DE19822869C2

DE19822869C2 - Optisches Nahfeldmikroskop

Info

Publication number: DE19822869C2
Application number: DE19822869A
Authority: DE
Inventors: Winfried Wiegraebe; Torsten Antrack; Ralph Lange
Original assignee: Carl Zeiss Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 1998-05-22
Filing date: 1998-05-22
Publication date: 2001-05-10
Anticipated expiration: 2018-05-23
Also published as: IL134095A0; IL134095A; DE19822869A1; EP0998689A1; WO1999061949A1; JP2002517003A; US6674057B1

Description

In Fig. 6 ist der bekannte Aufbau einer SNOM-Anordnung dargestellt.

Eine als Spitze SP ausgeformte Nahfeldsonde befindet sich in einem Abstand kleiner der Lichtwellenlänge über der Oberfläche einer transparenten Probe P.

Die Probe ist auf einem in X/Y/Z-Richtung verfahrbaren Scanningtisch STI gehaltert, so daß die Probe über die Spitze SP zeilenweise abgerastert werden kann. Die Ansteuerung des Scanningtisches STI erfolgt über eine Ansteuereinheit AE. Mittels eines Objektives O1 wird das nicht absorbierte Licht gesammelt und mittels eines hinter einem Pinhole PH zur Streulichtunterdrückung angeordneten Detektors DT, beispielsweise einer Avalanchediode oder eines PMT, seine Intensität gemessen. Daraus wird ein Bild der Oberfläche der Probe zusammengesetzt. Bekannt ist es weiterhin, den Lichtweg umzukehren und durch das Objektiv die Probe zu beleuchten, wobei das transmittierte Licht durch die Spitze SP eingesammelt wird.

Durch die Scanbewegung der Probe ergeben sich Einschränkungen der Probengeometrie und der maximal erreichbaren Scangeschwindigkeit.

Einer Scanbewegung der Spitze steht entgegen, daß sich Sonde und optischer Aufbau gegeneinander bewegen. Dadurch ist es z. B. nicht möglich, das von der Sonde emittierte Licht konfokal zu detektieren bzw. die zu untersuchende Probenstelle konfokal zu beleuchten. Ersteres ist vorteilhaft zur Streulichtunterdrückung, die zweite Anordnung verhindert das Ausbleichen von Farbstoffen bei Fluoreszenzmessungen. Des weiteren ist das Ausblenden größerer oder kleinerer Aperturen nicht möglich.

EP 507628 A2 beschreibt ein Nahfeldmikroskop gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

US 5560255 beschreibt ein als Kraftmikroskop ausgebildetes Nahfeldmikroskop. Aufgabe der Erfindung ist es, die Probenoberfläche ohne Störungen durch die Probengeometrie oder durch Streulicht mit hoher Geschwindigkeit abzutasten.

Die Aufgabe wird durch ein optisches Nahfeldmikroskop gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst.

Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1: Eine erste optische Anordnung mit der Sonde als Lichtquelle.

Fig. 2: Eine weitere Ausführung,

Fig. 3: Eine weitere Ausführung

Fig. 4: Die bewegte Sondenspitze in einem inversen mikroskopischen Strahlengang eines Laser-Scanning-Mikroskopes

Fig. 5: Die bewegte Sondenspitze zur Detektion mit einem LSM-Strahlengang zur Probenbeleuchtung

Fig. 6: Einen bekannten Aufbau einer SNOM-Anordnung

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung, bei der die Sonde SP in einer Scaneinheit STI1, beispielsweise einem Piezoscanner gelagert ist und eine Scanbewegung ausführt.

Über ein Wegmeßsystem WM wird die Momentanposition der Sonde SP erfaßt und mittels einer Scaneinheit STI2 das Pinhole PH entsprechend nachgeführt.

Hat der Detektor DT eine ausreichend große empfindliche Fläche, muß er nicht bewegt werden, ansonsten kann er gemeinsam mit dem Pinhole PH durch STI2 bewegt werden.

Das Wegmeßsystem WM sowie die Scaneinheit STI2 sind mit der Ansteuereinheit AE verbunden.

In Fig. 2 erfolgt statt einer Nachführung des Pinholes PH die Ansteuerung eines dem Objektiv O1 nachgeordneten Scanspiegels SM, der über die Ansteuereinheit AE entsprechend der Bewegung der Spitze SP so angesteuert wird, daß die Spitze der Sonde SP immer auf das Pinhole PH abgebildet wird.

In den in Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsformen kann der Lichtweg umgekehrt werden. Die Sondenspitze wird konfokal beleuchtet und das von der Sonde gesammelte Licht wird dem Detektor zugeführt.

In Fig. 3 ist ein Aufbau realisiert der auf der Detektionsseite ohne bewegliche Teile auskommt. Die einzelnen Pixel einer CCD-Kamera übernehmen die Funktion des konfokalen Pinholes. Durch das Wegmeßsystem WM und die Ansteuereinheit AE wird sichergestellt, daß nur die konfokal beleuchteten Pixel aktiv sind.

In Fig. 4 und 5 ist das Optische Nahfeldmikroskop SNOM oberhalb des Objekttisches eines inversen Lichtmikroskopes M angeordnet.

An diesem Lichtmikroskop befindet sich das Scanmodul S eines konfokalen Laser- Scanning-Mikroskopes (LSM) oder Teile davon.

Ein Lasermodul LM beinhaltet Laser L zur Beleuchtung der Probe P über Lichtleitfasern LF1, LF2.

Die Laser werden über Teilerspiegel TS zusammengeführt und über einen AOTF sowie eine Einkoppeleinheit EO in die Lichtleitfasern LF1, 2 eingekoppelt.

Der Scankopf S kann sowohl an den Phototubus eines aufrechten Mikroskopes sowie auch an einen seitlichen Ausgang eines inversen Mikroskopes M, wie dargestellt, angesetzt werden.

Der mikroskopische Strahlengang in der Mikroskopeinheit M besteht aus Lichtquelle LQ, Beleuchtungsoptik O2, Strahlteiler ST1, Objektiv O3, Probe P, sowie in Richtung der Beobachtung aus einer ersten Tubuslinse TL1, einer zweiten Tubuslinse TL2 und einem Strahlteiler ST zur Ein- bzw. Auskopplung des Scanstrahls.

Das Licht der Laser L wird in Fig. 5 in die Spitze SP des SNOM eingekoppelt. Die eigentliche Scaneinheit S besteht aus Scanningobjektiv SL, Scanner SC mit nicht dargestellten Scanspiegeln, Umlenkspielgel SP und einer gemeinsamen Abbildungsoptik O4 für die Detektionskanäle.

Der Umlenkspiegel SP nach der Abbildungsoptik O4 spiegelt die von der Probe P kommende Strahlung in Richtung dichroitischer Strahlteiler DS1-3 im konvergenten Strahlengang der Abbildungsoptik O4, denen in Richtung und senkrecht zur optischen Achse verstellbare und in ihrem Durchmesser veränderbare Pinholes PH1-4, individuell für jeden Detektionskanal sowie Emissionsfilter und geeignete Empfängerelemente nachgeordnet sind.

Wiederum wird über das Wegmeßsystem WM die aktuelle Position der Spitze SP ermittelt und über die Ansteuereinheit AE der Scanspiegel SC des LSM- Scanmoduls S so angesteuert, daß die Spitze SP auf die Pinholes PH1-4 abgebildet wird.

In Fig. 5 wird das transmittierte Licht durch die Spitze SP und einen Detektor DT detektiert.

Die Beleuchtung bzw. Fluoreszenzanregung erfolgt durch den konfokalen Beleuchtungsstrahlengang des LSM-Scanmodules S.

Die Einkopplung der Lichtleitfasern LF1, LF2 erfolgt mittels einer verschieblichen Kollimationsoptik KO sowie Strahlumlenkelementen ST2.

Mittels eines teildurchlässigen Spiegels ST3 wird ein Überwachungsstrahlengang in Richtung einer Monitordiode MD, der, vorteilhaft auf einem nicht dargestellten drehbaren Filterrad Linienfilter LF sowie Neutralfilter ND vorgeordnet sind, ausgeblendet.

Der Beleuchtungsfleck wird mittels des Scanspiegels SC, dem Wegmeßsystem WM und der Ansteuereinheit AE der Bewegung der Spitze über STI1 nachgeführt.

Claims

1. Optisches Nahfeldmikroskop,

- mit einer Sondenspitze als Punktlichtquelle, die über die Oberfläche einer zu untersuchenden Probe rasterförmig hinweg bewegt wird
- und mit einer Detektionseinheit jenseits der Probe, die das von der Probe abgegebene Licht detektiert,

dadurch gekennzeichnet,

- dass die Detektionseinheit als lokal registrierende Detektionseinheit ausgebildet ist
- und dass eine zu der rasterförmigen Sondenbewegung synchrone Nachführung der Detektionseinheit erfolgt.

2. Optisches Nahfeldmikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinheit als Flächendetektor mit vorgeschalteter Lochblende ausgebildet ist.

3. Optisches Nahfeldmikroskop nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine zu der rasterförmigen Sondenbewegung synchrone Nachführung der Lochblende erfolgt.

4. Optisches Nahfeldmikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinheit einen elementweise auslesbaren Detektor aufweist.

5. Optisches Nahfeldmikroskop nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachführung vermittels eines Scanspiegels erfolgt.

6. Optisches Nahfeldmikroskop nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Scanspiegel Bestandteil eines Laserscanmikroskopes ist.

7. Optisches Nahfeldmikroskop,

- mit einer Lichtquelle, die über die Oberfläche einer zu untersuchenden Probe rasterförmig hinweg bewegt wird
- und mit einer Detektionseinheit jenseits der Probe, die das von der Probe abgegebene Licht detektiert,

dadurch gekennzeichnet,

- dass eine Nahfeldsondenspitze vorgesehen ist, die das von der Probe abgegebene Licht lokal registriert und der Detektionseinheit zuführt
- und dass eine zu der rasterförmigen Bewegung der Lichtquelle synchrone Nachführung der Nahfeldsondenspitze erfolgt.

8. Optisches Nahfeldmikroskop nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtung der Probe über den Scanspiegel eines Laserscanmikroskopes erfolgt.