DE4124707C2

DE4124707C2 - Abtastmechanismus, insbesondere für ein Rastermikroskop

Info

Publication number: DE4124707C2
Application number: DE4124707A
Authority: DE
Inventors: Kazuo Hakamata
Original assignee: Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Holdings Corp
Priority date: 1990-07-26
Filing date: 1991-07-25
Publication date: 2002-03-07
Anticipated expiration: 2011-07-26
Also published as: JPH0540224A; DE4124707A1; US5214279A

Description

Die Erfindung betrifft einen Abtastmechanismus, insbesondere für ein Rastermikroskop, entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Optische Rastermikroskope sind bekannt. Bei einem Ra stermikroskop wird ein Lichtstrahl auf einen kleinen Lichtfleck einer Probe gelenkt, und die Probe wird mit dem Lichtfleck zweidimensional abgetastet. Der Lichtstrahl, der die Probe während der Abtastung passiert hat, der Lichtstrahl, der von der Probe wäh rend der Abtastung reflektiert wurde, oder die Fluores zenz, die während der Abtastung der Probe hervorgeru fen wurde, wird von einem Photodetektor erfaßt. Hier durch wird ein vergrößertes Bild der Probe erhalten. Ein Beispiel für ein Rastermikroskop ist in der japani schen nicht geprüften Patentveröffentlichung 62(1987)- 217218 beschrieben.

Bei herkömmlichen optischen Rastermikroskopen gelangt vornehmlich ein Mechanismus zum Einsatz, der einen Lichtstrahl mit Hilfe eines Lichtdeflektors zweidimen sional ablenkt. Allerdings hat ein solcher Abtastme chanismus den Nachteil, daß der Lichtdeflektor, zum Beispiel ein Galvanometerspiegel oder ein akustoop tischer Lichtdeflektor (AOD) verwendet werden muß, welcher sehr teuer ist. Außerdem wird bei dem oben erläuterten Abtastmechanismus ein Lichtstrahl mit Hilfe eines Lichtdeflektors abgelenkt, demzufolge der Einfallswinkel des abgelenkten Lichtstrahls auf einem Objektiv der Lichtprojektions-Optik sich augenblick lich ändert, so daß eine Aberration stattfindet. Des halb haftet dem bekannten Abtastmechanismus der Nach teil an, daß man das Objektiv nur sehr mühsam so aus gestalten kann, daß eine Aberration vermieden wird. Besonders bei Verwendung eines AOD (s. o.) erscheint ein Astigmatismus in dem von dem AOD abgestrahlten Lichtstrahl. In diesen Fällen muß man sich mit einem Korrekturobjektiv behelfen, so daß die gesamte Optik kompliziert wird.

Um diesen Problemen zu begegnen, wurde ein Abtastme chanismus vorgeschlagen, bei dem ein Lichtstrahl nicht abgelenkt wird, sondern bei dem eine Probe mit einem Lichtfleck eines Lichtstrahls dadurch abgetastet wird, daß man ein Proben-Lagerungselement oder Haltelement zweidimensional abtastet. In der US 5 214 279 ist ein neuer Mechanis mus vorgeschlagen, bei dem eine Lichtprojektions-Optik und eine Licht empfangsoptik auf einem einzelnen beweglichen Element gelagert sind, welches bewegt wird, während das Proben-Halterungselement ortsfest gehalten wird und ein Lichtfleck eines Lichtstrahls die Probe abtastet.

Wenn die Abtastung mit einem Lichtfleck eines Licht strahls dadurch erfolgt, daß eine Optik bezüglich einer Abtasthalterung bewegt wird, so sollte die Optik oder die Probenhalterung rasch bewegt werden, so daß die insgesamt zur Erzeugung eines Bildes der Probe erfor derliche Zeit gering gehalten werden kann. Hierzu kann man ein piezoelektrisches Element oder einen Ultraschallvibrator als Antriebsquelle zum Bewegen der Probenhalterung oder der Optik verwenden.

Ein Bauelement, welches mit hoher Geschwindigkeit zu vibrieren vermag, hat jedoch im allgemeinen den Nach teil, daß die Bewegungsamplitude sehr klein ist. Ein Bauelement, welche mit größer Amplitude zu schwingen vermag, hat im allgemeinen den Nachteil, daß die Vi brationsgeschwindigkeit nicht sehr hoch ist. Wenn die Bewegungsamplitude gering ist, so muß die Breite, in nerhalb der der Lichtfleck des Lichtstrahls eine Pro be abzutasten vermag, auf einen kleinen Wert einge stellt werden, so daß ein mikroskopisches Bild eines großflächigen Bereichs nicht erzeugt werden kann.

Wenn ein mikroskopisches Bild eines großen Flächen bereichs einer Probe nicht erzeugt werden kann, so braucht man beträchtliche Zeit und einen beträchtli chen Arbeitsaufwand, um denjenigen Teil des Bildes zu finden, der letztendlich als sichtbares Bild dar gestellt werden soll, d. h., das Gesichtsfeld bildet. Damit ein mikroskopisches Bild eines großen Flächen bereichs der Probe reproduziert werden kann, müssen mehrere kleinflächige Bilder der Probe zu einem zu sammengesetzten Bild kombiniert werden. Hierzu ist jedoch ein beträchtlicher Zeitaufwand erforderlich, um den Kombinationsvorgang durchzuführen, so daß zum Erhalten eines mikroskopischen Bildes eine be stimmte Zeit nicht unterschritten werden kann. Auch in solchen Fällen, in denen die Bilder in ziemlich genauer Ausrichtung kombiniert werden, ergeben sich Schwierigkeiten insofern, als die Verbindungen der Einzelbilder in dem zusammengesetzten Bild sichtbar sind.

Wenn man die Vergrößerung eines mikroskopischen Bil des bei den oben erläuterten optischen Rastermikros kopen ändern wollte, so wurde bislang das Objektiv ausgetauscht, wie es in herkömmlichen, von Raster mikroskopen verschiedenen Mikroskopen der Fall war. Alternativ kann man in den Mikroskopen ein Vario objektiv vorsehen, wie es ebenfalls bei Mikroskopen vom Nicht-Raster-Typ der Fall war. Diese Methoden erfordern jedoch beträchtlichen Zeit- und Arbeits aufwand, so daß die Effizienz bei der Handhabung der Rastermikroskope gering ist.

In Übereinstimmung mit dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zeigt die DE 689 25 236 T2 einen Abtastmechanismus für eine Miniaturanzeige, bei dem an einem Schenkel einer Resonanzstruktur ein Spiegel befestigt ist. Diese Resonanzstruktur bildet insofern eine "Stimmgabel". Mit Hilfe eines Permanentmagneten und eines Elektromagneten wird der den Spie gel tragende Schenkel der Stimmgabel bewegt. Die Treiberschaltung dieses bekannten Abtastmechanismus liefert einen sinusförmigen oder rechteckimpulsförmigen Treiberstrom in der Weise, daß die Stimmgabel in Resonanz gerät.

Aus der DE 27 57 441 C2 ist eine Detektorvorrichtung für eine Radial- Spurverfolgung bei einem optischen Lesegerät bekannt, wobei mit Hilfe eines von einem piezoelektrischen Element in Gang gesetzten Schwing spiegels ein Signal über die Spurlage durch Abtastung mit dem von dem Spiegel bewegten Strahl gewonnen wird.

Aus der nicht-vorveröffentlichten EP 0 418 928 A2 ist ein Rastermikros kop in Verbindung mit einem Abtastmechanismus bekannt, bei dem eine Stimmgabel zu Eigenschwingungen angeregt wird. Zu diesem Zweck ist an einem Schenkel der Stimmgabel ein Elektromagnet angeordnet, der mit einer Rechteckwelle angesteuert wird. Die Frequenz des Rechteck wellen-Impulszugs entspricht der Eigenfrequenz der Stimmgabel.

Aus der DE 39 18 412 A1 ist ein Rastermikroskop bekannt, welches ent sprechend dem üblichen Stand der Technik ein Probenhalterelement, eine Rasteroptik mit zugehörigem Bewegungsmechanismus und eine photo elektrische Detektoreinrichtung aufweist. Ein aus der US 3 628 781 bekannter Lichtmodulator enthält zwei Spiegel und eine Erregereinrich tung. Aus der US 4 859 846 ist eine Abtastvorrichtung bekannt, die mit einem sinusförmigen Signal einer ersten Frequenz und gleichzeitig mit einem sinusförmigen Signal einer zweiten Frequenz angeregt wird, wobei die zweite Frequenz dreimal so hoch ist wie die erste Frequenz. Durch dieses Anregen wird durch Addition der Schwingungskomponenten er reicht, daß zwischen der positiven und der negativen Spitzenamplitude ein weitgehend linearer Bereich zur Linearisierung der Abtastbewegung erreicht wird. In diesem Fall gelangen jedoch immer beide sinusförmigen Signale mit den verschiedenen Frequenzen zur Wirkung, ein selektiver Einsatz der beiden Frequenzen ist nicht vorgesehen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Abtastmechanismus, insbesondere für ein Rastermikroskop zu schaffen, bei dem die Abtastauflösung zwi scheng grob und fein auf einfache Weise auswählbar ist.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Rastermikroskops, bei dem die Vergrößerung, mit der ein mikroskopisches Bild erzeugt wird, in einfa cher Weise kontinuierlich über einen weiten Bereich geändert werden kann, und dessen Aufbau trotzdem ein fach und billig ist.

Außerdem soll die Erfindung einen neuen Abtastmechanis mus schaffen.

Hierzu schafft die vorliegende Erfindung einen Abtastmechanismus mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Wie aus der Figurenbeschreibung hervorgeht, bedeutet hier der Ausdruck "Bewegen einer Optik bezüglich einer Probenhalterung" das Bewegen einer Optik relativ zu der Halterung, wobei die Fälle umfaßt sind, in denen die Optik bewegt wird, während die Probenhalterung ortsfest gehalten wird, bei denen die Probenhalterung bewegt wird, während die Optik ortsfest gehalten wird, und bei denen sowohl die Optik als auch die Probenhal terung bewegt wird.

In den Fällen, in denen die Stimmgabel aus einem mag netischen Material besteht, kann die Erregereinrichtung einen Elektromagneten zum Anlegen eines sich in der Stärke periodisch ändernden Magnetfeldes an die Stimm gabel und eine Treiberschaltung zum Betätigen des Elek tromagneten enthalten. Der Elektromagnet kann unabhän gig oder getrennt von der Stimmgabel ausgebildet sein, oder er kann gebildet sein durch eine Wicklung einer Erregerspule um die Stimmgabel.

Alternativ kann die Stimmgabel aus einem nicht-magne tischen Material bestehen, wobei an der Stimmgabel ein magnetisches Material festgelegt ist. In diesen Fällen kann sich die Erregereinrichtung zusammen setzen aus einem Elektromagneten zum Anlegen eines in der Stärke periodisch sich ändernden Magnetfeldes an das magnetische Material und einer Treiberschaltung zum Betätigen des Elektromagneten. Als weitere Alterna tive kann die Erregereinrichtung aus einem piezoelek tischen Bauelement bestehen, welches an der Stimm gabel festgelegt ist, sowie einer Treiberschaltung zum Anlegen einer sich in der Amplitude periodisch ändernden Spannung an das piezoelektrische Bauelement um diesem eine periodisch sich wiederholende Spannung zu verleihen.

Wenn die Stimmgabel in der oben erläuterten Weise zur Resonanz gebracht wird, läßt sich eine größere Ampli tude erhalten als dann, wenn eine Optik oder eine Probenhalterung direkt von einem piezoelektrischen Element, einem Ultraschallvibrator oder dergleichen bewegt wird. Deshalb kann man bei einem erfindungs gemäßen Rastermikroskop die Breite oder den Hub, über den sich die Optik in Bezug auf die Probenhalterung bewegt, d. h. die Breite oder den Hub, über den der Lichtstrahl die Probe abtastet, groß machen. Folg lich erhält man ein Bild aus einem großen Bereich der Probe.

In den Fällen, in denen die Erregereinrichtung durch einen Elektromagneten gebildet wird, der unabhängig und getrennt von der Stimmgabel ausgebildet ist, sollte der Abstand zwischen dem Elektromagneten und der Stimmgabel derart eingestellt werden, daß die Stimmgabel beim Schwingen nicht gegen den Elektro magneten stoßen kann. Dieses Erfordernis braucht nicht erfüllt sein in solchen Fällen, in denen die Erregereinrichtung bei einem piezoelektrischen Bau element oder einem Elektromagneten vorgesehen ist, der durch Wickeln einer Erregerwicklung um die Stimmgabel gewickelt ist. Deshalb hat das Raster mikroskop, bei dem die Erregereinrichtung mit einem piezoelektrischen Bauelement oder einem durch Wickeln einer Erregerspule um die Stimmgabel gebildeten Elek tromagneten gebildet ist, den Vorteil, daß man einen großen Hubbereich erhält, in welchem die Optik sich in Bezug auf die Probenhalterung bewegt.

In den Fällen, in denen die Erregereinrichtung mit einem piezoelektrischen Bauelement versehen ist, ist das Material der Stimmgabel nicht auf ein magneti sches Material begrenzt, sondern es kann aus solchen Materialien ausgewählt sein, die leicht mit großer Amplitude schwingen können. Auch aus diesem Grund hat das Rastermmikroskop, bei dem die Erregereinrichtung mit einem piezoelektrischen Element versehen ist, den Vorteil, daß man einen großen Hubbereich erhält, in welchem die Optik sich bezüglich der Probenhalte rung bewegt. Dies gilt auch dann, wenn die Stimmga bel aus einem nicht-magnetischen Material besteht und ein magnetisches Material an der Stimmgabel festge legt ist. Wie diese Effekte erzielt werden, wird weiter unten im einzelnen erläutert.

Der Bewegungs- oder Versetzungshub einer Stimmgabel, die durch eine externe Kraft F zum Schwingen ange regt wird, ist proportional FL³/3EI, wobei E der Elastizitätsmodul des Materials der Stimmgabel, L die Länge der Stimmgabel und I das Flächenträgheits moment ist. Der Elastizitätsmodul der bislang in Stimmgabeln herkömmlicher Geräte verwendeten Mate rialien, beispielsweise, weichmagnetische Materia lien wie SS41 und S45C, ist sehr groß (19.000 kg/mm²). Der Elastizitätsmodul E einer Aluminiumlegierung A5056, welche ein nicht-magnetisches Material ist, ist sehr klein (7.200 kg/mm²). Wenn daher die Form der Stimm gabel und die auf diese aufgebrachte Kraft F gleich bleiben, ist der Versetzungshub einer Stimmgabel aus einer Aluminiumlegierung A5056 2,6 mal (= 19.000/7.200) so groß wie der Versetzungshub einer aus SS41 oder S45C bestehenden Stimmgabel. Wenn man auf diese Weise eine große Amplitude der Stimmgabel erhält, läßt sich die Breite oder der Hub, über den ein Lichtstrahl eine Probe abtasten kann, auf einen großen Wert einstel len, und man kann ein mikroskopisches Bild eines gros sen Flächenbereichs der Probe erhalten.

Auch in Fällen, in denen das Material der Stimmgabel nicht auf ein magnetisches Material begrenzt ist, son dern bei der das Material aus einer Vielfalt von Stof fen ausgewählt ist, kann man ein Material auswählen, bei dem die Resonanzfrequenz der Stimmgabel einen höchstmöglichen Wert besitzt. Wenn die Form der Stimm gabel und die auf diese aufgebrachte Kraft F die glei chen sind, erhält man die Beziehung f ∝ (E/ρ)^1/2, wobei f die Resonanzfrequenz und ρ die Dichte des Ma terials der Stimmgabel ist. Zum Beispiel gilt für die Aluminiumlegierung A5052, bei der es sich um ein nicht- magnetisches Material handelt, E/ρ = 7.400/2,64 = 2,800, während für SS41 gilt: E/ρ = 19.000/7,9 = 2.400. Wenn deshalb die Stimmgabel aus der Aluminiumlegierung A5052 besteht, beträgt die Resonanzfrequenz f (2.800/ 2.400)^1/2 = 1,08 der Resonanzfrequenz einer aus SS41 bestehenden Stimmgabel. Wenn die Resonanzfrequenz f hoch ist, wird auch die Abtastfrequenz hoch. Wenn daher die Abtastung mit einem Lichtstrahl sehr rasch vorgenom men wird, benötigt man zur Erzeugung eines Bildes eine relativ kurze Zeit.

Die Erregereinrichtung ist insbesondere mit dem Elektromagneten versehen, wobei die Treiber schaltung zum Betätigen des Elektromagneten selek tiv einen Treiberstrom liefert, dessen Amplitude sich bei der Frequenz des ersten Obertons der Stimmgabel ändert, oder einen Treiberstrom liefert, dessen Am plitude sich bei der Frequenz des dritten Obertons der Stimmgabel ändert, und wobei der Treiberstrom in den Elektromagneten eingespeist wird.

In einer Weiterbildung ist die Erregereinrichtung ein piezoelektrisches Bauelement mit einer Treiberschaltung zum Betätigen dieses Bauele ments, wobei die Treiberschaltung zum Betätigen des piezoelektrischen Bauelements selektiv eine Treiberspannung an das piezoelektrische Bau element anlegt, deren Amplitude sich bei der Frequenz des ersten Ober tons der Stimmgabel ändert, oder eine Treiberspannung an das piezoelek trische Bauelement legt, deren Amplitude sich bei der Frequenz des dritten Obertons der Stimmgabel ändert.

Die Frequenz des dritten Obertons der Stimmgabel ist das 6,75-fache der Frequenz des ersten Obertons. Die Schwingungsamplitude bei dem ersten Oberton ist größer als die Schwingungsamplitude bei dem dritten Oberton.

Wenn daher die Stimmgabel im Zuge des Auffindens des Sehfeldes bei dem ersten Oberton schwingt, läßt sich eine Probe über einen sehr breiten Bereich abtasten. Wenn ein benötigtes mikroskopisches Bild erzeugt wird, kann die Stimmgabel bei dem dritten Oberton zum Schwingen gebracht werden. In diesen Fällen kann auch dann, wenn die Fläche der Probe, von der ein Bild erzeugt werden kann, sehr klein wird, die Abtastung mit dem Lichtstrahl sehr rasch durchge führt werden. Deshalb wird zur Erzeugung eines Bilds nur eine sehr kurze Zeit benötigt.

Das dritte Ziel der Erfindung wird erreicht durch ein Rastermikroskop, bei dem die Erregereinrichtung mit dem Elektromagneten und der zum Betätigen des Elektromagneten einen Treiberstrom liefernden Trei berschaltung ausgestattet ist, wobei die Amplitude des in den Elektromagneten eingespeisten Treiber stroms variabel ist.

In Fällen, in denen ein magnetisches Feld, dessen Stärke sich periodisch ändert, an die Stimmgabel ge legt wird, um sie zum Schwingen anzuregen, wird die Amplitude der Stimmgabel umso größer, je größer die Stärke des magnetischen Feldes ist. Die Stärke des Magnetfelds ist proportional zu der Stärke des in den Elektromagneten eingespeisten Stroms. Wenn des halb die Stärke des Stroms geändert wird, ändert sich die Amplitude der Stimmgabel, und der Hub, über den der Lichtstrahl eine Probe abtastet, ändert sich ent sprechend. Folglich läßt sich der Flächenbereich des Gesichtsfeldes ebenso wie die Vergrößerung des Bilds ändern.

Außerdem kann die Vergrößerung des erzeugten Bildes elektrisch geändert werden und läßt sich mithin sehr einfach einstellen. Dem entsprechend läßt sich der Vorgang zum Auffinden eines Gesichtsfelds oder der gleichen sehr einfach durchführen.

In den Fällen, in denen die Stimmgabel von einer periodischen Spannung eines piezoelektrischen Elements zum Schwingen angeregt wird, wird die Amplitude der Stimmgabel umso größer, desto größer die Spannung oder die Verformung des piezoelektrischen Bauelements ist. Letztere ist proportional zu dem Wert der an das Bau element angelegten Spannung. Wenn also die Spannung geändert wird, ändert sich die Amplitude der Stimm gabel, so daß dadurch der Hub, mit dem der Lichtstrahl eine Probe abtastet, geändert wird. Hierdurch läßt sich der Flächenbereich des Gesichtsfeldes ebenso wie die Vergrößerung des erzeugten Bildes ändern.

In den Fällen, in denen die Optik an einem Kantenteil der Stimmgabel gelagert ist, sollte der Mittelbereich der Stimmgabel vorzugsweise dünner sein als der Kan tenbereich der Stimmgabel, an dem die Optik gelagert ist. Die Dicke der Stimmgabel sollte vorzugsweise in der Zone zwischen dem Kantenteil, bei dem die Optik gelagert ist, und dem Mittelteil, der dünner ist als der Kantenteil, sich glatt ändern. Außerdem sollte die Oberfläche der Stimmgabel, die dem Elektromagneten gegenüberliegt, vorzugsweise flach sein, so daß der Abstand zwischen der Fläche und dem Elektromagneten konstant sein kann.

Die Effekte der Ausgestaltung der Form der Stimmga bel in der oben beschriebenen Weise sollen im fol genden erläutert werden. Hierzu zeigt Fig. 7 eine grundlegende Form einer Stimmgabel, Fig. 8 eine grundlegende Form einer Stimmgabel, bei der der Mit telabschnitt dünner als der Rand- oder Kantenbereich ist, bei dem eine Optik gelagert ist. In den Fig. 7 und 8 erkennt man eine Stimmgabel 30, einen Elektro magneten 31 und eine Optik 15. In beiden Fig. 7 und 8 ist die Optik 15 in einen Rand- oder Kantenbereich der Stimmgabel 30 derart eingebettet, daß die opti sche Achse der Optik 15 sich entlang einer Linie er streckt, die senkrecht auf der Zeichnungsebene der Fig. 7 und 8 steht. Wenn der Elektromagnet 31 ein Magnetfeld mit sich periodisch ändernder Stärke an die Stimmgabel 30 anlegt, schwingt die Optik 15 in Richtung des Doppelpfeils X hin und her.

Wenn die Stimmgabel 30 in der oben erläuterten Weise zum Schwingen angeregt wird, ist die Schwingungsam plitude umgekehrt proportional zu der dritten Potenz der Dicke L der Stimmgabel 30. Die Schwingungsampli tude der Stimmgabel 30 ist außerdem umgekehrt pro portional zu der Höhe t der Stimmgabel 30. Die Dicke L der Stimmgabel 30 kann in Fig. 8 kleiner als in Fig. 7 sein. Deshalb kann in Fällen, in denen die Größe der Optik 15 die gleiche ist, die Schwingungs amplitude der Stimmgabel 30 in Fig. 8 größer als in Fig. 7 sein. Folglich kann der Hub, mit dem ein Licht strahl von der Optik 15 eine Probe abtastet, in Fig. 8 größer sein als in Fig. 7.

Das erfindungsgemäße Rastermikroskop kann mit einer Stimmgabel 30 ausgestattet sein, wie sie in Fig. 9 dargestellt ist. In Fig. 8 ist der Abstand a zwischen der Stimmgabel 30 und dem Elektromagneten 31 konstant. Demgegenüber ist gemäß Fig. 9 der Abstand a zwischen dem Kantenteil der Stimmgabel 30 und dem Elektromagne ten 31 vergleichsweise klein, während der Abstand a' zwischen dem Mittelabschnitt der Stimmgabel 30 und dem Elektromagneten 31 größer als der Abstand a ist. Die Schwingungsamplitude der Stimmgabel 30 ist proportional zu der auf die Stimmgabel 30 aufgebrachten Magnetfluß dichte B. Die Magnetflußdichte B ist umgekehrt propor tional zu dem Abstand zwischen der Stimmgabel 30 und dem Elektromagneten 31. Aus dem Gesichtspunkt, die Schwingungsamplitude der Stimmgabel 30 groß zu halten, ist also der Aufbau nach Fig. 8 vorteilhaft gegenüber dem Aufbau nach Fig. 9.

Wenn außerdem die Stimmgabel dünn gehalten wird, kann man die Länge der Stimmgabel kurz halten, wenn man von derselben Frequenz ausgeht. Deshalb kann man das Rastermikroskop kompakt, also klein, und leichtgewich tig bauen. Außerdem kann man einen kleinen Elektromag neten einsetzen, und der Pegel der Spannung zum Trei ben des Elektromagneten kann niedrig gehalten werden.

Gemäß den Fig. 10 und 11 ist die Dicke der Stimmgabel 30 stufenlos, also glatt in der Zone zwischen dem Kan tenteil, bei dem die Optik 15 gelagert ist, und dem Mittelteil, der dünner als der Kantenteil ist, geändert. Wenn die Stimmgabel 30 auf diese Weise ausgebildet ist und keinen Stufenabschnitt besitzt, läßt sich das Problem vermeiden, das durch die Materialermüdung der Stimmgabel 30 bei einem möglichen Stufenabschnitt wäh rend der Schwingung der Stimmgabel in Erscheinung tritt. Hierdurch wird die Dauerhaftigkeit der Stimm gabel 30 auf einem hohen Wert gehalten und mithin die Zuverlässigkeit und die Lebensdauer des Rastermikroskops erhöht.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Lichtstrahl- Abtastmechanismus, der bei einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rastermikroskops eingesetzt wird,

Fig. 2 eine teilweise geschnittene Vorderansicht, der ersten Ausführungsform eines erfin dungsgemäßen Rastermikroskops,

Fig. 3 eine Schnittansicht einer Polarisations ebene einer bei der ersten Ausführungs form des erfindungsgemäßen Rastermikros kops verwendeten optischen Faser,

Fig. 4 ein Diagramm eines elektrischen Schalt kreises der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rastermikroskops,

Fig. 5 ein Diagramm einer elektrischen Schaltung einer zweiten Ausführungsform des erfin dungsgemäßen Rastermikroskops,

Fig. 6 einer Draufsicht auf einen Lichtstrahl- Abtastmechanismus, der bei einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rastermikroskops verwendet wird,

Fig. 7-11 Draufsichten auf verschiedene Beispiele einer Stimmgabel, die bei dem erfindungs gemäßen Rastermikroskop zum Einsatz ge langt,

Fig. 12 eine Draufsicht auf den Hauptteil einer vierten Ausführungsform des erfindunsge mäßen Rastermikroskops,

Fig. 13 eine Draufsicht auf einen Lichtstrahl- Abtastmechanismus, der bei einer fünften Ausführungsform des erfindunsgemäßen Ra stermikroskops verwendet wird,

Fig. 14 eine teilweise geschnittene Frontansicht der fünften Ausführungsform des erfindungs gemäßen Rastermikroskops,

Fig. 15 einen Schaltplan einer elektrischen Schal tung der fünften Ausführungsform des er findungsgemäßen Rastermikroskops,

Fig. 16 eine Draufsicht auf einen Lichtstrahl- Abtastmechanismus, der bei einer sechsten Ausführungsform des erfindunsgemäßen Ra stermikroskops verwendet wird,

Fig. 17 eine perspektivische Ansicht eines Licht strahl-Abtastmechanismus, der in einer siebten Ausführungsform des erfindunsge mäßen Rastermikroskops verwendet wird, und

Fig. 18 eine Draufsicht auf einen Lichtstrahl-Ab tastmechanismus, der in einer achten Aus führungsform des erfindungsgemäßen Raster mikroskops verwendet wird.

Fig. 2 zeigt eine erste Ausführungsform des erfindunsge mäßen Rastermikroskops, bei der es sich um eine mono chromatisches konfokales Rastermikroskop vom Reflexions typ handelt. Fig. 1 ist eine Draufsicht auf den Ab tastmechanismus, der bei dieser Ausführungsform einge setzt wird. Wie aus Fig. 2 hervorgeht, erzeugt ein mono chromatischer Laser 10 einen Laserstrahl 11 mit einer einzigen Wellenlänge. Der linear polarisierte Laser strahl 11 trifft im P-polarisierten Zustand auf eine Schichtfläche 25a eines Polarisations-Strahlaufspalters 25 und passiert diesen. Der durch den Polarisations- Strahlaufspalter 25 gelangte Laserstrahl 11 läuft dann durch eine Halbwellenplatte 12, wodurch die Polarisa tionsebene eingestellt wird. Der die Halbwellenplatte 12 durchlaufende Laserstrahl 11 wird dann von einer Eintrittslinse 13 gesammelt und tritt in eine die Po larisationsebene beibehaltende optische Faser (Licht leiter) 14 ein.

Als die Polarisationsebene beibehaltende optische Fa ser 14 kann eine PANDA-Faser verwendet werden. Fig. 3 zeigt den Querschnitt einer solchen optischen PANDA- Faser 14. Wie aus Fig. 3 hervorgeht, setzt sich die optische Faser 14 zusammen aus einem Mantel 14a und einem Kern 14b, der in dem Mantel 14a angeordnet ist.

Auf beiden Seiten des Kerns 14b befinden sich Span nungs-Aufbringelemente 14c. Die Halbwellenplatte 12 wird in geeigneter Weise derart gedreht, daß die Orientierung der Polarisationsebene des linear pola risierten Laserstrahls 11 mit denen in Fig. 3 durch den Doppelpfeil V angedeuteten Richtungen, entlang denen die Spannungs-Aufbringelemente 14c in einer Linie liegen, oder den Richtungen, die durch den Doppelpfeil U in Fig. 3 angedeutet sind, und die senkrecht auf den durch den Doppelpfeil V angegebe nen Richtungen stehen (Bei dieser Ausführungsform wird die Halbwellenplatte 12 derart gedreht, daß die Orientierung der Polarisationsebene des linear pola risierten Laserstrahls 11 zusammenfällt mit den durch den Doppelpfeil U in Fig. 3 angedeuteten Richtungen. Auf diese Weise wird die linear polarisierte Laser strahl 11 veranlaßt, auf die optische Faser 11 auf zutreffen.)

Ein Ende der optischen Faser 14 ist an einer Sonde 15 befestigt. Der durch die optische Faser 14 geleitete Laserstrahl 11 wird am Ende der Faser 14 abgestrahlt. Dabei strahlt die optische Faser 14 den Laserstrahl 11 ähnlich einer Punktlichtquelle ab. Eine lichtpro jizierende Optik 18, die sich aus einer Kollimator linse 16 und einer Objektivlinse 17 zusammensetzt, ist an der Sonde 15 festgelegt (Die Lichtprojektions optik 18 kann auch als Lichtempfangselement dienen). Ein Viertelwellenplättchen 19 befindet sich zwischen der Kollimatorlinse 16 und der Objektivlinse 17. Der von dem Ende der optischen Faser 14 abgestrahlte La serstrahl 11 wird von der Kollimatorlinse 16 kolli miert. Der kollimierte Laserstrahl 11 gelangt dann durch das Viertelwellenplättchen 19 und wird dadurch in einen kreisförmig polarisierten Laserstrahl umge setzt. Der kollimierte Laserstrahl 11 wird dann von der Objektivlinse 11 zusammengeführt, und ein Bild eines kleinen Lichtflecks des zusammengeführten Laserstrahls 11 wird auf dem Punkt P einer Probe 23 erzeugt (d. h., auf der Oberfläche der Probe 23 oder im Inneren der Probe 23). Die Probe 23 befindet sich auf einem Probenhalterelement 22. die Probe 23 wirft den Laserstrahl 11 zurück. Jetzt ist die Drehrichtung des kreisförmig polarisierten Laserstrahls 11 umge kehrt. Der Laserstrahl 11", der von der Probe 23 re flektiert wurde, gelangt durch das Viertelwellen plättchen 19 und wird auf diese Weise in einen linear polarisierten Laserstrahl 11" umgesetzt, dessen Pola risationsebene in einer Richtung orientiert ist, die senkrecht auf der Polarisationsebene des Laserstrahls 11 steht. Anschließend wird der Laserstrahl 11" von der Kollimatorlinse 11 kollimiert und trifft auf die die Polarisationsebene haltende optische Faser 14. Zu dieser Zeit stimmt die Orientierung der Polarisa tionsebene des Laserstrahls 11" mit den durch einen Doppelpfeil V in Fig. 3 angedeuteten Richtungen über ein. Der Laserstrahl 11", der durch die optische Fa ser 14 hindurch gelangt ist, wird an dem Ende der opitschen Faser 14 abgestrahlt und von der Eintritts linse 13 kollimiert.

Anschließend gelangt der von der Eintrittslinse 13 kollimierte Laserstrahl 11" durch die Halbwellenplatte 12, fällt auf die Schichtoberfläche 25a des Polari sationsstrahlaufspalters 25 im S-polarisierten Zu stand, und wird von der Schichtoberfläche 25a reflektiert. Der Laserstrahl 11", der auf diese Weise von der Schichtoberfläche 25a reflektiert wurde, wird von einer Kondensorlinse 26 gesammelt, gelangt durch eine Nadellochöffnung 27 und wird von einem Photode tektor 28 erfaßt. Der Photodetektor 28 besteht aus einem Photoelektronenvervielfacher oder dergleichen und erzeugt ein Signal S, welches die Helligkeit der Zone der Probe 23 repräsentiert, die dem Laserstrahl ausgesetzt war.

Wie oben erläutert, ist ein Licht-Auftrenner vorge sehen, welcher sich aus dem Viertelwellenplättchen 19 und dem Polarisationsstrahlaufspalter 25 zusammen setzt. Deshalb kehrt der Laserstrahl 11" nicht zu dem Laser 10 zurück, und ein großer Anteils des La serstrahls 11" kann zu dem Photodetektor 28 geleitet werden. Weiterhin wird vermieden, daß der von der Eintrittslinse 13, der Stirnfläche der optischen Fa ser 14 oder dergleichen reflektierte Anteil des La serstrahls auf den Photodetektor 28 fällt. Deshalb erhält man ein Signal S mit hohem Rauschabstand (S/N- Verhältnis).

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf Fig. 1 erläu tert, wie die Probe 23 zweidimensional mit dem Licht fleck des Laserstrahls 11 am Punkt P abgetastet wird. Die Sonde 15 ist an einem Schenkelende oder Kanten teil einer Stimmgabel 30 befestigt, die aus Eisen besteht und horizontal orientiert ist, so daß die optische Achse der Optik 18 vertikal verläuft. An einem Rahmen 32 ist ein Basisteil 30a der Stimmgabel 30 festgelegt, und die Stimmgabel 30 kann mit einer vorbestimmten Eigenfrequenz schwingen (was weiter unten erläutert wird). Im Inneren des durch die Stimm gabel 30 definierten Raums befindet sich in geringem Abstand bezüglich beider Kanten oder Enden der Stimm gabel 30 ein Elektromagnet. Der Elektromagnet 31 wird von einem Support 34 aufgenommen, der seiner seits an dem Rahmen 32 befestigt ist.

Eine Treiberschaltung 33 legt einen rechteckigen oder quadratischen, pulsförmigen Strom E mit einer der Eigenfrequenz der Stimmgabel 30 entsprechenden Fre quenz an den Elektromagneten 31. Auf diese Weise gelangt ein Magnetfeld intermittierend an die bei den Endabschnitte der Stimmgabel 30, demzufolge die se mit ihrer Eigenfrequenz schwingt. Als Ergebnis wird die an der Stimmgabel 30 festgelegte Sonde 15 mit hoher Geschwindigkeit in Pfeilrichtung X in den Fig. 1 und 2 (d. h. horizontal) hin- und herbewegt. Damit wird die Probe 23 durch den Lichtfleck in Haupt abtastrichtung abgetastet.

Ein in Z-Richtung beweglicher Tisch 24Z, der in die durch den Pfeil Z angedeuteten Richtungen hin- und herbewegbar ist (d. h. entlang der optischen Achse der Optik 18), befindet sich auf dem Rahmen 32. Außerdem befindet sich ein in Y-Richtung beweglicher Tisch 24Y, der entlang der Pfeilrichtung Y hin- und herbe weglich ist (diese Richtungen sind senkrecht zu den Pfeilrichtungen X und Z), befindet sich auf dem in Z-Richtung beweglichen Tisch 24Z. Das Probenhalte element 22 ist auf dem Y-Tisch montiert. Wenn die Hauptabtastung mit dem Lichtfleck am Punkt P in der oben beschriebenen Weise durchgeführt wird, wird der Y-Tisch 24Y hin- und herbewegt. Auf diese Weise erfolgt eine Nebenabtastung mit dem am Punkt P gebilde ten Lichtfleck.

Jedes Mal, wenn die zweidimensionale Abtastung mit dem Lichtfleck am Punkt P durchgeführt wird, wird der Z-Tisch 24Z in geeigneter Weise bewegt. Auf diese Weise läßt sich auch dann, wenn kleine Vorsprünge oder Vertiefungen in der Oberfläche der Probe 23 vorhanden sind, ein Signal S erhalten, welches die Bildinformation in jeder Brennebene innerhalb des Bewegungsbereichs der Probe 23 entlang den Richtun gen Z repräsentiert.

Wie oben beschrieben, wird bei dieser Ausführungsform die Stimmgabel 30 zur Resonanzschwingung angeregt, und die Hauptabtastung mit dem Lichtfleck des Laser strahls 11, der an dem Punkt P erzeugt wird, wird unter Verwendung der großen Schwingungsamplitude der Stimmgabel 30 durchgeführt. Deshalb läßt sich eine große Breite, über der der Laserstrahl 11 die Probe 23 in Hauptabtastrichtung abtastet, erhalten, so daß ein großflächiges Bild der Probe 23 erzeugt werden kann. Bei dieser Ausführungsform ist gemäß Fig. 1 an dem anderen Endabschnitt der Stimmgabel 30 eine Dummysonde 15' angebracht, die den gleichen Aufbau hat wie die Sonde 15. Hierdurch wird das mechanische Gleichgewicht zwischen den beiden End abschnitten der Stimmgabel 30 in gutem Maß bewahrt, und man erhält ein annähernd ideales Resonanz system.

Weiterhin befindet sich bei der oben erläuterten Aus führungsform der Elektromagnet 31 im Inneren des durch die Stimmgabel 30 definierten Raums, um ein Magnetfeld auf beide Endabschnitte der Stimmgabel 30 aufzubringen. Deshalb läßt sich die auf die Stimmgabel 30 aufgebrachte Magnetflußdichte, d. h. die auf die Stimmgabel aufgebrachte Kraft, größer halten als bei einem Elektromagneten, der sich auf einer Seite außerhalb eines Endabschnitts der Stimm gabel 30 befindet.

Fig. 4 zeigt eine Schaltungsskizze der Schaltung der oben erläuterten Ausführungsform. Das von dem Photo detektor 28 erzeugte Signal S wird von einem Ver stärker 40 verstärkt. Das verstärkte Signal S wird dann einem Analog-Digital-Umsetzer 41 zugeführt, wo es in ein digitales Bildsignal Sd umgesetzt wird. Das Bildsignal Sd wird einer Bildverarbeitungseinheit 42 zugeführt, die eine Bildverarbeitung durchführt, zum Beispiel eine Gradationsverarbeitung des Bild signals Sd. Das durch die Bildverarbeitung erhaltene Bildsignal wird einer Bildwiedergabevorrichtung 43 zugeführt, bei der es sich um eine Kathodenstrahl röhre oder dergleichen handeln kann. Die Bildwieder gabevorrichtung 43 reproduziert ein Bild, welches durch das Bildsignal Sd repräsentiert wird, d. h., ein mikroskopisches Bild der Probe 23.

Die Bildwiedergabevorrichtung 23 ist an einen Rechner 44 angeschlossen, bei dem es sich um einen Kleinrech ner oder dergleichen handeln kann. Befehle zum Durch führen der Bildverarbeitung, grundlegende Operationen des Rastermikroskops, die Erzeugung eines Bildes zum Auffinden des Gesichtsfelds oder Sehfelds, die Erzeu gung eines schließlich als sichtbares Bild wiederzuge benden Bildes und dergleichen werden über eine Einga beeinrichtung, zum Beispiel eine Tastatur, in den Rechner 44 eingegeben.

Der Y-Tisch 24Y wird mit einer vorbestimmten Frequenz von einem Treiber 46 hin- und herbewegt. Der Treiber 46 empfängt ein eine bestimmte Frequenz aufweisendes Signal von einem Oszillator 45. Von der Bildverarbei tungseinheit 42 wird ein Signal erzeugt und dann von einem Digital-Analog-Umsetzer 47 in ein Z-Achsen-Steuer signal Fs umgesetzt. Der Z-Tisch wird von einem Treiber 48 nach Maßgabe des Z-Achsen-Steuersignals Fs derart betätigt, daß er in eine vorbestimmte Z-Stellung ge bracht werden kann. Der Oszillator 45 und der Digital- Analog-Umsetzer 47 werden von einem Vertikal-Synchron signal Vs und dem Fokussierrichtungssignal Fs gesteuert. Auf diese Weise werden die Bewegungen des Y-Tischs 24Y und des Z-Tischs 24Z synchronisiert.

Die Treiberschaltung 33 für den Elektromagneten wird gebildet durch einen Impulsgenerator 49 und einen Treiber 50. Der Treiber 50 besteht aus einem Puffer 51 mit offenem Kollektor, einem Photokoppler 52, einem Leistungs-MOS-FET 53, einer Diode 54 und einem Kondensator 55. Der Treiber 50 empfängt ein Frequenz signal Sf von dem Impulsgenerator 49 und legt einen Rechteckimpulsstrom E, der die gleiche Frequenz wie das Frequenzsignal Sf hat, an den Elektromagneten 31. Der Impulsgenerator 49 wird von einem Horizontal- Synchronsignal Hs gesteuert, welches von der Bild verarbeitungseinheit 42 erzeugt wird. Auf diese Weise wird die hin- und hergehende Bewegung der Sonde 15 mit den Bewegungen der Tische 24Y und 24Z synchroni siert.

Die Frequenz des von dem Impulsgenerator 49 erzeugten Signals Sf wird nach Maßgabe eines Frequenzumschalt signals Cf wahlweise auf die Frequenz f1 des ersten Obertons oder die Frequenz f3 des dritten Obertons der Stimmgabel 30 umgeschaltet. Wenn ein Befehl zum Durchführen der Erzeugung eines zur Auffindung des Sehfelds dienenden Bilds an den Rechner 44 gegeben wird, wird die Frequenz des Signals Sf auf die Fre quenz f1 des ersten Obertons der Stimmgabel 30 ein gestellt. Wird ein Befehl zum Durchführen der Erzeu gung eines schließlich wiederzugebenden Bilds als sichtbares Bild in den Rechner 44 eingegeben, so wird die Frequenz des Signals Sf auf die Frequenz f3 des dritten Obertons der Stimmgabel 30 eingestellt.

Wenn in der oben beschriebenen Weise das Sehfeld ge funden werden soll, kann selbst dann, wenn die Hauptabtastung mit dem Laserstrahl bei einer ver gleichsweise niedrigen Frequenz durchgeführt wird (einigen hundert Hertz), die Amplitude der Sonde 15, d. h. die Breite oder der Hub, über welchem der Laserstrahl die Probe in Hauptabtastrichtung ab tastet, ausreichend groß gehalten werden (zum Bei spiel einige hunder µm). Deshalb läßt sich ein mikroskopisches Bild einer großen Fläche der Probe erzeugen, und das Sehfeld kann auf einfache Weise aus dem mikroskopischen Bild herausgefunden werden.

Wenn schließlich ein sichtbares Bild erzeugt wird, wird die Amplitude der Sonde 15, d. h. die Breite, über die der Laserstrahl die Probe in Hauptabtast richtung abtastet, vergleichsweise klein (zum Bei spiel einige 10 µm). Allerdings kann die Frequenz der Hauptabtastung mit dem Laserstrahl 6,75 mal so groß wie die Hauptabtastfrequenz sein, bei der das Sehfeld oder Gesichtsfeld aufgefunden wird. Auf die se Weise läßt sich die Abtastung sehr rasch durch führen, und die Zeit zur Erzeugung eines Bildes ist kurz. Grundsätzlich fällt das Verhältnis der Schwin gungsamplitude der Stimmgabel 30 bei der Frequenz f1 des ersten Obertons zu der Schwingungsamplitude der Stimmgabel 30 bei der Frequenz f3 des dritten Ober tons in den Bereich von 10 : 1 zu 100 : 1.

Anhand der Fig. 5 soll nun eine zweite Ausführungs form des erfindungsgemäßen Rastermikroskops beschrie ben werden. Die zweite Ausführungsform ist die glei che wie die erste Ausführungsform wie die erste, mit der Ausnahme, daß der elektrische Teil zum Betätigen des Elektromagneten 31 anders ausgebildet ist. In Fig. 5 sind gleiche Elemente wie in Fig. 4 mit ent sprechenden Bezugszeichen versehen.

Bei der zweiten Ausführungsform wird von dem Rechner 44 an den Impulsgenerator 49 ein Stromsteuersignal C gegeben. Das Tastverhältnis des rechteckförmigen Stroms E ändert sich nach Maßgabe des Stromsteuer signals C. Wenn die von dem Rechner 44 festgelegte Vergrößerung niedrig und das Gesichtsfeld groß ist, wird das Tastverhältnis auf einen großen Wert einge stellt, und der Mittelwert des Stroms I, der in den Elektromagneten 31 eingespeist wird, erhält somit einen großen Wert. Wenn der in dem Elektromagneten 31 eingespeiste Strom I groß ist, wird die Dichte des Magnetflusses, der von dem Elektromagneten 31 an die Stimmgabel 30 gelegt wird, d. h., die Kraft, die auf die Stimmgabel 30 einwirkt, groß, und mithin erhält man eine große Schwingungsamplitude der Stimmgabel 30. Dem entsprechend erhält man einen großen Hub, in welchem sich die Sonde 15 hin- und herbewegt, also einen großen Abtasthub, mit dem der Laserstrahl die Probe in Hauptabtastrichtung abtastet.

Das Stromsteuersignal C wird auch in einen Nebenab tast-Oszillator 45 eingespeist. Die Frequenz, die Stromstärke oder das Tastverhältnis des Treiberim pulses F für den Y-Tisch 24Y wird in der gleichen Wei se nach Maßgabe des Steuerstroms C geändert. Auf die se Weise läßt sich ein großer Hub, in welchem der Y-Tisch 24Y sich hin- und herbewegt, d. h. ein großer Abtasthub, mit dem der Laserstrahl die Probe in Ne benabtastrichtung abtastet, einstellen.

Wenn die Breite, über der der Laserstrahl die Probe in Hauptabtastrichtung und in Nebenabtastrichtung abtastet, in der oben erläuterten Weise jeweils auf einen großen Wert eingestellt werden, wird ein Probenbild mit geringer Vergrößerung erhalten. Wer den hingegen die Breiten, über die der Laserstrahl die Probe in Hauptabtastrichtung und Nebenabtast richtung abtastet, auf kleine Werte eingestellt, so wird das Sehfeld klein, und es wird ein Probenbild mit starker Vergrößerung erzeugt.

Bei dieser Ausführungsform wird der in den Elektro magneten 31 eingespeiste Strom I von einer Stromde tektorspule 61 und einem Verstärker 62 erfaßt. Die die erfaßte Stromstärke repräsentierende Information wird dem Rechner 44 eingegeben. Abhängig von der Differenz zwischen der erfaßten Stromstärke und der Soll-Stromstärke entsprechend der gewünschten Ver größerung, ändert der Rechner 44 das Stromsteuersig nal C derart, daß die mittlere Stromstärke I der Soll-Stromstärke gleicht.

Statt das Tastverhältnis des Rechteckstroms E nach Maßgabe des Stromsteuersignals C zu ändern, kann man auch die Stärke des in den Elektromagneten 31 einge speisten Stroms dadurch ändern, daß man die an den Elektromagneten 31 angelegte Spannung ändert.

Die Stimmgabel 30 sollte vorzugsweise bei der Fre quenz ihres ersten Obertons schwingen. In diesen Fällen wird die Maximalamplitude der Stimmgabel 30 größer und mithin die Fläche des Sehfelds und die Vergrößerungs-Änderungsbreite (d. h. das Vergrößerungs verhältnis oder das Verkleinerungsverhältnis) des wiedergegebenen Bildes läßt sich größer halten, als wenn die Stimmgabel 30 bei einer anderen Frequenz schwingt, zum Beispiel bei der Frequenz des dritten Obertons der Stimmgabel 30.

In der oben erläuterten Weise läßt sich der Hub oder die Breite, mit dem bzw. mit der der Laserstrahl die Probe in Hauptabtastrichtung abtastet, in einem Be reich von beispielsweise mindestens 10 µm bis maximal 200 µm oder 400 µm abtasten. Wenn die Breite, mit der der Laserstrahl die Probe in Neben abtastrichtung abtastet, ebenfalls nach Maßgabe der Breite, über die der Laserstrahl die Probe in Haupt abtastrichtung abtastet, geändert wird, fällt das Verhältnis der kleinsten Vergrößerung zur maximalen Vergrößerung der reproduzierten Bildes in den Be reich von 1 : 20 bis 1 : 40.

Im folgenden wird anhand der Fig. 6 eine dritte Aus führungsform des erfindungsgemäßen Rastermikroskops erläutert. Die dritte Ausführungsform ist gekennzeich net durch eine spezielle Form der Stimmgabel 30. Die elektrische Schaltung für diese Ausführungsform kann mit derjenigen der ersten oder zweiten Ausführungs form identisch sein. Alternativ kann auch eine ande re elektrische Schaltung verwendet werden.

Wie aus Fig. 6 hervorgeht, ist die Stimmgabel 6 die ser Ausführungsform derart geformt, daß der Mittelab schnitt dünner als der jeweilige Rand- oder Endab schnitt ist, also der Abschnitt, an dem die Sonde 15 gelagert ist. In diesen Fällen kann, wie oben im einzelnen ausgeführt wurde, die Amplitude der Stimm gabel 30 größer gehalten werden als dann, wenn die Stimmgabel 30 so geformt ist, daß die Dicke im Mittel bereich die gleiche ist wie die Dicke in den Endbe reichen, wo die Sonde 15 gelagert ist.

Bei dieser Ausführungsform ändert sich die Dicke der Stimmgabel 30 in der Zone zwischen dem der Halterung der Sonde 15 dienenden Endabschnitt und dem Mittel teil, der dünner als der Endabschnitt ist, allmählich. Wenn die Stimmgabel 30 in dieser Weise ausgebildet ist und keinen stufenähnlichen Abschnitt aufweist, wie dies in Fig. 8 oder 9 gezeigt ist, läßt sich das Problem vermeiden, daß eine Materialermüdung der Stimmgabel 30 während der Schwingung innerhalb des stufenförmigen Abschnitts in Erscheinung tritt. Dem gemäß ist die Lebensdauer der Stimmgabel 30 groß.

Die Schwingungsamplitude der Stimmgabel 30 ist außer dem umgekehrt proportional zu der Höhe t der Stimm gabel 30, die in Fig. 2 angezeigt ist. Deshalb sollte die Höhe t der Stimmgabel 30 vorzugsweise so klein wie möglich sein, wobei aber die Stimmgabel 30 die Sonde 15 noch zuverlässig lagern können soll. An statt die Stimmgabel 30 in der in Fig. 6 gezeigten Wei se auszugestalten, kann die Stimmgabel 30 auch die in den Fig. 8, 9, 10 oder 11 dargestellte Form besitzen. Wie oben erläutert, ist im Hinblick auf eine große Amplitude die Form der Stimmgabel 30 gemäß Fig. 8 gegenüber der Form nach Fig. 9 zu bevorzugen. Die Stimmgabel nach Fig. 6 oder nach Fig. 10 ist vergli chen mit der Ausführungsform nach Fig. 11 vorteil haft.

Anhand der Fig. 12 soll nun eine vierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rastermikroskops beschrieben werden. Bei dieser Ausführungsform sind an den äuße ren Seitenflächen beider Endabschnitte der Stimmga bel 30 Permanentmagneten 65A und 65B befestigt. Außer halb der Permanentmagneten 65A und 65B sind in enger Nachbarschaft zu diesen Elektromagnete 31A und 31B angeordnet. Die Permanentmagnete 65A und 65B sind derart angeordnet, daß den Elektromagneten 31A und 31B gleichnamige Magnetpole (zum Beispiel der Norpol) gegenüberliegen. Die Treiberschaltung 33 für die Elek tromagneten betätigt die Elektromagneten 31A und 31B derart, daß von den Elektromagneten 31A und 31B Mag netfelder mit sich periodisch ändernden Richtungen an die Permanentmagneten 65A und 65B gelegt werden, können, wobei die Richtung des von dem Elektromagne ten 31A angelegte Magnetfeldes und die Richtung des von dem Elektromagneten 31B angelegten Magnetfel des einander entgegengesetzt sind.

Bei dieser Ausführungsform wird in dem Augenblick, in welchem die Seite des dem Permanentmagneten 65A gegenüberliegenden Elektromagneten 31A den magneti schen Nordpol bildet und den entsprechenden Endab schnitt der Stimmgabel 30 abstößt, die dem Perma nentmagneten 65B zugewandte Seite des Elektromagne ten 31B ebenfalls zum magnetischen Nordpol und stößt den entsprechenden Endabschnitt der Stimmga bel 30 ab. Wenn dann die Richtungen der Magnetfel der geändert werden und die dem Permanentmagneten 65A gegenüberliegede Seite des Elektromagneten 31A den magnetischen Südpol bildet und den entsprechen den Endabschnitt der Stimmgabel 30 anzieht, bildet auch die dem Permanentmagneten 65B zugewandte Sei te des Elektromagneten 31B den magnetischen Südpol und zieht den entsprechenden Endabschnitt der Stimm gabel 30 an. Auf diese Weise wird die Stimmgabel 30 zum Schwingen angeregt. Deshalb bewegt sich die Sonde 35 mit hoher Geschwindigkeit hin und her, und die Probe wird mit dem Laserstrahl in Haupt abtastrichtung abgetastet. In diesen Fällen läßt sich die Kraft zum Anschwingen der Stimmgabel 30 so einstellen, daß sie größer als bei der ersten, der zweiten und der dritten Ausführungsform ist. Selbst wenn die Sonde 31 also relativ schwer ist, läßt sie sich mit hoher Geschwindigkeit hin- und herbewegen.

Bei dieser Ausführungsform ist der Abstand zwischen beiden Endabschnitten der Stimmgabel 30 besonders klein. Die eine derartige Gestalt aufweisende Stimm gabel 30 hat den Vorteil, daß sie leicht mit der von der Erregereinrichtung kommenden Kraft schwin gen kann. Allerdings ist die Form der Stimmgabel 30 nicht auf die in Fig. 12 dargestellte Form be schränkt und kann in verschiedener Weise modifi ziert werden.

Anhand der Fig. 13 und 14 soll nun eine fünfte Aus führungsform des erfindungsgemäßen Rastermikroskops beschrieben werden. Diese Ausführungsform unterschei det sich von den oben bereits erläuterten Ausführungs formen durch die Ausgestaltung der Erregereinrichtung zum Anschwingen der Stimmgabel 30. Die von der Erre gereinrichtung verschiedenen Teile können den oben erläuterten Ausführungsformen entsprechen.

Bei der fünften Ausführungsform wird die Stimmgabel 30 durch eine Aluminiumlegierung A5056 gebildet, und sehr nahe bei den beiden Endabschnitten der Stimmga bel 30 sind piezoelektrische Bauelemente 70 ange bracht. Von einer Treiberschaltung 71 für die piezo elektrischen Bauelemente wird eine rechteck-impuls förmige Spannung E' mit einer hohen Frequenz an die piezoelektrischen Bauelemente 70 angelegt, um die Bauelemente periodisch zu beanspruchen. Deshalb schwingen die Endabschnitte oder Schenkel der Stimm gabel 30 in Pfeilrichtung X. Damit kann man an einem Endabschnitt der Stimmgabel 30 eine Sonde 15 lagern, die sich in Pfeilrichtung X bewegt, um die Probe mit dem Laserstrahl in Hauptabtastrichtung abzutasten.

Bei dieser Ausführungsform schlägt die Stimmgabel 30 während ihrer Schwingung nicht gegen die Erreger einrichtung, die zum Anschwingen der Stimmgabel 30 dient. Deshalb erhält man einen großen Hubbereich, in welchem die Sonde 15 sich bezüglich des Proben halteelements 22 bewegt, d. i. der Hubbereich, in welchem der Laserstrahl die Probe in Hauptabtast richtung abtastet. Auch bei dieser Ausführungsform ist das Material der Stimmgabel 30 nicht auf ein magnetisches Material beschränkt, sondern es kann ein Material ausgewählt werden, welches mühelos mit großer Amplitude zu schwingen vermag. Aus die sem Grund erhält man einen großen Hubbereich, in welchem der Laserstrahl die Probe in Hauptabtast richtung abtastet.

Im folgenden soll anhand der Fig. 15 die Treiber schaltung 71 für die piezoelektrischen Bauelemen te erläutert werden. Die Treiberschaltung 71 ent hält den Impulsgenerator 79 und einen Treiber 72. Der Treiber 72 wird gebildet durch einen Puffer 51 mit offenen Kollektor, einem Photokoppler 52, ein Leistungs-MOSFET 53, einem Ladewiderstand und einen Entladewiderstand 74. Der Treiber 72 legt die im pulsförmige Rechteckspannung E' mit der gleichen Frequenz wie das Frequenzsignal Sf, welches von dem Impulsgenerator 49 empfangen wird, an die piezoelektrischen Bauelemente 70.

Bei dieser Ausführungsform ist die an die Treiber schaltung 71 für die piezoelektrischen Bauelemente angschlossene Schaltung grundlegend die gleiche wie die, die an die in Fig. 4 dargestellte Treiberschal tung 33 für die Elektromagneten angschlossen ist. Die Frequenz des von dem Impulsgenerator 49 erzeug ten Signals Sf wird wahlweise auf die Frequenz f1 des ersten Obertons oder die Frequenz f3 des dritten Obertons der Stimmgabel 30 umgeschaltet, abhängig von dem Frequenzumschaltsignal Cf. Wenn ein Bild zum Auffinden des Gesichtsfelds erzeugt wird, wird die Frequenz des Signals Sf auf die Frequenz f1 des ersten Obertons der Stimmgabel 30 eingestellt. Wenn schließlich ein sichtbares Bild für die Wiedergabe gebildet wird, wird die Frequenz des Signals Sf auf die Frequenz f3 des dritten Obertons der Stimm gabel 30 eingestellt. Auf diese Weise kann man wie beim oben beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel dann, wenn das Gesichtsfeld aufgefunden ist, ein mikroskopisches Bild eines großen Flächenbereichs der Probe 23 erhalten. Wenn schließlich ein als sichtbares Bild wiederzugebendes Bild erzeugt wird, läßt sich die Abtastung sehr rasch durchführen.

Bei dieser Ausführungsform haften an den Innenflä chen der Stimmgabel 30 die piezoelektrischen Bauele mente 70. Alternativ kann man gemäß dem in Fig. 16 dargestellten sechsten Ausführungsbeispiel die piezoelektrischen Bauelemente 70 an den Außenseiten der Stimmgabel 30 anbringen. In Fällen, in denen die piezoelektrischen Bauelemente 70 als Erregereinrichtung fungieren, läßt sich also die Form der Stimmgabel 30 aus verschiedenen möglichen Formen auswählen.

Bei der sechsten, in Fig. 17 dargestellten Ausführungs form kann die Treiberschaltung 71 für die piezoelek trischen Bauelemente grundsätzlich die gleiche sein, wie die Treiberschaltung 71 nach Fig. 15. Wenn die mit der Treiberschaltung 71 verbundene elektrische Schaltung die gleiche ist wie die mit der in Fig. 15 gezeigten Treiberschaltung 71 verbundene Schaltung, so erhält man die gleichen Effekte wie bei der er sten und der fünften Ausführungsform. Wenn die an die Treiberschaltung 71 angeschlossene elektrische Schal tung die gleiche ist wie die in Fig. 5 dargestellte Treiberschaltung 33 für den Elektromagneten, so kann man die Vergrößerung des Wiedergabebildes kontinuier lich in einem breiten Bereich ändern, wie es beim zwei ten Ausführungsbeispiel der Fall ist.

Fig. 17 zeigt eine siebte Ausführungsform des erfin dungsgemäßen Rastermikroskops. Bei dieser Ausführungs form besteht die Stimmgabel 30 aus Stahl, bei dem es sich um ein magnetisches Material handelt. Um die Stimmgabel 30 ist eine Erregerwicklung 315 gewickelt. Durch die Erregerwicklung 31S und die Stimmgabel 30 wird ein Elektromagnet gebildet. Wenn der derart auf gebaute Elektromagnet in derselben Weise erregt wird, wie der oben erläuterte Elektromagnet 31, also unab hängig und getrennt von der Stimmgabel 30, schwingen die Endabschnitte der Stimmgabel 30. Deshalb läßt sich die Sonde 15 mit hoher Geschwindigkeit hin- und hergewegen.

Bei dieser Ausführungsform sind zwei gleiche Form auf weisenden Ausnehmungen 30C in den Endabschnitten der Stimmgabel 30 ausgebildet. Das Probenhalteelement 22 befindet sich in der in dem Endabschnitt ausgebilde ten Ausnehmung 30C, wo die Sonde 15 gelagert ist. Zwei Eisenkerne 30F für einen magnetischen Kreis be finden sich an beiden Endabschnittten der Stimmgabel 30. Die Eisenkerne 30F befinden sich an Stellen ober halb und unterhalb der Ausnehmungen 30C, so daß die Eisenkerne nicht mit dem Probenhaltelement 22 kollidie ren. Die Eisenkerne 30F können in wirksamer Weise ein starkes Magnetfeld auf die Stimmgabel 30 aufbringen. Allerdings kann man die Eisenkerne 30F weglassen, so daß eine große Schwingungsamplitude der Stimmgabel 30 erhalten wird, indem man die gegenseitige Störung der Eisenkerne 30F und der schwingenden Stimmgabel 30 beseitigt.

Wenn die Eisenkerne 30F in Richtung des Doppelpfeils W bewegt werden, ändert sich die Stärke des an die Stimmgabel 30 gelegten Magnetfelds, und die Schwin gungsamplitude der Stimmgabel 30 ändert sich mit. Auf diese Weise kann man den Hub, mit dem der Laser strahl die Probe abtastet, einstellen. Wenn man an stelle der Eisenkerne 30F einen Eisenkern verwendet, um den eine Spule gewickelt ist, fließt ein Strom durch die Spule, wenn die Stimmgabel 30 schwingt. Die Stärke des Stroms ändert sich abhängig von der Amplitude der Schwingung der Stimmgabel 30. Man kann deshalb die Spule als Sensor zum Erfassen der Schwin gungsamplitude der Stimmgabel 30 verwenden.

Fig. 18 zeigt eine achte Ausführungsform des erfin dungsgemäßen Rastermikroskops. Bei dieser Ausführungs form besteht die Stimmgabel 30 aus einer Aluminiumle gierung A5056, bei der es sich um ein nicht-magneti sches Material handelt. Wie oben erläutert, ist der Elastizitätsmodul E der Aluminiumlegierung A5056 spürbar kleiner als der Elastizitätsmodul eines mag netischen Materials wie beispielsweise SS41. Die Per manentmagneten 65A und 65B sind an den Innenflächen der beiden Endabschnitte der Stimmgabel 30 befestigt. Die Permanentmagnete 65A und 65B sind derart angeord net, daß der magnetische Nordpol des einen der Perma nentmagnete 65A und 65B nach innen weist, während der magnetische Südpol des anderen Permanentmagneten nach innen weist. Der Basisabschnitt 30a der Stimmga bel 30 ist an einem Rahmen 32 befestigt, und die Stimmgabel 30 kann mit einer bestimmten Eigenfrequenz schwingen. Der Elektromagnet 31 befindet sich im Inne ren des durch die Stimmgabel 30 definierten Raums in geringfügigem Abstand bezüglich der Permanentmagnete 65A und 65B. Der Elektromagnet 31 ist an dem Support 34 befestigt, welcher seinerseits an dem Rahmen 32 festgelegt ist.

Eine zusammen mit dem Elektromagneten 31 eine Erreger einrichtung bildende Elektromagnet-Treiberschaltung 30 legt einen Rechteck-Impulsstrom E mit einer Frequenz, die der Eigenfrequenz der Stimmgabel 30 entspricht, an den Elektromagneten 31. Auf diese Weise wird inter mittierend ein Magnetfeld an die an beiden Endabschnit ten der Stimmgabel 30 befindlichen Permanentmagnete 65A und 65B gelegt. Auf diese Weise werden die Perma nentmagnete 65A und 65B gegen den Elektromagneten 31 gezogen und dann losgelassen. Diese Vorgänge wieder holen sich. Deshalb schwingt die Stimmgabel 30 in Re sonanz mit ihrer Eigenfrequenz. Dadurch wird die an der Stimmgabel 30 befestigte Sonde 15 mit hoher Ge schwindigkeit in Pfeilrichtung X (d. h. horizontal) hin- und herbewegt. Hierdurch wird die Probe 23 mit dem Lichtfleck in Hauptabtastrichtung abgetastet.

Bei dieser Ausführungsform befindet sich der Elektro magnet 31 im Inneren des durch die Stimmgabel 30 defi nierten Raums, um ein Magnetfeld auf die Permanent magnete 65A und 65B aufzubringen. Deshalb kann die auf die Stimmgabel 30 einwirkende Kraft größer sein als dann, wenn ein Permanentmagnet an der Außenfläche eines Endabschnitts der Stimmgabel befestigt ist, während sich ein Elektromagnet auf der Seite außer halb des Permanentmagneten befindet.

Nach den oben erläuterten Ausführungsbeispielen ist das erfindunsgemäße Rastermikroskop als Gerät vom mono chromatischen Reflexionstyp ausgebildet. Das Raster mikroskop gemäß der Erfindung ist auch als Rastermi kroskop zur Erzeugung von Farbbildern, als Transmissions- Rastermikroskop, als Fluoreszenz-Rastermikroskop oder dergleichen ausbildbar. Bei den oben erläuterten Aus führungsbeispielen wird die Optik hin- und herbewegt. Das erfindunsgemäße Rastermikroskop ist auch so aus bildbar, daß der Probenhalter hin- und herbewegt wird.

Weiterhin kann der Abtastmechanismus gemäß den oben erläuterten Ausführungsbeispielen der Erfindung auch eingesetzt werden, wenn die Abtastung in einer anderen Vorrichtung als einem Mikroskop durchgeführt werden soll.

Zum Beispiel kann der oben erläuterte Abtastmechnismus eingesetzt werden, wenn die Abtastung beim Einschreiben von Information in Speicher, beim Auslesen von Infor mation aus Speichern und bei der Erfassung von Video- oder Audiosignalen von Aufzeichnungsträgern durchge führt wird.

Claims

1. Abtastmechanismus, insbesondere für ein Rastermikroskop,
mit einem eine zu untersuchende Probe (23) halternden Probenhalte element (22)
und einer einen Lichtstrahl auf die Probe (23) strahlenden Optik (15, 18)
sowie einem Bewegungsmechanismus (30-33) zur abtastenden Füh rung des Lichtstrahls über die Probe (23) hinweg, der eine Relativ bewegung der Optik (15, 18) zum Probenhalter gewährleistet,
und einer das Probenlicht erfassenden Detektoreinrichtung (26-28) zur Erzeugung eines Probenbildes,
wobei der Bewegungsmechanismus eine U-förmige, mit ihrem einen Schenkel eines der relativ zueinander bewegenden Teile tragende Stimmgabel (30) sowie eine die Stimmgabel (30) vermittels einer Treiberschaltung senkrecht zur Stimmgabelachse zur Resonanz schwingung anregende Erregereinrichtung (31, 33; 70, 71) aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Detektoreinrichtung (26-28) als photoelektrisch registrie rende Detektoreinrichtung ausgebildet ist,
und daß die Treiberschaltung (33) einen Treiberstrom liefert, der alternativ entweder die erste oder die dritte Oberschwingung der Stimmgabel (30) anregt.

2. Abtastmechanismus nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Treiberschaltung einen in ihrer Amplitude veränderlichen Treiber strom liefert.

3. Abtastmechanismus nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß die Stimmgabel (30) aus einem magnetischen Material besteht und die Erregereinrichtung eine um die Stimmgabel gewickelte, von der Treiberschaltung beaufschlagte Erregerwicklung umfaßt.

4. Abtastmechanismus nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichn et, daß die Stimmgabel (30) aus einem nicht-magnetischen Material besteht und die Erregereinrichtung an den Stimmgabelenden entweder ein permanentmagnetisches oder ein piezoelektrisches, von der Treiberschal tung beaufschlagtes Material umfaßt.

5. Abtastmechanismus nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stimmgabel (30) in ihrem Mittelabschnitt dün ner als an den Stimmgabelenden ausgebildet ist, wobei die Dicke da zwischen sich vorzugsweise stetig ändert.

6. Abtastmechanismus nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß am anderen Schenkel der Stimmgabel ein Gegen gewicht angebracht ist, das eine harmonische Schwingung der Stimm gabel (30) unterstützt.