DE10125870A1

DE10125870A1 - Optisches Element zur Abbildung von Objekten und/oder zur Fokussierung von elektromagnetischen Strahlen oder Strahlen von Elementarteilchen

Info

Publication number: DE10125870A1
Application number: DE10125870A
Authority: DE
Inventors: Lutz Kipp; Ralph Seemann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-05-26
Filing date: 2001-05-26
Publication date: 2002-12-05
Anticipated expiration: 2021-05-27
Also published as: DE10125870B4

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.

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 ϑ_r 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 ϑ_s 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 r_n 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 (r_n, 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.

Bezugszeichenliste

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
ϑ_r

: Einfallswinkel
ϑ_s

: Streuwinkel
d Lochdurchmesser
w Breite der Ringzone
e^-

Elektronen

Claims

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.