ЛИНЗА ДЛЯ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
LENS FOR X-RAY RADIATION

Область техники, к которой относится изобретение
Устройство относится к области рентгенотехники и может быть использовано в качестве основы методов рентгеновской микроскопии, микротомографии, спектроскопии, флуоресцентной спектрометрии, востребованных в таких научных областях, как физика, биология, медицина, геология, археология, наука о материалах, и в целом для решения задач, требующих фокусировки, коллимации или сбора рентгеновского излучения.
Уровень техники
-4
Рентгеновская оптика, в которой длина волны электромагнитного излучения находится в диапазоне от 10 нм до 10 нм, интенсивно развивается в течение последних 20 лет. Данная область вызывает активный интерес благодаря возможности микроскопии и томографии объектов с высокой разрешающей способностью, определяемой использованием более коротких длин волн по сравнению с видимым световым диапазоном. Для реализации таких оптических систем необходимы устройства для фокусировки рентгеновских лучей; простейшим таким устройством является линза. Линза собирает или рассеивает излучение, используя преломление света. При помощи линзы можно построить изображение объекта. Обычная линза представляет собой прозрачный однородный материал, ограниченный двумя поверхностями, на которых и происходит преломление света (в дальнейшем преломляющие поверхности линзы будут называться рабочими поверхностями). Характерным параметром рабочей поверхности линзы является радиус кривизны R, принимающий положительные значения для выпуклых поверхностей и отрицательные - для вогнутых. Рабочая поверхность линзы обычно является поверхностью вращения - поверхностью, образованной при вращении произвольной линии вокруг прямой (осью вращения). В подавляющем большинстве случаев ось вращения является общей для первой и второй рабочих поверхностей, и называется оптической осью. На оптической оси обычно внутри линзы располагается оптический центр линзы или точка, при прохождении через которую луч не испытывает преломления. Если вдоль оптической оси линзы пустить параллельные лучи, то после прохождения через собирающую линзу эти лучи пересекутся в одной точке (фокусе). После прохождения через рассеивающуюся линзу эти лучи будут расходиться и не пересекутся, однако точка пересечения продолжений этих лучей также называется фокусом линзы. Собирающие (или рассеивающие) свойства линзы характеризуются фокусным расстоянием F - расстоянием между оптическим центром и фокусом, которому приписывают положительное значение для собирающей линзы и отрицательное для рассеивающей. Фокусное расстояние линзы F в простейшем случае тонкой линзы со сферическими рабочими поверхностями описывается следующей формулой:
1
2
1
2
где n - показатель преломления материала линзы, R, R - радиусы кривизны рабочих поверхностей линзы. Зачастую рабочие поверхности линзы являются идентичными, в этом случае радиусы кривизны рабочих поверхностей одинаковы, то есть R=R.
опт
опт
x
x
-6
-5
Разработка рентгеновских линз сопряжена с преодолением таких трудностей, как высокое поглощение и близкий к единице показатель преломления рентгена в веществе. В видимом оптическом диапазоне показатель преломления в материале линзы (стекло) n обычно больше 1 на десятки процентов: (n -1)≈0.2-0.3. Для рентгеновского излучения показатель преломления твердых материалов n меньше единицы, но отличается от нее на малую величину: d=(1-n)~10-10, величина d называется декрементом показателя преломления. Таким образом, в отличие от фокусирующих линз для излучения видимого диапазона, которые имеют выпуклую форму рабочей поверхности, фокусирующие линзы для рентгеновского излучения должны иметь вогнутую форму рабочей поверхности. Из выражения (1) видно, что маленький контраст показателей преломления приводит к большому значению фокусного расстояния: F~100 м для линз с радиусом кривизны R~1 мм. Для уменьшения фокусного расстояния необходимо изготавливать кластер из соосно расположенных одиночных линз (рентгеновский объектив или составная преломляющая линза). В приближении тонкой линзы фокусное расстояние такой фокусирующей системы обратно пропорционально количеству одиночных линз и прямо пропорционально радиусу кривизны одиночной линзы:
где n - показатель преломления материала линзы, R - радиус кривизны рабочих поверхностей линзы, N - количество линз в системе.
Необходимость использования кластера линз может приводить к дополнительным сложностям при выставлении соосности линз. Кроме того, это означает, что свет проходит большее расстояние сквозь вещество линз и, следовательно, больше поглощается.
Форма рабочих поверхностей может приводить к искажениям (аберрациям) при построении изображений. Аберрации уменьшают четкость изображения и разрешающую способность линзы - в приближении геометрической оптики наличие аберраций можно описать как фокусирование не в точку, а пятно. В реальности точка фокуса всегда имеет конечные размеры, и линейный размер (диаметр) фокальной точки оптической системы будет увеличиваться при наличии аберраций. Наиболее распространенными являются сферические аберрации, при которых фокусы параллельных лучей света, идущих на разном расстоянии от оптической оси линзы, не совпадают. Сферические аберрации присущи линзам со сферической рабочей поверхностью, хотя и не только им. Этих аберраций можно избежать, если использовать линзы с параболическими рабочими поверхностями. Так как рентгеновское излучение используется для получения изображений с высоким разрешением, в этой области важно уменьшать аберрации оптической системы. Кроме того, для работы линзы важно качество рабочей поверхности. Шероховатость рабочей поверхности не должна быть ощутимой для данного диапазона, то есть локально поверхность должна быть гладкой с точностью до долей длины волны используемого излучения. При невыполнении этого условия помимо преломления свет будет рассеиваться на поверхности линзы, что приведет к потере интенсивности получаемого изображения. Таким образом, при подборе линз для рентгеновского излучения следует подобрать оптимальный материал линзы с высоким значением декремента d и низким значением коэффициента поглощения, параболическими рабочими поверхностями с малым радиусом кривизны R и высокой гладкостью; для объективов рентгеновского излучения еще важно количество линз в сборке и возможность их точного выставления вдоль единой оптической оси.
На данный момент существует достаточное количество рентгеновских линз различного дизайна. В патенте US 005594773 A рассмотрена рентгеновская линза, представляющая собой полое цилиндрическое или полусферическое отверстие в материале, пропускающем рентгеновское излучение. Также предлагается конструкция рентгеновского объектива, где оси цилиндрических и полусферических отверстий расположены в одной плоскости параллельно друг другу, таким образом, формируется массив линз для уменьшения фокусного расстояния. Материалом линзы выбраны металлы (литий, бериллий, алюминий, хром), кремний и углерод. Радиус кривизны линз составляет не менее 400 мкм, а расстояние между соседними линзами (между рабочими поверхностями вдоль оптической оси объектива) - несколько десятков микрометров. Создание массива линз в едином куске материала позволяет решить проблему расположения линз соосно. Для фокусировки в двух перпендикулярных направлениях требуется расположить рядом два массива линз так, чтобы оси цилиндрических отверстий в них были перпендикулярны. Для уменьшения поглощения рентгеновского излучения при прохождении массива линз предлагается уменьшать расстояние между соседними линзами или создать между линзами зазор из выемок с параллельными стенками. В примере осуществления изобретения 50 сквозных цилиндров радиусом 500 мкм расположены соосно в пластине углерода длиной 50 мм. Данная конфигурация позволила достичь фокусного расстояния в 165 см для длины волны рентгеновского излучения 0.1 нм.
Однако данное решение обладает рядом недостатков. Во-первых, сечение дырок имеет форму окружности, что означает наличие сферических аберраций. Во-вторых, массив цилиндрических линз фокусирует рентгеновское излучение только в одном направлении (происходит фокусировка не в точку, а в линию). В-третьих, радиус кривизны рабочей поверхности ограничен 400 мкм. В изобретении упомянута возможность уменьшения радиуса кривизны в 10 раз, но отмечается технологическая сложность создания таких линз. Наконец, невозможно получить рассеивающую выпуклую линзу.
В патенте на изобретение US 006269145 рассмотрены линзы и объектив, изготовленные из отдельных кусков материала, расположенных друг за другом. Предложены сферические и параболические преломляющие линзы. В качестве материала линз были использованы эпоксидная смола, полипропилен и бериллий. Метод изготовления позволяет получить линзы с радиусом кривизны поверхностей в несколько миллиметров и минимальной толщиной линзы 5 мкм. Выравнивание линз друг относительно друга происходит после изготовления. В изобретении показано три варианта выравнивания линз: расположение линз в поддерживающем цилиндре, использование выравнивающих дырок в самих линзах, выравнивание линз с помощью оптических технологий и дальнейшая фиксация с помощью клея. Показано, что отклонение осей линз в ортогональном направлении не оказывает существенного влияния на фокусирующие свойства массива линз. Фокусировка осуществляется вдоль средней оптической оси, определяемой как ось, относительно которой сумма отклонений осей всех линз массива равна 0. При этом среднее квадратичное отклонение должно быть меньше эффективной апертуры. В материалах патента предложено несколько вариантов штамповки рентгеновских линз. В первом варианте в металлическом диске создают дырку, в которую заливают эпоксидную смолу. Затем диск располагают на тонкой пленке (например, майларовой), а потом стальной шар вдавливают в смолу. После удаления некоторой части смолы, она принимает форму сферической выемки, которая работает как линза. Такой способ позволяет создавать двояковогнутые сферические линзы. Для этого на эпоксидную смолу необходимо воздействовать двумя шарами с двух сторон. Этот способ позволяет создавать линзы с толщиной менее 10 микрометров. Кроме того, в изобретении продемонстрирована возможность создания линз из майларовой фольги с помощью двух стальных шаров. В этом случае удалось достигнуть толщины линзы менее 5 микрометров. Также в патенте продемонстрирована возможность создания преломляющих параболических линз Френеля из полипропилена с помощью литья под давлением или прессования. У такой формы линзы есть несколько преимуществ: параболическая форма, которая является идеальной для фокусировки, увеличенная апертура и уменьшенное поглощение. Использование пластика позволяет осуществить массовое дешевое производство идентичных линз, которые могут быть легко собраны в составную преломляющую линзу (объектив). Более того в патенте продемонстрирована возможность создания преломляющих параболических линз Френеля из бериллия с помощью высокоточных токарных станков. Преимуществами бериллия является лучшее преломление и пропускание рентгеновского излучения. В примере осуществления изобретения с помощью объектива из 198 сферических линз с радиусом кривизны 0.17 мм продемонстрировано фокусное расстояние F=74 см для излучения с длиной волны 0.15 нм (т.е. энергией 8 кэВ) и минимальным размером фокальной точки 35.5 мкм.
Данное изобретение обладает следующими недостатками. Во-первых, радиус кривизны линз ограничен радиусом кривизны стальных шаров, который составляет несколько миллиметров, и возможностями создания форм для прессовки с малым радиусом кривизны. Во-вторых, производство линз из бериллия является дорогостоящим. В-третьих, исключительно высокие требования к точности изготовления штампа и, в особенности, к чистоте обработки его поверхности, так как шероховатость поверхности формируемых линз существенно снижает их оптические характеристики. В-четвертых, для изменения радиуса кривизны требуется изготовление нового штампа.
-4
-6
В патенте US 20040052331 А1 продемонстрированы двумерные преломляющие линзы, созданные с помощью технологии экструзии, и объектив из таких линз. Линзами являются цилиндрические дырки в материале, пропускающем и преломляющем рентгеновское излучение. При этом профиль цилиндра может выбираться произвольно (в том числе возможно создание параболических линз). В качестве материалов для создания линз были продемонстрированы алюминий, литий, пластики и керамика. Созданы линзы с радиусом кривизны, составляющим десятые доли миллиметра и толщиной (расстоянием между рабочими поверхностями) не менее 10 мкм. Достоинством метода является возможность массового производства линз с параболическим профилем. В данной работе патентуется метод изготовления рентгеновских линз, и не указываются достигаемые характеристики фокусировки рентгеновского излучения, однако из указанных параметров (R≤10 м, d≤10, N≤30) можно сделать оценку, что наименьшее достижимое фокусное расстояние составляет около 1.5 м.
Однако известное решение обладает рядом недостатков. Во-первых, массив линз фокусирует рентгеновское излучение только в одном направлении. Во-вторых, радиус кривизны ограничен десятыми долями миллиметра. В-третьих, толщина стенок между линзами не может быть меньше 10 микрометров, что влияет на поглощение рентгеновского излучения при прохождении массива линз.
2
В статье Lengeler В. et al. Imaging by parabolic refractive lenses in the hard X-ray range //Journal of Synchrotron Radiation. - 1999. - T. 6. - №. 6. - C. 1153-1167. продемонстрированы рентгеновские линзы с параболическим профилем из бериллия или алюминия. Радиус кривизны линзы составил около 200 мкм, шероховатость рабочих поверхностей 0.1 мкм, а расстояние между рабочими поверхностями 20 мкм. Для объектива из 52 бериллиевых линз была достигнута фокусировка излучения с длиной волны 0.08 нм (энергией фотонов 15 кэВ) в пятно размерами 1.6×14 мкм, фокусное расстояние составило 1.28 м. Линзы с рабочими поверхностями в форме параболоидов вращения позволяют избавиться от сферических аберраций и добиться фокусировки в двух измерениях. Материалы линз выбраны из условия достижения максимальной величины соотношения между декрементом показателя преломления и коэффициентом поглощения материала. Отдельные линзы изготавливались техникой прессования: два выпуклых параболоида прижимаются с двух сторон к металлической пластинке, в результате чего получается вогнутая линза. Процесс изготовления контролируется компьютером. После изготовления линзы собираются в держатель.
Линзы, описанные в статье, обладают рядом недостатков. Во-первых, радиус кривизны ограничен возможностями создания штампа подходящей формы. В статье продемонстрирован радиус кривизны 196 мкм. Во-вторых, для изменения радиуса кривизны необходимо изготовление новой формы. В-третьих, необходимость механической сборки линз в держатель отрицательно сказывается на точности расположения линз, что ведет к ухудшению фокусирующих свойств. В-четвертых, качество рабочей поверхности линзы связано с качеством изготовления формы.
В патенте RU 2297681 С2 рассмотрены рентгеновские преломляющие линзы с профилем вращения. Линзы обладают параболическим профилем с радиусом кривизны не менее 25 мкм и толщиной 5 мм. Для создания линз вещество, используемое в качестве материала преломляющей линзы, в жидком виде помещают в цилиндрическую оправку, которую затем приводят во вращение. В процессе вращения вещество затвердевает и принимает форму параболоида вращения. Радиус кривизны линзы регулируется скоростью вращения оправки. Такой способ позволяет создавать набор линз с изменяющимся радиусом кривизны. Для минимизации поглощения предлагается использовать оправку ступенчатой формы, содержащую, по крайней мере, две плоскопараллельные выемки. В патенте продемонстрирована возможность создания линз из нескольких материалов: фторида лития, полиметилметакрилата, эпоксидной фенольной смолы и фоторезиста SU-8. В первом случае в цилиндрическую оправку заливают расплавленный фторид лития, который затвердевает при охлаждении. Во втором случае полиметилметакрилат сначала растворяют в органическом растворителе, после чего этот растворитель выпаривают при вращении. В третьем случае затвердевание эпоксидной фенольной смолы вызывается добавлением триэтилендиазола. Затвердевание SU-8 вызывается реакцией полимеризации. В примерах реализации патента для излучения с длиной волны 0.155 нм минимальное достигнутое фокусное расстояние составило 59.5 см объектива из 10 линз, в качестве материала линз используется фторид лития.
Однако известное решение имеет несколько недостатков. Во-первых, радиус кривизны линзы ограничен скоростью вращения оправки, при которой течение остается ламинарным. В данном патенте был продемонстрирован радиус не менее 25 мкм. Во-вторых, для изменения апертуры линзы необходимо изготовление новой цилиндрической оправки. В-третьих, при сборке массива линз необходимо выравнивание их относительно друг друга.
В патенте RU 2298852 С1 продемонстрированы полимерные рентгеновские линзы с эффектом памяти формы. Линзы обладают параболическим профилем и радиусом кривизны не менее 25 мкм, толщина линзы 5 мм. Для этого в цилиндрическую форму помещают композицию из олигомера, способного к фронтальной фотополимеризации по радикальному механизму, соответствующего ему мономера и фотоинициатора реакции. Затем форму приводят во вращении и переводят материал линзы в твердую фазу методом фронтальной фотополимеризации. Этот метод заключается в следующем: вначале в малой области композиции из мономера, олигомера и фотоинициатора формируют зародыш полимерного материала, затем производят увеличение его объема за счет протекания поверхностной реакции полимеризации на границе раздела твердого полимера с жидкой композицией. В изобретении при создании линз этим методом происходит перемещение фронта полимеризации по оси линзы от дна цилиндрической формы вверх или по радиусу линзы. В качестве олигомеров использовались олиго-карбонат-метакрилат, олиго-уретан-метакрилат или олиго-эфир-метакрилат. В качестве фотоинициаторов использовались эфиры бензоина, бензоин, бензофенон, производные антрахинона, фенантренхинон. В материалах патента продемонстрирована возможность регулирования радиуса кривизны полученных линз с помощью скорости вращения цилиндрической формы и возможность создания линз с минимизированным поглощением с помощью оправки ступенчатой формы. Использование эффекта памяти формы позволяет регулировать фокус полученных линз приложением механического напряжения. В объективе из 12 линз достигается фокусное расстояние 49.6 см для излучения с длиной волны 0.155 нм.
Однако данное решение имеет несколько недостатков. Во-первых, радиус кривизны линзы ограничен скоростью вращения оправки, при которой течение остается ламинарным. В данном патенте был продемонстрирован радиус не менее 25 мкм. Во-вторых, для изменения апертуры линзы необходимо изготовление новой цилиндрической оправки. В-третьих, при сборке массива линз необходимо их выравнивание относительно друг друга.
Наиболее близким к заявляемому является решение, представленное в патенте RU 2366015 С1, характеризующее полимерные преломляющие линзы с минимизированным поглощением. Линзы обладают параболическим профилем и радиусом кривизны не менее 4 мкм. Создание линзы происходит в 4 этапа. На первом этапе формируют матрицу для параболического основания из жидкости на центрифуге с последующим переводом материала матрицы в твердую фазу. На втором этапе матрицу заливают материалом основания с последующим переводом его в твердую фазу. На третьем этапе основание (набор из нескольких оснований) размещают в ванне с жидким фотополимером на поршне с прецизионным ходом. На четвертом этапе происходит процесс экспонирования жидкого полимера через маски с кольцевыми просветами и радиальными щелями. При смене маски происходит перемещение поршня. После получения необходимого числа сегментов происходит отделение линзы от основания и сборка в держатель. Предложенный способ позволяет получить линзы в виде набора кольцевых параболических сегментов, опирающихся на ребра жесткости. В предлагаемом примере объектив состоит из 10 линз, что означает достижимое фокусное расстояние оптической системы не менее 25 см.
Однако известное решение обладает рядом недостатков. Во-первых, технология требует несколько шагов для создания линзы. Во-вторых, радиус закругления линз у основания составил 4-5 мкм при расчетном значении менее 0.5 мкм, что свидетельствует о низкой и неконтролируемой точности изготовления профиля рабочей поверхности линзы. Кроме того, коэффициент усиления интенсивности в фокальном пятне для единичных линз по предлагаемому способу составил не более 76% от значения для идеальной бездефектной линзы.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является разработка устройства для фокусировки, сбора и коллимации рентгеновского излучения с длиной волны менее 10 нм, которое может быть использовано в качестве основы методов рентгеновской микроскопии, микротомографии, спектроскопии, флуоресцентной спектрометрии, востребованных в таких научных областях, как физика, биология, медицина, геология, археология, наука о материалах.
Устройство представляет собой двояковогнутую (или двояковыпуклую для рассеивания излучения) полимерную линзу на плоской подложке с профилем рабочей поверхности в виде параболоида вращения, имеющего отклонение от идеального параболического профиля менее 200 нм и контролируемый радиус закругления в основании параболоида в диапазоне 0.5-20 мкм. Также устройство может представлять собой рентгеновский объектив (в литературе также встречается термин составная преломляющая линза), состоящий из произвольного количества единичных линз, расположенных строго вдоль общей оптической оси на единой подложке. Также устройство может представлять собой трансфокатор, т.е. массив рентгеновских объективов на единой подложке, имеющих разные (например, плавно меняющиеся) фокусные расстояния для одной и той же длины волны рентгеновского излучения.
Техническим результатом изобретения является уменьшение фокусного расстояния рентгеновских линз при уменьшении их геометрических размеров (в том числе радиусов кривизны рабочих поверхностей), а также уменьшение побочных эффектов рассеяния рентгеновского излучения, в т.ч. за счет использования рентгеноаморфного материала линз. В объективе из 100 линз с радиусом кривизны 0.5 мкм достижимое фокусное расстояние составляет 0.5 см. Заявленный способ изготовления обеспечивает получение профиля рабочей поверхности линзы, с высокой точностью соответствующего форме параболоида вращения, что позволяет уменьшить размер перетяжки сфокусированного линзой или объективом рентгеновского излучения до теоретического предела. Заявленный способ также обеспечивает возможность изготовления упорядоченного массива линз (объектива, трансфокатора, или иных оптических схем) на единой подложке за один технологический цикл.
Реализация таких рентгеновских микролинз позволяет значительно увеличивать разрешающую способность современной рентгеновской микроскопии, что может существенно повлиять на развитие областей физики, биологии и медицины, использующих неразрушающие рентгеновские методы для построения трехмерных изображений объектов в реальном времени.
Преимущества предлагаемого изобретения:
1. Единичные линзы имеют совершенный параболический профиль и радиус закругления в основании параболоида до 0.4 мкм.
2. Линзы могут быть с субмикронной точностью установлены соосно в процессе их изготовления, формируя тем самым рентгеновский объектив.
3. Массив рентгеновских объективов может быть изготовлен на общей подложке.
4. Накладываются минимальные требования на материал и форм-фактор подложки - подложка должна обладать достаточной адгезией к материалу линз, а шероховатость подложки не должна превышать 10 нм.
5. Способ изготовления позволяет за один производственный цикл создавать массив рентгеновских объективов, каждый из которых может содержать до нескольких сотен выстроенных вдоль общей оптической оси с субмикрометрической точностью единичных линз, состоящих из рентгеноаморфного материала и имеющих профиль параболоида вращения с радиусом основания до 0.4 мкм и характерное отклонение от идеального параболического профиля менее 200 нм.
Поставленная задача решается линзой для рентгеновского излучения, выполненной из полимерного материала, по меньшей мере, одна рабочая поверхность которой выполнена в виде параболоида вращения с радиусом кривизны в вершине параболоида до 0.4 мкм. При этом линза содержит две рабочие поверхности в виде параболоида вращения с вершинами, расположенными на оптической оси линзы. Рабочая поверхность линзы имеет выпуклую или вогнутую форму, при этом минимальное расстояние между вогнутыми рабочими поверхностями в вершинах параболоидов составляет до 0.5 мкм. Линза расположена на основании, обеспечивающем увеличение расстояния между оптической осью и подложкой. В качестве полимерного материала использован фотоотверждающийся полимерный материал.
Поставленная задача также решается объективом для рентгеновского излучения, представляющим собой, по меньшей мере, две вышеописанные линзы, выполненные на одной плоской подложке, расположенные на общей оптической оси.
Также поставленная задача решается трансфокатором для рентгеновского излучения, представляющим собой, по меньшей мере, два объектива, выполненных на единой подложке, при этом соседние объективы отличаются фокусным расстоянием, при этом оптические оси объективов расположены параллельно друг другу.
Поставленная задача также решается устройством для изготовления заявялемой линзы, включающим ячейку с фоторезистом, обеспечивающим протекание процессов двухфотонной полимеризации, лазерный источник, выполненный с возможностью генерирования импульсов света, вызывающих реакцию двухфотонной полимеризации в фоторезисте, объектив, размещенный с возможностью фокусирования лазерного излучениея в объем фоторезиста, и автоматизированную систему управления положением и скоростью перемещения перетяжки лазерного излучения в объеме фоторезиста, а также мощностью лазерного излучения. При этом устройство включает прекомпрессор лазерных импульсов для компенсации положительной дисперсии оптических элементов, расположенных между лазером и объемом фоторезиста, а автоматизированная система управления положением и скоростью перемещения перетяжки лазерного излучения в объеме фоторезиста включает зеркало, выполненное с возможностью контролируемо отклонять лазерный луч в двух направлениях относительно оптической оси телескопа, телескоп, состоящий из двух фокусирующих линз, и объектив, установленные таким образом, что точка пересечения оси лазерного пучка с поверхностью управляемого зеркала и фокус первой линзы объектива совпадают, линзы телескопа установлены софокусно и положение фокуса второй линзы телескопа совпадает с положением заднего фокуса объектива. Также устройство включает телескоп, установленный до автоматизированной системы управления положением и скоростью перемещения перетяжки лазерного излучения в объеме фоторезиста, выполненный с возможностью задания требуемого размера лазерного пучка в поперечном сечении в задней фокальной плоскости объектива.
Применение аддитивного лазерного способа изготовления линз полностью исключает операции прецизионной механической обработки, что существенно снижает временные и материальные затраты на изготовление составных линз, при этом позволяя изготовить линзы меньшего радиуса кривизны с высокой точностью. В основе способа используется эффект двухфотонной полимеризации (отверждения) светочувствительной мономерной жидкости (фоторезиста) в области перетяжки жестко сфокусированного лазерного пучка, которая может перемещаться с нанометровой точностью в объеме фоторезиста по заданным компьютерной моделью траекториям. Важной особенностью предлагаемого способа является то, что перемещение перетяжки излучения в плоскости, параллельной плоскости подложки, производится при помощи двухкоординатного механизированного зеркала, отклоняющего луч в двух направлениях, и системы, состоящей из оптического телескопа и высокоапертурного объектива, которые переводят угол отклонения луча от оптической оси системы в координаты перетяжки в объеме фоторезиста с заданным коэффициентом, а также оптического телескопа, установленного до механизированного зеркала, который обеспечивает заданный размер поперечного сечения лазерного луча на входной апертуре объектива. Такая система позволяет значительно увеличить скорость перемещения перетяжки излучения, оставляя объем фоторезиста неподвижным, что существенно увеличивает скорость, точность изготовления и гладкость рабочих поверхностей линзы из-за отсутствия механических колебаний.
В настоящем изобретении изготовление соосно расположенных линз осуществляется путем помещения ячейки с фоторезистом на прецизионный механизированный трансляционный двухкоординатный столик. При этом каждая единичная линза составной линзы изготавливается таким образом, чтобы ее оптическая ось была ориентирована вдоль одной из осей перемещения столика. После изготовления единичной линзы столик перемещается вдоль оптической оси линзы на расстояние, большее, чем длина единичной линзы, и производится изготовление новой линзы. Таким образом, может формироваться рентгеновский объектив, состоящий из сотен единичных линз, выстроенных вдоль общей оптической оси с точностью, определяемой ровностью перемещения столика вдоль оси. Перемещая столик вдоль второй оси, можно изготавливать трансфокатор.
В данном изобретении способ изготовления устройства накладывает минимальные требования на тип подложки и позволяет заранее подобрать материал и форм-фактор подложки таким образом, чтобы ее вклад в фокусирующие свойства рентгеновских линз либо был существенно минимизирован, либо полностью убран.
Реализация таких рентгеновских микролинз позволяет значительно увеличивать разрешающую способность современной рентгеновской микроскопии, что может существенно повлиять на развитие областей физики, биологии и медицины, использующих неразрушающие рентгеновские методы для построения трехмерных изображений объектов в реальном времени.
Краткое описание чертежей
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен схематичный чертеж единичной линзы. Линза 1 из полимерного материала находится на подложке 2. Линза представляет собой цилиндр диаметром А и длиной L, в котором с двух сторон сделаны выемки в форме параболоида вращения, где расстояние между выемками w и радиусом закругления в основании параболоида R. На фиг. 2 представлена схема рентгеновского объектива, который состоит из N линз 1, установленных вдоль оси 4. На фиг. 3 представлена схема массива объективов для перестраиваемой фокусировки рентгеновского излучения, где объективы выстроены параллельно друг другу, а число линз в соседних объективах отличается на одинаковое значение. На фиг. 4 показана схема способа изготовления предлагаемых устройств двухфотонной фотополимеризацией. На фиг. 5 показана схема ячейки для изготовления линз. На фиг. 6 изображена схема модели одиночной линзы, по которой производилось дальнейшее изготовление образцов. На фиг. 7 показано изображение изготовленных рентгеновских линз и объективов, полученное методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ).
Осуществление изобретения
Ниже представлены термины, используемые при описании заявляемого изобретения.
-4
Рентгеновское излучение - электромагнитное излучение с длиной волны в диапазоне от 10 нм до 10 нм.
Линза - устройство для управления светом (фокусировки или рассеяния) через эффект преломления света, представляющее собой прозрачный однородный материал, ограниченный двумя преломляющими поверхностями.
Рабочая поверхность линзы - одна из двух преломляющих поверхностей линзы.
Поверхность вращения - поверхность, образованная при вращении произвольной линии вокруг прямой линии.
Ось вращения - прямая, вращением вокруг которой образована ось вращения.
Оптическая ось (главная оптическая ось) - прямая, совпадающая с осью вращения рабочих поверхностей линзы.
Оптический центр линзы - точка, при прохождении через которую луч не испытывает преломления в линзе.
Фокус (главный фокус) оптической системы - точка, в которой собираются прошедшие через оптическую систему лучи (или их продолжения для рассеивающих систем) при падении на оптическую систему параллельного оптической оси пучка лучей.
Фокусное расстояние линзы (оптической системы) - расстояние от оптического центра линзы (от точки пересечения первой рабочей поверхности оптической системы с оптической осью) до точки фокуса.
Декремент показателя преломления вещества - отличие показателя преломления вещества от единицы, d=1-n.
Аберрации - искажения при построении изображений.
Сферические аберрации - аберрации, обусловленные тем, что фокусы параллельных лучей света, идущих на разном расстоянии от оптической оси линзы, не совпадают.
Размер фокальной точки - минимальный линейный размер точки фокуса. Рентгеновский объектив (составная преломляющая линза) - массив линз, установленных соосно для уменьшения фокусного расстояния системы.
Трансфокатор - массив рентгеновских объективов на единой подложке, имеющих разные (например, плавно меняющиеся) фокусные расстояния для одной и той же длины волны рентгеновского излучения.
1
2
опт
x
При описании заявляемого изобретения использованы также следующие обозначения: R - радиус кривизны поверхности, R, R - радиусы кривизны рабочих поверхностей линзы, n - показатель преломления вещества, n - показатель преломления вещества в видимом диапазоне электромагнитного излучения, n - показатель преломления вещества в рентгеновском диапазоне электромагнитного излучения, F - фокусное расстояние, d=1-n - декремент показателя преломления.
Типичная схема предлагаемого устройства представлена на фиг. 1, на котором изображена двояковогнутая линза 1 с профилем рабочей поверхности в виде параболоида вращения 3, расположенная на подложке 2. Важными характеристиками линзы являются радиус кривизны у основания параболоида R, физическая апертура линзы А, и расстояние между двумя параболоидами 4. Фокусное расстояние рентгеновской линзы определяется по формуле F=R/2d, где d - декремент показателя преломления материала линзы на длине волны рентгеновского излучения. Уменьшая радиус кривизны линзы, можно уменьшать ее фокусное расстояние. Для уменьшения поглощения рентгеновского излучения и, следовательно, улучшения качества фокусировки, расстояние между основаниями параболоидов должно быть как можно меньше.
Характерный радиус кривизны линзы R составляет от 0.4 до 20 мкм, но может быть и больше, что определяется требованиями задачи, в которой будет использоваться устройство. Оптимальное расстояние между параболоидами 4 составляет 1 мкм и меньше, при этом минимальное расстояние зависит от механической устойчивости материала линзы в перемычке между параболоидами, при которой форма перемычки все еще сохраняет параболическую форму, и может достигать 0.5 мкм. Размер физической апертуры линзы А определяется требованиями задачи, в которой будет использоваться устройство, а также возможностями конкретного варианта исполнения способа изготовления устройства, который изложен ниже.
Линза может быть расположена на основании 5 (рис. 2), поднимающем оптическую ось линзы над подложкой, чтобы уменьшить эффекты переотражения рентгеновского излучения от подложки и искажения формы линзы при усадке полимеризованного фоторезиста в процессе ее проявки. Основание линзы может быть выполнено как в виде сплошного параллелепипеда, так и в виде пьедестала любой механически устойчивой формы (например, набора колонн). Высота основания определяется требованиями задачи, в которой будет использоваться устройство. Например, для синхротронных рентгеновских пучков имеет смысл выбирать высоту основания, равной половине вертикального размера пучка, что обычно составляет несколько десятков микрометров. Высота основания также определяется степенью усадки фотополимера и внутренней геометрией основания, и выбирается таким образом, чтобы область неравномерной усадки целиком пришлась на основание. В качестве итоговой высоты основания выбирают большую из двух величин.
В качестве материала линзы используют способный к (двухфотонной) фотополимеризации полимер, например, негативный фоторезист, полимеризация которого производится при воздействии на него импульсного лазерного излучения, и который обладает достаточной механической устойчивостью для сохранения геометрии линзы после ее изготовления. В качестве фоторезиста может использоваться как коммерчески доступный фоторезист, так и фоторезист собственного приготовления.
Типичная схема устройства, представляющего собой рентгеновский объектив (составную преломляющую линзу), показана на фиг. 3. Рентгеновский объектив 6 состоит из набора произвольного количества единичных линз 1 на общей подложке 2, расположенных строго вдоль общей оптической оси 7. Если все единичные линзы рентгеновского объектива являются двояковогнутыми с параболическим профилем и имеют одинаковые параметры, фокусное расстояние рентгеновского объектива определяется по формуле F=R/2Nd, где d - декремент показателя преломления материала линзы на длине волны рентгеновского излучения, R - радиус кривизны основания параболического профиля, N - количество линз в объективе. Чем больше линз входит в состав объектива, тем меньше его фокусное расстояние. Оптимальное расстояние между центрами единичных линз вдоль их оптической оси соответствует длине L единичной линзы. Таким образом, оптимальная длина объектива соответствует его минимальной длине NL. Количество линз в объективе должно подчиняться неравенству NL << F для требуемого диапазона длин волн рентгеновского излучения.
Рентгеновский объектив (или составная преломляющая линза) может состоять из единичных линз, расположенных на пьедестале (основании), для уменьшения эффекта подложки. В этом случае, высота пьедестала всех единичных линз должна быть одинакова. Также для уменьшения эффекта подложки и улучшения рентгенооптических свойств рентгеновского объектива, он может располагаться на подложке, длина которой вдоль оптической оси объектива лишь немного (на несколько десятков микрон) превышает длину объектива.
Также устройство может представлять собой массив рентгеновских объективов 6, расположенных на одной подложке 2 (фиг. 4), оптические оси которых могут быть параллельны друг другу. Расстояние между оптическими осями объективов должно быть больше чем сумма половин физических апертур единичных линз, из которых состоят объективы. Расстояние между оптическими осями объективов также определяется требованиями задачи, в которой будет использоваться устройство. Например, для синхротронных рентгеновских пучков имеет смысл выбирать расстояние между осями объективов не меньшее, чем размер пучка по горизонтали в поперечном сечении. Объективы в массиве могут отличаться друг от друга по параметрам, отвечающим за фокусное расстояние объектива. Например, возможна реализация массива объективов, у которых монотонно меняется количество единичных линз, входящих в состав каждого объектива, с изменением порядкового номера объектива, если считать от одного из краев подложки. Такое устройство может работать, как ахроматический объектив или трансфокатор.
а
а
На фиг. 6. показана типичная схема установки для создания предлагаемых в изобретении устройств. В качестве лазерного излучения, инициирующего процесс полимеризации, используется излучение лазера 5, представляющее собой импульсы света с длительностью менее 200 фемтосекунд, следующие с частотой повторения от 200 кГц до 80 МГц, с центральной длиной волны в диапазоне от 400 нм до 1000 нм (определяется типом используемого фоторезиста). Выходящее из лазера излучение должно пройти через призменный прекомпрессор лазерных импульсов 6 для внесения отрицательной дисперсии в импульсное излучение, которая к моменту попадания излучения в объем фоторезиста будет компенсирована положительной дисперсией оптических элементов, через которые пройдут лазерные импульсы. Далее в оптической схеме должна быть установлена система контролируемого изменения мощности лазерного излучения, состоящая, например, из полуволновой пластины 7, закрепленной во вращающейся платформе, позволяющей менять азимутальный угол поворота пластины, и призмы Глана 8. Также в луче должна присутствовать система 9, осуществляющая быстрое выключение излучения в моменты, когда требуется изменить положение перетяжки в объеме фоторезиста без полимеризации траектории, по которой перетяжка будет перемещаться к новому положению. Для управления поляризацией лазерного излучения, может быть установлен поляризационный элемент 10, например, такой как призма Глана, полуволновая или четвертьволновая пластина и т.п. Для измерения мощности излучения может использоваться система, состоящая из светоделительной пластины 11 и измерителя мощности 12. Телескоп 13 задает требуемый размер лазерного пучка в поперечном сечении на D выходе из телескопа 13, который определяется из размера входной апертуры объектива 16 и коэффициента увеличения телескопа 15 М по формуле D=М. Система перемещения перетяжки излучения в объеме фоторезиста в плоскости подложки состоит из автоматизированного управляемого зеркала 14 и телескопа 15. Зеркало 14 контролируемо отклоняет лазерный луч в двух направлениях относительно оптической оси телескопа. Телескоп 15, который может состоять из двух фокусирующих линз, задает требуемый размер лазерного пучка в поперечном сечении, который определяется из размера входной апертуры объектива, а также преобразует угол отклонения луча от оптической оси в соответствие с коэффициентом увеличения телескопа. Важно, что точка пересечения оси лазерного пучка с поверхностью управляемого зеркала 14 и фокус первой линзы объектива 15 должны совпадать, линзы телескопа должны быть установлены софокусно и положение фокуса второй линзы телескопа 15 должно совпадать с положением заднего фокуса объектива 16. В этом случае обеспечивается наиболее точное соответствие траекторий движения перетяжки с заданной компьютером моделью. Для фокусировки излучения в объем фоторезиста необходимо использовать масляно-иммерсионный объектив 16 с максимально возможной числовой апертурой. Объектив устанавливается на транслятор, позволяющий перемещать положение перетяжки вдоль оси, перпендикулярной подложке, с точностью не хуже 100 нм. Для изготовления рентгеновского объектива подложка с фоторезистом должна быть установлена на моторизированном трансляторе 17, позволяющем осуществлять перемещение подложки вдоль хотя бы одной оси с точностью не хуже 1 мкм. Визуализация поверхности подложки, а также процесса изготовления линзы может осуществляться при помощи камеры 19, а также систем освещения области экспонирования как на просвет 18, так и на отражение, выполненных по стандартной микроскопной схеме.
В качестве материала для изготовления рентгеновских линз может использоваться любой коммерчески доступный фоторезист или фоторезист собственного производства, имеющий коэффициент преломления. В зависимости от энергии рентгеновского излучения, при которой будут использоваться линзы, необходимо выбрать тип фоторезиста, у которого отсутствуют пики поглощения для данной энергии. Также в зависимости от задачи, в которой будут использоваться линзы, необходимо выбрать материал и размеры подложки. Для изготовления рентгеновских линз на подложках из различных материалов (в том числе непрозрачных для видимого излучения) и имеющих заданный размер (в том числе очень маленький) можно использовать ячейку. Например, для задач рентгеновской микроскопии важно, чтобы длина подложки 2 вдоль оптического пути рентгеновского излучения не превышала длину рентгеновского объектива. В этом случае подложка 2 может иметь прямоугольную форму 23, на которой объектив изготавливается таким образом, чтобы его оптическая ось была параллельна короткой стороне подложки. В качестве основы ячейки (фиг. 7) используется стеклянная пластина (покровное стекло) 20, прозрачная для лазерного излучения и имеющая размер, удобный для ее установки на транслятор 17. В зависимости от требуемой высоты изготавливаемых линз и размеров подложки на пластине закрепляются прокладки 21 с толщиной, чуть большей, чем требуемая высота линз, формируя стенки ячейки. В пространство между полосками помещают каплю фоторезиста и сверху на нее помещают подложку 23 таким образом, чтобы края подложки легли на прокладки 21. После процесса изготовления линз ячейку помещают в проявитель, емкость с которым может быть установлена на орбитальный шейкер. Когда ячейка будет свободно разбираться, необходимо снять подложку 23 и перенести в отдельную емкость с новым растворителем. Время проявки определяется производителем фоторезиста или экспериментальным путем.
Если известны значения декремента показателя преломления и линейного коэффициента поглощения для полимеризованного фоторезиста для требуемой длины волны рентгеновского излучения, можно легко определить параметры и количество линз в составной линзе, обладающей заданным фокусным расстоянием. Модель линзы может быть создана в любом графическом редакторе, который поддерживает перевод модели в формат STL. Далее модель разбивают на слои, параллельные плоскости подложки, при помощи существующих программных пакетов (Simplify3D, Сига, Skeinforge). Контур модели в каждом слое заполняют по определенным траекториям. В процессе изготовления линзы перетяжка сфокусированного лазерного излучения движется по данным траекториям, послойно создавая, таким образом, линзу. Расстояния между слоями и траекториями в слое определяются размерами вокселя (трехмерного пикселя), модели линзы и требуемым качеством и временем изготовления одной линзы. Расстояние между траекториями не должно превышать поперечный размер вокселя, а между слоями -продольный размер вокселя. Для улучшения гладкости рабочей поверхности линзы можно выбирать концентрический алгоритм заполнения слоя траекториями и уменьшать расстояние между траекториями и слоями. Для увеличения скорости изготовления линзы необходимо увеличивать расстояние между слоями и траекториями. Для уменьшения эффектов переотражения рентгеновского излучения от подложки и искажения формы линзы при усадке полимеризованного фоторезиста в процессе проявки нижний край рабочей области линзы должен находиться на расстоянии не менее 10 мкм от поверхности подложки. Основание линзы может быть выполнено как в виде сплошного параллелепипеда, так и в виде пьедестала любой механически устойчивой формы (например, ножек). Изготовление линзы должно начинаться из подложки, можно опускать основание на несколько микрон вглубь подложки.
Для каждого типа фоторезиста необходимо определить оптимальные параметры экспонирования - мощность излучения и скорость перемещения перетяжки, при которых происходит механически устойчивая полимеризация резиста и величина эффектов усадки минимизируется. Для этого создают массив образцов половинок линз двух типов, демонстрирующих сечение линзы в плоскости, построенной на уровне основания параболоидов параллельно поверхности подложки, и в плоскости, построенной на уровне основания параболоидов перпендикулярно поверхности подложки. Массив изготавливают при варьировании мощности излучения и скорости перемещения луча. Методами электронной сканирующей или оптической микроскопии определяются образцы с формой, наилучшим образом соответствующей модели, а также степень усадки фоторезиста для этих образцов. Параметры, при которых были получены такие образцы, считают оптимальными. Далее, эффект усадки может быть скомпенсирован путем его учета при построении компьютерной модели линзы. Таким же способом могут быть определены оптимальные значения расстояния между слоями и траекториями.
Настоящее изобретение поясняется конкретными примерами выполнения, которые не являются единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.
Пример. В способе использовался титан-сапфировый лазер, генерирующий лазерные импульсы с центральной длиной волны 800 нм, шириной спектра 25 нм, частотой следования 80 МГц и интегральной мощностью 600 мВт. Призменный прекомпрессор позволял достигать значения длительности импульсов в объеме фоторезиста 80 фс. Система контроля мощности состояла из полуволновой пластины на механизированной вращающейся платформе и призмы Глана и позволяла менять мощность излучения с шагом менее 0.1 мВт. В качестве быстрого затвора использовался акусто-оптический модулятор. Фокусировка излучения в объем фоторезиста осуществлялась при помощи масляно-иммерсионного объектива с апертурой 1.4 и увеличением 100х. Перемещение перетяжки в объеме фоторезиста осуществлялось при помощи двухкоординатного быстрого механизированного зеркала и пьезотранслятора объектива. Телескоп, состоящий из ахроматических дуплетов с фокусными расстояниями 60 мм и 125 мм обеспечивал полную засветку входной апертуры объектива лазерным излучением, а также позволял позиционировать перетяжку излучения в плоскости, параллельной подложке, с точностью до 1 нм в области 60×60 мкм. Ячейка с фоторезистом помещалась на механизированный двухкоординатный микроскопный столик, осуществляющий перемещение в диапазоне 115×75 мм с точностью позиционирования до 100 нм. Юстировка положения ячейки, определение положения перетяжки сфокусированного излучения, а также визуализация процесса изготовления производилась при помощи КМОП камеры и системы освещения на просвет, собранной по схеме Келлера.
Линзы изготавливались из коммерчески доступного фоторезиста OrmoComp. Герметичная ячейка размером 3×3 мм формировалась на покровном стекле толщиной 100 мкм при помощи 4-х полосок скотча толщиной 60 мкм в качестве прокладок. Ячейка, заполненная фоторезистом, закрывалась сверху покровным стеклом толщиной 170 мкм, выполняющим роль подложки. Проявка изготовленных линз производилась в растворителе Ormodev в течение 12 часов. Ячейка разделялась после первого часа проявки.
На рис. 7. продемонстрировано СЭМ изображение составной рентгеновской линзы, состоящей из 7 индивидуальных линз. Размеры линзы составили: радиус у основания параболоида - 5 мкм, физическая апертура - 24 мкм, расстояние между основаниями параболоидов - 5 мкм. Параметры изготовления: мощность излучения - 5.5 мВт, скорость перемещения перетяжки - 30 мкм/с, расстояния между слоями и траекториями - 200 нм.
Измерение рентгенооптических свойств составной линзы производилось при энергии излучения 9.25 кэВ. Фокусное расстояние линзы составило 10 см, а размер перетяжки - 5 мкм, что соответствует теоретически достижимому значению для используемой схемы измерения.