DE29814972U1

DE29814972U1 - Near-field optical probe and near-field optical microscope

Info

Publication number: DE29814972U1
Application number: DE29814972U
Authority: DE
Original assignee: Witec Wissenschaftliche Instrumente und Technologie GmbH
Current assignee: Witec Wissenschaftliche Instrumente und Technologie GmbH
Priority date: 1998-08-21
Filing date: 1998-08-21
Publication date: 1999-12-30
Anticipated expiration: 2008-08-22
Also published as: DE19902235B4; DE19902235A1

Description

G 14485 / WITec GmbH / DrS/mj/gwOOO496/rg/sp / sf.*A*jgu*st »998 · ·· · · J*.,'G 14485 / WITec GmbH / DrS/mj/gwOOO496/rg/sp / sf.*A*jgu*st »998 · ·· · · J*.,'

Nahfeldoptische Sonde und nahfeldoptisches MikroskopNear-field optical probe and near-field optical microscope

Die Erfindung betrifft eine nahfeldoptische Sonde zur Abbildung eines Gegenstandes bzw. einer Probe mit einem Sondengehäuse, einer Nahfeldspitze zur Emission oder zum Aufsammeln von Licht durch eine optische Apertur, deren Durchmesser viel kleiner als die zur Abbildung verwendete Lichtwellenlänge ist sowie ein optisches Mikroskop mit Mitteln zum Halten einer Probe, mindestens einer Halterung für mindestens ein Mikroskopobjektiv sowie mindestens einer nahfeldoptischen Sonde.The invention relates to a near-field optical probe for imaging an object or a sample with a probe housing, a near-field tip for emitting or collecting light through an optical aperture whose diameter is much smaller than the wavelength of light used for imaging, and an optical microscope with means for holding a sample, at least one holder for at least one microscope objective, and at least one near-field optical probe.

Optische Mikroskope bieten vielfältigste Möglichkeiten der Untersuchung, beispielsweise von Proben. Neben der einfachen vergrößernden Abbildung von Objekten sind als weitere Möglichkeiten der speziellen Kontrastierung, beispielsweise Transmission, Reflexion, Dunkelfeldabbildung, Polarisationsuntersuchungen, Fluoreszenzmarkierung, Ramanspektroskopie etc. bekanntgeworden.Optical microscopes offer a wide range of possibilities for examining, for example, samples. In addition to the simple magnified image of objects, other options for special contrasting have become known, such as transmission, reflection, dark field imaging, polarization examinations, fluorescence labeling, Raman spectroscopy, etc.

Bei der Fluoreszenzmarkierung werden gezielt die chemische Eigenschaft von 20' Farbstoffen ausgenutzt, um bestimmte Probenbereiche zu markieren. ~-Fluorescence labeling uses the chemical properties of 20' dyes to mark specific sample areas. ~-

Bei polarisationsaufgelöster Mikroskopie werden die doppelbrechenden Eigenschaften von Proben und bei der Ramanspektroskopie die speziellen Eigenschaften chemischer Bindungen untersucht.Polarization-resolved microscopy is used to investigate the birefringent properties of samples, while Raman spectroscopy is used to investigate the special properties of chemical bonds.

Untersuchungen bzw. Mikroskopie mit optischen Verfahren finden bevorzugt im Wellenlängenbereich von 400 nm bis 700 nm statt. Mit Hilfe von Glasoptiken ist auf einfache Art und Weise der Wellenlängenbereich von ca. 200 nm bis 2000 nm erreichbar.Investigations or microscopy using optical methods preferably take place in the wavelength range from 400 nm to 700 nm. With the help of glass optics, the wavelength range from approx. 200 nm to 2000 nm can be easily reached.

G 14485 /WITec GmbH / DrS/mj/gw00049e/rg/sp / 81.G 14485 /WITec GmbH / DrS/mj/gw00049e/rg/sp / 81.

Aufgrund der Wellennatur des Lichts ist das erreichbare Auflösungsvermögen der klassischen Optik begrenzt. Nach dem Rayleigh-Kriterium lassen sich mit einer beugungsbegrenzten Optik zwei Punkte noch trennen, wenn ihr Abstand &Dgr;&khgr;>0,61&khgr;&lgr;/&Ngr;.&Agr;. beträgt, wobei N.A. die sog. numerische Apertur des Objektivs darstellt und &lgr; die verwendete Wellenlänge.Due to the wave nature of light, the achievable resolution of classical optics is limited. According to the Rayleigh criterion, two points can still be separated with diffraction-limited optics if their distance is Δχ>0.61χλ/�N.Δ., where N.A. represents the so-called numerical aperture of the objective and λ is the wavelength used.

In der Praxis erreicht man bei Ölimmersionsoptiken eine numerische Apertur von N.A.<1,4, so daß die mit klassischen Mikroskopen erreichbare maximale Auflösung - d.h. die Fähigkeit, zwei Punkte zu trennen - etwa bei der halben Wellenlänge des eingesetzten Lichtes liegt.In practice, oil immersion optics achieve a numerical aperture of N.A.<1.4, so that the maximum resolution achievable with classical microscopes - i.e. the ability to separate two points - is approximately half the wavelength of the light used.

Eine verbesserte Auflösung kann mit Hilfe der konfokalen Mikroskopie erreicht werden, bei der eine punktförmige Quelle, vorzugsweise ein Laser, auf einen Punkt der Probe abgebildet wird. Anschließend wird dieser Bildpunkt vorzugsweise mit derselben Optik auf eine Lochblende, ein sog. Pinhole, vor einem Detektor fokussiert. Die Größe der Lochblende muß dabei kleiner als die beugungsbegrenzte Abbildung des Beleuchtungsbildes sein. Das Bild wird nun dadurch erzeugt, daß ein Punkt der Beleuchtungsquelle über die Probe gerastert wird, die Probe also Punkt für Punkt abgetastet wird. Mit dieser Art der Abbildung erreicht man eine erhebliche Steigerung des Bildkontrastes, da für die Abbildung nur die Fokusebene des Objektivs beiträgt. Außerdem kann die Auflösung aufgrund der Faltung des Beugungspunktes mit der Apertur der Lochblende um etwa den Faktor \/2 auf &lgr;/3 reduziert werden. Zusätzlich kann man 3-dimensionale Bilder der Probenstruktur mit einer axialen Auflösung von etwa einer WellenlängeImproved resolution can be achieved using confocal microscopy, in which a point source, preferably a laser, is imaged onto a point on the sample. This image point is then focused, preferably using the same optics, onto a pinhole in front of a detector. The size of the pinhole must be smaller than the diffraction-limited image of the illumination image. The image is then created by scanning a point of the illumination source over the sample, i.e. the sample is scanned point by point. This type of imaging achieves a significant increase in image contrast, since only the focal plane of the lens contributes to the image. In addition, the resolution can be reduced by a factor of about \/2 to &lgr;/3 due to the folding of the diffraction point with the aperture of the pinhole. In addition, 3-dimensional images of the sample structure can be created with an axial resolution of about one wavelength.

erhalten.receive.

Eine weitere Steigerung des Auflösungsvermögens kann mit Hilfe der optischen Nahfeldmikroskopie erreicht werden. Bei der Nahfeldmikroskopie wird zur Abbildung des Objekts im Gegensatz zur klassischen Optik keine Linse benutzt, sondern eine optische Apertur, deren Durchmesser viel kleinerA further increase in resolution can be achieved with the help of optical near-field microscopy. In contrast to classical optics, near-field microscopy does not use a lens to image the object, but rather an optical aperture whose diameter is much smaller

G 14485 / WITec GmbH / DrS/mj/gwO0049e/rg/sp / 31* *A»igus* W98 .**··**· · ·G 14485 / WITec GmbH / DrS/mj/gwO0049e/rg/sp / 31* *A»igus* W98 .**··**· · ·

als die verwendete Lichtwellenlänge ist. Diese optische Apertur wird in einem geringen Abstand, der vorzugsweise kleiner als der Aperturdurchmesser ist, über die Probe gerastert. Die erreichbare Auflösung wird dann nicht mehr von der Lichtwellenlänge, sondern von der Größe der Apertur bestimmt. 5than the light wavelength used. This optical aperture is scanned over the sample at a small distance, which is preferably smaller than the aperture diameter. The achievable resolution is then no longer determined by the light wavelength, but by the size of the aperture. 5

Betreffend die optische Nahfeldmikroskopie wird beispielhaft auf die nachfolgenden Schriften verwiesen:Regarding optical near-field microscopy, reference is made to the following publications as examples:

EP-A-0112401EP-A-0112401

EP-A-0112402EP-A-0112402

EP-A-0487233
EP-A-0583112
US-A-5677525EP-A-0487233
EP-A-0583112
US-A-5677525

Die hierin beschriebenen nahfeldoptischen Mikroskope umfassen aufwendige Aufbauten; eine Integration in herkömmliche Mikroskope ist nur schwer möglich.The near-field optical microscopes described here involve complex setups; integration into conventional microscopes is difficult.

Bei der Nahfeldmikroskopie sind die gleichen optischen Abbildungsverfahren wie in "der klassischen Optik möglich, beispielsweise Transmissions-, Reflexions-, Polarisations-, FluoreszenzMessungen oder die Raman-Spektroskopie etc. Allerdings können wesentlich höhere Auflösungen erreicht werden.In near-field microscopy, the same optical imaging methods as in "classical optics" are possible, for example transmission, reflection, polarization, fluorescence measurements or Raman spectroscopy, etc. However, much higher resolutions can be achieved.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine nahfeldoptische Sonde anzugeben, die eine leichte Integration in bestehende Mikroskope erlaubt, sowie ein entsprechend aufgebautes Mikroskop.The object of the invention is to provide a near-field optical probe that allows easy integration into existing microscopes, as well as a correspondingly constructed microscope.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine nahfeldoptische Sonde gelöst, die sich dadurch auszeichnet, daß die Nahfeldspitze im Sondengehäuse selbst vorzugsweise vertikal angeordnet ist, wobei das Sondengehäuse derartAccording to the invention, the object is achieved by a near-field optical probe, which is characterized in that the near-field tip is arranged in the probe housing itself, preferably vertically, wherein the probe housing is designed in such a way

• ··

G 14485 / WITec GmbH / DrS/mj/gwOOO496/rg/sp / St. Aftgust_#f998 IJJJG 14485 / WITec GmbH / DrS/mj/gwOOO496/rg/sp / St. Aftgust _# f998 IJJJ

ausgestaltet ist, daß es anstelle eines herkömmlichen Objektives an einem Mikroskop befestigt werden kann.is designed so that it can be attached to a microscope instead of a conventional objective.

Des weiteren stellt die Erfindung ein optisches Mikroskop zur Verfugung, welches eine nahfeldoptische Sonde umfaßt, wobei die nahfeldoptische Sonde derart ausgestaltet ist, daß sie anstelle eines herkömmlichen Objektives in einer Mikroskopobjektivhalterung befestigt werden kann.Furthermore, the invention provides an optical microscope which comprises a near-field optical probe, wherein the near-field optical probe is designed such that it can be attached to a microscope objective holder instead of a conventional objective.

In einer bevorzugten Ausgestaltung weist das Sondengehäuse zur Aufnahme der nahfeldoptischen Sonde im wesentlichen die Abmessungen einesIn a preferred embodiment, the probe housing for accommodating the near-field optical probe has essentially the dimensions of a

Mikroskopobjektives auf sowie an seiner Außenseite ein Gewinde, so daß das Sondengehäuse samt der darin angeordneten Nahfeldspitze in das für die Halterung herkömmlicher Mikroskopobjektive vorgesehene Gewinde eingeschraubt werden kann.
15microscope objective and a thread on its outside so that the probe housing together with the near-field tip arranged therein can be screwed into the thread provided for holding conventional microscope objectives.
15

Um die nahfeldoptische Sonde zur Untersuchung von Probenbereichen, die bereits zuvor mittels herkömmlicher optische Methoden oder der konfokalen Mikroskopie untersucht wurden, einsetzen zu können, mit Vorteil vorgesehen, daß die nahfeldoptische Sonde mit Mitteln zum Justieren der Nahfeldspitze ausgestaltet ist. Bevorzugt können hierfür beispielsweise Mikrometerschrauben eingesetzt werden.In order to be able to use the near-field optical probe to examine sample areas that have already been examined using conventional optical methods or confocal microscopy, it is advantageous for the near-field optical probe to be designed with means for adjusting the near-field tip. Micrometer screws can preferably be used for this purpose, for example.

In Bezug auf die Baugröße der nahfeldoptischen Sonde sowie deren Zuverlässigkeit ist es von besonderem Vorteil, wenn die Nahfeldspitze im Meßbetrieb feststehend im Sondengehäuse angeordnet ist. Die Bildaufnahme der Proben erfolgt dann bevorzugt durch Verschieben eines sogenannten Scantisches, auf dem die Probe angebracht ist, sowohl in lateraler X bzw. Y-Richtung wie auch in vertikaler Z-Richtung.In terms of the size of the near-field optical probe and its reliability, it is particularly advantageous if the near-field tip is fixed in the probe housing during measurement. The images of the samples are then preferably recorded by moving a so-called scanning table on which the sample is mounted, both in the lateral X or Y direction and in the vertical Z direction.

Durch eine derartige Anordnung können die bislang zur Abbildung der Probe notwendigen Verschiebemittel für die Nahfeldspitze entfallen.Such an arrangement eliminates the need for the displacement means for the near-field tip that were previously necessary for imaging the sample.

G 14485/WITec GmbH / DrS/mj/gwOOO49e/rg/sp/^n*^LiteilJl 988 **G 14485/WITec GmbH / DrS/mj/gwOOO49e/rg/sp/^n*^LiteilJl 988 **

• · · 1· · 1

• ··

Neben der nahfeldoptischen Sonde stellt die Erfindung auch ein optisches Mikroskop mit einer nahfeldoptischen Sonde zur Verfügung, das sich dadurch auszeichnet, daß die nahfeldoptische Sonde derart ausgestaltet ist, daß sie anstelle eines herkömmlichen Objektives in der Mikroskopobjektivhalterung befestigt werden kann.In addition to the near-field optical probe, the invention also provides an optical microscope with a near-field optical probe, which is characterized in that the near-field optical probe is designed such that it can be attached to the microscope objective holder instead of a conventional objective.

Besonders bevorzugt umfassen derartige Mikroskope nahfeldoptische Sonden wie zuvor eingehend beschrieben.Particularly preferably, such microscopes comprise near-field optical probes as described in detail above.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn das erfindungsgemäße optische Mikroskop weitere klassische Mikroskopobjektive, beispielsweise in einem Mikroskoprevolver, umfaßt. Mit Vorteil ist vorgesehen, daß die klassischen Mikroskope Einrichtungen zur konfokalen Mikroskopie aufweisen. Mittel zur konfokalen Mikroskopie umfassen u. a. eine punktförmige Lichtquelle, vorzugsweise ein Laser, der einen Punkt auf eine Probe abbildet. Dieser Bildpunkt wird beispielsweise mittels einer Linse auf eine Lochblende, ein sogenanntes Pinhole, vor einem Detektor fokussiert, wobei der Durchmesser der Lochblende kleiner als die beugungsbegrenzte Abbildung des Beleuchtungsbildes ist.It is particularly advantageous if the optical microscope according to the invention comprises further conventional microscope objectives, for example in a microscope turret. It is advantageous for the conventional microscopes to have devices for confocal microscopy. Means for confocal microscopy include, among other things, a point-shaped light source, preferably a laser, which images a point on a sample. This image point is focused, for example, by means of a lens onto a pinhole in front of a detector, the diameter of the pinhole being smaller than the diffraction-limited image of the illumination image.

Da die Bildaufnahme im Bereich der konfokalen Mikroskopie analog zu dem der optischen Nahfeldmikroskopie erhalten wird, nämlich dadurch, daß die zu untersuchende Probe Punkt für Punkt abgetastet und die hieraus erhaltenen Signale zu einem Bild zusammengesetzt werden, stellt das konfokale Mikroskop eine ideale Ergänzung des optischen Nahfeldmikroskopes dar. So kann beispielsweise mittels der konfokalen Mikroskopie die zu untersuchende Probenoberfläche genau definiert werden. Reicht die Auflösung der konfokalen Mikroskopie zur Untersuchung des interessierenden Probenbereiches nicht aus, so kann mit dem erfindungsgemäßen Mikroskop durch einfaches Einschrauben bzw. Verdrehen des Mikroskop revolvers auf die nahfeldoptische Abbildung umgeschaltet werden. Mit Hilfe derSince the image recording in the area of confocal microscopy is obtained in a similar way to that of optical near-field microscopy, namely by scanning the sample to be examined point by point and combining the signals obtained from this to form an image, the confocal microscope represents an ideal supplement to the optical near-field microscope. For example, the sample surface to be examined can be precisely defined using confocal microscopy. If the resolution of confocal microscopy is not sufficient to examine the sample area of interest, the microscope according to the invention can be switched to near-field optical imaging by simply screwing in or turning the microscope turret. With the help of the

G 14485 / WITec GmbH / DrS/mj/gw000498/rg/sp / ?.t «AugiM J998G 14485 / WITec GmbH / DrS/mj/gw000498/rg/sp / ?.t «AugiM J998

nahf eidoptischen Sonde erfolgt nunmehr mit höherer Auflösung das Abrastern desselben Bereiches bzw. eines Ausschnittes des mit der konfokalen Mikroskopie untersuchten Bereiches.Using an eidoptic probe, the same area or a section of the area examined with confocal microscopy is now scanned with higher resolution.

Hierzu ist es besonders vorteilhaft, wenn die Nahfeldspitze parfokal zu den weiteren Objektiven der klassischen Optik angeordnet ist.For this purpose, it is particularly advantageous if the near-field tip is arranged parfocally to the other lenses of the classical optics.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß zum Abrastern der Probe nicht die optische Sonde bzw. der Laserstrahl in der konfokalen Mikroskopie verfahren wird - wie bislang üblich - und die Probe dabei ortsfest bleibt, sondern die Probe gegenüber den ortsfest stehenden Sonden bzw. dem ortsfest stehenden Laserstrahl beispielsweise auf einem Scantisch in den drei Raum-Richtungen X, Y, Z verfahren wird.In a particularly preferred embodiment of the invention, it is provided that the optical probe or the laser beam is not moved in confocal microscopy to scan the sample - as has been usual up to now - and the sample remains stationary, but the sample is moved relative to the stationary probes or the stationary laser beam, for example on a scanning table in the three spatial directions X, Y, Z.

Mit Hilfe eines derartigen Scantisches können auf einfache Art und Weise klassische Mikroskope zu Laser-Scanning Mikroskopen, konfokalen Mikroskopen bzw. Nahfeldmikroskopen umgerüstet bzw. ergänzt werden.With the help of such a scanning table, classic microscopes can be easily converted or supplemented to laser scanning microscopes, confocal microscopes or near-field microscopes.

Die Detektion des konfokalen bzw. nahfeldoptischen Signals erfolgt mit Hilfe von Detektoren entweder in Transmission oder in Reflexion. &ldquor;i^·-The confocal or near-field optical signal is detected using detectors either in transmission or in reflection. &ldquor;i^·-

Besonders bevorzugt ist es, wenn der Scantisch einen Scanbereich in XY-Richtung von wenigstens 1 &mgr;&igr;&eegr;, vorzugsweise 100 &mgr;&eegr;&eegr;, beträgt und die Ortsauflösung in diesem Bereich wenigstens 0,1 &mgr;&eegr;&eegr;, bevorzugt 1 nm, ist.It is particularly preferred if the scanning table has a scanning range in the XY direction of at least 1 μm, preferably 100 μm, and the spatial resolution in this range is at least 0.1 μm, preferably 1 nm.

Beim Scanbereich in Z-Richtung, der die Aufnahme einer Topographie der Oberfläche ermöglicht, werden erfindungsgemäß wenigstens 0,1 &mgr;&eegr;&eegr; mit einer Ortsauflösung von 0,01 &mgr;&eegr;&eegr; erreicht, bevorzugt eine Auflösung von 0,1 nm bei 10 &mgr;&eegr;&eegr; Scanbereich.In the scanning range in the Z direction, which enables the recording of a topography of the surface, at least 0.1 μηη with a spatial resolution of 0.01 μηη is achieved according to the invention, preferably a resolution of 0.1 nm with a 10 μηη scanning range.

G 14485 / WITec GmbH / DrS/mj/gwOOCWge/rg/sp / 2i*Au9i«t-*906 ·&diams; *.· «G 14485 / WITec GmbH / DrS/mj/gwOOCWge/rg/sp / 2i*Au9i«t-*906 ·&diams; *. «

Um die Detektoren nicht verfahren zu müssen ist vorgesehen, die Probe in alle drei Raumrichtungen zu scannen.In order to avoid having to move the detectors, it is planned to scan the sample in all three spatial directions.

In der besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Nahfeldsonde mittels Mikrometerschrauben paraxial zum konfokalen Strahlengang justiert werden kann. Damit ist es möglich, nacheinander den gleichen Probenbereich mit konfokaler Mikroskopie und mit Nahfeldoptik abzubilden.In the special embodiment of the invention, it is provided that the near-field probe can be adjusted paraxially to the confocal beam path using micrometer screws. This makes it possible to image the same sample area successively using confocal microscopy and near-field optics.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand der Zeichnungen beispielhaft beschrieben werden.The invention will now be described by way of example with reference to the drawings.

Es zeigen:
Figur 1 eine Draufsicht auf die erfindungsgemäße Sondeneinheit.Show it:
Figure 1 is a plan view of the probe unit according to the invention.

Figur 2 eine Längsansicht der erfindungsgemäßen Sondeneinheit, wobeiFigure 2 is a longitudinal view of the probe unit according to the invention, wherein

als Ebene die in Figur 1 gezeichnete Ebene A-A betrachtet wird.The plane A-A shown in Figure 1 is considered as the plane.

Figur 3 eine detaillierte Ansicht der erfindungsgemäßen Halterung derFigure 3 shows a detailed view of the holder according to the invention of the

optischen Nahfeldsonde.optical near-field probe.

Figur 4 den Gesamtaufbau eines optischen Nahfeldmikroskops gemäßFigure 4 shows the overall structure of an optical near-field microscope according to

der Erfindung.
25the invention.
25

Fig. 1 zeigt in der Draufsicht die erfindungsgemäße optische Nahfeldsonde 1.Fig. 1 shows a plan view of the optical near-field probe 1 according to the invention.

Die optische Nahfeldsonde umfaßt ein Sondengehäuse 3, das in der dargestellten Ausführungsform entsprechend einem Mikroskopobjektiv eine kreisrunde Form aufweist. In der Mitte des kreisrunden Sondengehäuses 3 ist die Nahfeldsonde 5 angeordnet, die in der Halterung 7 gehalten wird. AlsThe optical near-field probe comprises a probe housing 3, which in the embodiment shown has a circular shape corresponding to a microscope objective. The near-field probe 5 is arranged in the middle of the circular probe housing 3 and is held in the holder 7.

G 14485 /WITec GmbH/ DrS/mj/gwOOO4ge/rg/sp/J21. August*! 998· JJJ &idigr;G 14485 /WITec GmbH/ DrS/mj/gwOOO4ge/rg/sp/J21. August*! 998· YJY &idigr;

Nahfeldsonde finden heute bevorzugt Monomoden-Glasfasern Verwendung, die mit einer Metallschicht bedampft werden. Mit derartigen Nahfeldspitzen können Auflösungen von mehr als 20 nm erreicht werden. Diesbezüglich wird beispielsweise auf E. Betzig, J.K. Trautman, T.D. Harris, J.S. Weiner, und R.L Kostelak, Science 257:1468-1470, 1991, sowie die EP 0 487 233 A2 verwiesen, deren Offenbarungsgehalt in die vorliegende Anmeldung vollumfänglich mitaufgenommen wird.Monomode glass fibers, which are coated with a metal layer, are now preferred for near-field probes. Resolutions of more than 20 nm can be achieved with such near-field tips. In this regard, reference is made to, for example, E. Betzig, J.K. Trautman, T.D. Harris, J.S. Weiner, and R.L Kostelak, Science 257:1468-1470, 1991, as well as EP 0 487 233 A2, the disclosure content of which is incorporated in full into the present application.

Auch andere Arten von Nahfeldsonden als die beispielhaft erwähnte Nahfeldspitze sind denkbar. Nur beispielsweise wird auf aperturlose Sonden wie in F. Zenhausem, M.P. O'Boyle und H.K. Wickramasinghe, Appl. Phys.Other types of near-field probes than the near-field tip mentioned as an example are also conceivable. For example, apertureless probes as described in F. Zenhausem, M.P. O'Boyle and H.K. Wickramasinghe, Appl. Phys.

Lett. 65:1623-1625, 1994 verwiesen oder die Verwendung von Oberflächenplasmonen in Tetraederspitzen wie in U.C. Fischer, J. Koglin, H.Lett. 65:1623-1625, 1994 or the use of surface plasmons in tetrahedral tips as in U.C. Fischer, J. Koglin, H.

Fuchs Journal of Microscopy, 176:231-237, 1994 beschrieben. Der Offenbarungsgehalt sämtlicher dieser Schriften wird in die vorliegende Anmeldung vollumfänglich mitaufgenommen.Fuchs Journal of Microscopy, 176:231-237, 1994. The disclosure content of all these documents is incorporated in its entirety into the present application.

Die Halterung 7 für die nahfeldoptische Sonde 5 ist bei der erfindungsgemäßen Sonde vibrationsarm auf einem Kohlefaserstab 9 gelagert, dersich über den gesamten Durchmesser des Sondengehäuses 3 hinweg erstreckt.In the probe according to the invention, the holder 7 for the near-field optical probe 5 is mounted in a low-vibration manner on a carbon fiber rod 9 which extends over the entire diameter of the probe housing 3.

Das im wesentlichen zylindrische Sondengehäuse weist des weiteren Grobeinstellmittel 11, 13 zum Einstellen der Nahfeldspitze 5 innerhalb der XY-Ebene des Objektives auf. Die Lichteinkopplung erfolgt über eine Monomodenfaser, die durch Öffnung 15 in das Mikroskopobjektiv eingeführt werden kann.The essentially cylindrical probe housing also has coarse adjustment means 11, 13 for adjusting the near-field tip 5 within the XY plane of the objective. The light is coupled in via a monomode fiber that can be introduced into the microscope objective through opening 15.

Wie die theoretische Betrachtung der Nahfeldoptik zeigt, wird die Auflösung in der Nahfeldoptik durch die evaneszenten Felder bestimmt. Da diese Felder auf einer Strecke von wenigen Nanometern abfallen, ist es notwendig, dieAs the theoretical consideration of near-field optics shows, the resolution in near-field optics is determined by the evanescent fields. Since these fields decay over a distance of a few nanometers, it is necessary to

G 14485 / WITec GmbH / DrS/mj/gw000498/rg/sp /^G 14485 / WITec GmbH / DrS/mj/gw000498/rg/sp /^

Nahfeldsonde in diesen Bereich zu bringen und den Abstand zwischen Probe und Sonde während der Messung konstant zu halten. Hierfür wurden unterschiedliche Verfahren zur Abstandsdetektion der Nahfeldsonde entwickelt. Bei der Verwendung von verjüngten und bedampften Monomoden-Glasfasern als Nahfeldspitzen wie in dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel werden bevorzugt Scherkraftdetektionsverfahren eingesetzt, wie beispielsweise bei E. Betzig, P.L Finn, J.S. Weiner, Appl. Phys. Lett. 60: 2484-2486, 1992 beschrieben. Neben optischen Methoden zur Scherkraftdetektion, wie in der zuvor zitierten Literaturstelle beschrieben, haben sich hierzu insbesondere elektrische Detektionsverfahren durchgesetzt, die sich durch einen sehr kompakten Aufbau auszeichnen und ein schnelles und einfaches Austauschen der Nahfeldspitzen ermöglichen. Betreffend die Scherkraftdetektion, die in der Nahfeldsonde gemäß der Erfindung bevorzugt zum Einsatz gelangt, wird auf R. Brunner, A. Bietsch, O. Hollricher, O. Marti, Rev. Sei. Instrum.: 68:1769-1772, 1997, verwiesen. Der Offenbarungsgehalt dieser Publikation wird vollumfänglich in die vorliegende Anmeldung miteingeschlossen.To bring the near-field probe into this area and to keep the distance between sample and probe constant during the measurement. For this purpose, different methods for detecting the distance of the near-field probe have been developed. When using tapered and vapor-coated monomode glass fibers as near-field tips, as in the embodiment shown in Fig. 1, shear force detection methods are preferably used, as described for example by E. Betzig, P.L Finn, J.S. Weiner, Appl. Phys. Lett. 60: 2484-2486, 1992. In addition to optical methods for shear force detection, as described in the previously cited literature, electrical detection methods in particular have become established, which are characterized by a very compact design and enable the near-field tips to be exchanged quickly and easily. Regarding the shear force detection, which is preferably used in the near-field probe according to the invention, reference is made to R. Brunner, A. Bietsch, O. Hollricher, O. Marti, Rev. Sei. Instrum.: 68:1769-1772, 1997. The disclosure content of this publication is fully incorporated into the present application.

Für die piezoelektrische Scherkraftdetektion zur Abstandsregelung weist die optische Nahfeldsonde in der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform ein Anregungspiezoelement 20 sowie ein gegenüberliegendes Detektionspiezoelement 22 auf. Als Halteelement 7 für die Nahfeldspitze 5 findet bevorzugt ein Messingblock Verwendung. Die Piezoelemente 20, 22 werden am Messingblock bevorzugt mit Zyanacrylat fixiert. Die für die Detektionsmessung notwendigen Zuleitungen werden über die Bohrung 24 in das Gehäuse 3 hineingeführt.For the piezoelectric shear force detection for distance control, the optical near-field probe in the embodiment shown in Fig. 1 has an excitation piezo element 20 and an opposite detection piezo element 22. A brass block is preferably used as the holding element 7 for the near-field tip 5. The piezo elements 20, 22 are preferably fixed to the brass block with cyanoacrylate. The supply lines required for the detection measurement are led into the housing 3 via the bore 24.

In Fig. 2 ist eine Längsansicht der erfindungsgemäßen Nahfeldsonde dargestellt, wobei die Sicht auf die Ebene A-A fällt. 30Fig. 2 shows a longitudinal view of the near-field probe according to the invention, with the view falling on the plane A-A. 30

G 14485 / WITec GmbH / DrS/mj/gwOOO498/rg/sp / jf.*A*igü*f $398 , * *,G 14485 / WITec GmbH / DrS/mj/gwOOO498/rg/sp / jf.*A*igü*f $398 , * *,

Deutlich zu erkennen ist das zylinderförmige Sondengehäuse 3 mit dem darin eingelassenen Gewinde 30 zum Einschrauben in die Fassung einer klassischen Objektivhalterung, beispielsweise in den Revolver eines klassischen Mikroskopes. Die im Metallblock 7 gehaltene Nahfeldspitze 5 wird dadurch geschützt, daß im Bereich der Nahfeldspitze das zylinderförmige Sondengehäuse 3 in Form einer kreisförmigen Pyramide 32 ausgebildet ist. In der Mitte der ansteigenden kreisförmigen Pyramide 32 ist eine Vertiefung 34 . eingelassen, die die Nahfeldspitze 5 samt Metallhalterung 7 aufnimmt.The cylindrical probe housing 3 with the thread 30 embedded in it for screwing into the mount of a classic lens holder, for example in the revolver of a classic microscope, can be clearly seen. The near-field tip 5 held in the metal block 7 is protected by the fact that the cylindrical probe housing 3 is designed in the form of a circular pyramid 32 in the area of the near-field tip. In the middle of the rising circular pyramid 32 there is a recess 34 which accommodates the near-field tip 5 together with the metal holder 7.

Dadurch, daß die Nahfeldspitze 5 mit der Halterung 7 in die Vertiefung 34 eingelassen ist, wird ein gewisser Schutz gegenüber mechanischer Zerstörung gewährleistet.The fact that the near-field tip 5 with the holder 7 is embedded in the recess 34 ensures a certain degree of protection against mechanical destruction.

In Fig. 3 ist nochmals in Detail die Nahfeldspitze samt erfindungsgemäßer Halterung gezeigt. Gleiche Gegenstände, wie zuvor beschrieben, sind mit denselben Bezugsziffern belegt. Deutlich zu erkennen die Nahfeldspitze 5, die vorliegend als Monomoden-Glasfaser ausgestaltet ist und in einer Kanüle 40, vorzugsweise einer Metallkanüle, geführt wird. Die Metallkanüle 40 wird mit Schrauben 42, 44 im Metallblock 7 befestigt. An den Stirnseiten des Metallblocks ist'das anregende Piezoelement 20 und das Detektionspiezzoelement 22 angeordnet, mit deren Hilfe eine Abstandsregelung der Spitze 5 durch Scherkraftdetektion ermöglicht wird. Zu jedem der Piezoelemente 20, 22 führen Signalleitungen 46, 48.In Fig. 3, the near-field tip is shown again in detail, including the holder according to the invention. The same objects as previously described are given the same reference numbers. The near-field tip 5 can be clearly seen, which in this case is designed as a monomode glass fiber and is guided in a cannula 40, preferably a metal cannula. The metal cannula 40 is fastened in the metal block 7 with screws 42, 44. The exciting piezo element 20 and the detection piezo element 22 are arranged on the front sides of the metal block, with the help of which a distance control of the tip 5 is made possible by shear force detection. Signal lines 46, 48 lead to each of the piezo elements 20, 22.

Fig. 4 zeigt den beispielhaften prinzipiellen Aufbau eines optischen Nahfeldmikroskopes gemäß der Erfindung, bei der eine wie in den Figuren 1 bis 3 beschriebene erfindungsgemäße Nahfeldsonde 1 verwendet wird. Die Nahfeldsonde 1 ist in einem gewöhnlichen Objektivhalter eines Objektivrevolvers 100 eines klassischen optischen Mikroskopes eingeschraubt. Die Probe 104 kann zunächst mit Hilfe eines klassischen Objektives 106 oder Einrichtungen zur konfokalen Mikroskopie 108 abgebildetFig. 4 shows the exemplary basic structure of an optical near-field microscope according to the invention, in which a near-field probe 1 according to the invention as described in Figures 1 to 3 is used. The near-field probe 1 is screwed into a conventional lens holder of a lens turret 100 of a classic optical microscope. The sample 104 can first be imaged using a classic lens 106 or devices for confocal microscopy 108.

G 14485 / WITec GmbH / DrS/mj/gw00049e/rg/sp / &Aacgr;1* Au^BiUI 998G 14485 / WITec GmbH / DrS/mj/gw00049e/rg/sp / &Aacgr;1* Au^BiUI 998

werden. Eine Grobposition auf der Probe kann mit Hilfe der Grobpositioniereinrichtung 107 eingestellt werden. Wird eine bessere Auflösung verlangt, so wird der erfindungsgemäße nahfeldoptische Detektor 1 in die dargestellte Beobachtungsposition durch Verdrehen des Revolvers verbracht. Betreffend die konfokale Microskopie wird beispielsweise auf die US 5,677,525 verwiesen, deren Offenbarungsgehalt vollumfänglich in die vorliegende Anmeldung mitaufgenommen wird.A rough position on the sample can be set using the rough positioning device 107. If a better resolution is required, the near-field optical detector 1 according to the invention is brought into the observation position shown by rotating the turret. With regard to confocal microscopy, reference is made, for example, to US 5,677,525, the disclosure content of which is fully incorporated in the present application.

Lichtquellen für die nahfeldoptische Untersuchung sind Laser 110, 112, die monochromatisches Licht einer bestimmten Wellenlänge emittieren, beispielsweise bei einem He-Ne-Laser rotes Licht mit einer Wellenlänge von 633 nm.Light sources for near-field optical examination are lasers 110, 112, which emit monochromatic light of a specific wavelength, for example, in the case of a He-Ne laser, red light with a wavelength of 633 nm.

Dieses Licht wird über Lichtwellenleiter 114 und einen Faserkoppler zur Sondenspitze 5 geführt und dort emittiert.This light is guided via optical fiber 114 and a fiber coupler to the probe tip 5 and emitted there.

Das die Probe 104 transmittierende Licht wird vom Objektiv 120 gesammelt, über Filter 122, Spiegel 124 zur Fotodiode 126 bei Stellung des Klappspiegels 128 in der gestrichelten Position, geführt.The light transmitted by the sample 104 is collected by the objective 120, guided via filter 122, mirror 124 to the photodiode 126 when the folding mirror 128 is in the dashed position.

Durch Umklappen des Klappspiegels kann der Strahlengang anstelle auf den Detektor 126 auf die CCD-Kamera 130 gelenkt werden. Die CCD-Kamera 130 kann zur Justage der Optik, zur Charakterisierung der Spitzen und zur Auswahl eines geeigneten Probenausschnittes verwendet werden.By folding the folding mirror, the beam path can be directed to the CCD camera 130 instead of to the detector 126. The CCD camera 130 can be used to adjust the optics, to characterize the tips and to select a suitable sample section.

Das Abrasten bzw. Abscannen der Probe geschieht mit Hilfe eines Piezotisches, der Piezoelemente 132, 134 zum Verschieben der Proben in X- und Y-Richtung und Z-Richtung aufweist. Der Rasterbereich des Piezotisches beträgt in der X-Y-Ebene in vorliegender Ausführungsform 100 &khgr; 100 &mgr;&eegr;&eegr;. Um Piezohysterese-Effekte auszugleichen, wird der Tisch kapazitiv geregelt. Die laterale Auflösung beträgt 0,5 Nanometer. Am Mikroskop 120 ist zur JustageThe scanning of the sample is carried out using a piezo stage, which has piezo elements 132, 134 for moving the samples in the X and Y directions and in the Z direction. The scanning range of the piezo stage in the X-Y plane in the present embodiment is 100 x 100 μηη. In order to compensate for piezo hysteresis effects, the stage is capacitively controlled. The lateral resolution is 0.5 nanometers. The microscope 120 is equipped with a

G 14485 / WITec GmbH / DrS/mj/gw000498/rg/sp /.?1*G 14485 / WITec GmbH / DrS/mj/gw000498/rg/sp /.?1*

der Optik ein eigener Piezotisch 139 angeordnet. Das Scherkraftdetektionssignal der Nahfeldspitze wird über Leitung 140, das Signal der für die Verschiebung in X-Y-Z-Richtung über Leitung 144 und das von der Detektionsdiode 126 aufgenommene Lichtsignal über Leitung 146 an die Meßeinheit 150 übermittelt, die einen Funktionsgenerator, einen Lock-in-Verstärker, einen Scherkraft-Regler, eine Piezosteuerung sowie eine AD/DA-Karte aufweisen kann, übermittelt. Die Ansteuerung der einzelnen Meßgeräte , 150 geschieht mit Hilfe eines Mikrocomputers 152, in dem die abgescanten Daten zu einem Bild zusammengesetzt werden. Die Scangeschwindigkeit zur Aufnahme des Bildes beträgt wenigstens 0,1 Zeile/s; mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Geschwindigkeiten von 10 Zeilen/s zu erreichen.A separate piezo table 139 is arranged in the optics. The shear force detection signal of the near-field tip is transmitted via line 140, the signal for the displacement in the X-Y-Z direction via line 144 and the light signal recorded by the detection diode 126 via line 146 to the measuring unit 150, which can have a function generator, a lock-in amplifier, a shear force controller, a piezo control and an AD/DA card. The individual measuring devices 150 are controlled with the aid of a microcomputer 152, in which the scanned data are combined to form an image. The scanning speed for recording the image is at least 0.1 line/s; with the device according to the invention, speeds of 10 lines/s can be achieved.

Neben der dargestellten Ausführungsform der Erfindung, bei der durch die Probe hindurchtretendes, also transmittiertes Licht aufgenommen wird, ist es auch möglich, das Beobachtungsobjektiv in die Nahfeldsonde zu integrieren und von der Probe reflektiertes Licht aufzunehmen.In addition to the embodiment of the invention shown, in which light passing through the sample, i.e. transmitted light, is recorded, it is also possible to integrate the observation lens into the near-field probe and to record light reflected from the sample.

Dies ist insbesondere bei nicht-durchlässigen, d.h. nicht transparenten Proben vorteilhaft. tThis is particularly advantageous for non-permeable, i.e. non-transparent samples. t

Um die Justage des konfokalen Strahlengangs bei Messungen in Transmission vorzunehmen, ist vorgesehen, die Detektionsoptik 120 mit einem Verschiebetisch 139 in allen drei Raumrichtungen zu verfahren und den Detektor 126 mit Pinhole 127 ortsfest zu belassen. Wird die CCD-Kamera parfokal mit dem Detektor 126 angeordnet, so kann eine Grobjustage leicht vorgenommen werden, indem der Anregungsstrahlengang auf einen definierten Punkt auf der CCD-Kamera 130 justiert wird, so daß der Strahlengang nach Umklappen des Klappspiegels 128 auf das Pinhole trifft.In order to adjust the confocal beam path during measurements in transmission, the detection optics 120 are moved in all three spatial directions using a sliding table 139 and the detector 126 with pinhole 127 is left stationary. If the CCD camera is arranged parfocally with the detector 126, a rough adjustment can easily be made by adjusting the excitation beam path to a defined point on the CCD camera 130 so that the beam path hits the pinhole after the folding mirror 128 is folded over.

Anschließend kann eine Feinjustage auf das Intensitätsmaximum vorgenommen werden. Dazu ist es vorteilhaft, wenn der XYZ-Tisch 139 zurSubsequently, a fine adjustment to the intensity maximum can be made. For this purpose, it is advantageous if the XYZ table 139 is

G 14485 /WITec GmbH / DrS/mj/gw00049e/rg/sp /.ft' 4ugustIi9S8«**« ·**· ·**· ***.G 14485 /WITec GmbH / DrS/mj/gw00049e/rg/sp /.ft' 4ugustIi9S8«**« ·**· ·**· ***.

Justage der Optik 120 eine Absolutpositionsanzeige mit einer Auflösung von wenigstens 1 &mgr;&eegr;&eegr; aufweist.Adjustment of the optics 120 has an absolute position display with a resolution of at least 1 μηη.

Anschließend wird die Probe mittels der Laser-Scanning- oder der konfokalen Mikroskopie untersucht. Zur Erhöhung der Auflösung wird dann die nahfeldoptische Sonde eingebracht. Damit der zu untersuchende Bereich auch mit der Nahfeldoptik abgebildet werden kann, enthält der Sondenkopf zwei Mikrometerschrauben 11 und 13, so daß die Nahfeldsonde paraxial zum konfokalen Strahlengang justiert werden kann. Dies kann mit der CCD-Kamera 130 kontrolliert werden.The sample is then examined using laser scanning or confocal microscopy. The near-field optical probe is then inserted to increase the resolution. So that the area to be examined can also be imaged using the near-field optics, the probe head contains two micrometer screws 11 and 13 so that the near-field probe can be adjusted paraxially to the confocal beam path. This can be checked using the CCD camera 130.

In einer weitergebildeten, nicht dargestellten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, daß die Nahfeldspitze zusätzlich mit einer empfindlichen Kraftaufnahmeeinrichtung versehen ist, so daß mit ein und derselben nahfeldoptischen Sonde 1 auch Kraftmessungen durchgeführt werden können. Die dargestellte Einrichtung wäre dann sowohl für die optische Nahfeldmikroskopie sowie für die AFM-Mikroskopie geeignet. Bezüglich der AFM-Mikroskopie wird beispielsweise die EP 0545538 A1 oder die EP 0652414 verwiesen, deren Offenbarungsgehalt in die vorliegende "Anmeldung vollumfänglich mitaufgenommen wird.In a further developed embodiment of the invention (not shown), it can be provided that the near-field tip is additionally provided with a sensitive force-receiving device, so that force measurements can also be carried out with one and the same near-field optical probe 1. The device shown would then be suitable for both optical near-field microscopy and AFM microscopy. With regard to AFM microscopy, reference is made, for example, to EP 0545538 A1 or EP 0652414, the disclosure content of which is fully incorporated in the present application.

Der Erfindung wird somit erstmals eine nahfeldoptische Sonde sowie ein mit einer derartigen Sonde ausgerüstetes nahfeldoptisches Mikroskop angegeben, das sich dadurch auszeichnet, daß es eine kompakte Bauweise aufweist und eine leichte Tauschbarkeit mit klassischen Objektiven in einem klassischen optischen Mikroskop gegeben ist.The invention thus provides for the first time a near-field optical probe and a near-field optical microscope equipped with such a probe, which is characterized by the fact that it has a compact design and is easily interchangeable with classic objectives in a classic optical microscope.

Claims

1. Near-field optical probe for imaging an object or sample with

1. 1.1 a probe housing ( 3 );

2. 1.2 a near-field tip ( 5 ) for emitting light through an optical aperture which is much smaller than the wavelength of light used for imaging; characterized in that

3. 1.3 the near-field tip ( 5 ) is arranged in the probe housing ( 3 ) and

4. 1.4 the probe housing ( 3 ) is designed such that it can be attached to a microscope instead of a conventional objective.

2. Near-field optical probe according to claim 1, characterized in that the probe housing has substantially the dimensions of a microscope objective.

3. Near-field optical probe according to one of claims 1 or 2, characterized in that the probe housing has fastening means for fastening the same in the screw thread ( 30 ) of a microscope objective.

4. Near-field optical probe according to one of claims 1 to 3, characterized in that the probe has means for adjusting the near-field tip in the probe housing.

5. Near-field optical probe according to claim 4, characterized in that the near-field tip is arranged in a stationary manner in the probe housing during measuring operation.

6. Near-field optical probe according to one of claims 1 to 5, characterized in that the near-field tip is received by a metal cannula ( 40 ) and the metal cannula is held in a holding block ( 7 ) by means of a clamp.

7. Near-field optical tip according to claim 6, characterized in that the holding block is held by a carbon fiber element.

8. Optical microscope with

8.1 Means for holding a sample;

8.2 at least one holder for at least one microscope objective;

8.3 at least one near-field optical probe; characterized in that

8.4 the near-field optical probe is designed such that it can be attached in the at least one microscope objective holder instead of a conventional objective.

9. Optical microscope according to claim 8, characterized in that the near-field optical probe is a probe according to one of claims 1 to 7.

10. Optical microscope according to claim 9, characterized in that the near-field tip is adjustable in the probe housing and is arranged in a stationary manner during measuring operation.

11. Optical microscope according to one of claims 8 to 10, characterized in that the optical microscope further comprises means for confocal microscopy.

12. Optical microscope according to one of claims 8 to 10, characterized in that the optical microscope further comprises means for laser scanning microscopy.

13. Optical microscope according to one of claims 8 to 12, characterized in that the optical microscope comprises a microscope turret as a microscope objective holder.

14. Optical microscope according to claim 13, characterized in that the microscope turret accommodates further microscopes for conventional microscopy and the near-field optical probe is arranged in the microscope turret such that the near-field tip is parafocal to the further objectives.

15. Optical microscope according to one of claims 8 to 14, characterized in that the microscope further comprises means for force microscopy.

16. Optical microscope according to one of claims 8 to 15, characterized in that the means for holding the sample comprise a scanning table with which a sample arranged thereon can be displaced in all three spatial directions relative to the near-field tip.

17. Optical microscope according to claim 16, characterized in that the scanning table has a scanning range in the XY direction of at least 1 µm and a spatial resolution of at least 0.1 µm.

18. Optical microscope according to claim 16 or 17, characterized in that the scanning table has a scanning range in the Z direction of at least 0.1 µm and a spatial resolution of at least 0.01 µm.

19. Optical microscope according to one of claims 8 to 18, characterized in that the scanning speed is at least 0.1 line/s.

20. Optical microscope according to one of claims 16 to 19, characterized in that the detection microscope for detecting the light transmitted through the sample comprises means for displaying the absolute position (with a resolution of at least 1 µm).

21. Optical microscope according to one of claims 16 to 20, characterized in that the near-field microscope comprises a storage unit for storing a zero position of the scanning table.