(57)【要約】【課題】干渉計においてウォークオフを低減又は排除するための、より効率的でより簡素なシステム及び方法を提供すること。【解決手段】干渉計（２００）は、反射器の位置ずれによって生じるウォークオフを受ける平行なヒ゛ームを、干渉計光学系を通る追加の通過のために戻し、それによりヒ゛ームのウォークオフを排除する。リターン反射器（２１０）は、干渉計光学系を通る光路をリトレースして結合し、入力ヒ゛ームの軸に沿って出射するようにリターンヒ゛ームを配向する平面ミラーとすることができる。分離光学系（３２０Ａ、３２０Ｂ）は、入力ヒ゛ームから合成ヒ゛ームを分離できる。代案として、二等辺フ゜リス゛ム（４１０Ａ）又は台形フ゜リス゛ム（４１０Ｂ）のようなリターン反射器が、リターンヒ゛ームを反射してオフセットし、そのため合成ヒ゛ームは入力ヒ゛ームからオフセットする。【選択図】図２
2004004044.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
干渉計であって、
入力ビームを受光し、その入力ビームを第１のビームと第２のビームに分割するように位置合わせされたビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタから前記第１のビームを受光するように配置され、前記第１のビームを前記ビームスプリッタへ戻すように配向する第１の反射器系と、前記ビームスプリッタから前記第２のビームを受光するように配置され、前記第２のビームを前記ビームスプリッタへ戻すように配向する第２の反射器系であって、前記ビームスプリッタが前記第１の反射器系からの第１のビームと前記第２の反射器系からの第２のビームから第１の合成ビームを形成し、その第１の合成ビーム中の前記第１及び第２のビームは、互いに平行であり、前記第１及び第２の反射器系の相対的な位置ずれに依存する距離だけ互いからウォークオフされている、第２の反射器系と、及び
前記第１の合成ビームを前記ビームスプリッタへ戻すように配置されたリターン反射器とからなり、前記第１の合成ビームからの前記第１及び第２のビームを再度分離し、次に再合成し、前記第１及び第２のビームが同一直線上にあるような第２の合成ビームを形成する、干渉計。
【請求項２】
前記リターン反射器からの反射の後、前記第１のビームは、前記リターン反射器に到達する際の前記第１のビームが移動した光路に平行な光路をリトレースし、前記第２のビームは、前記リターン反射器に到達する際の前記第２のビームが移動した光路に平行な光路をリトレースする、請求項１の干渉計。
【請求項３】
前記リターン反射器が、前記第１の合成ビームに垂直な平面ミラーからなる、請求項１の干渉計。
【請求項４】
前記第２の合成ビームが、前記入力ビームの軸に沿っている、請求項３の干渉計。
【請求項５】
前記入力ビームから前記第２の合成ビームを分離する分離光学系をさらに含む、請求項４の干渉計。
【請求項６】
前記分離光学系が複屈折プリズムと偏光回転素子を含む、請求項５の干渉計。
【請求項７】
前記リターン反射器が、前記第１の合成ビームに垂直な底面を有する二等辺プリズムからなる、請求項１の干渉計。
【請求項８】
前記第１の反射器系が、第１の四分の一波長板と基準反射器を含み、及び
前記第２の反射器系が、第２の四分の一波長板と測定反射器を含み、その測定反射器が、前記干渉計により測定される物体に搭載されている、請求項１の干渉計。
【請求項９】
前記第１の反射器系が第１の逆反射器からなり、及び
前記第２の反射器系が第２の逆反射器からなる、請求項１の干渉計。
【請求項１０】
前記ビームスプリッタから前記第１及び第２のビームを受光し、前記第１及び第２のビームを前記ビームスプリッタへ戻すように配置された逆反射器をさらに含み、前記入力ビームと前記第１の合成ビームとの間で、前記第１のビームが前記第１の反射器系から前記ビームスプリッタへ二回戻り、前記第２のビームが前記第２の反射器系から前記ビームスプリッタへ二回戻る、請求項１の干渉計。
【請求項１１】
前記ビームスプリッタから前記第１及び第２のビームを受光し、前記第１及び第２のビームを前記ビームスプリッタへ戻すように配置された逆反射器をさらに含み、前記入力ビームと前記第２の合成ビームとの間で、前記第１のビームが前記第１の反射器系から前記ビームスプリッタへ四回戻り、前記第２のビームが前記第２の反射器系から前記ビームスプリッタへ四回戻る、請求項１の干渉計。
【請求項１２】
前記干渉計が線形干渉計である、請求項１の干渉計。
【請求項１３】
前記干渉計が平面ミラー干渉計である、請求項１の干渉計。
【請求項１４】
前記干渉計が微分干渉計である、請求項１の干渉計。
【請求項１５】
干渉計であって、
入力ビームを基準ビームと測定ビームに分割し、その測定ビームを測定される物体上の測定反射器から少なくとも一回反射するように配向し、前記基準ビームと測定ビームを第１の合成ビームへ再合成する光学系であって、前記基準ビームと測定ビームが、平行ではあるけれども前記測定反射器のアライメントに依存するウォークオフを施される、光学系と、及び
前記第１の合成ビームを受光し、前記第１の合成ビームを前記光学系へ戻すように配置されたリターン反射器であって、前記光学系が前記第１の合成ビームを前記基準ビームと前記測定ビームに分割して、前記測定ビームを前記測定反射器から少なくとも一回反射するように配向し、前記光学系が前記基準ビームと測定ビームを、前記基準ビームと測定ビームが同一直線上にある第２の合成ビームへ再合成する、リターン反射器とからなり、
前記リターン反射器は、前記第１の合成ビームの入射光路のシフトが前記第１の合成ビームの反射光路のシフトを生じ、その反射光路のシフトが前記入射光路のシフトに対して大きさと方向が同一であるようになっている、干渉計。
【請求項１６】
前記リターン反射器が、底面と二つの等長のファセットを有する二等辺プリズムからなり、その二等辺プリズムは、前記第１の合成ビームが前記等長のファセットの一方に入射し、前記底面が前記第１の合成ビームに対して垂直であるように配置されている、請求項１５の干渉計。
【請求項１７】
前記リターン反射器が、底面、上面、及び二つの等長のファセットを有する台形プリズムからなり、その台形プリズムは、前記第１の合成ビームが前記等長のファセットの一方に入射し、前記底面と上面が前記第１の合成ビームに対して垂直であるように配置されている、請求項１５の干渉計。
【請求項１８】
前記リターン反射器が、
底面と二つの等長のファセットを有し、前記第１の合成ビームが前記底面に入射するように配置された二等辺プリズムと、及び
平面ミラーであって、前記二等辺プリズムを通過した後で前記合成ビームが前記平面ミラーから前記二等辺プリズムへ戻るように反射するように配置された平面ミラーとからなる、請求項１５の干渉計。
【請求項１９】
平面ミラー干渉計であって、
入力ビームを測定ビームと基準ビームに分割するように配置された偏光ビームスプリッタと、
前記偏光ビームスプリッタから前記測定ビームを受光するように配置された平面ミラーを含む測定反射器系と、
前記偏光ビームスプリッタから前記基準ビームを受光するように配置された平面ミラーを含む基準反射器系と、
逆反射器と、及び
前記入射ビームのシフトが反射ビームの一致するシフトという結果となるように入射ビームを反射するリターン反射器とからなり、
前記リターン反射器及び逆反射器が、
前記測定ビームが、前記測定反射器系に入射して出射し、前記逆反射器に入射して出射し、前記リターン反射器に遭遇する前に前記測定反射器系に再度入射して出射し、前記測定反射器系へ入射して出射し、前記逆反射器に入射して出射し、前記リターン反射器から反射された後に前記測定反射器系に再度入射して出射し、及び
前記基準ビームが、前記基準反射器系に入射して出射し、前記逆反射器に入射して出射し、前記リターン反射器に遭遇する前に前記基準反射器系に再度入射して出射し、前記基準反射器系へ入射して出射し、前記逆反射器に入射して出射し、前記逆反射器から反射された後に前記基準反射器系に再度入射して出射するように構成されている、平面ミラー干渉計。
【請求項２０】
前記測定反射器系が、四分の一波長板をさらに含み、及び
前記基準反射器系が、四分の一波長板をさらに含む、請求項１９の平面ミラー干渉計。
【請求項２１】
前記リターン反射器が、二等辺プリズムからなる、請求項１９の平面ミラー干渉計。
【請求項２２】
前記二等辺プリズムが、前記測定ビーム及び基準ビームに垂直な反射底面を有する、請求項２１の平面ミラー干渉計。
【請求項２３】
前記測定ビームと基準ビームが、前記二等辺プリズムの底面へ最初に入射し、前記リターン反射器が、前記二等辺プリズム通過後に前記測定ビームと基準ビームを反射する平面ミラーをさらに含む、請求項２１の平面ミラー干渉計。
【請求項２４】
前記リターン反射器が、台形プリズムからなる、請求項１９の平面ミラー干渉計。
【請求項２５】
線形干渉計であって、
入力ビームを測定ビームと基準ビームに分割するように配置された偏光ビームスプリッタと、
前記偏光ビームスプリッタから前記測定ビームを受光し、前記測定ビームを前記偏光ビームスプリッタへ反射して返すように配置された測定逆反射器と、
前記偏光ビームスプリッタから前記基準ビームを受光し、前記基準ビームを前記偏光ビームスプリッタへ反射して返すように配置された基準逆反射器と、及び前記基準逆反射器からの反射後に前記偏光ビームスプリッタから前記基準ビームを受光して反射するとともに、前記測定逆反射器からの反射後に前記偏光ビームスプリッタから前記測定ビームを受光して反射するように配置され、前記入射ビームのシフトが反射ビームの一致するシフトという結果となるように入射ビームを反射するように動作する、リターン反射器とからなる、線形干渉計。
【請求項２６】
前記リターン反射器が二等辺プリズムからなる、請求項２５の線形干渉計。
【請求項２７】
前記二等辺プリズムが、前記測定ビーム及び基準ビームに垂直な反射底面を有する、請求項２６の線形干渉計。
【請求項２８】
前記測定ビームと基準ビームが、前記二等辺のプリズムの底面に最初に入射し、前記リターン反射器が、前記二等辺プリズムの通過後に前記測定ビームと基準ビームが反射する平面ミラーをさらに含む、請求項２６の線形干渉計。
【請求項２９】
前記リターン反射器が、台形プリズムからなる、請求項２５の線形干渉計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ビームのリトレースを用いてビームのウォークオフを除去する干渉計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
干渉計には、一般に測定ビームから基準ビームを区別するのに偏光符号化が用いられる。例えば、図１に示された平面ミラー干渉計１００では、直交する直線偏光を有する二つの直線偏光成分を、入力ビームＩＮが含む。干渉計１００内の偏光ビームスプリッタ１１０が、二つの成分を分離して基準ビームと測定ビームを生成する。
【０００３】
図１において、偏光ビームスプリッタ１１０は基準ビームに対応する成分を反射する。かくして、基準ビームは光路Ｒ１を下り、四分の一波長板１２０を介して基準ミラー１３０へ進む。基準ミラー１３０は偏光ビームスプリッタ１１０に対する固定マウントを有し、光路Ｒ１に対して直角に位置合わせされており、そのため基準ビームが基準ミラー１３０から反射され、四分の一波長板１２０を介して光路Ｒ１に沿って戻ってくる。四分の一波長板１２０を二回通過することにより、基準ビームの偏光は効果的に９０度回転し、そのため光路Ｒ１上を戻る基準ビームは偏光ビームスプリッタ１１０を通過して、光路Ｒ２に沿ってコーナキューブ反射器１４０へ入射する。
【０００４】
コーナキューブ反射器１４０は、基準ビームをオフセット光路Ｒ３上へ反射し、基準ビームは、偏光ビームスプリッタ１１０を通過して直接的にコリニヤ光路Ｒ４へ進む。そして、基準ビームは、光路Ｒ４に沿って四分の一波長板１２０を通過し、基準ミラー１３０から再び反射されて光路Ｒ４に沿って四分の一波長板１２０を通過して戻る。四分の一波長板１２０を通過する第２回目の対をなす往復が基準ビームの偏光を変化させ、そのため偏光ビームスプリッタ１１０は、光路Ｒ４から出力光路ＲＯＵＴへ基準ビームを反射する。
【０００５】
図１の偏光ビームスプリッタ１１０は、測定ビームに対応する入力偏光成分を伝達し、これにより測定ビームは、光路Ｍ１に沿って四分の一波長板１５０を通って測定ミラー１６０へ進む。測定ミラー１６０は、集積回路製作用の加工装置内の平行移動段などの物体上に在る。測定ミラー１６０は理想的には光路Ｍ１に垂直であるが、一般に測定ミラー１６０は、物体が移動する際の変化を受ける方位角を有することができる。図１は、測定ミラー１６０が光路Ｍ１に対し非零のヨー角を有する構成を示す。この結果、測定ミラー１６０から反射された測定ビームは、光路Ｍ１と非零の角度（すなわちヨー角度の２倍）を形成する光路Ｍ１’に沿って戻る。
【０００６】
測定ビームは、四分の一波長板１５０を二度通過しており、その直線偏光は９０度回転しており、これにより偏光ビームスプリッタ１１０は光路Ｍ１’から光路Ｍ２へ測定ビームをコーナキューブ１４０へと反射する。コーナキューブ１４０から測定ビームは光路Ｍ３を進み、偏光ビームスプリッタ１１０において四分の一波長板１５０から測定反射器１６０までの光路Ｍ４へ反射される。そして、測定ビームは、測定反射器から光路Ｍ４’に沿って四分の一波長板１５０を通って戻る。光路Ｍ４’は、測定ミラー１６０の向きに従って光路Ｍ４との角度を形成し、光路Ｍ１に平行である。偏光ビームスプリッタ１１０は、測定ビームを光路Ｍ４’から出力光路ＭＯＵＴへ伝送する。
【０００７】
干渉計電子機器（図示せず）は、基準ビームと測定ビームの組み合わせから位相情報を分析し、基準ミラー１６０の動きを測定することができる。特に、基準ビームと測定ビームの組み合わせから生じる合成ビームは、測定信号を生成するように干渉させることができる。測定ミラー１６０が測定ビームの方向に沿って移動しているときの測定ミラー１６０からの測定ビームの各反射により、測定ビームの周波数のドップラーシフトと合成ビームの唸り周波数の対応する変化が生じる。測定ビームと基準ビームが最初のうち同一の周波数を有するＤＣ干渉計では、合成ビームの唸り周波数がドップラーシフトに対応する。測定ビームと基準ビームが最初のうち若干異なる周波数を有するＡＣ干渉計では、唸り周波数の変化がドップラーシフトを示す。
【０００８】
ＡＣ干渉計は、一般に若干異なる周波数を有する直交直線偏光成分を有する入力ビームを使用する。入力ビームの周波数成分の不完全な偏光分離により、ドップラーシフト測定値に周期的エラーを招く可能性がある。例えば、基準ビームが測定ビーム用に意図された周波数において若干の光を含む場合、基準ビーム自体が入力成分の周波数に依存した唸り周波数を有するエラー信号を引き起こす。測定信号と比較してエラー信号があまりに大きくなった場合、正確な測定は困難になる。従って、測定信号を最大にすることは、正確な測定に重要である。
【０００９】
ＡＣ又はＤＣ干渉計用の測定信号を最大化するには、測定ビームと基準ビームの効率的な組合せが必要であり、基準ビーム及び測定ビームの出力光路ＲＯＵＴ及びＭＯＵＴが同一直線上にあるときに、基準ビームと測定ビームの組み合わせは最も効率的である。干渉計１００からコリニヤ出力ビームを得ることは、基準ミラー１３０と測定ミラー１６０の適切なアライメント（位置合わせ）に依存する。
【００１０】
適切に位置合わせされた構成では、測定ミラー１６０は光路Ｍ１に垂直であり、反射光路Ｍ１’、Ｍ４’は入射光路Ｍ１、Ｍ４と同一直線上にある。この結果、測定ミラー１６０を理想的に位置合わせしたときは、測定光路Ｍ２、Ｍ３、及びＭＯＵＴはそれぞれ基準光路Ｒ２、Ｒ３、及びＲＯＵＴに一致する。測定ミラー１６０がアライメントから外れている場合、光路Ｍ１、Ｍ１’は、測定ミラー１６０の位置ずれに依存する角度を形成し、基準光路と測定光路は互いに対して斜めになる。測定光路と基準光路との間の角度的位置ずれ、すなわち角度差は、測定ミラー１６０からの第２の反射まで続き、この時点で測定光路Ｍ４’と出力光路ＭＯＵＴが基準ビームのための出力光路ＲＯＵＴと平行になる。しかしながら、測定ミラー１６０の角度変化は、依然として基準ビーム出力光路ＲＯＵＴに対して測定ビーム出力光路ＭＯＵＴを変位させる。この現象は、一般にビームのウォークオフと呼ばれる。
【００１１】
基準ビーム及び測定ビームの直径と比較してビームのウォークオフが無視できる場合、合成ビームは強力な測定信号を提供する。しかしながら、ビームスプリッタ１１０と或る程度の精度の干渉計におけるミラー１６０との間の長い距離（０．５ｍ又はそれ以上のオーダー）と協働して約０．００１ラジアン又はそれ以上の測定ミラー１６０の位置ずれにより、ビーム直径の重用な部分であるウオークオフが生じる（平面ミラー干渉計のウオークオフは通常約４Ｌαであり、ここでＬは干渉計と測定ミラー１６０との間の距離、αは測定ミラー１６０の位置ずれの角度である。）。測定ビームと基準ビームの重複領域の減少により、測定信号に大きな低下を招き、周期的な誤差信号をより深刻なものとし、正確な測定を困難にする。
【００１２】
ビームのウォークオフから生じる別の問題は、干渉計１００の動作時における測定信号のダイナミックレンジである。特に、重複ビームの光強度は最大の重なりを有する最良のケースから比較的僅かな重なりを有する最悪のケースまで変化する可能性がある。従って、この強度は測定ミラー１６０のアライメントに依存し、このアライメントは干渉計１００の動作期間中、特に測定されている物体が動くときに変化する。入力ビームは、干渉計１００のエネルギー効率を大幅に低下させる最悪の場合のアライメントにおいて、測定可能な信号を供給するのに十分なパワーを有する必要がある。さらに、光受信器と測定電子機器は、最悪の場合の低い測定信号レベルと最良の場合の高い測定信号レベルの両方に対処するのに十分なダイナミックレンジを有する必要がある。
【００１３】
ビームウォークオフのさらに別の欠点は、ビーム波面の不均一性から生じる。一般に、ビームの曲率、ウェッジ角、ビーム自体の収差、及び一方のビームは通過するが他方は通過しない光表面が、波面位相差を引き起こす可能性がある。測定ビームのウォークオフは、重複（部分的な重なり）を変更し、特に、ミラー１６０とビームスプリッタ１１０との間の距離が変化しない場合でも、測定される信号の位相を変化させる可能性がある。
【００１４】
干渉計１００は、個々の平面ミラー反射器１３０、１６０からのさらなる反射のために基準ビームと測定ビームを再配向するためにコーナキューブ反射器１４０を用いる。上述のように、コーナキューブ反射器１４０と追加の反射が、出力ビーム光路ＲＯＵＴとＭＯＵＴとの間の角度分離を防止する。また、追加の反射は、測定ビームのドップラーシフトを増大（すなわち、倍増）させ、干渉計の測定解像度を増大することができる。測定反射器１６０からの測定ビームの反射回数（及び基準反射器１３０からの基準ビームの反射回数）をさらに増やすために、コーナキューブ反射器をさらに追加することもできる。コーナキューブ反射器を用いることの欠点は、ビームのウォークオフの増大という結果になる（例えば、反射回数を二倍にしたときはビームのウォークオフが倍増する）ことである。
【００１５】
動的なビーム操向システムは、干渉計１００の動作中に測定ビームと基準ビームの相対位置を測定し、次に干渉計１００内の基準ミラー１３０又は別の光学素子を動的に調整してウォークオフを最小限にできた。このような動的な操向システムは、複雑で高価であり故障しやすい傾向がある。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
従って、ウォークオフを低減又は排除するための、より効率的でより簡素なシステム及び方法が必要とされている。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明の一態様によれば、干渉計は、干渉計光学系を通る第１回目の通過をリトレースするか、又は第１回目の通過に平行な光路を辿るかのどちらかの光路に沿った干渉計光学系を通る追加の通過のために測定ビームと基準ビームを戻す。この結果、個々の反射器からの測定ビームと基準ビームの追加の反射が、最終的な合成ビームの測定ビームと基準ビームとの間のウォークオフを取り除く。
【００１８】
一実施形態では、平面ミラーリターン反射器が干渉計を一旦通過した平行ビームを配向して干渉計へ戻し、これにより干渉計を通る第２回目のビームの通過が第１回目の通過をリトレースする。従って、結果として生じた出力基準ビームと出力測定ビームは一直線上にあり、元の入力ビームの軸に沿う。分離系は、合成出力ビームを入力ビームの軸から分離することができる。
【００１９】
入力ビームと出力ビームが同一軸上にないようにするために、本発明の別の実施形態は、干渉計を通る第２回目の通過のために戻される基準ビームと測定ビームをオフセットさせるリターン反射器を使用する。二等辺プリズム又は台形のプリズムは、それらのどちらかは製造上の理由又は他の理由から先端を切り取られるかもしれないが、この種の反射を行うことができる。リターンビームは、第１回目の通過に続く光路に平行であるが、その光路からオフセットした光路を辿る。最終的な出力基準ビーム及び測定ビームは、入力ビームからオフセットしており、互いに同一直線上にある。
【００２０】
本発明の具体的な一実施形態は、ビームスプリッタと、第１及び第２の反射器系と、リターン反射器とを含む干渉計である。ビームスプリッタは、一般に偏光に従って入力ビームを第１のビーム及び第２のビーム、例えば測定ビームと基準ビームへ分割する。平面ミラー又は逆反射器を含むことができる第１の反射器系は、ビームスプリッタから第１のビームを受光し、この第１のビームをビームスプリッタへ戻すように反射する。第１の反射器系と同種の反射器を含む第２の反射器系は、ビームスプリッタから第２のビームを受光し、この第２のビームをビームスプリッタへ戻すように反射する。
【００２１】
微分干渉計、又は固定内部基準光路を有する干渉計とすることができる平面ミラー干渉計において、第１及び第２の反射器系のそれぞれが、一般に平面ミラーと四分の一波長板を含み、干渉計はさらに逆反射器を用いる。逆反射器によって、第１のビームは、リターン反射器に到達する前に第１の反射器系からの二つの反射を含む光路を辿る。干渉計内の二つの反射間の逆反射器は、第１の反射器系が第１のビームの方向上に有する角度的位置ずれの影響を排除するが、第１のビームの位置は依然として第１の反射器系の位置ずれとそれに対する距離に依存する変化にさらされる。同様に、第２のビームはリターン反射器に到達する前に第２の反射器系からの二つの反射を含む光路を辿り、第２のビームは、所望の方向を有するが、第２の反射器系のアライメントとそれに対する距離に依存する位置を有することになる。
【００２２】
線形干渉計では、第１及び第２の反射器系のそれぞれが、一般に逆反射器を含む。第１のビームは、リターン反射器に到達する前に一度第１の反射器系内の逆反射器から反射され、第２のビームは、リターン反射器に到達する前に一度第１の反射器系内の逆反射器から反射される。逆反射器を用いることにより、ビームは所望方向に移動し続けるが、逆反射器の直線的及び角度的位置ずれから生じるウォークオフは排除されない。
【００２３】
ビームスプリッタは、第１のビームと第２のビームから第１の合成ビームを形成し、合成ビームをリターン反射器へ配向する。第１の合成ビームの第１及び第２のビームは、互いに平行ではあるが、第１及び第２の反射器系の相対的な位置ずれに依存する距離だけ互いからウォークオフされている。リターン反射器は、第１の合成ビームをビームスプリッタに戻す。リターン反射器から反射された後、第１及び第２のビームは、第１及び第２のビームがリターン反射器から反射される前に有したものと同じ回数の第１及び第２の反射システムのそれぞれからの反射を有する。特に、ビームスプリッタは、再度分離してビームを対応する反射器系へ導き、次に第１のリターンビームと第２のリターンビームを再合成して第２の合成ビームを形成する。第１のビームと第２のビームは、第２の合成ビームにおいて同一直線上にある。
【００２４】
リターン反射器は、第１の合成ビームに垂直な平面ミラーとすることができる。この場合、第１及び第２のビームは、それらの元の光路をリトレースし、ウォークオフを正確に取り除く。この結果、第２の合成ビームは入力ビームの軸に沿って出射する。分離光学系は、第２の合成ビームを入力ビームから分離し、入力ビームの送出と合成ビームの測定との間の衝突を防止する。一実施形態では、分離光学系は、入力ビームを通過させ出力ビームを反射するビームスプリッタを含む。代案として、分離光学系は複屈折プリズムと偏光回転素子とを含む。
【００２５】
代案として、リターン反射器は、入射ビームを受光して入射ビームからオフセットした平行な反射ビームを戻す光学素子又は光学系とすることができる。入射ビームのシフトが反射ビームの一致するシフトを生じるように、オフセットは固定される。所望の特性を備える反射をもたらすリターン反射器の例には、反射底面を有する二等辺プリズム、平面ミラー及び透明二等辺プリズム、及び台形プリズムが含まれるが、これらに限定はされない。この種のリターン反射器を用いることにより、第２の合成ビームは入力ビームからオフセットするが、第１及び第２のビームは依然として合成ビーム中にウォークオフを一切有さない。
【００２６】
本発明の別の実施形態は、従来の干渉計光学系へビームを戻してビームのウォークオフを排除する二等辺プリズムを用いる干渉計である。干渉計光学系を通過する光の第１回目の通過中、干渉計光学系は、入力ビームを基準ビームと測定ビームへ分割する。測定ビームは、位置ずれを被るかもしれない測定反射器から反射される。光学系は、基準ビームと測定ビームを第１の再合成ビームへ再合成し、この場合、基準ビームと測定ビームは平行ではあるが、測定反射器のアライメントに依存するウォークオフにさらされる。二等辺プリズムは、第１の再合成ビームを光学系へ戻し、この場合、光学系は第１の再合成ビームから基準ビームと測定ビームを分離し、測定反射器から測定ビームを反射し、そして第１及び第２のビームを第２の再合成ビームへ再合成する。第２の再合成ビームでは、基準ビームと測定ビームは同一直線上にある。一つの具体的な構成では、第１の再合成ビームは二等辺プリズムの等長ファセットの一方へ、好適にはファセットの中央へ入射し、二等辺プリズムの底面は第１の再合成ビームに垂直である。
【００２７】
本発明の別の実施形態は、干渉計を動作させるための方法である。本方法には、干渉計光学系を通る第１回目の通過のために入力ビームを干渉計へと配向するステップと、第１及び第２のビームを反射して干渉計光学系を通る第２回目の通過のために戻るように配向される第１及び第２のリターンビームを生成するステップと、第２回目の通過の結果として干渉計光学系から生じる合成ビームを測定するステップを含む。第１回目の通過中、干渉計光学系は、入力ビームを第１のビームと第２のビームへ分割し、測定される物体に搭載された反射器から第１及び第２のビームの一方を少なくとも一回反射させる。第１回目の通過は、互いに平行で互いから非零ウォークオフを有する光路に沿って干渉計光学系を出射する第１及び第２のビームで終わる。第１及び第２のリターンビームは、第１及び第２のビームに平行であり、零より大きい又は零に等しくできる固定距離だけ第１のビーム及び第２のビームからそれぞれオフセットしている。
【００２８】
平面ミラーリターン反射器は、第１及び第２の出射ビームを反射して、零オフセットを有する第１及び第２のリターンビームを第１及び第２の出射ビームの個々の光路に沿って戻るように配向する。そして、第２回目の通過は、第１回目の通過に続く光路をリトレースし、最終の合成ビームが入力ビームの伝搬軸に沿って出射する。
【００２９】
入力ビームと出力ビームとの間の非零オフセットについて、第１のリターンビームは、第１の出射ビームに平行でそれからオフセットしており、第２のリターンビームは、第２の出射ビームに平行でそれからオフセットしている。二等辺プリズム又は台形プリズムを含む系が、第１及び第２の出射ビームを反射して、第１及び第２のリターンビームを第２回目の通過のために所望のオフセットでもって戻すように配向する。最終的な合成ビームは、入力ビームからオフセットしており、ビームのウォークオフとは無縁である。
【００３０】
【発明の実施の形態】
異なる図面において同じ参照符号を用いることにより、同様の又は同一の構成要素を示す。
【００３１】
本発明の一実施形態によれば、干渉計は、干渉計光学系を通る追加の通過のために測定ビームと基準ビームを戻し、最終的な出力ビームにおけるビームのウォークオフを除去する受動的光学系を有する。一実施形態では、リターンビームがそれらの個々の光路を正確にリトレースし、入力ビームに一致するコリニヤビームとして出射する。この実施形態の場合、従来の干渉計の出力光路に垂直な平面ミラーが、基準ビームと測定ビームをリトレースのために戻すことができる。代案として、リターン基準ビーム及びリターン測定ビームは、元の出力光路に平行であるがそれからオフセットしたものとすることができる。二等辺プリズムなどの光学素子は、所望の方向とオフセットでもってビームを戻すことができる。
【００３２】
図２は、本発明の一実施形態による干渉計２００の光学素子の平面図を示す。図示のように、干渉計２００には、偏光ビームスプリッタ１１０と、四分の一波長板１２０、１５０と、基準反射器１３０と、コーナキューブ反射器１４０と、従来の設計とすることができる測定反射器１６０を含む光学部品が収容されている。
【００３３】
干渉計２００は、光路ＩＮ／ＯＵＴに沿って入力ビームを受光する。干渉計２００は、入力ビームが好適には単色であるＤＣ干渉計か、又は入力ビームが好適にはわずかに異なる周波数を有する二つの直交偏光成分を含むビームであるＡＣ干渉計のいずれかとすることができる。ＤＣ干渉計及びＡＣ干渉計は、当該技術において良く知られている。例示のために、干渉計２００がＡＣ干渉計である本発明の例示的な実施形態が、以下に説明される。しかしながら、ＤＣ干渉計は、以下に説明されるものと同じビーム光路を有するが、入力ビームの特性、及び合成出力ビームを処理して物体の動きを測定する点でＡＣ干渉計とは異なる。
【００３４】
ＡＣ干渉計において、入力ビームの各周波数成分は、他の周波数成分の直線偏光に対して直交する直線偏光を有する。現在のビーム源は、完全ではないけれども高度に直線的で直交する偏光を有する周波数成分を備えたヘテロダインビームを提供することができる。適切な偏光光学素子を有するゼーマン分岐レーザ（Ｚｅｅｍａｎ　ｓｐｌｉｔ　ｌａｓｅｒ）は、所望の特性を有する入力ビームを生成することができる。
【００３５】
本発明の例示的な実施形態では、入力ビーム源はアジレント・テクノロジー・インクから入手可能な５５１７Ｄなどの市販のレーザーヘッドである。５５１７系レーザヘッドは、Ｈｅ−Ｎｅレーザのレーザキャビティに対して軸方向の磁界を印加し、ゼーマン分岐を生じさせる。ゼーマン分岐は、こうして約２〜６ＭＨｚの周波数差ｆ２−ｆｌ及び約６３３ｎｍの平均波長を有する周波数成分を含むビームを生成する。レーザキャビティからの二つの周波数成分は、正反対の円偏光を有しており、四分の一波長板又は他の光学系が、円偏光の周波数成分を直交直線偏光へ変換する。
【００３６】
ビーム源、例えばレーザは、測定系への温度の影響を防止するために一般に干渉計光学系から遠ざけてあり、光ファイバ又は直接ビーム伝送を用いる光学系は、入力ビームをビーム源から干渉計光学系へ光路ＩＮ／ＯＵＴに沿って伝えることができる。伝えられた周波数成分の直線偏光は、偏光ビームスプリッタ１１０の分離軸に沿っている。
【００３７】
偏光ビームスプリッタ１１０は、入力ビームを受光し、入力ビームを直線偏光に従う成分に分割する。本発明の例示的な実施形態では、ビームスプリッタ１１０は、正方形の断面を有し、ビームスプリッタ１１０の各面と４５度をなして介在するビームスプリッタコーティング１１５を有する二つのプリズムを含む。代案として、異なる幾何学的形状、又は複屈折材料を含む偏光ビームスプリッタを用いてもよい。ビームスプリッタ１１０は、理想的には伝送ビームから一つの直線偏光を有する光の完全吸収と、反射ビームから他の直線偏光を有する光の完全吸収をもたらすが、一般に誤った偏光の一部の漏洩が存在する。
【００３８】
明確な例を提供するために、以下の説明は、基準ビームとして最初にビームスプリッタコーティング１１５から反射された入力ビームの成分に言及し、測定ビームとして最初に伝送される成分に言及する。代案として、反射ビームは測定ビームとすることができ、伝送ビームは基準ビームとすることができる。
【００３９】
図２では、ビームスプリッタコーティング１１５からの反射時の基準ビームは、光路Ｒ１を辿り、四分の一波長板１２０を通って基準反射器１３０へ至る。例示した実施形態の基準反射器１３０は、ビームスプリッタ１１０と同一構造上に搭載された平面ミラーである。平面ミラーは光路Ｒ１に垂直であり、従って光路Ｒ１に沿って基準ビームを戻すように反射する。四分の一波長板１２０を介して光路Ｒ１に沿って下りかつ戻ることにより、基準ビームの偏光は効果的に９０度だけ回転し、基準ビームはビームスプリッタコーティング１１５を通過して光路Ｒ２へ至る。
【００４０】
光路Ｒ２を進む基準ビームは、コーナキューブ反射器１４０から反射され、コーナキューブ反射器１４０をオフセット光路Ｒ３に沿って出射してビームスプリッタ１１０に戻る。光路Ｒ３から、基準ビームはビームスプリッタコーティング１１５を通過して光路Ｒ４に至る。基準ビームは、四分の一波長板１２０を通って基準反射器１３０まで光路Ｒ４を進み、基準反射器１３０から反射され、光路Ｒ４に沿って四分の一波長板１２０を通って偏光ビームスプリッタ１１０へ戻る。そして、基準ビームは、ビームスプリッタコーティング１１５からリターン反射器２１０へ通じる光路Ｒ５へ反射される。
【００４１】
光路Ｒ５は、図１の従来の干渉計１００の出力光路ＲＯＵＴに対応する。干渉計２００では、リターン反射器２１０は、光路Ｒ５に対して垂直に位置合わせされた平面ミラーであり、従って光路Ｒ５をリトレースして偏光ビームスプリッタ１１０へ戻るように基準ビームを戻す。光路Ｒ５で戻る際、基準ビームは、光路Ｒ５、Ｒ４（両方向）、Ｒ３、Ｒ２、及びＲ１（両方向）をリトレースし、光路ＩＮ／ＯＵＴに沿って出射する。基準ビーム（及び測定ビーム）の光路について図２に示した方向は、干渉計光学系を通る第１回目の通過に対応する方向であり、リターン反射器２１０からの反射後の基準ビームの方向は、図２に示したものとは正反対である。
【００４２】
最初の入射においてビームスプリッタコーティング１１５を介して伝送された入力ビームの成分は、測定ビームを形成する。そして、測定ビームは、光路Ｍ１を辿り四分の一波長板１５０を通過して測定反射器１６０へ至る。測定反射器１６０は、基準反射器１３０と同種のものであり、干渉計２００の場合では、光路Ｍ１に公称では垂直に位置合わせされた平面ミラーである。測定反射器１６０は、測定される平行移動段などの物体上に搭載され、一般に方位角度の変化にさらされる。図２は、理想的なアライメントから外れた測定ミラー１６０を示す。平面ミラーの図示された位置ずれによって、測定反射器１６０は光路Ｍ１に対してある角度をなす光路Ｍ１’へ測定ビームを反射する。
【００４３】
光路Ｍ１、Ｍ１’に沿って四分の一波長板１５０を二度通過することにより、測定ビームの偏光は効果的に９０度だけ回転させられる。ビームスプリッタコーティング１１５へのその二回目の入射では、測定ビームはビームスプリッタコーティング１１５から光路Ｍ２へ反射する。測定反射器１６０が光路Ｍ１に完全に位置合わせされている場合、光路Ｍ１、Ｍ１’は一致し、光路Ｍ２、Ｒ２は一致する。例示した位置ずれにより、光路Ｒ２、Ｍ２は斜めになり、互いからオフセットする。
【００４４】
光路Ｍ２を進行する測定ビームは、コーナキューブ反射器１４０から反射され、コーナキューブ反射器１４０を出射してオフセット光路Ｍ３に沿ってビームスプリッタ１１０に戻る。光路Ｍ３から、測定ビームはビームスプリッタコーティング１１５から光路Ｍ４へ反射される。測定ビームは、四分の一波長板１５０を通過して測定反射器１６０まで光路Ｒ４を進み、測定反射器１６０から光路Ｍ４’へ反射される。そして、測定ビームは、光路Ｍ４’に沿って、四分の一波長板１５０を通過して偏光ビームスプリッタ１１０へ戻る。
【００４５】
四分の一波長板１５０を二度通過することによる偏光の変化によって、光路Ｍ４’上の測定ビームは、ビームスプリッタコーティング１１５を通過し、リターン反射器２１０に通じる光路Ｍ５へ至る。測定光路Ｍ５（光路Ｍ４’と同様）は基準光路Ｒ５に平行である。何故ならコーナキューブ反射器１４０が光路Ｍ３を光路Ｍ２に平行にし、基準反射器１３０による第２回目の反射が、測定反射器１６０による第１回目の反射から生じた角度変化を取り除くからである。
【００４６】
光路Ｍ５は、図１の従来の干渉計光学系の出力光路ＭＯＵＴに対応する。リターン反射器２１０は測定ビームを戻し、測定ビームは、光路Ｍ５、Ｍ４’、Ｍ４、Ｍ３、Ｍ２、Ｍ１’、及びＭ１をリトレースして、光路ＩＮ／ＯＵＴに沿って偏光ビームスプリッタ１１０を出射する。従って、出力測定ビームは、出力基準ビームとコリニヤであり、入力ビームと同一軸上にある。測定ビームは干渉計光学系を通る光路をリトレースするため、戻りの通過は、測定反射器１６０のヨー変化又はピッチ変化のあらゆる影響を取り除く。同様に、基準反射器１３０が位置合わせ不良であった場合、基準ビームを戻して干渉計光学系を通るその光路をリトレースさせることによって、基準反射器１３０の位置ずれが引き起こすであろうどんなビームのウォークオフも取り除かれる。
【００４７】
干渉計２００の他の特徴は、測定ビームが測定反射器１６０から四度反射されることである。従って、出力測定ビームの周波数におけるドップラーシフトは、図１の従来の干渉計１００の２倍であり、測定解像度を効果的に２倍にする。合成ビームの唸り周波数のドップラーシフトを測定し、続いてシフトを引き起こした動きを計算する従来の電子システムは、より大きなドップラーシフトに対して適合することができる。
【００４８】
リターン反射器２１０の後に干渉計２００を通る測定ビームと基準ビームの第２回目の通過が、光パワーの減衰又は損失を招く。しかしながら、測定される信号を提供するビームの重複した部分の光パワーは、一定であり、一般に図１に示したような従来の干渉計で提供される最悪の場合のビーム重複からのパワーに比べて大きい。従って、干渉計２００は、より低パワーのビーム源を使用し、従来の干渉計に要求されるものよりも小さなダイナミックレンジを有する受信器電子装置を使用することができる。
【００４９】
入力ビームと同じ軸に沿う合成出力ビームを有することにより、測定電子装置の受信器へ出力ビームを導くときに入力ビームの阻止を避けるために通常何らかのシステムが必要とされる。図３Ａは、出力ビームを入力ビームから分離するためにビームスプリッタ３１０（例えば、ハーフミラー）を用いる入力／出力分離系３２０Ａを含む干渉計３００Ａを示す。ビームスプリッタ３１０は、入力ビームを受光し、入力ビームの一部を偏光ビームスプリッタ１１０へ反射する。入力ビームの残りの部分３１５は、多軸干渉計内の別の軸に沿う測定用などの別の用途にこの残りの部分３１５を送ることができない場合、ビームスプリッタを介して伝送されて消失する。また、ビームスプリッタ３１０は、偏光ビームスプリッタ１１０から再合成ビーム出力を受光し、再合成ビームの一部を測定用に伝送し、一部を反射して消失させる。
【００５０】
図３Ｂは、出力ビームを入力ビーム光路からオフセットした光路へ再配向する入力／出力ビーム分離系３２０Ｂを含む干渉計３００Ｂを示す。図３Ｂの実施形態では、ビーム分離系３２０Ｂは複屈折プリズム３３０と偏光回転素子３４０を含む。
【００５１】
干渉計３００Ｂ用の入力ビームは、直線偏光の方向を除き、図２の干渉計２００用の入力ビームと同じである。干渉計３００Ｂ用の入力ビームの周波数成分は、プリズム３３０の複屈折軸とアライメントがとられ、偏光ビームスプリッタ１１０の軸と４５度のような角度をなす直線偏光を有する。
【００５２】
複屈折プリズム３３０は、Ｋａｒｌ　Ｌａｍｂｒｅｃｈｔなどの部品製造業者から市販されているような方解石ビーム変位器であるが、入力ビームを受光し、基準ビームに対応する偏光成分Ｒｉｎから測定ビームに対応する偏光成分Ｍｉｎを分離する。偏光成分ＭｉｎとＲｉｎは、互いからオフセットしてプリズム３３０を出射する。
【００５３】
偏光回転素子３３０は、四分の一波長ファラデー回転子とすることができ、偏光ビームＭｉｎ、Ｒｉｎを固定角度、すなわち４５度だけ回転させ、これによりビームＭｉｎ、Ｒｉｎが偏光ビームスプリッタ１１０の軸に対応する直線偏光を有するようになる。
【００５４】
測定ビームＭｉｎは、光路Ｍ１、Ｍ１’、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４、Ｍ４’、及びＭ５を辿り、リターンミラー２１０から反射され、前述のように光路Ｍ５、Ｍ４’、Ｍ４、Ｍ３、Ｍ２、Ｍ１’、及びＭ１をリトレースする。従って、偏光ビームスプリッタ１１０は、測定ビームが偏光ビームスプリッタ１１０に入射した軸と同じ軸に沿って測定ビームを出力する。
【００５５】
基準ビームは、光路Ｒ１’、Ｒ２’（両方向）、Ｒ３’、Ｒ４’（両方向）、及びＲ５’を辿り、ミラー２１０から反射され、光路Ｒ５’、Ｒ４’（両方向）、Ｒ３’、Ｒ２’、及びＲ１’（両方向）をリトレースする。図３の基準光路Ｒ１’、Ｒ２’、Ｒ３’、Ｒ４’、及びＲ５’は、図２の基準光路Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、及びＲ５とは異なる。何故なら図３Ｂの入力基準ビームＲｉｎは、図２の入力ビームからオフセットしているからである。従って、偏光ビームスプリッタ１１０は、基準ビームＲｉｎが偏光ビームスプリッタ１１０に入射したのと同じ軸に沿って基準ビームを出力する。
【００５６】
測定ビームと基準ビームは、プリズム３３０が形成するオフセットに等しい距離だけ互いからオフセットして偏光ビームスプリッタ１１０を出射する。このオフセットはビームのウォークオフに対応するオフセットとは異なる。何故なら干渉計３００Ｂのオフセットは固定されており、測定反射器１６０又は基準反射器１３０の向きにおける変化とは無関係であるからである。
【００５７】
偏光素子３４０は、再び出力ビームの偏光を４５度だけ回転させる。偏光素子３４０を通過する入射動作と出射動作が、測定ビームと基準ビームの偏光を９０度だけ回転させ、これにより複屈折プリズム３３０が測定ビームを偏向させ、基準ビームを伝送する。出力基準ビーム及び出力測定ビームは、入力光路ＩＮから分離された出力光路ＯＵＴに沿って出射し、それ故に入力ビームで遮断されることなく測定装置へより簡単に送られる。
【００５８】
本発明の別の態様によれば、干渉計光学系を通る追加の通過ために測定ビームと基準ビームを戻す反射器が、リターンビームをオフセットさせることができる。図４Ａは、入射ビームからオフセットした反射ビームを供給するリターン反射器４１０Ａを含む干渉計４００Ａを示す。
【００５９】
干渉計４００Ａは、ビーム源（図示せず）、及びそのビーム源とほぼ同一であり、図２の干渉計２００に関して前述した入力ビームを用いる。干渉計光学系を通る第１回目の通過では、基準ビームと測定ビームは、図２に関して前述したように、同じ光路を辿る。特に、基準ビームは、リターン反射器４１０Ａに達する前に、光路Ｒ１（両方向）、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４（両方向）、及びＲ５を通過する。測定ビームは、リターン反射器４１０Ａに達する前に光路Ｍ１、Ｍ１’、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４、Ｍ４’、及びＭ５を通過する。
【００６０】
リターン反射器４１０Ａは、光路Ｒ５から入射基準ビームをオフセット光路Ｒ６へ反射して偏光ビームスプリッタ１１５へ戻し、光路Ｍ５から入射測定ビームをオフセット光路Ｍ６へ反射して偏光ビームスプリッタ１１５へ戻す。リターン反射器４１０Ａへ入射する任意の測定ビーム又は基準ビームに関して、反射ビームは、入射ビームの方向とは反対の方向を有しており、入射ビームの位置に関係なく入射ビームから同じ距離だけオフセットしている。入射ビームに垂直な平面ミラーは、オフセット距離を零に等しくさせる限定ケースについてこれらの特性を有する。
【００６１】
干渉計４００Ａでは、リターン反射器４１０Ａは、入射する基準ビームと測定ビームに垂直な反射底面を有する二等辺のプリズム４１０Ａとして機能する光学面を有する。二等辺プリズム４１０Ａは、内角９０°、４５°、及び４５°を有する三角プリズムとして容易に構成される。二等辺プリズム４１０Ａの底面は、高度の反射コーティングでもって被覆されることができ、又は代案として二等辺プリズム４１０Ａは、底面に対して垂直な方向に沿って他の面の何れかに光が入射したときに、底面において内部全反射がもたらされるように十分に高い屈折率を有してもよい。図４Ａの二等辺プリズム４１０Ａの位置と向きは、許容されるビームのウォークオフ距離の全範囲について二等辺プリズム４１０Ａの同じ面に測定ビームと基準ビームが入射するようにしてある。基準ビームは、好適には面の中央に入射する。
【００６２】
図４Ｂは、代替の干渉計４００Ｂを示し、その干渉計４００Ｂは、干渉計４００Ｂ内のリターン反射器４１０が台形プリズム４１０Ｂである点を除いて、図４Ａの干渉計４００Ａと同じである。台形プリズム４１０Ｂは、入射測定ビームと反射ビームに垂直な反射底面と反射上面を有する。基準ビームと測定ビームは、台形プリズム４１０Ｂの傾斜面の一方に入射し、台形プリズム４１０Ｂに入り、反対側の傾斜面を介して出射する前にプリズムの底面と上面から少なくとも一度は反射される。傾斜したファセット（傾斜面）は同じ長さを有し、台形プリズム４１０Ｂの底面と同じ角度をなしている。台形プリズム４１０Ｂは、二等辺プリズム４１０Ａとほぼ同じ態様で動作するが、かなり大きなオフセットを提供する。さらに、台形プリズムの上面が平坦であることにより、プリズム４１０Ｂを偏光ビームスプリッタ１１０に直接接着することが可能になる。
【００６３】
図４Ｃは、本発明の一実施形態によるさらに別の代替の干渉計４００Ｃを示し、この場合、リターン反射器４１０Ｃは偏光ビームスプリッタ１１０へその底面を向けた二等辺プリズムを含む。リターン反射器４１０Ｃ内の二等辺プリズムの頂点は、平面ミラーの方へ向いている。二等辺プリズムの底面へ入射した合成ビームは、二等辺プリズムの出射時に屈折し、平面ミラーから反射され、二等辺プリズムへの再入射時に屈折する。リターン反射器４１０Ｃは、入射ビームの光路に平行で固定距離だけオフセットした光路に沿って反射ビームを戻す。
【００６４】
図４Ａ、図４Ｂ、及び図４Ｃは、対応する入射光路に平行なリターン光路に沿って入射測定ビームと入射基準ビームを戻し、かつリターン光路をシフトして入射光路内のあらゆるシフトに整合させるリターン反射器用の具体的な光学素子４１０Ａ、４１０Ｂ、及び４１０Ｃを示す。より一般的には、リターン反射器４１０Ａ、４１０Ｂ、及び４１０Ｃと他の光学系は、リターン反射器の必要な特性を実現することができ、ここではリターン反射器４１０と総称して呼ぶ。また、図４Ａ、図４Ｂ、及び図４Ｃのそれぞれは、干渉計が理想的なアライメントを有するときにリターン反射器４１０が基準光路を含む平面内に存在する水平オフセットを提供する構成を示している。代案として、リターン反射器４１０の向きは、基準光路を含む平面とある角度でオフセットを提供し、特に基準ビームの平面に対して垂直な垂直オフセットを提供することができる。図面において、基準ビームと測定ビームは、垂直オフセットと共に戻された場合に干渉計光学系を通るそれらの第１回目の通過を正確にリトレースするように見えるであろう。
【００６５】
水平オフセットについては、リターン基準ビームは、ビームスプリッタコーティング１１５から出力光路ＯＵＴへ反射する前に光路Ｒ６、Ｒ７（両方向）、Ｒ８、Ｒ９、及びＲ１０（両方向）を辿る。リターン測定ビームは、ビームスプリッタコーティング１１５を介して出力光路ＯＵＴへ通過する前に、光路Ｍ６、Ｍ７、Ｍ７’、Ｍ８、Ｍ９、Ｍ１０、及びＭ１０’を辿る。出力測定ビームと出力基準ビームは、光表面（例えば、ビームスプリッタコーティング１１５、四分の一波長板１２０と１５０、コーナキューブ１４０、及び反射器１３０と１６０）が空間的に均一であり、リターン反射器４１０の反射面に対する法線がビーム光路Ｍ５、Ｒ５に平行である場合に、出力光路ＯＵＴと同一直線上にある。出力光路ＯＵＴが入力光路ＩＮから分離されていることにより、入力ビームを遮断することなく合成ビームを測定することが容易になる。
【００６６】
本発明の態様は、多くの干渉計の構成に適用され得る。図５は、本発明の別の例示的な実施形態としての微分干渉計５００を示す。微分干渉計５００は、測定反射器１６０を搭載した第１の物体の位置と基準反射器５３０を搭載した第２の物体の位置との差を測定する。図５の干渉計５００は、（関連する折りたたみミラー５１０付きの）基準反射器５３０が図４Ａに示した固定基準反射器１３０に置き換わっている点で、図４Ａの干渉計４００とは主に異なる。
【００６７】
図５に示したビーム光路は、反射器１６０、５３０と干渉計５００の他の光学素子を理想的に位置合わせしたときに辿る光路である。しかしながら、微分干渉計５００において、両方の反射器１６０と５３０は、従来の微分干渉計においてビームのウォークオフを引き起こした別個の角度変化にさらされる可能性がある。微分干渉計５００は、リターン反射器４１０を用いて、干渉計光学系を通る第２回目の通過のために両方の測定ビームを戻し、それによって反射器１６０、５１０、又は５３０の位置ずれに起因するビームのウォークオフを排除する。
【００６８】
図６は、基準反射器６３０と測定反射器６６０がコーナキューブ反射器のような逆反射器である多重パス線形干渉計６００を示す。逆反射器６３０と６６０は、干渉計４００Ａ（図４Ａ）の平面ミラー反射器１３０と１６０にとって代わるが、干渉計６００は、図４Ａに関連して上述したのと同じ素子を含む。
【００６９】
逆反射器は、入射光路と平行であるがオフセットした反射光路に沿って入射ビームを戻す。従って、干渉計６００内の基準ビームと測定ビームの光路は、干渉計４００内の光路とは異なる。干渉計６００の理想的なアライメントに関して、基準ビームは、干渉計光学系を通る第１回目の通過時に光路Ａ１、Ａ２、Ｃ１、Ｃ２、Ａ１、Ａ２、及びＤ１を通過する。そして、リターン反射器４１０は、光路Ｄ２、Ａ３、Ｃ３、Ｃ４、Ａ３、及びＯＵＴを辿るように基準ビームを戻す。理想的なアライメントを用いることにより、測定ビームは、干渉計光学系を通る第１回目の通過時に光路Ｂ１、Ｂ２、Ｃ１、Ｃ２、Ｂ１、Ｂ２、及びＤ１を通過する。そして、リターン反射器４１０は、光路Ｄ２、Ｂ３、Ｂ４、Ｃ３、Ｃ４、Ｂ３、Ｂ４、及びＯＵＴを辿るように測定ビームを戻す。
【００７０】
コーナキューブが提供するオフセット量は、コーナキューブの頂点からの入射ビームの距離に依存し、理想的なアライメントには基準反射器６３０の頂点に対する測定反射器６６０の頂点のアライメントが必要である。反射器の頂点が互いに適切に位置合わせされていない場合、反射測定光路Ｂ２は、反射基準光路Ａ２がビームスプリッタコーティング１１５に入射するのと同じ点でビームスプリッタコーティング１１５に入射しない。この結果、基準ビーム又は測定ビームの一方が光路Ｄ１からオフセットし、それにより従来の干渉計にビームのウォークオフが生じる。干渉計６００は、干渉計光学系を通る別の通過のために測定ビームと基準ビームを戻すことにより、このウォークオフを取り除き、位置ずれが、この第１回目の通過の間に生じたオフセットを相殺するオフセットを生じる。従って、干渉計６００はビームのウォークオフを排除する。
【００７１】
図７は、本発明のさらに別の実施形態による干渉計７００を示す。干渉計７００は、偏光ビームスプリッタ１１０と基準反射器７２０と測定反射器７３０とを含む線形干渉計である。本発明の他の実施形態と同様、線形干渉計７００は、単色の入力ビーム、又は若干異なる周波数を有する二つの直交直線偏光成分を含む２周波入力ビームを用いることができる。偏光ビームスプリッタ１１０は、光路ＩＮ／ＯＵＴに沿って受光した入力ビームを第１の偏光成分と第２の偏光成分へ分割し、第１の偏光成分がビームスプリッタコーティング１１５から反射されて基準ビームを形成し、第２の偏光成分がビームスプリッタコーティング１１５を通過して、測定ビームを形成する。
【００７２】
干渉計光学系を通る第１回目の通過の間、基準ビームは、基準反射器７２０へ通じる光路ＬＲ１へ入力ビームから反射される。基準反射器７２０は、コーナキューブ反射器などの逆反射器であり、基準ビームを光路ＬＲ１から基準ビームＬＲ１とは反対の方向を有するオフセット光路ＬＲ２上へ反射する。光路ＬＲ２上の基準ビームは、ビームスプリッタコーティング１１５から光路ＬＲ３上へ反射され、リターン反射器７１０に至る。
【００７３】
干渉計光学系を通る第１回目の通過の間に測定ビームは、ビームスプリッタコーティング１１５を光路ＬＭ１上へ通過して測定反射器７３０に至る。測定反射器７３０は、基準反射器７２０と同じように、逆反射器である。測定反射器７３０が基準反射器７２０の位置に対してアライメントのとれた位置７３５にある場合、測定ビームは、光路ＬＭ２’に沿って測定反射器７３０を出射し、ビームスプリッタコーティング１１５を通過して光路ＬＲ３上へ至る。従って、反射器７２０と７３０を適切に位置合わせした場合、基準ビームと測定ビームは、光路ＬＲ３に沿ってコリニヤであり、その軸に沿った測定反射器７３０の動きを測定するための合成ビームとして出力され得る。
【００７４】
測定反射器７３０が理想位置７３５から、例えば図７に示したような距離Ｘだけオフセットしている場合、測定反射器７３０は、理想的な測定光路ＬＭ２’から２Ｘだけオフセットした光路ＬＭ２へ光路ＬＭ１から測定ビームを反射する。従って、ビームスプリッタコーティング１１５を通過して戻る際に、測定ビームは、位置ずれの距離Ｘに依存する距離だけ基準光路ＬＲ３からオフセットした光路ＬＭ３上にある。従来の線形干渉計では、光路ＬＭ３とＬＲ３との間の距離がビームのウォークオフである。
【００７５】
リターン反射器７１０は、干渉計光学系を通る別の通過のために測定ビームと基準ビームを戻し、これにより測定ビームと基準ビームはそれらの光路をリトレースし、軸ＩＮ／ＯＵＴに沿ったコリニヤビームとして出射する。図７では、リターン反射器７１０は、光路ＬＲ３とＬＭ３に垂直な平面ミラーであり、そのため干渉計光学系を通る第２回目の通過の基準ビーム及び測定ビームは、光路ＬＲ３、ＬＲ２、及びＬＲ１、並びに光路ＬＭ３、ＬＭ２、及びＬＭ１をそれぞれリトレースする。図７は、干渉計光学系を通る第１回目の通過に対応する方向を備える光路ＬＲ１、ＬＲ２、ＬＲ３、ＬＭ１、ＬＭ２、及びＬＭ３と、図７に示したものと反対の方向を有する第２回目の通過中のビームを示す。基準ビームと測定ビームは、ともに入力光路ＩＮ／ＯＵＴに沿って出射し、ウォークオフは排除される。
【００７６】
図８は、リターン反射器８１０が測定ビームと基準ビームを反射してオフセットさせる線形干渉計８００を示す。干渉計８００では、入力光路ＩＮからの基準ビームが光路ＬＲ１、ＬＲ２、及びＬＲ３を辿ってリターン反射器８１０へ至り、リターン反射器８１０から光路ＬＲ４、ＬＲ５、及びＬＲ６に沿って出力光路ＯＵＴへ戻る。入力光路ＩＮからの測定ビームは、光路ＬＭ１、ＬＭ２、及びＬＭ３を辿ってリターン反射器８１０へ至り、リターン反射器８１０から光路ＬＭ４、ＬＭ５、及びＬＭ６に沿って出力光路ＯＵＴへ戻る。従って、出力基準ビームと出力測定ビームは、大抵の有効な組み合わせについてコリニヤであり、入力光路ＩＮからオフセットしており、それにより入力ビームを阻止することなく合成ビームの測定を容易にする。
【００７７】
図９は、微分線形干渉計９００としての本発明のさらに別の代替実施形態を示す。干渉計９００は、固定マウントを有する代わりに物体上に搭載した基準反射器７２０を有し、反射器９２０は偏光ビームスプリッタ１１０と基準反射器７２０との間で基準ビームを案内する。干渉計９００では、基準反射器７２０と測定反射器７３０は共に反射器７２０の相対的なアライメントを移動して変更することができる。しかしながら、リターン反射器８１０は、干渉計光学系を通る第２回目の通過のために基準ビームと測定ビームを配向し、そうでなければ生じるであろうビームのウォークオフを排除する。
【００７８】
本発明は、特定の実施形態に関連して説明されてきたが、この説明は本発明の用途の一例に過ぎず、制限として捉えられるべきではない。例えば、上述の実施形態は干渉計の特定の構造を例示するが、本発明の実施形態は、ビームのウォークオフを排除する必要のある他の構造及びシステムに対してより一般的に適用され得る。さらに、上述の実施形態は単一の測定軸を有する干渉計を示すが、同じ原理は多軸干渉計にも同様に適用できる。開示された実施形態の特徴の他の様々な適用及び組み合わせは、特許請求の範囲によって規定される本発明の範囲内にある。
【００７９】
以下においては、本発明の種々の構成要件の組み合わせからなる例示的な実施形態を示す。
１．干渉計であって、
入力ビームを受光し、その入力ビームを第１のビームと第２のビームに分割するように位置合わせされたビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタから前記第１のビームを受光するように配置され、前記第１のビームを前記ビームスプリッタへ戻すように配向する第１の反射器系と、前記ビームスプリッタから前記第２のビームを受光するように配置され、前記第２のビームを前記ビームスプリッタへ戻すように配向する第２の反射器系であって、前記ビームスプリッタが前記第１の反射器系からの第１のビームと前記第２の反射器系からの第２のビームから第１の合成ビームを形成し、その第１の合成ビーム中の前記第１及び第２のビームは、互いに平行であり、前記第１及び第２の反射器系の相対的な位置ずれに依存する距離だけ互いからウォークオフされている、第２の反射器系と、及び
前記第１の合成ビームを前記ビームスプリッタへ戻すように配置されたリターン反射器とからなり、前記第１の合成ビームからの前記第１及び第２のビームを再度分離し、次に再合成し、前記第１及び第２のビームが同一直線上にあるような第２の合成ビームを形成する、干渉計。
２．前記リターン反射器からの反射の後、前記第１のビームは、前記リターン反射器に到達する際の前記第１のビームが移動した光路に平行な光路をリトレースし、前記第２のビームは、前記リターン反射器に到達する際の前記第２のビームが移動した光路に平行な光路をリトレースする、上記１の干渉計。
３．前記リターン反射器が、前記第１の合成ビームに垂直な平面ミラーからなる、上記１の干渉計。
４．前記第２の合成ビームが、前記入力ビームの軸に沿っている、上記３の干渉計。
５．前記入力ビームから前記第２の合成ビームを分離する分離光学系をさらに含む、上記４の干渉計。
６．前記分離光学系が複屈折プリズムと偏光回転素子を含む、上記５の干渉計。７．前記リターン反射器が、前記第１の合成ビームに垂直な底面を有する二等辺プリズムからなる、上記１の干渉計。
８．前記第１の反射器系が、第１の四分の一波長板と基準反射器を含み、及び
前記第２の反射器系が、第２の四分の一波長板と測定反射器を含み、その測定反射器が前記干渉計により測定される物体に搭載されている、上記１の干渉計。９．前記第１の反射器系が第１の逆反射器からなり、及び
前記第２の反射器系が第２の逆反射器からなる、上記１の干渉計。
１０．前記ビームスプリッタから前記第１及び第２のビームを受光し、前記第１及び第２のビームを前記ビームスプリッタへ戻すように配置された逆反射器をさらに含み、前記入力ビームと前記第１の合成ビームとの間で、前記第１のビームが前記第１の反射器系から前記ビームスプリッタへ二回戻り、前記第２のビームが前記第２の反射器系から前記ビームスプリッタへ二回戻る、上記１の干渉計。１１．前記ビームスプリッタから前記第１及び第２のビームを受光し、前記第１及び第２のビームを前記ビームスプリッタへ戻すように配置された逆反射器をさらに含み、前記入力ビームと前記第２の合成ビームとの間で、前記第１のビームが前記第１の反射器系から前記ビームスプリッタへ四回戻り、前記第２のビームが前記第２の反射器系から前記ビームスプリッタへ四回戻る、上記１の干渉計。１２．前記干渉計が線形干渉計である、上記１の干渉計。
１３．前記干渉計が平面ミラー干渉計である、上記１の干渉計。
１４．前記干渉計が微分干渉計である、上記１の干渉計。
１５　干渉計であって、
入力ビームを基準ビームと測定ビームに分割し、その測定ビームを測定される物体上の測定反射器から少なくとも一回反射するように配向し、前記基準ビームと測定ビームを第１の合成ビームへ再合成する光学系であって、前記基準ビームと測定ビームが、平行ではあるけれども前記測定反射器のアライメントに依存するウォークオフを施される、光学系と、及び
前記第１の合成ビームを受光し、前記第１の合成ビームを前記光学系へ戻すように配置されたリターン反射器であって、前記光学系が前記第１の合成ビームを前記基準ビームと前記測定ビームに分割して、前記測定ビームを前記測定反射器から少なくとも一回反射するように配向し、前記光学系が前記基準ビームと測定ビームを、前記基準ビームと測定ビームが同一直線上にある第２の合成ビームへ再合成する、リターン反射器とからなり、
前記リターン反射器は、前記第１の合成ビームの入射光路のシフトが前記第１の合成ビームの反射光路のシフトを生じ、その反射光路のシフトが前記入射光路のシフトに対して大きさと方向が同一であるようになっている、干渉計。
１６．前記リターン反射器が、底面と二つの等長のファセットを有する二等辺プリズムからなり、その二等辺プリズムは、前記第１の合成ビームが前記等長のファセットの一方に入射し、前記底面が前記第１の合成ビームに対して垂直であるように配置されている、上記１５の干渉計。
１７．前記リターン反射器が、底面、上面、及び二つの等長のファセットを有する台形プリズムからなり、その台形プリズムは、前記第１の合成ビームが前記等長のファセットの一方に入射し、前記底面と上面が前記第１の合成ビームに対して垂直であるように配置されている、上記１５の干渉計。
１８．前記リターン反射器が、
底面と二つの等長のファセットを有し、前記第１の合成ビームが前記底面に入射するように配置された二等辺プリズムと、及び
平面ミラーであって、前記二等辺プリズムを通過した後で前記合成ビームが前記平面ミラーから前記二等辺プリズムへ戻るように反射するように配置された平面ミラーとからなる、上記１５の干渉計。
１９．干渉計を動作させるための方法であって、
干渉計光学系を通る第１回目の通過のために入力ビームを前記干渉計へ導くステップであって、前記第１回目の通過中に、前記干渉計光学系が、前記入力ビームを第１のビームと第２のビームに分割し、前記第１のビームと第２のビームのうちの一方を測定される物体に搭載された反射器から反射させ、前記第１回目の通過が、平行で互いから非零のウォークオフを有する光路に沿って前記干渉計光学系を出射する第１及び第２のビームでもって終了する、ステップと、
前記第１及び第２の出射ビームを反射して、前記干渉計光学系を通る第２回目の通過のために戻るように配向される第１及び第２のリターンビームを生成するステップであって、前記第１及び第２のリターンビームが、前記第１及び第２の出射ビームに平行であり、前記第１及び第２のリターンビームがそれぞれ、前記第１及び第２のビームから一定距離だけオフセットしている、ステップと、及び前記第２回目の通過の結果として前記干渉計光学系から生じる合成ビームを測定するステップとからなる、方法。
２０．平面ミラーが、前記第１及び第２の出射ビームを反射して、前記第１及び第２のリターンビームを前記第１及び第２の出射ビームの個々の光路に沿って戻すように配向する、上記１９の方法。
２１．前記第２回目の通過が、前記第１回目の通過に続く光路をリトレースして、前記合成ビームが前記入力ビームの伝搬軸に沿っている、上記２０の方法。
２２．前記第１のリターンビームが、前記第１の出射ビームに平行であり、かつ前記第１の出射ビームからオフセットしており、前記第２のリターンビームが、前記第２の出射ビームに平行であり、かつ前記第２の出射ビームからオフセットしている、上記１９の方法。
２３．二等辺プリズムが、前記第１及び第２の出射ビームを反射して、前記第２回目の通過のために前記第１及び第２のリターンビームを配向する、上記２２の方法。
２４．平面ミラー干渉計であって、
入力ビームを測定ビームと基準ビームに分割するように配置された偏光ビームスプリッタと、
前記偏光ビームスプリッタから前記測定ビームを受光するように配置された平面ミラーを含む測定反射器系と、
前記偏光ビームスプリッタから前記基準ビームを受光するように配置された平面ミラーを含む基準反射器系と、
逆反射器と、及び
前記入射ビームのシフトが反射ビームの一致するシフトという結果となるように入射ビームを反射するリターン反射器とからなり、
前記リターン反射器及び逆反射器が、
前記測定ビームが、前記測定反射器系に入射して出射し、前記逆反射器に入射して出射し、前記リターン反射器に遭遇する前に前記測定反射器系に再度入射して出射し、前記測定反射器系へ入射して出射し、前記逆反射器に入射して出射し、前記リターン反射器から反射された後に前記測定反射器系に再度入射して出射し、及び
前記基準ビームが、前記基準反射器系に入射して出射し、前記逆反射器に入射して出射し、前記リターン反射器に遭遇する前に前記基準反射器系に再度入射して出射し、前記基準反射器系へ入射して出射し、前記逆反射器に入射して出射し、前記逆反射器から反射された後に前記基準反射器系に再度入射して出射するように構成されている、平面ミラー干渉計。
２５．前記測定反射器系が、四分の一波長板をさらに含み、及び
前記基準反射器系が、四分の一波長板をさらに含む、上記２４の平面ミラー干渉計。
２６．前記リターン反射器が、二等辺プリズムからなる、上記２４の平面ミラー干渉計。
２７．前記二等辺プリズムが、前記測定ビーム及び基準ビームに垂直な反射底面を有する、上記２６の平面ミラー干渉計。
２８．前記測定ビームと基準ビームが、前記二等辺プリズムの底面へ最初に入射し、前記リターン反射器が、前記二等辺プリズム通過後に前記測定ビームと基準ビームを反射する平面ミラーをさらに含む、上記２６の平面ミラー干渉計。
２９．前記リターン反射器が、台形プリズムからなる、上記２４の平面ミラー干渉計。
３０．線形干渉計であって、
入力ビームを測定ビームと基準ビームに分割するように配置された偏光ビームスプリッタと、
前記偏光ビームスプリッタから前記測定ビームを受光し、前記測定ビームを前記偏光ビームスプリッタへ反射して返すように配置された測定逆反射器と、
前記偏光ビームスプリッタから前記基準ビームを受光し、前記基準ビームを前記偏光ビームスプリッタへ反射して返すように配置された基準逆反射器と、及び前記基準逆反射器からの反射後に前記偏光ビームスプリッタから前記基準ビームを受光して反射するとともに、前記測定逆反射器からの反射後に前記偏光ビームスプリッタから前記測定ビームを受光して反射するように配置され、前記入射ビームのシフトが反射ビームの一致するシフトという結果となるように入射ビームを反射するように動作する、リターン反射器とからなる、線形干渉計。
３１．前記リターン反射器が二等辺プリズムからなる、上記３０の線形干渉計。３２．前記二等辺プリズムが、前記測定ビーム及び基準ビームに垂直な反射底面を有する、上記３１の線形干渉計。
３３．前記測定ビームと基準ビームが、前記二等辺のプリズムの底面に最初に入射し、前記リターン反射器が、前記二等辺プリズムの通過後に前記測定ビームと基準ビームが反射する平面ミラーをさらに含む、上記３１の線形干渉計。
３４．前記リターン反射器が、台形プリズムからなる、上記３０の線形干渉計。
【００８０】
【発明の効果】
本発明によれば、干渉計においてウォークオフを低減又は排除するための、より効率的でより簡素なシステム及び方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】ビームのウォークオフを引き起こす位置合わせ不良の測定ミラーを有する従来の干渉計を例示する図である。
【図２】測定ビームと基準ビームのそれぞれの光路をリトレースするように測定ビームと基準ビームを戻す反射器を用いてウォークオフを除去する本発明の一実施形態を示す図である。
【図３Ａ】入力ビームと出力ビームを分離するための代替の系を有する本発明の実施形態の干渉計光学系を示す図である。
【図３Ｂ】入力ビームと出力ビームを分離するための代替の系を有する本発明の実施形態の干渉計光学系を示す図である。
【図４Ａ】測定ビームと基準ビームを戻してオフセットさせる光学素子を用いてビームのウォークオフを取り除く本発明の代替の実施形態を示す図である。
【図４Ｂ】測定ビームと基準ビームを戻してオフセットさせる光学素子を用いてビームのウォークオフを取り除く本発明の代替の実施形態を示す図である。
【図４Ｃ】測定ビームと基準ビームを戻してオフセットさせる光学素子を用いてビームのウォークオフを取り除く本発明の代替の実施形態を示す図である。
【図５】本発明の一実施形態による微分平面ミラー干渉計を示す図である。
【図６】基準反射器及び測定反射器にコーナキューブ反射器を用いる本発明の一実施形態による干渉計を示す図である。
【図７】干渉計を通る光路をリトレースするように基準ビームと測定ビームを配向するリターン反射器として平面ミラーを用いる本発明の一実施形態による線形干渉計を示す図である。
【図８】平行であるが干渉計を通る元の光路からオフセットした光路をリトレースするように基準ビームと測定ビームを配向するリターン反射器を用いる本発明の一実施形態による線形干渉計を示す図である。
【図９】本発明の一実施形態による微分線形干渉計を示す図である。
【符号の説明】
１１０　偏光ビームスプリッタ
１２０、１５０　四分の一波長板
１３０、６３０、７２０　基準反射器
１６０、５３０、６６０、７３０　測定反射器
２００、３００、３００Ｂ、４００Ａ、４００Ｂ、４００Ｃ、５００、７００、８００、９００　干渉計
２１０、４１０、４１０Ｃ、７１０、８１０　リターン反射器
３１０　ビームスプリッタ
３２０Ａ、３２０Ｂ　入力／出力分離系
３３０　複屈折プリズム
３４０　偏光素子
４１０Ａ　二等辺プリズム（リターン反射器）
４１０Ｂ　台形プリズム（リターン反射器）
【図１】
2004004044.tif 000003
【図２】
2004004044.tif 000004
【図３Ａ】
2004004044.tif 000005
【図３Ｂ】
2004004044.tif 000006
【図４Ａ】
2004004044.tif 000007
【図４Ｂ】
2004004044.tif 000008
【図４Ｃ】
2004004044.tif 000009
【図５】
2004004044.tif 000010
【図６】
2004004044.tif 000011
【図７】
2004004044.tif 000012
【図８】
2004004044.tif 000013
【図９】
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