DE10242431A1

DE10242431A1 - Electromagnetic radiation or x-ray focussing element, for processing cells or tissues, has structural elements of size that is not much smaller or larger than resolution to be achieved

Info

Publication number: DE10242431A1
Application number: DE2002142431
Authority: DE
Inventors: Lutz Dr. Kipp; Ralph Dr. Seemann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-09-11
Filing date: 2002-09-11
Publication date: 2004-03-25

Abstract

The element comprises a focussing structure for focussing radiation at an outgoing angle that is different from the incidence angle. The focussing structure includes structural elements that have a minimum extent that is not much smaller or larger than the resolution to be achieved using the element. Independent claims are included for a measuring system for measuring the dimensions of the insides of three-dimensional samples with high spatial resolution; and for an apparatus for changing the physical, chemical and/or biological characteristics of the inside of a sample.

Description

Die Erfindung betrifft ein Element zur Fokussierung von elektromagnetischen Strahlen oder Strahlen von Elementarteilchen, insbesondere von Röntgenstrahlen, umfassend eine Fokussierungsstruktur zur Fokussierung der Strahlen mit einem Ausfallswinkel der ungleich dem Einfallswinkel ist, wobei die Fokussierungsstruktur Strukturelemente umfaßt. Die Erfindung betrifft ferner ein Element zur Fokussierung von elektromagnetischen Strahlen oder Strahlen von Elementarteilchen, insbesondere von Röntgenstrahlen, umfassend eine Fokussierungsstruktur mit Strukturelementen, die die Strahlen im wesentlichen reflektieren.The invention relates to an element for focusing electromagnetic rays or rays of elementary particles, in particular of X-rays, comprising one Focusing structure for focusing the beams with an angle of reflection which is not equal to the angle of incidence, the focusing structure Includes structural elements. The invention further relates to an element for focusing electromagnetic Rays or rays of elementary particles, in particular X-rays, comprising a focusing structure with structural elements that essentially reflect the rays.

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.Elements for focusing electromagnetic Rays or rays of elementary particles are known. electromagnetic Rays in the visible range are usually caused by glass lenses, for example focused. Radiation in a wavelength range of the VUV (vacuum Ultra violet) or X-rays can be focused much more difficult. From "physical sheets" 55 (1999) No. 5, P. 17 it is known to be x-rays by using a large Number of lenses, such as 30 to 50 pieces, arranged one behind the other are to focus.

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.It is also known to use light Focus Fresnel zone plates. Fresnel zone plates take advantage of the wave properties of light and especially the Linking the Huygens principle and the interference principle (Huygens-Fresnelsches principle), which is an aid developed in 1818 for determination and explanation of diffraction, especially behind circular apertures or screens.

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.It is assumed that a monochromatic Light source of any extension generates wave fronts. Any point Such a wavefront can be the origin of an elementary Spherical wave can be viewed. The interference of the entirety of these Ball waves leads then to an intensity distribution identical to that of the original one Light source generated.

Eine Fresnelsche Zonenplatte nutzt nun dieses Prinzip aus, indem durch Konstruktion abwechselnd lichtdurchlässiger und lichtundurchlässiger bzw. absorbierender Ringzonen oder reflektierender und nicht reflektierender Ringzonen erreicht wird, daß der Gangunterschied von zwei benachbarten lichtdurchlässigen bzw. reflektierender 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.A Fresnel zone plate uses now this principle by alternately translucent and by construction opaque or absorbent ring zones or reflective and non-reflective Ring zones is achieved that the Path difference of two adjacent translucent or reflective ring zones to the focus of exactly one wavelength of used radiation corresponds to constructive interference in focus leads. The minimum attainable half-width of the intensity maximum in focus and thus the spatial resolution corresponds approximately to the width of the smallest (outer) translucent 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.This is due to the quality of manufacture Such Fresnel zone plates, for example by means of lithography limited. Especially to the outer ring zones is it that this their width would have to be very narrow, which is from a certain narrowness or smallness of the structure is no longer technically feasible, so that Fresnelsche Zone plates have a main diffraction maximum at a given wavelength generate that is relatively large in terms of the geometric extent.

Wird ein Schirm in die 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 bzw. reflektierenden Ringzonen der Zonenplatte ausgehenden Wellen hervorgerufen werden. Auch in dem Raum zwischen dem Schirm bzw. dem Fokus und der Zonenplatte existieren Intensitätsminima und Intensitätsmaxima.If an umbrella is placed in the plane, in which the focus lies and that is parallel to the plane of the zone plate, are about the screen distributes different intensities visible due to the Interference from the permeable or reflecting ring zones of the zone plate outgoing waves are caused. Also in the space between the screen or there are intensity minima in the focus and the zone plate and intensity maxima.

Insbesondere führt die Kreissymmetrie bzw. bei elliptischen Zonenplatten die Symmetrie 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 Intensitätsmaximum 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.In particular, the circular symmetry leads to elliptical zone plates the symmetry of a zone plate to occur of intensity maxima, so-called higher Diffraction orders, on the optical axis (i Center of the ring zones normal). Odd treads Diffraction orders m (3, 5, 7, ..), which result from the fact that the path difference of two neighboring permeable ones Ring zones to the maximum intensity the mth order corresponds exactly to m times the wavelength of the radiation. The intensity takes square with growing Diffraction orders. The intensity corresponds to the third diffraction order 1/9 and the fifth 1/25 of the intensity of the first order. The half-width of the intensity maximum of the mth order 1 / m the width of the first order.

Die Verwendung der bekannten 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.The use of the known elements for Focusing of electromagnetic rays or of rays of elementary particles, whereby for the Radiation of elementary particles the wave property of the elementary particles is exploited, have the disadvantage that in the case of the usual Fresnel zone plate many intensity maxima due to interference generated so that a Use of such zone plates for high-resolution measuring systems or high-resolution equipment to change properties of areas of samples is unsuitable. In particular it is also due to the intensity maxima present in the direction of propagation not reliably possible, areas within to measure or change a sample without changing the areas that lie in front of it, i.e. to the surface towards measuring or with correspondingly high intensity change.

Die optischen Eigenschaften werden insbesondere dadurch beeinträchtigt, daß die Elemente nicht 'mit beliebig großen Durchmessern gefertigt werden können. In Realitas wird bei jedem optischen Element, ob refraktiv, reflektiv 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 lediglich zu einer Verkleinerung des Abstands zwischen den Nebenmaxima, nicht jedoch zu einer Reduktion von deren Höhe bzw. deren Intensität.The optical properties are particularly affected by the fact that the elements cannot be manufactured with diameters of any size. In Realitas, the incident radiation is cut off somewhere with every optical element, whether refractive, reflective or diffractive. Because of this clipping, intensity levels occur maxima of up to 5% of the main maximum, which also contribute to broadening the main maxima of different orders. This is a general clipping effect that is known, for example, from the theory of digital filters. An increase in the diameter of the optical element only leads to a reduction in the distance between the secondary maxima, but not to a reduction in their height or their intensity.

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.After all, such zone plates with high-intensity radiation with high power especially in VUV or X-ray area can only be used insufficiently, for example when using a metal as a zone plate material, the permeable areas through recess of the metal and because of that narrow bars for a stable structure between the impermeable Zone areas would have to be used, which themselves lead to disturbances or Cause interference and which cause that the Extremely low heat dissipation would be so that at high power consumption the zone plates used are destroyed would.

Auch die aus den physikalischen Blättern (1955, 1999, Nr. 5, S. 17) bekannten Elemente zur Fokussierung von Röntgenstrahlen sind für höchstauflösende Meßsysteme, insbesondere im Inneren von Körpern, wenig geeignet, da diese nur wenig Leistung aufnehmen können. Elemente zur Fokussierung von elektromagnetischen Strahlen oder Strahlen von Elementarteilchen sind beispielsweise aus dem Patent DE 199 56 782 C2 der Anmelder und der Patentanmeldung DE 101 25 870.4-51 der Anmelder bekannt.The elements known from the physical sheets (1955, 1999, No. 5, p. 17) for focusing X-rays are also not very suitable for high-resolution measuring systems, especially inside bodies, since they can only absorb a little power. Elements for focusing electromagnetic rays or rays from elementary particles are, for example, from the patent DE 199 56 782 C2 the applicant and the patent application DE 101 25 870.4-51 the applicant known.

Einen guten Überblick über Fokussierelemente gibt der Review Article von P. DHEZ, P. Chevallier, T. B. Luca torto und C. Tarrio in Review of Scientific Instruments, Vol. 70, No. 4, 1999, S. 1907 ff.It gives a good overview of focusing elements the review article by P. DHEZ, P. Chevallier, T. B. Luca torto and C. Tarrio in Review of Scientific Instruments, Vol. 70, No. 4, 1999, P. 1907 ff.

Ferner ist aus der Veröffentlichung von YU.A.Basov, D. V. Roshchupkin, I.A. Schelokov und A.E. Yakshin in Optics Communications 114 (1995), S. 9 bis 12 eine Fresnelsche Zonenplatte zur zweidimensionalen Fokussierung von Röntgenstrahlen bei streifendem Einfall bekannt. Die Fresnelsche Zonenplatte hat hierbei eine auf die unterschiedlichen Einfalls- und Ausfallswinkel angepaßte Form, wobei die Ringzonen in einer annähernden elliptischen Form ausgebildet sind. Die Ringzonen haben eine elliptische Form, wenn die Fokalebene genauso weit von der Fresnelschen Zonenplatte entfernt wäre wie die Röntgenquelle. In dem Ausführungsbeispiel, das in diesem Dokument genannt ist, sind unterschiedliche Entfernungen vorgesehen, wobei sich eine Art eiförmige Abflachung der Fresnelschen Zonenplatte ergibt. Durch dieses Fokussierelement können Röntgenstrahlen bei streifendem Einfallswinkel entsprechend fokussiert werden, wobei bekannterweise davon ausgegangen wird, daß bei Fresnelschen Zonenplatten die Auflösung des Fokus abhängt von der kleinsten Struktur, d.h. der Weite der äußersten Ringzone.Furthermore, from the publication by YU.A.Basov, D.V. Roshchupkin, I.A. Schelokov and A.E. Yakshin in Optics Communications 114 (1995), pp. 9 to 12 a Fresnelsche Zone plate for two-dimensional focusing of X-rays known in grazing incidence. The Fresnel zone plate has one on the different angles of incidence and reflection adapted Shape, the ring zones being formed in an approximately elliptical shape are. The ring zones have an elliptical shape when the focal plane would be as far from the Fresnel zone plate as the X-ray source. In the embodiment, that are mentioned in this document are different distances provided, with a kind of egg-shaped flattening of the Fresnel Zone plate results. X-rays can be transmitted through this focusing element can be focused accordingly with grazing angle of incidence, whereby As is known, it is assumed that in Fresnel zone plates the resolution the focus depends of the smallest structure, i.e. the width of the outermost ring zone.

In der Patentanmeldung DE 101 25 870.4-51 der Anmelder wird dieses Problem, daß nämlich die Auflösung der Fresnelschen Zonenplatte abhängt von der kleinsten Struktur der Fresnelschen Zonenplatte dadurch umgangen, daß zum äußeren Bereich der Fresnelschen Zonenplatte die zur konstruktiven Interferenz beitragenden Bereiche derart vergrößert werden, daß Beugungsmaxima höherer Ordnung in das Beugungsmaximum 1. Ordnung abgebildet werden. Um außerdem zum einen die Intensität im Fokus im Vergleich zur Intensität außerhalb des Fokus zu vergrö ßern, werden Teile der an sich bei den Ringzonen für die konstruktive Interferenz benutzten Bereiche von der konstruktiven Interferenz ausgeschlossen und ferner, um Seitenbänder bzw. Nebenmaxima zu vermeiden, wird ein Filter angewendet, wie beispielsweise ein Weber-Filter, also ein Polynom 3. Ordnung mit entsprechend vorgebbaren Koeffizienten. Dieses Fokussierelement, das in der DE 101 25 870.4-51 dargestellt ist, beschreibt allerdings nur in Durchstrahlung fokussierende Elemente. Die Fresnelschen Zonenplatten der Veröffentlichung von Yu.A.Basov et al.in Optics Communications beschreibt keinerlei Methode, um die Auflösung der dort verwendeten Fresnelschen Zonenplatte zu verbessern.In the patent application DE 101 25 870.4-51 The applicant gets around this problem, namely that the resolution of the Fresnel zone plate depends on the smallest structure of the Fresnel zone plate by circumventing the areas contributing to the constructive interference to the outer region of the Fresnel zone plate in such a way that diffraction maxima of higher order into the diffraction maximum 1 , Order are mapped. In order to increase the intensity in focus compared to the intensity out of focus, parts of the areas used for the constructive interference in the ring zones are excluded from constructive interference and, furthermore, to avoid sidebands or secondary maxima a filter is applied, such as a Weber filter, i.e. a polynomial 3 , Order with correspondingly predeterminable coefficients. This focusing element, which in the DE 101 25 870.4-51 is shown, however, only describes elements focusing in radiation. The Fresnel zone plate of the publication by Yu.A.Basov et al.in Optics Communications does not describe any method to improve the resolution of the Fresnel zone plate used there.

Es ist demgegenüber Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Element zur Fokussierung von elektromagnetischen Strahlen oder Strahlen von Elementarteilchen derart weiterzubilden, daß die Auflösung und/oder der Kontrast des von dem Fokussierelement gebildeten Fokus verbessert wird.In contrast, it is the task of the present Invention, an element for focusing electromagnetic To further develop rays or rays of elementary particles in such a way that the resolution and / or the contrast of the focus formed by the focusing element is improved.

Gelöst wird diese Aufgabe durch Weiterbildung eines Elements zur Fokussierung von elektromagnetischen Strahlen oder Strahlen von Elementarteilchen, insbesondere von Röntgenstrahlen, umfassend eine Fokussierungsstruktur zur Fokussierung der Strahlen in einem Ausfallswinkel der ungleich dem Einfallswinkel ist, wobei die Fokussierungsstruktur Strukturelemente 20 umfaßt, dadurch, daß die Strukturelemente eine kleinste Ausdehnung haben, die nicht viel kleiner bis größer als die mit dem Element zu erzielende Auflösung ist.This object is achieved by developing an element for focussing electromagnetic rays or rays from elementary particles, in particular x-rays, comprising a focussing structure for focussing the rays at an angle of incidence which is not equal to the angle of incidence, the focussing structure being structural elements 20 comprises, in that the structural elements have a smallest dimension, which is not much smaller to larger than the resolution to be achieved with the element.

Es wurde nämlich erfindungsgemäß festgestellt, daß eine verbesserte Auflösung und insbesondere ein höherer Kontrast dadurch erzielbar ist, daß die Größe der kleinsten Ausdehnung der zur Interferenz beitragenden Strukturelemente größer sein kann, als bisher angenommen, wenn der Einfallswinkel unterschiedlich groß ist als der Ausfallswinkel. Hierzu werden im Zusammenhang mit den Figuren nähere Erläuterungen folgen. Im Rahmen der Erfindung bedeutet der Begriff kleinste Ausdehnung insbesondere eine Länge der Struktur von einem Ende der Struktur zum anderen Ende der Struktur, die in der Gesamtheit aller Längen die kürzeste ist. Unter dem Begriff "Auflösung" wird beispielsweise die volle Breite bei halber Höhe der Intensität im Fokus verstanden.According to the invention, it was found that a improved resolution and especially a higher one Contrast can be achieved in that the size of the smallest dimension structural elements that contribute to interference can be larger, than previously assumed if the angle of incidence is different than the angle of reflection. For this purpose, more detailed explanations are given in connection with the figures consequences. In the context of the invention, the term means smallest extent especially a length the structure from one end of the structure to the other end of the structure, that in the entirety of all lengths the shortest is. For example, the term "resolution" the full width at half the height the intensity understood in focus.

Vorzugsweise ist der Ausfallswinkel mehr als 1,5 mal so groß wie der Einfallswinkel, so daß eine sehr gute Trennung des beispielsweise reflektierten Strahls 0. Ordnung von dem der 1. Ordnung möglich ist. Vorzugsweise ist das Element für streifenden Einfall optimiert, wodurch die kleinste Ausdehnung der Strukturelemente verhältnismäßig groß werden kann. Wenn das Element für Einfallswinkel zwischen 0° und 10° optimiert ist, sind sehr hohe Kontraste möglich.The angle of reflection is preferably more than 1.5 times as large as the angle of incidence, so that a very good separation of the reflected beam, for example 0 , Order of which the 1st order is possible. The element is preferably optimized for grazing incidence, as a result of which the smallest dimension of the structural elements can become relatively large. If the element is optimized for angles of incidence between 0 ° and 10 °, very high contrasts are possible.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung entspricht die Fokussierungsstruktur die einer Fresnelschen Zonenplatte, wodurch ein besonders einfach herzustellendes Fokussierelement möglich ist. Wenn die Ringzonen der Fresnelschen Zonenplatte, die zur konstruktiven Interferenz beitragen, wenigstens teilweise derart ausgestaltet sind, daß diese nicht zur konstruktiven Interferenz beitragen, ist eine sehr gute Auflösung und ein hoher Kontrast möglich. Bezüglich dieser vorzugsweisen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Elements wird vollumfänglich Bezug genommen auf die DE 199 56 782 C2 bzw. die DE 101 25 870.4-51 der Anmel der, die beide vollumfänglich in den Offenbarungsgehalt dieser Anmeldung aufgenommen sein sollen.In a preferred embodiment of the invention, the focusing structure corresponds to that of a Fresnel zone plate, as a result of which a focusing element that is particularly easy to produce is possible. If the ring zones of the Fresnel zone plate, which contribute to the constructive interference, are at least partially configured such that they do not contribute to the constructive interference, a very good resolution and a high contrast are possible. With regard to this preferred embodiment of the element according to the invention, reference is made in full to the DE 199 56 782 C2 or the DE 101 25 870.4-51 the applicant, both of whom are to be included in full in the disclosure content of this application.

Nebenmaxima können dadurch vermindert werden, daß wenigstens ein Bereich des Elements eine Filterfunktion aufweist, mittels der die zur konstruktiven Interferenz beitragenden Strukturelemente eine Phasenverschiebung und/oder eine Amplitudenänderung bewirken. Mit der Filterfunktion ist es ferner möglich, das Strahlprofil der Strahlen anzupassen.Secondary maxima can be reduced that at least a region of the element has a filter function by means of which the structural elements contributing to constructive interference Cause phase shift and / or an amplitude change. With the filter function it is also possible adjust the beam profile of the beams.

Die Aufgabe wird ferner durch ein Element zur Fokussierung von elektromagnetischen Strahlen oder Strahlen von Elementarteilchen, insbesondere von Röntgenstrahlen, umfassend eine Fokussierungsstruktur mit Strukturelementen, die die Strahlen im wesentlichen reflektieren, gelöst, das dadurch weitergebildet ist, daß wenigstens ein Bereich der Fokussierungsstruktur eine Filterfunktion aufweist, mittels der die zur konstruktiven Interferenz beitragenden Strukturelemente eine Phasenverschiebung und/oder eine Amplitudenänderung bewirken. Hierbei wird von einer ähnlichen erfindungsgemäßen Idee ausgegangen wie in der DE 101 25 870.4-51 , in der die erfindungsgemäße Idee allerdings auf Fokussierelemente angewendet wird, die reflektieren. Durch die erfindungsgemäße Lösung ist eine große Auflösung des fokussierten Strahls und ein großer Kontrast desselben möglich. Wenn der Amplitudenbeitrag der Strukturelemente zum Rand der Fokussierungsstruktur hin weniger wird, kann ein sehr weicher Übergang der Amplitudenbeiträge der jeweiligen reflektierenden Strukturelemente erzielt werden.The object is further achieved by an element for focusing electromagnetic rays or rays of elementary particles, in particular X-rays, comprising a focusing structure with structural elements which essentially reflect the rays, which is further developed in that at least a region of the focusing structure has a filter function , by means of which the structural elements contributing to the constructive interference cause a phase shift and / or an amplitude change. This is based on a similar idea according to the invention as in the DE 101 25 870.4-51 , in which, however, the idea according to the invention is applied to focusing elements which reflect. The solution according to the invention enables a high resolution of the focused beam and a high contrast thereof. If the amplitude contribution of the structure elements to the edge of the focusing structure becomes less, a very smooth transition of the amplitude contributions of the respective reflective structure elements can be achieved.

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. The filter function is preferably a polynomial 3 , Order. For this purpose, for example, a function is preferably used that was formulated by Cappellini for the design of digital filters. This function is as follows: f (t) = at 3 + bt 2 + 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 ein Weber-artiges Fenster bzw. eine Filterfunktion nach Weber besonders geeignet, 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. N. Manch, 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 bzw. Abbildung auf bspw. eine Ellipse 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, bzw. reflektierenden Ringzone zur Intensität im Fokus beiträgt, gleich einer Konstanten multipliziert mit der Weber-Funktion bzw. einer anderen gewählten Filterfunktion ist.a, b, c and d are corresponding Kostanten and t is a number between 0 and 1.5, with 0 in the center is arranged and 1.5 on the edge of the zone plate. For the invention is a Weber-like window or filter function according to Weber particularly suitable for 0 ≤ t ≤ 0.75: a = 0.828217, b = - 1.637363, c = 0.041186 and d = 0.99938 and for 0.75 ≤ t ≤ 1.5: a = 0.065062, b = 0.372793, c = - 1.701521 and d = 1.496611, see in particular V. Cappellini, A.G. Constantinides and P. Emiliani, Digital Filters and their Applications, Vol. 4, Techniques of Physics, N. N. Manch, H. N. Daglish (Eds.) (Springer, Berlin, 1981). It can however, other window functions or filter functions can also be used such as a Hanning window, a Hamming window or a Blackman window. It goes without saying that these mathematically one-dimensional window functions in the optical according to the invention Elements, for example, by rotation or mapping on e.g. an ellipse is designed two-dimensionally. The scope of this invention applied filter function is two-dimensional or flat. The Filter function now leads that the summed amplitude of the waves starting from the same translucent or reflective ring zone contributes to the intensity in focus, equal a constant multiplied by the Weber function or one other selected filter function is.

Bezüglich der Filterfunktion, die vorzugsweise eine Weber-Funktion ist, wird auch vollumfänglich auf die DE 101 25 870.4.51 der Anmelder verwiesen.Regarding the filter function, which is preferably a Weber function, is also fully on the DE 101 25 870.4.51 referred to the applicant.

Vorzugsweise entspricht die Fokussierungsstruktur einer Fresnelschen Zonenplatte. Durch diese vorzugsweise Ausgestaltung des Fokussierungselements ist eine relativ einfache Herstellung möglich. Ferner ist eine relativ hohe Intensität der reflektierten Strahlen gegeben.The focusing structure preferably corresponds a Fresnel zone plate. This preferred configuration of the focusing element is a relatively simple manufacture possible. Further is a relatively high intensity given the reflected rays.

Wenn die Ringzonen der Fresnelschen Zonenplatte, die zur konstruktiven Interferenz beitragen, wenigstens teilweise derart ausgestaltet sind, daß diese nicht zur konstruktiven Interferenz beitragen, wird die erfindungsgemäße Idee aus der DE 199 56 782 C2 angewendet.If the ring zones of the Fresnel zone plate, which contribute to the constructive interference, are at least partially configured such that they do not contribute to the constructive interference, the idea according to the invention is derived from the DE 199 56 782 C2 applied.

Es ist auch möglich, eine der erfindungsgemäßen Ideen aus der DE 101 25 870.4-51 anzuwenden, wonach nämlich auch entsprechende Strukturelemente vorgesehen sind, die nicht nur in dem Bereich reflektieren, die bei einer normalen Fresnelschen Zonenplatte zur konstruktiven Interferenz beitragen würden, sondern auch über diesen Bereich hinaus, so daß insgesamt ein Fokussierungselement geschaffen wird, das Beugungsmaxima höherer Ordnungen z.B. das der 3. und der 5. Ordnung auch im Fokus des Beugungsmaximums 1. Ordnung abbildet. Hierdurch wird die Auflösung des Fokussierungselements weiter verbessert.It is also possible to use one of the ideas according to the invention from the DE 101 25 870.4-51 apply, according to which corresponding structural elements are provided that reflect not only in the area that would contribute to constructive interference in a normal Fresnel zone plate, but also beyond this area, so that overall a focusing element is created, the diffraction maxima of higher orders, for example that of the 3rd and 5th order also in the focus of the diffraction maximum 1 , Depicts order. This further improves the resolution of the focusing element.

Vorzugsweise umfaßt ein Meßsystem, insbesondere zum Vermessen von inneren Bereichen dreidimensionaler Proben mit hoher Ortsauflösung wenigstens ein Element der vorbezeichneten und erfindungsgemäßen Art, eine Strahlenquelle und wenigstens einen Detektor. Durch die Verwendung der oben beschriebenen und erfindungsgemäßen Elemente ist eine Ortsauflösung des Meßsystems bis hin zur halben Wellenlänge der verwendeten Strahlung möglich, wobei ein sehr hoher Kontrast realisierbar ist. 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 Elements im Vergleich zur restlichen Intensität, die nicht im Fokus angeordnet ist, deutlich höher ist, als bei anderen herkömmlichen optischen Elementen.Preferably comprises a measuring system, esp especially for measuring inner areas of three-dimensional samples with high spatial resolution, at least one element of the aforementioned type and according to the invention, a radiation source and at least one detector. By using the elements described above and according to the invention, a spatial resolution of the measuring system up to half the wavelength of the radiation used is possible, it being possible to achieve a very high contrast. Such measuring systems make it possible, in particular, to also carry out measurements inside samples which would not be possible to measure easily and without destroying the sample in conventional measuring methods. The reason for this is that the intensity of the focus of the element is significantly higher than that of other conventional optical elements compared to the remaining intensity, which is not arranged in the focus.

Vorzugsweise umfaßt eine Apparatur zur Veränderung der physikalischen und/oder biologischen Eigenschaften eines Bereichs einer Probe, insbesondere eines inneren Bereichs einer Probe, umfassend eine kohärente intensive Strahlenquelle und ein erfindungsgemäßes Element, das vorstehend beschrieben wurde. Vorzugsweise ist in dem zu verändernden Bereich der Probe die Probe schmelzbar, chemisch veränderbar oder dort angeordnete lebende Zellen sind zerstörbar.Preferably includes an alteration apparatus the physical and / or biological properties of an area a sample, in particular an inner region of a sample a coherent intense radiation source and an element according to the invention, the above has been described. Is preferably in the to be changed Area of the sample the sample is meltable, chemically changeable or living cells arranged there can be destroyed.

Vorzugsweise wird wenigstens ein Element der erfindungsgemäßen Art zur Materialbearbeitung, insbesondere im Inneren von Körpern oder auf der Oberfläche verwendet. Hierbei sei insbesondere an die Lithographie gedacht. Wenn wenigstens ein erfindungsgemäßes Element, das vorstehend beschrieben wurde, zur Veränderung oder Zerstörung von lebenden Zellen und/oder Gewebe von Lebewesen verwendet wird, können sehr gezielt Zellen und Gewebe zerstört bzw. verändert werden. Hierbei ist insbesondere an Krebszellen im Körper von Menschen zu denken. Ferner können entsprechende erfindungsgemäße Elemente bzw. Apparaturen oder Meßsysteme in Datenspeichern Verwendung finden. Hierzu wird wenigstens ein Element der erfindungsgemäßen Art zur Veränderung und/oder zum Lesen eines Dateninhalts eines Datenspeichersystems verwendet.Preferably at least one Element of the type according to the invention for material processing, especially inside bodies or on the surface used. In particular, lithography should be considered here. If at least one element according to the invention, the above has been described for change or destruction is used by living cells and / or tissue of living things, can cells and tissues are destroyed or changed in a very targeted manner. Here is particular cancer cells in the body to think of people. Can also corresponding elements according to the invention or equipment or measuring systems find use in data storage. For this, at least one element of the type according to the invention to change and / or for reading a data content of a data storage system used.

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, auf die im übrigen bezüglich der Offenbarung aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird. Es zeigen:The invention is hereinafter without restriction the general inventive concept based on exemplary embodiments described with reference to the drawings, to the rest of the reference Disclosure of all details according to the invention not explained in detail in the text is expressly referred to becomes. Show it:

1 eine schematische dreidimensionale Darstellung eines Aufbaus zur Vermessung einer Probe, 1 3 shows a schematic three-dimensional representation of a setup for measuring a sample,

2 eine schematische seitliche Darstellung eines erfindungsgemäßen Fokussierelements, 2 2 shows a schematic side view of a focusing element according to the invention,

3 eine schematische dreidimensionale Darstellung eines weiteren erfindungsgemäßen Fokussierelements, 3 2 shows a schematic three-dimensional representation of a further focusing element according to the invention,

4a) eine schematische Draufsicht auf einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Fokussierelements, 4a ) a schematic plan view of a section of a focusing element according to the invention,

4b) eine weitere schematische Draufsicht auf ein weiteres erfindungsgemäßes Fokussierelement, 4b ) a further schematic plan view of a further focusing element according to the invention,

5 eine dreidimensionale schematische Darstellung eines weiteren erfindungsgemäßen Fokussierelements, 5 2 shows a three-dimensional schematic representation of a further focusing element according to the invention,

6a) eine Draufsicht des Fokussierelements aus' 5, 6a ) a top view of the focusing element from ' 5 .

6b) einen Ausschnitt der Darstellung von 6a), 6b ) a section of the representation of 6a )

6c) eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer erfindungsgemäßen Filterfunktion, 6c ) a schematic representation to explain a filter function according to the invention,

7 eine Fehlfarbendarstellung der Größe von für eine gewünschte Auflösung benötigten Strukturelementen über dem Einfallswinkel und dem Ausfallswinkel, 7 a false color representation of the size of structural elements required for a desired resolution over the angle of incidence and the angle of reflection,

8 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Kontrastes verschiedener Fokussierelemente. 8th a schematic representation to explain the contrast of different focusing elements.

Im folgenden sind für die gleichen Elemente dieselben Bezugsziffern verwendet worden, so daß von einer erneuten Vorstellung jeweils abgesehen wird.The following are for the same Elements the same reference numerals have been used, so that of a will not be presented again.

1 zeigt eine schematische dreidimensionale Darstellung eines Meßaufbaues zur Vermessung einer Probe 15. Ein einfallender Röntgenstrahl 10 fällt auf ein Fokussierelement 13. Die direkten reflektierten Strahlen des einfallenden Röntgenstrahls 10 sind als reflektierter Strahl 0. Ordnung 11 bezeichnet: Mittels des Beugungsphänomens wird ein reflektierter Strahl 1. Ordnung 12 gebildet, der auf der Probe 15 fokussiert ist. Durch den einfallenden fokussierten Strahl 1. Ordnung 12 werden auf der Probe 15 beispielsweise Elektronen herausgeschlagen, so daß die elektronische Struktur der Probe 15 vermessen werden kann. 1 shows a schematic three-dimensional representation of a measurement setup for measuring a sample 15 , An incident x-ray 10 falls on a focusing element 13 , The direct reflected rays of the incident x-ray 10 are as a reflected beam 0 , order 11 denotes: By means of the diffraction phenomenon is a reflected beam 1 , order 12 formed that on the sample 15 is focused. Due to the incident focused beam 1 , order 12 be on trial 15 For example, electrons knocked out, leaving the electronic structure of the sample 15 can be measured.

Die Energie der einfallenden Strahlen kann in einem Bereich zwischen dem infraroten bspw. und harten Röntgenstrahlen liegen, wobei ein bevorzugter Bereich zwischen 10 eV und 10 keV zur Vermessung der elektronischen Struktur von Proben zu nennen ist. Das Fokus sierelement 13 ist auf einem Kühlelement 19 aufgebracht, um die in Wärme umgewandelte Strahlung abführen zu können. Dies ist insbesondere bei einer Strahlung mit hoher Leistung notwendig, wie bspw. bei einem freien Elektronenlaser, der im Hasylab beim Deutschen Elektronensynchrotron in Hamburg vorgesehen ist.The energy of the incident rays can lie in a range between the infrared, for example, and hard X-rays, a preferred range between 10 eV and 10 keV being mentioned for measuring the electronic structure of samples. The focus element 13 is on a cooling element 19 applied in order to be able to dissipate the radiation converted into heat. This is particularly necessary for high-power radiation, such as a free electron laser that is provided in the Hasylab at the German Electron Synchrotron in Hamburg.

Die Strahlen 0. Ordnung 11 werden durch hin Absorptionselement 14 absorbiert, so daß diese zum Untergrund im Fokus des reflektierten Strahls 1. Ordnung 12 auf der Probe 15 im wesentlichen nicht mehr beitragen. Durch diese Maßnahme ist schon ein relativ hoher Kontrast möglich. Die Probe 15 ist auf einem x-y-z-Manipulator aufgebracht, mittels der die Probe in allen drei Raumrichtungen bewegbar ist. Die aus der Probe 15 ausgelösten Elektronen werden mittels eines Elektronenanalysators 18 vermessen. Die Ortsauflösung liegt in diesem Ausführungsbeispiel zwischen 10 nm bis 1 μm. Die Energieauflösung liegt bei unter 10 meV und die Winkelauflösung des emittierten Elektronenstrahls liegt bei < 0,1°.The Rays 0 , order 11 are due to absorption element 14 absorbed, so that this to the background in the focus of the reflected beam 1 , order 12 on the test 15 essentially no longer contribute. A relatively high contrast is already possible with this measure. The sample 15 is applied to an xyz manipulator, by means of which the sample can be moved in all three spatial directions. The from the sample 15 Electrons are released using an electron analyzer 18 measured. In this exemplary embodiment, the spatial resolution is between 10 nm and 1 μm. The energy resolution is below 10 meV and the angular resolution of the emitted electron beam is <0.1 °.

Es ist auch möglich, die aus der Probe 15 ausgelösten Photonen bzw. reflektierten Photonen mit einem Analysator zu vermessen.It is also possible to get out of the sample 15 triggered photons or reflected photons with an analyzer.

Als Fokussierelement 13 können bspw. auf LiF2 aufgebrachte Cr-Strukturelemente Verwendung finden. Diese Kombination eignet sich insbesondere bei Strahlenenergien von 200 eV. Die minimale Strukturgröße, die hier Verwendung findet, liegt bei 200 nm und die Auflösung im Fokus bei 100 nm. Der Einfallswinkel ∝ liegt bei 10°, der Ausfallswinkel bei 20° und die Größe des Fokussierelements liegt bei 5,2 × 1,8 mm². Der Abstand des Fokussierelements zur Probe beträgt 30 mm.As a focusing element 13 For example, Cr structural elements applied to LiF2 can be used. This combination is particularly suitable for radiation energies of 200 eV. The minimum structure size used here is 200 nm and the resolution in focus is 100 nm. The angle of incidence ∝ is 10 °, the angle of reflection is 20 ° and the size of the focusing element is 5.2 × 1.8 mm ^2nd The distance between the focusing element and the sample is 30 mm.

Bei einer Energie der einfallenden Strahlen von 5 keV ereignet sich bspw. eine Kombination aus einer Fokussiersystemstruktur mit aus Chrom (Cr) bestehenden Strukturelementen, die auf einem SiO₂-Trägermaterial aufgebracht ist. Der Einfallswinkel beträgt hierbei beispielsweise 0,5° und der Ausfallswinkel 3°. Der Abstand zwischen Probe und Fokussierungselement beträgt 80 mm, die Größe des Fokussierungselements beträgt 5,4 × 0,3 mm. Die kleinste Ausdehnung der Strukturelemente beträgt 200 nm und die Auflösung des reflektierten Strahls 1. Ordnung 12 im Fokus beträgt 70 nm.With an energy of the incident rays of 5 keV, for example, a combination of a focusing system structure with structure elements consisting of chromium (Cr) occurs, which is applied to an SiO ₂ carrier material. The angle of incidence is, for example, 0.5 ° and the angle of reflection is 3 °. The distance between the sample and the focusing element is 80 mm, the size of the focusing element is 5.4 × 0.3 mm. The smallest dimension of the structural elements is 200 nm and the resolution of the reflected beam 1 , order 12 the focus is 70 nm.

2 zeigt eine schematische seitliche Ansicht eines erfindungsgemäßen Fokussierelements 13 mit entsprechenden schematisch angedeuteten reflektierenden Stegen 20, die im folgenden Strukturelemente genannt werden. Der einfallende Röntgenstrahl bzw. VUV-Strahl 10 strahlt mit einem Winkel ∝ auf das Fokussierelement 13 ein und wird mit einem Winkel ∝ als reflektierter Strahl 0. Ordnung 11 abgestrahlt. Der reflektierte Strahl 1. Ordnung 12 bzw. der gebeugte Strahl 1. Ordnung 12 gelangt mit einem Ausfallswinkel β von dem Fokussierelement 13 zum Fokus. In 2 ist noch ein Abstand zum Fokus 1. Ordnung z dargestellt, der in Bezug auf die 8 von Relevanz ist. 2 shows a schematic side view of a focusing element according to the invention 13 with corresponding schematically indicated reflecting webs 20 , which are called structural elements in the following. The incident X-ray or VUV beam 10 shines on the focusing element at an angle ∝ 13 and is used with an angle ∝ as a reflected beam 0 , order 11 radiated. The 1st order reflected beam 12 or the diffracted beam 1 , order 12 comes from the focusing element with an angle of reflection β 13 to focus. In 2 is still a distance from the focus 1 , Order z represented that in relation to the 8th is relevant.

3 zeigt ein erfindungsgemäßes Fokussierelement, bei dem schon genauer erkennbar ist, wie dieStrukturelemente 20 ausgestaltet und angeordnet sind. Es handelt sich hierbei um unterschiedlich große Strukturelemente, die stochastisch auf entsprechenden reflektierenden Bereichen einer entsprechenden Fresnelschen Zonenplatte angeordnet sind, wobei einige Strukturelemente 20 größer in deren kleinsten Ausdehnung, nämlich in deren Durchmesser sind. Es handelt sich hierbei um Kreise bzw. 3 shows a focusing element according to the invention, in which it can already be seen more precisely how the structural elements 20 are designed and arranged. These are structural elements of different sizes, which are arranged stochastically on corresponding reflecting regions of a corresponding Fresnel zone plate, some structural elements 20 are larger in their smallest dimension, namely in their diameter. These are circles or

Zylinder, die größer als die an dem jeweiligen Ort der Fresnelschen Zonenplatte vorgegebenen Zonenbreite sind. Für das bessere Verständnis wird insbesondere auf 4b) verwiesen und auf die DE 101 25 870.4-51 der Anmelder. Es wird insbesondere auf die Figuren der eben genannten Patentanmeldung verwiesen und insbesondere auf die 2 mit der dazugehörigen Figurenbeschreibung. Es handelt sich hierbei um Strukturelemente 20, die größer sind als die Größe der an sich vorgegebenen reflektierenden Fresnelschen Zonen, bspw. um derartige, die 1,5 mal so groß sind wie die jeweilige Zonenbreite an der Stelle, an der das Strukturelement angeordnet ist. Hierdurch wird die Intensität der reflektierten Strahlen 1. Ordnung erhöht bzw. der Wirkungsgrad des Fokussierelements verbessert.Cylinders that are larger than the zone width specified at the respective location of the Fresnel zone plate. In particular, for better understanding 4b ) referred to the DE 101 25 870.4-51 the applicant. Reference is made in particular to the figures of the patent application just mentioned and in particular to the 2 with the associated figure description. These are structural elements 20 which are larger than the size of the reflecting Fresnel zones which are predetermined per se, for example by those which are 1.5 times as large as the respective zone width at the point at which the structural element is arranged. This will change the intensity of the reflected rays 1 , Order increases or the efficiency of the focusing element improves.

Wie in 3 dargestellt ist, sind die Strukturelemente 20, also die Zylinder bspw. aus Chrom, auf einer Auflage aus bspw. SiO₂ aufgebracht, die als Kühlelement 19 dienen könnte.As in 3 the structural elements are shown 20 , ie the cylinder, for example made of chrome, applied to a support made of, for example, SiO ₂ , which acts as a cooling element 19 could serve.

4a) und 4b) zeigen schematische Draufsichten auf erfindungsgemäße Fokussierelemente bzw: Ausschnitte von erfindungsgemäßen Fokussierelementen, wobei die 4a) an sich eine Fresnelsche Zonenplatte ist, die auf streifenden Einfall optimiert ist. Die reflektierenden Ringzonen 21 und die absorbierenden Ringzonen 22 sind entsprechend unterschiedlich dunkel dargestellt. Die in 4a) dargestellten Ringzonen sind bezüglich deren kleinsten Ausdehnung, also der Dicke der jeweiligen Ringzone am Rand des Fokussierungselements 13 größer ausgestaltet, als dieses bei einer üblichen Fresnelschen Zonenplatte wie dieses bspw. gem. dem Dokument von Yu.A.Basov in Optics Communications der Fall wäre. 4a ) and 4b ) show schematic top views of focusing elements according to the invention or: sections of focusing elements according to the invention, the 4a ) is a Fresnel zone plate in itself, which is optimized for grazing incidence. The reflective ring zones 21 and the absorbent ring zones 22 are shown in different darkness accordingly. In the 4a ) Ring zones are shown with regard to their smallest extent, that is, the thickness of the respective ring zone at the edge of the focusing element 13 designed larger than this in a conventional Fresnel zone plate such as this, for example according to Yu.A. Basov's document in Optics Communications.

4b) zeigt auch eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Fokussierelements 13, wobei an sich die zur konstruktiven Interferenz beitragenden Elemente hier weiß dargestellt sind und die in verschiedenen Grautönen dargestellten Ringzonen der Fresnelschen Zonenplatte nur zur Erläuterung der Anordnung und der Größe der reflektierenden Stege 20 dienen sollen. 4b ) also shows a top view of a focusing element according to the invention 13 , whereby the elements contributing to the constructive interference are shown here in white and the ring zones of the Fresnel zone plate shown in different shades of gray only to explain the arrangement and the size of the reflecting webs 20 should serve.

5 zeigt ein weiteres erfindungsgemäßes Element zur Fokussierung von elektromagnetischen Strahlen oder Strahlen von Elementarteilchen. In diesem Ausführungsbeispiel sind die reflektierenden Stege 20 bzw. Strukturelemente 20 völlig anders als bisher angeordnet und ausgestaltet. Zunächst einmal soll die Größe des Fokussierelements 13 angepaßt sein an die Größe (bzw. den Kegel) des einfallenden Strahls, wobei dieser in einem Winkel einstrahlt, der kleiner ist als 90°, wie bspw. ungefähr 10°. Hierdurch ergibt sich eine einhüllende Ellipse 23, die den beleuchteten Teil des Fokussierelements 13 einhüllt bzw. begrenzt. 5 shows another element according to the invention for focusing electromagnetic rays or rays of elementary particles. In this embodiment, the reflective ridges 20 or structural elements 20 completely differently arranged and designed than before. First of all, the size of the focusing element 13 be adapted to the size (or the cone) of the incident beam, which radiates at an angle which is less than 90 °, such as approximately 10 °. This creates an enveloping ellipse 23 that envelops or delimits the illuminated part of the focusing element 13.

Die Anordnung und Ausgestaltung der Strukturelemente 20 ist in den 6a) bis 6c) genauer dargestellt. Die 6a) zeigt eine schematische Draufsicht auf das Fokussierelement 13 der 5, wobei in 6a) die einhüllende Ellipse 23 nicht dargestellt ist. Diese kann man sich allerdings um die reflektierenden Stege 20 denken. Die reflektierenden Stege 20 werden bspw. durch Lithographie hergestellt, wobei eine Steghöhe von bis zu einigen μm denkbar ist. Lithographieverfahren sind an sich bekannt, so daß an dieser Stelle von einer Erläuterung derselben abgesehen wird.The arrangement and design of the structural elements 20 is in the 6a ) to 6c ) shown in more detail. The 6a ) shows a schematic top view of the focusing element 13 the 5 , where in 6a ) the enveloping ellipse 23 is not shown. You can, however, look at the reflective webs 20 think. The reflective webs 20 are produced, for example, by lithography, with a web height of up to a few μm is conceivable. Lithography processes are known per se, so that an explanation of them is not given here.

In 6b) sind entsprechende reflektierende Stege 20 dargestellt, die zur besseren Veranschaulichung auf nicht zur konstruktiven Interferenz beitragenden Bereichen 24 angeordnet sind, die bei einer Fresnelschen Zonenplatte auch zur konstruktiven Interferenz beitragen würden. Diese Bereiche 24 sind grau dargestellt. Die grauen Bereiche der Fresnelschen Zonenplatte, die in diesem Beispiel nicht zur konstruktiven Interferenz beitragen und die weißen Bereiche, die den Bereich der reflektierenden Stege 20 darstellen sollen, sind von weiteren Bereichen durch schwarze Bereiche getrennt, die nämlich denjenigen Bereichen einer Fresnelschen Zonenplatte entsprechen, die nicht zur konstruktiven Interferenz beitragen.In 6b ) are corresponding reflective bars 20 shown for better illustration on areas not contributing to constructive interference 24 are arranged, which would also contribute to constructive interference in a Fresnel zone plate. These areas 24 are shown in gray. The gray areas of the Fresnel zone plate, which in this example do not contribute to constructive interference, and the white areas, which represent the area of the reflective webs 20 are to be separated from other areas by black areas, which correspond to those areas of a Fresnel zone plate that do not contribute to the constructive interference.

In diesem Ausführungsbeispiel ist ein Weber-Fenster bzw. ein Filter nach einer Weber-Funktion, die vorstehend beschrieben wurde, auf eine erfindungsgemäße Fresnelsche Zonenplatte mit Strukturelementen 20, die eine kleinste Ausdehnung haben, die nicht viel kleiner bis größer als die mit dem Element zu erzielende Auflösung ist, angewendet worden, um auch die Nebenmaxima zu minimieren. Hierbei wurde zur Lage und Ausgestaltung der jeweiligen reflektierenden Stege 20 ein Einfallswinkel ∝, ein Ausfallswinkel β, ein Abstand des Fokussierelements bzw. des Strukturelements 20 zu der Strahlungsquelle und der Abstand des Strukturelements 20 zum Fokus für einen vorgegebenen x- und y-Wert in der Ebene, die durch die 6a) aufgespannt ist, vorgegeben. Hierdurch kann die minimale Strukturgröße, wie unter Bezugnahme auf die 7 noch genauer erläutert wird, ermittelt werden.In this exemplary embodiment, a Weber window or a filter according to a Weber function, which was described above, is on a Fresnel zone plate according to the invention with structural elements 20 which have a smallest dimension, which is not much smaller to larger than the resolution that can be achieved with the element, have also been used in order to also minimize the secondary maxima. Here was the location and design of the respective reflective webs 20 an angle of incidence ∝, an angle of reflection β, a distance between the focusing element and the structural element 20 to the radiation source and the distance of the structural element 20 to focus on for a given x and y value in the plane defined by the 6a ) is spanned. This allows the minimum feature size, as with reference to the 7 is explained in more detail.

Um nun die genaue Ausgestaltung der reflektierenden Stege 20 zu ermitteln, wird bei einem vorgegebenen xund y-Wert die Größe der Weber-Funktion bzw. des Weber-Filters angegeben. Dieses ist ein Zahlenwert zwischen 0 und 1 und stellt ein Verhältnis derjenigen Bereiche, die zur konstruktiven Interferenz beitragen zu denjenigen Bereichen einer ansonsten zur konstruktiven Interferenz beitragenden Ringzone dar, die nicht zur konstruktiven Interferenz beitragen sollen. Ein entsprechender Weber-Bereich 25 ist in 6c) durch ein den gestrichene Linien umgebenes Rechteck dargestellt. In diesen Weber-Bereichen 25 muß für ein vorgegebenes x und y in der Ebene der 6a) das Verhältnis von dem grauen Bereich, also der Ringzone, die nicht zur Reflektion beiträgt, zum weißen Bereich, also den Stegen, einem entsprechenden Zahlenwert entsprechen, wobei aufgrund der Weber-Funktion nach außen hin, also zum Rand des Fokussierelements diese Zahl abnimmt.Now for the exact design of the reflective webs 20 to determine, the size of the Weber function or the Weber filter is specified for a given x and y value. This is a numerical value between 0 and 1 and represents a ratio of those areas which contribute to the constructive interference to those areas of a ring zone which otherwise contribute to the constructive interference and which should not contribute to the constructive interference. A corresponding Weber area 25 is in 6c ) represented by a rectangle surrounded by the dashed lines. In these Weber areas 25 must for a given x and y in the plane of 6a ) the ratio of the gray area, i.e. the ring zone, which does not contribute to the reflection, to the white area, i.e. the ridges, corresponds to a corresponding numerical value, this number decreasing due to the Weber function towards the outside, i.e. towards the edge of the focusing element.

Da nur eine minimale Strukturgröße 26 vorzusehen ist, verjüngen sich die reflektierenden Stege 20 von links nach rechts in 6c) betrachtet, bis zur minimalen Strukturgröße 26, um dann in einem entsprechenden Abstand einer minimalen Strukturgröße 26 erneut der Weber-Funktion genügen zu können. Die Verkleinerung der reflektierenden Strukturen wird so lange weiter zum Rand hin getrieben, bis nur noch Kreise übrig bleiben. Von da ab müssen die Abstände der entsprechendenreflektierenden Stege 20 vergrößert werden, um ein entsprechendes Verhältnis, wie es das Weber-Fenster vorgibt, zu erreichen.Because only a minimal structure size 26 is to be provided, the reflective webs taper 20 from left to right in 6c ) considered, up to the minimum structure size 26 , then at a corresponding distance of a minimum structure size 26 to be able to meet the Weber function again. The reduction of the reflective structures is pushed further towards the edge until only circles remain. From there on, the distances between the corresponding reflective webs must be 20 be enlarged in order to achieve a corresponding ratio, as specified by the Weber window.

6b) stellt den Ausschnitt der 6a) dar, der in 6a) mit einem weißen Rechteck umgeben ist. 6b ) represents the section of the 6a ), which in 6a ) is surrounded by a white rectangle.

7 ist eine Falschfarbendarstellung der kleinsten möglichen Strukturgröße, um eine Auflösung von 100 nm bei einer Strahlenenergie von 200 eV zu erreichen. Im oberen Bereich der 7 ist die Legende zu den entsprechenden Farben dargestellt, wobei schwarz einer minimalen Strukturgröße von 0 nm entspricht, grün einer minimalen Strukturgröße van 50 nm und gelb einer minimalen Struktur von 100 nm. In 7 ist auf der Ordinate der Ausfallswinkel β in Grad dargestellt und auf der Abszisse der Einfallswinkel ∝ auch in Grad. Die Werte auf der Ordinate und der Abszisse sind linear. 7 is a false color representation of the smallest possible structure size in order to achieve a resolution of 100 nm with a beam energy of 200 eV. At the top of the 7 the legend to the corresponding colors is shown, whereby black corresponds to a minimum structure size of 0 nm, green to a minimum structure size of 50 nm and yellow to a minimum structure of 100 nm 7 the angle of reflection β is shown in degrees on the ordinate and the angle of incidence ∝ is also shown in degrees on the abscissa. The values on the ordinate and the abscissa are linear.

Bei einem Einfallswinkel und einem Ausfallswinkel von 90° ist eine minimale Strukturgröße von 100 nm möglich. Sollte der Ausfallswinkel allerdings nur um wenige Grad von 90° sich unterscheiden, reduziert sich die minimale Strukturgröße, die notwendig ist, um die Auflösung von 100 nm zu erreichen, sehr schnell auf unter 50 nm. Zu streifendem Einfall, d.h. bei einem Einfallswinkel ∝ von ungefähr 10° oder kleiner ist festzustellen, daß sich der Bereich des Ausfallswinkels, der noch zu akzeptablen Größen kleinster Strukturen bzw. zu akzeptablen großen kleinsten Ausdehnungen der Strukturelemente 20 führt, stark verbreitert ist. So kann bspw. bei einem Einfallswinkel von 10° und einem Ausfallswinkel von 15° noch mit Strukturgrößen von ungefähr 80 nm gearbeitet werden. Bei einem Einfallswinkel von 0,5° führt die Verwendung von einem Ausfallswinkel von 3° oder 3° bis 5° zu Strukturgrößen von ungefähr 100 nm.With an angle of incidence and an angle of reflection of 90 °, a minimum structure size of 100 nm is possible. If the angle of reflection differs only by a few degrees from 90 °, the minimum structure size, which is necessary to achieve the resolution of 100 nm, is reduced very quickly to below 50 nm. Incidence to be grazed, ie at an angle of incidence ∝ of about 10 ° or less it can be determined that the range of the angle of reflection, the still acceptable sizes of the smallest structures or the acceptable large, smallest dimensions of the structural elements 20 leads, is greatly broadened. For example, at an angle of incidence of 10 ° and an angle of reflection of 15 °, structure sizes of approximately 80 nm can still be used. At an angle of incidence of 0.5 °, the use of an angle of reflection of 3 ° or 3 ° to 5 ° leads to structure sizes of approximately 100 nm.

8 zeigt eine schematische Darstellung des Kontrastgewinns durch die Erfindung. Es ist eine Kurve der Intensität in willkürlichen Einheiten über den Abstand zum Fokus 1. Ordnung z gem. der 2 dargestellt. Zunächst ist zu erkennen, daß bis zu einem Abstand von ungefähr 50 nm die Intensität relativ hoch ist, was durch den Fokus an sich impliziert ist. Die abfallende Flanke ist bei einer Zonenplatte mit ∝ = β = 90°, also Einfallswinkel und Ausfallswinkel = 90°, dann bezüglich der Intensität relativ schnell auf einem Plateau von ungefähr 10^-2 der maximalen Intensität im Fokus. Dieses gilt für die Kurve 30, die den Verlauf der Intensität für eine Zonenplatte mit ∝ = β = 90° darstellt. 8th shows a schematic representation of the contrast gain by the invention. It is a curve of intensity in arbitrary units over the distance to the focus 1 , Order z acc. the 2 shown. First it can be seen that the intensity is relatively high up to a distance of approximately 50 nm, which is implied by the focus itself. With a zone plate with ∝ = β = 90 °, i.e. angle of incidence and angle of reflection = 90 °, the falling flank is then relatively quickly in focus on a plateau of approximately 10 ^{−2 of} the maximum intensity. This applies to the curve 30 , which shows the course of the intensity for a zone plate with ∝ = β = 90 °.

Bei Verwendung einer Zonenplatte mit einem Einfallswinkel von 0,5° und einem Ausfallswinkel von 2°, das schon erfindungsgemäß angepaßt ist, nämlich durch vergleichsweise große kleinste Abstände der Strukturelemente, verringert sich zu größeren Z die Intensität deutlich. Dies ist durch die Kurve 31 dargestellt. Die Kurve 32 zeigt einen Intensitätsverlauf eines weiteren erfindungsgemäßen Fokussierelements mit einem Einfallswinkel von 0,5° und einem Ausfallswinkel von 2°, wobei auch noch ein Weber-Fenster gem. bspw. der 6a) Anwendung findet. Es ist bemerkenswert, daß zwischen der Kurve 31 und der Kurve 32 noch ein Kontrastfaktor von 10⁴ möglich ist.When using a zone plate with an angle of incidence of 0.5 ° and an angle of reflection of 2 °, which has already been adapted according to the invention, namely by comparatively large, smallest distances of the structural elements, the intensity decreases significantly as the Z increases. This is through the curve 31 shown. The curve 32 shows an intensity profile of a further focusing element according to the invention with an angle of incidence of 0.5 ° and an angle of reflection of 2 °, with a Weber window according to FIG. e.g. the 6a ) Applies. It is noteworthy that between the curve 31 and the curve 32 a contrast factor of 10 ⁴ is still possible.

1010: einfallender Röntgenstrahlincident X-ray
1111: reflektierter Strahl 0. Ordnungreflected 0th order beam
1212: reflektierter Strahl 1. Ordnungreflected 1st order beam
1313: Fokussierelementfocusing
1414: Absorptionselementabsorbing element
1515: Probesample
1616: x-y-z-Manipulatorx-y-z manipulator
1717: emittierte Elektronenissued electrons
1818: Elektronenanalysatorelectron analyzer
1919: Kühlelementcooling element
2020: reflektierender Stegreflective web
2121: reflektierende Ringzonereflective ring zone
2222: absorbierende Ringzoneabsorbing ring zone
2323: einhüllende Ellipseenveloping ellipse
2424: nicht zur konstruktiven Interferenz beitragenderNot contributing to constructive interference
: BereichArea
2525: Weber-BereichWeaver Scope
2626: minimale Strukturgrößeminimum structure size
2727: kleinste Ausdehnungleast expansion
3030: Kurve für Zonenplatte mit ∝ = β = 90°Curve for zone plate with ∝ = β = 90 °
3131: Kurve für Zonenplatte mit ∝ = 0,5°, β = 2°Curve for zone plate with ∝ = 0.5 °, β = 2 °
3232: Kurve für Fokussierelement mit ∝ = 0,5°, β = 2°,Curve for focusing element with ∝ = 0.5 °, β = 2 °,
∝α: Einfallswinkelangle of incidence
ββ: Ausfallswinkelangle of reflection
zz: Abstand zum Fokus 1. Ordnungdistance to focus 1st order

Claims

Element for focusing electromagnetic radiation ( 10 ) or rays of elementary particles, in particular of X-rays, comprising a focusing structure ( 13 ) to focus the rays ( 10 ) at an angle of reflection (β) that is not equal to the angle of incidence (∝), the focusing structure ( 13 ) Structural elements ( 20 ), characterized in that the structural elements ( 20 ) a smallest extension ( 27 ) that are not much smaller to larger than the resolution that can be achieved with the element.

Element according to claim 1, characterized in that the Angle of reflection (β) is more than 1.5 times as large like the angle of incidence (∝).

Element according to claim 1 and / or 2, characterized in that this Element for grazing idea is optimized.

Element according to claim 3, characterized in that this Element for Angle of incidence (∝) between 0 ° and 10 ° optimized is.

Element according to one or more of Claims 1 to 4, characterized in that the focusing structure ( 13 ) which corresponds to a Fresnel zone plate.

Element according to claim 5, characterized in that the ring zones ( 21 ) the Fresnel zone plate, which contribute to the constructive interference, are at least partially designed such that they do not contribute to the constructive interference.

Element according to one or more of Claims 1 to 6, characterized in that at least one region of the element has a filter function by means of which the structural elements ( 20 ) cause a phase shift and / or an amplitude shift.

Element for focusing electromagnetic radiation ( 10 ) or rays of elementary particles, in particular of X-rays, comprising a focusing structure ( 13 ) with structural elements ( 20 ) the rays ( 10 ) essentially reflect, characterized in that at least a region of the focusing structure ( 13 ) has a filter function by means of which the structural elements contributing to the constructive interference ( 20 ) cause a phase shift and / or an amplitude change.

Element according to claim 7 and / or 8, characterized in that the amplitude contribution of the structural elements ( 20 ) to the edge ( 23 ) the focus structure ( 13 ) less.

Element according to one or more of claims 7 to 9, characterized in that the filter function is a polynomial 3 , Is okay.

Element according to one or more of claims 8 to 10, characterized in that the focusing structure ( 13 ) which corresponds to a Fresnel zone plate.

Element according to claim 11, characterized in that the ring zones ( 21 ) the Fresnel zone plate, which contribute to the constructive interference, are at least partially designed such that they do not contribute to the constructive interference.

Measuring system, in particular for measuring inner areas of three-dimensional samples ( 15 ) with high spatial resolution, comprising at least one element according to one or more of claims 1 to 12, a radiation source ( 10 ) and at least one detector ( 18 ).

Apparatus for changing the physical, chemical and / or biological properties of an area of a sample ( 15 ), in particular an inner region of a sample, comprising a coherent intensive radiation source ( 10 ) and an element according to 'one or more of claims 1 to 12.

Apparatus according to claim 14, characterized in that in the area of the sample ( 15 ) the sample ( 15 ) is fusible, chemically changeable or living cells arranged there can be destroyed.

Use of at least one element after one or more of the claims 1 to 12 for material processing, especially inside bodies.

Use of at least one element after one or more of the claims 1 to 12, for change or destruction of living cells and / or tissue of living things.

Use of at least one element after one or more of the claims 1 to 12, for change or to read a data content of a data storage system.