JPH04213004A - レーザ干渉測長方法及びレーザ干渉測長装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はレーザ干渉測長方法及び
レーザ干渉測長装置に係り、特にゼーマンレーザを用い
た二周波ヘテロダイン干渉測長方法及びその測長装置に
関する。レーザ干渉測長装置は、高精度で長い距離を測
定する必要がある場合、例えば工業用の各種測長や精密
工作機械、半導体露光装置におけるＸ−Ｙステージの位
置計測などに使用されている。

【０００２】このようなレーザ干渉測長装置を大気中で
使用する際に一番問題になるのは大気のゆらぎである。 このゆらぎは大気中を不規則に互いに相関をもたないで
移動する様々な大きさの熱塊をレーザが通過したりしな
かったりすることにより生ずる。従って、レーザ干渉測
長装置を大気中で使用するには、測長値が大気のゆらぎ
によって受ける影響をできるだけ低減する測長方法及び
測長装置が必要とされる。

【０００３】

【従来の技術】図３は従来のレーザ干渉測長装置の一例
の構成図を示す。この従来装置は半導体露光装置等で現
在広く用いられている二周波ヘテロダインレーザ干渉測
長装置であって、二波長ゼーマンレーザ源１よりの周波
数ｆ１　，ｆ２　で偏光面が互いに直交する直線偏光を
用いる。

【０００４】二波長ゼーマンレーザ源１は、レーザ共振
器に直流磁場をかけた時に起るゼーマン効果により、レ
ーザの発振スペクトルを周波数の僅かに異なる二つの左
及び右回りの円偏光に分離した後、所定の光学系（望遠
光学系、位相子）により上記の周波数ｆ１　，ｆ２　の
偏光面が互いに直交する直線偏光に変換する。周波数ｆ
１　，ｆ２　の差は直流磁場の強さに依存し、代表的に
はＨｅ−Ｎｅ（λ＝６３３ｎｍ）を用いたもので、２Ｍ
Ｈｚ程度のものがよく用いられる。

【０００５】二波長ゼーマンレーザ源１から出射された
上記二周波の直線偏光（レーザ光）は、まずビームスプ
リッタ２により光路を２分され、一方はビート参照光と
して光検出器（ＰＤ）３に入射され、ここで周波数差（
ｆ１　−ｆ２　）の交流信号として検出され、他方は偏
光ビームスプリッタ４に測長光として入射される。偏光
ビームスプリッタ４は入射測長光をその偏光面に基づい
て二つの周波数ｆ１　，ｆ２　成分に分離し、周波数ｆ
２　の直線偏光を位置レファレンス用レトロリフレクタ
５に入射し、周波数ｆ１　の直線偏光を位置測定用レト
ロリフレクタ６に入射する。

【０００６】位置測定用レトロリフレクタ６が速さＶ（
図中、右方向を正とする）で正方向に運動しているとす
ると、位置測定用レトロリフレクタ６で反射して返って
くる測長光にはドップラー効果による周波数シフトが起
る。シフト後の周波数をｆ１　´とすると、ｆ１　´は
次式で表わされる（ただし、相対論的効果は無視する）
。

【０００７】

【数１】

【０００８】ただし、Ｃは光速 従って、周波数シフト量△ｆ１　は次のようになる。

【０００９】

【数２】

【００１０】ただし、、上式中λ１　はｆ１　の発振波
長である。また、位置測定用レトロリフレクタ６の変位
ｄは次式で表わされる。

【００１１】

【数３】

【００１２】（３）式中、λ１　はゼーマンレーザ源１
によって決まる定数であるから、△ｆ１　を連続的に知
り、それを時間積分することにより、位置測定用レトロ
リフレクタ６の変位ｄを算出することができる。すなわ
ち、図３において、位置レファレンス用レトロリフレク
タ５から返ってくる周波数ｆ２　の位置参照光と、位置
測定用レトロリフレクタ６てドップラーシフトを受けて
返ってくる周波数（ｆ１　±△ｆ１　）の光は、偏光ビ
ームスプリッタ４上で再び出会った後、測長光用光検出
器（ＰＤ）７に向かう。

【００１３】測長光用光検出器７の受光面上で干渉する
これらの光は、この光検出器７で周波数ｆ２　−（ｆ１
　±△ｆ１　）のビートをもつドップラー信号に変換さ
れる。 干渉計の基準ビートである（ｆ２　−ｆ１　）は前記光
検出器３からの参照信号により知ることができるから、
上記ドップラー信号と参照信号との差から△ｆ１　をカ
ウントすることができる。

【００１４】そこで、光検出器３からの参照信号と光検
出器７からのドップラー信号とは夫々交流増幅器８，９
を通してパルスコンバータ１０に入力され、それらの周
波数の大小関係に応じて２出力ラインのうち定められた
ラインにパルスを出力させ、これにより上記△ｆ１　を
示す値を得る。これにより、前記（３）式に基づいて位
置測定用レトロリフレクタ６の変位を算出できる。なお
、実際のシステムではより高精度に位置検出を行なうた
めにビートの増分１波長に対して複数のパルスを発生さ
せることが一般に行なわれている。

【００１５】図３に示す従来のレーザ干渉測長装置中の
要部をなす干渉光学系は図４に示す如き構成であり、リ
ニアインターフェロメータと称される。ただし、従来の
干渉光学系はこれ以外にも図５や図６に示す変形例が知
られている。図５はシングルビームインターフェロメー
タと称される干渉光学系で、二周波ｆ１　，ｆ２　の偏
光面が互いに直交する直線偏光が入射される偏光ビーム
スプリッタ４と、この偏光ビームスプリッタ４で分離さ
れた周波数ｆ２　，ｆ１　の各直線偏光が入射されるλ
／４板１１及び１２と、λ／４板１１からの円偏光を再
びλ／４板１１に反射する位置レファレンス用レトロリ
フレクタ１３と、λ／４板１２からの円偏光が入射され
、これをλ／４板１２へ戻す測定点用レトロリフレクタ
１４とからなる。

【００１６】偏光ビームスプリッタ４は位置レファレン
ス用レトロリフレクタ１３で反射され、λ／４板１１で
直線偏光とされた周波数ｆ２　成分と、測定点用レトロ
リフレクタ１４で反射され、λ／４板１２で直線偏光と
された周波数（ｆ１　±△ｆ１　）成分とを夫々図中、
下方向へ出射する。また、図６に示す干渉光学系は平面
ミラーインターフェロメータと称されるもので、図４に
示した干渉光学系にレトロリフレクタ１６とλ／４板１
７とを付加し、測定点用レトロリフレクタ６の代りに測
定点用平面ミラー１８を用いたものである。

【００１７】この干渉光学系では、偏光ビームスプリッ
タ４を透過した周波数ｆ１　成分の直線偏光がλ／４板
１７により円偏光に変換された後、移動する測定点用平
面ミラー１８に入射された後ドップラーシフトを受けて
周波数（ｆ１　±△ｆ１　）成分の光となり、元の入射
経路を逆進して再びλ／４板１７により直線偏光に変換
される。

【００１８】このときλ／４板１７より取り出される周
波数（ｆ１　±△ｆ１　）成分の直線偏光は最初にλ／
４板１７に入射された周波数ｆ１　成分の直線偏光と偏
光面が直交するから、周波数（ｆ１　±△ｆ１　）成分
の直線偏光は偏光ビームスプリッタ４により今度は反射
され、その後レトロリフレクタ１６及び偏光ビームスプ
リッタ４の順で順次反射され、再びλ／４板１７を通過
して測定点用平面ミラー１８に入射される。

【００１９】これにより、測定点用平面ミラー１８で再
度ドップラーシフトを受けて周波数（ｆ１　±２△ｆ１
　）とされた光は、もときた光路を逆進してλ／４板１
７により最初にλ／４板１７に入射された周波数ｆ１　
成分の直線偏光と同一偏光面をもつ直線偏光に戻されて
から偏光ビームスプリッタ４に入射される。従って、こ
のλ／４板１７からの周波数（ｆ１±２△ｆ１　）の直
線偏光は今度は偏光ビームスプリッタ４を透過し、位置
レファレンス用レトロリフレクタ５で反射された後、偏
光ビームスプリッタ４で再び反射される周波数ｆ２　の
位置参照光と共に測長用光検出器へ向かう。

【００２０】この平面ミラーインターフェロメータは、
他の干渉光学系のドップラー量の２倍得られるため、高
感度な測長ができ、Ｘ−Ｙステージの測長などに用いら
れる。

【００２１】

【発明が解決しようとする課題】上記のレーザ干渉測長
装置を大気中で用いる場合、その測定値は大気の温度、
圧力、湿度等の影響を受けることが知られている。これ
は、大気の屈折率がこれらの環境因子で変化することに
よって起こる。この影響を低減するために、測長系全体
を恒温、恒湿室に入れ環境を安定させたり、環境因子が
測長系付近で均質であるという前提に立って、それら環
境因子を適当な手段で測定し、理論的に与えられる式を
用いて測長値を補正することが現在行なわれている。

【００２２】ところが、測長したい長さに対して１０−
６より良い精度を実現しようとすると、大気は均質では
あり得ず、大気の微妙なゆらぎが測長値に与える影響が
問題になってくる。例えば、通常の実験室程度の環境で
約２００ｍｍの固定距離を測定し続けた測定値の再現性
が０．１μｍより悪いことが実験的に知られている。レ
ーザ干渉測長器自体の分解能は現在０．０１μｍより良
いものが製造されているから、大気のゆらぎは重大な問
題である。

【００２３】本発明は以上の点に鑑みなされたもので、
大気のゆらぎが測長値に与える影響を小さくしたレーザ
干渉測長方法及びレーザ干渉測長装置を提供することを
目的とする。

【００２４】

【課題を解決するための手段】図１は本発明になるレー
ザ干渉測長方法及び測長装置の原理構成図を示す。本発
明になるレーザ干渉測長方法は、移動自在な測長光用鏡
１０２から返ってくるレーザビームと、基準鏡１０３か
ら返ってくるレーザビームとを干渉させて測長を行なう
レーザ干渉測長方法において、第１の光路１０４と第２
の光路１０５とを互いに近接した空間に配置し、測長光
用鏡１０２と基準鏡１０３との間の空間１０６を、真空
又は温度，圧力変化に対する屈折率変化が大気よりも小
なる媒質として測長する。

【００２５】また、本発明になるレーザ干渉測長装置は
、光路１０４及び１０５が互いに近接するように測長光
用鏡１０２と基準鏡１０３とを夫々配置し、測長光用鏡
１０２と一体的に移動すると共に、少なくとも測長光用
鏡１０２から基準鏡１０３までの空間１０６を真空又は
温度，圧力変化に対する屈折率変化が大気よりも小なる
媒質で封止した筐体１０７と、筐体１０７の、干渉計１
０１と基準鏡１０３との間のレーザビームの光路上に設
けられた透光部１０８とを有する。

【００２６】

【作用】本発明方法及び装置では、大気中で使用した場
合、光路１０４と１０５は互いに近接配置されているた
めに、測長光と参照光は略同一の大気のゆらぎを受ける
。また、光路１０５のうち測長光用鏡１０２と基準鏡１
０３との間の光路部分の参照光は、その部分の空間１０
６が真空又は温度，圧力変化に対する屈折率の変化が大
気よりも小さいために、大気のゆらぎを受けない。

【００２７】従って、以上のことから測長方法が二周波
ヘテロダイン干渉法である場合を例にとれば、周波数ｆ
２　の参照光と周波数ｆ１　±△ｆ１　の測長光とは大
気のゆらぎの影響を受けて次式の如く ｆ２　´＝ｆ２　＋δｆ２　 ｆ１　´＝ｆ１　±△ｆ１　＋δｆ１　大気のゆらぎの
影響による周波数シフトδｆ２　，δｆ１　を受けるが
、光路１０４を形成する測長光と光路１０５を形成する
参照光とは略同一の空間を通過して略同一の大気のゆら
ぎの影響を受けるために、 δｆ２　≒δｆ１　 となる。

【００２８】従って、干渉計１０１で測長光と参照光と
が干渉する結果、得られるドップラー信号では、大気の
ゆらぎの影響が略相殺される。

【００２９】

【実施例】図２は本発明の一実施例の構成図を示す。同
図中、図１と同一構成部分には同一符号を付してある。 図２において、干渉計１０１は前記した平面ミラーイン
ターフェロメータの干渉光学系のものであって、偏光ビ
ームスプリッタ２１，レトロリフレクタ２２，ビームベ
ンダ２３及びλ／４板２４よりなる。

【００３０】レトロリフレクタ２２とビームベンダ２３
は偏光ビームスプリッタ２１の反射光路上であって、か
つ、偏光ビームスプリッタ２１を中心として相対向する
位置に配置されている。また、λ／４板２４は偏光ビー
ムスプリッタ２１の透過光上であって、参照光と測長光
の両方の光路上に配置されている。測長される側は、前
記測長光用鏡１０２に相当する測長光用平面鏡２５と、
前記基準鏡１０３に相当する参照光用レトロリフレクタ
２６と、前記筐体１０７に相当する筐体２７と、前記透
光部１０８に相当する透光部２８とからなる。

【００３１】筐体２７はその干渉計１０１側側面に、平
面鏡２５が固定されると共に、レーザビームを透過する
透光部２８が形成されており、また中空内部に参照光用
レトロリフレクタ２６を有している。更に筐体２７の中
空内部は、図示しないシール方法によって外界と隔絶さ
れていて真空若しくはヘリウム（Ｈｅ）等の温度、圧力
による屈折率変化の小さい物質の雰囲気となっているか
、あるいはガスを流すこと等の手段によってＨｅ等の温
度・圧力による屈折率変化の小さい物質の雰囲気となっ
ている。

【００３２】筐体２７は図中、左右方向に移動自在に構
成されているため、測長光用平面鏡２５と透光部２８と
は一体的に移動する。これに対して参照光用レトロリフ
レクタ２６は移動しない部分に固定されている。更に、
参照光と測長光は数ｍｍから十数ｍｍの極めて近接した
間隔に設定されている。次に本実施例の動作について説
明する。レーザ源から取り出された周波数ｆ１　，ｆ２
　で偏光面が互いに直交する２つの直線偏光からなるレ
ーザビームは、偏光ビームスプリッタ２１に入射され、
そのうち周波数ｆ２　の第１の直線偏光は偏光ビームス
プリッタ２１で反射された後、参照光としてビームベン
ダ２３，λ／４板２４，透光部２８を順次経て参照光用
レトロリフレクタ２６に入射され、ここで反射される。

【００３３】レトロリフレクタ２６で反射された参照光
は透光部２８を通してλ／４板２４に再び入射され、こ
こで前回とは９０°偏光面が異なる直線偏光に変換され
た後、ビームベンダ２３で反射され偏光ビームスプリッ
タ２１に入射される。参照光はこの時点では前回の入射
時と９０°異なる偏光面を有する直線偏光であるから、
今度は偏光ビームスプリッタ２１を透過し、更にレトロ
リフレクタ２２で反射されて光路が１８０°変えられ、
再び偏光ビームスプリッタ２１を透過した後ビームベン
ダ２３，λ／４板２４，透光部２８，参照光用レトロリ
フレクタ２６，透光部２８，λ／４板２４及びビームベ
ンダ２３の順で光が進行して偏光ビームスプリッタ２１
に再び入射される。

【００３４】この時点では直前にλ／４板２４を透過し
たときに、参照光が再び偏光面が９０°回転されて前記
第１の直線偏光と同一の偏光面とされているため、参照
光は今度は偏光ビームスプリッタ２１で反射されて測長
用光検出器（図示せず）の方向（図の左方向）へ出射さ
れる。一方、偏光ビームスプリッタ２１に入射されたレ
ーザビームのうち周波数ｆ１　の第２の直線偏光は偏光
ビームスプリッタ２１を透過し、λ／４板２４で円偏光
に変換された後、測長光として平面鏡２５に入射され、
ここで反射される。この反射光は平面鏡２５が移動して
いることからドップラーシフトを受けて周波数が（ｆ１
　±△ｆ１　）となっており、もとの入射光路を逆進し
、λ／４板２４を通して偏光ビームスプリッタ２１に入
射される。

【００３５】この時点で測長光はλ／４板２４を通過し
たことにより前記第２の直線偏光と偏光面が直交する直
線偏光となっているため、測長光は今度は偏光ビームス
プリッタ２１で反射される。この反射光はレトロリフレ
クタ２２，偏光ビームスプリッタ２１で順次反射された
後、λ／４板２４を透過して再び平面鏡２５に入射され
て反射される。

【００３６】平面鏡２５で再度反射された測長光はドッ
プラーシフトを受けて周波数が（ｆ１　±２△ｆ１　）
となっており、再びλ／４板２４を透過して前記第２の
直線偏光と同じ偏光面をもつ直線偏光に変換された後、
偏光ビームスプリッタ２１を透過して測長用光検出器方
向へ出射される。かかる動作を行なうレーザ干渉測長装
置を大気中で使用した場合、測長光と参照光は極めて間
隔が近接しているので、干渉計１０１と平面鏡２５又は
透光部２８との間の大気中で受けるゆらぎの影響は略同
一とみなすことができる。。

【００３７】また、平面鏡２５の移動に伴って透光部２
８から参照光用レトロリフレクタ２６に至る光路の長さ
は変化するが、この光路部分は前記したように真空又は
温度，圧力変化に対する屈折率変化が大気より小さい媒
質の雰囲気となっているので、大気のゆらぎの影響を参
照光に与えることはない。従って、光路全体に亘っても
参照光は測長光と略同じ大気のゆらぎの影響を受けてい
るとみなせるから、これらを相殺することができ、大気
の微妙なゆらぎが測長値に与える影響小さくすることが
できる。

【００３８】なお、参照光が透光部２８を通過する位置
は平面鏡２５の位置によって変化するので、この位置の
違いの影響を除去するためには、透光部２８はできる限
り均質である必要があることはいうまでもない。なお、
上記の実施例では二周波ヘテロダインレーザ干渉測長装
置のミラーインターフェロメータを例にとったが、本発
明はこれに限らず他の干渉光学系を有するレーザ干渉測
長装置にも適用することができる。

【００３９】

【発明の効果】上述の如く、本発明の測長方法及び測長
装置によれば、大気のゆらぎが測長値に与える影響が略
相殺されるので、大気中でも高精度の測長ができる等の
特長を有するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明になるレーザ干渉測長方法及び測長装置
の原理構成図である。

【図２】本発明の一実施例の構成図である。

【図３】従来のレーザ干渉測長装置の一例の構成図であ
る。

【図４】図３の要部の構成図である。

【図５】従来装置の要部の他の例の構成図である。

【図６】従来装置の要部の更に他の構成図である。

【符号の説明】

２１　　偏光ビームスプリッタ ２２　　レトロリフレクタ ２３　　ビームベンダ ２４　　λ／４板 ２５　　測長光用平面鏡 ２６　　参照光用レトロリフレクタ ２７，１０７　　筐体 ２８，１０８　　透光部 １０１　　干渉計 １０２　　測長光用鏡 １０３　　基準鏡 １０４，１０５　　光路 １０６　　空間

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　移動自在な測長光用鏡（１０２）から
   返ってくるレーザビームと、基準鏡（１０３）から返っ
   てくるレーザビームとを干渉計（１０１）で干渉させて
   測長を行なうレーザ干渉測長方法において、前記干渉計
   （１０１）と前記測長光用鏡（１０２）との間のレーザ
   ビームによる第１の光路（１０４）と、該干渉計（１０
   １）と前記基準鏡（１０３）との間のレーザビームによ
   る第２の光路（１０５）とを互いに近接した空間に配置
   し、該測長光用鏡（１０２）と該基準鏡（１０３）との
   間の空間（１０６）を、真空又は温度，圧力変化に対す
   る屈折率変化が大気よりも小なる媒質として測長するこ
   とを特徴とするレーザ干渉測長方法。
2. 【請求項２】　　前記第１及び第２の光路（１０４，１
   ０５）の各レーザビームは互いに周波数が異なり、二周
   波ヘテロダインレーザ干渉測長法により測長を行なうこ
   とを特徴とする請求項１記載のレーザ干渉測長方法。
3. 【請求項３】　　移動自在な測長光用鏡（１０２）から
   ドップラーシフトを受けて返ってくるレーザビームと、
   基準鏡（１０３）から返ってくるレーザビームとを干渉
   計（１０１）で干渉させて測長を行なうレーザ干渉測長
   装置において、前記干渉計（１０１）と前記測長光用鏡
   （１０２）との間のレーザビームと、該干渉計（１０１
   ）と前記基準鏡（１０３）との間のレーザビームとが互
   いに近接した空間位置を通過するように該測長光用鏡（
   １０２）及び基準鏡（１０３）を夫々配置し、該測長光
   用鏡（１０２）と一体的に移動すると共に、小なくとも
   該測長光用鏡（１０２）から該基準鏡（１０３）までの
   空間（１０６）を真空又は温度，圧力変化に対する屈折
   率変化が大気よりも小なる媒質を封止した筐体（１０７
   ）と、該筐体（１０７）の、該干渉計（１０１）と該基
   準鏡（１０３）との間のレーザビームの光路上に設けら
   れた透光部（１０８）とを有することを特徴とするレー
   ザ干渉測長装置。
4. 【請求項４】　　前記測長光用鏡（１０２）と前記基準
   鏡（１０３）に夫々入射されるレーザビームを、互いに
   周波数を異ならせて測長を行なうことを特徴とする請求
   項３記載のレーザ干渉測長装置。