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Die Erfindung betrifft ein refraktives optisches Element, insbesondere ein refraktives optisches Element zur Brechung bzw. Fokussierung von Röntgenstrahlung. Für die Brechung von Röntgenstrahlung, also elektromagnetischer Strahlung in einem Wellenlängenbereich von 5pm bis 50nm, besteht eine besondere Problematik dahingehend, dass die Brechkraft der für Röntgenstrahlung hinreichend transmissiven Materialien so gering ist, dass im Fall der Verwendung massiver Linsen vergleichsweise extreme Formen von Linsen notwendig sind, die unter anderem dazu führen, dass der Weg der Strahlung im Linsenmaterial derart lang wird, dass sich nicht mehr akzeptable Werte für die Absorption der Röntgenstrahlung im Linsenmaterial ergeben. Nach dem Stand der Technik wird dieser Problematik dadurch begegnet, dass das optische Element aus einer Mehrzahl von optischen Teilelementen mit brechenden Flächen gebildet wird, von denen sich im Randbereich des optischen Elementes, also in den von der optischen Achse des optischen Elementes weiter beabstandeten Bereichen, mehr im Weg der zu brechenden Strahlung befinden und von dieser passiert werden als in der Nähe der optischen Achse. Auf diese Weise wird eine stärkere Brechung der Strahlung im Randbereich erzielt und das optische Element erzielt eine fokussierende Wirkung. So wird beispielsweise in Jark, W. et al „Focusing X-rays with simple arrays of prism-like structures“, Journal of Synchrotron Radiation, 2004, 11, 248–253 eine sogenannte Clessidra-Linse vorgestellt, die eine Vielzahl von insgesamt in der Art einer Sanduhr angeordneten Einzelprismen aufweist. Die Sanduhrform ergibt sich dabei durch die bereits erwähnte Anordnung der Mehrzahl der Prismen in den von der optischen Achse weiter entfernt liegenden Bereichen. Nachteilig hierbei ist jedoch die aufwändige Herstellung des optischen Elementes sowie die Einschränkung, mit einem der optischen Elemente lediglich einen Linienfokus und keinen Punktfokus erzeugen zu können. Zwar lässt sich durch die Kombination mehrerer gegeneinander verdrehter Clessidra-Linsen ein Punktfokus erzeugen, dies geht jedoch zu Lasten der Transmittivität der Gesamtanordnung.
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In "Simon, M. [et al.]: X-ray Prism Lenses with Large Apertures, Proc. SPIE, Vol. 7077, 2008, S. 70771Q-1–S. 70771Q-6" sind Ausführungen von Röntgenlinsen beschrieben. Dabei können einzelne Teilelemente einer Röntgenlinse als Prismen ausgebildet sein.
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Aus der
US 6 594 337 B1 ist eine Vorrichtung zur Bündelung von Röntgenstrahlen bekannt, die eine reflektierende Oberfläche umfasst, die als eine Spirale mit mehreren Windungen ausgebildet ist. Durch die spiralförmige Anordnung eines Trägerelements kann eine Punktfokussierung der Röntgenstrahlen erreicht werden.
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Ausgehend von dem Stand der Technik stellt sich die Erfindung die Aufgabe, ein refraktives optisches Element anzugeben, das einfach herstellbar ist, sowie ferner eine möglichst gute Transmittivität mit der Option, einen Linienfokus und eine große Apertur zu realisieren, aufweist.
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Diese Aufgabe wird durch das optische Element mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Ausführungsformen und Varianten der Erfindung.
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Das erfindungsgemäße refraktive optische Element weist eine Mehrzahl optischer Teilelemente auf, wobei die optischen Teilelemente derart angeordnet sind, dass die Anzahl der optischen Teilelemente, die von elektromagnetischer Strahlung, welche auf das optische Element parallel zur optischen Achse des optischen Elementes einfällt, passiert werden, mit steigendem Abstand zur optischen Achse ebenfalls ansteigt. Erfindungsgemäß sind dabei die optischen Teilelemente insbesondere rotationssymmetrisch um die optische Achse herum gekrümmt ausgebildet.
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So können die optischen Teilelemente bspw. als ringförmige Elemente mit unterschiedlichen Radien und einem dreiecksförmigen Querschnitt (Ringprismen) ausgebildet sein, die konzentrisch um die optische Achse auf einander gestapelt angeordnet und mit einander verbunden sind. Dabei ist mit zunehmendem Radius eine steigende Anzahl von derartigen Ringprismen vorhanden, so dass sich bei entsprechender Stapelung der Ringprismen im Ergebnis ein um die optische Achse rotationssymmetrisches optisches Element in der Form einer Sanduhr ergibt. Auf diese Weise lässt sich ein refraktives optisches Element mit einem Punktfokus realisieren, mit dem sich prinzipbedingt eine große Apertur sowie eine vergleichsweise hohe Transmittivität erreichen lässt. Besonders geeignet ist das oben beschriebene optische Element für die Anwendung im Röntgenbereich,
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Bei entsprechender Material- und Geometriewahl ist auch eine Anwendung in einer Vielzahl von weiteren Wellenlängenbereichen denkbar.
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Erfindungsgemäß sind die optischen Teilelemente auf einem Trägerelement angeordnet, das um die optische Achse aufgewickelt ist. Auch hier kann es sich bei den optischen Teilelementen mindestens teilweise um Prismen handeln. Die optischen Teilelemente und das Trägerelement können einstückig ausgebildet sein. Durch diese Ausführungsform eröffnet sich die Möglichkeit, zur Herstellung des erfindungsgemäßen optischen Elementes zunächst eine Folie bspw. aus einem Polyimid herzustellen, auf der die optischen Teilelemente bereits eingeformt sind. Es wird also ein Trägerelement hergestellt, das eine Vielzahl insbesondere parallel verlaufender Prismen aufweist. Dies kann durch eine Abformung von einer mit Methoden der Photolithographie, gegebenenfalls in Verbindung mit weiteren Strukturierungsverfahren, wie beispielsweise Ätzverfahren, hergestellten Negativform erfolgen; auch andere Strukturierungsverfahren sind denkbar. Ein exemplarisches Verfahren ist anhand der Zeichnung beschrieben. Nach der Herstellung des Trägerkörpers mit den Prismen als optischen Teilelementen wird der Trägerkörper in der Weise zugeschnitten, dass er eine trapezförmige oder auch spitze, vorzugsweise spiegelsymmetrische Struktur mit einer im Vergleich zu ihrer Länge vergleichsweise kurzen Grundseite bildet. Die Spitze der Struktur kann dabei auf der Symmetrieachse liegen und die Prismen verlaufen parallel zur Symmetrieachse in einer zur Grundseite senkrechten Richtung. Nachfolgend wird das Trägerelement mit den Prismen in Richtung der Prismen von der Spitze bzw. der kurzen Seite der Struktur her aufgerollt so dass sich die gewünschte Form des erfindungsgemäßen optischen Elementes praktisch von selbst ergibt. Zur Unterstützung des Aufrollvorganges kann ein zylindrischer Körper, insbesondere eine Glasfaser, bspw. mit einem Durchmesser von ca. 125µm verwendet werden, um welche herum das Trägerelement aufgewickelt wird. Der Vorteil der Verwendung der Glasfaser liegt dabei in ihrer vergleichsweise hohen mechanischen Stabilität. Der Durchmesser des zylindrischen Körpers kann dabei ohne wesentliche Verschlechterung der optischen Eigenschaften des optischen Elementes bis in den Bereich des Durchmessers des gewünschten Fokus gewählt werden. Daneben ist durch das geschilderte Verfahren die maximal erreichbare Apertur der erfindungsgemäßen optischen Elemente nicht verfahrensbedingt eingeschränkt.
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Die Anordnung aus Trägerelement und optischen Teilelementen kann dabei vor dem Aufwickeln eine Gesamtdicke von ca. 12 µm aufweisen, wobei das Trägerelement selbst eine Dicke von ca. 1,3 µm aufweist. Grundsätzlich ist das Trägerelement so dünn wie unter Stabilitätsaspekten noch vertretbar zu wählen. Insgesamt ist es vorteilhaft, wenn bei möglichst kleinen optischen Teilelementen das Trägerelement dünn gegenüber den Dimensionen der optischen Teilelemente ausgebildet ist. Das Trägerelement wirkt als planparallele Platte und somit für achsenparallele Strahlen nicht brechend. Da bereits ein vergleichsweise dünnes Trägerelement die erforderliche mechanische Stabilisierung leistet, kann auch die Gesamtabsorption durch das Trägerelement gering gehalten werden.
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Nachfolgend wird die Erfindung exemplarisch anhand der Zeichnung beschrieben.
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Es zeigt:
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1 eine Röntgenlinse nach dem Stand der Technik,
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2 eine Modifikation der in 1 gezeigten Linse, bei der nicht zur Brechung beitragende Materialbereiche weggelassen wurden,
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3 eine Detaildarstellung zu 2,
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4 eine optisch gleich wirkende Alternative zu dem in 3 gezeigten Element,
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5 eine Schnittdarstellung eines Trägerkörpers mit optischen Teilelementen,
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6 eine perspektivische Ansicht des in der Schnittdarstellung von 5 dargestellten Trägerkörpers mit optischen Elementen; und
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7 eine Skizze eines erfindungsgemäßen optischen Elementes.
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1 zeigt in einer Schnittdarstellung eine Röntgenlinse 1 nach dem Stand der Technik. Da das Linsenmaterial, beispielsweise Si, B, Be, für Röntgenwellenlängen einen Brechungsindex < 1 aufweist, ist für diesen Fall die Sammellinse als Konkavlinse ausgebildet. Die optische Wirkung der in 1 gezeigten Linse kann alternativ auch – analog zum bekannten Vorgehen für Fresnel-Linsen – dadurch erreicht werden, dass die nicht zur Brechung beitragenden Teile des Materials aus der Linse entfernt und die verbleibenden gekrümmten Randbereiche der Linse zusammengeschoben werden, wie in 2 dargestellt.
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2 zeigt in ihrem oberen Bereich den Zustand nach dem schichtweisen Entfernen des nicht zur Brechung beitragenden Materials. Der untere Teil von 2 zeigt den Fall, in dem die verbleibenden Stücke in der zur optischen Achse parallelen Richtung zusammengeschoben wurden. Gut erkennbar in 2 ist, dass die so entstandenen optischen Fresnel-Linsenelemente 2 besonders im Randbereich der Röntgenlinse aufgrund der im Röntgenbereich erforderlichen extremen Krümmung der Linsen ein sehr geringes Verhältnis von Höhe zu Länge zeigen, was die Herstellung der auch als Lamellen bezeichneten Fresnel-Linsenelemente 2 für den Randbereich erschwert. Zur Illustration ist in 3 ein derartiges Fresnel-Linsenelement aus dem Randbereich der Röntgenlinse 1 noch einmal vergrößert dargestellt.
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4 nun zeigt eine Anordnung, die optisch eine ähnliche Wirkung wie das in 3 dargestellte Fresnel-Linsenelement hat, jedoch erheblich einfacher herzustellen ist. Die in 4 exemplarisch dargestellte Lösung zeigt ebenfalls wie auch die vorhergegangenen Figuren in einer Querschnittsdarstellung drei gleichartige optische Teilelemente 3, die im vorliegenden Fall als Prismen ausgebildet sind. Die Summe der optischen Wirkung der in 4 gezeigten Prismen entspricht im Wesentlichen der optischen Wirkung des in 3 dargestellten Fresnel-Linsenelements 2.
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5 zeigt ebenfalls in einer Querschnittsdarstellung einen Trägerkörper 4 zur Herstellung des erfindungsgemäßen optischen Elementes, auf dem die optischen Teilelemente 3, welche im vorliegenden Fall als Prismen mit dreieckigem Querschnitt ausgebildet sind, angeordnet sind. Dabei kann der Trägerkörper 4 mit den optischen Teilelementen 3 einstückig insbesondere aus Polyimid hergestellt sein. Der Trägerkörper 4 zeigt eine Dicke von ca. 1,3 µm; die Höhe der optischen Teilelemente 3 kann ca. 10,7 µm betragen.
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In
6 ist die erfindungsgemäße Struktur noch einmal in einer perspektivischen Ansicht dargestellt. Gut erkennbar in
6 ist die Ausführung als Folie, die eine spitze, spiegelsymmetrische Struktur mit einer im Vergleich zu ihrer Höhe vergleichsweise kurzen Grundseite bildet. Wenn auch die Darstellung in
6 den Eindruck eines gleichschenkligen Dreieckes erweckt, wird die Form der Seiten und damit die Kontur des Folienzuschnitts – in Abhängigkeit der gewünschten Oberflächenfunktion der fertigen Linse – von der Form einer Geraden abweichen. Allgemein lässt sich der Zusammenhang zwischen der Kontur des Folienzuschnitts und der Oberflächenfunktion der fertigen Linse im Längsschnitt darstellen wie folgt:
mit:
- fz:
- Kontur des Folienzuschnitts
- fLK(x):
- Gewünschte Oberflächenfunktion der Linse, x in Richtung optischer Achse
- df:
- Foliendicke
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Rollt man nun diese Folie von der Spitze der Struktur her auf, ergibt sich die in 7 dargestellte Röntgenrolllinse 5 als aufgewickelter, nahezu rotationssymmetrischer Körper. Gut erkennbar in 7 ist, dass die Randstrahlen durch die Röntgenrolllinse 5 stärker abgelenkt werden als diejenige, die im Bereich der optischen Achse verlaufen, da im Randbereich der Röntgenrolllinse 5 mehr optische Teilelemente 3 vorhanden sind als im Bereich der optischen Achse der Röntgenrolllinse 5. Für die Verwendung der gezeigten Rolllinse 5 für Wellenlängen, für die der Brechungsindex des verwendeten Materials über 1 liegt, muss die Folie von der Spitze ausgehend so aufgewickelt werden, dass die Prismen nicht wie in 7 gezeigt nach innen, sondern nach außen zeigen.
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Die in 7 gezeigte Röntgenrolllinse 5 zeigt im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten Clessidra-Linsen keinen Linienfokus, sondern einen Punktfokus, was ihre Verwendbarkeit für eine Vielzahl von Anwendungen eröffnet. Die in 7 gezeigte Röntgenrolllinse 5 hat darüber hinaus das Potenzial für eine gegenüber konventionellen Linsen größere Apertur. Daneben ist die gezeigte Röntgenrolllinse 5 einfach herzustellen und aufgrund der Struktur der Linse wird die Absorption im Linsenmaterial gegenüber einer Volllinse erheblich reduziert.
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8 zeigt in den Teil 8.1 bis 8.17 ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Röntgenrolllinse 5. Dabei wird in den Teilfiguren im linken Teil der jeweiligen Teilfigur schematisch der Schichtverlauf dargestellt, wohingegen im rechten Teil der Teilfigur auch die Struktur des entstandenen Zwischenproduktes gezeigt ist.
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In 8.1 ist als Ausgangsmaterial ein oxidierter 100-Siliziumwafer dargestellt. 8.2 zeigt das Zwischenprodukt nach der Bedampfung mit einer Chromschicht; 8.3 zeigt den Zustand nach dem Aufschleudern von Positivresist. Wie in 8.4 dargestellt, erfolgt anschließend eine Belichtung durch eine Chrommaske und ein Entwickeln der belichteten Resistschicht. Das Ergebnis ist in 8.5 dargestellt. Nachfolgend wird die Chromschicht mittels der Resistschicht als Ätzmaske geätzt, so dass sich die in 8.6 dargestellte Struktur bildet. 8.7 zeigt den Zustand, nachdem die Resistschicht mittels Flutbelichtung und nachfolgender Entwicklung gestrippt wurde. Nunmehr kann die verbliebene Chromschicht als Ätzmaske verwendet werden, so dass die Oxidschicht teilweise von dem Siliziumwafer entfernt werden kann, was in 8.8 dargestellt ist. Die verbliebene Chromschicht wird nachfolgend durch Ätzen entfernt bzw. gestrippt, so dass sich die in 8.9 dargestellte Schichtenfolge ergibt. Nachfolgend wird der Wafer anisotrop geätzt, so dass sich in der Siliziumschicht Gräben mit dreieckigem Profil bilden, was in 8.10 erkennbar ist. Im nächsten Schritt kann die verbliebene Oxidschicht durch einen weiteren Ätzvorgang entfernt werden, wodurch sich die in 8.11 gezeigte Struktur als Negativform bildet. Die in der vorstehend beschriebenen Schritten hergestellte Negativform kann zur Abformung der gewünschten Struktur mehrfach in der nachfolgend beschriebenen Weise verwendet werden. Zunächst wird als Trennschicht eine Goldschicht aufgebracht, wie aus 8.12 erkennbar ist. Als nächster Schritt wird Polyimid auf die Struktur aufgetropft und nachfolgend überflüssige Anteile des Polyimids abgeschleudert (in 8.13 und 8.14 gezeigt). Nach einem Aushärtevorgang der Polyimidschicht durch Prebake, Belichtung und Postbake (8.15) kann der Verbund aus Polyimid und Gold abgelöst werden (8.16) und die Goldtrennschicht durch Ätzen entfernt werden, so dass sich das in 8.17 dargestellte Endprodukt, nämlich die Polyimidfolie als Trägerelement mit den einstückig angeformten Prismen als optischen Teilelementen ergibt. Die in 8.17 gezeigte Struktur kann nun aufgewickelt werden, wozu beispielsweise nach einem Zuschnitt, durch welchen sich die in 6 gezeigte Struktur ergibt, auf eine Glasfaser mit einem Durchmesser von ca. 125 µm aufgewickelt wird. Eine Stabilisierung der so entstandenen Rolllinse kann mittels Klebeband oder anderen Methoden erfolgen. Für die Verwendung der Rolllinsen für andere Wellenlängenbereiche als den Röntgenbereich kommen auch andere Materialien in Frage.
