JPH08152305A

JPH08152305A - 干渉測定装置

Info

Publication number: JPH08152305A
Application number: JP6296276A
Authority: JP
Inventors: Koji Fukutomi; 康志福冨; Hisashi Shiozawa; 久塩澤
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1994-11-30
Filing date: 1994-11-30
Publication date: 1996-06-11

Abstract

(57)【要約】【目的】測定誤差を少なくする。【構成】レーザ光源１と、レーザ光源１から出射する
光を２つの光に分割する分割部材２と、２つの光の一方
の光と他方の光との相対的な位相差を可変させる位相可
変部４と、位相可変部４を通過した一方の光Ａと他方の
光Ｂとを干渉させる干渉光学系と、干渉光学系によって
干渉された一方の光と前記他方の光とによる干渉光束を
検出する光検出器６と、レーザ光源１と光検出器６との
間の光路の一部に配置され、両端にレーザ光源の光に対
して透明な窓部材を有する少なくとも１つの真空チュー
ブ９と、を有する干渉測定装置において、真空チューブ
９の少なくとも一方の端面の窓部材８は真空チューブ９
内を通過するレーザ光の近傍のみにレーザ光透過部１５
を持つ窓部材で構成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザ光の干渉を利用
した高精度な干渉測定装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ステージなどの高精度位置測定あるいは
高精度位置決めにレーザ干渉式の測長装置が広く用いら
れている。図５は、従来広く用いられているマイケルソ
ン型干渉計によるレーザ測長装置（干渉測定装置）の概
略図である。以下、図５を参照しながらその動作を説明
する。

【０００３】光源１から出射されたレーザ光束は、ビー
ムスプリッタ２により、２つの光束Ａ、Ｂに分離され、
それそれ移動ステージ３上に設けられた測長光用鏡４お
よび前記ビームスプリッタ２に対して固定された参照光
用鏡５に向かう。以後、光束Ａを測長光、光束Ｂを参照
光と称す。測長光用鏡４および参照光用鏡５で折り返さ
れた測長光および参照光は再びビームスプリッタ２上で
重なり、干渉を起こす。干渉したレーザ光は測長光用鏡
４の移動に応じて明暗を繰り返すため、この干渉光を検
出器６で受け、装置１１では検出器６からの信号を基に
干渉縞の明暗を計数することで測長光用鏡４、すなわち
ステージ３の移動距離を測定することができる。図５の
例では測長光用鏡がレーザ波長の１／２の距離だけ移動
すると干渉光は一回明暗する。

【０００４】図５ではこれらに加え、ビームスプリッタ
２、参照光用鏡５、検出器６がステージ３の移動方向に
対し直角方向に移動可能な別のステージ７上に設置され
ている。図５では、ステージ３とステージ７が直交２軸
のステージ系を構成しており、ステージ３はステージ７
に対して相対的に位置決めされる。このようなステージ
構成は加工機や測定機にしばしば用いられる。

【０００５】また、ビームスプリッタ２で分割された光
束Ａと光束Ｂとがビームスプリッタ２で干渉するまでの
間に光束Ａと光束Ｂとの間の関係に空気の揺らぎ等の外
乱が影響しないように、両端に透明な窓部材１４を有
し、内部を真空状態に保ったチューブ９により測長光の
一部が覆われている。尚、図５ではビームスプリッタ２
と参照光用鏡５との間の距離を短くしているため、外乱
の影響が及ぼしやすいビームスプリッタ２と測長用鏡４
との間にのみ真空チューブ９を配置した。尚、真空チュ
ーブ９内は減圧してある。また、真空チューブ９はステ
ージ３の移動に応じてその長さを矢印Ｄ方向に変化する
ことができる。

【０００６】図６は、レーザ光の入射方向から見た真空
チューブの窓部であり、円形断面のチューブ９に合わせ
て円形の窓部材１４が取り付けられている。ステージ７
の移動に伴いレーザ光の通過点はチューブの直径に沿っ
て窓部材１４上を矢印Ｃ方向に移動する。図５の装置で
はレーザ光源から出射するレーザ光は単一な周波数のレ
ーザ光であるが、周波数をわずかにずらした２周波のレ
ーザ光を光源から出射させ、一方を測長光用鏡で、他方
を参照光用鏡で折り返させ干渉させる方式（ヘテロダイ
ン干渉方式）も広く用いられている。さらに、干渉によ
って得られた信号を電気的に分割することで測定の分解
能をｎｍオーダまで向上させる手法も広く用いられてい
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところが、図５に示す
レーザ測長装置（干渉測定装置）において、チューブ９
の内部は真空に保たれており外部は大気圧に曝されてい
る。従って、窓部材１４には大気圧による等分布荷重が
チューブ９の内側に向かって作用する。この荷重は１平
方センチメートル当たり１０Ｎ（１kgf）程度におよ
び、窓部材１４には荷重の影響で図７に示すような変形
が生じてしまう。また、ステージ７の移動に伴って測長
光は移動するため、測長光が常にチューブ内を通過する
ようにするためには、ステージ７の移動距離が長くなる
と必然的にチューブ９の径も大きくなり、それに伴って
窓部材１４の面積も大きくなる。窓部材１４に作用する
荷重は、面積に比例するため、面積の増加に伴い窓部材
１４に作用する荷重も増加し、結果的に変形量が増す。
図８は、従来広く用いられている円形で厚さが一様な窓
部材に対して、変形量を計算により求めた結果である。
尚、窓部材１４の厚さは１０ｍｍである。窓部材１４の
面積（径）が大きくなると、変形量が増加している。

【０００８】さて、レーザ測長は窓部材を介して行わ
れ、しかもステージ７の移動に伴ってレーザが窓部材を
通過する位置が時事刻々と変化するため、窓部材の変形
があると窓部材を通過する部分の測長光の光路長変化が
生じる。測長光の光路長変化はそのまま測長誤差となる
ため、ステージ７の移動量を長くすると窓部材の変形に
よる測長誤差が大きくなってしまうという問題点があっ
た。また、これを避けるために窓部材全体の厚みを増す
と、荷重による厚みの変化が増加し、やはり測長誤差が
大きくなってしまうという問題点があった。

【０００９】本発明は上記問題点を鑑みて成されたもの
であり、測定誤差の少ない真空チューブを有する干渉測
定装置を提供することを目的とする。

【００１０】

【問題を解決するための手段】そのため、本発明は、レ
ーザ光源と、レーザ光源から出射する光を２つの光に分
割する分割部材と、２つの光の一方の光と他方の光との
相対的な位相差を可変させる位相可変部と、位相可変部
材を通過した一方の光と他方の光とを干渉させる干渉光
学系と、干渉光学系によって干渉された一方の光と他方
の光とによる干渉光束を検出する光検出器と、レーザ光
源と光検出器との間の光路の一部に配置され、両端にレ
ーザ光源の光に対して透明な窓部材を有する少なくとも
１つの真空チューブと、を有する干渉測定装置におい
て、真空チューブの少なくとも一方の端面の窓部材を真
空チューブ内を通過するレーザ光の近傍のみにレーザ光
透過部を持つ窓部材で構成する（請求項１）。

【００１１】また、この場合（請求項１）に、窓部材
は、レーザ光透過部と、レーザ光透過部の真空チューブ
内を通過するレーザ光の近傍を除いた領域に設けられた
補強材と、から構成する（請求項２）ことは好ましい。
また、これらの場合（請求項１、２）に、位相可変部
は、分割部材に対して固定され、一方の光を反射する第
１の反射面と、分割部材に対してその位置が可変であ
り、他方の光を反射する第２の反射面と、から構成する
（請求項３）ことは好ましい。

【００１２】また、この場合（請求項３）に、真空チュ
ーブは前記分割部材と前記第２の反射面との間に配置す
る（請求項４）ことは好ましい。また、この場合（請求
項４）に、真空チューブは第２の反射面の位置の移動に
応じて光軸方向における真空チューブの長さが可変であ
る（請求項５）ことは好ましい。

【００１３】また、これらの場合（請求項３〜５）に、
分割部材と第１の反射面と光検出器とは第２の反射面の
移動方向に対して垂直な方向に移動可能なステージ上に
固定されて配置する（請求項６）ことは好ましい。ま
た、この場合（請求項６）に、窓部材のレーザ透過部は
スリット状の形状である（請求項７）ことは好ましい。

【００１４】

【作用】一般に、大気圧により窓部材に作用する荷重の
大きさは、窓部材の面積に比例する。従って、窓部材の
変形を小さくするためには窓部材の面積を小さくすれば
よい。例えば、図５の例では、ステージ７の移動に伴う
窓部材上のレーザ光の通過点の軌跡は、チューブの直径
に沿った直線上の部分となる。この点に着目し、本発明
では窓部材８のレーザ光透過部の形状を、レーザ光が通
過する部分だけに限定した。これにより、従来の円形窓
部材に比べて大幅に面積が減少し、窓部材に作用する荷
重を小さくすることが可能となる。

【００１５】

【実施例】以下、実施例により本発明をより具体的に説
明するが、本発明はこれに限るものではない。図１は、
本発明の第１実施例による干渉測定装置を示す概略構成
図である。第１実施例の光学系の構成は、従来の装置で
ある図５の装置とほぼ同じである。従って、図５の装置
と同様なものについては同じ符号を付す。

【００１６】光源１から射出したレーザ光束は、ビーム
スプリッタ２により、２つの光束Ａ、Ｂに分離され、そ
れぞれ移動ステージ３上に設けられた測長光用鏡４およ
び前記ビームスプリッタ２に対して固定された参照光用
鏡５に向かう。以後、光束Ａを測長光、光束Ｂを参照光
と称す。測長光用鏡４および参照光用鏡５で折り返され
た測長光および参照光は再びビームスプリッタ２上で重
なり、干渉を起こす。干渉したレーザ光は測長光用鏡４
の移動に応じて明暗を繰り返すため、この干渉光を検出
器６で受け、明暗を計数することで測長光用鏡４、すな
わちステージ３の移動距離を測定することができる。第
１実施例では測長光用鏡がレーザ波長の１／２の距離だ
け移動すると干渉光は一回明暗する。

【００１７】また、ビームスプリッタ２、参照光用鏡
５、検出器６がステージ３の移動方向に対し直角方向に
移動可能な別のステージ７上に設置されている。従っ
て、ステージ７の移動に伴い測長光はチューブ９内を移
動する。また、ビームスプリッタ２で分割された光束Ａ
と光束Ｂとがビームスプリッタ２で干渉するまでの間に
光束Ａと光束Ｂとの間の関係に空気の揺らぎ等の外乱が
影響しないように、両端に透明な窓部材８を有し、内部
を真空状態に保ったチューブ９により測長光の一部が覆
われている。尚、図１ではビームスプリッタ２と参照光
用鏡５との間の距離を短くしているため、外乱の影響が
及ぼしやすいビームスプリッタ２と測長用鏡４との間に
のみ真空チューブ９を配置した。尚、真空チューブ９内
は減圧されている。

【００１８】図２は、スリット状のレーザ光透過部１５
を有する窓部材８を示すものであり、真空チューブの窓
部材８をレーザの入射方向から見た概念図である。第１
実施例では、レーザ光透過部１５は石英ガラスで構成さ
れ、窓部材８のその他の部分はステンレス等の金属で構
成されている。尚、窓部材８のレーザ光透過部１５以外
の部分はレーザ光透過部１５よりも変形しにくいもので
あればどのようなものを用いても良い。また、窓部材８
のレーザ光透過部１５以外の部分の厚さを厚くすること
でさらに変形しにくくなる。また、レーザ光透過部１５
はあまり厚くすると荷重による厚み変化（変形の一種）
が大きくなり測長誤差は増加する。

【００１９】従来は、図６に示すように円形断面のチュ
ーブに合わせて全体がレーザ光透過部である円形の窓部
材が使用されていたのに対し、本実施例では図２に示す
ように、スリット状のレーザ光透過部１５を有する窓部
材８が用いられている。真空チューブ９の内部は真空に
してあるため窓部材８には大気圧による荷重がチューブ
の内側に向かって作用する。この荷重は窓部材の面積に
比例し、１平方センチメートル当たり１０Ｎ（１kgf ）
におよぶ。ステージ７のストロークが１００mmの場合、
従来から用いられている円形の窓部材を使用すると窓部
材の面積はおよそ１００平方センチメートルとなり、窓
部材にはおよそ１０００Ｎの荷重が作用する。この荷重
により窓部材には大きなたわみが生じる。例えば、窓部
材の厚さが１０mmの場合、たわみは窓部材中心部で２５
００nmにも達する。窓部材のたわみは、レーザの光路長
を変化させるため従来の円形窓部材を用いた場合に、nm
オーダの測長を実施しようとすると非常に大きな誤差が
生じていた。これに対し本実施例では、窓部材８をスリ
ット状の形状とすることで面積を２０平方センチメート
ル以下に減少させることが可能となった。また、スリッ
ト状の形状とすることで窓部材８の短手方向の剛性も増
加し、窓部材のたわみを最大でも数nm程度まで減少させ
ることが可能となった。

【００２０】尚、本実施例では、２つの窓部材８の両方
を図２に示されるようなスリット状のレーザ光透過部１
５を有するようにしたが、一方のみをスリット状にする
ことでも窓部材のたわみによる測長誤差を低減させるこ
とが可能であることは言うまでもない。尚、スリット上
の窓部材の形状は図２の形状に限定されるものではな
く、例えば、図３のようにスリットの端部に丸みを持た
せて加工を容易にしても良い。

【００２１】また、スリット状の窓部材にするために
は、図４のように、円形窓部材のレーザ光透過部以外の
部分に補強部材を当てても良い。尚、この補強部材１６
はステンレス等の金属を用いた。この場合に、従来の厚
さが一様である円形の窓部材の厚さを厚くし、レーザ光
が透過する領域の窓部材の厚さのみを薄くすることも同
様なことである。

【００２２】尚、本実施例では、ステージ７を移動させ
るので、ステージ７の移動に応じて真空チューブ内を通
過するレーザ光（光束Ａ）は図１の矢印Ｃの方向に移動
する。従って、本実施例では窓部材のレーザ光が通過す
る領域にのみに光透過部を有するように、光透過部をに
スリット状にしたが、真空チューブ内を通過するレーザ
光が移動しない場合には、窓部材のレーザ光が通過する
部分にのみレーザ光透過部を有すれば良い。つまり、レ
ーザ光が通過する領域に応じてレーザ光透過部を設けれ
ば良い。

【００２３】

【効果】上記したように、本発明によれば、真空チュー
ブに設けられる２つの窓部材のうち、少なくとも一方の
窓部材をレーザ光が通過する領域のみにレーザ光透過部
を有するようにすることによって、測長精度を飛躍的に
向上させることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例による干渉測定装置を示す概念
図である。

【図２】スリット状のレーザ光透過部を示す概略平面図
である。

【図３】スリット状のレーザ光透過部の別例を示す概略
平面図である。

【図４】スリット状のレーザ光透過部の別例を示す概略
平面図である。

【図５】従来の干渉測定装置を示す概念図である。

【図６】従来の真空チューブ窓部材を示す概略平面図で
ある。

【図７】窓部材の変形を示す概念図である。

【図８】窓部材の変形を計算した結果である。

【符号の説明】

１・・・レーザ光源２・・・ビームスプリッタ３・・・移動ステージ４・・・測長光用鏡５・・・参照光用鏡６・・・検出器７・・・移動ステージ８、１４・・・窓部材９・・・チューブ１０・・補強部材１１・・電気処理および表示装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ光源と、前記レーザ光源から出射
する光を２つの光に分割する分割部材と、前記２つの光
の一方の光と他方の光との相対的な位相差を可変させる
位相可変部と、前記位相可変部を通過した前記一方の光
と前記他方の光とを干渉させる干渉光学系と、前記干渉
光学系によって干渉された前記一方の光と前記他方の光
とによる干渉光束を検出する光検出器と、前記レーザ光
源と前記光検出器との間の光路の一部に配置され、両端
に前記レーザ光源の光に対して透明な窓部材を有する少
なくとも１つの真空チューブと、を有する干渉測定装置
において、前記真空チューブの少なくとも一方の端面の窓部材は該
真空チューブ内を通過するレーザ光の近傍のみにレーザ
光透過部を持つ窓部材で構成されていることを特徴とす
る干渉測定装置。
【請求項２】前記窓部材は、レーザ光透過部と、該レ
ーザ光透過部の前記真空チューブ内を通過するレーザ光
の近傍を除いた領域に設けられた補強材と、からなるこ
とを特徴とする請求項１に記載の干渉測定装置。
【請求項３】前記位相可変部は、前記分割部材に対し
て固定され、前記一方の光を反射する第１の反射面と、前記分割部材に対してその位置が可変であり、前記他方
の光を反射する第２の反射面と、から構成されることを特徴とする請求項１または２に記
載の干渉測定装置。
【請求項４】前記真空チューブは前記分割部材と前記
第２の反射面との間に配置されていることを特徴とする
請求項３に記載のレーザ干渉測長装置。
【請求項５】前記真空チューブは前記第２の反射面の
位置の移動に応じて光軸方向における前記真空チューブ
の長さが可変であることを特徴とする請求項４に記載の
干渉測定装置。
【請求項６】前記分割部材と前記第１の反射面と前記
光検出器とは前記第２の反射面の移動方向に対して垂直
な方向に移動可能なステージ上に固定されて配置されて
いることを特徴とする請求項３乃至５に記載の干渉測定
装置。
【請求項７】前記窓部材の前記レーザ透過部はスリッ
ト状の形状であることを特徴とする請求項６に記載の干
渉測定装置。