DE112007001927B4

DE112007001927B4 - Vorrichtung und Verfahren zum sondermikroskopischen Untersuchen einer Probe

Info

Publication number: DE112007001927B4
Application number: DE112007001927.1T
Authority: DE
Inventors: Gunnar Sommer; Jörn Kamps
Original assignee: JPK Instruments AG
Current assignee: Bruker Nano GmbH
Priority date: 2006-08-18
Filing date: 2007-08-20
Publication date: 2016-07-07
Anticipated expiration: 2027-08-21
Also published as: US20100229262A1; WO2008019679A1; US9063335B2; DE112007001927A5

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum sondenmikroskopischen Untersuchen einer Probe, insbesondere zum rastersondenmikroskopischen Untersuchen. Die Vorrichtung umfasst eine Sondemikroskopeinrichtung, welche eine Probenaufnahme zum Aufnehmen einer zu untersuchenden Probe, eine Messsonde und eine Verlagerungseinheit aufweist, die konfiguriert ist, für eine sondenmikroskopische Untersuchung der Probe die Probenaufnahme und die Messsonde relativ zueinander zu verlagern, und eine Kondensorbeleuchtung sowie ein der Kondensorbeleuchtung nachgelagertes optisches System, welches konfiguriert ist, von der Kondensorbeleuchtung in einen Kondensorlichtweg abgegebenes Kondensorlicht unter wenigstens teilweiser Aufrechterhaltung von Kondensorlichtparametern, mit denen das Kondensorlicht von der Kondensorbeleuchtung abgegeben wird, in den Bereich der Probenaufnahme für eine optische Mikroskopie der zu untersuchenden Probe abzubilden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum sondenmikroskopischen Untersuchen einer Probe, insbesondere zum rastersondenmikroskopischen Untersuchen.
Hintergrund der Erfindung
Mit Hilfe sondenmikroskopischer Mess- oder Analysetechnologien wird eine zu untersuchende Probe experimentell untersucht, indem eine Beeinflussung einer messbaren Eigenschaft einer Messsonde durch die zu untersuchenden Probe erfasst wird. Beim rastersondenmikroskopischen Untersuchen der Probe, was auch als Rastersondenmikroskopie (SPM – „Scanning Probe Microscopy” bezeichnet wird, erfolgt ein Scannen oder Abtasten der Probe mittels Relativbewegung zwischen Messsonde und Probe. Beispielsweise wird eine zu analysierende Oberfläche der Probe abgerastert.
Eine Methode der Rastersondenmikroskopie ist die Rasterkraftmikroskopie (AFM – ”Atomic Force Microscopy”). Sie dient zur Messung von Oberflächeneigenschaften der Probe, zum Beispiel der Topografie, mit hoher lateraler und vertikaler Auflösung. Der Begriff „laterale Auflösung” bezeichnet hierbei die Auflösung in einer Ebene der zu untersuchenden Oberfläche. Die zu dieser Ebene senkrechte Richtung wird als vertikale Richtung bezeichnet. In der vertikalen Richtung wird die Topographie der Oberfläche mit einer vertikalen Auflösung bestimmt. Es können aber auch Volumeneigenschaften nahe der Oberfläche ermittelt werden, beispielsweise die Elastizität einer Probe. Die Auflösung der vertikalen und/oder der horizontalen Verlagerung der Messsonde relativ zur Probe bei der Sondenmikroskopie liegt üblicherweise im Bereich von einigen Nanometern und darüber, während übliche Methoden, mit denen eine Probe optisch untersucht wird, mit einer Auflösung von mehreren 100 nm arbeiten.
Um Rastersondenmikroskopie betreiben zu können, muss der Abstand zwischen einer Messsonde und der zu untersuchenden Probe sehr genau einstellbar und messbar sein. Als Messsonde werden in Verbindung mit Rastersondenmikroskopen beispielsweise Messbalken verwendet, die auch als Cantilever bezeichnet werden. Speziell in Rasterkraftmikroskopen wird als Messparameter eine infolge einer Wechselwirkung zwischen dem Cantilever und der zu untersuchenden Probe auftretende Kraft ausgewertet, wobei die Kraft im einfachsten Fall mit einem Lenard-Jones-Potenzial beschrieben werden kann. Mehrere Möglichkeiten können genutzt werden, um die Kraft zu detektieren. Im einfachsten Fall wird eine Auslenkung der Messsonde, welche im Fall des Cantilevers bei der Rasterkraftmikroskopie in der Regel als ein dünner Federbalken ausgebildet ist, detektiert. Es existieren jedoch auch Messverfahren, bei denen der Cantilever zum Schwingen angeregt wird. Die Dämpfung der Amplitude der angeregten Schwingung ist dann der Messparameter auf den geregelt wird. Den bekannten Messverfahren ist gemein, dass eine Wechselwirkung zwischen der Messsonde und der zu untersuchenden Probe gemessen wird. Der Begriff „Rastersondenmikroskopie” in der hier genutzten Bedeutung umfasst neben den genannten Techniken alle Techniken, bei denen eine oder auch mehrere als Messsonden fungierende Elemente eine Objektstruktur abtasten.
Bei einem bekannten Messverfahren wird die Kraft, welche auf den Cantilever wirkt, mit Hilfe eines Lichtzeigerprinzips detektiert. Hierbei wird ein Messlichtstrahl, insbesondere ein Laserstrahl, auf den Cantilever gerichtet, wobei eine Fokussierung vorgesehen sein sollte. Allerdings stellt sich beim Einsatz des Lichtzeigerprinzips das Problem, dass der auf den Cantilever fokussierte Laserspot kleiner sein sollte als die Breite des Cantilevers, um eine optimale Detektion der Cantilever-Verbiegung zu ermöglichen. Deshalb muss die Erzeugung eines derart kleinen Spots durch eine geeignete Optik möglich sein. In Abhängigkeit von einer Verbiegung des Cantilevers wird der Messlichtstrahl an dem Cantilever oder einem mit dem Cantilever verbundenen Bauteil in einem bestimmten Winkel zur Einfallsrichtung reflektiert. Der reflektierte Lichtstrahl wird dann auf eine Photodiode gelenkt, die eine Empfängerfläche mit mindestens zwei Segmenten aufweist. Ein Unterschied des empfangenen Lichtsignals für beide Segmente zeigt an, dass der Messlichtstrahl von einer Mittelposition zwischen den beiden Segmenten entfernt ist. Die Mittelposition ist so definiert, dass der Messlichtstrahl zu gleichen Teilen auf die beiden Segmente fällt. Eine Verbiegung des Cantilevers führt dazu, dass die Gleichverteilung des reflektierten Messlichtstahles über beide Segmente geändert wird.
Soll zusätzlich eine Torsion der bevorzugt als Cantilevers ausgeführten Messsonde detektiert werden können, kann eine Photodiode mit vier Segmenten genutzt werden. Auch der Einsatz eines anderen positionssensitiven Detektors kann vorgesehen sein. Hierdurch ist dann eine Positionsbestimmung des Messlichtstrahles in zwei Dimensionen möglich. Aus der Messung der Verbiegung des Cantilevers kann bei Kenntnis einer Federkonstante des Cantilevers die Kraft zwischen dem Cantilever und der zu messenden Probe bestimmt werden.
Beim Abtasten der zu messenden Probe muss üblicherweise der Abstand zwischen Probe und Cantilever in vertikaler Richtung mit Hilfe einer Relativbewegung von Probe und Cantilever zueinander exakt eingestellt werden. Hierdurch kann beispielsweise ein konstantes Kraftverhältnis eingestellt werden. Zum Einstellen des Abstandes können beispielsweise piezoelektrische Bauteile verwendet werden. Gleichzeitig wird bei der Messung eine rasterartige Relativbewegung des Cantilevers lateral zur Probe ausgeführt.
Grundsätzlich kann entweder die Probe oder der Cantilever mittels Verlagerungs- oder Stellelementen bewegt werden. Auch eine Aufteilung der Bewegung ist möglich, zum Beispiel eine laterale Bewegung der Probe und eine vertikale Bewegung durch den Cantilever.
Die Leistungsfähigkeit eines cantilever-basierten Rastersondenmikroskops ist nicht zuletzt auch durch die verwendeten Cantilever bestimmt. Zum einen wird über die Kraftkonstante des Biegebalkens die auf die Probe ausgeübte Kraft je Auslenkung bestimmt. Für biologische Proben ist eine kleine Kraftkonstante essentiell, um bei der Messung die Probe nicht durch zu große Kräfte zu beschädigen. Zum anderen sind die Frequenz der Eigenresonanz und die Güte ursächlich für die Zeitspanne, in der der Cantilever auf äußere Kraftänderungen reagieren kann. Je höher die Resonanzfrequenz des Cantilevers, desto schneller reagiert der Biegebalken und desto schneller kann gescannt werden. Weiterhin ist dann das thermisch verursachte Rauschen des Cantilevers in einer festen Bandbreite ebenfalls reduziert. Deshalb ist der Einsatz kurzer, schmaler und dünner Biegebalken, die auch als „kleine Cantilever” bezeichnet werden, vorteilhaft, da sich hier eine hohe Resonanzfrequenz mit einer akzeptabel kleinen Kraftkonstante kombinieren lässt.
Die Nahfeldmikroskopie (SNOM – ”Scanning Nearfield Optical Microscopy”), eine Unterart der Rastersondenmikroskopie, ist in der Lage, zusätzlich optische Größen zu messen. Hierbei ist die erreichbare optische Auflösung etwa ein bis zwei Größenordnung besser als die von fernfeldoptischen Messungen, die zum Beispiels mittels eines Lichtmikroskops ausführbar sind. Diese Auflösung wird erreicht, indem die Probe beispielsweise durch eine Apertur hindurch, deren Durchmesser unterhalb der halben Wellenlänge des eingestrahlten Lichtes liegt, beleuchtet oder durch diese Apertur von der Probe gestreutes Licht gesammelt wird. Der Aperturdurchmesser ist dabei die auflösungsbestimmende Größe. Alternativ zu einer kleinen Apertur kann auch ein geeignetes Streuobjekt mit kleiner Ausdehnung als Nahfeldquelle fungieren, zum Beispiel die Spitze eines Cantilevers eines Rasterkraftmikroskops. Die optischen Größen werden nur in der Nähe der Messsonde an der Oberfläche gemessen, da das Nahfeld auf Grund seiner Natur bereits nach einigen zehn Nanometern exponentiell auf sehr kleine Intensitäten abgeklungen ist. Während der nahfeldoptischen Messung muss deshalb der Abstand zwischen Apertur/Streuobjekt und Probe im nm-Bereich konstant gehalten werden. Dafür hat sich eine Kombination aus SNOM und kraft-/dämpfungsmessenden Verfahren wie der Rasterkraftmikroskopie durchgesetzt.
Üblicherweise wird die Beleuchtung der kleinen Apertur mit einem zweiten Laser vorgenommen, dafür soll der SPM-Aufbau die Beleuchtung einer Nahfeld-Apertur in der Cantileverspitze mit einem zweiten Laser ermöglichen.
Häufig ist es sinnvoll, die zu untersuchende Probe ergänzend zu der sondenmikroskopischen Analyse mit Hilfe eines optischen Mikroskops zu untersuchen. Das erlaubt eine Übersicht über die Probe in einem größeren Sehfeld als bei der Rastersondenmikroskopie. Außerdem sind solche optischen Mikroskopuntersuchungen schnell und als Standardmethoden etabliert. In diesem Fall muss die Probe zum Erhalt optimierter Ergebnisse im Durch- oder Auflicht mithilfe einer Kondensorbeleuchtung beleuchtet werden, um für die lichtmikroskopische Untersuchung eine ausreichenden Probenausleuchtung zu haben.
Bei der optischen Mikroskopie können verschiedene optische Kontrastmethoden wie beispielsweise Phasen-Kontrast oder differentieller Interferenzkontrast (DIC) zum Einsatz kommen, die eine hohe Auflösung bieten und für die optimale Auswertbarkeit eine ausreichende Kondensorbeleuchtung in der Probenebene benötigen, zum Beispiel hinsichtlich der Intensitätsverteilung, der Polarisationsverteilung, der Einfallswinkelverteilung oder der Lage der Austrittspupille und -luke.
Eine sehr einfache und allgemein anerkannte Implementierung einer Nahfeldanordnung ist es zum Beispiel, eine gebogene und am Ende verjüngte, mit einer Metallschicht bis auf eine kleine Apertur bedampfte Lichtleitfaser als Nahfeldquelle zu benutzen und einfach direkt über der Probe in den Weg des Kondensorlichtes, welcher auch als Kondensorlichtweg bezeichnet wird, einzuführen. So bleibt die Probe dem Kondensorlicht mit Ausnahme einer minimalen Einschränkung voll zugänglich und ist ohne merkliche Einschränkung der optischen Untersuchungsmethode mit dem Nahfeldmikroskop abzubilden. Die eingesetzten Glasfasersonden sind aber wegen der dort eingesetzten speziellen Abstandsdetektion („shear force mode”) gar nicht oder nur schlecht für Messungen in Flüssigkeiten einzusetzen.
Ein zweite Möglichkeit zur kombinierten Untersuchung mittels Sondenmikroskopie und optischer Mikroskopie ist die Integration des Rastersondenmikroskops in eine Anordnung mit einem aufrechten optischen Mikroskop, was auch als Lichtmikroskop bezeichnet wird. Hierbei wird statt eines normalen Mikroskop-Objektives ein Spezialobjektiv benutzt, welches den Cantilever trägt und wahlweise auch im μm-Bereich in bis zu drei Dimensionen verfahren werden kann. Diese Implementierung hat jedoch den großen Nachteil, dass die mangelnde Stabilität des Aufrecht-Mikroskops im nm-Bereich eine hochauflösende Messung mit dem „Objektiv” für die Rasterkraftmikroskopie durch Schwingneigungen des Mikroskops unmöglich macht.
Eine Möglichkeit zum Übertragen des von der Kondensorbeleuchtung abgegebenen Kondensorlichtes liegt in der Anordnung eines freien zentralen Lichtweges, der gegebenenfalls nur durch planoptische Komponenten wie Glasplatten, Strahlteilerwürfel oder dergleichen führt, und somit die Ausbreitung des Kondensorlichtes nur minimal beeinflusst. Allerdings kann dort nur der durch den Arbeitsabstand der Kondensorbeleuchtung festgelegte Raum zwischen dem Ausgang der Kondensorbeleuchtung und dem Objektiv des optischen Mikroskops als Bauraum für das Sondenmikroskop genutzt werden, so dass in der Regel nur Kondensorbeleuchtungen mit relativ geringer numerischer Apertur der Beleuchtung und großem Arbeitsabstand zum Einsatz kommen.
Das Dokument US 5,808,790 A offenbart eine Vorrichtung zum Ausführen einer Nahfeldmikroskopie und einer Lichtmikroskopie. Die Vorrichtung umfasst ein Nahfeldmikroskop mit einer Nahfeldsonde sowie einem ersten und einem zweiten Kondensorlinsensystem.
Das Dokument EP 0 509 856 A1 offenbart ein Rasterkraftmikroskop, das mit einem optischen Mikroskop kombiniert ist.
Eine weitere Vorrichtung, in der ein Rasterkraftmikroskop mit einem optischem Mikroskop kombiniert ist, ist in dem Dokument EP 0 527 448 A2 offenbart.
Aus dem Dokument US 5 260 824 A ist ein Rasterkraftmikroskop bekannt, welches ergänzend über eine Kondensorbeleuchtung zur Lichtmikroskopie verfügt.
Zusammenfassung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum sondenmikroskopischen Untersuchen einer Probe, insbesondere zum rastersondenmikroskopischen Untersuchen, anzugeben, mit denen die Möglichkeit, die Probe mittels verschiedener mikroskopischer Techniken unter Verwendung eines kombinierten Systems von Messeinrichtungen gleichzeitig zu untersuchen, verbessert sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zum sondenmikroskopischen Untersuchen einer Probe nach dem unabhängigen Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum sondenmikroskopischen Untersuchen einer Probe nach dem unabhängigen Anspruch 18 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindungen sind Gegenstand von abhängigen Unteransprüchen.
Auf diese Weise ist es ermöglicht, dass von der Kondensorbeleuchtung abgegebene Kondensorlicht in einer für den jeweiligen Anwendungsfall gewünschten Art und Weise vom Ausgang der Kondensorbeleuchtung in den Bereich der Probenaufnahme zu führen, um dort die auf der Probenaufnahme für die mikroskopische Untersuchung angeordnete Probe der Messaufgabe entsprechend auszuleuchten. Mit der Kondensorbeleuchtung wird eine Ausleuchtung der Probe für die optische Mikroskopie bereitgestellt. Es handelt sich insoweit um eine für die optische Mikroskopie in bestimmter Art und Weise ausgeführte Mikroskopbeleuchtung, die eine so genannte Köhlersche Beleuchtung realisiert. Letztere umfasst neben einer Lichtquelle üblicherweise ein oder mehrere optische Elemente, insbesondere eine Kondensorlinse auf der der Probe zugewandten Seite. Das Köhlersche Beleuchtungsprinzip als solches ist bekannt und wird deshalb nicht weiter erläutert. Die eine Köhlersche Beleuchtung realisierende Kondensorbeleuchtung kann eine selbständige Baueinheit bilden, die von der übrigen Vorrichtung zum sondenmikroskopischen Untersuchen der Probe getrennt werden kann. Derartige Baueinheiten sind auch kommerziell verfügbar. Aber auch eine teilweise oder vollständige Integration der Kondensorbeleuchtung in die Vorrichtung kann vorgesehen sein.
Folgend auf den Ausgang der Kondensorbeleuchtung gelangt das hiermit erzeugte Licht, nämlich das Kondensorlicht entlang eines Kondensorlichtweges zu der Probe auf der Probenaufnahme. Ohne das vorgesehene optische System zum Abbilden des von der Kondensorbeleuchtung abgegebenen Kondensorlichtes in den Bereich der Probenaufnahme, welches insoweit ein optisches Abbildungssystem bildet, ist die Ausbreitung des Kondensorlichtes entlang des Kondensorlichtweges vom Ausgang der Kondensorbeleuchtung zu der Probenaufnahme von der Konfiguration der Kondensorbeleuchtung abhängig. Mit Hilfe des optischen Systems wird nun im Bereich des Kondensorlichtweges eingegriffen, um das Kondensorlicht, wahlweise in abgewandelter Form, in dem Probenaufnahmebereich abzubilden. Hierbei bleiben vorzugsweise möglichst viele Eigenschaften des Kondensorlichtes, wie es von der Kondensorbeleuchtung abgegeben wird, erhalten. Mit Hilfe des optischen Systems kann gezielt eingestellt werden, welche der Kondensorlichtparameter verändert und welche aufrechterhalten werden sollen.
Die Sondemikroskopeinrichtung ist konfiguriert, messbedingte Bewegungen der Messsonde bei der sondenmikroskopischen Untersuchung der Probe mittels des Messprinzips eines Lichtzeigers zu erfassen. Das Lichtzeigerprinzip bedeutet, dass Messlichtstrahlen von einer zugeordneten Lichtquelle, beispielsweise einer Lasereinrichtung, zu der Messsonde geführt werden. Dort werden die Messlichtstrahlen in Abhängigkeit von der Stellung der Messsonde wenigstens teilweise reflektiert und auf einen Detektor geleitet. Mit Hilfe dieses Lichtzeigerprinzips können Schwingungen, Verbiegungen oder Verlagerungen der Messsonde bei der sondenmikroskopischen Untersuchung der Probe erfasst werden. Üblicherweise befindet sich zu diesem Zweck eine geeignete Reflexionsfläche an der Messsonde.
Durch das optische System hindurch ist ein Apertur-Beleuchtungsweg für eine zusätzliche Beleuchtung gebildet. Hierbei kann sich der Apertur-Beleuchtungsweg alle oder nur einen Teil der Elemente des optischen Systems erfassend durch dieses hindurch erstrecken.
Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das optische System den Kondensorlichtweg verlängernd ausgeführt ist. Bei dieser Ausführungsform wird der Kondensorlichtweg, wie er sich ohne Nutzung des optischen Systems, also in Abhängigkeit der Konfiguration der Kondensorbeleuchtung, ergeben würde, verlängert. Auf diese Weise kann der Abstand zwischen dem Ausgang der Kondensorbeleuchtung und dem Bereich der Probenaufnahme vergrößert werden, was insbesondere hinsichtlich einer Bauhöhe der Messvorrichtung Beschränkungen vermeidet. Alternativ kann der sich ursprünglich ergebende Kondensorlichtweg auch verkürzt werden.
Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Kondensorlichtweg durch ein lichttransparentes Haltebauteil, welches die Messsonde aufnimmt, hindurch gebildet ist. Ergänzend oder alternativ kann sich der Kondensorlichtweg auch durch weitere Bauteile der Sondenmikroskopeinrichtung erstrecken, welche wenigstens teilweise aus einem lichttransparenten Material und als Haltebauteile, optische Elemente oder Trägerbauteile ausgeführt sind.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Kondensorlichtweg zumindest abschnittsweise durch die Sondenmikroskopeinrichtung hindurch gebildet ist. Hierbei kann in einer Ausgestaltung der Kondensorlichtweg im wesentlichen auch vollständig durch die Sondenmikroskopeinrichtung hindurch gebildet sein. Dieses bedeutet, dass der Ausgang der Kondensorbeleuchtung unmittelbar benachbart oder sogar innerhalb der Sondenmikroskopeinrichtung angeordnet ist und das Kondensorlicht anschließend im wesentlichen innerhalb der Sondenmikroskopeinrichtung geführt ist.
Bevorzugt sieht eine Fortbildung der Erfindung vor, dass das optische System wenigstens einen Kondensorlichtparameter ausgewählt aus der folgenden Gruppe von Kondensorlichtparametern aufrechterhaltend ausgeführt ist: Intensitätsverteilung, Polarisationsverteilung, Einfallswinkelverteilung, Lage einer Austrittspupille und Lage einer Austrittsluke. Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die vorgenannten Kondensorlichtparameter alle im wesentlichen aufrechterhalten werden.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das optische System als ein Mehrlinsensystem mit mehreren optischen Linsen ausgeführt ist. In einer einfachen Ausführungsform kann das Mehrlinsensystem als ein Zweilinsensystem gebildet sein. Unabhängig von der Anzahl der optischen Linsen ist in einer bevorzugten Weiterbildung vorgesehen, dass wenigstens ein Teil der optischen Linsen über eine Brennweite von höchstens 20 mm verfügt.
Eine Weiterbildung der Erfindung kann vorsehen, dass die mehreren optischen Linsen eine gleiche Brennweite aufweisen. Alternativ können wenigstens zwei der optischen Linsen eine unterschiedliche Brennweite aufweisen.
Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das optische System einen Abbildungsmaßstab von 1:1 realisierend gebildet ist.
Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass durch das optische System hindurch ein Messlichtstrahlenweg für Messlichtstrahlen gebildet ist. Die Messlichtstrahlen dienen der Messwerterfassung im Rahmen der sondenmikroskopischen Untersuchung (Lichtzeigerprinzip). Es kann sich hierbei um Messlichtstrahlen handeln, die auf dem Weg zur Messsonde sind, und/oder um Messlichtstrahlen, die von der Messsonde weggeführt werden, zum Beispiel zu einer Detektoreinheit. Erzeugt werden die Messlichtstrahlen beispielsweise mit einer Lasereinrichtung, insbesondere einer Laserdiode. Der Messlichtstrahlenweg kann teilweise oder im wesentlichen vollständig durch das optische System verlaufen. Hierbei kann sich der Messlichtstrahlenweg alle oder nur einen Teil der Elemente des optischen Systems erfassend durch dieses hindurch erstrecken.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Kondensorbeleuchtung das Kondensorlicht lichtkegelförmig abgebend gebildet ist. Ein lichtkegelförmiger Verlauf des Kondensorlichtes wird insbesondere mittels der Kondensorlinse der Kondensorbeleuchtung erzeugt, die vorzugsweise dem Ausgang der Kondensorbeleuchtung unmittelbar vorgelagert ist.
Bevorzugt sieht eine Fortbildung der Erfindung einen optischen Beobachtungskanal vor, welcher für die optische Mikroskopie der Probe konfiguriert ist. Die Ausbildung des optischen Beobachtungskanals ermöglicht es, durch diesen hindurch die Probe mittels optischer Mikroskopie auf der Probenaufnahme in gleicher Position zu beobachten wie dies für die sondenmikroskopische Untersuchung der Fall ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das optische System wenigstens teilweise in dem optischen Beobachtungskanal gebildet ist.
Eine Weiterbildung der Erfindung kann vorsehen, dass der optische Beobachtungskanal konfiguriert ist, die Probe bei der optischen Mikroskopie in einer Durchlichtkonfiguration zu untersuchen.
Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der optische Beobachtungskanal konfiguriert ist, die Probe bei der optischen Mikroskopie in einer Auflichtkonfiguration zu untersuchen.
Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung kann eine an den optischen Beobachtungskanal optisch gekoppelte optische Mikroskopeinrichtung vorgesehen sein. Bei der Mikroskopeinrichtung handelt es sich beispielsweise um ein Lichtmikroskop zur Beobachtung der zu untersuchenden Probe auf der Probenaufnahme.
Bevorzugt sieht eine Fortbildung der Erfindung vor, dass die Sondemikroskopeinrichtung als eine Mikroskopeinrichtung ausgewählt aus der folgenden Gruppe von Mikroskopeinrichtungen ausgeführt ist: Rastersondenmikroskop, Nahfeldmikroskop und Rasterkraftmikroskop.
Eine zweckmäßige Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass eine numerische Apertur eines Öffnungswinkels des optischen Systems zur Probenaufnahme hin größer als etwa 0,20, bevorzugt größer als etwa 0,25 und weiter bevorzugt größer als etwa 0,30 ist.
Die vorangehend im Zusammenhang mit vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung zum sondenmikroskopischen Untersuchen einer Probe gemachten Ausführungen und Erläuterungen gelten für die zugehörigen Verfahrensgestaltungen des Verfahrens zum sondenmikroskopischen Untersuchen einer Probe entsprechend.
Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Figuren einer Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Beleuchtung einer Probe mit Kondensorlicht für eine optische Mikroskopie in einer Durchlicht-Konfiguration,
2 eine schematische Darstellung einer Beleuchtung einer Probe mit Kondensorlicht für eine optische Mikroskopie in einer Durchlicht-Konfiguration, wobei einer Kondensorbeleuchtung nachgelagert ein optisches System zum Abbilden des von der Kondensorbeleuchtung abgegebenen Kondensorlichtes auf die Probe vorgesehen ist,
3 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum sondenmikroskopischen Untersuchen einer Probe, bei der zusätzlich ein Lichtmikroskop in einer Durchlicht-Konfiguration vorgesehen ist,
4 eine vergrößerte Darstellung des Bereiches einer Probenaufnahme bei der Vorrichtung in 3,
5 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum sondenmikroskopischen Untersuchen einer Probe, bei der zusätzlich ein Lichtmikroskop in einer Durchlicht-Konfiguration vorgesehen ist, wobei im Vergleich zu 3 eine versetzte Detektionseinheit gebildet ist,
6 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum sondenmikroskopischen Untersuchen einer Probe, bei der zusätzlich ein Lichtmikroskop in einer Durchlicht-Konfiguration vorgesehen ist, wobei ein zusätzlicher Beleuchtungsstrahlengang gebildet ist,
7 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum sondenmikroskopischen Untersuchen einer Probe, bei der zusätzlich ein Lichtmikroskop in einer Auflicht-Konfiguration vorgesehen ist,
8 eine schematische Darstellung eines optischen Systems mit zwei Linsen, wobei Strahlengänge für drei vertikale Stellungen der zwei Linsen gezeigt sind,
9 eine schematische Darstellung eines optischen Systems mit vier Linsen, die alle die gleiche Brennweite aufweisen, wobei Strahlengänge für drei vertikale Stellungen der vier Linsen gezeigt sind, und
10 eine schematische Darstellung eines optischen Systems mit vier Linsen, die unterschiedliche Brennweiten aufweisen, wobei Strahlengänge für zwei vertikale Stellungen der vier Linsen gezeigt sind.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Beleuchtung einer Probe 42 mit Kondensorlicht für eine optische Mikroskopie in einer Durchlicht-Konfiguration. Die auf einem Probenhalter 41 angeordnete Probe 42 wird mit Kondensorlicht beleuchtet, welches nach dem Verlassen einer Kondensorbeleuchtung 300 einen Kondensorlichtweg 301 durchläuft. Das Kondensorlicht dient zum Ausleuchten der Probe 42, so dass diese mit Hilfe eines Lichtmikroskops 400 lichtmikroskopisch untersucht werden kann. Die dargestellte Anordnung entspricht einer bekannten Durchlicht-Konfiguration. Der Abstand zwischen dem Ausgang der Kondensorbeleuchtung 300 und der Probe 42 auf der Probenaufnahme 41 wird typischerweise so gewählt, dass eine Austrittsluke der Kondensatorbeleuchtung 300 in der Ebene der Probe 42 zum Liegen kommen. Die Austrittsluke wird also in die Ebene der Probe 42 abgebildet. Der so gefundene Abstand entspricht einem Arbeitsabstand der Kondensorbeleuchtung 300.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Anordnung zum Beleuchten der Probe 42 mit Kondensorlicht, welches von der Kondensorbeleuchtung 300 in den Kondensorlichtweg 301 abgegeben wird, wobei nun ein optisches System 302 in den Kondensorlichtweg 301 eingebracht ist und so dessen Verlauf beeinflusst. Mit Hilfe des optischen Systems 302 wird das Kondensorlicht, welches von der Kondensorbeleuchtung 300 abgegeben wird, in den Bereich der Probenaufnahme 41 auf die Probe 42 abgebildet.
Das von dem optischen System 302 beeinflusste Kondensorlicht gelangt zu der Probe 42 in Form eines geänderten Kondensorlichtes 303, welches auch als geändertes Kondensorlichtbündel bezeichnet werden kann. Mit Hilfe des optischen Systems 302 erfolgt so eine Transformation des von der Kondensorbeleuchtung 300 abgegebenen Kondensorlichtes in das geänderte Kondensorlichtbündel, so dass weiterhin eine optimale Ausleuchtung der Probe 42 für die optische Mikroskopie mit Hilfe des Lichtmikroskops 400 gewährleistet wird. Der Kondensorlichtweg 301 wird im Vergleich zu der bekannten Anordnung in 1 mit Hilfe des optischen System 302 unter Aufrechterhaltung der für die Ausleuchtung der Probe 42 mit Kondensorlicht notwendigen Parameter des Kondensorlichtes verlängert. Auf diese Weise werden Einbußen, insbesondere hinsichtlich einer Bildhelligkeit, einer Auflösung und eines Kontrastes des optischen Bildes bei der Lichtmikroskopie vermieden, die bei Vergrößerung des Abstandes zwischen Ausgang der Kondensorbeleuchtung 300 und der Probe 42 ohne Verwendung des optischen Systems 302 auftreten können. Insbesondere kommt auch hier die transformierte Austrittsluke wieder in der Ebene der Probe 42 zu liegen.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum sondenmikroskopischen Untersuchen der Probe 42 auf der Probenaufnahme 41 mit einer Sondenmikroskopeinrichtung 100, die beispielsweise als ein Rastersondenmikroskop ausgeführt ist. Mit Hilfe einer Verlagerungseinheit 40 können die Probe 42 und die Probenaufnahme 41 in drei Dimensionen räumlich exakt verlagert werden, um die sondenmikroskopische Untersuchung der Probe 42 auszuführen. Die Verlagerungseinheit 40 ist beispielsweise mit Hilfe von piezo-elektrischen Stellelementen gebildet. Es können jedoch beliebige Arten von Verlagerungseinheiten genutzt werden, mit denen eine exakte Positionierung einer von einem Messsondenhalter 2 aufgenommenen Messsonde 1 und der Probe 42 relativ zueinander dreidimensional eingestellt werden kann.
Der Messsondenhalter 2 ist über ein Ringbauteil 3 befestigt, welches über eine zweidimensionale laterale Verlagerungseinrichtung 4 relativ zu einem Kopfkorpus 101 verstellt werden kann. Die Verlagerungseinrichtung 4 erlaubt es, den Messsondenhalter 2 zusammen mit der hieran befestigten Messsonde relativ zu einer Linse 53 lateral zu verschieben und so die Messsonde 1, welche vorzugsweise als ein Cantilever ausgeführt ist, in den Bereich des Fokus von Messlichtstrahlen 500 zu bringen. Die Eignung der Sondenmikroskopeinrichtung 100 für Messungen der Probe 42 in einer Flüssigkeit setzt eine definierten Übergang zwischen Luft und der Flüssigkeit voraus, bei der es sich beispielsweise um Wasser handelt. Dieses wird mit Hilfe des Messsondenhalters 2 vermittelt, der dann als Glastopf oder Glasprisma ausgeführt ist. Die im Strahlengang liegenden Flächen des Messsondenhalters 2 sind so gestaltet, dass der Kondensorlichtweg 301 nicht behindert wird.
Der Messsondenhalter 2 weist bevorzugt eine Nut oder eine Fläche auf, die einen zur Ebene der Probenaufnahme 41 und somit zur hierauf angeordneten Probe 42 geneigten Einbau der Messsonde 1 erlaubt.
Oberhalb der Sondenmikroskopeinrichtung 100 ist über dem Kopfkorpus 101 die Kondensorbeleuchtung 300 angeordnet, welche sich in einem Kegel ausbreitendes Kondensorlicht in den Kondensorlichtweg 301 abgibt. Der Kondensorlichtweg 301, welcher sich bis zu der Probe 42 erstreckt, verläuft im wesentlichen mittig durch den Kopfkorpus 101, der zu diesem Zweck eine Öffnung 102 aufweist.
Das in 2 oben schematisch gezeigte optische System 302 in dem Kondensorlichtweg 301 wird bei der Vorrichtung in 3 von einem zentralen Optiktubus 103 gebildet, welcher ein Linsensystem mit optischen Linsen 53, 54, 55, 64 sowie einen Strahlteilerwürfel 56 umfasst, Das Kondensorlicht verläuft durch den zentralen Optiktubus 103 und dann weiter durch das Ringbauteil 3 sowie den als Glasbauteil ausgeführten Messsondenhalter 2, um schließlich die auf dem Probenhalter 41 angeordnete Probe 42 zu beleuchten. Bei dem Probenhalter 41 handelt es sich beispielsweise um einen kommerziell verfügbaren Objektträger oder eine Petrischale.
Die in 3 dargestellte Vorrichtung mit der Sondenmikroskopeinrichtung 100, die vorzugsweise für eine Rastersondenmikroskopie konfiguriert ist, ermöglicht somit eine Beleuchtung der Probe 42 mit Kondensorlicht, auch wenn die Probe 42 auf dem Probenhalter 41 für die sondenmikroskopische Untersuchung angeordnet ist. Das Kondensorlicht kann sich entlang des Kondensorlichtweges 301 bis zu einer Objektebene 32 des zentralen Optiktubusses 103 ausbreiten und wird von dort mittels der optischen Elemente des zentralen Optiktubusses im Abbildungsmaßstab 1:1 in den Bereich des Probenhalters 41 in die dort befindliche Bildebene abgebildet. Bildebene und Ebene der Probe 42 fallen im Messbetrieb zusammen.
Mittels der in 3 dargestellten Vorrichtung kann die Probe 42 sondenmikroskopisch untersucht werden. Zu diesem Zweck erzeugt eine vorzugsweise als Laser ausgebildete Lichtquelle 62 Messlichtstrahlen 500, die durch eine Kollimationslinse 61 zu einem kollimierten Strahl gebündelt werden. Der kollimierte Strahl verläuft durch einen linearen Polarisator 60 und eine λ/4-Platte 59 und wird dann mittels einer in allen drei Raumrichtungen verstellbaren Linse 58 fokussiert. Der fokussierte und jetzt zirkular polarisierte Messlichtstrahl hat hierbei seine kleinste Einschnürung im optischen Fokuspunkt der Linse 58. Die kleinste Einschnürung wird deshalb beim Verschieben der Linse 58 gleichfalls mit verschoben. Um die Linse 58 in den drei Raumrichtungen verstellen zu können, ist diese an einer Verlagerungseinrichtung 5 befestigt, die das Verstellen der Linse 58 in den drei Raumrichtungen relativ zum Kopfkorpus 101 erlaubt.
Der so fokussierte Messlichtstrahl wird dann durch eine Linse 57 wieder kollimiert und über den Strahlteilerwürfel 56 in den zentralen Optiktubus 103 eingekoppelt. Dort gelangt der Messlichtstrahl nach dem Passieren der Linsen 55, 54, 53 auf die Rückseite der Messsonde 1. Hierbei wird er fokussiert. Die numerische Apertur der Linse 53 ist hinreichend groß, um einen kleinen Fokusspot auf der Rückseite der Messsonde 1 zu erzeugen.
Hat die Lichtquelle 62 bereits selbst eine lineare Polarisierung, so kann sie so eingebaut werden, dass eine optimale Transmission durch den linearen Polarisator 60 in Richtung der Linse 58 gewährleistet ist.
Der Strahlteilerwürfel 56 zum Ein- und Auskoppeln der Messlichtstrahlen 500 kann entweder als Strahlteiler mit einem festen Teilungsverhältnis über den gesamten interessierenden spektralen Bereich oder aber wellenlängenselektiv ausgeführt werden. Hierbei ist einer wellenlängenselektiven Ausspiegelung der Vorzug zu geben, da hierdurch weniger des von oben auftreffenden Kondensorlichtes ungewollt ausgespiegelt wird.
Dem Lichtzeigerprinzip entsprechend werden die auf die Messsonde 1 einfallenden Messlichtstrahlen 500 in Form des Laserlichtes reflektiert und wieder von der Linse 53 gesammelt. Anschließend werden sie durch den zentralen Optiktubus 103 geleitet und mittels des Strahlteilerwürfels 56 ausgekoppelt. Nach dem wiederholten Passieren der λ/4-Platte 59 hat sich die Polarisationsebene der reflektierten Messlichtstrahlen um 90° gedreht. Folglich werden die reflektierten Messlichtstrahlen jetzt durch den als Strahlteilerwürfel ausgeführten linearen Polarisator 60 in Richtung einer Photodiode 63 reflektiert.
Die Photodiode 63 weist zweckmäßig eine Empfängerfläche mit zwei Segmenten auf. In Abhängigkeit von einer Verbiegung der Messsonde 1 ändert sich die Verteilung der reflektierten Messlichtstrahlen zwischen den beiden Segmenten der Empfängerfläche der Photodiode 63. Die im Bereich der beiden Segmente erzeugten Signale sind ein Maß für die Verbiegung der Messsonde 1, wobei die Verbiegung von der Messsonde 1 wiederum Folge einer Wechselwirkung der Messsonde 1 mit der Probe 41 ist. Es handelt sich hierbei um das übliche in Rastersondenmikroskopen, insbesondere Rasterkraftmikroskopen genutzte Messprinzip, welches deshalb nicht weiter ausgeführt wird. Die Photodiode 63 ihrerseits ist mit Hilfe einer Verstelleinheit 6 an den Kopfkorpus 101 montiert. Mit der Verstelleinheit 6 kann die Photodiode 63 so eingestellt werden, dass diese optimal vom Messlichtstrahl beleuchtet wird.
Es gibt mehrere Möglichkeiten zum Positionieren des Fokus der Messlichtstrahlen 500 auf die Messsonde 1. Zum einen kann der Messsondenhalter 2 zusammen mit der Messsonde 1 relativ zu der die Fokussierung ausführenden Linse 53 mittels der Verlagerungseinheit 4 lateral in zwei Dimensionen verstellt werden. Zum anderen kann mittels Verstellen der Linse 58 in den drei Raumrichtungen mit einem Versteller 5 der Laserspot nach der Linse 53 über der jetzt feststehenden Messsonde 1 ebenfalls in drei Dimensionen verstellt werden.
Der aus der Kondensorbeleuchtung 300 austretende Lichtkegel wird mit Hilfe des zentralen Optiktubusses 103 im Verhältnis 1:1 in die Ebenen der Probe 42 abgebildet. Die optischen Linsen 53, 54, 55, 64 im zentralen Optiktubus 103 sind in ihren relativen Abständen so angeordnet, dass sich einander zugewandte optische Fokuspunkte benachbarter Linsen 53, 54; 54, 55; 55, 64 jeweils in einem gemeinsamen Punkt treffen. Die Brennweiten der Linsen 53, 54, 55, 64 sind hierbei so dimensioniert, dass sie als Gesamtsystem ein optisches System mit einem Abbildungsmaßstab 1:1 bilden.
Das Öffnungsverhältnis der einzelnen Linsen 53, 54, 55, 64 ist so dimensioniert, dass ein möglichst großer Öffnungskegel für das Kondensorlicht durch den zentralen Optiktubus 103 gelangen kann, vorzugsweise mit einer numerischen Apertur von größer etwa 0,20, bevorzugt von größer etwa 0,25 und weiter bevorzugt von größer etwa 0,30 in der Objekt- und Bildebene. Bei dem großen Öffnungskegel und der numerischen Apertur von größer 0,25 handelt es sich um konstruktive Gestaltungen, die unabhängig von dem beschriebene Ausführungsbeispiel bevorzugt sind. Der zentrale Optiktubus 103 wird unten unter Bezugnahme auf die 8 bis 10 weiter erläutert.
Ein weiterer Vorteil der beschriebenen Vorrichtung besteht darin, dass mit dem Kondensorlichtweg 301 und der Abbildung mittels des zentralen Optiktubusses 103 eine Möglichkeit geschaffen ist, die zu vermessende Probe 42 durch den zentralen Optiktubus 103 hindurch mittels eines Auflichtmikroskops zu beobachten (vgl. 7 unten). Der zentrale Optiktubus 103 wird hierbei gleichzeitig als Teil des Beobachtungs- und Beleuchtungskanals verwendet, welcher auch während der sondenmikroskopischen Untersuchung der Probe 42 zur Verfügung steht.
4 zeigt einen Ausschnitt der Vorrichtung aus 3 vergrößert.
5 zeigt eine weitere Vorrichtung zum sondenmikroskopischen Untersuchen einer Probe. Im Unterschied zu der Ausführungsform in 3 ist die Detektion der an der Messsonde 2 reflektierten Messlichtstrahlen mit Hilfe der λ/4-Platte 49, des linearen Polarisators 60, der Photodiode 63 und der Verstelleinheit 6 zwischen die Linse 57 und die Linse 58 verlagert.
6 zeigt eine andere Vorrichtung zum sondenmikroskopischen Untersuchen einer Probe mit einem Durchlicht-Mikroskop, wobei ein zusätzlicher Beleuchtungsstrahlengang (Aperturbeleuchtung) gebildet ist. Es ist eine zweite Strahleinkopplung für eine zweite Lichtquelle 69 zum zusätzlichen Beleuchten der Messsonde 1 hinzugefügt. Die zusätzliche Beleuchtung ist beispielsweise bei einer Apertur eines Nahfeldmikroskops erforderlich, wo eine kleine Apertur in der Spitze der Messsonde 1 beleuchtet werden muss.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung kann vorsehen, dass die zweite Lichtquelle 69 über eine Monomoden-Lichtleitfaser (nicht dargestellt) eingekoppelt wird.
Von der zweiten Lichtquelle 69 für die zusätzliche Beleuchtung abgegebenes Licht 501, welches gegebenenfalls divergent aus einem Lichtleitfaserende austritt, wird mittels einer Linse 68 kollimiert und dann mit Hilfe einer in allen drei Raumrichtungen verstellbaren Linse 67 fokussiert. Der fokussierte Laserstrahl hat hierbei seine kleinste Einschnürung im optischen Fokuspunkt der Linse 67, wodurch diese beim Verschieben der Linse 67 ebenfalls verschoben wird. Um die Linse 67 in drei Raumrichtungen verstellen zu können, ist diese an einer Verstellvorrichtung 7 montiert, die das Verstellen in den drei Raumrichtungen relativ zum Kopfkorpus 101 ermöglicht.
Der nun fokussierte Lichtstrahl wird durch eine Linse 66 kollimiert und über einen Strahlteilerwürfel 65 in den zentralen Optiktubus 103 eingekoppelt. Dort wird er nach dem Passieren der Linsen 55, 54, 53 auf die Rückseite der Messsonde 1 in die Messsonden-Apertur fokussiert. Das durch die Apertur hindurch tretende Licht kann mit der Probe 42 wechselwirken und wird dann über das Lichtmikroskop 400 gesammelt.
7 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum sondenmikroskopischen Untersuchen einer Probe 42, bei der zusätzlich ein Lichtmikroskop in einer Auflicht-Konfiguration vorgesehen ist, wobei ein zusätzlicher Beobachtungsstrahlengang gebildet ist. Im Unterschied zu der Vorrichtung in 3 ist für eine lichtmikroskopische Untersuchung der Probe 42 ein Auflichtmikroskop 401 vorgesehen. Das von der Probe 42 durch den zentralen Optiktubus 103 gelangende Licht formt in der Objektebene 32 des zentralen Optiktubusses 103 ein reelles Zwischenbild der Probe 42. Mit Hilfe des Auflichtmikroskops 401 kann das reelle Zwischenbild dann erfasst werden.
8 bis 10 zeigen schematische Darstellungen für Anordnungen mit mehreren Linsen, die zur Implementierung des vorangehend beschriebenen zentralen Optiktubusses 103 dienen. Hierbei wurde der von der zentralen Optiktubus den vorangehenden Ausführungen ebenfalls umfasste Strahlteilerwürfel 56 zur Vereinfachung der Darstellung weggelassen.
8 zeigt eine Anordnung mit zwei optischen Linsen 80, 81. Die beiden Linsen 80, 81 sind so angeordnet, dass sich einander zugewandte, optische Fokuspunkte in einem gemeinsamen Punkt treffen. Der Abbildungsmaßstab dieses optischen Systems ergibt sich aus dem Quotienten der Brennweiten der Linsen 80, 81. Um ein optisches System mit einem Abbildungsverhältnis von 1:1 zu erhalten, müssen die beiden Linsen, 80, 81 mit identischer Brennweite ausgestattet sein.
Der Vorteil eines solchen optischen Systems ist die Unabhängigkeit des Vergrößerungsverhältnisses und des Original-Bild-Abstandes von der Lage des Doppellinsensystems zwischen Originalebene (oben in 8) und Bildebene (unten in 8).
Die drei Darstellungen in 8 zeigen den Strahlengang für drei vertikale Stellungen. In der mittleren Darstellung befindet sich das Doppellinsensystem genau mittig zwischen Original- und Bildebene. In den beiden anderen Darstellungen ist das Doppellinsensystem jeweils um einen Betrag nach oben beziehungsweise nach unten verschoben. Es ergibt sich, dass sich die vertikale Lage der Original- und der Bildebene sowie das Abbildungsverhältnis hierbei nicht verändern.
Allerdings wird das Bild invertiert, das heißt, ein links oben beginnendes Strahlenpaar wird nach rechts unten abgebildet. Ein Auswandern der Originalebene würde also den richtungsmäßig umgekehrten Effekt in der Bildebene nach sich ziehen. Bei Einsatz dieses Doppellinsensystems wird also eine laterale Verschiebung des Kopfkorpus 101 gegenüber der optischen Achse des Lichtmikroskops (vgl. 3) ein Auswandern der Kondensorabbildung aus der optischen Achse bewirken.
9 zeigt ein optisches System mit vier Linsen 90, 91, 92, 93, die so angeordnet sind, dass sich einander zugewandte optische Fokuspunkte in einem gemeinsamen Punkt treffen. Die Linsen 90, ..., 93 haben alle die gleiche Brennweite, so dass sich auch hier ein Abbildungsverhältnis von 1:1 ergibt.
Es sind drei Strahlengänge dargestellt. Es ergibt sich wieder die Unabhängigkeit des Abbildungsverhältnisses und der Lage von Original- und Bildebene von der vertikalen Lage des Linsensystems zwischen diesen beiden Ebenen. Insoweit verhält sich das Linsensystem in 9 wie das Doppellinsensystem in 8. Ein Unterschied besteht jedoch dahingehend, dass die Abbildung nicht invertiert wird. Ein links oben beginnendes Strahlenpaar endet hier auch links unten. Beim Einsatz des Linsensystems aus 9 würde also eine laterale Verschiebung des Kopfkorpus 101 gegenüber der optischen Achse des Lichtmikroskops 400 kein Auswandern der Kondensorabbildung aus der optischen Achse bewirken.
10 zeigt ein optisches System mit ebenfalls vier Linsen 94, 95, 96, 97, die jedoch unterschiedliche Brennweiten aufweisen. Alle vier Linsen 94, ..., 97 sind so angeordnet, dass sich einander zugewandte optische Fokuspunkte in einem gemeinsamen Punkt treffen. Die beiden inneren Linsen 95, 96 und die beiden äußeren Linsen 94, 97 haben die gleiche Brennweite. Das Ergebnis ist auch hier wieder ein Abbildungsverhältnis von 1:1. Darüber hinaus ergeben sich die gleichen Eigenschaften wie bei dem optischen System in 9. Die Freiheit bei der Auswahl der Linsen 94, ..., 97 ist bei diesem System jedoch höher.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen von Bedeutung sein.

Claims

Vorrichtung zum sondenmikroskopischen Untersuchen einer Probe mit – einer Sondenmikroskopeinrichtung (100), welche eine Probenaufnahme (41) zum Aufnehmen einer zu untersuchenden Probe (42), eine Messsonde (1) und eine Verlagerungseinheit aufweist, die konfiguriert ist, für eine sondenmikroskopische Untersuchung der Probe (42) die Probenaufnahme (41) und die Messsonde (1) relativ zueinander zu verlagern, wobei die Sondenmikroskopeinrichtung (100) konfiguriert ist, messbedingte Bewegungen der Messsonde (1) beim sondenmikroskopischen Untersuchen der Probe (42) mittels des Messprinzips eines Lichtzeigers zu erfassen; – einer Kondensorbeleuchtung (300); – einem der Kondensorbeleuchtung (300) nachgelagerten optischen System (103), welches konfiguriert ist, von der Kondensorbeleuchtung (300) in einen Kondensorlichtweg (301) abgegebenes Kondensorlicht unter wenigstens teilweiser Aufrechterhaltung von Kondensorlichtparametern, mit denen das Kondensorlicht von der Kondensorbeleuchtung (300) abgegeben wird, in den Bereich der Probenaufnahme (41) für eine optische Mikroskopie der zu untersuchenden Probe (42) abzubilden; und – einer Aperturbeleuchtung, bei der durch das optische System (103) hindurch ein Apertur-Beleuchtungsweg für eine zusätzliche Beleuchtung (501) gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das optische System (103) den Kondensorlichtweg (301) verlängernd ausgeführt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensorlichtweg (301) durch ein lichttransparentes Haltebauteil (2), welches die Messsonde (1) aufnimmt, hindurch gebildet ist.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensorlichtweg (301) zumindest abschnittsweise durch die Sondenmikroskopeinrichtung (100) hindurch gebildet ist.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optische System (103) wenigstens einen Kondensorlichtparameter ausgewählt aus der folgenden Gruppe von Kondensorlichtparametern aufrechterhaltend ausgeführt ist: Intensitätsverteilung, Polarisationsverteilung, Einfallswinkelverteilung, Lage einer Austrittspupille und Lage einer Austrittsluke.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optische System (103) als ein Mehrlinsensystem mit mehreren optischen Linsen ausgeführt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren optischen Linsen eine gleiche Brennweite aufweisen.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optische System (103) einen Abbildungsmaßstab von 1:1 realisierend gebildet ist.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch das optische System (103) hindurch ein Messlichtstrahlenweg für Messlichtstrahlen (500) gebildet ist.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensorbeleuchtung (300) das Kondensorlicht lichtkegelförmig abgebend gebildet ist.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen optischen Beobachtungskanal, welcher für die optische Mikroskopie der Probe (42) konfiguriert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das optische System (103) wenigstens teilweise in dem optischen Beobachtungskanal gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Beobachtungskanal konfiguriert ist, die Probe (42) bei der optischen Mikroskopie in einer Durchlichtkonfiguration zu untersuchen.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Beobachtungskanal konfiguriert ist, die Probe (42) bei der optischen Mikroskopie in einer Auflichtkonfiguration zu untersuchen.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 11 bis 14, gekennzeichnet durch eine an den optischen Beobachtungskanal optisch gekoppelte optische Mikroskopeinrichtung.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sondenmikroskopeinrichtung (100) als eine Mikroskopeinrichtung ausgewählt aus der folgenden Gruppe von Mikroskopeinrichtungen ausgeführt ist: Rastersondenmikroskop, Nahfeldmikroskop und Rasterkraftmikroskop.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine numerische Apertur eines Öffnungswinkels des optischen Systems (103) zur Probenaufnahme hin größer als 0,20, bevorzugt größer als 0,25 und weiter bevorzugt größer als 0,30 ist.
Verfahren zum sondenmikroskopischen Untersuchen einer Probe, mit einer Sondenmikroskopeinrichtung (100), welche eine Probenaufnahme (41) mit einer zu untersuchenden Probe (42), eine Messsonde (1) und eine Verlagerungseinheit aufweist, wobei – mittels der Verlagerungseinheit zum sondenmikroskopischen Untersuchen der Probe (42) die Probenaufnahme (41) mit der Probe (42) und die Messsonde (1) relativ zueinander verlagert werden, wobei mit der Sondenmikroskopeinrichtung (100) messbedingte Bewegungen der Messsonde (1) beim sondenmikroskopischen Untersuchen der Probe (42) mittels des Messprinzips eines Lichtzeigers erfasst werden; – mit einem einer Kondensorbeleuchtung (300) nachgelagerten optischen System (103) von der Kondensorbeleuchtung (300) in einen Kondensorlichtweg (301) abgegebenes Kondensorlicht unter wenigstens teilweiser Aufrechterhaltung von Kondensorlichtparametern, mit denen das Kondensorlicht von der Kondensorbeleuchtung (300) abgegeben wird, in den Bereich der Probenaufnahme (41) mit der Probe (42) für eine optische Mikroskopie der zu untersuchenden Probe (42) abgebildet wird; und – eine Aperturbeleuchtung ausgeführt wird, bei der in dem optischen System (103) eine zusätzliche Beleuchtung (501) entlang eines Apertur-Beleuchtungswegs geführt wird.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem optischen System (103) der Kondensorlichtweg (301) verlängert wird.
Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensorlichtweg (301) durch ein lichttransparentes Haltebauteil (2), welches die Messsonde (1) aufnimmt, hindurch geführt wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Kondensorlicht entlang des Kondensorlichtweges (301) zumindest abschnittsweise durch die Sondenmikroskopeinrichtung (100) hindurch geführt wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem optischen System (103) wenigstens ein Kondensorlichtparameter ausgewählt aus der folgenden Gruppe von Kondensorlichtparametern aufrechterhalten wird: Intensitätsverteilung, Polarisationsverteilung, Einfallswinkelverteilung, Lage einer Austrittspupille und Lage einer Austrittsluke.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass das optische System (103) das Kondensorlicht mit Abbildungsmaßstab von 1:1 abbildet.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 18 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass in dem optischen System (103) Messlichtstrahlen entlang eines Messlichtstrahlenweges geführt werden.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 18 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensorbeleuchtung (300) das Kondensorlicht lichtkegelförmig abgibt.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 18 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Probe (42) mittels der optischen Mikroskopie durch einen optischen Beobachtungskanal untersucht wird.
Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des optischen Systems (103) das Kondensorlicht wenigstens teilweise in dem optischen Beobachtungskanal geführt wird.
Verfahren nach Anspruch 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Probe (42) bei der optischen Mikroskopie in einer Durchlichtkonfiguration untersucht wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 26 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Probe (42) bei der optischen Mikroskopie in einer Auflichtkonfiguration untersucht wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 26 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Mikroskopie mittels einer an den optischen Beobachtungsweg optisch gekoppelten optischen Mikroskopeinrichtung ausgeführt wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 18 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass das sondenmikroskopische Untersuchen mit einer Mikroskopeinrichtung ausgewählt aus der folgenden Gruppe von Mikroskopeinrichtungen ausgeführt wird: Rastersondenmikroskop, Nahfeldmikroskop und Rasterkraftmikroskop.