(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
干渉計であって、
入力ビーム（IN０）を基準ビームと測定ビームに分割し、測定される物体上の測定反射器（130）から少なくとも１回反射するために前記測定ビームを導く光学系（110）であって、その光学系（110）が、前記基準ビームと測定ビームを合成ビーム（OUT０）へと再合成し、その合成ビームにおいて前記基準ビームと測定ビームが平行ではあるが、前記測定反射器（130）のアライメントに依存するウォークオフにさらされる、光学系と、
ビームスプリッタシステム（1010）と、及び
前記合成ビーム（OUT０）を受光して、前記合成ビーム（IN０’）を前記ビームスプリッタシステムへ導くように配置されたリターン反射器（410）とからなり、
前記ビームスプリッタシステム（1010）が前記合成ビーム（IN０’）を複数の分離合成入力ビーム（IN１、IN２、IN３）へ分割し、これらの分離合成入力ビーム（IN１、IN２、IN３）を前記光学系（110）へ導き、
前記光学系（110）が各分離合成入力ビーム（IN１、IN２、IN３）を分離基準ビームと分離測定ビームに分割し、前記測定反射器（130）から少なくとも１回反射するために各分離測定ビームを導き、各分離合成入力ビームについて前記光学系が前記分離基準ビームと分離測定ビームを再合成し、前記分離基準ビームと分離測定ビームとが同一直線上にある併合ビーム（OUT１、OUT２、又はOUT３）を形成する、干渉計。
【請求項２】
前記リターン反射器（410）は、前記合成ビーム（OUT０）の入射光路のシフトが前記合成ビーム（IN０’）の反射光路をシフトさせ、こ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及び方向において同じである、請求項１の干渉計。
【請求項３】
前記光学系（110）が偏光ビームスプリッタを含む、請求項１又は２の干渉計。
【請求項４】
前記測定反射器が、前記光学系からの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み、
基準反射器が、前記光学系からの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み、及び
前記光学系が、前記測定反射器と基準反射器による個々の第１回目の反射の後に前記測定ビームと基準ビームを受光するように配置された第１の逆反射器をさらに含み、この第１の逆反射器が前記測定ビームと基準ビームを前記偏光ビームスプリッタへ戻す、請求項３の干渉計。
【請求項５】
前記ビームスプリッタシステム（1010）が非偏光ビームスプリッタを含む、請求項１〜４のいずれかの干渉計。
【請求項６】
前記光学系が複数の逆反射器（140−1、140−2、140−3）を含み、前記逆反射器のそれぞれは、前記光学系（110）が分離合成入力ビーム（IN１、IN２、IN３）のうちの対応する一つから分割した前記分離測定ビームと分離基準ビームを反射し、各分離合成入力ビーム（IN１、IN２、IN３）の一部が、分離出力ビーム（OUT１、OUT２、OUT３）の対応する一つに出射する前に前記測定反射器（130）から二度戻る、請求項１〜５のいずれかの干渉計。
【請求項７】
干渉計を動作させるための方法であって、
入力ビーム（IN０）を基準ビームと測定ビームに分割する干渉光学系（110）へ前記入力ビーム（IN０）を導き、測定される物体に搭載された反射器（130）から前記測定ビームを反射させ、前記測定ビームと基準ビームを再合成して、前記干渉光学系から出力する合成ビーム（OUT０）を形成するステップと、
前記合成ビームを複数の分離合成入力ビーム（IN１、IN２、IN３）に分割するステップと、
前記分離合成入力ビーム（IN１、IN２、IN３）を前記干渉光学系（110）へ導くステップであって、各分離合成入力ビーム（IN１、IN２、IN３）ごとに前記干渉光学系（110）が前記分離合成入力ビームを分離基準ビームと分離測定ビームに分割し、測定される物体に搭載された前記反射器（130）から前記分離測定ビームを反射させ、前記分離基準ビームと分離測定ビームを再合成して、前記分離合成入力ビーム（IN１、IN２、又はIN３）に対応する分離出力ビーム（OUT１、OUT２、又はOUT３）を形成する、ステップと、及び
前記分離出力ビーム（OUT１、OUT２、OUT３）を分析して、複数の軸に沿って測定値を求めるステップとからなる、方法。
【請求項８】
前記合成ビームを分割するステップが、前記分離合成入力ビーム（IN１、IN２、IN３）へ分割するシステム（1010）へ前記合成ビーム（IN０’）を導く二等辺プリズムを用いて前記合成ビーム（OUT０）を反射するステップを含む、請求項７の方法。
【請求項９】
前記分離合成入力ビーム（IN１、IN２、IN３）のそれぞれが、測定される物体上に搭載された反射器（130）上の異なる位置で異なる測定軸に対応する、請求項７又は８の方法。
【請求項１０】
前記合成ビーム（OUT０）を分析して測定軸に沿った測定値を求めるステップをさらに含む、請求項７〜９のいずれかの方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、干渉計においてビームのウォークオフを取り除くためのコンパクトなビームリトレース光学系に関する。
【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併合から生じる併合ビームは、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場合、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併合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、併合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差、又は角度分離は、測定ミラー１６０からの第２の反射まで続く。第２回目の反射の後、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、併合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のラジアン単位で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、測定信号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】
ビームの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】
【特許文献１】
米国特許出願第０９／８７６，５３１号明細書
【００１７】
【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。理想的には、ウォークオフを低減又は取り除くシステムは、コンパクトであり、制限された動作空間において動作に適している。
【００１８】
【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、最終的な併合出力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。
【００１９】
複数の測定軸を有する干渉計では、異なる軸に関する入力ビームは、干渉光学系を介して合成ビームに第１回目の通過を受けさせた後で互いから分離され得る。第１回目の通過の間、合成測定ビームは、それぞれが各測定軸に関する個々の測定ビームに分離される前に、測定ミラーから第１の対をなす反射を受ける。各分離測定ビームは別個に干渉光学系を二度通過し、測定ミラーから第２の対をなす反射を受ける。同様に、合成基準ビームは、干渉光学系を通る第２回目の通過を行なう分離基準ビームへ分割される前に、干渉光学系を通る第１回目の通過を行なう。
【００２０】
第１回目の通過中における測定／基準反射器からの合成測定／基準ビームの反射と、第２回目の通過中における測定／基準反射器からの分離測定／基準ビームの反射との組み合わせが、測定ミラー又は基準ミラーの位置ずれに起因するビームのウォークオフを除去する。各通過の間、測定ミラーからの一対の反射と基準反射器からの一対の反射とが、測定ビームと反射ビームとの間の角度分離を取り除く。
【００２１】
Ｎ個の測定軸を有する多軸干渉計は、合成ビームをＮ個の分離ビームに分離する。合成ビームと分離ビームは、干渉光学系を通る異なる光路と測定ミラー及び基準ミラー上の分離した反射領域とを有する。測定ミラーと基準ミラーの領域は、２Ｎ対の反射の代わりにＮ＋１対の反射に対応するが、そうでない場合にはビームのウォークオフ無しで出力ビームを別個に発生させる必要があるかもしれない。従って、測定ミラーと基準ミラーは、より小型にすることができる。また、分離ビーム光路の個数を減少させることにより、干渉光学系のサイズも低減される。
【００２２】
本発明の一つの具体的な実施形態は、主ビームスプリッタシステム、測定反射システムと基準反射システム、リターン反射器、及び副ビームスプリッタシステムを含む多軸干渉計である。主ビームスプリッタシステムは、入力ビームを受光し、一般に偏光に従って入力ビームを合成測定ビームと合成基準ビームとに分離する。測定反射システム及び基準反射システムはそれぞれ、主ビームスプリッタシステムから合成測定ビームと合成基準ビームを受光して、戻すように反射する。そして、逆反射器は、それぞれの測定反射システム及び基準反射システムからそれぞれの第２回目の反射のために合成測定ビームと合成基準ビームを送り返すことができる。２回の反射の後、主ビームスプリッタシステムが合成出力ビームを形成し、この合成出力ビームにおいて、合成測定ビームと合成基準ビームの中心軸は平行であり、反射システム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。
【００２３】
リターン反射器と副ビームスプリッタが主ビームスプリッタシステムから合成出力ビームを受光し、主ビームスプリッタシステムへ送り返される分離ビームへ合成出力ビームを分割する。副ビームスプリッタシステムが合成ビームを分離ビームへ分割する前に、リターン反射器が合成ビームを反射する場合、干渉計は測定軸ごとに一つのリターン反射器を必要とする代わりに全ての測定軸について単一のリターン反射器を用いることができる。
【００２４】
主ビームスプリッタシステムは、各分離入力ビームを測定及び基準反射システムから少なくとも１回それぞれに反射される分離測定ビーム及び分離基準ビームに分離し、そして対をなすように再合成し、分離入力ビームに対応する分離出力ビームを形成する。分離ビームに対応する逆反射器は、個々の分離測定／基準ビームを測定／基準反射器システムからの第２回目の反射のために送り返すことができる。
【００２５】
主偏光システムは一般に、偏光により入力ビームを分割して基準ビームと測定ビームを形成する偏光ビームスプリッタを含む。基準反射システムは通常、第１の四分の一波長板と基準反射器とを含み、測定反射システムは通常、第２の四分の一波長板、及び干渉計により測定される物体上に搭載するための測定反射器を含む。副ビームスプリッタシステムは通常、非偏光ビームスプリッタを含み、これにより主ビームスプリッタシステムへ戻る分離ビームは、主ビームスプリッタシステムが分割して分離測定ビーム及び分離基準ビームを形成できる偏光成分を含む。
【００２６】
本発明の別の具体的な実施形態は、干渉光学系と、ビームスプリッタシステムと、リターン反射器とを含む多軸干渉計である。干渉光学系は、入力ビームを基準ビームと測定ビームへ分割し、測定される物体上にある測定反射器から少なくとも１回反射するように測定ビームを導く。同様に、干渉光学系は、基準反射器から少なくとも１回反射するように基準ビームを導く。干渉光学系では、基準ビームと測定ビームは合成ビームに併合され、この合成ビームにおいて、基準ビームと測定ビームは平行ではあるが、測定反射器と基準反射器のアライメントと位置に依存するウォークオフにさらされる。リターン反射器は合成ビームを受光し、この合成ビームをビームスプリッタシステムへ導く。ビームスプリッタシステムは、合成ビームを複数の分離ビームに分割し、分離ビームを干渉光学系へ導く。そして、干渉光学系は、各分離ビームを基準ビームと測定ビームに分割し、これらの測定ビームのそれぞれを測定反射器から少なくとも１回反射するように導く。同様に、干渉光学系は、分離基準ビームを基準反射器又は反射器から１回又はそれ以上反射するように導く。各分離ビームごとに干渉光学系が基準ビームと測定ビームを再合成し、基準ビームと測定ビームが同一直線上にある（コリニアである）分離出力ビームを形成する。
【００２７】
リターン反射器は一般に、入射ビームの入射光路のシフトが反射ビームのシフトを引き起こし、反射ビームのシフトが入射ビームのシフトに対して大きさと方向において同じになるようにしてある。リターン反射器は、例えば合成ビームに垂直になるように配置された底辺を有する二等辺プリズムを含むことができる。
【００２８】
本発明のさらなる実施形態は、偏光ビームスプリッタと、測定反射システムと、基準反射システムと、リターン反射器と、非偏光ビームスプリッタシステムとを含む多軸平面ミラー干渉計である。この偏光ビームスプリッタは入力ビームを合成測定ビームと合成基準ビームへ分割する。測定反射システムと基準反射システムは、偏光ビームスプリッタからの合成測定ビームと合成基準ビームをそれぞれ受光して反射して戻す平面ミラーを含む。
【００２９】
リターン反射器は、測定反射器と基準反射器からの反射の後に偏光ビームスプリッタから合成測定ビームと合成基準ビームを受光し、合成ビームを非偏光ビームスプリッタシステムへ導く。リターン反射器は一般に、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な態様で偏光ビームスプリッタからの合成ビームなどの入射ビームを反射する。
【００３０】
非偏光ビームスプリッタシステムは、合成測定ビームを偏光ビームスプリッタ内に導かれる複数の分離測定ビームへ分割し、合成基準ビームを偏光ビームスプリッタ内に導かれる複数の分離基準ビームへ分割する。
【００３１】
逆反射器は、合成測定ビーム、合成基準ビーム、及びそれぞれの測定反射システムと基準反射システムからの第１回目の個々の反射後の分離測定ビームと分離基準ビームを受光することができる。逆反射器は、合成測定ビーム、合成基準ビーム、及び分離測定ビームと分離基準ビームを個々の反射システムからの第２回目の反射のために導く。２回の反射が反射システムの位置ずれに起因する測定ビームと基準ビームとの間の角度変化を取り除く。合成測定ビームと合成基準ビームとの間のウォークオフが、分離測定ビームと分離基準ビームとの間の後続のウォークオフを相殺する。
【００３２】
本発明のさらに別の実施形態は、干渉計を動作させるための方法である。本方法は、干渉計へ入力ビームを導くステップを含み、この場合、干渉光学系が入力ビームを基準ビームと測定ビームへ分割し、測定される物体上に搭載された反射器から測定ビームを反射させ、測定ビームと基準ビームを合成ビームとして干渉光学系の外へ案内する。そして、合成ビームは、干渉光学系内へ案内される複数の分離ビームへ分割される。各分離ビームごとに干渉光学系が、分離ビームを基準ビームと測定ビームに分割し、測定ビームを測定される物体上に搭載された反射器から反射させ、基準ビームと測定ビームを分離ビームに対応する出力ビームとして干渉光学系の外へ案内する。出力ビームの分析により、複数の軸に沿った測定値が求められる。
【００３３】
【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。
【００３４】
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。
【００３５】
多軸干渉計では、分離測定軸ごとの分離ビームの分割は、合成ビームが干渉光学系を介して第１回目の通過を行なった後で、かつリターン反射器からの反射の後に行なうことができる。合成ビームは、異なる軸に沿った測定のためにビームが未だ分割されていない点において「合成」されている。この結果、ビームのウォークオフを取り除く本発明による多軸干渉計には、ビームのウォークオフにさらされる従来の多軸干渉計が必要とするよりも一つだけ多いビーム光路が必要になる。さらに、ビームのウォークオフを有さない多軸干渉計は、各測定軸ごとの別個のリターン反射器の代わりに合成ビーム用に単一のリターン反射器を用いることができる。本発明による多軸干渉計は、コンパクトに作ることができる。
【００３６】
図２は、本発明の一実施形態による単軸平面ミラー干渉計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。
【００３７】
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。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、及び併合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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
入力ビームと同じ軸に沿う併合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から併合ビーム出力を受光し、併合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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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４１０を含む干渉計４００を示す。
【００６３】
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。
【００６４】
リターン反射器４１０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４１０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。
【００６５】
干渉計４００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。
【００６６】
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４００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。
【００６７】
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４１０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４１０Ｃを含む。二等辺プリズム４１０Ｃの頂点は、平面ミラーの方へ向いている。二等辺プリズム４１０Ｃの底面へ入射した併合ビームは、二等辺プリズム４１０Ｃ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４１０Ｃへの再入射時に屈折する。リターン反射器４１０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。
【００６８】
図４Ａ、図４Ｂ、及び図４Ｃは、対応入射光路に平行な返送光路沿いに入射する測定ビームと基準ビームを返送し、かつ返送光路をシフトさせて入射光路内のあらゆるシフトに整合するリターン反射器４１０の異なる実施形態用の特定の光学素子４１０Ａ，４１０Ｂ，４１０Ｃを示す。より一般的には、他の光学システムにリターン反射器４１０の要求特性を実施することができる。
【００６９】
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もたらす構成も示す。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。
【００７０】
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。
【００７１】
本発明の態様は、多くの干渉計のタイプ及び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。
【００７２】
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。
【００７３】
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４００（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。
【００７４】
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。
【００７５】
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６３０と６６０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く。第２回目の通過において、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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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併合ビームとして出力され得る。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
図９は、差動線形干渉計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と７３０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。
【００８３】
図１０は、本発明のさらに別の実施形態による多軸干渉計１０００を示す。干渉計１０００は、ビームスプリッタシステム１０１０が最終的に分離測定軸に沿った測定のための分離ビームへ分割する合成入力ビームＩＮ０を用いる。図１０は、３つの測定軸用の３個の分離ビームを有する干渉計の具体例を示すものであるが、より一般的なケースでは、合成入力ビームＩＮ０は、Ｎ個の測定軸を有する干渉計について任意数のＮ個の分離ビームへ分離され得る。合成入力ビームＩＮ０は、前述したように干渉計１０００がＡＣ干渉計として、又はＤＣ干渉計として動作するかに応じて、ヘテロダインビーム又は単色ビームのいずれかとすることができる。
【００８４】
入力ビームＩＮ０は、異なる測定軸ごとの成分に分割されることなく偏光ビームスプリッタ１１０へ入射する。図１０では、入力ビームＩＮ０は、偏光ビームスプリッタ１１０へとビームスプリッタシステム１０１０の透明部分を通過するが、代案として合成入力ビームＩＮ０をビームスプリッタ１０１０の上側又は下側の偏光ビームスプリッタ１１０へ直接入射させることもできる。偏光ビームスプリッタ１１０は、偏光により合成入力ビームＩＮ０を合成基準ビームと合成測定ビームへ分割する。これらの測定ビームと基準ビームは、異なる軸に沿った測定のために未だ分割されていない点において「合成」されている。合成基準ビームは最初にビームスプリッタコーティング１１５から反射され、四分の一波長板１２０と基準反射器１３０の方へ向かう。合成測定ビームは、最初に四分の一波長板１５０と測定反射器１６０への途中にあるビームスプリッタコーティング１１５を通過する。明確にするため、図１０は、測定反射器１６０の理想的なアライメントについての測定ビームの光路のみを示す。
【００８５】
合成測定ビームは、ビームスプリッタコーティング１１５と四分の一波長板１５０を通過し、測定ミラー１６０から第１回目の反射ＭＲ０を受け、四分の一波長板１５０を通って戻り、ビームスプリッタコーティング１１５から反射され、逆反射器１４０−０から反射され、ビームスプリッタコーティング１１５から反射され、四分の一波長板１５０を通過して、測定ミラー１６０から第２回目の反射ＭＲ０’を受け、四分の一波長板１５０とビームスプリッタコーティング１１５を通って戻る。合成基準ビームは同様に、出射する合成測定ビームと併合されて合成出力ビームＯＵＴ０を形成する前に、基準ミラー１３０から２回の反射（図示せず）を受ける。
【００８６】
合成出力ビームＯＵＴ０は、リターン反射器４１０に向かうように偏光ビームスプリッタ１１０を出射する。必要に応じて、出力ビームＯＵＴ０の光路の非偏光ビームスプリッタ１０２０が、出力ビームＯＵＴ０の一部ＯＵＴ０’を従来の分析システム（図示せず）へ導くこともできる。出力ビームＯＵＴ０’を分析するシステムは、反射ＭＲ０とＭＲ０’により生じた位相変化を測定し、測定ミラー１６０上での反射ＭＲ０とＭＲ０’との間にある点Ｘ０の距離又は速度を求めることができる。しかしながら、出力ビームＯＵＴ０’はビームのウォークオフにさらされており、出力ビームＯＵＴ０’に基づく測定値はウォークオフのないビームに基づく測定値と同じように正確ではないであろう。
【００８７】
リターン反射器４１０は出力ビームＯＵＴ０をオフセットさせて反射し、これにより合成入力ビームＩＮ０’はビームスプリッタシステム１０１０内の第１の非偏光ビームスプリッタコーティング１０１２への光路上へ戻される。図１０の実施形態では、ビームスプリッタシステム１０１０は、二つの中間の非偏光ビームスプリッタコーティング１０１２と１０１４を有する３個のプリズム（二つの偏菱形素子と一つの三角プリズム）を含む偏菱形アセンブリである。偏菱形アセンブリ１０１０を製作し、これを屈折率整合接着材又は接触接合を用いて偏光ビームスプリッタ１１０へ取り付けることができる。「Muti-Axis Interferometer with Integrated Optical Structure and Method for Manufacturing Rhomboid Assemblies」と題する特許文献１には、偏菱形アセンブリ１０１０などの偏菱形アセンブリの製造方法と係るアセンブリの干渉光学系への取り付け方法が記載されている。
【００８８】
非偏光ビームスプリッタコーティング１０１２は、干渉計１０００の第１の測定軸に関して合成ビームＩＮ０’の一部（例えば、１／３）を分離入力ビームＩＮ１として伝送する。ビームＩＮ０’の残りは、偏菱形アセンブリ１０１０内の光路に沿って非偏光ビームスプリッタコーティング１０１４へ反射される。非偏光ビームスプリッタコーティング１０１４が、干渉計１０００の第２の測定軸に関して残りのビームＩＮ０’の一部（例えば、１／２）を分離入力ビームＩＮ２として反射する。偏菱形アセンブリ１０１６の端面における反射（例えば、内部全反射）が、干渉計１０００の第３の測定軸に関してビームＩＮ０’の最後の残りを偏光ビームスプリッタ１１０へ分離入力ビームＩＮ３として導く。
【００８９】
偏光ビームスプリッタ１１０は、分離入力ビームＩＮ１、ＩＮ２、及びＩＮ３のそれぞれを対応する測定ビームと基準ビームへ分割する。入力ビームＩＮ１、ＩＮ２、及びＩＮ３は、それぞれ測定反射器１６０から対をなして反射するビームＩＮ１、ＩＮ２、及びＩＮ３ごとに測定ビームとともに個別に干渉光学系を通過する。例えば、入力ビームＩＮ１からの測定ビームは、四分の一波長板１５０を通過し、測定ミラー１６０から第１回目の反射ＭＲ１を受け、四分の一波長板１５０を通って戻り、その後に偏光ビームスプリッタコーティング１１５と逆反射器１４０−１が測定ミラー１６０からの第２回目の反射ＭＲ１’のために測定ビームを四分の一波長板１５０を介して戻す。入力ビームＩＮ１からの基準ビームも同様に、基準ビームと測定ビームが併合されて出力ビームＯＵＴ１を形成する前に、逆反射器１４０−１を通る中間の通過と四分の一波長板１２０を通る４回の通過を伴って基準反射器１３０から二度反射される。同様に、出力ビームＯＵＴ２は、測定反射器１６０による２回の反射ＭＲ２とＭＲ２’の測定成分特性を含み、出力ビームＯＵＴ３は、測定反射器１６０による２回の反射ＭＲ３とＭＲ３’の測定成分特性を含む。
【００９０】
本発明の上記実施形態に関して説明したように、測定ミラー１６０又は基準ミラー１３０の位置ずれは、合成出力ビームＯＵＴ０と合成入力ビームＩＮ０’に対してビームのウォークオフを招く可能性がある。各分離入力ビームＩＮ１、ＩＮ２、及びＩＮ３は、合成ビームＩＮ０’からビームのウォークオフを引き継ぎ、各入力ビームＩＮ１、ＩＮ２、及びＩＮ３の二つ直線偏光成分の中心間に分離が生じる。ビームＩＮ１、ＩＮ２、及びＩＮ３が分離ビームとして行なう干渉光学系を通る第２回目の通過により、合成ビームＩＮ０’に生じたウォークオフが除去される。この結果、分離出力ビームＯＵＴ１、ＯＵＴ２、及びＯＵＴ３は、ウォークオフを有さない。
【００９１】
分離出力ビームＯＵＴ１、ＯＵＴ２、及びＯＵＴ３のそれぞれにおける位相情報の分析により、測定ミラー１６０上の異なる点を通る測定軸についての距離情報又は速度情報が提供される。出力ビームＯＵＴ１は、測定ミラー１６０による４回の反射ＭＲ０、ＭＲ０’、ＭＲ１、及びＭＲ１’から生じる位相情報を有する。従って、出力ビームＯＵＴ１から求められた距離又は速度は、４回の反射ＭＲ０、ＭＲ０’、ＭＲ１、及びＭＲ１’についての平均位置にある点Ｘ１を通る第１の軸に沿った位置又は動きに対応する。同様に、分離出力ビームＯＵＴ２から求められる測定値は、４回の反射ＭＲ０、ＭＲ０’、ＭＲ２、及びＭＲ２’についての平均位置にある点Ｘ２を通る第２の軸に沿った測定値に対応する。分離出力ビームＯＵＴ３から求められる測定値は、４回の反射ＭＲ０、ＭＲ０’、ＭＲ３、及びＭＲ３’についての平均位置にある点Ｘ３を通る軸に沿った測定値に対応する。
【００９２】
反射ＭＲ１とＭＲ１’との間の点Ｃ１を通る軸、又は反射ＭＲ３とＭＲ３’との間の点Ｃ３を通る軸などの他の測定軸に対する測定値は、干渉計１０００の幾何学的構造と、点Ｘ１、Ｘ２、及びＸ３に対応する測定軸に対する測定値と、点Ｘ０についての中間測定値とに基づいて数学的に求められ得る。式１は、平面測定ミラー１６０を備えた干渉計１０００の特定の幾何学的構造において点Ｘ０、Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３、Ｃ１、Ｃ２、及びＣ３までの距離に関する関係を示す。係る関係は、他の点についての測定値の導出ならびに測定値精度のクロスチェックに使用され得る。例えば、干渉計１０００の幾何学的構造については、ウォークオフのない測定点Ｘ３は、点Ｃ２と同じである。従って、直接測定値Ｘ３及び導出測定値Ｃ２は、精度のために比較され得る。他の干渉計の幾何学的構造は、測定点と異なるクロスチェックとの間に異なる関係を有する。
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【００９３】
干渉計１０００は、すべて同一平面内に位置する３個の測定軸を有する。代案として、多軸干渉計内の測定軸は、他の測定軸から水平方向と垂直方向に分離された測定軸を有することができる。
【００９４】
図１１は、互いから水平方向及び／又は垂直方向にオフセットさせた測定軸を有する干渉計１１００の斜視図である。干渉計１１００は、図１０の干渉計１０００と同様の態様で動作し、前述の特性を有する入力ビームＩＮ０を受光する。偏光ビームスプリッタ１１０内のビームスプリッタコーティング１１５が、入力ビームＩＮ０の一部を反射して合成測定ビームを形成し、入力ビームＩＮ０の一部を伝送して合成基準ビーム（図示せず）を形成する。図面を簡略化するために、図１１は測定ビームを示すが、ビームスプリッタ１１０内部の基準ビームは、示されない。基準ビームは、図１１では見ることのできない基準ミラーから反射される。
【００９５】
最初にビームスプリッタコーティング１１５から反射された合成測定ビームは、四分の一波長板１５０（偏光ビームスプリッタ１１０に取り付けて図示）を通過し、測定ミラー（図１１には図示せず）からの反射ＭＲ０を受け、四分の一波長板１５０を通って偏光ビームスプリッタ１１０へ戻る。返送された合成測定ビームは、四分の一波長板１５０を通って偏光ビームスプリッタ１１０に入射し、偏光ビームスプリッタ１１０に取り付けられた逆反射器１４０−０から反射され、測定ミラー１６０からの第２回目の反射ＭＲ０’のために四分の一波長板１５０を介して偏光ビームスプリッタ１１０を再度出射する。第２回目の反射ＭＲ０’により、四分の一波長板１５０を介して合成測定ビームが偏光ビームスプリッタ１１０へ戻ると、合成測定ビームはビームスプリッタコーティング１１５から反射され、偏光ビームスプリッタ１１０外へ送られる。
【００９６】
合成測定ビームと合成基準ビームは、偏光ビームスプリッタコーティング１１５にて併合され、偏光ビームスプリッタ１１９を合成出力ビームＯＵＴ０として出射する。合成出力ビームＯＵＴ０では、測定ビームと基準ビームの中心軸は平行ではあるが、ビームのウォークオフに起因して互いからオフセットしている。リターン反射器４１０は、偏光ビームスプリッタ１１０に取り付けられた非偏光ビームスプリッタシステム１１１０へとビームＯＵＴ０を反射し、それによって入力ビームＩＮ０’に対してビームＯＵＴ０をオフセットさせる。
【００９７】
ビームスプリッタシステム１１１０は、３個の測定軸に対して合成ビームＩＮ０’を３つの分離ビームへ分割する。第１の測定軸は、合成測定ビームから垂直方向にオフセットしている。第２の測定軸は合成測定ビームから水平方向にオフセットしており、第３の測定軸は合成測定ビームから垂直方向と水平方向にオフセットしている。
【００９８】
ビームスプリッタアセンブリ１１１０の例示の実施形態は、入力窓１１１２と、垂直偏菱形プリズムアセンブリ１１１４と、光学品質スペーサブロック１１１６と、水平偏菱形プリズムアセンブリ１１１８とを含む。リターン反射器４１０からの合成ビームＩＮ０’が、入力窓１１１２を介して垂直偏菱形アセンブリ１１１４内の非偏光ビームスプリッタコーティングへ入力される。偏菱形アセンブリ１１１４内のビームスプリッタコーティングを介して伝送されたビームＩＮ０’の一部が、光学スペーサブロック１１１６を介して偏光ビームスプリッタ１１０へ入射し、その場合、偏光ビームスプリッタ１１０が第１の分離測定軸について基準ビームと測定ビームを分離する。第１の分離測定軸について、図１１は、測定反射器による反射ＭＲ１とＭＲ１’を受ける測定ビームを示す。
【００９９】
偏菱形アセンブリ１１１２内のビームスプリッタコーティングからの反射ビームは、垂直偏菱形アセンブリ１１１４の端部から水平偏菱形プリズムアセンブリ１１１８内の非偏光ビームスプリッタコーティングへ反射される。偏菱形アセンブリ１１１８内のビームスプリッタコーティングを通って伝送されたビームの一部が、偏光ビームスプリッタ１１０へ入射し、第２の分離測定軸に関して基準ビームと測定ビームを形成する。第２の分離測定軸に関して、図１１は、測定反射器による反射ＭＲ２とＭＲ２’を受ける測定ビームを示す。
【０１００】
偏菱形アセンブリ１１１８内のビームスプリッタコーティングからの反射ビームは、水平偏菱形アセンブリ１１１８の端部から反射され、偏光ビームスプリッタ１１０へ入射する。このビームから、偏光ビームスプリッタ１１０が第３の分離測定軸に関する基準ビームと測定ビームを形成する。第３の分離測定軸に関して、図１１は、測定反射器による反射ＭＲ３，ＭＲ３’を受ける測定ビームを示す。
【０１０１】
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、特定の数の測定軸と測定軸用の特定の幾何学的構造を有する干渉計を示したが、互いに任意の所望関係にある任意の数の軸を有する多軸干渉計を本発明の原理に従って製作することができる。開示された実施形態の様々な他の適用、及び特徴の組み合わせは、特許請求の範囲により規定される本発明の範囲内にある。
【０１０２】
【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。
【図１０】干渉計光学系を通る第１回目の通過に合成ビームを用い、干渉計光学系を通る第２回目の通過に分離ビームを用いる多軸干渉計を示す図である。
【図１１】本発明の一実施形態による３軸干渉計の斜視図である。
【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
140−0〜140−3  逆反射器
160、530、660、730  測定反射器
200、300、300B、400A、400B、400C、500、700、800、900  干渉計
210、410、710、810  リターン反射器
310  ビームスプリッタ
330  複屈折プリズム
340  偏光素子
1000  多軸干渉計
1010  ビームスプリッタシステム
【図１】
0004028428.tif 000003
【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0004028428.tif 000012
【図８】
0004028428.tif 000013
【図９】
0004028428.tif 000014
【図１０】
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【図１１】
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