JP7433954B2 - レーザ干渉装置 - Google Patents
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Description
本発明は、レーザ干渉装置に関する。
従来、計測機器や超精密加工装置等において移動体の変位を高精度に測定する手段として、レーザ干渉装置が用いられる。
例えば、図６は、特許文献１に記載のレーザ干渉装置を示す平面図である。図６に示すレーザ干渉装置１００では、レーザ光源１０１から出射されたレーザ光がビームスプリッタ１０２によって測定光と参照光とに分割される。測定光は、移動体であるスライダ１０３と共に移動可能な測定反射体１０４により反射され、参照光は、参照反射体１０５で反射される。各反射体１０４，１０５で反射された測定光および参照光は、ビームスプリッタ１０２で重ね合わされて干渉光を生成する。この干渉光では、測定光の光路長と参照光の光路長との光路長差に応じて明暗が変化する。このため、スライダ１０３が移動する際の干渉光を光検出器１０６によって検出し、光検出器１０６の出力信号に基づいて干渉光の干渉縞を計数することにより、スライダ１０３の変位量を測定できる。
例えば、図６は、特許文献１に記載のレーザ干渉装置を示す平面図である。図６に示すレーザ干渉装置１００では、レーザ光源１０１から出射されたレーザ光がビームスプリッタ１０２によって測定光と参照光とに分割される。測定光は、移動体であるスライダ１０３と共に移動可能な測定反射体１０４により反射され、参照光は、参照反射体１０５で反射される。各反射体１０４，１０５で反射された測定光および参照光は、ビームスプリッタ１０２で重ね合わされて干渉光を生成する。この干渉光では、測定光の光路長と参照光の光路長との光路長差に応じて明暗が変化する。このため、スライダ１０３が移動する際の干渉光を光検出器１０６によって検出し、光検出器１０６の出力信号に基づいて干渉光の干渉縞を計数することにより、スライダ１０３の変位量を測定できる。
ここで、図６に示すレーザ干渉装置１００では、高精度な測定を実現するために、測定反射体１０４まで測長方向に延びた測定光の経路（測定光路Ｌｐ１）と、参照反射体まで測長方向に平行な方向に延びた参照光の光路（参照光路Ｌｐ２）とが形成されている。このような構成によれば、レーザ干渉装置１００のベース１０７に熱膨張や撓み等が生じた場合、測定光路Ｌｐ１だけでなく、参照光路Ｌｐ２でも同様に光路長が変化し、光路長差に生じる誤差を低減できる。
また、レーザ光の光路が空気中を通る場合、測定環境の温度、気圧、湿度または二酸化炭素濃度などによって空気の屈折率が変動し、光路長が変動してしまう可能性がある。そこで、図６に示すレーザ干渉装置１００では、高精度な測定を実現するために、ビームスプリッタ１０２等を収容する真空チャンバー１１１と、測定光路Ｌｐ１を囲う伸縮可能な測定光路筒１１２と、参照光路Ｌｐ２を囲う参照光路筒１１３とを有しており、レーザ光の経路を真空状態にしている。
しかし、前述した特許文献１に記載のレーザ干渉装置には、以下の問題点がある。
図６に示すように、特許文献１に記載のレーザ干渉装置１００では、ビームスプリッタ１０２を透過した測定光が測定光路筒１１２に向かって直進する一方、ビームスプリッタ１０２で反射された参照光は、ミラー１０８でさらに反射されることによって参照光路筒１１３に向かう。このため、レーザ干渉装置１００の真空チャンバー１１１内では、測定光の光路長と参照光の光路長とが互いに大きく異なっている。
このようなレーザ干渉装置１００では、真空チャンバー１１１に熱膨張が生じた場合、真空チャンバー１１１内の測定光の光路長に生じる変化量と、真空チャンバー１１１内の参照光の光路長に生じる変化量とが異なるため、光路長差に誤差が生じ、その結果、測定精度が低下する。
図６に示すように、特許文献１に記載のレーザ干渉装置１００では、ビームスプリッタ１０２を透過した測定光が測定光路筒１１２に向かって直進する一方、ビームスプリッタ１０２で反射された参照光は、ミラー１０８でさらに反射されることによって参照光路筒１１３に向かう。このため、レーザ干渉装置１００の真空チャンバー１１１内では、測定光の光路長と参照光の光路長とが互いに大きく異なっている。
このようなレーザ干渉装置１００では、真空チャンバー１１１に熱膨張が生じた場合、真空チャンバー１１１内の測定光の光路長に生じる変化量と、真空チャンバー１１１内の参照光の光路長に生じる変化量とが異なるため、光路長差に誤差が生じ、その結果、測定精度が低下する。
本発明は、測定精度を向上できるレーザ干渉装置を提供することを目的とする。
本発明のレーザ干渉装置は、測長方向に移動可能な測定反射体と、前記測長方向に直交する直交方向において前記測定反射体とは異なる位置に配置された参照反射体と、レーザ光源から出力されたレーザ光を測定光と参照光とに分割する分割面を有する光束分割部材と、前記光束分割部材から入射された前記測定光を導光し、前記測定光を前記測定反射体に向かって前記測長方向に出射する第１導光部と、前記光束分割部材から入射された前記参照光を導光し、前記参照光を前記参照反射体に向かって前記測長方向に出射する第２導光部と、を備え、前記分割面から前記第１導光部の出射面までの前記測定光の経路である第１分配経路と、前記分割面から前記第２導光部の出射面までの前記参照光の経路である第２分配経路とは、機械的な経路長が互いに等しく、かつ、光学的な光路長が互いに等しいことを特徴とする。
このような発明では、第１導光部の出射面から測定反射体までの測定光の経路（測定光路）と、第２導光部の出射面から参照反射体までの参照光の経路（参照光路）とが、測長方向に沿って配置されている。よって、前述の特許文献１と同様、レーザ干渉装置に熱膨張等が生じた場合、測定光路および参照光路の両方で光路長が同様に変化するため、光路長差に生じる誤差を低減できる。
また、本発明では、分割面から第１導光部の出射面までの測定光の経路（第１分配経路）と、分割面から第２導光部の出射面までの参照光の経路（第２分配経路）との間で、機械的な経路長が互いに等しく、かつ、光学的な光路長が互いに等しい。このため、レーザ干渉装置に熱膨張等が生じ、第１導光部および第２導光部に配置ずれが生じた場合において、第１分配経路で生じる光路長の変化量と第２分配経路で生じる光路長の変化量とを同程度にすることができる。この結果、光路長差に生じる誤差をより低減することができ、レーザ干渉装置による測定精度を向上させることができる。
また、本発明では、分割面から第１導光部の出射面までの測定光の経路（第１分配経路）と、分割面から第２導光部の出射面までの参照光の経路（第２分配経路）との間で、機械的な経路長が互いに等しく、かつ、光学的な光路長が互いに等しい。このため、レーザ干渉装置に熱膨張等が生じ、第１導光部および第２導光部に配置ずれが生じた場合において、第１分配経路で生じる光路長の変化量と第２分配経路で生じる光路長の変化量とを同程度にすることができる。この結果、光路長差に生じる誤差をより低減することができ、レーザ干渉装置による測定精度を向上させることができる。
本発明のレーザ干渉装置において、前記第１分配経路と前記第２分配経路とは、前記機械的な経路長が前記測長方向および前記直交方向のそれぞれで等しく、かつ、前記光学的な光路長が前記測長方向および前記直交方向のそれぞれで等しいことが好ましい。
このような構成によれば、測長方向および直交方向の間でレーザ干渉装置の膨張度合が異なる場合であっても、第１分配経路で生じる光路長の変化量と、第２分配経路で生じる光路長の変化量とを同程度にすることができる。この結果、光路長差に生じる誤差をより低減することができ、レーザ干渉装置による測定精度をより向上できる。
このような構成によれば、測長方向および直交方向の間でレーザ干渉装置の膨張度合が異なる場合であっても、第１分配経路で生じる光路長の変化量と、第２分配経路で生じる光路長の変化量とを同程度にすることができる。この結果、光路長差に生じる誤差をより低減することができ、レーザ干渉装置による測定精度をより向上できる。
本発明のレーザ干渉装置において、前記光束分割部材は、前記第１導光部の前記出射面から出射する前記測定光の経路と、前記第２導光部の前記出射面から出射する前記参照光の経路との間隔を等分する仮線上に配置されていることが好ましい。
このような構成によれば、第１分配経路と第２分配経路とがＸ方向およびＹ方向のそれぞれで同等の経路長になる構成を容易に構築できる。
このような構成によれば、第１分配経路と第２分配経路とがＸ方向およびＹ方向のそれぞれで同等の経路長になる構成を容易に構築できる。
本発明のレーザ干渉装置において、前記第１導光部を構成する光学素子群と、前記第２導光部を構成する光学素子群とは、光学素子の数、材質および大きさが揃えられていることが好ましい。
このような構成では、第１導光部を構成する光学素子群と第２導光部を構成する光学素子群との間で、光学素子の材質を揃えることにより、機械的な経路長に影響する熱膨張係数や、光学的な経路長に影響する屈折率および当該屈折率の温度特性を揃えることができる。さらに、第１導光部を構成する光学素子群と第２導光部を構成する光学素子群との間で、光学素子の数および大きさを揃えることにより、光学素子内の光路の合計が等しい。このため、第１導光部および第２導光部に伝わる熱によって、光学素子の部品寸法が変化したり、光学素子内の屈折率が変化したりする場合であっても、第１分配経路で生じる光路長の変化量と、第２分配経路で生じる光路長の変化量とを同程度にすることができる。これにより、第１導光部および第２導光部を構成する光学素子としてミラー以外の光学素子を用いつつ、レーザ干渉装置による測定精度を向上させることができる。
このような構成では、第１導光部を構成する光学素子群と第２導光部を構成する光学素子群との間で、光学素子の材質を揃えることにより、機械的な経路長に影響する熱膨張係数や、光学的な経路長に影響する屈折率および当該屈折率の温度特性を揃えることができる。さらに、第１導光部を構成する光学素子群と第２導光部を構成する光学素子群との間で、光学素子の数および大きさを揃えることにより、光学素子内の光路の合計が等しい。このため、第１導光部および第２導光部に伝わる熱によって、光学素子の部品寸法が変化したり、光学素子内の屈折率が変化したりする場合であっても、第１分配経路で生じる光路長の変化量と、第２分配経路で生じる光路長の変化量とを同程度にすることができる。これにより、第１導光部および第２導光部を構成する光学素子としてミラー以外の光学素子を用いつつ、レーザ干渉装置による測定精度を向上させることができる。
本発明のレーザ干渉装置において、前記第１導光部および前記第２導光部は、それぞれ、ピッチングおよびヨーイングの姿勢調整が可能に構成された光学素子、または、ピッチングの姿勢調整が可能に構成された光学素子とヨーイングの姿勢調整が可能に構成された光学素子との２つの光学素子を含んで構成されていることが好ましい。
このような構成によれば、第１導光部および第２導光部の各光学素子の姿勢を調整することにより、測定光路および参照光路をそれぞれ測長方向に沿うように調整することができる。このような調整方法は、光束分割部の姿勢を調整する方法に比べて、測定光路および参照光路をそれぞれ個別に調整できるため、調整作業が容易である。
このような構成によれば、第１導光部および第２導光部の各光学素子の姿勢を調整することにより、測定光路および参照光路をそれぞれ測長方向に沿うように調整することができる。このような調整方法は、光束分割部の姿勢を調整する方法に比べて、測定光路および参照光路をそれぞれ個別に調整できるため、調整作業が容易である。
本発明のレーザ干渉装置において、前記第１導光部および前記第２導光部は、それぞれ、ピッチングまたはヨーイングの両方の姿勢調整が可能に構成された２つの光学素子を含んで構成されていることが好ましい。
このような構成によれば、第１導光部および第２導光部の各光学素子の姿勢を調整することにより、測定光路および参照光路をそれぞれ測長方向に沿うように調整すること、および、反射体への入射位置を任意の位置に調整することの両方を実現することができる。
このような調整方法は、光束分割部の姿勢を調整する方法に比べて、測定光路および参照光路をそれぞれ個別に調整できるため、調整作業が容易である。
また、本発明の方法は、測定反射体および参照反射体として、それぞれコーナーキューブを用いた場合に特に有用である。
このような構成によれば、第１導光部および第２導光部の各光学素子の姿勢を調整することにより、測定光路および参照光路をそれぞれ測長方向に沿うように調整すること、および、反射体への入射位置を任意の位置に調整することの両方を実現することができる。
このような調整方法は、光束分割部の姿勢を調整する方法に比べて、測定光路および参照光路をそれぞれ個別に調整できるため、調整作業が容易である。
また、本発明の方法は、測定反射体および参照反射体として、それぞれコーナーキューブを用いた場合に特に有用である。
本発明のレーザ干渉装置において、前記光束分割部材は、偏光ビームスプリッタであり、前記第１導光部および前記第２導光部は、それぞれ、偏光素子を含んで構成されていることが好ましい。
このような構成によれば、測定反射体または参照反射体で反射された光が理想の偏光状態から崩れてしまった場合、偏光素子がフィルタとして機能し、不要な偏光成分をカットすることができる。これにより、測定精度をより向上させることができる。
このような構成によれば、測定反射体または参照反射体で反射された光が理想の偏光状態から崩れてしまった場合、偏光素子がフィルタとして機能し、不要な偏光成分をカットすることができる。これにより、測定精度をより向上させることができる。
本発明のレーザ干渉装置において、前記光束分割部材、前記第１導光部および前記第２導光部は、空気中に配置されていることが好ましい。
このような構成によれば、真空チャンバーのような大型な重量物を必要としないため、レーザ干渉装置の小型化および軽量化が可能である。軽量化はレーザ干渉装置の固有振動数を向上できるため、更なる高精度化を図ることができる。なお、本発明では、測定環境の温度、気圧、湿度または二酸化炭素濃度などによって空気の屈折率が変動した場合、第１分配経路および第２分配経路に同程度の光路長の変化が生じるため、光路長の変動を抑制できる。すなわち、レーザ光の光路が空気中であっても測定精度の低下が生じない。
このような構成によれば、真空チャンバーのような大型な重量物を必要としないため、レーザ干渉装置の小型化および軽量化が可能である。軽量化はレーザ干渉装置の固有振動数を向上できるため、更なる高精度化を図ることができる。なお、本発明では、測定環境の温度、気圧、湿度または二酸化炭素濃度などによって空気の屈折率が変動した場合、第１分配経路および第２分配経路に同程度の光路長の変化が生じるため、光路長の変動を抑制できる。すなわち、レーザ光の光路が空気中であっても測定精度の低下が生じない。
本発明の一実施形態について図１～図４を参照して説明する。なお、図１では、レーザ光の光路を図示するために、レーザ干渉装置１のいくつかの要素の上部を切断した状態で示している。
本実施形態のレーザ干渉装置１は、スライダ３に載置される対象物Ｗを観察しつつ、一方向に移動するスライダ３の変位量を検出可能な装置である。
具体的には、本実施形態の対象物Ｗは線度器であり、レーザ干渉装置１は、レーザ干渉計６により検出されたスライダ３の変位量を基準とし、光電顕微鏡５により検出される線度器の目盛線間隔の偏差を算出することにより、線度器の精度評価を行う装置として構成されている。
具体的には、本実施形態の対象物Ｗは線度器であり、レーザ干渉装置１は、レーザ干渉計６により検出されたスライダ３の変位量を基準とし、光電顕微鏡５により検出される線度器の目盛線間隔の偏差を算出することにより、線度器の精度評価を行う装置として構成されている。
（レーザ干渉装置１）
まず、レーザ干渉装置１の全体的な構成について説明する。
レーザ干渉装置１は、ベース２と、ベース２に対して移動可能なスライダ３と、スライダ３を駆動する駆動機構４と、スライダ３に配置される対象物Ｗを観察可能な光電顕微鏡５と、スライダ３の変位を検出するためのレーザ干渉計６と、を備えている。
まず、レーザ干渉装置１の全体的な構成について説明する。
レーザ干渉装置１は、ベース２と、ベース２に対して移動可能なスライダ３と、スライダ３を駆動する駆動機構４と、スライダ３に配置される対象物Ｗを観察可能な光電顕微鏡５と、スライダ３の変位を検出するためのレーザ干渉計６と、を備えている。
ベース２は、水平に配置された上面２１を有しており、この上面２１に対してスライダ３やレーザ干渉計６などが設置される。また、ベース２には、スライダ３を跨ぐように配置されたブリッジ構造体２２が設けられている。ブリッジ構造体２２の両脚は、ベース２に固定されている。
スライダ３は、ベース２の上面２１に平行な一方向（以下、Ｘ方向）に移動可能である。
スライダ３上には、対象物Ｗがセットされる。この対象物Ｗは、後述する測定光路筒６６の中心と同一線上に配置されることが好ましい。
スライダ３上には、対象物Ｗがセットされる。この対象物Ｗは、後述する測定光路筒６６の中心と同一線上に配置されることが好ましい。
駆動機構４は、例えば送りねじ機構によって構成され、スライダ３をＸ方向に駆動する。また、駆動機構４は、スライダ３だけでなく、レーザ干渉計６のキャリッジ６６８にも連結されており、スライダ３と共にキャリッジ６６８をＸ方向に駆動する。
光電顕微鏡５は、スライダ３の上方においてブリッジ構造体２２に支持されている。本実施形態において、光電顕微鏡５の観察光軸Ａは、ベース２の上面２１に平行かつＸ方向に直交する直交方向（以下、Ｙ方向）に沿って配置されており、スライダ３に載置された対象物Ｗを観察可能である。
レーザ干渉計６は、後述に説明するが、干渉計の原理を利用して、スライダ３の変位を検出するための干渉光を出力する。
レーザ干渉計６は、後述に説明するが、干渉計の原理を利用して、スライダ３の変位を検出するための干渉光を出力する。
（レーザ干渉計６）
次に、レーザ干渉計６の構成について説明する。
レーザ干渉計６は、レーザ光源６１、１／２波長板６２、真空チャンバー６３、光束分割合成部材６４、第１導光部７１、第２導光部７２、測定反射体６５、測定光路筒６６、参照反射体６７、参照光路筒６８、検出部６９を有する。
次に、レーザ干渉計６の構成について説明する。
レーザ干渉計６は、レーザ光源６１、１／２波長板６２、真空チャンバー６３、光束分割合成部材６４、第１導光部７１、第２導光部７２、測定反射体６５、測定光路筒６６、参照反射体６７、参照光路筒６８、検出部６９を有する。
レーザ光源６１は、例えばヘリウムネオンレーザであり、安定した周波数のレーザ光を出射する。
１／２波長板６２は、レーザ光源６１から出射されたレーザ光の偏光状態を調整する。
１／２波長板６２は、レーザ光源６１から出射されたレーザ光の偏光状態を調整する。
真空チャンバー６３は、光束分割合成部材６４、第１導光部７１および第２導光部７２を収容する容器であり、真空チャンバー６３内の空間は、真空状態に維持される。また、真空チャンバー６３は、レーザ光源６１から出射されて１／２波長板６２を透過したレーザ光が透過する窓部６３１を有している。
光束分割合成部材６４は、本発明の光束分割部材に相当するものであり、入射光を透過光と反射光とに分割する分割面６４１を有する（図４参照）。本実施形態の光束分割合成部材６４は、偏光ビームスプリッタである。光束分割合成部材６４は、レーザ光源６１から出射されて１／２波長板６２を透過したレーザ光のうち、Ｐ偏光を透過させて測定光として出射し、Ｓ偏光を反射して参照光として出射する。
また、光束分割合成部材６４は、測定反射体６５で反射されて戻った測定光と、参照反射体６７で反射されて戻った参照光とを合成して出射する。
また、光束分割合成部材６４は、測定反射体６５で反射されて戻った測定光と、参照反射体６７で反射されて戻った参照光とを合成して出射する。
第１導光部７１は、光学素子群から構成されている。この第１導光部７１は、光束分割合成部材６４から出射された測定光を導光し、当該測定光を測長方向（Ｘ方向）に出射することで、測定反射体６５との間に直線状の測定光路Ｌｐ１を形成する。また、第１導光部７１は、測定反射体６５で反射され、測定光路Ｌｐ１を戻る測定光を光束分割合成部材６４に導く。
第２導光部７２は、第１導光部７１と同内容の光学素子群から構成されている。この第２導光部７２は、光束分割合成部材６４から出射された参照光を導光し、当該参照光を測長方向（Ｘ方向）に出射することで、参照反射体６７との間に、測定光路Ｌｐ１に対して平行な参照光路Ｌｐ２を形成する。また、第２導光部７２は、参照反射体６７で反射され、参照光路Ｌｐ２を戻る参照光を光束分割合成部材６４に導く。
なお、測定光路Ｌｐ１、参照光路Ｌｐ２および観察光軸Ａは、ベース面に垂直な方向（以下、Ｚ方向）において同じ位置に配置される。
なお、測定光路Ｌｐ１、参照光路Ｌｐ２および観察光軸Ａは、ベース面に垂直な方向（以下、Ｚ方向）において同じ位置に配置される。
測定反射体６５は、スライダ３に取り付けられており、スライダ３と共にＸ方向に移動可能である。この測定反射体６５は、例えばコーナーキューブプリズムなどのリトロリフレクターであり、第１導光部７１から出射された測定光を再帰反射する。
測定光路筒６６は、測定光路Ｌｐ１を囲うようにＸ方向に沿って配置されている。測定光路筒６６の一端部は、真空チャンバー６３に接続され、測定光路筒６６の他端部は、測定反射体６５に固定されている。この測定光路筒６６は、測定反射体６５がＸ方向に移動することによってＸ方向に伸縮するように構成されている。
具体的には、測定光路筒６６は、ベローズ６６１（蛇腹菅）と、二重ベローズ６６２，６６３と、中間筒６６４，６６５とが連結されることによって構成されている。二重ベローズ６６２，６６３は、内側空間および外側空間を区画する二重構造を有しており、内側空間を真空状態に保つと共に、外側空間を大気圧以上の所定の圧力に保つことで、圧力バランスをとっている。中間筒６６４は、Ｘ方向に移動可能なキャリッジ６６８によって支持されており、駆動機構４によりＸ方向に駆動される。
参照反射体６７は、光電顕微鏡５の観察光軸Ａ上に配置され、ブリッジ構造体２２に取り付けられている。この参照反射体６７は、例えばコーナーキューブプリズムなどのリトロリフレクターであり、第２導光部７２から出射された参照光を再帰反射する。
参照光路筒６８は、参照光路Ｌｐ２を囲うようにＸ方向に沿って配置されている。参照光路筒６８の一端部は、真空チャンバー６３に接続され、参照光路筒６８の他端部は、参照反射体６７に固定されている。
具体的には、参照光路筒６８は、パイプ構造体６８１と、パイプ構造体６８１の両側にそれぞれ配置された二重ベローズ６８２，６８３とを有する。なお、二重ベローズ６８２，６８３は、前述した二重ベローズ６６２，６６３と同様、二重構造を有している。参照光路筒６８は、伸縮することを前提としていないが、二重ベローズ６８２，６８３を有することで、レーザ干渉装置１の各要素が熱膨張した場合にＸ方向の負荷が生じることを防止できる。
検出部６９は、光束分割合成部材６４から出射される合成光を受光して検出信号を出力する。この検出部６９は、外部の信号処理装置に接続されており、信号処理装置によって検出信号が処理されることにより、測定反射体６５の変位量が演算される。検出部６９および信号処理装置の具体的構成については、公知技術を利用可能であるため、説明を省略する。
（第１導光部７１および第２導光部７２）
次に、第１導光部７１および第２導光部７２の各構成について、図４を参照して説明する。なお、図４は、真空チャンバー６３内に配置された光束分割合成部材６４、第１導光部７１および第２導光部７２を示している。
次に、第１導光部７１および第２導光部７２の各構成について、図４を参照して説明する。なお、図４は、真空チャンバー６３内に配置された光束分割合成部材６４、第１導光部７１および第２導光部７２を示している。
本実施形態において、第１導光部７１および第２導光部７２は、それぞれ、同一のＸＹ平面上に配置された複数の光学素子から構成されている。
具体的には、第１導光部７１は、光束分割合成部材６４側から順に、直角プリズム７１１、偏光ビームスプリッタ７１２および直角プリズム７１３を有している。また、第２導光部７２は、光束分割合成部材６４側から順に、偏光ビームスプリッタ７２１、直角プリズム７２２，７２３を有している。
ここで、偏光ビームスプリッタ７１２，７２１は、大きさおよび材質の屈折率が互いに等しい。また、直角プリズム７１１，７１３，７２２，７２３は、大きさおよび材質の屈折率が互いに等しい。
すなわち、第１導光部７１を構成する光学素子群と、第２導光部７２を構成する光学素子群とは、光学素子の数、材質および大きさが揃えられている。
具体的には、第１導光部７１は、光束分割合成部材６４側から順に、直角プリズム７１１、偏光ビームスプリッタ７１２および直角プリズム７１３を有している。また、第２導光部７２は、光束分割合成部材６４側から順に、偏光ビームスプリッタ７２１、直角プリズム７２２，７２３を有している。
ここで、偏光ビームスプリッタ７１２，７２１は、大きさおよび材質の屈折率が互いに等しい。また、直角プリズム７１１，７１３，７２２，７２３は、大きさおよび材質の屈折率が互いに等しい。
すなわち、第１導光部７１を構成する光学素子群と、第２導光部７２を構成する光学素子群とは、光学素子の数、材質および大きさが揃えられている。
このような構成において、光束分割合成部材６４を透過した測定光Ｌ１は、第１導光部７１において、直角プリズム７１１で反射され、偏光ビームスプリッタ７１２を透過し、直角プリズム７１３で反射されることにより、測長方向（Ｘ方向）に出射される。
一方、光束分割合成部材６４で反射された参照光Ｌ２は、第２導光部７２において、偏光ビームスプリッタ７２１で反射された後、直角プリズム７２２および直角プリズム７２３で反射されることにより、測長方向（Ｘ方向）に出射される。
一方、光束分割合成部材６４で反射された参照光Ｌ２は、第２導光部７２において、偏光ビームスプリッタ７２１で反射された後、直角プリズム７２２および直角プリズム７２３で反射されることにより、測長方向（Ｘ方向）に出射される。
ここで、光束分割合成部材６４の分割面６４１から第１導光部７１の出射面７１Ａまでの測定光の経路を第１分配経路Ｄｐ１とし、分割面６４１から第２導光部７２の出射面７２Ａまでの参照光の経路を第２分配経路Ｄｐ２とするとき、第１分配経路Ｄｐ１と第２分配経路Ｄｐ２とは、機械的な経路長が互いに等しく、かつ、光学的な光路長が互いに等しい。
なお、光学的な光路長とは、光が進む経路の機械的な経路長に対して当該経路を形成する媒質の屈折率を掛けた長さとなる。
なお、光学的な光路長とは、光が進む経路の機械的な経路長に対して当該経路を形成する媒質の屈折率を掛けた長さとなる。
また、光束分割合成部材６４は、第１導光部７１の出射面７１Ａから出射する測定光Ｌ１の経路（図１の測定光路Ｌｐ１）と、第２導光部７２の出射面７２Ａから出射する参照光Ｌ２の経路（図１の参照光路Ｌｐ２）との間隔を等分する仮線Ｌｔ上に配置されている。これにより、第１分配経路Ｄｐ１と第２分配経路Ｄｐ２とは、Ｘ方向の機械的な経路長Ｗ１，Ｗ２が互いに等しく、かつ、Ｙ方向の機械的な経路長Ｄ１，Ｄ２が互いに等しくなるように形成されている。
また、第１導光部７１において、直角プリズム７１１，７１３は、ピッチングおよびヨーイングの両方の姿勢調整が可能に構成されている。
同様に、第２導光部７２において、直角プリズム７２２，７２３は、ピッチングおよびヨーイングの両方の姿勢調整が可能に構成されている。
同様に、第２導光部７２において、直角プリズム７２２，７２３は、ピッチングおよびヨーイングの両方の姿勢調整が可能に構成されている。
〔効果〕
本実施形態のレーザ干渉装置１では、測定光路Ｌｐ１と参照光路Ｌｐ２とが、測長方向（Ｘ方向）に沿って配置されている。よって、前述の特許文献１と同様、レーザ干渉装置１に熱膨張等が生じた場合、測定光路Ｌｐ１と参照光路Ｌｐ２の両方で光路長が同様に変化するため、光路長差に生じる誤差を低減できる。
また、本実施形態では、第１分配経路Ｄｐ１と第２分配経路Ｄｐ２とは、機械的な経路長が互いに等しく、かつ、光学的な光路長が互いに等しい。このため、真空チャンバー６３が熱膨張し、第１導光部７１および第２導光部７２の各光学要素に配置ずれが生じた場合において、第１分配経路Ｄｐ１で生じる光路長の変化量と、第２分配経路Ｄｐ２で生じる光路長の変化量とを同程度にすることができる。この結果、光路長差に生じる誤差をより低減することができ、レーザ干渉装置１による測定精度を向上できる。
本実施形態のレーザ干渉装置１では、測定光路Ｌｐ１と参照光路Ｌｐ２とが、測長方向（Ｘ方向）に沿って配置されている。よって、前述の特許文献１と同様、レーザ干渉装置１に熱膨張等が生じた場合、測定光路Ｌｐ１と参照光路Ｌｐ２の両方で光路長が同様に変化するため、光路長差に生じる誤差を低減できる。
また、本実施形態では、第１分配経路Ｄｐ１と第２分配経路Ｄｐ２とは、機械的な経路長が互いに等しく、かつ、光学的な光路長が互いに等しい。このため、真空チャンバー６３が熱膨張し、第１導光部７１および第２導光部７２の各光学要素に配置ずれが生じた場合において、第１分配経路Ｄｐ１で生じる光路長の変化量と、第２分配経路Ｄｐ２で生じる光路長の変化量とを同程度にすることができる。この結果、光路長差に生じる誤差をより低減することができ、レーザ干渉装置１による測定精度を向上できる。
本実施形態では、光束分割合成部材６４の配置により、第１分配経路Ｄｐ１と第２分配経路Ｄｐ２とは、Ｘ方向およびＹ方向のそれぞれにおいて等しく構成されている。
このため、Ｘ方向およびＹ方向のどちらに熱膨張が発生しても、第１分配経路Ｄｐ１で生じる光路長の変化量と、第２分配経路Ｄｐ２で生じる光路長の変化量とを同程度にすることができる。この結果、光路長差に生じる誤差をより低減することができ、レーザ干渉装置１による測定精度をより向上できる。
このため、Ｘ方向およびＹ方向のどちらに熱膨張が発生しても、第１分配経路Ｄｐ１で生じる光路長の変化量と、第２分配経路Ｄｐ２で生じる光路長の変化量とを同程度にすることができる。この結果、光路長差に生じる誤差をより低減することができ、レーザ干渉装置１による測定精度をより向上できる。
本実施形態では、第１導光部７１を構成する光学素子群と第２導光部７２を構成する光学素子群との間で、光学素子の材質を揃えることにより、機械的な経路長に影響する熱膨張係数や、光学的な経路長に影響する屈折率および当該屈折率の温度特性を揃えることができる。さらに、第１導光部７１を構成する光学素子群と第２導光部７２を構成する光学素子群との間で、光学素子の数および大きさを揃えることにより、光学素子内の光路の合計が等しい。このため、第１導光部７１および第２導光部７２に伝わる熱によって、光学素子の部品寸法が変化したり、光学素子内の屈折率が変化したりする場合であっても、第１分配経路Ｄｐ１で生じる光路長の変化量と、第２分配経路Ｄｐ２で生じる光路長の変化量とを同程度にすることができる。これにより、第１導光部７１および第２導光部７２を構成する光学素子としてミラー以外の光学素子を用いつつ、レーザ干渉装置１による測定精度を向上させることができる。
本実施形態では、直角プリズム７１１，７１３のピッチングおよびヨーイングを調整することにより、測定光路Ｌｐ１を測長方向に平行、かつ、測定反射体６５の任意の位置に入射できるように調整することができる。同様に、直角プリズム７２２，７２３のピッチングおよびヨーイングを調整することにより、参照光路Ｌｐ２を測長方向に平行、かつ、参照反射体６７の任意の位置に入射できるように調整することができる。このような調整方法は、光束分割合成部材６４の姿勢を調整する方法に比べて、測定光路Ｌｐ１および参照光路Ｌｐ２をそれぞれ個別に調整でき、かつ、ピッチングとヨーイングを分けて調整できるため、調整作業が容易である。
本実施形態において、光束分割合成部材６４は、偏光ビームスプリッタであり、第１導光部７１および第２導光部７２が偏光ビームスプリッタ７１２，７２１を含んで構成されている。このような構成では、測定反射体６５で反射された測定光または参照反射体６７で反射された参照光が理想の偏光状態から崩れてしまった場合、偏光ビームスプリッタ７
１２，７２１がフィルタとして機能し、不要な偏光成分をカットすることができる。これにより、測定精度をより向上させることができる。
１２，７２１がフィルタとして機能し、不要な偏光成分をカットすることができる。これにより、測定精度をより向上させることができる。
〔変形例〕
本発明は前述した各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形などは本発明に含まれる。
本発明は前述した各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形などは本発明に含まれる。
前記実施形態のレーザ干渉装置１は、真空チャンバー６３を備えているが、この真空チャンバー６３は省略されてもよい。この場合、真空チャンバー６３に接続されていた測定光路筒６６および参照光路筒６８の各二重ベローズ６６３，６８３も省略される。
例えば、図５は、前記実施形態の変形例にかかるレーザ干渉装置１Ａを示す図である。図５において、光束分割合成部材６４、第１導光部７１および第２導光部７２は、空気環境下でベース２に配置されている。また、測定光路筒６６および参照光路筒６８の各一端部は、レーザ光を透過させる窓部６６９，６８９によって塞がれている。
このような変形例では、真空チャンバー６３のような大型な重量物を用いないことにより、レーザ干渉装置１の小型化および軽量化が可能である。軽量化はレーザ干渉装置１の固有振動数を向上できるため、更なる高精度化を図ることができる。
なお、この変形例では、図示を省略しているが、真空チャンバー６３の代わりに空気揺らぎ防止用のカバーを用いることが好ましい。
また、この変形例では、測定環境の温度、気圧、湿度または二酸化炭素濃度などによって空気の屈折率が変動した場合、第１分配経路Ｄｐ１および第２分配経路Ｄｐ２に同程度の光路長の変化が生じるため、光路長の変動を抑制できる。すなわち、レーザ光の光路が空気中であっても測定精度の低下が生じない。
例えば、図５は、前記実施形態の変形例にかかるレーザ干渉装置１Ａを示す図である。図５において、光束分割合成部材６４、第１導光部７１および第２導光部７２は、空気環境下でベース２に配置されている。また、測定光路筒６６および参照光路筒６８の各一端部は、レーザ光を透過させる窓部６６９，６８９によって塞がれている。
このような変形例では、真空チャンバー６３のような大型な重量物を用いないことにより、レーザ干渉装置１の小型化および軽量化が可能である。軽量化はレーザ干渉装置１の固有振動数を向上できるため、更なる高精度化を図ることができる。
なお、この変形例では、図示を省略しているが、真空チャンバー６３の代わりに空気揺らぎ防止用のカバーを用いることが好ましい。
また、この変形例では、測定環境の温度、気圧、湿度または二酸化炭素濃度などによって空気の屈折率が変動した場合、第１分配経路Ｄｐ１および第２分配経路Ｄｐ２に同程度の光路長の変化が生じるため、光路長の変動を抑制できる。すなわち、レーザ光の光路が空気中であっても測定精度の低下が生じない。
前記実施形態では、第１分配経路Ｄｐ１と第２分配経路Ｄｐ２との間で、機械的な経路長が互いに等しく、かつ、光学的な光路長が互いに等しいという条件が満たされていれば、第１導光部７１および第２導光部７２を構成する各光学素子群について、光学素子の数、材質、大きさ、種類および配置等は、それぞれ変更可能である。
例えば、前記実施形態において、第１導光部７１を構成する光学素子群と、第２導光部７２を構成する光学素子群とは、光学種類の数、材質および大きさが揃えられているが、少なくともいずれかの点で異なってもよい。
例えば、前記実施形態において、第１導光部７１を構成する光学素子群と、第２導光部７２を構成する光学素子群とは、光学種類の数、材質および大きさが揃えられているが、少なくともいずれかの点で異なってもよい。
前記実施形態では、第１導光部７１および第２導光部７２が偏光ビームスプリッタ７１２，７２１を含んで構成されているが、本発明はこれに限られない。例えば、偏光ビームスプリッタ７１２，７２１は、それぞれ直角プリズムに変更されてもよい。
また、前記実施形態において、各直角プリズム７１１，７１３，７２２，７２３の内面が反射面として使用されているが、各直角プリズム７１１，７１３，７２２，７２３の外面が反射面として使用されてもよい。あるいは、直角プリズム７１１，７１３，７２２，７２３の替わりに平面ミラーを用いてもよい。
また、前記実施形態において、各直角プリズム７１１，７１３，７２２，７２３の内面が反射面として使用されているが、各直角プリズム７１１，７１３，７２２，７２３の外面が反射面として使用されてもよい。あるいは、直角プリズム７１１，７１３，７２２，７２３の替わりに平面ミラーを用いてもよい。
前記実施形態では、本発明の光束分割部材として、偏光ビームスプリッタである光束分割合成部材６４を説明しているが、本発明はこれに限られない。例えば、レーザ光を測定光および参照光に分割する機能と、測定光および参照光を合成する機能とは、それぞれ別の部材によって実現されてもよい。
前記実施形態では、本発明の偏光素子として偏光ビームスプリッタ７１２，７２１を説明しているが、本発明はこれに限られない。例えば、第１導光部７１および第２導光部７２は、偏光ビームスプリッタ７１２，７２１以外の偏光素子を含んで構成されてもよい。
前記実施形態では、本発明の偏光素子として偏光ビームスプリッタ７１２，７２１を説明しているが、本発明はこれに限られない。例えば、第１導光部７１および第２導光部７２は、偏光ビームスプリッタ７１２，７２１以外の偏光素子を含んで構成されてもよい。
前記実施形態では、測定反射体６５および参照反射体６７がそれぞれコーナーキューブである場合を例示しているが、本発明はこれに限られない。
例えば、測定反射体６５および参照反射体６７として、それぞれ平面鏡を用い、レーザ干渉計６が偏光を用いないように構成されてもよい。
このような場合、第１導光部７１の直角プリズム７１１，７１３は、いずれか一方がピッチングおよびヨーイングの姿勢調整可能に構成されてもよい。また、第１導光部７１の直角プリズム７１１，７１３は、一方がピッチングの姿勢調整可能に構成され、他方がヨーイングの姿勢調整可能に構成されてもよい。これにより、測定光路Ｌｐ１を測長方向に平行に調整できる。なお、第２導光部７２についても第１導光部７１と同様である。
例えば、測定反射体６５および参照反射体６７として、それぞれ平面鏡を用い、レーザ干渉計６が偏光を用いないように構成されてもよい。
このような場合、第１導光部７１の直角プリズム７１１，７１３は、いずれか一方がピッチングおよびヨーイングの姿勢調整可能に構成されてもよい。また、第１導光部７１の直角プリズム７１１，７１３は、一方がピッチングの姿勢調整可能に構成され、他方がヨーイングの姿勢調整可能に構成されてもよい。これにより、測定光路Ｌｐ１を測長方向に平行に調整できる。なお、第２導光部７２についても第１導光部７１と同様である。
前記実施形態のレーザ干渉装置１は、光電顕微鏡５を含んで構成されているが、本発明はこれに限られず、プローブ、加工工具、または露光光学系などを含んで構成されてもよい。例えば、レジストを塗布された線度器用基板が対象物Ｗである場合、レーザ干渉装置１は、光電顕微鏡５の替わりに、線度器用基板にメモリパターンを露光する露光光学系を含んで構成されてもよい。
その他、本発明は、移動体の変位量を測定する様々なレーザ干渉装置に適用することができる。
その他、本発明は、移動体の変位量を測定する様々なレーザ干渉装置に適用することができる。
１，１Ａ…レーザ干渉装置、２…ベース、２１…上面、２２…ブリッジ構造体、３…スライダ、４…駆動機構、５…光電顕微鏡、６…レーザ干渉計、６１…レーザ光源、６２…２波長板、６３…真空チャンバー、６３１…窓部、６４…光束分割合成部材、６４１…分割面、６５…測定反射体、６６…測定光路筒、６６１…ベローズ、６６２，６６３…二重ベローズ、６６４，６６５…中間筒、６６８…キャリッジ、６６９…窓部、６７…参照反射体、６８…参照光路筒、６８１…パイプ構造体、６８２，６８３…二重ベローズ、６８９…窓部、６９…検出部、７１…第１導光部、７１１，７１３…直角プリズム、７１２…偏光ビームスプリッタ、７１Ａ…出射面、７２…第２導光部、７２１…偏光ビームスプリッタ、７２２，７２３…直角プリズム、７２Ａ…出射面、Ａ…観察光軸、Ｄｐ１…第１分配経路、Ｄｐ２…第２分配経路、Ｌ１…測定光、Ｌ２…参照光、Ｌｐ１…測定光路、Ｌｐ２…参照光路、Ｌｔ…仮線、Ｗ…対象物。
Claims (8)
- 測長方向に移動可能な測定反射体と、
前記測長方向に直交する直交方向において前記測定反射体とは異なる位置に配置された参照反射体と、
レーザ光源から出力されたレーザ光を測定光と参照光とに分割する分割面を有する光束分割部材と、
前記光束分割部材から入射された前記測定光を導光し、前記測定光を前記測定反射体に向かって前記測長方向に出射する第１導光部と、
前記光束分割部材から入射された前記参照光を導光し、前記参照光を前記参照反射体に向かって前記測長方向に出射する第２導光部と、を備え、
前記分割面から前記第１導光部の出射面までの前記測定光の経路である第１分配経路と、前記分割面から前記第２導光部の出射面までの前記参照光の経路である第２分配経路とは、機械的な経路長が互いに等しく、かつ、光学的な光路長が互いに等しく、
機械的な経路長が前記測長方向および前記直交方向のそれぞれで等しく、かつ、光学的な光路長が前記測長方向および前記直交方向のそれぞれで等しく、
前記光束分割部材は、前記第１導光部の前記出射面から出射する前記測定光の経路と、前記第２導光部の前記出射面から出射する前記参照光の経路との間隔を等分する仮線上に配置されている
ことを特徴とするレーザ干渉装置。 - 測長方向に移動可能な測定反射体と、
前記測長方向に直交する直交方向において前記測定反射体とは異なる位置に配置された参照反射体と、
レーザ光源から出力されたレーザ光を測定光と参照光とに分割する分割面を有する光束分割部材と、
前記光束分割部材から入射された前記測定光を導光し、前記測定光を前記測定反射体に向かって前記測長方向に出射する第１導光部と、
前記光束分割部材から入射された前記参照光を導光し、前記参照光を前記参照反射体に向かって前記測長方向に出射する第２導光部と、を備え、
前記分割面から前記第１導光部の出射面までの前記測定光の経路である第１分配経路と
、前記分割面から前記第２導光部の出射面までの前記参照光の経路である第２分配経路とは、機械的な経路長が互いに等しく、かつ、光学的な光路長が互いに等しく、
前記第１導光部を構成する光学素子群と、前記第２導光部を構成する光学素子群とは、光学素子の数、材質および大きさが揃えられている
ことを特徴とするレーザ干渉装置。 - 測長方向に移動可能な測定反射体と、
前記測長方向に直交する直交方向において前記測定反射体とは異なる位置に配置された参照反射体と、
レーザ光源から出力されたレーザ光を測定光と参照光とに分割する分割面を有する光束分割部材と、
前記光束分割部材から入射された前記測定光を導光し、前記測定光を前記測定反射体に向かって前記測長方向に出射する第１導光部と、
前記光束分割部材から入射された前記参照光を導光し、前記参照光を前記参照反射体に向かって前記測長方向に出射する第２導光部と、を備え、
前記分割面から前記第１導光部の出射面までの前記測定光の経路である第１分配経路と、前記分割面から前記第２導光部の出射面までの前記参照光の経路である第２分配経路とは、機械的な経路長が互いに等しく、かつ、光学的な光路長が互いに等しく、
前記第１導光部および前記第２導光部は、それぞれ、ピッチングおよびヨーイングの姿勢調整が可能に構成された光学素子、または、ピッチングの姿勢調整が可能に構成された光学素子とヨーイングの姿勢調整が可能に構成された光学素子との２つの光学素子を含んで構成されている
ことを特徴とするレーザ干渉装置。 - 測長方向に移動可能な測定反射体と、
前記測長方向に直交する直交方向において前記測定反射体とは異なる位置に配置された参照反射体と、
レーザ光源から出力されたレーザ光を測定光と参照光とに分割する分割面を有する光束分割部材と、
前記光束分割部材から入射された前記測定光を導光し、前記測定光を前記測定反射体に向かって前記測長方向に出射する第１導光部と、
前記光束分割部材から入射された前記参照光を導光し、前記参照光を前記参照反射体に向かって前記測長方向に出射する第２導光部と、を備え、
前記分割面から前記第１導光部の出射面までの前記測定光の経路である第１分配経路と、前記分割面から前記第２導光部の出射面までの前記参照光の経路である第２分配経路とは、機械的な経路長が互いに等しく、かつ、光学的な光路長が互いに等しく、
前記第１導光部および前記第２導光部は、それぞれ、ピッチングおよびヨーイングの両方の姿勢調整が可能に構成された２つの光学素子を含んで構成されている
ことを特徴とするレーザ干渉装置。 - 前記光束分割部材は、偏光ビームスプリッタであり、
前記第１導光部および前記第２導光部は、それぞれ、偏光素子を含んで構成されている
ことを特徴とする、請求項１～４のいずれか一項に記載のレーザ干渉装置。 - 前記光束分割部材、前記第１導光部および前記第２導光部は、空気中に配置されている
ことを特徴とする、請求項１～５のいずれか一項に記載のレーザ干渉装置。 - 請求項２に記載のレーザ干渉装置において、
前記第１導光部および前記第２導光部は、それぞれ、ピッチングおよびヨーイングの姿勢調整が可能に構成された光学素子、または、ピッチングの姿勢調整が可能に構成された光学素子とヨーイングの姿勢調整が可能に構成された光学素子との２つの光学素子を含んで構成されている
ことを特徴とするレーザ干渉装置。 - 請求項２に記載のレーザ干渉装置において、
前記第１導光部および前記第２導光部は、それぞれ、ピッチングおよびヨーイングの両方の姿勢調整が可能に構成された２つの光学素子を含んで構成されている
ことを特徴とするレーザ干渉装置。
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