DE10125870A1 - Optisches Element zur Abbildung von Objekten und/oder zur Fokussierung von elektromagnetischen Strahlen oder Strahlen von Elementarteilchen - Google Patents
Optisches Element zur Abbildung von Objekten und/oder zur Fokussierung von elektromagnetischen Strahlen oder Strahlen von ElementarteilchenInfo
- Publication number
- DE10125870A1 DE10125870A1 DE10125870A DE10125870A DE10125870A1 DE 10125870 A1 DE10125870 A1 DE 10125870A1 DE 10125870 A DE10125870 A DE 10125870A DE 10125870 A DE10125870 A DE 10125870A DE 10125870 A1 DE10125870 A1 DE 10125870A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- optical element
- rays
- zone
- ring
- permeable
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N23/00—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00
- G01N23/02—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by transmitting the radiation through the material
- G01N23/04—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by transmitting the radiation through the material and forming images of the material
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Analysing Materials By The Use Of Radiation (AREA)
Abstract
Die Erfindung betrifft ein optisches Element (20, 22, 72, 81) zur Abbildung von Objekten und/oder zur Fokussierung von elektromagnetischen Strahlen (11) oder Strahlen von Elementarteilchen, insbesondere von Röntgenstrahlen, umfassend wenigstens einen Teil einer Fresnelschen Zonenplatte (20, 22, 72, 81) mit Ringzonen (24) oder Abschnitten von Ringzonen, die für die Strahlen (11) undurchlässig sind und Ringzonen (23) oder Abschnitten von Ringzonen, die für die Strahlen (11) durchlässig sind. DOLLAR A Die Erfindung zeichnet sich zum einen dadurch aus, daß wenigstens ein Bereich des wenigstens einen Teils der Zonenplatte eine Filterfunktion (40) aufweist, mittels der die Durchlässigkeit der Strahlen (11) durch den wenigstens einen Teil der Zonenplatte (20, 22, 72, 81) unterschiedlich ausgestaltet ist. Die Erfindung zeichnet sich außerdem dadurch aus, daß zur Erzeugung eines Intensitätsbeitrags im Hauptmaximum von wenigstens einem Beugungsmaximum höherer Ordnung wenigstens Teile der Ringzonen (24) oder Abschnitte der Ringzonen, die bei der Fresnelschen Zonenplatte (22, 72, 81) undurchlässig sind, für die Strahlen (11) durchlässig sind.
Description
Die Erfindung betrifft ein optisches Element zur Abbil
dung von Objekten und/oder zur Fokussierung von elektro
magnetischen Strahlen und Strahlen von Elementarteil
chen, insbesondere von Röntgenstrahlen, umfassend wenig
stens einen Teil einer Fresnelschen Zonenplatte mit
Ringzonen oder Abschnitten von Ringzonen, die für die
Strahlen undurchlässig sind und Ringzonen oder Abschnit
ten von Ringzonen, die für die Strahlen durchlässig
sind. Die Erfindung betrifft ferner ein Meßsystem, ins
besondere zum Vermessen von inneren Bereichen dreidimen
sionaler Proben mit hoher Ortsauflösung und eine Appara
tur zur Veränderung der physikalischen, chemischen
und/oder biologischen Eigenschaften eines Bereichs einer
Probe, insbesondere eines inneren Bereichs einer Probe.
Optische Elemente zur Fokussierung von elektromagneti
schen Strahlen oder Strahlen von Elementarteilchen sind
bekannt. Elektromagnetische Strahlen im sichtbaren Be
reich werden üblicherweise durch bspw. Glaslinsen fokus
siert. Strahlen in einem Wellenlängenbereich des VUV
(Vakuum Ultra Violett) oder Röntgenstrahlen lassen sich
schon deutlich schwieriger fokussieren. Aus "physikali
sche Blätter" 55 (1999) Nr. 5, S. 17 ist es bekannt,
Röntgenstrahlen durch Verwendung einer großen Anzahl von
Linsen, wie bspw. 30 bis 50 Stück, die hintereinander
angeordnet sind, zu fokussieren.
Ferner ist es bekannt, Licht mittels Fresnelscher Zonen
platten zu fokussieren. Fresnelsche Zonenplatten nutzen
die Welleneigenschaften von Licht aus und insbesondere
die Verbindung des Huygenschen Prinzips und des Interfe
renzprinzips (Huygens-Fresnelsches-Prinzip), das ein
1818 entwickeltes Hilfsmittel zur Bestimmung und Erklä
rung von Beugungserscheinungen besonders hinter kreis
förmigen Blenden oder Schirmen ist.
Hierbei wird davon ausgegangen, daß eine monochromati
sche Lichtquelle beliebiger Ausdehnung Wellenfronten er
zeugt. Jeder Punkt einer derartigen Wellenfront kann als
Ursprung einer elementaren Kugelwelle angesehen werden.
Die Interferenz der Gesamtheit dieser Kugelwellen führt
dann zu einer identischen Intensitätsverteilung, wie die
von der ursprünglichen Lichtquelle erzeugte.
Eine Fresnelsche Zonenplatte nutzt nun dieses Prinzip
aus, indem durch Konstruktion abwechselnd lichtdurchläs
siger und lichtundurchlässiger bzw. absorbierender Ring
zonen erreicht wird, daß der Gangunterschied von zwei
benachbarten lichtdurchlässigen Ringzonen zum Fokus ge
nau einer Wellenlänge der verwendeten Strahlung ent
spricht und damit zu konstruktiver Interferenz im Fokus
führt. Die minimal erreichbare Halbwertsbreite des In
tensitätsmaximums im Fokus und damit die Ortsauflösung
entspricht in etwa der Breite der kleinsten (äußeren)
lichtdurchlässigen Zone.
Diese ist durch die Güte der Herstellung derartiger
Fresnelscher Zonenplatten bspw. mittels Lithographie be
grenzt. Insbesondere zu den äußeren Ringzonen ist es so,
daß diese von deren Breite her sehr schmal werden müß
ten, was ab einer gewissen Schmalheit bzw. Kleinheit der
Struktur nicht mehr technisch realisierbar ist, so daß
Fresnelsche Zonenplatten bei gegebener Wellenlänge ein
Beugungshauptmaximum erzeugen, das relativ groß ist be
züglich der geometrischen Ausdehnung.
Wird ein Schirm in die Ebene aufgestellt, in der der Fo
kus liegt und zwar parallel zur Ebene der Zonenplatte,
werden über dem Schirm verteilt unterschiedlich große
Intensitäten sichtbar, die aufgrund der Interferenz der
von den durchlässigen Ringzonen der Zonenplatte ausge
henden Wellen hervorgerufen werden. Auch in dem Raum
zwischen dem Schirm bzw. dem Fokus und der Zonenplatte
existieren Intensitätsminima und Intensitätsmaxima.
Insbesondere führt die Kreissymmetrie einer Zonenplatte
zum Auftreten von Intensitätsmaxima, sog. höherer Beu
gungsordnungen, auf der optischen Achse (d. i. die durch
den Mittelpunkt der Ringzonen laufende Normale). Es tre
ten ungerade Beugungsordnungen m (3, 5, 7, . . .) auf, die
daraus resultieren, daß der Gangunterschied von zwei be
nachbarten durchlässigen Ringzonen zum Intensitätsmaxi
mum der m-ten Ordung genau m mal der Wellenlänge der
Strahlung entspricht. Die Intensität nimmt quadratisch
mit größer werdenden Beugungsordnungen ab. So entspricht
die Intensität der dritten Beugungsordnung 1/9 und der
fünften 1/25 der Intensität der ersten Ordnung. Die
Halbwertsbreite des Intensitätsmaximums der m-ten Ord
nung beträgt 1/m der Breite der ersten Ordnung.
Die Verwendung der bekannten optischen Elemente zur Fo
kussierung von elektromagnetischen Strahlen oder von
Strahlen von Elementarteilchen, wobei für die Strahlen
von Elementarteilchen die Welleneigenschaft der Elemen
tarteilchen ausgenutzt wird, haben den Nachteil, daß im
Falle der üblichen Fresnelschen Zonenplatte viele Inten
sitätsmaxima durch Interferenzen erzeugt werden, so daß
eine Verwendung derartiger Zonenplatten für höchstauflö
sende Meßsysteme oder höchstauflösende Apparaturen zur
Veränderung von Eigenschaften von Bereichen von Proben
wenig geeignet ist. Insbesondere ist es auch aufgrund
der in Ausbreitungsrichtung vorhandenen Intensitätsmaxi
ma nicht verläßlich möglich, Bereiche innerhalb einer
Probe zu messen oder zu verändern, ohne die Bereiche,
die davor liegen, also zur Oberfläche hin, mit entspre
chend hoher Intensität mit zu vermessen oder zu verän
dern.
Die optischen Eigenschaften werden insbesondere dadurch
beeinträchtigt, daß die optischen Elemente nicht mit be
liebig großen Durchmessern gefertigt werden können. In
Realitas wird bei jedem optischen Element, ob refraktiv
oder diffraktiv, irgendwo die einfallende Strahlung ab
geschnitten. Aufgrund dieses Abschneidens treten Inten
sitätsnebenmaxima von bis zu 5% des Hauptmaximums auf,
die insofern auch zu einer Verbreiterung der Hauptmaxima
verschiedener Ordnungen beitragen. Dies ist ein generel
ler Abschneideeffekt, der bspw. aus der Theorie digita
ler Filter bekannt ist. Eine Vergrößerung des Durchmes
sers des optischen Elements führt lediglich zu einer
Verkleinerung des Abstands zwischen den Nebenmaxima,
nicht jedoch zu einer Reduktion von deren Höhe bzw. de
ren Intensität.
Schließlich sind derartige Zonenplatten bei hochintensi
ver Strahlung mit hoher Leistung insbesondere im VUV-
oder Röntgenbereich nur unzureichend verwendbar, da
bspw. bei Verwendung eines Metalls als Zonenplattenmate
rial die durchlässigen Bereiche durch Aussparung des Me
talls gegeben wären und aufgrund dessen schmale Stege
für eine stabile Struktur zwischen den undurchlässigen
Zonenbereichen verwendet werden müßten, die selbst zu
Störungen bzw. Interferenzen führen und die dazu führen,
daß die Wärmeableitung äußerst gering wäre, so daß bei
hoher Leistungsaufnahme die verwendeten Zonenplatten
zerstört werden würden.
Auch die aus den physikalischen Blättern (1955, 1999,
Nr. 5, S. 17) bekannten optischen Elemente zur Fokussie
rung von Röntgenstrahlen sind für höchstauflösende Meß
systeme, insbesondere im Inneren von Körpern, wenig ge
eignet, da diese nur wenig Leistung aufnehmen können.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein optisches Ele
ment zur Abbildung von Objekten und/oder zur Fokussie
rung von elektromagnetischen Strahlen oder Strahlen von
Elementarteilchen, insbesondere von Röntgenstrahlen, an
zugeben, mit dem insbesondere eine Realisierung eines
räumlich hochauflösenden Meßsystems und einer räumlich
hochauflösenden Apparatur zur Veränderung der physikali
schen, chemischen und/oder biologischen Eigenschaften
eines Bereichs einer Probe möglich ist, wobei insbeson
dere der Fokus vergleichsweise eine geringe Ausdehnung
haben soll und zwar insbesondere im dreidimensionalen
und insbesondere die Intensität der Strahlen im Fokus
wesentlich höher sein soll, als im Bereich außerhalb des
Fokus. Es soll also grundsätzlich versucht werden, die
Ortsauflösung des Fokus zu verbessern. Ferner soll es
insbesondere auch möglich sein, dem optischen Element
Strahlen mit hoher Leistung auszusetzen, ohne daß das
optische Element hierdurch beschädigt wird. Außerdem ist
es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Auflösung ei
nes Meßsystems zu verbessern.
Gelöst wird diese Aufgabe durch Weiterbildung eines op
tischen Elements zur Fokussierung von elektromagneti
schen Strahlen oder Strahlen von Elementarteilchen, ins
besondere von Röntgenstrahlen, und/oder zur Abbildung
von Objekten umfassend wenigstens einen Teil einer Fres
nelschen Zonenplatte mit Ringzonen oder Abschnitten von
Ringzonen, die für die Strahlen undurchlässig sind und
Ringzonen oder Abschnitten von Ringzonen, die für die
Strahlen durchlässig sind, dadurch, daß wenigstens ein
Bereich des wenigstens einen Teils der Zonenplatte eine
Filterfunktion aufweist, mittels der die Durchlässigkeit
der Strahlen durch den wenigstens einen Teil der Zonen
platte unterschiedlich ausgestaltet ist bzw. mittels der
die Durchlässigkeit der durchlässigen Bereiche der Zo
nenplatte für die Strahlen unterschiedlich ausgestaltet
ist.
Durch die erfindungsgemäße Lösung ist es möglich, die
durch Abschneideeffekte erzeugten Nebenmaxima sehr deut
lich zu reduzieren, so daß diese nicht zu einer Verbrei
terung des Fokus beitragen. Bei üblichen Zonenplatten
trägt nämlich der Effekt des Abschneidens der Zonenplat
ten zum Zonenrand hin aufgrund der nicht mehr möglichen
Herstellung entsprechend schmaler Ringzonen in einer Art
Rechteckfunktion der Intensitätsverteilung der einge
strahlten Strahlen auf, die zu erheblichen Nebenmaxima
in dem Beugungsbild führt. Durch Vorsehen einer entspre
chenden Filterfunktion können weichere Übergänge vorge
sehen sein, die zu einer deutlichen Verringerung der In
tensität der Nebenmaxima führt.
Wenn vorzugsweise die Durchlässigkeit zum Zonenrand der
Zonenplatte hin weniger wird, kann ein sehr weicher
Übergang der Amplitudenbeiträge der jeweiligen Ringzonen
bzw. durchlässigen Bereiche der Ringzonen erzielt wer
den, so daß auch Strahlen mit einem weitestgehend
gleichmäßigen Intensitätsprofil Verwendung finden kön
nen. Alternativ hierzu können Filterfunktionen Anwendung
finden, die auf das Strahlprofil der Strahlen angepaßt
sind.
Vorzugsweise ist die Filterfunktion ein Polynom 3. Ord
nung. Hierzu wird bspw. vorzugsweise eine Funktion ver
wendet, die von Cappellini für das Design von digitalen
Filtern formuliert wurde. Diese Funktion lautet wie
folgt:
f(t) = at3 + bt2 + ct + d.
f(t) = at3 + bt2 + ct + d.
a, b, c und d sind entsprechende Kostanten und t ist ei
ne Zahl zwischen 0 und 1,5, wobei 0 im Zentrum angeord
net ist und 1,5 am Rand der Zonenplatte. Für die Erfin
dung ist besonders geeignet ein Weber-artiges Fenster
bzw. eine Filterfunktion nach Weber, bei der für 0 ≦ t ≦
0,75 gilt: a = 0,828217, b = -1.637363, c = 0,041186
und d = 0,99938 sowie für 0,75 ≦ t ≦ 1,5: a = 0,065062,
b = 0,372793, c = -1,701521 und d = 1,496611, siehe
hierzu insbesondere "V. Cappellini, A. G. Constantinides
und P. Emiliani, Digital Filters and their Applications,
Vol. 4, Techniques of Physics, N. H. March, H. N. Dag
lish (Eds.) (Springer, Berlin, 1981). Es können aller
dings auch andere Fensterfunktionen bzw. Filterfunktio
nen Verwendung finden wie bspw. ein Hanning-Fenster, ein
Hamming-Fenster oder ein Blackman-Fenster. Es ist
selbstverständlich, daß diese mathematisch eindimensio
nalen Fensterfunktionen bei den erfindungsgemäßen opti
schen Elementen beispielsweise durch Rotation zweidimen
sional ausgestaltet sind. Die im Rahmen dieser Erfindung
angewandte Filterfunktion versteht sich zweidimensional
bzw. flächig. Die Filterfunktion führt nun dazu, daß die
summierte Amplitude der Wellen, die ausgehend von der
gleichen lichtdurchlässigen Ringzone zur Intensität im
Fokus beiträgt, gleich einer Konstanten multipliziert
mit der Weber-Funktion bzw. einer anderen gewählten
Filterfunktion ist.
Wenn vorzugsweise die für die strahlendurchlässigen
Ringzonen oder Abschnitten von Ringzonen des wenigstens
einen Teils der Zonenplatte teilweise für die Strahlen
undurchlässig sind, so daß sich durchlässige Bereiche
ergeben, ist eine besonders elegante Filterfunktion zu
realisieren. In diesem Fall können bspw. die Flächenbei
träge der jeweiligen Bereiche zu den Ringzonen gem. der
Filterfunktion variiert werden. Genauer gesagt können
die Amplitudenbeiträge aus der jeweiligen Ringzone, die
zu der Intensität des Hauptmaximus im Fokus beitragen,
entsprechend durch Vorsehen einer der Filterfunktion
entsprechenden Anzahl von Bereichen bzw. einer entspre
chenden Gesamtfläche gemäß der Filterfunktion variiert
werden. Für das Ausführungsbeispiel, bei dem tatsächlich
eine Fresnelsche Zonenplatte bzw. ein Teil einer Fres
nelschen Zonenplatte Verwendung finden, bei denen die
durchlässigen Bereiche nicht für Strahlen undurchlässig,
sondern eben durchlässig sind, kann die Filterfunktion
dadurch erzielt werden, daß bspw. bei sichtbarem Licht
das Material bspw. zum Rand hin stetig weiter verdunkelt
wird bzw. lichtundurchlässiger ausgebildet wird. In die
sem Fall ist es sehr wahrscheinlich notwendig, die Pha
senverschiebung aufgrund der Absorption zu berücksichti
gen.
Bezüglich des bevorzugten Ausführungsbeispiels, bei dem
die für die strahlendurchlässigen Ringzonen und Ab
schnitte von Ringzonen des wenigstens einen Teils der
Zonenplatte teilweise für die Strahlen undurchlässig
sind, so daß sich durchlässige Bereiche ergeben, wird
insbesondere auf die deutsche Patentanmeldung der Anmel
der mit dem Az.: 199 56 782.4 verwiesen, die durch Inbe
zugnahme in den Offenbarungsgehalt dieser Patentanmel
dung aufgenommen sein soll. In dieser Patentanmeldung
bedeutet der dort verwendete Begriff Beugungsnebenmaxima
insbesondere auch Beugungshauptmaxima höherer Ordnung
und auch Nebenmaxima aufgrund von Abschneideeffekten.
Vorzugsweise sind die durchlässigen Bereiche jeweils
kreisförmig. Ferner vorzugsweise nimmt der Amplituden
beitrag zum Hauptmaximum im Fokus der durchlässigen Be
reiche je Ringzone zum Zonenrand hin ab. Durch diese
vorzugsweise Ausgestaltung des erfindungsgemäßen opti
schen Elements ist eine besonders elegante Lösung einer
entsprechenden Filterfunktion realisiert. Durch diese
Lösung ist es nämlich nicht mehr nötig, die durchlässi
gen Bereiche entsprechend mit verschiedenen bspw.
Graustufen zu versehen oder verschiedenen Strahlendurch
laßkoeffizienten des Materials.
Wenn sich vorzugsweise der durchlässige Bereich wenig
stens teilweise in wenigstens einem bei der Fresnelschen
Zonenplatte undurchlässigen Bereich erstreckt, ist es
zum einen möglich, eine größere Intensität im Fokus vor
zusehen und ferner ist es hierdurch auch möglich, die
Auflösung des Fokus weiter zu verbessern.
Die Erfindung wird ferner durch ein optisches Element
zur Fokussierung von elektromagnetischen Strahlen oder
Strahlen von Elementarteilchen, insbesondere von Rönt
genstrahlen, und/oder zur Abbildung von Objekten umfas
send wenigstens einen Teil einer Fresnelschen Zonenplat
te mit Ringzonen oder Abschnitten von Ringzonen, die für
die Strahlen undurchlässig sind und Ringzonen oder Ab
schnitten von Ringzonen, die für die Strahlen durchläs
sig sind, gelöst, wobei insbesondere die vorstehend be
schriebenen Merkmale Anwendung finden und wobei zur Er
zeugung eines Intensitätsbeitrags im Hauptmaximum zu
sätzlich Beiträge von wenigstens einem Beugungsmaximum
höherer Ordnung benutzt werden. Dieses kann dadurch er
reicht werden, daß wenigstens Teile der Ringzonen oder
Abschnitte der Ringzonen, die bei der Fresnelschen Zo
nenplatte undurchlässig sind, für die Strahlen durchläs
sig sind.
Durch Erzeugung wenigstens eines zusätzlichen Beugungs
maximums höherer Ordnung im Fokus bzw. im Hauptmaximum
1. Ordnung, tragen die sich konstruktiv interferierenden
Teile und destruktiv interferierenden Teile zu einer hö
heren Intensität im Fokus bei und ferner auch zu einer
höheren Auflösung des Fokus bzw. des Hauptmaximums. Vor
zugsweise sind die für die Strahlen undurchlässigen Be
reiche derart ausgestaltet, daß Beugungsmaxima von we
nigstens zwei Ordnungen im Fokus erzeugbar sind. Wenn
vorzugsweise die für die Strahlen durchlässigen Berei
che, mittels der Beugungsmaxima höherer Ordnung erzeug
bar sind, näher am Zonenrand angeordnet sind, als dieje
nigen Bereiche, mittels der Beugungsmaxima niedrigerer
Ordnung erzeugbar sind, ist die Auflösung des Hauptmaxi
mums im Fokus deutlich zu verbessern, da die hierfür
verwendeten Bereiche der Ringzonen bzw. die entsprechen
den Ringzonen sich über mehrere Ringzonen zur Erzeugung
des Hauptmaximums 1. Ordnung erstrecken, wodurch das
Auflösungsproblem bzw. das Herstellungsproblem einer
entsprechenden Zonenplatte aufgrund der sich sehr ver
kleinernden Strukturen zum Rande hin umgangen wird. Wenn
wenigstens eine Ringzone oder ein Abschnitt einer Ring
zone des wenigstens einen Teils einer Fresnelschen Zo
nenplatte, die oder der für die Strahlen undurchlässig
ist, in wenigstens einem radialen Sektor für die Strah
len durchlässig ist, ist eine besonders elegante Lösung
der Aufgabe gegeben. Wenn sich der Sektor über den gan
zen Abschnitt der Ringzonen oder über die ganze Ringzone
erstreckt, ist eine maximale Intensität im Hauptmaximum
bzw. im Fokus möglich.
Wenn vorzugsweise wenigstens zwei aufeinanderfolgende
undurchlässige Ringzonen oder Abschnitte von Ringzonen
des wenigstens einen Teils einer Zonenplatte in wenig
stens jeweils einem Sektor je Ringzone oder Abschnitt
der Ringzone für die Strahlen durchlässig sind, kann
auch bei sehr hochenergetischen Strahlen eine relativ
große Fresnelsche Zonenplatte hergestellt werden, die
die aufgabengemäßen Verbesserungen vorsieht.
Vorzugsweise umfaßt ein Meßsystem, insbesondere zum Ver
messen von inneren Bereichen dreidimensionaler Proben
mit hoher Ortsauflösung, wenigstens ein optisches Ele
ment der vorbezeichneten Art, eine Strahlenquelle und
wenigstens einen Detektor. Durch die Verwendung der oben
beschriebenen optischen Elemente ist eine Ortsauflösung
des Meßsystems bis hin zur halben Wellenlänge der ver
wendeten Strahlung möglich. Durch derartige Meßsysteme
ist es insbesondere möglich, auch im Inneren von Proben
Messungen durchzuführen, die bei herkömmlichen Meßver
fahren nicht ohne weiteres und ohne Zerstörung der Probe
zu vermessen wären. Dieses liegt darin begründet, daß
die Intensität des Fokus des optischen Elements im Ver
gleich zur restlichen Intensität, die nicht im Fokus an
geordnet ist, deutlich höher ist, als bei anderen her
kömmlichen optischen Elementen. Vorzugsweise ist die
Probe zwischen einem optischen Element und dem Detektor
angeordnet, wodurch insbesondere Absorptionsmessungen
oder Fluoreszenzmessungen möglich sind. Weiter vorzugs
weise ist in dem Meßsystem eine Reihenfolge optisches
Element - Probe - optisches Element - Detektor vorgese
hen. Hierbei ist insbesondere die Strahlenquelle vor
zugsweise kohärent. Vorzugsweise ist das Meßsystem ein
abbildendes Mikroskop.
Durch Verwendung zweier der o. g. bzw. beschriebenen op
tischen Elemente ist es möglich, den Untergrund der Mes
sungen zu verringern. Hierbei ist es bevorzugt, daß die
optischen Elemente die gleiche Brennweite aufweisen und
von den weiteren, für die optischen Elemente spezifi
schen Merkmale, wenigstens eines sich unterscheidet.
Mit dem erfindungsgemäßen bevorzugten Meßsystem ist es
möglich, eine Vielzahl von Meßmethoden durchzuführen.
Bspw. ist es möglich, durch Absorptionsmessungen ein
dreidimensionales Abbild eines Körpers zu erzeugen. Bei
bevorzugter Verwendung von Röntgenstrahlen ergibt dieses
ein dreidimensionales Röntgenbild des zu vermessenden
Körpers. Bei Fluoreszenzmessungen kann der Detektor aus
der Sicht des optischen Elements hinter dem zu vermes
senden Körper plaziert werden oder auch davor, so daß
der Körper nicht zwischen den Geräten zu positionieren
ist, sondern das gesamte Meßsystem in einem handlichen
Gerät untergebracht werden kann. Da auf dem Weg in den
Körper hinein die Strahlen z. T. absorbiert werden, ist
es für eine noch verläßlichere Messung vorzugsweise mög
lich, auch den Bereich bis zu dem zu vermessenden Be
reich zu vermessen, um etwas über die Absorption im Be
reich vor dem zu vermessenden Bereich zu lernen.
Bei Verwendung von Strahlen, die von dem zu vermessenden
Körper oder der zu vermessenden Probe stark absorbiert
werden, bzw. bei Verwendung entsprechender Winkel zwi
schen den einfallenden fokussierten Strahlen und der
Oberfläche der Probe ist es möglich, Messungen mit hoher
Ortsauflösung auf der Oberfläche durchzuführen. Insbe
sondere ist es möglich, die Verteilung von verschiedenem
Material, also insbesondere die Dichte und die chemische
Zusammensetzung bzw. die chemischen Bindungen zweidimen
sional oder dreidimensional zu vermessen. Es ist ferner
mit dem erfindungsgemäßen vorzugsweisen Meßsystem und
einem erfindungsgemäßen optischen Element möglich, eine
Holographie des Inneren eines Körpers durchzuführen. Ei
ne komplizierte Bildverarbeitung, wie bspw. bei der To
mographie ist bei dem bevorzugten Meßsystem nicht nötig,
da direkt dreidimensional der Körper vermessen wird.
Das bevorzugte Meßsystem ist insbesondere auch geeignet
für einen sog. freien Elektronenlaser (im folgenden FEL
genannt), mittels dem bei einer Ortsauflösung von bis zu
ungefähr 10 nm und einer Energieauflösung von bis zu un
gefähr 1 meV mit hoher Intensität dreidimensionale Mes
sungen durchgeführt werden können.
Vorzugsweise umfaßt eine Apparatur zur Veränderung der
physikalischen, chemischen und/oder biologischen Eigen
schaften eines Bereichs einer Probe, insbesondere eines
Innenbereichs einer Probe, eine kohärente intensive
Strahlenquelle und ein optisches Element der vorbe
schriebenen Art.
Vorzugsweise ist in dem zu verändernden Bereich der Pro
be die Probe schmelzbar, chemisch veränderbar oder dort
angeordnete lebende Zellen sind zerstörbar.
Vorzugsweise wird wenigstens ein optisches Element der
vorbezeichneten Art zur Materialbearbeitung insbesondere
im Inneren von Körpern oder auf der Oberfläche verwen
det. Hierbei sei insbesondere an die Lithographie ge
dacht. Ferner vorzugsweise wird wenigstens ein optisches
Element der vorgen. Art zur Veränderung oder Zerstörung
von lebenden Zellen und/oder Gewebe von Lebewesen ver
wendet. Insbesondere ist es möglich, mit derartigen op
tischen Elementen oder Apparaturen der vorbezeichneten
Art Krebszellen im Körper insbesondere vom Menschen zu
zerstören oder insoweit zu verändern, daß das Wachstum
der Zellen gestoppt wird. Ferner vorzugsweise können die
entsprechenden optischen Elemente bzw. Apparaturen oder
Meßsysteme in Datenspeichern Verwendung finden. Vorzugs
weise wird wenigstens ein optisches Element der vorbe
schriebenen Art zur Veränderung und/oder zum Lesen eines
Dateninhalts eines Datenspeichersystems verwendet.
Vorzugsweise ist ein erfindungsgemäßes Meßsystem durch
eine der vorstehend beschriebenen Filterfunktionen eines
optischen Elements ermöglicht, das zu einer Fresnelschen
Zonenplatte benachbart ist. Es ist grundsätzlich mög
lich, ein Filterelement vorzusehen, daß die von einem
fokussierenden Element ausgehenden Strahlen filtert, so
daß die Nebenmaxima weiter verringert werden. Die fokus
sierenden Elemente sind hierbei nicht auf Fresnelsche
Zonenplatten beschränkt; es können so auch refraktive
Linsen mit einer Filterfunktion versehen werden. Es kön
nen prinzipiell die gleichen Filterfunktionen bei den
von den refraktiven Elementen getrennten oder räumlich
beabstandeten Filterelementen vorgesehen sein.
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des
allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungs
beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exempla
risch beschrieben, auf die im übrigen bezüglich der Of
fenbarung aller im Text nicht näher erläuterten erfin
dungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ver
suchsaufbaus,
Fig. 2
- a) Beispiele von Löchern in einem erfindungsge mäßen Photonensieb mit darunter angeordneter Zonenplattengeometrie,
- b) die Funktion der Amplitude über d/w und
- c) die Funktion der Phase über d/w,
Fig. 3 ein Intensitätsprofil in der Fokalebene für
verschiedene optische Elemente,
Fig. 4 ein Intensitätsprofil auf der optischen Achse
für verschiedene optische Elemente,
Fig. 5 ein Intensitätsprofil in der Fokalebene für
verschiedene optische Elemente,
Fig. 6
- a) ein erfindungsgemäßes Photonensieb,
- b) eine übliche Fresnelsche Zonenplatte,
- c) eine Filterfunktion vom Weber-Typ,
- d) eine übliche Rechteck-Filterfunktion,
- e) im oberen Bereich eine Abbildung des Inten sitätsverlaufs in der Fokalebene und im unteren Bereich einen Schnitt durch die Abbildung, wo durch die Intensität erkennbar ist, wobei der Intensitätsverlauf durch das Photonensieb gem. a) erzeugt wurde, und
- f) eine entsprechende Abbildung eines Intensi tätsverlaufs der Fresnelschen Zonenplatte gem. b),
Fig. 7 Abschnitte von drei verschiedenen optischen
Elementen und entsprechende Intensitätsverläufe
in der Fokalebene, und
Fig. 8 schematisch ein Aufbau einer Meßanordnung.
Fig. 1 zeigt eine übliche Anordnung einer Beugungsoptik
in schematischer Darstellung, mittels der einige der in
dieser Anmeldung verwendeten Ausdrücke erläutert werden
sollen. Von einer Quelle 10 werden Röntgenstrahlen 11
oder bspw. ultraviolette Strahlen auf ein Fokussierele
ment 20, das in diesem Ausführungsbeispiel ein Photonen
sieb ist bzw. Photonensieb genannt wird, gestrahlt. In
dem Fokussierelement sind noch in grau und schwarz Ring
zonen 25 einer Fresnelschen Zonenplatte 22 dargestellt,
wobei die schwarzen Ringzonen 25 undurchlässige Bereiche
24 darstellen sollen und die grau unterlegten Ringzonen
25 die üblicherweise bei Fresnelschen Zonenplatten 22
durchlässigen Bereiche 23. In diesem Ausführungsbeispiel
sind allerdings nur die Löcher 21 für die verwendeten
Strahlen 11 durchlässig.
Es ist schon hier zu erkennen, daß einige Löcher eine
Größe aufweisen, die einer Breite einer Ringzone ent
sprechen und andere Löcher, die zum Rand der Zonenplatte
hin angeordnet sind, sich über drei Ringzonen, nämlich
zwei ansonsten durchlässige Ringzonenbereiche 23 und ei
nen ansonsten undurchlässigen Ringzonenbereich 24 er
strecken. Es ist ferner der Zonenrand 44 dargestellt,
der an die äußerste Ringzone 25 angrenzt.
Das Fokussierelement 20 ist in einem Abstand p von der
Lichtquelle bzw. Röntgenstrahlenquelle 10 entfernt. Ein
Loch 21 ist in einem Abstand r von der Quelle 10 ent
fernt, wobei ein Einfallswinkel ϑr vorgesehen ist. q ist
der Abstand zwischen dem Fokussierelement 20 und einer
Fokalebene 30. s ist der Abstand zwischen dem Loch 21
und dem Fokus P (x, y). In der Fokalebene sind Koordina
ten x und y dargestellt. Die Z-Koordinate ist in Fig. 1
nicht dargestellt; diese erstreckt sich allerdings in
der Verbindung zwischen dem Fokussierelement 20 und dem
Zentrum der Ebene, die durch x und y aufgespannt ist.
Der Ausfallswinkel der sich zum Fokus hin bewegenden
Strahlen ist mit einem ϑs dargestellt. Für die Einfach
heit der Darstellung, kann man, was in Fig. 1 nicht di
rekt dargestellt ist, sowohl die Quelle als auch den Fo
kus in einer optischen Achse anordnen. Grundsätzlich
können Photonensiebe bzw. Fokussierelemente 20 derart
konstruiert werden, daß sowohl die Quelle als auch der
Fokus außerhalb der optischen Achse angeordnet sind. Um
nun ein entsprechendes Hauptmaximum 1. Ordnung im Fokus
zu erzielen, müssen die Löcher derart angeordnet werden,
daß der Abstand von der Quelle über das Zentrum der Lö
cher bzw. des Fokussierelements 20 zu dem gewählten Fo
kus einer Vielzahl der Wellenlänge λ entspricht. Demnach
müssen die Löcher ein Zentrum mit einem Abstand von rn
von der optischen Achse aufweisen, die, wenn Quelle und
Fokus auf der optischen Achse liegen, durch die folgende
Formel gegeben ist:
wobei λ die Wellenlänge des Lichtes bzw. der Strahlen
ist und n eine natürliche Zahl, die größer als 0 ist.
Durch Auswahl von Zufallszahlen für n und ϕ, wobei 0
kleiner als ϕ und ϕ kleiner gleich 2π ist, kann eine
unkorrellierte Verteilung der Löcher, die bei (rn, ϕ)
zentriert sind, erzeugt werden. Durch die unkorrelierte
Verteilung der Löcher wird die hohe Kreissymmetrie der
Fresnelschen Zonenplatte aufgehoben und höhere Beugungs
ordnungen unterdrückt.
Fig. 2a) zeigt einen Ausschnitt aus einer Fresnelschen
Zonenplatte in schematischer Darstellung. Die Ringzonen
haben eine Breite w. Es sind ferner Löcher 21 darge
stellt, die unterschiedliche Durchmesser haben. Oben
links ist ein Loch 21 dargestellt, das einen Durchmesser
hat, der der Breite einer Ringzone entspricht. Wie bei
jeder Zonenplatte wechseln sich undurchlässige Ringzonen
24 und durchlässige Ringzonen 23 ab, wobei in diesem
Ausführungsbeispiel nur in denjenigen Bereichen Strahlen
durchgelassen werden, in denen die Löcher 21 angeordnet
sind. D. h., daß die dargestellten Ringzonen nur zur Ver
anschaulichung der Lage der Löcher 21 bei dem Bild in
Fig. 2a) unterlegt sind.
Unten links ist ein Loch 21 dargestellt, das einen
Durchmesser von 1,5 w aufweist. Rechts ist ein Loch dar
gestellt, das einen Durchmesser von 3,5 w aufweist.
Durch Vergrößern des Durchmessers des jeweiligen Lochs
löschen sich teilweise konstruktive und destruktive In
terferenzbereiche aus. Diese sind durch die dunkelgrauen
Bereiche in Fig. 2a) dargestellt. Der effektive kon
struktive Interferenzbereich ist weiß dargestellt und
bspw. für d = 1,5 w größer als für d = w. Eine weitere
Vergrößerung des Durchmessers führt evtl. zu einer Ver
ringerung des konstruktiven Interferenzbereichs, der 0
wird bei d = 2,4 w. Dieses ist in Fig. 2b) dargestellt,
bei der der Beitrag zur Amplitude im Fokus durch ein
Loch 21 mit zunehmendem Durchmesser des Loches darge
stellt ist und zwar in willkürlichen Einheiten.
Ein Loch mit einem Durchmesser 3,5 w hat, wie aus
Fig. 2b) dargestellt ist, einen größeren Amplitudenbei
trag als ein Loch mit einem Durchmesser von 1,5 w. Maxi
ma ergeben sich für ein Verhältnis von d/w gleich 1,5,
3,5, 5,5 usw., wobei allerdings die benachbarten Maxima
eine Phasenverschiebung von π, wie in Fig. 2c) darge
stellt ist, durchmachen. Aufgrund dieser Phasenverschie
bungen müssen die hiermit zusammenhängenden Löcher auf
durchlässige Ringzonen bzw. undurchlässige Ringzonen
zentriert sein, wie in Fig. 2a) dargestellt ist. Die
Anordnung ist hierbei immer abwechselnd wie folgt: für
d/w bis 2,4 erfolgt die Zentrierung auf einer durchläs
sigen Ringzone, für d/w von 2,4 bis 4,4 auf einer un
durchlässigen Ringzone bzw. immer abwechselnd.
Auf diese Art und Weise können bspw. Photonensiebe her
gestellt werden, die im Hauptmaximum eine höhere Inten
sität aufweisen als vergleichbare konventionelle Zonen
platten.
Die räumliche Auflösung einer üblichen Zonenplatte ist
durch die kleinste Breite w der äußersten Ringzone be
grenzt. Bei dem erfindungsgemäßen Photonensieb ist die
räumliche Auflösung nicht durch den kleinsten Durchmes
ser begrenzt, sondern durch die Breite der außenliegen
den Ringzone, der dem Photonensieb zugrundeliegenden Zo
nenplattengeometrie, die viel kleiner sein kann und zwar
gem. dem Maximum des d/w-Verhältnisses, das angewendet
wird.
Ein Vergleich der Fokusgrößen für eine Zonenplatte und
zweier erfindungsgemäßer Photonensiebe bzw. Fokus
sierelemente 20 ist in Fig. 3 dargestellt. Die kleinste
Strukturgröße aller drei Beugungsoptiken liegt bspw. bei
30 nm. Die Fokusgrößen (FWHM) liegen bei 32 nm für die
Intensitätsverteilung in der Fokalebene 31 einer übli
chen Fresnelschen Zonenplatte (31a)), 18 nm bei einem
Photonensieb mit d/w ≦ 2,4, (31b)) und 6 nm bei einem
Photonensieb mit d/w ≦ 1,5 (31c)). Hierbei ist jeweils
das maximale Verhältnis von d/w angegeben. Die Wellen
länge des Lichtes bzw. der Strahlung, die hierbei ver
wendet wurde, beträgt 2,4 nm. p ist 20 m und q ist
500 µm.
Beugungsbilder höherer Ordnung treten üblicherweise dann
auf, wenn die Beugungsoptik einen hohen Grad an Ordnung
aufweist. Bei Zonenplatten ist das Auftreten höherer un
gerader Beugungsordnungen auf der optischen Achse be
kannt. Eine Intensitätsverteilung 33 auf der optischen
Achse für entsprechende Fokussierelemente ist in Fig. 4
dargestellt. Auch in dieser Darstellung ist wie in Fig.
3 die Intensität normiert. Die Intensitätsverteilung ei
nes der Beugungshauptmaxima einer üblichen Fresnelschen
Zonenplatte ist durch 32a) dargestellt. Es sind sowohl
eine 1. Ordnung als auch eine 3. und eine 5. Ordnung er
kennbar, wie jeweils durch 1. order, 3. und 5. angedeu
tet ist. Ferner ist die Intensitätsverteilung auf der
optischen Achse eines erfindungsgemäßen Photonensiebs
mit 32b) dargestellt. Auch hier ist die kleinste Struk
turgröße bspw. der kleinste Durchmesser und die kleinste
Breite einer Ringzone 30 nm. Hier sind nun die höheren
Ordnungen unterdrückt. Das für die Berechnung der Fig. 4
verwendete Photonensieb weist 13.440 Löcher auf. Die
Wellenlänge des Lichts beträgt 6,2 nm, p ist unendlich
und q 10 µm.
Außer den Hauptmaxima 1., 3. und 5. sowie weiterer unge
rader Ordnungen können bei entsprechenden Fokussierele
menten Nebenmaxima auftreten, die das Signal zu
Rauschverhältnis bzw. die Breite des Fokus bzw. des
Hauptmaximums auch verschlechtern. Dieses Phänomen ist
analog zu der Übertragung von Seitenbändern über einen
digitalen Filter mit rechteckigem Transmissionsfenster.
Fig. 5 zeigt wieder eine Intensitätsverteilung 31 in der
Fokalebene sowohl von einer üblichen Fresnelschen Zonen
platte 31a) mit einem entsprechenden rechteckigen
Transmissionsfenster sowie mit 31d) ein Photonensieb
mit weberartigem Durchlaßfenster bzw. einer Filterfunk
tion, die weberartig ist. Es sind ganz eindeutig die
Seitenbänder bzw. Nebenmaxima der üblichen Fresnelschen
Zonenplatte bei 50 nm und 80 nm erkennbar. Diese Neben
maxima sind zum einen bei dem erfindungsgemäßen Photo
nensieb bzw. bei einem erfindungsgemäßen Fokussierele
ment deutlich verringert. Ferner ist auch die Breite des
Hauptmaximums deutlich kleiner. Die Berechnungen diesbe
züglich wurden mit einem Photonensieb mit 95.567 Löchern
durchgeführt. Die Wellenlänge der Strahlen betrug 2,4
nm, p betrug 20 m und q 500 µm. Bei dem erfindungsgemä
ßen Photonensieb ist die Löcherdichte auf jedem Ring mit
einem weberartigen Übertragungsfenster bzw. einer weber
artigen Filterfunktion moduliert. Eine derartige weber
artige Filterfunktion ist bspw. mit 40 in Fig. 6c) dar
gestellt.
Experimentell wurde insbesondere ein Photonensieb und
eine Zonenplatte mit einer minimalen Strukturgröße von
100 µm hergestellt, wobei mittels eines He-Ne-Lasers mit
einer Wellenlänge von 632,8 nm entsprechende Aufnahmen
gefertigt wurden. Die Meßergebnisse sind insbesondere in
Fig. 6 dargestellt. Die Beugungsoptiken, die mit 4.000
Linien auf 35 mm Dias gedruckt wurden, sind in den Fig.
6a) und 6b) dargestellt. Das erfindungsgemäße Fokus
sierelement 20 ist in Fig. 6a) dargestellt. Eine übli
che Fresnelsche Zonenplatte 22 ist in Fig. 6b) darge
stellt. Aufgrund der Verteilung der Löcher ergibt sich
eine Amplitudenverteilung bezogen auf eine jeweilige
Ringzone, die der Filterfunktion 40 der Fig. 6c) ent
spricht. In Fig. 6a) ist ein innerer Bereich mit Lö
chern, die zu einem Beugungsmaximum 1. Ordnung beitragen
42 dargestellt und ein äußerer Bereich 43, mit Löchern,
die zu einem Beugungsmaximum 3. Ordnung beitragen. Die
entsprechenden Hauptmaxima treffen im Fokus zusammen und
führen, wie in Fig. 6e) dargestellt ist, zu einem sehr
engen Fokus.
Bei herkömmlichen Fresnelschen Zonenplatten 22 ergibt
sich aufgrund des Abschneidens bzw. des Beendens des
Vorsehens von Ringzonen zum Randbereich hin aufgrund der
dann nicht mehr möglichen Herstellung entsprechend
schmaler Ringe, eine Rechteckfilterfunktion 40, die in
Fig. 6d) dargestellt ist. Das hierzu sich ergebende In
tensitätsdiagramm bzw. ein Foto 41 einer Intensitätsver
teilung ist in Fig. 6f) oben dargestellt, wohingegen im
unteren Bereich die Intensitätsverteilung in der Fokale
bene dargestellt ist. Deutlich zu erkennen sind die Ne
benmaxima, die in Fig. 6e) durch Vorsehen eines weber
artigen Filters, wie in Fig. 6c) dargestellt, im we
sentlichen ausgelöscht sind.
Das Photonensieb der Fig. 6a) weist 5.646 Löcher auf,
die nach einem weberartigen Transmissionsfenster ange
ordnet sind. Die kleinste Strukturgröße ist in beiden
Fällen 100 µm. Es wurden zur Aufnahme der entsprechenden
Intensitätsverteilung ein Helium-Neonlaser (He-Ne-Laser)
verwendet mit einer Wellenlänge von 632,8 nm. p betrug
20 m und q 1 m. Aufgrund des Vorsehens eines entspre
chenden Weberfensters und aufgrund des Vorsehens von
entsprechend großen Löchern auch zum Rand des Fokus
sierelements hin kann im Dreidimensionalen ein extrem
enger Fokus erzeugt werden.
Es ist darauf hinzuweisen, daß mit Lithographie-
Verfahren deutlich kleinere Strukturen als die in dem in
Fig. 6 dargestellten Photonensieb verwendeten herstell
bar sind. Hierzu wurde auf Lithographieverfahren der
Halbleitertechnik verwiesen, die an sich bekannt sind.
Fig. 7 stellt verschiedene Abschnitte von Fresnelschen
Zonenplatten dar. Mit 70 ist ein Ausschnitt einer idea
len Zonenplatte dargestellt, bei der entsprechende
durchlässige Bereiche 1. Ordnung 73 zum Zonenrand 44 hin
immer schmaler werden.
Mit 71 ist ein Ausschnitt einer realen Zonenplatte dar
gestellt, bei der berücksichtigt wurde, daß die Ringzo
nen 73 in Realitas nicht unendlich schmal hergestellt
werden können. Mit der Bezugsziffer 72 ist ein Aus
schnitt einer Zonenplatte gemischter Beugungsordnungen
dargestellt, bei der ab der Ringzone, bei der entspre
chende Strukturen einer üblichen Ringzone zu klein wer
den würden, durchlässige Bereiche ausgebildet sind, die
sich über mehrere übliche durchlässige Bereiche und auch
undurchlässige Bereiche erstrecken. So sind bspw. zu
nächst nach durchlässigen Bereichen für die Erzeugung
von Intensitäten aus Interferenzerscheinungen 1. Ordnung
durchlässige Bereiche 74 angeordnet, die Interferenzer
scheinungen erzeugen, bzw. einen Beitrag zur Intensität
eines entsprechenden 3. Hauptmaximums insbesondere in
dem Hauptmaximum 1. Ordnung leisten.
Hieran anschließend sind zum Zonenrand 44 hin durchläs
sige Bereiche 75 dargestellt, die zur Erzeugung von ei
ner Intensität eines Hauptmaximums 5. Ordnung Verwendung
finden. Der durchlässige Bereich zur Erzeugung einer 3.
Ordnung umfaßt von der Größe her 2 Bereiche 73 von Ring
zonen, die durchlässig sind und einen Bereich einer
Ringzone, der undurchlässig wäre und zwar in bezug auf
eine ideale Zonenplatte 70. Die durchlässigen Bereiche
75, die dazu geeignet sind, ein Hauptmaximum 5. Ordnung
zu erzeugen, sind so breit wie drei durchlässige Berei
che einer idealen Zonenplatte 70 zzgl. zweier Ringzonen,
die üblicherweise undurchlässig für die verwendeten
Strahlen wären.
Die Intensitätsverteilungen in der Fokalebene 31 für die
im oberen Bereich der Fig. 7 dargestellten Zonenplatten,
ist im unteren Bereich der Fig. 7 dargestellt. Links ist
die jeweilige Intensitätsverteilung auf 1 normiert in
einer linearen Skala dargestellt. Es ist deutlich zu er
kennen, daß die Intensitätsverteilung des Hauptmaximums
einer realen Zonenplatte 71 relativ breit ist, was durch
31a) dargestellt ist, wohingegen eine Zonenplatte mit
Ringzonen zur Erzeugung eines Hauptmaximus 1. und 3.
Ordnung durch 31e) dargestellt ist und die Intensitäts
verteilung einer erfindungsgemäßen Zonenplatte mit 1.,
3. und 5. Ordnung durch 31f) dargestellt ist. Rechts
unten in Fig. 7 ist eine entsprechende Intensitätsver
teilung in der Fokalebene 31 dargestellt, wobei aller
dings auf der Ordinate eine logarithmische Skala Verwen
dung findet. Auch hier ist deutlich zu erkennen, daß die
Intensitätsverteilung sich bei den erfindungsgemäßen Fo
kussierelementen deutlich verbessert.
In Fig. 8 ist schematisch eine Meßapparatur dargestellt.
Kohärentes VUV-Licht 80 bspw. von einem Freien-
Elektronenlaser (FEL) wird auf ein Fokussierelement 81
geleitet, das mittels eines Scanners 82 in zumindest der
x-Achse und der y-Achse bewegbar dargestellt ist. Die
auf das Fokussierelement 81 fallenden Strahlen werden
entsprechend auf einer Probe 83 in einem Fokus 85 fokus
siert wodurch bspw. Elektronen e- ausgelöst werden, die
in einem Detektor 84 gemessen werden können. Das kohä
rente VUV-Licht 80 wird bspw. durch ein Synchrotron oder
einen freien Elektronenlaser (FEL) erzeugt. Bei einem
freien Elektronenlaser, der bspw. beim Deutschen Elek
tronensynchrotron in Hamburg, Deutschland, geplant ist,
werden 1012 mal so viele kohärente Photonen geliefert,
wie bei dem Synchrotron der Advanced Light Source in
Berkeley, Vereinigte Staaten von Amerika. Der freie
Elektronenlaser hat eine maximale Leistung von 5 GW. Das
VUV-Licht 80 wird durch die erfindungsgemäße Zonenplatte
bzw. das Photonensieb, bei der zur Vereinfachung der
Darstellung keine Löcher dargestellt sind, entsprechend
fokussiert. Der Detektor kann winkel-, orts- und ener
gieaufgeläst ausgestaltet sein. Anstelle eines Scanners
82 können auch drei Scanner vorgesehen sein, um die Zo
nenplatte in x, y und z-Richtung bewegen zu können. Al
ternativ hierzu kann auch die Probe bewegt werden.
Die Zonenplatte umfaßt in diesem Ausführungsbeispiel ein
gut wärmeleitendes Material wie Kupfer oder ein hoch
schmelzendes Metall, um die in der Zonenplatte absor
bierte Wärme gut abzuführen. Ggf. können weitere Kühlsy
steme vorgesehen sein.
10
Quelle
11
Röntgenstrahlen
20
Fokussierelement (Photonensieb)
21
Loch
22
Fresnelsche Zonenplatte
23
durchlässiger Bereich
24
undurchlässiger Bereich
25
Ringzone
26
sich auslöschende Bereiche
30
Fokalebene
31
Intensitätsverteilung in Fokalebene
31
a) der Fresnelschen Zonenplatte
31
b) des Photonensiebs mit d/w < 2.4
31
c) des Photonensiebs mit d/w < 7,5
31
d) des Photonensiebs mit webeartigem Durchlaßfenster
31
e) der Fresnelschen Zonenplatte mit 1. und 3. Ordnung
31
f) der Fresnelschen Zonenplatte mit 1., 3.
und 5. Ordnung
32
Intensitätsverteilung in optischer Achse
32
a) Fresnelschen Zonenplatte
32
b) Photonensieb
40
Transmissionsfunktion
41
Foto einer Intensitätsverteilung
42
Bereich mit Löchern 1. Ordnung
43
Bereich mit Löchern 3. Ordnung
44
Zonenrand
70
Ausschnitt einer idealen Zonenplatte
71
Ausschnitt einer realen Zonenplatte
72
Ausschnitt einer Zonenplatte gemischter Beugungs
ordnungen
73
durchlässiger Bereich für 1. Ordnung
74
durchlässiger Bereich für 3. Ordnung
75
durchlässiger Bereich für 5. Ordnung
80
kohärentes VUV-Licht
81
Fokussierelement
82
Scanner
83
Probe
84
Detektor
85
Fokus
b Brennweite
p Abstand Quelle-Fokussierelement
q Abstand Fokussierelement-Fokalebene
r Abstand Quelle-Loch
s Abstand Loch-Fokalebene
x Koordinate
y Koordinate
z Koordinate
P (x, y): Fokus
ϑr
b Brennweite
p Abstand Quelle-Fokussierelement
q Abstand Fokussierelement-Fokalebene
r Abstand Quelle-Loch
s Abstand Loch-Fokalebene
x Koordinate
y Koordinate
z Koordinate
P (x, y): Fokus
ϑr
: Einfallswinkel
ϑs
ϑs
: Streuwinkel
d Lochdurchmesser
w Breite der Ringzone
e-
d Lochdurchmesser
w Breite der Ringzone
e-
Elektronen
Claims (22)
1. Optisches Element (20, 22, 72, 81) zur Abbildung von
Objekten und/oder zur Fokussierung von elektromagne
tischen Strahlen (11) oder Strahlen von Elementar
teilchen, insbesondere von Röntgenstrahlen, umfas
send wenigstens einen Teil einer Fresnelschen Zonen
platte (20, 22, 72, 81) mit Ringzonen (24) oder Ab
schnitten von Ringzonen, die für die Strahlen (11)
undurchlässig sind und Ringzonen (23) oder Abschnit
ten von Ringzonen, die für die Strahlen (11) durch
lässig sind, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens
ein Bereich des wenigstens einen Teils der Zonen
platte eine Filterfunktion (40) aufweist, mittels
der die Durchlässigkeit für die Strahlen (11) durch
den wenigstens einen Teil der Zonenplatte (20, 22,
72, 81) unterschiedlich ausgestaltet ist.
2. Optisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Durchlässigkeit zum Zonenrand (44)
der Zonenplatte (20, 22, 72, 81) hin weniger wird.
3. Optisches Element nach Anspruch 1 und/oder 2, da
durch gekennzeichnet, daß die Filterfunktion (40)
ein Polynom 3. Ordnung ist.
4. Optisches Element nach einem oder mehreren der An
sprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die für
die Strahlen (11) durchlässigen Ringzonen (23) oder
Abschnitte von Ringzonen des wenigstens einen Teils
der Zonenplatte (22) teilweise für die Strahlen (11)
undurchlässig sind, so daß sich durchlässige Berei
che (21) ergeben.
5. Optisches Element nach Anspruch 4, dadurch gekenn
zeichnet, daß die durchlässigen Bereiche (21) je
weils kreisförmig sind.
6. Optisches Element nach Anspruch 4 und/oder 5, da
durch gekennzeichnet, daß der Amplitudenbeitrag
(Fig. 2b) zum Hauptmaximum im Fokus (P, 85) der
durchlässigen Bereiche (21) je Ringzone (23) zum Zo
nenrand (44) hin abnimmt.
7. Optisches Element nach einem oder mehreren der An
sprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich
der durchlässige Bereich (21) wenigstens teilweise
in wenigstens einen bei der Fresnelschen Zonenplatte
(22, 71, 81) undurchlässigen Bereich (24) erstreckt.
8. Optisches Element (20, 22, 72, 81) zur Abbildung von
Objekten und/oder zur Fokussierung von elektromagne
tischen Strahlen (11) oder Strahlen von Elementar
teilchen, insbesondere von Röntgenstrahlen, umfas
send wenigstens einen Teil einer Fresnelschen Zonen
platte (20, 22, 72, 81) mit Ringzonen (24) oder Ab
schnitten von Ringzonen, die für die Strahlen (11)
undurchlässig sind und Ringzonen (23) oder Abschnit
ten von Ringzonen, die für die Strahlen (11) durch
lässig sind, insbesondere nach einem oder mehreren
der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß
zur Erzeugung eines Intensitätsbeitrags im Hauptma
ximum von wenigstens einem Beugungsmaximum höherer
Ordnung wenigstens Teile der Ringzonen (24) oder Ab
schnitte der Ringzonen, die bei der Fresnelschen Zo
nenplatte (22, 72, 81) undurchlässig sind, für die
Strahlen (11) durchlässig sind.
9. Optisches Element nach Anspruch 8, dadurch gekenn
zeichnet, daß die für die Strahlen (11) durchlässi
gen Bereich (21, 73, 74, 75), mittels der Beugungs
maxima höherer Ordnung erzeugbar sind, näher am Zo
nenrand (44) angeordnet sind, als diejenigen Berei
che, mittels der Beugungsmaxima niedrigerer Ordnung
erzeugbar sind.
10. Optisches Element nach Anspruch 8 oder 9, dadurch
gekennzeichnet, daß wenigstens eine Ringzone (24)
oder ein Abschnitt einer Ringzone des wenigstens ei
nen Teils einer Fresnelschen Zonenplatte (22, 72,
81), die oder der für die Strahlen (11) undurchläs
sig ist, in wenigstens einem radialen Sektor (74,
75) für die Strahlen (11) durchlässig ist.
11. Optisches Element nach Anspruch 10, dadurch gekenn
zeichnet, daß sich der Sektor (74, 75) über den gan
zen Abschnitt der Ringzone oder über die ganze Ring
zone (24) erstreckt.
12. Optisches Element nach einem oder mehreren der An
sprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß wenig
stens zwei von aufeinanderfolgenden undurchlässigen
Ringzonen (24) oder Abschnitten von Ringzonen des
wenigstens einen Teils einer Zonenplatte (22, 72,
81) in jeweils einem Sektor (74, 75) je Ringzone
oder Abschnitt der Ringzone für die Strahlen (11)
durchlässig sind.
13. Meßsystem, insbesondere zum Vermessen von inneren
Bereichen dreidimensionaler Proben mit hoher Orts
auflösung, umfassend wenigstens ein optisches Ele
ment (20, 22, 72, 81) nach einem oder mehreren der
Ansprüche 1 bis 12, eine Strahlenquelle (10, 80) und
wenigstens einen Detektor (84).
14. Meßsystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,
daß die Probe (83) zwischen einem optischen Element
(20, 22, 72, 81) und dem Detektor (84) angeordnet
ist.
15. Meßsystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Reihenfolge Strahlenquelle (10, 80) - Opti
sches Element (20, 22, 72, 81) - Probe (83) - Opti
sches Element (20, 22, 72, 81) - Detektor (84) vor
gesehen ist.
16. Meßsystem nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet,
daß die optischen Elemente die gleiche Brennweite
(b, g) aufweisen und von den weiteren für die opti
schen Elemente spezifischen Merkmale in wenigstens
einem sich unterscheidet.
17. Meßsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 13
bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die gem. einem
oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7 angegebene
Filterfunktion (40) durch ein der Fresnelschen Zo
nenplatte (22) benachbartes optisches Element ermög
licht ist.
18. Apparatur zur Veränderung der physikalischen, chemi
schen und/oder biologischen Eigenschaften eines Be
reichs einer Probe (83), insbesondere eines inneren
Bereichs einer Probe, umfassend eine kohärente in
tensive Strahlenquelle (10, 80) und ein optisches
Element (20, 22, 72, 81) nach einem oder mehreren
der Ansprüche 1 bis 12.
19. Apparatur nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet,
daß in dem zu verändernden Bereich der Probe (83)
die Probe (83) schmelzbar ist, chemisch veränderbar
ist oder dort angeordnete lebende Zellen zerstörbar
sind.
20. Verwendung wenigstens eines optischen Elements (20,
22, 72, 81) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1
bis 12 zur Materialbearbeitung, insbesondere im In
neren von Körpern.
21. Verwendung wenigstens eines optischen Elements (20,
22, 72, 81) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1
bis 12 zur Veränderung oder Zerstörung von lebenden
Zellen und/oder Gewebe von Lebewesen.
22. Verwendung wenigstens eines optischen Elements (20,
22, 72, 81) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1
bis 12 zur Veränderung oder zum Lesen eines Datenin
halts eines Datenspeichersystems.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE10125870A DE10125870B4 (de) | 2001-05-26 | 2001-05-26 | Optisches Element zur Abbildung von Objekten und/oder zur Fokussierung von elektromagnetischen Strahlen oder Strahlen von Elementarteilchen und dessen Verwendung |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE10125870A DE10125870B4 (de) | 2001-05-26 | 2001-05-26 | Optisches Element zur Abbildung von Objekten und/oder zur Fokussierung von elektromagnetischen Strahlen oder Strahlen von Elementarteilchen und dessen Verwendung |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE10125870A1 true DE10125870A1 (de) | 2002-12-05 |
DE10125870B4 DE10125870B4 (de) | 2006-09-14 |
Family
ID=7686356
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE10125870A Expired - Fee Related DE10125870B4 (de) | 2001-05-26 | 2001-05-26 | Optisches Element zur Abbildung von Objekten und/oder zur Fokussierung von elektromagnetischen Strahlen oder Strahlen von Elementarteilchen und dessen Verwendung |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE10125870B4 (de) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102014221313A1 (de) | 2014-10-21 | 2016-04-21 | Carl Zeiss Smt Gmbh | Beleuchtung für die EUV-Projektionslithografie |
CN108956664A (zh) * | 2018-06-16 | 2018-12-07 | 金华职业技术学院 | 一种高透射率的原子束显微装置 |
CN109030526A (zh) * | 2018-06-16 | 2018-12-18 | 金华职业技术学院 | 一种高分辨的表面测试方法 |
Family Cites Families (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5257132A (en) * | 1990-09-25 | 1993-10-26 | The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy | Broadband diffractive lens or imaging element |
CA2095222C (en) * | 1990-10-31 | 2002-09-10 | Muradin A. Kumakhov | Device for controlling beams of particles, x-ray and gamma quanta and uses thereof |
DE19860563C2 (de) * | 1998-12-22 | 2001-09-06 | Hertz Inst Heinrich | Optischer Abtastkopf für Datenspeicherplatten |
DE19956782C2 (de) * | 1999-11-25 | 2001-11-15 | Lutz Kipp | Optisches Fokussierelement, Meßsystem und Apparatur mit einem solchen optischen Element und Verwendung desselben |
-
2001
- 2001-05-26 DE DE10125870A patent/DE10125870B4/de not_active Expired - Fee Related
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102014221313A1 (de) | 2014-10-21 | 2016-04-21 | Carl Zeiss Smt Gmbh | Beleuchtung für die EUV-Projektionslithografie |
WO2016062499A1 (de) | 2014-10-21 | 2016-04-28 | Carl Zeiss Smt Gmbh | Beleuchtungsoptik für die euv-projektionslithografie |
CN108956664A (zh) * | 2018-06-16 | 2018-12-07 | 金华职业技术学院 | 一种高透射率的原子束显微装置 |
CN109030526A (zh) * | 2018-06-16 | 2018-12-18 | 金华职业技术学院 | 一种高分辨的表面测试方法 |
CN109030526B (zh) * | 2018-06-16 | 2023-08-08 | 金华职业技术学院 | 一种高分辨的表面测试方法 |
CN108956664B (zh) * | 2018-06-16 | 2023-11-10 | 金华职业技术学院 | 一种高透射率的原子束显微装置 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE10125870B4 (de) | 2006-09-14 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP3528029B1 (de) | Mikroskop | |
DE60025341T2 (de) | Linsensystem für röntgenstrahlen | |
DE2427199C3 (de) | ||
DE4432811B4 (de) | Phasenkontrast-Röntgenmikroskop | |
DE112008002830B4 (de) | Optische Maske und Lichtquellengerät | |
EP0873566B1 (de) | Röntgenmikroskop mit zonenplatten | |
DE4214069A1 (de) | Hochaufloesendes optisches mikroskop und maske zum bilden von beleuchtungsfleckstrahlen | |
DE102021101164A1 (de) | Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts in einem optisch reaktiven Ausgangsmaterial | |
EP1107260A2 (de) | Gitter zur Absorption von Röntgenstrahlen | |
DE102010062133A1 (de) | Kollimator für einen Strahlendetektor und Verfahren zur Herstellung eines solchen Kollimators sowie Verfahren zur Herstellung eines Kollimatoren aufweisenden Strahlendetektors | |
DE2519317A1 (de) | Abbildungseinrichtung zur erzeugung von bildern unter verwendung von bildstrahlung hoher energie | |
EP0873565B1 (de) | Kondensor-monochromator-anordnung für röntgenstrahlung | |
DE4136698A1 (de) | Musterdefekt-nachweiseinrichtung und raeumliches frequenzfilter zur verwendung in dieser | |
DE3734438C2 (de) | ||
DE102012103459B4 (de) | Optisches abbildungs-oder bildgebungssystem mit strukturierter beleuchtung | |
DE10305106B4 (de) | Streustrahlenraster oder Kollimator sowie Anordnung mit Strahlungsdetektor und Streustrahlenraster oder Kollimator | |
DE10125870A1 (de) | Optisches Element zur Abbildung von Objekten und/oder zur Fokussierung von elektromagnetischen Strahlen oder Strahlen von Elementarteilchen | |
DE2060618A1 (de) | Verfahren und Einrichtung zum Nachbilden einer Optik grosser OEffnung | |
DE102008043324B4 (de) | Optische Anordnung zur dreidimensionalen Strukturierung einer Materialschicht | |
DE19956782C2 (de) | Optisches Fokussierelement, Meßsystem und Apparatur mit einem solchen optischen Element und Verwendung desselben | |
EP1360529B1 (de) | Verfahren zur herstellung eines mikrolinsenarrays | |
DE60106259T2 (de) | Pseudozufälliges zerstreuungsraster für infrarotlicht | |
WO2021151792A1 (de) | Verfahren und vorrichtung zur charakterisierung eines kohärenten lichtfelds in amplitude und phase | |
DE10242431A1 (de) | Element zur Fokussierung von elektromagnetischen Strahlen oder Strahlen von Elementarteilchen | |
EP1360528B1 (de) | Verfahren zur herstellung von licht streuenden elementen |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |