JP2979701B2

JP2979701B2 - 干渉計

Info

Publication number: JP2979701B2
Application number: JP3091952A
Authority: JP
Inventors: 正史末吉
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1991-04-23
Filing date: 1991-04-23
Publication date: 1999-11-15
Anticipated expiration: 2014-11-15
Also published as: JPH04323502A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】干渉計の光路長の温度変化の低減
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来技術に係る二光束干渉計、例えばレ
ーザ干渉計を用いて、移動ステージの座標測定を行う場
合の、レーザ干渉計と測定対象である移動ステージの関
係を図７に示す。

【０００３】本干渉計は、光源１と、プリズムＰ３、Ｐ
４と、偏光ビームスプリッタ２と、λ／４板３と、移動
鏡４と、固定鏡５とを有する。

【０００４】レーザ光源１より射出したレーザビームＢ
１は、偏光ビームスプリッタ２により、２つの偏光成分
に分割される。偏光ビームスプリッタ２を通過した一方
の偏光成分を有する偏光ビームＢ２１は、プリズムＰ３
を通過し、移動鏡４で反射される。そして反射の前後
で、２度、λ／４板３を通ることにより偏光面が９０°
回転し、偏光ビームスプリッタ２で反射され、ディテク
タ６に入射する。一方レーザビームＢ１の他方の偏光成
分を有する偏光ビームＢ３１は、偏光ビームスプリッタ
２で反射され、さらに、プリズムＰ４で反射された後、
固定鏡５で反射される。そして、もう一方の偏光ビーム
Ｂ２１と同様に、ディテクタ６に入射する。図３は、
図７のＰ３、Ｐ４の拡大図である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来の技術では温度変
化により、ガラスの膨張と屈折率変化が生じ、固定鏡側
と移動鏡側の２つの光路間において、光路長差に変化が
生じる。その結果、測定に誤差が生じる。

【０００６】本発明は、この様な、温度変化によって生
じる光路長差の変化を低減した干渉計を提供する事を目
的とする。

【０００７】

【課題を解決する為の手段】本発明の目的を達成するた
めには、固定鏡側光路と移動鏡側光路で温度変化による
光路長の変化が打ち消し合う様に光学部品のサイズを設
計すればよい。

【０００８】そのために、光源からでた光線束を複数の
光線束に分けて、それぞれの光線束が１または２以上の
媒質中を通過後、干渉させる干渉計において、１または
２以上の光路長補正ブロックを有し、上記各媒質の屈折
率をｎi(i＝１〜Ｎ)、上記各媒質毎の、光線束間の物理
的長さの差をｄi(i＝１〜Ｎ)、上記各物理的長さの差ｄ
iの、空気を除く媒質の膨張収縮による、単位長当たり
の変化率をαi(i＝１〜Ｎ)、温度をＴとしたときに、ｄ
iが、

【０００９】

【数３】

【００１０】を満たすように、上記の光路長補正ブロッ
クの物理的長さｌi(i＝１〜ｍ)が、設定されていること
としたものである。

【００１１】

【作用】光路長差の温度による変化は、ガラスの屈折率
変化、膨張及びガラスの膨張による空気層の厚さの変化
によって起こる。

【００１２】各媒質の屈折率をｎi(i＝１〜Ｎ)、各光線
束毎、各媒質毎の物理的長さをＬij(i＝１〜Ｎ，j＝
１，２)、各光線束毎の全光路長をＬH1，ＬH2とする
と、

【００１３】

【数４】

【００１４】となる。

【００１５】上記各媒質毎の、光線束間の物理的長さの
差をｄi(i＝１〜Ｎ)、温度をＴとしたときに、光線束間
の光路長の差をＬとすると、Ｌは下式で与えられる。

【００１６】

【数５】

【００１７】従って、光線束間の光路長の差Ｌの温度に
よる変化率は、下式のようになる。

【００１８】

【数６】

【００１９】ここで、上記各媒質の物理的長さの差ｄi
の、空気を除く媒質の膨張収縮による、単位長当たりの
変化率をαi(i＝１〜Ｎ)とすると、αiは、下式で与え
られる。

【００２０】

【数７】

【００２１】式７を使って、式６を変形し、さらに、式
６＝０とすると下式を得る。

【００２２】

【数８】

【００２３】ある温度付近では、∂ｎi／∂Ｔ、αi、ｎ
iは定数として与えられるので、式８となる様なｄiの組
合せにすれば、光路長差は、温度によって変化しない。

【００２４】

【実施例】本発明に係る二光束干渉計、例えばレーザ干
渉計を用いて、移動ステージの座標測定を行う場合の、
レーザ干渉計と測定対象である移動ステージ７の関係を
図１に示す。

【００２５】本干渉計は、レ−ザ光源である光源１と、
光路長補正ブロックであるプリズムＰ１と、光路折り曲
げ用反射鏡であるプリズムＰ２と、ビ−ムスプリッタで
ある偏光ビームスプリッタ２と、λ／４板３と、第２の
反射鏡である移動鏡４と、第１の反射鏡である固定鏡５
とを有する。

【００２６】光路長補正ブロックであるプリズムＰ１
と、光路折り曲げ用反射鏡であるプリズムＰ２と、ビ−
ムスプリッタである偏光ビームスプリッタ２とは１体と
なっている。

【００２７】レーザ光源１より射出したレーザビームＢ
１は、偏光ビームスプリッタ２により、２つの偏光成分
に分割される。偏光ビームスプリッタ２を通過した一方
の偏光成分(Ｐ偏光成分)を有する偏光ビームＢ２は、プ
リズムＰ１を通過し、移動鏡４で反射される。そして反
射の前後で、２度、λ／４板３を通ることにより偏光面
が９０°回転し、Ｓ偏光成分となって偏光ビームスプリ
ッタ２で反射され、ディテクタ６に入射する。一方レー
ザビームＢ１の他方の偏光成分(Ｓ偏光成分)を有する偏
光ビームＢ３は、偏光ビームスプリッタ２で反射され、
さらに、プリズムＰ２で反射された後、固定鏡５で反射
される。そして、往復２度λ／４板を通るため、偏光面
が９０゜回転してＰ偏光成分となるので、偏光ビ−ムス
プリッタ２を透過し、もう一方の偏光ビームＢ２と同様
に、ディテクタ６に入射する。

【００２８】図２は、図１のＰ１、Ｐ２の拡大図であ
る。図２に示すごとく、分割された２光束の進行方向に
おけるプリズム長の差をＬ1とし、２光束の分離距離を
Ｌ2とすると、前述のｄ1、ｄ2は、ｄ1＝Ｌ1−Ｌ2、ｄ2
＝Ｌ1となる。

【００２９】今、本実施例のように、媒質が２種類の場
合(Ｎ＝２)に式３を適用することを考える。

【００３０】式４において、ＬH1を移動鏡側の全光路
長、ＬH2を固定鏡側の全光路長とすると、式４は、下式
のようになる。

【００３１】

【数９】

【００３２】

【数１０】

【００３３】但し、Ｌ0は、プリズム部分以外の、ＬH
1，ＬH2について共通な空気部分の長さである。ｎ1は、
空気の屈折率、ｎ2は、ガラスの屈折率である。従っ
て、式５は、下式のようになる。

【００３４】

【数１１】

【００３５】空気については、屈折率の温度、湿度、気
圧による変化はレ-ザの波長を変化させて補正すること
で、０とし、ｎ＝ｎ2／ｎ1を使うと、式１１より、Ｌの
温度による変化率は、下式となる。この時、波長の変化
による屈折率の変化は小さいので無視する。

【００３６】

【数１２】

【００３７】式１２は、ｄ1、ｄ2を使っても表現できる
が、本実施例では、Ｌ1、Ｌ2を使って表現した方が、温
度変化率を０にする条件が判りやすいので、Ｌ1、Ｌ2で
示した。

【００３８】このとき、ガラスの材質をＢＫ７、波長を
６３２．８ｎｍとし、温度は２５℃近辺で考えると、α
＝７．１×１０~⁶／Ｋ，ｎ＝１．５１５，屈折率の温度
変化は下式で与えられる。

【００３９】

【数１３】

【００４０】したがって、（２．８×１０~⁶＋０．５１５×７．１×１０~⁶）・Ｌ1
＝（２．８×１０~⁶＋１．５１５×７．１×１０~⁶）・
Ｌ２となる。これを整理すると、Ｌ１＝２．１×Ｌ2とな
る。

【００４１】上式によると、例えば、Ｌ2＝２０ｍｍの
場合は、Ｌ1＝４２ｍｍとすればよいことがわかる。

【００４２】図３は、図７に示す従来型の干渉計のプリ
ズムである。これについて、同条件で計算すると、Ｌ1
＝０であるから下式のようになる。

【００４３】

【数１４】

【００４４】従って、−２７１ｎｍ／℃の変動が起こ
る。

【００４５】本発明を実施するときのプリズムの配置に
ついては、図４の様に、平行四辺形状のプリズムＰ２を
２つの直角三角形状のプリズムＰ５、Ｐ７に分離して、
配置すると、プリズムＰ５、Ｐ７間の距離も温度により
変動し、またプリズムＰ７が、どの点を中心に膨張する
かにより、空気層の厚さが異なるので、適切な配置では
ない。但し、図５の様に、プリズムＰ１を、直角三角形
状のプリズムＰ８と長方形状プリズムＰ９に、または多
数個に分離すると、プリズムＰ９は、どこを中心として
膨張しても、空気層の厚さの変わり方は一定である。た
だし、プリズムの温度差が小さい方が望ましいので、プ
リズムＰ１を分離しない方がよい。

【００４６】本発明に係る実施例ではないが、図６は、
ビ−ムスプリッタ２ではなく、ミラーＭ１で光路を曲げ
た図であり、温度変化によるガラスの膨張及び屈折率変
化による光路長差の変化は起こらないが、ミラーＭ１と
プリズムＰ１１、Ｐ１２の間隔が温度によって変化する
ので望ましくない。

【００４７】尚、上記の説明では、温度変化によるレー
ザ波長の変化による影響は少いとしている。

【００４８】以上のように本発明によれば、温度変化に
伴うガラスの屈折率変化及びガラスの膨張によって生ず
る光路長差の変化を小さくすることができるので、干渉
計による高精度の測長が可能である。

【００４９】式３から明らかなように、干渉計のビーム
間隔Ｌ2は、可能ならば小さい方が誤差が小さくなり、
二本のビームを接近させればさせるほど、二本の光路の
温度差も小さくなると考えられるので、より精度を向上
させることができる。

【００５０】

【発明の効果】本発明は、以上のように構成されている
ので、温度変化によって生じる光路長差の変化を低減し
た干渉計を提供する事ができ、より高精度に位置計測を
行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るレーザ干渉計とステージの関係を
示す説明図。

【図２】図１のプリズムＰ１、Ｐ２を拡大した説明図。

【図３】図７のプリズムＰ３、Ｐ４を拡大した説明図。

【図４】正確に計算できない配置に置かれたプリズムの
配置図。

【図５】本発明の第２の実施例の説明図。

【図６】正確に計算できない配置に置かれたプリズムの
配置図。

【図７】従来技術に係るレーザ干渉計とステージの関係
を示す説明図。

【符号の説明】

１…レーザ光源、２…ビームスプリッタ、３…λ／４
板、４…移動鏡、５…固定鏡、６…ディテクタ、７…ス
テージ、Ｐ1〜Ｐ12…プリズム、Ｍ１…ミラー。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】光源からでた光線束を複数の光線束に分け
て、それぞれの光線束が１または２以上の媒質中を通過
後、干渉させる干渉計において、１または２以上の光路
長補正ブロックを有し、上記各媒質の屈折率をｎi(i＝
１〜Ｎ)、上記各媒質毎の、光線束間の物理的長さの差
をｄi(i＝１〜Ｎ)、上記各物理的長さの差ｄiの、空気
を除く媒質の膨張収縮による、単位長当たりの変化率を
αi(i＝１〜Ｎ)、温度をＴとしたときに、ｄiが【数１】を満たすように、上記の光路長補正ブロックの物理的長
さｌi(i＝１〜ｍ)が、設定されていることを特徴とする
干渉計。
【請求項２】前記光路長補正ブロックと、光線束を分岐
するビ−ムスプリッタと、分岐された一方の光線束の進
行方向を変える光路折り曲げ用反射鏡とを有し、上記光
路長補正ブロックと、上記ビ−ムスプリッタと、上記光
路折り曲げ用反射鏡とが１体となっていることを特徴と
する請求項１記載の干渉計。
【請求項３】請求項１または２記載の干渉計は、光源と
して、レ−ザ光源を有することを特徴とする干渉計。
【請求項４】請求項１、２または３記載の干渉計は、位
置測定の基準となる第１の反射鏡と、測定対象に取付け
られて、位置を測定される第２の反射鏡とを有し、第１
の反射鏡と、第２の反射鏡間の相対距離を測定する位置
測定装置であることを特徴とする干渉計。
【請求項５】光源からでた光線束を、複数の光線束に分
けて、それぞれの光線束が、１または２以上の媒質中を
通過後、干渉させる干渉方法において、上記各媒質の屈
折率をｎi(i＝１〜Ｎ)、上記各媒質毎の、光線束間の物
理的長さの差をｄi(i＝１〜Ｎ)、上記各物理的長さの差
ｄiの、空気を除く媒質の膨張収縮による、単位長当た
りの変化率をαi(i＝１〜Ｎ)、温度をＴとしたときに、
ｄiが、【数２】を満たすように、物理的長さｌi(i＝１〜ｍ)が設定され
た媒質中を、光線束が通過することを特徴とする干渉方
法。