DE19743027A1

DE19743027A1 - Phasenring zur Realisierung eines positiven Phasenkontrastes

Info

Publication number: DE19743027A1
Application number: DE19743027A
Authority: DE
Inventors: Sabine Alt-Nedvidek; Claus Dr Gunkel
Original assignee: Leica Microsystems Wetzlar GmbH; Leica Microsystems CMS GmbH
Current assignee: Leica Microsystems CMS GmbH
Priority date: 1997-09-29
Filing date: 1997-09-29
Publication date: 1999-05-12
Also published as: EP0941496A1; JP2001508557A; JP4199833B2; CN1244264A; CN1179226C; US6212009B1; CN1267761C; CN1534324A; WO1999017145A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Phasenring zur Realisierung eines positiven Phasenkontrastes. Das mikroskopische Phasenkontrast-Verfahren ist seit Zernike bekannt. Zur Realisierung dieses Verfahrens werden sogenannte Phasenringe durch Aufdampfen einer oder mehrerer dünnen Schichten auf eine Substrat-Unterlage - beispielsweise aus optischen Glas - hergestellt. Durch eine geschickte Wahl der Schichtdicke gelingt es, die Phase des direkten Lichtes - also desjenigen Lichtstrahls, der durch den aufgedampften Phasenring hindurchtritt - gegenüber der Phase des gebeugten Lichtes - also des den Phasenring nicht durchsetzenden Lichtstrahles - beispielsweise um π/2 zu verzögern oder aber um π/2 zu beschleunigen. Im letztgenannten Fall handelt sich um einen sogenannten "positiven" Phasenkontrast.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Phasenring zur Verfügung zu stellen, mit dem ein positiver Phasenkontrast mit einem weitgehend konstanten Phasenschub und einem diskreten Transmissionsverlauf realisiert wird. Ein weiterer Teil der Aufgabe besteht darin, jeden positiven Phasenschub innerhalb eines bestimmten Phasenwinkel-Intervalls konkret einzustellen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 bzw. des Patentanspruchs 2 bzw. des Patentanspruchs 3 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Zur näheren Erläuterung der vorliegenden Erfindung wird auf die nachfolgenden Figuren verwiesen. Es zeigen:

Fig. 1a eine schematische Darstellung eines verkitteten Phasenrings gemäß einer ersten Ausführungsform;

Fig. 1b eine verkleinerte Draufsicht des in Fig. 1a Dargestellten;

Fig. 2 eine schematische Darstellung des Schichtaufbaus im Falle eines unverkitteten Dünnschichtsystems gemäß einer zweiten Ausführungsform;

Fig. 3 eine schematische Darstellung des Schichtaufbaus eines verkitteten Phasenrings gemäß einer dritten Ausführungsform;

Fig. 4a eine graphische Darstellung der Phasenschiebung eines verkitteten Phasenrings gemäß Fig. 1a;

Fig. 4b eine graphische Darstellung der Transmission in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ eines verkitteten Phasen rings mit einer Dicke der Ag-Schicht von 35 nm;

Fig. 5a eine graphische Darstellung der Phasenschiebung eines unver kitteten Phasenrings in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ;

Fig. 5b eine graphische Darstellung der Transmission eines unverkitteten Phasenrings in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ, und zwar für eine Ag-Schichtdicke von 34,5 nm;

Fig. 6a eine graphische Darstellung der Phasenschiebung in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ für einen Kitt, wobei gilt: n_Kitt < n₁;

Fig. 6b eine graphische Darstellung des Verlaufs der Transmission als Funktion der Wellenlänge λ für ein Dünnschichtsystem gemäß Fig. 6a;

Fig. 7a eine graphische Darstellung eines Phasenschubes als Funktion der Wellenlänge λ für einen Kitt, für den gilt: n_Kitt < n₁;

Fig. 7b eine graphische Darstellung des Verlaufs der Transmission T als Funktion der Wellenlänge λ betreffend das in Fig. 7a bereits erwähnte Dünnschichtsystem.

In Fig. 1a wird die Schichtenfolge eines erfindungsgemäßen verkitteten Phasenringes schematisch dargestellt. Auf einem Substrat - beispielsweise auf einem Glasplättchen bzw. einer Glaslinse - wird ein Ring aus Silber (Ag) aufgedampft und auf diesem eine dielektrische Schicht mit der Brechzahl n_H. Innerhalb des so erhaltenen Phasenringes wie auch auf dem gesamten Substrat außerhalb dieses Phasenringes befindet sich die Kitt-Matrix, die eine Festkörper-Verbindung zum zweiten Substrat herstellt. Es gehört zum Prinzip des Phasenkontrastverfahrens, daß direktes Licht, welches in der Fig. 1a von unten auf das den Phasenring tragende Substrat trifft, diesen Phasenring durchsetzt und dabei eine definierte Phasenschiebung (Phasenschub) erfährt, während gebeugtes Licht dieses Substrat in all den anderen Bereichen durchsetzt, die vom aufgedampften Phasenring nicht beaufschlagt sind.

In der Fig. 1b ist eine Draufsicht - und zwar in verkleinerter Form - des in Fig. 1a Dargestellten gezeigt, wobei die beiden Bereiche (direktes Licht/gebeugtes Licht) noch einmal verdeutlicht wurden.

In Fig. 2 ist eine unverkittete Ausführungsform dargestellt. In der Draufsicht ergibt sich ein analoges Bild wie Fig. 1b. Als Substrat- Werkstoff wird ein optisches Glas oder ein anderes transparentes Medium - beispielsweise Kristalle, Kunststoffe - verwendet. Bei dem Schichtsystem handelt es sich um eine im Vakuum aufgedampfte Schichtfolge aus Silber und einem dielektrischen Material, z. B. einer Titan-Sauerstoff-Verbindung. Darüber hinaus ist es auch möglich, das Schichtsystem mit einer Relexionsminderungs-Schicht zusätzlich zu versehen. Das Aufbringen dieser Strukturen ist beispielsweise aus der DE-PS 22 61 780 bekannt. Zur Messung des konkreten Phasenschubs wird ein sogenannter Menzel'scher Dreispalt verwendet.

In Fig 3 ist eine weitere Ausführungsform eines verkitteten Dünnschichtsystems dargestellt. Man erkennt, daß auf dem unteren (ersten) Substrat zunächst eine Schicht mit der Brechzahl n₁, sodann die eigentliche Silber-Schicht und danach eine Schicht mit der Brechzahl n₂ positioniert ist. Eine Draufsicht würde wiederum - rein schematisch - das in Fig. 1b Gezeigte ergeben.

In der Fig. 4a wird in einer graphischen Darstellung die Phasenschiebung eines verkitteten Phasenringes in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ angegeben. Man erkennt, daß die vier Meßwerte im Bereich zwischen 425 nm und 600 nm zwischen 50° und 55° liegen. Die für dieses Beispiel ermittelten Transmissionswerte (die Dicke der Silberschicht beträgt in diesem Falle d_Ag = 35 nm) sind in Fig. 4b dargestellt. Wie erkennbar, liegt der Transmissionswert bei einem λ von 425 nm bei 38% und für ein λ von 600 nm bei 15%. Es handelt sich um ein Dünnschichtsystem mit der Schichtenfolge:

Glas-n₁-Ag-n₂-Kitt-Glas.

Über die Dicke der Silberschicht wird zunächst die Transmission des Gesamtsystems bestimmt. Damit ist ein Phasenschub verbunden. Die Schicht mit der Dicke n₂ schützt in erster Linie das Silber; sie besteht z. B. aus einem Oxid (Al₂O₃) geeigneter Dicke, z. B. 5 nm. Die Einstellung der gewünschten Phasenschiebung ϕ geschieht schwerpunktmäßig mit der n₁-Schicht. Dafür gilt die Beziehung

wobei zusätzlich gilt:

Δs = (n_Kitt-n₁).d₁.

Erfindungsgemäß hat sich überraschenderweise ergeben, daß für den Fall, daß ein Kitt verwendet wird, für den

n_Kitt < n₁ gilt,

also z. B. für ein n₁ = 1,38, bei Kitten mit n_Kitt = 1,56 bis 1,59, der resultierende Phasenschub mit zunehmender Dicke d₁ der Schicht n₁ zunimmt.

In der Fig. 5a ist graphisch veranschaulicht, wie bei einem unverkitteten Phasenring gemäß Fig. 2 die Phasenschiebung in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ verläuft. Man erkennt im Wellenlängen-Bereich zwischen 425 nm und 600 nm einen Phasenschub zwischen 49° und 55°. In entsprechender Weise wird in Fig. 5b die Transmission dieses unverkitteten Phasenringes der Wellenlänge λ für eine Dicke der Silberschicht d_Ag = 34,5 nm veranschaulicht.

Die Fig. 6a zeigt in einer graphischen Darstellung den Phasenschub als Funktion der Wellenlänge λ für einen Kitt mit der Brechzahl n_Kitt < n₁. Wie zu erkennen ist, liegt der Phasenschub bei einem λ von 437 nm bei 59%, bei einem λ von 482 nm bei 71%, bei einem λ von 546 nm bei 64% und bei einem λ von 585 nm bei 72%. In entsprechender Weise wird in Fig. 6b der Verlauf der Transmission T als Funktion der Wellenlänge λ dargestellt, wobei bei einem λ-Wert von 425 nm eine Transmission von 28% und bei einem λ von ca. 600 nm eine Transmission T von ca. 12% erzielt wird.

In Fig. 7a ist der Phasenschub als Funktion der Wellenlänge λ für einen Kitt mit der Brechzahl n_Kitt < n₁ dargestellt. Bei einem λ von 437 nm ergibt sich ein Phasenschub von 30°, bei einem λ von 482 nm ergibt sich ein Phasenschub von 40°, bei einem λ von 546 nm ergibt sich ein Phasenschub von 42%, und bei einem λ von 585 nm ergibt sich ein Phasenschub von 46%. In entsprechender Weise ist in Fig. 7b der Verlauf der Transmission T als Funktion der Wellenlänge λ dargestellt, wobei bei einem λ von 425 nm eine Transmission von 40% und bei einem λ von 600 nm eine Transmission T von 20% resultiert.

Mit der vorliegenden Erfindung wird es also möglich, einen positiven Phasenkontrast mit einem weitgehend konstanten Phasenschub von 50° bis 55° im Wellenlängenbereich zwischen 425 nm und 600 nm bei einem gleichzeitig realisierten Transmissionsverlauf von T (bei 425 nm) von ca. 35% auf T (bei 600 nm) zwischen 15-20% zu realisieren. Dies gilt für verkittete Systeme genauso wie für unverkittete Anordnungen. Darüber hinaus ermöglicht es die vorliegende Erfindung, jeden positiven Phasenschub zwischen 40° und 60° einzustellen.

Claims

1. Phasenring zur Realisierung eines positiven Phasenkontrastes, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem verkitteten phasenschiebenden Dünnschichtsystem mit dem Aufbau:
(erstes) Substrat-Ag-n_H-Kitt-(zweites) Substrat
besteht, wobei die Silberschicht (Ag) direkt auf dem ersten Substrat aufgebracht ist, welcher sodann eine Schicht mit einer Brechzahl n_H folgt und wobei der Zwischenraum zwischen beiden Substraten mit Kitt ausgefüllt ist derart, daß auch zwischen der n_H-Schicht und dem zweiten Substrat eine durchgehende Kitt-Matrix bestehen bleibt (Fig. 1a).

2. Phasenring zur Realisierung eines positiven Phasenkontrastes, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem unverkitteten phasenschiebenden Dünnschichtsystem mit dem Aufbau:
Substrat-Ag-n_H-Luft
besteht, wobei die Silberschicht (Ag) direkt auf dem Substrat aufgebracht ist, welcher sodann eine Schicht mit einer Brechzahl n_H folgt und wobei auf denjenigen Oberflächenbereichen des Substrates, auf denen keine Ag-Schicht deponiert ist, ebenfalls eine Schicht mit der Brechzahl n_H und einer derartigen Dicke aufgebracht ist, daß sie größer als die Dicke der Ag-Schicht, aber kleiner als die Gesamtdicke der den Phasenring bildenden Schichtfolge Ag-n_H ist (Fig. 2).

3. Phasenring zur Realisierung eines positiven Phasenkontrastes, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem phasenschiebenden Dünnschichtsystem mit dem Aufbau:
(erstes) Substrat-n₁Ag-n₂-Kitt-(zweites) Substrat
besteht, wobei n₁ die Brechzahl derjenigen Schicht ist, die eine Phasenschiebung λ erzeugt und n₂ die Brechzahl derjenigen Schicht ist, die die Silberschicht (Ag) schützt, und wobei der Zwischenraum zwischen beiden Substraten mit Kitt ausgefüllt ist derart, daß auch zwischen der n₂-Schicht und dem zweiten Substrat eine durchgehende Kitt-Matrix bestehen bleibt (Fig. 3).

4. Phasenring nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das bzw. die Substrat(e) aus einem transparenten Medium besteht.

5. Phasenring nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das transparente Medium ein optisches Glas, ein Kunststoff oder ein Kristall ist.

6. Phasenring nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten mit den Dicken n_H, n₁ bzw. n₂ aus dielektrischen Materialien bestehen.

7. Phasenring nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrischen Materialien Titan-Sauerstoff-Verbindungen sind.

8. Phasenring nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Dünnschichtsystem zusätzlich mit einer reflexionsvermindernden Beschichtung versehen ist.

9. Phasenring nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweils resultierende Phasenschub gezielt eingestellt werden kann.

10. Phasenring nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der resultierende Phasenschub bei Verwendung eines Kittes im Brechzahl- Bereich:
1.56 ≦ n_Kitt ≦ 1.59, wobei
zusätzlich gilt:
n_Kitt < n₁,
mit zunehmender Dicke d₁ der Schicht n₁ im Vergleich zum vom Teilsystem Ag-n₂ vorgegebenen Phasenschub zunimmt.

11. Phasenring nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der resultierende Phasenschub bei Verwendung eines Kittes im Brechzahl- Bereich:
1.56 ≦ n_Kitt ≦ 1.59, wobei
zusätzlich gilt:
n_Kitt < n₁,
mit zunehmender Dicke d₁ der Schicht n₁ im Vergleich zum vom Teilsystem Ag-n₂ vorgegebenen Phasenschub abnimmt.