JP2002168762A - 光学的な開口の作製装置 - Google Patents
光学的な開口の作製装置Info
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Abstract
を有する微小開口を形成する作製装置を提供することで
ある。 【解決手段】 錐状のチップ先端に光学的な開口を形成
する開口形成装置において、前記チップと、前記チップ
の近傍に配置され、前記チップと略同じ高さを有するス
トッパーと、 少なくとも前記チップ上に形成された遮
光膜からなる被開口形成体に対して、少なくとも前記チ
ップおよび前記ストッパーの少なくとも一部を覆うよう
な略平面を有する押し込み体を一定の荷重で制御する荷
重手段により前記チップに向かう成分を有する力によっ
て変位させることによって、前記チップ先端に光学的な
開口を形成することを特徴とする光学的な開口を形成す
る開口形成装置。
Description
作製装置に関するものである。特に近視野光を照射・検
出する近視野光デバイスに用いる開口の作製装置に関す
る。
微小な領域を観察するために走査型トンネル顕微鏡(S
TM)や原子間力顕微鏡(AFM)に代表される走査型
プローブ顕微鏡(SPM)が用いられている。SPM
は、先端が先鋭化されたプローブを試料表面に走査さ
せ、プローブと試料表面との間に生じるトンネル電流や
原子間力などの相互作用を観察対象として、プローブ先
端形状に依存した分解能の像を得ることができるが、比
較的、観察する試料に対する制約が厳しい。
光とプローブとの間に生じる相互作用を観察対象とする
ことで、試料表面の微小な領域の観察を可能にした近視
野光学顕微鏡(SNOM)が注目されている。
た光ファイバーの先端に設けられた開口から近視野光を
試料の表面に照射する。開口は、光ファイバーに導入さ
れる光の波長の回折限界以下の大きさを有しており、た
とえば、100nm程度の直径である。プローブ先端に形成
された開口と試料間の距離は、SPMの技術によって制御
され、その値は開口の大きさ以下である。このとき、試
料上での近視野光のスポット径は、開口の大きさとほぼ
同じである。したがって、試料表面に照射する近視野光
を走査することで、微小領域における試料の光学物性の
観測を可能としている。
バープローブを通して試料に向けて比較的強度の大きな
光を導入させることにより、光ファイバープローブの開
口にエネルギー密度の高い近視野光を生成し、その近視
野光によって試料表面の構造または物性を局所的に変更
させる高密度な光メモリ記録としての応用も可能であ
る。強度の大きな近視野光を得るために、プローブ先端
の先端角を大きくすることが試みられている。
て、開口の形成が最も重要である。開口の作製方法の一
つとして、特許公報平5-21201に開示されている方法が
知られている。特許公報平5-21201の開口作製方法は、
開口を形成するための試料として、先鋭化した光波ガイ
ドに遮光膜を堆積したものを用いている。開口の作製方
法は、遮光膜付きの先鋭化した光波ガイドを圧電アクチ
ュエータによって良好に制御された非常に小さな押しつ
け量で硬い平板に押しつけることによって、先端の遮光
膜を塑性変形させている。
65520に開示されている方法がある。特開平11-265520の
開口の作製方法において、開口を形成する対象は、平板
上に集束イオンビーム(FIB)によって形成された突起
先端である。開口の形成方法は、突起先端の遮光膜に、
側面からFIBを照射し、突起先端の遮光膜を除去するこ
とによって行っている。
報平5-21201の方法によれば、光波ガイド一本ずつしか
開口を形成する事ができない。また、特許公報平5-2120
1の方法によれば、移動分解能が数nmの圧電アクチュエ
ータによって押し込み量を制御する必要があるため、開
口形成装置をその他の装置や空気などの振動による影響
が少ない環境におかなくてはならない。また、光伝搬体
ロッドが平板に対して垂直に当たるように調整する時間
がかかってしまう。また、移動量の小さな圧電アクチュ
エータの他に、移動量の大きな機械的並進台が必要とな
る。さらに、移動分解能が小さな圧電アクチュエータを
もちいて、押し込み量を制御するさいに、制御装置が必
要であり、かつ、制御して開口を形成するためには数分
の時間がかかる。したがって、開口作製のために、高電
圧電源やフィードバック回路などの大がかりな装置が必
要となる。また、開口形成にかかるコストが高くなる問
題があった。
加工対象は平板上の突起であるが、FIBを用いて開口を
形成しているため、一つの開口の形成にかかる時間が10
分程度と長い。また、FIBを用いるために、試料を真空
中におかなければならない。従って、開口作製にかかる
作製コストが高くなる問題があった。
鑑みてなされたものであり、錐状のチップ先端に光学的
な開口を形成する開口形成装置において、前記チップ
と、前記チップの近傍に配置され、前記チップと略同じ
高さを有するストッパーと、 少なくとも前記チップ上
に形成された遮光膜からなる被開口形成体に対して、少
なくとも前記チップおよび前記ストッパーの少なくとも
一部を覆うような略平面を有する押し込み体を一定の荷
重で制御する荷重手段により前記チップに向かう成分を
有する力によって変位させることによって、前記チップ
先端に光学的な開口を形成することを特徴とする光学的
な開口を形成する開口形成装置とした。したがって、本
発明の光学的な開口を形成する開口形成装置によれば、
前記チップと略同じ高さを有するストッパーによって、
前記平面の変位が制御されるため、所定の力で平面を押
すだけで簡単に光学的な開口を作製する事ができる。ま
た、真空中、液中、大気中など様々な環境下で開口を作
製することができる。また、光学的な開口を作製する際
に特別な制御装置を必要としないため、光学的な開口を
作製するための装置を単純化する事ができる。また、所
定の力を与える時間を非常に短くすることが容易であ
り、開口作製にかかる時間を短くすることができるた
め、開口作製にかかるコストを低くすることができる。
記チップ先端部の真上に位置する荷重目標点と、前記荷
重手段で発生させる荷重点との、相対位置を制御する位
置制御手段を有する事を特徴とする請求項1記載の光学
的な開口を形成する開口形成装置とした。したがって、
前記可重目標点に対し一定の荷重により前記押し込み体
の変位量を制御する事ができるため、大きさが均一で、
かつ、微小な光学的な開口を簡単に作製する事ができ、
光学的な開口の作製歩留まりを向上させることが容易で
ある。
チップおよび前記ストッパーからなり前記複数個の荷重
目標点に対し同時に荷重する事のできる複数荷重制御手
段を有する事を特徴とする請求項2の光学的な開口を形
成する開口形成装置とした。したがって、また、前記荷
重手段と位置制御手段を自動で制御する自動開口形成手
段を有する事を特徴とする請求項1から請求項3のいず
れかに記載の光学的な開口を形成する開口形成装置とし
た。したがって前記被開口形成体が複数個の前記チップ
および前記ストッパーから構成されているため、一括で
前記力を加えることによって、一度に複数の前記チップ
に光学的な開口を形成することが可能であり、開口一つ
あたりの加工時間を非常に短くすることができ、結果と
して光学的な開口の作製コストを低くすることができ
る。
で制御する自動開口形成手段を有する事を特徴とする請
求項1から請求項3のいずれかに記載の光学的な開口を
形成する開口形成装置とした。したがって前記荷重手段
と位置制御手段を自動で制御することで、オートメーシ
ョン化でき、結果として光学的な開口の作製コストを低
くすることができる。
ついて、添付の図面を参照して詳細に説明する。 (実施の形態1)図1から図3は、本発明の実施の形態
1に係る光学的な開口を形成する開口形成装置を説明す
る図である。。図1に示す、ワーク1000は、基板4上に
形成された透明層5、透明層5の上に形成された錘状のチ
ップ1および尾根状のストッパー2、チップ1、ストッ
パー2および透明層5の上に形成された遮光膜3からな
る。なお、ワーク1000において、透明層5は、必ずしも
必要ではなく、例えば図6の様に遮光膜3は、チップ
1、ストッパー2および基板4上に形成される。また、
遮光膜3は、チップ1にだけ堆積されていてもよい。
トッパー2の高さH2は、数mm以下である。高さH1と高さ
H2の差は、1000nm以下である。チップ1とストッパー2
の間隔は、数mm以下である。また、遮光膜3の厚さは、
遮光膜3の材質によって異なるが、数10nmから数100nm
である。
は、二酸化ケイ素やダイヤモンドなどの可視光領域にお
いて透過率の高い誘電体や、ジンクセレンやシリコンな
どの赤外光領域において透過率の高い誘電体や、フッ化
マグネシウムやフッ化カルシウムなどの紫外光領域にお
いて透過率の高い材料を用いる。また、チップ1の材料
は、開口を通過する光の波長帯において少しでもチップ
1を透過する材料であれば用いることができる。また、
チップ1、ストッパー2および透明層5は、同一の材料
で構成されても良いし、別々の材料で構成されても良
い。遮光膜3は、たとえば、アルミニウム、クロム、
金、白金、銀、銅、チタン、タングステン、ニッケル、
コバルトなどの金属や、それらの合金を用いる。
ップ1上の遮光膜3を塑性変形させている状態を示した
図である。図1で示したワーク1000の上に、チップ1お
よび少なくともストッパー2の一部を覆い、かつ、少な
くともチップ1およびストッパー2側が平面である板6
を載せ、さらに板6の上には、押し込み用具7を載せ
る。押し込み用具7にチップ1の中心軸方向に力Fを加
えることによって、板6がチップ1に向かって移動す
る。チップ1と板6との接触面積に比べて、ストッパー
2と板6との接触面積は、数100〜数万倍も大きい。
したがって、与えられた力Fは、ストッパー2によって
分散され、結果として板6の変位量は小さくなる。板6
の変位量が小さいため、遮光膜3が受ける塑性変形量は
非常に小さい。また、チップ1およびストッパー2は、
非常に小さな弾性変形を受けるのみである。力Fの加え
方は、所定の重さのおもりを所定の距離だけ持ち上げ
て、自由落下させる方法や、所定のバネ定数のバネを押
し込み用具7に取り付け、所定の距離だけバネを押し込
む方法などがある。板6が、遮光膜よりも堅く、チップ
1およびストッパー2よりも柔らかい材料である場合、
チップ1およびストッパー2が受ける力は、板6によっ
て吸収されるため、板6の変位量がより小さくなり、遮
光膜3の塑性変形量を小さくすることが容易となる。
し込み用具7を取り除いた状態を示した図である。遮光
膜3の塑性変形量が非常に小さく、チップ1およびスト
ッパー2が弾性変形領域でのみ変位しているため、チッ
プ1の先端に開口8が形成される。開口8の大きさは、
数nmからチップ1を通過する光の波長の回折限界程度の
大きさである。なお、上記では、押し込み用具7とワー
ク1000の間に板6が挿入されていたが、板6を除去して
直接押し込み用具7で押し込むことによっても同様に開
口8を形成できることは、いうまでもない。開口8に光
を導入するために、基板4をチップ1の形成面と反対側
からエッチングすることによって透明体5またはチップ
1の少なくとも一部を露出させて、開口8への光の導入
口を形成する。また、基板4を透明材料103で構成する
ことによって、光の導入口を形成する工程を省くことが
できるのは言うまでもない。
法によれば、ストッパー2によって板6の変位量を良好
に制御することができ、かつ、板6の変位量を非常に小
さくできるため、大きさが均一で小さな開口8をチップ
1先端に容易に作製することができる。また、基板側か
ら光を照射して、開口8から近視野光を発生させること
ができる。
施の形態1に係る光学的な開口を形成する開口形成装置
を説明する図である。
し、図9(B)はワーク1000の上部より拡大鏡40
2によるワーク1000と透明な平面である板6の観察
像を示す。
器300と拡大鏡402から構成されていて、水平に置
かれたステージ401はワーク1000と透明な平面で
ある板6を重ね合わせて平行に載せられる構造をしてお
り、平面方向に平行稼動ができる様、2軸のボールネジ
式ステージなどから成る。
303を支点とし一定角度から円弧状に自然落下する様
になっていて、回転ギヤ302は、一定方向に回転させ
ると一定角度まで重り301が持ち上がり、更に回転を
加えると重り301が自然落下する様にクラッチや連立
ギヤなどで構成されている。
は、荷重目標点201に対し荷重制御器300の重り3
01が落下後、先端に位置する荷重点304が荷重目標
点に対し垂直な荷重が架かる様位置されている。
た顕微鏡やCCDカメラなどからなり前記301が落下
後の荷重点304が十字スケールの中心にくるよう支軸
303との相対位置にレイアウトされている。
0を載せた後、板6上の荷重目標点201と拡大鏡40
2十字スケールとをステージ401を移動させる事で合
わせる。次に荷重制御器300の回転ギヤ302を回転
させる事で重り301が一定角度より自然落下するた
め、一定の荷重が荷重目標点201に架かることとな
り、ワーク1000上のチップ1に光学的な開口を形成
させる事ができる。
は、荷重制御器300の重り301の落下位置である角
度と重量によって決定されるがこれは、開口サイズ、板
6の材質や遮光膜3の厚さは・材質によって決定され
る。また、重り6の先端部は球状になっており、荷重目
標点201対しなるべく荷重点が小さくなる様に構成さ
れている。
法によれば、荷重目標点に対し繰り返し精度良く一定荷
重を架ける事ができるため、安定的な光学的な開口を形
成させる事が可能となる。また、装置全体のコストも安
く安価に光学的な開口を形成させる事ができる。
を用いて説明する。図4は、基板材料104上に透明材
料103を形成したのち、チップ用マスク101およびス
トッパー用マスク102を形成した状態を示している。図4
(a)は上面図を示しており、図4(b)は、図4(a)のA-A'
で示す位置における断面図を示している。透明材料10
3は、気相化学堆積法(CVD)やスピンコートによって
基板材料104上に形成する。また、透明材料103
は、固相接合や接着などの方法によっても基板材料10
4上に形成することができる。次に、透明材料103上
にフォトリソグラフィ工程によって、チップ用マスク1
01及びストッパー用マスク102を形成する。チップ
用マスク101とストッパー用マスク102は、同時に
形成しても良いし、別々に形成しても良い。
マスク102は、透明材料103の材質と次工程で用い
るエッチャントによるが、フォトレジストや窒化膜など
を用いる。透明材料103は、二酸化ケイ素やダイヤモ
ンドなどの可視光領域において透過率の高い誘電体や、
ジンクセレンやシリコンなどの赤外光領域において透過
率の高い誘電体や、フッ化マグネシウムやフッ化カルシ
ウムなどの紫外光領域において透過率の高い材料を用い
る。
m以下である。ストッパー用マスク102の幅W1は、たと
えば、チップ用マスク101の直径と同じかそれよりも
数10nm〜数μmだけ小さい。また、ストッパー用マスク
102の幅W1は、チップ用マスク101の直径よりも
数10nm〜数μmだけ大きくてもよい。また、ストッパー
用マスク102の長さは、数10μm以上である。
成した状態を示している。図5(a)は上面図であり、図
5(b)は、図5(a)のA-A'で示す位置の断面図である。チ
ップ用マスク101およびストッパー用マスク102を
形成した後、ウエットエッチングによる等方性エッチン
グによってチップ1およびストッパー2を形成する。透
明材料103の厚さとチップ1およびストッパー2の高
さの関係を調整することによって、図1に示す透明層5
が形成されたり、形成されなかったりする。チップ1の
先端半径は、数nmから数100nmである。この後、遮光膜
をスパッタや真空蒸着などの方法で堆積する事によっ
て、図1に示すワーク1000を形成する事ができる。ま
た、遮光膜3をチップ1にだけ堆積する場合、遮光膜3
の堆積工程において、チップ1上に遮光膜が堆積するよ
うな形状を有するメタルマスクを乗せてスパッタや真空
蒸着などを行う。また、ワーク1000のチップが形成され
た面の全面に遮光膜3を堆積した後、チップ1にだけ遮
光膜3が残るようなフォトリソグラフィ工程を用いて
も、チップ1上にだけ遮光膜3を形成する事ができるこ
とは言うまでもない。
1000の作製方法におけるチップ1とストッパー2の高さ
の関係を説明する図である。なお、以下では、チップ用
マスク101の直径が、ストッパー用マスク102の幅
よりも小さい場合について説明する。図7は、図5(a)
で説明した工程において、チップ1とストッパー2だけ
を示した図であり、図8は、図7中B-B'で示す位置のチ
ップ1と、図7中C-C'で示す位置のストッパー2の断面
図である。
状態を示した図である。ストッパー用マスク102の幅
は、チップ用マスク101の直径よりも大きいため、図
8(a)の状態では、ストッパー2の上面には、平らな部
分が残り、この平らな部分上にストッパー用マスク10
2が残っている。しかしながら、チップ用マスク101
は、チップ1との接触面積が非常に小さくなるため、は
ずれてしまう。図8(a)の状態では、チップ1の高さ
H11とストッパー2の高さH22は、同じである。
ッチングを進め、ストッパー2上面の平らな部分がちょ
うどなくなった状態を示している。図8(a)の状態から
さらにエッチングを行うと、チップ用マスク101が無
いチップ1の高さH111は、徐々に低くなっていく。一
方、ストッパー用マスクが残っているストッパー2の高
さH222は、H22と同じままである。ストッパー2の上面
の平らな部分の幅は、徐々に狭くなり、断面形状は図8
(b)に示すように、三角形になる。このときのチップ1
とストッパー2の高さの差ΔHは、チップ用マスク101
の直径とストッパー用マスク102の幅の差、および、
チップ1とストッパー2の先端角によって異なるが、お
およそ1000nm以下程度である。
にエッチングを進めた状態を示している。チップ1の高
さH1111は、高さH111よりも低くなる。同様
に、ストッパーH2222の高さも、高さH222より
も小さくなる。しかし、高さH1111と高さH222
2の減少量は、同じであるため、チップ1とストッパー
2の高さの差ΔHは、変化しない。なお、ストッパー用
マスク102の幅が、チップ用マスク101よりも小さい場合
は、チップ1とストッパー2の高さの関係が逆になるだ
けである。また、チップ用マスク101とストッパー用
マスク102が等しい場合は、チップ1とストッパー2
の高さが等しくなることは言うまでもない。
ば、フォトリソグラフィ工程によってチップ1とストッ
パー2の高さの差ΔHを良好に制御することができる。
したがって、図1から図3で説明した開口作製方法にお
いて、板6の変位量を良好に制御することができる。
1によれば、チップ1とストッパー2の高さを良好に制
御することができ、かつ、ストッパー2を設けることに
よって板6の変位量を小さくすることができるため、分
解能の高いアクチュエータを用いなくても、大きさが均
一で微小な開口8をチップ1先端に形成する事が容易で
ある。我々の実験では、手に持ったハンマーなどで、押
し込み用具7を叩くだけで直径100nm以下の開口8を
形成する事ができた。また、チップ1とストッパー2の
高さが良好に制御されるため、開口8の作製歩留まりが
向上した。また、本発明の実施の形態1で説明したワー
ク1000は、フォトリソグラフィ工程によって作製可能な
ため、ウエハなどの大きな面積を有する試料に、複数個
作製することが可能であり、力Fを一定にすることによ
って複数個作製されたワーク1000それぞれに対して
均一な開口径の開口8を形成する事ができる。また、力
Fの大きさを変えることが非常に簡単なため、複数個作
製されたワーク1000に対して個別に開口径の異なる開口
8を形成する事が可能である。また、単純に力Fを加え
るだけで開口8が形成されるため、開口作製にかかる時
間は数秒から数10秒と非常に短い。また、本発明の実施
の形態1によれば、加工雰囲気を問わない。
すぐに光学顕微鏡などで加工状態を観察できる。また、
走査型電子顕微鏡中で加工することによって、光学顕微
鏡よりも高い分解能で加工状態を観察することも可能で
ある。また、液体中で加工することによって、液体がダ
ンパーの役目をするため、より制御性の向上した加工条
件が得られる。
試料に対して、一括で力Fを加えることによって、開口
径のそろった開口8を一度に複数個作製する事も可能で
ある。一括で加工する場合、ウエハ一枚あたりのワーク
1000の数にもよるが、開口1個あたりの加工時間は、数1
00ミリ秒以下と非常に短くなる。 (実施の形態2)図10(A)と図10(B)は本発明
の実施の形態2に係る光学的な開口を形成する開口形成
装置を説明する図である。
されたワーク1000に対し自動的に開口形成する開口
形成装置を説明する図である。
示し、図10(B)はワーク1000の上部より拡大鏡
402によるワーク1000と透明な平面である板6の
観察像を示す。
説明は省くものとする。
角度を制御する事のできる回転モータとクラッチや連立
ギヤからなり、回転モータは例えばステッピングモータ
やDCモータと角度センサーの組み合せでも良い、拡大
鏡402はCCDカメラを用いて行い、、ステージ40
1もGPIBなどのI/Fを持つXYステージを使用し
た。これらを自動制御器403で制御できる構成とし
た。
タなどの公知のもので、拡大鏡402からの画像データ
により荷重目標点201と荷重点304とを合わせた
後、回転ギヤ302のモータを回転させ、重り301を
自然落下させる様に動作する。これらの動作をシーケン
シャルに制御できるように自動制御器403はプログラ
ミングされている。
置によれば、ワーク1000上に複数個形成されたの被
開口形成体に対し順次光学的な開口を自動で形成させる
事ができ安価に大量生産が可能となる。
び、力Fを制御する事によって、分解能の高いアクチュ
エータを用いなくても、簡単に開口8を形成する事がで
きる。また、チップ1とストッパー2の高さが良好に制
御されるため、開口8の作製歩留まりが向上した。ま
た、本発明の実施の形態1で説明したワーク1000は、フ
ォトリソグラフィ工程によって作製可能なため、ウエハ
などの大きな面積を有する試料に、複数個作製すること
が可能であり、力Fを一定にすることによって複数個作
製されたワーク1000それぞれに対して均一な開口径
の開口8を形成する事ができる。また、力Fの大きさを
変えることが非常に簡単なため、複数個作製されたワー
ク1000に対して個別に開口径の異なる開口8を形成する
事が可能である。
成されるため、開口作製にかかる時間は数10秒以下と非
常に短い。また、本発明の実施の形態1によれば、加工
雰囲気を問わない。従って、大気中で加工する事が可能
でありすぐに光学顕微鏡などで加工状態を観察できる。
また、走査型電子顕微鏡中で加工することによって、光
学顕微鏡よりも高い分解能で加工状態を観察することも
可能である。また、液体中で加工することによって、液
体がダンパーの役目をするため、より制御性の向上した
加工条件が得られる。
試料に対して、一括で力Fを加えることによって、開口
径のそろった開口8を一度に複数個作製する事も可能で
ある。一括で加工する場合、ウエハ一枚あたりのワーク
1000の数にもよるが、開口1個あたりの加工時間は、数1
00ミリ秒以下と非常に短くなる。
ついて説明した図である。
ついて説明した図である。
ついて説明した図である。
である。
である。
である。
ストッパー2の高さの関係を説明する図である。
ストッパー2の高さの関係を説明する図である。
成する開口形成装置を説明する図である。
形成する開口形成装置を説明する図である。
Claims (4)
- 【請求項1】錐状のチップ先端に光学的な開口を形成す
る開口形成装置において、 前記チップと、 前記チップの近傍に配置され、前記チップと略同じ高さ
を有するストッパーと、 少なくとも前記チップ上に形成された遮光膜からなる被
開口形成体に対して、 少なくとも前記チップおよび前記ストッパーの少なくと
も一部を覆うような略平面を有する押し込み体を一定の
荷重で制御する荷重手段により前記チップに向かう成分
を有する力によって変位させることによって、前記チッ
プ先端に光学的な開口を形成することを特徴とする光学
的な開口を形成する開口形成装置。 - 【請求項2】前記押し込み体の上面内において前記チッ
プ先端部の真上に位置する荷重目標点と、 前記荷重手段で発生させる荷重点との、 相対位置を制御する位置制御手段を有する事を特徴とす
る請求項1記載の光学的な開口を形成する開口形成装
置。 - 【請求項3】前記被開口形成体が、 複数個の前記チップおよび前記ストッパーからなり 前記複数個の荷重目標点に対し同時に荷重する事のでき
る複数荷重制御手段を有する事を特徴とする請求項2の
光学的な開口を形成する開口形成装置。 - 【請求項4】前記荷重手段と位置制御手段を自動で制御
する自動開口形成手段を有する事を特徴とする請求項1
から請求項3のいずれかに記載の光学的な開口を形成す
る開口形成装置。
Priority Applications (6)
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---|---|---|---|
JP2000367563A JP4446297B2 (ja) | 2000-12-01 | 2000-12-01 | 開口形成装置 |
AT01310072T ATE340359T1 (de) | 2000-12-01 | 2001-11-30 | Vorrichtung und verfahren zur herstellung einer optischen apertur |
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