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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Nahfeldmikroskop zum Durchführen einer
Untersuchung eines Objekts sowie eine Beobachtungseinheit für ein optisches
Mikroskop.
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Für eine hochaufgelöste Abbildung
eines Objekts, beispielsweise einer Probe, kann die scannende nahfeldoptische
Mikroskopie (scanning near field optical microscopy, SNOM), eingesetzt
werden. Bei dieser Art von Mikroskopie wird eine Nahfeldsonde verwendet,
deren Spitze in die Nähe
der Probenoberfläche
gebracht wird. Durch eine Optik, beispielsweise durch ein Objektiv
eines Mikroskops, wird Licht zum Beleuchten der Sonde auf die Spitze
der Sonde fokussiert. Bei aperturlosen nahfeldoptischen Sonden werden
dabei in der sich im Brennpunkt befindenden mikroskopischen Spitze
Plasmonen angeregt, die eine Verstärkung des elektromagnetischen Feldes
in unmittelbarer Nähe
der Sondenspitze bewirken. Das im Bereich der Spitze konzentrierte
Licht wechselwirkt mit der Probe und erzeugt ein Antwortsignal.
Das im Wesentlichen von einem unter der Spitze liegenden Teil der
Probe gestreute oder emittierte Licht wird anschließend gesammelt
und ausgewertet.
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Beispielsweise
erfolgt eine Raman-Streuung des Lichts an der Probenoberfläche. Für diese
sogenannte Nahfeld-Raman-Mikroskopie (TERS, tip enhanced Raman scattering)
ist es vorteilhaft, wenn das zu untersuchende Objekt mit einem Aperturwinkel
von nahezu 180° beleuchtet
wird. Bei einer durchsichtigen Probe kann dabei die Beleuchtung
durch das Objekt hindurch erfolgen, d. h. von der der Nahfeldsonde
gegenüberliegenden
Seite. Für
andere Materialien, wie beispielsweise den in der Halbleiter- und
Materialmikroskopie interessierenden Materialien kann es erforderlich
sein, das Objekt in Auflichtkonfiguration zu beleuchten. Wiederum
wird in den Fokus der Beleuchtung, d. h. des zur Anregung genutzten
Lichts, eine Nahfeldsonde gesetzt, um die Raman-Emission zu verstärken. Das
emittierte Licht kann dann mit einem Mikroskopobjektiv gesammelt und
spektroskopisch analysiert werden. Bei derartigen Mikroskopen erfolgt
die Bildgebung in der Regel durch ein Scannen der Probe relativ
zum Objektiv.
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Herkömmliche
Systeme zum Durchführen von
Nahfeld-Raman-Mikroskopie arbeiten dabei mit getrennten Abbildungs-
und Beleuchtungsstrahlengängen.
Der Abbildungsstrahlengang dient dabei der mikroskopischen Beobachtung
der Probe, während der
Beleuchtungsstrahlengang das Licht führt, das auf die Spitze der
Nahfeldsonde fokussiert werden soll. Ein derartiges System ist komplex,
da es Optiken für
die getrennten Strahlengänge
benötigt
und es notwendig sein kann, mehrere optische Elemente wie beispielsweise
Objektive in unmittelbarer Probennähe anzuordnen. Auch sind derartige
Systeme für
einen Benutzer ungewohnt, da er in der Regel mit nur einem Strahlengang
konfrontiert wird. Folglich erfordern derartige Systeme ein speziell
geschultes Bedienpersonal, wodurch wiederum ein höherer Kostenaufwand
entsteht.
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Ein
weiteres Problem derartiger Systeme stellt die Stabilisierung dar.
Für hochauflösende Messungen
soll beispielsweise die Nahfeldsonde während der Dauer einer Messung
ortsfest im Fokus des Anregungslichts verbleiben. Auch sollten der
Fokus des Anregungslichts und der Fokus des Abbildungssystems aufeinander
fallen, damit eine Justage der Nahfeldsonde stattfinden kann. Bei
herkömmlichen Systemen
ist dies regelmäßig nicht
gegeben, da aufgrund der verschiedenen Strahlengänge und von Einflüssen wie
beispielsweise Schwingungen und Drift die Brennpunkte und die Spitze
der Nahfeldsonde oft nicht über
längere
Dauer ortsfest zueinander gehalten werden können. Weiterhin sind derartige Systeme
regelmäßig nicht
in herkömmliche
Mikroskopaufbauten integrierbar, insbesondere da sie spezielle Optiken
für die
verschiedenen Strahlengänge benötigen. Somit
sind derartige Systeme oft mit hohen Entwicklungs-, Herstellungs-
und Anschaffungskosten verbunden.
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Die
Trennung der Strahlengänge
wird dabei oft durch die unterschiedlichen optischen Anforderungen
an die Beleuchtung der Nahfeldsonde und die mikroskopische Abbildung
der Probe bedingt. Wie bereits erwähnt soll die Sonde mit einer
möglichst
hohen numerischen Apertur beleuchtet werden, was bei herkömmlichen
Systemen in der Regel durch sehr kurze Arbeitsabstände des
Objektivs zur Fokussierung des Anregungslichts und der Verwendung
von Immersionsflüssigkeiten
wie beispielsweise Wasser oder Öl
erreicht wird. Hingegen ist es für
die Beobachtung der Probe oftmals nötig, einen großen Arbeitsabstand
zu wählen,
um gegebenenfalls die Platzierung der Nahfeldsonde zwischen Beobachtungsobjektiv
und Probe zu ermöglichen.
Aufgrund dieser unvereinbaren Anforderungen greifen herkömmliche Systeme
auf die vorab genannten getrennten Strahlengänge zurück.
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Folglich
besteht ein Bedarf für
ein Nahfeldmikroskop, das zumindest einige der vorab genannten Nachteile
vermeidet. Insbesondere besteht ein Bedarf für ein weniger komplexes System,
das auch in ein konventionelles Mikroskop integriert werden kann.
Weiterhin ist es wünschenswert,
dass die Brennpunkte der Optik zur Beobachtung der Probe und der
Optik zum Fokussieren des Anregungslichts möglichst ortsfest zueinander
gehalten werden können.
Ebenfalls ist es wünschenswert,
sowohl einen großen
Arbeitsabstand, als auch eine Beleuchtung der Probe bzw. Nahfeldsonde
mit hoher numerischer Apertur bereitzustellen. Auch sollte sich
ein derartiges Mikroskop einfach bedienen lassen.
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Somit
ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes
Nahfeldmikroskop bereitzustellen, sowie eine Beobachtungseinheit,
die einfach in ein optisches Mikroskop zur Durchführung von
nahfeldoptischer Mikroskopie integriert werden kann.
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Diese
Aufgabe wird mit Hilfe der Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. In den
abhängigen
Ansprüchen
sind bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung beschrieben.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Nahfeldmikroskop
für eine
Untersuchung eines Objekts bereitgestellt. Das Nahfeldmikroskop
umfasst ein optisches Element, das einen Beleuchtungslichtpfad,
der zum Führen
von Anregungslicht zur Beleuchtung des Objekts ausgestaltet ist,
und einen Abbildungslichtpfad, der zum Führen von Licht für eine mikroskopische
Beobachtung des Objekts ausgestaltet ist, zusammenführt. Weiterhin
umfasst das Nahfeldmikroskop ein Objektiv, das in dem zusammengeführten Beleuchtungslichtpfad und
Abbildungslichtpfad angeordnet ist, und das für eine mikroskopische Beobachtung
des Objekts ausgestaltet ist, sowie einen Hohlspiegel, der angeordnet
und ausgestaltet ist, um Anregungslicht, dass das Objektiv passiert
hat, auf das Objekt zu fokussieren.
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Bei
einem derartigen Nahfeldmikroskop können das Licht zur Beobachtung
des Objekts und das Anregungslicht durch die Anordnung von Objektiv- und
Hohlspiegel auf das Objekt fokussiert werden. Damit sind weitere
Fokussieroptiken, wie beispielsweise ein seitlich angeordnetes Objektiv
oder ein auf der gegenüberliegenden
Seite des Objekts angeordnetes Objektiv nicht notwendig. Da das
Licht in einem gemeinsamen Strahlengang zu dem Objekt geführt werden
kann, ist der optische Aufbau im Bereich des Objekts weniger komplex
als bei herkömmlichen
Systemen. Das Objektiv und der Hohlspiegel können als ein kompakter Aufbau
realisiert werden, sie lassen sich somit auch in ein herkömmliches
Mikroskopstativ integrieren. Da sowohl das Anregungslicht als auch
das Licht zur Beobachtung dasselbe Objektiv passieren, können der
Brennpunkt des Objektivs und gegebenenfalls ein mit dem Hohlspiegel
erzeugter Brennpunkt zueinander stabilisiert werden. Während mit
dem Objektiv ein großer
Arbeitsabstand realisiert werden kann, kann gleichzeitig mit dem
Hohlspiegel eine Beleuchtung des Objekts mit hohem Aperturwinkel
verwirklicht werden. Auch können
mit einem derartigen System nicht-transparente Objekte in Auflichtkonfiguration
untersucht werden. Durch die reduzierte Komplexität des Mikroskopsystems
ist das System des weiteren kostengünstig und ermöglicht eine
einfache Bedienung. Das Anregungslicht dient beispielsweise der
Beleuchtung einer Nahfeldsonde, die im Fokus des Anregungslichts
positioniert werden kann.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst das optische Element einen dichroitischen
Spiegel für
ein chromatisches Zusammenführen
der Lichtpfade. Gemäß einer
anderen Ausführungsform
umfasst das optische Element einen Spiegel, der nur einen vorbestimmten
Bereich des Abbildungslichtpfads für ein räumliches Zusammenführen der
Lichtpfade abdeckt. Somit kann ein im Wesentlichen verlustfreies
Zusammenführen
der Lichtpfade realisiert werden.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
ist in dem Beleuchtungslichtpfad ein zweites optisches Element vorgesehen,
welches derart ausgestaltet und angeordnet ist, das Anregungslicht
nach einem Passieren des zweiten optischen Elements und des Objektivs
im Wesentlichen kollimiert ist oder eine vorbestimmte Konvergenz
oder Divergenz aufweist. Damit kann eine gute Ausleuchtung des Hohlspiegels
sichergestellt werden, und folglich auch eine Beleuchtung des Objekts
mit hohem Aperturwinkel.
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Der
Beleuchtungslichtpfad kann beispielsweise ausgestaltet sein, um
das Anregungslicht in einem Bereich zwischen dem optischen Element
und dem Objektiv im Wesentliche kollimiert zu führen, wobei das zweite optische
Element in diesem Bereich derart angeordnet ist, dass es einen vorbestimmten Bereich
des Abbildungslichtpfads abdeckt. Somit kann Licht zur Beobachtung
des Objekts an dem zweiten optischen Element vorbei geführt werden, ohne
dieses zu passieren. Ein weiterer Vorteil ist, dass das Anregungslicht
sowohl in dem Bereich zwischen dem optischen Element und dem zweiten
optischen Element kollimiert geführt
werden kann, als auch von dem Objektiv kollimiert ausgegeben werden
kann. Damit kann das optische Element zum Zusammenführen der
Lichtpfade im Wesentlichen an beliebiger Stelle im Mikroskop positioniert
werden, wohingegen des Weiteren eine gute Ausleuchtung des Hohlspiegels
sichergestellt wird. Auch kann so ein großer Arbeitsabstand zwischen
Objektiv und Objekt realisiert werden. Das zweite optische Element
kann beispielsweise in das Objektiv integriert sein.
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Auch
ist es möglich,
das zweite optische Element aus Sicht von einfallendem Anregungslicht
vor dem optischen Element anzuordnen, wobei der Beleuchtungslichtpfad
dann ausgestaltet ist, um das Anregungslicht in einem Bereich zwischen
dem optischen Element und dem Objektiv im Wesentlichen konvergierend
und/oder divergierend zu führen.
Das Objektiv kann dann beispielsweise das divergierende Anregungslicht
kollimieren, so dass wiederum eine gute Ausleuchtung des Hohlspiegels
bei großem
Arbeitsabstand sichergestellt wird.
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Gemäß einer
Ausführungsform
ist der Hohlspiegel ein Parabolspiegel, und das zweite optische Element
ist derart ausgestaltet und angeordnet, dass Anregungslicht nach
einem Passieren des zweiten optischen Elements und des Objektivs
im Wesentlichen kollimiert auf den Parabolspiegel trifft.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
ist Hohlspiegel ein Ellipsoidspiegel oder ein Hyperbolspiegel. Das
zweite optische Element ist derart ausgestaltet und angeordnet,
dass Anregungslicht nach einem Passieren des zweiten optischen Elements und
des Objektivs divergierend auf den Ellipsoidspiegel beziehungsweise
konvergierend auf den Hyperbolspiegel trifft. Somit kann auch mit
derartigen Spiegeln eine Fokussierung des Anregungslichts mit hohem
Aperturwinkel auf einen kleinen Brennfleck, in dem sich eine Nahfeldsonde
befinden kann, erfolgen.
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Der
Hohlspiegel kann beispielsweise ein ringförmiger Hohlspiegel mit einer
größeren, dem Objektiv
zugewandten Öffnung
und einer kleineren, vom Objektiv abgewandten Öffnung sein. Der Hohlspiegel
kann einen Brennpunkt aufweisen, der aus Sicht des Objektivs hinter
der kleineren Öffnung
liegt. Das hat den Vorteil, dass der Brennpunkt des Hohlspiegels
einfach in der Nähe
der Oberfläche
des Objekts positioniert werden kann. Der Hohlspiegel kann beispielsweise
ein Parabolspiegel, ein Hyperbolspiegel, oder ein Ellipsoidspiegel
sein. Der Hohlspiegel kann jedoch auch eine andere Form besitzen
welche eine fokussierende Wirkung aufweist.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
ist im Beleuchtungslichtpfad des Weiteren ein korrigierendes optisches
Element vorgesehen, das derart ausgestaltet ist, das Anregungslicht,
welches das korrigierende optische Element und das Objektiv passiert
hat, von dem Hohlspiegel in einen Fokus fokussiert wird. Dies ist
beispielsweise in dem Fall vorteilhaft, in dem das Abbildungssystem
nicht auch gleichzeitig für
den Beleuchtungsstrahlengang aberrationsfrei korrigiert werden kann,
da eine derartige Aberrationskorrektur mit dem korrigierenden optischen
Element durchgeführt
werden kann.
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Auch
wenn das Objektiv nicht für
das Anregungslicht korrigiert ist, kann das Anregungslicht somit
von dem Hohlspiegel in einem Fokus fokussiert werden.
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Das
korrigierende optische Element umfasst beispielsweise eine asphärische Linse,
ein diffraktives optisches Element, ein adaptives optisches Element
oder einen adaptiven Membranspiegel, oder eine Kombination dieser
optischen Elemente. Beispielsweise kann eine asphärische Linse
in Kombination mit einem adaptiven Membranspiegel verwendet werden.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
umfasst das Nahfeldmikroskop eine Nahfeldsonde, die an dem Objektiv
angebracht ist, wobei der Hohlspiegel zum Fokussieren des Anregungslichts
auf die Nahfeldsonde ausgestaltet ist. Weiterhin kann das Nahfeldmikroskop
einen Probenhalter umfassen, der zum Halten des Objekts und zum
Verfahren des Objekts relativ zu der Nahfeldsonde ausgestaltet ist. Durch
Verfahren des Objekts mit dem Probenhalter kann das Objekt für eine ortsaufgelöste Untersuchung
somit mit der Nahfeldsonde abgerastert werden. Da das Objektiv einen
großen
Arbeitsabstand aufweisen kann, ist es möglich, die Nahfeldsonde zwischen
Objektiv und zu untersuchendem Objekt anzuordnen, wodurch ein kompakter
Aufbau erzielt wird.
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Das
Nahfeldmikroskop kann des Weiteren eine Halterung umfassen, wobei
der Hohlspiegel und das Objektiv mit der Halterung ortsfest verbunden sind.
Bei einem derartigen Aufbau kann eine Stabilisierung der Brennpunkte
von Objektiv und Hohlspiegel zueinander realisiert werden, wodurch
Einflüsse wie
thermischer Drift oder Schwingungen minimiert werden können. Vorzugsweise
sind das Objektiv und der Hohlspiegel derart zueinander angeordnet,
dass ein durch den Hohlspiegel erzeugter Fokus des Anregungslichts
in der durch das Objektiv erzeugten Objektebende des Abbildungslichtpfades
liegt. Der Fokus des Anregungslichts kann des Weiteren auf der optischen
Achse des Objektivs liegen. Ein derartiges Anordnen von Objektiv
und Hohlspiegel zueinander hat des Weiteren den Vorteil, dass diese
optischen Komponenten im Betrieb des Mikroskops nicht zueinander
justiert werden müssen,
und dass ein kompakter optischer Aufbau erzielt wird, der einfach
in ein herkömmliches
Mikroskopstativ integriert werden kann. Auch kann eine an der vorab
genannten Halterung oder an dem Objektiv befestigten Nahfeldsonde mit
einer derartigen Anordnung einfach im Fokus des Anregungslichts
positioniert werden. Bei einer derartigen Anbringung der Nahfeldsonde
wird des Weiteren eine Stabilisierung der Positionierung der Nahfeldsonde
bezüglich
Objektiv und Hohlspiegel erreicht.
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Gemäß einer
Ausführungsform
weist der Hohlspiegel eine numerische Apertur von mindestens 0,9
auf. Der halbe Öffnungswinkel
des fokussierten Anregungslichts, auch Akzeptanzwinkel genannt, kann
beispielsweise mindestens 64 Grad betragen, vorzugsweise mindestens
70 Grad, 80 Grad, oder sogar 85 Grad. Weiterhin kann das Objektiv
einen Arbeitsabstand von mindestens 5 mm aufweisen. Somit wird eine
Platzierung einer Nahfeldsonde ermöglicht. Vorzugsweise beträgt der Arbeitsabstand
mindestens 7, 8, oder sogar 9 mm. Das Objektiv kann dabei sowohl
als Linsensystem als auch als Spiegelsystem ausgebildet sein.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Beobachtungseinheit
für ein
optisches Mikroskop bereitgestellt, die ein Objektiv, das für eine mikroskopische
Beobachtung eines Objekts ausgestaltet ist, und einen Hohlspiegel,
der ausgestaltet ist, um von dem optischen Mikroskop empfangenes
Anregungslicht, dass das Objektiv passiert hat, zum Beleuchten des
Objekts zu fokussieren, umfasst. Weiterhin umfasst die Beobachtungseinheit
eine Halterung, an der das Objektiv und der Hohlspiegel ortsfest
angebracht sind.
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Damit
kann gegebenenfalls eine Stabilisierung der relativen Positionierung
der Brennpunkte des Hohlspiegels und des Objektivs erreicht werden. Weiterhin
stellt eine derartige Beobachtungseinheit eine kompakte Einheit
dar, die einfach in ein herkömmliches
Mikroskopsystem integriert werden kann. Weiterhin können mit
einer derartigen Beobachtungseinheit die vorab genannten Vorteile
realisiert werden, wie beispielsweise eine Abbildungsapertur des
Objektivs von deutlich unter 1, was einen großen Arbeitsabstand ermöglicht,
bei gleichzeitiger Beleuchtungsapertur von nahezu 1.
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Gemäß einer
Ausführungsform
ist das Objektiv zur mikroskopischen Beobachtung eines Objekts ausgestaltet,
das sich in einem Fokus des Objektivs befindet und der Hohlspiegel
ist derart ausgestaltet, dass von dem optischen Mikroskop empfangenes
Anregungslicht in einen Fokus fokussiert wird. Das Objektiv und
der Hohlspiegel sind des Weiteren derart an der Halterung angebracht,
dass der Fokus des Objektivs und der Fokus des Anregungslichts im Wesentlichen
aufeinander fallen. Eine Beobachtung des Objekts oder einer Nahfeldsonde
durch das Objektiv kann somit eine präzise Positionierung des Fokus
des Anregungslichts ermöglichen.
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Die
Beobachtungseinheit kann des Weiteren eine Nahfeldsonde umfassen,
die an der Halterung oder an dem Objektiv angebracht ist.
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Der
Hohlspiegel kann wie oben beschrieben ausgestaltet sein. Beispielsweise
kann der Hohlspiegel ein ringförmiger
Hohlspiegel mit einer größeren dem
Objektiv zugewandten Öffnung
und einer kleineren vom Objektiv abgewandten Öffnung sein. Wie vorab beschrieben
können
der Hohlspiegel eine numerische Apertur von mindestens 0,9 und das
Objektiv einen Arbeitsabstand von mindestens 5 mm aufweisen.
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Gemäß einer
Ausführungsform
weist das Objektiv eine Austrittspupille auf, die in einem Abstand
zwischen 25 mm und 35 mm vom Arbeitspunkt des Objektivs angeordnet
ist, wobei das Objektiv eine Baulänge zwischen 40 mm und 60 mm
aufweist.
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Das
Objektiv kann ein optisches Element umfassen, das auf der dem Hohlspiegel
gegenüberliegenden
Seite des Objektivs angeordnet ist, und das derart ausgestaltet
ist, dass Anregungslicht, das im Wesentlichen kollimiert von dem
optischen Mikroskop empfangen wird, nach einem Passieren des optischen
Elements von dem Objektiv im Wesentlichen kollimiert oder mit einer
vorbestimmten Konvergenz oder Divergenz ausgegeben wird.
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Das
optische Element kann beispielsweise kleiner als die Austrittspupille
des Objektivs sein und einen vorbestimmten Teil eines Lichtpfads
zur Beobachtung des Objekts abdecken. Mit einem derartig angeordneten
optischen Element kann somit beispielsweise erreicht werden, dass
empfangenes kollimiertes Anregungslicht von dem Objektiv auch kollimiert
ausgegeben wird, wohingegen ein wesentlicher Teil des Lichts, das
einer Beobachtung des Objekts dient, von dem optischen Element unbeeinflusst
bleiben kann.
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Gemäß einer
Ausführungsform
kann der Hohlspiegel ein Parabolspiegel sein, wobei das Objektiv
ausgestaltet ist, um von dem optischen Mikroskop empfangenes Anregungslicht
im Wesentlichen zu kollimieren.
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Gemäß einer
weitern Ausführungsform
kann der Hohlspiegel auch ein Ellipsoidspiegel oder ein Hyperbolspiegel
sein, wobei das Objektiv derart ausgestaltet ist, dass von dem optischen
Mikroskop empfangenes Anregungslicht nach einem Passieren des Objektivs
divergierend auf den Ellipsoidspiegel beziehungsweise konvergierend
auf den Hyperbolspiegel trifft.
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Merkmale
der vorstehend und nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung können
kombiniert werden. Insbesondere können sie nicht nur in den beschriebenen
Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder für sich genommen
verwendet werden. Insbesondere können
mit Bezug auf das erfindungsgemäße Nahfeldmikroskop
beschriebene Merkmale auch in einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Beobachtungseinheit
realisiert werden, und Merkmale, die mit Bezug auf die Beobachtungseinheit
beschrieben sind, können
in einer Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Nahfeldmikroskops
implementiert werden.
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Die
Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden
Zeichnungen näher
erläutert.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche
Elemente.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung von optischen Komponenten einer Ausführungsform eines
erfindungsgemäßen Nahfeldmikroskops.
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2 ist
eine schematische Darstellung eines beispielhaften Abbildungsstrahlengangs.
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3 ist
eine schematische Darstellung eines beispielhaften Beleuchtungsstrahlengangs.
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4 ist
eine schematische Darstellung, die eine Vergrößerung eines in 3 markierten
Bereichs zeigt, und die beispielhaft das Fokussieren von Anregungslicht
mit einem Hohlspiegel zeigt.
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5 ist
eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Nahfeldmikroskops.
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6 ist
eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Nahfeldmikroskops.
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7 zeigt
schematisch den Strahlengang in einem Objektiv gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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8 zeigt
schematisch den Abbildungsstrahlengang und einen Beleuchtungsstrahlengang gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, wobei das Anregungslicht in einem Bereich nach
dem Zusammenführen
der Strahlengänge
im Wesentlichen kollimiert geführt
wird.
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9 ist
eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Beobachtungseinheit.
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Die
beigefügten
Figuren sind nur schematische Darstellungen, die einer näheren Erläuterung der
darin gezeigten Komponenten dienen. Die Komponenten sind nicht maßstäblich zueinander
dargestellt. Auch sind die gezeigten Strahlengänge nur als schematisch zu
betrachten, die Strahlengänge
in einer körperlichen
Realisierung eines Nahfeldmikroskops können teils erheblich von diesen
abweichen.
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Von
einer Lichtquelle emittierte Lichtstrahlen verlaufen im Mikroskop
entlang eines Pfades, hier Lichtpfad genannt, der von den optischen
Komponenten im Pfad, wie beispielsweise von Spiegeln und Linsen,
definiert wird. Der Verlauf von Lichtstrahlen in dem Mikroskop,
insbesondere der Verlauf bestimmter ausgezeichneter Strahlen, mit
denen beispielsweise bei der mikroskopischen Abbildung das Bild konstruiert
werden kann, wird als Strahlengang bezeichnet. Die schematischen
Darstellungen in den Figuren veranschaulichen den Verlauf ausgezeichneter
Lichtstrahlen entlang verschiedener Lichtpfade. Insbesondere werden
ein Beleuchtungsstrahlengang 10 (durchgezogene Linien)
mit Strahlen von Anregungslicht gezeigt, die entlang eines Beleuchtungslichtpfades
verlaufen, sowie ein Abbildungsstrahlengang 20 (gestrichelte
Linien) mit Strahlen zum mikroskopischen Abbilden eines Objekts 103,
die entlang eines Abbildungslichtpfades verlaufen.
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1 zeigt
ein Nahfeldmikroskop 100 gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Herkömmliche
optische Mikroskopsysteme sind einem Fachmann bekannt, und dementsprechend
wird nachfolgend von der Darstellung und Beschreibung herkömmlicher
Komponenten eines optischen Mikroskops abgesehen. Zu den nicht dargestellten
Komponenten zählen
beispielsweise eine Lichtquelle zur optischen Beobachtung des Objekts 103,
gegebenenfalls eine Tubuslinse, eine Okularlinse, eine Kamera, Spiegel
zum Umlenken des Lichts sowie Lochblenden. Mikroskop 100 ist
als ein Auflichtmikroskop ausgestaltet. Die Beleuchtung für eine mikroskopische
Abbildung des Objekts 103 als auch die Abbildung selbst
erfolgt somit mittels Objektiv 101. Somit kann im Abbildungsstrahlengang 20 ein halbdurchlässiger Spiegel
(nicht gezeigt) vorgesehen werden, der Licht von vorab genannte
Lichtquelle in Richtung des Objektivs 101 umlenkt, sowie
an dem Objekt 103 gestreutes Licht zur mikroskopischen
Abbildung des Objekts in Richtung einer Okularlinse passieren lässt, oder
umgekehrt. Folglich kann Mikroskop 100 wie ein herkömmliches
Auflichtmikroskop ausgestaltet sein und als ein solches betrieben werden.
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Beleuchtungslichtpfad
oder Beleuchtungsstrahlengang bezieht sich hier nicht auf das Licht
zum Ausleuchten des Objekts 103, um ein mikroskopisches
Abbild des Objekts zu erzeugen, sondern auf das Anregungslicht zum
Beleuchten einer Nahfeldsonde bzw. eines möglichst kleinen Bereichs des
Objekts, um eine nahfeldoptische Untersuchung des Objekts zu ermöglichen.
Der Beleuchtungslichtpfad führt
somit das Anregungslicht, das beispielsweise von einer Laserlichtquelle
oder ähnlichem
emittiert wurde.
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In
dem Lichtpfad, der die Lichtstrahlen 20 zur Abbildung des
Objekts 103 führt,
ist ein optisches Element in Form des dichroitischen Spiegels 106 angeordnet,
der diesen Abbildungslichtpfad mit einem Beleuchtungslichtpfad zusammenführt, der
die mit Bezugszeichen 10 gekennzeichneten Lichtstrahlen von
Anregungslicht führt.
Das Anregungslicht wird von einer Lichtquelle (nicht gezeigt) wie
beispielsweise einem Laser emittiert, und auf die Öffnung einer Lochblende 104 (Pin
Hole) fokussiert. Dieses kann beispielsweise einer Strahlreinigung
dienen, so dass nach der Lochblende 104 ein im Wesentlichen
Gaußsches
Strahlprofil erhalten wird. Das nach der Blende divergierende Anregungslicht
wird von Linse 105 fokussiert. Der dichroitische Spiegel 106 reflektiert
das Anregungslicht in Richtung des Objektivs 101 und führt somit
den Beleuchtungslichtpfad (Strahlen 10) und den Abbildungslichtpfad
(Strahlen 20) zusammen. Spiegel 106 ist beispielsweise
derart ausgestaltet, dass er nur eine der Wellenlänge des
Anregungslichts entsprechende Wellenlänge reflektiert, während andere
Wellenlängen
den Spiegel 106 nahezu ungehindert passieren können. Dementsprechend können die
beiden Lichtpfade nahezu verlustfrei zusammengeführt werden. Die Strahlen des
Anregungslichts verlaufen nach Spiegel 106 zunächst konvergierend
bis zu einer Strahltaille und anschließend divergierend, bis sie
auf Objektiv 101 treffen. Mit der Anordnung und Ausgestaltung
des zweiten optischen Elements in Form von Linse 105 lässt sich die
Divergenz des Anregungslichts einstellen. Bei der gezeigten Ausführungsform
erfolgt dies derart, dass das Anregungslicht nach Durchlaufen des
Objektivs 101 im Wesentlichen kollimiert ist, d. h. dass
Strahlen des Beleuchtungsstrahlengangs im Wesentlichen parallel
zueinander verlaufen.
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Nahfeld-Mikroskop 100 umfasst
des Weiteren Hohlspiegel 102. Das Anregungslicht trifft
im Wesentlichen kollimiert auf Hohlspiegel 102 und wird von
diesem auf Objekt 103 fokussiert. Das Anregungslicht dient
im Wesentlichen dazu, einen möglichst
kleinen Teil des Objekts, beispielsweise einer Probe, zu beleuchten.
Dafür kann
in einem von dem Hohlspiegel 102 gebildeten Fokus des Anregungslichts
eine Nahfeldsonde positioniert werden, um an der Spitze der Sonde
ein optisches Nahfeld zu erzeugen. Somit kann das Anregungslicht
für eine
nahfeldverstärkte
Beleuchtung des Objekts 103 eingesetzt werden. Das an Objekt 103 gestreute
Licht kann anschließend
sowohl durch Reflektion an Hohlspiegel 102 als auch direkt
mit Objektiv 101 gesammelt werden. Der dichroitische Spiegel 106 kann
nun derart beschaffen sein, dass das gesammelte gestreute Licht
ebenfalls aus dem Abbildungsstrahlengang ausgekoppelt wird, und
nachfolgend durch ein weiteres optisches Element vom Anregungslicht
getrennt wird. Auch ist es möglich,
dass das gestreute Licht Spiegel 106 passiert und an einer
anderen Stelle durch ein weiteres optisches Element aus dem Abbildungsstrahlengang 20 ausgekoppelt
wird. Zur Detektion kann eine Fokussierung des gestreuten Lichts mittels
einer Linse auf einen Fotodetektor, wie beispielsweise eine Lawinenfotodiode
oder einen Photomultiplier, oder auf ein Spektrometer erfolgen.
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Mit
der Kombination aus Objektiv 101 und Hohlspiegel 102 lässt sich
somit sowohl eine mikroskopische Beobachtung des Objekts 103 als
auch eine Nahfeldmikroskopie des Objekts 103 mit einem gemeinsamen
Strahlengang durchführen.
Objekt 103 umfasst beispielsweise eine Probe, die auf einem Träger angeordnet
ist, wobei der Träger
von einem Probenhalter gehalten wird. Bei der vorliegenden Ausführungsform
ist es nicht notwendig, weitere optische Elemente auf der dem Hohlspiegel 102 gegenüberliegenden
Seite des Objekts 103 vorzusehen. Auch ist es nicht notwendig,
den Abbildungsstrahlengang oder den Beleuchtungsstrahlengang seitlich durch
ein zusätzliches
Objektiv der Probe zuzuführen.
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Ein
Teil des Abbildungsstrahlengangs des Mikroskops 100 ist
in 2 näher
veranschaulicht. In dem Beispiel von 2 umfasst
das Objektiv 101 die Linsenelemente 107, 108 und 109.
Zwischen der auch in 1 eingezeichneten Schnittebene 110 und dem
Linsenelement 107 ist der Abbildungsstrahlengang im Wesentlichen
kollimiert. Die Oberfläche
des Objekts 103 wird somit im Wesentlichen nach unendlich
abgebildet. Es sollte jedoch klar sein, dass auch andere Konfigurationen
des Objektivs 101 verwendet werden können, in welchen eine Abbildung
nicht nach unendlich erfolgt, sondern auf das Verwenden einer Tubuslinse
abgestimmt ist. 3 zeigt wiederum schematisch
ab Schnittebene 110 den Verlauf des Beleuchtungsstrahlengangs 10.
Die divergierenden Lichtstrahlen werden von Objektiv 101 im
Wesentlichen kollimiert, und treffen nachfolgend auf Holspiegel 102,
welcher die Strahlen auf Objekt 103 fokussiert. Der Kollimation
des Strahls entspricht dabei im Wesentlichen eine Abbildung des
Strahls nach unendlich. Somit wird der unmittelbar vor dem Objekt 103 liegende
Ringspiegel auch bei größerem Arbeitsabstand
gut ausgeleuchtet. Dies ist genauer in 4 gezeigt,
die eine Vergrößerung des
durch eine gestrichelte Linie markierten Bereichs aus 3 darstellt. 4 zeigt
einen Schnitt durch den ringförmigen Hohlspiegel 102.
Das Anregungslicht trifft im Wesentlichen als ein paralleles Strahlenbündel auf
den Ringspiegel 102, der das Anregungslicht in seinen Brennpunkt
fokussiert. Der Brennpunkt des Ringspiegels 102 liegt dabei
in der Objektebene. Der ringförmige Hohlspiegel 102 kann
beispielsweise ein Parabolspiegel, ein Hyperbolspiegel oder ein
Ellipsoidspiegel sein. Ein derartiger Hohlspiegel weist einen Brennpunkt
auf, in welchen das einfallende Licht aberrationsfrei fokussiert
wird. Beispielsweise über
das optische Element 105, oder über das Hinzufügen weiterer
optischer Elemente kann der Beleuchtungsstrahlengang für eine aberrationsfreie
Fokussierung mit dem Ringspiegel korrigiert werden. Ebenfalls kann auf
diese Weise eine Korrektur von durch das Objektiv 101 eingeführten Aberrationen
erfolgen. Da es im Allgemeinen schwierig sein wird, das Abbildungssystem
gleichzeitig auch für
den Beleuchtungsstrahlengang aberrationsfrei zu korrigieren, kann
die Aberrationskorrektur des Beleuchtungsstrahlengangs vorteilhafterweise
durch Linse 105 erfolgen. Die Korrektur kann auch durch
eine asphärische
Linse oder durch ein diffraktiv-optisches Element vor der Einspiegelung
des Beleuchtungsstrahlengangs in den Abbildungsstrahlengang erfolgen.
Eine asphärische Linse
enthält
beispielsweise höhere
rotationsmetrische Terme, z. B. r4, r6, usw.
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Das
vorliegende Mikroskop weist den Vorteil auf, dass Objektiv 101 einen
großen
Arbeitsabstand, und damit eine niedrige numerische Aberratur aufweisen
kann, ohne dass dabei der Aperturwinkel zur Beleuchtung des Objekts
mit Anregungslicht verringert wird. Dies wird dadurch erreicht,
dass das aus dem Objektiv 101 austretende Anregungslicht
mit dem Hohlspiegel 102 auf das Objekt fokussiert wird. Wie
aus 4 ersichtlich sind dabei sehr hohe Aperturwinkel
möglich.
Bei entsprechender Ausgestaltung des Hohlspiegels und der im Beleuchtungslichtpfad angeordneten
optischen Elemente ist es dabei nicht notwendig, dass das Licht
im Wesentlichen kollimiert aus Objektiv 101 austritt. Somit
kann mit einer Abbildungsapertur von deutlich unter 1 eine Beleuchtungsapertur
von nahezu 1 erreicht werden.
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Je
nach Ausführung
des Hohlspiegels ergeben sich unterschiedliche Dimensionen für das Gesamtsystem.
Ein ellipsoid-förmiger
Hohlspiegel, oder Ellipsoidspiegel, kann mit divergentem Licht beleuchtet
werden um einen Fokus zu erzeugen. Dementsprechend kann der Durchmesser
dieses Spiegels größer als
die dem Objekt zugewandte Apertur des Objektivs sein. Ein hyperboloid-förmiger Ringspiegel, oder
Hyperbolspiegel, kann konvergentes Licht fokussieren und kann daher
kleiner als die genannte Apertur des Objektivs gewählt werden.
Ein ringförmiger
Parabolspiegel, der als Hohlspiegel verwendet wird, kann eine Größe aufweisen,
die zwischen der der beiden anderen Systeme liegt, da er kollimiertes Licht
zur Fokussierung empfangen kann. Ein Ellipsoidspiegel bringt daher
die Vorteile mit sich, dass er leichter herstellbar ist (da größer) und
ein großes
Beobachtungsfeld ermöglicht.
Ein Hyperbolspiegel hat dagegen den Vorteil, dass Unebenheiten der
Probe eine kleinere Rolle spielen, da der Spiegel kleiner ausgestaltet
werden kann und somit einen kleineren Kontaktbereich mit der Probe
aufweist.
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Ringspiegel 102 befindet
sich koaxial zum Abbildungs-/Beleuchtungsobjektiv 101.
Somit können
Objektiv 101 und Ringspiegel 102 in einer gemeinsamen
mechanischen Halterung ausgeführt werden.
Somit kann eine Koinzidenz von Abbildungsfokus und Beleuchtungsfokus
dauerhaft und vibrationsstabil eingestellt werden. Insbesondere
kann eine derartige Einheit aus Objektiv 101 und Hohlspiegel 102 an
einem herkömmlichen
Mikroskopstativ montiert werden.
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Es
sollte einem Fachmann klar sein, dass die Strahlen eines kollimierten
Lichtstrahls nicht exakt parallel zueinander verlaufen. Vielmehr
weist auch ein kollimierter Lichtstrahl, beispielsweise mit einem Gauß-förmigen Strahlprofil,
eine Strahltaille auf. Ein gaußscher
Strahl ist beispielsweise dann kollimiert, wenn die Strahltaille ≤ √2 mal der
mininalen Strahltaille, d. h. der Rayleigh-Länge, ist. Im Wesentlichen kollimiert
bedeutet daher, dass das Licht auch eine vorbestimmte Konvergenz
oder Divergenz aufweisen kann. Beispielsweise kann das im Wesentlichen
kollimierte Licht einen Konvergenz- oder Divergenzwinkel von weniger
als 5 Grad, vorzugsweise weniger als 2 Grad, oder sogar weniger
als 1 Grad aufweisen.
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5 zeigt
ein Nahfeldmikroskop 200 gemäß einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Der Abbildungslichtpfad entspricht im Wesentlichen
dem der 1. Nahfeldmikroskop 200 weist
eine Lichtquelle 209 auf, die räumlich kohärentes Anregungslicht emittiert.
In einem weiteren Schritt kann das Anregungslicht radial polarisiert
werden. Radiales Anregungslicht besitzt den Vorteil, dass sich bei
einer Fokussierung minimale Spotgrößen erzielen lassen und die
Polarisation im Fokus im Wesentlichen parallel zur optischen Achse
des Systems orientiert ist. Da auch die Nahfeldsonde parallel zur optischen
Achse angeordnet werden kann ergibt sich eine sehr effiziente Plasmonenanregung
in der Sonde. Emittiertes Anregungslicht wird mit Linse 210 auf Lochblende 104 fokussiert.
Linse 202 kollimiert das Anregungslicht, welches auf den
adaptiven Spiegel 203 fällt,
der beispielsweise als Membranspiegel ausgestaltet ist. Der adaptive
Spiegel 203 ermöglicht eine
Justage des Beleuchtungsstrahlengangs. Auch kann damit eine Wellenfrontoptimierung
durchgeführt werden.
Durch Ansteuerung des adaptiven Spiegels 203 mit Steuereinheit 207 kann
auch eine kontinuierliche Korrektur des Beleuchtungsstrahlengangs
erfolgen. Zum einen können
Aberrationen des Abbildungsstrahlengangs korrigiert werden, zum
anderen ist dadurch die Verwendung eines Hohlspiegels 102 in
Ellipsoid- oder Hyperboloid-Form zum Fokussieren des Anregungslichts
möglich.
Das optische Element 205 fokussiert das im Wesentlichen
kollimierte Anregungslicht derart, dass nach Objektiv 101 wiederum ein
im Wesentlichen kollimierter Strahl erhalten wird. Von dem Objekt 103 gestreutes
Anregungslicht wird über
den Beleuchtungsstrahlengang zurückgeführt und
von dem beispielsweise dichroitischen Spiegel 208 ausgekoppelt
und auf den Shack Hartmann Sensor 204 reflektiert. Der
Shack Hartmann Sensor 204 ermöglicht die Beobachtung der
am Objekt retroreflektierten Welle des Anregungslichts, wobei eine Auswertung
eines vom Sensor erzeugten Signals in Rechnereinheit 206 erfolgt.
Rechnereinheit 206 kann auf Grundlage der Signale von Sensor 204 Informationen
für Steuereinheit 207 zum
Ansteuern des adaptiven Spiegels 203 erzeugen. Somit wird
eine Justage des Beleuchtungsstrahlengangs auf Grundlage des von
Sensor 204 gelieferten Signals möglich. Die Justage kann dabei
kontinuierlich während
des Betriebs des Mikroskops 200 erfolgen. Eine Justage
des Beleuchtungsstrahlengangs kann auch mit anderen optischen Elementen
erfolgen, wie beispielsweise einer verschiebbaren Linse, diffraktiven
optischen Elementen oder räumlichen
Lichtmodulatoren. Bei der Ausführungsform
von 5 können
eine Vielzahl verschiedener Objektive 101 oder Hohlspiegel 102 zum
Einsatz kommen, da der Beleuchtungsstrahlengang für die jeweilige
Kombination aus Objektiv und Hohlspiegel mit dem adaptiven optischen
Element 203 korrigiert werden kann.
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Das
in 5 gezeigte Nahfeldmikroskop 200 umfasst
des Weiteren einen Probenhalter 201, mit dem das Objekt 103 verfahren
werden kann. Dazu sind beispielsweise piezoelektrische Aktuatoren
in Probenhalter 201 vorgesehen, die ein Verfahren des Objekts 103 in
drei Raumrichtungen ermöglichen.
Der Fokus des Anregungslichts und eine darin platzierte Nahfeldsonde
können
somit ortsfest gehalten werden, wobei für eine ortsaufgelöste Nahfeldmessung
das Objekt 103 durch Verfahren des Probenhalters abgerastert
wird. Der Probenhalter kann weiterhin piezoelektrische Elemente
zum Verkippen des Objekts umfassen, um die Oberfläche des
Objekts senkrecht zur optischen Achse von Objektiv 101 einzustellen.
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6 zeigt
ein Nahfeldmikroskop 300 gemäß einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Bei dieser Ausführungsform befindet sich ein
optisches Element 303 im Beleuchtungslichtpfad, welches
das Anregungslicht im Wesentlichen kollimiert. Das Anregungslicht
wird mit dem optischen Element 304 in Form eines Spiegels
in den Abbildungslichtpfad eingekoppelt. Die Einkopplung bzw. Separation
der Strahlengänge
erfolgt im vorliegenden Beispiel räumlich, und damit achromatisch.
Die mikroskopische Abbildung des Objekts 103 erfolgt dabei
mittels der Strahlenbündel,
die an dem optischen Element 304 vorbeigehen. Da das Anregungslicht
in dem Bereich zwischen dem Spiegel 304 und dem Objektiv 301 im
Wesentlichen kollimiert ist, kann der Spiegel 304 zum Einkoppeln
des Anregungslichts im Wesentlichen beliebig im Beleuchtungsstrahlengang
nach hinten verschoben werden. Beispielsweise wird die Einkopplung
des Anregungslichts an die Stelle der üblichen Auflichteinkopplung in
einem herkömmlichen
Mikroskop verschoben. Dadurch kann die Optik in ein handelsübliches
Mikroskop integriert werden, ohne das Stativ des Mikroskops in wesentlichen
Teilen modifizieren zu müssen.
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Objektiv 301 umfasst
ein optisches Element 302 in Form einer Linse. Das optische
Element 302 erfüllt
zwei Aufgaben: (1) In Abhängigkeit
von der Ausführung
des Hohlspiegels sollte der Beleuchtungsstrahlengang entsprechend
ausgeprägt
sein. Bei einem Parabolspiegel kann das Licht nach unendlich kollimiert
auftreffen, um ein aberrationsfreies Punktbild zu erzeugen. Bei
einem ellipsoid-förmigen Hohlspiegel
kann das Anregungslicht ausgehend von einem Brennpunkt des Ellipsoids
divergierend auf den Spiegel auftreffen, so dass im konjugierten Brennpunkt
des Ellipsoids ein aberrationsfreies Punktbild entsteht. Bei Verwendung
eines hyperboloid-förmigen
Hohlspiegels kann es entsprechend konvergierend auftreffen. (2)
Der Beleuchtungsstrahlengang zwischen Objektiv und erstem optischen
Element 304 kann so eingestellt werden, dass er mit den geometrischen
Randbedingungen eines herkömmlichen
Mikroskops vereinbar ist, d. h. der Strahl kann in diesem Bereich
kollimiert, schwach konvergierend oder schwach divergierend geführt werden.
Die Ausführung
und Anordnung des optischen Elements 302 kann also in Abhängigkeit
des verwendeten Holhspiegels sowie unter der Maßgabe erfolgen, dass der Beleuchtungsstrahlengang
in ein herkömmliches
Mikroskopstativ integrierbar ist.
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Das
optische Element 302 ist bei der in 6 gezeigten
Ausführungsform
derart angeordnet und ausgestaltet, dass das Anregungslicht nach
einem Passieren des optischen Elements 302 und des Objektivs 301 im
Wesentlichen kollimiert ist. Das optische Element 302 hat
einen Durchmesser, der deutlich kleiner ist als der Durchmesser
des Abbildungsstrahlengangs an der Position des optischen Elements 302.
Somit wird nur ein kleiner Teil des Abbildungsstrahlengangs durch
das optische Element 302 ausgeblendet. Das optische Element 302 und
das optische Element 304 können bezüglich ihrer Größe auf einander
abgestimmt werden. Das optische Element 302 kann, wie gezeigt,
in Objektiv 301 integriert werden, es kann jedoch auch
außerhalb
des Objektivs im gemeinsamen Strahlengang angeordnet werden.
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An
dem Objekt 103 gestreutes Anregungslicht wird wiederum
von Hohlspiegel 102 und Objektiv 301 gesammelt.
Das gestreute Licht wird von dem optischen Element 302 kollimiert
und von dem optischen Element 304 aus dem Abbildungslichtpfad ausgekoppelt.
Ein Auskoppeln des gestreuten Lichts aus dem Beleuchtungslichtpfad
kann wiederum durch einen dichroitischen Strahlteiler (nicht gezeigt) erfolgen.
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Ein
derartiger Aufbau hat den Vorteil, dass das Anregungslicht sowohl
vor als auch hinter dem Objektiv 301 im Wesentlichen kollimiert
geführt
wird. Zum einen ist es somit möglich,
den Abstand zwischen Objektiv 301 und optischem Element 304 zu variieren,
ohne die optischen Eigenschaften des Systems wesentlich zu beeinflussen.
Weiterhin erfolgt so eine gute Ausleuchtung des Hohlspiegels 102,
wodurch das Objekt 103 mit großem Aperturwinkel beleuchtet
werden kann. Auch ist bei einer Verwendung verschiedener Objektive
mit verschiedenen Arbeitsabständen
somit eine Einstellung des Abstands Objektiv 301-Hohlspiegel 102 ohne
weiteres möglich, ohne
dass eine erneute Justage des Beleuchtungsstrahlengangs erfolgen
muss. Dies gilt insbesondere bei der Verwendung eines parabolischen
Hohlspiegels, wohingegen bei der Verwendung eines hyperbolischen
oder ellipsoiden Hohlspiegels eine erneute Justage des Beleuchtungsstrahlengangs
von Nöten sein
kann.
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6 zeigt
weiterhin einen Spiegel 305 im Abbildungsstrahlengang,
der an der Probe gestreutes Licht zur Beobachtung der Probe auf
eine Okularlinse 306 reflektiert, die auf der Kamera 307 ein
optisches Abbild des Objekts 103 erzeugt. Mit Hilfe der Kamera 307,
die beispielsweise einen CCD oder CMOS-Sensor umfasst, ist somit
eine mikroskopische Beobachtung von Objekt 103 möglich.
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7 zeigt
beispielhaft eine mögliche
Ausgestaltung des Objektivs 301. Objektiv 301 umfasst mehrere
Linsen, wobei das optische Element 302 nur einen vorbestimmten
Bereich des Abbildungsstrahlengangs 20 abdeckt. Somit ist
das optische Element 302 kleiner als die durch die Linse 308 definierte
Austrittspupille des Objektivs 301. Aus der Darstellung
in 7 ist ersichtlich, dass die kollimierten Strahlen 10 des
Anregungslichts nach Durchlaufen des optischen Elements 302 und
der übrigen
Komponenten des Objektivs 301 im Wesentlichen kollimiert
bleiben, wohingegen die kollimierten Strahlen des Abbildungslichtpfads 20 in
die Objektebene fokussiert werden.
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Objektiv 301 ist
derart ausgestaltet, dass es die Bauraum-Randbedingungen eines herkömmlichen
Mikroskopstativs erfüllt.
Bauraumbedingungen können
beispielsweise eine maximale Objektivlänge von 45 mm und einen Durchmesser
von ungefähr
38 mm sein. Jedoch können
von Objektiv 301 auch andere Bauraumbedingungen erfüllt werden,
je nach verwendetem Mikroskopstativ.
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8 zeigt
fundamentale optische Kenngrößen einer
möglichen
Ausführungsform
eines Objektivs 301. Auch in diesem Beispiel ist das optische
Element 302 in das Objektiv 301 integriert. In 8 bedeuten
die Linien AA den Arbeitsabstand, AP die Austrittpupille, OAF die
Objektivanschlagfläche
und BL die Baulänge,
gemessen vom Arbeitspunkt des Objektivs, an dem sich Objekt 103 befindet.
Für eine beispielhafte
Implementierung können
folgende Werte gewählt
werden. Der Arbeitsabstand, d. h. der Abstand der Ebene AA zu Objekt 103,
kann beispielsweise 10 mm betragen, damit genügend Raum für eine Installation einer Nahfeldsonde
vorhanden ist. Der Abstand zwischen Objekt 103 und Austrittspupille
beträgt
30 mm, damit hinter den Objektivlinsen ausreichen Raum zur Realisierung
der Beleuchtungsstrahlengang-Kollimation vorhanden ist. Die Objektivanschlagfläche ist
in einem Abstand von 45 mm angeordnet, wobei das optische Element 302 zwischen
Austrittspupille und optischer Anschlagfläche vorgesehen ist. Die Baulänge im vorliegenden Beispiel
beträgt
49 mm, wobei es sich dabei im Wesentlichen um die optische Anschlagfläche und
zusätzliche
4 mm handelt, in denen das Gewinde des Objektivs realisiert wird.
Der Spiegel 304 kann direkt hinter dem Objektiv 301 angeordnet
werden, jedoch kann die Einkopplung des Beleuchtungsstrahlengangs
auch in größerem Abstand
zum Objektiv erfolgen.
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9 zeigt
eine Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Beobachtungseinheit 400 für ein optisches
Mikroskop. Die Beobachtungseinheit 400 kann beispielsweise
in ein herkömmliches
optisches Mikroskop integriert werden, um das optische Mikroskop
für eine
Durchführung
einer nahfeldoptischen Untersuchung auszustatten. Die Beobachtungseinheit 400 umfasst
Objektiv 301 mit optischem Element 302, sowie
eine Halterung 401, die das Objektiv 301 ortsfest
mit dem Hohlspiegel 102 verbindet. Objektiv 301 und
Hohlspiegel 102 können
wie bei den vorab beschriebenen Ausführungsformen ausgestaltet sein.
Insbesondere ist der Hohlspiegel 102 ein ringförmiger Hohlspiegel,
wobei die größere Öffnung des Hohlspiegels
dem Objektiv 301 zugewandt ist. Hohlspiegel 102 kann
ein parabolischer Hohlspiegel sein, aber auch ein ellipsoidischer
oder hyperbolischer Hohlspiegel. Der ringförmige Hohlspiegel muss in Umfangsrichtung
nicht durchgängig
sein, sondern kann auch aus Segmenten bestehen. Vorzugsweise hat
der Hohlspiegel 102 eine numerische Apertur von mindestens
0,9. Objektiv 301 kann wie in Bezug auf 7–8 beschrieben
ausgestaltet sein. Vorzugsweise weist Objektiv 301 eine
Arbeitsabstand von mindestens 5 mm auf. Weiterhin ist die Austrittspupille
des Objektivs 301 in einer Entfernung zwischen 25 und 35
mm vom Arbeitspunkt des Objektivs angeordnet. Das Objektiv hat eine
Baulänge
zwischen 40 und 60 mm. Objektiv 301 ist ausgestaltet, um
von einem optischen Mikroskop empfangenes Anregungslicht im Wesentlichen
zu kollimieren. Gibt das optische Mikroskop das Anregungslicht kollimiert aus,
so kann das optische Element 302 vorgesehen werden, welches
dafür sorgt,
dass das Anregungslicht auch nach einem Durchlaufen des Objektivs 301 kollimiert
ist.
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Objektiv 301 und
Hohlspiegel 102 sind derart an Halterung 401 befestigt,
dass der Abbildungsfokus und der Beleuchtungsfokus, d. h. der Fokus
des Anregungslichts, im Wesentlichen aufeinander fallen. Dies bedeutet,
dass der Abstand der Fokusse möglichst
gering gehalten werden soll. Damit die Fokusse aufeinander fallen
sollte der Abstand zwischen ihnen weniger als 10 μm betragen.
Der Abstand kann auch weniger als 1 μm betragen, vorzugsweise sogar
weniger als 100 nm. Durch die ortsfeste Verbindung von Objektiv
und Hohlspiegel mittels der Halterung 401 kann sichergestellt
werden, dass die Positionierung der Fokusse vibrationsstabil und
dauerhaft erhalten bleibt. Ebenfalls können Effekte durch thermischen Drift
minimiert werden. Dies ist ein wesentlichen Vorteil im Vergleich
zu herkömmlichen
Systemen, welche getrennte Optiken zur Beleuchtung und zur Abbildung
eines Objekts verwenden.
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An
der Beobachtungseinheit 400 kann des Weiteren eine Nahfeldsonde 402 vorgesehen
sein. Nahfeldsonde 402 kann beispielsweise an Objektiv 301,
wie gezeigt, oder an Halterung 401 befestigt werden. Zur
Abstandskontrolle kann die Nahfeldsonde 402 über einen
Stimmgabelsensor, oder eine andere geeignete Vorrichtung verfügen. Nahfeldsonde 402 ist
vorzugsweise mittels Piezoaktuatoren verfahrbar und positionierbar.
Da Abbildungsfokus und Beleuchtungsfokus aufeinander liegen, kann
eine präzise
Positionierung der Nahfeldsonde 402 im Beleuchtungsfokus
durch Beobachtung der Sonde mit dem Abbildungssystem erfolgen. Mit
einer derartigen Beobachtungseinheit kann beispielsweise eine oberflächenverstärkte Raman-Spektroskopie
zur Untersuchung des Objekts 103 durchgeführt werden.
Folglich kann mit der Beobachtungseinheit 400 ein herkömmliches
optisches Mikroskop einfach für
die Durchführung
von TERS-Mikroskopie umgerüstet werden.
Dies wird insbesondere dadurch ermöglicht, dass der Aufbau der
Beobachtungseinheit 400 sehr kompakt ist und keine weiteren
zusätzlichen
optischen Komponenten benötigt,
die beispielsweise seitlich oder auf der gegenüberliegenden Seite des Objekts 103 angeordnet
werden müssen.
Folglich eignet sich Beobachtungseinheit 400 nicht nur
für die Untersuchung
von transparenten, sondern auch von nicht lichtdurchlässigen Proben.
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Selbstverständlich können die
Merkmale der vorab beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden.
So kann die in 9 beschriebene Beobachtungseinheit
auch in den Ausführungsformen
eines Nahfeldmikroskops, wie sie in Bezug auf 1, 5 und 6 beschrieben
wurden, eingesetzt werden. Auch können einige oder alle der mit
Bezug auf 5 beschriebenen Elemente 201–210 in
den mit Bezug auf 1 und 6 beschriebenen
Systemen zum Einsatz kommen. So ist beispielsweise auch bei Verwendung
eines kollimierten Beleuchtungsstrahlengangs wie in 6 beschrieben
der Einsatz eines adaptiven Spiegels zur Korrektur von Aberrationen
oder zur Ermöglichung
der Verwendung eines ellipsoid-förmigen
oder hyperboloid-förmigen
Hohlspiegels, als auch eines Shack-Hartmann-Sensors zur Justage des Beleuchtungsstrahlengangs
möglich.
Der Hohlspiegel muss in Umfangsrichtung nicht durchgängig sein,
sondern kann auch aus Segmenten bestehen. Das Objektiv und der Hohlspiegel,
die in 1 und 5 gezeigt sind, können beispielsweise
wie mit Bezug auf 9 beschrieben über eine
Halterung verbunden werden. Auch kann an Objektiv oder Halterung
eine Nahfeldsonde angebracht werden. Die Nahfeldsonde kann im Betrieb
mit dem Anregungslicht beleuchtet werden. Eine Nahfeld-Sonde kann beispielsweise
auch als eine Metallspitze, eine Apertur mit einer Dimension, die
kleiner als die Wellenlänge
des Anregungslichts ist, eine plasmonische Antenne oder eine Festkörperlinse
(Solid immersion lens) ausgestaltet sein.
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Auch
sollte klar sein, dass eine Vielzahl von Modifikationen der beschriebenen
Ausführungsformen
denkbar sind und innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung
liegen. Beispielsweise können
andere als die vorab genannten optischen Elemente für eine Justage
des Beleuchtungsstrahlengangs verwendet werden. Auch können weitere
optische Elemente wie Spiegel und Linsen in dem Abbildungsstrahlengang
und dem Beleuchtungsstrahlengang vorgesehen werden. Insbesondere
können
die gezeigten Ausführungsformen
auch weitere, von herkömmlichen
optischen Mikroskopen bekannte Elemente aufweisen.