JP6285661B2

JP6285661B2 - 干渉計測装置

Info

Publication number: JP6285661B2
Application number: JP2013166991A
Authority: JP
Inventors: 加藤　成樹; 成樹加藤
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2013-08-09
Filing date: 2013-08-09
Publication date: 2018-02-28
Anticipated expiration: 2033-08-09
Also published as: JP2015034792A

Description

本発明は、非接触にて物体の位置変動を検出する干渉計測装置に関するものである。

非接触にて被検物の位置の変動を検出する干渉計測装置は、例えば特許文献１に開示されている。図２に従来の半導体レーザを光源に使用した干渉計測装置の概略図を示す。半導体レーザ１aから射出されたレーザ光２０は、コリメータレンズ２aにより平行光とされ、偏光ビームスプリッタ４に入射し、測定光２０ｂと参照光２０ａとに分割される。

測定光２０ｂは、１／４λ板５ａを透過し集光レンズ６により集光されて被検物７に入射する。一方、偏光ビームスプリッタ４で反射された参照光２０ａは、１／４λ板５ｂを透過し、参照ミラー８で反射される。被検物７、参照ミラー８でそれぞれ反射された測定光２０ｂと参照光２０ａとは、再び１／４λ板５ａ，５ｂを透過する。その後、参照光２０ａは偏光ビームスプリッタ４を透過し、測定光２０ｂは、偏光ビームスプリッタ４で反射され、測定光２０ｂおよび参照光２０ａは、偏光ビームスプリッタ４により合成されて干渉光２１となって１／４λ板５ｃに入射する。

干渉光２１は、測定光２０ｂの帰り光の偏光情報のみ変調されているので、１／４λ板５ｃを透過した干渉光２１は回転する直線偏光となる。その後、干渉光２１は、非偏光ビームスプリッタ１０に入射し２つの干渉光２１ａ、２１ｂに分割される。干渉光２１ａ、２１ｂは、それぞれ互いに４５度光学軸を傾けた偏光板１１ａ，１１ｂを通過することにより互いに９０度位相の異なる正弦波信号（以後Ａ相信号、Ｂ相信号と呼ぶ）がセンサ５０ａ，５０ｂで生じる。

被検物７の変位によって干渉光２１の偏光方向が回転するので被検物７の変位に応じてλ／２で一周期のサイン信号が得られる。センサ５０ａ、５０ｂからの正弦波信号はアンプ回路５１ａ、５１ｂによって増幅され互いに９０°位相の異なる、Ａ相、Ｂ相となって不図示の処理回路に伝送される。

上記従来例に示したような干渉計測装置は、半導体製造装置など、サブｎｍオーダーの高精度を要求される変位計測に使用されている。このような用途で使用される場合、計測装置の経時的な安定性もサブｎｍを要求される場合が多く、計測環境は、湿度制御、温度制御、気圧制御などを行うことによって環境安定性を上げその要求に応えようとしている。

このような環境では、装置の各構成要素自体の発熱を嫌い、特に、干渉計測装置の場合、光源、受光素子のアンプなどの大熱源はなるべく計測環境から離して設置したいのが現状である。通常、センサからの電気信号は処理回路に伝送されるが、伝送時はノイズが生じやすい為、センサの直後にアンプ回路を構成し電気信号を増幅する方法が通常採用される。

特開２０１２−１０３１４０号公報

ヘテロダイン干渉計などの場合、シングルモードファイバーを用いて光源からの光を偏光ビームスプリッタに入射させ、シングルモードファイバーを用いて干渉光をセンサ、アンプに送っている。つまり、光源やセンサと干渉計の部分とをシングルモードファイバーでつなぐことによって、光源、アンプなどの熱源を計測環境から離すように工夫されている。

しかし、例えばλ＝６３３ｎｍのＨｅＮｅレーザなどの赤色光源を使用する場合、シングルモードファイバーは、ファイバーコア径が５μｍ以下と非常に小さいため、干渉光をセンサに結合させることが非常に難しい。被検物に移動、傾きが生じるような用途では、被検物の傾きによって、光の結合状態が大きく崩れ、干渉光をセンサに結合させることがさらに困難となるので、必要十分な光量を得ることができなくなるので、適用することが難しかった。

本発明は、計測精度と容易な組み付けとを両立しうる干渉計測装置を提供することを目的とする。

本発明の一側面に係る干渉計測装置は、光源と、該光源から出射された光をビームスプリッタで分割し、前記分割された光の一方を参照面で反射させた参照光と前記分割された光の他方を被検面で反射させた測定光とを合成して干渉光を生成する光学系と、前記生成された干渉光を検出する検出器と、を備えた干渉計測装置であって、前記光学系は、前記参照光と前記測定光とを合成して生成された干渉光を無偏光状態とする光学部材を含み、前記干渉計測装置は、前記光源から出射された光をその偏光状態を保持しつつ前記ビームスプリッタに導くシングルモードファイバーと、前記光学部材によって無偏光状態とされた干渉光を前記検出器に導くマルチモードファイバーと、前記シングルモードファイバーと前記ビームスプリッタとの間に設けられ、前記シングルモードファイバーから出射された光を単一偏波面の光に変える偏光板と、を備え、前記光源は、単一偏波面の光を出射するように構成され、前記シングルモードファイバーは、前記光源から出射された偏波面を保持する偏波面保持ファイバーである、ことを特徴とする。

本発明によれば、計測精度と容易な組み付けとを両立しうる干渉計測装置を提供することができる。

本発明に係る干渉計測装置の概略図。従来の干渉計測装置の概略図。

図１は、本発明に係る干渉計測装置の概略構成である。半導体レーザ（光源）１ａから出射された単一偏波面のレーザ光２０は、レンズ２ａで集光され、偏波面保持ファイバーＰＭＦ１で結合され、偏光ビームスプリッタ４に導光される。光２０は、偏波面保持ファイバーＰＭＦ１を通過した後、再び発散光となって、レンズ２ｂに入射する。偏波面保持ファイバーＰＭＦ１は、偏波面（偏光状態）を保持しながら光を伝播させるシングルモードファイバーである。

発散光は、レンズ２ｂによって平行光とされ、偏光ビームスプリッタ４によりＰ波とＳ波とに分離される。偏光ビームスプリッタ４で反射された一方の光は、１／４λ波長板５ｂを透過して参照ミラー８の表面（参照面）で反射されて参照光２０ａとなる。一方、偏光ビームスプリッタ４を透過した他方の光は、１／４λ波長板５ａを透過して集光レンズ６で集光され被検物７に照射される。このとき光は被検物７の表面に集光するよう照射される。被検物７の表面（被検面）で反射された光は測定光２０ｂとなる。

被検物７で反射された測定光２０ｂは、再びもとの光路を通り偏光ビームスプリッタ４で今度は反射される。一方、参照光２０ａは、反射後もとの光路を通り今度は偏光ビームスプリッタ４を透過し、測定光２０ｂと合成されて干渉光２１を生成する。干渉光２１は、その後１／４λ板５ｃを透過して、回転する直線偏光となり、その後非偏光ビームスプリッタ１０ａ、１０ｂ、１０ｃを通過することでそれぞれ等光量の複数の干渉光２１ａ、２１ｂ、２１ｃに分割される。

分割された干渉光２１ａ、２１ｂ、２１ｃは、偏光方向を互いに６０°ずらした偏光板１１ａ、１１ｂ、１１ｃを通過することで、位相が１２０°異なる３つの光の明暗信号２５ａ、２５ｂ、２５ｃとなる。本実施形態の干渉計は、シングルパスの干渉計であるため、光の明暗信号は被検物7の移動の（１／２）λで１周期の正弦波状の明暗信号となる。３つの干渉光２１ａ、２１ｂ、２１ｃは、それぞれ結合レンズ１２ａ、１２ｂ、１２ｃで集光光束とされ、ファイバーアレイ１５上の複数のマルチモードファイバーＭＭＦ１、ＭＭＦ２、ＭＭＦ３に結合され伝送される。

マルチモードファイバーＭＭＦ１、ＭＭＦ２、ＭＭＦ３の直前には、偏光拡散体１３ａ、１３ｂ、１３ｃが配置されている。偏光拡散体１３ａ、１３ｂ、１３ｃは、偏光方向が１２０°異なる３つの直線偏光の干渉光を無偏光状態の光に変換する光学部材である。マルチモードファイバーＭＭＦ１、ＭＭＦ２、ＭＭＦ３に入射した干渉光は、直線偏光の場合にファイバーの曲げ応力の変化、温度などの環境変化で強度が変調され、測定精度の低下の原因となる。しかし、本実施形態では、マルチモードファイバーＭＭＦ１、ＭＭＦ２、ＭＭＦ３に入射した干渉光は、無偏光状態で伝送されている。そのため、ファイバーの曲げ応力の変化、温度などの環境変化で、光強度が変調されることがなく、干渉信号である光の明暗信号を安定して伝送することが可能となり、精度低下の原因ともならず、高精度な変位計測が可能となる。

マルチモードファイバーＭＭＦ１、ＭＭＦ２、ＭＭＦ３を伝送された干渉光は、その後レンズ３２により平行光とされ、３分割されたセンサ（検出器）５０ａ、５０ｂ、５０ｃにそれぞれ入射する。センサ５０ａ、５０ｂ、５０ｃは、干渉光を検出して位相が１２０°異なる正弦波状の電気信号Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相を生成する。センサ５０ａ、５０ｂ、５０ｃで生成されたＵ相、Ｖ相、Ｗ相の電気信号は、直後のアンプ５１ａ、５１ｂ、５１ｃにより増幅され、変位データに変換する為に処理回路に伝送される。

以上説明した中で偏波面保持ファイバーＰＭＦ１の出口部分からマルチモードファイバーＭＭＦ１、ＭＭＦ２、ＭＭＦ３に入射する部分までの干渉計を構成する光学系は、筐体に収容されている。本実施形態の干渉計測装置は、筐体に対するレーザ光２０の入射を偏波面保持ファイバーＰＭＦ１というシングルモードファイバーで行っている。したがって、レーザ光２０は、シングルモードファイバーで導光されることによって、その偏波面が統制されたまま偏光ビームスプリッタ４に導光される。一方、干渉光２１ａ、２１ｂ、２１ｃは、偏光拡散体１３ａ、１３ｂ、１３ｃによって無偏光の光に変換された後、マルチモードファイバーＭＭＦ１、ＭＭＦ２、ＭＭＦ３によって筐体から取り出されている。したがって、本実施形態の干渉計測装置では、干渉光の筐体からの取り出しに低コストのマルチモードファイバーを用いることによって、干渉光とセンサとの接続を容易にするとともに、装置のコストを低減している。

そして、光源やセンサと干渉計の部分とをシングルモードファイバーやマルチモードファイバーでつなぐことによって、光源、アンプなどの熱源を計測環境から隔離することによって、測定環境を安定化させている。例えば筐体の内部に半導体レーザのような熱源を設けたとすると、センサ本体が熱平衡に到達するまでの時間は少なくとも数時間は必要とされる。また、熱せられた空気が上昇することによる定常的乱流、熱放射による付近の物体の温度上昇等が計測に影響を与える。したがって、０．１ｎｍレベルの安定性を要求される計測においては、測定環境に熱源を設置する事は大問題であり、光源、アンプなどの電気回路を筐体外に配置しうることは大きなアドバンテージとなる。

本実施形態では、偏波面保持ファイバーＰＭＦ１を用いて、半導体レーザ１ａから射出されたレーザ光２０を偏光ビームスプリッタ４に導光した。しかし、半導体レーザ１ａから射出されたレーザ光２０を偏光ビームスプリッタ４に導光するのは、シングルモードファイバーであれば、偏波面保持ファイバーでなくても構わない。ただし、その場合には、シングルモードファイバーから出射された光を単一偏波面の光に変える偏光板を配置する必要がある。

Claims

光源と、該光源から出射された光をビームスプリッタで分割し、前記分割された光の一方を参照面で反射させた参照光と前記分割された光の他方を被検面で反射させた測定光とを合成して干渉光を生成する光学系と、前記生成された干渉光を検出する検出器と、を備えた干渉計測装置であって、
前記光学系は、前記参照光と前記測定光とを合成して生成された干渉光を無偏光状態とする光学部材を含み、
前記干渉計測装置は、
前記光源から出射された光をその偏光状態を保持しつつ前記ビームスプリッタに導くシングルモードファイバーと、
前記光学部材によって無偏光状態とされた干渉光を前記検出器に導くマルチモードファイバーと、
前記シングルモードファイバーと前記ビームスプリッタとの間に設けられ、前記シングルモードファイバーから出射された光を単一偏波面の光に変える偏光板と、
を備え、
前記光源は、単一偏波面の光を出射するように構成され、
前記シングルモードファイバーは、前記光源から出射された偏波面を保持する偏波面保持ファイバーである、
ことを特徴とする干渉計測装置。
前記光学部材は、偏光拡散体である、ことを特徴とする請求項１に記載の干渉計測装置。
前記光学系は、筐体に収容されている、ことを特徴とする請求項１または２に記載の干渉計測装置。
前記ビームスプリッタは、偏光ビームスプリッタである、ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の干渉計測装置。
前記干渉計測装置は、複数のマルチモードファイバーおよび複数の検出器を備え、
前記干渉計測装置は、前記参照光と前記測定光とを合成して生成された干渉光を複数の干渉光に分割する非偏光ビームスプリッタを前記偏光ビームスプリッタと前記光学部材との間に備え、
前記複数のマルチモードファイバーのそれぞれは、前記非偏光ビームスプリッタによって分割された前記複数の干渉光のそれぞれを前記複数の検出器のそれぞれに導く、ことを特徴とする請求項４に記載の干渉計測装置。
前記複数の干渉光は、それらの位相が互いに１２０°異なる３つの干渉光である、ことを特徴とする請求項５に記載の干渉計測装置。