JP4804058B2

JP4804058B2 - 干渉測定装置

Info

Publication number: JP4804058B2
Application number: JP2005218981A
Authority: JP
Inventors: 秀次郎門脇; 公石塚; 成樹加藤
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2005-07-28
Filing date: 2005-07-28
Publication date: 2011-10-26
Anticipated expiration: 2025-07-28
Also published as: EP1748276B1; DE602006002448D1; JP2007033318A; US20070024863A1; EP1748276A1; US7554671B2

Description

本発明は、非接触にて物体の位置変動情報を検出する干渉測定装置に関し、特に変位情報を検出するときに、原点となる原点位置を付加し、絶対位置変移情報を検出する際に好適なものである。

ナノメータレベルの精度、分解能で長さを計測する装置には、レーザ光を用いたマイケルソン干渉装置等のレーザ干渉測定装置が広く使用されている。

レーザ干渉測定装置は被測定対象の変位によって発生する干渉波が正弦波であり、その波数を積算し、さらに正弦波の位相を読み取ることによりナノメータレベルの精度、分解能で変位量を得ることができる。

マイケルソン干渉装置で得られる干渉信号を用いて、被測定面の変位情報（位置情報）を得る装置が種々と提案されている（特許文献１）。

特許文献１の変位検出装置では、光干渉を利用して、磁気ヘッドアームに設けた被測定面の変位情報を検出している。

具体的には磁気ヘッドアームの回転軸と同軸に位置決め用のプローブ指示アームを設けている。

そしてプローブ指示アームには、磁気ヘッドアームの端面位置（被測定面）が適正な位置にあるか否かを検出する光学的位置検出センサユニットが取り付けられている。

この光学的位置検出センサユニットには、干渉信号を利用して、磁気ヘッドアームの側面の位置決めを行う１／４波長板、位相回折格子、受光素子等を含む検出系が設けられている。

この他被測定面の光軸方向の位置情報を検出する為に偏向板、集光レンズ、４分割センサ等を含むフォーカス検出光学系が設けられている。
特開２００１−７６３２５号公報

干渉測定装置によるレーザ干渉は出力信号が正弦波で得られる。このため、波数と位相からナノメータオーダーの分解能の計測が可能であるが、変位のみで絶対位置は計測できない。測定物の絶対変位情報を得る方法として別に基準点（原点）を設けそこからの相対位置を得る必要がある。

この場合、正確な絶対位置を得るにはレーザ干渉の出力正弦波の波長（上記例では０．４μｍ）以下の精度の基準点（原点）が必要となってくる。

特許文献１の、変位検出装置におけるフォーカス検出光学系では、被測定面の原点を４分割センサの各センサに入射する光量比を検出して求めており、干渉信号を利用していない。

この為、被測定面の位置情報を波長オーダーの精度で検出するのが難しい。

本発明は、測定後の原点を高精度に設定することができ、被測定物の変位情報（絶対変位情報）を高精度に測定することができる干渉測定装置の提供を目的とする。

請求項１の発明の干渉測定装置は、
高可干渉性の第１の光束を放射する第1の光源手段と、
該第１の光束と中心波長が異なる低可干渉性の第２の光束を放射する第２の光源手段と、
該第１の光束と該第２の光束を合波する合波手段と、
該合波された第１及び第２の光束をそれぞれ２つの光束に分割する光分割手段と、
該分割された一方の光束を被測定物の測定反射面に入射させ、
他方の光束を参照面に入射させ、
該測定反射面からの反射光と、該参照面からの反射光を合波して、該分割された２つの第１の光束及び該分割された２つの第２の光束を各々干渉させる干渉部と、
該干渉部において該分割された２つの第１の光束により形成される干渉光と、該分割された２つの第２の光束により形成される干渉光を検出する受光手段とを有し、
該第１の光束により形成される干渉光に基づく第１の信号及び該第２の光束により形成される干渉光に基づく第２の信号の位相差と、該第２の信号の強度とを用いて、該測定反射面に関する測定原点を決定する演算手段とを有する
ことを特徴としている。

請求項２の発明は請求項１又は２の発明において、
前記受光手段は、前記分割された２つの第１の光束により形成される干渉光を検出する第１の受光手段と、前記分割された２つの第２の光束により形成される干渉光を検出する第２の受光手段とを有していることを特徴としている。
請求項３の発明は請求項１又は２の発明において、
前記演算手段は、前記第１、第２の信号の位相差がゼロの位置での前記第２の信号の強度に基づいて測定原点を決定することを特徴としている。
請求項４の発明は請求項１乃至３のいずれか１項の発明において、
前記第２の信号は、前記測定反射面と前記光分割手段との光路長と、前記参照面と前記光分割手段との光路長が等しいとき振幅が最大で、該光路長の差に応じて減衰することを特徴としている。
請求項５の発明は請求項１乃至３のいずれか１項の発明において、
前記演算手段は、第１、第２の信号の位相差がゼロの位置のうち、前記第２の信号の強度に基づいて求められた該測定反射面と該参照面のそれぞれと前記光分割手段との光路長が等光路長である位置を、変位情報の測定原点として決定することを特徴としている。
請求項６の発明は請求項５の発明において、
前記演算手段は、第１、第２の信号の位相差がゼロの位置と、前記減衰する前記第２の信号の強度のピーク位置と、に基づいて該測定反射面と該参照面のそれぞれと前記光分割手段との光路長が等光路長の位置を、変位情報の測定原点として決定することを特徴としている。
請求項７の発明は請求項１乃至４のいずれか１項の発明において、
前記光分割手段は、偏光ビームスプリッタより成り、前記合波された第１及び第２の光束を該偏光ビームスプリッタにて２つの直線偏光の光束に分割し、一方の光束を前記測定反射面に入射させて反射させ、他方の光束を前記参照面に入射させて反射させ、それぞれの光束を該偏光ビームスプリッタにて合波し、
前記合波された光束は、１／４波長板によって、該光束の光路長差の変動に基づく位相差の変動に応じた偏光方位が回転する直線偏光に変換され、
前記受光手段は、前記第１の光束に基づく干渉光から前記測定反射面の変位に関する周期信号である前記第１の信号と、前記第２の光束に基づく干渉光から、前記測定反射面と前記光分割手段との光路長と、前記参照面と前記光分割手段との光路長とが等しいとき振幅が最大で該光路長の差に応じて減衰する周期信号である前記第２の信号を発生させること特徴としている。
請求項８の発明は請求項１の発明において、
前記第１及び第２の光源手段の発光を交互にＯＮ−ＯＦＦし、前記第１の光束と前記第２の光束の点灯に合わせて各々の干渉光を受光手段で受光し、
前記演算手段は、第１の光束によって形成される前記干渉光に基づく干渉信号波形と第２の光束によって形成される前記干渉光に基づく干渉信号波形とを各々推定補間することによって得られた前記第１の信号と前記第２の信号の信号波形に基づいて前記測定反射面と前記光分割手段の間の光路長と前記参照面と前記光分割手段の間の光路長とが等しい位置を測定原点とすることを特徴としている。
請求項９の発明は請求項１の発明において、
前記第１又は第２の光源手段の一方の駆動をＯＮ−ＯＦＦし、一方の光源手段の消灯に合わせて他方の光源手段からの光束に基づく干渉光を前記受光手段で検出し、
前記演算手段は、該一方の光源手段の点灯に合わせて該第１の光束によって形成される前記干渉光に該第２の光束によって形成される前記干渉光を重畳した干渉信号波形と、ＯＮ−ＯＦＦした一方の光源手段からの光束に基づく干渉信号波形または他方の光源手段からの光束に基づく干渉信号波形を推定補間することによって得られた、前記第１の信号と前記第２の信号の干渉信号波形とに基づいて前記測定反射面と前記光分割手段との光路長と前記参照面と前記光分割手段の間の光路長とが等しい位置を測定原点とすることを特徴としている。

本発明によれば、測定後の原点を高精度に設定することができ、被測定物の変位情報（絶対変位情報）を高精度に測定することができる干渉測定装置が得られる。

本発明の実施例は、シングルモード半導体レーザ等の高可干渉性のレーザ光と同一光学系上に中心波長が高可干渉性のレーザ光と適度に異なるスペクトル半値幅が３０ｎｍ程度の低可干渉性の光を合波している。そしてこの低可干渉性の光の干渉出力と高可干渉性のレーザ光の干渉出力の位相差と低可干渉性の光の干渉出力の強度情報から原点を検出している。

高可干渉性のレーザ光の波長をλ、低可干渉性の光波長をλ’とし、高可干渉性の光の干渉出力と低可干渉性の光の干渉出力の位相差が所定値、例えばゼロ位置を測定反射面と参照面の光路長差をΔＶｌとする。

このとき低可干渉性の光の可干渉範囲で光路長差がゼロを中心に ± λ×λ’／（λ−λ’）間隔で検出できる。

又、低可干渉性の光の可干渉による干渉出力の波形は、被測定反射面が参照面と等光路近辺では干渉出力の波形は高可干渉性のレーザ光の干渉出力波形と略同じで、最大になる。

高可干渉性のレーザ光の干渉出力と低可干渉性の光の干渉出力との位相差がゼロの位置と、低可干渉性の光の干渉出力レベルから、光路長差ゼロの位置を検出する。

さらに高可干渉性のレーザ光の干渉出力と低可干渉性の光の干渉出力との位相差値で、光路長差がゼロのところの正弦波形干渉出力を特定する。そして高可干渉性のレーザ光の干渉出力と同期した原点を作っている。

図１（Ａ）、（Ｂ）は、本発明の実施例１の要部側面図と要部平面図である。

実施例１は小型の干渉測定装置に原点検出手段を適用したものである。

高可干渉性のシングルモード半導体レーザＬＤ（半導体レーザＬＤ）（第１の光源手段）に、レーザ波長λが安定な０.７８μｍのＤＦＢ（Distributed feedback）レーザを使用している。

低可干渉性のレーザＳＬＤに、スペクトル半値幅ΔΛが約１０ｎｍで中心波長λ’が約０．８２μｍのスーパールミネッセントダイオードＳＬＤ（ダイオードＳＬＤ）（第２の光源手段）を用いている。半導体レーザＬＤとダイオードＳＬＤのスペクトルは図２のように半導体レーザＬＤのパワースペクトルは０．７８μｍの輝線であり、ダイオードＳＬＤのパワースペクトルは中心波長０．８２μｍで半値幅が約１０ｎｍの広がりを持つ。

半導体レーザＬＤとダイオードＳＬＤから放射された光束を各々コリメータレンズＣＯＬ１、ＣＯＬ２によりコリメート光（平行光）にしている。そしてダイクロイックミラーＤＭ１で同一光軸上に合波し、レンズＬＮＳ１にハーフミラーＮＢＳを介し、レンズＬＮＳ２の焦点面の位置Ｐ１に集光照明している。

位置Ｐ１からの光束を、該レンズＬＮＳ２より、光軸がわずかに斜めの平行光束を射出させ、偏光ビームスプリッタ（光分割手段）ＰＢＳ１にて偏光成分にて２光束に分離する。偏光ビームスプリッタＰＢＳ１からの反射光（Ｓ偏光）を参照ミラー（参照面）Ｍ１に入射させ、偏光ビームスプリッタＰＢＳ１からの透過光（Ｐ偏光）を被測定対象面としての測定（ミラー（測定面））Ｍ２に入射させている。そしてそれぞれの反射光を、該偏光ビームスプリッタＰＢＳ１を介して合成し、レンズＬＮＳ２の焦点面の位置Ｐ２に集光照明し、その近傍に設けられた反射膜Ｍ０により、元の光路に戻している。位置Ｐ２からの反射光はレンズＬＮＳ２より平行光束として射出させ、偏光ビームスプリッタＰＢＳ１にて２光束に分離し、反射光（Ｓ偏光）で参照ミラーＭ１を照明し、透過光（Ｐ偏光）で被測定面（ミラー）Ｍ２を照明している。

それぞれの反射光を、該偏光ビームスプリッタＰＢＳ１を介して、レンズＬＮＳ２の焦点面の位置Ｐ１を集光照明している。

そこから光源側に光束を取り出す。（Ｓ偏光は、参照面Ｍ１とビームスプリッタＰＢＳ１の間を２往復し、Ｐ偏光は、被測定面Ｍ２とビームスプリッタＰＢＳ１の間を２往復する）。これらの光束は、非偏光ビームスプリッタ（ハーフミラー）ＮＢＳにより、受光系側に取り出し、１／４波長板ＱＷＰを透過させて、位相差の変化に応じて偏光方位回転する直線偏光に変換する。

その後、光ＬＤ（第１の光束）と光ＳＬＤ（第２の光束）を分離するため、集光レンズＣＯＮ、アパーチャーＡＰを介してビーム分割素子ＧＢＳにて３光束に分割し、ダイクロイックミラーＤＭ１と同じ構成のダイクロイックミラーＤＭ２によりＬＤ光を透過、ＳＬＤ光を反射し分離する。ダイクロイックミラーＤＭ２を透過した光ＬＤと、反射した光ＳＬＤの各３光束を互いに６０°づつ偏光軸をずらして配置した偏光素子アレイ３ＣＨ−ＰＯＬ、及び３ＣＨ−ＰＯＬ’を介して３分割受光素子ＰＤＡ（第１の受光手段）、及びＰＤＡ’（第２の受光手段）の各受光部に入射させている。これにより被測定対象面（ミラー）Ｍ２の面外変位に基づく３つの互いに位相が１２０度づつずれた干渉信号ＵＶＷ及び干渉信号Ｕ’Ｖ’Ｗ’を検出する。

この干渉信号ＵＶＷから、演算手段ＳＰＣで位相が９０°ずれたＡ相、Ｂ相を干渉信号、Ｕ’Ｖ’Ｗ’から位相が９０°ずれたＡ’相、Ｂ’相を算出している。干渉光ＬＤの位相θはｔａｎ^−１(Ｂ／Ａ)、干渉光ＳＬＤの位相θ’はｔａｎ^−１（Ｂ’/Ａ’）により得られる。干渉光ＬＤの位相θと干渉光ＳＬＤの位相θ’の位相差Δθ＝θ-θ’は被測定面Ｍ２と参照面Ｍ１が等光路のときゼロになる。

又光路長を大きくしていくと、干渉光ＬＤに基づく第１の信号と干渉光ＳＬＤに基づく第２の信号の位相差Δθ＝θ-θ’はリニアに増加し、２π、すなわち再びゼロになる。

ここで干渉光ＳＬＤの出力（第２の信号）の減衰量から被測定面Ｍ２と参照面Ｍ１が等光路でないことが判別でき被測定面Ｍ２と参照面Ｍ１が等光路を原点位置とすることが出来る。即ち、第１、第２の信号の位相差Δθがゼロの位置での第２の信号の強度に基づいて測定原点を決定している。

尚、被測定面Ｍ２及び参照面Ｍ１から受光素子ＰＤＡ’、ＰＤＡに至る光路中の部材は干渉部の一要素を形成している。

さらに図２にて具体的に説明する。

図２は半導体レーザＬＤからの光ＬＤとダイオードＳＬＤからの光ＳＬＤのパワースペクトルを示している。

半導体レーザＬＤからの光ＬＤのパワースペクトルは０．７８μｍの輝線である。ダイオードＳＬＤからの光ＳＬＤのパワースペクトルは中心波長０．８２μｍで半値幅が１０ｎｍのローレンツ型のパワースペクトルに近似したものである。光ＳＬＤの中心波長（０．８２μｍ）からの波長ずれΔλに対するパワースペクトルＳ（Δλ）は次式よる。

Ｓ（Δλ）＝（ΔΛ/２)^２／{Δλ^２＋(ΔΛ/２)^２} ・・・（１式）
：ΔΛは半値幅を示し、ここでは１０ｎｍである。

図２から図１に示すダイクロイックミラーＤＭ１、ＤＭ２は波長０．８μｍ近傍に透過、反射特性の境界を持ち、ダイクロイックミラーＤＭ１で合波、ダイクロイックミラーＤＭ２で分波することが出来る。

半導体レーザＬＤからの光ＬＤによる干渉信号ＵＶＷは十分長い可干渉を持つ。

これに対し、ダイオードＳＬＤからの光ＳＬＤによる干渉信号Ｕ’Ｖ’Ｗ’の可干渉性、ビジビリティＶ（ΔＶｌ）は１式の逆フーリエ変換から次式で近似できる。

Ｖ（ΔＶｌ）＝ＥＸＰ｛−πΔΛ/λ^２｝ΔＶｌ・・・（2式）
：λはＳＬＤの中心波長、ここでは０．８２μｍ
：ΔＶｌは光路長差
図３は、このときの光路長ΔＶ１に対するビジビリティＶとの関係を示す図である。

干渉光ＬＤのＵ出力に対応する偏光素子アレイ３ＣＨ−ＰＯＬの偏光素子３ＣＨ−ＰＯＬ−１と干渉光ＳＬＤのＵ’出力に対応する偏光素子アレイ３ＣＨ−ＰＯＬ’の偏光素子３ＣＨ−ＰＯＬ−１’の偏向方向を考える。このとき被測定面Ｍ２と参照面Ｍ１の光路差が所定値のとき、例えばゼロのときピーク位置になる方向に配置する。これによれば干渉光ＬＤのＵ波形およびＡ相は、被測定面Ｍ２と参照面Ｍ１の光路差がゼロのときを原点とするコサイン波形になり、又Ｂ相はサイン波形となる。

また干渉光ＳＬＤのＵ’出力およびＡ’相も被測定面Ｍ２が参照面Ｍ１と等光路を原点とし原点から遠ざかると減衰するコサイン波形状に、Ｂ’相はサイン波形状となる。

図４は等光路近傍の半導体レーザＬＤからの光ＬＤによる理想的な干渉信号ＵＶＷを示す。

図５はＡ＝２／３×｛Ｕ−（Ｖ＋Ｗ）／２｝、Ｂ＝１／√３×（Ｖ−Ｗ）の計算により得られた位相が９０°ずれたＡ相、Ｂ相を示す。

又図６はダイオードＳＬＤからの光ＳＬＤによる理想的な干渉信号Ｕ’Ｖ’Ｗ’を示し、図7はＡ’＝｛Ｕ’−（Ｖ’＋Ｗ’）/２｝、Ｃ＝１／√３×（Ｖ’−Ｗ’）の計算により得られた位相が９０°ずれたＡ’相、Ｂ’相を示す。

横軸は被測定面Ｍ２と参照面Ｍ１との光路差を示し、光は二往復するので被測定面Ｍ２の変位は１／４である。

干渉光ＬＤの位相θはｔａｎ^-1（Ｂ／Ａ）により、干渉光ＳＬＤの位相θ’はｔａｎ^-1（Ｂ’/Ａ’）により計算により得られる。

干渉光ＬＤの位相θと干渉光ＳＬＤの位相θ’の位相差Δθ＝θ-θ’は被測定面Ｍ２と参照面Ｍ１が等光路のときゼロで、被測定面Ｍ２と参照面Ｍ１の光路差に対しリニアに変化する。図８は干渉光ＬＤのＡ相と干渉光ＳＬＤのＡ’相及び干渉光ＬＤの位相θと干渉光ＳＬＤの位相θ’の位相差Δθ＝θ-θ’を示し、約１６μｍごと（↑の点）にゼロとなる。

そのときは干渉光ＳＬＤの出力のビジビリティは

から計算される。図からも判るように被測定面Ｍ２と参照面Ｍ１が等光路でないことが判別でき、従って被測定面Ｍ２が参照面Ｍ１と等光路の位置を検出することが出来る。

また、光ＬＤの波長０．７８μｍの長さは干渉光ＬＤと干渉光ＳＬＤの位相差Δθで２π×０．７８／１６≒０．３ｄｅｇである。この為干渉光ＬＤと干渉光ＳＬＤの位相差Δθの測定を±０．１５ｄｅｇ以下で測定すれば、等光路位置での干渉光ＬＤの１周期波形を特定することが出来る。

このようにして、光ＬＤによる干渉信号と同期し原点を定めることが出来る。

半導体レーザＬＤによる干渉信号ＵＶＷから作られた９０°位相のずれた干渉信号Ａ，Ｂ相は、２往復光路による干渉測長を原理としているので、半導体レーザＬＤによる干渉信号Ｕ源の波長の１／４を周期とする正弦波状信号である。波長０．７８μｍのレーザダイオードＳＬＤを使用した場合には、周期が０．１９５μｍの正弦波信号が得られ、波数を計数し更にｔａｎ^-1(Ｂ／Ａ)により位相を計算して、ナノメータオーダーの分解能の相対位置ずれを検出できる。

また上記波数計数を上述したように、干渉光ＬＤと干渉光ＳＬＤの位相差と干渉光ＳＬＤの干渉性（ビジビリティ）から光路差ゼロを検出してリセットすることで、原点もナノメータオーダー分解能の絶対値測定が可能となる。

以上のように本実施例では、干渉部において、光ＬＤ同士により形成される測定反射面Ｍ２の距離情報に関する第１の干渉信号（周期信号）を得ている。

又、光ＳＬＤ同士により形成される測定反射面Ｍ２と参照面Ｍ１との距離が等しいとき振幅が最大で、距離に応じて減衰する第２の干渉信号を得ている。

そして第２の干渉信号の干渉強度と、第１、第２の干渉信号の位相差が所定値、例えばゼロの位置から測定反射面Ｍ２と参照面Ｍ１の等光路の位置を、変位情報の測定原点として決定し、絶対変位情報を求めている。

図９は本発明の実施例２の要部概略図である。

実施例２は実施例１に比べて次の点が異なっている。

（イ）半導体レーザＬＤとダイオードＳＬＤの駆動を原点検出時に交互にＯＮ−ＯＦＦする。

（ロ）受光系ＳＬＤは半導体レーザＬＤによる干渉信号の受光系ＬＤのうち、偏光素子アレイ３ＣＨ−ＰＯＬと３分割の受光素子ＰＤＡを兼ねている。

そして各々の点灯に合わせて光ＬＤによる干渉信号ＵＶＷと光ＳＬＤによる干渉信号Ｕ’Ｖ’Ｗ’を信号処理ＳＰＣによってサンプリングし分離している。そして各干渉信号がＯＦＦの間は補間推定し連続した光ＬＤによる干渉信号ＵＶＷと光ＳＬＤによる干渉信号Ｕ’Ｖ’Ｗ’を得る。

（ハ）光ＬＤと光ＳＬＤの波長による分離がいらない。

こうして得られた光ＳＬＤによる干渉信号Ｕ’Ｖ’Ｗ’と光ＬＤによる干渉信号ＵＶＷから、実施例１と同様に光ＬＤによる干渉信号と同期し原点を定めている。

実施例２は、原点検出時に、ダイオードＳＬＤをＯＮ−ＯＦＦして時系列でサンプリングする為、被測定面Ｍ２の動きがサンプリング周波数より十分遅い必要がある。

しかしながら一般に被測定面Ｍ２はメカニカルな動きである限り電気的サンプリングにくらべ一般的遅く、原点検出は容易である。

本発明の実施例３の構成は図９と略同じである。

実施例３は、実施例２で半導体レーザＬＤとダイオードＳＬＤを原点検出時に交互の駆動をＯＮ−ＯＦＦする代わりに、半導体レーザＬＤを常時点灯している。

そしてダイオードＳＬＤの駆動のＯＮ−ＯＦＦに合わせている。

例えばダイオードＳＬＤがＯＦＦのとき半導体レーザＬＤによる干渉信号ＵＶＷを得ている。

又ダイオードＳＬＤがＯＮのとき半導体レーザＬＤによる干渉信号ＵＶＷとダイオードＳＬＤの干渉信号Ｕ’Ｖ’Ｗ’が重畳した信号を信号処理ＳＰＣによってサンプリングし分離している。そして各干渉信号は推定補間し、連続した干渉信号ＵＶＷと干渉信号ＵＶＷに干渉信号Ｕ’Ｖ’Ｗ’が重畳した信号を得ている。

図１０に測定面Ｍ２と参照面Ｍ１の光分割手段ＰＢＳから等光路近傍での、推定補間された連続した干渉信号ＵＶＷの信号Ｕの波形と干渉信号ＵＶＷに干渉信号Ｕ’Ｖ’Ｗ’が重畳した干渉信号の信号（Ｕ＋Ｕ’）の波形を示す。

干渉信号Ｕ’Ｖ’Ｗ’は、干渉信号ＵＶＷに干渉信号Ｕ’Ｖ’Ｗ’が重畳した信号から減算することで得る。こうして得られた光ＳＬＤによる干渉信号Ｕ’Ｖ’Ｗ’と光ＬＤによる干渉信号ＵＶＷから、実施例１と同様に光ＬＤによる干渉信号と同期し原点を定めている。

本実施例３では、半導体レーザＬＤを常時点灯としたが、逆にダイオードＳＬＤを常時点灯とし半導体レーザＬＤの駆動をＯＮ−ＯＦＦしても良い。

半導体レーザＬＤはレーザ発振を安定化させるため一定温度に維持することが好ましい。

しかしながら、ＯＮ−ＯＦＦすると半導体レーザ素子の熱抵抗のためＯＮ時に半導体レーザ素子の発光部の温度変化が起き、レーザシングルモード発振が不安定なる恐れがある。このため実施例３のように半導体レーザＬＤを常時点灯した方が好ましい。

以上のように実施例３では、２つの光源手段の一方のみの駆動をＯＮ−ＯＦＦしている。そして一方の光源手段の消灯に合わせて他方の光源手段からの光束に基づく干渉光を検出している。そして一方の光源手段の点灯に合わせて光ＬＤの干渉光に光ＳＬＤの干渉光を重畳した干渉波形を受光手段で受光する。

そしてＯＮ−ＯＦＦした一方の光源手段からの光束に基づく干渉信号波形または他方の光源手段からの光束に基づく干渉信号波形を推定補間している。

これにより測定反射面Ｍ２と参照面Ｍ１の光分割手段ＰＢＳからの等光路の位置を測定原点としている。

以上説明してきた各実施例では、低可干渉光の光源としてスーパールミネッセントダイオードＳＬＤを用い、パワースペクトルをローレンツ型に近似したが厳密には異なり、その場合ビジビリティ及び干渉信号Ｕ’Ｖ’Ｗ’の包絡線も違ってくる。

しかしながらパワースペクトルの半値幅が大きいほど原点のピーク（振幅のピーク）が隣りのピークより大きく検知しやすくなり、スペクトルの半値幅が小さいと検知が難しくなる。

又高可干渉光のパワースペクトルと低可干渉光パワースペクトルが近いと高可干渉光の干渉信号と低可干渉光の干渉信号の位相差ΔＶθがゼロの光路差は広くなり低干渉光のビジビリティでの判別は容易になる。

しかしながら光路差の対する位相差ΔＶθの変化は小さくなり、原点での低可干渉光の干渉信号の１周期波形の特定が困難となる。参照面Ｍ１と被測定面Ｍ２が等光路長のときの高可干渉光の干渉信号と低可干渉光の干渉信号の位相差ΔＶθがゼロと、その点で低可干渉光の干渉信号の１周期波形が検出できることが必要である。

上記各実施例では、高可干渉光と低可干渉光の合波にダイクロイックミラーを用いたが、光効率は落ちるがハーフミラーを使用すれば簡便である。

低可干渉光の小型の光源としては指向性が広く光の利用効率が低いが、電流狭窄型の点光源発光ダイオードも有用である。

また被測定対象にミラー又はコーナーキューブを用いたガスレーザ干渉測長装置にも適応できる。低可干渉光の光源としてキセノンランプ光源とピンホールからなる白色点光源も有用である。

ＤＦＢレーザダイオード以外に、安定した高可干渉光源としては一定温度に制御されたシングルモード面発光型半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ)、Ｈｅ−Ｎｅ等のガスレーザ等が適用できる。

以上のように各実施例によれば、ナノメータオーダーの分解能の原点を、レーザ干渉の出力正弦波に同期して得ることができる。

従ってナノメータオーダーの分解能で絶対位置情報を測定することが容易となる。

実施例１の光学配置の概略図実施例１の光ＬＤ及び光ＳＬＤのパワースペクトルの説明図実施例１の光ＳＬＤのビジビリティの説明図実施例１のＬＤ干渉信号ＵＶＷの波形出力の説明図実施例１の出力の干渉信号ＵＶＷ波形出力から計算したＡ相、Ｂ相の波形図実施例１のＳＬＤ干渉信号Ｕ’Ｖ’Ｗ’の波形出力の説明図実施例１の出力の干渉信号Ｕ’Ｖ’Ｗ’波形出力から計算したＡ’相、Ｂ’相の説明図実施例１の出力のＡ相、Ａ’相及びＬＤ干渉信号とＳＬＤ干渉信号の位相差の説明図実施例２の光学配置の説明図実施例２の出力の干渉信号Ｕと干渉信号（Ｕ＋Ｕ’）の波形出力の説明図

符号の説明

ＬＤシングルモードレーザ光源
ＳＬＤスーパールミネッセントダイオード
ＣＯＬ１、ＣＯＬ２、ＣＯＬ３コリメータレンズ
ＬＮＳ１、ＬＮＳ２レンズ
ＤＭ１、ＤＭ２ダイクロイックミラー
ＰＢＳ偏光ビームスプリッタ
ＮＢＳ非偏光ビームスプリッタ
３ＣＨ−ＰＯＬ、ＰＯＬ２偏光素子
ＰＤＡ、ＰＤＡ’ 受光素子アレイ
Ｍ１被測定反射面
Ｍ２参照反射面
Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３集光位置
ｆ焦点距離
ＧＢＳ光束分割素子

Claims

高可干渉性の第１の光束を放射する第1の光源手段と、
該第１の光束と中心波長が異なる低可干渉性の第２の光束を放射する第２の光源手段と、
該第１の光束と該第２の光束を合波する合波手段と、
該合波された第１及び第２の光束をそれぞれ２つの光束に分割する光分割手段と、
該分割された一方の光束を被測定物の測定反射面に入射させ、
他方の光束を参照面に入射させ、
該測定反射面からの反射光と、該参照面からの反射光を合波して、該分割された２つの第１の光束及び該分割された２つの第２の光束を各々干渉させる干渉部と、
該干渉部において該分割された２つの第１の光束により形成される干渉光と、該分割された２つの第２の光束により形成される干渉光を検出する受光手段とを有し、
該第１の光束により形成される干渉光に基づく第１の信号及び該第２の光束により形成される干渉光に基づく第２の信号の位相差と、該第２の信号の強度とを用いて、該測定反射面に関する測定原点を決定する演算手段とを有する
ことを特徴とする干渉測定装置。
前記受光手段は、前記分割された２つの第１の光束により形成される干渉光を検出する第１の受光手段と、前記分割された２つの第２の光束により形成される干渉光を検出する第２の受光手段とを有していることを特徴とする請求項１に記載の干渉測定装置。
前記演算手段は、前記第１、第２の信号の位相差がゼロの位置での前記第２の信号の強度に基づいて測定原点を決定することを特徴とする請求項１または２に記載の干渉測定装置。
前記第２の信号は、前記測定反射面と前記光分割手段との光路長と、前記参照面と前記光分割手段との光路長が等しいとき振幅が最大で、該光路長の差に応じて減衰することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の干渉測定装置。
前記演算手段は、第１、第２の信号の位相差がゼロの位置のうち、前記第２の信号の強度に基づいて求められた該測定反射面と該参照面のそれぞれと前記光分割手段との光路長が等光路長である位置を、変位情報の測定原点として決定することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の干渉測定装置。
前記演算手段は、第１、第２の信号の位相差がゼロの位置と、前記減衰する前記第２の信号の強度のピーク位置と、に基づいて該測定反射面と該参照面のそれぞれと前記光分割手段との光路長が等光路長の位置を、変位情報の測定原点として決定することを特徴とする請求項５に記載の干渉測定装置。
前記光分割手段は、偏光ビームスプリッタより成り、前記合波された第１及び第２の光束を該偏光ビームスプリッタにて２つの直線偏光の光束に分割し、一方の光束を前記測定反射面に入射させて反射させ、他方の光束を前記参照面に入射させて反射させ、それぞれの光束を該偏光ビームスプリッタにて合波し、
前記合波された光束は、１／４波長板によって、該光束の光路長差の変動に基づく位相差の変動に応じた偏光方位が回転する直線偏光に変換され、
前記受光手段は、前記第１の光束に基づく干渉光から前記測定反射面の変位に関する周期信号である前記第１の信号と、前記第２の光束に基づく干渉光から、前記測定反射面と前記光分割手段との光路長と、前記参照面と前記光分割手段との光路長とが等しいとき振幅が最大で該光路長の差に応じて減衰する周期信号である前記第２の信号を発生させること特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の干渉測定装置。
前記第１及び第２の光源手段の発光を交互にＯＮ−ＯＦＦし、前記第１の光束と前記第２の光束の点灯に合わせて各々の干渉光を受光手段で受光し、
前記演算手段は、第１の光束によって形成される前記干渉光に基づく干渉信号波形と第２の光束によって形成される前記干渉光に基づく干渉信号波形とを各々推定補間することによって得られた前記第１の信号と前記第２の信号の信号波形に基づいて前記測定反射面と前記光分割手段の間の光路長と前記参照面と前記光分割手段の間の光路長とが等しい位置を測定原点とすることを特徴とする請求項１に記載の干渉測定装置。
前記第１又は第２の光源手段の一方の駆動をＯＮ−ＯＦＦし、一方の光源手段の消灯に合わせて他方の光源手段からの光束に基づく干渉光を前記受光手段で検出し、
前記演算手段は、該一方の光源手段の点灯に合わせて該第１の光束によって形成される前記干渉光に該第２の光束によって形成される前記干渉光を重畳した干渉信号波形と、ＯＮ−ＯＦＦした一方の光源手段からの光束に基づく干渉信号波形または他方の光源手段からの光束に基づく干渉信号波形を推定補間することによって得られた、前記第１の信号と前記第２の信号の干渉信号波形とに基づいて前記測定反射面と前記光分割手段との光路長と前記参照面と前記光分割手段の間の光路長とが等しい位置を測定原点とすることを特徴とする請求項１に記載の干渉測定装置。