JP3374505B2 - Laser interferometer and method for correcting length error - Google Patents

Laser interferometer and method for correcting length error

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JP3374505B2
JP3374505B2 JP03477994A JP3477994A JP3374505B2 JP 3374505 B2 JP3374505 B2 JP 3374505B2 JP 03477994 A JP03477994 A JP 03477994A JP 3477994 A JP3477994 A JP 3477994A JP 3374505 B2 JP3374505 B2 JP 3374505B2
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康志 福冨
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Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、レーザ光の干渉を利用
した高精度な測長装置に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a highly accurate length measuring device utilizing interference of laser light.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、精密加工あるいは精密計測に用い
られるステージなどの高精度位置測定あるいは高精度位
置決めに、レーザ干渉式の測長装置が広く用いられてい
る。図3は、従来広く用いられているマイケルソン型干
渉計によるレーザ測長装置の概略図である。以下、図を
参照しながらその動作を説明する。
2. Description of the Related Art Conventionally, a laser interference type length measuring device has been widely used for high precision position measurement or high precision positioning of a stage or the like used for precision machining or precision measurement. FIG. 3 is a schematic view of a laser length measuring device using a Michelson type interferometer which has been widely used conventionally. The operation will be described below with reference to the drawings.

【0003】光源1から出射されたレーザ光束は、ビー
ムスプリッタ2により、2つの光束A、Bに分離され、
それそれ移動ステージ3上に設けられた移動鏡4および
前記ビームスプリッタに対して固定された固定鏡5に向
かう。以後、光束Aを測長光、光束Bを参照光と称す。
それぞれ移動鏡4および固定鏡5で折り返された測長光
および参照光は、再びビームスプリッタ2上で重なり、
干渉を起こす。光源1、ビームスプリッタ2、固定鏡
5、検出器6は、相互に固定した位置関係にある。検出
器6にはケーブルを介して電気処理および表示を行なう
処理表示装置13が接続される。処理表示装置13によ
り、検出器6の検出結果に基づき測長結果が算出され、
ユーザに対して可視表示される。なお、この例では、移
動鏡4および固定鏡5にコーナーキューブプリズムを使
用している。
A laser beam emitted from a light source 1 is split into two beams A and B by a beam splitter 2.
It goes toward a movable mirror 4 provided on the movable stage 3 and a fixed mirror 5 fixed to the beam splitter. Hereinafter, the light flux A will be referred to as length measuring light, and the light flux B will be referred to as reference light.
The measurement light and the reference light, which are respectively folded back by the movable mirror 4 and the fixed mirror 5, overlap again on the beam splitter 2,
Cause interference. The light source 1, the beam splitter 2, the fixed mirror 5, and the detector 6 have a fixed positional relationship with each other. A process display device 13 that performs electrical processing and display is connected to the detector 6 via a cable. The processing and display device 13 calculates the length measurement result based on the detection result of the detector 6,
It is visible to the user. In this example, corner cube prisms are used for the movable mirror 4 and the fixed mirror 5.

【0004】干渉したレーザ光は、移動鏡4の移動に応
じて明暗を繰り返すため、この干渉光を検出器6で受
け、明暗を計数することにより、移動鏡4すなわちステ
ージ3の移動距離を測定することができる。図3の例で
は移動鏡がレーザ波長の1/2の距離だけ移動すると干
渉光は一回明暗を生じる。
Since the interfered laser light repeats bright and dark according to the movement of the movable mirror 4, the detector 6 receives the interference light and counts the bright and dark to measure the moving distance of the movable mirror 4, that is, the stage 3. can do. In the example of FIG. 3, when the movable mirror moves by a distance of ½ of the laser wavelength, the interference light produces bright and dark once.

【0005】また、周波数をわずかにずらした2周波の
レーザ光を光源から出射させ、一方を移動鏡で、他方を
固定鏡で折り返させ干渉させる方式(ヘテロダイン干渉
方式)も広く用いられている。さらに、干渉によって得
られた信号を電気的に分割することで測定の分解能をn
mオーダまで向上させる手法も広く用いられている。
A method (heterodyne interference method) in which laser light of two frequencies whose frequencies are slightly shifted is emitted from a light source and one of them is folded back by a movable mirror and the other is folded back by a fixed mirror (a heterodyne interference method) is widely used. Furthermore, by electrically dividing the signal obtained by the interference, the measurement resolution can be increased to n.
Techniques for improving to the m-order are also widely used.

【0006】このような従来のレーザ干渉測長装置で
は、ビームスプリッタや移動鏡、あるいは固定鏡などの
光を透過させる光学素子の材料として硼珪酸ガラスや石
英ガラスなどの光学ガラスが用いられていた。
In such a conventional laser interferometer, an optical glass such as borosilicate glass or quartz glass is used as a material for an optical element such as a beam splitter, a moving mirror, or a fixed mirror that transmits light. .

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】ところが、これらの光
学ガラスを光学素子の材料に用いているレーザ測長装置
では、光学素子に温度変化が生じると素子を通過してい
る部分のレーザの光路長が変化してしまい、測長誤差が
生じてしまうという問題点があった。この測長誤差は光
学素子の材料を硼珪酸ガラスとした場合、光路長10m
mにつき1°Cの温度変化で数十nmにもおよぶ。
However, in the laser length measuring apparatus using these optical glasses as the material of the optical element, when the temperature of the optical element changes, the optical path length of the laser passing through the element is increased. However, there is a problem in that the measurement error changes and measurement error occurs. This measurement error occurs when the optical element material is borosilicate glass, the optical path length is 10 m.
The temperature change of 1 ° C. per m reaches several tens of nm.

【0008】その結果、固定側と移動側の光学素子の間
に温度差が存在したり、あるいは測定を行なう時々に温
度が異なる場合に、測長するステージ3の位置に変化な
くても、測定結果に誤差が生じる場合あった。この誤差
の影響は、特に、超精密加工あるいは超精密計測等に利
用される高精度のレーザ干渉測長装置を実現する上で支
障となった。
As a result, when there is a temperature difference between the fixed-side optical element and the moving-side optical element, or when the temperature is different each time the measurement is performed, the measurement can be performed without changing the position of the stage 3 for measuring the length. There were cases where the results were in error. The influence of this error has been a hindrance in realizing a highly accurate laser interferometer for use in ultraprecision machining or ultraprecision measurement.

【0009】本発明は、このような問題点に鑑み、測長
結果に対する温度の影響を低減することにより高精度の
レーザ干渉測長装置および測長誤差補正方法を提供する
ことを目的とする。
In view of the above problems, it is an object of the present invention to provide a highly accurate laser interferometer length measuring device and a length measuring error correcting method by reducing the influence of temperature on the length measuring result.

【0010】[0010]

【問題を解決するための手段】前述の目的を達成するた
めに本発明は、レーザ光を参照光および測長光に分離
し、該参照光および測長光の干渉を利用して被測定対象
の測長を行なうレーザ干渉測長装置において、前記参照
光および測長光が透過する光透過性光学素子として、正
の熱膨張係数と負の屈折率温度係数とを有する光学材
料、または、負の熱膨張係数と正の屈折率温度係数とを
有する光学材料により形成された光学素子を使用した。
In order to achieve the above object, the present invention separates a laser beam into a reference beam and a length measuring beam, and utilizes the interference of the reference beam and the length measuring beam to measure an object to be measured. In the laser interferometric length measuring device for measuring the length, the optical material having a positive coefficient of thermal expansion and a negative temperature coefficient of refractive index, or a negative An optical element made of an optical material having a coefficient of thermal expansion of 1 and a temperature coefficient of positive refractive index was used.

【0011】このレーザ干渉測長装置は、例えば、記光
透過性光学素子として前記参照光を反射する固定鏡およ
び前記測長光を反射する移動鏡を有し、該固定鏡および
移動鏡が、前記光学材料で形成されたコーナーキューブ
プリズムで構成される。
This laser interferometric length measuring apparatus has, for example, a fixed mirror that reflects the reference light and a movable mirror that reflects the length measuring light as a light-transmissive optical element. It is composed of a corner cube prism formed of the optical material.

【0012】あるいは、このレーザ測長装置は、前記光
透過性光学素子として前記参照光および測長光を分離す
るビームスプリッタを有し、該ビームスプリッタが前記
光学材料で形成される。
Alternatively, the laser length measuring device has a beam splitter for separating the reference light and the length measuring light as the light transmissive optical element, and the beam splitter is formed of the optical material.

【0013】前記測長光の光路を覆うチューブと、該チ
ューブの両端開口を密封するとともに前記測長光を透過
させる光学ウィンドウとを有する場合、該光学ウィンド
ウを前記光学材料で形成することが好ましい。
In the case of having a tube that covers the optical path of the length measuring light and an optical window that seals the openings at both ends of the tube and transmits the length measuring light, it is preferable that the optical window is formed of the optical material. .

【0014】前記熱膨張係数が正で前記屈折率温度係数
が負となる光学材料は、例えば、フッ素クラウン系ある
いはリン酸クラウン系のガラスである。
The optical material having a positive coefficient of thermal expansion and a negative temperature coefficient of refractive index is, for example, fluorine crown type or phosphate crown type glass.

【0015】前記熱膨張係数が負で前記屈折率温度係数
が正となる光学材料は、例えば、特定の組成を有する部
分結晶化ガラスである。
The optical material having a negative coefficient of thermal expansion and a positive temperature coefficient of refractive index is, for example, partially crystallized glass having a specific composition.

【0016】また、本発明による測長誤差補正方法は、
レーザ光を参照光および測長光に分離し、該参照光およ
び測長光の干渉を利用して被測定対象の測長を行なうレ
ーザ干渉測長装置における測長誤差補正方法であって、
前記参照光および測長光が透過する光透過性光学素子と
して、正の熱膨張係数と負の屈折率温度係数とを有する
光学材料、または、負の熱膨張係数と正の屈折率温度係
数とを有する光学材料により形成された光学素子を使用
することにより、前記参照光および測長項が透過する光
透過性光学素子について、前記熱膨張係数に基づく光路
長変化と前記屈折率温度係数に基づく光路長変化とを相
殺するようにしたものである。
Further, the length measurement error correction method according to the present invention is
A method for correcting a length measurement error in a laser interferometer that separates a laser beam into a reference beam and a length measuring beam and measures the length of an object to be measured by utilizing the interference of the reference beam and the length measuring beam,
As the light transmissive optical element through which the reference light and the length measuring light are transmitted, an optical material having a positive thermal expansion coefficient and a negative refractive index temperature coefficient, or a negative thermal expansion coefficient and a positive refractive index temperature coefficient, By using an optical element formed of an optical material having, a light-transmissive optical element through which the reference light and the length measuring term are transmitted, based on the optical path length change based on the thermal expansion coefficient and the refractive index temperature coefficient. It is designed to offset the change in optical path length.

【0017】[0017]

【作用】一般に、光学素子の温度が変化した時に光学素
子を通過している部分のレーザ光の光路長の変化ΔL
は、式1で計算される。
In general, when the temperature of the optical element changes, the change ΔL in the optical path length of the laser beam passing through the optical element.
Is calculated by Equation 1.

【0018】[0018]

【数1】 [Equation 1]

【0019】ここで、Lは光学素子を通過している部分
のレーザ光の光路長、αは光学素子の線膨張係数(熱膨
張係数)、βは光学素子の屈折率の温度係数、nは光学
素子の屈折率、ΔTは光学素子の温度変化である。ま
た、式1右辺のうち第一項 L・α・(n−1)・ΔT
は光学素子の寸法変化による光路長変化を、第二項 L・
β・ΔT は光学素子の屈折率変化による光路長変化を意
味する。従来のレーザ測長装置の光学系に用いられてい
る硼珪酸ガラス、石英ガラス等の光学ガラスを含め多く
の光学材料でαは正の値を有する。同時に、硼珪酸ガラ
ス、石英ガラス等の光学ガラスは、βも正の値を有す
る。
Here, L is the optical path length of the laser light passing through the optical element, α is the linear expansion coefficient (thermal expansion coefficient) of the optical element, β is the temperature coefficient of the refractive index of the optical element, and n is n. The refractive index of the optical element, ΔT, is the temperature change of the optical element. Also, the first term of the right-hand side of Equation 1 is L · α · (n−1) · ΔT
Is the change in the optical path length due to the dimensional change of the optical element.
β · ΔT means the change of the optical path length due to the change of the refractive index of the optical element. Α has a positive value in many optical materials including optical glass such as borosilicate glass and quartz glass used in the optical system of the conventional laser length measuring apparatus. At the same time, β of optical glasses such as borosilicate glass and quartz glass also has a positive value.

【0020】これに対し、本発明によるレーザ干渉測長
装置では、光学系を構成する光学素子に、αが正でβが
負となるか、あるいはαが負でβが正となる光学材料を
使用しているため、寸法変化による光路長変化と屈折率
変化による光路長変化が、互いに打ち消し合い、結果的
に生じる光路長の変化を小さく押さえることが可能とな
る。さらに、α,βが式2を満たすような材料を使用す
ることによって光路長変化をほとんど0にすることが可
能となる。
On the other hand, in the laser interferometer according to the present invention, the optical element constituting the optical system is made of an optical material in which α is positive and β is negative, or α is negative and β is positive. Since it is used, the change in optical path length due to the dimensional change and the change in optical path length due to the change in refractive index cancel each other out, and the resulting change in optical path length can be suppressed to a small level. Furthermore, by using a material in which α and β satisfy equation 2, the change in optical path length can be made almost zero.

【0021】[0021]

【数2】 [Equation 2]

【0022】なお、本発明におけるレーザ干渉による測
長方式としては、単一波長によるDC干渉方式(フリン
ジカウント干渉方式)、2周波によるヘテロダイン干渉
方式のいずれも使用可能である。
As the length measurement method by laser interference in the present invention, either a DC interference method with a single wavelength (fringe count interference method) or a heterodyne interference method with two frequencies can be used.

【0023】[0023]

【実施例】本発明の実施例を、さらに他の図面を参照し
て詳細に説明する。
Embodiments of the present invention will be described in detail with reference to still other drawings.

【0024】図1は、本発明の一実施例の構成を示す概
略図である。本実施例(以下、第1実施例とする)の光
学系の構成は、図3と同様、移動鏡および固定鏡として
コーナキューブプリズムを使用しているが、図3に示し
た従来の固定鏡5に代えて固定鏡50を使用すると共
に、従来の移動鏡4に代えて移動鏡40を使用してい
る。他の構成は、図3の装置と同じである。
FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of an embodiment of the present invention. The configuration of the optical system of the present embodiment (hereinafter referred to as the first embodiment) uses a corner cube prism as the movable mirror and the fixed mirror as in FIG. 3, but the conventional fixed mirror shown in FIG. A fixed mirror 50 is used in place of 5, and a movable mirror 40 is used in place of the conventional movable mirror 4. The other structure is the same as that of the apparatus shown in FIG.

【0025】図3の装置と同様、光源1から出射された
レーザ光は、ビームスプリッタ2で分離された後、それ
ぞれ移動鏡40および固定鏡50で折り返され、再びビ
ームスプリッタ2上で重なり、干渉を起こす。
As in the apparatus shown in FIG. 3, the laser light emitted from the light source 1 is separated by the beam splitter 2 and then folded back by the movable mirror 40 and the fixed mirror 50, respectively, and overlaps again on the beam splitter 2 to cause interference. Cause

【0026】今、移動鏡40および固定鏡50内を通過
する部分のレーザの光路長を初期状態でそれぞれLm、
Lfとする。初期状態からの、移動鏡40および固定鏡
50の温度変化を、それぞれΔTm、ΔTfとすると、
式1より移動鏡40および固定鏡50におけるレーザ光
の光路長変化ΔLm、ΔLfは、それぞれ式3、式4で
計算される。
Now, the optical path lengths of the lasers passing through the movable mirror 40 and the fixed mirror 50 are Lm and Lm in the initial state, respectively.
Lf. When the temperature changes of the movable mirror 40 and the fixed mirror 50 from the initial state are ΔTm and ΔTf, respectively,
From Equation 1, the optical path length changes ΔLm and ΔLf of the laser light at the movable mirror 40 and the fixed mirror 50 are calculated by Equations 3 and 4, respectively.

【0027】[0027]

【数3】 [Equation 3]

【0028】[0028]

【数4】 [Equation 4]

【0029】ここでαmおよびαfは、それぞれ移動鏡4
0および固定鏡50の線膨張係数、nmおよびnfは、そ
れぞれ移動鏡40および固定鏡50の屈折率、βmおよ
びβfは、それぞれ移動鏡40および固定鏡50の屈折
率の温度係数である。
Here, αm and αf are moving mirrors 4, respectively.
0 and the linear expansion coefficient of the fixed mirror 50, nm and nf are the refractive indexes of the movable mirror 40 and the fixed mirror 50, respectively, and βm and βf are the temperature coefficients of the refractive index of the movable mirror 40 and the fixed mirror 50, respectively.

【0030】上記光路長変化ΔLm、ΔLfによって、
本実施例で示したレーザ測長装置に生じる測長値の変化
ΔXは、式5で得られる。
By the above optical path length changes ΔLm and ΔLf,
The change ΔX in the length measurement value that occurs in the laser length measuring apparatus shown in the present embodiment is obtained by Expression 5.

【0031】[0031]

【数5】 [Equation 5]

【0032】また、移動鏡40および固定鏡50が同一
材料で製作されているとすると、ΔXは、式6で表され
る。
Further, assuming that the movable mirror 40 and the fixed mirror 50 are made of the same material, ΔX is expressed by the equation 6.

【0033】[0033]

【数6】 [Equation 6]

【0034】ここで、L=Lm=Lf、α=αm=αf、n
=nm=nf、β=βm=βfである。
Here, L = Lm = Lf, α = αm = αf, n
= Nm = nf and β = βm = βf.

【0035】式6の測長値の変化は、移動鏡40、すな
わちステージの移動によるものと区別がつかないため、
そのまま測長誤差となる。
Since the change in the length measurement value of the expression 6 cannot be distinguished from the movement of the movable mirror 40, that is, the stage,
It becomes a measurement error as it is.

【0036】式6から、移動鏡40および固定鏡50の
各々に温度変化が生じても、その温度変化が全く同一で
あれば測長値に変化が生じないことが分かる。移動鏡4
0と固定鏡50とは同一環境内にあるので、通常、両者
にさほどの温度変化の差が生じることはないと考えられ
る。しかし、装置のサイズ、接地場所、使用環境等によ
って温度変化の差が生じうる。特に、超高精度の測長に
おいては、微小な温度変化差も、無視できない誤差の発
生原因となる。
From equation 6, it can be seen that even if temperature changes occur in each of the movable mirror 40 and the fixed mirror 50, the length measurement values do not change if the temperature changes are exactly the same. Moving mirror 4
Since 0 and the fixed mirror 50 are in the same environment, it is generally considered that there is no significant difference in temperature change between them. However, a difference in temperature change may occur depending on the size of the device, the place of contact with the ground, the use environment, and the like. In particular, in ultra-high precision length measurement, even a minute temperature change difference causes a non-negligible error.

【0037】第1実施例では、Lm=Lf≒12mmであ
る。仮に、移動鏡40および固定鏡50が従来通り硼珪
酸ガラスで製作されていたとすると、{α・(n-1)+β}の
絶対値は、およそ5×10-6(1/°C)となるため、
ΔTm−ΔTf=+1°C(または−1°C)の時、測
長誤差ΔXは30nmにもなる。
In the first embodiment, Lm = Lf≈12 mm. If the movable mirror 40 and the fixed mirror 50 are conventionally made of borosilicate glass, the absolute value of {α · (n−1) + β} is about 5 × 10 −6 (1 / ° C). Therefore,
When ΔTm-ΔTf = + 1 ° C (or -1 ° C), the measurement error ΔX is as large as 30 nm.

【0038】これに対し、第1実施例では、移動鏡40
および固定鏡50を式2を、フッ素クラウン系のガラス
の一種で、線膨張係数αが16.5×10-6(1/°
C)、屈折率温度係数βが−7.4×10-6(1/°
C)、屈折率nが1.446を有するガラスで製作して
いる。この場合には、{α・(n-1)+β}の絶対値はおよそ
0.04×10-6(1/°C)となるため、ΔTm−Δ
Tf=+1°C(または−1°C)の時でも、測長誤差
ΔXは、僅か0.25nm程度であり、従来の1/10
0以下に抑えることが可能となる。
On the other hand, in the first embodiment, the moving mirror 40
The fixed mirror 50 is expressed by the formula 2, and the linear expansion coefficient α is 16.5 × 10 −6 (1 / °)
C), the refractive index temperature coefficient β is -7.4 × 10 -6 (1 / °
C), made of glass having a refractive index n of 1.446. In this case, the absolute value of {α · (n−1) + β} is about 0.04 × 10 −6 (1 / ° C), so ΔTm−Δ
Even when Tf = + 1 ° C (or -1 ° C), the length measurement error ΔX is only about 0.25 nm, which is 1/10 of the conventional value.
It is possible to suppress it to 0 or less.

【0039】なお、第1実施例においては、ビームスプ
リッタ2内を通過する測長光と参照光の光路長は同一で
あるので、ビームスプリッタ2の温度変化は測長誤差を
生じさせない。したがって、ビームスプリッタ2には従
来の光学素子を用いている。
In the first embodiment, since the optical path lengths of the length measuring light and the reference light passing through the beam splitter 2 are the same, the temperature change of the beam splitter 2 does not cause a length measuring error. Therefore, the beam splitter 2 uses a conventional optical element.

【0040】図2は、本発明の別の実施例の構成を示す
概略図である。本実施例(以下、第2実施例とする)で
は、測長方式に直交2周波によるヘテロダイン方式を採
用している。以下、図を参照して本発明の効果を説明す
る。
FIG. 2 is a schematic diagram showing the configuration of another embodiment of the present invention. In the present embodiment (hereinafter, referred to as the second embodiment), a quadrature dual frequency heterodyne system is adopted as the length measurement system. Hereinafter, the effects of the present invention will be described with reference to the drawings.

【0041】光源1から同時に出射された互いに直交し
た2つの直線偏光は、1/4波長板12を有する偏向ビ
ームスプリッタ20で分離され、一方の偏光(参照光)
は、偏光ビームスプリッタ20をそのまま通り抜け、検
出器6へと向かう。他方の偏光(測長光)は、偏光ビー
ムスプリッタ20の反射面で反射してミラー7へと向か
う。ミラー7で反射した測長光は、ビームスプリッタ2
0を通り抜け、移動ステージ(図示せず)に固定された
ミラー8で反射した後、再びビームスプリッタ20で反
射して、参照光と重なる。
Two linearly polarized light beams which are simultaneously emitted from the light source 1 and are orthogonal to each other are separated by the deflecting beam splitter 20 having the quarter wavelength plate 12, and one polarized light beam (reference light beam) is separated.
Passes through the polarization beam splitter 20 as it is, and goes toward the detector 6. The other polarized light (measurement light) is reflected by the reflection surface of the polarization beam splitter 20 and travels toward the mirror 7. The measurement light reflected by the mirror 7 is reflected by the beam splitter 2
After passing through 0, it is reflected by a mirror 8 fixed to a moving stage (not shown) and then reflected by a beam splitter 20 again to overlap with the reference light.

【0042】さらに、第2実施例では、空気揺らぎの影
響を低減するため、偏光ビームスプリッタ20とミラー
8の間のレーザ光路を、チューブ9で覆っている。この
チューブ9は、レーザ光を透過する光学ウィンドウ1
0、11により両端が密封されている。本実施例では、
ミラー7とミラー8の間隔の変化が測長値として得られ
る。
Further, in the second embodiment, the tube 9 covers the laser optical path between the polarization beam splitter 20 and the mirror 8 in order to reduce the influence of air fluctuations. This tube 9 is an optical window 1 that transmits laser light.
Both ends are sealed by 0 and 11. In this embodiment,
A change in the distance between the mirror 7 and the mirror 8 is obtained as a length measurement value.

【0043】第2実施例で示した構成のレーザ干渉測長
装置では、光学ウィンドウ10および11に温度変化が
生じると、両光学ウィンドウ10,11を通過する部分
のレーザ光(測長光)の光路長が変化するため。測長誤
差が生じる。また、第2実施例では偏光ビームスプリッ
タ20を通過する部分の測長光と参照光の光路長が異な
るため、偏光ビームスプリッタ20の温度変化も測長誤
差を生じさせる。この構成により、第2実施例では、第
1実施例の場合と異なり、各光学素子の温度変化が同一
であっても、その温度変化が測長値の誤差につながる。
In the laser interferometer of the construction shown in the second embodiment, when temperature changes occur in the optical windows 10 and 11, the laser light (length measuring light) of the portion passing through both optical windows 10 and 11 is measured. Because the optical path length changes. Measurement error occurs. Further, in the second embodiment, since the optical path lengths of the length measuring light and the reference light passing through the polarization beam splitter 20 are different, the temperature change of the polarization beam splitter 20 also causes a length measuring error. With this configuration, in the second example, unlike the case of the first example, even if the temperature change of each optical element is the same, the temperature change leads to an error in the length measurement value.

【0044】今、初期状態で光学ウィンドウ10および
11を通過する部分のレーザ光の光路長を合わせてLw
とし、初期状態からの光学ウィンドウ10、11の温度
変化をΔTwとすると、式1より、光学ウィンドウ部で
のレーザの光路長の変化ΔLwは、式7で表される。
Now, in the initial state, the optical path lengths of the laser beams passing through the optical windows 10 and 11 are adjusted to Lw.
Then, assuming that the temperature change of the optical windows 10 and 11 from the initial state is ΔTw, the change ΔLw of the optical path length of the laser in the optical window portion is expressed by Formula 7 from Formula 1.

【0045】[0045]

【数7】 [Equation 7]

【0046】ここで、αw、nwおよびβwはそれぞれ光
学ウィンドウの線膨張系数、屈折率および屈折率の温度
係数である。また、光学ウィンドウ10および11は同
じ材質で、温度変化も同一であるとしている。
Here, αw, nw and βw are the coefficient of linear expansion of the optical window, the refractive index and the temperature coefficient of the refractive index, respectively. Further, it is assumed that the optical windows 10 and 11 are made of the same material and have the same temperature change.

【0047】同様に、初期状態での偏光ビームスプリッ
タ部を通過する測長光と参照光の光路の差をLbsと
し、初期状態からの偏光ビームスプリッタの温度変化を
ΔTbsとすると、式1より偏光ビームスプリッタ部で
のレーザの光路長の変化ΔLbsは、式8で表される。
Similarly, assuming that the difference between the optical paths of the length measuring light and the reference light passing through the polarization beam splitter in the initial state is Lbs, and the temperature change of the polarization beam splitter from the initial state is ΔTbs, the polarization from Equation 1 is obtained. The change ΔLbs in the optical path length of the laser in the beam splitter section is expressed by Equation 8.

【0048】[0048]

【数8】 [Equation 8]

【0049】ここで、αbs、nbsおよびβbsはそれぞれ
偏光ビームスプリッタの線膨張系数、屈折率および屈折
率の温度係数である。
Here, αbs, nbs and βbs are the linear expansion coefficient, the refractive index and the temperature coefficient of the refractive index of the polarization beam splitter, respectively.

【0050】これらの光路長変化ΔLw、ΔLbsによ
って、本実施例で示したレーザ測長装置に生じる測長値
の変化ΔXは、式9で得られる。
The change ΔX in the length-measuring value that occurs in the laser length-measuring device shown in the present embodiment due to the changes ΔLw and ΔLbs in the optical path length is obtained by the equation 9.

【0051】[0051]

【数9】 [Equation 9]

【0052】この測長値の変化ΔXは、ミラー7および
8の間隔の変化と区別がつかないため、そのまま測長誤
差となる。 本実施例では、Lw=20mm、Lbs=
10mmである。仮に、偏光ビームスプリッタおよび光
学ウィンドウが従来通り硼珪酸ガラスで製作されていた
場合、ΔTw=ΔTbs=+1°C(または−1°C)
の時、測長誤差ΔXは75nmにもなる。
This change ΔX in the length measurement value is indistinguishable from the change in the distance between the mirrors 7 and 8, and thus becomes a length measurement error as it is. In this embodiment, Lw = 20 mm, Lbs =
It is 10 mm. If the polarizing beam splitter and optical window were conventionally made of borosilicate glass, then ΔTw = ΔTbs = + 1 ° C (or -1 ° C).
At this time, the measurement error ΔX becomes 75 nm.

【0053】これに対し、第2実施例では第1実施例同
様に、偏光ビームスプリッタ20および光学ウィンドウ
10,11を、フッ素クラウン系のガラスの一種で、線
膨張係数αが16.5×10-6(1/°C)、屈折率温
度係数βが−7.4×10-6(1/°C)、屈折率nが
1.446を有するガラスで製作している。そのため、
ΔTw=ΔTbs=+1°C(または−1°C)の時で
も、測長誤差ΔXを従来の1/100以下の0.6nm程
度に抑えることが可能となる。
On the other hand, in the second embodiment, as in the first embodiment, the polarization beam splitter 20 and the optical windows 10 and 11 are made of a fluorine crown type glass and have a linear expansion coefficient α of 16.5 × 10. It is made of glass having -6 (1 / ° C), temperature coefficient of refractive index β of -7.4 × 10 -6 (1 / ° C), and refractive index n of 1.446. for that reason,
Even when ΔTw = ΔTbs = + 1 ° C. (or −1 ° C.), the measurement error ΔX can be suppressed to about 0.6 nm, which is 1/100 or less of the conventional value.

【0054】[0054]

【効果】本発明によれば、レーザ干渉測長装置におい
て、光学素子の温度変化によって生じる測長誤差を大幅
に低減することができるため、測長精度を飛躍的に向上
させることが可能となる。これにより、超精密加工ある
いは超精密計測で必要となるnmオーダの精密測長を高
い精度で行なうことができる。
According to the present invention, in the laser interferometric length measuring apparatus, since the length measuring error caused by the temperature change of the optical element can be greatly reduced, the length measuring accuracy can be remarkably improved. . As a result, it is possible to perform highly accurate precision measurement on the order of nm, which is required for ultraprecision machining or ultraprecision measurement.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の第1実施例を示す概念図である。FIG. 1 is a conceptual diagram showing a first embodiment of the present invention.

【図2】本発明の第2実施例を示す概念図である。FIG. 2 is a conceptual diagram showing a second embodiment of the present invention.

【図3】従来技術を示す概念図である。FIG. 3 is a conceptual diagram showing a conventional technique.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1・・・・レーザ光源 2、20・・・・ビームスプリッタ 3・・・・移動ステージ 4、40・・・・移動鏡 5、50・・・・固定鏡 6・・・・検出器 7、8・・・ミラー 9・・・・チューブ 10、11・・・光学ウィンドウ 12・・・1/4波長板 13・・・処理表示装置 1 ... Laser light source 2, 20 ... Beam splitter 3 ... Movement stage 4, 40 ... Movable mirror 5, 50 ... Fixed mirror 6 ... Detector 7, 8 ... Mirror 9 ... tube 10, 11 ... Optical window 12 ... Quarter wave plate 13: Processing display device

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01B 9/02 G01B 11/00 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (58) Fields surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) G01B 9/02 G01B 11/00

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】レーザ光を参照光および測長光に分離し、
該参照光および測長光の干渉を利用して被測定対象の測
長を行なうレーザ干渉測長装置において、 前記参照光および測長光が透過する光透過性光学素子と
して、正の熱膨張係数と負の屈折率温度係数とを有する
光学材料、または、負の熱膨張係数と正の屈折率温度係
数とを有する光学材料により形成された光学素子を使用
したことを特徴とするレーザ干渉測長装置。
1. A laser beam is separated into a reference beam and a length measuring beam,
In a laser interferometric length measuring apparatus for measuring the length of an object to be measured by utilizing the interference of the reference light and the length measuring light, a positive thermal expansion coefficient is used as a light transmitting optical element through which the reference light and the length measuring light are transmitted. And an optical element having a negative temperature coefficient of refractive index, or an optical element formed of an optical material having a negative coefficient of thermal expansion and a positive temperature coefficient of refractive index, is used for laser interference measurement. apparatus.
【請求項2】前記光透過性光学素子として前記参照光を
反射する固定鏡および前記測長光を反射する移動鏡を有
し、該固定鏡および移動鏡が、前記光学材料で形成され
たコーナーキューブプリズムで構成されたことを特徴と
する請求項1記載のレーザ干渉測長装置。
2. The light transmissive optical element includes a fixed mirror that reflects the reference light and a movable mirror that reflects the length measuring light, and the fixed mirror and the movable mirror are corners formed of the optical material. The laser interferometer according to claim 1, wherein the laser interferometer is formed of a cube prism.
【請求項3】前記光透過性光学素子として前記参照光お
よび測長光を分離するビームスプリッタを有し、該ビー
ムスプリッタが前記光学材料で形成されたことを特徴と
する請求項1または2記載のレーザ干渉測長装置。
3. A beam splitter that separates the reference light and the length measuring light as the light transmissive optical element, and the beam splitter is formed of the optical material. Laser interferometer.
【請求項4】前記測長光の光路を覆うチューブと、該チ
ューブの両端開口を密封するとともに前記測長光を透過
させる光学ウィンドウとを有し、該光学ウィンドウが前
記光学材料で形成されたことを特徴とする請求項1、2
または3記載のレーザ干渉測長装置。
4. A tube that covers the optical path of the length measuring light, and an optical window that seals the openings at both ends of the tube and transmits the length measuring light, the optical window being formed of the optical material. Claims 1 and 2 characterized in that
Alternatively, the laser interferometer length measuring apparatus according to the item 3.
【請求項5】前記熱膨張係数が正で前記屈折率温度係数
が負となる光学材料は、フッ素クラウン系あるいはリン
酸クラウン系のガラスであることを特徴とする請求項1
〜4のいずれかに記載のレーザ干渉測長装置。
5. The optical material having a positive coefficient of thermal expansion and a negative temperature coefficient of refractive index is a glass of a fluorine crown type or a phosphate crown type.
The laser interferometer length measuring device according to any one of to 4.
【請求項6】前記熱膨張係数が負で前記屈折率温度係数
が正となる光学材料は、特定の組成を有する部分結晶化
ガラスであることを特徴とする請求項1〜4記載のレー
ザ干渉測長装置。
6. The laser interference according to claim 1, wherein the optical material having a negative coefficient of thermal expansion and a positive temperature coefficient of refractive index is partially crystallized glass having a specific composition. Length measuring device.
【請求項7】レーザ光を参照光および測長光に分離し、
該参照光および測長光の干渉を利用して被測定対象の測
長を行なうレーザ干渉測長装置における測長誤差補正方
法であって、 前記参照光および測長光が透過する光透過性光学素子と
して、正の熱膨張係数と負の屈折率温度係数とを有する
光学材料、または、負の熱膨張係数と正の屈折率温度係
数とを有する光学材料により形成された光学素子を使用
することにより、前記参照光および測長項が透過する光
透過性光学素子について、前記熱膨張係数に基づく光路
長変化と前記屈折率温度係数に基づく光路長変化とを相
殺することを特徴とするレーザ干渉測長装置における測
長誤差補正方法。
7. A laser beam is separated into a reference beam and a length measuring beam,
A method for correcting a length measurement error in a laser interferometer length measuring apparatus that measures the length of an object to be measured by utilizing the interference between the reference light and the length measurement light, wherein the reference light and the length measurement light are transparent As the element, use of an optical material having a positive coefficient of thermal expansion and a negative temperature coefficient of refractive index, or an optical element formed of an optical material having a negative coefficient of thermal expansion and a positive temperature coefficient of refractive index With respect to the light transmissive optical element through which the reference light and the length measurement term are transmitted, the laser interference characterized by canceling out the change in optical path length based on the thermal expansion coefficient and the change in optical path length based on the temperature coefficient of refractive index. Measuring error correction method in measuring device.
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