(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
干渉計であって、
光源と、
前記光源から射出された光のうち第１偏光成分を参照光として反射し、第２偏光成分を測定光として透過する第１偏光ビームスプリッタと、
複屈折材料の素子と、
前記第１偏光ビームスプリッタを透過し被検面である反射面で反射され前記第１偏光ビームスプリッタを透過した測定光と前記第１偏光ビームスプリッタで反射された参照光との干渉光を受光する受光素子と、
を備え、
前記参照光と前記測定光とは、前記素子を介して前記第１偏光ビームスプリッタから前記受光素子に至り、
前記測定光および前記参照光は、それらが可干渉となる光路長をそれぞれ有し、かつ前記測定光および前記参照光の少なくとも一方の迷光は、前記測定光および前記参照光とは可干渉とならない光路長を有するように、前記素子の厚さと前記反射面の位置とが定められている、ことを特徴とする干渉計。
【請求項２】
干渉計であって、
光源と、
前記光源から射出された光のうち第１偏光成分を参照光として反射し、第２偏光成分を測定光として透過する第１偏光ビームスプリッタと、
複屈折材料の素子と、
ファイバと、
前記第１偏光ビームスプリッタを透過し被検面である反射面で反射され前記第１偏光ビームスプリッタを透過した測定光と前記第１偏光ビームスプリッタで反射された参照光との干渉光を受光する受光素子と、
を備え、
前記参照光と前記測定光とは、前記素子および前記ファイバを介して前記第１偏光ビームスプリッタから前記受光素子に至る、ことを特徴とする干渉計。
【請求項３】
干渉計であって、
光源と、
前記光源から射出された光のうち第１偏光成分を参照光として反射し、第２偏光成分を測定光として透過する第１偏光ビームスプリッタと、
複屈折材料の素子と、
前記第１偏光ビームスプリッタを透過し被検面である反射面で反射され前記第１偏光ビームスプリッタを透過した測定光と前記第１偏光ビームスプリッタで反射された参照光との干渉光を受光する受光素子と、
を備え、
前記参照光と前記測定光とは、前記素子を介して前記第１偏光ビームスプリッタから前記受光素子に至り、
前記第１偏光ビームスプリッタは、前記素子の端面に形成されている、ことを特徴とする干渉計。
【請求項４】
前記反射面で反射され前記第１偏光ビームスプリッタを透過した前記測定光と前記第１偏光ビームスプリッタで反射された前記参照光とを前記第１偏光ビームスプリッタに向けて反射する第１ミラー面をさらに備え、
前記測定光は、前記第１偏光ビームスプリッタから前記反射面、前記第１偏光ビームスプリッタ、前記第１ミラー面、前記第１偏光ビームスプリッタ、前記反射面、前記第１偏光ビームスプリッタ及び前記素子を順次経由して前記受光素子に至り、
前記参照光は、前記第１偏光ビームスプリッタから前記第１ミラー面、前記第１偏光ビームスプリッタ及び前記素子を順次経由して前記受光素子に至る、ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の干渉計。
【請求項５】
干渉計であって、
光源と、
前記光源から射出された光のうち第１偏光成分を参照光として反射し、第２偏光成分を測定光として透過する第１偏光ビームスプリッタと、
前記第１偏光ビームスプリッタを透過し被検面である反射面で反射され前記第１偏光ビームスプリッタを透過した測定光を前記第１偏光ビームスプリッタに向けて反射し、かつ前記第１偏光ビームスプリッタで反射された参照光を透過する第２偏光ビームスプリッタと、
前記第２偏光ビームスプリッタを透過した参照光を前記第２偏光ビームスプリッタに向けて反射する第２ミラー面と、
前記測定光と前記参照光との干渉光を受光する受光素子と、
を備え、
前記測定光は、前記第１偏光ビームスプリッタから前記反射面、前記第１偏光ビームスプリッタ、前記第２偏光ビームスプリッタ、前記第１偏光ビームスプリッタ、前記反射面及び前記第１偏光ビームスプリッタを順次経由して前記受光素子に至り、
前記参照光は、前記第１偏光ビームスプリッタから前記第２偏光ビームスプリッタ、前記第２ミラー面、前記第２偏光ビームスプリッタ及び前記第１偏光ビームスプリッタを順次経由して前記受光素子に至る、ことを特徴とする干渉計。
【請求項６】
前記第２ミラー面は、球面ミラーの面である、ことを特徴とする請求項５に記載の干渉計。
【請求項７】
前記第２ミラー面は、フレネルミラーの面である、ことを特徴とする請求項５に記載の干渉計。
【請求項８】
前記フレネルミラーと前記第２偏光ビームスプリッタとが単一の基板に形成されている、ことを特徴とする請求項７に記載の干渉計。
【請求項９】
前記第１偏光ビームスプリッタは、前記反射面が位置するべき面に対して傾斜するように配置されている、ことを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の干渉計。
【請求項１０】
前記光源は、スーパールミネッセントダイオードである、ことを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の干渉計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体の移動によって生ずる光の位相情報を参照光、測定光を合波させる事で光の変調として検出し、受光素子で電気信号に変換することで変位情報を電気信号に変換する干渉計に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ステージ等の物体の変位を測定する装置として、高精度、高分解能な特徴を持つレーザー干渉計が使用されてきた。図７に従来の干渉計の構成図を示す。光源１より射出された波長λ(６３３nm)を持つレーザー光１１は、偏光ビームスプリッタ（Polarization Beam Splitter：ＰＢＳ）２に入射し、ＰＢＳ面２Ｐで参照光１２ａと測定光１２ｂとに分割される。参照光１２ａは参照ミラー４ａで反射され再び元の光路を通って再びＰＢＳ２に入射する。この時１／４λ板３ａを２回透過する事で、Ｐ波がＳ波に変換される為今度はＰＢＳ面２Ｐで透過し光束１３ａとなり反射素子５に入射する。一方測定光１２ｂは反射面４ｂで反射されもとの光路を戻りＰＢＳ２に再び入射する。この時光束１２ｂは１／４λ板３ｂを２回透過する事でＳ波がＰ波に変換され今度はＰＢＳ面２Ｐで反射され光束１３ｂとなり、参照光１３ａと同じく反射素子５に入射する。この後参照光は再びＰＢＳ２を透過し光束１４ａとなり、測定光は再びＰＢＳ２を反射し光束１４ｂとなる。光束１４ａ、１４ｂは１／４λ板を２回透過してＰＢＳ２に再び入射し、合波され光束１５となり、反射面４ｂの移動によって１／４λ周期の干渉信号が得られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平０５−０７１９１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
図７に示される従来の干渉計においては、光路中に多数の反射面が存在する。例えば１／４λ板３ｂの反射面２１ｂで反射した成分は、通常の測定光と同様の光路をたどり最終的には光束１５と重なり、やはり反射面４ｂの移動によって変調される。しかし、１／４λ板３ｂの反射面２１ｂで反射した成分は、反射面４ｂに１回のみの反射で到達している為、変調量も通常の反射成分の半分しか得られず１／２λ周期の干渉信号となる。例えば反射面２１ｂの反射防止コート（Antireflection coat：ＡＲコート）の反射率が０．２％あったとすると、反射面２１ｂで反射したゴースト光（迷光）から生じる干渉信号は、波動光学的にはメインの信号の干渉強度と比較し、約９％もの干渉強度となる。仮に０．０１％の超低反射率のＡＲコートを施したとしても、２．５％の干渉強度を発生する。受光素子１６から出力された、電気信号はすべてのゴースト光起因の正弦波信号も重畳される為図８のような波形となる。通常は、得られた変位に応じて変調された正弦波周期信号を電気分割しサブナノメーターの分解能を得る事が出来る。しかし、ゴースト光に起因した成分が重畳された信号となると、図９のようなリニアリティの劣化が発生し、誤差量は数〜数十ｎｍまで達するため、超高精度用途では大きな問題となった。
【０００５】
本発明は、ゴースト光に起因した干渉計の測定精度の低下を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一側面は、干渉計であって、光源と、前記光源から射出された光のうち第１偏光成分を参照光として反射し、第２偏光成分を測定光として透過する第１偏光ビームスプリッタと、複屈折材料の素子と、前記第１偏光ビームスプリッタを透過し被検面である反射面で反射され前記第１偏光ビームスプリッタを透過した測定光と前記第１偏光ビームスプリッタで反射された参照光との干渉光を受光する受光素子と、を備え、前記参照光と前記測定光とは、前記素子を介して前記第１偏光ビームスプリッタから前記受光素子に至り、前記測定光および前記参照光は、それらが可干渉となる光路長をそれぞれ有し、かつ前記測定光および前記参照光の少なくとも一方の迷光は、前記測定光および前記参照光とは可干渉とならない光路長を有するように、前記素子の厚さと前記反射面の位置とが定められている、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、ゴースト光に起因した干渉計の測定精度の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施例１の光検出部の要部拡大部
【図２】実施例１の干渉計の全体構成図
【図３】実施例２の光検出部の要部拡大図
【図４】実施例３の光検出部の要部拡大図
【図５】実施例４の光検出部の要部拡大図
【図６】実施例５の光検出部の要部拡大図
【図７】従来の干渉計の概略図
【図８】従来の干渉計の信号出力の概念図
【図９】ゴースト光に起因する測定誤差が載った場合の内挿誤差を説明する図
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。
【００１０】
［実施例１］
図１、図２に実施例１の干渉計の構成図を示す。光源１より射出された波長λ(６３３ｎｍ)を持つレーザー光はシングルモードファイバー６ａに導光され、分波器９、シングルモードファイバー６ｂを経て、光検出部１０へ導かれる。ファイバー６ｂから射出された直線偏光のレーザー光は、屈折率分布型レンズ（Gradient Index Lens：Ｇｒｉｎレンズ）７でコリメートされ、複屈折材料の素子であるルチル板８に導入される。厚さがＴのルチル板８の端面には第１偏光ビームスプリッタとしてのＰＢＳ膜２Ｐが蒸着されている。すなわち、ルチル板８は、ファイバー６ｂの端部とＰＢＳ膜２Ｐとの間に配置される。ＰＢＳ膜２Ｐは、光源１から射出された光のうち、Ｐ波（第１偏光成分）を参照光として透過し、Ｓ波（第２偏光成分）を測定光として透過する。ＰＢＳ膜２Ｐは、微小構造で構成されたＰＢＳ膜を用いることが好適である。測定光であるＳ波は、ＰＢＳ膜２Ｐを透過し被検面である反射面４ｂで反射されて再び同一光路を通り、ルチル板８及びＧｒｉｎレンズ７を通過し集光されて再びファイバー６ｂに導入される。一方参照光であるＰ波は、ルチル板８及びＧｒｉｎレンズ７を通り、集光されて再びファイバー６ｂに導入される。測定光であるＳ波と参照光であるＰ波とは、ファイバー６ｂを再び透過して分波器９に導入され、今度はファイバー６ｃへと導かれる。ファイバー６ｃの端面から発散された光束はレンズ３１で平行光とされ、１／４λ板３を透過し、偏光板３Ｂを通る。受光素子１６は、測定光と参照光との干渉光を受光する。反射面４ｂが光軸方向に移動すると、測定光Ｓ波の位相のみ変化する為、１／４λ板３を透過した光束は、回転する直線偏光となる。光束は、さらに偏光板３Ｂを通ると光の明暗信号となり、１／２λ＝３１６．５ｎｍで１周期変化するサイン信号となる。
【００１１】
図２に示す光学系は以上説明したようにフィゾー型の干渉計を構成しているため、光検出部１０が小型に構成されている。フィゾー光学系は通常参照光と測定光の光路長は異なっているため、光源は縦シングルモードでコヒーレンシーの高い光源に限られる。しかし、実施例１の干渉計は、ルチル板８使用することで以下のような特徴を有する。ルチル板８の異常光線軸を上記Ｐ波の偏光軸に一致させると、Ｐ波のルチル透過光路長はＳ波のルチル透過光路長よりＴ×０.３だけ長い。つまり幾何学的にはＰ波とＳ波は透過して反射面４ｂに照射されたＳ波の方がＰＢＳ膜２Ｐの端面と反射面４ｂとの間の距離ＷＤだけ光路長が長く見える。しかし、実際にはＷＤがＴ×０.３である場合に、Ｐ波とＳ波との波動光学的光路長が一致する。すなわち、ＰＢＳ膜２Ｐの前段に設けたルチル板８の作用で、フィゾー干渉計でありながら、測定光と参照光の光路長を合わせることが可能である。よって、低コヒーレンシー光源を使用してもＰＢＳ膜２Ｐから離れた位置で信号を出力する事が可能となるため光源の選択の幅が広い。例えば、光源にスーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）光源や白色干渉光を使用すれば、微少範囲のピーク検出などにも利用でき利用価値が高い。また、低コヒーレンシー光源を用いると、反射面４ｂ又はＰＢＳ膜２Ｐで規定回数反射しなかったＰ波、Ｓ波のゴースト光で、正規回数反射したＰ波、Ｓ波と光路長が異なっている。その為、ゴースト光（迷光）は干渉信号を生じないので、ゴースト光に起因した測定精度の低減を大幅に防止することが可能となる。本実施例では複屈折材料の素子をルチル板で構成した。しかし、ルチル板と同様に複屈折効果をもつ材料、例えば方解石や、イットリウム・バナデート等で複屈折材料の素子を構成しても同様の効果が得られる。
【００１２】
［実施例２］
図３に実施例２の干渉計の構成図を示す。実施例２では、実施例１と比べ、光検出部１０の構成が異なっており、具体的には光検出部１０に対して光束を射出するファイバー６ｂがＧｒｉｎレンズ７の中心からオフセットした位置に設置されている。また、ファイバー６ｂが光束を射出する箇所とＧｒｉｎレンズ上の反対位置にはミラー面５Ｐが設置してある。ミラー面５Ｐは、反射面４ｂで反射されＰＢＳ膜２Ｐを透過した測定光とＰＢＳ膜２Ｐで反射された参照光とをＰＢＳ膜２Ｐに向けて反射する第１ミラー面を構成している。
【００１３】
ファイバー６ｂから射出された光束４０はＰＢＳ膜２Ｐを透過する測定光４１とＰＢＳ膜２Ｐで反射された参照光４２とに分割され。測定光４１は、ＰＢＳ膜２Ｐから、反射面４ｂ、ＰＢＳ膜２Ｐ、ミラー面５Ｐ、ＰＢＳ膜２Ｐ、反射面４ｂ、ＰＢＳ膜２Ｐ及びルチル板８を順次経由してファイバー６ｂに至る。一方、参照光４２は、ＰＢＳ膜２Ｐから、ミラー面５Ｐ、ＰＢＳ膜２Ｐ及びルチル板８を順次経由してファイバー６ｂに至る。
【００１４】
実施例２の干渉計は、以上のようなダブルパスのフィゾー干渉計を構成している為、反射面４ｂの移動に対して、１／４λで１周期のサイン信号が得られる。このような構成の場合、ＰＢＳ膜２Ｐの消光比の性能で、ある程度の漏れ光（ゴースト光）が発生する。例えば、透過するべきＳ波が反射して再び内部光学系を通ってＰＢＳ膜２Ｐで透過すると反射面４ｂの移動に対して１／２λで１周期の信号が出力される。しかし、ＳＬＤ光源などブロードな波長を持った光源を使用した場合、漏れ光とメインの参照光、測定光ともに光路長が異なっている為干渉信号を発生しない。実施例２においても、このようにゴースト光成分を干渉しないようにする事が可能となる為、変位信号の干渉信号の品質が高くなる為非常に高精度な計測に適用することが可能となる。
【００１５】
［実施例３］
図４は実施例３の干渉計の構成図を示す。実施例３では、実施例１に比較し光検出部１０の構成が異なるだけで、光源１、受光素子１６は共通である。ファイバー６ｂから射出されたレーザー光４０はＧｒｉｎレンズ７で平行光束となり、ＰＢＳ膜２ＰＡに照射される。ＰＢＳ膜２ＰＡは半導体プロセスなどを利用した微少構造で構成され、Ｐ波はＰＢＳ膜２ＰＡで反射され、Ｓ波はＰＢＳ膜２ＰＡを透過する様に微少構造の向きが設定されている。よって、測定光４１となるＳ波は、ＰＢＳ膜２ＰＡを透過して反射面４ｂで反射され、再びＰＢＳ膜２ＰＡを透過し再びＧｒｉｎレンズ７で集光光束となりＰＢＳ膜２ＰＢに集光照射される。一方、参照光４２となるＰ波は、ＰＢＳ膜２ＰＡで反射され、測定光４１と同様にＧｒｉｎレンズ７で集光光束となりＰＢＳ膜２ＰＢに照射される。ＰＢＳ膜２ＰＢは、ＰＢＳ膜２ＰＡ同様に微細構造をもつＰＢＳ膜であるが、ＰＢＳ膜２ＰＡと微細構造の向きが垂直方向に設定してある為、測定光４１であるＳ波を反射し、参照光４２であるＰ波を透過する。ＰＢＳ膜２ＰＢは、反射面４ｂで反射されＰＢＳ膜２ＰＡを透過した測定光４１をＰＢＳ膜２ＰＡに向けて反射するとともにＰＢＳ膜２ＰＡで反射された参照光４２を透過する第２偏光ビームスプリッタを構成している。ＰＢＳ膜２ＰＢを透過した参照光４２は、ＰＢＳ膜２ＰＢと距離Ｔだけ離れた位置に設置してあるフレネルミラー５Ｐで反射され、元の光路を帰って再びＰＢＳ膜２ＰＢに入射する。フレネルミラー５Ｐの面は、ＰＢＳ膜２ＰＢを透過した参照光４２をＰＢＳ膜２ＰＢに向けて反射する第２ミラー面を構成している。測定光４１であるＳ波と、参照光４２であるＰ波はＰＢＳ膜２ＰＡに再度入射し、測定光４１はＰＢＳ膜２ＰＡを透過し反射面４ｂで反射されＰＢＳ膜２ＰＡを再度透過し、ＰＢＳ膜２ＰＡで再び反射された参照光４２と合波されファイバー６ｂに集光される。上記構成ではＴ＝ＷＤの場合に測定光４１と参照光４２との波動光学的光路長は等しくなり、実施例１、２と同様にＰＢＳ膜２ＰＡから空間的にはなれた位置で等光路の干渉計が構成できる。したがって、実施例３においても、ＳＬＤなどの光源を使用した干渉計の構成がフィゾータイプの光学系で構成できるので、ゴースト光に対しても実施例２と同様の効果が得られる。本実施例では、ＰＢＳ膜２ＰＢを透過した参照光をＰＢＳ膜２ＰＢに向けて反射する第２ミラー面としてフレネルミラー５Ｐの面を使用した。しかし、第２ミラー面として球面ミラーの面を使用することもできる。また、本実施例では、ＰＢＳ膜２ＰＢと第２ミラーとしてのフレネルミラーとを個別に設置した。しかし、ＰＢＳ膜２ＰＢとフレネルミラーとが単一の基板に形成されたものを使用することもできる。
【００１６】
［実施例４］
図５は実施例４の干渉計の構成図を示す。実施例４の干渉計は、ＰＢＳ膜２Ｐを反射面４ｂが位置するべき面に対して傾斜するように配置されていることを除けば実施例２の干渉計と同様の構成をとる。このＰＢＳ膜２Ｐを傾斜させることは、ゴースト光成分の除去により効果がある。ダブルパスの光路中１回目に反射面４ｂとＰＢＳ膜２Ｐで反射した光束はそれぞれ光束４２Ａと光束４２Ｂとに分離されるが、ミラー面５Ｐで反射されて再び反射面４ｂとＰＢＳ膜２Ｐで反射されてファイバー６ｂに向かう光束は正確に重なり合波される。つまり反射面４ｂに正規回数照射した光束はファイバー６ｂに向かい干渉信号となるが、反射面４ｂに正規回数照射しなかったゴースト光成分は最終的に光束４４となり、ファイバー６ｂに導入できない。実施例４の干渉計は、微少のゴースト光を除去するのにさらに効果的である為、最終的な信号の歪みが少なく、信号対雑音比（ＳＮ比）もより高いものとする事が出来るため超高精度計測により効果的である。
【００１７】
［実施例５］
図６は実施例５の干渉計の構成図を示す。実施例４の干渉計は、ＰＢＳ膜２ＰＡを反射面４ｂが位置するべき面に対して傾斜するように配置されていることを除けば実施例３の干渉計と同様の構成をとる。ＰＢＳ膜２ＰＡが傾斜されていることは実施例４と同様な効果をもち、超高精度計測に効果的である。
【００１８】
実施例１〜５は、レーザー光など光の位相変調を光の強度変調に変換し微少変位を計測する干渉計、変位計に適用できる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0005629455.tif 000008
【図８】
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【図９】
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