(57)【要約】  （ｉ）第１の偏光および第１の周波数を有する第１のビーム成分と、第１の偏光と異なる第２の偏光および第２の周波数を有する第２のビーム成分を含むビームを、光接続を使用して干渉計ヘッドに向ける工程と、（ｉｉ）第１のビーム成分の偏光を第２の偏光まで回転させる工程と、（ｉｉｉ）第２のビーム成分の偏光を第１の偏光まで回転させる工程と、（ｉｖ）光接続を使用して、回転された偏光を有するビームを干渉計ヘッドから戻す工程と、を含む方法。例えば、この向ける工程は、第１のビーム成分を光接続の第１のファイバに向ける工程と、第２のビーム成分を光接続の第２のファイバに向ける工程とを含んでもよい。第１のビーム成分は、第２のファイバを使用して戻してもよく、第２のビーム成分は、第１のファイバを使用して戻してもよい。
2008519961.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
方法であって、
第１の偏光および第１の周波数を有する第１のビーム成分と、該第１の偏光と異なる第２の偏光および第２の周波数を有する第２のビーム成分とを備えるビームを、光接続を使用して干渉計ヘッドに向ける工程と、
該第１のビーム成分の該偏光を該第２の偏光まで回転させる工程と、
該第２のビーム成分の該偏光を該第１の偏光まで回転させる工程と、
該光接続を使用して、該回転された偏光を有する該ビームを該干渉計ヘッドから戻す工程と
を備える方法。
【請求項２】
前記第１のビームの前記偏光を回転させる前記工程および前記第２のビームの前記偏光を回転させる前記工程が、少なくとも１つのファラデー旋光器を使用して行われる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記方法が、前記第１のビーム成分を前記第２のビーム成分から分離する工程をさらに備え、前記向ける工程が、
前記第１のビーム成分を前記光接続の第１のファイバに向ける工程と、
前記第２のビーム成分を前記光接続の第２のファイバに向ける工程と
を備える、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記第１のファイバおよび前記第２のファイバが、偏波保持ファイバである、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記第１のビーム成分が、前記第２のファイバを使用して戻され、かつ前記第２のビーム成分が、前記第１のファイバを使用して戻される、請求項３に記載の方法。
【請求項６】
偏光子を使用して、前記第１のビーム成分と前記第２のビーム成分を混合する工程をさらに備える、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記第１のビーム成分および前記第２のビーム成分が、前記光接続で単一ビームとして伝播され、かつ前記第１のビームの前記偏光を回転させる前記工程および前記第２のビームの前記偏光を回転させる前記工程が、該単一ビームに対して同時に行われる、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記干渉計ヘッドが、測定物体に光学的に結合され、かつ前記干渉計ヘッドが、該測定物体の位置を示す干渉信号を生成する、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記測定物体が、ウェーハ・ステージである、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記ビームが、前記第１の周波数と異なる前記第２の周波数を有するヘテロダイン・ビームである、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
装置であって、
第１の偏光および第１の周波数を有する第１のビーム成分と、該第１の偏光と異なる第２の偏光および第２の周波数を有する第２のビーム成分とを備えるビームを発生するように動作可能なレーザ・モジュールと、
干渉計ヘッドと、
該レーザ・モジュールと該干渉計ヘッドの間の光接続と、
１つまたは複数の光学旋光器と
を備え、該１つまたは複数の光学旋光器は、該第１のビーム成分の該偏光を該第２の偏光まで回転させるように共同して動作可能であり、かつ該第２のビーム成分の該偏光を該第１の偏光まで回転させるように動作可能である、装置。
【請求項１２】
前記１つまたは複数の光学旋光器が、１つまたは複数のファラデー旋光器を備える、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記光接続が、第１のファイバおよび第２のファイバを備える、請求項１１に記載の装置。
【請求項１４】
前記第１のファイバおよび前記第２のファイバが、偏波保持ファイバである、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記レーザ・モジュールおよび前記光接続に結合された偏光子をさらに備え、該偏光子が前記第１のビーム成分を前記第２のビーム成分と混合するように動作可能である、請求項１１に記載の装置。
【請求項１６】
前記干渉計ヘッドに光学的に結合された測定物体をさらに備え、前記干渉計ヘッドが、該測定物体の位置を示す干渉信号を生成するように動作可能である、請求項１１に記載の装置。
【請求項１７】
前記測定物体が、ウェーハ・ステージである、請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記ビームが、前記第１の周波数と異なる前記第２の周波数を有するヘテロダイン・ビームである、請求項１１に記載の装置。
【請求項１９】
装置であって、
第１の偏光および第１の周波数を有する第１のビーム成分と、該第１の偏光と異なる第２の偏光および第２の周波数を有する第２のビーム成分とを備えるビームを発生するように動作可能なレーザ・モジュールと、
干渉計ヘッドと、
該第１のビーム成分を該干渉計に向けるように動作可能な第１のファイバと、該第２のビーム成分を該干渉計に向けるように動作可能な第２のファイバとを備える、該レーザ・モジュールと該干渉計ヘッドの間の光接続と
を備え、該干渉計ヘッドが、該第１のビーム成分を該第２のファイバに戻し、かつ該第２のビーム成分を該第１のファイバに戻すように構成されている、装置。
【請求項２０】
前記干渉計ヘッドが、
前記第１のファイバから前記第１のビーム成分を受け取るように動作可能な第１のポートと、
前記第２のファイバから前記第２のビーム成分を受け取るように動作可能な第２のポートと、
前記第１のビーム成分の前記偏光を回転させるように動作可能な、該第１のポートに結合された第１の光学旋光器と、
前記第２のビーム成分の前記偏光を回転させるように動作可能な、該第２のポートに結合された第２の光学旋光器と、
を備える、請求項１９に記載の装置。
【請求項２１】
前記第１の光学旋光器に結合された第１のビーム・エキスパンダ、および前記第２の光学旋光器に結合された第２のビーム・エキスパンダをさらに備える、請求項２０に記載の装置。
【請求項２２】
前記光学旋光器が、ファラデー旋光器を備える、請求項２０に記載の装置。
【請求項２３】
前記干渉計ヘッドは、前記第１のビーム成分および前記第２のビーム成分が前記干渉計ヘッドの中を異なるビーム経路を進む前記第１のビーム成分および前記第２のビーム成分を受け取るように構成されている、請求項２０に記載の装置。
【請求項２４】
前記干渉計ヘッドが、
前記第１のファイバから前記第１のビーム成分を受け取り、前記第２のファイバから前記第２のビーム成分を受け取り、かつ前記第１および第２のビーム成分を組合せビームに組み合わせるように動作可能な偏光スプリッタ／コンバイナと、
該組合せビームの前記第１および第２のビーム成分の偏光を回転させるように動作可能な光学旋光器と、
を備える、請求項１９に記載の装置。
【請求項２５】
前記光学旋光器が、ファラデー旋光器である、請求項２４に記載の装置。
【請求項２６】
前記干渉計ヘッドが、ビーム・エキスパンダを備える、請求項２４に記載の装置。
【請求項２７】
前記ビーム・エキスパンダが、前記光学旋光器に結合されている、請求項２６に記載の装置。
【請求項２８】
前記ビーム・エキスパンダが、前記干渉計ヘッドと測定物体の間の測定経路に配置され、前記干渉計ヘッドが、前記ビーム・エキスパンダによって生じた基準経路と該測定経路の等しくない位相効果を補償するために、前記干渉計の該基準経路に配置されたコリメータ補償板をさらに備える、請求項２６に記載の装置。
【請求項２９】
前記ビームが、前記第１の周波数と異なる前記第２の周波数を有するヘテロダイン・ビームである、請求項１９に記載の装置。
【請求項３０】
装置であって、
第１の偏波保持ファイバに結合するように動作可能な入力ポートと、
第２の偏波保持ファイバに結合するように動作可能な出力ポートと、
第３の偏波保持ファイバに結合するように動作可能な第１の双方向ポートと、
第４の偏波保持ファイバに結合するように動作可能な第２の双方向ポートと
を備え、
受け取られた光が該第３の偏波保持ファイバから受け取られ、かつ該光が該第３の偏波保持ファイバの速い軸に沿って偏光しているとき、該第１の双方向ポートは、該受け取られた光を該出力ポートから伝播させるように動作可能であり、かつ該受け取られた光が該第４の偏波保持ファイバから受け取られ、かつ該光が該第４の偏波保持ファイバの速い軸に沿って偏光しているとき、該第２の双方向ポートは、該受け取られた光を該出力ポートから伝播させるように動作可能である、装置。
【請求項３１】
前記装置が、可視光の範囲で動作する、請求項３０に記載の装置。
【請求項３２】
前記装置が、少なくとも１つのファラデー旋光器を備える、請求項３０に記載の装置。
【請求項３３】
前記装置が、少なくとも１つのウォラストン・プリズムを備える、請求項３０に記載の装置。
【請求項３４】
前記装置が、少なくとも１つのウォークオフ結晶を備える、請求項３０に記載の装置。
【請求項３５】
前記装置が、少なくとも１つの２分の１波長板を備える、請求項３０に記載の装置。
【請求項３６】
装置であって、入力ビームを２つの成分に分離し、該成分の１つを測定物体に２度接触するように共通経路に沿って向け、次に該成分を再結合して出力ビームを生成するように構成された干渉計を備える装置。
【請求項３７】
前記入力ビームの前記成分の偏光を１つの方向に沿って回転させ、かつ前記出力ビームの成分の偏光を異なる方向に沿って回転させるように位置付けされた光学旋光器をさらに備える、請求項３６に記載の装置。
【請求項３８】
前記光学旋光器が、ファラデー旋光器である、請求項３７に記載の装置。
【請求項３９】
前記干渉計が、前記入力ビームを前記成分に分離しかつ前記成分を再結合して前記出力ビームを生成するように位置付けされた偏光ビーム・スプリッタを備える、請求項３６に記載の装置。
【請求項４０】
前記干渉計が、一対の４分の１波長板をさらに備え、該４分の１波長板の一方が前記成分の一方を受け取るように位置付けされ、該４分の１波長板の他方が前記成分の他方を受け取るように位置付けされている、請求項３９に記載の装置。
【請求項４１】
前記干渉計が、前記成分に共通な再帰性反射体をさらに備える、請求項４０に記載の装置。
【請求項４２】
前記成分が、異なる偏光および異なる周波数を有している、請求項３６に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的に、干渉法、例えばヘテロダイン干渉法に関し、より詳細には、遠隔の光源から干渉計までの干渉法経路の光学的摂動を補償することに関する。
【背景技術】
【０００２】
ヘテロダイン干渉法では、レーザ光源は、周波数が僅かに離れた２つの偏光を含むビーム（「ヘテロダイン・ビーム」）を発生する。干渉計でのこれら２つの偏光間の干渉は、基準反射器に対する測定反射器の位置の非常に正確な測定を行うことができる。測定反射器を測定物体に結合することによって、測定物体の相対的な位置を同程度の精度で決定することができる。不都合なことに、ヘテロダイン・ビームの発生は、干渉計の性能に有害な影響を及ぼす熱および機械振動を生じさせることがある。レーザ光源は、これらの効果が起こるのを防ぐために干渉計からいくらか離れたところに配置することができるが、このことで、今度は、レーザ光源から干渉計にレーザ・ビームを伝播させるために、ファイバ光接続などのある技術を使用することが必要となる。不都合なことに、偏光混合および複屈折の光学効果は、ヘテロダイン・ビームが干渉計に伝播されるとき不釣合いに１つの偏光に影響を及ぼし、ヘテロダイン干渉法測定の忠実度を低下させる。さらに、そのような効果は、温度、機械振動、および他の周囲の条件に基づいて変化することがあり、したがって、これらの効果をあらかじめ予測すること、またはこれらの効果を補償することを困難にする。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
一般に、１態様では、本発明は、（ｉ）第１の偏光および第１の周波数を有する第１のビーム成分と、第１の偏光と異なる第２の偏光および第２の周波数を有する第２のビーム成分とを含むビームを、光接続を使用して干渉計ヘッドに向ける工程と、（ｉｉ）第１のビーム成分の偏光を第２の偏光まで回転させる工程と、（ｉｉｉ）第２のビーム成分の偏光を第１の偏光まで回転させる工程と、（ｉｖ）光接続を使用して、回転された偏光を有するビームを干渉計ヘッドから戻す工程とを含む方法を特徴とする。
【０００４】
本方法の実施形態は、以下の特徴のいずれかを含む。
ビームは、ヘテロダイン・ビームであり、第２の周波数は第１の周波数と異なっている。代わりに、ビームは、ホモダイン・ビームであり、第２の周波数は第１の周波数に等しい。
【０００５】
第１のビームの偏光を回転させる工程および第２のビームの偏光を回転させる工程は、少なくとも１つのファラデー旋光器を使用して行われる。
本方法は、第１のビーム成分を第２のビーム成分から分離する工程をさらに含み、前記の向ける工程は、第１のビーム成分を光接続の第１のファイバに向ける工程と、第２のビーム成分を光接続の第２のファイバに向ける工程とを含む。例えば、第１のファイバおよび第２のファイバは、偏波保持ファイバである。また、第１のビーム成分は、第２のファイバを使用して戻され、さらに第２のビーム成分は、第１のファイバを使用して戻される。
【０００６】
代わりに、第１のビーム成分および第２のビーム成分は、光接続で単一ビームとして伝播され、さらに、第１のビームの偏光を回転させる工程および第２のビームの偏光を回転させる工程は、この単一ビームに対して同時に行われる。
【０００７】
本方法は、偏光子を使用して、第１のビーム成分と第２のビーム成分を混合する工程をさらに含む。
干渉計ヘッドは、測定物体に光学的に結合され、かつ干渉計ヘッドは、測定物体の位置を示す干渉信号を生成する。例えば、測定物体は、ウェーハ・ステージである。
【０００８】
一般に、他の態様では、本発明は、（ｉ）第１の偏光および第１の周波数を有する第１のビーム成分と、第１の偏光と異なる第２の偏光および第２の周波数を有する第２のビーム成分とを含むビームを発生するように動作可能なレーザ・モジュールと、（ｉｉ）干渉計ヘッドと、（ｉｉｉ）レーザ・モジュールと干渉計ヘッドの間の光接続と、および（ｉｖ）１つまたは複数の光学旋光器とを含み、１つまたは複数の光学旋光器が、共同して、第１のビーム成分の偏光を第２の偏光まで回転させるように動作可能であり、第２のビーム成分の偏光を第１の偏光まで回転させるようにさらに動作可能である装置を特徴としている。
【０００９】
本装置の実施形態は、以下の実施形態のいずれかを含む。
ビームは、ヘテロダイン・ビームであり、第２の周波数は第１の周波数と異なっている。代わりに、ビームは、ホモダイン・ビームであり、第２の周波数は第１の周波数に等しい。
【００１０】
１つまたは複数の光学旋光器は、１つまたは複数のファラデー旋光器を含む。
光接続は、第１のファイバおよび第２のファイバを含む。例えば、第１のファイバおよび第２のファイバは、偏波保持ファイバである。
【００１１】
本装置は、レーザ・モジュールおよび光接続に結合された偏光子をさらに含み、偏光子は第１のビーム成分を第２のビーム成分と混合するように動作可能である。
本装置は、干渉計ヘッドに光学的に結合された測定物体をさらに含み、干渉計ヘッドは、測定物体の位置を示す干渉信号を生成するように動作可能である。例えば、測定物体は、ウェーハ・ステージである。
【００１２】
一般に、他の態様では、本発明は、（ｉ）第１の偏光および第１の周波数を有する第１のビーム成分と、第１の偏光と異なる第２の偏光および第２の周波数を有する第２のビーム成分とを含むビームを発生するように動作可能なレーザ・モジュールと、（ｉｉ）干渉計ヘッドと、（ｉｉｉ）第１のビーム成分を干渉計に向けるように動作可能な第１のファイバと、第２のビーム成分を干渉計に向けるように動作可能な第２のファイバとを含んだ、レーザ・モジュールと干渉計ヘッドの間の光接続とを含み、干渉計ヘッドが、第１のビーム成分を第２のファイバに戻し、かつ第２のビーム成分を第１のファイバに戻すように構成されている装置、を特徴としている。
【００１３】
本装置の実施形態は、以下の特徴のいずれかを含む。
ビームは、ヘテロダイン・ビームであり、第２の周波数は第１の周波数と異なっている。代わりに、ビームは、ホモダイン・ビームであり、第２の周波数は第１の周波数に等しい。
【００１４】
干渉計ヘッドは、第１のファイバから第１のビーム成分を受け取るように動作可能な第１のポートと、第２のファイバから第２のビーム成分を受け取るように動作可能な第２のポートと、第１のビーム成分の偏光を回転させるように動作可能な、第１のポートに結合された第１の光学旋光器と、第２のビーム成分の偏光を回転させるように動作可能な、第２のポートに結合された第２の光学旋光器と、を含む。
【００１５】
本装置は、第１の光学旋光器に結合された第１のビーム・エキスパンダ、および第２の光学旋光器に結合された第２のビーム・エキスパンダをさらに含む。例えば、光学旋光器は１つまたは複数のファラデー旋光器を含む。
【００１６】
干渉計ヘッドは、第１のビーム成分および第２のビーム成分が干渉計ヘッドの中を異なるビーム経路で進むようなやり方で第１のビーム成分および第２のビーム成分を受け取るように構成される。
【００１７】
干渉計ヘッドは、第１のファイバから第１のビーム成分を受け取り、第２のファイバから第２のビーム成分を受け取り、かつ第１および第２のビーム成分を組合せビームに組み合わせるように動作可能な偏光スプリッタ／コンバイナと、組合せビームの第１および第２のビーム成分の偏光を回転させるように動作可能な光学旋光器と、を含む。例えば、光学旋光器は、ファラデー旋光器である。
【００１８】
干渉計ヘッドは、ビーム・エキスパンダをさらに含む。例えば、ビーム・エキスパンダは、光学旋光器に結合される。代わりに、ビーム・エキスパンダは、干渉計ヘッドと測定物体の間の測定経路に配置される。そのような場合、干渉計ヘッドは、ビーム・エキスパンダによって生じた基準経路と測定経路の等しくない位相効果を補償するように干渉計の基準経路に配置されたコリメータ補償板をさらに含む。
【００１９】
一般に、他の態様では、本発明は、（ｉ）第１の偏波保持ファイバに結合するように動作可能な入力ポートと（ｉｉ）第２の偏波保持ファイバに結合するように動作可能な出力ポートと、（ｉｉｉ）第３の偏波保持ファイバに結合するように動作可能な第１の双方向ポートと、および（ｉｖ）第４の偏波保持ファイバに結合するように動作可能な第２の双方向ポートとを含む装置を特徴としている。受け取られた光が第３の偏波保持ファイバから受け取られ、かつ、その光が第３の偏波保持ファイバの速い軸に沿って偏光しているとき、第１の双方向ポートは、受け取られた光を出力ポートから伝播させるように動作可能である。受け取られた光が第４の偏波保持ファイバから受け取られ、かつ、その光が第４の偏波保持ファイバの速い軸に沿って偏光しているとき、第２の双方向ポートは、受け取られた光を出力ポートから伝播させるように動作可能である。
【００２０】
本装置の実施形態は、以下の特徴のいずれかを含む。
本装置は、可視光の範囲で動作するように構成される。
本装置は、少なくとも１つのファラデー旋光器、少なくとも１つのウォラストン・プリズム、少なくとも１つのウォークオフ結晶、および／または少なくとも１つの２分の１波長板を含む。
【００２１】
一般に、他の態様では、入力ビームを２つの成分に分離し、これらの成分の１つを測定物体に２度接触するように共通経路に沿って向け、次にそれらの成分を再結合して出力ビームを生成するように構成された干渉計を含む装置を、本発明は特徴としている。
【００２２】
本装置の実施形態は、以下の特徴のいずれかを含む。
本装置は、入力ビームの成分の偏光を１つの方向に沿って回転させ、かつ出力ビームの成分の偏光を異なる方向に沿って回転させるように位置付けされた光学旋光器をさらに含む。例えば、光学旋光器は、ファラデー旋光器である。
【００２３】
干渉計は、入力ビームを成分に分離しかつこれらの成分を再結合して出力ビームを生成するように位置付けされた偏光ビーム・スプリッタを含む。干渉計は、１対の４分の１波長板をさらに含み、４分の１波長板の一方は成分の一方を受け取るように位置付けされ、４分の１波長板の他方は成分の他方を受け取るように位置付けされている。干渉計は、それらの成分に共通な再帰性反射体をさらに含む。
【００２４】
それらの成分は、異なる偏光を有する。
それらの成分は、異なる周波数を有し、入力ビームは、ヘテロダイン・ビームである。代わりに、それらの成分は、同じ周波数を有し、入力ビームはホモダイン・ビームである。
【００２５】
本発明の実施形態は、以下の有利点のいずれかを含む。
本発明のある特定の実施形態は、偏光混合を最小限にし、さらに、経路依存効果、複屈折効果、および干渉法測定システムの部品にかかる熱および機械応力によって変化する他の光学効果の補償を行う。その結果として、干渉計の精度は、動作条件の広い範囲で維持可能である。
【００２６】
本発明のある特定の実施形態の他の技術的有利点は、適応性である。干渉計ヘッドの様々な実施形態は、例えば、従来のレーザ光源で機能するように構成する。これによって、既存のシステムの完全な取替えを必要としないで、そのようなシステムの精度の改善が可能になる。
【００２７】
本発明のある特定の実施形態のさらに他の有利点は、大きさの縮小である。例えば、ある特定の実施形態は、一部重複する測定ビームと基準ビームを使用して干渉計ヘッドの全体的な大きさを縮小する。光学旋光器およびビーム・エキスパンダなどの干渉計ヘッドの部品は、干渉計がより小さな面積の中にぴったり入るように配列する。より大きな部品は、干渉計の大きさを縮小するために、干渉計システムの中に配置し直す。
【００２８】
本発明の１つまたは複数の実施形態の詳細は、添付の図面および以下の説明で明らかにされる。本発明の特定の実施形態は、先に列挙された技術的な有利点の全て、または一部を含むことがあり、または全く含まないことがある。さらに、本発明の他の特徴、目的、および有利点は、説明と図面、および特許請求の範囲から明らかになるだろう。
【００２９】
様々な図面において同じ参照符号は、同じ要素を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
図１は、ヘテロダイン干渉法測定を行うシステムを示す。図示の実施形態において、システム１００は、コンピュータ１０２と、レーザ・モジュール１０４と、以下で光路１１４Ａおよび１１４Ｂまたはまとめて光路１１４と呼ばれる、光透過媒体を使用して形成された２つの接続１１４Ａおよび１１４Ｂによって、レーザ・モジュール１０４に接続された干渉計ヘッド１０８を含む。干渉計ヘッド１０８は、測定物体１１２に取り付けられた反射器１１０（例えば、平面鏡すなわち再帰性反射体）で反射された光を使用する干渉測定を可能にする。これによって、測定物体１１２の位置を高い精度で決定することができ、このことで、今度は、リソグラフィ、高精度製造、および関連した小規模活動のような方法が容易になる。例えば、システム１００は、半導体製造で使用されるウェーハ・ステージまたはマスクの位置を測定するために使用される。
【００３１】
ヘテロダイン干渉法は、互いに周波数が僅かに離れた２つの偏光モードを含むビームを生成するレーザ光源を使用することを含む。便宜上、これらの２つの周波数をｆ１およびｆ２として表し、一方で、対応する偏光をｐ１およびｐ２と呼ぶ。これらの偏光の周波数の隔たりのために、２つの偏光のビーム間干渉の僅かな変化は、これら２つのモード間の周波数差のビートとして検出可能である。周波数の隔たりは、レーザ・ビームの基本周波数よりも遥かに小さいので、周波数測定で得ることができる精度の程度は、ホモダイン技術に比べて改善される。
【００３２】
ヘテロダイン・ビームの発生中に、レーザ光源は、熱、機械的応力、振動、および他のレーザ発生の副次的効果を生じさせることがある。これらの副次的効果が、十分に大きくて、干渉計ヘッド１０８を使用して位置が監視される構成要素の正確な位置合せを妨害することも有り得る。したがって、レーザ・モジュール１０４を干渉計ヘッド１０８から遠く離して位置決めすることが望ましく、このために、レーザ・モジュール１０４からのヘテロダイン・ビームは、レーザ・モジュール１０４から干渉計ヘッド１０８に伝播される必要がある。
【００３３】
光学媒体を通してヘテロダイン・ビームを伝播させることに関係する可能性がある問題がいくつかある。第１に、ビームが伝播媒体中を長い距離進む場合、伝播中に各ビームの異なる偏光モード間の混合が過度になることも有り、このことが、ヘテロダイン・ビームの周波数／偏光関係を乱す。第２に、光路にコネクタを持ち込むことは、ビームが偏光部品に遭遇するとき、偏光混合追加の一因になる。第３に、１つの偏光に不釣合いに影響を及ぼす伝播媒体の光学効果（複屈折効果）がある。これによって、偏光モードは、たとえ同じ媒体を使用して伝えられても、異なる実効光路をたどるようになる。各偏光モードの実効光路が異なるので、これら２つの偏光で形成された干渉パターンを乱す位相差が２つの偏光モード間にあるかもしれない。さらに、熱膨張、機械振動、光路中の部品の取替え、および経路特性の数多くの他の変化によって生じるこれらの効果全てのばらつきのために、そのような効果を組織的に補償することが困難になる。ある程度、再サンプリング技術を使用して、測定でこれらの効果を補償することができるが、そのような方法を利用する前に可能な範囲でこれらの問題を最小限にすることがより望ましい。
【００３４】
システム１００は、ヘテロダイン・ビームの伝播に関連するこれらの問題のいくらかまたは全てを軽減するか無くするように構成されている。レーザ・モジュール１０４は、ヘテロダイン・ビームを発生し、このヘテロダイン・ビームを偏光成分ｐ１およびｐ２に対応する別個のビームに分離し、そして、これらのビームを別個の光路１１４Ａおよび１１４Ｂでそれぞれ伝播させる。好ましい実施形態では、光路１１４Ａおよび１１４Ｂは、偏波保持光ファイバである。干渉計ヘッド１０８は、これらのビームを使用して光干渉信号を生成し、これらのビームをレーザ・モジュール１０４に戻す。偏光モードごとに別個のファイバを使用することで、偏光混合の問題が軽減される。さらに、光路１１４の一方を使用して伝播されたビームは、各ビームが同じ物理経路全体をたどるように他方の光路１１４を使用して戻される。このことは、別個のファイバ１１４を使用してビームを伝播させることによって生じるどんな経路依存効果を補正することにも役立つ。
【００３５】
たとえ一方の光路１１４を使用して伝播されたビームが他方の光路１１４を使用して戻されても、ビームが異なる偏光を有しているので、各ビームがたどる実効光路には依然として差がある。一方の偏光に不釣合いに影響を及ぼす複屈折または他の効果によって、たとえビームが同じ物理経路全体を進んでも、ビームが異なる実効光路の影響を受けるようになることもある。したがって、ビームが特定の光路１１４を通過するとき、ビームは同じ偏光モードであることが望ましく、その結果、ビームは等しい光学効果の影響を受けるようになる。このことは、ビームが戻される前にビーム成分の偏光を回転させることによって達成され、その結果、図１に示すように、偏光ｐ１を有するビームの成分は戻り経路に関して偏光ｐ２に回転され、一方で、偏光ｐ２を有するビームの成分は、戻り経路に関して偏光ｐ１に回転される。したがって、光路１１４Ａを使用して伝播されたビームは、最初に光路１１４Ｂを使用して干渉計ヘッド１０８に伝播されたビームと同じ偏光モードで戻る。
【００３６】
これらの効果の相対的な深刻さに依存して、そのような補償技術を一緒に、または別個に使用することができる。例えば、レーザ・モジュール１０４と干渉計ヘッド１０８の間の距離が比較的に短く、コネクタ１１６をほとんどまたは全く含まない場合には、偏光混合は比較的深刻でなく、光路１１４Ａおよび１１４Ｂの代わりに１つの光路１１４を使用することが可能であり、図示の配列およびそのような代替の配列は一般的に「光接続」と呼ばれる。他の例で、光路１１４は、ヘテロダイン・ビームの異なる偏光モードに対する光学効果が比較的一様である場合、ビーム偏光の回転は必要でない。したがって、ヘテロダイン・ビームの偏光モードに対する特定の光学効果を補償する１つまたは複数の技術を使用して、システム１００の特定の実施形態を説明することができるが、理解すべきことであるが、他の実施形態は、より少ない技術、より多くの技術、異なる技術、または、説明された補償技術の代わりにまたは説明された補償技術に加えて１つまたは複数の技術の組合せを使用することがある。
【００３７】
ここで、図１に示したシステム１００の実施形態の特定の特徴に注意を向けると、コンピュータ１０２は、情報を格納し解析するどんな電子デバイスまたはシステムであってもよい。例えば、コンピュータ１０２は、パーソナル・コンピュータ（ＰＣ）、ラップトップ・コンピュータ、サーバ、ネットワーク、または他の同様なデバイスである。コンピュータ１０２は、レーザ・モジュール１０４から測定値を受け取り、測定値を解釈して測定物体１１２の位置情報を生成する。コンピュータ１０２は、グラフの形、聴覚的な形、数字の形、電子的な形、または他の適切な形で位置情報の出力を生成するために、どのようなディスプレイ、プリントアウト、または他の出力システムを含む。コンピュータ１０２は、また、使用者から情報を受け取るのに適切な部品、例えばキーボード、タッチ・パッド、またはネットワーク接続を含む。
【００３８】
レーザ・モジュール１０４は、ヘテロダイン干渉法で使用されるレーザ・ビームを発生し、１つまたは複数の出力ビームを干渉計ヘッド１０８に送り、干渉計ヘッド１０８から戻りビームを受け取り、さらに、戻りビームを使用して干渉法測定を行うための部品の集合体である。レーザ・モジュール１０４は、また、干渉計ヘッド１０８から戻りビームを受け取りビームの干渉効果を測定するための部品も含む。
【００３９】
干渉計ヘッド１０８は、光ビーム間の干渉を引き起こすために使用される光学部品の任意の集合体を意味する。干渉計ヘッド１０８は、レンズ、ミラー、スプリッタ、プリズム、波長板、旋光器、結晶、コリメータ、または他の光学部品を含む。干渉計ヘッド１０８のある特定の実施形態は、光接続１１４から複数のビームを受け取るために複数の光学ポートを有する。そのような実施形態は、第１の光学ポートを使用してビームを受け取り、第２の光学ポートを使用してそのビームを戻す。一般に、干渉計ヘッド１０８は、測定物体１１２の反射器１１０からの光ビームを反射し、したがって、測定物体１１２の位置に基づいて干渉パターンを生成する。測定物体１１２は、任意の寸法または大きさで測定される空間位置を有するどんな物理的物体であってもよい。反射器１１０は、どのような種類の反射材料であってもよく、測定物体１１２に一体化されて、または、接着剤、留め具、接続部材、または数多くの他の取付け方法などの任意の形の物理的取付けを使用して、測定物体１１２に物理的に接続される。好ましい実施形態では、２つの周波数成分ｆ１およびｆ２の偏光は、光路１１４Ａおよび１１４Ｂに沿ってレーザ・モジュール１０４に戻るより前に干渉計ヘッド１０８で、互いに取り替えられる。
【００４０】
上で言及したように、光路１１４Ａおよび１１４Ｂは、レーザ・モジュール１０４と干渉計ヘッド１０８の間の接続を形成するどんな光伝播媒体であってもよい。例えば、光路１１４は、どんな種類の光ファイバ、導波路、コネクタ、レンズ、ミラー、または光を伝播させる数多くの他の部品を使用して形成される。直線偏光を維持するために、光路１１４は、偏波保持ファイバなどの偏波保持媒体を含んでもよい。光接続１１４での偏光混合の量をさらに減少させるために、光接続１１４は、例えば、ヘテロダイン・ビームの偏光モードの一方に各々使用される物理的に別個の光路１１４をさらに含む。光路１１４は、光コネクタ、融着、連続接続、または光学媒体を固定するための数多くの他の方法を使用して、レーザ・モジュール１１４および干渉計ヘッド１０８に固定される。
【００４１】
図２は、レーザ・モジュール１０４の特定の実施形態を示す。図示の実施形態では、レーザ・モジュール１０４は、ヘテロダイン・ビームを生成するレーザ光源２００を含み、このヘテロダイン・ビームはサーキュレータ１０６に伝播される。サーキュレータ１０６は、ヘテロダイン・ビームを偏光モードｐ１およびｐ２に対応する２つのビームに分離し、これらの偏光モードは、光路１１４Ａおよび１１４Ｂを使用して干渉計ヘッド１０８に伝播される。サーキュレータ１０６は、また、干渉計ヘッド１０８から戻りビームを受け取り、その戻りビームを、光学測定のために、レーザ光源２００の中の光検出器２２２に供給する。
【００４２】
レーザ光源２００は、レーザ管２０２および信号処理モジュール２１６を含む。レーザ管２０２は、ヘテロダイン・ビームを生成する光学媒体である。ヘテロダイン・ビームの発生は、周波数が僅かに離れた２つの偏光を生成することを含む。ヘテロダイン・ビームを発生するために使用される１つの一般的な方法は、ゼーマン（Ｚｅｅｍａｎ）分裂である。ゼーマン分裂は、レーザ媒体の偏光敏感エネルギー・レベル間に小さな隔たりを生じさせるように磁界を加えることを含む。１つの例として、ヘリウム−ネオン（ＨｅＮｅ）・レーザは、ゼーマン分裂の使用に適している。しかし、ゼーマン分裂はヘテロダイン・ビームを発生させるほんの１つの方法にすぎず、本明細書で説明される様々な実施形態は、ヘテロダイン・ビームがどのように生成されるかに関係なく、どんなヘテロダイン・ビームにも使用できることに留意することが重要である。
【００４３】
レーザ管２０２には、低パワー出力２０４と高パワー出力２０６とがある。高パワー出力２０６は、その次に偏波保持ファイバに結合するコリメータ２０８に出力ビームを放射し、この偏波保持ファイバは、出力ビームをレーザ管２０２からサーキュレータ１０６に伝播させる。低パワー出力２０４は、低出力ビームをスプリッタ２１０に供給し、このスプリッタ２１０は、低パワー出力２０４で放射されたビームを２つの基準ビームに分割する。一方の基準ビームは、ヘテロダイン・ビート周波数の測定を行う光検出器２１４に結合される。レーザ管２０２で生成された２つの偏光成分の相対的な振幅を測定するために、他方のビームは、基準光学装置２１２によって２つの偏光ビームに分割される。基準光学装置２１２は、ビーム・スプリッタ、ウォラストン（Ｗｏｌｌａｓｔｏｎ）・プリズム、偏光子、または数多くの他の光学部品などの、説明したようにビームを分割する任意の適切な光学部品を含む。信号処理モジュール２１６は、光検出器２１８で基準ビームを受け取る。
【００４４】
信号処理モジュール２１６は、光検出器２１４、２１８および２２２から受け取られた信号の処理および／または解析を行う任意の回路、プロセッサ、または他の電子回路である。光検出器２１４、２１８、および２２２は、電荷制御デバイス（ＣＣＤ）、照度計、フォトダイオード、光電子増倍管（ＰＭＴ）、または他の同様なデバイスを含んだ光強度を測定するどんな種類のセンサを含む。そのようなデバイスは、また、受け取られた光の周波数を計算する回路を含む。信号処理モジュール２１６は、また、光検出器２１４、２１８、および２２２によって検出された光強度の変化に応答してレーザ管２０２を制御するための適切な制御回路を含む。
【００４５】
図示の実施形態は、信号出力ビームを発生するレーザ管２０２を示すが、１つまたは複数の追加の出力ビームを生成するためにパワー分割光学装置を使用することも可能である。その場合、追加のビームを使用して干渉法測定を行うために、追加のコリメータ２０８、サーキュレータ１０６、および光検出器２２２が追加される。このように、例えば、測定物体１１２の位置を３次元で測定するために、３つのビームが使用される。したがって、理解されるべきことであるが、レーザ・モジュール１０４からの１つの出力ビームを使用するどんな実施形態の説明も、複数のビームを使用するように同様に適応することができる。
【００４６】
コリメータ２０８をサーキュレータ１０６に結合し、さらにサーキュレータ１０６を信号処理モジュール２１６に結合するために使用されるファイバまたは他の光学媒体は、温度変動または機械的応力で変化する光学効果の影響ける可能性がある。ファイバの長さを減らすことは、ファイバを所定の位置に保持するテープまたは任意の他の適切な技術を使用してファイバの動きを物理的に抑止するのと同様に、これらの効果を制限するのに役立つ。複屈折を補償するのに役立つ他の技術は、ファイバを半分に切断し、その半分の一方を他方に対して例えば９０°だけ回転し、ファイバを互いに元のように接合することである。特に、ファイバが短い場合、温度変動および機械的応力に対するファイバの応答は、ファイバの長さにわたって余り変化しないので、その結果、半分が互いに接合された後で、ファイバの第１の半分での各偏光に対する伝播効果は、ファイバの第２の半分の他方の偏光に及ぼす効果にほとんど等しくなる。正味の結果は、ファイバの複屈折が変化するときでも、両方の偏光が、ファイバを通過することでほとんど同一の伝播効果の影響を受けることである。
【００４７】
ここで、サーキュレータ１０６の説明に注意を向けると、サーキュレータ１０６は、レーザ・モジュール１０４の出力ビームを２つの偏光ビームに分離し、干渉計ヘッド１０８から光を受け取り、さらに、受け取った光を信号処理モジュール２１６の光検出器２２２に伝播させる光学デバイスである。受け取られた光は、今度は、測定物体１１２の位置に対応する干渉効果を測定するために使用される。サーキュレータ１０６は、レンズ、プリズム、波長板、旋光器、スプリッタ、結晶、コリメータ、および／または数多くの他の光学部品のどんな適切な組合せを含んでもよい。サーキュレータ１０６は、また、戻りビームの光学特性の測定を可能にするために、サーキュレータ１０６の出力ポート２２４から信号処理モジュール２１８に伝播される光の偏光モードを混合する偏光子２２０を含む。偏光子２２０は、ポラコア（Ｐｏｌａｒｃｏｒ）・ガラスなどのどんな適切な光学材料で形成される。偏光子２２０は、サーキュレータ１０６と一体であってもよく、またはサーキュレータ１０６から分離されてもよい。出力ポート２２４と入力ポート２２６の間の構造的な釣合いを実現するために、偏光子２２０と同じ厚さのガラス２２１が、サーキュレータ１０６の入力ポート２２６に配置される。
【００４８】
一般に、サーキュレータ１０６は、４つのポートを含む。すなわち、出力ポート２２４、入力ポート２２６、および双方向ポート２２８Ａおよび２２８Ｂ（まとめて「双方向ポート２２８」と呼ばれる）、である。各ポートは、１つまたは複数の偏光モードを送り、かつ／または受け取るように構成される。入力ポート２２６は、両方の偏光モードを含むヘテロダイン・ビームを受け取り、かつ双方向ポート２２８Ａから１つの偏光モードを伝播させ、さらに双方向ポート２２８Ｂからもう１つの偏光モードを伝播させるように構成されている。双方向ポート２２８は、今度は、伝播させたものと反対の周波数の戻りビームを受け取って、今度は、そのような戻りビームを出力ポート２２４に供給するように構成されている。双方向ポート２２８は、また、偏光混合のような効果を部分的に補償するために、予期しない偏光モードを拒絶するように構成される。基本的に、ポート２２４、２２６、および２２８の説明された機能を行うために使用されるかもしれない光学部品の数多くの配列があり、システム１００の特定の実施形態、例えば光路１１４を単一のファイバと取り替える実施形態などは、サーキュレータ１０６を従来の光サーキュレータと取り替えることを可能にする。
【００４９】
上述のように機能するサーキュレータ１０６の特定の例が、図３Ａおよび３Ｂに示されている。図３Ａおよび３Ｂは、システム１００で使用するサーキュレータ１０６の実施形態の上面図および平面図を（それぞれ）示す。用語「上面」および「側面」の使用は、どんな特定の方向も示さず、むしろ部品の相対的な位置を示すために使用される。図３Ａおよび３Ｂの各々で、サーキュレータ１０６は、２つの動作モードで示されている。すなわち、第１のモードではレーザ光源２００からへテロダイン・ビームを受け取り、第２のモードでは干渉計ヘッド１０８から戻りビームを受け取る。サーキュレータ１０６の動作についてよりはっきりした説明を行うために、サーキュレータ１０６の個々の部品をより詳細に説明することが有用である。
【００５０】
サーキュレータ１０６は、図２に関連して上で説明した４つのポートに対応する４つの光ファイバに結合されている。これら４つのファイバは、どんな適切な光ファイバであってもよく、入力ファイバ３０２、出力ファイバ３３２、および２つの双方向ファイバ３２８および３３０を含む。特定の実施形態では、ファイバ３０２、３２８、３３０、および３３２は、偏波保持ファイバである。そのような実施形態では、特定のファイバで伝播される偏光モードは、望ましい場合には、偏波保持ファイバの速い軸または遅い軸に対応するように選ばれる。様々な実施形態では、ファイバ３０２、３２８、３３０、および３３２は、例えば、ボータイ（ｂｏｗ−ｔｉｅ）・ファイバまたはパンダ（ｐａｎｄａ）・ファイバである。レンズ３０４および３２６は、傾斜屈折率（ＧＲＩＮ）レンズを含んだ任意の型の光学レンズであり、この光学レンズは、ファイバ３０２、３２８、および３３０から受け取られたビームを広げ、ビームをファイバ３２８、３３０、および３３２に集束させるのに適している。
【００５１】
部品３０８、３１０、３１８、および３２０は、２分の１波長板であり、これらの２分の１波長板は、１つの軸に沿って偏光された光を、もう１つの軸に沿って偏光された光に対して２分の１波長だけ遅らせる（すなわち、πラジアンの位相シフト）複屈折光学部品である。２分の１波長板は、入力偏光に対するそれの向きに対応する量だけ、入力直線偏光を回転させる。
【００５２】
光学旋光器３１２および３２２は、光がこれらの旋光器をどの方向に通過するかに無関係なある特定量だけ、各旋光器を通過するビームの偏光を回転させる非可逆光学部品である。そのような回転を行う部品の例は、ファラデー旋光器である。ファラデー旋光器は、所望の動作スペクトル（近赤外、可視、その他）に依存して長さが相当に変化する可能性があり、図示の構成は、そのような変化する長さに適応可能である。
【００５３】
ウォークオフ（ｗａｌｋ−ｏｆｆ）結晶３０６および３１６は、特定の偏光モードを他方のモードに対して空間的に平行移動させる。したがって、ウォークオフ結晶の効果は、１つの方向で空間的な間隔が間にある２つの偏光ビームを生じさせるか、または２つの空間的に離れた偏光を単一ビームに組み合わせることである。ウォラストン・プリズム３１４および３２４は同様な機能を行うが、空間的な平行移動ではなく、ウォラストン・プリズム３１４および３２４は、特定の方向にウォラストン・プリズム３１４または３２４を通過する組合せビームの偏光モード間に角度間隔を生じさせる。逆に、ウォラストン・プリズム３１４および３２４は、また、異なる角度に沿って進む２つの偏光ビームを単一ビームに組み合わせる。
【００５４】
第１の動作モードで、サーキュレータ１０６は、入力ファイバ３０２からヘテロダイン・ビーム３３４を受け取る。レンズ３０４は、ビームを平行にし、ウォークオフ結晶３０６は、広げられたビームで２つの偏光モード間に空間間隔を生じさせて、直線偏光ｐ１を有するビーム３３６および直交する直線偏光ｐ２を有するビーム３３８の２つの偏光ビームを生じさせる。これらのビームは、今度は、それぞれの２分の１波長板３０８および３１０にかけられ、これらの２分の１波長板は、これらのビームの直線偏光を反対方向に４５°だけ回転させるように位置合わせされている。それから、これらのビームは、ファラデー旋光器３１２を通過し、このファラデー旋光器３１２は、両方のビームの直線偏光を同じ方向に４５°だけ回転させる。これらの部品の正味の結果は、両方のビーム３３６および３３８が、今や、ｐ１に対応する同じ偏光を有していることである。側面図に示されているように、ウォラストン・プリズム３１４は、斜めに傾いたビーム３３６および３３８を受け取り、両方のビーム３３６または３３８の進行経路を真っ直ぐにする。留意されたいことであるが、両方のビームの偏光が同じであるので、ウォラストン・プリズム３１４は両方のビームに全く同じに影響を及ぼす。次に、それらのビームは、ウォークオフ結晶３１６を真っ直ぐに通過する。両方のビーム３３６および３３８は、次に、それぞれの２分の１波長板３１８および３２０を通過し、これらの２分の１波長板は、それらのビームの直線偏光を反対方向に４５°だけ回転させるように配列されている。次に、それらのビームは、ファラデー旋光器３２２を通過し、ファラデー旋光器３２２は、２つのビームの直線偏光を同じ方向に４５°だけ回転させる。その結果として、ビーム３３８の偏光はｐ１であり、ビーム３３６の偏光はｐ２である。ウォラストン・プリズム３２４は、次に、ビーム３３６を双方向ファイバ３３０の方に向け、ビーム３３８を双方向ファイバ３２８の方に向ける。レンズ３２６は、それらのビームをそれぞれのファイバに集束させる。
【００５５】
第２の動作モードでは、偏光ｐ２のビーム３４０は双方向ファイバ３２８から受け取られ、一方で、偏光ｐ１のビーム３４２は双方向ファイバ３３０から受け取られる。ウォラストン・プリズム３２４は、両方のビーム３４０および３４２のビーム経路を真っ直ぐにする。それから、これらのビームは、それぞれの２分の１波長板３１８および３２０およびファラデー旋光器３２２を通過し、このファラデー旋光器３２２は、ビーム３４０および３４２の直線偏光を、偏光ｐ２である同じ偏光に変換する。ウォークオフ結晶３１６は、これらのビームを垂直方向に平行移動し、一方で、ウォラストン・プリズム３１４は、出力ファイバ３３２の方に向く角度に沿って両方のビーム３４０および３４２を向ける。ファラデー旋光器３１２および２分の１波長板３０８および３１０は、ビーム３４０の偏光をｐ１に回転し、かつビーム３４２の偏光をｐ２としてもとのままにしておくという正味の効果を有している。ウォークオフ結晶３０６は、次に、ビーム３４０および３４２を組合せビーム３４４に再結合し、この組合せビーム３４４は、レンズ３０４で出力ファイバ３３２に集束される。
【００５６】
図４は、受端部に第２のサーキュレータ１０６’を使用して、光路１１４Ａおよび１１４Ｂからの偏光ビームを組合せビームに再結合させる干渉計ヘッド１０８の実施形態を示す。サーキュレータ１０６’は、図３Ａおよび３Ｂのサーキュレータ１０６と全く同じである。ファイバ・コネクタ４５２Ａは、光路１１４Ａをサーキュレータ１０６’の双方向ポート２２８Ａ’に接続し、ファイバ・コネクタ４５２Ｂは、光路１１４Ｂをサーキュレータ１０６’の双方向ポート２２８Ｂ’に接続する。図示の実施形態では、干渉計ヘッドは、入力ポート４０２を有する干渉計４０６を含み、この入力ポート４０２は、偏波保持光ファイバ４０１を介してサーキュレータ１０６’の出力ポート２２４’から組合せビームを受け取る。干渉計４０６では、組合せビームを、直交する直線偏光ｐ１’およびｐ２’にそれぞれ対応する基準ビーム（実線で図示される）と測定ビーム（点線で図示される）とに分割するように、偏光ビーム・スプリッタ立方体４０８が配置されており、これらの基準ビームおよび測定ビームは、基準ミラー４１０および反射器１１０でそれぞれ反射される。干渉計４０６は、また、各ビームの所望の光路を生成するように４分の１波長板４１２および４１４および再帰性反射体４１１を含む。４分の１波長板の２回通過によって、偏光ビーム・スプリッタ立方体４０８の界面で最初に反射されたビームが、次にその界面で反射されるようになり、逆の場合も同様になるように、各４分の１波長板は配列されている。
【００５７】
具体的には、入力ポート４０２からの組合せビームは、立方体４０８の偏光ビーム分割界面によって、最初に偏光ｐ１’を有する基準ビーム（実線）と最初に偏光ｐ２’を有する測定ビーム（点線）とに分離される。基準ビームは、この界面で反射し、次に基準ミラー４１０で反射し、この過程で４分の１波長板４１２を２回通過し、この４分の１波長板４１２は、これによって、基準ビームの偏光をｐ１’からｐ２’に回転させる。基準ビームは、次に、立方体４０８の偏光ビーム分割界面を経由して伝播されて再帰性反射体の立方体４１１で再帰性反射し、それから、再び立方体４０８の偏光ビーム分割界面を経由して伝播される。次に、基準ビームは、基準ミラー４１０で反射し、再び４分の１波長板４１２を２回通過し、４分の１波長板４１２が偏光をｐ２’から元のｐ１’に回転させ、その結果、基準ビームは、立方体４０８の偏光ビーム分割界面で出力ポート４０４の方に反射されるようになる。
【００５８】
他方で、測定ビームは、立方体４０８の偏光ビーム分割界面を通過して伝播し、次に反射器１１０で反射して、この過程で４分の１波長板４１４を２回通過し、それによって、４分の１波長板は測定ビームの偏光をｐ２’からｐ１’に回転させる。測定ビームは、次に、立方体４０８の偏光ビーム分割界面で反射され、再帰性反射体の立方体４１１で再帰性反射し、それから、再び立方体４０８の偏光ビーム分割界面で反射される。次に、測定ビームは、反射器１１０で反射し、再び４分の１波長板４１４を２回通過し、４分の１波長板４１４が測定ビームの偏光をｐ１’から元のｐ２’に回転させ、その結果、測定ビームは基準ビームと再結合し、立方体４０８の偏光ビーム分割界面を経由して出力ポート４０４の方へ伝播される。基準ビームと測定ビームの再結合は、周波数成分ｆ１とｆ２の光干渉信号を生成し、この光干渉信号は、干渉計ヘッドに対する反射器１１０の位置の変化を示している。
【００５９】
これらのビームは、再結合した後で、出力ポート４０４から偏波保持光ファイバ４０３を介してサーキュレータ１０６’の入力ポート２２６’に伝播される。偏波保持光ファイバ４０１および４０３の軸は、周波数成分ｆ１およびｆ２の偏光を取り替えるために、サーキュレータ１０６’の入力ポートおよび出力ポートで互いに９０°に向けられている。これは、例えば、サーキュレータ１０６’とポート４０２および４０４との間で光ファイバ４０１および４０３の一方または両方を物理的に回転させることによって行うことができる。その結果として、偏光ｐ２でサーキュレータ１０６’を離れた周波数成分、例えば周波数成分ｆ１は、今では、偏光ｐ１でサーキュレータ１０６’に入るが、一方で、偏光ｐ１でサーキュレータ１０６’を離れた他の周波数成分、例えば周波数成分ｆ２は、今では、偏光ｐ２でサーキュレータ１０６’に入る。
【００６０】
サーキュレータ１０６’は、次に、組合せビームを偏光成分に分離し、偏光ビームの各々を、サーキュレータ１０６’がそれぞれの偏光を最初に受け取った光路１１４Ａまたは１１４Ｂに戻す。例えば、サーキュレータ１０６’が周波数ｆ１で偏光ｐ１の偏光ビームを光路１１４Ａから受け取った場合には、そのビーム成分（すなわち、周波数ｆ１の成分）を光路１１４Ｂに偏光ｐ２の状態で戻す。同様に、サーキュレータ１０６’が周波数ｆ２で偏光ｐ２の偏光ビームを光路１１４Ｂから受け取った場合には、そのビーム成分（すなわち、周波数ｆ２の成分）を光路１１４Ａに偏光ｐ１の状態で戻す。このことで、各周波数成分が同じ光路に沿って干渉計に行ったり来たりして伝わるために干渉法測定にマイナスの影響を及ぼすかもしれない経路依存効果および偏光依存効果が補償される。具体的には、各周波数成分は、光路１１４Ａに沿って偏光ｐ１で伝わり、かつ光路１１４Ｂに沿って偏光ｐ２で伝わるが、これを違った時間に行う。すなわち、周波数成分ｆ１は、光路１１４Ａに沿って干渉計ヘッド１０８に伝わり、光路１１４Ｂに沿って戻るが、一方で、周波数成分ｆ２は、光路１１４Ｂに沿って干渉計ヘッド１０８に進み、光路１１４Ａに沿って戻る。
【００６１】
図５Ａは、ビームを受け取るためにサーキュレータ１０６’を使用しないで、光路１１４から偏光ビームを受け取る干渉計ヘッド１０８の実施形態を示す。ファイバ・コネクタ５５２Ａおよび５５２Ｂは、光路１１４Ａおよび１１４Ｂを入力ポート５０２および５０４にそれぞれ接続する。図示の実施形態では、干渉計ヘッドは、異なる偏光の２つの偏光入力ビームを入力ポート５０２および５０４で受け取る干渉計５１２を含む。偏光スプリッタ・コンバイナ５０６は、偏光を分割しまた組み合わせるのに適したどんな光学部品であってもよく、入力ビームを組合せ、その組合せビームをファラデー旋光器５０８に供給する。ファラデー旋光器は、組合せビームの周波数成分ｆ１およびｆ２の直線偏光を４５°だけ回転させる。ビームは、次に、ビーム・エキスパンダ５１０に供給される。広げられたビームは、次に、干渉計５１２に入り、この干渉計５１２は、基準ビームおよび測定ビーム各々が干渉ミラー５１８および反射器１１０をそれぞれ２回通るとき実質的に同じ経路に沿って伝播することを除いて、図４の干渉計４０６と実質的に同様である。
【００６２】
具体的には、広げられたビームは、偏光ビーム・スプリッタ立方体５１４の偏光ビーム分割界面によって、最初に偏光ｐ１’を有する基準ビーム（実線）と最初に偏光ｐ２’を有する測定ビーム（点線）とに分離される。基準ビームは、この界面で反射し、次に基準ミラー５１８で反射して、この過程で４分の１波長板５２０を２回通過し、それによって、４分の１波長板は、基準ビームの偏光をｐ１’からｐ２’に回転させる。基準ビームは、次に、立方体５１４の偏光ビーム分割界面を経由して伝播され、再帰性反射体の立方体５１６で再帰性反射し、それから、再び立方体５１４の偏光ビーム分割界面を経由して伝播される。それから、基準ビームは、基準ミラー５１８で反射し、再び４分の１波長板５２０を２回通過し、４分の１波長板は基準ビームの偏光をｐ２’から元のｐ１’に回転させ、その結果、基準ビームは、立方体５１４の偏光ビーム分割界面によってビーム・エキスパンダ５１０の方に反射される。
【００６３】
他方で、測定ビームは、立方体５１４の偏光ビーム分割界面を通過して伝播し、次に反射器１１０で反射して、この過程で４分の１波長板５２２を２回通過し、それによって、４分の１波長板は、測定ビームの偏光をｐ２’からｐ１’に回転させる。測定ビームは、次に、立方体５１４の偏光ビーム分割界面によって反射され、再帰性反射体の立方体５１６で再帰性反射し、それから、再び立方体５１４の偏光ビーム分割界面によって反射される。それから、測定ビームは、反射器１１０で反射し、再び４分の１波長板５２２を２回通過し、４分の１波長板は測定ビームの偏光をｐ１’から元のｐ２’に回転させ、その結果、測定ビームは、基準ビームと再結合し、立方体５１４の偏光ビーム分割界面を経由してビーム・エキスパンダ５１０の方に伝播される。基準ビームと測定ビームの再結合は、周波数成分ｆ１とｆ２の間の光干渉信号を生成し、この光干渉信号は干渉計ヘッドに対する反射器１１０の位置の変化を示している。
【００６４】
いくつかの場合には、再帰性反射体の立方体５１６のアパーチャの中心部を使用することで、波面歪みおよび／または光損失が生じることがあり、この場合、再帰性反射体の立方体５１６の代わりに、後ろの焦点にミラーが置かれたＧＲＩＮレンズなどのレンズを使用することができる。
【００６５】
ビーム・エキスパンダ５１０を逆に通過した後で、ビーム・エキスパンダ５１０は集光し、組合せビームは、再び、ファラデー旋光器５０８を通過し、周波数成分ｆ１およびｆ２の直線偏光をもう４５°だけさらに回転させる。その結果として、例えば、偏光ｐ１で旋光器５０８に入った周波数成分、例えば周波数成分ｆ１は、今では、偏光ｐ２で旋光器５０８を離れ、また、偏光ｐ２で旋光器５０８に入った周波数成分、例えば周波数成分ｆ２は、今では、偏光ｐ１で旋光器５０８を離れる。ビーム・スプリッタ／コンバイナ５０６は、次に、組合せビームを偏光成分に分離し、その結果、偏光ｐ１で旋光器５０８を出る周波数成分（例えば、周波数成分ｆ２）は、ポート５０２およびファイバ・コネクタ５５２Ａを介して光路１１４Ａに結合され、偏光ｐ２に相当する周波数成分（例えば、周波数成分ｆ１）はポート５０４およびファイバ・コネクタ５５２Ｂを介して光路１１４Ｂに結合される。
【００６６】
ファラデー旋光器５０８の２回通過は、周波数成分ｆ１とｆ２の偏光を取り替える。その結果として、偏光ｐ１で干渉計ヘッド１０８に入った周波数成分、例えば周波数成分ｆ１は、今や、偏光ｐ２で干渉計ヘッド１０８を離れ、また、偏光ｐ２で干渉計ヘッド１０８に入った周波数成分、例えば周波数成分ｆ２は、今や、偏光ｐ１で干渉計ヘッド１０８を離れる。図４の実施形態のように、このことで、有利なことに、各周波数成分が同じ光路に沿って干渉計に行ったり来たりして伝わるために、そうでなければ干渉法測定の精度に影響を及ぼすかもしれない経路依存効果および偏光依存効果を軽減する。
【００６７】
図５Ｂは、図５Ａに示された干渉計ヘッドを変更したものを示す。変更したものでは、ビーム・エキスパンダ５１０は、反射器１１０と偏光ビーム・スプリッタ立方体５１４の間に配置されている。これによって、干渉計ヘッド１０８がより小型に組み立てられるようになる。ビーム・エキスパンダ５１０は、測定経路を広げるだけであるので、基準路と測定路の間に異なる光学効果がある可能性がある。したがって、補償板５２４が、そのような光学効果を補償するように基準路に配置されてもよい。例えば、補償板５２４は、ビーム・エキスパンダ５１０に使用されたレンズと同じ材料で形成されたガラス板であってもよい。補償板５２４の全厚さは、ビーム・エキスパンダ５１０のレンズの全厚さに一致するように選ばれてもよい。
【００６８】
図６は、干渉計ヘッド１０８の別の実施形態である。図示の実施形態では、干渉計ヘッド１０８は、２つのポート６０２および６０４を有する。ポート６０２は、ファラデー旋光器６０６Ａおよびビーム・エキスパンダ６０８Ａに結合されている。ポート６０４は、ファラデー旋光器６０６Ｂおよびビーム・エキスパンダ６０８Ｂに結合されている。干渉計６１０は、偏光ビーム・スプリッタ立方体６１２、再帰性反射体立方体６１４、ミラー６１６、反射器１１０、および４分の１波長板６１８および６２０の配列を含み、これは、図４、５Ａおよび５Ｂを参照して上で説明したものと同様である。ファイバ・コネクタ６５２Ａおよび６５２Ｂは、光路１１４Ａおよび１１４Ｂを入力ポート６０２および６０４にそれぞれ接続する。この実施形態では、基準ビームに対応する周波数成分例えばｆ１（ビーム分割界面に続く実線）は、ポート６０２を通って干渉計に入り、基準ミラー６１６を２回通った後でポート６０４を通って出るが、一方で、測定ビームに対応する周波数成分例えばｆ２（ビーム分割界面に続く点線）は、ポート６０４を通って干渉計に入り、反射器１１０を２回通った後でポート６０２を通って出る。干渉計６１０は、２つの追加の特徴を含む。第１に、図４に示された干渉計４０６のように、干渉計６１０は、基準ミラーおよび物体ミラーへの基準ビームおよび測定ビームの２回の通過のために、空間的に離れたビーム経路をそれぞれ使用する。しかし、図５Ａおよび５Ｂに示された干渉計にように、干渉計６１０は、ファラデー旋光器を含み、具体的には、周波数成分ｆ１およびｆ２の偏光を回転させるために使用されるファラデー旋光器６０６Ａおよび６０６Ｂを含む。
【００６９】
図７は、ヘテロダイン・ビームが２ファイバ光接続１１４を使用して干渉計ヘッド１０８に伝播されるシステム１００の動作方法の例を示す流れ図である。工程７０２で、レーザ・モジュール１０４がヘテロダイン・ビームを発生する。工程７０４で、サーキュレータ１０６が偏光モードを２つのビームに分離し、工程７０６で、これらのビームは、光接続１１４のファイバ中に導かれる。工程７０８で、干渉計ヘッド１０８は、これらのビームを受け取る。
【００７０】
次に、工程７１０で、干渉計ヘッド１０８は、これらのビームを使用して干渉法測定を行う。上で説明したように、干渉法測定は、重なり合う経路を使用して行われてもよく、この場合には２つのビームが組み合わされてもよく、または、別個の測定経路および基準経路を用いて行われてもよい。工程７１２で、干渉計ヘッド１０８がこれらのビームの偏光を回転させる。この回転は、様々な異なる方法で行うことができる。例えば、干渉計ヘッド１０８は、干渉計ヘッド１０８でビームを受け取ると同時に回転の一部を行い、ビームを光路１１４に戻すとき回転を完成させるかもしれない。回転は、各ビームに対して別々に行われてもよく、または、代わりに、ビームが組み合わされ、組合せビームで回転が行われてもよい。一般に、異なる偏光軸に対する１つの偏光軸の回転をもたらす工程のどんな組合せでも使用することができ、所望の干渉計の構成を作るためにどんな適切な変更を加えてもよい。
【００７１】
いったん干渉法測定が行われ、ビームの偏光が回転されると、工程７１４で、干渉計ヘッド１０８は、次に、ビームを光路１１４に戻す。有利なことに、経路依存効果の影響を軽減するために、干渉計ヘッド１０８は、一方の光路１１４から受け取られたビームを他方の光路１１４に戻す。工程７１６で、サーキュレータ１０６が光接続１１４から戻りビームを受け取り、工程７１８で、組合せビームを出力ポート２２４に向ける。工程７２０で、偏光子２２０が組合せビームの偏光モードを混合し、結果として得られたビームが、工程７２２で、信号処理モジュール２１６に供給される。次に、工程７２４で、信号処理モジュールが、光検出器２２２から情報を集め、工程７２６で、コンピュータ１０２が、集められた情報を解析して測定物体１１２の位置を決定する。
【００７２】
２つの光路１１４を使用する特定の動作方法が説明されたが、２ファイバ光接続１１４を使用するシステム１００の実施形態で他の動作方法が適切である可能性があり、さらに、他の実施形態にも、同様に適切な動作方法がある可能性がある。したがって、理解されるべきことであるが、説明された動作方法は、システム１００の様々な実施形態のどれかと一致したやり方に適切に変更される可能性がある例である。さらに、説明された特定の方法の工程は、異なる順序で行われてもよく、さらに、工程は、任意の適切な方法で省略されてもよく、または追加されてもよい。
【００７３】
本発明のいくつかの実施形態を説明した。しかしながら、理解されることであろうが、本発明の技術思想および範囲から逸脱することなしに様々な変更を加えることができる。例えば、特定の光学部品（例えば、プリズム、結晶、ファラデー旋光器）および部品の集合体を説明したが、説明した部品の代わりに同等の機能を行う他の光学部品または部品の集合体を用いてもよい。全体的なシステムに関して、単一の光路１１４を使用すること、偏光の異なる回転を行うこと、または回転しないこと、および様々な実施形態の特定の機能と矛盾しない数多くの他の変更例を、特定の用途のために望み通りに、または必要なように使用することができる。したがって、他の実施形態は、添付の特許請求の範囲の範囲内にある。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】干渉法測定を行うためのシステムを示す図。
【図２】図１のシステムのレーザ・モジュールおよびサーキュレータの実施形態を示す図。
【図３Ａ】図１のシステムのサーキュレータの実施形態を示す上面図。
【図３Ｂ】図１のシステムのサーキュレータの実施形態を示す側面図。
【図４】図１のシステムの干渉計ヘッドの実施形態を示す図。
【図５Ａ】図１のシステムの干渉計ヘッドの他の実施形態を示す図。
【図５Ｂ】図１のシステムの干渉計ヘッドの他の実施形態を示す図。
【図６】図１のシステムの干渉計ヘッドの他の実施形態を示す図。
【図７】図１のシステムの動作方法の例を示す流れ図。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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