JPH08304027A

JPH08304027A - 微少変位量測定方法及び装置

Info

Publication number: JPH08304027A
Application number: JP7137498A
Authority: JP
Inventors: Masao Hirano; 雅夫平野
Original assignee: Hoya Corp
Current assignee: Hoya Corp
Priority date: 1995-05-12
Filing date: 1995-05-12
Publication date: 1996-11-22
Anticipated expiration: 2019-02-23
Also published as: JP3499044B2

Abstract

(57)【要約】【目的】計器から試料までの雰囲気の影響を受けず、
空気等のゆらぎ等の外乱により精度が低下せず、試料を
載置する盤が動いても、試料自体の表面の微少な変位を
精度よく測定する。【構成】第１の偏光とこの偏光と干渉してビートを発
生することができる第２の偏光をそれぞれ第１の被測定
面とこれに隣接する第２の被測定面に照射して、第１被
測定面から反射する第１偏光と第２被測定面から反射す
る第２偏光を干渉させて得られる第１のビート光の位相
と、第１被測定面から反射する第２偏光と第１被測定面
から反射する第１偏光を干渉させて得られる第２のビー
ト光の位相の間の差から、前記第１被測定面と第２被測
定面の間の距離差を測定することを特徴とする微少範囲
量測定方法および装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、微少変位量の測定装置
に係り、特にヘテロダイン計測法により極微少な距離を
高精度で測定する微少変位量測定装置の改良に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、精密研磨面の検査や物体の微
少変位の測定あるいは位置決めなどで必要とされる、き
わめて微少な距離を測定する方法として、光波干渉法
（２光束干渉法）、フリンジスキャン法、ヘテロダイン
法など光の干渉を利用した方法が知られている。

【０００３】光波干渉法は基準面を備えこの面からの反
射光と非測定物からの反射光とを干渉させて得られる干
渉縞により、干渉面から非測定物までと基準面までの距
離差を算出するものである。光波干渉法を用いる計器と
して、例えば、マイケルソン干渉計、フィゾー干渉計、
マッハツェンダー干渉計などがあり、表面の凹凸を計測
するための用いられる。この方法によれば、光の波長程
度の精度が容易に得られる。

【０００４】フリンジスキャン法は、非測定物が光軸方
向に微少移動することにより生ずる干渉縞の変化から非
測定物の移動を算出するものである。精度は１／５０〜
１／１００波長程度ときわめて高い。この方法も干渉縞
を生じさせるための基準面を備える必要がある。

【０００５】ヘテロダイン干渉法は、干渉する二つの光
の間に周波数偏移を与えて、両光波の周波数の差を周波
数とするビート信号を生じさせ、光ヘテロダイン検出す
ることにより、干渉縞の位相を電気信号の位相に変換し
て測定するものである。干渉縞の位相を基準点における
参照光の位相と比較することにより、光の波長の１／１
００を超える精度が得られる。

【０００６】図８は、ヘテロダイン干渉法の一例の原理
を表した図面である。図中１は反射プリズムで入射光を
直角に屈折させる。また２は無偏光ビームスプリッター
で入射光を直進する成分と垂直に屈折する成分に分割す
る。３は偏光ビームスプリッターでＳ波成分（入射面に
垂直に振動する成分）を垂直に屈折させ、Ｐ波成分（入
射面に平行に振動する成分）を透過する。４と５は１／
４波長板であって、２度透過することで偏光にπ／２の
位相差を与える。６は反射板である。７は測定対象とな
る試料面である。８と９は偏光板、１０と１１は光電素
子を有して光の強度を電気信号に変換する検出器であ
る。

【０００７】中心周波数ｆ₀からｆ₁だけ偏移して波長λ
₁を有するＰ波のみからなる直線偏光Ｅ₁が、図中左側か
ら反射プリズム１に入射して垂直下方に屈折し、無偏光
スプリッター２の図中上面から入射する。また中心周波
数ｆ₀からｆ₂だけ偏移したＳ波からなる直線偏光Ｅ
₂が、無偏光スプリッター２の直線偏光Ｅ₁が入射した面
と隣接するもうひとつの面に図中左側から入射する。直
線偏光Ｅ₁とＥ₂はそれぞれ、無偏光スプリッター２の中
で分割される。直線偏光Ｅ₁の直進成分と直線偏光Ｅ₂の
屈折成分とは、図中下方に出射し偏光板８を透過するこ
とで相互に干渉して周波数（ｆ₁−ｆ₂）を有するビート
光Ｅａを生成する。このようにして生成されたビート光
Ｅａは、検出器１０に到達して電気信号に変換される。
この電気信号が測定前における偏光の位相差の基準にな
る。

【０００８】一方、無偏光スプリッター２から図中右側
に出射するＰ波のみの直線偏光Ｅ₁とＳ波のみの直線偏
光Ｅ₂は、偏光ビームスプリッター３に左側から入射す
る。Ｐ波である直線偏光Ｅ₁は、偏光ビームスプリッタ
ー３内を直進して１／４波長板４を通過し、距離Ｌだけ
隔ったところにある試料の表面７で反射し再び１／４波
長板４を通過して結局π／２だけ位相変化しＳ波となっ
て偏光ビームスプリッター３に入射し反射膜で垂直方向
に偏向させられて下方に出射する。Ｓ波である直線偏光
Ｅ₂は、偏光ビームスプリッター３で上方に偏向され１
／４波長板５を通過し、反射鏡の表面６で反射し再び１
／４波長板５を通過することでＰ波となって、偏光ビー
ムスプリッター３に再び入射し、今度は偏光ビームスプ
リッター３内を直進して直線偏光Ｅ₁と同様に下方に出
射する。

【０００９】偏光ビームスプリッター３を下方に出射し
た直線偏光Ｅ₁とＥ₂は、無偏光スプリッター２を出射し
たものと同様に偏光板９を透過して互いに干渉して周波
数（ｆ₁−ｆ₂）を有するビート光Ｅｂを生成し、検出器
１１で電気信号に変換される。この電気信号は先の基準
電気信号と比較して、基準位置を通過した後で履歴した
二つの光波の間の光路差に対応するだけの位相差を有す
る。従って、ビート光Ｅａとビート光Ｅｂの位相差を検
出することにより、反射板６の面から試料面７までの距
離を知ることができる。

【００１０】ここで、直線偏光Ｅ₁とＥ₂をそれぞれ、下
の数式１および数式２で表すと、検出器１０の出力はビ
ート光Ｅａの強度に比例し、検出器１１の出力はビート
光Ｅｂの強度に比例するから、それぞれ数式３と数式４
のようになる。なお、α、β、α'、β'は係数、Ｅ₁ ⁱⁿ
とＥ₂ ⁱⁿはそれぞれ入射する直線偏光Ｅ₁とＥ₂の電界強
度、Ｅ₁ ⁰とＥ₂ ⁰はそれぞれの振幅である。またｔは時
間、Φ₁とΦ₂は、それぞれ直線偏光Ｅ₁とＥ₂が検出器１
０において測定した基準位置における位相と比較した位
相差であり、Φ₃とΦ₄はそれぞれ直線偏光Ｅ₁とＥ₂が検
出器１１において有する同様の位相差である。

【００１１】

【数１】Ｅ₁ ⁱⁿ＝Ｅ₁ ⁰ exp(i2π(f₀+f₁)t)

【数２】Ｅ₂ ⁱⁿ＝Ｅ₂ ⁰exp(i2π(f₀+f₂)t)

【数３】｜Ｅａ｜²＝｜αＥ₁ ⁱⁿ exp(iΦ₁)＋βＥ₂ ⁱⁿ exp(iΦ₂)｜² ＝const＋２αβＥ₁ ⁰Ｅ₂ ⁰ cos(2π(f₁-f₂)t+Φ₁-Φ₂)

【数４】｜Ｅｂ｜²＝｜α'Ｅ₁ ⁱⁿ exp(iΦ₃)＋β'Ｅ₂ ⁱⁿ exp(iΦ₄)｜² ＝const＋２α'β'Ｅ₁ ⁰Ｅ₂ ⁰ cos(2π(f₁-f₂)t+Φ₃-Φ₄)

【００１２】検出器１０の出力と検出器１１の出力の間
の位相差Φは、数式５のようになる。

【００１３】

【数５】Φ＝（Φ₁−Φ₂）−（Φ₃−Φ₄）

【００１４】上記の位相差Φ₁、Φ₂、Φ₄は測定光学系
に動きがなければ一定の定数であるが、Φ₃の値は数式
６で与えられるように試料面までの実質的な距離Ｌが変
化すると変化する。従って変化分ΔＬに比例して位相差
ΔΦ₃が変化するが、数式５から知れるように、この変
化ΔＬは二つの検出器の出力における位相の差の変動量
ΔΦを測定することにより数式７で求めることができ
る。なお、ｃは光速（３×１０⁸ｍ／ｓ）である。また
ｆ₁はｆ₀に比較して小さいからｆ₀＋ｆ₁をｆ₀に近似す
ることができる。

【００１５】

【数６】 Φ₃＝２πＬ／λ₁＝２πＬ（ｆ₀＋ｆ₁）／ｃ

【数７】ΔΦ＝２πΔＬｆ₀／ｃ

【００１６】このようにして、検出器１０の出力と検出
器１１の出力の間の位相差Φを検出して求まるΦ₃の変
動値から試料面の動きが知られる。位相差の検出は（ｆ
₁−ｆ₂）という低周波数の領域における信号処理を行え
ばよいので、容易に精度の高い測定ができる。例えば、
波長６×１０^-7ｍの光を使用すると２πの位相差はΔＬ
６×１０^-7ｍに相当することになり、サブミクロンの計
測が簡単にできる。

【００１７】上記のように、ヘテロダイン計測法は、扱
う信号が低周波であり、かつ検出する位相差が距離と比
例関係にあるという利点を有していることから、特に極
微少な変位量を測定するのに適している。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の微少変
位量測定方法および装置はいずれも基準面を計器内に備
える構造を有することから、計器から試料までの雰囲気
の影響を受けやすく、空気のゆらぎ等の外乱により測定
精度が低下することがあった。また、試料を載置する盤
が動くと盤の動きが重畳された変動を測定することにな
り、特に試料自体の表面の微少な変位を精度良く知りた
い場合に対応できなかった。従来、このような場合には
同じ測定装置を２つ用意して、一方は盤の表面変位を測
定し他方で試料の表面を測定して、二つの出力の差を取
って試料の純粋な動きを推量するなどにより対処してい
た。このような方法では、測定装置を二つ必要とするば
かりでなく、単一装置で期待できるような測定精度を得
ることが困難で、測定の目的を十分に達成することがで
きなかった。

【００１９】本発明の目的は、試料との間の雰囲気の影
響を抑えて、かつ２点間の相対的な変位量を精度良く測
定し、試料を載置する盤面が動く場合にもその動きを相
殺することができる微少変位量測定方法および装置を提
供することにある。

【００２０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の方法は、第１の偏光とその第１偏光と干渉
してビートを発生することができる第２の偏光をそれぞ
れ第１の被測定面とこれに隣接する第２の被測定面に照
射して、第１被測定面から反射する第１偏光と第２被測
定面から反射する第２偏光を干渉させて得られる第１の
ビート光の位相と、第１被測定面から反射する第２偏光
と第１被測定面から反射する第１偏光を干渉させて得ら
れる第２のビート光の位相の間の差から、第１被測定面
と第２被測定面のあいだの距離差を測定することを特徴
とする。

【００２１】また、本発明の装置は、入射する光の強度
を電気信号に変換する第１の光検出器および第２の光検
出器と、第１の偏光が入射して互いに位相が直交する２
つの偏光に分割する第１のビームスプリッターと、その
第１偏光と干渉してビートを発生することができる第２
の偏光が入射して互いに位相が直交する２つの偏光に分
割する第２のビームスプリッターと、その分割した一方
の第１偏光とこれと位相の異なる分割した第２偏光を共
に第１の被測定面に導きかつ第１被測定面から反射して
戻る第１偏光と第２偏光をそれぞれ第１の光検出器と第
２の光検出器に導く第１の偏向素子と、前記分割したも
う一方の第１偏光とこれと位相の異なる分割した第２偏
光を第２の被測定面に導きかつ第２被測定面から反射し
て戻る第１偏光と第２偏光をそれぞれ第２光検出器と第
１光検出器に導く第２の偏向素子とを備え、第１の光検
出器の出力と第２の光検出器の出力の位相差を測定する
ことを特徴とする。

【００２２】また、特に第１ビームスプリッターおよび
第２ビームスプリッターが無偏光ビームスプリッターで
あり、第１偏向素子が１／２波長板を第１偏光が入射す
る面と第２偏光が入射する面に備え１／４波長板を前記
第１被測定面に面する面に備える偏光ビームスプリッタ
ーであり、前記第２偏向素子が偏光ビームスプリッター
であることが好ましい。

【００２３】さらにまた、第１ビームスプリッターおよ
び第２ビームスプリッターが偏光ビームスプリッターで
あり、第１偏向素子および第２偏向素子が１／４波長板
を前記被測定面に面する面に備える偏光ビームスプリッ
ターであることが好ましい。なお、第１ビームスプリッ
ターおよび第２ビームスプリッターが間に１／２偏光板
を挟みそれぞれ１／４波長板を介して反射板を備えた偏
光ビームスプリッターであり、第１偏向素子と第２偏向
素子が無偏光ビームスプリッターであることが好まし
い。

【００２４】さらに、第１ビームスプリッターおよび第
２ビームスプリッターに備えられる反射板が直角プリズ
ム２個から成り、かつ第１偏向素子と第２偏向素子のい
ずれかの戻り偏光透過面に１／２波長板を備える場合に
は、より容易に目的とする装置が構成できる。

【００２５】さらに、入射する光の強度を電気信号に変
換する第１の光検出器および第２の光検出器と、第１の
偏光が光ファイバーを介して入射して２つの偏光に分割
する第１のファイバーカップラーと、第１偏光と干渉し
てビートを発生することができる第２の偏光が光ファイ
バーを介して入射して２つの偏光に分割する第２のファ
イバーカップラーと、分割した第１偏光とこれと位相の
異なる分割した第２偏光を共に第１の被測定面に導きか
つ第１被測定面から反射して戻る第１偏光と第２偏光を
それぞれ第１ファイバーカップラーと第２ファイバーカ
ップラーを介して第１の光検出器と第２の光検出器に導
く第１の偏向素子と、分割したもう一方の第１偏光とこ
れと位相の異なる分割した第２偏光を第２の被測定面に
導きかつ第２被測定面から反射して戻る第１偏光と第２
偏光をそれぞれ第２ファイバーカップラーと第１ファイ
バーカップラーを介して第２光検出器と第１光検出器に
導く第２の偏向素子とを備え、第１の光検出器の出力と
第２の光検出器の出力の位相差を測定するようにする場
合には、比較的容易に精度の高い装置を構成することが
できる。

【００２６】

【作用】本発明の微少変位量測定方法によれば、異なる
周波数と異なる位相を有する２つの偏光が、隣接する被
測定面に照射して反射し、再び分離して、異なる被測定
面に照射した異なる周波数を有する偏光同士を干渉させ
てビート光を形成せしめ、これをそれぞれの光検出器に
入力して、両者の位相差を求める。従って、被測定面と
して一方を測定したい薄膜材料表面、他方を薄膜材料を
付着した基板表面とすれば、薄膜材料の厚み変化を直接
的に得ることができる。また、測定のための２つの偏光
はいずれも隣接する被測定物表面までのほぼ同じ雰囲気
中を往復するので、電気信号の差を用いることで環境の
影響を相殺することが可能である。

【００２７】また、本発明の微少変位量測定装置によれ
ば、異なる周波数を有する２つの偏光を異なる位相を有
する２つの光線に分割して、それぞれ隣接する被測定面
に照射して反射させ、同じ光路をたどる異なる周波数を
有する２つの偏光を再び分離して、異なる被測定面に照
射した異なる周波数を有する偏光同士を合波して干渉さ
せて２つのビート光を形成せしめ、これをそれぞれの光
検出器に入力して電気信号に変換する。この光検出器の
出力間の位相差から２つの被測定面までの距離差を求め
ることができる。従って、被測定面として一方を測定し
たい薄膜材料表面、他方を薄膜材料を付着した基板表面
とすれば、単一の微少変位量測定装置により薄膜材料の
厚み変化を直接的に測定することができる。また、得ら
れる値は、環境の影響を相殺した精度の高いものとな
る。

【００２８】また、ビームスプリッターに１／２波長板
および１／４波長板並びに反射板を巧妙に組み合わせる
ことにより、より簡単な構成で本発明の微少変位量測定
方法を実施しうる装置を得ることができる。なお、ビー
ムスプリッターに備えられる反射板が直角プリズム２個
から成るものは、入射光の光路と出射光の光路が平行に
ずれて異なるため、強い光線が光学素子の同じ位置に照
射することを防ぎ焼き付きなどの不具合を避けることが
できる。さらに、光路を光ファイバーで導くようにした
ものは、測定装置の構造が簡単になり、かつ光軸の調整
等が容易になる利点がある。

【００２９】

【実施例】図１は本発明の原理を説明する図である。第
１の入射光Ｅ₁は中心周波数ｆ₀に対してｆ₁だけ偏移し
ている。また第２の入射光Ｅ₂は中心周波数ｆ₀に対して
ｆ２だけ偏移している。第１と第２の入射光は分割さ
れ、分割された第１と第２の入射光同士が互いに合波さ
れる。合波後、一方が対象１に入射し反射面Ｓ₁で反射
して距離Ｌ₁の光路を経て測定装置に戻ってくる。また
もう一方が対象２に入射し反射面Ｓ₂で反射して距離Ｌ₂
の光路を経て測定装置に戻ってくる。

【００３０】ここで、第１の入射光Ｅ₁が距離Ｌ₁の光路
を走行してＥ₁₁となったとしてこの間に生じる位相をΦ
_11、距離Ｌ₂の光路を走行してＥ₂₁となったとしてこの間
に生じる位相をΦ₂₁、第２の入射光Ｅ₂が距離Ｌ₁の光路
を走行してＥ₁₂となったとしてこの間に生じる位相をΦ
₁₂、距離Ｌ₂の光路を走行してＥ₂₂となったとしてこの
間に生じる位相をΦ₂₂とすると、数式８から数式１１の
関係が成立する。なお、λ₂は入射光Ｅ₂の波長である。

【００３１】

【数８】 Φ₁₁＝２πＬ₁／λ₁＝２πＬ₁（ｆ₀＋ｆ₁）／ｃ

【数９】 Φ₁₂＝２πＬ₁／λ₂＝２πＬ₁（ｆ₀＋ｆ₂）／ｃ

【数１０】 Φ₂₁＝２πＬ₂／λ₁＝２πＬ₂（ｆ₀＋ｆ₁）／ｃ

【数１１】 Φ₂₂＝２πＬ₂／λ₂＝２πＬ₂（ｆ₀＋ｆ₂）／ｃ

【００３２】検出器Ｍ₁は、第１の入射光Ｅ₁の反射面Ｓ
₁からの反射光と第２の入射光Ｅ₂の反射面Ｓ₂からの反
射光を干渉合波して検出する。また、検出器Ｍ₂は、第
１の入射光Ｅ₁の反射面Ｓ₂からの反射光と第２の入射光
Ｅ₂の反射面Ｓ₁からの反射光を干渉合波して検出する。

【００３３】図２は、検出器Ｍ₁とＭ₂の検出信号を表す
信号波形図である。検出器Ｍ₁で検出する信号｜Ｅａ｜²
は、図２の（ａ）のような周波数(f₁-f₂)を有する正弦
波となり、また検出器Ｍ₂で検出する信号｜Ｅｂ｜²は、
同じ周波数を有する図２の（ｂ）のような正弦波とな
る。これら正弦波は、それぞれ数式１２と１３で表さ
れ、位相Φ₁₁、Φ₁₂、Φ₂₁、Φ₂₂との関係は数式１４、
数式１５で表される。

【００３４】

【数１２】｜Ｅａ｜²＝｜Ｅ₁₁＋Ｅ₂₂｜²

【数１３】｜Ｅａ｜²＝｜Ｅ₁₂＋Ｅ₂₁｜²

【数１４】｜Ｅａ｜²＝｜Ｅ₁₁＋Ｅ₂₂｜² ＝｜Ｅ₁ ⁰ exp(ｉ2π(f₁-f₂)t+iΦ₁₁) ＋Ｅ₂ ⁰ exp(ｉ2π(f₁-f₂)t+iΦ₂₂)｜² ＝｜Ｅ₁ ⁰｜²＋|Ｅ₂₂｜²＋２Ｅ₁ ⁰Ｅ₂ ⁰ cos(2π(f₁-f₂)t+Φ₁₁-Φ₂₂)

【数１５】｜Ｅｂ｜²＝｜Ｅ₂₁＋Ｅ₂₁｜² ＝const＋２Ｅ₁ ⁰Ｅ₂ ⁰ cos(2π(f₁-f₂)t+Φ₂₁-Φ₁₂)

【００３５】さらに、適当な基準と比較して表現すると
き、検出器Ｍ₁の検出信号と検出器Ｍ₂の検出信号の位相
はそれぞれ数式１６と数式１７となり、両信号間の位相
差Φは数式１８で表される。なお、数式１６と数式１７
における最後の等式は、f₁とf₂がｆ₀より極めて小さい
ことを条件として近似的に成立する。また、λ₀は基準
周波数における波長を表す。

【００３６】

【数１６】 Φ₁₁-Φ₂₂＝ 2π(L₁/λ₁−L₂/λ₂) ＝ 2π(L₁−L₂)/λ₀

【数１７】 Φ₂₁-Φ₁₂＝ 2π(L₁/λ₁−L₂/λ₂) ＝ 2π(L₂−L₁)/λ₀

【数１８】Φ＝（Φ₁₁-Φ₂₂）−（Φ₂₁-Φ₁₂）＝ 2・2
π(L₁−L₂)/λ₀

【００３７】以上から明らかなように、この位相差Φは
上記基準の如何に関わらず、(L₁−L₂)に比例する。従っ
て、干渉縞の強度でなく強度変化の位相を測定すること
により高い測定精度を確保するヘテロダイン測定法の原
理を利用して、上記位相差Φを測定することにより、ふ
たつの被測定面の相対的な距離を非接触的に求めること
ができる。またこの方法によって近接した２つの面を同
時に測定する場合には、測定装置と試料までの光路に存
在する空気のゆらぎなどの環境に由来する外乱を相殺し
て試料自体の変位を正確に計測することができる。ま
た、試料に応力を作用させてそれによる試料の厚み変化
をみるような場合にも、応力作用中の変動をリアルタイ
ムで測定することが可能になる。

【００３８】（第１実施例）図３は、本発明の第１実施
例を示すブロック図である。図３（ａ）は全体の構成を
示す図面である。図中１は測定対象となる第１の試料
面、２は第２の試料面である。３は第１の直線偏光Ｅ₁
のための第１光源、４は第２の直線偏光Ｅ₂のための第
２光源である。第１直線偏光Ｅ₁は周波数（ｆ₀＋ｆ₁）
を有するＳ波であり、第２直線偏光Ｅ₂は周波数（ｆ₀＋
ｆ２）を有するＰ波である。実際には、各個独立の光源
を使用する代わりに、一つの光源から出射する光線を分
割して一方に周波数シフタを作用させる方法や、磁場に
よるゼーマン分裂を用いた２周波レーザなどを利用する
ことができる。５は光電素子を有する第１の光検出器で
あり、６は同じ構造を有する第２の光検出器である。１
１は第１の無偏光ビームスプリッターで入射波を直進成
分と屈折成分に分割する。１２と１３はそれぞれ入射光
を垂直に屈折させる第１および第２の直角プリズムであ
る。１４は第１の偏光ビームスプリッターでＳ波成分を
垂直に屈折させ、Ｐ波成分を透過する。第１偏光ビーム
スプリッター１４には、図中右側と下側の面にそれぞれ
第１と第２の１／２波長板１４−１と１４−２が付加さ
れていて、透過する偏光の位相をπ／２だけ変化させ
る。従って、Ｐ波が入射するときにはこれをＳ波に、Ｓ
波が入射するときにはＰ波に変換して出射させる。ま
た、図中右側面には１／４波長板１４−３が付加されて
いて、透過する直線偏光を円偏光に変える。従って、こ
の１／４波長板を２度透過するとＳ波とＰ波間の変換が
生じることになる。１５は第２の無偏光ビームスプリッ
ターで、１６は第２の偏光ビームスプリッターである。

【００３９】第１光源から発した直線偏光Ｅ₁は図中実
線で表した光路をたどって測定対象の面１と２で反射し
光検出器５と６に入射し、第２光源からの直線偏光Ｅ₂
は点線で表した光路をたどって光検出器５と６に入射す
る。従って、光検出器５と６はそれぞれ、Ｅ₁とＥ₂の干
渉波を検出することになる。

【００４０】図３（ｂ）は第１の直線偏光Ｅ₁がたどる
光路を、偏光Ｅ₁がＰ波とＳ波の間で変遷する様子と共
に示す図である。ここでＰ波の部分を光路に直交する短
い棒を付した線で表し、Ｓ波の部分を黒点を付した線で
表してある。第１光源３から発せられたＳ波からなる直
線偏光Ｅ₁は、第１無偏光ビームスプリッター１１で第
２の被測定面２に向かう直進成分と第１の被測定面１に
向かう反射成分に分割される。直進成分は第１直角プリ
ズム１２で反射し、さらに第２偏光ビームスプリッター
１６で反射して、第２測定面２に入射しここで反射し
て、同じ経路を逆にたどり第１無偏光ビームスプリッタ
ー１１でほぼ半分の光が反射して第１光検出器５に入射
する。この経路をたどる成分は終始Ｓ波のまま変化する
ことがない。

【００４１】一方、第１被測定面１に向かう反射成分は
第２直角プリズム１３で垂直に反射し、第１の１／２波
長板１４−１を透過する間にＰ波に変換した上で第１偏
光ビームスプリッター１４に入射する。偏光ビームスプ
リッターはＰ波を直進させるから、入射光線はさらに１
／４波長板１４−３を透過して円偏光光として第１被測
定面１に入射し反射して再び１／４波長板１４−３を透
過しＳ波に変換して、今度は第１偏光ビームスプリッタ
ー１４の反射膜で垂直に反射して、第２の１／２波長板
１４−２を透過する間にＰ波に変換して、第２無偏光ビ
ームスプリッター１５を透過して、第２光検出器６に入
射する。

【００４２】図３（ｃ）は第２の直線偏光Ｅ₂がたどる
光路を、偏光Ｅ₂のＰ波Ｓ波間の変遷と共に示す図であ
る。Ｐ波とＳ波の区別方法は図３（ｂ）と同じである。
第２光源４から発せられたＰ波からなる第２直線偏光Ｅ
₂は、第２無偏光ビームスプリッター１５で第２被測定
面２に向かう直進成分と第１被測定面１に向かう反射成
分に分割される。直進成分は第２偏光ビームスプリッタ
ー１６を直進し、第２被測定面２に入射しここで反射し
て、再び第２偏光ビームスプリッター１６を直進し、第
２無偏光ビームスプリッター１５でほぼ半分の光が反射
して第２光検出器６に入射する。この経路をたどる成分
は終始Ｐ波のまま変化することがない。先に説明したよ
うに、第２光検出器６に入射する第１偏光Ｅ₁はＰ波で
あるから、ここでＥ₂と干渉して周波数(f₁-f₂)を有する
ビートを発生する。

【００４３】一方、第１被測定面１に向かう屈折成分
は、第２の１／２波長板１４−２を透過する間にＳ波に
変換して第１偏光ビームスプリッター１４に入射する。
偏光ビームスプリッターはＳ波を反射するから、入射光
線はさらに１／４波長板１４−３を透過して円偏光光と
なり第１被測定面１に入射し反射して、再び１／４波長
板１４−３を透過しＰ波に変換して、今度は第１偏光ビ
ームスプリッター１４を直進し、第１の１／２波長板１
４−１を透過する間にＳ波に変換して、第２直角プリズ
ム１３で垂直に反射し、第１無偏光ビームスプリッター
１１を直進した成分が第１光検出器５に入射する。第１
光検出器５に入射する偏光Ｅ₁はＳ波であるから、ここ
で両偏光は干渉して周波数(f₁-f₂)を有するビートを発
生する。このようにして第１と第２光検出器で検出され
るふたつのビート光の間の位相差から第１と第２の被測
定面の相対的な距離を求めることができる。

【００４４】従って、例えば基板上に形成した薄膜試料
の厚みを測定したいにもかかわらず、基板の表面自体が
何らかの変動をして薄膜の測定が困難なときにも、第１
被測定面を試料表面とし、第２被測定面を試料を搭載し
た盤面として、本発明の微少変位量測定装置を用いれ
ば、薄膜試料の実質的な厚み変動を直接に得ることがで
きる。また、特に薄膜に外力を作用させてその影響を測
定する場合などには、基板部分に対する外力の影響を排
除して薄膜自体の変動を直接得ることができるという優
れた計測装置を提供することができる。

【００４５】（第２実施例）図４は本発明の第２の実施
例を説明するブロック図である。図中７は第１の偏光Ｅ
₁のための第１光源、８は第２の偏光Ｅ₂のための第２光
源である。第１偏光Ｅ₁は周波数（ｆ₀＋ｆ₁）を有し、
第２偏光Ｅ₂は周波数（ｆ₀＋ｆ２）を有するが、いずれ
もＰ波とＳ波を含んでいる。５は第１の光検出器、６は
第２の光検出器であり第１実施例のものと同様である。
また、１は実質的距離Ｌ₁を有する測定対象となる第１
の試料面、２は距離Ｌ₂のところにある第２の試料面で
ある。第１光源７から発生する第１偏光Ｅ₁と第２光源
８から発生する第２偏光Ｅ₂は、測定装置内に構成され
る以下に説明する光学素子２１〜３１と第１試料面１、
第２試料面２の間に形成される光路を経てビート光とし
て第１光検出器５と第２光検出器６に到達する。両検出
器の出力信号間の位相差を求めることにより、第１試料
面と第２試料面の間の相対的距離（Ｌ₁−Ｌ₂）が得られ
る。なお、図中第１偏光Ｅ₁の光路を実線で、また第２
偏光Ｅ₂の光路を破線で表現している。

【００４６】第１偏光Ｅ₁は第１光源７から放射され、
第１の偏光ビームスプリッター２１に入射し、ここで直
進するＰ波成分と垂直に反射して図中下方に進行するＳ
波成分に分割される。直進するＰ波はさらに第１の無偏
光ビームスプリッター２２に入射し、一部が直進して第
２の偏光ビームスプリッター２３に入射し、直進して第
２偏光ビームスプリッターに隣り合う１／４波長板を透
過し第１試料面１で反射して、再び１／４波長板を透過
し、第２偏光ビームスプリッター２３に入射する。第１
試料面から反射してきた第１偏光Ｅ₁は、結局位相がπ
／２だけ変化してＳ波に変化するため、第２偏光ビーム
スプリッター２３では図中下方に反射する。この偏光ス
プリッターを透過した第１偏光Ｅ₁は、第２の無偏光ビ
ームスプリッター２４と第３の無偏光ビームスプリッタ
ー２５を直進してＳ波として第２光検出器６に到達す
る。

【００４７】一方、第１偏光ビームスプリッター２１で
垂直に屈折したＳ波は第１の反射鏡２６で反射して第３
無偏光ビームスプリッター２５を一部が直進し、第２の
反射鏡２７で図中下方に反射して第３の偏光ビームスプ
リッター２８に入射する。第１偏光Ｅ₁はここではＳ波
であるから第２試料面２に向かって屈折し、１／４波長
板を透過し第２試料面２で反射して戻り、再び１／４波
長板を透過し、第３偏光ビームスプリッター２８に入射
する。第１偏光Ｅ₁は今度はＰ波であるから第３偏光ビ
ームスプリッター２８を直進して第４の無偏光ビームス
プリッター２９で反射してＰ波として第１光検出器５に
到達する。

【００４８】また、第２偏光Ｅ₂は第２光源８から放射
され、第４の偏光ビームスプリッター３０に入射し、こ
こで直進するＰ波成分と垂直に反射して図中上方に進行
するＳ波成分に分割される。直進するＰ波はさらに第４
無偏光ビームスプリッター２９を直進して第３偏光ビー
ムスプリッター２８に入射し、直進してそこに付与され
ている１／４波長板を透過し第２試料面２に入射しそこ
で反射して戻り、再び１／４波長板を透過してＳ波に変
化した上で第３偏光ビームスプリッター３０に入射して
図中上方に反射する。この偏光ビームスプリッター２８
を屈折した第２偏光Ｅ₂は、第２反射鏡２７で図中左方
に偏向し、さらに第３無偏光ビームスプリッター２５で
図中下方に反射してＳ波として第２光検出器６に到達す
る。このようにして第２試料面から反射してきたＳ波で
ある第２偏光Ｅ₂は、第１試料面から反射してきたＳ波
である第１偏光Ｅ₁と、第２光検出器４２で干渉して周
波数(f₁-f₂)を有するビートを生ずる。

【００４９】一方、第４偏光ビームスプリッター３０で
垂直図中上方に屈折した第２偏光Ｅ₂のＳ波成分は第３
の反射鏡３１で図中右方に反射して第２無偏光ビームス
プリッター２４に入射し、一部が図中上方に反射して、
第２偏光ビームスプリッター２３に入射する。ここにお
ける第２偏光Ｅ₂はＳ波であるから第１試料面１に向か
って反射し、１／４波長板を透過し第１試料面１で反射
して戻り、再び１／４波長板を透過し、第２偏光ビーム
スプリッター２３に入射する。第２偏光Ｅ₂は今度はＰ
波に変わっているから第２偏光ビームスプリッター２３
を直進して第１無偏光ビームスプリッター２９で一部が
反射してＰ波として第１光検出器５に到達する。このよ
うにして第１試料面から反射してきた第２偏光Ｅ₂と第
２試料面から反射してきた第１偏光Ｅ₁は、第１光検出
器４１に到達するときはいずれもＰ波であるから検出器
のところで周波数(f₁-f₂)を有するビート光を生ずる。
このようにして第１光検出器で検出されるビート光と第
２光検出器で検出されるビート光の間の位相差から第１
と第２の被測定面の相対的な距離（Ｌ₁−Ｌ₂）を得るこ
とができる。

【００５０】（第３実施例）図５は本発明の第３の実施
例を説明するブロック図である。第３実施例は、第１偏
光と第２偏光に円偏光光を用いた場合である。図中９は
第１の偏光Ｅ₁のための第１光源、１０は第２の偏光Ｅ₂
のための第２光源である。第１偏光Ｅ₁は周波数（ｆ₀＋
ｆ₁）、第２偏光Ｅ₂は周波数（ｆ₀＋ｆ２）を有し、円
偏光光である。５は第１の光検出器、６は第２の光検出
器であり第１実施例のものと同様である。また、１は実
質的距離Ｌ₁を有する第１試料面、２は距離Ｌ₂のところ
にある第２試料面である。第１光源９から発生する第１
偏光Ｅ₁と第２光源１０から発生する第２偏光Ｅ₂は、測
定装置内の光学素子４１〜５０と第１試料面１、第２試
料面２の間に形成される光路を経てビート光として第１
光検出器５と第２光検出器６に到達する。図中第１偏光
Ｅ₁の光路を実線で、また第２偏光Ｅ₂の光路を破線で表
現している。

【００５１】円偏光光である第１偏光Ｅ₁は第１光源９
から放射され、第１の反射鏡４１で垂直図中下方に反射
して第１の偏光ビームスプリッター４２に入射し、直進
するＰ波成分と垂直に反射するＳ波成分に分割される。
第１偏光ビームスプリッター４２で垂直に反射して図中
右方に進行するＳ波は第１の無偏光ビームスプリッター
４３を一部が直進し、実質的に距離Ｌ₁を有する第１試
料面１に当たって反射し、再び第１無偏光ビームスプリ
ッター４３に戻り一部が図中下方に反射して第２の無偏
光ビームスプリッター４４を透過して第２の偏光ビーム
スプリッター４５で図中左方に反射してＳ波として第１
光検出器５に入射する。

【００５２】一方、第１偏光ビームスプリッター４２で
直進したＰ波は１／２波長板４６を透過する間に位相が
π／２だけ変化してＳ波に変化し、第３の偏光ビームス
プリッター４７に入射して反射膜で図中左方に反射す
る。第３偏光ビームスプリッター４７には左方側面に１
／４波長板を介して反射板が付加されている。従って、
反射した第１偏光Ｅ₁のＳ波成分はＰ波に変化して戻っ
てきて今度は第３偏光ビームスプリッター４７を図中右
方に直進する。この第１偏光Ｅ₁は第３の無偏光ビーム
スプリッター４８を透過して第２試料面２に投射して反
射し、戻って来た一部が第３無偏光ビームスプリッター
４８で図中下方に反射し、さらに第２の反射鏡４９で左
方に反射して第２無偏光ビームスプリッター４４で一部
下方に反射し、第２偏光ビームスプリッター４５を直進
してＰ波として第２光検出器６に入射する。

【００５３】第２光源１０から放射される第２偏光Ｅ₂
についても、第１偏光Ｅ₁と対称の関係にあって、上の
説明とほぼ同じである。すなわち、第２偏光Ｅ₂は第２
光源１０から放射され、第３の反射鏡５０で垂直図中上
方に反射して第３の偏光ビームスプリッター４７に入射
し、Ｐ波成分とＳ波成分に分割される。第３偏光ビーム
スプリッター４７で垂直に反射して図中右方に進行する
Ｓ波は第３無偏光ビームスプリッター４８を直進し、第
２試料面２で反射して戻り、第３無偏光ビームスプリッ
ター４８で一部が図中下方に反射して、さらに第２反射
鏡４９で左方に反射して第２無偏光ビームスプリッター
４４で一部下方に反射し、第２偏光ビームスプリッター
４５で垂直に図中左方に反射してＳ波として第１光検出
器５に入射する。ここで第１試料面で反射してきたＳ波
成分の第１偏光Ｅ₁と干渉してビート光を生成する。第
１検出器はこのビート光を入射してこの強度に対応する
電気信号を発生する。

【００５４】一方、第３偏光ビームスプリッター４７で
直進したＰ波は１／２波長板４６を透過する間に位相が
π／２だけ変化してＳ波に変化し、第１偏光ビームスプ
リッター４２に入射して反射膜で図中左方に反射する。
第１偏光ビームスプリッター４２も第３偏光ビームスプ
リッター４７と同様に左方側面に１／４波長板を介して
反射板が付加されている。従って、屈折した第２偏光Ｅ
₂のＳ波成分はＰ波に変化して戻ってきて第１偏光ビー
ムスプリッター４２を図中右方に直進する。この第２偏
光Ｅ₂は第１無偏光ビームスプリッター４３を透過して
第１試料面１で反射し、戻って来た一部が第１無偏光ビ
ームスプリッター４３で図中下方に反射され、第２無偏
光ビームスプリッター４４を一部直進し、第２偏光ビー
ムスプリッター４５を直進してＰ波として第２光検出器
６に入射する。第２光検出器６は上記第１試料面で反射
してきてＰ波成分となった第２偏光Ｅ₂と第２試料面で
反射してきたＰ波成分の第１偏光Ｅ₁とが干渉して生成
されるビート光から、その強度に対応する電気信号を発
生する。上記説明により明らかな通り、第３実施例にお
いても第１光検出器の出力信号と第２光検出器の出力信
号の間の位相差から第１と第２の被測定面の相対的な距
離（Ｌ₁−Ｌ₂）を得ることができる。

【００５５】（第４実施例）図６は本発明の第４の実施
例を説明するブロック図である。第４実施例は、第１偏
光と第２偏光に円偏光光を用いたさらに別の構成の場合
である。第４実施例が第３実施例と大きく異なる点は、
図５における第１偏光ビームスプリッター４２と第３偏
光ビームスプリッター４７にそれぞれ付加される反射板
の代わりに、直角プリズムを二つ組み合わせてコーナー
キューブと同じような機能を持たせた反射器を用いて、
光学素子面上の同じ点に強い照射が集中しないようにす
ると共に、光軸の調整が容易にできるようにしたこと
と、第１無偏光ビームスプリッター４３と第３無偏光ビ
ームスプリッター４８の一方の出射面に１／２波長板を
設けて、第２偏光ビームスプリッター４５を省略し構造
を簡単化したことである。

【００５６】以下、図６に従って説明する。図５と同
様、図中１は第１試料面、２は第２試料面、５は第１光
検出器、６は第２光検出器、９は第１偏光Ｅ₁のための
第１光源、１０は第２偏光Ｅ₂のための第２光源であ
る。第１偏光Ｅ₁と第２偏光Ｅ₂は、測定装置内の光学素
子６１〜７４と第１試料面１、第２試料面２の間に形成
される光路を経てビート光として第１光検出器５と第２
光検出器６に到達する。図中、第１偏光Ｅ₁の光路を実
線で、また第２偏光Ｅ₂の光路を破線で表現している。

【００５７】円偏光光である第１偏光Ｅ₁は第１光源９
から放射され、第１の反射鏡６１で図中下方に反射して
第１偏光ビームスプリッター６２に入射し、直進するＰ
波成分と垂直に反射するＳ波成分に分割される。第１偏
光ビームスプリッター６２で垂直に反射して図中右方に
進行するＳ波は第１無偏光ビームスプリッター６３を一
部が直進し、第１試料面１で反射し、再び第１無偏光ビ
ームスプリッター６３に戻り一部が図中下方に反射して
第２偏光ビームスプリッター６４に入射し、図中左方に
反射しＳ波として第１の偏光板６５を透過し、第１光検
出器５に入射する。

【００５８】一方、第１偏光ビームスプリッター６２で
直進したＰ波は１／２波長板６６を透過する間にＳ波に
変化し、第３偏光ビームスプリッター６７に入射して図
中左方に屈折し、第１の１／４波長板６８を介して第１
の反射器６９で２回反射して戻り、さらに第１の１／４
波長板６８を透過して再びＰ波となって、第３偏光ビー
ムスプリッター６７に入射する。ここで、第１反射器は
直角プリズムを二つ組み合わせて入射光が一方のプリズ
ムから他方のプリズムに反射して入射方向に反射するよ
うな構造になっている。したがって入射位置と出射位置
が異なり光軸が平行に移動するため、強い光線を用いる
場合にも光学素子面上の同じ点に強い照射が集中しない
ようにすることができる。また、このような素子を光路
中に備えることにより光軸の調整が容易になる。第３偏
光ビームスプリッター６７に入射した第１偏光Ｅ₁は、
今度は第３偏光ビームスプリッター４７を図中右方に直
進し、第２無偏光ビームスプリッター７０を透過して第
２試料面２で反射し、第２無偏光ビームスプリッター７
０に戻って来る。戻って来た偏光の一部が第２無偏光ビ
ームスプリッター７０で図中下方に反射され、第２無偏
光ビームスプリッター７０に付された１／２波長板を透
過してＳ波に変化する。Ｓ波に変化した第１偏光Ｅ
₁は、さらに第２の反射鏡７１で図中左方に反射して第
２偏光ビームスプリッター６４で下方に反射し、第２の
偏光板７２を透過し、第２光検出器６に入射する。

【００５９】第２偏光Ｅ₂についても、第１偏光Ｅ₁とほ
ぼ対称の関係にある。すなわち、第２偏光Ｅ₂は第２光
源１０から放射され、第３偏光ビームスプリッター６７
に入射し、Ｐ波成分とＳ波成分に分割される。第３偏光
ビームスプリッター６７で反射して図中右方に進行する
Ｓ波は第２無偏光ビームスプリッター７０を直進し、第
２試料面２で反射して戻り、第２無偏光ビームスプリッ
ター７０で反射して１／２波長板を透過してＰ波に変化
して、第２反射鏡７１、第２無偏光ビームスプリッター
６４、第１偏光板６５を透過し、第１光検出器５に入射
する。ここで、第１偏光板６５により、第２試料面２で
反射したＰ波である第２偏光Ｅ₂と第１試料面１で反射
したＳ波である第１偏光Ｅ₁が干渉してビート光を生成
する。第１検出器はこのビート光を入射してこの強度に
対応する電気信号を発生する。

【００６０】一方、第３偏光ビームスプリッター６７で
直進したＰ波は、１／２波長板６６を透過してＳ波に変
化し、第１偏光ビームスプリッター６２に入射して図中
左方に反射し、第２の１／４波長板７３を介して第２の
反射器７４で２回反射し、第２の１／４波長板７３を透
過して再びＰ波となって、第１偏光ビームスプリッター
６２を直進して、第１無偏光ビームスプリッター６３を
透過して第１試料面１で反射し、第１無偏光ビームスプ
リッター６３で図中下方に反射され、第２偏光ビームス
プリッター６４を直進して、第２の偏光板７２を透過し
第２光検出器６に入射する。ここで、第２偏光板７２に
より、第１試料面１で反射したＰ波である第２偏光Ｅ₂
と第２試料面２で反射したＳ波である第１偏光Ｅ₁が干
渉してビート光を生成する。第２検出器はこのビート光
を入射してこの強度に対応する電気信号を発生する。こ
のようにして、より簡単で調整が容易な構造を有し、第
１被測定面と第２被測定面の相対的な距離（Ｌ₁−Ｌ₂）
を得ることができる装置を提供することができる。

【００６１】（第５実施例）図７は本発明の第５の実施
例を説明するブロック図である。第５実施例は、光路を
光ファイバーで構成することによって、構成要素の数と
光学的な要求精度を低減するものである。図中１は第１
試料面、２は第２試料面、５は第１光検出器、６は第２
光検出器、９は第１偏光Ｅ₁のための第１光源、１０は
第２偏光Ｅ₂のための第２光源である。第１偏光Ｅ₁は周
波数（ｆ₀＋ｆ₁）、第２偏光Ｅ₂は周波数（ｆ₀＋ｆ２）
を有する。８１は第１のファイバーカップラーで一方の
端子から入力した光が分割されて他方の２つの端子から
出力する。８２は第１の偏光ビームスプリッター、８３
は第２のファイバーカップラー、８４は第２の偏光ビー
ムスプリッターである。第１光源９から出射された第
１偏光Ｅ₁は光ファイバーで第１ファイバーカップラー
８１に導かれ、ここでふたつの光路に分割されて各々光
ファイバーに導入される。各光ファイバーは、それぞれ
第１偏光ビームスプリッター８２と第２偏光ビームスプ
リッター８４に分割された偏光を導く。

【００６２】第１偏光ビームスプリッター８２の前には
偏光板が備えられていて、第１偏光Ｅ₁が第１偏光ビー
ムスプリッター８２を透過するようにこの偏光板で調整
する。透過した偏光は第１試料面１に照射して反射し
て、再び第１偏光ビームスプリッター８２に戻ってくる
が、この光路中には１／４波長板が備えられているた
め、戻って来た第１偏光Ｅ₁は位相がπ／２だけ変化し
ており、今度は図中下方に反射する。この第１偏光Ｅ₁
は先の偏光板と位相を異にする偏光板を透過して、第２
ファイバーカップラー８３に導く光ファイバーに入射す
る。この第１偏光Ｅ₁の一部は第２ファイバーカップラ
ー８３で第２光検出器６に導かれる。

【００６３】また、第２偏光ビームスプリッター８４に
導かれる第１偏光Ｅ₁も同様にスプリッター全面に設け
られた偏光板で直進するように調整されて出射し、第２
試料面２で反射して第２偏光ビームスプリッター８４に
戻る。第２偏光ビームスプリッター８４には１／４波長
板が備えられていないため、戻って来た第１偏光Ｅ₁は
第２偏光ビームスプリッター８４を直進して、同じ偏光
板を透過し第１ファイバーカップラー８１を介して第１
光検出器５に入射する。

【００６４】一方、第２光源１０から出射された第２偏
光Ｅ₂は、光ファイバーで第２ファイバーカップラー８
３に導かれふたつに分割されて光ファイバーを経由し、
それぞれ第１偏光ビームスプリッター８２と第２偏光ビ
ームスプリッター８４に導かれる。第１偏光ビームスプ
リッター８２に投射する第２偏光Ｅ₂は、第１偏光ビー
ムスプリッター８２前面に設けられた偏光板で第１偏光
ビームスプリッター８２で図中右方に反射するように調
整され、１／４波長板を介して第１試料面に投射されて
反射し、再び１／４波長板を介して第１偏光ビームスプ
リッター８２に入射する。第２偏光Ｅ₂は、位相は変化
しているため今度は直進して偏光板を透過し、第１ファ
イバーカップラー８１を介して第１光検出器５に入射す
る。

【００６５】また、第２偏光ビームスプリッター８４に
導かれる第２偏光Ｅ₂も、同様にスプリッター全面に設
けられた偏光板で反射するように調整されて出射し、第
２試料面２で反射して第２偏光ビームスプリッター８４
に戻る。第２偏光ビームスプリッター８４には１／４波
長板が備えられていないため、戻って来た第２偏光Ｅ₂
は第２偏光ビームスプリッター８４で反射して同じ光路
をを戻り、同じ偏光板を透過し第２ファイバーカップラ
ー８３を介して第２光検出器６に入射する。

【００６６】このようにして、第１光検出器５において
第１試料面で反射した第２偏光Ｅ₂と第２試料面で反射
した第１偏光Ｅ₁のビート光を検出し、第２光検出器６
において第１試料面で反射した第１偏光Ｅ₁と第２試料
面で反射した第２偏光Ｅ₂のビート光を検出するので、
これら検出信号から第１試料面と第２試料面の間の相対
的な距離を知ることができる。

【００６７】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明の微少変位量
測定装置は、可干渉性を有する２つの光線を２つの対象
に照射してビート光を発生せしめ、２つのビート光の位
相差に基づいて２つの対象の間の距離差を測定するか
ら、単一の測定装置により２つの物体間の相対的変位量
を測定することができる。また、測定装置と被測定試料
との間の光路中に存在しうる温度や空気の移動あるいは
蒸気などの雰囲気変動に影響を受けず正確な測定が可能
になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理を説明する図である。

【図２】検出器Ｍ１とＭ２の検出信号を表す信号波形図
である。

【図３】本発明の第１実施例を示すブロック図である。

【図４】本発明の第２実施例を示すブロック図である。

【図５】本発明の第３実施例を示すブロック図である。

【図６】本発明の第４実施例を示すブロック図である。

【図７】本発明の第５実施例を示すブロック図である。

【図８】ヘテロダイン干渉法の一例の原理を表した図面
である。

【符号の説明】

１、２試料面３、４直線偏光光源５、６光検出器７、８Ｐ波とＳ波を含む偏光光源９、１０円偏光光源１１、１５、１６無偏光ビームスプリッター１２、１３反射鏡１４偏光スプリッター２１、２３、３０、３２偏光スプリッター２２、２４、２５、２９無偏光スプリッター２６、２７、２７反射鏡４１、４９、５０反射鏡４２、４５、４７偏光スプリッター４３、４４、４８無偏光スプリッター６１、７１反射鏡６２、６４、６７偏光スプリッター６３、７０無偏光スプリッター６５、７２偏光板６８、７３１／４波長板６９、７４反射器８１、８３ファイバーカップラー８２、８４偏光ビームスプリッター

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１の偏光と該第１偏光と干渉してビー
トを発生することができる第２の偏光をそれぞれ第１の
被測定面とこれに隣接する第２の被測定面に照射して、
第１被測定面から反射する第１偏光と第２被測定面から
反射する第２偏光を干渉させて得られる第１のビート光
の位相と、第１被測定面から反射する第２偏光と第１被
測定面から反射する第１偏光を干渉させて得られる第２
のビート光の位相の間の差から、前記第１被測定面と第
２被測定面のあいだの距離差を測定する微少変位量測定
方法。
【請求項２】入射する光の強度を電気信号に変換する
第１の光検出器および第２の光検出器と、第１の偏光が
入射して互いに位相が直交する２つの偏光に分割する第
１のビームスプリッターと、該第１偏光と干渉してビー
トを発生することができる第２の偏光が入射して互いに
位相が直交する２つの偏光に分割する第２のビームスプ
リッターと、前記分割した一方の第１偏光とこれと位相
の異なる分割した第２偏光を共に第１の被測定面に導き
かつ該第１被測定面から反射して戻る第１偏光と第２偏
光をそれぞれ第１の光検出器と第２の光検出器に導く第
１の偏向素子と、前記分割したもう一方の第１偏光とこ
れと位相の異なる分割した第２偏光を第２の被測定面に
導きかつ該第２被測定面から反射して戻る第１偏光と第
２偏光をそれぞれ前記第２光検出器と第１光検出器に導
く第２の偏向素子とを備え、第１の光検出器の出力と第
２の光検出器の出力の位相差を測定する微少変位量測定
装置。
【請求項３】前記第１ビームスプリッターおよび第２
ビームスプリッターが無偏光ビームスプリッターであ
り、前記第１偏向素子が１／２波長板を第１偏光が入射
する面と第２偏光が入射する面に備え１／４波長板を前
記第１被測定面に面する面に備える偏光ビームスプリッ
ターであり、前記第２偏向素子が偏光ビームスプリッタ
ーである請求項２記載の微少変位量測定装置。
【請求項４】前記第１ビームスプリッターおよび第２
ビームスプリッターが偏光ビームスプリッターであり、
前記第１偏向素子および第２偏向素子が１／４波長板を
前記被測定面に面する面に備える偏光ビームスプリッタ
ーである請求項２記載の微少変位量測定装置。
【請求項５】前記第１ビームスプリッターおよび第２
ビームスプリッターが間に１／２偏光板を挟みそれぞれ
１／４波長板を介して反射板を備えた偏光ビームスプリ
ッターであり、前記第１偏向素子と第２偏向素子が無偏
光ビームスプリッターである請求項２記載の微少変位量
測定装置。
【請求項６】前記第１ビームスプリッターおよび第２
ビームスプリッターに備えられる反射板が直角プリズム
２個から成り入射位置と出射位置を変えることができる
ものであり、かつ前記第１偏向素子と第２偏向素子のい
ずれかの戻り偏光透過面に１／２波長板を備える請求項
５記載の微少変位量測定装置。
【請求項７】入射する光の強度を電気信号に変換する
第１の光検出器および第２の光検出器と、第１の偏光が
光ファイバーを介して入射して２つの偏光に分割する第
１のファイバーカップラーと、該第１偏光と干渉してビ
ートを発生することができる第２の偏光が光ファイバー
を介して入射して２つの偏光に分割する第２のファイバ
ーカップラーと、前記分割した第１偏光とこれと位相の
異なる分割した第２偏光を共に第１の被測定面に導きか
つ該第１被測定面から反射して戻る第１偏光と第２偏光
をそれぞれ第１ファイバーカップラーと第２ファイバー
カップラーを介して第１の光検出器と第２の光検出器に
導く第１の偏向素子と、前記分割したもう一方の第１偏
光とこれと位相の異なる分割した第２偏光を第２の被測
定面に導きかつ該第２被測定面から反射して戻る第１偏
光と第２偏光をそれぞれ第２ファイバーカップラーと第
１ファイバーカップラーを介して前記第２光検出器と第
１光検出器に導く第２の偏向素子とを備え、第１の光検
出器の出力と第２の光検出器の出力の位相差を測定する
微少変位量測定装置。