JP6094300B2 - 白色干渉測定方法及び白色干渉測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、白色干渉法（低コヒーレンス干渉法）を用いて測定対象物の位置及び変位を非接触で測定する白色干渉測定方法及び白色干渉測定装置に関する。

光の干渉によって生じる干渉縞を検出する干渉法を用いた干渉計が知られている。干渉法は、単一の波長を光学干渉計によって干渉させた際に、波長の整数倍に近付くにしたがって輝度が高くなり、その中間に近付くにしたがって輝度が低くなる特性を利用して、波長や位相差を長さ測定に応用する技術であり、マイケルソン干渉方式の測定装置が一般的に使用されている。

また、干渉法のうち白色干渉法（低コヒーレンス干渉法）は、コヒーレンス長（干渉縞を得ることのできる最大の光路長）の短い白色光源を用いる手法であり、測定対象物の微細な形状や凹凸を非接触で測定できるので、色々な測定分野において使用されている。

マイケルソン干渉方式の白色干渉測定装置は、白色光源から出た白色光をビームスプリッタに照射して測定光と参照光とに分割し、分割した測定光と参照光とを、測定対象物もしくは測定対象物に取り付けられた測定ミラーと、参照光路長走査部に設けられ移動可能な参照ミラーに照射する。そして、測定対象物もしくは測定ミラー及び参照ミラーで反射されてビームスプリッタに戻る測定光及び参照光を重ね合わせて干渉させるように構成されている。したがって、各部材同士の間で光軸を正確にアライメントする必要があり煩雑である。

このため、白色干渉測定装置を構成する各部材同士の間を光ファイバで連結した光ファイバ連結方式の白色干渉測定装置が開発されている（例えば特許文献１）。

ここで、光ファイバ連結方式の白色干渉測定装置の基本構成を説明する。図６（Ａ）に示すように、白色干渉測定装置１は、白色光源２、光カプラ３、参照光路長走査部４、測定対象物Ｗに白色光を照射する測定用プローブ５、光検出器６の各部材を光ファイバ７で連結した干渉システムと、光検出器６で検出された干渉信号を長さ情報に変換する処理装置８（図示せず）等から構成される。そして、参照光路長走査部４の参照ミラー４Ａを移動させることにより、図６（Ｂ）の干渉信号を得る。

光ファイバ連結方式の白色干渉測定装置１は、参照光路長走査部４に搭載されるコリメータレンズ９と参照ミラー４Ａとの光軸アライメントを除き、干渉システムを構成する各部材同士の光軸をアライメントする必要がないというメリットがある。

また、位置及び変位の測定を３次元で行うには、１軸の測定チャンネルのみではなく複数の測定チャンネルからなる多軸測定チャンネルが要望されており、光ファイバ連結方式は多軸測定チャンネルを構成し易いメリットがある。

特開２０１２−８３２７４号公報

しかしながら、光ファイバ連結方式の白色干渉測定装置を、高精度な実装置として構築するには、解決すべき以下の問題点（課題）がある。

（１）図７に示すように、測定光側の光ファイバ７（特に点線で囲んだ部分）と参照光側の光ファイバ７（特に点線で囲んだ部分）の温度変化が測定値に温度ドリフトとして現れ、測定誤差になるという問題がある。この場合、参照光側の光ファイバ７は温度制御可能な筐体（図示せず）内に収納することは可能である。しかし、測定光側の光ファイバ７は筐体外を引き回す必要があり、測定光側の光ファイバ７に温度変化が生じるため、測定誤差が生じる（以下、「温度ドリフトによる測定誤差の問題」という）。

（２）図８に示すように、測定対象物Ｗの振動や測定対象物Ｗを置いた床面の振動、白色干渉測定装置１全体の振動、あるいは白色干渉測定装置１の部材同士を繋ぐ光ファイバ７の振動等のノイズ発生要因によって、測定対象物Ｗで反射された反射光の強度に揺らぎが生じる。この揺らぎがノイズ信号（例えば振動信号）として干渉信号の近くに重畳し、測定誤差になる。特に、測定対象物Ｗが光軸に対して傾斜している等、干渉信号の振幅が小さくなる場合、あるいは反射率の低い金属やプラスチックのような測定対象物Ｗを測定する場合、上記揺らぎにより、測定対象物Ｗに対する干渉信号とノイズ信号（例えば振動信号）との区別が困難になり、精度が悪化する（以下、「ノイズ信号による測定誤差の問題」という）。

（３）図９に示すように、多軸測定チャンネル（図９は２軸チャンネル）にした場合には、従来の光ファイバ連結方式の白色干渉測定装置は、参照光路長走査部４がチャンネル分だけ必要になる。したがって、複雑で高精度が要求される参照ミラーの光軸アライメントをチャンネル分だけ行うことが必要となり、時間を要するだけでなく測定誤差の要因になる。更には、チャンネル分の参照光路長走査部４を装置内に備えなくてはならず、白色干渉測定装置１が大型化するという問題もある（以下、「多軸測定チャンネルにした場合の問題」という）。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、温度ドリフトによる測定誤差、ノイズ信号による測定誤差、多軸測定チャンネルにした場合の各問題点を解決することができるので、実装置として十分に満足する測定精度を得ることができ、更には装置のコンパクト化にも寄与できる白色干渉測定方法及び白色干渉測定装置を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様の白色干渉測定方法は前記目的を達成するために、白色光の干渉によって生じる干渉縞を検出する白色干渉法を利用して測定対象物の位置及び変位を測定する白色干渉測定方法において、白色光をＰ偏光光とＳ偏光光とに分割して一方を測定光とすると共に他方を参照光とした後、前記測定光と前記参照光とを再び同軸光路上に合成して、非干渉な測定光と参照光との２光束を形成する非干渉２光束形成工程と、前記分割と前記合成との間に設けられ、前記参照光の光路長を変化させて測長範囲を走査する参照光路長走査工程と、前記２光束のうち前記測定光を透過させ前記参照光を反射すると共に前記透過した測定光を前記測定対象物に照射し、測定対象物で反射した測定光と前記反射した参照光とにより非干渉な照射後２光束を形成する対象物測定工程と、前記照射後２光束について干渉信号を形成する干渉ルートと干渉信号を形成しない非干渉ルートとの２つのルートを形成する干渉・非干渉ルート形成工程と、前記干渉・非干渉ルート形成工程の直前に設けられ、前記照射後２光束を前記測定光と前記参照光とに分割すると共に測定光と参照光とが同一の偏光になるように変換した後、重ね合わせて干渉光を形成する干渉光形成工程と、前記干渉ルートからの光信号と前記非干渉ルートからの光信号とをそれぞれ検出して、その差分を取ることによって、ノイズを除去した干渉信号のみを取得する検出工程と、前記ノイズが除去された干渉信号から前記測定対象物の位置及び変位を演算する演算工程と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、白色干渉法による測定光と参照光とを干渉し合わないＰ偏光光とＳ偏光光とで構成し、干渉信号を検出する検出直前で測定光と参照光とを干渉させると供に、参照光を反射させ測定光を透過する機能を有する対象物測定部から測定光を測定対象物に照射するようにした。

このように、白色干渉法を用いた場合には、測定光と参照光との光路長が一致した場合のみ干渉し、その他の条件で干渉しあうことがない。

したがって、白色干渉法においては、測定光と参照光とを干渉し合わないＰ偏光光とＳ偏光光とで構成すれば、測定光と参照光とを同軸光路上（同じ光ファイバ上）を通しても干渉し合うことはないので、干渉信号の検出直前まで干渉させないようにできる。

これにより、特に、外部（例えば温度制御可能な筐体外）を引き回す必要がある測定側の光ファイバには、測定光と参照光との２光束を同軸光路上に通すことができる。この結果、測定光と参照光との間で温度による光路長の変動が同様に生じるため、測定値では温度ドリフトによる誤差が相殺される。したがって、「温度ドリフトによる測定誤差の問題」を解決することができ、測定精度を向上できる。

また、本発明によれば、測定光と参照光とが干渉しない非干渉ルートと、測定光と参照光とが干渉する干渉ルートとの２つのルートを形成し、非干渉ルートには振動等のノイズ信号のみが生成され、干渉ルートには、干渉信号と振動等のノイズ信号との両方が生成されるようにした。そして、検出工程において、２つのルートの光信号の差分を検出するようにしたので、ノイズ信号を除去した後の干渉信号のみを検出することができる。これにより、「ノイズ信号による測定誤差の問題」を解決することができるので、測定精度を向上できる。

また、本発明によれば、測定光（例えばＰ偏光光）と参照光（例えばＳ偏光光）との２光束が多軸測定チャンネル上を送信されて測定光のみが射出されるように構成されている。即ち、測定光と参照光の干渉及び非干渉を検出工程の直前（例えば差動検出器の直前）で設定することができるので、１つの参照光路走査工程によって全ての多軸測定チャンネルを賄うことができる。これにより、「多軸測定チャンネルにした場合の問題」の問題を解決することができる。

本発明の第２の態様の白色干渉測定方法は前記目的を達成するために、白色光の干渉によって生じる干渉縞を検出する白色干渉法を利用して測定対象物の位置及び変位を測定する白色干渉測定方法において、白色光をＰ偏光光とＳ偏光光とに分割して一方を測定光とすると共に他方を参照光とした後、前記測定光と前記参照光とを再び同軸光路上に合成して、非干渉な測定光と参照光との２光束を形成する非干渉２光束形成工程と、前記分割と前記合成との間に設けられ、前記参照光の光路長を変化させて測長範囲を走査する参照光路長走査工程と、前記２光束のうち前記測定光を透過させ前記参照光を反射すると共に前記透過した測定光を前記測定対象物に照射し、測定対象物で反射した測定光と前記反射した参照光とにより非干渉な照射後２光束を形成する対象物測定工程と、前記照射後２光束について干渉信号を形成する干渉ルートと前記干渉信号の位相を反転させた反転干渉信号を形成する反転干渉ルートとの２つのルートを形成する干渉・反転干渉ルート形成工程と、前記干渉・反転干渉ルート形成工程の直前に設けられ、前記照射後２光束を前記測定光と前記参照光とに分割すると共に測定光と参照光とが同一の偏光になるように変換した後、重ね合わせて干渉光を形成する干渉光形成工程と、前記干渉ルートからの光信号と前記反転干渉ルートからの光信号とをそれぞれ検出して、その差分を取ることによって、ノイズを除去した干渉信号のみを取得する検出工程と、前記ノイズが除去された干渉信号から前記測定対象物の位置及び変位を演算する演算工程と、を備えたことを特徴とする。

本発明の別の態様は、「ノイズ信号による測定誤差の問題」を解決するための構成を変えたものである。即ち、照射後２光束について干渉信号を形成する干渉ルートと干渉信号の位相を反転させた反転干渉信号を形成する反転干渉ルートとの２つのルートを形成する干渉・反転干渉ルート形成工程と、干渉・反転干渉ルート形成工程の直前に設けられ、照射後２光束を測定光と参照光とに分割すると共に測定光と参照光とが同一の偏光になるように変換した後、重ね合わせて干渉光を形成する干渉光形成工程と、干渉ルートからの光信号と反転干渉ルートからの光信号とをそれぞれ検出して、その差分を取ることによって、ノイズを除去した干渉信号のみを取得する検出工程とで構成される。

このように、干渉ルートからの光信号と反転干渉ルートからの光信号との差分を取ることによって、干渉信号は２倍になり、振動信号は打ち消しあってゼロになる。これにより、振動信号が除去された後の干渉信号のみを得ることができる。

本発明の第１の態様の白色干渉測定装置は前記目的を達成するために、白色光の干渉によって生じる干渉縞を検出する白色干渉法を利用して測定対象物の位置及び変位を測定する白色干渉測定装置において、白色光をＰ偏光光とＳ偏光光とに分割して一方を測定光とすると共に他方を参照光とした後、前記測定光と前記参照光とを再び同軸光路上に合成して、非干渉な測定光と参照光との２光束を形成する非干渉２光束形成部と、前記分割と前記合成との間に設けられ、前記参照光の光路長を変化させて測長範囲を走査する参照光路長走査部と、前記２光束のうち前記測定光を透過させ前記参照光を反射すると共に前記透過した測定光を前記測定対象物に照射し、測定対象物で反射した測定光と前記反射した参照光とにより非干渉な照射後２光束を形成する対象物測定部と、前記照射後２光束について干渉ルートと非干渉ルートとの２つのルートを形成する干渉・非干渉ルート形成部と、前記干渉・非干渉ルート形成部の直前に設けられ、前記照射後２光束を前記測定光と前記参照光とに分割すると共に測定光と参照光とが同一の偏光になるように変換した後、重ね合わせて干渉光を形成する干渉光形成手段と、前記干渉ルートからの光信号と前記非干渉ルートからの光信号とをそれぞれ検出して、その差分を取ることによって、ノイズを除去した干渉信号のみを取得する検出部と、前記ノイズが除去された干渉信号から前記測定対象物の位置及び変位を演算する演算部と、備え、前記各部同士及び前記各部を構成する部材同士は光ファイバによって連結されていることを特徴とする。

本発明の第１の態様の白色干渉測定装置は、上記した第１の態様の白色干渉方法を装置として構成したものである。

本発明の第２の態様の白色干渉測定装置は前記目的を達成するために、白色光の干渉によって生じる干渉縞を検出する白色干渉法を利用して測定対象物の位置及び変位を測定する白色干渉測定装置において、白色光をＰ偏光光とＳ偏光光とに分割して一方を測定光とすると共に他方を参照光とした後、前記測定光と前記参照光とを再び同軸光路上に合成して、非干渉な測定光と参照光との２光束を形成する非干渉２光束形成部と、前記分割と前記合成との間に設けられ、前記参照光の光路長を変化させて測長範囲を走査する参照光路長走査部と、前記２光束のうち前記測定光を透過させ前記参照光を反射すると共に前記透過した測定光を前記測定対象物に照射し、測定対象物で反射した測定光と前記反射した参照光とにより非干渉な照射後２光束を形成する対象物測定部と、前記照射後２光束について干渉信号を形成する干渉ルートと前記干渉信号の位相を反転させた反転干渉信号を形成する反転干渉ルートとの２つのルートを形成する干渉・反転干渉ルート形成部と、前記干渉・反転干渉ルート形成部の直前に設けられ、前記照射後２光束を前記測定光と前記参照光とに分割すると共に測定光と参照光とが同一の偏光になるように変換した後、重ね合わせて干渉光を形成する干渉光形成手段と、前記干渉ルートからの光信号と前記反転干渉ルートからの光信号とをそれぞれ検出して、その差分を取ることによって、ノイズを除去した干渉信号のみを取得する検出部と、前記ノイズが除去された干渉信号から前記測定対象物の位置及び変位を演算する演算部と、を備え、前記各部同士及び前記各部を構成する部材同士は光ファイバによって連結されていることを特徴とする。

本発明の第２の態様の白色干渉測定装置は、上記した第２の態様の白色干渉方法を装置として構成したものである。

本発明の白色干渉測定装置では、前記非干渉２光束形成部は、白色光源と、前記白色光源から送出される白色光をＰ偏光光とＳ偏光光とに分割する第１の偏光ビームスプリッタと、前記分割した測定光と参照光とを再び同軸光路上に合成する第２の偏光ビームスプリッタと、前記第１の偏光ビームスプリッタで分割された参照光を前記参照光路長走査部に導き、前記参照光路長走査部で反射された参照光を前記第２の偏光ビームスプリッタに導く第１の偏波保持サーキュレータと、の各部材を備えた偏波依存型の光学系であることが好ましい。

これは、非干渉２光束形成部の好ましい具体構成を示したものであり、偏波依存型の光学系を採用することができる。

また、本発明の白色干渉測定装置では、前記非干渉２光束形成部は、白色光源と、前記白色光源から送出される白色光を測定光と参照光とに分割する分割用光カプラと、前記分割した測定光と参照光とを再び同軸光路上に合成する合成用光カプラと、前記分割用光カプラで分割された参照光を前記参照光路長走査部に導き、前記参照光路長走査部で反射された参照光を前記合成用光カプラに導く偏波無依存サーキュレータと、の各部材を備えた偏波無依存型の光学系であることが好ましい。

これは、非干渉２光束形成部の好ましい別の具体構成を示したものであり、光源が無偏光であり、且つ参照光路長走査部の走査範囲で合成用光カプラにて干渉が生じない場合に、偏波無依存型の光学系を採用することができる。

本発明の白色干渉測定装置は、前記対象物測定部は、前記２光束のうち前記測定光を透過させて前記参照光を反射する機能を有し、前記透過した測定光を前記測定対象物に照射する測定用プローブと、前記非干渉２光束形成部からの２光束を前記測定用プローブに導き、前記測定対象物で反射した測定光と前記測定用プローブで反射した参照光との非干渉な照射後２光束を前記干渉・非干渉ルート形成部に導く第２の偏波保持サーキュレータと、を備えることが好ましい。

これは、対象物測定部の好ましい具体構成を示したものである。

本発明の白色干渉測定装置は、前記干渉光形成手段は、前記干渉ルートに設けられ、前記照射後２光束を前記測定光と前記参照光とに分割する第３の偏光ビームスプリッタと、前記干渉ルートに設けられ、前記測定光と参照光とが同一の偏光になるように変換する偏光回転手段と、前記干渉ルートに設けられ、偏光が同一となった測定光と参照光とを重ね合わせて干渉光を形成する第２の光カプラと、を備えることが好ましい。

これは、干渉光形成手段の好ましい具体構成を示したものである。

本発明の白色干渉測定装置は、前記非干渉２光束形成部から多軸測定チャンネルに分岐され、それぞれの多軸測定チャンネルに前記対象物測定部、干渉・非干渉ルート形成部、干渉光形成手段、及び検出部を少なくとも備えると共に、前記参照光路長走査部は前記多軸測定チャンネルに対して１つ設けられていることが好ましい。

これは、多軸測定チャンネルを有する白色干渉測定装置の構成を示したものである。

本発明の白色干渉測定方法及び白色干渉測定装置によれば、温度ドリフトによる測定誤差、ノイズ信号による測定誤差、多軸測定チャンネルにした場合の各問題点を解決することができるので、実装置として十分に満足する測定精度を得ることができ、更には装置のコンパクト化にも寄与できる白色干渉測定方法及び白色干渉測定装置を提供することができる。

本発明の白色干渉測定装置の全体構成の概念図 干渉ルート・非干渉ルートにより振動を除去する構成の説明図 検出部での干渉ルートと非干渉ルートの信号図及び差分後の干渉信号の図 干渉ルート・反転干渉ルートにより振動を除去する構成の説明図 本発明の多軸測定チャンネル型の白色干渉測定装置を示す概念図 従来の白色干渉測定装置の基本構成と干渉信号を示す概念図 従来の白色干渉測定装置の温度ドリフトを説明する説明図 従来の白色干渉測定装置のノイズを説明する説明図 従来の多軸測定チャンネル型の白色干渉測定装置を示す概念図

以下、添付図面にしたがって本発明に係る白色干渉測定方法及び白色干渉測定装置の好ましい実施の形態について詳説する。

［白色干渉測定装置］
図１は、本発明に係る白色干渉測定装置の全体構成を示す概念図である。

なお、光が光ファイバ内を伝わる場合には「送出」又は「伝播」と言い、光が空中を飛ぶ場合には「射出」又は「照射」と言うことにする。

図１に示すように、白色干渉測定装置１０は、主として、非干渉２光束形成部Ａ、参照光路長走査部Ｂ、対象物測定部Ｃ、干渉・非干渉ルート形成部Ｄ、干渉・非干渉ルート形成部Ｄ内に設けられた干渉光形成手段Ｅ、検出部Ｆ、演算部 Ｇ、で構成され、各部Ａ〜Ｇ同士及び各部Ａ〜Ｇを構成する下記に示す部材同士は光ファイバＬによって連結されている。

以下に各部の詳細を説明する。

（非干渉２光束形成部Ａ）
非干渉２光束形成部Ａは、主として、白色光源１２、白色光源１２から送出される白色光をＰ偏光光とＳ偏光光とに分割する第１の偏光ビームスプリッタ１４、分割した測定光と参照光とを再び同軸光路上に合成する第２の偏光ビームスプリッタ１６、第１の偏光ビームスプリッタ１４で分割された参照光を参照光路長走査部Ｂに導き、参照光路長走査部Ｂで反射された参照光を第２の偏光ビームスプリッタ１６に導く第１の偏波保持サーキュレータ１８、の各部材１２〜１８を備えた偏波依存型の光学系として構成される。

また、第１の偏光ビームスプリッタ１４で分割された測定光は、遅延用光ファイバ２０を介して第２の偏光ビームスプリッタ１６に送出されることが好ましい。

白色光源１２は、白色光を送出する装置であり、低コヒーレンス光であるランダム偏光光を送出する。このような白色光源としては、高輝度で低コヒーレンス性であるＡＳＥ(Amplified Spontaneous Emission)、ＳＬＤ（Super Luminescence Diode）、パルス幅がフェムト秒レベルであるフェムト秒レーザ、及び波長走査型レーザ等を好適に使用できる。白色光源は低コヒーレンス性を有し、例えば１３１０ｎｍもしくは１５５０ｎｍ程度の波長帯から選択される。

第１の偏光ビームスプリッタ１４は、白色光源１２から送出された白色光を互いに干渉し合うことのないＰ偏光光とＳ偏光光とに分割する部材である。第１の偏光ビームスプリッタ１４は、例えば平行六面体形状の複数個のプリズムを貼り合わせることによって構成される。プリズム同士の張り合わせ面には、例えばＳ偏光光を反射し、Ｐ偏光光を透過するＰＢＳ面と、ＰＢＳ面によって反射されたＳ偏光光を再び反射する反射面とが交互に形成されている。

本実施の形態では、第１の偏光ビームスプリッタ１４で分割されたＰ偏光光は測定光として使用し、Ｓ偏光光は参照光として使用する例で説明する。なお、Ｐ偏光光を参照光として使用し、Ｓ偏光光を測定光として使用してもよい。

第２の偏光ビームスプリッタ１６は、２つの光を合成するものであり、第１の偏光ビームスプリッタ１４とは逆の使い方をするだけで同じ機能を備えたものを使用することができる。

第１の偏波保持サーキュレータ１８は、光ファイバＬに連結する３つのポートを有し、第１の偏光ビームスプリッタ１４から送出された参照光は参照光路長走査部Ｂのみに送出し、参照光路長走査部Ｂで反射する参照光は第２の偏光ビームスプリッタ１６のみに送出する。

遅延用光ファイバ２０は、第１の偏光ビームスプリッタ１４から送出された測定光に適度な光路長による遅延を与えて第２の偏光ビームスプリッタ１６に送出するものである。

これらの各部材１２〜２０を連結する光ファイバＬは、光の伝送路であり、部材１２〜２０間で光を送受する機能を有する。光ファイバＬは透過率の高い石英ガラス製又はプラスチック製であり、外側よりも芯の屈折率を高くすることで光を芯にだけ伝播させることができる。

なお、図１では、非干渉２光束形成部Ａを、偏波依存型の光学系として構成したが、２光束を必ずしも偏光によって測定光と参照光とを区別する必要はなく、偏波非保持の偏波無依存型の光学系を用いて構成してもよい。例えば、第１の偏光ビームスプリッタ１４と第２の偏光ビームスプリッタ１６とをそれぞれ光カプラ（分割用光カプラ、合成用光カプラ）に替え、第１の偏波保持サーキュレータ１８を偏波無依存サーキュレータに替えることにより、偏波無依存型の光学系として構築することもできる。

（参照光路長走査部Ｂ）
参照光路長走査部Ｂは、参照光の光路長を変化させる走査部であり、主として、参照ミラー２２、直動ステージ２４、スケールヘッド２６、リニアスケール２８、コリメータレンズ３０で構成される。

参照ミラー２２は、第１の偏波保持サーキュレータ１８からコリメータレンズ３０に送出され、コリメータレンズ３０から射出された参照光（Ｓ偏光光）を、射出方向と平行な逆方向に反射する。参照ミラー２２としては、再帰性反射可能なＣＣＰ（コーナキューブプリズム）又は直角プリズムミラー等を好適に用いることができる。参照ミラー２２は、直動ステージ２４上に搭載されて往復移動可能に設置される。

直動ステージ２４は、参照光の射出方向又は逆方向にスライド可能な移動体であり、移動させることで、参照光の光路長を変化させることができる。直動ステージ２４の移動は、後記する差動光検出器５２からの干渉信号及びスケールヘッド２６からのスケール信号に基づいて後記する処理装置５４が移動制御信号を生成し、直動ステージ２４に出力することによって制御される。

リニアスケール２８は、直動ステージ２４の可動範囲に目盛り等を付したもので、直動ステージ２４に取り付けたスケールヘッド２６でリニアスケール２８上の目盛りを読み取ることで参照ミラー２２の位置が取得される。

スケールヘッド２６は、直動ステージ２４と共に移動しながら、リニアスケール２８上の位置情報を読み取る。スケールヘッド２６が取得した参照ミラー２２の位置は、スケールヘッド２６がスケール信号として処理装置５４に出力する。そして、処理装置５４は、スケール信号から参照ミラー２２の移動量を取得することで、参照光の光路長を把握することができる。

（対象物測定部Ｃ）
対象物測定部Ｃは、主として、第２の偏波保持サーキュレータ３４と、測定用プローブ３６とで構成され、第２の偏波保持サーキュレータ３４と測定用プローブ３６との間は、偏波保持ファイバ３８が介在される。

第２の偏波保持サーキュレータ３４は、光ファイバに連結する３つのポートを有し、非干渉２光束形成部Ａで形成された２光束（測定光としてのＰ偏光光と参照光としてのＳ偏光光）を、偏波保持ファイバ３８を介して測定用プローブ３６側のみに送出し、測定用プローブ３６から戻ってきた２光束を干渉・非干渉ルート形成部Ｄにのみ送出する部材である。

測定用プローブ３６は、非干渉２光束形成部Ａで形成された２光束のうち、Ｓ偏光光である参照光のみを測定用プローブ３６内で反射して偏波保持ファイバ３８側へ戻す機能と、Ｐ偏光光である測定光のみを透過し、測定光を測定対象物Ｗに向けて出射する機能を有する。このような２つの機能を有する仕組みとしては、偏光ビームスプリッタ、レトロリプレクタ、レンズ等を用いて組み立てることができる。また、ファイバ端面にワイヤグリットを形成し、偏光ビームスプリッタを構成する方法も有効である。

偏波保持ファイバ３８は、互いに独立な２つの偏波状態で伝播する光に対し、利用する偏波と利用しない偏波との間で混信がないように工夫した光ファイバである。

（干渉・非干渉ルート形成部Ｄ）
干渉・非干渉ルート形成部Ｄは、対象物測定部Ｃからの照射後２光束について、第１のカプラ４０によって、非干渉ルート４２に送出する２光束と、干渉ルート４４に送出する２光束とを形成する部分である。

第１のカプラ４０は、光ファイバＬの結合器であり、１本の光ファイバＬを伝播する光パワーをある比率（例えば５０：５０）で２本の光ファイバＬに分岐させる部材である。

非干渉ルート４２は、第１のカプラ４０と検出部Ｆに設けられた差動光検出器５２の負極側とが光ファイバＬで連結されることによって形成される。

干渉ルート４４は、第１のカプラ４０と差動光検出器５２の正極側とを、第３の偏光ビームスプリッタ４６、偏光回転手段４８、第２のカプラ５０を介して光ファイバＬで連結することにより形成される。更に、第３の偏光ビームスプリッタ４６と第２のカプラ５０との間は、光ファイバＬのみのルートと偏光回転手段４８を有するルートとの２本のルートに分岐される。

偏光回転手段４８としては、例えば、三角プリズムの斜面に２種類のパターン傾斜面からなる周期パターンを刻設した偏光回転素子を用いることができる。この偏光回転手段４８では、Ｓ偏光光は三角プリズム状の偏光回転素子内に入り、周期パターンで全反射することによって偏光面を９０度回転させられてＰ偏光光となり、他方のＰ偏光光と平行に出射される。

このように干渉ルート４４を構成することにより、第３の偏光ビームスプリッタ４６において、２光束が測定光（Ｐ偏光光）と参照光（Ｓ偏光光）とに分割され、測定光が光ファイバＬのみのルートを通って第２のカプラ５０に送出され、参照光が偏光回転手段４８を介して第２のカプラ５０に送出される。そして、参照光は偏光回転手段４８によって、測定光と同じＰ偏光光に変換される。これにより、測定光と参照光は干渉可能な同じＰ偏光光となり、第２のカプラ５０で重ね合わされることにより干渉光（干渉信号）を形成する。なお、本実施の形態では参照光を測定光と同じ偏光になるようにしたが、測定光を参照光と同じ偏光になるようにしてもよい。

（検出部Ｆ）
検出部Ｆは、主として差動光検出器５２で構成される。差動光検出器５２は、非干渉ルート４２から取得される信号と、干渉ルート４４から取得される信号との差分を取ることによって、ノイズ信号を有しない干渉信号のみを取り出し、電気信号として演算部Ｇに出力する。

（演算部Ｇ）
演算部Ｇは、コンピュータ等の処理装置５４で構成される。処理装置５４は、必要に応じて各部材の動作制御、取得データの演算処理を行う。動作制御としては、参照光路長走査部Ｂから取得したスケール信号に応じて移動制御信号を生成し、直動ステージ２４の位置を制御する等がある。

また、検出部Ｆから入力されたノイズ除去処理後の干渉信号を基に、最大振幅を示す参照光路長を決定する。干渉振幅を示す参照光路長は、参照ミラー２２の移動量、即ちスケール信号に対して干渉信号の強度を得ることで決定される。

なお、図１の符号５６は、光ファイバＬ同士を単に連結する接続器であり、接続する以外の特別な機能は有しない。

また、上記説明した白色干渉測定装置１０において、対象物測定部Ｃ、干渉・非干渉ルート形成部Ｄにおける光ファイバＬ及び光学素子は全て偏波保持のものを使用する。

また、非干渉２光束形成部Ａ及び参照光路長走査部Ｂについては、偏波依存型の光学系で構成した場合には、光ファイバＬ及び光学素子は全て偏波保持のものを使用し、偏波無依存型の光学系で構成した場合には、偏波保持のものを使用する必要はない。

［白色干渉測定方法］
次に、上記の如く構成された白色干渉測定装置１０を用いて測定対象物Ｗを位置及び変位を測定する白色干渉測定方法を説明する。

白色干渉測定方法は、主として、非干渉２光束形成工程、参照光路長走査工程、対象物測定工程、干渉・非干渉ルート形成工程、干渉光形成工程、検出工程、及び演算工程で構成される。

非干渉２光束形成工程では、白色光源１２からの白色光を、第１の偏光ビームスプリッタ１４でＰ偏光光とＳ偏光光とに分割して一方を測定光とすると共に他方を参照光とする。測定光（Ｐ偏光光）と参照光（Ｓ偏光光）は、電場の振動面が直交しており互いに干渉し合うことはない。

そして、測定光は遅延用光ファイバ２０を通って第２の偏光ビームスプリッタ１６に送出される。一方、参照光は第１の偏波保持サーキュレータ１８を介して参照光路長走査部Ｂに送出される。そして、参照光路長走査部Ｂの参照ミラー２２で反射された参照光は第１の偏波保持サーキュレータ１８を介して第２の偏光ビームスプリッタ１６に送出される。第２の偏光ビームスプリッタ１６では、測定光と参照光とを再び同軸光路上に合成して、非干渉な測定光と参照光との２光束を形成する。

なお、本実施の形態の非干渉２光束形成工程では、偏波依存型の光学系の例で説明したが、上記の装置構成のところで説明したように、偏波無依存型の光学系を使用することもできる。

参照光路長走査工程では、干渉ルート４４において形成される干渉縞の強度を、参照光の光路長を変化させることによって変動させる。

対象物測定工程では、非干渉２光束形成工程で形成された２光束が第２の偏波保持サーキュレータ３４及び偏波保持ファイバ３８を介して測定用プローブ３６に送出される。測定用プローブ３６では、２光束のうちの測定光を透過させ参照光を反射すると共に透過した測定光を測定対象物Ｗに照射する。測定対象物Ｗで反射した測定光と測定用プローブ３６で反射した参照光とは、第２の偏波保持サーキュレータ３４を介して干渉・非干渉ルート形成工程に送出される。

干渉・非干渉ルート形成工程では、測定対象物Ｗで反射した測定光と、測定用プローブ３６で反射した参照光との照射後２光束について、第１のカプラ４０が干渉ルート４４を進む２光束と非干渉ルート４２を進む２光束とに分割する。

非干渉ルートを進む２光束は、そのまま検出部Ｆにおける差動光検出器５２の負極側に送出され、干渉ルートを進む２光束は、測定光と参照光とによる干渉光を形成するように干渉光形成工程が行われる。

干渉光形成工程では、照射後２光束を第３の偏光ビームスプリッタ４６により測定光と参照光とに分割する。そして、分割された測定光と参照光とが偏光回転手段４８によって同一の偏光になるように変換される。同一の偏光になるように変換され測定光と参照光とが第２のカプラ５０により重ね合わされて干渉光を形成する。干渉光は、検出工程における差動光検出器５２の正極側に送出される。

検出部Ｆにおいて、差動光検出器５２は、正極側に送出され、等しい偏光を有する測定光と参照光とから、その光量の和に応じたノイズ信号と干渉信号とを取得する。また、差動光検出器５２は、負極側に送出され、互いに直交し干渉し合わない偏光を有する測定光と参照光とから、その光量の和に応じたノイズ信号を取得する。そして、差動光検出器５２は、正極側の信号と負極側の信号との差を取ることで、干渉信号のみを電気信号として演算部Ｇの処理装置５４に出力する。

処理装置５４は、参照光路長走査工程で得られるステージ位置情報処理により、干渉信号から測定対象物の位置及び変位を演算する。これにより、白色干渉法（低コヒーレンス干渉法）を用いて測定対象物Ｗの位置及び変位を非接触で測定することができる。

上記の如く構成した白色干渉測定方法及び白色干渉測定装置１０によれば、白色干渉法による測定光と参照光とを干渉し合わないＰ偏光光とＳ偏光光とで構成し、干渉信号を検出する検出直前で測定光と干渉光とを干渉させると供に、参照光を反射させ測定光を透過する機能を有する対象物測定部から測定光を測定対象物に照射するようにした。

Ｐ偏光光とＳ偏光光とは互いに電場の振動方向が直交しており干渉しない。したがって、測定光と参照光とを干渉し合わないＰ偏光光とＳ偏光光とで構成すれば、測定光と参照光とを同軸光路上（同じ光ファイバ上）を通しても干渉し合うことはないので、干渉信号の検出直前まで干渉させないようにできる。

これにより、本発明の白色干渉測定装置１０は、光ファイバＬで連結された全光路のうち、測定光と参照光とを同軸光路上に通す部分を従来の白色干渉測定装置に比べて格段に多くすることができる。特に、外部（例えば温度制御可能な筐体の外）を引き回す必要がある測定側の光ファイバＬ、即ち対象物測定部Ｃの第２の偏波保持サーキュレータ３４から測定用プローブ３６との間の光ファイバＬについて、測定光と参照光との２光束を同軸光路上に通すことができる。これにより、測定側の光ファイバＬの温度環境によって測定光と参照光との間で温度による光路長の変動が同様に生じ、温度ドリフト誤差が相殺されるので、「温度ドリフトによる測定誤差の問題」を解決することができ、測定精度を向上できる。

また、図２（Ａ）に示すように、干渉信号を検出する差動光検出器５２直前の干渉・非干渉ルート形成部Ｄにおいて、測定光と参照光とが干渉しない非干渉ルート４２と、測定光と参照光とが干渉する干渉ルート４４との２つのルートを形成した。

これにより、図２（Ｂ）に示すように、非干渉ルート４２には干渉光の干渉信号は生成されず、生成される信号は振動等のノイズ信号のみが生成される。一方、図２（Ｃ）に示すように、干渉ルート４４には、干渉信号と振動等のノイズ信号との両方が生成される。

そして、図３に示すように、差動光検出器５２で２つのルートの光信号の差分を検出するようにしたので、ノイズ信号を除去した後の干渉信号のみを検出することができる。これにより、「ノイズ信号による測定誤差の問題」を解決することができるので、測定精度を向上できる。

従来の白色干渉測定装置では、図３（Ａ）のように、干渉信号とノイズ信号である振動信号との両方が生成されたものが使用されていたため、干渉信号の位置（位相）検出に誤差が生じていた。

これに対して、本実施の形態の白色干渉測定装置１０では、差動光検出器５２の正極側と負極側の両方に反射光（戻り光）の強度変動が生じるので、図３（Ａ）と図３（Ｂ）との差分取ることで図３（Ｃ）の○で囲んだ部分のように振動信号が無くなり、干渉信号のみとなる。これにより、測定精度を向上できる。

なお、図４は、振動信号等のノイズ信号を除去するための別態様であり、干渉ルートと反転干渉ルートとを構成するようにしたものである。即ち、第２の偏波保持サーキュレータ３４からの測定光と参照光との２光束を、図１の第１のカプラ４０を介さずに第３の偏光ビームスプリッタ４６に送出する。次に、第３の偏光ビームスプリッタ４６で測定光（Ｐ偏光光）と参照光（Ｓ偏光光）とに分割した２つのルートを形成する。２つのルートのうちの一方は光ファイバＬで第２のカプラ５０に接続し、他方は偏光回転手段４８を介して光ファイバＬにより第２のカプラ５０に接続する。そして、第２のカプラ５０で測定光と参照光とを干渉させて干渉光の干渉信号を形成し、それぞれの光ファイバＬ１、Ｌ２により干渉信号の一方を差動光検出器５２の負極側に送出し、他方を正極側に送出するように構成する。これにより、光ファイバＬ１を通って差動光検出器５２の正極側に送出された信号は反転しない干渉信号を形成し（干渉ルート）、光ファイバＬ２を通って差動光検出器５２の負極側に送出された信号は反転した干渉信号を形成する（反転干渉ルート）。

これにより、図４（Ｂ）に示すように、反射光（戻り光）の強度変動は図３と同じ位相であるが、干渉信号は位相（正負）が反転する。

したがって、差動光検出器５２の負極側と正極側との差分を取ることによって、干渉信号は２倍になり、振動信号は打ち消しあってゼロになる。これにより、振動信号が除去された後の干渉信号のみを得ることができる。

図５は、多軸測定チャンネルを有する白色干渉測定装置１００の全体構成を示す概念図であり、基本構成は図１の１軸測定チャンネルの場合と同様である。

即ち、多軸測定チャンネルを有する白色干渉測定装置１００は、非干渉２光束形成部Ａの第２の偏光ビームスプリッタ１６から複数本の光ファイバＬ（図５は３本）によって多軸測定チャンネル（図５は３軸）に分岐され、それぞれの多軸測定チャンネルに対象物測定部Ｃ、干渉・非干渉ルート形成部Ｄ、干渉光形成手段Ｅ、及び検出部Ｆを少なくとも備えると共に、参照光路長走査部Ｂは多軸測定チャンネルに対して１つ設けられるように構成される。なお、処理装置５４については１つのものを共通で使用することが通常であるが、多軸測定チャンネルごとに設けることもできる。

このように、本発明の多軸測定チャンネルを有する白色干渉測定装置１００によれば、測定光（Ｐ偏光光）と参照光（Ｓ偏光光）との２光束が多軸測定チャンネル上を送信されて対象物測定部Ｃの測定用プローブ３６から測定光のみが射出されるように構成されている。したがって、多軸測定チャンネル上において測定光と参照光との光路差が発生しないので、１つの参照光路長走査部Ｂによって全ての多軸測定チャンネルを賄うことができる。これにより、１つの参照光路長走査部Ｂの参照ミラー２２の光軸アライメントを行うだけで多軸同時測定を行うことができるので、アライメント時間を短縮できるだけでなく、参照ミラー２２をスケールヘッド２６近くに設置することができるため、直動ステージ２４のピッチング及びヨーイング等の誤差要因を最小にできる。この結果、測定精度を向上できる。また、チャンネル分の参照光路長走査部を装置内に備える必要がないので、白色干渉測定装置をコンパクト化することができる。これにより「多軸測定チャンネルにした場合の問題」を解決することができる。

したがって、本発明の実施の形態の白色干渉測定装置１０、１００は、温度ドリフトによる測定誤差、ノイズ信号による測定誤差、多軸測定チャンネルにした場合の各問題点を解決することができるので、実装置として十分に満足する測定精度を得ることができ、更には装置のコンパクト化にも寄与できる白色干渉測定方法及び白色干渉測定装置を提供することができる。

１０…白色干渉測定装置、１２…白色光源、１４…第１の偏光ビームスプリッタ、１６…第２の偏光ビームスプリッタ、１８…第１の偏光保持サーキュレータ、２０…遅延用光ファイバ、２２…参照ミラー、２４…直動ステージ、２６…スケールヘッド、２８…リニアスケール、３０…コリメータレンズ、３４…第２の偏波保持サーキュレータ、３６…測定用プローブ、３８…偏波保持ファイバ、４０…第１の光カプラ、４２…非干渉ルート、４４…干渉ルート、４６…第３の偏光ビームスプリッタ、４８…偏光回転手段、５０…第２の光カプラ、５２…差動光検出器、５４…処理装置、５６…接続器、Ａ…非干渉２光束形成部、Ｂ…参照光路長走査部、Ｃ…対象物測定部、Ｄ…干渉・非干渉ルート形成部、Ｅ…干渉光形成部、Ｆ…検出部、Ｇ…演算部

Claims (6)

1. 白色光の干渉によって生じる干渉縞を検出する白色干渉法を利用して測定対象物の位置及び変位を測定する白色干渉測定方法において、
   白色光をＰ偏光光とＳ偏光光とに分割して一方を測定光とすると共に他方を参照光とした後、前記測定光と前記参照光とを再び同軸光路上に合成して、非干渉な測定光と参照光との２光束を形成する非干渉２光束形成工程と、
   前記分割と前記合成との間に設けられ、前記参照光の光路長を変化させて測長範囲を走査する参照光路長走査工程と、
   前記２光束のうち前記測定光を透過させ前記参照光を反射すると共に前記透過した測定光を前記測定対象物に照射し、測定対象物で反射した測定光と前記反射した参照光とにより非干渉な照射後２光束を形成する対象物測定工程と、
   前記照射後２光束について干渉信号を形成する干渉ルートと干渉信号を形成しない非干渉ルートとの２つのルートを形成する干渉・非干渉ルート形成工程と、
   前記干渉・非干渉ルート形成工程の前記干渉ルートに設けられ、前記照射後２光束を前記測定光と前記参照光とに分割すると共に測定光と参照光とが同一の偏光になるように変換した後、重ね合わせて干渉光を形成する干渉光形成工程と、
   前記干渉ルートからの光信号と前記非干渉ルートからの光信号とをそれぞれ検出して、その差分を取ることによって、ノイズを除去した干渉信号のみを取得する検出工程と、
   前記ノイズが除去された干渉信号から前記測定対象物の位置及び変位を演算する演算工程と、を備えたことを特徴とする白色干渉測定方法。
2. 白色光の干渉によって生じる干渉縞を検出する白色干渉法を利用して測定対象物の位置及び変位を測定する白色干渉測定装置において、
   白色光をＰ偏光光とＳ偏光光とに分割して一方を測定光とすると共に他方を参照光とした後、前記測定光と前記参照光とを再び同軸光路上に合成して、非干渉な測定光と参照光との２光束を形成する非干渉２光束形成部と、
   前記分割と前記合成との間に設けられ、前記参照光の光路長を変化させて測長範囲を走査する参照光路長走査部と、
   前記２光束のうち前記測定光を透過させ前記参照光を反射すると共に前記透過した測定光を前記測定対象物に照射し、測定対象物で反射した測定光と前記反射した参照光とにより非干渉な照射後２光束を形成する対象物測定部と、
   前記照射後２光束について干渉ルートと非干渉ルートとの２つのルートを形成する干渉・非干渉ルート形成部と、
   前記干渉・非干渉ルート形成部の前記干渉ルートに設けられ、前記照射後２光束を前記測定光と前記参照光とに分割すると共に測定光と参照光とが同一の偏光になるように変換した後、重ね合わせて干渉光を形成する干渉光形成手段と、
   前記干渉ルートからの光信号と前記非干渉ルートからの光信号とをそれぞれ検出して、その差分を取ることによって、ノイズを除去した干渉信号のみを取得する検出部と、
   前記ノイズが除去された干渉信号から前記測定対象物の位置及び変位を演算する演算部と、備え、
   前記各部同士及び前記各部を構成する部材同士は光ファイバによって連結されていることを特徴とする白色干渉測定装置。
3. 前記非干渉２光束形成部は、
   白色光源と、
   前記白色光源から送出される白色光をＰ偏光光とＳ偏光光とに分割する第１の偏光ビームスプリッタと、
   前記分割した測定光と参照光とを再び同軸光路上に合成する第２の偏光ビームスプリッタと、
   前記第１の偏光ビームスプリッタで分割された参照光を前記参照光路長走査部に導き、前記参照光路長走査部で反射された参照光を前記第２の偏光ビームスプリッタに導く第１の偏波保持サーキュレータと、の各部材を備えた偏波依存型の光学系である請求項２に記載の白色干渉測定装置。
4. 前記対象物測定部は、
   前記２光束のうち前記測定光を透過させて前記参照光を反射する機能を有し、前記透過した測定光を前記測定対象物に照射する測定用プローブと、
   前記非干渉２光束形成部からの２光束を前記測定用プローブに導き、前記測定対象物で反射した測定光と前記測定用プローブで反射した参照光との非干渉な照射後２光束を前記干渉・非干渉ルート形成部に導く第２の偏波保持サーキュレータと、を備える請求項２又は３に記載の白色干渉測定装置。
5. 前記干渉光形成手段は、
   前記干渉ルートに設けられ、前記照射後２光束を前記測定光と前記参照光とに分割する第３の偏光ビームスプリッタと、
   前記干渉ルートに設けられ、前記測定光と参照光とが同一の偏光になるように変換する偏光回転手段と、
   前記干渉ルートに設けられ、偏光が同一となった測定光と参照光とを重ね合わせて干渉光を形成する光カプラと、を備えた請求項２〜４のいずれか１に記載の白色干渉測定装置。
6. 前記白色干渉測定装置は、
   前記非干渉２光束形成部から多軸測定チャンネルに分岐され、それぞれの多軸測定チャンネルに前記対象物測定部、干渉・非干渉ルート形成部、干渉光形成手段、及び検出部を少なくとも備えると共に、前記参照光路長走査部は前記多軸測定チャンネルに対して１つ設けられている請求項２〜５のいずれか１に記載の白色干渉測定装置。
   

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