Stand der Technik:State of the art:
SIM:SIM:
Ein bekanntes hoch- oder superauflösendes Mikroskopieverfahren ist das sogenannte SIM(Structured Illumination Microscopy)-Verfahren beispielsweise beschrieben in EP 1 157 297 B1 sowie [1]–[5]. Dabei wird die zu mikroskopierende Oberfläche mit Licht in Form eines periodischen Streifenmusters (1) mit einer entsprechenden Periode a1 mit dem Wellenvektor kS = 2π/a1 beleuchtet (strukturierte Beleuchtung), wodurch die Auflösung bedeutend erhöht werden kann. Dies lässt sich anschaulich im reziproken Raum (auch Fourierraum oder k-Raum genannt) mit Hilfe der Fouriertransformation erklären: Ohne das Streifenmuster besitzt die Oberfläche des zu mikroskopierenden Objekts ein Fourier-Spektrum, dessen Wellenvektoren sich im reziproken Raum alle innerhalb einer Zone, beispielsweise einer Kugel oder eines Kreises, befinden, die im reziproken Raum um den Ursprung des Wellenvektor-Koordinatensystems, dem sogenannten reziproken Koordinatensystem im Fourierraum, angeordnet ist (2). Aus Gründen der Einfachheit und Anschaulichkeit beziehen wir uns im Folgenden nur auf den zweidimensionalen Fall mit einem Kreis, was aber keine Beschränkung darstellen soll, sondern ausdrücklich gilt alles auch für den dreidimensionalen Fall mit einer Kugel. Durch die (sinusförmige) strukturierte Beleuchtung mit dem Streifenmuster wird dieser Kreis im reziproken Raum um den Wellenvektor kS der strukturierten Beleuchtung verschoben, so dass sie nicht mehr konzentrisch um den Ursprung des reziproken Koordinatensystems im Fourierraum angeordnet ist, sondern in seinem ersten Quadranten. Dadurch werden sämtliche k-Vektoren des Fourierspektrums innerhalb des Kreises mit dem Wellenvektor kS der strukturierten Beleuchtung vektoriell addiert, so dass als Resultat dieser Vektoraddition sämtliche k-Vektoren eine größere Länge bzw. höheren Betrag besitzen und somit eine kleinere Wellenlänge λ wegen k = 2π/λ. Eine niedrigere Wellenlänge bedeutet aber nach Abbé eine höhere Auflösung wegen d = λ/NA = λ/(n·sinα) (mit d = minimaler beobachtbarer Abstand, NA = (n·sinα) numerische Apertur, n = Brechungsindex), so dass durch die strukturierte Beleuchtung die optische Auflösungsgrenze nach unten verschoben wird. Man kann diesen Effekt auch einfach experimentell beobachten (Moirée-Effekt). Wie bereits oben ausführlich beschrieben, wird beim SIM-Verfahren die Oberfläche der zu untersuchenden Probe mit Licht in Form eines periodischen Musters, meist eines einfachen periodischen Streifen- oder Linienmusters, insbesondere eines einfachen Liniengitters, welches aus geraden und zueinander parallelen Linien mit einem Abstand a1 zueinander besteht (wie in 1 gezeigt), beaufschlagt, um die Auflösung zu erhöhen. Bei dem periodischen Muster muss es sich aber nicht unbedingt immer um ein einfaches Liniengitter handeln; jede andere Form von periodischem Muster ist ebenfalls denkbar: beispielsweise auch schiefe oder krumme oder gebogene Linien, die zueinander parallel sind oder ein Kreuzgitter, oder mehrere Streifengitter, die ineinander verschachtelt oder verkettet sind, oder Gitter aus Streifen, die eine innere (periodische) Struktur besitzen und deren Intensitätsprofil von einem Stufen- oder Kastenprofil abweicht und beispielsweise ein Gauß-, Doppelgauß- oder Lorentzprofil besitzt, oder die innerhalb eines Streifens eine oder mehrere Nullstellen besitzen, oder Linien, die zueinander abwechselnd einen ersten Abstand d1 und dann einen zweiten Abstand d2 besitzen, d. h. zwischen denen der Abstand zur benachbarten Linie abwechselnd d1 und d2 beträgt (siehe 3), oder andere periodische Strukturen wie kachelartige oder rautenartige Muster oder Punktmuster (z. B. hexagonale, kubische oder rechteckige Anordnung von dünnen und/oder dicken Punkten (d. h. von Punkten mit unterschiedlichen Durchmessern)); oder anstelle von Punkten können auch Kreise periodisch angeordnet sein, wobei die Kreise verschiedene Füllungen (homogen oder heterogen, mit oder ohne eine innere periodische Struktur) oder gar keine Füllungen besitzen können, oder die Kreise besitzen unterschiedliche Durchmesser, wobei sich kleine und große Kreise miteinander abwechseln. Anstelle von Kreisen oder Punkten können auch andere geometrische Figuren wie Dreiecke, Rechtecke, Quadrate, Polygone u. a. mit beliebigem Inhalt oder Füllungen verwendet werden. Auch dreidimensionale Strukturen (beispielsweise ein räumliches Gittermuster aus Linien oder ein kubisches Punktmuster analog der Bravais-Gitter wie beispielsweise sc-, bcc- oder fcc-Kristallstrukturen oder hexagonale Kristallsysteme bekannt aus der Festkörperphysik, deren Eckpunkte durch einfache Punkte oder durch geometrische Körper wie bspw. Kugeln, Ellipsen, Würfel, Quader, Tetraeder, Oktaeder, Prismen, Pyramiden, Spate oder andere Polyeder mit beliebigem Inhalt oder Füllungen besetzt werden) sind denkbar und einsetzbar. Auch konzentrische Ringe erscheinen für spezielle Anwendungen möglich und sinnvoll. Außerdem sind die inversen oder komplementären Gegenstücke sämtlicher oben aufgeführter periodischer Muster selber als periodische Muster für die strukturierte Beleuchtung des SIM-Verfahrens einsetzbar, d. h. anstelle eines Punktmusters ein Muster ähnlich einem Locharray, bei dem nicht die Punkte intransparent und die Zwischenräume transparent sind, sondern umgekehrt, die Punkte oder Kreise sind transparent und die zwischen ihnen liegenden Zwischenräume sind nicht transparent. Ein paar Beispiele sind in den Patentschriften DE 10 2011 114 500 A1 , WO 2010/101894 A2 , DE 10 2012 017 917 A1 , US 2015/0211997 A1 , US 6 239 909 B1 , US 2016/0062102 A1 und DE 10 2013 017 468 A1 aufgeführt. Mittels einer zeitaufgelösten Detektion lässt sich mittels der SIM-Methode auch der zeitliche Verlauf von Vorgängen untersuchen (zeitaufgelöstes SIM), indem als strukturierte Beleuchtung der SIM-Methode bewegte periodische Muster wie beispielsweise sich bewegende Streifenmuster verwendet werden können, wobei das sich bewegende Streifenmuster ein Gitter z. B. bestehend aus geraden und zueinander parallelen Linien darstellt. Die Bewegung des periodischen Musters erfolgt dann senkrecht oder parallel oder in einem beliebigen Winkel zu der Längserstreckung der Gitterlinien, indem sie scannend über die Probenoberfläche bewegt werden bzw. die Probenoberfläche kann unter ein räumlich feststehendes Muster hindurch bewegt werden ( DE 11 2009 005 521 A5 ). Die Relativbewegung kann auch realisiert werden, indem beides, die Probenoberfläche und das periodische Muster, gleichzeitig zueinander bewegt wird. Die Bewegung kann entweder diskret oder kontinuierlich erfolgen. Im Falle der diskreten Bewegung des periodischen Musters relativ zur untersuchenden Probenoberfläche kann die einzelne Schrittweite des diskreten Bewegungsvorganges geringer als die optische Auflösungsgrenze sein (Overlapping und Überabtastung), so dass ein überbestimmtes Gleichungssystem entsteht und um dann aus vielen Einzelbildern ein Gesamtbild mit stark erhöhter Auflösung zu rekonstruieren. Dies kann man als Kombination des SIM-Verfahrens mit der Airy-Scan-Mikroskopie-Methode (siehe EP 2 317 362 A1 , US 5 043 570 A , DE 10 2014 111 167 A1 ) interpretieren. Auch ein sich zeitlich veränderndes periodisches Muster kann als strukturierte Beleuchtung des SIM-Verfahrens angewandt werden, indem sich beispielsweise die Form des periodischen Musters ändert, indem beispielsweise ein Liniengitter bestehend aus geraden und zueinander parallelen Linien sich um eine Achse dreht oder aus den geraden Linien gebogene Linien werden, die aber zueinander parallel bleiben, oder aus einem Liniengitter entstehen konzentrische Ringe oder die Streifenbreite (Breite der Linien) des Streifenmusters bzw. des Liniengitters verändern sich, indem sie sich mit der Zeit verbreitern oder dünner werden. Somit kann im Verlauf des Messvorgangs die Auflösung bezüglich seines Wertes und/oder Richtung verändert werden. Auch hier kann die zeitliche Veränderung kontinuierlich oder diskret oder abwechselnd kontinuierlich und diskret erfolgen. Dabei kann dann das periodische Muster unbewegt über der Probenoberfläche ruhen oder über die Probenoberfläche hinweg bewegt werden, oder die Probenoberfläche kann bewegt werden oder beides, die Probenoberfläche und das periodische Muster, kann gleichzeitig relativ zueinander bewegt werden, indem beides in dieselbe oder genau entgegengesetzte Richtung und quer zueinander bewegt wird. Optional kann die strukturierte Beleuchtung mit energiereichem UV-Licht durchgeführt werden, so dass die strukturiert beleuchteten Stellen auf der Probenoberfläche zur Fluoreszenz, Lumineszenz oder Phosphoreszenz angeregt werden, was zur Erhöhung der Messempfindlichkeit beitragen kann. Dabei kann es sich entweder um Eigenfluoreszenz oder um durch vorher auf der Probenoberfläche immobilisierte Fluorophore oder Luminophore erzeugte Fluoreszenz oder Lumineszenz handeln. Optional kann das periodische Muster auf der Probenoberfläche eine photo-induzierte Reaktion auslösen und somit die Probenoberfläche reversibel oder irreversibel ändern, modifizieren und/oder abtragen. Das kann entweder die Oberflächentopographie oder Oberflächenmorphologie betreffen und/oder die lokalen physikalischen/chemischen Eigenschaften der Probenoberfläche. Dies ist besonders der Fall, wenn als strukturiertes Beleuchtungslicht energiereiches UV-Licht verwendet wird oder die Probenoberfläche mit geeigneten Photoinitiatoren versehen wird. Dieses hybride Verfahren, bei dem eine hochauflösende Mikroskopiemethode mit einem lokalen Modifizierungs- oder Abtragungsprozess des Materials kombiniert wird, eben weil die einfallenden Lichtquanten der Messstrahlung absichtlich mit dem Probenmaterial wechselwirken und dieses reversibel oder irreversibel verändern/modifizieren/abtragen, kann auch mit anderen hochauflösenden Mikroskopiemethoden wie STED, RESOLFT, PALM oder STORM kombiniert werden, da man in einigen Fällen eben keine zerstörungsfreie Messung benötigt.A known high- or super-resolution microscopy method is the so-called SIM (Structured Illumination Microscopy) method, for example described in EP 1 157 297 B1 and [1] - [5]. In this case, the surface to be microscoped with light in the form of a periodic stripe pattern ( 1 ) with a corresponding period a 1 with the wave vector k S = 2π / a 1 (structured illumination), whereby the resolution can be significantly increased. This can be clearly explained in the reciprocal space (also called Fourier space or k-space) with the help of the Fourier transform: Without the fringe pattern, the surface of the object to be microscopically has a Fourier spectrum whose wave vectors in reciprocal space are all within one zone, for example one Sphere or a circle located in the reciprocal space around the origin of the wave vector coordinate system, the so-called reciprocal coordinate system in Fourier space ( 2 ). For the sake of simplicity and clarity, we refer in the following only to the two-dimensional case with a circle, which is not intended to be limiting, but explicitly applies to the three-dimensional case with a sphere. Due to the (sinusoidal) structured illumination with the fringe pattern, this circle is displaced in the reciprocal space around the wave vector k S of the structured illumination so that it is no longer concentrically arranged around the origin of the reciprocal coordinate system in Fourier space but in its first quadrant. As a result, all k vectors of the Fourier spectrum within the circle are vectorially added to the wave vector k S of the structured illumination, so that as a result of this vector addition all k vectors have a greater length or higher magnitude and thus a smaller wavelength λ due to k = 2π / λ. However, a lower wavelength means a higher resolution according to Abbé because d = λ / NA = λ / (n · sinα) (with d = minimum observable distance, NA = (n · sinα) numerical aperture, n = refractive index), so that the structured illumination shifts the optical resolution limit downwards. You can also easily observe this effect experimentally (moiré effect). As already described in detail above, in the SIM method, the surface of the sample to be examined with light in the form of a periodic pattern, usually a simple periodic strip or line pattern, in particular a simple line grid, which consists of straight and mutually parallel lines with a distance a 1 to each other (as in 1 shown), to increase the resolution. However, the periodic pattern does not necessarily have to be a simple line grid; any other form of periodic pattern is also conceivable: for example, crooked or curved or curved lines parallel to one another or a cross-grating, or multiple strip gratings interleaved or interlinked, or grids of strips having an internal (periodic) structure and whose intensity profile deviates from a step or box profile and, for example, has a Gauss, Doppelgauss or Lorentz profile, or have within one strip one or more zeros, or lines alternately a first distance d 1 and then a second distance d 2 , ie between which the distance to the adjacent line alternately d 1 and d 2 is (see 3 ), or other periodic structures such as tiling or diamond-like patterns or dot patterns (eg, hexagonal, cubic, or rectangular arrangement of thin and / or thick dots (ie, dots of different diameters)); or instead of points circles may also be arranged periodically, the circles may have different fillings (homogeneous or heterogeneous, with or without an internal periodic structure) or no fillings at all, or the circles have different diameters, with small and large circles joining each other alternate. Instead of circles or points, other geometric figures such as triangles, rectangles, squares, polygons, etc. with any content or fillings can be used. Also, three-dimensional structures (for example, a spatial grid pattern of lines or a cubic dot pattern analogous to Bravais lattices such as sc, bcc or fcc crystal structures or hexagonal crystal systems known from solid state physics whose vertices by simple points or by geometric bodies such as. Spheres, ellipses, cubes, cuboids, tetrahedrons, octahedrons, prisms, pyramids, spades or other polyhedra with any content or fillings are occupied) are conceivable and usable. Also concentric rings appear possible and useful for special applications. In addition, the inverse or complementary counterparts of all the above listed periodic patterns themselves can be used as periodic patterns for the structured illumination of the SIM method, ie instead of a dot pattern, a pattern similar to a hole array in which not the dots are opaque and the spaces are transparent, but vice versa , the dots or circles are transparent and the spaces between them are not transparent. A few examples are in the patents DE 10 2011 114 500 A1 . WO 2010/101894 A2 . DE 10 2012 017 917 A1 . US 2015/0211997 A1 . US Pat. No. 6,239,909 B1 . US 2016/0062102 A1 and DE 10 2013 017 468 A1 listed. By means of a time-resolved detection can be examined by means of the SIM method and the time course of operations (time-resolved SIM), as structured lightings of the SIM method moving periodic patterns such as moving stripe pattern can be used, wherein the moving stripe pattern is a grid z. B. consisting of straight and parallel lines. The movement of the periodic pattern is then perpendicular or parallel or at an arbitrary angle to the longitudinal extent of the grid lines by being scanned over the sample surface or the sample surface can be moved under a spatially fixed pattern ( DE 11 2009 005 521 A5 ). The relative movement can also be realized by simultaneously moving both the sample surface and the periodic pattern to each other. The movement can be either discrete or continuous. In the case of the discrete movement of the periodic pattern relative to the sample surface to be examined, the single increment of the discrete motion process may be less than the optical resolution limit (overlapping and oversampling), resulting in an overdetermined system of equations and then from many frames to an overall image with greatly increased resolution reconstruct. This can be seen as a combination of the SIM method with the Airy-scan microscopy method (see EP 2 317 362 A1 . US 5 043 570 A . DE 10 2014 111 167 A1 ) interpret. A time-varying periodic pattern can also be used as structured illumination of the SIM method, for example by changing the shape of the periodic pattern, for example by a line grid consisting of straight and mutually parallel lines rotating about an axis or curved out of the straight lines Lines become but parallel to each other, or arise from a line grid concentric rings or the stripe width (width of the lines) of the stripe pattern or the line grid change by widening or thinning over time. Thus, the resolution in terms of its value and / or direction can be changed during the measurement process. Again, the temporal change can be continuous or discrete or alternately continuous and discrete. At this time, the periodic pattern may rest or move across the surface of the sample, or the sample surface may be moved, or both the sample surface and the periodic pattern may be simultaneously moved relative to each other, both in the same or exactly opposite directions and is moved transversely to each other. Optionally, the structured illumination can be performed with high-energy UV light, so that the structured illuminated areas on the sample surface are excited to fluorescence, luminescence or phosphorescence, which can contribute to increasing the measurement sensitivity. This may be either autofluorescence or fluorescence or luminescence generated by fluorophores or luminophores previously immobilized on the sample surface. Optionally, the periodic pattern on the sample surface may trigger a photo-induced response and thus reversibly or irreversibly alter, modify, and / or ablate the sample surface. This may involve either the surface topography or surface morphology and / or the local physical / chemical properties of the sample surface. This is particularly the case when high-energy UV light is used as the structured illumination light or the sample surface is provided with suitable photoinitiators. This hybrid process, which combines a high-resolution microscopy method with a local modification or ablation process of the material, precisely because the incident light quanta of the measurement radiation intentionally interact with the sample material and reversibly or irreversibly alter / modify / ablate it, can also be achieved with other high-resolution microscopy methods such as STED, RESOLFT, PALM or STORM, because in some cases you do not need a non-destructive measurement.
Aufgabenstellung:Task:
Es wird ein Verfahren vorgestellt, welches auf dem SIM-Verfahren beruht, jedoch mit einem viel geringeren Aufwand durchgeführt werden kann. Dafür wird eine im Vergleich zum konventionellen SIM-Verfahren schlechtere Auflösung in Kauf genommen.A method is presented, which is based on the SIM method, but can be carried out with a much lower cost. For a lower resolution compared to the conventional SIM method is accepted.
Allgemeiner Lösungsweg:General solution:
Bei dem klassischen SIM-Verfahren wird die Probe mit einem einfachen Liniengitter als periodisches Muster beaufschlagt. Es ist aber auch denkbar, dass man alle anderen möglichen periodischen Strukturen als periodisches Muster verwenden kann, mit dem man die Probe beaufschlagen kann. Dies können alle die weiter oben unter dem Kapitel „Stand der Technik” beschriebenen periodischen Muster sein, beispielsweise auch schiefe Linien, die zueinander parallel sind oder ein Kreuzgitter oder andere periodische Strukturen wie kachelartige oder rautenartige Muster. Die entsprechenden Auswirkungen im Fourierraum bei Beaufschlagung solcher Muster auf die Probenoberfläche soll im Folgenden untersucht werden. Aufgrund der Vorgehensweise wird dieses erfindungsgemäße Verfahren im Folgenden auch als verallgemeinertes SIM oder extended SIM oder einfach kurz als eSIM abgekürzt.In the classical SIM method, the sample is exposed to a simple line grid as a periodic pattern. But it is also conceivable that you can use all other possible periodic structures as a periodic pattern with which you can apply the sample. These may all be the periodic patterns described earlier in the "Prior Art" section, for example also oblique lines that are parallel to one another, or a cross lattice or other periodic structures such as tiling or rhomboidal patterns. The corresponding effects in the Fourier space upon exposure of such samples to the sample surface will be examined below. Due to the procedure, this method according to the invention is also abbreviated hereafter as generalized SIM or extended SIM or simply as eSIM for short.
Spezielle Ausführungsbeispiele: Special embodiments:
Man stelle sich zwei gleiche periodische Linienlichtmuster in Form von einfachen Liniengittern mit der Gitterkonstanten a1 vor, die jedoch zueinander um 90° Grad gedreht sind und somit zueinander senkrecht stehen (1 und 4). Das erste einfache Liniengitter (1) besitzt im reziproken Raum ein reziprokes Muster wie in 2 gezeigt, während das zweite einfache Liniengitter (4) im reziproken Raum ein reziprokes Muster besitzt wie in 5 gezeigt. Wenn das erste einfache Liniengitter (1) und das zweite einfache Liniengitter (4) sich beide gegenseitig überlagern, dann ergibt dies zusammen ein Kreuzgitter (6), da die einzelnen Linien der beiden Liniengitter (1 und 4) senkrecht aufeinander stehen. Verwendet man im SIM-Verfahren zur strukturierten Beleuchtung anstelle eines einfachen Liniengitters (1 und 4) ein Gitternetzwerk oder ein Kreuzgitter (6), mit dem man die Probenoberfläche beaufschlagt, und bleiben die sonstigen Verfahrensschritte des SIM-Verfahrens dieselben, so verschiebt sich im reziproken. Raum der Kreis entlang der ky-Achse, und zwar aus folgendem Grunde: das Kreuzgitter (6) kann man sich zusammengesetzt denken aus zwei unabhängige Liniengitter (1 und 4), die zueinander senkrecht stehen. Beide Liniengitter entsprechen im reziproken Raum jeweils einem Wellenvektor oder Verschiebungsvektor ks (7): das erste Liniengitter (1) wird dem Verschiebungsvektor ks1 und das zweite Liniengitter (4) wird dem Verschiebungsvektor ks2 zugeordnet. Beide Verschiebungsvektoren ks1 und ks2 stehen senkrecht aufeinander. Wenn beide Verschiebungsvektoren ks1 und ks2 vektoriell miteinander addiert werden, ergeben sie einen resultierenden Verschiebungsvektor ksr, der aus symmetrischen Gründen parallel zur ky-Achse orientiert oder ausgerichtet ist. Dadurch wird der Kreis entlang der ky-Achse verschoben, und zwar um den Betrag, die der vektoriellen Addition der beiden Verschiebungsvektoren ks1 und ks2 entspricht (7). Da der Betrag des resultierenden Verschiebungsvektors ksr höher ist als die Einzelbeträge der beiden Verschiebungsvektoren ks1 und ks2, ist im Falle der Beaufschlagung bzw. Beleuchtung mit dem Kreuzgitter eine erhöhte optische Auflösung verbunden.Imagine two equal periodic line light patterns in the form of simple line gratings with the lattice constant a 1 , but rotated by 90 ° to each other and thus perpendicular to each other ( 1 and 4 ). The first simple line grid ( 1 ) has in reciprocal space a reciprocal pattern as in 2 while the second simple line grid ( 4 ) in reciprocal space has a reciprocal pattern as in 5 shown. If the first simple line grid ( 1 ) and the second simple line grid ( 4 ) overlap each other, then together this results in a cross lattice ( 6 ), since the individual lines of the two line grids ( 1 and 4 ) are perpendicular to each other. Is used in the SIM method for structured illumination instead of a simple line grid ( 1 and 4 ) a grid or a cross grid ( 6 ), with which one acts on the sample surface, and remain the other procedural steps of the SIM process the same, so shifts in the reciprocal. Space the circle along the k y -axis, and for the following reason: the Kreuzgitter ( 6 ) one can think of two independent line grids ( 1 and 4 ), which are perpendicular to each other. Both line gratings correspond in reciprocal space to a respective wave vector or displacement vector k s ( 7 ): the first line grid ( 1 ) the displacement vector k s1 and the second line grid ( 4 ) is assigned to the displacement vector k s2 . Both displacement vectors k s1 and k s2 are perpendicular to each other. If both displacement vectors k s1 and k s2 are added together vectorially, they result in a resulting displacement vector k sr , which is oriented or aligned parallel to the k y axis for symmetrical reasons. This shifts the circle along the k y -axis by the amount corresponding to the vectorial addition of the two displacement vectors k s1 and k s2 ( 7 ). Since the magnitude of the resulting displacement vector k sr is greater than the individual magnitudes of the two displacement vectors k s1 and k s2 , an increased optical resolution is associated with the cross-grating in the case of illumination.
Wird nun bei den beiden Liniengittern, aus denen das Kreuzgitter zusammengesetzt ist, der periodische Abstand zwischen den einzelnen zueinander parallelen Linien von a1 auf a2 erhöht, so vergrößert sich automatisch die Fläche der einzelnen Gittermaschen des Kreuzgitters oder Gitternetzes (8). Dies macht sich im reziproken Raum wie folgt bemerkbar: die entsprechenden reziproken Verschiebungsvektoren ks1 und ks2 verkürzen sich, und aufgrund ihrer verkürzten Länge besitzt der resultierende Verschiebungsvektor ksr ebenfalls eine geringere Länge. Somit rückt der Kreis entlang der ky-Achse wieder näher an den Ursprung des reziproken Koordinatensystems heran. Damit verbunden ist eine Reduzierung der optischen Auflösung, d. h. eine Verminderung des optischen Auflösungsvermögens geht damit einher. Wird der Abstand der zueinander parallelen Linien des Liniengitters immer weiter erhöht, und zwar in beiden senkrecht zueinander stehenden Richtungen, so rückt der Kreis immer weiter an den Ursprung des reziproken Koordinatensystems heran, wird aber diesen niemals erreichen, so dass die Auflösung immer zumindest ein wenig höher ist als bei Nicht-Beaufschlagung mit einem periodischen Linienmuster.If the periodic distance between the individual parallel lines from a 1 to a 2 is increased in the two line grids which make up the cross grating, then the area of the individual grating meshes of the cross grating or grating net automatically increases ( 8th ). This is noticeable in reciprocal space as follows: the corresponding reciprocal displacement vectors k s1 and k s2 shorten, and because of their shortened length, the resulting displacement vector k sr also has a shorter length. Thus, the circle along the k y axis again approaches closer to the origin of the reciprocal coordinate system. This is associated with a reduction of the optical resolution, ie a reduction in the optical resolution is associated with it. If the distance of the mutually parallel lines of the line grid is further and further increased, in both mutually perpendicular directions, the circle moves closer to the origin of the reciprocal coordinate system, but will never reach it, so that the resolution always at least a little is higher than when not applied with a periodic line pattern.
Im Weiteren lassen sich nun zwei Fälle unterscheiden:
Im ersten Fall bleiben die Linien des Gitternetzes dünn, d. h. die Linien besitzen eine geringe Liniendicke oder eine geringe Linienbreite (6). Im Idealfall ist die Liniendicke oder die Linienbreite unendlich dünn. In diesem Fall kann man sich die Fouriertransformierte als eine Überlagerung von zwei harmonischen Schwingungen mit gleicher Frequenz und gleichem Betrag der komplexen Amplitude, aber mit unterschiedlicher Orientierung und unterschiedlicher räumlicher Phase vorstellen. Im zweiten Falle vergrößern wir die Dicke der Linien des Gitternetzes, d. h. wir erhöhen die Linienbreite (10). Im Falle der großen Liniendicken kann man das Kreuzgitter mit breiten Linien als eine Überlagerung von mehreren zweidimensionalen Rechteck(schwingungs)funktionen auffassen, die in der zweidimensionalen Ebene überlagert worden sind. Die Fourier-Reihenentwicklung einer Rechteckschwingung besteht aus mehreren diskreten harmonischen Schwingungen mit unterschiedlicher Frequenz und unterschiedlicher (komplexer) Amplitude [6]: frechteck(t) = (4/π)·sin(ω0t) + (4/3π)·sin(3ω0t) + (4/5π)sin(5ω0t) + ... (1) Furthermore, two cases can now be distinguished:
In the first case, the lines of the grid remain thin, ie the lines have a small line width or a narrow line width ( 6 ). Ideally, the line width or line width is infinitely thin. In this case, one can imagine the Fourier transform as a superposition of two harmonic oscillations with the same frequency and magnitude of the complex amplitude, but with different orientation and different spatial phase. In the second case we increase the thickness of the lines of the grid, ie we increase the line width ( 10 ). In the case of large line thicknesses, the wide-line cross-grating can be understood as a superposition of several two-dimensional rectangle (vibrating) functions superimposed in the two-dimensional plane. The Fourier series development of a square wave consists of several discrete harmonic oscillations with different frequencies and different (complex) amplitudes [6]: f rectangle (t) = (4 / π) · sin (ω 0 t) + (4 / 3π) · sin (3ω 0 t) + (4 / 5π) sin (5ω 0 t) + ... (1)
Man kann die Rechteckschwingungsfunktion als eine Überlagerung (Superposition) von mehreren unterschiedlichen harmonischen Schwingungen mit unterschiedlicher Frequenz und gewichtet mit unterschiedlicher Amplitude auffassen.The square wave function can be understood as a superposition of several different harmonic oscillations with different frequencies and weighted with different amplitudes.
Um die Zusammenhänge im reziproken Raum zu diskutieren, verbreitern wir weiter die Linien des Kreuzgitters und drehen es mit den sehr breiten Linien um 45°, damit man die Situation im reziproken Koordinatensystem besser darstellen kann (11). Fasst man eine dicke Linie des Liniengitters als ein Rechteckschwingungsprofil auf, so kann man den Vektor ks im Fourierraum sich durch mehrere diskrete Vektoren ksn ersetzt denken, wobei jeder einzelne einer einzelnen diskreten harmonischen Schwingung entspricht, aus der die Rechteckschwingung zusammengesetzt wird (siehe Formel (1)). Folglich verschmiert der Kreis im reziproken Raum zu einem länglichen ellipsenähnlichen Gebilde mit relativ unscharfen Grenzen, da der Betrag der komplexen Amplituden mit zunehmender Frequenz abnimmt, so dass vom reziproken Koordinatenursprung weg die Amplitude des Fourierspektrums (und somit die Amplitude oder Intensität der einzelnen Punkte im Fourierspektrum) abnimmt (12). Die Erhöhung der Linienbreite des Kreuzgitters kann man auch anders interpretieren: wenn die Liniendicke des Kreuzgitters erhöht wird, dann kann man sich dies auch so vorstellen, als ob unendlich viele identische Gitternetzwerke mit unendlich dünner Liniendicke, die räumlich zueinander phasenverschoben sind, überlagert worden sind (13). Alle diese Gitternetzwerke besitzen als Fouriertransformierte jeweils lediglich eine harmonische Schwingung mit derselben Frequenz und einem gleichen Amplitudenbetrag, allerdings unterscheiden sie sich hinsichtlich der Phase ihrer komplexen Amplitude. Im reziproken Koordinatensystem stellt sich die Situation wie folgt dar: Man betrachte die reelle kx, ky-Ebene. Man nehme an, dass für ein bestimmtes einzelnes Gitternetzwerk, welches wir hier mit G1 bezeichnen, die komplexe Amplitude eine Phase gleich 0 besitze, so dass die komplexe Amplitude der Fouriertransformierten reell sei. Dies bedeutet, dass die Amplitude oder Intensität des dazugehörigen Punktes im Fourierspektrum innerhalb des Kreises ebenfalls reell ist. Für ein anderes Gitternetzwerk G2, welches zum Gitternetzwerk G1 räumlich phasenverschoben ist, besitzt die komplexe Amplitude eine andere Phase ungleich 0, so dass sie somit einen imaginären Anteil besitzt; folglich besitzt der dazugehörige Punkt im Fourierspektrum innerhalb des Kreises eine Amplitude mit einem imaginären Anteil. An diesem Beispiel erkennt man, dass sich innerhalb des Fourierspektrums die Zusammensetzung der komplexen Amplitude aus realem und imaginärem Anteil ändert, wenn man zum Ursprung des reziproken Koordinatensystems hin- oder von ihm weggeht, d. h. der Realanteil und der Imaginäranteil an der komplexen Amplitude ändert sich, wenn man innerhalb des Fourierspektrums sich vom Ursprung des reziproken Koordinatensystems hin- oder wegbewegt. Daraus ergibt sich wieder dasselbe Ergebnis wie das bereits oben diskutierte bezüglich der Rechteckschwingungsfunktion: der Kreis, in dem sich das Fourierspektrum befindet, wird zu einem länglichen ellipsenähnlichen Gebilde mit einem verschmierten Rand deformiert. In diesem Zusammenhang kann man sich auch verschiedene Varianten vorstellen, beispielsweise Kreuzgitter zusammengesetzt aus einzelnen Gitternetzwerken, die nicht identisch sind, sondern sich hinsichtlich der Gitterkonstante, Linienbreite und/oder Linienamplitude- oder Linienintensität voneinander unterscheiden. Eventuell kommt es durch die periodisch wiederkehrenden Verdichtungen und Verdünnungen der Liniendichte der übereinander gelegten Gitternetzwerke zu einer Art von Schwebung oder einem Moirée-ähnlichen Muster. Im reziproken Raum macht sich dies durch eine asymmetrische Deformation des Kreises bemerkbar. Ein sehr wichtiger Spezialfall stellt sich dar, wenn man den folgenden Grenzfall betrachtet: die Gitterkonstante a sowie die Liniendicke geht gegen Unendlich. Dann erhält man direkt über der Probenoberfläche eine strukturierte Beleuchtung, die durch die Heaviside-Funktion beschrieben werden kann (14a). Dies kann man praktisch realisieren, indem man über die Probenoberfläche einen massiven intransparenten Körper beispielsweise näherungsweise in Form eines Quaders positioniert (14b). Im reziproken Raum wird dann der Kreis zu einem unendlich langgestreckten ellipsenähnlichen Gebilde mit extrem unscharfen Rändern deformiert. Unter einem unscharfen oder verschmierten Rand oder Grenze ist gemeint, dass die komplexe Amplitude des Fourierspektrums der zu untersuchenden Probenoberfläche sich sowohl hinsichtlich ihrer Phase, ihres Betrages sowie der Anteile des Real- und Imaginärteils, aus denen sich die komplexe Amplitude zusammensetzt, kontinuierlich über einen ausgedehnten Bereich des reziproken Koordinatensystems verändert und nicht an einer Grenzlinie sprunghaft auf null absinkt. In jedem Fall aber besitzt dieses ausgedehnte, verschmierte, unscharfe und unendlich langgestreckte ellipsenähnliche Gebilde Wellenvektoren, die einen größeren Betrag besitzen als der ursprünglich um den Ursprung des reziproken Koordinatensystems konzentrisch angeordnete Kreis. Dies bedeutet, wenn ein massiver intransparenter Körper über eine zu untersuchende Probenoberfläche positioniert ist, so bewirkt dies eine Erhöhung des Auflösungsvermögens, insbesondere im Randbereich, also im Übergangsbereich zwischen massivem, intransparentem Körper und der zu untersuchenden Probenoberfläche. Diesen Effekt kann man auch wellenoptisch durch Beugung des Lichts ausgehend von der Probenoberfläche, und zwar am Rande des massiven intransparenten Körpers, veranschaulichen: der massive intransparente Körper liegt in Form eines plattenförmigen Gegenstandes vor, der direkt auf der zu untersuchenden Probenoberfläche positioniert wurde. Dann wird aus der Lichtwellenfront des von der Probenoberfläche ausgehenden Lichts in der Nähe zum Rand des plattenförmigen Gegenstands eben von diesem plattenförmigen Gegenstand kreis- oder kugelförmige Huygenssche Elementarwellen ausgeschnitten, so dass das im Randbereich des plattenförmigen Gegenstandes von der Probenoberfläche ausgehende Licht gebeugt wird, was eine Vergrößerung des Auflösungsvermögens bewirkt. Diesen Effekt kann man auch ganz einfach beobachten, und zwar wenn man mit einem Finger einen LCD- oder LED-Bildschirm berührt. Der LCD- oder LED-Bildschirm ist aus einer Vielzahl von Pixeln zusammengesetzt, die so klein sind, dass das bloße menschliche Auge diese in einem bestimmten Abstand nicht mehr auflösen kann. Der Finger stellt in diesem Experiment den massiven intransparenten Körper und die gepixelte Bildschirmoberfläche die zu untersuchende Probenoberfläche dar. Man erkennt sofort, dass man die einzelnen Bildschirmpixel in der Nähe oder am Fingerrand mit dem bloßen Auge besser erkennen kann als in weitem Abstand von dem Fingerrand, so dass man die einzelnen Bildschirmpixel nahe am Rande des Fingers sogar voneinander unterscheiden kann. Mittels Bewegung des Fingers lassen sich die einzelnen Bildschirmpixel sogar abzählen, was ohne Finger nicht möglich ist. Ohne den Finger vermag das menschliche Auge die einzelnen Bildschirmpixel nicht voneinander zu unterscheiden, woraus man schließen kann, dass die Auflösung im Bereich um die Fingerkuppe herum durch die Anwesenheit des Fingers sich sichtlich erhöht hat.To discuss the relationships in reciprocal space, we continue to widen the lines of the cross lattice and rotate it with the very broad lines by 45 °, so that the situation in the reciprocal coordinate system can better represent ( 11 ). If one considers a thick line of the line grid as a square-wave profile, then the vector k s in Fourier space can be replaced by several discrete vectors k sn , each corresponding to a single discrete harmonic oscillation, from which the square wave is composed (see formula (1)). Consequently, the circle in the reciprocal space smears too an oblong ellipsoid-like structure with relatively fuzzy boundaries, since the magnitude of the complex amplitudes decreases with increasing frequency, so that the amplitude of the Fourier spectrum (and thus the amplitude or intensity of the individual points in the Fourier spectrum) decreases from the reciprocal coordinate origin ( 12 ). The increase in the line width of the cross lattice can also be interpreted differently: if the line thickness of the cross lattice is increased, then one can also imagine this as if an infinite number of identical lattice networks with infinitely thin line thickness, which are spatially out of phase, have been superimposed ( 13 ). All of these lattice networks, as Fourier transforms, each have only one harmonic oscillation with the same frequency and an equal amplitude amount, but they differ in the phase of their complex amplitude. In the reciprocal coordinate system, the situation is as follows: Consider the real k x , k y plane. Assume that for a particular single lattice network, which we refer to as G1, the complex amplitude has a phase equal to 0, so that the complex amplitude of the Fourier transform is real. This means that the amplitude or intensity of the corresponding point in the Fourier spectrum within the circle is also real. For another lattice network G2, which is spatially out of phase with the lattice network G1, the complex amplitude has a different phase than 0, so that it thus has an imaginary part; consequently, the corresponding point in the Fourier spectrum within the circle has an amplitude with an imaginary part. This example shows that within the Fourier spectrum the composition of the complex amplitude of the real and imaginary parts changes when going to or from the origin of the reciprocal coordinate system, ie the real part and the imaginary part change at the complex amplitude, when moving within the Fourier spectrum from the origin of the reciprocal coordinate system. This again results in the same result as the rectangle vibration function already discussed above: the circle in which the Fourier spectrum is located is deformed into an oblong ellipse-like structure with a smeared edge. In this context, one can also imagine different variants, for example, cross gratings composed of individual lattice networks, which are not identical, but with respect to the lattice constant, line width and / or line amplitude or line intensity differ from each other. It may happen that the periodically recurring densities and dilutions of the line density of the superimposed lattice networks to a kind of beating or a moiré-like pattern. In reciprocal space, this is noticeable by an asymmetric deformation of the circle. A very important special case arises when one considers the following limiting case: the lattice constant a and the line thickness go to infinity. Then a structured illumination is obtained directly above the sample surface, which can be described by the Heaviside function ( 14a ). This can practically be achieved by positioning a solid, non-transparent body approximately in the form of a cuboid, for example, over the sample surface ( 14b ). In the reciprocal space, the circle is then deformed into an infinitely elongated ellipsoid-like structure with extremely blurred edges. By a blurred or blurred edge, it is meant that the complex amplitude of the Fourier spectrum of the sample surface to be examined is continuously extended over a wide range in both its phase, magnitude, and the proportions of the real and imaginary parts that make up the complex amplitude Changed region of the reciprocal coordinate system and not abruptly drops to zero on a borderline. In any case, however, this extended, blurred, blurred, and infinitely elongated ellipse-like structure has wave vectors that are larger in magnitude than the circle originally concentric around the origin of the reciprocal coordinate system. This means that when a solid intransparent body is positioned over a sample surface to be examined, this causes an increase in the resolution, in particular in the edge region, ie in the transition region between the solid, non-transparent body and the sample surface to be examined. This effect can also be visualized wave-optically by diffracting the light from the sample surface, namely at the edge of the massive non-transparent body: the massive non-transparent body is in the form of a plate-shaped object which has been positioned directly on the sample surface to be examined. Then, circular or spherical Huygens elementary waves are cut out from the light wavefront of the light emitted from the sample surface in the vicinity of the edge of the plate-shaped object just from this plate-shaped object, so that the light emanating from the sample surface in the edge region of the plate-shaped object is diffracted Increasing the resolution causes. You can also easily observe this effect when you touch a LCD or LED screen with one finger. The LCD or LED screen is composed of a plurality of pixels that are so small that the naked human eye can not resolve them at a certain distance. In this experiment, the finger represents the massive non-transparent body and the pixelated one It can be seen immediately that one can better see the individual screen pixels near or at the edge of the finger with the naked eye than at a long distance from the edge of the finger, so that the individual screen pixels near the edge of the finger even from each other can differentiate. By moving the finger, the individual screen pixels can even be counted, which is not possible without a finger. Without the finger, the human eye can not distinguish the individual screen pixels from each other, from which one can conclude that the resolution in the area around the fingertip has increased visibly due to the presence of the finger.
Mikro- und Nanostrukturierung:Micro- and Nanostructuring:
Die oben diskutierten Effekte kann man nicht nur zur Erhöhung des Auflösungsvermögens von Mikroskopiemethoden verwenden, sondern auch zur Erhöhung des Auflösungsvermögens von optischen Verfahren zur Mikro- oder Nanostrukturierung oder Mikro- oder Nanofunktionalisierung von Oberflächen (bspw. eine lokale Modifizierung einer Substratoberfläche oder ein lokaler Materialabtrag (Ablation) von der Probenoberfläche, was normalerweise durch die optische Auslösungsgrenze nach Abbé oder Rayleigh begrenzt wird), wie beispielsweise im Falle von (photo-)lithographischen Methoden z. B. zur Herstellung von mikro- oder nanoelektronischen Schaltkreisen oder zur Erzeugung von Mikro- oder Nanostrukturen auf Substratoberflächen, indem die Oberflächenmorphologie oder Oberflächentopographie des Substrates gezielt und kontrolliert durch die Beaufschlagung von Lichtwellen oder Partikelstrahlung lokal verändert wird. In diesem Zusammenhang wird auf die Druckschrift DE 10 2015 015 497 verwiesen, in dem ein abgewandeltes STED-Verfahren zur superaufgelösten und hochpräzisen Bearbeitung von Materialien vorgestellt wird. Eine mögliche Ausführungsform eines superaufgelösten optischen Verfahrens zur lokalen Bearbeitung von einer Substratoberfläche unterhalb des optischen Auflösungsvermögens kann wie folgt aussehen: Man will eine Stelle auf einer Substratoberfläche mittels Beaufschlagung durch Licht lokal strukturieren oder modifizieren; diese Stelle wird im Folgenden auch Zielpunkt genannt. Dazu wird auf die Substratoberfläche ein intransparenter plattenförmiger Körper K1 aufgesetzt, der soweit zum Zielpunkt verschoben wird, bis dieser gerade nicht von diesem intransparenten und plattenförmigen Körper K1 überdeckt wird. Somit befindet sich der Zielpunkt genau am Rande des Körpers K1. Aufgrund der oben ausgeführten Diskussion erhöht sich das Auflösungsvermögen im Randbereich des Körpers K1, so dass man mit einer weit erhöhten Genauigkeit mittels eines lithographischen Verfahrens gezielt einen Lichtstrahl auf den zu bearbeitenden Punkt lenken kann, und zwar mit einer weit höheren Auflösung als in Abwesenheit des Körpers K1. Der Körper K1 trägt also nicht nur zur Erhöhung des Auflösungsvermögens bei, um den Zielpunkt mit einer sehr hohen Genauigkeit aufzufinden, sondern der Körper K1 wechselwirkt auch mit dem im Rahmen des lithographischen Verfahrens erzeugten und auf den Zielpunkt gelenkten und damit auf den Zielpunkt einfallenden Lichtstrahl, so dass dieser mit einer weit erhöhten Genauigkeit den Zielpunkt treffen und bearbeiten kann, als es mittels einer beugungsbegrenzten Methode, beispielsweise einer lithographischen Methode ohne Anwesenheit des Körpers K1, möglich ist.The effects discussed above can be used not only to increase the resolving power of microscopy methods, but also to increase the resolution of optical processes for micro- or nanostructuring or micro- or nanofunctionalization of surfaces (eg a local modification of a substrate surface or a local material removal ( Ablation) of the sample surface, which is normally limited by the optical resolution limit according to Abbé or Rayleigh), as for example in the case of (photo) lithographic methods z. As for the production of micro- or nanoelectronic circuits or for the production of micro- or nanostructures on substrate surfaces by the surface morphology or surface topography of the substrate is targeted and controlled by the application of light waves or particle radiation locally changed. In this context, the publication DE 10 2015 015 497 in which a modified STED process for super-resolved and high-precision machining of materials is presented. One possible embodiment of a super-resolved optical process for locally processing a substrate surface below the optical resolution may be as follows: one wants to locally pattern or modify a location on a substrate surface by exposure to light; this point is also called destination point below. For this purpose, an intransparent plate-shaped body K1 is placed on the substrate surface, which is moved so far to the target point until it is just not covered by this non-transparent and plate-shaped body K1. Thus, the target point is located exactly on the edge of the body K1. Due to the above discussion, the resolving power in the peripheral area of the body K1 increases, so that one can direct a light beam to the point to be processed with a much higher accuracy by means of a lithographic process, with a much higher resolution than in the absence of the body K1. The body K1 thus contributes not only to increase the resolution to find the target point with a very high accuracy, but the body K1 also interacts with the generated during the lithographic process and directed to the target point and thus incident on the target point light beam, so that it can hit and process the target point with far greater accuracy than is possible by means of a diffraction-limited method, for example a lithographic method without the presence of the body K1.
Anstelle eines intransparenten plattenförmigen Körpers kann man in diesem Verfahren auch jeden anderen geformten Körper mit einer periodischen Form ähnlich den Formen, wie sie unter dem Stand der Technik hinsichtlich der dort diskutierten periodischen Beleuchtungsstrukturen vorgestellt worden sind, verwenden. Beispielsweise kann man anstelle eines plattenförmigen Gegenstandes ein feinmaschiges Netzgitter über die Probenoberfläche schieben. So kann man dieses Verfahren auch zur Mikro- oder Nanostrukturierung der Substratoberfläche verwenden, da man gezielt einzelne Punkte mit einer Genauigkeit ansteuern kann, die weit unterhalb der optischen Auflösung der entsprechenden Wellenlänge liegt.Instead of a non-transparent plate-shaped body, this method can also use any other shaped body having a periodic shape similar to the shapes presented in the prior art with regard to the periodic illumination structures discussed therein. For example, instead of a plate-shaped object, a fine-meshed net grid can be pushed over the sample surface. Thus, this method can also be used for microstructuring or nanostructuring of the substrate surface, since it is possible to selectively control individual points with an accuracy that is far below the optical resolution of the corresponding wavelength.
Anstelle eines intransparenten plattenförmigen Körpers kann man in diesem Verfahren auch eine strukturierte Beleuchtung verwenden, wie sie unter anderem im Kapitel „Stand der Technik” und der Beschreibung des erfindungsgemäßen Gegenstandes beschrieben worden ist. Dies sieht dann so aus, dass beispielsweise die zu bearbeitende Substratoberfläche mit einem periodischen Linien- oder Streifenmuster, beispielsweise mit einem einfachen Liniengitter wie bereits im Kapitel „Stand der Technik” beschrieben, beleuchtet wird (strukturierte Beleuchtung). Aber auch jede andere strukturierte Beleuchtung gemäß dem Stand der Technik ist möglich. Dadurch erhöht sich das Auflösungsvermögen auf der Substratoberfläche, und man kann mit einer erhöhten Auflösung die Stelle oder den Zielpunkt anvisieren, den man bearbeiten will, so dass man mit einer erhöhten Genauigkeit den Lichtstrahl auf diesen zu bearbeitenden Zielpunkt lenken kann. Man kann dies als eine Kombination zwischen einem SIM-Verfahren und einem lithographischen Verfahren auffassen mit dem SIM-Verfahren als Zielsystem, um die zu bearbeitenden Stellen oder Zielpunkte genau anzupeilen, und zwar mit einer höheren Genauigkeit als ein konventionelles optisches beugungsbegrenztes Mikroskop es zulässt, und dem lithographischen Verfahren zur Bearbeitung der Proben- oder Substratoberfläche, um dann die eigentliche Bearbeitung am Zielpunkt auszuführen. Allerdings kommt hier noch hinzu, dass die strukturierte Beleuchtung in Form des periodischen Lichtmusters nicht nur zur Erhöhung des Auflösungsvermögens beiträgt, um den Zielpunkt ausfindig zu machen und möglichst genau einzugrenzen, sondern in speziellem Falle von sehr hohen Intensitäten (beispielsweise realisiert durch eine Belichtung mit sehr kurzen Pulsdauern im fs-Bereich, so dass eventuell nichtlinear-optische Effekte eine Rolle spielen könnten) die strukturierte Beleuchtung in Form des periodischen Lichtmusters auch mit dem einfallenden Lichtstrahl des lithographischen Verfahrens wechselwirkt, so dass auch dessen Zielgenauigkeit erhöht wird und der Zielpunkt mit einer Auflösung bearbeitet werden kann, die weit unterhalb der beugungsbegrenzten Auslösung liegt.Instead of an intransparent plate-shaped body, it is also possible to use structured illumination in this process, as has been described, inter alia, in the chapter "Prior Art" and the description of the subject matter according to the invention. This then looks like that, for example, the substrate surface to be processed with a periodic line or stripe pattern, for example, with a simple line grid as already described in the chapter "state of the art" is illuminated (structured lighting). But any other structured lighting according to the prior art is possible. This increases the resolving power on the substrate surface, and one can aim at an increased resolution, the point or the target point that you want to edit, so that you can direct the light beam on this target to be processed with increased accuracy. This can be considered as a combination between a SIM method and a lithographic method with the SIM system as a target system to accurately target the points or targets to be machined, with a higher accuracy than a conventional diffraction-limited optical microscope permits, and the lithographic process for processing the sample or substrate surface to then perform the actual processing at the target point. However, here is added that the structured lighting in the form of the periodic light pattern not only to increase of the resolution power to locate the target point and to narrow as precisely as possible, but in special case of very high intensities (for example, realized by an exposure with very short pulse durations in the fs range, so that possibly nonlinear optical effects could play a role) the structured illumination in the form of the periodic light pattern also interacts with the incident light beam of the lithographic process, so that its aiming accuracy is also increased and the target point can be processed with a resolution far below the diffraction-limited triggering.
Nichtpatent-Literatur:Non-patent literature:
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[1] Bailey B, Farkas DL, Taylor DL, Lanni F; Farkas; Taylor; Lanni (November 1993). ”Enhancement of axial resolution in fluorescence microscopy by standing-wave excitation”. Nature 366 (6450): 44–8. Bibcode: 1993Natur.366...44B. doi: 10.038/366044a0. PMID 8232536. [1] Bailey B, Farkas DL, Taylor DL, Lanni F; Farkas; Taylor; Lanni (November 1993). "Enhancement of axial resolution in fluorescence microscopy by standing-wave excitation". Nature 366 (6450): 44-8. Bibcode: 1993Nature.366 ... 44B. doi: 10.038 / 366044a0. PMID 8232536.
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[2] Gustafsson MG (May 2000). ”Surpassing the lateral resolution limit by a factor of two using structured illumination microscopy”. J Microsc 198 (Pt 2): 82–7. doi: 10.1046/j.1365-2818.2000.00710.x. PMID 10810003. [2] Gustafsson MG (May 2000). "Surpassing the lateral resolution limit by a factor of two using structured illumination microscopy". J Microsc 198 (Pt 2): 82-7. doi: 10.1046 / j.1365-2818.2000.00710.x. PMID 10810003.
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[3] D. Baddeley, C. Batram, Y. Weiland, C. Cremer, U. J. Birk: ”Nano-structure analysis using Spatially Modulated Illumination microscopy” in NATURE PROTOCOLS, Vol 2, S. 2640–2646 (2007) [3] D. Baddeley, C. Batram, Y. Weiland, C. Cremer, UJ Birk: "Nano-structure Analysis Using Spatially Modulated Illumination Microscopy" in NATURE PROTOCOLS, Vol. 2, pp. 2640-2646 (2007)
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[4] W. Lukosz, M. Marchand: Optischen Abbildung unter Überschreitung der Beugungsbedingten Auflösungsgrenze. In: Optica Acta. 10, Nr. 3, 1963, S. 241–255. doi: 0.1080/713817795. [4] W. Lukosz, M. Marchand: Optical imaging exceeding the diffraction-related resolution limit. In: Optica Acta. 10, No. 3, 1963, pp. 241-255. doi: 0.1080 / 713817795.
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[5] Carl Zeiss MicroImaging GmbH: Superresolution Structured Illumination Microscopy (SR-SIM). White Paper, Carl Zeiss BioSciences, Jena Location 2010 (PDF) .[5] Carl Zeiss MicroImaging GmbH: Superresolution Structured Illumination Microscopy (SR-SIM). White Paper, Carl Zeiss BioSciences, Jena Location 2010 (PDF) ,
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[6] Im Internet: <URL: http://me-lrt.de/u-03-2-fourier-entwicklung-periodischer-funktionen-fourier-reihe >, recherchiert am 13.06.2016 [6] On the Internet: <URL: http://me-lrt.de/u-03-2-fourier-entwicklung-periodischer-funktionen-fourier-reihe >, researched on 13.06.2016
Figurenbeschriftung:Figure caption:
1: ein erstes einfaches Linien- oder Streifenlichtmuster in Form eines einfachen Liniengitters mit der Gitterkonstanten a1, bestehend aus geraden und zueinander parallelen Linien mit dem Abstand a1 zueinander, das für die strukturierte Beleuchtung der Probenoberfläche im SIM-Verfahren verwandt wird 1 A first simple line or strip light pattern in the form of a simple line grid with the lattice constant a 1 , consisting of straight and mutually parallel lines with the distance a 1 to each other, which is used for the structured illumination of the sample surface in the SIM method
2: Prinzip des SIM-Verfahrens veranschaulicht im reziproken Raum: durch Beaufschlagung der Probenoberfläche mittels eines einfachen periodischen Linienlichtmusters bestehend aus geraden und zueinander parallelen Lichtlinien wie in 1 gezeigt, verschiebt sich der Kreis um den Ursprung des kx, ky-Koordinatensystems um den Wellenvektor ks, so dass das Auflösungsvermögen erhöht wird 2 : Principle of the SIM method illustrated in reciprocal space: by applying the sample surface by means of a simple periodic line light pattern consisting of straight and parallel light lines as in 1 As shown, the circle around the origin of the k x , k y coordinate system shifts about the wave vector k s , so that the resolving power is increased
3: mögliche Ausführungsform eines periodischen Streifen- und Linienlichtmusters zur Beaufschlagung auf die Probenoberfläche für das SIM-Verfahren; das Linienmuster besteht aus geraden und zueinander parallelen Streifen, jedoch mit alternierenden Abständen d1 und d2 3 : possible embodiment of a periodic strip and line light pattern for application to the sample surface for the SIM method; the line pattern consists of straight and parallel strips, but with alternating distances d 1 and d 2
4: ein weiteres, zweites einfaches Linien- oder Streifenlichtmuster in Form eines einfachen Liniengitters zur strukturierten Beleuchtung im SIM-Verfahren, das mit dem in 1 gezeigten einfachen Lichtgitter identisch ist; allerdings um 90° Grad gedreht 4 : another, second simple line or strip light pattern in the form of a simple line grid for structured illumination in the SIM method, which is similar to the one in 1 is identical to the simple light grid shown; However, rotated by 90 ° degrees
5: Prinzip des SIM-Verfahrens veranschaulicht im reziproken Raum, allerdings bezüglich des zweiten einfachen Liniengitters gemäß 4, so dass der Wellenvektor ks um 90° Grad gedreht ist; seine Länge bleibt dagegen konstant 5 : Principle of the SIM method illustrated in the reciprocal space, but with respect to the second simple line lattice according to 4 such that the wave vector k s is rotated 90 degrees; its length remains constant
6: Überlagert man die beiden in 1 und 4 gezeigten einfachen Liniengitter aus Licht, so entsteht ein Kreuzgitter aus Licht mit der Gitterkonstanten a1 zur strukturierten Beleuchtung im SIM-Verfahren 6 : If you overlay the two in 1 and 4 shown simple line grid of light, creating a cross lattice of light with the lattice constant a 1 for structured illumination in the SIM method
7: Strukturierte Beleuchtung mittels eines Kreuzgitters veranschaulicht im reziproken Raum: die beiden Verschiebungsvektoren ks1 und ks2 addieren sich vektoriell zum resultierenden Verschiebungsvektor ksr, der sich aus symmetrischen Gründen auf der ky-Achse des reziproken Koordinatensystems befindet; auch hier wird eine Vergrößerung des Auflösungsvermögens erreicht 7 : Structured illumination by means of a cross-lattice illustrates in reciprocal space: the two displacement vectors k s1 and k s2 add up vectorially to the resulting displacement vector k sr , which for symmetric reasons is located on the k y -axis of the reciprocal coordinate system; Here, too, an increase in the resolution is achieved
8: Erhöhung der Gitterkonstanten des Kreuzgitters von a1 auf a2 8th : Increasing the lattice constants of the cross lattice from a 1 to a 2
9: Verschiebung des Kreises entlang der ky-Achse zum Ursprung des reziproken Koordinatensystems, wenn die Gitterkonstante des Kreuzgitters wie in 8 erhöht wird 9 Moving the circle along the k y axis to the origin of the reciprocal coordinate system when the lattice constant of the cross lattice as in 8th is increased
10: Kreuzgitter mit einer dünnen Liniendicke oder Linienbreite, d. h. mit dünnen Linien 10 : Cross lattice with a thin line width or line width, ie with thin lines
11: Kreuzgitter, bei dem die Liniendicke oder Linienbreite vergrößert ist, d. h. mit dicken Linien; lediglich aus technischen Gründen zusätzlich um 45° gedreht. 11 : Cross lattice in which the line thickness or line width is increased, ie with thick lines; only for technical reasons additionally rotated by 45 °.
12: eine Vergrößerung der Linienbreite des Kreuzgitters deformiert im reziproken Koordinatensystem den Kreis zu einem ellipsenähnlichen Gebilde mit unscharfen Grenzen, da der eine Verschiebungsvektor ks durch eine Vielzahl von Verschiebungsvektoren ksn ersetzt wird 12 A magnification of the line width of the cross lattice deforms the circle in the reciprocal coordinate system into an ellipse-like structure with blurred boundaries, since the one displacement vector k s is replaced by a multiplicity of displacement vectors k sn
13: ein Kreuzgitter mit dicken Linien kann man sich aus unendlich vielen Kreuzgittern mit unendlich dünnen Linien zusammengesetzt vorstellen, wenn alle Kreuzgitter mit unendlich dünnen Linien zwar alle dieselbe Gitterkonstante besitzen, jedoch zueinander räumlich phasenverschoben sind 13 : a lattice with thick lines can be imagined from infinitely many lattices with infinitely thin lines, if all lattices with infinitely thin lines all have the same lattice constant but are spatially out of phase with each other
14: a) ein Grenzfall als Spezialfall, wenn die Linienbreite und die Gitterkonstante des Kreuzgitters gegen Unendlich geht
b) experimentelle Realisierung eines Spezialfalls, wenn das Kreuzgitter eine unendlich große Linienbreite und eine unendlich große Gitterkonstante besitzt 14 : a) a limiting case as a special case, when the line width and the lattice constant of the cross lattice goes to infinity
b) experimental realization of a special case, if the cross lattice has an infinitely large line width and an infinitely large lattice constant
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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EP 1157297 B1 [0001] EP 1157297 B1 [0001]
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DE 102011114500 A1 [0001] DE 102011114500 A1 [0001]
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WO 2010/101894 A2 [0001] WO 2010/101894 A2 [0001]
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DE 102012017917 A1 [0001] DE 102012017917 A1 [0001]
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US 2015/0211997 A1 [0001] US 2015/0211997 A1 [0001]
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US 6239909 B1 [0001] US 6239909 B1 [0001]
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US 2016/0062102 A1 [0001] US 2016/0062102 A1 [0001]
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DE 102013017468 A1 [0001] DE 102013017468 A1 [0001]
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DE 112009005521 A5 [0001] DE 112009005521 A5 [0001]
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EP 2317362 A1 [0001] EP 2317362 A1 [0001]
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US 5043570 A [0001] US 5043570 A [0001]
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DE 102014111167 A1 [0001] DE 102014111167 A1 [0001]
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DE 102015015497 [0009] DE 102015015497 [0009]
