DE10125870B4

DE10125870B4 - Optisches Element zur Abbildung von Objekten und/oder zur Fokussierung von elektromagnetischen Strahlen oder Strahlen von Elementarteilchen und dessen Verwendung

Info

Publication number: DE10125870B4
Application number: DE10125870A
Authority: DE
Inventors: Lutz Dr. Kipp; Ralph Dr. Seemann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-05-26
Filing date: 2001-05-26
Publication date: 2006-09-14
Anticipated expiration: 2021-05-27
Also published as: DE10125870A1

Abstract

Optisches Element (20, 22, 72, 81) zur Abbildung von Objekten und/oder zur Fokussierung von elektromagnetischen Strahlen (11) oder Strahlen von Elementarteilchen mit für die Strahlen (11) durchlässigen Bereichen (21), die in dem optischen Element derart angeordnet sind, dass sie auf einer herkömmlichen Fresnelschen Zonenplatte oder einem Teil davon auf den für die Strahlen durchlässigen Ringzonen (23) oder Abschnitten von Ringzonen (23) verteilt wären, wobei wenigstens ein Bereich des optischen Elements eine Filterfunktion (40) aufweist, mittels der die Durchlässigkeit für die Strahlen (11) durch diesen wenigstens einen Bereich des optischen Elements, die sich durch die Summe der Flächen der durchlässigen Bereiche (21) ergibt, für wenigstens zwei Ringzonen (23) unterschiedlich ausgestaltet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Element zur Abbildung von Objekten und/oder zur Fokussierung von elektromagnetischen Strahlen oder Strahlen von Elementarteilchen mit für die Strahlen durchlässigen Bereiche. Die Erfindung betrifft ferner ein optisches Element zur Abbildung von Objekten und/oder zur Fokussierung von elektromagnetischen Strahlen oder Strahlen von Elementarteilchen, umfassend wenigstens ein Teil einer herkömmlichen Fresnelschen Zonenplatte mit Ringzonen oder Abschnitten von Ringzonen, die für die Strahlen undurchlässig sind und Ringzonen oder Abschnitten von Ringzonen, die für Strahlen durchlässig sind. Die Erfindung betrifft ferner ein Meßsystem, insbesondere zum Vermessen von inneren Bereichen dreidimensionaler Proben mit hoher Ortsauflösung und eine Apparatur zur Veränderung der physikalischen, chemi schen und/oder biologischen Eigenschaften eines Bereichs einer Probe, insbesondere eines inneren Bereichs einer Probe.
Die Erfindung betrifft ferner eine Verwendung der genannten optischen Elemente.

Optische Elemente zur Fokussierung von elektromagnetischen Strahlen oder Strahlen von Elementarteilchen sind bekannt. Elektromagnetische Strahlen im sichtbaren Bereich werden üblicherweise durch bspw. Glaslinsen fokussiert. Strahlen in einem Wellenlängenbereich des VUV (Vakuum Ultra Violett) oder Röntgenstrahlen lassen sich schon deutlich schwieriger fokussieren. Aus "Physikalische 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 Zonenplatten zu fokussieren. Fresnelsche Zonenplatten nutzen die Welleneigenschaften von Licht aus und insbesondere die Verbindung des Huygenschen Prinzips und des Interferenzprinzips (Huygens-Fresnelsches-Prinzip), das ein 1818 entwickeltes Hilfsmittel zur Bestimmung und Erklärung von Beugungserscheinungen besonders hinter kreisförmigen Blenden oder Schirmen ist.

Hierbei wird davon ausgegangen, dass eine monochromatische Lichtquelle beliebiger Ausdehnung Wellenfronten erzeugt. 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 lichtdurchlässiger und lichtundurchlässiger bzw. absorbierender Ringzonen erreicht wird, dass der Gangunterschied von zwei benachbarten lichtdurchlässigen Ringzonen zum Fokus genau einer Wellenlänge der verwendeten Strahlung entspricht und damit zu konstruktiver Interferenz im Fokus führt. Die minimal erreichbare Halbwertsbreite des Intensitätsmaximums 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 begrenzt. Insbesondere zu den äußeren Ringzonen ist es so, dass diese von deren Breite her sehr schmal werden müssten, 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 bezüglich der geometrischen Ausdehnung.

Wird ein Schirm in der Ebene aufgestellt, in der der Fokus 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 ausgehenden 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 Beugungsordnungen, auf der optischen Achse (d. i. die durch den Mittelpunkt der Ringzonen laufende Normale). Es treten ungerade Beugungsordnungen m (3, 5, 7, ...) auf, die daraus resultieren, dass der Gangunterschied von zwei benachbarten durchlässigen Ringzonen zum Intensitäts maximum der m-ten Ordnung 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 Ordnung beträgt 1/m der Breite der ersten Ordnung.

Die Verwendung der bekannten optischen Elemente zur Fokussierung von elektromagnetischen Strahlen oder von Strahlen von Elementarteilchen, wobei für die Strahlen von Elementarteilchen die Welleneigenschaft der Elementarteilchen ausgenutzt wird, haben den Nachteil, dass im Falle der üblichen Fresnelschen Zonenplatte viele Intensitätsmaxima durch Interferenzen erzeugt werden, so dass eine Verwendung derartiger Zonenplatten für höchstauflösende Meßsysteme oder höchstauflösende Apparaturen zur Veränderung von Eigenschaften von Bereichen von Proben wenig geeignet ist. Insbesondere ist es auch aufgrund der in Ausbreitungsrichtung vorhandenen Intensitätsmaxima nicht verlässlich möglich, Bereiche innerhalb einer Probe zu messen oder zu verändern, ohne die Bereiche, die davor liegen, also zur Oberfläche hin, mit entsprechend hoher Intensität mit zu vermessen oder zu verändern.

Die optischen Eigenschaften werden insbesondere dadurch beeinträchtigt, dass die optischen Elemente nicht mit beliebig großen Durchmessern gefertigt werden können. In Realitas wird bei jedem optischen Element, ob refraktiv oder diffraktiv, irgendwo die einfallende Strahlung abgeschnitten. Aufgrund dieses Abschneidens treten Intensitätsnebenmaxima von bis zu 5 % des Hauptmaximums auf, die insofern auch zu einer Verbreiterung der Hauptmaxima verschiedener Ordnungen beitragen. Dies ist ein genereller Abschneideeffekt, der bspw. aus der Theorie digitaler Filter bekannt ist. Eine Vergrößerung des Durchmessers des optischen Elements führt le diglich zu einer Verkleinerung des Abstands zwischen den Nebenmaxima, nicht jedoch zu einer Reduktion von deren Höhe bzw. deren Intensität.

Schließlich sind derartige Zonenplatten bei hochintensiver Strahlung mit hoher Leistung insbesondere im VUV- oder Röntgenbereich nur unzureichend verwendbar, da bspw. bei Verwendung eines Metalls als Zonenplattenmaterial die durchlässigen Bereiche durch Aussparung des Metalls 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 Fokussierung von Röntgenstrahlen sind für höchstauflösende Meßsysteme, insbesondere im Inneren von Körpern, wenig geeignet, da diese nur wenig Leistung aufnehmen können.

Aus der US 5,257,132 A ist ein optisches Element bekannt, bei dem von Bereichen von verschiedenen Zonenplatten ausgegangen wird. Außerdem finden in einem weiteren Ausführungsbeispiel mehrere Fresnelschen Zonenplatten Verwendung, die hintereinander angeordnet sind und die für jeweils unterschiedliche Wellenlängen optimiert sind.

Bei dem ersten Teil der Offenbarung dieser Druckschrift sind entsprechende Abschnitte einer Fresnelschen Zonenplatte vorgesehen, die auf die jeweiligen Wellenlängen speziell angepasst sind. Hierbei wird für jeden Sektor eine bestimmte Wellenlänge in einem schma len Band durchgelassen und die anderen Wellenlängen werden absorbiert. Außerdem ist dort auch ein Filter vorgesehen, der sämtliche anderen Frequenzen, außer diesem schmalen Band, um die gewünschte Wellenlänge herum, je Segment herausfiltert. Die jeweiligen Segmente sind dann so abgestimmt, dass die Brennweiten bei den verschiedenen schmalbandigen Wellenlängen die gleichen sind.

Die zweite Variante gemäß diesem Dokument sieht vor, mehrere so genannte Minus-Filter hintereinander anzuordnen, wobei die jeweiligen Filter eine jeweilige Wellenlänge in einem engen Band absorbieren und den Rest durchlassen.

Die Druckschrift T. D. Beynon, I. Kirk, und T. R. Mathews: „Gabor zone plate with binary transmittance values" in: Optic Letters, 1992, Vol. 17, No. 7, 544–546 offenbart eine so genannte Gabor-Zonenplatte, die eine attraktive Alternative zu konventionellen Fresnelschen Zonenplatten oder Soret Zonenplatten darstellt. Es handelt sich somit nicht um eine Fresnelsche Zonenplatte. Die Gabor-Zonenplatte weist eine sinusförmige Variation der Transmissionsfunktion auf. Die sinusförmige Transmissionsfunktion ist technisch äußerst schwierig zu realisieren. Durch die sinusförmige Variation der Transmissionsfunktion ergibt sich, dass die Transmissionsfunktion zwischen einer maximalen Transmission und einer minimalen Transmissionsfunktion variiert. Die physikalische Realisation ist eine binäre Transmissionsfunktion.

Aus der DE 199 56 782 A1 ist ein optisches Fokussierelement und ein entsprechendes Messsystem bekannt, bei dem eine Fresnelsche Zonenplatte als Basis dient, um lichtdurchlässige Bereiche, bzw. strahlendurchlässige Bereiche von der Größe her und von der Anordnung auf der Fresnelschen Zonenplatte so anzuordnen, dass wenigstens teilweise Löcher bzw. strahlendurchlässige Bereiche vorgesehen sind, die auf den ansonsten durchlässigen Ringzonen der Fresnelschen Zonenplatte angeordnet sind. Die weiteren Bereiche der Fresnelschen Zonenplatte, die ansonsten durchlässig wären, also die Ringzonen, die bei der üblichen Fresnelschen Zonenplatte durchlässig wären, sind außerhalb der Löcher bzw. strahlendurchlässigen Bereiche für die Strahlen undurchlässig. Die durchlässigen Bereiche sind bezüglich der Verteilung gleichmäßig bzw. statistisch verteilt, so dass keine Filterfunktion offenbart ist.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein optisches Element zur Abbildung von Objekten und/oder zur Fokussierung von elektromagnetischen Strahlen oder Strahlen von Elementarteilchen, insbesondere von Röntgenstrahlen, anzugeben, mit dem insbesondere eine Realisierung eines räumlich hochauflösenden Meßsystems und einer räumlich hochauflösenden Apparatur zur Veränderung der physikalischen, chemischen und/oder biologischen Eigenschaften eines Bereichs einer Probe möglich ist, wobei insbesondere 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 eines Meßsystems zu verbessern.

Gelöst wird diese Aufgabe durch Weiterbildung eines optischen Elements zur Abbildung von Objekten und/oder zur Fokussierung von elektromagnetischen Strahlen oder Strahlen von Elementarteilchen mit für die Strahlen durchlässigen Bereichen, insbesondere Lö chern, die in dem optischen Element derart angeordnet sind, dass sie auf einer herkömmlichen Fresnelschen Zonenplatte oder einem Teil davon auf den für die Strahlen durchlässigen Ringzonen oder Abschnitten von Ringzonen verteilt wären, wobei wenigstens ein Bereich des optischen Elements eine Filterfunktion aufweist, mittels der die Durchlässigkeit für die Strahlen durch diesen wenigstens einen Bereich des optischen Elements, die sich durch die Summe der Flächen der durchlässigen Bereiche ergibt, für wenigstens zwei Ringzonen unterschiedlich ausgestaltet ist.

Durch die erfindungsgemäße Lösung ist es möglich, die durch Abschneideeffekte erzeugten Nebenmaxima sehr deutlich zu reduzieren, so dass diese nicht zu einer Verbreiterung des Fokus beitragen. Bei üblichen Zonenplatten trägt nämlich der Effekt des Abschneidens der Zonenplatten zum Zonenrand hin aufgrund der nicht mehr möglichen Herstellung entsprechend schmaler Ringzonen in einer Art Rechteckfunktion der Intensitätsverteilung der eingestrahlten Strahlen auf, die zu erheblichen Nebenmaxima in dem Beugungsbild führt. Durch Vorsehen einer entsprechenden Filterfunktion können weichere Übergänge vorgesehen sein, was zu einer deutlichen Verringerung der Intensität der Nebenmaxima führt.

Vorzugsweise sind die durchlässigen Bereiche Löcher.

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 werden, so dass auch Strahlen mit einem weitestgehend gleichmäßigen Intensitätsprofil Verwendung finden können. Alternativ hierzu können Filterfunktionen Anwendung finden, die auf das Strahlprofil der Strahlen angepasst sind.

Vorzugsweise ist die Filterfunktion ein Polynom 3. Ordnung. Hierzu wird bspw. vorzugsweise eine Funktion verwendet, 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 eine Zahl zwischen 0 und 1,5, wobei 0 im Zentrum angeordnet ist und 1,5 am Rand der Zonenplatte. Für die Erfindung ist besonders geeignet ein weberartiges 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. Daglish (Eds.) (Springer, Berlin, 1981). Es können allerdings auch andere Fensterfunktionen bzw. Filterfunktionen Verwendung finden wie bspw. ein Hanning-Fenster, ein Hamming-Fenster oder ein Blackman-Fenster. Es ist selbstverständlich, dass diese mathematisch eindimensionalen Fensterfunktionen bei den erfindungsgemäßen optischen Elementen beispielsweise durch Rotation zweidimensional 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 die für die Strahlen durchlässigen Ringzonen oder Abschnitte von Ringzonen des wenigstens einen Teils der Zonenplatte teilwei se für die Strahlen undurchlässig sind, so dass sich durchlässige Bereiche ergeben, ist eine besonders elegante Filterfunktion zu realisieren. In diesem Fall können bspw. die Flächenbeiträge 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 entsprechenden Gesamtfläche gemäß der Filterfunktion variiert werden. Für das Ausführungsbeispiel, bei dem tatsächlich eine Fresnelsche Zonenplatte bzw. ein Teil einer Fresnelschen 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 diesem Fall ist es sehr wahrscheinlich notwendig, die Phasenverschiebung aufgrund der Absorption zu berücksichtigen.

Bezüglich des bevorzugten Ausführungsbeispiels, bei dem die für die strahlendurchlässigen Ringzonen und Abschnitte 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 Anmelder mit dem Az.: 199 56 782.4 verwiesen. 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 Amplitudenbeitrag zum Hauptmaximum im Fokus der durchlässigen Bereiche je Ringzone zum Zonen rand hin ab. Durch diese vorzugsweise Ausgestaltung des erfindungsgemäßen optischen Elements ist eine besonders elegante Lösung einer entsprechenden Filterfunktion realisiert. Durch diese Lösung ist es nämlich nicht mehr nötig, die durchlässigen Bereiche entsprechend mit verschiedenen bspw. Graustufen zu versehen oder verschiedenen Strahlendurchlasskoeffizienten des Materials.

Wenn sich vorzugsweise der durchlässige Bereich wenigstens teilweise in wenigstens einem bei der herkömmlichen Fresnelschen Zonenplatte undurchlässigen Bereich erstreckt, ist es zum einen möglich, eine größere Intensität im Fokus vorzusehen und ferner ist es hierdurch auch möglich, die Auflösung des Fokus weiter zu verbessern.

Vorzugsweise werden zur Erzeugung eines Intensitätsbeitrags im Hauptmaximum zusätzlich Beiträge von wenigstens einem Beugungsmaximum höherer Ordnung benutzt. Dieses kann dadurch erreicht werden, dass wenigstens Teile der Ringzonen oder Abschnitte der Ringzonen, die bei der herkömmlichen Fresnelschen Zonenplatte undurchlässig sind, für die Strahlen durchlässig sind.

Durch Erzeugung wenigstens eines zusätzlichen Beugungsmaximums höherer Ordnung im Fokus bzw. im Hauptmaximum 1. Ordnung, tragen die sich konstruktiv interferierenden Teile und destruktiv interferierenden Teile zu einer höheren Intensität im Fokus bei und ferner auch zu einer höheren Auflösung des Fokus bzw. des Hauptmaximums. Vorzugsweise sind die für die Strahlen undurchlässigen Bereiche derart ausgestaltet, dass Beugungsmaxima von wenigstens zwei Ordnungen im Fokus erzeugbar sind.

Wenn vorzugsweise die für die Strahlen durchlässigen Bereiche, mittels der Beugungsmaxima höherer Ordnung erzeugbar sind, näher am Zonenrand angeordnet sind, als diejenigen Bereiche, mittels der Beugungsmaxima niedrigerer Ordnung erzeugbar sind, ist die Auflösung des Hauptmaximums im Fokus deutlich zu verbessern, da die hierfür verwendeten Bereiche der Ringzonen bzw. die entsprechenden 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 verkleinernden Strukturen zum Rande hin umgangen wird. Wenn wenigstens eine Ringzone oder ein Abschnitt einer Ringzone des wenigstens einen Teils einer Fresnelschen Zonenplatte, die oder der für die Strahlen undurchlässig ist, in wenigstens einem radialen Sektor für die Strahlen durchlässig ist, ist eine besonders elegante Lösung der Aufgabe gegeben. Wenn sich der Sektor über den ganzen Abschnitt der Ringzonen oder über die ganze Ringzone erstreckt, ist eine maximale Intensität im Hauptmaximum bzw. im Fokus möglich.

Wenn vorzugsweise wenigstens zwei aufeinander folgende undurchlässige Ringzonen oder Abschnitte von Ringzonen des wenigstens einen Teils einer Zonenplatte in wenigstens 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 ist wenigstens eine Ringzone oder ein Abschnitt einer Ringzone des wenigstens einen Teils einer herkömmlichen Fresnelschen Zonenplatte, die oder der für die Strahlen undurchlässig ist, in wenigstens einem radialen Sektor für die Strahlen durchlässig. Vorzugsweise erstreckt sich der Sektor über den ganzen Abschnitt der Ringzone oder über die ganze Ringzone. Vorzugsweise sind wenigstens zwei von aufeinander folgenden undurchlässigen Ringzonen oder Abschnitten von Ringzonen des wenigstens einen Teils einer herkömmlichen Fresnelschen Zonenplatte in jeweils einem Sektor je Ringzone oder Abschnitt der Ringzone für die Strahlen durchlässig.

Vorzugsweise umfasst ein Messsystem zum Vermessen von inneren Bereichen dreidimensionaler Proben mit hoher Ortsauflösung wenigstens ein optisches Element 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 verwendeten Strahlung möglich. Durch derartige Messsysteme ist es insbesondere möglich, auch im Inneren von Proben Messungen durchzuführen, die bei herkömmlichen Messverfahren nicht ohne weiteres und ohne Zerstörung der Probe zu vermessen wären. Dieses liegt darin begründet, dass die Intensität des Fokus des optischen Elements im Vergleich zur restlichen Intensität, die nicht im Fokus angeordnet ist, deutlich höher ist als bei anderen herkömmlichen optischen Elementen. Vorzugsweise ist die Probe zwischen einem optischen Element und dem Detektor angeordnet, wodurch insbesondere Absorptionsmessungen oder Fluoreszenzmessungen möglich sind. Weiter vorzugsweise ist in dem Messsystem eine Reihenfolge optisches Element-Probe – optisches Element – Detektor vorgesehen. Hierbei ist insbesondere die Strahlenquelle vorzugsweise kohärent. Vorzugsweise ist das Messsystem ein abbildendes Mikroskop.

Durch Verwendung zweier der o.g. bzw. beschriebenen optischen Elemente ist es möglich, den Untergrund der Messungen zu verringern. Hierbei ist es bevorzugt, dass die optischen Elemente die gleiche Brennweite aufweisen und von den weiteren, für die optischen Elemente spezifischen Merkmalen, 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 vermessenden 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 möglich, auch den Bereich bis zu dem zu vermessenden Bereich zu vermessen, um etwas über die Absorption im Bereich vor dem zu vermessenden Bereich zu lernen.

Bei Verwendung von Strahlen, die von dem zu vermessenden Kör per oder der zu vermessenden Probe stark absorbiert werden, bzw. bei Verwendung entsprechender Winkel zwischen den einfallenden fokussierten Strahlen und der Oberfläche der Probe ist es möglich, Messungen mit hoher Ortsauflösung auf der Oberfläche durchzuführen. Insbesondere ist es möglich, die Verteilung von verschiedenem Material, also insbesondere die Dichte und die chemische Zusammensetzung bzw. die chemischen Bindungen zweidimensional 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. Eine komplizierte Bildverarbeitung wie bspw. bei der Tomographie 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 ungefähr 1 meV mit hoher Intensität dreidimensionale Messungen durchgeführt werden können.

Vorzugsweise umfasst eine Apparatur zur Veränderung der physikalischen, chemischen und/oder biologischen Eigenschaften eines Bereichs einer Probe, eine kohärente intensive Strahlenquelle und ein optisches Element der vorbeschriebenen Art. Vorzugsweise ist der Bereich der Probe ein Innenbereich der Probe.

Vorzugsweise ist in dem zu verändernden Bereich der Probe 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 verwendet. Hierbei sei insbesondere an die Lithographie gedacht. Ferner vorzugsweise wird wenigstens ein optisches Element der vorgenannte Art zur Veränderung oder Zerstörung von lebenden Zellen und/oder Gewebe von Lebewesen verwendet. Insbesondere ist es möglich, mit derartigen optischen 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. Vorzugsweise wird wenigstens ein optisches Element der vorbeschriebenen 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 möglich, ein Filterelement vorzusehen, dass die von einem fokussierenden Element ausgehenden Strahlen filtert, so dass die Nebenmaxima weiter verringert werden. Die fokussierenden Elemente sind hierbei nicht auf Fresnelsche Zonenplatten beschränkt; es können so auch refraktive Linsen mit einer Filterfunktion versehen werden. Es können 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 Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben, auf die im übrigen bezüglich der Offenbarung aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Versuchsaufbaus,

2a) Beispiele von Löchern in einem erfindungsgemäßen Photonensieb mit darunter angeordneter Zonenplattengeometrie,

2b) die Funktion der Amplitude über d/w und

2c) die Funktion der Phase über d/w,

3 ein Intensitätsprofil in der Fokalebene für verschiedene optische Elemente,

4 ein Intensitätsprofil auf der optischen Achse für verschiedene optische Elemente,

5 ein Intensitätsprofil in der Fokalebene für verschiedene optische Elemente,

6a) ein erfindungsgemäßes Photonensieb,

6b) eine übliche Fresnelsche Zonenplatte,

6c) eine Filterfunktion vom Weber-Typ,

6d) eine übliche Rechteck-Filterfunktion,

6e) im oberen Bereich eine Abbildung des Intensitätsverlaufs in der Fokalebene und im unteren Bereich einen Schnitt durch die Abbildung, wodurch die Intensität erkennbar ist, wobei der Intensitätsverlauf durch das Pho tonensieb gemäß a) erzeugt wurde, und

6f) eine entsprechende Abbildung eines Intensitätsverlaufs der Fresnelschen Zonenplatte gemäß b),

7 Abschnitte von drei verschiedenen optischen Elementen und entsprechende Intensitätsverläufe in der Fokalebene, und

8 schematisch ein Aufbau einer Messanordnung.

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 Fokussierelement 20, das in diesem Ausführungsbeispiel ein Photonensieb ist bzw. Photonensieb genannt wird, gestrahlt. In dem Fokussierelement sind noch in grau und schwarz Ringzonen 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 entsprechen und andere Löcher, die zum Rand der Zonenplatte hin angeordnet sind, sich über drei Ringzonen, nämlich zwei ansonsten durchlässige Ringzonenbereiche 23 und einen ansonsten undurchlässigen Ringzonenbereich 24 erstrecken. 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 entfernt, 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 Koordinaten x und y dargestellt. Die Z-Koordinate ist in 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 Einfachheit der Darstellung, kann man, was in 1 nicht direkt dargestellt ist, sowohl die Quelle als auch den Fokus 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 Löcher bzw. des Fokussierelements 20 zu dem gewählten Fokus 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 2 π ist, kann eine unkorrellierte Verteilung der Löcher, die bei (r_n, φ) zentriert sind, erzeugt werden. Durch die unkorrelierte Verteilung der Löcher werden die hohe Kreissymmetrie der Fresnelschen Zonenplatte aufgehoben und höhere Beugungsordnungen unterdrückt.
2a) zeigt einen Ausschnitt aus einer Fresnelschen Zonenplatte in schematischer Darstellung. Die Ringzonen haben eine Breite w. Es sind ferner Löcher 21 dargestellt, 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 Veranschaulichung der Lage der Löcher 21 bei dem Bild in 2a) unterlegt sind.
Unten links ist ein Loch 21 dargestellt, das einen Durchmesser von 1,5 w aufweist. Rechts ist ein Loch dargestellt, das einen Durchmesser von 3,5 w aufweist. Durch Vergrößern des Durchmessers des jeweiligen Lochs löschen sich teilweise konstruktive und destruktive Interferenzbereiche aus. Diese sind durch die dunkelgrauen Bereiche in 2a) dargestellt. Der effektive konstruktive 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 Verringerung des konstruktiven Interferenzbereichs, der 0 wird bei d = 2,4 w. Dieses ist in 2b) dargestellt, bei der der Beitrag zur Amplitude im Fokus durch ein Loch 21 mit zunehmendem Durchmesser des Loches dargestellt ist, und zwar in willkürlichen Einheiten.
Ein Loch mit einem Durchmesser 3,5 w hat, wie aus 2b) dargestellt ist, einen größeren Amplitudenbeitrag als ein Loch mit einem Durchmesser von 1,5 w. Maxima 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 2c) dargestellt ist, durchmachen. Aufgrund dieser Phasenverschiebungen müssen die hiermit zusammenhängenden Löcher auf durchlässige Ringzonen bzw. undurchlässige Ringzonen zentriert sein, wie in 2a) dargestellt ist. Die Anordnung ist hierbei immer abwechselnd wie folgt: für d/w bis 2,4 erfolgt die Zentrierung auf einer durchlässigen Ringzone, für d/w von 2,4 bis 4,4 auf einer undurchlässigen Ringzone bzw. immer abwechselnd.
Auf diese Art und Weise können bspw. Photonensiebe hergestellt werden, die im Hauptmaximum eine höhere Intensität aufweisen als vergleichbare konventionelle Zonenplatten.
Die räumliche Auflösung einer üblichen Zonenplatte ist durch die kleinste Breite w der äußersten Ringzone begrenzt. Bei dem erfindungsgemäßen Photonensieb ist die räumliche Auflösung nicht durch den kleinsten Durchmesser begrenzt, sondern durch die Breite der außenliegenden Ringzone, der dem Photonensieb zugrunde liegenden Zonenplattengeometrie, 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. Fokussierelemente 20 ist in 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 üblichen Fresnelschen Zonenplatte (31a)), 18 nm bei einem Photonensieb mit d/w ≤ 2,4, (31b)) und 6 nm bei einem Photonensieb mit d/w ≤ 7,5 (31c)). Hierbei ist jeweils das maximale Verhältnis von d/w angegeben. Die Wellenlänge des Lichtes bzw. der Strahlung, die hierbei verwendet 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 ungerader Beugungsordnungen auf der optischen Achse bekannt. Eine Intensitätsverteilung 33 auf der optischen Achse für entsprechende Fokussierelemente ist in 4 dargestellt. Auch in dieser Darstellung ist wie in 3 die Intensität normiert. Die Intensitätsverteilung eines der Beugungshauptmaxima einer üblichen Fresnelschen Zonenplatte ist durch 32a) dargestellt. Es sind sowohl eine 1. Ordnung als auch eine 3. und eine 5. Ordnung erkennbar, wie jeweils durch 1. order, 3. und 5. angedeutet ist. Ferner ist die Intensitätsverteilung auf der optischen Achse eines erfindungsgemäßen Photonensiebs mit 32b) dargestellt. Auch hier ist die kleinste Strukturgröße bspw. der kleinste Durchmesser und die kleinste Breite einer Ringzone 30 nm. Hier sind nun die höheren Ordnungen unterdrückt. Das für die Berechnung der 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 ungerader Ordnungen können bei entsprechenden Fokussierelementen 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.
5 zeigt wieder eine Intensitätsverteilung 31 in der Fokalebene sowohl von einer üblichen Fresnelschen Zonenplatte 31a) mit einem entsprechenden rechteckigen Transmissionsfenster sowie mit 31d) ein Photonensieb mit weberartigem Durchlassfenster bzw. einer Filterfunktion, die weberartig ist. Es sind ganz eindeutig die Seitenbänder bzw. Nebenmaxima der üblichen Fresnelschen Zonenplatte bei 50 nm und 80 nm erkennbar. Diese Nebenmaxima sind zum einen bei dem erfindungsgemäßen Photonensieb bzw. bei einem erfindungsgemäßen Fokussierelement deutlich verringert. Ferner ist auch die Breite des Hauptmaximums deutlich kleiner. Die Berechnungen diesbezüglich 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 erfindungsgemäßen Photonensieb ist die Löcherdichte auf jedem Ring mit einem weberartigen Übertragungsfenster bzw. einer weberartigen Filterfunktion moduliert. Eine derartige weberartige Filterfunktion ist bspw. mit 40 in 6c) dargestellt.
Experimentell wurden 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 6 dargestellt. Die Beugungsoptiken, die mit 4.000 Linien auf 35 mm Dias gedruckt wurden, sind in den 6a) und 6b) dargestellt. Das erfindungsgemäße Fokussierelement 20 ist in 6a) dargestellt. Eine übliche Fresnelsche Zonenplatte 22 ist in 6b) dargestellt. Aufgrund der Verteilung der Löcher ergibt sich eine Amplitudenverteilung bezogen auf eine jeweilige Ringzone, die der Filterfunktion 40 der 6c) entspricht. In 6a) ist ein innerer Bereich mit Löchern, 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 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 6d) dargestellt ist. Das hierzu sich ergebende Intensitätsdiagramm bzw. ein Foto 41 einer Intensitätsverteilung ist in 6f) oben dargestellt, wohingegen im unteren Bereich die Intensitätsverteilung in der Fokalebene dargestellt ist. Deutlich zu erkennen sind die Nebenmaxima, die in 6e) durch Vorsehen eines weberartigen Filters, wie in 6c) dargestellt, im Wesentlichen ausgelöscht sind.
Das Photonensieb der 6a) weist 5.646 Löcher auf, die nach einem weberartigen Transmissionsfenster angeordnet sind. Die kleinste Strukturgröße ist in beiden Fällen 100 μm. Es wurde 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 entsprechenden Weberfensters und aufgrund des Vorsehens von entsprechend großen Löchern auch zum Rand des Fokussierelements 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 6 dargestellten Photonensieb verwendeten herstellbar sind. Hierzu wurde auf Lithographieverfahren der Halbleitertechnik verwiesen, die an sich bekannt sind.
7 stellt verschiedene Abschnitte von Fresnelschen Zonenplatten dar. Mit 70 ist ein Ausschnitt einer idealen Zonenplatte darge stellt, bei der entsprechende durchlässige Bereiche 1. Ordnung 73 zum Zonenrand 44 hin immer schmaler werden.
Mit 71 ist ein Ausschnitt einer realen Zonenplatte dargestellt, bei der berücksichtigt wurde, dass die Ringzonen 73 in Realitas nicht unendlich schmal hergestellt werden können. Mit der Bezugsziffer 72 ist ein Ausschnitt einer Zonenplatte gemischter Beugungsordnungen dargestellt, bei der ab der Ringzone, bei der entsprechende Strukturen einer üblichen Ringzone zu klein werden würden, durchlässige Bereiche ausgebildet sind, die sich über mehrere übliche durchlässige Bereiche und auch undurchlässige Bereiche erstrecken. So sind bspw. zunächst nach durchlässigen Bereichen für die Erzeugung von Intensitäten aus Interferenzerscheinungen 1. Ordnung durchlässige Bereiche 74 angeordnet, die Interterenzerscheinungen erzeugen bzw. einen Beitrag zur Intensität eines entsprechenden 3. Hauptmaximums insbesondere in dem Hauptmaximum 1. Ordnung leisten.
Hieran anschließend sind zum Zonenrand 44 hin durchlässige Bereiche 75 dargestellt, die zur Erzeugung von einer Intensität eines Hauptmaximums 5. Ordnung Verwendung finden. Der durchlässige Bereich zur Erzeugung einer 3. Ordnung umfasst von der Größe her 2 Bereiche 73 von Ringzonen, 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 Bereiche 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 7 dargestellten Zonenplatten, ist im unteren Be reich der 7 dargestellt. Links ist die jeweilige Intensitätsverteilung auf 1 normiert in einer linearen Skala dargestellt. Es ist deutlich zu erkennen, 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 Intensitätsverteilung einer erfindungsgemäßen Zonenplatte mit 1., 3. und 5. Ordnung durch 31f) dargestellt ist. Rechts unten in 7 ist eine entsprechende Intensitätsverteilung in der Fokalebene 31 dargestellt, wobei allerdings auf der Ordinate eine logarithmische Skala Verwendung findet. Auch hier ist deutlich zu erkennen, dass die Intensitätsverteilung sich bei den erfindungsgemäßen Fokussierelementen deutlich verbessert.
In 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 fokussiert, wodurch bspw. Elektronen e^– ausgelöst werden, die in einem Detektor 84 gemessen werden können. Das kohärente VUV-Licht 80 wird bspw. durch ein Synchrotron oder einen freien Elektronenlaser (FEL) erzeugt. Bei einem freien Elektronenlaser, der bspw. beim Deutschen Elektronensynchrotron in Hamburg, Deutschland, geplant ist (und 1995 in Betrieb genommen wurde), 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 energieaufgelöst ausgestaltet sein. Anstelle eines Scanners 82 können auch drei Scanner vorgesehen sein, um die Zonenplatte in x, y und z-Richtung bewegen zu können. Alternativ hierzu kann auch die Probe bewegt werden.
Die Zonenplatte umfasst in diesem Ausführungsbeispiel ein gut wärmeleitendes Material wie Kupfer oder ein hochschmelzendes Metall, um die in der Zonenplatte absorbierte Wärme gut abzuführen. Ggf. können weitere Kühlsysteme vorgesehen sein.

10: Quelle
11: Röntgenstrahlen
20: Fokussierelement (Photonensieb)
21: Loch
22: Fresnelsche Zonenplatte
23: durchlässiger Bereich
24: undurchlässiger Bereich
25: Ringzone
26: ich auslöschende Bereiche
30: Fokalebene
31: Intensitätsverteilung in Fokalebene
31a): der Fresnelschen Zonenplatte
31b): des Photonensiebs mit d/w ≤ 2.4
31c): des Photonensiebs mit d/w ≤ 7,5
31d): des Photonensiebs mit webeartigem Durchlaßfenster
31e): der Fresnelschen Zonenplatte mit 1. und 3. Ordnung
31f): der Fresnelschen Zonenplatte mit 1., 3.
: und 5. Ordnung
32: Intensitätsverteilung in optischer Achse
32a): Fresnelschen Zonenplatte
32b): 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

Optisches Element (20, 22, 72, 81) zur Abbildung von Objekten und/oder zur Fokussierung von elektromagnetischen Strahlen (11) oder Strahlen von Elementarteilchen mit für die Strahlen (11) durchlässigen Bereichen (21), die in dem optischen Element derart angeordnet sind, dass sie auf einer herkömmlichen Fresnelschen Zonenplatte oder einem Teil davon auf den für die Strahlen durchlässigen Ringzonen (23) oder Abschnitten von Ringzonen (23) verteilt wären, wobei wenigstens ein Bereich des optischen Elements eine Filterfunktion (40) aufweist, mittels der die Durchlässigkeit für die Strahlen (11) durch diesen wenigstens einen Bereich des optischen Elements, die sich durch die Summe der Flächen der durchlässigen Bereiche (21) ergibt, für wenigstens zwei Ringzonen (23) unterschiedlich ausgestaltet ist.
Optisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die für die Strahlen durchlässigen Bereiche (21) Löcher sind.
Optisches Element nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchlässigkeit zum Zonenrand (44) der Zonenplatte hin weniger wird.
Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterfunktion (40) ein Polynom 3. Ordnung ist.
Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die durchlässigen Bereiche (21) jeweils kreisförmig sind.
Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Amplitudenbeitrag zum Hauptmaximum im Fokus (P, 85) der durchlässigen Bereiche (21) je Ringzone (23) zum Zonenrand (44) hin abnimmt.
Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich die durchlässigen Bereiche (21) wenigstens teilweise in wenigstens einen bei der herkömmlichen Fresnelschen Zonenplatte undurchlässigen Bereich (24) erstrecken.
Optisches Element (20, 22, 72, 81) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Erstreckung der durchlässigen Bereiche (21) in dem bei der herkömmlichen Fresnelschen Zonenplatte wenigstens einen undurchlässigen Bereich (24) zur Erzeu gung eines Intensitätsbeitrags im Hauptmaximum von wenigstens einem Beugungsmaximum höherer Ordnung dient.
Optisches Element nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die für die Strahlen (11) durchlässigen Bereiche (21), mittels derer Beugungsmaxima höherer Ordnung erzeugbar sind, näher am Zonenrand (44) angeordnet sind, als diejenigen Bereiche, mittels derer Beugungsmaxima niedrigerer Ordnung erzeugbar sind.
Optisches Element (20, 22, 72, 81) nach Anspruch 1 umfassend wenigstens einen Teil einer herkömmlichen Fresnelschen Zonenplatte 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, wobei zur Erzeugung eines Intensitätsbeitrags im Hauptmaximum von wenigstens einem Beugungsmaximum höherer Ordnung wenigstens Teile der Ringzonen (24) oder Abschnitte der Ringzonen, die bei der herkömmlichen Fresnelschen Zonenplatte undurchlässig sind, für die Strahlen (11) durchlässig sind.
Optisches Element nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die für die Strahlen (11) durchlässigen Bereiche (21, 73, 74, 75), mittels der Beugungsmaxima höherer Ordnung erzeugbar sind, näher am Zonenrand (44) angeordnet sind, als diejenigen Bereiche, mittels der Beugungsmaxima niedrigerer Ordnung erzeugbar sind.
Optisches Element nach Anspruch 10 oder 11, dadurch ge kennzeichnet, dass wenigstens eine Ringzone (24) oder ein Abschnitt einer Ringzone des wenigstens einen Teils einer herkömmlichen Fresnelschen Zonenplatte die oder der für die Strahlen (11) undurchlässig ist, in wenigstens einem radialen Sektor (74, 75) für die Strahlen (11) durchlässig ist.
Optisches Element nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Sektor (74, 75) über den ganzen Abschnitt der Ringzone oder über die ganze Ringzone (24) erstreckt.
Optisches Element nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei von aufeinander folgenden undurchlässigen Ringzonen (24) oder Abschnitten von Ringzonen des wenigstens einen Teils einer herkömmlichen Fresnelschen Zonenplatte in jeweils einem Sektor (74, 75) je Ringzone oder Abschnitt der Ringzone für die Strahlen (11) durchlässig sind.
Messsystem zum Vermessen von inneren Bereichen dreidimensionaler Proben mit hoher Ortsauflösung, umfassend wenigstens ein optisches Element (20, 22, 72, 81) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, eine Strahlenquelle (10, 80) und wenigstens einen Detektor (84).
Messsystem nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Probe (83) zwischen einem optischen Element (20, 22, 72, 81) und dem Detektor (84) angeordnet ist.
Messsystem nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine Reihenfolge Strahlenquelle (10, 80) – Optisches Element (20, 22, 72, 81) – Probe (83) – Optisches Element (20, 22, 72, 81) – Detektor (84) vorgesehen ist.
Messsystem nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Elemente die gleiche Brennweite (b, g) aufweisen und sich von den weiteren für die optischen Elemente spezifischen Merkmalen in wenigstens einem unterscheidet.
Apparatur zur Veränderung der physikalischen, chemischen und/oder biologischen Eigenschaften eines Bereichs einer Probe (83) umfassend eine kohärente intensive Strahlenquelle (10, 80) und ein optisches Element (20, 22, 72, 81) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14.
Apparatur nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich der Probe (83) ein innerer Bereich der Probe (83) ist.
Apparatur nach Anspruch 19 oder 20, 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.
Verwendung wenigstens eines optischen Elements (20, 22, 72, 81) nach einem der Ansprüche 1 bis 14 zur Materialbearbeitung.
Verwendung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialbearbeitung im Inneren von Körpern geschieht.
Verwendung wenigstens eines optischen Elements (20, 22, 72, 81) nach einem der Ansprüche 1 bis 14 zur Veränderung oder Zerstörung von lebenden Zellen und/oder Gewebe von Lebewesen.
Verwendung wenigstens eines optischen Elements (20, 22, 72, 81) nach einem der Ansprüche 1 bis 14 zur Veränderung oder zum Lesen eines Dateninhalts eines Datenspeichersystems.