs so groß, dass die Probe auch ohne Konstanthalten des Abstands weiterhin scharf abgebildet ist. Die Schritte 505, 506 werden durchgeführt, bis der Fokuspunkt des Fokussierobjektivs in der Fokusebene des Beobachtungsobjektivs liegt.
Die Schritte 505 und 506 sind in 18 veranschaulichend dargestellt. In 18 ist mit 200 ein Bildkreis des Beobachtungsobjektivs bezeichnet, d. h. der Ausschnitt, welcher durch das Beobachtungsobjektiv beobachtbar ist. Mit 201 ist eine Nahfeldsonde bezeichnet, welche beispielsweise wie unter Bezugnahme auf 1 sowie 9–12 erläutert am Beobachtungsobjektiv angebracht sein kann. Mit 202 ist der Fokuspunkt des Fokussierobjektivs bezeichnet, wobei in dem Zustand 202 der Fokuspunkt scharf zu sehen ist, d. h. in der Fokusebene des Beobachtungsobjektivs liegt. Liegt der Fokuspunkt des Fokussierobjektivs nicht in der Fokusebene des Beobachtungsobjektivs, ist wie durch eine gestrichelte Linie 204 angedeutet ein größerer Kreis zu sehen.
Wenn der Fokuspunkt des Fokussierobjektivs in der Fokusebene des Beobachtungsobjektivs positioniert ist, wird in Schritten 507 und 508 die Nahfeldsonde entlang der optischen Achse des Beobachtungsobjektivs justiert, bis die Nahfeldsonde im korrekten Messabstand zur Probe ist. Diese Abstandseinstellung kann beispielsweise bei dem Ausführungsbeispiel der 1 über den Stimmgabelsensor 7 zur Messung des Abstandes und die Justiereinheit 6 zum Einstellen des Abstandes erfolgen.
In den Schritten 509 und 510 wird falls nötig der Fokuspunkt des Fokussierobjektivs auf die Nahfeldsonde positioniert. Hierzu wird in Schritt 509 überprüft, ob der Fokuspunkt des Fokussierobjektivs bereits auf der Nahfeldsonde positioniert ist, und falls nein in Schritt 510 das Beobachtungsobjektiv, mit welchem die Nahfeldsonde in diesem Fall gekoppelt ist, und das Fokussierobjektiv relativ zueinander parallel zu der Bildfeldebene des Beobachtungsobjektivs verfahren, bis der Fokuspunkt auf der Nahfeldsonde positioniert ist. Diese Justage kann Ober eine Beobachtung des Fokuspunktes auf der Nahfeldsonde durch das Beobachtungsobjektiv grob gesteuert werden. Eine Fernjustage ist beispielsweise über eine Messung der Intensität von inelastisch oder elastisch an der Nahfeldsonde gestreuten Anregungslichts möglich. Nur wenn die Nahfeldsonde im Fokuspunkt der Anregung positioniert ist, wird eine hohe Streuintensität detektiert, so dass die Justage beispielsweise auf das Maximum der Streuintensität erfolgen kann.
Die Schritte 509 und 510 sind in 17 veranschaulicht. Gleiche Elemente wie in der bereits beschriebenen 18 tragen die gleichen Bezugszeichen. Wie dargestellt wird das durch das relative Verfahren der beiden Objektive zueinander parallel zu der Bildfeldebene des Beobachtungsobjektivs in Schritt 510 der Fokuspunkt 202 des Fokussierobjektivs wie durch Pfeile 203 angedeutet in den Bildkreis 200 bewegt, bis der Fokuspunkt 202 an der Spitze der Nahfeldsonde 201 positioniert ist.
Sobald in Schritt 509 festgestellt wird, dass der Fokuspunkt des Fokussierobjektivs an der Nahfeldsonde positioniert ist, ist die Justage abgeschlossen, und in Schritt 511 wird die jeweilige Messung, beispielsweise eine Nahfeld-Raman-Messung durchgeführt. Optional können wie in Schritt 512 angedeutet, solange die Messung nicht vollständig ist, die Schritte 505–510 wiederholt durchgeführt werden, um sicherzustellen, dass die Justage während der Messung erhalten bleibt. Nach dem Durchlaufen der Messung wird in Schritt 513 das Verfahren beendet.
Zu bemerken ist, dass die Schritte in 15 nicht notwendigerweise in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden müssen. Beispielsweise können die Schritte 507 und 508 auch vor den Schritten 505 und 506 durchgeführt werden.
Bei dem Verfahren von 15 wird die Probe in die Fokusebene des Fokussierobjektivs positioniert, und anschließend die Nahfeldsonde in den jeweils gewünschten Messabstand zur Probe ausgerichtet und mit dem Fokuspunkt des Anregungslichts zur Deckung gebracht. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel wird zuerst die Nahfeldsonde in den Fokuspunkt des Fokussierobjektivs positioniert und erst anschließend die Probe in die Messanordnung eingefahren. Diese Variante hat den Vorteil, dass sich die Nahfeldsonde bereits im Fokuspunkt thermisch stabilisiert hat, während die Probe eingefahren, d. h. der Nahfeldsonde angenähert wird. Ein Ausführungsbeispiel eines derartigen Verfahrens ist in 16 dargestellt.
Bei dem Ausführungsbeispiel von 16 wird in Schritt 601 die Messung initialisiert. In Schritt 602 wird die Nahfeldsonde entlang der optischen Achse des Beobachtungsobjektivs justiert, bis in Schritt 603 festgestellt wird, dass die Nahfeldsonde in der Fokusebene des Beobachtungsobjektivs liegt. Sobald dies der Fall ist, wird in Schritt 604 entsprechend dem Schritt 504 aus 15 der Fokuspunkt beleuchtet.
Die Schritte 605 und 606 des Ausführungsbeispiels von 16 entsprechen den Schritten 505 und 506 des Ausführungsbeispiels von 15. Hier wird der Fokuspunkt des Fokussierobjektivs in die Fokusebene des Beobachtungsobjektivs positioniert.
Die Schritte 607 und 608 des Ausführungsbeispiels von 16 entsprechen den Schritten 509 und 510 des Ausführungsbeispiels von 15. Hier wird der Fokuspunkt wie in 17 schematisch dargestellt auf der Nahfeldsonde positioniert.
In Schritt 609 wird die Probe in die Messanordnung, d. h. das Mikroskopsystem, eingebracht und überprüft, ob die Probe im korrekten Messabstand zur Nahfeldsonde liegt, beispielsweise mittels eines Stimmgabelsensors. Falls dies nicht der Fall ist, wird in Schritt 610 die Probe entlang der optischen Achse des Beobachtungsobjektivs relativ zur Nahfeldsonde verfahren, bis die Probe im Messabstand zur Nahfeldsonde ist.
Die Schritte 611–613 des Ausführungsbeispiels von 16 entsprechen den Schritten 511–513 des Ausführungsbeispiels von 15, hier wird die Messung durchgeführt und gegebenenfalls während der Messung die Justage überprüft und gegebenenfalls korrigiert.
Auch bei dem Ausführungsbeispiel von 16 müssen die Schritte nicht notwendigerweise in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden.
Zu bemerken ist, dass die unter Bezugnahme auf 15 und 16 erläuterten Verfahren bei Ausführungsbeispielen der Erfindung vollständig automatisch durchgeführt werden können, beispielsweise durch Verwendung geeigneter Bilderkennungs- und Fokussierverfahren. Bei spielsweise kann wie unter Bezugnahme auf 18 erläutert die Justage derart erfolgen, dass der Durchmesser des Fokuspunktes 202, wie er durch das Beobachtungsobjektiv zu sehen ist, minimiert wird. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann jedoch auch ein Teil der Schritte manuell durchgeführt werden.
Zur Grobjustage in Schritt 507 kann auch automatische Bildverarbeitung eines durch das Beobachtungsobjektiv aufgenommenen Bildes verwendet werden, wobei die Stimmgabelbasierte Abstandseinstellung dann zur Feinjustage erfolgt.
Die Justage in Schritt 509 kann beispielsweise durch automatische Bildverarbeitung erfolgen. Zur Feinjustage kann beispielsweise auch ein Detektor wie in der Einrichtung 119 aus 14 verwendet werden, wobei die Nahfeldsonde derart eingestellt wird, dass die Intensität des gesammelten gestreuten Lichts maximal wird.
Während bei den obigen Verfahren ein Fokussierobjektiv verwendet wird, kann bei einem anderen Verfahren gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel auch ein erstes Fokussierobjektiv zur Fokussierung eines Anregungsstrahls und ein zweites Fokussierobjektiv zum Sammeln des gestreuten Lichtes verwendet werden, wobei diese beiden Fokussierobjektive beispielsweise mit Hilfe des Beobachtungsobjektivs positioniert werden können.
Wie oben dargelegt ist daher die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 0764261 [0037]

Claims

Objektivanordnung, umfassend: eine Nahfeldsonde, eine erste optische Anordnung (3; 15; 23; 32; 38; 45; 54; 82) zum Fokussieren von Strahlung auf die Nahfeldsonde, und eine zweite optische Anordnung (1; 16; 26; 31; 47; 56; 72; 81) zum Beobachten einer Probe und der Nahfeldsonde.
Objektivanordnung nach Anspruch 1, wobei eine optische Achse der ersten optischen Anordnung (3; 15; 23; 32; 38; 45; 54; 82) parallel zu einer optischen Achse der zweiten optischen Anordnung (1; 16; 26; 31; 47; 56; 72; 81) ist.
Objektivanordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste optische Anordnung (3; 15; 23; 32; 38; 45; 54; 82) ein reflektives Element zur Fokussierung der Strahlung auf die Nahfeldsonde (8) aufweist.
Objektivanordnung nach Anspruch 3, wobei das reflektive Element ein ringförmiges Spiegelelement (3; 15; 23; 32; 38; 45; 54; 82) mit einer ersten Öffnung und einer zweiten Öffnung umfasst.
Objektivanordnung nach Anspruch 4, wobei das ringförmige Spiegelelement durch einen Teil eines Rotationskörpers definiert ist.
Objektivanordnung nach Anspruch 5, wobei der Rotationskörper ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend ein Ellipsoid, ein Paraboloid und ein Hyperboloid.
Objektivanordnung nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Objektivanordnung derart ausgestaltet ist, dass eine Rotationsachse des ringförmigen Spiegelelements nicht senkrecht zu einer zu untersuchenden Probe (4) steht.
Objektivanordnung nach einem der Ansprüche 4–6, wobei die erste Öffnung einen kleineren Durchmesser aufweist als die zweite Öffnung, wobei die Objektivanordnung derart ausgelegt ist, dass die erste Öffnung einer zu untersuchenden Probe (4) zugewandt ist.
Objektivanordnung nach Anspruch 3, wobei das reflektive Element Abschnitte umfasst, deren reflektive Oberflächen derart angeordnet sind, dass sie auf der Oberfläche eines Rotationskörpers liegen.
Objektivanordnung nach einem der Ansprüche 1–9, wobei die zweite optische Anordnung (1; 16; 26; 31; 47; 56; 72; 81) relativ zu der ersten optischen Anordnung (3; 15; 23; 32; 38; 45; 54; 82) in drei Raumrichtungen bewegbar ist.
Objektivanordnung nach einem der Ansprüche 1–10, wobei die erste optische Anordnung (3; 15; 23; 32; 38; 45; 54; 82) und/oder die zweite optische Anordnung (1; 16; 26; 31; 47; 56; 72; 81) verkippbar gelagert ist.
Objektivanordnung nach einem der Ansprüche 1–11, wobei die Nahfeldsonde (8) mit der zweiten optischen Anordnung (1; 16; 26; 31; 47; 56; 72; 81) derart gekoppelt ist, dass die Nahfeldsonde (8) gemeinsam mit der zweiten optischen Anordnung (1; 16; 26; 31; 47; 56; 72; 81) bewegbar ist.
Objektivanordnung nach Anspruch 12, wobei die Nahfeldsonde (8) mit der zweiten optischen Anordnung (1; 16; 26; 31; 47; 56; 72; 81) über ein Justierelement (6) gekoppelt ist, wobei das Justierelement (6) die Bewegung der Nahfeldsonde (8) relativ zu der zweiten optischen Anordnung ermöglicht.
Objektivanordnung nach Anspruch 12 oder 13, wobei die zweite Objektivanordnung (72) mit einem Deckglas (73) gekoppelt ist, und wobei die Nahfeldsonde (8) mit dem Deckglas (73) gekoppelt ist.
Objektivanordnung nach einem der Ansprüche 12–14, wobei ein Kopplungselement zum Koppeln der Nahfeldsonde (8) mit der zweiten optischen Anordnung (1) eine Steckverbindung (71) umfasst.
Objektivanordnung nach einem der Ansprüche 12–15, wobei eine Längsachse der Nahfeldsonde (8) schräg zu der optischen Achse der zweiten optischen Anordnung (1) steht.
Objektivanordnung nach einem der Ansprüche 12–16, wobei die Nahfeldsonde (8) beabstandet zu der optischen Achse der zweiten optischen Anordnung (72) mit der zweiten optischen Anordnung (72) gekoppelt ist.
Objektivanordnung nach einem der Ansprüche 1–17, wobei die Nahfeldsonde eine Spitze aufweist.
Objektivanordnung nach Anspruch 18, wobei die Spitze der Nahfeldsonde (8) ein Metall umfasst.
Objektivanordnung nach einem der Ansprüche 1–19, wobei die Nahfeldsonde (8) einen Stimmgabelsensor (7) umfasst.
Objektivanordnung nach einem der Ansprüche 1–20, wobei die zweite optische Anordnung (1; 16; 26; 31; 47; 56; 72; 81) eine refraktive Optik umfasst.
Objektivanordnung nach Anspruch 21, wobei die refraktive Optik als Mikroskopobjektiv ausgestaltet ist.
Objektivanordnung nach Anspruch 21 oder 22, wobei ein Arbeitsabstand der zweiten optischen Anordnung größer als 3 mm ist.
Objektivanordnung nach einem der Ansprüche 21–23, wobei die zweite optische Anordnung eine Köhlersche Optik umfasst.
Mikroskopanordnung, umfassend eine Objektivanordnung nach einem der Ansprüche 1–23, eine erste Lichtquelle zum Erzeugen von Anregungslicht, wobei die Mikroskopanordnung derart ausgestaltet ist, dass das Anregungslicht auf die erste optische Anordnung der Objektivanordnung gelenkt wird, eine zweite Lichtquelle zum Beleuchten einer Probe, wobei die Mikroskopanordnung derart ausgestaltet ist, dass von der zweiten Lichtquelle erzeugtes Licht zu der zweiten optischen Anordnung der Objektivanordnung gelenkt wird.
Mikroskopanordnung nach Anspruch 25, weiter umfassend einen transparenten Träger (83), wobei die erste optische Anordnung (82) auf einer ersten Seite des transparenten Trägers (83) und die zweite optische Anordnung (81) auf einer zweiten Seite des transparenten Trägers (83) angeordnet ist.
Mikroskopanordnung nach Anspruch 25 oder 26, weiter umfassend mindestens ein optisches Element (114a, 114b) zum Erzeugen eines ringförmigen Strahlprofils.
Mikroskopanordnung nach Anspruch 27, wobei das optische Element mindestens ein Axikon (114a, 114b) umfasst.
Verfahren zum Justieren einer Objektivanordnung, wobei die Objektivanordnung umfasst: eine Nahfeldsonde (8), eine erste optische Anordnung (3) zum Fokussieren von Strahlung in einen Fokuspunkt (9) und eine relativ zu der ersten optischen Anordnung in drei Raumrichtungen bewegbare zweite optische Anordnung (1) zum Beobachten einer Probe (4) und der Nahfeldsonde (8), wobei die Nahfeldsonde (8) mit der zweiten optischen Anordnung (1) verstellbar zu der zweiten optischen Anordnung (1) gekoppelt ist, wobei das Verfahren umfasst: Verfahren der zweiten optischen Anordnung (1) relativ zu der ersten optischen Anordnung (3) entlang der optischen Achse der zweiten optischen Anordnung (1), so dass der Fokuspunkt (9) in einer Fokusebene der zweiten optischen Anordnung (1) positioniert ist, und Verfahren der zweiten optischen Anordnung (1) relativ zu der ersten optischen Anordnung (3) senkrecht zu der optischen Achse der zweiten optischen Anordnung (1), bis der Fokuspunkt (9) auf der Nahfeldsonde (8) positioniert ist.
Verfahren nach Anspruch 29, umfassend einen Schritt ausgewählt aus der Gruppe umfassend Durchführen einer automatischen Fokussierung und Durchführen einer Bildanalyse.
Verfahren nach Anspruch 29 oder 30, weiter umfassend Verfahren der Nahfeldsonde (8) relativ zu der zweiten optischen Anordnung (1), bis die Nahfeldsonde (8) einen vorgegebenen Abstand zu einer Probe (4) angenommen hat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 29–31, weiter umfassend Justage einer Probe (4) in eine Fokusebene der zweiten optischen Anordnung (1).
Verfahren nach einem der Ansprüche 29–32, weiter umfassend Verfahren der Nahfeldsonde relativ zu der zweiten optischen Anordnung (1), bis die Nahfeldsonde (8) in einer Fokusebene der zweiten optischen Anordnung (1) liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 29–33, wobei die Objektivanordnung nach einem der Ansprüche 1–24 ausgestaltet ist.