JP2007127643A

JP2007127643A - 光学干渉計

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Publication number: JP2007127643A
Application number: JP2006295311A
Authority: JP
Inventors: Greg C Felix; グレッグ・シー・フェリックス; John Bockmann; ジョン・ボックマン
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2005-11-03
Filing date: 2006-10-31
Publication date: 2007-05-24
Also published as: NL1035300A1; NL1032792A1; DE102006032267A1; NL1032792C2; US20070109552A1; CN1959336A; NL1035300C

Abstract

【課題】媒体の屈折率が変化しても安定して測定することが可能な干渉計を提供すること。
【解決手段】モノリシック光学素子(201,801)を含む光学干渉計(105)。
【選択図】図１

Description

本発明は光学干渉計に関する。

光学干渉計は正確な測定値が必要とされるときに有用である。たとえば、光学干渉計は半導体ウェーハのフォトリソグラフィ処理において使用される光学素子の動きの判定に使用される。そのような光学素子の動きを判定する際には、ナノメートル（１０^−９ｍ）台の精度又はそれ以上の精度が必要とされる。

光学干渉計は２本（又は、それ以上）の光ビームを有する。一方の光ビームは、理想的には、基準光路と呼ばれる一定長の光路に沿って誘導される。このビームは基準ビームと呼ばれる。他方の光ビームは１本の経路に沿って測定反射器に誘導される。測定反射器は移動する可能性がある要素に接続される。このビームは測定ビームと呼ばれる。測定ビームが進行する光路は、測定光路と呼ばれる。

多くの既知の光学干渉計では、基準ビームと測定ビームは、互いに直交する直線偏光状態（正規直交方向ベクトル）を有する。また、直交する偏光状態の周波数は目的に応じて異なる。２つの直線偏光状態が直交しているので、光源（たとえばレーザヘッド）からの光を測定ビームと基準ビームに分離することができ、それらのビームは異なる光路を進行する。また、２つの直線偏光状態が直交しているので、基準ビームと測定ビームがそれぞれの光路を進行した後、それらのビームを再結合させることができる。

再合成された後、位相差が、一般的にはビート周波数として測定される。光源からの２本のビームに意図的に周波数差を与えることにより、基線ビート周波数又は差が得られる。既知の信号処理技術を使用して、測定光路と基準光路の差（ＯＰＬ）を求め、測定反射器の位置の変化を測定することができる。

ＯＰＬは、光が進行する媒体の屈折率に応じて変化することが知られている。干渉計測定システムにおいて正確な変位測定値を得るためには、測定ビームと基準ビームの光路全体が、概ね安定した屈折率を有する媒体（たとえば空気）の中になければならない。媒体の屈折率は、温度、圧力、湿度、及び媒体の成分によって変化することがあるため、概ね安定した屈折率を有する媒体を使用することは難しいことがある。

したがって、少なくとも上記の欠点を克服する干渉計が必要とされている。

本発明は一実施形態として、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）(204)と、前記ＰＢＳ(204)に対して実質的に平行な少なくとも１つの反射面(211)を有するモノリシック光学素子(201)を備えた光学干渉計(105)を提供する。

用語定義
本明細書で使用される場合、「モノリシック」手段という用語は、３以上の部品から構成され、それらの部品が互いに結合され、単一の構成要素を形成すること、又は１つの一体型部品から構成されることを意味する。たとえば、モノリシック素子は、互いに結合された複数の部品を有する場合もあれば、１つの材料（又は複数の材料）から成形される場合もあり、その材料（又は複数の材料）に幾つか素子が埋め込まれる場合もあれば、埋め込まれない場合もある。

実施例は、添付の図面を参照しながら、下記の詳細な説明を読むと、最も分かりやすいであろう。なお、種々の特徴は、必ずしも原寸通りに描かれてはいない。説明を分かり易くするために、実際には任意のスケールで寸法が拡大縮小されている。可能な限り、同様の構成要素には同じ参照符号を使用している。

下記の詳細な説明では、本明細書の教示による実施形態を完全に理解してもらうために、制限の意図はなく、説明を目的として、具体的な細部が開示された種々の実施形態について説明する。しかしながら、本明細書の開示の恩恵を受けた当業者には明らかなように、それらの特定の細部から外れた本明細書の教示による他の実施形態も、特許請求の範囲内にある。また、例示的な実施形態の説明が分かりにくくなることを避けるために、既知の装置及び方法に関する説明は省略する場合がある。当然ながら、それらの方法及び装置も本明細書の教示の範囲内である。

図１は、一実施形態による測定システム１００の側面図である。レーザ（図示せず）からの入力ビーム１０１は、反射を最小限に抑えてビーム１０１を実質的に透過させるように構成された光学素子１０２に入射する。入射光の反射を抑えるために、光学素子１０２に反射防止（ＡＲ）コーティングを施すと有効である。測定システム１００の構成要素のような障害物１０４を避けるために、入力ビーム１０１は表面１０３で反射され、概ね９０°だけ潜望鏡と同様にして回転する。

入力ビーム１０１は干渉計１０５に入射する。光ビーム１０１の一部は測定ビーム１０６として出力され、構造物（図示せず）に接続された測定反射器１０７に入射する。本明細書で詳しく説明するように、光１０６は、構造物の公称位置からの変位の測定値を得るのに役立つ。

干渉計１０５と測定反射器１０７の間の領域１０８にある媒体は、概ね安定した屈折率を有するように制御される。このように干渉計１０５と測定反射器１０７の間の媒体を制御することで、領域１０８における屈折率の変動を抑制することができる。当然ながら、これは構造物の動き以外の原因によるＯＰＬの変動の防止にも有効である。ただし、既に述べたように、媒体の屈折率を完全に制御することは難しいことがある。たとえば、構造物１０４付近の領域では、媒体の屈折率を安定させることは難しい。既知の測定システムでは、屈折率の不安定による光のＯＰＬの変動が原因で、測定誤差が発生することがある。これに対し、例示する実施形態の干渉計１０５では、測定光ビームが通過する構造物付近の領域における媒体の屈折率の変動によるＯＰＬの変動が、なくならないまでも大幅に低減される。

本測定システムの機能は既知の電子回路（図示せず）によって実現され、限定はしないが、例えばレーザヘッド、同調回路、フォトディテクタ、及び、測定システムに対して信号を入出力する光学素子等によって実現される。次に、測定光ビームと基準光ビームが結合され、結合された光ビームのビート周波数に基づいて、構造物の変位の測定が行われる。

本明細書で詳しく説明するように、例示する実施形態の干渉計によれば、干渉計の外に存在する光ビームを全て、概ね安定した屈折率を有する空間に置くことができる。

図２Ａは、一１実施形態による干渉計１０５を示す斜視図である。干渉計１０５は、レーザヘッド（図示せず）から入力光ビーム２０２を受光するモノリシック光学素子２０１を含む。入力光ビーム２０２は、反射防止コーティングを有する光学素子２０３を通過し、第１の反射面２１０で反射される。図示の例では、反射面２１０に対する光２０２の入射角が約４５°であるため、光２０２は実質的に内部反射され、その反射光は光２０２に対して実質的に直交する。まら、反射面２１０は、反射を向上させるための既知のコーティング又は層を更に有する場合がある。

干渉計１０５は、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）２０４及び再帰反射器２０５を更に含む。ＰＢＳ２０４は第１の反射面２１０に対して実質的に平行である。モノリシック光学素子２０１の中を通過した光は第２の反射面２１１に入射する。第２の反射面２１１は、モノリシック光学素子２０１の中を通過した光が約４５°の角度で入射するような向きを有する。この構成を使用した場合、第２の反射面２１１に入射した光は光２０７として内部的に実質的に全反射される。この光２０７は第２の反射面２１１に入射する光に対して概ね直交する。第１の反射面２１０及び第２の反表面２１１の向きは４５°以外であってもよい。ただし、実施形態によっては、第１の反射表面２１０と第２の反射表面２１１は、実質的に平行である場合もある。

光２０７はリターダ２０６を通過する。リターダ２０６は、そこを通過する際に、真空中で波長λを有する光２０７をｎλ＋λ／４（ｎ＝整数）だけ遅らせるように構成された四分の一波長リターダである。リターダは、そこに入射した光を概ね透過させるために、両側にＡＲコーティングを施すと有効である。光２０７は測定反射器１０７によって反射され、リターダ２０６を再び通過して、λ／２の相対位相シフトを受ける。したがって、光２０７は、半波長（λ／２）の偏光変換を受ける。したがって、モノリシック光学素子２０１から現れる一方の軸に沿って直線偏光された光は、再び素子２０１に入射し、第２の垂直な軸に沿って偏光されることになる。

光２０８も素子２０６を通過し、測定反射器１０７によって反射され、再び素子２０６を通過する。その結果光２０８は、π／２だけ回転された偏光状態を有するモノリシック光学素子２０１に入射する。

干渉計１０５は、モノリシック光学素子２０１上に配置された、もっと具体的にはＰＢＳ２０４上に配置されたもう１つのリターダ２０９を有する。リターダ２０９は、リターダ２０６と同様に、リターダ２０９を厚さ方向に通過する光をｎλ＋λ／４だけ遅らせるように構成された四分の一波長リターダである。ただし、リターダ２０６とは違い、リターダ２０９は上面が反射性であるため、リターダ２０９を通過した光は上面で反射され、リターダ２０９を再び通過する。したがって、その光はモノリシック光学素子２０１に入射し、モノリシック光学素子２０１を出る際に、元の偏光状態に対して直交する偏光状態を有することになる。

一実施形態によれば、モノリシック光学素子２０１は菱形であり、本願と同じ譲受人に譲渡されるBockmanによる米国特許第６，５４２，２４７号に開示された材料を使用し、その教示に従って製造することができる。

一実施形態において、リターダ２０６、２０９は、石英、マイカ、又は有機ポリマーのような多層誘電体スタックリターダ、又は複屈折素子であり、ｎλ＋λ／４の遅延を与えるＯＰＬを有するため、リターダを２度通過することにより、半波長相対位相シフトが実現される。一実施形態において、リターダ２０６、２０９はモノリシック光学素子２０１に光学的に結合され、再帰反射器２０５及び素子２０３はモノリシック光学素子２０１に固定され、同じ屈折率の接着剤を使用して接着される。したがって、リターダ２０６、２０９、再帰反射器２０５、光学素子２０３と、モノリシック光学素子２０１との間には、光学的境界が形成される。なお、次に説明する例示的実施形態における光学部品の多くは、同様にしてモノリシック光学素子２０１に光学的に結合される。

図２Ｂは、一実施形態による干渉計１０５を示す斜視図である。干渉計１０５は図２Ａに示した干渉計と実質的に同じものであるが、種々の構成要素及び光路の機能を示すために、モノリシック光学素子２０１は薄く描かれている。

光２０２は第１の表面２１０に入射し、図示のように直交する方向へ反射される。光２０２は２つの直行する直線偏光光成分を含み、各成分が特定の周波数を有している。なお、それらの光成分の周波数差の範囲は約２．０ＭＨｚ〜約６．０ＭＨｚであり、平均波長は約６３３ｎｍである。光２０２はＨｅ−Ｎｅレーザによって生成することができ、レーザは、レーザ共振器に軸方向に磁界を印加し、ゼーマン分裂を生じさせることによって生成される。レーザには、例えば、アジレント・テクノロジーズ・インク（アメリカ合衆国カリフォルニア州パロアルト）から販売されているレーザヘッド５５１７ファミリのようなレーザヘッドの構成部品を使用することができる。

光２０２は第１の反射面で反射された後、ＰＢＳ２０４に入射する。ＰＢＳ２０４は、第１の直線偏光状態（たとえばｐ偏光）の光２１３を通過させ、第２の直線偏光状態（たとえばｓ偏光）の光２１４を反射する。ＰＢＳを通過した光２１３は第２の反射面２１１に入射し、第２の反射面２１１はその光を反射し、リターダ２０６に入射させる。光２１３は、円偏光の２０７として現われ、測定反射器１０７によって反射され、リターダ２０６を通して戻される。その結果、光２１３は、光２１３の偏光状態に対して直交する偏光状態（たとえばｓ偏光）の光２１３’に変換される。光２１３’は第２の反射面２１１で反射され、ＰＢＳ２０４に入射する。ＰＢＳ２０４は、その光を光２１５として再帰反射器２０５に向けて反射する。再帰反射器２０５は、光２１５を反射するとともに、変位させる。光２１５は再帰反射器で反射された後、ＰＢＳ２０４に入射し、直交方向に反射される。この光２１５は第２の反射面２１１に入射し、測定反射器１０７によって反射された後、リターダ２０６を再び通過する。リターダ２０６を２度通過することによる偏光変換によって、光２１５’は、光２１５に比べてπ／２だけ回転された偏光状態を有することになる。したがって、光２１５’は、ＰＢＳ２０４を通過する偏光状態（この例ではｐ偏光状態）を有する。出力光２１２のこの成分は（可変長の）測定光路を通過した成分であるため、測定光路光と呼ばれる。

光２１４はＰＢＳ２０４で反射され、反射時に、リターダ２０９を２度通過する。光２１４は、リターダ２０９を２度通過した後、その偏光状態がπ／２だけ回転され、光２１４’として現れる。この例の変換によれば、光２１４’は今度はｐ偏光に変換され、したがってＰＢＳ２０４を通過し、再帰反射器２０５によって反射されるとともに、変位される。その後、光２１４’は、ＰＢＳ２０４及びリターダ２０９を２度通過する。光２１４’は、モノリシック光学素子２０１に再び入射すると、直交する偏光状態（たとえばｓ偏光）に変換される。この直交する偏光状態の光は、図示のように、ＰＢＳ２０４によって光２１４として反射される。リターダ２０９によって施される偏光変換により、光２１６はＰＢＳを通過し、光２１５’と結合され、出力光２１２を形成する。光２１６、２１４’の光路は実質的に固定長であり、基準光路と呼ばれる。

図２Ｃは、干渉計１０５を示す更に別の斜視図である。干渉計１０５は、図２Ａ及び図２Ｂに示した干渉計と実質的に同じであるが、逆方向を向いている。以下で説明する例示的実施形態がわかりにくくすることを避けるために、共通の細部については説明しない。

干渉計１０５は反射器２０５を含む。反射器２０５は、例えば再帰反射器である。再帰反射器の特性として、（再帰反射器に対する法線に対して）或る入射角で再帰反射器に入射した光は、その法線に対して実質的に同じ角度で、再帰反射器から反射される。一実施形態において、反射素子は、本願と同じ譲受人に譲渡されるBelt他による米国特許第６，７３６，５１８号に詳細に記載されたコーナキューブである。コーナキューブは、光をその入射角に実質的に等しい角度で反射するとともに、或る限られた距離だけその光を変位させる。したがって、光２１４’、２１５は、或る特定の角度（例示的には０°）でコーナキューブに入射すると、実質的に同じ角度で反射されるが、コーナキューブ内で反射された後は、図示のように変位される。なお、コーナキューブの使用は単なる例に過ぎず、当業者に知られている他の光学部品を使用して、同じ結果を得てもよい。

上で定義したように、モノリシック光学素子２０１は３つ以上の部品から構成され、それらの部品が互いに結合され、単一の構成要素を形成する場合もあれば、１つの部品から構成される場合もある。モノリシック光学素子２０１は、約４５°の端面を有する２つの実質的に同一の菱形部材であってもよい。上で述べたように、菱形部材は、米国特許第６，５４２，２４７号の教示に従って製造することができる。ＰＢＳ２０４は、同じ屈折率を有する接着剤または反射防止型接着剤により２つの端面間に固定された独立した構成部品であってもよいし、あるいは、一方の菱形部材の端面に形成されたコーティング又は複数の既知のコーティングであってもよい。後者の実施形態では、コーティング（複数の場合もあり）を施した後、上で述べた同じ屈折率の接着剤または反射防止型接着剤により端面間が結合される。さらに別の実施形態では、ＰＢＳ２０４が成形部品の中に埋め込まれた状態のモノリシック光学素子２０１を成形する場合がある。

図２Ｄは、図２Ａ及び図２Ｂに示した干渉計１０５の側面図である。下記の説明が分かりにくくなることを避けるために、共通の細部については説明しない。干渉計１０５は測定光路及び基準光路を有する。測定光路は、ＰＢＳ２０４から測定反射器１０７までのＯＰＬを含む。したがって、測定光路は、ＰＢＳ２０４から、素子２０１の第２の部分２１７を通るＯＰＬを含む。さらに、測定光路は、第２の反射面２１１からリターダ２０６を通るＯＰＬと、リターダ２０６と測定反射器１０７との間の媒体を通るＯＰＬとを含む。最後に、測定光路は、反射素子２０５を通る光路を含む。なお、光は測定光路の各「区間」を４回通ることに注意して欲しい。

基準光路は、ＰＢＳ２０４からモノリシック光学素子２０１の中を通り、リターダ２０９を通るＯＰＬを含む。したがって、基準光路は、第１の部分２１７を通り、反射器２０５までのＯＰＬと、反射素子２０５を通るＯＰＬとを含む。なお、光は基準光路の各「区間」を４回通ることに注意して欲しい。

既知のように、測定光路と基準光路の長さは、許容精度内で同じであってもよいし、互いに既知の倍数になっていてもよいし、既知の差を有していてもよい。基準光路の長さと測定光路の長さに差があると、光成分２１６及び２１５’から成る出力ビーム２１２のビート周波数は変化する。したがって、測定反射器１０７の動きから、測定システム１００の反射器１０７が取り付けられた構造物の動きを知ることができる。動きの大きさはビート周波数の差に正比例し、システム１００のマイクロプロセッサ（図示せず）を使用した比較的簡単な計算によって定量化することができる。

上で述べたように、測定ビーム又は基準ビーム、或いはそれら両方が通過する種々の構成要素の屈折率に大きな変化があると、測定光路又は基準光路、或いはそれら両方のＯＰＬに変化が生じる。その結果、干渉計に必要とされる測定精度は最終的に低下する。しかしながら、例示的実施形態のモノリシック光学素子２０１の屈折率は、周囲の要因による変動をほとんど受けないので、モノリシック光学素子の屈折率は実質的に安定している。したがって、媒体を制御しないことによる屈折率変化に起因した測定値の不正確さを実質的に無くすことができる。なお、干渉計１０５の測定光路と基準光路のＯＰＬの比較的小さな変化は、温度変化によって発生する場合があることに注意して欲しい。こうした変化を利用すれば、測定システム内で他の熱によって発生する測定誤差を補正することができる。

図３Ａは、一実施形態による干渉計３０１を示す斜視図である。干渉計３０１は、図１Ａ〜図２Ｄの実施形態に関して説明した多数の特徴を有し、測定システム１００において使用することができる。したがって、以下で説明する実施形態が分かりにくくなることを避けるために、共通の特徴については詳しく説明しない。

干渉計３０１は、上で説明したＰＢＳ２０４を有するモノリシック光学素子２０１を含む。光２０２は第１の反射面２１０に入射し、ＰＢＳ２０４に向けて反射される。ＰＢＳ２０４は、或る直線偏光状態の光を反射し、それに直交する偏光状態の光を通過させる。反射光３０２はリターダ２０９を通過し、測定反射器１０７によって反射される。測定反射器１０７によって反射された光は、リターダ２０９を再び通過し、光３０２に対して直交する偏光状態を有する光３０２’としてリターダ２０９から現れる。この偏光変換によって光３０２’はＰＢＳ２０４を通過し、反射素子２０５に入射する。反射素子２０５は、光３０２’を上で説明したものと同様にして反射し、光３０２’は変位されて現れる。その後、光３０２’は、測定反射器１０７で反射された後、ＰＢＳ２０４及びリターダ２０６を２度通過する。光３０２’はリターダ２０６からモノリシック光学素子３０１に入るときに、その偏光が再び回転され、光３０２’の偏光状態に対して直交する直線偏光状態を有する光３０５として現れる。したがって、光３０２はＰＢＳ２０４によって反射され、出力光２１２の１つの成分を含む。このように、測定光路は、今説明したＯＰＬを含む。

光３０２の偏光状態に対して直交する直線偏光状態を有する光２０２の成分はＰＢＳ２０４を通過し、光３０３として現れる。光３０３は第２の反射面２１１によって反射され、リターダ２０６の上面に設けられた反射要素（たとえば、高反射性（ＨＲ）コーティング）によって反射された後、リターダ２０６を再び通過する。したがって、光３０３’の偏光は、光３０３の偏光に対して直交するものとなる。その後、光３０３’はＰＢＳ２０４によって反射され、反射素子２０５に入射し、そこで、その光は上記のように反射されると共に、平行移動される。光３０３’はＰＢＳ２０４によって再び反射され、第２の反射面２１１に入射し、そこで反射され、リターダ２０６に入射する。光３０３‘はリターダ２０６を２度通過する際に、その直線偏光ベクトルが再びπ／２（或いはｎπ／２）だけ回転され、第２の反射面２１１によって光３０５として反射される。光３０３はＰＢＳ２０４を通過し、出力光２１２の第２の成分を含む。上で説明したように、測定反射器の動きは、成分３０４、３０５のビート周波数の変化から分かる。

図３Ｂは干渉計３０１の側面図である。測定光路及び基準光路はそれぞれ、図２Ｄに関して説明した基準光路及び測定光路と実質的に同じものである。したがって、分かり易くするために、繰返し説明はしない。ただし、干渉計３０１は、上で説明した干渉計１０５と同様に、空気を調整しないことによる屈折率の変化に起因する測定光路や基準光路のＯＰＬの変化の影響をほとんど受けないことに注意して欲しい。

図４は、一実施形態による干渉計４０１の斜視図である。干渉計４０１は、図２Ａ〜図２Ｄの実施形態に関して説明した干渉計と共通の多数の特徴を有する。したがって、以下で説明する実施形態が分かりにくくなることを避けるために、それらの細部について繰り返し説明はしない。干渉計４０１は、直交状態の２つの直線偏光をそれぞれ有する２つの周波数成分を含む入力光２０２を受け取り、直交状態の２つの直線偏光をそれぞれ有する２つの周波数成分を含む出力光２１２を放射する。上で述べたように、ビート周波数の変化を利用して、測定反射器の変位を測定することができる。

この実施形態では、測定反射器は、第１の再帰反射素子４０２と、第２の再帰反射素子４０３とを含む。再帰反射素子４０２、４０３は、或る特定の入射角で光を受け取り、その光軸をほとんど平行移動することなく、入射角と実質的に同じ角度でその光を反射するように構成される。したがって、第１の再帰反射素子４０２及び第２の再帰反射素子４０３は、干渉計の測定反射器１０７を構成する。

図５は、一実施形態による干渉計５０１の斜視図である。干渉計５０１は、図２Ａ〜図２Ｄ及び図４の実施形態に関して説明した干渉計と共通の多数の特徴を有する。したがって、以下で説明する実施形態が分かりにくくなることを避けるために、それらの細部について繰り返し説明はしない。干渉計５０１は、直交状態の２つの直線偏光をそれぞれ有する２つの周波数成分を含む入力光２０２を受け取り、直交状態の２つの直線偏光をそれぞれ有する２つの周波数成分を含む出力光２１２を放射する。上で述べたように、ビート周波数の変化を利用して、測定反射器の変位を測定することができる。

この実施形態では、測定反射器は再帰反射素子５０２を含む。再帰反射素子５０２は、或る特定の入射角で光を受け取り、その光を或る所定の距離だけ平行移動させ、入射角と実質的に同じ角度で反射するように構成される。したがって、再帰反射素子５０２は、干渉計の測定反射器１０７を構成する。

図６は、一実施形態による微分干渉計６０１の斜視図である。基準反射素子（複数の場合もあり）を例示した実施形態のモノリシック光学素子２０１から分離することによって、干渉計は微分干渉計として構成されることに注意して欲しい。

干渉計６０１は、図２Ａ〜図２Ｄ、図４、及び図５の実施形態に関して説明した干渉計と共通の多数の特徴を有する。したがって、以下で説明する実施形態が分かりにくくなることを避けるために、それらの細部について繰り返し説明はしない。干渉計６０１は、直交状態の２つの直線偏光をそれぞれ有する２つの周波数成分を含む入力光２０２を受け取り、直交状態の２つの直線偏光をそれぞれ有する２つの周波数成分を含む出力光２１２を放射する。上で述べたように、ビート周波数の変化を利用して、測定反射器の変位を測定することができる。

この実施形態では、測定反射器は、第１の再帰反射素子４０２と、第２の再帰反射素子４０３とを含む。これらの再帰反射素子は、或る特定の入射角で光を受け取り、その入射角と実質的に同じ角度で光を反射するように構成される。したがって、第１の再帰反射素子４０２及び第２の再帰反射素子４０３は、干渉計の測定反射器１０７を構成する。

干渉計６０１は、第３の再帰反射素子６０２及び第４の再帰反射素子６０３を更に含む。当然ながら、微分干渉計では、２つの所定の光路のＯＰＬの差が測定される。一方のＯＰＬには基準光路が使用され、他方のＯＰＬには測定光路が使用される。当然ながら、相対的測定を行うため、どちらかのＯＰＬを固定する必要はない。その目的のために、再帰反射素子４０２、４０３及び６０２、６０３は、変位を受ける物体に取り付けられる。したがって、両方のＯＰＬが測定光路となる。用語の一貫性を確保するために、本明細書に記載する微分干渉計では、基準光路を必ずしも固定する必要がない場合であっても、一方の光路を測定光路と見なし、他方の光路を基準光路と見なす。一実施形態において、再帰反射素子６０２、６０３は、第１の再帰反射素子４０２及び第２の再帰反射素子４０３と実質的に同じものであり、基準光路上に配置される。他の実施形態では、第１の再帰反射素子４０２及び第２の再帰反射素子４０３が基準光路上に配置され、第３の再帰反射素子６０２及び第４の再帰反射素子６０３が干渉計の測定光路上に配置される。

図７は、一実施形態による微分干渉計７０１を示している。干渉計７０１は、図２Ａ〜図２Ｄ、図５及び図６の実施形態に関して説明した干渉計と共通の多数の特徴を有する。したがって、以下で説明する実施形態が分かりにくくなることを避けるために、それらの細部について繰り返し説明はしない。干渉計７０１は、直交状態の２つの直線偏光をそれぞれ有する２つの周波数成分を含む入力光２０２を受け取り、直交状態の２つの直線偏光をそれぞれ有する２つの周波数成分を含む出力光２１２を放射する。上で述べたように、ビート周波数の変化を利用して、測定反射器の変位を測定することができる。

この実施形態では、測定反射器は再帰反射素子５０２を含む。再帰反射素子５０２は、或る特定の入射角で光を受け取り、その光を実質的に同じ入射角で反射するように構成される。したがって、再帰反射素子５０２は、干渉計の測定反射器１０７を構成する。

干渉計７０１は、もう１つ別の再帰反射素子７０２を更に含む。一実施形態では、再帰反射素子７０２は、再帰反射素子５０２と実質的に同じもので、基準光路上に配置される。他の実施形態では、再帰反射素子５０２は基準光路上に配置され、再帰反射素子７０２は干渉計の測定光路上に配置される。

図８Ａは、一実施形態による干渉計８０１の斜視図である。干渉計８０１は、図２Ａ〜図２Ｄの実施形態に関して説明した干渉計と共通の多数の特徴を有する。したがって、以下で説明する実施形態が分かりにくくなることを避けるために、それらの細部について繰り返し説明はしない。干渉計８０１は、直交状態の２つの直線偏光をそれぞれ有する２つの周波数成分を含む入力光２０２を受け取り、直交状態の２つの直線偏光をそれぞれ有する２つの周波数成分を含む出力光２１２を放射する。上で述べたように、ビート周波数の変化を利用して、測定反射器の変位を測定することができる。

干渉計８０１は、反射面２１１を有するモノリシック光学素子８０２を含む。モノリシック光学素子８０２は、上で説明したような向きに配置されたＰＢＳ２０４を備えた菱形部材を含む。モノリシック光学素子８０２は、ＰＢＳ２０４に光学的に接触するか、又は接着されたプリズム８０３を更に含む。したがって、モノリシック光学素子８０２は、菱形部材及びプリズムを含む。モノリシック光学素子８０２は、例示した実施形態の干渉計の応用形態の多様性を示している。特に、用途によっては、モノリシック光学素子は、他のモノリシック光学素子の場合ほど長くする必要はない場合がある。その場合、干渉計８０１は、比較的小さなモノリシック光学素子を使用して実施することができる。

図８Ｂは干渉計８０１の側面図である。測定光路長は、ＰＢＳ２０４から測定反射器１０７までのＯＰＬを含み、このＯＰＬは再帰反射器２０５を通るＯＰＬも含む。なお、この実施形態では、ＰＢＳ２０４によって反射される入力光ビーム２０２の偏光成分（たとえば、ｓ偏光の光）は、測定光路に反射されることに注意して欲しい。基準光路は、ＰＢＳ２０４から反射リターダ２０９までのＯＰＬを含み、このＯＰＬは再帰反射器２０５を通るＯＰＬも含む。この実施形態では、ＰＢＳ２０４を通過した入力光ビーム２０２の偏光成分（たとえば、ｐ偏光の光）は、基準光路に透過される。

図９Ａは、一実施形態による干渉計９０１の斜視図である。干渉計９０１は、図２Ａ〜図２Ｄ、並びに図８Ａ及び図８Ｂの実施形態に関して説明した干渉計と共通の多数の特徴を有する。したがって、以下で説明する実施形態が分かりにくくなることを避けるために、それらの細部について繰り返し説明はしない。干渉計９０１は、直交状態の２つの直線偏光をそれぞれ有する２つの周波数成分を含む入力光２０２を受け取り、直交状態の２つの直線偏光をそれぞれ有する２つの周波数成分を含む出力光２１２を放射する。上で述べたように、ビート周波数の変化を利用して、測定反射器の変位を測定することができる。

干渉計８０１は、上で説明したモノリシック光学素子８０２を含む。モノリシック光学素子８０２は、例示した実施形態の干渉計の応用形態の多様性を示している。特に、用途によっては、モノリシック光学素子は、他のモノリシック光学素子の場合ほど長くする必要はない場合がある。その場合、干渉計は、比較的小さなモノリシック光学素子を使用して実施することができる。

図９Ｂは干渉計９０１の側面図である。測定光路は、ＰＢＳ２０４から測定反射器１０７までのＯＰＬと、再帰反射器２０５を通るＯＰＬとを含む。この実施形態では、ＰＢＳ２０４によって反射された入力光ビーム２０２の偏光成分（たとえば、ｓ偏光された光）は、基準光路に反射されることに注意して欲しい。基準光路は、ＰＢＳ２０４から反射リターダ２０９までのＯＰＬと、再帰反射器２０５を通るＯＰＬとを含む。この実施形態では、ＰＢＳ２０４を通過する入力光ビーム２０２の偏光成分（たとえば、ｐ偏光の光）は、測定光路に透過される。

最後に、実施形態によっては、図４〜図７に関して説明した再帰反射素子の多くは、反射素子（たとえば測定反射器１０７）として図８Ａ〜図９Ｂの実施形態に含めることもできる。

図１０Ａは、一実施形態による微分干渉計１００１の斜視図である。微分干渉計１００１は、図２Ａ〜図２Ｄ及び図８Ａ〜図９Ｂの実施形態に関して説明した干渉計と共通の多数の特徴を有する。したがって、以下で説明する実施形態が分かりにくくなること避けるために、それらの細部について繰り返し説明はしない。干渉計１００１は、直交状態の２つの直線偏光をそれぞれ有する２つの周波数成分を含む入力光２０２を受け取り、直交状態の２つの直線偏光をそれぞれ有する２つの周波数成分を含む出力光２１２を放射する。上で述べたように、ビート周波数の変化を利用して、測定反射器の変位を測定することができる。

微分干渉計１００１は、側面板１００２及び反射素子１００３を含み、それらはモノリシック光学素子８０２に接着される。したがって、モノリシック光学素子は、反射素子１００４及び反射素子１０７を除き、干渉計１００１の全ての構成要素から構成される。反射素子１００３は、第１の反射面２１０に対して実質的に平行な向きに配置され、測定反射器１０７に向けて光を反射させ、また、測定反射器１０７から反射された光を実質的に反射するように構成される。側面板１００２は、熱膨張係数（ＣＦＥ）がほぼ０．０の材料から形成される。したがって、側面板１００２は、周囲温度が上昇しても目に見えて膨張することはなく、周囲温度が低下しても収縮することはない。したがって、干渉計１００１は、周囲温度の変化に起因する測定光路や基準光路のＯＰＬの変化の影響をほとんど受けない。

図１０Ｂに示すように、測定光路は、ＰＢＳ２０４から測定反射器１０７までのＯＰＬと、再帰反射器２０５を通るＯＰＬとを含む。基準光路は、ＰＢＳ２０４から基準反射素子１００４までのＯＰＬと、再帰反射器２０５を通るＯＰＬとを含む。

図１１Ａは、一実施形態による微分干渉計１１０１の斜視図である。微分干渉計１１０１は、図２Ａ〜図２Ｄ及び図８Ａ〜図１０Ｂの実施形態に関して説明した干渉計と共通の多数の特徴を有する。したがって、以下で説明する実施形態が分かりにくくなることを避けるために、それらの細部について繰り返し説明はしない。干渉計１１０１は、直交状態の２つの直線偏光をそれぞれ有する２つの周波数成分を含む入力光２０２を受け取り、直交状態の２つの直線偏光をそれぞれ有する２つの周波数成分を含む出力光２１２を放射する。上で述べたように、ビート周波数の変化を利用して、測定反射器の変位を測定することができる。

図１１Ｂに示すように、測定光路は、ＰＢＳ２０４から測定反射器１０７までのＯＰＬと、再帰反射器２０５を通るＯＰＬとを含む。基準光路は、ＰＢＳ２０４から基準反射素子１００４までのＯＰＬと、再帰反射器２０５を通るＯＰＬとを含む。

図１２Ａ、図１２Ｂ、及び図１２Ｃは、一実施形態による多軸干渉計１２０１の斜視図、端面図、及び側面図をそれぞれ示している。この実施形態の説明は、図１２Ａ〜図１２Ｃを同時に参照することにより、最もよく理解できるであろう。

多軸干渉計１２０１は、直交状態の２つの直線偏光をそれぞれ有する２つの周波数成分を含む入力光１２０２を受け取る。入力光１２０２は、菱形部材１２０３及びプリズム１２０４を有するモノリシック光学素子に入射する。光１２０２は菱形部材１２０３の反射面１２０５に入射し、そこで光１２０２の約５０％が反射され、光１２０２の約５０％がその面を通過する。光の反射部分１２０６は、表面１２０７の内側で実質的に全反射され、モノリシック光学素子１２０８に入射する。モノリシック光学素子１２０８は、上で説明した特定のモノリシック光学素子に似ている。光１２０６は表面１２０９において内部的に実質的に全反射され、ＰＢＳ１２１０に入射する。ＰＢＳ１２１０は、２つの偏光成分のうちの一方（ｐ偏光の光）を反射する。この成分を光１２１１で示す。光１２１１は、リターダ２０９に入射する。光１２１１は、上で説明したような基準光路上にあり、リターダ２０９によって反射され、直交偏光状態でＰＢＳ１２１０に再び入射する。この光は、再帰反射器２０５に入射し、平行移動される。上で説明したように、この光は測定光路からの光と結合され、出力光１２１８として放射される。光１２０６の他方の偏光成分は、光１２１２としてＰＢＳ１２１０を通過する。光１２１２は表面１２１３に入射し、表面１２１３の内側で実質的に全反射され、リターダ２０６に入射する。その後、この光は、測定反射素子１２１４によって反射され、リターダ２０６を通って戻され、光１２１６となる。光１２１６は、表面１２１３においてＰＢＳ１２１０に向けて反射され、再帰反射器２０５に反射され、平行移動される。測定光路からの光１２１６は、上で述べたように、基準光路からの光１２１１と結合される。

光１２１７は菱形部材１２０３の表面を通過し、表面１２０９で反射される。光１２１７も、直交状態の２つの直線偏光をそれぞれ有する２つの周波数成分を含む。光１２１７は入力光を形成し、光１２０３に関して上で説明したもの同様にして、基準光ビーム及び測定光ビームが生成される。測定光ビームと基準光ビームは結合され、光１２１５として現れる。

多軸干渉計１２０１は、測定対象の構造物の角度変位を判定するのに有用である。たとえば、測定反射素子１２１４が、測定対象の構造物に取り付けられた単一の素子であり、反射素子１２１４が回転（たとえば、図１２Ｂの平面内で回転）した場合、光１２０６の測定光路長は、光１２１７の測定光路長とは異なるものになるであろう。この差は容易に計算することができ、回転角を判定することができる。

図１３は、一実施形態による微分干渉計１３０１の斜視図である。干渉計１３０１は、図２Ａ〜図２Ｄ、並びに図８Ａ及び図９Ｂの実施形態に関して説明した干渉計と共通の多数の特徴を有する。したがって、以下で説明する実施形態が分かりにくくなることを避けるために、それらの細部について繰り返し説明はしない。干渉計１３０１は入力光１３０２及び入力光１３０３を受け取る。それらの光はそれぞれ、直交状態の２つの直線偏光をそれぞれ有する２つの周波数成分を含む。干渉計１３０１は、直交状態の２つの直線偏光をそれぞれ有する２つの周波数成分を含む出力光１３０３を放射する。上で述べたように、ビート周波数の変化を利用して、測定反射器の変位を測定することができる。

干渉計１３０１は、入力光ビーム毎に１本の光路を備えている点で、上で説明した幾つか実施形態とは異なる。特に、光１３０２は第１の反射面２１０に入射し、ＰＢＳ２０４に向けて反射される。光１３０２は、直交する２つの直線偏光状態の成分１３０４と１３０５に分離される。光１３０４は再帰反射素子１３０６の中へ向けて反射され、素子１３０６に対する入射角から実質的に角度変化を伴なわずに、ＰＢＳに戻される。直交する直線偏光状態の光１３０５はＰＢＳ２０４を通過し、第２の反射面２１１によって、もう１つの別の再帰反射素子１３０７に向けて反射される。光１３０５は、素子１３０７において入射角と実質的に同じ角度で反射され、ＰＢＳ２０４を通過する。成分１３０４と成分１３０５を結合すると、進行した光路長の差が得られる。

光１３０３は、ＰＢＳ２０４により、直交する２つの直線偏光状態の成分に同じように分離される。実施形態の説明が分かりにくくなることを避けるために、詳細は繰り返さない。

それら２つの偏光状態の成分（たとえば光１３０４、１３０５）が進行するＯＰＬの差から、再帰反射素子１３０６及び１３０７が取り付けられた物体の変位を測定することができる。

図１４は、一実施形態による干渉計１４０１の斜視図である。この実施形態の干渉計は、図１３に示した実施形態の干渉計と実質的に同じものである。ただし、図示のように、再帰反射素子１３０６は、モノリシック光学素子２０１上に配置される。素子１３０６への光路は基準光路を形成し、素子１３０７への光路は測定光路を形成する。

図１５及び図１６は、一実施形態による微分干渉計１５０１及び干渉計１６０１をそれぞれ示す斜視図である。直交する２つの偏光状態の成分を含む光１５０２が、図示のようにモノリシック光学素子２０１に入射する。光１５０２は、ＰＢＳ２０４において２つの直線偏光成分に分離され、光１５０３は反射され、光１０５４は透過される。光１５０３はリターダ２０９を通過し、再帰反射素子１５０５によって反射される。光１５０７は、リターダ２０９を通過した後、その偏光状態が、光１５０３の偏光状態に対して直交状態になり、光１５０７はＰＢＳ２０４を通過する。光１５０４は表面２１１で反射され、リターダ２０９を通過し、再帰反射素子１５０６によって反射される。リターダ２０９から光１５０９が現われ、ＰＢＳ２０４によって反射される。光１５０９は光１５０７と結合され、出力光１５１０を形成する。この出力光１５１０を使用して、各成分のＯＰＬの差の測定値を求めることができる。

干渉計１６０１は干渉計１５０１と実質的に同じものである。ただし、図示のように、再帰反射素子１５０５はモノリシック光学素子２０１上に配置される。素子１５０５への光路が基準光路であり、素子１５０６への光路が測定光路である。

図１７Ａ及び図１７Ｂは、一実施形態による干渉計１７０１の斜視図及び側面図をそれぞれ示している。干渉計１７０１は、図２Ａ〜図２Ｄ、並びに図８Ａ及び図８Ｂの実施形態に関して説明した干渉計と共通の多数の特徴を有する。したがって、以下で説明する実施形態が分かりにくくなることを避けるために、それらの細部について繰り返し説明はしない。干渉計１７０１は、直交状態の２つの直線偏光をそれぞれ有する２つの周波数成分を含む入力光１７０２を受け取り、直交状態の２つの直線偏光をそれぞれ有する２つの周波数成分を含む出力光１７１１を放射する。上で述べたように、ビート周波数の変化を利用して、測定反射器の変位を測定することができる。

光１７０２は、菱形部材１７０３とプリズム１７０４の間に配置されたＰＢＳ２０４によって、直交する２つの直線偏光状態の成分に分離される。光１７０５は反射され、リターダ２０９を通過し、再帰反射器１７０６によって反射される。リターダを再び横切った後に、光１７０７はＰＢＳ２０４を通過する。一方、光１７０８はＰＢＳ２０４を通過し、リターダ２０６を通過し、再帰反射器１７０６によって反射される。光１７１０はリターダ２０９から現われ、ＰＢＳ２０４によって反射される。光１７０７と光１７１０は結合され、出力ビーム１７１１を形成する。当然ながら、測定光路は、光１７０５及び光１７０７のＯＰＬを含み、基準光路は、光１７０８及び光１７１０のＯＰＬを含む。

上記の例示的な実施形態によれば、干渉計は測定システムにおいて有用である。当業者であれば、本明細書の教示に従って多数の変更を実施することができ、それらも添付の特許請求の範囲内にあることが分かるであろう。それらの変更及び他の変更は、本明細書、図面及び特許請求の範囲を検討した後、当業者には明らかになるであろう。したがって、添付の特許請求の範囲及び本発明の思想の範囲内にある限り、本発明を制限してはならない。

一実施形態による干渉計の側面図である。一実施形態による干渉計の斜視図である。図２Ａの実施形態による干渉計の別の斜視図である。図２Ａの実施形態による干渉計の別の斜視図である。図２Ｂの干渉計の側面図である。一実施形態による干渉計の斜視図である。図３Ａの干渉計の側面図である。一実施形態による干渉計の斜視図である。一実施形態による干渉計の斜視図である。一実施形態による干渉計の斜視図である。一実施形態による干渉計の斜視図である。一実施形態による干渉計の斜視図である。図８Ａの干渉計の側面図である。一実施形態による干渉計の斜視図である。図９Ａの干渉計の側面図である。一実施形態による干渉計の斜視図である。図１０Ａの干渉計の側面図である。一実施形態による干渉計の斜視図である。図１１Ａの干渉計の側面図である。一実施形態による干渉計の斜視図である。図１２Ａの干渉計の端面図である。図１２Ａの干渉計の側面図である。一実施形態による干渉計の斜視図である。一実施形態による干渉計の斜視図である。一実施形態による干渉計の斜視図である。一実施形態による干渉計の斜視図である。１つの例示的な実施形態による干渉計の斜視図である。図１７Ａの干渉計の側面図である。

符号の簡単な説明

１０５干渉計
１０７測定反射素子
２０４偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）
２１０、２１１反射面
２０９、１００４基準反射素子
２０６、２０９リターダ
２０５、４０２、４０３、５０２再帰反射素子
８０１モノリシック光学素子
８０３プリズム

Claims

偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）(204)と、前記ＰＢＳ(204)に対して実質的に平行な少なくとも１つの反射面(211)を有するモノリシック光学素子(201)を備えた光学干渉計(105)。
前記モノリシック光学素子(201)は、入射光を入力光路に対して実質的に平行に、且つ、前記入力経路からずらして反射するように構成された再帰反射素子(205)を更に含む、請求項１に記載の光学干渉計(105)。
前記モノリシック光学素子(201)は第１の部分(216)及び第２の部分(217)を含み、前記ＰＢＳ(204)は、前記第１の部分(216)と前記第２の部分(217)の間に配置される、請求項１に記載の光学干渉計(105)。
前記ＰＢＳ(204)に対して実質的に平行な少なくとも１つの他の反射面(210)を更に含む、請求項１に記載の光学干渉計(105)。
前記ＰＢＳ(204)は前記反射面(210,211)間に配置される、請求項４に記載の光学干渉計(105)。
前記再帰反射素子(205)はコーナキューブである、請求項２に記載の光学干渉計(105)。
前記モノリシック光学素子の上に配置された基準反射素子(209,1004)を更に含む、請求項１に記載の光学干渉計(105)。
前記モノリシック光学素子(201)と前記基準反射素子(1004)の間に配置された四分の一波長リターダ(209)を更に含む、請求項７に記載の光学干渉計(105)。
前記第１の部分(216)は菱形部材である、請求億３に記載の光学干渉計(105)。
前記第１の部分(216)は菱形部材であり、前記第２の部分(216)は菱形部材である、請求項３に記載の光学干渉計(105)。
前記モノリシック光学素子(201)と測定反射素子(107)の間に配置された四分の一波長リターダ(206)を更に含む、請求項１０に記載の光学干渉計(105)。
前記測定反射素子は、入射光を入射光路に対して実質的に平行に反射するように構成された少なくとも１つの再帰反射素子(402,403,502)を含む、請求項１１に記載の光学干渉計(105)。
第１の表面(211)及び第２の表面(803)を有するモノリシック光学素子(801)を含む光学干渉計であって、前記第１の表面(211)が前記第２の表面(803)に対して平行でないように構成される、光学干渉計(105)。
前記モノリシック光学素子(801)は、入射光を入射光路に対して実質的に平行に、且つ、前記入射光路からずらして反射するように構成されえた再帰反射素子(205)を更に含む、請求項１３に記載の光学干渉計(105)。
前記モノリシック光学素子(801)は、前記第１の表面(211)と前記第２の表面(803)の間に配置された偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）(204)を更に含む、請求項１３に記載の光学干渉計(105)。
前記モノリシック光学素子(801)は第１の部分(802)及び第２の部分(803)を更に含み、前記ＰＢＳ(204)は、前記第１の部分(802)と前記第２の部分(803)の間に配置される、請求項１５に記載の光学干渉計(105)。
前記第１の部分(802)は菱形部材からなり、前記第２の部分(803)はプリズムからなる、請求項１６に記載の光学干渉計(105)。
前記モノリシック光学素子(801)の上に配置された測定反射素子(107)を更に含む、請求項１３に記載の光学干渉計(105)。
前記四分の一波長リターダ(206)は、前記モノリシック光学素子(801)と前記測定反射素子(107)の間に配置される、請求項１８に記載の光学干渉計(105)。
前記モノリシック光学素子(801)の上に配置された基準反射素子(1004)を更に含む、請求項１３に記載の光学干渉計(105)。