JP7489833B2 - 変位検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、光を用いて被測定物の変位量を高精度かつ安定に測定する装置に関し、特に光干渉計を利用した精密計測技術に関する。

これまで変位量を高精度に計測する技術として、光干渉計を利用した変位検出装置が広く利用されてきた。その代表的な例として、特許文献１に記載の技術が挙げられる。この文献の技術では、光源から発生した光を偏波保持ファイバあるいは偏光ファイバ経由で光干渉計に導入し、光干渉計の光路に配置された被測定物の変位に由来する光位相の変化を光干渉計出力の偏光の回転によって求めている。この光位相の変化は、光干渉計の光路に置かれたミラーの反射面の面直方向への変位や、回折格子の格子面内方向への変位といった被測定物の変位によって与えられる。こうした微小変位の検出装置の需要は、ＥＵＶ技術に代表される半導体露光装置の高集積化および微細加工の高精度化を支えるセンサ用途として今後ますます増大するものと考えられる。

特開２０１９－１３２８５９号公報 ＤＥ１０２０１７２２０４０７Ａ１

しかしながら、従来の特許文献１に記載された変位検出方式では、物理的な制約から光出力の直線偏光の偏光軸と偏波保持ファイバ（二つの直交する偏波モードがファイバ内部を伝搬）あるいは偏光ファイバ（一つの偏波モードのみがファイバ内部を伝搬）のfast軸の間における角度ずれや、複数の偏波保持ファイバあるいは偏光ファイバをカスケード接続する際に各ファイバのfast軸間の角度ずれが存在し、内部を伝搬する偏光モード間で光パワーの交換（偏波クロストーク）が生じる。このため、光干渉計に入力される光の偏光は本来想定している直線偏光のみならず、それと直交する直線偏光が微かに残留する。こうした状況では、偏波保持ファイバあるいは偏光ファイバの温度変化や曲げ条件の変化や振動などの環境変化によって偏波保持ファイバあるいは偏光ファイバの複屈折性が変化することに伴い、２つの直線偏光間の位相差が変動し、光干渉計の出力偏光が変動する。その結果、計測される変位量は、被測定物の変位量と異なり、ファイバ温度や曲げ・振動に依存して変動する見かけの変位量を含んだものになる。特許文献１に記載の技術は、この見かけの変位量の変動を最小化するために避けるべき偏波保持ファイバあるいは偏光ファイバの長さを求めていたが、残留偏光の影響を完全に除去することはできない。

さらに本発明と関連する特許文献２に記載の技術においては、ヘテロダイン測定を用いた変位検出測定装置において、残留偏光を除去するために光源の光を偏光子に入射し、偏光子を透過した直線偏光を光干渉計に入力している。しかしながら、こうした手法を偏波保持ファイバあるいは偏光ファイバにも適用すると、ファイバ温度や曲げ・振動に依存した偏光回転に伴って光干渉計に入る光出力が減少し、変位を検出するのに十分な信号強度が得られない問題が想定されることから、特許文献２に記載の方式は実用上不適切である。

本発明の目的は、上記の変位検出装置でこれまで除去できなかった残留偏光に由来する見かけの変位量の変動をキャンセルするために、偏波保持ファイバあるいは偏光ファイバの環境変化に対してロバストな変位検出装置のハードウェアおよびシステムを提供することにある。

本発明のある態様の変位検出装置は、光源と、光源の光出力を光干渉計に導入するための、偏波保持ファイバあるいは偏光ファイバと、偏波保持ファイバあるいは偏光ファイバからの光を入力し、反射型回折格子を含む、反射型回折格子の面内方向の変位を偏光変化として出力する光干渉計と、光干渉計に入力される前の光と光干渉計から出力される光との偏光出力をそれぞれ電圧信号として検出する偏光検出部と、偏光検出部から得られた偏光出力の電圧信号に対して信号処理を行い、残留偏光に由来する見かけの変位量の変動がキャンセルされた変位量を出力する信号処理部と、を備える。この変位検出装置は、被測定物の変位量を光によって測定する際、光を光干渉計に導入する偏波保持ファイバあるいは偏光ファイバの温度または曲げ変化あるいは振動によって生じる残留偏光に由来する見かけの変位量の変動をキャンセルする。

本発明の別の態様の変位検出装置は、光源と、光源の光出力を光干渉計に導入するための、偏波保持ファイバあるいは偏光ファイバと、偏波保持ファイバあるいは偏光ファイバからの光を入力し、ミラーを含む、ミラーの面直方向の変位を偏光変化として出力する光干渉計と、光干渉計に入力される前の光と光干渉計から出力される光との偏光出力を電圧信号として検出する偏光検出部と、偏光検出部から得られた偏光出力の電圧信号に対して信号処理を行い、残留偏光に由来する見かけの変位量の変動がキャンセルされた変位量を出力する信号処理部と、を備える。この変位検出装置は、被測定物の変位量を光によって測定する際、光を光干渉計に導入する偏波保持ファイバあるいは偏光ファイバの温度または曲げ変化あるいは振動によって生じる残留偏光に由来する見かけの変位量の変動をキャンセルする。

本発明のさらに別の態様の変位検出装置は、光源と、光源の光出力を光干渉計に導入するための、偏波保持ファイバあるいは偏光ファイバと、偏波保持ファイバあるいは偏光ファイバからの光を入力し、透過型回折格子を含み、透過型回折格子の面内方向の変位を偏光変化として出力する光干渉計と、光干渉計に入力される前の光と光干渉計から出力される光との偏光出力を電圧信号として検出する偏光検出部と、偏光出力部から得られた偏光出力の電圧信号に対して信号処理を行い、残留偏光に由来する見かけの変位量の変動がキャンセルされた変位量を出力する信号処理部と、を備える。この変位検出装置は、被測定物の変位量を光によって測定する際、光を光干渉計に導入する偏波保持ファイバあるいは偏光ファイバの温度または曲げ変化あるいは振動によって生じる残留偏光に由来する見かけの変位量の変動をキャンセルする。

本発明によれば、偏波保持ファイバあるいは偏光ファイバの温度変化や曲げ条件の変化・振動などの環境変化に対して見かけの変位量の変動が消失し、変位量測定の安定性が向上する。

変位検出装置（反射型回析格子を変位させる例）を示す構成図である。 変位検出装置（マイケルソン干渉計のミラーを変位させる例）を示す構成図である。 変位検出装置（透過型回析格子を変位させる例）を示す構成図である。 変位検出装置の信号処理部を示す構成図である。 偏波保持ファイバあるいは偏光ファイバの例を示す断面図である。

［１．変位検出装置の例（反射型回析格子を変位させる例）］
図１は、反射型回折格子１１０の変位量を検出するための変位検出装置１００の構成を示す。光源１０１は、空間的・時間的なコヒーレンスを有する直線偏光を出射する光源であり、具体的には半導体レーザー，固体レーザー，気体レーザー，色素レーザー，ファイバレーザー，スーパールミネッセントダイオード，ＬＥＤなどの形態が考えられる。

この光源１０１の光出力を第１レンズ１０２で平行光束にした後、第２レンズ１０３で集光し、偏波保持ファイバあるいは偏光ファイバ１０４に導入する。この偏波保持ファイバあるいは偏光ファイバ１０４は、任意の長さからなる任意の個数の偏波保持ファイバを脱着可能なコネクタで直列に接続したもの、あるいは任意の長さからなる任意の個数の偏光ファイバを脱着可能なコネクタで直列に接続したものである。なお、偏波保持ファイバあるいは偏光ファイバを用いる理由としては、シングルモードファイバと異なりレーザーの偏波保持力が高く単一の直線偏光を入射できるため、変位検出装置１００の正常動作に適していること、およびレーザー光源１０１を変位検出箇所から遠ざけることにより変位検出箇所の光学系の小型化につながることが挙げられる。

ここで、偏波保持ファイバあるいは偏光ファイバ１０４の光の入射面におけるslow軸と、光源１０１から出射される直線偏光の偏光軸を一致させることにより、偏波保持ファイバあるいは偏光ファイバ１０４内部を伝搬する直線偏光の形状を保持する。実際には、技術的な問題で偏波保持ファイバあるいは偏光ファイバ１０４の光の入射面におけるslow軸と直交なfast軸方向にも微小量の直線偏光成分が存在している。

偏波保持ファイバあるいは偏光ファイバ１０４内部を伝搬した後に自由空間内に出射した光出力は、光干渉計に入射する。光干渉計の信号強度を最大にするため、偏波保持ファイバあるいは偏光ファイバ１０４の光の出射面におけるslow軸は、変位検出装置１００のｘ軸からｚ軸に向かって４５度傾ける。

この光出力は第３レンズ１０５で平行光束となり、第１無偏光ビームスプリッター（第１ＮＰＢＳ：Non Polarizing Beam Splitter）１０６によって偏光に依存せず部分的に反射され、後述する偏光計測に用いられる。第１ＮＰＢＳ１０６を透過した光出力は、第１偏光ビームスプリッター（第１ＰＢＳ：Polarizing Beam Splitter）１０７によってＰ偏光が透過、Ｓ偏光が反射する。

第１ＰＢＳを反射したＳ偏光は第１ミラー１０８、透過したＰ偏光は第２ミラー１０９で反射され、反射型回折格子１１０に反射される。このとき、Ｓ偏光およびＰ偏光ともに回折光を生じる。これら２つの回折光の次数は絶対値が同じかつ互いに符号が逆となる条件（例として、Ｐ偏光は＋１次で回折し、Ｓ偏光は－１次で回折するなど）を満たしており、回折時に光が照射される反射型回折格子内の位置に依存した位相シフトが生じる。

上記の２つの回折光はそれぞれ第４レンズ１１１と第５レンズ１１２で集光され、第１位相板１１３を透過することによってそれぞれ直交する円偏光（右回り円偏光と左回り円偏光）に変換される。この円偏光は、集光位置に第３ミラー１１４を配置するキャッツアイ条件によって光干渉計内部の光路のポインティング安定性を向上させ、反射した光出力が再び第１位相板１１３を透過する。こうして第１位相板１１３を２回透過した２つの光出力の偏光軸は、透過前と比べて９０度回転している（Ｐ偏光がＳ偏光に、Ｓ偏光がＰ偏光に変換される）。

これらの光出力はそれぞれ第４レンズ１１１と第５レンズ１１２で再び平行光束に戻されたのち、反射型回折格子１１０で再度回折する。この２回目の回折においては、１回目の回折次数と絶対値および符号が同じ条件にある（１つの光出力は＋１次回折→＋１次回折、もう一つの光出力は－１次回折→－１次回折など）。こうして２回回折した２つの光出力は、それぞれ第１ミラー１０８と第２ミラー１０９で反射され、第１ＰＢＳ１０７で合波し、ｘ軸方向に出力される。

次に、第１ＮＰＢＳ１０６で反射された光出力および第１ＰＢＳ１０７からｘ軸方向に出射した光出力は、偏光検出部１１５に送られ、光干渉計の前後における偏光出力を電圧信号として検出する。

第１ＮＰＢＳ１０６で反射された光の偏光成分は、偏波保持ファイバあるいは偏光ファイバ１０４のslow軸に平行なメインの直線偏光およびfast軸に平行な微小量の直線偏光からなる。これを第２位相板１１６で偏光を回転させ、第２ＰＢＳ１１７によってslow軸に平行な偏光を透過させ、fast軸に平行な偏光を反射させる。そして第１検出器１１８によってslow軸に平行な偏光の光パワーＩ_１を、第２検出器１１９によってfast軸に平行な偏光の光パワーＩ_２を、光パワーに比例した電圧信号に変換する。変換された電圧信号は、信号処理部に送られる。これを後述の変動がキャンセルされた変位量を出力する際に用いる。

第１ＰＢＳ１０７からｘ軸方向に出力された光出力は、第３位相板１２０によってＰ偏光を右回り円偏光に、Ｓ偏光を左回り円偏光に変換され、第２ＮＰＢＳ１２１によって偏光に依存せず半分の光出力を反射、半分の光出力を透過させる。

第２ＮＰＢＳ１２１を反射した光出力は、第３ＰＢＳ１２２によってＰ偏光を透過、Ｓ偏光を反射し、Ｐ偏光の光パワーＩ_Ｈを第３検出器１２３、Ｓ偏光の光パワーＩ_Ｖを第４検出器１２４によって、光パワーに比例した電圧信号に変換する。残留偏光が存在しない場合、第３検出器１２３と第４検出器１２４の差分信号として、Ａｃｏｓ（４Ｋδ＋φ）の干渉信号が得られる。ここで、Ａは干渉信号の振幅であり、Ｋは２π／Λで示される波数である。δは反射型回折格子１１０の面内方向の変位を示しており、φは初期位相である。Λは反射型回折格子１１０における格子の間隔である。

第２ＮＰＢＳ１２１を透過した光出力は、第４位相板１２５によって斜め４５度偏光をＰ偏光、斜め－４５度偏光をＳ偏光に変換し、第４ＰＢＳ１２６によってＰ偏光を透過、Ｓ偏光を反射する。Ｐ偏光の光パワーＩ_Ｐを第５検出器１２７、Ｓ偏光の光パワーＩ_Ｍを第６検出器１２８によって、光パワーに比例した電圧信号に変換する。残留偏光が存在しない場合、第５検出器１２７と第６検出器１２８の差分信号として、Ａｓｉｎ（４Ｋδ＋φ）の干渉信号を得る。

上記第１検出器１１８、第２検出器１１９、第３検出器１２３、第４検出器１２４、第５検出器１２７、第６検出器１２８の出力は、信号処理部１２９によって変位データに変換される。なお、本実施形態における光干渉計は、第１ミラー、第２ミラー、第３ミラー、第４レンズ、第５レンズ、反射型回折格子、第１位相板、第１ＰＢＳ、第１ＮＰＢＳを含む構成である。

［２．変位検出装置の例（マイケルソン干渉計のミラーを変位させる例）］
図２は、第１ミラー２０９の変位量を検出するための変位検出装置２００の構成を示す。光源２０１は、空間的・時間的なコヒーレンスを有する直線偏光を出射する光源であり、具体的には半導体レーザー，固体レーザー，気体レーザー，色素レーザー，ファイバレーザー，スーパールミネッセントダイオード，ＬＥＤなどの形態が考えられる。

この光源２０１の光出力を第１レンズ２０２で平行光束にした後、第２レンズ２０３で集光し、偏波保持ファイバあるいは偏光ファイバ２０４に導入する。この偏波保持ファイバあるいは偏光ファイバ２０４は、任意の長さからなる任意の個数の偏波保持ファイバを脱着可能なコネクタで直列に接続したもの任意の長さからなる任意の個数の偏光ファイバを脱着可能なコネクタで直列に接続したものである。

なお、偏波保持ファイバあるいは偏光ファイバを用いる理由としては、シングルモードファイバと異なりレーザーの偏波保持力が高く単一の直線偏光を入射できるため変位検出装置２００の正常動作に適していること、単一偏光モードしか通さない偏光ファイバにあった曲げに伴う伝搬ロスが極めて小さいことから取り回しが容易であること、さらにレーザー光源２０１を変位検出箇所から遠ざけることにより変位検出箇所の光学系の小型化につながること、が挙げられる。

ここで、偏波保持ファイバあるいは偏光ファイバ２０４の光の入射面におけるslow軸と、光源２０１から出射される直線偏光の偏光軸を一致させることにより、偏波保持ファイバあるいは偏光ファイバ２０４内部を伝搬する直線偏光の形状を保持する。実際には、技術的な問題で偏波保持ファイバあるいは偏光ファイバ２０４の光の入射面におけるslow軸と直交なfast軸方向にも微小量の直線偏光成分が存在している。

偏波保持ファイバあるいは偏光ファイバ２０４内部を伝搬した後に自由空間内に出射した光出力は、光干渉計に入射する。光干渉計の信号強度を最大にするため、偏波保持ファイバあるいは偏光ファイバ２０４の光の出射面におけるslow軸は、変位検出装置２００のｘ軸からｚ軸に向かって４５度傾ける。

この光出力は第３レンズ２０５で平行光束となり、第１無偏光ビームスプリッター（第１ＮＰＢＳ：Non Polarizing Beam Splitter）２０６によって偏光に依存せず部分的に反射され、後述する偏光計測に用いられる。第１ＮＰＢＳ２０６を透過した光出力は、第１偏光ビームスプリッター（第１ＰＢＳ：Polarizing Beam Splitter）２０７をＰ偏光が透過、Ｓ偏光が反射する。

第１ＰＢＳ２０７を反射したＳ偏光、および透過したＰ偏光はそれぞれ第１位相板２０８あるいは第２位相板２１０を透過し、直交する円偏光（右回り円偏光と左回り円偏光）に変換される。この円偏光は、第１ミラー２０９あるいは第２ミラー２１１によって反射され、再び第１位相板２０８あるいは第２位相板２１０を透過する。こうして位相板を２回透過した２つの光出力の偏光軸は、透過前と比べて９０度回転している（Ｐ偏光がＳ偏光に、Ｓ偏光がＰ偏光に変換される）。

上記の過程において、第１ミラー２０９の位置を移動させることにより、第１ＰＢＳ２０７と第１ミラー２０９間の距離が第１ＰＢＳ２０７と第２ミラー２１１の距離に対して増減した結果、２つの光出力間の光位相差を変化させることができ、変位量計測が可能となる。これらの２つの光出力は、第１ＰＢＳ２０７で合波し、図２のｘ軸方向に出力される。

次に、第１ＮＰＢＳ２０６で反射された光出力および第１ＰＢＳ２０７でｘ軸方向に出射した光出力は、検出部２１２に送られ、光干渉計の前後における偏光出力を電圧信号として検出する。

第１ＮＰＢＳ２０６で反射された光の偏光成分は、偏波保持ファイバあるいは偏光ファイバ２０４のslow軸に平行なメインの直線偏光およびfast軸に平行な微小量の直線偏光からなる。これを第３位相板２１３で偏光を回転させ、第２ＰＢＳ２１４によってslow軸に平行な偏光を透過、fast軸に平行な偏光を反射させる。そして第１検出器２１５によってslow軸に平行な偏光の光パワーＩ_１を、第２検出器２１６によってfast軸に平行な偏光の光パワーＩ_２を、光パワーに比例した電圧信号に変換する。これを後述の変動がキャンセルされた変位量を出力する際に用いる。

第１ＰＢＳ２０７からｘ軸方向に出力された光束は、第４位相板２１７によってＰ偏光を右回り円偏光に、Ｓ偏光を左回り円偏光に変換され、第２ＮＰＢＳ２１８によって半分の光出力を反射、半分の光出力を透過させる。

第２ＮＰＢＳ２１８を反射した光出力は、第３ＰＢＳ２１９によってＰ偏光を透過、Ｓ偏光を反射し、Ｐ偏光の光パワーＩ_Ｈは第３検出器２２０、Ｓ偏光の光パワーＩ_Ｖは第４検出器２２１によって、光パワーに比例した電圧信号に変換される。残留偏光が存在しない場合、第３検出器２２０と第４検出器２２１の差分信号として、Ａｃｏｓ（２ｋδ＋φ）の干渉信号が得られる。ここで、Ａは干渉信号の振幅であり、ｋは２π／λで示される波数である。δはミラーのｘ軸方向の変位を示しており、φは初期位相である。λは光の波長である。

第２ＮＰＢＳ２１８を透過した光出力は、第５位相板２２２によって斜め４５度偏光をＰ偏光、斜め－４５度偏光をＳ偏光に変換し、第４ＰＢＳ２２３によってＰ偏光を透過、Ｓ偏光を反射する。Ｐ偏光の光パワーＩ_Ｐは第５検出器２２４、Ｓ偏光の光パワーＩ_Ｍは第６検出器２２５によって、光パワーに比例した電圧信号に変換される。残留偏光が存在しない場合、第５検出器２２４と第６検出器２２５の差分信号として、Ａｓｉｎ（２ｋδ＋φ）の干渉信号を得る。上記第１検出器２１５、第２検出器２１６、第３検出器２２０、第４検出器２２１、第５検出器２２４、第６検出器２２５の出力は信号処理部２２６によって変位データに変換される。

なお、光干渉計を用いた変位検出手法としては上記のQuadrature測定と言われる手法の他にもHeterodyne測定という手法が知られているが、これは光源を得られた高周波信号の位相差から変位を求めるため、上記手法に含まれるものとする。なお、本実施形態における光干渉計は、第１ミラー、第２ミラー、第１位相板、第２位相板、第１ＰＢＳ、第１ＮＰＢＳ、を含む構成である。

［３．変位検出装置の例（透過型回析格子を変位させる例）］
図３は、透過型回折格子３１０の変位量を検出するための変位検出装置３００の構成を示す。光源３０１は、空間的・時間的なコヒーレンスを有する直線偏光を出射する光源であり、具体的には半導体レーザー，固体レーザー，気体レーザー，色素レーザー，ファイバレーザー，スーパールミネッセントダイオード，ＬＥＤなどの形態が考えられる。

この光源３０１の光出力を第１レンズ３０２で平行光束にした後、第２レンズ３０３で集光し、偏波保持ファイバあるいは偏光ファイバ３０４に導入する。この偏波保持ファイバあるいは偏光ファイバ３０４は、任意の長さからなる任意の個数の偏波保持ファイバを脱着可能なコネクタで直列に接続したものあるいは任意の長さからなる任意の個数の偏光ファイバを脱着可能なコネクタで直列に接続したものである。

なお、偏波保持ファイバあるいは偏光ファイバを用いる理由としては、シングルモードファイバと異なりレーザーの偏波保持力が高く単一の直線偏光を入射できるため変位検出装置３００の正常動作に適していること、単一偏光モードしか通さない偏光ファイバにあった曲げに伴う伝搬ロスが極めて小さいことから取り回しが容易であること、さらにレーザー光源３０１を変位検出箇所から遠ざけることにより変位検出箇所の光学系の小型化につながること、が挙げられる。

ここで、偏波保持ファイバあるいは偏光ファイバ３０４の光の入射面におけるslow軸と、光源３０１から出射される直線偏光の偏光軸を一致させることにより、偏波保持ファイバあるいは偏光ファイバ３０４内部を伝搬する直線偏光の形状を保持する。実際には、技術的な問題で偏波保持ファイバあるいは偏光ファイバ３０４の光の入射面におけるslow軸と直交なfast軸方向にも微小量の直線偏光成分が存在している。

偏波保持ファイバあるいは偏光ファイバ３０４内部を伝搬した後に自由空間内に出射した光出力は、光干渉計に入射する。光干渉計の信号強度を最大にするため、偏波保持ファイバあるいは偏光ファイバ３０４の光の出射面におけるslow軸は、変位検出装置３００のｘ軸からｚ軸に向かって４５度傾ける。

この光出力は第３レンズ３０５で平行光束となり、第１無偏光ビームスプリッター（第１ＮＰＢＳ：Non Polarizing Beam Splitter）３０６によって偏光に依存せず部分的に反射され、後述する偏光計測に用いられる。第１ＮＰＢＳ３０６を透過した光出力は、第１偏光ビームスプリッター（第１ＰＢＳ：Polarizing Beam Splitter）３０７をＰ偏光が透過、Ｓ偏光が反射する。

第１ＰＢＳ３０７を反射したＳ偏光は第１ミラー３０８、透過したＰ偏光は第２ミラー３０９で反射され、透過型回折格子３１０を透過する際、それぞれ回折光を生じる。２つの回折光の次数は絶対値が同じかつ互いに符号が逆となる条件（例として、Ｐ偏光は＋１次で回折し、Ｓ偏光は－１次で回折するなど）を満たしており、光が照射される透過型回折格子３１０内の位置に依存した位相シフトが生じる。

上記の２つの回折光はそれぞれ第１ミラー３０８と第２ミラー３０９で再び反射され、第１位相板３１１および第２位相板３１２を透過することによってそれぞれ直交する円偏光（右回り円偏光と左回り円偏光）に変換され、第３ミラー３１３に導かれる。そして、第３ミラー３１３で反射した光出力が再び第１位相板３１１および第２位相板３１２を透過する。こうして位相板を２回透過した２つの光出力の偏光軸は、透過前と比べて９０度回転している（Ｐ偏光がＳ偏光に、Ｓ偏光がＰ偏光に変換される）。

これらの光出力はそれぞれ第１ミラー３０８と第２ミラー３０９で再び反射され、透過型回折格子３１０で再度透過・回折する。この２回目の回折においては、１回目の回折次数と絶対値および符号が同じ条件にある（１つの光出力は＋１次回折→＋１次回折、もう一つの光出力は－１次回折→－１次回折など）。こうして２回回折した２つの光出力はそれぞれ第１ミラー３０８と第２ミラー３０９で反射されたのち、第１ＰＢＳ３０７で合波し、ｘ軸方向に出力される。

次に、第１ＮＰＢＳ３０６で反射された光出力および第３ＰＢＳ３０７でｘ軸方向に伝搬した光出力は、検出部３１４に送られ、光干渉計の前後における偏光出力を電圧信号として検出する。

第１ＮＰＢＳ３０６で反射された光の偏光成分は、偏波保持ファイバあるいは偏光ファイバ３０４のslow軸に平行なメインの直線偏光およびfast軸に平行な微小量の直線偏光からなる。これを第３位相板３１５で偏光を回転させ、第２ＰＢＳ３１６によってslow軸に平行な偏光を透過、fast軸に平行な偏光を反射させる。そして第１検出器３１７によってslow軸に平行な偏光の光パワーＩ_１を、第２検出器３１８によってfast軸に平行な偏光の光パワーＩ_２を、光パワーに比例した電圧信号に変換する。これを後述の変動がキャンセルされた変位量を出力する際に用いる。

第１ＰＢＳ３０７からｘ軸方向に出力された光出力は、第４位相板３１９によってＰ偏光を右回り円偏光に、Ｓ偏光を左回り円偏光に変換され、第２ＮＰＢＳ３２０によって偏光に依存せず半分の光出力を反射、半分の光出力を透過させる。

第２ＮＰＢＳ３２０を反射した光出力は第３ＰＢＳ３２１によってＰ偏光を透過、Ｓ偏光を反射し、水平偏光の光パワーＩ_Ｈを第３検出器３２２、垂直偏光の光パワーＩ_Ｖを第４検出器３２３によって、光パワーに比例した電圧信号に変換し、後述の変動がキャンセルされた変位量を出力する際に用いる。残留偏光が存在しない場合、第３検出器３２２と第４検出器３２３の差分信号として、Ａｃｏｓ（４Ｋδ＋φ）の干渉信号が得られる。ここで、Ａは干渉信号の振幅であり、Ｋは２π／Λで示される波数である。δは透過型回折格子３１０の面内方向の変位を示しており、φは初期位相である。Λは透過型回折格子３１０における格子の間隔である。

第２ＮＰＢＳ３２０を透過した光出力は、第５位相板３２４によって斜め４５度偏光をＰ偏光、斜め－４５度偏光をＳ偏光に変換し、第４ＰＢＳ３２５によってＰ偏光を透過、Ｓ偏光を反射し、Ｐ偏光の光パワーＩ_Ｐを第５検出器３２６、Ｓ偏光の光パワーＩ_Ｍを第６検出器３２７によって、光パワーに比例した電圧信号に変換する。残留偏光が存在しない場合、第５検出器３２６と第６検出器３２７の差分信号として、Ａｓｉｎ（４Ｋδ＋φ）の干渉信号を得る。

上記第１検出器３１７、第２検出器３１８、第３検出器３２２、第４検出器３２３、第５検出器３２６、第６検出器３２７の出力は、信号処理部３２８によって変位データに変換される。なお、本実施形態における光干渉計は、第１ミラー、第２ミラー、第３ミラー、第１位相板、第２位相板、透過型回折格子、第１ＰＢＳ、第１ＮＰＢＳ、第１ＮＰＢＳ、を含む構成である。

［４．変位検出装置における演算処理の例］
上記の［１．変位検出装置の例（反射型回析格子を変位させる例）］［２．変位検出装置の例（マイケルソン干渉計のミラーを変位させる例）］［３．変位検出装置の例（透過型回析格子を変位させる例）］のいずれにおいても、各偏光の光パワーＩ_１，Ｉ_２，Ｉ_Ｈ，Ｉ_Ｖ，Ｉ_Ｐ，Ｉ_Ｍが電圧信号に変換されたものが得られ、反射型回折格子１１０，ミラー２０９および透過型回折格子３１０の変位量ｘがＩ_Ｈ，Ｉ_Ｖ，Ｉ_Ｐ，Ｉ_Ｍより推定できることを述べた。

実際の光学系では、偏波保持ファイバあるいは偏光ファイバ１０４、２０４、３０４のslow軸と平行な偏光成分のパワーであるＩ_１が変位検出装置１００、２００、３００に入射するパワーの大半を占める一方、fast軸と平行な偏光成分Ｉ_２が存在する。その結果、干渉計の２つの光路に各偏光の両方が１：１に分割され、互いに干渉し、検出部１１５、３１４で検出される各偏光成分のパワーが下記式(1)に示される値となる。

ここで、偏波保持ファイバあるいは偏光ファイバのslow軸方向の偏光の電場振幅をｐ、fast軸方向の偏光の電場振幅をｑ、光干渉計において各ビームが回折格子に入射する位置をδ_１，δ_２、ＲｅとＩｍを複素数の実部と虚部とする。

残留偏光が存在しないとき（｜ｑ｜＝０）、Ｉ_Ｈ－Ｉ_Ｖは｜ｐ｜^２ｃｏｓ（４Ｋδ_２＋２Ｋ（δ_１－δ_２））となり、｜ｐ｜^２をＡ、δ_２をδ、２Ｋ（δ_１－δ_２）をφと書き直すとＡｃｏｓ（４Ｋδ＋φ）と表せる。同様にＩ_Ｐ－Ｉ_ＭはＡｓｉｎ（４Ｋδ＋φ）と表せる。

一方、残留偏光が存在するとき（｜ｑ｜≠０）、Ｉ_Ｈ－Ｉ_Ｖは（（｜p｜²－｜q｜²）²＋（２Ｉｍ（ｐｑ^＊））^２）^１／２ｃｏｓ（４Ｋδ_２＋２Ｋ（δ_１－δ_２）＋β）、Ｉ_Ｐ－Ｉ_Ｍは（（｜p｜²－｜q｜²）²＋（２Ｉｍ（ｐｑ^＊））^２）^１／２ｓｉｎ（４Ｋδ_２＋２Ｋ（δ_１－δ_２）＋β）となる。ここでβは下記式(2)で表される位相項であり、残留偏光の振幅およびメインの偏光との相対位相によって変動する。

残留偏光の振幅は、光出力の直線偏光の偏光軸と偏波保持ファイバあるいは偏光ファイバのfast軸の間での角度ずれや、複数の偏波保持ファイバあるいは偏光ファイバをカスケード接続する際に各ファイバのfast軸の間での角度ずれ、および偏波クロストークによって絶対値が決まる。残留偏光とメインの偏光との相対位相は、偏波保持ファイバあるいは偏光ファイバの温度変化，曲げ，振動によって偏波保持ファイバあるいは偏光ファイバの複屈折率が変化することにより、各偏光間の光路長が変化することによって生じる。特に後者は偏波保持ファイバあるいは偏光ファイバのおかれた環境変動と関連して変動するため、見かけの変位量δ_ａｐ＝β／（４Ｋ）が環境変動と共に変動し、真の変位量の推定が困難となる。

上記の議論は図１の反射型回折格子１１０および図３の透過型回折格子３１０を用いる場合に成立したが、同様に図１のミラー２０９を用いる場合についてもδ_１，δ_２を各ミラーの軸方向の位置と定義し、位相項における４Ｋを光源の波長λを用いた２ｋ＝４π／λに置き換えることにより、同様の議論が成り立つ。

以上の議論より、残留偏光によって生じる見かけの変位量δ_ａｐをキャンセルし、変位量δ₂を出力する信号処理部４００を図４に示す。この装置に入力される各偏光成分の光パワーであるＩ_１を第１検出器４０１（図１の１１８、図２の２１５、図３の３１７）、Ｉ_２を第２検出器４０２（図１の１１９、図２の２１６、図３の３１８）、Ｉ_Ｈを第３検出器４０３（図１の１２３、図２の２２０、図３の３２２）、Ｉ_Ｖを第４検出器４０４（図１の１２４、図２の２２１、図３の３２３）、Ｉ_Ｐを第５検出器４０５（図１の１２７、図２の２２４、図３の３２６）、Ｉ_Ｍを第６検出器４０６（図１の１２８、図２の２２５、図３の３２７）によって、光パワーに比例する電圧信号に変換し、信号処理部４００内部に送り込む。

各電圧信号は増幅器４０７－４１２によってそれぞれ増幅され、それぞれアナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ：Analog to Digital Converter）４１３－４１８によってデジタル信号に変換され、それぞれローパスフィルタ（ＬＰＦ：Low-Pass Filter）４１９－４２４によって不要な高周波成分を除去した後、補正・数値処理回路４２５によって数値演算を行い、残留偏光に由来する見かけの変位量の変動がキャンセルされた変位量を出力する。
補正・数値処理回路４２５においては、残留偏光によって生じる位相項βが各偏光の光パワーを用いて下記式(3)で表される関係にあることから、各偏光の光パワーＩ_１，Ｉ_２，Ｉ_Ｈ，Ｉ_Ｖ，Ｉ_Ｐ，Ｉ_ＭとＩ_ｍａｘ，Ｉ_ｍｉｎを元にｘとｙを計算し、ｘとｙからβを求め、βから見かけの変位量δ_ａｐ＝β／（４Ｋ）を算出することができ、これによって変位検出装置１００、２００、３００が出力する変位量からｘ_ａｐを差し引く補正を行う、という演算を実行する。

ここで、Ｉ_ｍａｘとＩ_ｍｉｎは上記式(1)の信号の変位をスキャンした時の最大値と最小値であり、光源が時間的・空間的に完全に干渉する時は（Ｉ_ｍａｘ－Ｉ_ｍｉｎ）／（Ｉ_ｍａｘ＋Ｉ_ｍｉｎ）＝１となる一方、マルチモードレーザーなどの有限の波長幅を有する光源で、光干渉計中の２つのビームの光路差がゼロでないとき、および２つのビームの重なりが不完全な時などには、光干渉の明瞭度が低下するため、明瞭度の測定および補正を変位検出測定前に行う。

もう一つの手法として、変位検出測定中に信号処理部内部のメモリに保存された電圧信号の履歴を参照し、上記の明瞭度の補正をアクティブに行う。信号処理部は、残留偏光に由来する見かけの変位量の変動がキャンセルされた変位量δ₂（式(1)のδ₂）を出力する。

以上の方法により、変位検出装置の動作中に常にリアルタイムでアクティブに見かけの変位量をキャンセルすることが可能となり、偏波保持ファイバあるいは偏光ファイバの設置環境に応じて変動する見かけの変位量を被測定物の変位量から分離し、被測定物の変位を測定することが可能となる。

また、本手法により特許文献１で問題とされていた偏波保持ファイバあるいは偏光ファイバの長さについての制約が無くなることから、任意の長さの偏波保持ファイバあるいは偏光ファイバを任意個数・任意の曲げ条件で設置することが可能となり、設置条件に関する制約が除去され、実用上重要な技術革新となる。

［５．偏波保持ファイバあるいは偏光ファイバの例を示す断面図］
図５に偏波保持ファイバあるいは偏光ファイバ５００への光の導入形態を説明するためのファイバの断面図を示す。偏波保持ファイバあるいは偏光ファイバ５００のコア５０１内部を光が伝搬するにあたり、応力付与部５０２を設けてコア５０１の屈折率に異方性を持たせることにより、光の偏光方向を保存する原理となっている。

変位検出装置１００，２００，３００の一般的な製造条件では、ファイバへの入力直線偏光５０４はfast軸５０３に対して完全に垂直とはならず、ファイバ軸に対して偏光がわずかな角度θだけ傾くことが考えられる。さらに製造条件により、ファイバコネクタキー５０５もslow軸５０６と完全には一致せず、わずかな角度φで傾くことが考えられる。その結果、現実的な製造条件では、光源の入力直線偏光５０４は偏波保持ファイバあるいは偏光ファイバ５００のslow軸５０６と完全に平行にはならず、fast軸５０３方向に残留偏光が生じる。これに加え、偏波保持ファイバあるいは偏光ファイバ５００内部での偏波クロストークなどにより、slow軸５０６を伝搬していた光がfast軸５０３に移り、残留偏光が発生する効果も存在する。これらの効果が生じた結果、見かけの変位量δ_ａｐが発生する。

（その他）
これまでの説明の構成要件を備えれば、偏波保持ファイバあるいは偏光ファイバの温度変化や曲げ条件の変化・振動などの環境変化に対して見かけの変位量の変動が消失し、変位量測定の長期的安定性・確度が向上するほか、特許文献１で説明されていた光ファイバ長の制約が無くなり、光ファイバによる光の伝搬経路の自由な設計が可能になる効果がある。

また、これまで説明した変位検出装置を用いて、被加工物を載せるステージの変位を検出することができる。このため、変位検出装置とステージとを備える露光装置やＦＰＤ製造装置などの装置へ応用が考えられる。

１００...変位検出装置、１０１...光源、１０２...第１レンズ、１０３...第２レンズ、１０４...偏波保持ファイバあるいは偏光ファイバ、１０５...第３レンズ、１０６...第１ＮＰＢＳ、１０７...第１ＰＢＳ、１０８...第１ミラー、１０９...第２ミラー、１１０...反射型回折格子、１１１...第４レンズ、１１２...第５レンズ、１１３...第１位相板、１１４...第３ミラー、１１５...検出部、１１６...第２位相板、１１７...第２ＰＢＳ、１１８...第１検出器、１１９...第２検出器、１２０...第３位相板、１２１...第２ＮＰＢＳ、１２２...第３ＰＢＳ、１２３...第３検出器、１２４...第４検出器、１２５...第４位相板、１２６...第４ＰＢＳ、１２７...第５検出器、１２８...第６検出器、１２９...信号処理部、２００...変位検出装置、２０１...光源、２０２...第１レンズ、２０３...第２レンズ、２０４...偏波保持ファイバあるいは偏光ファイバ、２０５...第３レンズ、２０６...第１ＮＰＢＳ、２０７...第１ＰＢＳ、２０８...第１位相板、２０９...第１ミラー、２１０...第２位相板、２１１...第２ミラー、２１２...検出部、２１３...第３位相板、２１４...第２ＰＢＳ、２１５...第１検出器、２１６...第２検出器、２１７...第４位相板、２１８...第２ＮＰＢＳ、２１９...第３ＰＢＳ、２２０...第３検出器、２２１...第４検出器、２２２...第５位相板、２２３...第４ＰＢＳ、２２４...第５検出器、２２５...第６検出器、２２６...信号処理部、３００...変位検出装置、３０１...光源、３０２...第１レンズ、３０３...第２レンズ、３０４...偏波保持ファイバあるいは偏光ファイバ、３０５...第３レンズ、３０６...第１ＮＰＢＳ、３０７...第１ＰＢＳ、３０８...第１ミラー、３０９...第２ミラー、３１０...透過型回折格子、３１１...第１位相板、３１２...第２位相板、３１３...第３ミラー、３１４...検出部、３１５...第３位相板、３１６...第２ＰＢＳ、３１７...第１検出器、３１８...第２検出器、３１９...第４位相板、３２０...第２ＮＰＢＳ、３２１...第３ＰＢＳ、３２２...第３検出器、３２３...第４検出器、３２４...第５位相板、３２５...第４ＰＢＳ、３２６...第５検出器、３２７...第６検出器、３２８...信号処理部、４００...信号処理部、４０１...第１検出器、４０２...第２検出器、４０３...第３検出器、４０４...第４検出器、４０５...第５検出器、４０６...第６検出器、４０７...増幅器、４０８...増幅器、４０９...増幅器、４１０...増幅器、４１１...増幅器、４１２...増幅器、４１３...ＡＤＣ、４１４...ＡＤＣ、４１５...ＡＤＣ、４１６...ＡＤＣ、４１７...ＡＤＣ、４１８...ＡＤＣ、４１９...ＬＰＦ、４２０...ＬＰＦ、４２１...ＬＰＦ、４２２...ＬＰＦ、４２３...ＬＰＦ、４２４...ＬＰＦ、４２５...補正・数値処理回路、５００...偏波保持ファイバあるいは偏光ファイバ、５０１...コア、５０２...応力付与部、５０３...fast軸、５０４...入力直線偏光、５０５...ファイバコネクタキー、５０６...slow軸。

Claims (5)

1. 光源と、
   前記光源の光出力を光干渉計に導入するための、単一の偏波保持ファイバあるいは偏光ファイバと、
   前記偏波保持ファイバあるいは前記偏光ファイバからの光を入力し、反射型回折格子を含み、前記反射型回折格子の面内方向の変位を偏光変化として出力する光干渉計と、
   前記光干渉計に入力される前の光と前記光干渉計から出力される光との偏光出力をそれぞれ電圧信号として検出する偏光検出部と、
   前記偏光検出部から得られた偏光出力の電圧信号に対して信号処理を行い、残留偏光に由来する見かけの変位量の変動がキャンセルされた変位量を出力する信号処理部と、
   を備え、
   被測定物の変位量を光によって測定する際、光を前記光干渉計に導入する前記偏波保持ファイバあるいは前記偏光ファイバの温度または曲げ変化あるいは振動によって生じる残留偏光に由来する見かけの変位量の変動をキャンセルし、
   前記偏光検出部は、前記光干渉計に入力する光の偏光強度の２成分であるＩ _１ およびＩ _２ と、前記光干渉計から出力する光の偏光強度の４成分であるＩ _Ｈ 、Ｉ _Ｖ 、Ｉ _Ｐ 、Ｉ _Ｍ とを検出し、
   前記信号処理部は、下記式（１）に基づいて前記見かけの変位量δ _ａｐ を算出し、補正する、変位検出装置。
   

   

   ここで、Ｋは前記反射型回折格子における格子の間隔Λに対して２π／Λで表され、Ｉ _ｍａｘ は前記面内方向の変位をスキャンしてＩ _Ｈ 、Ｉ _Ｖ 、Ｉ _Ｐ 、Ｉ _Ｍ を観測したときの最大値であり、Ｉ _ｍｉｎ は前記面内方向の変位をスキャンしてＩ _Ｈ 、Ｉ _Ｖ 、Ｉ _Ｐ 、Ｉ _Ｍ を観測したときの最小値である。
2. 光源と、
   前記光源の光出力を光干渉計に導入するための、単一の偏波保持ファイバあるいは偏光ファイバと、
   前記偏波保持ファイバあるいは前記偏光ファイバからの光を入力し、ミラーの面直方向の変位を偏光変化として出力する光干渉計と、
   前記光干渉計に入力される前の光と前記光干渉計から出力される光との偏光出力を電圧信号として検出する偏光検出部と、
   前記偏光検出部から得られた偏光出力の電圧信号に対して信号処理を行い、残留偏光に由来する見かけの変位量の変動がキャンセルされた変位量を出力する信号処理部と、
   を備え、
   被測定物の変位量を光によって測定する際、光を前記光干渉計に導入する前記偏波保持ファイバあるいは前記偏光ファイバの温度または曲げ変化あるいは振動によって生じる残留偏光に由来する見かけの変位量の変動をキャンセルし、
   前記偏光検出部は、前記光干渉計に入力する光の偏光強度の２成分であるＩ _１ およびＩ _２ と、前記光干渉計から出力する光の偏光強度の４成分であるＩ _Ｈ 、Ｉ _Ｖ 、Ｉ _Ｐ 、Ｉ _Ｍ とを検出し、
   前記信号処理部は、下記式（２）に基づいて前記見かけの変位量δ _ａｐ を算出し、補正する、変位検出装置。
   

   

   ここで、ｋは前記光源の波長λを用いて２π／λで表され、Ｉ _ｍａｘ は前記面直方向の変位をスキャンしてＩ _Ｈ 、Ｉ _Ｖ 、Ｉ _Ｐ 、Ｉ _Ｍ を観測したときの最大値であり、Ｉ _ｍｉｎ は前記面直方向の変位をスキャンしてＩ _Ｈ 、Ｉ _Ｖ 、Ｉ _Ｐ 、Ｉ _Ｍ を観測したときの最小値である。
3. 光源と、
   前記光源の光出力を光干渉計に導入するための、単一の偏波保持ファイバあるいは偏光ファイバと、
   前記偏波保持ファイバあるいは前記偏光ファイバからの光を入力し、透過型回折格子を含み、前記透過型回折格子の面内方向の変位を偏光変化として出力する光干渉計と、
   前記光干渉計に入力される前の光と前記光干渉計から出力される光との偏光出力を電圧信号として検出する偏光検出部と、
   前記偏光検出部から得られた偏光出力の電圧信号に対して信号処理を行い、残留偏光に由来する見かけの変位量の変動がキャンセルされた変位量を出力する信号処理部と、
   を備え、
   被測定物の変位量を光によって測定する際、光を前記光干渉計に導入する前記偏波保持ファイバあるいは前記偏光ファイバの温度または曲げ変化あるいは振動によって生じる残留偏光に由来する見かけの変位量の変動をキャンセルし、
   前記偏光検出部は、前記光干渉計に入力する光の偏光強度の２成分であるＩ _１ およびＩ _２ と、前記光干渉計から出力する光の偏光強度の４成分であるＩ _Ｈ 、Ｉ _Ｖ 、Ｉ _Ｐ 、Ｉ _Ｍ とを検出し、
   前記信号処理部は、下記式（１）に基づいて前記見かけの変位量δ _ａｐ を算出し、補正する、変位検出装置。
   

   

   ここで、Ｋは前記透過型回折格子における格子の間隔Λに対して２π／Λで表され、Ｉ _ｍａｘ は前記面内方向の変位をスキャンしてＩ _Ｈ 、Ｉ _Ｖ 、Ｉ _Ｐ 、Ｉ _Ｍ を観測したときの最大値であり、Ｉ _ｍｉｎ は前記面内方向の変位をスキャンしてＩ _Ｈ 、Ｉ _Ｖ 、Ｉ _Ｐ 、Ｉ _Ｍ を観測したときの最小値である。
4. 前記偏波保持ファイバあるいは前記偏光ファイバは、１本あるいは脱着可能なコネクタで複数本が勘合されている、請求項１から３のいずれか１項に記載の変位検出装置。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の変位検出装置と、
   被加工物を載せるステージと、を備え、
   前記変位検出装置で、前記ステージの変位を検出する装置。

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