JP5305732B2 - 干渉計 - Google Patents

Description

本発明は干渉計に係り、特に、リファレンスミラー及び測定ミラーのそれぞれで二度反射した光から被測定物の変位情報を得るダブルパス干渉計に関する。

従来から、物体の変位を測定しステージの制御、様々な測長をする装置として、高精度、高分解能な特徴から、レーザー干渉計が使用されてきた。

図３は、従来の干渉計の構成図である。光源１０から出射した波長λ（λ＝６３３ｎｍ）のレーザー光１１０は、ＰＢＳ２０（偏光ビームスプリッタ）に入射し、ＰＢＳ面２０ｐでリファレンス光１２０ａと測定光１２０ｂに分割される。リファレンス光１２０ａは、リファレンスミラー４０ａで反射され、元の光路を通って再びＰＢＳ２０に入射する。このとき、１／４λ板３０ａを２回透過することで、Ｐ波がＳ波に変換される。このため、今度はＰＢＳ面２０ｐで透過してリファレンス光１３０ａとなり、反射素子５０に入射する。

一方、測定光１２０ｂは、測定ミラー４０ｂで反射され、元の光路を通って再びＰＢＳ２０に入射する。このとき、測定光１２０ｂの光束は、１／４λ板３０ｂを二回透過することにより、Ｓ波がＰ波に変換されるため、今度はＰＢＳ面２０ｐで反射され、光束１３０ｂとなり、リファレンス光１３０ａと同様に、反射素子５０に入射する。

その後、リファレンス光１３０ａは再びＰＢＳ２０を透過してリファレンス光１４０ａとなり、測定光１３０ｂは再びＰＢＳ２０を反射して測定光１４０ｂとなる。リファレンス光１４０ａ及び測定光１４０ｂは、それぞれ、１／４λ板３０ａ、３０ｂを二回透過する。ＰＢＳ２０に再び入射したリファレンス光１４０ａ及び測定光１４０ｂは、合波されて合波光１５０となる。合波光１５０を受光素子１６０で受光することにより、測定ミラー４０ｂの変位に応じた１／４λ周期の干渉信号が得られる。
特開２００６−１１２９７４号公報

図３に示されるように、従来の一般的な干渉計では、光路中に多数の反射面が存在する。境界面２１０ｂで反射した成分は、通常の測定光と同様の光路をたどり、最終的には合波光１５０と重なる。この反射成分は、測定ミラー４０ｂの移動によって変調されるが、測定ミラー４０ｂに一回のみの反射で到達している。境界面２１０ａ、２１０ａａ、２１０ｂｂについても同様である。このため、変調量は通常の反射成分の半分であり、１／２λ周期の干渉信号（ゴースト光信号）として得られることになる。

例えば、境界面２１０ｂにおけるＡＲコート（反射防止膜）の反射率を０．２％とすると、境界面２１０ｂで反射したゴースト光から生じる干渉信号は、波動光学的には主信号の干渉強度と比較して、約９％もの干渉強度となる。仮に０．０１％の超低反射ＡＲコートを施したとしても、２．５％の干渉強度となる。

図４（ａ）は理想的干渉信号の波形であり、図４（ｂ）は１／２λ周期誤差が重畳された干渉信号の波形である。図４（ｂ）に示される干渉信号は、ダブルパス干渉計のゴースト光に起因する誤差を含んだ周期信号である。

受光素子１６０から出力された電気信号は、全てのゴースト光に起因する正弦波信号が重畳されている。このため、従来の干渉計で得られる干渉信号は、図４（ｂ）に示されるような波形となる。

図５は、受光素子の出力（センサ変位出力）と被測定物の変位との関係を示す図である。

通常は、被測定物の変位に応じて変調された正弦波周期信号を電気分割することにより、サブｎｍの分解能を得ることができる。しかし、ゴースト光に起因する成分が重畳されている場合、図５に示されるように、被測定物の変位に対するセンサ変位出力のリニアリティが悪化する。すなわち、センサ変位出力と被測定物の変位との間には内挿誤差が含まれる。この誤差量は数〜数十ｎｍに達するため、超高精度用途の干渉計では大きな問題となる。

そこで本発明は、ゴースト光の影響を低減した高精度の干渉計を提供する。

本発明の一側面としての干渉計は、光源からの光をリファレンス光及び測定光に分割する光分割素子と、前記光分割素子で分割されて第１の方向から入射する前記リファレンス光を反射するリファレンスミラーと、前記光分割素子で分割されて第２の方向から入射する前記測定光を反射し、前記第２の方向に沿って変位可能な測定ミラーと、前記リファレンスミラーからの反射光及び前記測定ミラーからの反射光が前記光分割素子を介して入射する光学系と、前記光学系を介して入射する２つの反射光を反射し、それぞれ前記光学系及び前記光分割素子を介して前記リファレンスミラー及び前記測定ミラーに再入射させる反射素子と、前記リファレンスミラー及び前記測定ミラーでそれぞれ二度反射された２つの光が合波された光を受光する受光素子と、を有し、前記リファレンスミラー及び前記測定ミラーでそれぞれ二度反射された前記２つの光は、前記光分割素子により合波され、前記光源からの光の反射によって前記光分割素子から射出する光と該光によって生じて前記合波されるべく前記光分割素子に再入射する光とを含む第１平面内、及び、前記光源から前記光分割素子に入射する光と前記合波された光とを含む第２平面内において、前記光源からの光は、前記光分割素子を介して、前記リファレンスミラー及び前記測定ミラーに対して角度をもって入射し、前記合波されるべき光は、前記リファレンスミラー及び前記測定ミラーから前記角度をもって射出し、前記光学系は、前記リファレンスミラー及び前記測定ミラーでそれぞれ反射された２つの光を前記第２平面に平行とし、前記反射素子は、前記光学系により前記第２平面に平行とされた２つの光を、反射後の２つの光が前記第２平面に平行となるように反射し、前記リファレンスミラー及び前記測定ミラーの少なくとも一つは、前記第１平面及び前記第２平面に直交する直交面内において、その法線方向が前記第１の方向及び前記第２の方向のうち対応する方向とは異なるように傾いて配置されている、ことを特徴とする。

本発明のその他の目的及び特徴は、以下の実施例において説明される。

本発明によれば、ゴースト光の影響を低減した高精度の干渉計を提供することができる。

以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

本実施例の干渉計は、物体（被測定物）の変位情報を光の位相情報として検出し、この光の位相情報を電気信号に変換することにより物体の変位情報を得る干渉計である。

図１Ａは、本実施例における干渉計の構成を示す上面図である。また、図１Ｂは、本実施例における干渉計の構成を示す正面図である。

１は光源（光源装置）である。光源１は、波長λ（λ＝６３３ｎｍ）を有するレーザー光１１（コリメート光束）を射出する。ただし、レーザー光１１の波長λはこれに限定されるものではく、他の波長を有するレーザー光を出射するものであってもよい。

２はＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）である。ＰＢＳ２は、入射光の偏光成分に従って光束を二つに分割する光分割素子である。図１Ａの上面図において、光源１から射出したレーザー光１１は、角度α（例えば、α＝５°）でＰＢＳ２に入射する。ＰＢＳ２はＰＢＳ面２ｐ（偏光ビームスプリッタ面）を有し、このＰＢＳ面２ｐにおいて、ＰＢＳ２への入射光は、リファレンス光１２ａ及び測定光１２ｂに分割される。なお、図１Ａの上面図はＰＢＳ面２ｐの平面を見た図であり、図１Ｂの正面図はＰＢＳ面２ｐの断面を見た図である。

４ａはリファレンスミラーであり、４ｂは測定ミラーである。光源１からＰＢＳ２へ入射した光は、その一部の光がＰＢＳ面２ｐにおいて第１の方向に反射し、リファレンス光１２ａとして、リファレンスミラー４ａに入射する。また、ＰＢＳ２への入射光の他の一部は、ＰＢＳ面２ｐを透過して、測定光１２ｂとして第２の方向から測定ミラー４ｂに入射する。図１Ｂに示されるように、リファレンスミラー４ａは、ＰＢＳ２で分割されて第１の方向から入射するリファレンス光１２ａを反射する。同様に、測定ミラー４ｂは、ＰＢＳ２で分割されて第２の方向から入射する測定光１２ｂを反射する。測定ミラー４ｂは、被測定物に取り付けられる。測定ミラー４ｂ（被測定物）が光軸方向（第２の方向）に変位することにより、測定光１２ｂの位相情報が変化する。リファレンスミラー４ａ及び測定ミラー４ｂは、後述の反射素子５と共役関係にある。

リファレンスミラー４ａは、そのミラー面の法線方向がＰＢＳ面２ｐで反射したリファレンス光１２ａの光軸方向（第１の方向）とは異なるように、角度θだけ傾いて配置されている。同様に、測定ミラー４ｂは、そのミラー面の法線方向がＰＢＳ面２ｐを透過した測定光１２ｂの光軸方向（第２の方向）とは異なるように、角度θだけ傾いて配置されている。本実施例において、角度θは例えば０．５°に設定される。なお、本実施例の説明において、角度θは、図１Ｂの正面図で見た場合における、第１の方向とリファレンスミラー面の法線方向とのなす角度、及び、第２の方向と測定ミラー面の法線方向とのなす角度である。

このため、リファレンスミラー４ａで反射した後のリファレンス光１３ａは、リファレンスミラー４ａに入射する前のリファレンス光１２ａに対して角度２θだけ傾いた光束となる。同様に、測定ミラー４ｂで反射した後の測定光１３ｂは、測定ミラー４ｂに入射する前の測定光１２ｂに対して角度２θだけ傾いた光束となる。

６はレンズ系（光学系）である。リファレンスミラー４ａで反射したリファレンス光１３ａは、ＰＢＳ面２ｐで反射し、レンズ系６に角度２θで入射する。同様に、測定ミラー４ｂで反射した測定光１３ｂは、ＰＢＳ面２ｐを透過し、レンズ系６に角度２θで入射する。このように、レンズ系６（光学系）は、ＰＢＳ２を介して、リファレンスミラー４ａからの反射光（リファレンス光１３ａ）及び測定ミラー４ｂからの反射光（測定光１３ｂ）を入射する。図１Ｂの正面図に示されるように、レンズ系６は、角度２θで入射したリファレンス光１３ａ及び測定光１３ｂを元の角度（光源１からのレーザー光１１同一の方向）に変更する。

なお、本実施例では、リファレンス光１３ａ及び測定光１３ｂを入射する光学系としてレンズ系６が用いられているが、これに限定されるものではない。レンズ系６の代わりに反射系を用いることもできる。

本実施例では、リファレンスミラー４ａ及び測定ミラー４ｂは、レンズ系６における反射光それぞれの通過位置がレンズ系６の中心軸に対して対称位置になるように配置されている。すなわち、図１Ｂに示されるように、リファレンスミラー４ａ及び測定ミラー４ｂの両方を基準位置から右周りに角度θだけ傾け、レンズ系６に入射するリファレンス光１３ａと測定光１３ｂの各光束の高さが上下対称になるように構成している。

ただし、これに限定されるものではなく、リファレンスミラー４ａの角度を測定ミラー４ｂの角度とは異なる角度に設定することや、これらのミラーを互いに異なる方向に傾けてもよい。また、本実施例では、リファレンスミラー４ａ及び測定ミラー４ｂの少なくとも一つが傾いて配置されていればよい。このとき、リファレンスミラー４ａ及び測定ミラー４ｂの少なくとも一つの法線方向は、第１の方向及び第２の方向に対して傾いていることになる。

５は反射素子である。レンズ系６に角度２θで入射したリファレンス光１３ａ及び測定光１３ｂは、図１Ｂの正面図に示されるように、レンズ系６で屈折して互いに平行な光になる。そして、反射素子５は、リファレンスミラー４ａ及び測定ミラー４ｂからの反射光（リファレンス光１３ａ、測定光１３ｂ）をそれぞれリファレンスミラー４ａ及び測定ミラー４ｂに再照射するため、レンズ系６からの互いに平行な光を反射する。

反射素子５は、リファレンスミラー４ａ及び測定ミラー４ｂと共役関係にある。このため、リファレンス光１３ａ及び測定光１３ｂは、図１Ｂの正面図において、光源１からのレーザー光１１と平行であり、反射素子５でこの角度を維持するように反射される。反射素子５で反射した光束は、レンズ系６及びＰＢＳ２を通って、再び、リファレンスミラー４ａ又は測定ミラー４ｂのいずれかに照射する。

１６は受光素子（光検出器）である。受光素子１６は、リファレンスミラー４ａ及び測定ミラー４ｂのそれぞれに二度照射して合波された合波光１５を受光する。合波光１５はレーザー光１１と同じ角度で受光素子１６に入射する。

このように、合波光１５（ダブルパス干渉計における本来の光束）は受光素子１６にレーザー光１１と同一の角度で入射する。このため、受光素子１６の全面に一様な明滅を繰り返す最大１／４λ周期の干渉信号となる。

次に、本実施例の干渉計で発生する迷光（ゴースト光）について説明する。

本実施例において、反射素子５から戻った光束であるリファレンス光１３ａ及び測定光１３ｂに関して考える。リファレンス光１３ａ及び測定光１３ｂがＰＢＳ２に入射した後、その一部は、ＰＢＳ２（プリズム）と空気との境界面２１ａａ、２１ｂｂのＡＲコート面（反射防止膜面）でそれぞれ反射する。境界面２１ａａ、２１ｂｂのＡＲコート面で反射したゴースト光１５ａ、１５ｂは、主光束（リファレンス光、測定光）と同様に、受光素子１６に入射して干渉信号を発生させる。

しかし、ゴースト光１５ａ、１５ｂは、図１Ｂの正面図において、合波光１５の方向に対してそれぞれ角度２θだけ傾いた角度で受光素子１６に入射する。このため、受光素子１６の受光領域（受光面）には、所定のピッチｐを有する干渉縞が発生する。干渉縞のピッチｐは、波長λと角度θを用いて、式（１）で表される。

図２は、受光素子１６の受光領域において現れる干渉縞の一例である。図２の右側の「明」と左側の「暗」は、いずれも、受光素子１６の受光領域に現れる干渉縞を示している。測定ミラー４ｂを変位させることにより、受光領域に現れる干渉縞は、図２に示される「明」と「暗」を繰り返す。この周期は波長λに依存し、例えば、波長λが８５０ｎｍの光を用いて測定ミラー４ｂを２００ｎｍ程度変位させると、「明」から「暗」に変化する。

本実施例では、図２に示されるように、式（１）で表されるピッチｐを有する干渉縞が得られる。この干渉縞はゴースト光に起因するものである。このため、受光素子１６の受光領域が、ピッチＰに比較して十分大きければ、受光素子１６で検出される光量が平均化される（平均化効果）ことにより、内挿誤差を十分低減させることができ、センサ変位出力の直線性を向上させることが可能となる。

例えば、境界面２１ａａで反射したゴースト光１５ａの干渉縞強度が、主光束の干渉縞強度に比較して、従来例で述べたように９％程度発生した場合を考える。このとき、重厚領域がφ２ｍｍ、リファレンスミラー４ａ及び測定ミラー４ｂの傾き角度θを０．５°とすると、ゴースト光を起因として発生する干渉パターンは、ピッチｐが３６μｍの縞模様となる。電気信号に重畳されるゴースト光を起因とした１／２λ周期の信号の割合は、主信号の０．１６％だけである。これは、リニアリティとしては±０.０４ｎｍの悪化に過ぎず、サブｎｍレベルの超高精度測長においても全く問題の無いレベルまで誤差を低下させることができる。以上の点については、その他の境界面２１ｂ、２１ｂｂ、２１ａでも同様の効果がある。このため、これら４ヶ所の境界面全ての悪化要因を足し合わせたとしても、±０.１６ｎｍの周期的誤差が発生するに過ぎない。従って、極めて高精度な測長が可能となる。

本実施例において、受光素子１６の受光領域が直径Ｄの円であるとすると、ピッチｐが直径Ｄより小さくなるように設定すればよい。また、ｓｉｎ２θは１以下であるから、ピッチｐが波長λより小さくなることはない。従って、ピッチｐを式（２）で表される範囲に設定することにより、本実施例における平均化効果を得ることができる。

また、リファレンスミラー４ａとＰＢＳ２との間の距離ｘ、及び、測定ミラー４ｂとＰＢＳ２との間の距離ｒを等しくすれば、リファレンス光及び測定光の波動光学的等光路位置となる。このため、ガラス光路中を通過する光路長と空気中を通過する光路長とが一致する。

このため、気圧、気温、湿度等の空気屈折率に関係する雰囲気の状態変化に影響されること無く、長期的に安定した測定が可能となる。

本実施例における光源装置（光源１）は、コリメート光を発生させる装置であるが、これに限定されるものではない。例えば、コリメート光を発生させる光源の代わりに発散光源を用いた場合でも、発散光束をコリメートするコリメート手段としてのレンズ系を用いることにより、光源１と同様の効果を得ることができる。このとき、コリメート手段としてのレンズ系と、本実施例におけるレンズ系６を共通化する（すなわち、レンズ系６が光源装置の一部を構成する）ことにより、簡便な構成で光源１と同様の効果を得ることができる。このとき、発散光源からの光は、レンズ系６によりコリメート光に変更され、ＰＢＳ２に入射する。

本実施例の干渉計によれば、リファレンスミラー及び／又は測定ミラーが常に傾いた状態で設置される。このため、リファレンスミラーで１回、測定ミラーで１回反射したゴースト光は、リファレンスミラーで２回反射した光束、測定光で２回反射した光束とは異なった角度で合波される。よって、受光素子上では多数の干渉縞（干渉パターン）が現れ平均化され、誤差量は大幅に改善される。また、リファレンスミラーで２回、測定ミラーで２回反射した本来の光束は、それぞれ同一の角度で合波される。このため、均一な干渉状態となり、最大の干渉強度を得ることができる。

従って、本実施例によれば、ゴースト光の影響を抑制した高精度の干渉計を提供することができる。

以上、本発明の実施例について具体的に説明した。ただし、本発明は上記実施例として記載された事項に限定されるものではなく、本発明の技術思想を逸脱しない範囲内で適宜変更が可能である。例えば、本実施例ではマイケルソン干渉計について説明したが、これに限定されるものではなく、フィゾー干渉計など他の干渉計に適用することもできる。

本実施例における干渉計の構成を示す上面図である。 本実施例における干渉計の構成を示す正面図である。 本実施例における受光素子の受光領域において現れる干渉縞の一例である。 従来のダブルパス干渉計の構成図である。 （ａ）理想的干渉信号の波形、（ｂ）１／２λ周期誤差が重畳された干渉信号の波形である。 従来のダブルパス干渉計におけるセンサ変位出力と被測定物の変位との関係を示す図である。

符号の説明

１：光源
２：ＰＢＳ
２ｐ：ＰＢＳ面
４ａ：リファレンスミラー
４ｂ：測定ミラー
５：反射素子
６：レンズ系
１１：レーザー光
１２ａ、１３ａ：リファレンス光
１２ｂ、１３ｂ：測定光
１５：合波光
１５ａ、１５ｂ： ゴースト光
１６：受光素子
２１ａ、２１ａａ、２１ｂ、２１ｂｂ：境界面

Claims (5)

1. 光源からの光をリファレンス光及び測定光に分割する光分割素子と、
   前記光分割素子で分割されて第１の方向から入射する前記リファレンス光を反射するリファレンスミラーと、
   前記光分割素子で分割されて第２の方向から入射する前記測定光を反射し、前記第２の方向に沿って変位可能な測定ミラーと、
   前記リファレンスミラーからの反射光及び前記測定ミラーからの反射光が前記光分割素子を介して入射する光学系と、
   前記光学系を介して入射する２つの反射光を反射し、それぞれ前記光学系及び前記光分割素子を介して前記リファレンスミラー及び前記測定ミラーに再入射させる反射素子と、
   前記リファレンスミラー及び前記測定ミラーでそれぞれ二度反射された２つの光が合波された光を受光する受光素子と、を有し、
   前記リファレンスミラー及び前記測定ミラーでそれぞれ二度反射された前記２つの光は、前記光分割素子により合波され、
   前記光源からの光の反射によって前記光分割素子から射出する光と該光によって生じて前記合波されるべく前記光分割素子に再入射する光とを含む第１平面内、及び、前記光源から前記光分割素子に入射する光と前記合波された光とを含む第２平面内において、前記光源からの光は、前記光分割素子を介して、前記リファレンスミラー及び前記測定ミラーに対して角度をもって入射し、前記合波されるべき光は、前記リファレンスミラー及び前記測定ミラーから前記角度をもって射出し、
   前記光学系は、前記リファレンスミラー及び前記測定ミラーでそれぞれ反射された２つの光を前記第２平面に平行とし、
   前記反射素子は、前記光学系により前記第２平面に平行とされた２つの光を、反射後の２つの光が前記第２平面に平行となるように反射し、
   前記リファレンスミラー及び前記測定ミラーの少なくとも一つは、前記第１平面及び前記第２平面に直交する直交面内において、その法線方向が前記第１の方向及び前記第２の方向のうち対応する方向とは異なるように傾いて配置されている、
   ことを特徴とする干渉計。
2. 前記リファレンスミラーは、前記直交面内において、その法線方向が前記第１の方向とは異なるように傾いて配置され、
   前記測定ミラーは、前記直交面内において、その法線方向が前記第２の方向とは異なるように傾いて配置されている、ことを特徴とする請求項１に記載の干渉計。
3. 前記リファレンスミラー及び前記測定ミラーは、それぞれからの反射光の前記光学系における通過位置が前記光学系の中心軸に対して対称になるように、それぞれ傾いていることを特徴とする請求項１又は２に記載の干渉計。
4. 前記受光素子の受光領域に現れる干渉縞のピッチは、該受光領域の直径より小さい、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の干渉計。
5. 前記光学系は、レンズ系または反射系を含む、ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の干渉計。