JP3141363B2 - 干渉計 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば高温での安定性
の高い干渉計に関する。

【０００２】

【従来の技術】第１の点と第２の点との相対的な距離の
変化量を高精度に計測できる装置としてレーザー干渉計
が知られている。レーザー干渉計は、第１の点から反射
された第１のレーザービームの光路長と第２の点から反
射された第２のレーザービームの光路長との差が変化す
るときの干渉縞の変化又はビート信号の変化を計数パル
ス等に変換するものであり、例えばこの計数パルスを積
算計数することにより両者の相対的な距離を求めること
ができる。

【０００３】この場合、光路長はレーザービームの光路
の実際の長さとこのビームが通過する媒体の屈折率との
積である。例えば特開昭６３−２２８００３号公報に開
示されているように、一般に、光路長は屈折率の小さい
（１に近い）空気中を通過するレーザービームの多数の
光路に起因する部分と、屈折率の高いガラス等の媒体中
を通過するレーザービームの多数の光路に起因する部分
とから構成されている。従って、周囲の温度変化又は支
持部材の熱変化等によりそのガラス等の媒体の内部の温
度が変化して屈折率が変化すると、第１の点と第２の点
との相対的な距離が変化していないにも拘らず光路長の
差が変化して、レーザー干渉計により距離の変化が誤っ
て検出される虞がある。

【０００４】近時は、レーザー干渉計は半導体素子製造
用の投影露光装置の変位検出部などのように、極めて高
い測定精度が要求される用途に使用されており、熱的な
要因による測定誤差をできるだけ排除することが望まれ
ている。そして、上記の特開昭６３−２２８００３号公
報においては、熱的な要因による測定誤差を少なくでき
高温でも高い精度で距離の変化を検出できる干渉計とし
て、以下のような干渉計が提案されている。

【０００５】図２（ａ）はその従来の干渉計を示し、こ
の図２（ａ）において、１は２周波レーザー用のレーザ
ー光源であり、レーザー光源１からは図２（ａ）の紙面
に平行な方向に直線偏光した周波数ｆ１の第１ビームと
図２（ａ）の紙面に垂直な方向に直線偏光した周波数ｆ
２（ｆ２≠ｆ１）の第２ビームとが混合した形でＸ方向
に射出される。２は、直角プリズム３と図２（ａ）の紙
面に平行な面が平行四辺形の平行六面体４とを貼り合わ
せてなるプリズム体を示し、直角プリズム３と平行六面
体４との貼り合わせ面が偏光ビームスプリッター面２ａ
となり、この面２ａと平行な平行六面体の１面が反射面
２ｂとなっている。反射面２ｂは全反射を利用したミラ
ーでもよい。即ち、そのプリズム体２は、偏光ビームス
プリッター面２ａと反射面２ｂとを平行に配置した光学
部材ともみなすことができる。その偏光ビームスプリッ
ター面２ａが図２（ａ）の紙面に垂直で且つＸ方向に４
５°で交差するように、そのプリズム体２が配置されて
いる。

【０００６】レーザー光源１からのレーザービーム（第
１ビーム及び第２ビーム）はそのプリズム体２の偏光ビ
ームスプリッター面２ａに４５°の入射角で入射する。
その内の第１ビームは面２ａに対してＰ偏光でありその
まま面２ａを透過して１／４波長板５を介して固定鏡６
に入射し、この固定鏡６で反射された第１ビームは１／
４波長板５を介して再びプリズム体２の偏光ビームスプ
リッター面２ａに入射する。この際に、１／４波長板５
を往復したことにより第１ビームは面２ａに対してＳ偏
光になっているため、第１ビームは面２ａで反射されて
直角プリズム７に向かう。

【０００７】直角プリズム７により反射された第１ビー
ムは１／２波長板８により偏光面が９０°回転された後
にプリズム体２の偏光ビームスプリッター面２ａに入射
する。この面２ａへの入射位置は射出位置に対して図３
（ａ）の紙面に平行な方向にずれた位置である。この場
合、第１ビームは１／２波長板８によりＰ偏光になって
いるので、そのまま面２ａを透過した後に反射面２ｂで
反射されてから１／４波長板５を介して固定鏡６に入射
する。再びこの固定鏡６で反射された第１ビームは１／
４波長板５を経てプリズム体２の反射面２ｂで反射され
て偏光ビームスプリッター面２ａに入射する。今回は１
／４波長板５を往復することにより、第１ビームはＳ偏
光になっているので、その面２ａで反射されてレシーバ
１０に入射する。レシーバ１０にはアナライザ及び受光
素子が内蔵されている。

【０００８】一方、レーザー光源１からプリズム体２の
偏光ビームスプリッター面２ａに入射するレーザービー
ムの内の第２ビームは面２ａに対してＳ偏光であり、こ
の第２ビームは面２ａで反射された後に反射面２ｂで反
射される。その後第２ビームは１／４波長板５を介して
移動鏡９に入射する。移動鏡９は固定鏡６よりも幅が広
く、且つＸ方向にずれた領域にＸ方向に移動自在に保持
されている。この移動鏡９で反射された第２ビームは１
／４波長板を経て再びプリズム体２の反射面２ｂで反射
されて偏光ビームスプリッター面２ａに入射する。この
際に、１／４波長板５を往復したことにより第２ビーム
は面２ａに対してＰ偏光になっているため、第２ビーム
は面２ａを透過して直角プリズム７に向かう。

【０００９】直角プリズム７により反射された第２ビー
ムは１／２波長板８により偏光面が９０°回転された後
にプリズム体２の偏光ビームスプリッター面２ａに入射
する。この場合、第２ビームは１／２波長板８によりＳ
偏光になっているので、その面２ａで反射されてから１
／４波長板５を介して移動鏡９に入射する。再びこの移
動鏡９で反射された第２ビームは１／４波長板５を経て
プリズム体２の偏光ビームスプリッター面２ａに入射す
る。今回は１／４波長板５を往復することにより、第２
ビームはＰ偏光になっているので、その面２ａを透過し
てレシーバ１０に入射する。レシーバ１０においては、
固定鏡６で２回反射された第１ビームと移動鏡９で２回
反射された第２ビームとがアナライザにより偏光方向が
揃えられて受光素子に入射する。

【００１０】レシーバ１０の受光素子からは、移動鏡９
が停止している状態では、周波数が（ｆ１−ｆ２）のビ
ート信号が出力され、移動鏡９が移動すると周波数が変
調されたビート信号が出力される。従って、この周波数
の変化を積算することにより、移動鏡９の固定鏡６に対
するＸ方向の移動量を検出することができる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】図２（ａ）の干渉計の
中のプリズム体２の中の第１ビームと第２ビームとの光
路について図２（ｂ）を用いて検討する。図２（ｂ）に
示すように、プリズム体２の内の平行六面体４の内部で
は、共通の光路を除いて第１ビーム及び第２ビームの光
路はそれぞれＴ１１及びＴ２１であり、直角プリズム３
の内部では、共通の光路を除いて第１ビーム及び第２ビ
ームの光路はそれぞれＴ１２及びＴ２２である。そし
て、Ｔ１１＋Ｔ１２＝Ｔ２１＋Ｔ２２が成立しているの
で、プリズム体２全体としては第１ビームの光路と第２
ビームの光路とは等しい。

【００１２】しかしながら、平行六面体４と直角プリズ
ム３とを個別に検討すると、平行六面体４についてはＴ
１１＞Ｔ２１が成立し、且つ直角プリズム３については
Ｔ１２＜Ｔ２２が成立している。従って、平行六面体４
及び直角プリズム３の屈折率が等しい場合でも、仮に両
者の温度が異なるようになった場合には、第１ビームと
第２ビームとの光路差に変化が生じ、移動鏡９が停止し
ているにも拘らず、移動量が変化したものとして検出さ
れてしまう。即ち、図２（ａ）の構成では、プリズム体
２を構成する光学部材間に温度差が生じると、測定誤差
が生ずる不都合がある。

【００１３】本発明は斯かる点に鑑み、光学部材の間に
温度差が生じても測定誤差が少ない干渉計を提供するこ
とを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明による干渉計は、
例えば図１に示す如く、コヒーレントなビームを供給す
る光源（１）と、第１及び第２偏光分離面を有する第１
の面（３１ａ）と第１及び第２反射面を有する第２面
（３１ｂ）とが互いに直交して設けられ、その第１偏光
分離面によってその光源（１）からのビームを第１方向
（Ｘ方向）の第１ビームと第２方向の第２ビームとに分
離する光学部材（３１）と、その第１の面（３１ａ）と
その第２の面（３１ｂ）とに対し４５゜傾いた基準面と
平行に設けられた第１、第２、第３及び第４の４分の１
波長板（５ａ〜５ｄ）と、その第１偏光分離面によって
第１方向に分離された第１ビームをその第１の４分の１
波長板（５ａ）を介して反射させて再びその第１偏光分
離面へ戻すと共に、その第１偏光分離面に戻った第１ビ
ームをその第１反射面及びその第２の４分の１波長板
（５ｂ）を介して反射させて再びその第１偏光分離面へ
戻す第１反射部材（６）とを有する。

【００１５】更に、本発明は、この第１反射部材（６）
の２回の反射によってその第１偏光分離面に戻されるこ
とによりその第２方向に導かれる第１ビームとその第１
偏光分離面にて第２方向に分割されるその光源（１）か
らの第２ビームとを各々偏向させてその第２偏光分離面
へ導く偏向光学部材（７）と、その第２偏光分離面にて
第１ビームをその第１方向へ、その第２ビームをその第
２方向へそれぞれ分割するために、その第１偏光分離面
から第２方向に射出した第１ビーム及び第２ビームがそ
の偏向光学部材（７）によってその第２偏光分離面へ至
るまでにその第１ビーム及びその第２ビームの偏光面を
各々９０度回転させる偏光面回転手段（８）と、その第
２偏光分離面によってその第２方向に導かれた第２ビー
ムをその第２反射面及びその第３の４分の１波長板（５
ｃ）を介して反射させて再びその第２偏光分離面へ戻す
と共に、その第２偏光分離面へ戻った第２ビームをその
第４の４分の１波長板（５ｄ）を介して反射させて再び
その第２偏光分離面へ戻す第２反射部材（９）と、この
第２反射部材（９）の２回の反射によってその第２偏光
分離面に戻されることによりその第２偏光分離面にてそ
の第１方向に導かれる第２ビームとその第２偏光分離面
にてその第１方向に導かれる第１ビームとを受光する受
光手段（１０）とを有し、その第１反射部材（６）とそ
の第２反射部材（９）との相対的な移動量を検出するも
のである。

【００１６】

【作用】斯かる本発明の干渉計によれば、第１反射部材
（６）と第２反射部材（９）とは、第１ビームの進行方
向である第１方向（Ｘ方向）にずらして配置することが
できる。そして、第１反射部材（６）で２回反射された
第１ビームと第２反射部材（９）で２回反射された第２
ビームとが受光手段（１０）で混合して受光される。従
って、第１反射部材（６）と第２反射部材（９）とのＸ
方向の相対位置が変化すると、第１ビームと第２ビーム
との光路長が変化して受光手段（１０）における干渉縞
又はビート信号が変化することから、両部材（６，９）
の相対的な移動量を検出することができる。

【００１７】この場合、光学部材（３１）は、図１
（ｂ）に示すように、第１及び第２偏光分離面を有する
第１の面（３１ａ）と第１及び第２反射面を有する第２
の面（３１ｂ）とが直交して配置されている。そして、
例えば第１の面（３１ａ）と第２の面（３１ｂ）との間
を同一の媒体（３３）で形成し、第１の面（３１ａ）の
外部を別の媒体（３２）で形成した場合には、その媒体
（３３）中での第１ビーム及び第２ビームの光路はそれ
ぞれＴ１３及びＴ２３となり、これら光路Ｔ１３とＴ２
３とは同一の長さである。また、媒体（３２）中での第
１ビームと第２ビームとの光路は等しい。従って、媒体
（３２）と媒体（３３）との間に温度差が生じても、第
１ビームと第２ビームとの間の光路長の差は変化するこ
とがなく、常に正確に両部材（６，９）の相対的な移動
量を検出することができる。

【００１８】

【実施例】以下、本発明による干渉計の一実施例につき
図１を参照して説明する。

【００１９】図１（ａ）は本例のレーザー干渉計の要部
を示し、この図１（ａ）において、３１は第１の直角プ
リズム３２と第２の直角プリズム３３とを貼り合わせて
なるプリズム体である。このプリズム体３１は、図１
（ｂ）に示すように、直角プリズム３２の斜面と直角プ
リズム３３の直交する２面の内の１面とを貼り合わせた
ものである。そして、その貼り合わせ面を偏光ビームス
プリッター面３１ａとして、直角プリズム３３の直交す
る２面の内の他の面を反射面３１ｂとする。この反射面
３１ｂは全反射を利用してもよい。

【００２０】従って、プリズム体３１は偏光ビームスプ
リッター面３１ａと反射面３１ｂとが直交して配置され
たものであればよい。例えば、図１（ｃ）に示すよう
に、３個の直角プリズム３５〜３７を貼り合わせてプリ
ズム体３４を構成し、直角プリズム３５と３６との貼り
合わせ面を偏光ビームスプリッター面３４ａとして、直
角プリズム３７の外部の斜面を反射面３４ｂとすれば、
このプリズム体３４をプリズム体３１の代わりに使用す
ることができる。

【００２１】図１（ａ）に戻り、レーザー光源１から周
波数の異なる２本のレーザービーム（第１ビーム及び第
２ビーム）が射出される方向をＸ方向として、プリズム
体３１の偏光ビームスプリッター面３１ａがＸ方向に４
５°で交差するように、プリズム体３１を配置する。ま
た、Ｘ方向に１／４波長板５を配置し、その次に平面鏡
よりなる固定鏡６を固定し、その次に平面鏡よりなる移
動鏡９をＸ方向に移動自在に配置する。Ｘ方向に垂直で
且つ図１（ａ）の紙面に平行な方向の移動鏡９の幅は固
定鏡６の幅よりも広く設定する。

【００２２】また、プリズム体３１の偏光ビームスプリ
ッター面３１ａの領域Ｑ１１でレーザー光源１からのレ
ーザービームが反射される方向に直角プリズム７を配置
する。この場合、直角プリズム７内の２回の全反射によ
りレーザービームがその偏光ビームスプリッター面３１
ａの領域Ｑ１３に戻されるものとして、領域Ｑ１１と領
域Ｑ１３とは反射面３１ｂに対して垂直な直線上の異な
る位置に存在し、且つ領域Ｑ１１の方が反射面３１ｂに
近くなるように、その直角プリズム７の位置決めを行
う。また、プリズム体３１と直角プリズム７との間の一
方の光路の途中に１／２波長板８を配置する。ただし、
この１／２波長板８の代わりに、直角プリズム７の入射
及び射出面の全面を覆うように１／４波長板を配置して
もよい。また、偏光ビームスプリッター面３１ａの領域
Ｑ１３で直角プリズム７からのレーザービームを反射し
た方向にレシーバ１０を配置する。

【００２３】次に、本例の動作につき説明する。先ず、
レーザー光源１からのレーザービーム（第１ビーム及び
第２ビーム）はプリズム体３１の偏光ビームスプリッタ
ー面３１ａの領域Ｑ１１に４５°の入射角で入射する。
その内の面３１ａに対してＰ偏光の第１ビームは、その
まま面３１ａを透過して１／４波長板５を介して固定鏡
６の領域Ｑ２１に入射し、この固定鏡６で反射された第
１ビームは１／４波長板５を介して再びプリズム体３１
の偏光ビームスプリッター面３１ａに入射する。この際
に、１／４波長板５を往復したことにより第１ビームは
面３１ａに対してＳ偏光になっているため、第１ビーム
は面３１ａの領域Ｑ１１で反射されて反射面３１ｂの領
域Ｑ１２に向かう。

【００２４】この反射面３１ｂで反射された第１ビーム
は１／４波長板５を介して固定鏡６の領域Ｑ２２に入射
し、この領域Ｑ２２で反射された第２ビームは１／４波
長板５及びプリズム体３１の反射面３１ｂの領域Ｑ１２
を経て偏光ビームスプリッター面３１ａの領域Ｑ１１に
入射する。この場合、第１ビームはＰ偏光になっている
のでそのまま偏光ビームスプリッター面３１ａを透過し
た後に、１／２波長板８により偏光面が９０°回転され
てから直角プリズム７に向かう。

【００２５】直角プリズム７により反射された第１ビー
ムはプリズム体３１の偏光ビームスプリッター面３１ａ
の領域Ｑ１３に入射する。この場合、第１ビームは１／
２波長板８によりＳ偏光になっているので、その面３１
ａの領域Ｑ１３で反射されてレシーバ１０に入射する。

【００２６】一方、レーザー光源１からプリズム体３１
の偏光ビームスプリッター面３１ａの領域Ｑ１１に入射
するレーザービームの内の面３１ａに対してＳ偏の第２
ビームは、面３１ａの領域Ｑ１１で反射された後に１／
２波長板８を透過して直角プリズム７に向かう。この直
角プリズム７で反射された第２ビームは、プリズム体３
１の偏光ビームスプリッター面３１ａの領域Ｑ１３に入
射する。１／２波長板８により第２ビームはＰ偏光とな
っているので、第２ビームはそのまま面３１ａの領域Ｑ
１３を透過した後に反射面３１ｂの領域Ｑ１４で反射さ
れる。その後第２ビームは１／４波長板５を介して移動
鏡９の領域Ｑ３１に入射する。

【００２７】この移動鏡９の領域Ｑ３１で反射された第
２ビームは１／４波長板５を経て再びプリズム体３１の
反射面３１ｂの領域Ｑ１４で反射されて偏光ビームスプ
リッター面３１ａの領域Ｑ１３に入射する。この際に、
１／４波長板５を往復したことにより第２ビームは面３
１ａに対してＳ偏光になっているため、第２ビームは面
３１ａの領域Ｑ１３で反射される。その後、第２ビーム
は１／４波長板５を介して移動鏡９の領域Ｑ３２に入射
し、この領域Ｑ３２で反射された第２ビームは１／４波
長板５を介してプリズム体３１の偏光ビームスプリッタ
ー面３１ａの領域Ｑ１３に戻る。今回は１／４波長板５
を往復することにより、第２ビームはＰ偏光になってい
るので、その面３１ａの領域Ｑ１３を透過してレシーバ
１０に入射する。レシーバ１０においては、固定鏡６で
２回反射された第１ビームと移動鏡９で２回反射された
第２ビームとがアナライザにより偏光方向が揃えられて
受光素子に入射する。

【００２８】レシーバ１０の受光素子からは、固定鏡６
と移動鏡９とがＸ方向に相対的に停止している状態で
は、周波数が（ｆ１−ｆ２）のビート信号が出力され、
両者がＸ方向に相対的に移動すると周波数が変調された
ビート信号が出力される。従って、この周波数の変化を
積算することにより、固定鏡６と移動鏡９とのＸ方向の
相対的な移動量を検出することができる。

【００２９】この場合、本例では図１（ａ）より明かな
ように、プリズム体３１の直角プリズム３２の内部では
第１ビームと第２ビームとは同一の光路を通過する。ま
た、プリズム体３１の直角プリズム３３の内部では、図
１（ｂ）に示すように第１ビームと第２ビームとはそれ
ぞれ光路Ｔ１３及びＴ２３を通過するが、光路Ｔ１３の
長さと光路Ｔ２３の長さとは等しい。従って、直角プリ
ズム３２と直角プリズム３３との間に温度差が生じて
も、第１ビームと第２ビームとの光路長の差は変化する
ことがなく、常に高精度で固定鏡６と移動鏡９とのＸ方
向の相対的な移動量を計測することができる。

【００３０】なお、上述実施例はヘテロダイン方式のレ
ーザー干渉計に本発明を適用したものであるが、本発明
はホモダイン方式の干渉計にも同様に適用することがで
きる。また、直角プリズム７の代わりにコーナーキュー
ブ等を使用してもよい。さらに、図１の（ａ）に示した
実施例では、１／４波長板５を１枚で構成した場合につ
いて説明したが、固定鏡６の各領域Ｑ２１，Ｑ２２及び
移動鏡９の各領域Ｑ３１，Ｑ３２の反射により形成され
る４つの往復光路中に点線で示す如く１／４波長板５ａ
〜５ｄを各々配置しても良いことはいうまでもない。

【００３１】また、図１の（ａ）に示した実施例では、
互いに直交した２つの面を持つ直角プリズム３２の第１
の面側にレーザー光源１とレシーバ１０とが配置され、
第２の面側に１／２波長板８と直角プリズム７とが配置
されているが、第２の面側にレーザー光源１とレシーバ
１０とを配置し、第１の面側に１／２波長板８と直角プ
リズム７とを配置しても良く、さらには、レーザー光源
１とレシーバ１０との位置を入れ換えても良い。このよ
うに、本発明は上述実施例に限定されず本発明の要旨を
逸脱しない範囲で種々の構成を取り得る。

【００３２】

【発明の効果】本発明によれば、光学部材の第１の面と
第２の面との間の媒体中における第１ビームの光路と第
２ビームの光路とはほぼ等しいので、その光学部材を構
成する光学部材の間に温度差が生じても測定誤差が少な
い利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明による干渉計の一実施例を示す
平面図、（ｂ）は実施例のプリズム体３１の平面図、
（ｃ）は実施例のプリズム体の他の例を示す平面図であ
る。

【図２】（ａ）は従来の干渉計を示す平面図、（ｂ）は
従来のプリズム体２の平面図である。

【符号の説明】

１ レーザー光源 ５ １／４波長板 ６ 固定鏡 ７ 直角プリズム ８ １／２波長板 ９ 移動鏡 １０ レシーバ ３１ プリズム体 ３１ａ 偏光ビームスプリッター面 ３１ｂ 反射面 ３２，３３ 直角プリズム

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 コヒーレントなビームを供給する光源
   と、 第１及び第２偏光分離面を有する第１の面と第１及び第
   ２反射面を有する第２の面とが互いに直交して設けら
   れ、前記第１偏光分離面によって前記光源からのビーム
   を第１方向の第１ビームと第２方向の第２ビームとに分
   離する光学部材と、 前記第１の面と前記第２の面とに対し４５°傾いた基準
   面と平行に設けられた第１、第２、第３、及び第４の４
   分の１波長板と、 前記第１偏光分離面によって前記第１方向に分離された
   前記第１ビームを前記第１の４分の１波長板を介して反
   射させて再び前記第１偏光分離面へ戻すと共に、前記第
   １偏光分離面に戻った前記第１ビームを前記第１反射面
   及び前記第２の４分の１波長板を介して反射させて再び
   前記第１偏光分離面へ戻す第１反射部材と、 該第１反射部材の２回の反射によって前記第１偏光分離
   面に戻されることにより前記第２方向に導かれる前記第
   １ビームと前記第１偏光分離面にて前記第２方向に分割
   される前記光源からの前記第２ビームとを各々偏向させ
   て前記第２偏光分離面へ導く偏向光学部材と、 前記第２偏光分離面にて前記第１ビームを前記第１方向
   へ、前記第２ビームを前記第２方向へそれぞれ分割する
   ために、前記第１偏光分離面から前記第２方向に射出し
   た前記第１ビーム及び前記第２ビームが前記偏向光学部
   材によって前記第２偏光分離面へ至るまでに前記第１ビ
   ーム及び前記第２ビームの偏光面を各々９０度回転させ
   る偏光面回転手段と、 前記第２偏光分離面によって前記第２方向に導かれた前
   記第２ビームを前記第２反射面及び前記第３の４分の１
   波長板を介して反射させて再び前記第２偏光分離面へ戻
   すと共に、前記第２偏光分離面へ戻った前記第２ビーム
   を前記第４の４分の１波長板を介して反射させて再び前
   記第２偏光分離面へ戻す第２反射部材と、 該第２反射部材の２回の反射によって前記第２偏光分離
   面に戻されることにより前記第２偏光分離面にて前記第
   １方向に導かれる前記第２ビームと前記第２偏光分離面
   にて前記第１方向に導かれる前記第１ビームとを受光す
   る受光手段とを有し、 前記第１反射部材と前記第２反射部材との相対的な移動
   量を検出する事を特徴とする干渉計。