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Die Erfindung betrifft eine Röntgenlinsenanordnung und ein entsprechendes Herstellungsverfahren dafür.
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Abbildende, refraktive Röntgenlinsen, auch „Compound Refractive Lenses“ (CRL) genannt, sind als Instrumentarium für die hochauflösende Vollfeldröntgenmikroskopie bei Photonenenergien oberhalb 8 keV an Synchrotronquellen oder anderen Röntgenstrahlquellen bekannt, um Röntgenstrahlung in geeigneter Weise fokussieren zu können. Solche Linsen sind u. a. als Objektivlinse in Vollfeld-Röntgenmikroskopen für harte Röntgenstrahlung sowie als Beleuchtungsoptik für rasternde Röntgenmikroskopie und -spektroskopie, wie sie in der Materialanalytik an kleinen Proben verwendet werden, im Einsatz.
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Solche Röntgenlinsen können durch Prägen von Metallfolien mit Hilfe von Nadeln mit parabolisch geschliffenen Spitzen oder durch lithografische Verfahren gefertigt werden. Die geprägten CRLs sind rotationssymmetrisch und liefern einen Punktfokus. Allerdings sind die kleinsten realisierbaren Krümmungsradien technologisch bedingt beschränkt. Lithografisch gefertigte CRLs liefern einen Linienfokus, d. h. eine Fokussierung in einer Dimension. Soll der Strahl mit lithografisch gefertigten CRLs in zwei Dimensionen fokussiert werden, um einen Punktfokus zu erhalten, können zwei getrennte Linsenplatten hintereinander angeordnet werden. Eine weitere Möglichkeit zeigt
US 2014/0013573 A1 , in der zwei Silizium-CRLs in einem 90°-Winkel zueinander angeordnet sind. Dazu werden eine Mutter-Linse und eine Tochter-Linse hergestellt, die derart zueinander angeordnet werden, dass aus jeweils zwei Halblinsen orthogonale Strukturen gebildet werden.
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Nachteilig ist hierbei, dass für zwei Platten zwei separate Positioniertische gebraucht werden, die teuer sind. Dadurch, dass die Mitten der Linsenplatten hierbei unterschiedliche Abstände zur Fokusebene aufweisen, weisen solche Gesamtlinsen Astigmatismus auf, sobald die Photonenenergie geändert wird und die Positionierung beibehalten wird. Zum anderen ist es auch bekannt mittels einer röntgentiefenlithografischen Fertigung einen Negativresist über eine Röntgenabsorbermaske unter Einfallswinkeln von ±45° zweimalig zu belichten, so dass im Prinzip zwei Linsenanordnungen mit Linienfokus senkrecht zueinander liegen und damit überlagert einen Punktfokus liefern. Jedoch hängt bei der Belichtung die wenige Mikrometer dicke Trägermembran der Absorbermaske in der Regel etwas durch, so dass die auf der Maske in einer Linie liegenden Löcher im Absorber, durch welche die Einzelelemente der Linse strukturiert werden, auf eine gebogene Linie im Resist abgebildet werden. Die Unebenheit der Maske gibt dadurch die Positionsabweichung der Einzelelemente der fertigen Linsen von einer Geraden vor. Die nutzbare Apertur der Linse wird durch den Versatz der Einzellinsenelemente senkrecht zur optischen Achse reduziert, wodurch sich die optischen Eigenschaften der Linse verschlechtern.
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Weiterhin sind in
US 2004 / 0 251 419 A1 Linsenelemente auf Substraten als Teile einer refraktiven Röntgenoptik offenbart, die auf Strahlungsdetektoren ausrichtbar sind. Zur Erhöhung der räumlichen Auflösung und der Energieauflösung der Strahlungsdetektoren sind weiterhin Kollimatoren, z. B. aus refraktiven Linsen, vorgesehen. Die Linsen sind in einer Reihe hintereinander auf Substraten angeordnet. Diese Substrate sind dynamisch über eine Kommunikationsverbinung auf die Strahlungsdetektoren einstellbar.
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In
US 6 091 798 A ist eine Röntgenlinse offenbart, die aus zwei einzelnen Teillinsen besteht. In den beiden Teillinsen sind Einkerbungen vorgesehen. Die Teillinsen sind zueinander verschiebbar und geeignet, zwei Teilstrahlen, in denen Licht unterschiedlicher Wellenlänge enthalten ist, auf einen gemeinsamen oder auch auf verschiedene Fokuspunkte zu bündeln.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Röntgenlinsenanordnung bereitzustellen, mit der Röntgenstrahlen astigmatismusfrei möglichst auf einen Punkt fokussiert werden können.
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Diese Aufgabe wird durch die refraktive Röntgenlinsenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Weiterbildungen und bevorzugte Ausführungsformen der Röntgenlinsenanordnung sind in den Unteransprüchen ausgeführt.
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In einer ersten Ausführungsform weist eine refraktive Röntgenlinsenanordnung ein oder mehrere Substrat(e) mit einer Vielzahl von Linsenelementen auf, die in einer oder mehreren Reihe(n) angeordnet sind. Dabei sind die Linsenelemente der Linsenanordnung einzeln oder in Gruppen alternierend in einem Winkel in einem Bereich von 0° bis 100° zueinander angeordnet.
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Erfindungsgemäß weist die Linsenanordnung einen oder mehrere Aktor(en) zum Bewegen bzw. Verdrehen einzelner oder mehrerer Linsenelemente auf. Beispielsweise können hier Piezobiegeaktoren, elektromagnetische Aktoren oder Formgedächtnisaktoren eingesetzt werden.
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Dadurch kann erreicht werden, dass die Linsenanordnung in der Brennweite und demnach auch der Fokussierung angepasst bzw. verändert werden kann. Für verschiedene Anwendungen lassen sich mit der erfindungsgemäßen Anordnung die unterschiedlichsten Konfigurationen dadurch erreichen, dass einzelne oder mehrere Linsenelemente aus dem Strahlengang herausgebogen bzw. innerhalb des Strahlengangs verdreht werden. Mit der erfindungsgemäßen Linsenanordnung kann die Gesamt-Brennweite durch entsprechende Anordnung der horizontalen und vertikalen Halblinsen, deren Brennweiten an sich veränderbar sind, unabhängig voneinander gewählt werden und bei entsprechender Anordnung der Linsenelemente kann ein Punktfokus mit minimalem Durchmesser bzw. eine gewünschte Fokusform in einem variablen Abstand zur Linse erzeugt werden. Die Linsenanordnung kann so eine Zoomlinse bilden - die optischen Eigenschaften der Gesamtlinse können je nach gewünschter Anwendung angepasst, verändert und eingestellt werden. Auf Grund der kompakten Form der Linse ist nur eine Positioniereinheit notwendig, um die Linsenanordnung in einem Röntgenstrahl auszurichten.
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Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass jedes Substrat senkrecht zu den Reihen in parallele Substratstreifen getrennt ist, wobei ein Substratstreifen ein oder mehrere Linsenelement(e) aufweist. Diese Anordnung ist besonders für eine Zoomlinse von Vorteil, wobei die einzelnen oder mehrere Linsenelemente mittels Aktoren, die die Streifen verbiegen, gezielt und reversibel aus dem Strahlengang entfernt werden können, so dass die Brennweite der Optik verändert werden kann.
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Dazu kann eine Weiterbildung der Linsenanordnung vorsehen, dass jeweils ein Substrat senkrecht zu der einen oder mehreren Reihe(n) in eine Vielzahl paralleler Substratstreifen getrennt ist, wobei jeder Substratstreifen ein oder mehrere Linsenelement(e) tragen kann. Alternativ kann die Linsenreihe mitsamt dem Substrat vor der Trennung in Streifen auf ein größeres Trägersubstrat aufgeklebt sein. Die Linsenelemente befinden sich dabei stets an einem Ende des jeweiligen Streifens.
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In einer weiteren Ausführungsform sind alle Streifen einer Linsenelementreihe, die gebildet werden soll, an dem der Linsenelemente gegenüberliegenden Ende eingespannt, indem sie z. B. mit einem Verbindungsstreifen verklebt sind.
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Die Linsenanordnung kann eine Vielzahl an Aktoren aufweisen, wobei jedem Substratstreifen einer der Aktoren zugeordnet ist, so dass die Linsenelemente unabhängig voneinander bewegt bzw. verdreht werden können. Damit können über die Substratstreifen die Linsenelemente entsprechend aus ihrer Ausgangsposition in ihrer jeweiligen Reihe heraus und reversibel wieder hinein bewegt werden. Alternativ können die Substratstreifen so gelagert sein, dass ein einzelner Freiheitsgrad eine Bewegungsrichtung, z. B. die Rotation um eine Achse parallel zur Richtung der Linsenreihe, vorgibt. Durch geeignete Aktoren können auch hier die Streifen gezielt und reversibel aus dem Strahlengang heraus oder wieder herein gedreht werden oder um die optische Achse um einen vorgegebenen Winkel gedreht werden.
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Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass zwei benachbarte Linsenelemente der ersten und der zweiten Reihe um einen Winkel in einem Bereich von 0° bis 100°, bevorzugt um 90°, zueinander gekippt sind. Vorteilhaft können aus zwei Reihen entweder eine Punktfokuslinse oder eine Linienfokuslinse mit doppelter Elementanzahl und damit doppelter Brechkraft hergestellt werden, ohne eine Extrareihe fertigen zu müssen, in der die Elemente dicht gepackt stehen.
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Bevorzugt werden die Substrathälften senkrecht zueinander ausgerichtet, so dass der Kippwinkel 90° beträgt. Damit kann bei geeigneter Geometrie der Linsenelemente ein astigmatismusfreier Punktfokus erzeugt werden. Alternativ kann auch nur ein Aufbau mit einer Halterung einer einzelnen Linsenreihe als Zoomlinse verwendet werden, um einen Linienfokus mit variablem Abstand zu der Linsenanordnung zu erzeugen. Die Anordnung kann durch Verdrehen der Halblinsen um die optische Achse auch so konfiguriert werden, dass sich eine Linse mit gezielt einstellbarem Astigmatismus ergibt, wobei die Lage der Fokusebenen auch bei einer Änderung der Photonenenergie konstant gehalten werden kann.
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Ferner sind die Linsenelemente in einem geeigneten Abstand zueinander angeordnet. Die Abstände entsprechen dabei jeweils Abständen, die für eine spätere Montage geeignet sind. Die Abstände der Linsenelemente zueinander können gleich sein und zu den Breiten der Linsenelemente passen. Dabei ist stets ein Spiel zwischen den Linsenelementen in Form eines Toleranzabstandes von 20 µm, um zu vermeiden, dass bei Anordnung der Linsenelemente diese verklemmen. Auch unterschiedliche Breiten und Abstände innerhalb einer Reihe der Linsenelemente sind dabei möglich, abhängig davon, wie die einzelnen Linsenelemente bemessen sind. Die Anordnung der Linsenelemente innerhalb der jeweiligen Reihe kann in Bezug auf die Abmessungen der einzelnen Linsenelemente auf- oder absteigend angeordnet sein; auch die Abmessungen der Linsenelemente können innerhalb einer Reihe unterschiedlich sein. Eine derartige Reihe von Linsenelementen fokussiert den Strahl stets in einer Fokusebene senkrecht zur optischen Achse. Die Abmessungen der Linsenelemente können den entsprechenden Anforderungen angepasst werden, so ist ein beispielhaftes Linsenpaar meist zwischen 100 µm und 2 mm lang (entlang der optischen Achse), wobei die gesamte Zoomlinse dann eine Länge von 60 mm haben kann. Diese Abmessungen können aber den jeweiligen Messanforderungen angepasst werden. So können auch längere Abmessungen vorzugsweise von über 70 mm besonders bevorzugt von über 70 mm bis zu 100 mm ermöglicht werden. Der Maximalwert ist dadurch begrenzt, dass ein Mikroskoptisch benötigt wird, der ausreichend lange Verfahrwege ermöglicht, um die Linsenteile zueinander justieren zu können.
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Eine weitere alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Linsenanordnung lässt sich realisieren, wenn die einzelnen Reihen zu ihrer Mitte spiegelsymmetrisch sind, wobei die in ihren Abmessungen größten oder kleinsten Linsenelemente in der Mitte angeordnet werden können. Dabei kann nach einer 180°-Drehung der ersten Reihe Linsenelemente um eine Achse senkrecht zum Substrat eine Verschiebung von einer halben Reihenlänge erfolgen und danach die Linse wie beschrieben montiert werden. Dann liegen die Seitenflächen der einen Reihe als Halblinse an dem Substrat der anderen Halblinse an und sind damit passiv ausgerichtet. Durch Ansetzen weiterer Halblinsen kann die Gesamtlinse beliebig verlängert werden und damit die Beschränkung durch die Maskenlänge bei der Strukturierung umgangen werden. Für hohe Photonenenergien besteht derzeit eine Längenbeschränkung auf in etwa 60 mm, die eine klare Einschränkung darstellt. Diese Einschränkung kann durch die erfindungsgemäße Ausführungsform umgangen werden.
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Ferner ist in einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass jedes Linsenelement eine oder mehrere konkave Linsenfläche(n) aufweist. Dadurch können auch Halblinsen erzeugt werden, deren eine Linsenfläche gekrümmt und deren andere Linsenoberfläche eben ist. Die Linsenoberflächen können teilkreisförmig oder parabelförmig gekrümmt sein.
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Die erfindungsgemäße Linsenanordnung kann bei geeigneter Wahl der Form der brechenden Oberflächen astigmatismusfrei sein. Zudem wird nur noch eine einzige Positioniereinheit benötigt, welche die so hergestellte Linsenanordnung im Röntgenstrahl ausrichtet.
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Der Linsenanordnung ist eine Regel- und Steuerungseinheit zugeordnet, wobei einerseits die Linsenanordnung bzw. andererseits die Aktoren elektronisch mit der Regel- und Steuerungseinheit operativ gekoppelt sind. So können die wichtigsten Aufbauparameter, z. B. Abstände, Fokusgröße und gewünschte Fokusform eingestellt werden, so dass automatisch die optimale geeignete Linsenanordnung berechnet und eingestellt werden kann. Anschließend können so vorbestimmte Linsenelemente aus dem Strahlengang genommen werden, indem ein Mikrokontroller die entsprechenden Aktoren ansteuern kann.
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In einem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren für refraktive Röntgenlinsen wird ein Substrat verwendet, das eine oder mehrere strukturierbare Beschichtung(en) aufweist:
- Das Verfahren sieht vor, dass in einem ersten Schritt ein solches Substrat bereitgestellt und im nächsten Schritt mittels eines geeigneten Strukturierungsverfahrens das Substrat bzw. die strukturierbare Beschichtung darauf strukturiert wird.
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Dabei wird eine Vielzahl von senkrecht zum Substrat stehenden Linsenelementen in einer, bevorzugt in zwei oder mehr zueinander benachbarten parallelen Reihen ausgebildet, wobei jedes Linsenelement einer Reihe von seinem benachbarten Linsenelement um einen vorbestimmten Abstand beabstandet ist, so dass die Linsenelemente für die spätere Montage geeignete Abstände zueinander aufweisen. Vorbestimmt heißt dabei, dass die Abstände zwischen den Linsenelementen gleich oder untereinander unterschiedlich sein können, abhängig davon, wie die einzelnen Linsenelemente bemessen sind. Auch ihre Abmessungen können innerhalb einer Reihe unterschiedlich sein.
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In einem weiteren Schritt wird das Substrat entlang einer Achse, die zwischen den Reihen verläuft, bevorzugt parallel zu den Reihen, in eine erste Substrathälfte und eine zweite Substrathälfte geteilt. Hiernach wird eine der beiden Substrathälften um einen Kipp-Winkel um diese Achse gekippt, so dass die Linsenelemente zueinander weisen. Eine Hälfte im Sinne der Erfindung ist als ein Teil des ganzen Substrats zu verstehen und bezieht sich nicht nur auf genau zur Hälfte zerteilte Substrate. Diese Achse kann auch die Längsachse des Substrats sein. Ein Kippen oder auch Drehen kann auch um eine zum Substrat senkrechte Achse und um die Längsachse erfolgen, so dass die Substrathälften unter einem Winkel α zueinander stehen und die Linsenelemente zueinander weisen.
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In einem nächsten Schritt werden die beiden Substrathälften zusammen geschoben, so dass zwischen zwei Linsenelementen der ersten Reihe ein Linsenelement oder eine Gruppe aus Linsenelementen der zweiten Reihe zumindest teilweise positioniert ist. Zuletzt werden die zusammen geschobenen Substrathälften aneinander fixiert. Die Fixierung kann durch einen Trägerbalken oder andere Vorrichtungen, die die Substrathälften in Position halten können, erfolgen. Bei einer Zoomlinse können die beiden Substrathälften bspw. an einem gemeinsamen Gehäuse oder Halterung befestigt sein.
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Das Verfahren ermöglicht die Fertigung von abbildenden, refraktiven Röntgenlinsen mit Punktfokus, die geringe Abweichungen von der Sollgeometrie und nur sehr geringe optische Fehler wie Astigmatismus aufweisen. Die Qualität der so erzeugten Röntgenlinsen ist im Vergleich zu den nach Verfahren des Standes der Technik hergestellten refraktiven Röntgenlinsen dieser Art stark verbessert.
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Mit dem vorgeschlagenen Verfahren lassen sich Linsen auf einem einzigen Substrat schnell und einfach fertigen. Es können zwei Linsen mit Linienfokus so miteinander zu einer Einheit angeordnet werden, dass die Linsenmitten auf gleicher Höhe liegen, und dadurch einen astigmatismusfreien Punktfokus des Röntgenstrahls ermöglichen. Zur einfachen Herstellung können die Reihen nebeneinander strukturiert werden, wobei die Linsenelemente der einzelnen Reihen auf gleicher Höhe liegen können. Dann kann die zweite Substrathälfte nach dem Kippen in Längsrichtung soweit verschoben werden, dass die Linsenelemente der einen Reihe zwischen den Linsenelementen der anderen Reihen passen. Bei der Strukturierung kann aber auch vorgesehen sein, dass die Reihen zueinander versetzt strukturiert werden, und nach dem Zerteilen, wobei in der Regel das Substrat zersägt wird, nunmehr lediglich gekippt werden müssen. Ein Verschieben ist dann nicht mehr notwendig.
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Es können auch einzelne Reihen auf einzelne Substrate strukturiert werden und diese zwei Substrate zueinander - nach geeigneter Anpassungen der Abmessungen - durch Drehen und Kippen der Substrathälften ausgerichtet und ineinander geschoben werden. Dies hat den Vorteil, dass mehr unterschiedliche Linsenanordnungen auf eine Maske passen.
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Die Linsenelemente können bevorzugt senkrecht zur Substratebene stehend strukturiert werden. Es können aber auch schräg stehende Linsenelemente erzeugt werden, die einen Winkel in einem Bereich von 45° bis 100° zur Substratebene haben.
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Auch können mehrere solcher Reihenanordnungen auf einem Substrat erzeugt werden und in mehrere Teile zersägt werden, so dass ein Substrat genügen kann, um mehrere Linsenanordnungen herzustellen. Die Anzahl der in der Reihe angeordneten Linsenelemente ist beliebig und kann der zu erreichenden Fokussierung angepasst werden. Je nach Photonenenergie, Parabelkrümmungsradius, Materialwahl sowie Quell- und Fokusabstand können sich Linsenelementanzahlen von 1 bis etwa 500 für vertikale bzw. horizontale Fokussierrichtung bewegen.
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Um die Röntgenlinsenelemente geeignet zu strukturieren, kann das Substrat beziehungsweise die Beschichtung oder der Resist auf dem Substrat erfindungsgemäß mittels eines lithografischen Strukturierungsverfahrens, bevorzugt mittels Röntgenlithografie oder Photolithografie oder Elektronenstrahllithografie oder alternativ einem anisotropen Trockenätzverfahren strukturiert werden. Gerade mittels eines Ätzverfahrens gefertigte Siliziumlinsen können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren astigmatismusfrei hergestellt werden. Die Beschichtung auf dem Substrat kann auch mittels Abformung als Kopie eines mit den genannten Verfahren strukturierten Originalsubstrats strukturiert werden.
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Das Herstellungsverfahren kann in einer weiteren Ausführungsform vorsehen, dass das Substrat senkrecht zu den Reihen in parallele Substratstreifen geteilt wird, wobei ein Substratstreifen ein oder mehrere Linsenelement(e) trägt. Die einzelnen Substratstreifen ermöglichen eine einfachere Anordnung der Linsenelemente zueinander. Es können so auch weitere Linsenelemente einfach angefügt werden, indem die parallel zueinander angelegten Substratstreifen mit einem Querbalken miteinander verbunden bzw. stabilisiert werden und weitere Substratstreifen einfach an den Querbalken benachbart zu den bereits vorliegenden Substratstreifen angelegt werden.
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Damit einzelne Substratstreifen aus ihrer Ausgangsposition in ihrer jeweiligen Reihe heraus bewegt bzw. wahlweise oder zusätzlich verdreht werden können, kann in einem weiteren Schritt des Verfahrens vorgesehen sein, dass an einen oder mehrere Substratstreifen ein Aktor angeordnet wird. Ein Aktor kann dabei einzelne Substratstreifen oder auch mehrere Substratstreifen bewegen. Als Aktoren kommen unterschiedlichste, geeignete Vorrichtungen in Frage, so bspw. Piezobiegeaktoren, elektromagnetische oder magnetostriktive Aktoren oder Formgedächtnisaktoren.
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Zur Strukturierung des Substrats kann vor der Belichtung desselben vorteilhaft vorgesehen sein, dass eine oder mehrere Belichtungsmaske(n) bereitgestellt und parallel zu dem zu belichtenden Substrat, oder in Richtung des belichtenden Lichts senkrecht zu dem zu belichtenden Substrat angeordnet werden. Alternativ kann auch eine oder mehrere Schichten eines Photoresists auf das Substrat aufgetragen werden. Je nach verwendetem Strukturierungsverfahren sind unterschiedliche Verfahrensschritte zur Vorbereitung notwendig, die sich in das erfindungsgemäße Verfahren mühelos einbetten lassen.
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Die Erfindung kann ferner bevorzugt vorsehen, dass die Substrathälften mit einem Klebstoff, bevorzugt einem Zweikomponentenklebstoff, besonders bevorzugt einem Zweikomponenten-Epoxidharz, einem Cyanacrylat-Klebstoff („Sekundenkleber“) oder einem lichthärtenden Klebstoff aneinander fixiert werden können. Auch andere Klebstoffe, die sich zum Kleben der Substratmaterialien eigenen, können verwendet werden. Auch kann ein L-förmiger Metallwinkel, beispielsweise aus Invar-Stahl, als Verbindungselement zwischen die beiden Halblinsen geklebt werden. Hierdurch wird eine feste und robuste Verbindung zwischen den beiden Substrathälften erzeugt, die auch wiederkehrende Neupositionierungen der Linse erlaubt, ohne dass die Güte der Fokussierung leidet.
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Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren kann eine refraktive Röntgenlinsenanordnung hergestellt werden, wobei die Linsenanordnung eine Vielzahl alternierender Linsenelementen aufweist, die in einem Winkel im Bereich von 0° bis 100°, bevorzugt von 90°, zueinander angeordnet sind.
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Weitere Ausführungsformen sowie einige der Vorteile, die mit diesen und weiteren Ausführungsformen verbunden sind, werden durch die nachfolgende ausführliche Beschreibung unter Bezug auf die begleitenden Figuren deutlich und besser verständlich. Die Figuren sind lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.
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Dabei zeigen:
- 1 bis 4 einige Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens in perspektivischer Ansicht,
- 5, 5a perspektivische Ansichten einer erfindungsgemäßen Linsenanordnung mit bewegbaren Substratstreifen,
- 6 bis 9 eine perspektivische Ansicht einiger Verfahrensschritte zur Herstellung einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Linsenanordnung, und
- 10, 11 eine alternative Anordnung von Linsenelementen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren bezieht sich auf eine Herstellung refraktiver Röntgenlinsen.
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Die 1 bis 4 zeigen jeweils einzelne beispielhafte Schritte für das erfindungsgemäße Verfahren. Dabei wird ein Substrat 1 so strukturiert, dass Linsenelemente 2, 2' in zwei parallel nebeneinander liegenden Reihen, einer ersten Reihe 3 und einer zweiten Reihe 4, erzeugt werden. Die einzelnen Linsenelemente 2, 2' weisen jeweils zwei parabolisch geformte konkav gekrümmte Linsenflächen 5 auf. Die Linsenelemente 2, 2' weisen eine Breite B auf und sind entlang der Reihen 3, 4 mit Abstand A zueinander beabstandet. Bei der in 1 abgebildeten Ausführungsform ist der Abstand A dabei größer oder zumindest gleich der Breite B, so dass die Linsenelemente 2, 2' in einem späteren Verfahrensschritt ineinander geschoben werden können.
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1 zeigt das Substrat 1 mit den Linsenstrukturen, das entlang einer Achse C, die parallel zur Längsrichtung der Reihen 3, 4 verläuft, in zwei Substrathälften 1a, 1b zerteilt wurde.
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In 2 wurde die zweite Substrathälfte 1b gegenüber der ersten Substrathälfte 1a um die zu den Linsenreihen parallele Achse C so verkippt, dass die Linsenelemente 2, 2' zueinander weisen. Der Kippwinkel α beträgt hier 90°.
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In 3 sind beide Substrathälften 1a, 1b zusammengeschoben gezeigt, wobei die Linsenelemente 2' der zweiten Reihe 4 auf der zweiten Substrathälfte 1b in die Zwischenräume zwischen den Linsenelementen 2 der ersten Reihe 3 auf der ersten Substrathälfte 1a ragen. Zur robusten Befestigung der beiden Substrathälften 1a, 1b sind sie an den Flächen, an den denen sie aneinander liegen, miteinander verklebt. Bei einer Zoomlinse werden die beiden Substrathälften an einem gemeinsamen Gehäuse befestigt.
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Damit stehen dann zwei im Wesentlichen aus den Linsenelementen 2, 2' aufgebaute Linsenanordnungen 10 mit Linienfoki senkrecht zueinander, so dass eine Punktfokussierung des durchlaufenden Röntgenstrahls erreicht werden kann.
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In 4 ist eine refraktive Röntgenlinse mit einstellbarer Brennweite gezeigt, deren einzelne Linsenelemente 2 auf einem in Streifen 7 geteiltes Substrat 2 strukturiert sind. Mittels eines Querbalkens 8 sind die Streifen 7 an ihrem von den Linsenelementen 2 weg weisenden Ende miteinander verbunden und so stabilisiert. Die Substratstreifen 7 dienen als Biegebalken, die mit geeigneten Aktoren 9 (siehe 5) so gebogen werden können, dass einzelne oder viele Linsenelemente 2 gezielt und reversibel aus dem Strahlengang entfernt werden können, um so die Möglichkeit zu erhalten, die Brennweite einzustellen.
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In 5 ist eine Röntgenlinsenanordnung 10 gezeigt, deren Substratstreifen 7 jeweils mit einem solchen Aktor 9 verbunden sind. Für eine bessere Übersicht ist beispielhaft nur ein Aktor 9 gezeigt. In Detail A in 5a sind zwei benachbarte Streifen 7 aus der rechtwinkligen Anordnung herausgebogen. Mit jedem Aktor 9 kann ein Substratstreifen 7 aus seiner Normalposition, wie sie in 4 gezeigt ist, verbogen werden, so dass ein oder mehrere Linsenelemente 2, 2' aus der optische Achse heraustreten. Ferner kann ein Substratstreifen 7 auch in sich verdreht werden und damit verbogen werden. Die Verstellung der einzelnen Substratstreifen 7 ist reversibel, so dass die Anordnung 10 immer neuen Anwendungsanforderungen angepasst werden kann. Die Brennweite der Gesamtlinse ist damit in horizontaler bzw. vertikaler Richtung der Linsenanordnung in Bezug auf einen Laborboden veränderlich, je nachdem wie viele Linsenelemente aus der jeweiligen Reihe 3, 4 herausbewegt oder in sich verdreht werden. Da die Röntgenquelle an Synchrotronquellen oft parallel zum Boden andere Abmessungen hat als senkrecht zum Boden, sollte die Linse auch parallel oder vertikal stehen und nicht bspw. unter einem Winkel. Die Position innerhalb der jeweiligen Reihe 3, 4 ist als Ausgangsposition zu verstehen. 5a zeigt, dass auf einem Substratstreifen 7 zwei Linsenelemente 2, 2' angeordnet sind und beide Substratstreifen 7 aus der optischen Achse (Strahlengang) herausgebogen sind. Die einzelnen Linsenelementen 2, 2' sind in einem spezifischen Abstand zueinander angeordnet, wobei dieser Abstand vorbestimmt ist. Als eine Ausführungsform kann dieser Abstand einem einzelnen Linsenelement und etwas Spielraum entsprechen, sodass die beiden Reihen 3, 4 einfach ineinander montiert werden können.
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Die Abmessungen der Linsenelemente können den entsprechenden Anforderungen angepasst werden, so ist ein beispielhaftes Linsenpaar meist zwischen 100 µm und 2 mm lang (entlang der optischen Achse). Die Luftspalte können bei etwa 20 µm liegen. 10 µm wären zu wenig und mehr als 20 µm nicht notwendig - dies würde zu weniger Elementen auf maximal 60 mm Layoutlänge für die Linse führen. Diese Toleranzen vermeiden, dass bei zu geringen Toleranzabständen (weniger als 10 µm) bei einer 60 mm langen Zoomlinse Linsenelemente miteinander verklemmen und als Folge eventuell abbrechen würden.
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In den 6 bis 9 sind einzelne Verfahrensschritte zur Herstellung einer weiteren Ausführungsform einer möglichen Linsenanordnung 10 gezeigt. Die Linsenelemente 2, 2' ragen hierbei nicht von der Substratoberfläche nach oben, sondern sind in eine Stufe 6 in das Substrat 2 hineinstrukturiert. Die Linsenelemente 2, 2' zeigen hierbei jeweils zwei unterschiedliche Arten von Linsenflächen - eine gekrümmte Linsenfläche 5 sowie eine ebene Linsenfläche 5'. Dabei ist jedes Linsenelement 2, 2' nach dem folgenden Schema aufgebaut: Eine ebene Linsenfläche 5', zwei gekrümmte Linsenflächen 5, die zueinander ausgerichtet sind, und eine weitere ebene Linsenfläche 5'. Diese Linsenanordnung 10 ermöglicht es, auch beispielsweise in Silizium geätzte refraktive Röntgenlinsen mit Punktfokus auf einem einzigen Substrat zu fertigen und eine astigmatismusfreie Linsenanordnung 10 zu erreichen.
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In 7 sind beide Substrathälften 1a, 1b nach Strukturierung und Zersägen bzw. Zerteilen gezeigt. 8 zeigt die bereits zur ersten Substrathälfte gekippte zweite Substratfläche 1b. Auch hier beträgt der Kippwinkel α zwischen den Linsenelementen 2, 2' der beiden Reihen 3, 4 90°.
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8 zeigt den Schritt des Zusammenschiebens der beiden Substrathälften 1a, 1b, wohingegen in 9 die beiden Substrathälften 1a, 1b zusammen geschoben sind und die fertige Linsenanordnung 10 bilden.
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In 10 sind schematisch Linsenelemente 2 mit unterschiedlichen Breiten und unterschiedlichem Abstand zueinander dargestellt. Sollten Einzelelemente unterschiedlich lang sein, muss die Montage verändert werden. Die zu montierenden Halblinsen können getrennt nebeneinander gezeichnet werden und passende Abstände, die unterschiedlich sein können, zueinander aufweisen. Bei identischen Halblinsen können die Lücken zwischen den Elementen größer als die Länge des längsten Elements gewählt werden. Oder eine der beiden Reihen kann vor der Montage umgedreht werden, so dass die Linsenelemente 2 ineinander geschoben werden können. Die 11 zeigt schematisch eine solche fertige Anordnung 10 an unterschiedlich bemessenen Linsenelementen 2, 2'. Unterschiedlich bemessene Linsenelemente 2 sind vorteilhaft, um eine vorgegebene Brennweite möglichst genau treffen zu können. Identische Halblinsen ermöglichen ein besseres Ausnutzen der Platzverhältnisse auf dem Substrat, da pro Linse nur eine Halblinsenreihe gefertigt werden muss und diese dann getrennt werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Substrat
- 1a
- Erste Substrathälfte
- 1b
- Zweite Substrathälfte
- 2, 2'
- Linsenelemente
- 3
- Erste Reihe Linsenelemente
- 4
- Zweite Reihe Linsenelemente
- 5, 5'
- Linsenflächen
- 6
- Stufe
- 7
- Substratstreifen
- 8
- Querbalken
- 9
- Aktor
- 10
- Röntgenlinsenanordnung
- A
- Abstand Linsenelemente
- B
- Breite Linsenelemente
- C
- Kippachse
