DE102008057096A1 - Nahfeldmikroskop und Beobachtungseinheit dafür - Google Patents

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Abstract

Nahfeldmikroskop für eine Untersuchung eines Objekts (103), umfassend ein optisches Element (106, 304), das einen Beleuchtungslichtpfad, der zum Führen von Anregungslicht zur Beleuchtung des Objekts (103) ausgestaltet ist, und einen Abbildungslichtpfad, der zum Führen von Licht für eine mikroskopische Beobachtung des Objekts (103) ausgestaltet ist, zusammenführt, ein Objektiv (101, 301), das in dem zusammengeführten Beleuchtungslichtpfad und Abbildungslichtpfad angeordnet ist, und das für eine mikroskopische Beobachtung des Objekts (103) ausgestaltet ist; einen Hohlspiegel (102), der angeordnet und ausgestaltet ist, um Anregungslicht, das das Objektiv (101, 301) passiert hat, auf das Objekt (102) zu fokussieren.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Nahfeldmikroskop zum Durchführen einer Untersuchung eines Objekts sowie eine Beobachtungseinheit für ein optisches Mikroskop.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Diese Aufgabe wird mit Hilfe der Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Auch wenn das Objektiv nicht für das Anregungslicht korrigiert ist, kann das Anregungslicht somit von dem Hohlspiegel in einem Fokus fokussiert werden.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die Beobachtungseinheit kann des Weiteren eine Nahfeldsonde umfassen, die an der Halterung oder an dem Objektiv angebracht ist.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Elemente.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung von optischen Komponenten einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Nahfeldmikroskops.
  • 2 ist eine schematische Darstellung eines beispielhaften Abbildungsstrahlengangs.
  • 3 ist eine schematische Darstellung eines beispielhaften Beleuchtungsstrahlengangs.
  • 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.
  • 5 ist eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Nahfeldmikroskops.
  • 6 ist eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Nahfeldmikroskops.
  • 7 zeigt schematisch den Strahlengang in einem Objektiv gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 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.
  • 9 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Beobachtungseinheit.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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 78 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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 201210 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.
  • 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.

Claims (30)

  1. Nahfeldmikroskop für eine Untersuchung eines Objekts (103), umfassend: – ein optisches Element (106, 304), das einen Beleuchtungslichtpfad, der zum Führen von Anregungslicht zur Beleuchtung des Objekts (103) ausgestaltet ist, und einen Abbildungslichtpfad, der zum Führen von Licht für eine mikroskopische Beobachtung des Objekts (103) ausgestaltet ist, zusammenführt, – ein Objektiv (101, 301), das in dem zusammengeführten Beleuchtungslichtpfad und Abbildungslichtpfad angeordnet ist, und das für eine mikroskopische Beobachtung des Objekts (103) ausgestaltet ist; – einen Hohlspiegel (102), der angeordnet und ausgestaltet ist, um Anregungslicht, das das Objektiv (101, 301) passiert hat, auf das Objekt (103) zu fokussieren.
  2. Nahfeldmikroskop nach Anspruch 1, wobei das optische Element einen dichroitischen Spiegel (106) für ein chromatisches Zusammenführen der Lichtpfade umfasst.
  3. Nahfeldmikroskop nach Anspruch 1 oder 2, wobei das optische Element einen Spiegel (304) umfasst, der nur einen vorbestimmten Bereich des Abbildungslichtpfads für ein räumliches Zusammenführen der Lichtpfade abdeckt.
  4. Nahfeldmikroskop nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei in dem Beleuchtungslichtpfad ein zweites optisches Element (105, 205, 302) vorgesehen ist, welches derart ausgestaltet und angeordnet ist, dass Anregungslicht nach einem Passieren des zweiten optischen Elements (105, 205, 302) und des Objektivs (101, 301) im Wesentlichen kollimiert ist, oder eine vorbestimmte Konvergenz oder Divergenz aufweist.
  5. Nahfeldmikroskop nach Anspruch 4, wobei der Beleuchtungslichtpfad ausgestaltet ist, um das Anregungslicht in einem Bereich zwischen dem optischen Element (106, 304) und dem Objektiv (101, 301) im Wesentlichen kollimiert zu führen, und wobei das zweite optische Element (302) in diesem Bereich derart angeordnet ist, dass es einen vorbestimmten Bereich des Abbildungslichtpfads abdeckt.
  6. Nahfeldmikroskop nach Anspruch 4 oder 5, wobei das zweite optische Element (302) in das Objektiv (301) integriert ist.
  7. Nahfeldmikroskop nach Anspruch 4, wobei das zweite optische Element (105, 205) aus Sicht von einfallendem Anregungslicht vor dem optischen Element (106) angeordnet ist und wobei der Beleuchtungslichtpfad ausgestaltet ist, um das Anregungslicht in einem Bereich zwischen dem optischen Element (106) und dem Objektiv (101) im Wesentlichen konvergierend und/oder divergierend zu führen.
  8. Nahfeldmikroskop nach einem der Ansprüche 4–7, wobei der Hohlspiegel (102) ein Parabolspiegel ist, und wobei das zweite optische Element derart ausgestaltet und angeordnet ist, dass Anregungslicht nach einem Passieren des zweiten optischen Elements (105, 205, 302) und des Objektivs (101, 301) im Wesentlichen kollimiert auf den Parabolspiegel trifft.
  9. Nahfeldmikroskop nach einem der Ansprüche 4–7, wobei der Hohlspiegel (102) ein Ellipsoidspiegel oder ein Hyperbolspiegel ist, und wobei das zweite optische Element derart ausgestaltet und angeordnet ist, dass Anregungslicht nach einem Passieren des zweiten optischen Elements (105, 205, 302) und des Objektivs (101, 301) divergierend auf den Ellipsoidspiegel beziehungsweise konvergierend auf den Hyperbolspiegel trifft.
  10. Nahfeldmikroskop nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Hohlspiegel (102) ein ringförmiger Hohlspiegel mit einer größeren, dem Objektiv zugewandten Öffnung und einer kleineren, vom Objektiv abgewandten Öffnung ist.
  11. Nahfeldmikroskop nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Hohlspiegel (102) einen Brennpunkt aufweist, der aus Sicht des Objektivs (101, 301) hinter der kleineren Öffnung liegt.
  12. Nahfeldmikroskop nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei im Beleuchtungslichtpfad des Weiteren ein korrigierendes optisches Element (105, 203) vorgesehen ist, das derart ausgestaltet ist, dass Anregungslicht, welches das korrigierende optische Element (105, 203) und das Objektiv (101) passiert hat, von dem Hohlspiegel (102) in einen Fokus fokussiert wird.
  13. Nahfeldmikroskop nach Anspruch 12, wobei das korrigierende optische Element eine asphärische Linse (105), ein diffraktives optisches Element, ein adaptives optisches Element oder einen adaptiven Membranspiegel (203), oder eine Kombination dieser optischen Elemente umfasst.
  14. Nahfeldmikroskop nach einem der vorstehenden Ansprüche, des Weiteren eine Nahfeldsonde (402) umfassend, die an dem Objektiv (101, 301) angebracht ist, wobei der Hohlspiegel (102) zum Fokussieren des Anregungslichts auf die Nahfeldsonde (402) ausgestaltet ist.
  15. Nahfeldmikroskop nach Anspruch 14, des Weiteren einen Probenhalter (201) umfassend, der zum Halten des Objekts (103) und zum Verfahren des Objekts (103) relativ zu der Nahfeldsonde (402) ausgestaltet ist.
  16. Nahfeldmikroskop nach einem der vorstehenden Ansprüche, des Weiteren eine Halterung (401) umfassend, wobei der Hohlspiegel (102) und das Objektiv (101, 301) mit der Halterung (401) ortsfest verbunden sind.
  17. Nahfeldmikroskop nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Objektiv (101, 301) und der Hohlspiegel (102) derart zueinander angeordnet sind, dass ein durch den Hohlspiegel (102) erzeugter Fokus des Anregungslichts in einer durch das Objektiv (101, 301) erzeugten Objektebene des Abbildungslichtpfades liegt.
  18. Nahfeldmikroskop nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Hohlspiegel (102) eine numerische Apertur von mindestens 0,9 aufweist.
  19. Nahfeldmikroskop nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Objektiv (101, 301) einen Arbeitsabstand von mindestens 5 mm aufweist.
  20. Beobachtungseinheit (400) für ein optisches Mikroskop, umfassend: – ein Objektiv (301), das für eine mikroskopische Beobachtung eines Objekts (103) ausgestaltet ist, – einen Hohlspiegel (102), der ausgestaltet ist, um von dem optischen Mikroskop empfangenes Anregungslicht, das das Objektiv (301) passiert hat, zum Beleuchten des Objekts (103) zu fokussieren, – eine Halterung (401), an der das Objektiv (301) und der Hohlspiegel (102) ortsfest angebracht sind.
  21. Beobachtungseinheit nach Anspruch 20, wobei das Objektiv (301) zur mikroskopischen Beobachtung eines Objekts ausgestaltet ist, das sich in einem Fokus des Objektivs (301) befindet und wobei der Hohlspiegel (102) derart ausgestaltet ist, dass von dem optischen Mikroskop empfangenes Anregungslicht in einen Fokus fokussiert wird, wobei das Objektiv (301) und der Hohlspiegel (102) des Weiteren derart an der Halterung (401) angebracht sind, das der Fokus des Objektivs (301) und der Fokus des Anregungslichts im Wesentlichen aufeinander fallen.
  22. Beobachtungseinheit nach Anspruch 20 oder 21, des Weiteren eine Nahfeldsonde (402) umfassend, die an der Halterung (401) oder an dem Objektiv (301) angebracht ist.
  23. Beobachtungseinheit nach einem der Ansprüche 20–22, wobei der Hohlspiegel (102) ein ringförmiger Hohlspiegel mit einer größeren, dem Objektiv zugewandten Öffnung und einer kleineren, vom Objektiv abgewandten Öffnung ist.
  24. Beobachtungseinheit nach einem der Ansprüche 20–23, wobei der Hohlspiegel (102) eine numerische Apertur von mindestens 0,9 aufweist.
  25. Beobachtungseinheit nach einem der Ansprüche 20–24, wobei das Objektiv (301) einen Arbeitsabstand von mindestens 5 mm aufweist.
  26. Beobachtungseinheit nach einem der Ansprüche 20–25, wobei das Objektiv eine Austrittspupille aufweist, die in einem Abstand zwischen 25 mm und 35 mm vom Arbeitspunkt des Objektivs angeordnet ist, und wobei das Objektiv eine Baulänge zwischen 40 mm und 60 mm aufweist.
  27. Beobachtungseinheit nach einem der Ansprüche 20–26, wobei das Objektiv (301) des Weiteren ein optisches Element (302) umfasst, das auf der dem Hohlspiegel (102) gegenüberliegenden Seite des Objektivs (301) 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 (302) von dem Objektiv (301) im Wesentlichen kollimiert oder mit einer vorbestimmten Konvergenz oder Divergenz ausgegeben wird.
  28. Beobachtungseinheit nach Anspruch 27, wobei das optische Element (302) kleiner ist als eine Austrittspupille des Objektivs (301) und einen vorbestimmten Teil eines Lichtpfads zur Beobachtung des Objekts (103) abdeckt.
  29. Beobachtungseinheit nach einem der Ansprüche 20–28, wobei der Hohlspiegel ein Parabolspiegel ist, und wobei das Objektiv (301) ausgestaltet ist, um von dem optischen Mikroskop empfangenes Anregungslicht im Wesentlichen zu kollimieren.
  30. Beobachtungseinheit nach einem der Ansprüche 20–28, wobei der Hohlspiegel (102) ein Ellipsoidspiegel oder ein Hyperbolspiegel ist, und wobei das Objektiv (301) 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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