DE10206020A1

DE10206020A1 - Optisches Nahfeldmikroskop

Info

Publication number: DE10206020A1
Application number: DE10206020A
Authority: DE
Inventors: Michael Kempe; Robert Brunner; Theo Lasser
Original assignee: Carl Zeiss Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 2002-02-14
Filing date: 2002-02-14
Publication date: 2003-08-28

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein optisches Nahfeldmikroskop für differentielle Kontrastverfahren, insbesondere für interferentiellen Phasenkotrast, welche eine ein Objekt (6) beleuchtetende Nahfeldsonde (3; 3.1; 3.2) und einen das durch eine Optik (8; 8.1; 8.3) kollimierte Licht empfangenden Fotodetektor (9; 9.1) zur Erzeugung weiter verarbeitbarer elektrischer Signale umfaßt. Der Fotodetektor (9; 9.1) ist mit einer elektronischen, die elektrischen Signale zur Detektierung und Darstellung von Objektstrukturen verarbeitenden Auswerteelektronik (12) verbunden. Als Fotodetektor (9) ist ein strukturierter Fotoempfänger vorgesehen, welcher mit einer die durch die einzelnen Strukturen I bis IV des Fotodetektors (9) erzeugten, elektrischen Fotoempfängersignale verarbeitenden Auswerteelektronik (12) elektrisch verbunden ist. Dieser Fotodetektor (9) besitzt vier Quadrante I bis IV und ist in einer Ebene angeordnet, die orthogonal zu einer durch die Spitze der Nahfeldsonde (3) und der Mitte des Fotodetektors (9) gebildeten optischen Achse (17) des Nahfeldmikroskopes verläuft.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein scannendes optisches Nahfeldmikroskop für verschiedene Kontrastverfahren, einschließlich die Phasenkontrastmikroskopie, durch welches kleinste Objektstrukturen detektiert oder abgebildet werden können.
Bei der Nahfeldmikroskopie wird mit einem optischen Nahfeldmikroskop ein Objekt mit einer Sonde in einem möglichst kleinen Abstand, also im Nahfeld, abgerastert, wobei durch Wechselwirkungen zwischen dem Objekt und einem elektromagnetischen (evaneszenten) Feld modifizierte Strahlung (Licht) durch einen Fotoempfänger detektiert wird.
Beispielsweise umfaßt solch ein Nahfeldmikroskop eine Licht emittierende oder sammelnde Sonde (Nahfeldsonde) mit einer Spitze, deren Abmessungen kleiner als die Wellenlänge der verwendeten elektromagnetischen Strahlung sind und die beispielsweise aus einer gezogenen und/oder geätzten Spitze einer Single-Mode-Glasfaser besteht, die so mit einer Metallschicht (Al oder Au) beschichtet ist, daß die Glasfaserspitze selbst frei von einer Beschichtung bleibt, so daß Licht in die Faser ein- und austreten kann. Eine Abstandskontrolle sorgt dafür, daß die als Glasfaserspitze ausgebildete Sonde im Nahfeld der Probe oder des Objektes bleibt.
Wird ein beleuchtetes Objekt, wobei die Beleuchtung auch durch die Glasfaser hindurch erfolgen kann, in einem sehr kleinen Abstand (ca. 10 nm) unter die Glasfaserspitze gebracht, so ist nur der winzige Bereich des Objektes, der sich direkt unter der Spitze befindet, für die Weiterleitung des Lichtes zu einem Detektor, z. B. einer Fotodiode oder einem Fotovervielfacher, verantwortlich. So können je nach Meßanordnung Aussagen über das Transmissions-, Polarisations- oder auch über das Fluoreszenzverhalten dieses Bereiches gemacht werden. Um ein Bild von einem größeren Objektbereich zu erhalten, wird die Sonde definiert über das Objekt gescannt. Ebenso kann auch die Sonde ruhen, und das Objekt wird relativ zu der Sonde verschoben. Man erhält auf diese Weise - Punkt für Punkt - ein gerastertes Bild des Objektes. Das Auflösungsvermögen eines solchen Mikroskops hängt wesentlich von der Größe der Sondenspitze und vom Abstand der Spitze von dem Objekt ab, wobei der Abstand der Spitze vom Objekt in an sich bekannter Weise gesteuert wird.

Aus dem Artikel von M. Vaez-Iravani and Toledo-Crow, "Amplitude, Phase contrast, and polarisation imaging in nearfield scanning optical microscopy", in D. W. Pohl and D. Courjon (eds) Near Field Optics, vol. 242 of NATO ASI, Series E, pages 25-34, Drodrecht 1995, Kluwer Academic Publishers, ist eine Einrichtung zur Interferenzmikroskopie im Nahfeld bekannt. Es ist ein System beschrieben, bei welchem in einem Zweig eines Mach-Zehnder-Interferometers das zu untersuchende Objekt angeordnet ist. Die verwendete Sonde stellt eine Faserspitze dar. Bei dieser Anordnung wird das Licht eines He-Ne-Lasers durch einen Strahlenteiler in die zwei Zweige des Mach-Zehnder-Interferometers aufgespalten. Für die Detektion der für die Bilderzeugung maßgeblichen Lichtsignale sind einfache Fotodioden oder Fotovervielfacher vorgesehen.

Das durch diese Anordnung realisierbare interferometrische Verfahren zur Gewinnung von Phasenkontrast besitzt jedoch erhebliche Nachteile. Abgesehen von der technischen Komplexität, die eine einfache Integration in ein Standard- Nahfeldmikroskop unmöglich macht, ist dieses Verfahren auf Grund der langen optischen Wege in den Interferometerzweigen sehr empfindlich gegenüber mechanischen Instabilitäten.

So ist es die Aufgabe der Erfindung, bei einem optischen Nahfeldmikroskop diese Nachteile bei der Implementierung des Kontrastverfahrens, insbesondere Phasenkontrast, durch eine geeignete Ausgestaltung des fotoelektrischen Detektors zu beseitigen und somit neben der Topographie auch kleinste Strukturen von Phasenobjekten sowohl im Durch- als auch im Auflicht detektieren und darstellen zu können.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem entsprechend dem Oberbegriff des ersten Anspruches ausgestalteten optischen Nahfeldmikroskop mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teil dieses Anspruches gelöst. In den weiteren Ansprüchen sind nähere Ausgestaltungen und Einzelheiten sowie ein Verfahren zur Realisierung eines Kontrastes bei dem erfindungsgemäßen Nahfeldmikroskop beschrieben.

Nach der Erfindung besitzt der Fotoempfänger eine strukturierte Empfängerfläche, wobei die einzelnen, die elektrischen Fotoempfängersignale erzeugenden Strukturen voneinander getrennt und mit der Auswerteelektronik verbunden sind, in welcher die einzelnen Signale zur Detektion von Objektstrukturen weiter verarbeitet werden.

Um möglichst viel von der durch das Objekt beeinflußten elektromagnetischen Strahlung (z. B. Licht) für die Erzeugung weiter verarbeitbarer Signale dem Fotoempfänger zuleiten zu können, ist es vorteilhaft, daß zwischen dem Objekt oder der Probe und dem Fotodetektor eine das Licht kollimierende und auf den Fotodetektor leitende Optik angeordnet ist.

Auch hat es sich als vorteilhaft erwiesen, einen positionsabhängigen Fotodetektor oder -empfänger im Form eines Quadrantenfotoempfängers vorzusehen, der in einer Ebene angeordnet ist, die senkrecht zu einer durch die Spitze der Nahfeldsonde und der Mitte des Fotodetektors gebildeten optischen Achse verläuft, und daß dieser Fotodetektor elektrisch mit der Auswerteelektronik verbunden ist. Dabei erzeugt ein jeder der vier Quadranten des Fotoempfängers ein gesondertes Signal, welches in der Auswerteelektronik zur Detektierung von Objektstrukturen weiter verarbeitet wird. So können die erzeugten elektrischen Signale auch zur Realisierung unterschiedlicher Abbildungsmodi verwendet werden.

Vorteilhaft ist es ferner, wenn der Quadrantenfotodetektor entlang der Scanningkoordinaten x und y des Nahfeldmikroskopes justierbar angeordnet ist.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich auch, wenn als Quadrantenfotoempfänger eine Vier-Quadranten-Fotodiode vorgesehen ist, wobei die durch die einzelnen Diodenquadranten bei der Abtastung des Objektes erzeugten elektrischen Quadrantensignale zur Realisierung unterschiedlicher Abbildungsmodi weiterverarbeitet werden.

So ist es gemäß einem Verfahren zur Realisierung differentieller Kontrastverfahren, insbesondere bei einem optischen Nahfeldmikroskop nach Anspruch 1, vorgesehen, ein Objekt mit einer Nahfeldsonde im Durch- oder im Auflicht zu beleuchten und das in das Fernfeld propagierende Licht auf einen strukturierten Fotodetektor zu leiten, wobei die von den einzelnen Strukturen des Fotodetektors erzeugten elektrischen Signale in der Auswerteelektronik durch Summen- und/oder Differenzbildung derart miteinander verknüpft werden, daß ein Bildaufbau in differentiellem und nicht differentiellem Kontrast realisiert wird.

Auf diese Weise ist es z. B. möglich, die räumliche Verteilung des vom Objekt emittierten Lichtes zu messen. Auch kann so über die Messung der Intensitätsverteilung ein lateraler Brechungsindexgradient im Objekt oder in der untersuchten Probe nachgewiesen und gemessen werden.

Mit dem Verfahren und der Anordnung kann ein differentieller Phasenkontrast gebildet werden, wenn die folgende Differenzen Δ₁ und Δ₂ der Signale der Quadranten gebildet werden Δ₁ = II - IV bzw. Δ₂ = I - III, wobei die Quadranten mit römischen Ziffern I bis IV bezeichnet sind.

So kann vorteilhaft zur Realisierung eines differentiellen Phasenkontrastes in den beiden orthogonal zueinander verlaufenden Scanningkoordinaten x und y des Nahfeldmikroskopes in einem Differenzbildner der Auswerteelektronik die Differenz der elektrischen Signale jeweils diametral gegenüberliegender Fotoempfängerquadranten bzw. Fotodiodenquadranten zur Gewinnung eines den Bildaufbau realisierenden weiter verarbeitbaren, elektrischen Signals gebildet werden.

Ferner ist es bei dem Verfahren vorteilhaft, wenn zur Realisierung eines differentiellen Phasenkontrastes in Richtung einer der Koordinaten x oder y zunächst die Summe der Signale zweier benachbarter Fotodiodenquadranten in einem Summenbildner und dann die Differenz aus diesen Summensignalen in einem Differenzbildner zur Gewinnung eines den Bildaufbau realisierenden weiter verarbeitbaren, elektrischen Signals gebildet wird. So kann beispielsweise der differentielle Phasenkontrast in Richtung der x-Koordinate aus den Signalen der Quadranten I bis IV nach der Beziehung Δ_x = (II + III) - (I + IV) ermittelt werden. Analog dazu wird der differentielle Phasenkontrast in Richtung der y- Koordinate dann ermittelt nach der Beziehung Δ_y = (I + II) - (III + IV).

Es ist weiterhin auch möglich, einen Abbildungsmodus zu wählen, mit welchem der Amplitudenkontrast ermittelt wird. Dabei ist es vorteilhaft, wenn zur Realisierung eines Amplitudenkontrastes die Summe der Signale aller vier Fotodiodenquadranten zur Gewinnung eines den Bildaufbau realisierenden Signals in einem Summenbildner gebildet wird.

Mit dem erfindungsgemäßen Nahfeldmikroskop und mit dem damit realisierten Verfahren zur Schaffung eines differentiellen Phasenkontrastes werden die Nachteile des Standes der Technik beseitigt und es können auch durch Beugung an Phasenobjekt- und/oder Amplitudenobjektstrukturen verursachte Asymmetrien in der Detektorebene in Bezug auf die optische Achse nachgewiesen und bei der Detektion berücksichtigt werden.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen

Fig. 1 stark vereinfacht den Aufbau eines Nahfeldmikroskopes mit Durchlichtbeleuchtung durch die Spitze hindurch,

Fig. 2a die Fläche eines Quadrantenfotoempfängers mit den Quadranten I bis IV,

Fig. 2b einen als CCD-Matrix mit CCD-Elementen ausgebildeten Detektor,

Fig. 3 vergrößert dargestellt die Lichtverhältnisse am Objekt bei Durchlichtbeleuchtung,

Fig. 4a bis 4c schematisch die Lichtverhältnisse am Objekt bei Vorhandensein unterschiedlicher Brechungsindizes im Objekt,

Fig. 5 stark vereinfacht den Aufbau eines Nahfeldmikroskopes mit Auflichtbeleuchtung und

Fig. 6 stark vereinfacht den Aufbau eines weiteren Nahfeldmikroskopes mit Auflichtbeleuchtung.

Das in Fig. 1 stark schematisch dargestellte optische Nahfeldmikroskop für verschiedene, einschließlich differentielle Kontrastverfahren, insbesondere für den differentiellen Phasenkontrast, umfaßt als Quelle elektromagnetischer Strahlung vorteilhaft einen Laser 1 als Lichtquelle, deren Strahlung vorzugsweise über eine Single-Mode-Glasfaser 2 in eine Nahfeldsonde 3 eingespeist wird. Diese Nahfeldsonde 3 ist eine durch Ziehen oder Ätzen hergestellte Glasfaserspitze 4, welche mit dem objektseitigen Ende der Glasfaser 2 derart verbunden ist, daß das hindurchtretende Licht in die Glasfaserspitze 4 eingekoppelt wird. Diese Glasfaserspitze 4 ist, wie an sich bekannt, so beschichtet, daß ihr spitzes Ende 4.1 frei bleibt und nicht beschichtet ist, so daß das Licht in die Nahfeldsonde 3 ein- und austreten kann.
Die Nahfeldsonde 3 ist mit einer so genannten Abstandskontrolle 5 wirkverbunden, die bewirkt, daß erstere in einem sehr kleinen Abstand (im Nanometerbereich) von der Oberfläche eines zu untersuchenden Objektes 6 eingeregelt bzw. dieser Oberfläche nachgeführt wird, um eine hohe Auflösung des Nahfeldmikroskopes zu erreichen, welche weitgehend von diesem Abstand und dessen Änderungen abhängt. So bewirken im Nahfeld des Objektes 6 bereits kleine Änderungen des Abstandes der Nahfeldsonde 3 von der Oberfläche des Objektes 6 rasche Änderungen der elektromagnetischen Felder und haben somit auch eine große Auswirkung auf das weiter zu verarbeitende Meßsignal.
Das Objekt 6 ist auf einem Objektträger 7 des Nahfeldmikroskopes und wird durch die Nahfeldsonde 3 hindurch beleuchtet. Es sind jedoch in der Praxis unterschiedliche Beleuchtungsarten im Gebrauch. So kann beispielsweise das Objekt 6 auch direkt im Auflicht oder Durchlicht beleuchtet werden. Das durch das Objekt 6 beeinflußte Licht wird dann durch die Nahfeldsonde 3 hindurch auf einen Strahlungsdetektor geleitet und von dort einer Auswerteeinrichtung zur weiteren Verarbeitung zugeführt.
Wie in Fig. 1 gezeigt wird, ist dem das Objekt 6 tragenden Objektträger 7 eine das in das Fernfeld propagierende Licht kollimierende Optik 8 nachgeordnet, welche das kollimierte Licht zu einem Fotodetektor zur Erzeugung weiter verarbeitbarer elektrischer Signale leitet, welcher mit einer elektronischen, Summenbildner 10 und Differenzbildner 11 umfassenden Auswerteelektronik 12 elektrisch verbunden ist, um die durch den Fotodetektor 9 erzeugten Signale so zu verarbeiten, daß eine Detektierung und/oder Darstellung der abgetasteten Objektstrukturen ermöglicht wird.
Es ist auch eine Ausführung eines Nahfeldmikroskopes denkbar, bei welchem eine kollimierende Optik nicht vorgesehen ist. Bei einem solchen Nahfeldmikroskop ist dann der Detektor in der unmittelbaren Nähe des Objektes angeordnet, um zu gewährleisten, daß möglichst viel von dem durch das Objekt beeinflußten Licht (Strahlung) zur Erzeugung elektrischer Signale zur Verfügung steht. In der Zeichnung ist ein solches Nahfeldmikroskop nicht dargestellt.
Der Objektträger 7 steht mit einer Scanningeinrichtung 13 in Wirkverbindung, womit eine Scannbewegung des Objektträgers 7 in den beiden Scanningkoordinaten x und y und damit ein Scannen des Objektes 6 zur Detektierung und Darstellung von Objektstrukturen in der Abtastfläche realisiert werden kann.
Fig. 2a zeigt einen strukturierten Fotodetektor, welcher an dieser Stelle der Einfachheit und Anschaulichkeit halber als ein, vier Quadranten I; II; III und IV umfassender Quadrantenfotoempfänger dargestellt ist. Je nach Anwendungszweck ist es jedoch auch durchaus möglich eine andere geeignete Strukturierung der fotoempfindlichen Fläche des Fotodetektors 9 vorzusehen. Die Einteilung in die vier Quadranten I bis IV hat sich insofern als günstig erwiesen, da hierdurch in einfacher Weise Signale ortsabhängig in beiden Koordinaten x und y erhalten werden können und somit ein differentieller Phasenkontrast in diesen Koordinaten bei einem Nahfeldmikroskop realisierbar ist. Die Trennlinien 14 und 15, die die einzelnen Strukturen des Fotoempfänger 9 voneinander trennen, schneiden sich in einem Schnittpunkt 16, der vorteilhaft auf der optischen Achse 17 des Strahlenganges des Nahfeldmikroskopes liegt, in der andererseits auch das spitze Ende 4.1 der Glasfaserspitze 4 der Nahfeldsonde 3 positioniert ist. Der Fotodetektor 9 ist ferner in einer Ebene angeordnet, welche orthogonal zur optischen Achse 17 verläuft.
Jeder dieser vier Quadranten I bis IV ist mit der Auswerteelektronik 12 verbunden (nicht dargestellt), so daß die durch diese Quadranten I bis IV des Fotodetektor 9 gelieferten elektrischen Signale zur Detektierung und/oder Darstellung von Strukturen des Objektes 6 und zu einem Bildaufbau desselben durch der Auswerteelektronik 12 weiter verarbeitet werden können. So können die durch die einzelnen Quadranten I bis IV beim Abscannen des Objektes 6 erzeugten Signale auch zur Realisierung unterschiedlicher Abbildungsmodi weiter verarbeitet werden, wie es weiter unten im Text im Zusammenhang mit dem Verfahren zur Realisierung differentieller Kontrastverfahren näher beschrieben wird.
Vorteilhaft ist es auch, den Fotodetektor 9 zur optischen Achse 17 justierbar anzuordnen, um so eine definierte Position desselben zu erhalten.
Fig. 2b zeigt einen als CCD-Matrix 9.2 mit CCD-Elementen 9.3 ausgebildeten, strukturierten Fotoempfänger 9.1. Dieser Fotodetektor 9.1 ist mit seinen CCD-Elementen 9.3 mit der Auswerteelektronik 12 verbunden (nicht dargestellt). Damit ist gewährleistet, daß die von den einzelnen CCD-Elementen 9.3 gelieferten Signale zwecks Objektdetektierung weiter verarbeitet werden können. Es sei an dieser Stelle auch erwähnt, daß auch andere Ausführungsformen eines strukturierten Fotodetektors denkbar sind, z. B. Kreisring- oder Kreis-Kreisring-Detektoren.
In Fig. 3 ist stark vergrößert das objektseitige Ende der Glasfaserspitze 4 dargestellt, deren Oberfläche mit einer Beschichtung 4.2 versehen ist und das spitze Ende 4.1 ohne Beschichtung bleibt, damit die verwendete Strahlung ungehindert ein- oder austreten kann. Das sich in unmittelbarer Nähe des spitzen Endes 4.1 der Spitze 4 befindliche Objekt 6 besitzt beispielsweise Bereiche oder Strukturen mit unterschiedlichem Brechungsindex n₁ bis n₅, welche mit den Bezugszeichen 18; 19; 20; 21 und 22 bezeichnet sind. Dem Objekt 6 sind, wie auch in Fig. 1 dargestellt, die kollimierende Optik 8 und der strukturierte Fotodetektor 9 nachgeordnet. Das beim Scannen des Objektes 6 durch die Bereiche beeinflußte Licht wird auch hier durch den Fotodetektor 9 in elektrische Signale umgewandelt, welche für die Weiterverarbeitung benötigt werden.
In den Fig. 4a; 4b und 4c sind die Lichtverhältnisse am Objekt 6 beim Vorhandensein unterschiedlicher Brechungsindizes im Objekt 6 im Prinzip dargestellt. So zeigt Fig. 4a die Verhältnisse, wenn die Glasfaserspitze 4 einem Bereich oder einer Struktur 18 so gegenübersteht, daß nur die eine Struktur 18 mit einem Brechungsindex n₁ beleuchtet wird. In diesem Falle ist das in das Fernfeld propagierende Licht 23 gleichmäßig zur optischen Achse 17 verteilt und die vier Quadranten I bis IV des Fotodetektor 9 werden mit gleichen Lichtmengen beaufschlagt und erzeugen somit gleich große elektrische Signale, die der Auswerteelektronik 12 zur Weiterverarbeitung zugeführt werden.
In Fig. 4b ist der Fall bei Durchlichtbeleuchtung eines Objektes 6 dargestellt, wenn ein Übergang von einer Struktur mit dem Brechungsindex n₂ zu einer Struktur mit dem Brechungsindex n₁ der Glasfaserspitze 4 gegenüber steht. So ist das in das Fernfeld propagierende Licht, in Fig. 4b als Lichtkeule 24 dargestellt, unsymmetrisch zur optischen Achse 17 verteilt. Die einzelnen Quadranten I bis IV des Fotodetektors (nicht dargestellt) erhalten ungleiche Lichtmengen und die erzeugten elektrischen Signale werden ungleich groß sein.
In Fig. 4c ist der Fall bei Durchlichtbeleuchtung eines Objektes 6 dargestellt, wenn ein Übergang von einer Struktur mit dem Brechungsindex n₁ zu einer Struktur mit dem Brechungsindex n₂ der Glasfaserspitze 4 gegenüber steht. So ist das in das Fernfeld propagierende Licht, in Fig. 4c als Lichtkeule 25 dargestellt, unsymmetrisch zur optischen Achse 17 verteilt. Die einzelnen Quadranten I bis IV des Fotodetektors (nicht dargestellt) erhalten ungleiche Lichtmengen und die erzeugten elektrischen Signale werden ungleich groß sein.
Die in den Fig. 4a bis 4c bei Durchlichtbeleuchtung vereinfacht dargestellten Lichtverhältnisse am Objekt 6 sind sinngemäß die gleichen wie bei Nahfeldmikroskopen, die mit Auflichtbeleuchtung arbeiten.
Eine in Fig. 5 dargestellte weitere Ausführung eines optischen Nahfeldmikroskopes für verschiedene Kontrastformen, insbesondere für differentiellen Phasenkontrast, umfaßt analog zu dem Mikroskop nach Fig. 1 als Quelle elektromagnetischer Strahlung einen Laser 1.1 als Lichtquelle, dessen Strahlung über eine Glasfaser 2.1 in eine mit einer Glasfaserspitze 4.3 ausgestattete Nahfeldsonde 3.1 eingespeist wird. Zwischen dem auf dem Objektträger 7 angeordneten Objekt 6 und dem Fotodetektor 9 ist eine mit einer Zentralbohrung 8.2 versehene kollimierende Optik 8.1 im Strahlengang des Nahfeldmikroskopes angeordnet. In dieser Bohrung 8.2, deren Achse in der optischen Achse 17 des Strahlenganges liegt, ist die Nahfeldsonde 3.1 angeordnet.
Bei dieser Ausführung wird das Objekt 6 durch die Glasfaserspitze 4 hindurch im Auflicht beleuchtet. Das durch das Objekt 6 beeinflußte, in das Fernfeld propagierende Licht 28 wird durch die Optik 8.1 kollimiert auf den Fotodetektor 9 gelenkt, welcher beispielsweise als ein Quadrantenfotoempfänger, Kreisringdetektor, Kreis-Kreisring-Detektor oder als eine CCD-Matrix 9.2 ausgebildet sein kann. Analog zu Fig. 1 ist der Fotodetektor 9 mit der Auswerteelektronik 12 verbunden, welche unter anderem Summenbildner 10 und Differenzbildner umfaßt.
Das in Fig. 6 dargestellte optische Nahfeldmikroskop für verschiedene Kontrastformen, insbesondere für differentiellen Phasenkontrast, umfaßt als Quelle elektromagnetischer Strahlung einen Laser 1.2 als Lichtquelle, dessen Strahlung über eine Glasfaser 2.2 in eine mit einer Glasfaserspitze 4.4 ausgestattete Nahfeldsonde 3.2 eingespeist wird. Zwischen dem auf dem Objektträger 7 angeordneten Objekt 6 und dem Fotodetektor 9 ist eine das in das Fernfeld propagierende Licht 28 kollimierende Optik 8.3 angeordnet, welche das Licht auf den Fotodetektor 9 lenkt, welcher beispielsweise als ein Quadrantenfotoempfänger, Kreisringdetektor, Kreis-Kreisring-Detektor oder als eine CCD-Matrix 9.2 ausgebildet sein kann. Analog zu Fig. 1 ist der Fotodetektor 9 mit der Auswerteelektronik 12 verbunden, welche unter anderem Summenbildner 10 und Differenzbildner 11 umfaßt. Die Nahfeldsonde 3.2 ist bei dieser Ausführung im Strahlengang zwischen der Optik 8.3 und dem Objekt 6 angeordnet.
Gemäß dem Verfahren zur Realisierung verschiedener, einschließlich differentieller Kontrastverfahren, insbesondere mit dem optischen Nahfeldmikroskop, wird das Objekt 6 mit der Nahfeldsonde 3 im Durch- oder im Auflicht beleuchtet und das in das Fernfeld propagierende Licht auf den strukturierten Fotodetektor 9 geleitet, wobei die von den einzelnen Strukturen (Quadranten I bis IV) des Fotodetektors 9 erzeugten elektrischen Signale in der Auswerteelektronik 12 mit Hilfe des Summenbildners 10 und des Differenzbildners 11 durch Summen- und/oder Differenzbildung derart miteinander verknüpft werden, daß ein Bildaufbau in differentiellem Kontrast realisiert wird.
Auf diese Weise ist es z. B. möglich, bei der Annahme, daß es sich bei der verwendeten Nahfeldsonde 3 um eine Punktlichtquelle handelt, die Intensitätsverteilung in der Austrittspupille der verwendeten kollimierenden Optik 8 oder des jeweils verwendeten Objektivs zu messen. Auch kann auf diese Weise über die Messung der Intensitätsverteilung ein lateraler Brechungsindexgradient im Objekt 6 oder in der untersuchten Probe nachgewiesen und gemessen werden.
Mit dem Verfahren und der Anordnung kann ein differentieller Phasenkontrast in den beiden orthogonal zueinander verlaufenden Scanningkoordinaten x und y des Nahfeldmikroskopes realisiert werden, wenn im Differenzbildner 11 der Auswerteelektronik 12 die Differenzen der elektrischen Signale jeweils diametral oder zentralsymmetrisch gegenüberliegender Quadrante I und III bzw. II und IV des Fotodetektors 9, also Δ₁ = II - IV und Δ₂ = I - III gebildet werden.
Das Verfahren gestattet auch die Realisierung eines differentiellen Phasenkontrastes in Richtung einer der Koordinaten x oder y. Dazu wird zunächst die Summe der Signale zweier benachbarter Quadranten des Fotoempfängers 9 im Summenbildner 10 und dann die Differenz aus den so erhaltenen Summensignalen im Differenzbildner 11 gebildet. So kann beispielsweise der differentielle Phasenkontrast in Richtung der x-Koordinate aus den Signalen der Quadrante I bis IV nach der Beziehung Δ_x = (II + III) - (I + IV) ermittelt werden. Analog dazu wird der differentielle Phasenkontrast in Richtung der y-Koordinate dann ermittelt nach der Beziehung Δ_y = (I + II) - (III + IV).
Es ist weiterhin auch möglich, einen Abbildungsmodus zu wählen, mit welchem der Amplitudenkontrast ermittelt wird. Dabei ist es vorteilhaft, wenn zur Realisierung eines Amplitudenkontrastes die Summe der Signale aller vier Quadrante I bis IV des Fotoempfängers 9 zur Gewinnung eines den Bildaufbau realisierenden Signals im Summenbildner 10 der Auswerteelektronik 12 gebildet wird. Bezugszeichenliste 1, 1.2 Laser
2 Single-Mode-Glasfaser
2.2 Glasfaser
3, 3.1, 3.2 Nahfeldsonde
4 Glasfaserspitze
4.1 Spitze
4.2 Beschichtung
4.3, 4.4 Spitze
5 Abstandskontrolle
6 Objekt
7 Objektträger
8, 8.1 Optik
8.2 Zentralbohrung
8.3 Optik
9, 9.1 Fotodetektor
9.2 CCD-Matrix
9.3 CCD-Elemente
10 Summbildner
11 Differenzbildner
12 Auswerteelektronik
13 Scanningeinrichtung
14, 15 Trennlinien
16 Schnittpunkt
17 optische Achse
18, 19, 20 und 21, 22 Bereiche/Strukturen
23 propagierendes Licht
24, 25 Lichtkeule
28 propagierendes Licht

Claims

1. Optisches Nahfeldmikroskop für verschiedene, einschließlich differentielle Kontrastverfahren, umfassend

- eine ein Objekt direkt oder über eine Nahfeldsonde beleuchtende Strahlungsquelle,

- und einen das durch das Objekt beeinflußte Licht empfangenden Fotodetektor zur Erzeugung weiter verarbeitbarer elektrischer Signale, wobei der Fotodetektor mit einer elektronischen, die elektrischen Signale zur Detektierung und Darstellung von Objektstrukturen verarbeitenden Auswerteelektronik verbunden ist,

dadurch gekennzeichnet,

- daß als Fotodetektor (9; 9.1) ein strukturierter Fotoempfänger vorgesehen ist, welcher mit einer die durch die einzelnen Strukturen des Fotoempfängers erzeugten, elektrischen Fotoempfängersignale verarbeitenden Auswerteelektronik (12) elektrisch verbunden ist.

2. Optisches Nahfeldmikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Objekt (6) oder der Probe und dem Fotodetektor (9; 9.1) eine das Licht kollimierende und auf den Fotodetektor (9; 9.1) leitende Optik (8; 8.1; 8.3) angeordnet ist.

3. Optisches Nahfeldmikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Fotodetektor (9; 9.1) ein positionsempfindlicher Fotodetektor in Form einer CCD-Matrix (9.2), eines Kreisring- oder eines Kreis-Kreisring- Detektors vorgesehen ist.

4. Optisches Nahfeldmikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fotodetektor (9) ein Quadrantenfotoempfänger ist, der in einer Ebene angeordnet ist, die senkrecht zu einer durch die Spitze (4.1; 4.3; 4.4) der Nahfeldsonde (3; 3.1; 3.2) und der Mitte des Fotodetektors (9) gebildeten optischen Achse (17) verläuft und daß dieser Fotodetektor (9) elektrisch mit der Auswerteelektronik (12) verbunden ist.

5. Optisches Nahfeldmikroskop nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Quadrantenfotodetektor entlang der Scanningkoordinaten x und y des Nahfeldmikroskopes justierbar angeordnet ist.

6. Optisches Nahfeldmikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Quadrantenfotoempfänger eine Vier-Quadranten-Fotodiode vorgesehen ist, wobei die durch die einzelnen Diodenquadranten bei der Abtastung des Objektes (6) erzeugten elektrischen Quadrantensignale zur Realisierung unterschiedlicher Abbildungsmodi weiterverarbeitet werden.

7. Verfahren zur Realisierung verschiedener, einschließlich differentieller Kontrastverfahren bei einem optischen Nahfeldmikroskop, bei welchem ein Objekt (6) direkt oder mit einer Nahfeldsonde (3; 3.1; 3.2) im Durch- oder im Auflicht beleuchtet wird und das in das Fernfeld propagierende Licht auf einen strukturierten Fotodetektor (9; 9.1) geleitet wird, und wobei die von den einzelnen Strukturen des Fotodetektors (9; 9.1) erzeugten elektrischen Signale durch Summen- und/oder Differenzbildung derart miteinander verknüpft werden, daß ein Bildaufbau in differentiellem Kontrast realisiert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Realisierung eines differentiellen Phasenkontrastes in den beiden Scanning-Koordinaten x und y die Differenz der Signale jeweils diametral (zentralsymmetrisch) gegenüberliegender Fotodiodenquadranten zur Gewinnung eines den Bildaufbau realisierenden weiterverarbeitbaren, elektrischen Signals gebildet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Realisierung eines differentiellen Phasenkontrastes in Richtung einer der Koordinaten x oder y zunächst die Summe der Signale zweier benachbarter Fotodiodenquadranten in einem Summenbildner (10) und dann die Differenz aus diesen Summensignalen in einem Differenzbildner (11) zur Gewinnung eines den Bildaufbau realisierenden weiterverarbeitbaren, elektrischen Signals gebildet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Realisierung eines Amplitudenkontrastes die Summe der Signale aller vier Fotodiodenquadranten zur Gewinnung eines den Bildaufbau realisierenden Signals in einem Summenbildner (10) gebildet wird.