JP2009288102A - 光学測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】単純な干渉計構成により測定対象の位置又は移動量を高分解能で且つ高精度に測定可能な光学測定装置を提供する。
【解決手段】測定対象５０にレーザ光を照射してこの測定対象の位置又は変位量を測定する光学測定装置１００である。そして、測定対象５０の複数の面５１ａ，５１ｂに対応して複数の光路長増倍光学系４Ａ，４Ｂが配置され、これら複数の光路長増倍光学系４Ａ，４Ｂを経た２光路のレーザ光を位相計４２により干渉させて位相を計測することで、測定対象５０の位置又は変位量を求める構成とした。
【選択図】図２

Description

この発明は、測定対象にレーザ光を照射してこの測定対象の位置又は変位量を測定する光学測定装置に関する。

従来、レーザ光源から出力されたレーザ光を２つに分割するとともに、それぞれ異なる光路を通過させた後に干渉させ、干渉光の計測を行うことで精密な長さを測定するレーザ干渉測長システムが知られている。
レーザ干渉による測長システムは、高精度な長さ測定が実現可能であり、産業機器類の評価や構成に使用されるなど重要な役割を果たしている。そして、各種産業分野の発展に伴い、レーザ干渉測長システムの更なる高分解能化、高精度化への要望が高い。

レーザ干渉測長システムによる測長の分解能は、使用するレーザ光の波長、光学系構成によって決定される光学分割数、内挿回路によって決定される電気分割数などによって規定される。分解能の向上には、レーザ光の波長を短くすること、光学分割数を高めること、電気分割数を高めることが必要である。
但し、レーザ光の波長安定性や出力強度、寿命、コスト等を考慮した場合、使用可能なレーザ光源は限られてしまうので、レーザ光源の選定によりレーザ光の波長を短くするのは容易ではない。
また、近年、４０００分割程度の電気分割数を有する内挿回路も見られるようになったが、電気分割数の一層の向上には限界が見え始めている。

これに対し、光学分割数を高める方法によれば、その光学分割数に応じてレーザ干渉信号の周期が短くなり、見かけ上短い波長のレーザ光を用いたのと同様の効果が得られるとともに、内挿回路の不確かさの低減に関するメリットもある。

従来、光路長を増倍して光学分割数を高めるための技術が幾つか提案されている。例えば、コーナーキューブあるいは直角プリズムを利用する光路長増倍に関する技術が知られている（例えば、非特許文献１参照）。また、コーナーキューブを使用せずに、偏光ビームスプリッタ、波長板、各種ミラー等を利用する光路長増倍に関する技術が知られている（例えば、非特許文献２参照）。
集積型マイクロ干渉計と走査型電子顕微鏡を用いた微小線幅の精密測定、精密工学会誌、Vol60、No.11、1994、初澤・豊田・谷村・奈良・豊永・原・岩崎・近藤、pp.1582-1585 長さ標準にトレーサブルな測長ＡＦＭとナノ・メトロロジー用標準スケール、砥粒加工学会誌、Vol48、No.5、2004、三隅伊知子、pp.249-252

しかしながら、上記非特許文献１の光路長増倍技術では、光路長の増倍数を増やすに連れて、コーナーキューブあるいは直角プリズムのサイズを大きくする必要がある。そのため、コーナーキューブや直角プリズムを測定装置に搭載する際に広いスペースが必要になることに加え、測定対象の移動軸に対応させて測定装置の測定軸を設定するのが困難になる。また、アッベ誤差なども生じやすくなる。その結果、干渉計の小型化や軽量化などの実用的な面から、光路長の増倍数に制限が生じるという課題があった。
また、上記非特許文献２の光路長増倍技術では、光路長を４倍に増倍しているが、光路長を増倍する形式に規則性がないので、これ以上の光路長増倍が容易でなく、光路長を増倍するためには干渉計の過度な複雑化を招くという課題があった。また、光路長の増倍数に応じて干渉計構成を個別に考える必要性も生じるので、光学設計が複雑なものとなる。その結果、干渉計の小型化や軽量化などの実用的な面から、光路長の増倍数に制限が生るという課題があった。

この発明の目的は、単純な光学構成により、測定対象の位置又は移動量を高分解能で且つ高精度に測定可能な光学測定装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、
測定対象にレーザ光を照射してこの測定対象の位置又は変位量を測定する光学測定装置であって、
前記測定対象の複数の面に対応して複数個所にそれぞれ配置され、レーザ光を光路途中で複数段反射させることで当該レーザ光が前記測定対象に当たって戻ってくる複数の迂回光路を発生させる複数の光路長増倍光学系と、
前記複数の光路長増倍光学系を経た少なくとも２光路のレーザ光を干渉させて干渉光の計測を行う計測手段と、
を備え、
前記計測手段の計測結果により前記測定対象の位置又は変位量が求められることを特徴としている。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の光学測定装置において、
２個一組の前記光路長増倍光学系が、前記測定対象の所定方向の変位に対して一方の光路長増倍光学系から前記測定対象までの距離が長くなった場合に、他方の光路長増倍光学系から前記測定対象までの距離が短くなるように差動配置され、
前記計測手段は、前記２個一組の光路長増倍光学系を経た２光路のレーザ光の干渉光を計測して前記所定方向の位置又は変位量を求める構成であることを特徴としている。

請求項３記載の発明は、請求項２記載の光学測定装置において、
前記２個一組の光路長増倍光学系が、前記測定対象の複数軸方向の変位に対応する位置に複数組み配置され、
前記計測手段は、各組２個の前記光路長増倍光学系を経た２光路のレーザ光の干渉光をそれぞれ計測する構成であることを特徴としている。

請求項４記載の発明は、請求項１〜３の何れか１項に記載の光学測定装置において、
光源から出射されたレーザ光を分割するビームスプリッタを備え、
前記ビームスプリッタにより分割されたレーザ光が前記複数の光路長増倍光学系を経て前記計測手段に入射される構成であることを特徴としている。

請求項５記載の発明は、請求項１〜４の何れか１項に記載の光学測定装置において、
前記光路長増倍光学系は、
複数の偏光ビームスプリッタが一連に並べられたビームスプリッタ列と、
前記複数の偏光ビームスプリッタの前記測定対象の配置側およびその逆側にそれぞれ配置された１／４波長板と、
前記複数の偏光ビームスプリッタの前記測定対象の逆側に前記１／４波長板を挟んで配置された平面ミラーと、
を備え、
前記ビームスプリッタ列の一端側から入射されたレーザ光が当該ビームスプリッタ列中の１個の偏光ビームスプリッタにより前記測定対象又は前記平面ミラーの何れか一方の側に反射され、この反射ビームが、前記１／４波長板を介して前記測定対象又は前記平面ミラーの何れか一方にあたって戻ることで前記偏光ビームスプリッタを通過し、前記測定対象又は前記平面ミラーの何れか他方の側へ進行するとともに、前記１／４波長板を介して前記測定対象又は前記平面ミラーの何れか他方にあたって戻ってくることで、前記偏光ビームスプリッタで反射されて、当該反射されたレーザ光が前記ビームスプリッタ列の次の偏光ビームスプリッタに入射される構成であることを特徴としている。

請求項６記載の発明は、請求項５記載の光学測定装置において、
前記光路長増倍光学系は、
前記ビームスプリッタ列の一端側または両端側に配置された１個又は複数の光折返体を備え、
前記１個又は複数の光折返体により前記ビームスプリッタ列を通過したレーザ光が折り返されて、当該ビームスプリッタ列を複数回往復するように構成されていることを特徴としている。

請求項７記載の発明は、請求項５記載の光学測定装置において、
前記複数の光路長増倍光学系のうち、第１の光路上に配置された第１光路長増倍光学系および第２光路長増倍光学系と、前記第１の光路とは異なる第２の光路上に配置された第３光路長増倍光学系および第４光路長増倍光学系と、
前記第１光路長増倍光学系に入射するレーザ光の偏光面と、前記第２光路長増倍光学系に入射するレーザ光の偏光面とを９０°異なる状態にする光学系と、
前記第３光路長増倍光学系に入射するレーザ光の偏光面と、前記第４光路長増倍光学系に入射するレーザ光の偏光面とを９０°異なる状態にする光学系と、
を備え、
前記計測手段は、
前記第１光路長増倍光学系で複数段に反射し、前記第２光路長増倍光学系を直通した偏光状態のレーザ光と、前記第３光路長増倍光学系を直通し、前記第４光路長増倍光学系で複数段に反射した偏光状態のレーザ光との干渉光を計測する第１計測部と、
前記第１光路長増倍光学系を直通し、前記第２光路長増倍光学系で複数段に反射した偏光状態のレーザ光と、前記第３光路長増倍光学系で複数段に反射し、前記第４光路長増倍光学系を直通した偏光状態のレーザ光との干渉光を計測する第２計測部と、
を備えていることを特徴としている。

本発明に従うと、光路長増倍光学系により測定対象にレーザ光をあてて戻す迂回光路の数が増倍するので、それにより測定系の光学分割数が増倍される。さらに、このような光路長増倍光学系を複数配置し、測定対象の複数の面にレーザ光をあて、複数の光路で上記光路長増倍光学系を経て送られてきたレーザ光を干渉させて計測を行うことにより、さらに光学分割数を倍増させることができる。それにより、測定対象の位置や変位量を高分解能で且つ高精度に測定することができる。

また、この光学測定装置の構成によれば、同一構成の光路長増倍光学系を複数用いて装置を構成できたり、１個の光路長増倍光学系においてもレーザ光を反射させる同様の構成が繰り返し現れる構造にできるなど、各部品を規則的でかつ単純な構造として構成することができる。それにより、装置のコンパクト化や部品点数の削減を図れるという効果がある。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態のレーザ干渉測長システムに備わる光路長増倍光学系を示す構成図である。図中、レーザ光の光路を一点鎖線で示す。

本発明の実施形態のレーザ干渉測長システム１００の説明の前に、まず、レーザ干渉測長システム１００に備わる光路長増倍光学系４について説明する。
この光路長増倍光学系４は、測定対象５０の或る面５１に対して、この面５１に沿ってレーザ光を進行させるとともに、その途中で、多段にレーザ光を反射させることで、レーザ光が測定対象５０にあたって戻ってくる複数の迂回光路ｆ１〜ｆｍを生成し、それによりレーザ光の光路長を増倍させるようにした光学系である。

測定対象５０には、光路長増倍光学系４と対向する位置に、レーザ光を反射する平面ミラー或いは高精度に加工されて平面ミラーと同様の作用を有する側面５１が形成されている。光路長増倍光学系４は、この側面５１と対向するように配置される。

光路長増倍光学系４は、複数の偏光ビームスプリッタ１１〜１ｍを一列に並べてなるビームスプリッタ列１０と、このビームスプリッタ列１０の測定対象側に配置された１／４波長板２２と、ビームスプリッタ列１０の測定対象の反対側に配置された１／４波長板２１と、ビームスプリッタ列１０の測定対象の反対側で１／４波長板２１を間に挟んで配置された平面ミラー３１等から構成される。

偏光ビームスプリッタ１１〜１ｍは、内部の反射斜面に対して偏光方向が平行なＳ偏光を反射斜面により直角方向（例えば、入射側から平面ミラー３１の方向、或いは、測定対象５０から出射側の方向）に反射するとともに、上記Ｓ偏光と偏光方向が９０°異なるＰ偏光に対してはそのまま直進させるものである。

上記構成の光路長増倍光学系４によれば、ビームスプリッタ列１０の一端側からＳ偏光のレーザ光が入射されると、矢印Ａ１に示すように、先ず、このレーザ光は偏光ビームスプリッタ１１で反射して平面ミラー３１の側へ進行する。そして、平面ミラー３１にあたって戻ってくる。このときレーザ光は１／４波長板２１を往復で２回通過するのでＰ偏光となる。従って、このＰ偏光のレーザ光は、そのまま偏光ビームスプリッタ１１を通過して測定対象５０の方向へ進行する。さらに、このレーザ光は、測定対象５０の側面５１にあたって戻る際に、１／４波長板２２を往復で２回通過することでＳ偏光に戻される。そのため、その後、偏光ビームスプリッタ１１で反射されて、次の偏光ビームスプリッタ１２へと入射する。

そして、このような反射を複数の偏光ビームスプリッタ１１〜１ｍにて同様に繰り返して、ビームスプリッタ列１０の他端側から送出される。このような作用により、レーザ光が測定対象５０の側面５１にあたって戻される複数の迂回光路ｆ１〜ｆｍが生成されて、その光路長が増倍される。

一方、ビームスプリッタ列１０の一端側からＰ偏光のレーザ光が入射された場合には、矢印Ａ２に示すように、このレーザ光は偏光ビームスプリッタ１１〜１ｍで反射されずに、そのまま直進してビームスプリッタ列１０の他端側から送出される。

つまり、光路長増倍光学系４は、Ｓ偏光のレーザ光に対してはその光路途中で多段の反射を繰り返すことで、複数の迂回光路ｆ１〜ｆｍを生成する一方、Ｐ偏光のレーザ光に対しては何も作用を及ぼすことなく、レーザ光を通過させるようになっている。

なお、上記光路長増倍光学系４の構成は、上記のような構成に限られず、例えば、平面ミラー３１や１／４波長板２１，２２は、レーザ光の光路と交差するように配置されれば良いので、上記のように一体的な構成とせず、複数に分割されて各偏光ビームスプリッタ１１〜１ｍに対応して配置されるように構成しても良い。また、平面ミラー３１や１／４波長板２１，２２をビームスプリッタ列１０の側面に接着するようにしても良い。

また、偏光ビームスプリッタ１１〜１ｍは、その反射斜面の向きが図１の逆向きになるように配置しても良い。この場合、Ｓ偏光のレーザ光が入射した場合に、先ず、このレーザ光は偏光ビームスプリッタ１１の反射斜面で測定対象５０の側に反射し、その後、戻ってきたレーザ光が偏光ビームスプリッタ１１を通過して平面ミラー３１の方向に向かい、その後、平面ミラー３１で反射したレーザ光が偏光ビームスプリッタ１１で反射して次の偏光ビームスプリッタ１２側へ向うように作用することとなり、図１の構成と同様に複数の迂回光路ｆ１〜ｆｍを生成することが可能となる。

図２は、本発明の第１実施形態のレーザ干渉測長システムの全体構成を示す図である。図中、１はレーザ光源、２，５，６は１／２波長板、３，９は偏光ビームスプリッタ、４２は位相計である。

本実施形態のレーザ干渉測長システム（光学測定装置）１００は、測定対象５０のＸ方向の位置や変位をレーザ干渉計の技術を用いて高精度に測定するものである。このレーザ干渉測長システム１００は、レーザ光を出力するレーザ光源１と、干渉光の位相測定を行う測定手段としての位相計４２と、レーザ光源１から出力されたレーザ光の偏光面の向き調整する１／２波長板２と、レーザ光を２つに分割するビームスプリッタ（偏光ビームスプリッタ）３と、この分割されたレーザ光のうち一方と他方の各光路上に配置される２個の光路長増倍光学系４Ａ，４Ｂと、一方の光路長増倍光学系４Ａのレーザ光の送出端側に配置された１／２波長板５と、他方の光路長増倍光学系４Ｂのレーザ光の入射端側に配置された１／２波長板６と、光路を適宜な方向に折り曲げる平面ミラー７，８と、２光路のレーザ光を１本にして位相計４２に送る偏光ビームスプリッタ９と、位相計４２の前段で偏光面の調整を行う１／２波長板４１とから構成される。

測定対象５０は、Ｘ方向に変位される構成であり、Ｘ方向と垂直な両側面５１ａ，５１ｂが鏡面状の平面にされている。この測定対象５０は、被検体そのものとなる場合もあるし、被検体が載置されるステージとなる場合もある。

２個の光路長増倍光学系４Ａ，４Ｂは、一方が測定対象５０の一方の側面５１ａに対向するように（すなわち、各迂回光路ｆ１〜ｆｍが側面５１ａに垂直にあたるように）配置され、他方が測定対象５０の他方の側面５１ｂに対向するように差動配置されている。従って、測定対象５０がＸ方向に変位量Δｘだけ変位した場合、一方の光路長増倍光学系４Ａの複数の迂回光路ｆ１〜ｆｍが変位量Δｘだけそれぞれ長くなるとともに、他方の光路長増倍光学系４Ａの複数の迂回光路ｆ１〜ｆｍが変位量Δｘだけそれぞれ短くなるようになっている。

上記構成のレーザ干渉測長システム１００によれば、レーザ光源１からレーザ光が出射されることで、次のような光学作用が実現される。すなわち、先ず、レーザ光源１から直線偏光のレーザ光が出射されると、１／２波長板２によってこのレーザ光の偏光面が例えば４５°に傾けられて偏光ビームスプリッタ３へ入射する。そして、そのうちＳ偏光成分のレーザ光Ｓ１が反射され、Ｐ偏光成分のレーザ光Ｐ１が直進する。ここで、例えば、Ｓ偏光成分とＰ偏光成分とは同一光量となるように１／２波長板２によりその偏光面が調整される。

Ｓ偏光成分のレーザ光Ｓ１は、そのまま光路長増倍光学系４Ａに入射され、図１で説明したように、複数の迂回光路ｆ１〜ｆｍを経て他端側から送出される。そして、１／２波長板２によって偏光面を９０°回転させてＰ偏光のレーザ光となって、平面ミラー７を介して偏光ビームスプリッタ９へ入射する。

一方、偏光ビームスプリッタ３で分割されたＰ偏光成分のレーザ光Ｐ１は、平面ミラー８で反射され１／２波長板６によって偏光面を９０°回転させてＳ偏光のレーサ光となって、もう一方の光路長増倍光学系４Ｂに入射される。そして、図１で説明したように、複数の迂回光路ｆ１〜ｆｍを経て他端側から送出される。送出されたレーザ光は、そのまま偏光ビームスプリッタ９に入射する。

そして、これらピームスプリッタ９に入射した２光路のレーザ光が一方は直進、他方は反射されることで１光路上に重ねられる。そして、このレーザ光が１／２波長板４１で偏光面が調整されて例えば偏光面を４５°回転させられて位相計４２に入射する。位相計４２は、これら２光路の光を干渉させて、この干渉信号の位相を計測することで、偏光ビームスプリッタ３で分割された２光路の光路長の差を計測する。そして、この光路長の差から測定対象５０のＸ方向の位置や変位量が求められることとなる。

ここで、偏光ビームスプリッタ３により分割された２光路の光は、位相計４２に至るまでの区間において、上記の各光学系を通過するのみとなるため、測定対象５０の移動量以外による光路長差に変化が生じにくい。すなわち、種々の外乱要素に対して頑健な構成になっている。実際の構成においては、測定対象５０の大きさを十分に小さく設計したり、光路の一部を、例えば、複数の平面ミラーなどを介して測定対象５０の下側を通過させるようにすることで、大気中の光路長を短くして、より外乱要素の影響を低減することが可能である。

図２の構成において、光路長増倍光学系４Ａ，４Ｂと測定対象５０との間の迂回光路ｆ１〜ｆｍがそれぞれｍ個ずつあるとすれば、位相計４２において得られる干渉信号の一周期に相当する検出波長λ１は、レーザ光の波長をλ０として、次式（１）のように表わすことができる。
λ１ ＝（λ０／２）×（１／ｍ）×（１／２） ・・・・・・ （１）
このうち、（１／ｍ）の項は、各光路長増倍光学系４Ａ，４Ｂの迂回光路ｆ１〜ｆｍの作用であり、（１／２）の項は、２個の光路長増倍光学系４Ａ，４Ｂを測定対象５０の差動配置とした作用による。

すなわち、測定対象５０がＸ方向にΔｘだけ変位した場合、一方の光路長はΔｘ×ｍだけ長くなる一方、他方の光路長はΔｘ×ｍだけ短くなり、その差分はΔｘ×ｍ×２となって、上記の検出波長λ１の作用が奏される。

例えば、ｍ＝８の構成とすれば、光学分割数は１６となる。さらに、レーザ光の波長λ０を６３３ｎｍとすれば、干渉信号の一周期に相当する検出波長λ１は６３３÷２÷１６＝１９．７８ｎｍとなる。これに電気分割数４０００の内挿回路を併用すると、約０．００４９ｎｍとなり、ピコメートルオーダーの理論分解能が得られることとなる。光路長増倍光学系４Ａ，４Ｂの偏光ビームスプリッタの段数ｍをもっと増やせば、さらに高分解能化や高精度化が可能となる。

以上のように、この実施形態のレーザ干渉測長システム１００によれば、光路長増倍光学系４Ａ，４Ｂやこれらを測定対象５０に対して差動配置とする構成により、単純で規則的な構造の光学構成により、光学分割数を容易に大きな値にすることができるという効果が得られる。そして、これにより、外乱の影響を受けにくく、高分解能で高精度な位置や変位量の測定が可能になるという効果が得られる。

また、光路長増倍光学系４Ａ，４Ｂは、複数の偏光ビームスプリッタ１１〜１ｍと１／４波長板２１，２２と平面ミラー３１とによりレーザ光を複数段に反射して複数の迂回光路ｆ１〜ｆｍを生成する構成なので、比較的容易に組み立て可能な構造であり、低コストに且つ高精度な部品製造が可能となる。

また、測定対象５０には、その側面５１ａ，５１ｂ等に平面ミラーを搭載するか、その側面５１ａ，５１ｂが鏡面状の平面になっていれば良いため、測定対象に複雑な構造の光学部品を搭載しなければならない構成と比較して、測定対象５０の製作が容易となり、また、測定対象５０の小型化を図ることができる。それゆえ、システム全体の大きさもコンパクトにすることができる。また、測定対象５０に鏡面状且つ平面状の側面５１ａ，５１ｂを設ける場所は、その平面加工の容易性から自由度が高く、その分、測定対象５０の移動軸上に測定軸を配置しやすく、アッベ誤差などの影響を低減しやすいという効果が得られる。

［第２実施形態］
図３は、本発明の第２実施形態のレーザ干渉測長システムの全体構成を示す図である。

第２実施形態のレーザ干渉測長システム（光学測定装置）１００Ａは、測定対象５０の複数軸方向（例えばＸ方向とＹ方向の２軸方向）の移動に対してその位置や変位量を測定可能としたものである。

このレーザ干渉測長システム１００Ａは、レーザ光を出力するレーザ光源１と、Ｘ方向の変位に係る干渉光の位相測定を行う第１測定部としての第１位相計４２Ａと、Ｙ方向の変位に係る干渉光の位相測定を行う第２測定部としての第２位相計４２Ｂと、レーザ光源１から出力されたレーザ光の偏光面の向きを調整する１／２波長板２と、レーザ光を偏光状態によらずに２分割するビームスプリッタ３Ａと、この分割されたレーザ光のうち一方の光路上に順に配置される第１光路長増倍光学系４Ｈおよび第２光路長増倍光学系４Ｉと、他方の光路上に順に配置される第３光路長増倍光学系４Ｊおよび第４光路長増倍光学系４Ｋと、一方の光路上の２つの光路長増倍光学系４Ｈ，４Ｉの間でレーザ光の偏光状態を９０°回転させる１／２波長板４４と、他方の光路上の２つの光路長増倍光学系４Ｊ，４Ｋの間でレーザ光の偏光状態を９０°回転させる１／２波長板４５と、光路を適宜な向きに変更する平面ミラー７，８と、２光路のレーザ光を適宜な組み合わせで１つの光路に重ね合わせる偏光ビームスプリッタ９と、第１と第２の位相計４２Ａ，４２Ｂの前段でレーザ光の偏光面の傾きを調整する１／２波長板４１Ａ，４１Ｂとを備えている。

この実施形態においては、レーザ光を２分割するビームスプリッタ３Ａは、偏光ビームスプリッタではなく、偏光状態に関わらずにビームを２分割するものが採用されている。

測定対象５０は、Ｘ方向とＹ方向の二軸に変位される構成であり、Ｘ方向に垂直な両側面５１ｈ，５１ｋが鏡面状の平面にされ、Ｙ方向に垂直な両側面５１ｉ，５１ｊも鏡面状の平面にされている。

２個の光路長増倍光学系４Ｈ，４Ｋは、一方が測定対象５０のＸ方向の一側面５１ｈに対向するように配置され、他方が他側面５１ｋに対向するように差動配置されている。また、２個の光路長増倍光学系４Ｉ，４Ｊは、一方が測定対象５０のＹ方向の一側面５１ｉに対向するように配置され、他方が他側面５１ｊに対向するように差動配置されている。従って、測定対象５０がＸ方向に変位量Δｘだけ変位した場合には、光路長増倍光学系４Ｈの迂回光路がそれぞれ変位量Δｘだけ長くなるとともに、他方の光路長増倍光学系４Ｋの迂回光路がそれぞれ変位量Δｘだけ短くなるようになっている。また、測定対象５０がＹ方向に変位量Δｙだけ変位した場合には、光路長増倍光学系４Ｉの迂回光路がそれぞれ変位量Δｙだけ長くなるとともに、他方の光路長増倍光学系４Ｊの迂回光路がそれぞれ変位量Δｙだけ短くなるようになっている。

上記構成のレーザ干渉測長システム１００Ａによれば、レーザ光源１からレーザ光が出射されることで、次のような光学作用が実現される。すなわち、レーザ光源１から直線偏光のレーサ光が出射されると、１／２波長板２によってこのレーザ光の偏光面が例えば４５°に傾けられてビームスプリッタ３Ａへ入射する。すると、ビームスプリッタ３Ａで、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分をそれぞれ含んだレーザ光が等分に分割されて、９０°方向へ反射される光路と直進する光路とでそれぞれ進行する。すなわち、第１と第２の光路長増倍光学系４Ｈ，４Ｉが配置された第１光路には、レーザ光のＰ偏光成分Ａ１とＳ偏光成分Ａ２とが進行し、同様に、第３と第４の光路長増倍光学系４Ｊ，４Ｋが配置された第２光路にも、レーザ光のＰ偏光成分Ａ３とＳ偏光成分Ａ４とが進行する。

そして、第１光路に進んだレーザ光のＰ偏光の成分Ａ１は、図１で説明したように、第１光路長増倍光学系４Ｈはそのまま素通りする一方、その後、１／２波長板４４により偏光面を９０°回転させられることでＳ偏光となって第２光路長増倍光学系４Ｉにおいて多段に反射して迂回光路を経て通過する。そして、偏光ビームスプリッタ９で反射されて第１位相計４２Ａに入射する。

また、第１光路に進んだレーザ光のＳ偏光の成分Ａ２は、逆に、第１光路長増倍光学系４Ｈで多段に反射されて迂回光路を経て通過する一方、その後、１／２波長板４４により偏光面を９０°回転させられることでＰ偏光となって第２光路長増倍光学系４Ｉをそのまま素通りする。そして、偏光ビームスプリッタ９を直通して第２位相計４２Ｂに入射する。

また、第２光路に進んだレーザ光のＰ偏光の成分Ａ３は、第３光路長増倍光学系４Ｊはそのまま素通りする一方、その後、１／２波長板４５により偏光面を９０°回転させられることで第４光路長増倍光学系４Ｋにおいて多段に反射して迂回光路を経て通過する。そして、偏光ビームスプリッタ９で反射されて第２位相計４２Ｂに入射する。

また、第２光路に進んだレーザ光のＳ偏光の成分Ａ４は、逆に、第３光路長増倍光学系４Ｊで多段に反射されて迂回光路を経て通過する一方、その後、１／２波長板４５により偏光面を９０°回転させられることで第４光路長増倍光学系４Ｋをそのまま素通りする。そして、偏光ビームスプリッタ９を直通して第１位相計４２Ａに入射する。

また、各レーザ光の成分Ａ１〜Ａ４は、位相計４２Ａ，４２Ｂに入射される前段で、１／２波長板４５により例えば偏光面を４５°に変更するように調整されて位相計４２Ａ，４２Ｂに入射される。

このような光学作用により、第１実施形態で説明したのと同様に、第１位相計４２ＡにはＹ方向に差動配置された第２光路長増倍光学系４Ｉと第３光路長増倍光学系４Ｊの迂回光路をそれぞれ経たレーザ光が入射され、これらの干渉光の位相を測定して、測定対象５０のＹ方向の位置又は変位量が求められるようになっている。

また、第２位相計４２ＢにはＸ方向に差動配置された第１光路長増倍光学系４Ｈと第４光路長増倍光学系４Ｋの迂回光路をそれぞれ経たレーザ光が入射され、これらの干渉光の位相を測定して、測定対象５０のＸ方向の位置又は変位量が求められるようになっている。

以上のように、この第２実施形態のレーザ干渉測長システム１００Ａによれば、第１実施形態のレーザ干渉測長システム１００により得られる効果に加えて、レーザ光を２つに分割して２光路を設けるとともに、この２光路の各々に２個ずつ光路長増倍光学系４Ｈ〜４Ｋを配置することで、測定対象５０の２軸の移動方向に対して、その位置や変位量を高分解能に且つ高精度に測定できるという効果が得られる。

また、測定対象５０には、その側面５１ｈ〜５１ｋに平面ミラーを搭載するか、これらの側面５１ｈ〜５１ｋを鏡面状の平面にすれば良いため、測定対象に複雑な構造の光学部品を搭載しなければならない構成と比較して、測定対象５０の製作が容易となり、また、測定対象５０の小型化を図ることができる。特に、２軸以上の移動量を測定する構成の場合には、高精度に仕上げられた直角面を有する部材（低膨張材料を用いて四直角マスタなど）を測定対象５０として使用することで、高精度な移動量計測に有利となる。また、この場合、測定対象５０の側面自体が基準面となるので、この基準面を利用することで、システムの各部を通過するレーザ光の光軸調整なども容易に行うことができるという効果が得られる。

なお、第２実施形態においては、Ｘ方向とＹ方向の２軸方向の位置や変位量を測定する構成を示したが、例えば、測定対象５０が平面形状で六角形やそれ以上の多角形に形成され、Ｘ−Ｙ平面上の３軸方向やそれ以上の軸方向に移動する構成である場合、これらの移動方向に交差する２側面があれば、この２側面に対向するように光路長増倍光学系を配置して、これらを通過したレーザ光の干渉光の計測をすることで、３軸方向やそれ以上の軸方向の位置や変位を測定することが可能となる。

また、Ｘ−Ｙ平面上の方向のみでなく、Ｘ−Ｙ平面と垂直なＺ方向に対しても、例えば、測定対象の上面と底面に対向するように２つの光路長増倍光学系を配置し、これらを通過したレーザ光の干渉光を計測することで、Ｚ方向の位置や変位も測定可能となる。

［変形例１］
次に、レーザ干渉測長システム１００，１００Ａに備わる光路長増倍光学系の変形例について説明する。

図４には、実施形態のレーザ干渉測長システム１００，１００Ａに備わる光路長増倍光学系の第１変形例の構成図を示す。

この第１変形例の光路長増倍光学系４Ｑは、図１の光路長増倍光学系４の構成に加えて、そのビームスプリッタ列１０の一端側と他端側とに光を折り返す光折返体２５，２６を備えたものである。光折返体２５，２６は、入射光の光路をずらして入射光路と平行な光路でレーザ光を折り返すように作用するもので、例えば、直角プリズム、コーナーキューブ、直角に組み合わせた２枚の平面ミラーなどを適用することができる。

このような構成によれば、ビームスプリッタ列１０の一端側から入射され内部で多段に反射して通過したレーザ光が、再び、一方の光折返体２５で光路をずらして折り返えされて同様にビームスプリッタ列１０を通過する。更に、ビームスプリッタ列１０を通過したレーザ光がもう一方の光折返体２６で光路をずらして折り返され、同様にビームスプリッタ列１０を通過する。そして、この光路長増倍光学系４Ｑから送出されることとなる。従って、ビームスプリッタ列１０をレーザ光が３回折り返されて通過することとなって、迂回光路ｆ１ａ〜ｆｍｃの数を３倍にすることができる。

これにより、システムの光学分割数をさらに倍増して、より高分解能で高精度な測定が可能となる。

［変形例２］
図５には、実施形態のレーザ干渉測長システム１００，１００Ａに備わる光路長増倍光学系の第２変形例の構成図を示す。同図（ａ）はその平面図、（ｂ）は（ａ）の矢印Ｅ−Ｅ線断面図である。

この第２変形例では、第１変形例の光折返体２５，２６が両方ともＸ方向に光路を変位させてレーザ光を折り返す構成だったのに対して、一方の光折返体２８は光路をＺ方向に変位させてレーザ光を折り返す構成にしたものである。

図５の光路長増倍光学系４Ｒによれば、ビームスプリッタ列１０の一端側から入射され内部で多段に反射して通過したレーザ光（Ａ１１）は、一方の光折返体２７で光路をＸ方向に変位して折り返されてビームスプリッタ列を通過する（Ａ１２）。さらに、他方の光折返体２８で光路がＺ方向に変位して折り返されてビームスプリッタ列を通過する（Ａ１３）。さらに、再び、一方の光折返体２７により光路がＸ方向に戻され且つ折り返されてビームスプリッタ列を通過する（Ａ１４）。そして、この光路長増倍光学系４Ｒから送出されることとなる。

このような光の折り返し作用によって、光路長増倍光学系４Ｒに入射されたレーザ光はビームスプリッタ列１０を４回通過することとなり、４倍の迂回光路を生成することができ、これによりシステムの光学分割数を４倍に倍増して、より高分解能で高精度な測定が可能となる。

なお、図４や図５で光路長増倍光学系の変形例を示したが、例えば、レーザ光の折返し数は、図４や図５の変形例のものに限られず、幾らでも増やすことが可能である。また、多数の折り返しによる光路のズレ量がビームスプリッタ列の幅を超えてしまうような場合には、ビームスプリッタ列を複数列併設することで対応することも可能である。この場合、複数列のビームスプリッタ列が一連のビームスプリッタ列と見なすことができる。

以上のように、本発明の実施形態のレーザ干渉測長システム１００，１００Ａによれば、光路長を増倍する構成が規則的な構成であるため、光路長の増倍数に構造的な制限がなく、任意の像倍数を光学系の構成を大きく変更することなく容易に得られるという効果がある。

また、上記の光路長増倍光学系４Ｑ，４Ｒのように、光折返体２５〜２８を用いてビームスプリッタ列１０にレーザ光を複数回折り返して通過させるようにすることで、光学系をさほど大型にしたり部品点数を増大させたりすることなく、さらに光路長を倍増させてより高い光学分割数を得ることが可能である。

また、上記実施形態のレーザ干渉測長システム１００，１００Ａは、複数の光路長増倍光学系が同一構成であったり、また、１個の光路長増倍光学系の構成を見たときにも、個々の偏光ビームスプリッタ１１〜１ｍごとに同一の構造が繰り返し現れる構成となっているなど、全体に規則的な構造となっている。従って、規則的な構造の各部品を例えば接着剤などで一体構成としておき、システムに適用することが可能となり、システムの小型化を図ったり、システムの設計変更を容易に行えるようにすることができる。

なお、本発明は、上記実施の形態に限られるものではなく、様々な変更が可能である。例えば、上記第１と第２の実施形態では１個のレーザ光源１を用いた構成を例示したが、例えば異なる方向の測定を行うのに異なるレーザ光源を用いた構成を適用しても良い。また、レーザ光があたる測定対象５０の面は全体が同一の平面でなく段差のある平面としても良い。その他、レーザ光源の出力を分割する構成や、２光路のレーザ光を１光路に重ねる構成など、実施形態で具体的に示した細部構造は適宜変更可能である。

本発明は、レーザ干渉測長システム、変位構成装置、微細形状測定装置などの各種高精度測定装置に利用することができる。

本発明の第１実施形態のレーザ干渉測長システムに備わる光路長増倍光学系を示す構成図である。 本発明の第１実施形態のレーザ干渉測長システムの全体構成を示す図である。 本発明の第２実施形態のレーザ干渉測長システムの全体構成を示す図である。 実施形態のレーザ干渉測長システムに備わる光路長増倍光学系の第１の変形例を示す構成図である。 実施形態のレーザ干渉測長システムに備わる光路長増倍光学系の第２の変形例を示す構成図である。

符号の説明

１ レーザ光源
２ １／２波長板
３ 偏光ビームスプリッタ
３Ａ ビームスプリッタ
４，４Ａ，４Ｂ 光路長増倍光学系
４Ｈ〜４Ｋ 光路長増倍光学系
４Ｑ，４Ｒ 光路長増倍光学系
１０ ビームスプリッタ列
２１，２２ １／４波長板
３１ 平面ミラー
１１〜１ｍ 偏光ビームスプリッタ
ｆ１〜ｆｍ 迂回光路
２５，２６ 光折返体
２７，２８ 光折返体
５，６ １／２波長板
７，８ 平面ミラー
９ 偏光ビームスプリッタ
４１，４１Ａ，４１Ｂ １／２波長板
４２，４２Ａ，４２Ｂ 位相計
４４，４５ １／２波長板
１００，１００Ａ レーザ干渉測長システム

Claims (7)

1. 測定対象にレーザ光を照射してこの測定対象の位置又は変位量を測定する光学測定装置であって、
   前記測定対象の複数の面に対応して複数個所にそれぞれ配置され、レーザ光を光路途中で複数段反射させることで当該レーザ光が前記測定対象に当たって戻ってくる複数の迂回光路を発生させる複数の光路長増倍光学系と、
   前記複数の光路長増倍光学系を経た少なくとも２光路のレーザ光を干渉させて干渉光の計測を行う計測手段と、
   を備え、
   前記計測手段の計測結果により前記測定対象の位置又は変位量が求められることを特徴とする光学測定装置。
2. ２個一組の前記光路長増倍光学系が、前記測定対象の所定方向の変位に対して一方の光路長増倍光学系から前記測定対象までの距離が長くなった場合に、他方の光路長増倍光学系から前記測定対象までの距離が短くなるように差動配置され、
   前記計測手段は、前記２個一組の光路長増倍光学系を経た２光路のレーザ光の干渉光を計測して前記所定方向の位置又は変位量を求める構成であることを特徴とする請求項１記載の光学測定装置。
3. 前記２個一組の光路長増倍光学系が、前記測定対象の複数軸方向の変位に対応する位置に複数組み配置され、
   前記計測手段は、各組２個の前記光路長増倍光学系を経た２光路のレーザ光の干渉光をそれぞれ計測する構成であることを特徴とする請求項２記載の光学測定装置。
4. 光源から出射されたレーザ光を分割するビームスプリッタを備え、
   前記ビームスプリッタにより分割されたレーザ光が前記複数の光路長増倍光学系を経て前記計測手段に入射される構成であることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の光学測定装置。
5. 前記光路長増倍光学系は、
   複数の偏光ビームスプリッタが一連に並べられたビームスプリッタ列と、
   前記複数の偏光ビームスプリッタの前記測定対象の配置側およびその逆側にそれぞれ配置された１／４波長板と、
   前記複数の偏光ビームスプリッタの前記測定対象の逆側に前記１／４波長板を挟んで配置された平面ミラーと、
   を備え、
   前記ビームスプリッタ列の一端側から入射されたレーザ光が当該ビームスプリッタ列中の１個の偏光ビームスプリッタにより前記測定対象又は前記平面ミラーの何れか一方の側に反射され、この反射ビームが、前記１／４波長板を介して前記測定対象又は前記平面ミラーの何れか一方にあたって戻ることで前記偏光ビームスプリッタを通過し、前記測定対象又は前記平面ミラーの何れか他方の側へ進行するとともに、前記１／４波長板を介して前記測定対象又は前記平面ミラーの何れか他方にあたって戻ってくることで、前記偏光ビームスプリッタで反射されて、当該反射されたレーザ光が前記ビームスプリッタ列の次の偏光ビームスプリッタに入射される構成であることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の光学測定装置。
6. 前記光路長増倍光学系は、
   前記ビームスプリッタ列の一端側または両端側に配置された１個又は複数の光折返体を備え、
   前記１個又は複数の光折返体により前記ビームスプリッタ列を通過したレーザ光が折り返されて、当該ビームスプリッタ列を複数回往復するように構成されていることを特徴とする請求項５記載の光学測定装置。
7. 前記複数の光路長増倍光学系のうち、第１の光路上に配置された第１光路長増倍光学系および第２光路長増倍光学系と、前記第１の光路とは異なる第２の光路上に配置された第３光路長増倍光学系および第４光路長増倍光学系と、
   前記第１光路長増倍光学系に入射するレーザ光の偏光面と、前記第２光路長増倍光学系に入射するレーザ光の偏光面とを９０°異なる状態にする光学系と、
   前記第３光路長増倍光学系に入射するレーザ光の偏光面と、前記第４光路長増倍光学系に入射するレーザ光の偏光面とを９０°異なる状態にする光学系と、
   を備え、
   前記計測手段は、
   前記第１光路長増倍光学系で複数段に反射し、前記第２光路長増倍光学系を直通した偏光状態のレーザ光と、前記第３光路長増倍光学系を直通し、前記第４光路長増倍光学系で複数段に反射した偏光状態のレーザ光との干渉光を計測する第１計測部と、
   前記第１光路長増倍光学系を直通し、前記第２光路長増倍光学系で複数段に反射した偏光状態のレーザ光と、前記第３光路長増倍光学系で複数段に反射し、前記第４光路長増倍光学系を直通した偏光状態のレーザ光との干渉光を計測する第２計測部と、
   を備えていることを特徴とする請求項５記載の光学測定装置。

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