JP2006126192A

JP2006126192A - モノリシック直交位相検出器

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Publication number: JP2006126192A
Application number: JP2005309226A
Authority: JP
Inventors: David W Sesko; ダブリューセスコデイビッド; Mark Feldman; フェルドマンマーク
Original assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Current assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Priority date: 2004-10-26
Filing date: 2005-10-25
Publication date: 2006-05-18
Anticipated expiration: 2025-10-25
Also published as: US7315381B2; EP1653190A1; EP1653190B1; CN100541112C; US20060087658A1; CN1766519A; JP4869676B2

Abstract

【課題】直交偏光ビームを分光と同時に位相シフトして多相検出する検出装置をモノリシック構成で小型化する。
【解決手段】位相シフトコーティングを備えた第１の接合面を備えたプリズムと、位相シフトコーティングを備えた第２の接合面を備えたビームスプリッタと、各相のビームを検出するための偏光子と、検出器と、をモノリシック（一体）に構成する。干渉計等により出力された直交偏光された物体および参照ビームを含んでいる一つのビームを入力して、第１および第２の接合面で反射と透過することで４本のビームに分光と同時に位相シフトを施して、４相のビームを生成する。この４相のビームを各々偏光子により直交偏光成分間で干渉を生じさせてから各検出装置で検出することで、多相の干渉信号の検出装置を小型化する。また、同時に多くのコモンモードエラーを除去可能とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、干渉による距離測定、及び、プロファイル測定等の干渉計測装置における互いに直交する偏光成分間の位相差を検出するモノリシック直交位相検出器に関する。

一般的に、レーザ干渉計が試料表面までの距離、及び、試料表面のプロファイルの測定に広く使われている。このレーザ干渉計のレーザ光源からのコヒーレント光は、まず、ビームスプリッタを用いて二光波、例えば、物体ビームと参照ビームとするために分割される。この参照ビームは、ビームスプリッタから一定距離に位置する基準ミラーに向けられ、物体ビームは、ビームスプリッタからある距離に位置する試料表面に向けられる。さらに、この物体ビームは、試料表面から反射された後、ビームスプリッタによって、再び参照ビームと合わせられる。これにより参照ビームに対する物体ビームの相対的な位相差に基づき、物体ビームおよび参照ビームは、強めあうまたは弱めあうように干渉が生じる。検出器は、この干渉光の強度（物体ビームと参照ビームとの間の位相差に基づく、言い換えれば、ビームスプリッタから試料表面までの物体経路の長さと、ビームスプリッタから基準ミラーまでの参照経路の長さとの差分に関連する）を測定可能である。
特開２００４−１３８６１７号公報特開平１０−１３２５０７号公報

レーザ干渉計の分解能および／または精度は、位相差検出器の能力に制限され、すなわち、物体ビームと参照ビーム間の位相差に忠実に対応した信号を発生させる単なる検出器としての能力に起因している。多くの干渉計において、物体ビームおよび参照ビームは、直交偏光されていて、偏光子を使って合成することではじめてビーム間の位相差を表す強度の干渉光を得るように設計されている。

この種の物体及び参照ビームの干渉の強度に基づいて位相差測定をする場合、位相差の測定誤差は複数回の測定で除去することがしばしば行われている。例えば、偏光子でビームが合成される前に意図的に位相差を加えておいて、後にコモンモードエラー（例えばオフセット成分）を取り除くために複数の各干渉ビームを処理して、特定のエラーを決定して、補償するという手法が知られている。また、離散的な検出器の場合は、各ビームを操作するために離散的な光学部品を使用するので、別々のビーム経路に起因する別々の干渉ビームからこの種の複数の信号を発生させて特定のエラーを決定して補償するという複雑な操作が必要になってしまう。

しかしながら、上記のようにこの種の方法でも、いくらかのエラーを取り除くことはできるが、各検出器の利得係数のばらつきと不安定性に起因するような系統誤差、検出器に到達する前の各ビーム強度におけるばらつきと不安定性、及び、離散的な光学部品により送信される各ビームの経路長のばらつきと不安定性は除去することができない。

本発明は、以上のような課題を解決するためになされたもので、直交偏光する物体ビームおよび参照ビーム間の位相差をより正確に測定できる、コンパクトな光学部品を複合してなるモノリシック偏光タイプの直交位相検出器を提供することを目的とする。

本発明は、上記の目的を達成するために、入力ビームに含まれる互いに直交する偏光成分間の位相差を検出するモノリシック直交位相検出器において、前記入力ビームを２本のビームに分ける第１の接合面を有する第１のプリズムと、この２本のビームを４本のビームに分ける第２の接合面を有する第１のビームスプリッタと、前記ビームのうち少なくとも２本のビームについて相対的に所定位相差を付ける位相シフト部材と、偏光子を前面に配置すると共に前記第１のビームスプリッタから出力されるビームのいずれか各２本のビームをそれぞれ入力して、この偏光子を通過して発生した干渉光を受光して検出信号を出力する第１および第２の検出器と、を備えたことを特徴とする。

また、本発明は、上記の目的を達成するために、入力ビームに含まれる互いに直交する偏光成分間の位相差を検出するモノリシック直交位相検出器において、前記入力ビームを２本のビームに分ける第１の接合面を有する第１のプリズムと、この２本のビームの一方を２本のビームに分ける第２の接合面を有する第１のビームスプリッタと、前記２本のビームの他方を２本のビームに分ける第３の接合面を有する第２のビームスプリッタと、前記ビームのうち少なくとも２本のビームに相対的に所定位相差を付ける位相シフト部材と、偏光子を前面に配置すると共に前記第１のビームスプリッタおよび前記第２のビームスプリッタから出力されるビームのいずれか各２本のビームをそれぞれ入力して、この偏光子を通過して発生した干渉光を受光して検出信号を出力する第１および第２の検出器と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、レーザ干渉計測装置等からの１本のビーム中の直交偏光成分を４本のビームに分光するとともにそれぞれに対して相対的な位相シフトを与えて、直交偏光成分間で干渉を起こさせて同時に４相の干渉信号を検出可能な、コンパクトな光学部品を複合してなるモノリシック偏光タイプの直交位相検出器を提供可能である。特に１本のビームから４相信号を得るので、ＤＣオフセットの補正が簡単に行えて、かつ複雑な光学調整が不要であり、さらにモノリシック光学部品により小型に構成可能という顕著な効果が得られる。

図1は、本発明に係るコンパクトなモノリシック直交位相検出器を使用した典型的なレーザ干渉計測装置１の概要を示す。
まず、レーザ光源１０はコヒーレント光を発生させる。このコヒーレント光は光ファイバ１１へ入力され、入力光を平行光にするコリメーティングレンズ１４、および、オプションの波長測定装置１２（充分な距離または変位測定の精度を保証するために必要に応じて備える）へ分光される。

次に、コリメーティングレンズ１４からの光は、偏光ビームスプリッタ２０へ入射され、この偏光ビームスプリッタ２０の接合面で「Ｐ」偏光（紙面内の電界ベクトル）成分は透過されると共に、「Ｓ」偏光（紙面に対して垂直な電界ベクトル）成分は反射される。この偏光ビームスプリッタ２０の接合面を透過したＰ偏光は、いわゆる参照ビーム４０になり、１／４波長板２２に入射されて回転偏光を生じる。さらに参照ビーム４０は基準ミラー２４上へ照射され反射される。この結果、参照ビーム４０は基準ミラーで反射および１／４波長板２２を２回通過することにより１８０度位相シフトされると共に、偏光方向は入射時の参照ビームに対して相対的に９０度回転される。戻り時の参照ビーム４０は偏光ビームスプリッタ２０の接合面で今度は反射され検出装置１００へ向けられて、検出器入力ビーム６０の中の直交偏光成分の１方を形成する「Ｓ」偏光成分（紙面に垂直な電界ベクトル）を構成することになる。

一方、偏光ビームスプリッタ２０により反射された入射光ビームのＳ偏光成分は、いわゆる物体ビーム５０になる。この物体ビーム５０はもう一方の１／４波長板２３へ入射されて円偏光を生じる。次に物体ビーム５０は、発散レンズ２７ａおよび集束レンズ２７ｂを含む集束装置２７によりサンプル２６の表面に集光される。物体ビーム５０は、サンプル２６の表面で反射されて、１／４波長板２３および偏光ビームスプリッタ２０に向けられる。反射における位相シフトおよび２度の１／４波長板２３の通過によって、戻り時の物体ビーム５０の偏光方向は、入力時の物体ビームと相対的に９０度回転された状態となり、検出器入力ビーム６０の直交偏光成分の他方を形成する「Ｐ」偏光成分（紙面内の電界ベクトル）を構成することになる。

次に、検出器入力ビーム６０は検出装置１００に入力される。ここで偏光子を使い再合成されたビームを分析して、検出器入力ビーム６０の干渉成分強度を測定することによって、検出装置１００は物体ビーム５０と参照ビーム４０間の位相差を決定する信号を出力する。物体ビーム５０および参照ビーム４０間の位相差は物体ビームおよび参照ビームの光学距離の違いを表し、サンプル２６表面の変位は、物体ビーム５０と参照ビーム４０間の位相差変化に関係してレーザ光源の光の波長に基づいて測定可能である。

図1に示される構成により、サンプル表面の単一ポイントにおける変位を検出可能であるが、本発明はこの構成に限定されることなく、さらに、適切な集束装置２７および直交位相を検出可能な「線形」の一次元または二次元の光検出器アレイで検出装置１００を構成可能である。すなわち、図１に示すのと類似したサンプル２６の表面の線形の一片上に物体ビーム５０を投射して、サンプル２６の表面上で物体ビーム５０のフォーカスされたポイントをスキャンすれば、一次元または二次元の光検出器アレイ検出装置１００を使用して線形に沿って種々の位置でサンプルの表面の変位を検出可能な表面輪郭測定装置を構成することも可能である。

さらにまた、表面の二次元輪郭を測定するために、物体ビームでサンプル２６の表面をスキャンすることが可能である。あるいは、集束装置２７の代わりに平行光にする装置が用いられ、かつ、「二次元」直交位相検出器である検出装置１００が二次元光検出器アレイを含む場合、表面の二次元輪郭を測定するために、図1に示すのと類似したサンプル２６の表面の２次元の部分上に物体ビームを投射可能な構成、を備えて、二次元検出器装置である検出装置１００を使用してパッチの範囲内で種々の位置で表面の変位を検出可能に構成することもできる。

図１に示された直交位相を検出する検出装置１００について、以下図２乃至６を用いてさらに詳細に説明する。図２に示されるコンパクトなモノリシック直交位相検出器である検出装置１００は、次の４つの信号を発生させる：同相信号A、同相直交信号C、異相信号B、異相直交信号D。参照ビーム４０と物体ビーム５０の干渉光の位相Φとすると、それぞれの検出器により測定される各信号は、例えば、以下の通りとなる：

ここで、V_A, V_B, V_C, V_DはA, B, C, Dの振幅であり、DC_A, DC_B, DC_C, DC_DはA, B, C, DのDCオフセットである。検出器が前もって較正される場合、DC_A = DC_BおよびDC_C = DC_Dとなる。加えて、レーザ強度が測定期間を通じてほぼ一定であるので、V_A = V_B = V_C = V_Dまたは他の信号はV_A, V_B, V_C, V_Dの系統的な差分のために修正することができる。例えば、ビームスプリッティング面であるビームスプリッタの接合面の透過度および反射度の変動は、測定および修正可能なV_A, V_B, V_C, V_Dの変化を引き起こす。 sin(Φ+90) = cosΦ および sin(Φ+180) = -sinΦ から、以下の方程式により、位相差Φを決定することが可能である：

これによりレーザ干渉計側装置１の２本のビーム、参照ビーム４０と物体ビーム５０の間の位相差Φが求められる。

直交位相検出する検出装置１００の特徴は、各信号A, B, C, Dを入力ビームから全て取得できる点にある。この手段では、入力ビームのビーム強度プロファイルのいかなる変化も等しくA, B, C, Dの各測定に影響を及ぼすため、オフセット誤差は除去可能である。上記式（５）によれば、差分信号 A-B および C-D によって、同相モードDCオフセット誤差DC_A, DC_B, DC_C, DC_Dのほとんどは除去または減少させる。さらにまた、比率 (A-B)/(C-D) を計算することで、例えばレーザ強度変化によって生じる信号の振幅V_A, V_B, V_C, V_Dの変化を除去または減少させる効果が得られる。最後に、更に以下に示すように、直交性エラー（位相誤差）は同様に補償、または別途較正可能である。

また、上の式（５）に示されるアークタンジェント関数に、 A-B = arg1 および C-D = arg2 として、４象限逆タンジェント関数 atan2(arg1, arg2)（市販の数値計算用ソフトで一般的に見られる）が、使われる。 atan2関数は、2つの独立変数の符号に基づいて結果として生じる角度の象限を、-π/2 と +π/2 ではなく -π と +π 間の値で特定できるという利点を有する。これは、式（５）の固有の潜在的曖昧さを解決するための特別な処理を不要とする。

直交位相を検出する検出装置１００’は、４つの被測定信号に結果としてなるユニークなビームスプリッティング装置を備える。検出器装置１００’の最上位には、図２に示すように、プリズム１０４を構成する２つの30-90-60度のプリズム１０４ａ，１０４ｂを備える。この２つのプリズムは、図2に示されるように、２つの45-90-45度のプリズム１１０ａ，１１０ｂを含む透過/反射の比率が50/50の無偏光タイプのビームスプリッタ１１０上に配置される。図２に示すように、２つのプリズム間の第１の接合面１０７で、2つの30-90-60度のプリズム１０４ａおよびプリズム１０４ｂは、入力ビーム１０２を二つのビーム１０６，１０８に分ける。

１つのプリズムの30度の部位と90度の部位をそれぞれ他のプリズムの30度の部位と90度の部位に隣接するように、プリズム１０４ａとプリズム１０４ｂは配置される。光がプリズム１０４ａとプリズム１０４ｂ間の接合面に入射角30度で入射される場合、50/50比率で反射されるサブビームと透過されるサブビームに分けられる。入力ビーム１０２は、侵入面１０３に対して垂直であり、従って、接合面に入射角30度で入射され、50/50でビーム１０６と１０８に分けられる。

この接合面１０７で反射されたビーム１０６は、空気との接合面に臨界角を上回る角度、例えば、1.5の屈折率を有しているプリズムであればおよそ41.8度以上で入射される。従って、ビーム１０６は全反射されて、ビームスプリッタ１１０に向けられる。一方、接合面１０７で透過されたビーム１０８は、空気との接合面に臨界角を上回る角度で入射される。従って、ビーム１０８は、同様に全反射されて、ビームスプリッタ１１０に向けられる。

ガラスと空気の接合面におけるビーム１０６および１０８の総内部反射は、（６）式によって、与えられる各々のビーム１０６および１０８のＰおよびＳ成分の間で相対的位相シフトΔ^(TIR)をもたらす：

δ_P および δ_S はビーム１０２のPおよびS偏光成分の各位相シフトである。そして、θは入射角、 n_A は空気の屈折率、 n_G はガラスプリズムの屈折率である。ビーム１０２のSおよびP偏光成分が相対的にシフトされるにもかかわらず、入射角および屈折率が変化しない限り、位相シフトは一定である。その結果、位相シフトは位相オフセットに影響して式（１）−（４）となり、従って、式（５）によって、与えられる位相差Φの算出に固定オフセットを与えるだけであり、本願明細書において、記載されている干渉計の多くの他の典型的用途のように、サンプル２６の表面の変位または輪郭を決定する場合、この固定オフセットは物体および参照径路の長さ間の初期または固有の径路長差分と同じ効果を有していて、基本的に重要でない。

次に、ビームスプリッタ１１０は、図２に示すように、第２の接合面１１２において、ビーム１０６および１０８を４本の出力ビームに分けることができる。すなわち、第２の接合面１１２で反射されて２本のビーム１１４および１１６、および、第２の接合面１１２において透過されて２本のビーム１１８および１２０が得られる。次にビーム１１４および１１６は検出器１３０および１３２により検出され、ビーム１１８および１２０は検出器１３４および１３６により検出される。検出器１３０および１３２は２つの個々の検出器、または、一つの検出器を二等分して使う（例えば電荷結合素子（CCD）検出器アレーエリアの片側半分）ことができる。同様に、検出器１３４および１３６も２つの個々の検出器、または、一つの検出器を二等分して使うことができる。

図２の装置において、反射ビームと透過ビームのSおよびP偏光間に相対的位相差をもたらすために、プリズム１０４のビームスプリッティング面である接合面１０７、及び、ビームスプリッタ１１０のビームスプリッティング面である接合面１１２は、例えば、多層薄膜をコーティングすることができる。例えば、接合面１０７は、透過光であるビーム１０８に対して０度位相シフトおよび反射光であるビーム１０６に対して１８０度位相シフトをもたらすようにコーティングすることができる。従って、

ここで、 δ_S ^(T1), δ_S ^(R1) は、それぞれ、接合面１０７の透過と反射のS偏光成分の位相シフトであり、 δ_P ^(T1), δ_P ^(R1) は、それぞれ、接合面１０７の透過と反射のP偏光成分の位相シフトである。そして、 Δ_T1 および Δ_R1 は、それぞれ接合面１０７における透過および反射によるSおよびP偏光成分間に生じる位相差分である。次に、接合面１１２において反射したビーム１１４と１１６に対して90度位相シフト、透過したビーム１１８と１２０に対して0度位相シフトをもたらすように接合面１１２に多層薄膜コーティングを備えることができる。

ここで、それぞれ、Δ_T2 および Δ_R2 は、それぞれ接合面１１２における透過および反射によるSおよびP偏光成分間に生じる位相差分である。

この実施において、ビーム１１８が接合面１０７で透過されることによる0度の位相シフトおよび接合面１１２で同様に透過されることによる0度の位相シフトを累積するので、式（１）に従って、ビーム１１８は、信号Aを発生させる。ビーム１２０が接合面１０７で反射されることによる180度の位相シフトおよび接合面１１２で透過されることによる0度の位相シフトを累積するので、式（２）に従って、ビーム１２０は、信号Bを発生させる。

ビーム１１４が接合面１０７で透過されることによる0度の位相シフトおよび接合面１１２で反射されることによる90度の位相シフトを累積するので、式（３）に従って、ビーム１１４は、信号Cを発生させる。ビーム１１６が接合面１０７で反射されることによる180度の位相シフトおよび接合面１１２で反射されることによる90度の位相シフトを累積するので、ビーム１１６は、式（４）に従って信号Dを発生させる。

２つの偏光子１２２は、ビーム１１４、１１６、１１８および１２０にそれぞれ含まれているS偏光成分とP偏光成分を互いに干渉させるように偏光方向を規定して取り付けられている。好ましくは、偏光子１２２の偏光透過軸の向きをやってくるビームのSおよびP偏光の方向に対して45度または-45度で向きを規定するのがよい。

この偏光子１２２は、検出器１３０、１３２、１３４および１３６の前面に直接配置できる。従って、信号Aは検出器１３４による出力、信号Bは検出器１３６による出力、信号Cは検出器１３０による出力、そして、信号Dは検出器１３２による出力である。信号A, B, C, DはSおよびP偏光間の位相差を得るために式（５）に従って組み合わせることが可能である。そして、それは、レーザ干渉計側装置１の参照ビーム４０および物体ビーム５０との間の径路長（使用光波長の剰余）の差分を表す。サンプル２６の表面までの距離の変化は、光の波長、及び、参照ビーム４０および物体ビーム５０の相対的位相差の変化（必要に応じて位相回転の数が累積される）に基づいて測定される。

上記説明、及び、図２に関する説明から、式（１）−（４）に従って４つの信号A, B, C, Dを発生させることができる多くの他の実施態様がある。他の実施態様は、下記表１にリストされる。

Δ_T1+Δ_T2 の欄は、第1の接合面１０７（Δ_T1）で透過されて、第2の接合面１１２（Δ_T2）で透過されたビーム１１８に対応する。Δ_T1+Δ_R2 の欄は、第1の接合面１０７（Δ_T1）で透過されて、第2の接合面１１２（Δ_R2）で反射されたビーム１１４に対応する。 Δ_R1+Δ_T2 の欄は、第1の接合面１０７（Δ_R1）で反射されて、第2の接合面１１２（Δ_T2）で透過されたビーム１２０に対応する。 Δ_R1+Δ_R2 の欄は、第1の接合面１０７（Δ_R1）で反射されて、第2の接合面１１２（Δ_R2）で反射されたビーム１１６に対応する。リストに記載された各出力チャネル欄の値は、表１（全て度単位）の最初の４つの欄のコーティング使用による位相シフトによって、ビームにもたらされる種々の相対的位相シフトである。

表１の第１行は、透過ビームに対して0度の位相シフトと反射ビームに対して180度の位相シフトをもたらす第１の接合面１０７、及び、透過ビームに対して0度の位相シフトと反射ビームに対して90度の位相シフトをもたらす第２の接合面１１２と、を備えた上記第1の実施形態に対応する。残りの行は、その他の実施態様である。図２から分かるように、他の実施態様は、ビームが生成する信号A, B, C, Dを変化させる。例えば、表１の第２の行で、第２の接合面１１２は、透過ビーム（反射ビームよりむしろ）に、90度の位相シフトをもたらすことができる。この状態では、ビーム１１４は信号A、ビーム１１６は信号B、ビーム１１８は信号C、ビーム１２０は信号Dをそれぞれ発生させる。

位相シフトをもたらすコーティングは周知であり、しばしば、例えばMgFl、Al2O3、TiO2、SiO2およびSiNで構成される。この種のコーティングは、例えばRocky Mountain Instrument Company of Lafayette（アメリカ合衆国コロラド州）などのカスタムメイドのオプティカルコーティング設計製造サービス会社により提供可能である。加えて、この種のコーティングは、オプティカルコーティング（例えばThin Film Center, Inc., Tuscon, AZから入手可能な"The Essential Macleod"ソフトウェアおよびSoftware Spectra, Inc., Portland, OR, USAから入手可能な"TFCalc"ソフトウェア）を設計するための市販のソフトウェアパッケージを使用して設計できる。コーティングは典型的に多層であり、各層が異なる屈折率を有する。そして、所望の位相シフトを得るために厚みが選択される。通常、これらの多層コーティングは、透過および反射の振幅出力を±3%の範囲で等しくなるように規定することが可能である。反射および透過のSおよびP偏光間の位相シフトは、約±10度、または、±5度で規定できる。従って、２つのコーティングにおけるSおよびP偏光間の出力位相シフトの不確定度の範囲は10-20%であることが期待できる。これは、700ｎｍ波長で動作する場合、測定される距離または変位の不確定度は、約70-140ｎｍに相当することになる。

第１の接合面１０７および第２の接合面１１２でもたらされる位相シフトが所望の値に完全一致するように制御されない場合であっても、本発明のモノリシック直交位相検出器である検出装置１００’は種々の位相シフトの偏差を打ち消すように較正することができる。例えば、モノリシック直交位相検出器である検出装置１００’は参照ビーム４０の長さおよび物体ビーム５０の長さが公知であるレーザ干渉計側装置１に取り付けられ、検出装置１００’によってもたらされる実際の位相シフトは、周知の方法に従って測定および／または較正できる。あるいは、検出装置１００’は、少なくとも2つの既知、または、それぞれ測定されて波長が求められる光源を有しているレーザ干渉計側装置１に取り付けることができる。既知またはそれぞれ測定された波長で得られた検出装置１００’の出力を分析することによって、検出装置１００’によってもたらされる実際の位相シフトは、周知の方法によって、測定および／または較正できる。

各々の検出器１３０，１３２，１３４および１３６は、電荷結合素子（CCD）アレイまたは他のマルチピクセルアレイ検出器で構成できる。あるいは、各々の検出器１３０，１３２，１３４および１３６は、検出器表上に集積された光強度と比例して単一の信号を出力する、単純な、モノリシックのフォトディテクタでも構成できる。

図３は、他の典型的なコンパクトなモノリシック直交位相検出器である検出装置２００を示す。位相を調整するプレート（よく遅延板と称される）の包含を除いて、検出装置２００は、図２に示された検出装置１００’と同様、２つの無偏光のプリズム２０４および無偏光のビームスプリッタ２１０を有して、２つの接合面２０７および２１２で入力ビーム２０２を４本のビーム２１４，２１６，２１８および２２０に分ける。

ビーム２１４および２１８は、２つの位相調整板（例えば1/4波長板２４０および２８０）を通り抜けるようにすることができる。1/4波長板２４０および２８０を通り抜けた後に、ビーム２１４および２１８は、偏光子２２２および検出器２３０および２３４上に入射される。接合面２０７および２１２によってもたらされる位相シフトに加えて、1/4波長板２４０および２８０は、SおよびP偏光間に付加的な位相シフトをもたらす。1/4波長板２４０および２８０は、所望の量、SおよびP偏光間の相対的位相を調整、および／または、シフトするために用いることができる。ガラススペーサ２５０および２６０は、ビーム２１６および２２０の光学距離を補償するために図示するように加えることができる。また、同様の目的を達成するために、種々の位相調整量を有している位相調整板をさらに備えても構わない。位相調整板の追加は、例えば、接合面２０７によってもたらされる位相シフト間の測定されるオフセットを調整するために、検出装置１００’と同様の校正手順で行うことができる。

また、接合面２０７と２１２によってもたらされる公称位相シフトに加えて、1/4波長板２４０および２８０はSおよびP偏光間の1/4波長以外の選択された公称位相シフトをもたらし、名目上、所望の相対的位相シフトはそれぞれの検出器で検出可能となる。それぞれの検出器で検出される干渉ビーム間の所望のSおよびP偏光間の各公称位相シフトは、接合面２０７および２１２によってもたらされる位相シフトの方はほとんどなくし、1/4波長板240および280によって完全に提供されるように設計することも可能である。また、1/4波長板２４０および２８０は、SおよびP偏光間の1/4波長以外の特定の位相シフトを提供するために、有効な種々のプレートから選択された波長板に変更して較正または補償することができる。このようにして、ビームスプリッタ２０７と２１２よりもたらされた特定の位相シフトに加え、所望の許容範囲内で特定の位相シフトを各ビームにもたらした上で各検出器が位相信号を検出するように構成可能である。

図４は、他の典型的なモノリシック直交位相検出器である検出装置３００を示す。検出装置３００において、45-90-45度のビームスプリッタは、２つのサブキューブ３１０および３２０に分けられる。各サブキューブ３１０および３２０は、一対のプリズム、３１０ａと３１０ｂ、および、３２０ａと３２０ｂから構成され、２つの接合面３１２および３２２が配置される。接合面３１２および３２２は、各ビームを偏光子３３０’、３３２’、３３４’および３３６’を通過させてから、検出器３３０，３３２，３３４および３３６に入射させる。同時に、検出器３３２および３３６を同一の検出器または検出器アレー（別々の出力信号を提供することが可能な）の２つの部分から構成することができる。

ビームスプリッタが2つのサブキューブ３１０および３２０に分けられるので、検出装置３００は組み立てがより容易であると同時によりコンパクトでもあるという利点を有する。組立ての利点は、例えば、検出装置３００が同時に２つの表層（例えばプリズム３０４ａの下面に対するプリズム３１０ａの上側面）の接着、及び、プリズム３０４ｂの下面にプリズム３２０ａの接着を必要とするだけであるという点からも明らかである。逆に、検出装置１００’（２００も同様に）は、ビームスプリッタ１１０の表面に、プリズム１０４ａおよび１０４ｂの両方の下面の接着を必要とする。プリズム１０４ａおよび１０４ｂが各々付属品によって、すでに拘束されるように、これは若干の組立て上の問題点がある。一般的に、互いに自由に動ける2つの面を接着するのに比較して、特定の方向にすでに拘束されている２つの面を正確に一緒に接着することは比較的難しい方法である。従って、検出装置３００が検出装置１００’（および２００と）比較して、パーツ数は多いにもかかわらず、小型でしかも組み立てが容易であるという利点を有する。

検出装置３００は検出装置１００’よりコンパクトであり、すなわち、サブキューブ３１０および３２０はビームスプリッタ１１０の四分の一の大きさである。サブキューブの典型的寸法は10mm×10mmであり、これで直径4mmの入力ビームを扱うに十分なクリアランスを提供可能である。30-90-60度のプリズム３０４ａおよび３０４ｂの三角形は20mmの長辺（斜辺）および10mmの短辺を有する。従って、この短辺はサブキューブ３１０および３２０に長さと一致する。

検出装置３００は、２つの別々の接合面３１２および３２２にそれぞれ異なったコーティングを有して、各接合面で透過、反射されるビームに対して４つの異なった位相シフトをもたらすように構成可能である。この特徴は、接合面３０７、３１２および３２２を覆っているオプティカルコーティングの設計に関して、より大きな柔軟性を提供可能である。検出器３３０，３３２，３３４および３３６に到達する４つのビームは、いかなる順序でも、SおよびP成分間の総累積された相対的位相シフトがほぼ0，90，180および270度である限りは、ビームスプリッティングのいかなる組み合わせも３つのビームスプリッティング接合面として選択可能である。

図５は、他の典型的なモノリシック直交位相検出器である検出装置４００を示す。45-90-45度のビームスプリッタが2つのサブキューブ４１０および４２０に分けられるという点で、検出装置４００は検出装置３００と同様である。さらに詳しくは図６に示されるように、サブキューブ４１０は一対のプリズム４１０ａ，４１０ｂで構成され、サブキューブ４２０は同様に一対のプリズム４２０ａ，４２０ｂで構成される。検出装置４００において、サブキューブ４１０および４２０は、図４に示される検出装置３００に比較して対応する部材をそれぞれ時計回りおよび逆時計周りにそれぞれ回転して配置されている。従って、図５において、接合面４１２および４２２は裏側に回っているので図面上では見られない。

図６は、モノリシック直交位相検出器である検出装置４００の側面図である。対応する検出器４３０および４３４と共に、接合面４１２および４２２は、側面図において示されている。図５および６に示すようにビームスプリッタの接合面の向きを定めることによって、単一の検出器を２つの部分に分けて、それぞれ別々の出力信号を提供するようにして、例えば、単一のCCD撮像素子アレイの2つの隣接部分で、検出器４３０および４３４を構成することができる。従って、図５および６に示される検出装置４００は、図４に示される検出装置３００と同様にコンパクトに構成可能である。すなわち、検出装置３００は3つ検出器が必要であるのに対して、検出装置４００は２つの検出器だけで構成可能である。さらにまた、サブキューブ４１０および４２０のビームスプリッタの接合面は、同じ平面に整列配置可能であるので、従って、共通の接合面に沿ってプリズム４１０ａと４２０ａを併合した等価物、及び、共通の接合面に沿ってプリズム４１０ｂと４２０ｂを併合した等価物により、共通接合面に沿って2つのサブキューブ４１０および４２０を併合して長い一つのビームスプリッタに替えて提供することで、パーツの数を削減可能である。

図７は、モノリシック直交位相検出器である検出装置１２００を使用して物体ビームおよび参照ビーム間の位相差を算出するために用いるシステム１０００を例示する。このシステム１０００は、コントローラ１３００、メモリ１４００、減算装置１５００、除算装置１６００、アークタンジェント装置１７００、そして、出力装置１８００、を備える。上述した各装置１３００〜１７００はバス１９００に連結される。または、各装置１５００〜１７００は、ソフトウェアとしてメモリ１４００に格納されてコントローラ１３００において、実行するように構成することも可能であり、また、ハードウェア回路、例えば、特定用途向け集積回路(ASIC)として構成することも可能である。各装置１３００〜１８００の機能を実行するいかなるハードウェアもまたはソフトウェア実装は、これらのシステム及び方法を実施するために利用可能である。

コントローラ１３００は、例えば、バスまたはケーブル１３５０を介して、モノリシック直交位相検出器である検出装置１２００から出力信号を受け取るように連結される。検出装置１２００は、上記の検出装置１００’〜４００のいずれかとすることができる。コントローラ１３００は、図２に関して上記したように、A、B、CおよびD信号を集めて、値（ＡＤ変換された値）をメモリ１４００に保存する。次に減算装置１５００は、信号Aおよび信号Bの値をメモリから取り出して、信号Aおよび信号B間の第１の差分を算出すると共にこの第１の差分をメモリ１４００に保存する。次に減算装置１５００は、信号CおよびDの値をメモリ４００から取り出して、信号Cおよび信号D間の第２の差分を算出すると共にこの第２の差分をメモリ１４００に保存する。

次に除算装置１６００は、減算装置１５００によってメモリ１４００に格納された第１と第2の差分をそれぞれ取り出して、第１の差分を第２の差分で除算して、算出された除算値をメモリに保存する。次にアークタンジェント装置１７００は、この除算値および第１および第２の差分の符号をメモリ１４００から取り出して、除算値および符号からアークタンジェントに対応する位相角を算出して、出力装置１８００に位相角として出力する。出力装置１８００は、例えば、ディスプレイ、他のコントローラまたは他のメモリで構成可能である。

上記動作により対処されない信号A，B，CおよびDと関連する種々のエラーを測定及び補償または較正するために、付加的な装置をこのシステム１０００に備えることが可能である。例えば、直交性エラー（すなわち種々の光学干渉信号にもたらされる所望の相対的位相シフトにおけるエラー）または種々の振幅誤差は、干渉計、光学式エンコーダ、などの同様の直交信号に由来するリサージュパターンに基づいての修正、較正および／または補償するための周知の方法と装置により対処可能である。

図８は、モノリシック直交位相検出器の1つの構成を用いて干渉計の物体ビームおよび参照ビームの間で位相シフトを得る典型的な方法を例示しているフローチャートである。ステップS100に始まり、ステップS200において、直交偏光する物体ビームおよび参照ビームの成分を有している入力ビームが、モノリシック直交位相検出器へ入力される。次にステップS300において、入力ビームは、コーティングを含む第１のビームスプリッティング接合面により二光波に分けられると共に、各ビームに含まれる２つの直交偏光成分間に相対的位相シフトがもたらされる。次にステップS400において、この二光波は、コーティングを含む第２のビームスプリッティング接合面により４つの異なる相対的位相シフト0、180、90および270の４つのビームA、B、CおよびDに分けられると共に、同様に、各ビームに含まれる直交偏光成分間に付加的な相対的位相シフトがもたらされる。

ステップS500において、ビームA、B、CおよびDは、偏光子を通過して検出器上へ向けられる。ステップS600において、ビームA、B、CおよびDの強度が測定される。ステップS700において、第１の差分A-Bおよび第２の差分C-Dが測定される。ステップS800において、C-Dに対するA-Bの比率が求められる。ステップS900において、A-B/C-Dの比率のアークタンジェントおよび差分A-BおよびC-Dの符号は、直交偏光する物体および参照ビーム間の位相差を測定するために分析される。ステップS1000において、位相差値が出力される。ステップS1100で処理終了となる。

上記のように最適な実施態様について詳細に説明した、本発明はこれに限定されることなく種々の変更態様が可能である。例えば、モノリシック直交位相検出器は、他の光学素子（例えば付加的な1/4波長板または半波長板、レンズおよびフィルタ）を含んでもよい。また、遅延板による遅延効果がビームの偏光成分間に所望の相対的位相シフトを与えるが、特に偏光子要素に隣接して配置する必要はなく、偏光子の上流の光路中であればどこに配置してもよい。さらにまた、遅延板は複数備えてもかまわない。加えて、0、90、180および270度と異なる位相シフト値が、補完的な信号処理と連動して使われてもよい。例えば、0、120、240度の相対的位相シフトの出力を３つの位相検波器へ提供するように設計してレーザ干渉計測装置に適用することも。

本発明に係るモノリシック直交位相検出器を備えたレーザ干渉計装置の概要構成を示す図である。本発明に係るモノリシック直交位相検出器の好適な実施形態である。図２に示された本発明に係るモノリシック直交位相検出器を改良した実施形態である。本発明に係るよりコンパクトなモノリシック直交位相検出器の好適な実施形態である。図４に示された本発明に係るモノリシック直交位相検出器を改良した実施形態の正面図である。図5に示された本発明に係るモノリシック直交位相検出器の側面図である。本発明に係るモノリシック直交位相検出器を使用したシステム構成を示す図である。本発明に係るモノリシック直交位相検出器の使用方法のフローチャートである。

符号の説明

１・・・レーザ干渉計測装置、１０・・・レーザ光源、１１・・・光ファイバ、１２・・・波長測定装置、１４・・・コリメーティングレンズ、２０・・・偏光ビームスプリッタ、２２，２３・・・1/4波長板、２４・・・基準ミラー、２６・・・サンプル、２７・・・収束装置、４０・・・参照ビーム、５０・・・物体ビーム、６０・・・検出器入力ビーム、１００，１００’，２００，３００，４００・・・検出装置、１０２・・・入力ビーム、１０３・・・侵入面、１０４・・・プリズム、１０７・・・第１の接合面、１１０・・・ビームスプリッタ、１１２・・・第２の接合面、１２２，２２２・・・偏光子、１３０，１３２，１３４，１３６・・・検出器、２０４・・・無偏光プリズム、２１０・・・無偏光ビームスプリッタ、２４０，２３４・・・1/4波長板、２５０，２６０・・・ガラススペーサ、３１０，３２０・・・サブキューブ

Claims

入力ビームに含まれる互いに直交する偏光成分間の位相差を検出するモノリシック直交位相検出器において、
前記入力ビームを２本のビームに分ける第１の接合面を有する第１のプリズムと、
この２本のビームを４本のビームに分ける第２の接合面を有する第１のビームスプリッタと、
前記ビームのうち少なくとも２本のビームについて相対的に所定位相差を付ける位相シフト部材と、
偏光子を前面に配置すると共に前記第１のビームスプリッタから出力されるビームのいずれか各１本のビームを入力して、この偏光子を通過して発生した干渉光を受光して検出信号を出力する第１および第２の検出器と、
を備えたことを特徴とするモノリシック直交位相検出器。
請求項１において、偏光子を前面に配置すると共に前記第１のビームスプリッタから出力されるビームをそれぞれ入力して、この偏光子を通過して発生した干渉光を受光して検出信号を出力する第１乃至第４の検出器を備えたことを特徴とするモノリシック直交位相検出器。
請求項１において、前記位相シフト部材は、前記第１の接合面に備えられた第１の位相シフトコーティングであることを特徴とするモノリシック直交位相検出器。
請求項１において、前記位相シフト部材は、前記第２の接合面に備えられた第２の位相シフトコーティングであることを特徴とするモノリシック直交位相検出器。
請求項１において、前記位相シフト部材は、１／４波長板であることを特徴とするモノリシック直交位相検出器。
請求項３乃至５において、前記ビームの位相を調整する位相調整板をさらに備えたことを特徴とするモノリシック直交位相検出器。
請求項１において、前記第１のプリズムは３０−９０−６０度のプリズム要素から構成されると共に前記第1の接合面における透過／反射の比率は５０／５０であることを特徴とするモノリシック直交位相検出器。
請求項１において、前記第１のビームスプリッタは４５−９０−４５度のプリズム要素から構成されると共に前記第２の接合面における透過／反射の比率は５０／５０であることを特徴とするモノリシック直交位相検出器。
入力ビームに含まれる互いに直交する偏光成分間の位相差を検出するモノリシック直交位相検出器において、
前記入力ビームを２本のビームに分ける第１の接合面を有する第１のプリズムと、
この２本のビームの一方を２本のビームに分ける第２の接合面を有する第１のビームスプリッタと、
前記２本のビームの他方を２本のビームに分ける第３の接合面を有する第２のビームスプリッタと、
前記ビームのうち少なくとも２本のビームに相対的に所定位相差を付ける位相シフト部材と、
偏光子を前面に配置すると共に前記第１のビームスプリッタおよび前記第２のビームスプリッタから出力されるビームのいずれか各１本のビームを入力して、この偏光子を通過して発生した干渉光を受光して検出信号を出力する第１および第２の検出器と、
を備えたことを特徴とするモノリシック直交位相検出器。
請求項９において、偏光子を前面に配置すると共に前記第１のビームスプリッタおよび前記第２のビームスプリッタから出力されるビームをそれぞれ入力して、この偏光子を通過して発生した干渉光を受光して検出信号を出力する第１乃至第４の検出器を備えたことを特徴とするモノリシック直交位相検出器。
請求項９において、前記位相シフト部材は、前記第１の接合面に備えられた第１の位相シフトコーティングであることを特徴とするモノリシック直交位相検出器。
請求項９において、前記位相シフト部材は、前記第２の接合面に備えられた第２の位相シフトコーティングであることを特徴とするモノリシック直交位相検出器。
請求項９において、前記位相シフト部材は、前記第３の接合面に備えられた第３の位相シフトコーティングであることを特徴とするモノリシック直交位相検出器。
請求項９において、前記位相シフト部材は、１／４波長板であることを特徴とするモノリシック直交位相検出器。
請求項１１乃至１４において、前記ビームの位相を調整する位相調整板をさらに備えたことを特徴とするモノリシック直交位相検出器。
請求項９において、前記第１のプリズムは３０−９０−６０度のプリズム要素から構成されると共に前記第1の接合面における透過／反射の比率は５０／５０であることを特徴とするモノリシック直交位相検出器。
請求項９において、前記第１のビームスプリッタ、および、前記第２のビームスプリッタは４５−９０−４５度のプリズム要素からそれぞれ構成されると共に前記第２の接合面、および、前記第３の接合面における透過／反射の比率は５０／５０であることを特徴とするモノリシック直交位相検出器。
請求項９において、前記第２の接合面、および、前記第３の接合面が連続した面となるように前記第１のビームスプリッタ、および、前記第２のビームスプリッタを並列に配置したことを特徴とするモノリシック直交位相検出器。