JPH09250902A

JPH09250902A - 光波干渉測定装置

Info

Publication number: JPH09250902A
Application number: JP8058818A
Authority: JP
Inventors: Hirochika Shinjiyou; 啓慎新城; Jun Kawakami; 潤川上
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1996-03-15
Filing date: 1996-03-15
Publication date: 1997-09-22

Abstract

(57)【要約】【課題】光束の光路変動を抑制して測定誤差を低減する
ことができる光波干渉測定装置を提供する。【解決手段】光路変動検出部１００ａ〜１００ｃを、光
源３０１〜ＰＢＳ１５０間、ＰＢＳ１５０〜移動鏡１２
０間、ＰＢＳ１５１〜固定鏡１２１間に各々配置する。
光路変動検出部１００ａは、光源３０１からの光束を分
離するＢＳとＢＳで分離された光束を更に分離するＰＢ
Ｓと分離された光を各々受光する２つのレシーバとを有
する。光路変動検出部１００ｂ、１００ｃは、光源３０
１からの光束を分離するＢＳとＢＳで分離された光束を
受光するレシーバとを各々有する。上記４つのレシーバ
での受光位置を基に各光の光路変動を光路変動算出装置
４１０で求め、求めた変動量を参照して、光束の光路変
動を補正鏡で補正する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、物体の長さ、変
位、密度等を高精度に測定するための光波干渉測定装置
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】物体の長さ、変位、密度等の測定を行な
うための光波干渉測定装置の代表的な例として、ヘテロ
ダイン式干渉測長機を図１２に示す。

【０００３】図１２において、光源部６０１は、周波数
ｆ5の光と、周波数ｆ5’の光とを含む光束を出射する。
この二つの光は、互いに周波数がわずかに異なり、偏光
方位が直交している。

【０００４】光源部６０１から出射された光束は、偏光
ビームスプリッタ７５０により上記二つの光の偏光方位
に応じて分離されて、周波数ｆ5の光は測長光路上にあ
る移動鏡７２０に導かれ、周波数ｆ5’の光は参照光路
上にある固定鏡７２１に導かれる。尚、移動鏡７２０
は、ステージ７２３上に設置されており、測長光路の光
軸方向（図１２の矢印Ｄの方向）に変位する。

【０００５】移動鏡７２０及び固定鏡７２１で反射され
た光束は、偏光ビームスプリッタ７５０で再び結合さ
れ、その後、偏光子付きのレシーバ８１１に入力する。
レシーバ８１１の偏光子は、図示していないが、上記二
つの光の偏光方位に対し４５度傾いて設けられている。
これにより、測長光路を通ってきた周波数ｆ5の光と、
参照光路を通ってきた周波数ｆ5’の光は、この偏光子
を通過した後干渉し、その後、光電変換されて周波数ｆ
5と周波数ｆ5’の差（ｆ5−ｆ5’）に応じたビートシグ
ナルを生じさせる。このビートシグナルは、移動鏡７２
０の変位に応じて位相が変化し、測定信号として演算装
置９０３に出力される。

【０００６】また、光源部６０１から出射された光束
は、ビームスプリッタ７３０によりその一部が取り出さ
れ、その後、この取り出された光束が偏光子付きのレシ
ーバ８１０に入力する。レシーバ８１０の偏光子は、図
示していないが、レシーバ８１１と同様に、上記二つの
光の偏光方位に対し４５度傾いて設けられている。これ
により、光源から出射された直後の周波数ｆ5の光と周
波数ｆ5’の光は、この偏光子を通過した後干渉し、そ
の後、光電変換されて周波数ｆ5と周波数ｆ5’の差（ｆ
5−ｆ5’）に応じたビートシグナルを生じさせる。この
ビートシグナルは、参照信号として演算装置９０３に出
力される。

【０００７】演算装置９０３は、参照信号に対する測定
信号の位相変化に基づいて、ステージ７２３の矢印方向
の変位を演算する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、この種の光
波干渉測定装置では、光源から出射される光束の出射角
度が変動し、光路が変動することがある。このため、従
来の光波干渉測定装置では、このような変動が生ずると
測定誤差が発生するという問題がある。一例を図１３に
示す。

【０００９】図１３は図１２に示したヘテロダイン式干
渉測長機の構成の一部を示す。ここで、光源部６０１か
ら移動鏡７２０を経て干渉面（レシーバ８１１の偏光子
の面）Ｐに達する光束の光路長をＬ_M、光源部６０１か
ら固定鏡８２１を経て干渉面Ｐに達する光束の光路長を
Ｌ_Rとする。

【００１０】図１３において、移動鏡７２０に向かう周
波数ｆ5の光束の出射角度がθ_M変化し、固定鏡７２１に
向かう周波数ｆ5’の光束の出射角度がθ_R変化したとす
ると、干渉面Ｐでは、２つの光束が相対的に傾くため、
（式１）で与えられる測定誤差Ｅ_HTが生ずる。

【００１１】

【数１】

【００１２】また、一つの周波数の光束で測長を行なう
ホモダイン方式の場合は、光束の出射角度の変化をθ_S
とすると、（式１）においてθ_Mとθ_Rにθ_Sを代入した
ものが測定誤差Ｅ_HOとなる。

【００１３】

【数２】

【００１４】これらの誤差は、ステージ７２３が静止し
ている状態でも発生する。高精度に測長を行なう場合、
これらの誤差は無視することができない量となる。

【００１５】本発明は上記事情に基づいてなされたもの
であり、光源から出射された光束の光路変動を抑制する
ことができる光波干渉測定装置を提供することを目的と
するものである。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に請求項１記載の発明は、光源と、前記光源から出射さ
れた光束を光を反射する対象物に導くと共に、前記対象
物で反射された光束に基準となる光束を重ね合わせて干
渉光を発生させる光学系と、前記光学系で発生した干渉
光を検出する干渉光検出手段と、前記干渉光検出手段の
結果に基づいて前記対象物の測定値を算出する測定値算
出手段と、を具備する光波干渉測定装置であって、前記
光源から出射された光束の光路変動を検出する光路変動
検出手段と、前記光路変動検出手段で検出された光路変
動量を参照して、前記光源から出射された光束の光路変
動を補正する光路変動補正手段と、を有することを特徴
とするものである。

【００１７】請求項２記載の発明は、請求項１記載の発
明において、前記光路変動補正手段が、前記光源から出
射された光束の光路が一定となるように、当該光束の光
路変動を補正することを特徴とするものである。

【００１８】請求項３記載の発明は、請求項１又は２記
載の発明において、前記光路変動検出手段が、前記光源
から出射された光束の一部を分離する複数の光束分離手
段と、各前記光束分離手段によって分離された複数の光
束を各々受光する複数の受光手段と、前記受光手段にお
ける前記複数の光束各々の受光位置に基づいて、前記光
源から出射された光束の光路変動を求める光路変動算出
手段と、を有することを特徴とするものである。

【００１９】請求項４記載の発明は、請求項１、２又は
３記載の発明において、前記光学系が、前記光源から出
射された光束の一部を固定鏡に導くと共に残りの光束を
前記対象物に導く分離手段を有するものであり、前記基
準となる光束が、前記固定鏡で反射された光束であるこ
とを特徴とするものである。

【００２０】請求項５記載の発明は、請求項４記載の発
明において、前記複数の光束分離手段が、前記光源と前
記分離手段との間に配置された第一の光束分離手段と、
前記分離手段と前記干渉光検出手段との間に配置された
第二の光束分離手段とから成ることを特徴とするもので
ある。

【００２１】請求項６記載の発明は、光源部と、前記光
源部から出射された光束を光を反射する対象物に導くと
共に、前記対象物で反射された光束に基準となる光束を
重ね合わせて干渉光を発生させる光学系と、前記光学系
で発生した干渉光を検出する干渉光検出手段と、前記干
渉光検出手段の結果に基づいて前記対象物の測定値を算
出する測定値算出手段と、を具備する光波干渉測定装置
であって、前記光源部は、周波数の異なる複数の光を含
む光束を出射するものであり、前記光源部から出射され
た光束の光路変動を前記周波数の異なる光毎に検出する
光路変動検出手段と、前記光路変動検出手段で検出され
た前記複数の光の光路変動量を参照して、前記光源から
出射された光束の光路変動を前記周波数の異なる光毎に
補正する光路変動補正手段と、を有することを特徴とす
るものである。

【００２２】請求項７記載の発明は、請求項６記載の発
明において、前記光路変動補正手段は、前記光源部から
出射された前記複数の光が同軸となるように、当該複数
の光の光路変動をそれぞれ補正することを特徴とするも
のである。

【００２３】請求項８記載の発明は、請求項６又は７記
載の発明において、前記光学系が、前記光源部から出射
された光束の一部を固定鏡に導くと共に残りの光束を前
記対象物に導く分離手段を有するものであり、前記基準
となる光束が、前記固定鏡で反射された光束であること
を特徴とするものである。

【００２４】請求項９記載の発明は、請求項８記載の発
明において、前記光学系が、前記光源部から出射された
前記複数の光のうち、二つの周波数の光を前記固定鏡及
び前記対象物の少なくとも一方に導く導光手段と、前記
導光手段によって導かれた二つの周波数の光を干渉させ
る干渉手段と、前記干渉手段によって発生した干渉光に
基づいて前記二つの周波数の光が導かれた光路における
空気の屈折率変動を測定する測定手段と、を更に有する
ことを特徴とするものである。

【００２５】請求項１記載の発明では、光路変動検出手
段により、光源から出射された光束の光路変動を検出
し、光路変動補正手段により、光路変動検出手段で検出
した光路変動量を参照して光源から出射された光束の光
路変動を補正する。これにより、光束の光路変動量を抑
制することができるので、測定誤差を減らすことができ
る。

【００２６】請求項２記載の発明では、光路変動補正手
段により、光源から出射された光束の光路が一定となる
ように、当該光束の光路変動を補正する。これにより、
光束の光路変動を抑制することができる。

【００２７】請求項３記載の発明では、複数の光束分離
手段により光源からの光束から分離された複数の光束各
々を、対応する受光手段によってそれぞれ受光する。そ
して、光路変動算出手段により、各受光手段における上
記複数の光束各々の受光位置と、複数の光束分離手段間
の光路長とに基づいて、光源から出射された光束の光路
変動量を求める。

【００２８】請求項４記載の発明では、分離手段によっ
て、光源から出射された光束の一部が固定鏡に導かれ、
残りの光束が対象物に導かれる。これらの光は、互いに
干渉して干渉光となる。

【００２９】請求項５記載の発明では、複数の光束分離
手段を、光源及び分離手段間に配置された第一の光束分
離手段と分離手段及び干渉光検出手段間に配置された第
二の光束分離手段とで構成したことにより、光源から干
渉光検出手段までの光路を延長することなく、第一の光
束分離手段及び第二の光束分離手段間の光路を長くする
ことができる。これにより、光源から出射された光束の
光路変動に対する各光束分離手段で分離された光束の受
光手段における受光位置のずれを大きくすることができ
るので、装置全体を大きくすることなく、光路変動算出
手段で算出する出射角度の精度を上げることができる。

【００３０】請求項６記載の発明では、光路変動検出手
段により、光源部から出射された光束の光路変動をこの
光源部に含まれる周波数の異なる光毎に検出し、光路変
動補正手段により、光路変動検出手段で検出した複数の
光の光路変動量を参照して、光源部から出射された光束
の光路変動をこの光束に含まれる周波数の異なる光毎に
制御する。これにより、光源部から出射された周波数の
異なる複数の光の光路変動を抑制することができるの
で、測定誤差を減らすことができる。また、上記の周波
数の異なる複数の光を同じ光軸上に出射させることがで
きる。尚、光源部から出射された周波数の異なる複数の
光は、例えばヘテロダイン干渉式の測長を行う場合に用
いてもよく、また光路中の気体の屈折率変動を測定する
のに用いてもよい。

【００３１】請求項７記載の発明では、光路変動補正手
段が、光源部から出射された複数の光が同軸となるよう
に、当該複数の光の光路変動をそれぞれ補正する。これ
により、光源から出射された複数の光の光軸を一致させ
ることができる。

【００３２】請求項８記載の発明では、分離手段によっ
て、光源からの光束の一部が固定鏡に導かれ、残りの光
束が対象物に導かれる。これらの光は、互いに干渉して
干渉光となる。

【００３３】請求項９記載の発明では、導光手段によっ
て固定鏡及び対象物の少なくとも一方に導かれたく二つ
の周波数の光を、干渉手段により干渉させ、発生した干
渉光に基づいて前記二つの周波数の光が導かれた光路中
の空気の屈折率変動を測定する。したがって、対象物の
測定値をこの測定した屈折率変動で補正することによ
り、さらに精度よく対象物を測定することができる。

【００３４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の第一実施形態につ
いて図面を参照して説明する。

【００３５】図１は本発明の第一実施形態であるヘテロ
ダイン式干渉測長機の概略構成図、図２は図１に示す装
置に用いる光路変動検出部の概略構成図、図３は光源か
ら出射された光の光路変動を補正する様子を示す図であ
る。

【００３６】本実施形態は、図１に示すように、光源
（例えば、Ｈｅ−Ｎｅレーザ）３０１と、偏光ビームス
プリッタ（以下ＰＢＳとも言う）１５５、１５６と、補
正鏡１１０、１１１、１１６、１１７と、ステージ１２
３上に設置された移動鏡１２０と、固定鏡１２１と、移
動鏡１２０および固定鏡１２１に光を分離するＰＢＳ１
５０と、偏光子付きのレシーバ２１０、２１１と、光路
変動検出部１００ａ、１００ｂ、１００ｃと、光路変動
算出装置４１０と、演算装置４００とを含んで構成され
ている。

【００３７】光源３０１は、周波数ｆ1の光と、周波数
ｆ1’の光とを含む光束を出射する。この二つの光は、
お互いに周波数がわずかに異なり、偏光方位が直交して
いる。光源３０１から出射された光束は、ＰＢＳ１５０
により二つの光の偏光方向に応じて分離され、周波数ｆ
1’の光は測長光路上にある移動鏡１２０に導かれ、周
波数ｆ1の光は参照光路上にある固定鏡１２１に導かれ
る。なお、移動鏡１２０はステージ１２３上に設置され
ており、測長光路の光軸方向（図１の矢印Ａの方向）に
変位する。

【００３８】移動鏡１２０及び固定鏡１２１で反射され
た光束は、ＰＢＳ１５０で再び結合され、その後、偏光
子付きのレシーバ２１１に入射する。レシーバ２１１の
偏光方向は、図示していないが、上記二つの光の偏光方
位に対して４５度傾けて設けられる。これにより、測長
光路を通ってきた周波数ｆ1’の光と、参照光路を通っ
てきた周波数ｆ1の光はこの偏光子を通過した後干渉
し、その後、光電変換されて周波数ｆ1と周波数ｆ1’の
周波数差（ｆ1−ｆ1’）に応じたビートシグナルを生じ
させる。このビートシグナルは、移動鏡１２０の変位に
応じて位相が変化し、移動鏡変位の測長信号として演算
装置４００に入力される。

【００３９】また、光源３０１から出射された光束は、
ＢＳ１３０によりその一部が取り出され、その後、この
取り出された光束が偏光子付きのレシーバ２１０に入射
する。レシーバ２１０の偏光子は、図示していないが、
レシーバ２１１と同様に、上記二つの光の偏光方位に対
して４５度傾けて設けられている。これにより、光源か
ら出射された直後の周波数ｆ1の光と周波数ｆ1’の光
は、この偏光子を通過した後干渉し、その後、光電変換
され周波数ｆ1と周波数ｆ1’の周波数差（ｆ1−ｆ1’）
に応じたビートシグナルを生じさせる。このビートシグ
ナルは、移動鏡変位を測定する参照信号として演算装置
４００に入力される。

【００４０】演算装置４００は、参照信号に対する測長
信号の位相変化に基づいて、ステージ１２３の矢印方向
の変位を演算する。これらの構成、動作については、従
来のヘテロダイン式干渉測長機と同様である。そして、
本実施形態では、その特徴的構成として、それぞれの偏
光方向に応じて２つの光を分離、結合するＰＢＳ１５
５、１５６と、光源３０１から出射された光の光路変動
を検出する光路変動検出部１００ａ、１００ｂ、１００
ｃと、それぞれの光ごとにその光路変動を補正する補正
鏡１１０、１１１、１１６、１１７が設けられている。
補正鏡１１０、１１１、１１６、１１７は、図示してい
ないが、圧電素子（以下、ＰＺＴとも言う）により補正
鏡の角度を変更できるようになっている。また、光路変
動検出部１００ａはＰＢＳ１５６とＰＢＳ１５０の間の
光路上に配置されており、光路変動検出部１００ｂは測
長光路上に、光路変動検出部１００ｃは参照光路上にそ
れぞれ配置されている。

【００４１】光路変動検出部１００ａは、図２に示すよ
うに、ＢＳ１３４と、ＰＢＳ１５７と、レシーバ２０
０、２１２とを含んで構成されている。また、光路変動
検出部１００ｂは、図２に示すように、ＢＳ１３５と、
レシーバ２０１とを含んで構成されている。同様に、光
路変動検出部１００ｃは、図２に示すように、ＢＳ２３
１と、レシーバ２１３とを含んで構成されている。

【００４２】ＢＳ１３４は周波数ｆ1、ｆ1’の２つの光
の一部をＰＢＳ１５７の方に反射する。その後、ＰＢＳ
１５７はそれぞれの偏光方向に応じて２つの光を分離
し、レシーバ２００及び２１２に入射させる。本実施形
態ではレシーバ２００、２１２として、高分解能のＰＳ
Ｄ（Position Sensitive Detector）を用いている。Ｐ
ＳＤは、受光した光の水平方向及び垂直方向の受光位置
を検出する。尚、レシーバ２００、２１２は特にＰＳＤ
である必要はなく、ＣＣＤ、４分割ディテクタ等、受光
した光の水平方向及び垂直方向の受光位置を検出するこ
とが出来れば特に限定されない。

【００４３】光路変動算出装置４１０は、レシーバ２０
０、２０１で検出した周波数ｆ1’の光の水平方向の受
光位置と、垂直方向の受光位置と、ＢＳ１３４及びＢＳ
１３５間の光路長とに基づいて、周波数ｆ1’の光の光
路変動を求める。レシーバ２００で検出した受光位置と
レシーバ２０１で検出した受光位置とのずれをＨp、Ｂ
Ｓ１３４及びＢＳ１３５間の光路長をＬp、周波数ｆ1’
の光の角度変動をθpとすると、Ｈp、Ｌp、及びθpの間
には、ｔａｎθp＝Ｈp／Ｌpの関係がある。また、光路
変動算出装置４１０は、算出した角度変動及び位置変動
を参照して、周波数ｆ1’の光が所定の光路を通るよう
に、補正鏡１１０、１１１のＰＺＴに信号を出力する。

【００４４】同様に、光路変動算出装置４１０は、レシ
ーバ２１２、２１３で検出した周波数ｆ1の光の水平方
向の受光位置と、垂直方向の受光位置と、ＢＳ１３４及
びＢＳ２３１間の光路長とに基づいて、周波数ｆ1の光
の光路変動を求める。レシーバ２１２で検出した受光位
置とレシーバ２１３で検出した受光位置とのずれをＨ
s、ＢＳ１３４及びＢＳ１３５間の光路長をＬs、周波数
ｆ1の光の角度変動をθsとすると、Ｈs、Ｌs、及びθs
の間には、ｔａｎθs＝Ｈs／Ｌsの関係がある。また、
光路変動算出装置４１０は、算出した角度変動及び位置
変動を参照して、周波数ｆ1の光が所定の光路を通るよ
うに、補正鏡１１６、１１７のＰＺＴに信号を出力す
る。

【００４５】ここで図３より、周波数ｆ1’の光を例に
とって、光路変動検出部１００ａ、１００ｂと、光路変
動算出装置４１０と、補正鏡１１０、１１１とによって
周波数ｆ1’の光路変動を補正する際の動作について説
明する。周波数ｆ1’の光の適正な光路を光路ａ（図中
の一点鎖線）とする。ここで、周波数ｆ1’の光の光路
が、光路ａから光路ｂ（図中の実線）へと変化したとす
ると、上述したように光路変動算出装置４１０は、レシ
ーバ２００、２０１で検出した周波数ｆ1’の光の受光
位置とＢＳ１３４及びＢＳ１３５間の光路長とに基づい
て求めた角度変動及び位置変動を参照して、補正鏡１１
１で反射された後の光路が、一点鎖線で示された光路ａ
を通ってもともと実線で示された補正鏡１１０、１１１
で反射された際の適正な光路と同じになるようにＰＺＴ
に信号を出力し、補正鏡１１０、１１１の角度を調節す
る。同様にして、周波数ｆ1の光についても補正鏡１１
７を反射した後の光路が常に同じ光路を通るように補正
鏡１１６、１１７の角度を調整する。

【００４６】本実施形態によれば、補正鏡１１１、１１
７で反射された後の光が常に同じ光路を通ることになる
ので、ＰＢＳ１５６でほぼ同軸にされた周波数ｆ1及び
周波数ｆ1’の光は常に同じ光路を通ることになる。こ
れにより、それぞれの光の光路変動を補正することが出
来る。また、光路変動検出部１００ａをＰＢＳ１５６と
ＰＢＳ１５０の間に配置し、光路変動検出部１００ｂを
ＰＢＳ１５０と移動鏡１２０との間に配置することで、
特にＰＢＳ１５６からＰＢＳ１５０までの距離を延長す
ることなく、ＢＳ１３４及びＢＳ１３５間の光路を長く
することが出来る。これにより、光束の光路変動に対し
てレシーバ２００、２０１で検出する受光位置のずれを
大きくすることが出来るので、ＰＢＳ１５０以前の光路
を特に長くすることなく、光路変動算出装置４１０で算
出する光路変動量の検出精度を上げることが出来る。

【００４７】また、周波数ｆ1の光に関しては、光路変
動検出部１００ｃをレシーバ２１１までの間の光路上に
配置することが出来、ＢＳ１３４とＢＳ２３１の光路長
を長くすることで、光路変動量の検出精度を上げること
が出来る。

【００４８】また、光路変動検出部１００ａの代わり
に、補正鏡１１１および１１７の直後に光路変動検出部
１００ｂ、１００ｃをさらに置きそれぞれの周波数の光
の光路変動を検出することで、光路変動量の検出精度を
上げることが出来る。

【００４９】尚、光路変動の要因となる光源３０１の出
射角度の変動量は通常１０μｒａｄ程度であり、またそ
の周期も数秒程度であるので、ＰＺＴにより十分に補正
が可能である。但し、ＰＺＴ以外のものであっても補正
鏡１１０、１１１、１１６、１１７の角度を調節できる
ものであればよい。

【００５０】第一実施形態では、光路変動検出部１００
ａをＰＢＳ１５６とＰＢＳ１５０の間の光路上に配置
し、光路変動検出部１００ｂをＰＢＳ１５０と移動鏡１
２０の間の光路上に配置し、光路変動検出部１００ｃを
ＰＢＳ１５０と固定鏡１２１の間の光路上に配置したも
のについて説明したが、本発明はこれに限定されるもの
ではなく、例えば図４に示すように、光路変動検出部１
００ａ、１００ｂ、１００ｃが一体的に構成された光路
変動検出部１００ｄをＰＢＳ１５６とＰＢＳ１５０の間
の光路上に配置しても良い。この場合ＢＳ２３３及びミ
ラー１２５間の光路を長くすることにより、光路変動算
出装置４１０で算出する光路変動の精度を上げることが
できる。

【００５１】また、第一実施形態では、本発明をヘテロ
ダイン式干渉測長機に適用した場合について説明した
が、本発明は、例えばホモダイン式干渉測長機にも適用
することができる。本発明の第二実施形態として、本発
明をホモダイン式干渉測長機に適用した場合について図
面を参照して説明する。図５は本発明の第二実施形態で
あるホモダイン式干渉測長機の概略構成図である。尚、
第二実施形態において第一実施形態と同一の機能を有す
るものには、同一の符号を付すことにより、その詳細な
説明を省略する。

【００５２】図５において、光源３０５から出射された
光束（本実施形態では、単一周波数の、直線偏光された
光束）は、ＢＳ１３１で分割され、一方は固定鏡１２１
に、他方はステージ１２３上に設置された移動鏡１２０
に向い、その後、それぞれの鏡で反射されて再びＢＳ１
３１に戻る。ここで、固定鏡１２１で反射される光束
は、１／８波長板１６２により円偏光となってＢＳ１３
１に戻ってくる。

【００５３】これらの光束は、ＢＳ１３１、ＰＢＳ１５
４、偏光板１６３、１６４、１６５によって、位相が９
０度ずつ異なる測定信号としてレシーバ２２２、２２
３、２２４から取り出される。演算装置４０５は、３つ
の測定信号を組み合わせ、それぞれの組の各測定信号の
差から、９０度位相差の２つの信号を形成し、ステージ
１２３の変位を測定する。

【００５４】これらの構成、動作については、従来のホ
モダイン式干渉測長機と同様であるが、本実施形態で
は、その特徴的構成として、光源から出射された光の光
路変動を補正する補正鏡１１８、１１９と、その光路変
動量を検出するためにＢＳ２３４、２３５とレシーバ２
１８、２１９及び光路変動算出装置４１２が設けられて
いる。ＢＳ２３４は補正鏡１１９とＢＳ１３１との間の
光路上に配置され、ＢＳ２３５はＢＳ１３１と移動鏡１
２０との間の光路上に配置されている。第一実施形態の
光路変動検出部と同じように、レシーバ２１８、２１９
は受光位置の水平方向変位及び垂直方向変位を検出し、
それぞれの検出量に応じて光路変動算出装置４１２は光
路変動量を算出し、補正鏡１１８、１１９で光路変動を
補正する。このため、本発明の第二実施形態によれば、
光源３０５から出射された光の光路変動による測定誤差
が低減された高精度な測定結果を得ることができる。

【００５５】次に、本発明の第三実施形態について図面
を参照して説明する。

【００５６】図６は本発明の第三実施形態であるヘテロ
ダイン式干渉測長機の概略構成図、図７は図６に示す装
置に用いる屈折率変動測定用光源部の概略構成図、図８
は図６に示す装置に用いる光路変動検出部の概略構成図
である。尚、第三実施形態において第一実施形態と同一
の機能を有するものには、同一の符号を付すことにより
その詳細な説明を省略する。

【００５７】本実施形態は、図６に示すように、光源部
３００と、光源３０１と、固定鏡１２１と、ステージ１
２３上に設置された移動鏡１２０と、ＰＺＴによりその
角度が変更可能に設けられた補正鏡２５０、２５１、２
５２、２５３と、光路変動検出部１０５と、光路変動算
出装置４１１と、ＰＢＳ１５０、１５１、１５２と、レ
シーバ２１０、２１１、２２０、２２１と、演算装置４
０１とを含んで構成されている。本実施形態は、移動鏡
１２０の変位を測定するとともに、測長光路（ＰＢＳ１
５０及び移動鏡１２０間の光路）中における空気の屈折
率変動を測定し、その測定結果で移動鏡１２０の変位の
測定値を補正するものである。もちろん、前述の各実施
形態と同様、光束の光路変動を補正することもできる。
尚、ＰＢＳを図６に示すような三段構成にしたのは、光
源部３００と、光源３０１から出射されたすべての周波
数の光に対する消光比を向上させるためである。

【００５８】光源部３００は、測長光路中の空気の屈折
率変動を測定するためのものである。図７に光源部３０
０の例を示す。図７（ａ）に示す例は、測長光路の屈折
率変動をヘテロダイン方式を用いて求めるためのもので
ある。光源３０２は周波数ｆ2の基本波（以下、ＦＮＤ
ともいう）を出射する。光源３０２から出射されたＦ
ＮＤ光は、ＰＺＴによりその角度が変更可能に設けられ
た補正鏡１１２、１１３によって反射された後、ＳＨＧ
（Second harmonic generation）変換素子１７２に入射
し、その一部が周波数ｆ3の第２高調波（以下、ＳＨＧ
ともいう）に変換される。ＳＨＧ変換素子１７２は、Ｋ
ＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ₄）結晶等の非線形光学結晶を用い
ることができ、入射した光の周波数の２倍の周波数をも
った光を発生させる。ＳＨＧ変換素子１７２から出射し
た周波数ｆ2のＦＮＤ光と、周波数ｆ3（＝２×ｆ2）の
ＳＨＧ光は、周波数分離素子１３７で分離された後、Ｆ
ＮＤ光は周波数シフタ１９０へ入射し、ＳＨＧ光は周波
数シフタ１９１へ入射する。ＦＮＤ光、ＳＨＧ光は、そ
れぞれ周波数シフタ１９０、１９１により異なる周波数
シフトを受ける。これにより、ＦＮＤ光は周波数ｆ20
（＝ｆ2＋Δｆ0）の光となり、ＳＨＧ光はｆ30（＝ｆ3
＋Δｆ0’）の光となる。ここで、Δｆ0’≠２×Δｆ0
である。その後、ＦＮＤ光、ＳＨＧ光は、周波数結合素
子１３８により光軸が略同一にされる。尚、特に図示し
ていないが、光源部３００から出射された光束の光路中
に波長板が配置されており、ＦＮＤ光及びＳＨＧ光は光
源３０１から出射された周波数ｆ1’の偏光方位と等し
くなるように調節される。

【００５９】図７（ｂ）に示す例は、図７（ａ）に示す
例と同様に、測長光路の屈折率変動をヘテロダイン方式
を用いて求めるためのものである。ただし、光源３０３
が二つの周波数の光を出射する点で、図７（ａ）に示す
例と異なる。光源３０３は、周波数ｆ2のＦＮＤ光と、
周波数ｆ3（＝２×ｆ2）のＳＨＧ光を出射する。ＦＮＤ
光は、ＰＺＴによりその角度が変更可能に設けられた補
正鏡１１２、１１３によって反射された後、周波数シフ
タ１９０へ入力する。一方、ＳＨＧ光は、ＰＺＴにより
その角度が変更可能に設けられた補正鏡１１４、１１５
によって反射された後、周波数シフタ１９１へ入力す
る。ＦＮＤ光、ＳＨＧ光は、それぞれ周波数シフタ１９
０、１９１により異なる周波数シフトを受ける。これに
より、ＦＮＤ光は周波数ｆ20（＝ｆ2＋Δｆ0）の光とな
り、ＳＨＧ光はｆ30（＝ｆ3＋Δｆ0’）の光となる。こ
こで、Δｆ0’≠２×Δｆ0である。その後、ＦＮＤ光、
ＳＨＧ光は、周波数結合素子１３８により光軸が略同一
にされる。尚、特に図示していないが、光源部３００か
ら出力された光束の光路中に波長板が配置されており、
ＦＮＤ光及びＳＨＧ光は光源３０１から出射された周波
数ｆ1’の偏光方位と等しくなるように調節される。

【００６０】次に、本実施形態の動作について説明す
る。尚、本実施形態では、以後、光源部３００として図
７（ｂ）に示すものを用いた場合について説明する。

【００６１】光源３０１は、僅かに周波数の異なる周波
数ｆ1、ｆ1′の光を出射する。周波数ｆ1、ｆ1’の光は
偏光方位が直交している。光源３０１から出射された、
周波数ｆ1、ｆ1’の光を含む光束は、ＢＳ１３０により
その一部が取り出され、その後、この取り出さられた光
束が偏光子付きのレシーバ２１０に入力する。光源３０
１から出射された直後の周波数ｆ1の光と周波数ｆ1’の
光は、この偏光子を通過した後干渉し、その後、光電変
換されて周波数ｆ1と周波数ｆ1’の差（ｆ1−ｆ1’）に
応じたビートシグナルを生じさせる。このビートシグナ
ルは、移動鏡１２０の変位を測定するための測長用参照
信号として演算装置４０１に出力される。

【００６２】また、光源部３００から出射された周波数
ｆ20のＦＮＤ光及び周波数ｆ30のＳＨＧ光は、ダイクロ
イックミラー（以下、ＤＭともいう）１３９により、光
源部３０１から出射された周波数ｆ1の光及び周波数ｆ
1’の光と光軸が略同一となるように調節され、ＢＳ１
３２の方へ反射する。このとき、それぞれの光の一部が
出射角度検出部１０５に入射するように、ＤＭ１３９の
光学薄膜は設計されている。ＢＳ１３２は、周波数ｆ2
0、ｆ30の光の一部を反射し、周波数ｆ1、ｆ1’の光を
透過するように、光学薄膜を設計してある。これによ
り、入射したＦＮＤ光及びＳＨＧ光の一部は、ＢＳ１３
２で反射されてＳＨＧ変換素子１７０に入射する。ＳＨ
Ｇ変換素子１７０は、周波数ｆ20のＦＮＤ光の一部を周
波数ｆ20’（＝２×ｆ20）の光に変換し、周波数ｆ30の
ＳＨＧ光をそのまま透過する。ＳＨＧ変換素子１７０か
ら出射された周波数ｆ20’の光と、周波数ｆ30の光は、
偏光子付きのレシーバ２２０に入射する。これにより、
ＳＨＧ変換素子１７０から出射された周波数ｆ20’の光
と周波数ｆ30の光とは、この偏光子を通過した後干渉
し、その後、光電変換されて周波数ｆ20’と周波数ｆ30
の差（ｆ20’−ｆ30）に応じたビートシグナルを生じさ
せる。このビートシグナルは、空気の屈折率変動を測定
するための屈折率測定用参照信号として演算装置４０１
に出力される。

【００６３】一方、ＢＳ１３２を透過した周波数ｆ1、
ｆ1’、ｆ20、ｆ30の四つの光を含む光束は、ＰＢＳ１
５０に入射し、その偏光方位に応じて分離される。これ
により、周波数ｆ1の光はＰＢＳ１５０で反射され、参
照光路（固定鏡１２１側）に導かれ、その他の光（周波
数ｆ1’、ｆ20、ｆ30の光）はＰＢＳ１５０を透過して
測長光路（移動鏡１２０側）に導かれる。尚、ＰＢＳで
反射した周波数ｆ1以外の光は、誤差光となるため周波
数フィルタ１４０でカットされる。

【００６４】ＰＢＳ１５０で反射し、参照光路に導かれ
た周波数ｆ1の光は、λ／４板１６０、周波数フィルタ
１４０を透過した後、固定鏡１２１で反射し、再び周波
数フィルタ１４０、λ／４板１６０を透過してＰＢＳ１
５０に入射する。この際、周波数ｆ1の光はλ／４板を
２回透過するので、その偏光方位が９０度回転する。こ
れにより、周波数ｆ1の光は、先ほどは反射されたＰＢ
Ｓ１５０を透過し、その後、ＰＢＳ１５１、周波数フィ
ルタ１４１を透過する。そして、コーナーキューブ１８
０に入射し、光路がずらされた後、周波数フィルタ１４
１、ＰＢＳ１５１、１５０を透過して再び参照光路に導
かれる。そして、λ／４板１６０、周波数フィルタ１４
０を透過した後、固定鏡１２１で反射し、再び周波数フ
ィルタ１４０、λ／４板１６０を透過してＰＢＳ１５０
に入射する。この際、周波数ｆ1の光はλ／４板を２度
透過するので、その偏光方位が更に９０度回転する。こ
れにより、周波数ｆ1の光は、先ほどは透過したＰＢＳ
１５０を反射し、ＢＳ１３３に入射する。尚、参照光路
は、空気の屈折率変動をモニタしないため、エアチュー
ブ５００で覆ってある。

【００６５】ＰＢＳ１５０を透過し、測長光路に導かれ
た周波数ｆ1′、ｆ20、ｆ30の光は、フレネルロム１６
１を透過した後、移動鏡１２０で反射し、再びフレネル
ロム１６１を透過してＰＢＳ１５０に入射する。この
際、これ等の３つの光は、フレネルロム１６１を２度透
過するので、その偏光方位が９０度回転する。したがっ
て、先ほどは透過したＰＢＳ１５０で反射され、その
後、ＰＢＳ１５１、１５２で反射される。そして、コー
ナーキューブ１８１に入射して光路がずらされた後、Ｐ
ＢＳ１５２、１５１、１５０で反射され、再び測長光路
に導かれる。そして、フレネルロム１６１を透過した
後、移動鏡１２０で反射し、再びフレネルロム１６１を
透過してＰＢＳ１５０に入射する。この際、これ等の３
つの光はフレネルロム１６１を２度透過するので、その
偏光方位が更に９０度回転する。これにより、先ほどは
反射したＰＢＳ１５０を透過し、周波数ｆ1の光と同軸
にされてＢＳ１３３に入射する。

【００６６】ＰＢＳ１５０で光軸が同軸にされた４つの
光のうち、周波数分ｆ1、ｆ1’の光はＢＳ１３３を透過
し、周波数ｆ20、ｆ30の光はＢＳ１３３で反射される。
尚、ＢＳ１３３を透過した周波数ｆ20、ｆ30の光は、誤
差光となるため周波数フィルタ１４２でカットされる。

【００６７】ＢＳ１３３を透過した周波数ｆ1、ｆ1’の
光は、偏光子付きのレシーバ２１１に入力する。周波数
ｆ1の光と周波数ｆ1’の光は、この偏光子を通過した後
干渉し、その後、光電変換されて周波数ｆ1と周波数ｆ
1’の差（ｆ1−ｆ1’）に応じたビートシグナルを生じ
させる。このビートシグナルは、移動鏡１２０の変位を
測定するための測長信号として演算装置４０１に出力さ
れる。

【００６８】一方、ＢＳ１３３で反射された周波数ｆ2
0、ｆ30の光は、ＳＨＧ変換素子１７１に入射する。Ｓ
ＨＧ変換素子１７１は、周波数ｆ２０の光の一部を周波
数ｆ20’（＝２×ｆ20）の光に変換し、周波数ｆ30の光
をそのまま透過する。ＳＨＧ変換素子１７１から出射さ
れた周波数ｆ20’光と、周波数ｆ30の光は、偏光子付き
のレシーバ２２１に入力する。これにより、ＳＨＧ変換
素子１７１から出射された周波数ｆ20’の光と周波数ｆ
30の光とは、この偏光子を通過した後干渉し、その後、
光電変換されて周波数ｆ20’と周波数ｆ30の差（ｆ20’
−ｆ30）に応じたビートシグナルを生じさせる。このビ
ートシグナルは、空気の屈折率変動を測定するための屈
折率測定信号として演算装置４０１に出力される。

【００６９】次に、演算装置４０１は、上記の４つの信
号（測長信号、測長用参照信号、屈折率測定信号、屈折
率測定用参照信号）に基づいて、測長光路の空気の屈折
率変動の影響を補正した移動鏡１２０の変位を計算す
る。以下、その方法について、簡単に説明する。

【００７０】周波数ｆa、ｆb、ｆcの光に対する光路長
をＤ（ｆa）、Ｄ（ｆb）、Ｄ（ｆc）とした場合、それ
ぞれの光路長は、次式により表される。

【００７１】

【数３】

【００７２】

【数４】

【００７３】

【数５】

【００７４】ここで、Ｄは幾何学的な距離、Ｎは空気の
密度、Ｆ（ｆ）は空気の構成比が変らなければ、空気の
密度によらず光の周波数ｆのみによって決まる関数であ
り、この関数は次式により表される。

【００７５】

【数６】

【００７６】ここで、λは波長（μｍ）であり、λ＝ｃ
／ｆである。ｃは光速を表す。この式はエドレンの式
（Metrologia、Vol.2、No.2、71、1966）と呼ばれてい
る。図９にＦ（λ）の特性を示す。

【００７７】（式３）〜（式５）により幾何学的距離Ｄ
は次式によって与えられる。

【００７８】

【数７】

【００７９】したがって、幾何学的距離の変位、すなわ
ち、測長光路の空気の屈折率変動の影響を補正した移動
鏡の変位ΔＤは、次式によって与えられる。

【００８０】

【数８】

【００８１】（式８）は、周波数ｆaの光で測定した移
動鏡の変位から周波数ｆb、ｆcの光で求めた屈折率の変
動による影響を補正して、移動鏡の変位ΔＤを求めるこ
とを意味する。

【００８２】演算装置４０１は、測長信号及び測長用参
照信号から周波数ｆ1’の光で測定した移動鏡１２０の
変位ΔＤ（ｆ1’）を求め、屈折率測定信号及び屈折率
測定用参照信号から周波数ｆ20、ｆ30の光で求めた屈折
率の変動による影響｛ΔＤ（ｆ30）−ΔＤ（ｆ20）｝を
求めている。そして、これ等を（式８）に代入して空気
の屈折率変動の影響を補正した移動鏡の変位ΔＤを算出
している。

【００８３】また、本実施形態では、その特徴的構成と
して、出射角度検出部１０５が設けられている。出射角
度検出部１０５は、図８に示すように、ＢＳ２３０と、
周波数分離素子２４０、２４１、２４２、２４３と、周
波数フィルタ１４３、１４４、１４５、１４６、１４
７、１４８と、ＰＢＳ７５１、７５２と、受光した光束
の水平方向及び垂直方向の受光位置を検出するレシーバ
２０２、２０３、２０４、２０５、２０６、２０７、２
０８、２０９とを含んで構成されている。

【００８４】ＤＭ１３９を透過した光束（光源３０１か
らの光と光源部３００からの周波数ｆ２０、ｆ３０の光
とを含む光束）は、ＢＳ２３０によって反射光と透過光
との強度比が略等しくなるように分離される。

【００８５】ＢＳ２３０で反射した光束は周波数分離素
子２４０に入射して、光源部３０１からの光のみが反射
され、その他の光は透過する。周波数分離素子２４０で
反射された光源３０１からの光は、ＰＢＳ７５１でそれ
ぞれの偏光方位に応じて分離され、レシーバ２０２、２
０８に入射して、水平方向及び垂直方向の受光位置がそ
れぞれ検出される。この際、誤差光となる光源３０１か
らの光以外の光は周波数フィルタ１４３によってカット
される。周波数分離素子２４０を透過した光源部３００
からの周波数ｆ20、ｆ30の光は周波数分離素子２４２に
入射して、周波数ｆ20の光が反射され、周波数ｆ30の光
は透過する。周波数分離素子２４２で反射された周波数
ｆ20の光は、レシーバ２０４に入射して、水平方向及び
垂直方向の受光位置が検出される。この際、誤差光とな
る周波数ｆ20の光以外の光は周波数フィルタ１４５によ
ってカットされる。周波数分離素子２４２を透過した周
波数ｆ30の光は、レシーバ２０６に入射して、水平方向
及び垂直方向の受光位置が検出される。この際、誤差光
となる周波数ｆ30の光以外の光は周波数フィルタ１４７
によってカットされる。

【００８６】一方、ＢＳ２３０を透過した光束はミラー
２３１で反射された後、周波数分離素子２４１に入射し
て、光源部３０１からの光のみが反射され、その他の光
は透過する。周波数分離素子２４１で反射された光源３
０１からの光は、それぞれの偏光方位に応じて分離さ
れ、レシーバ２０３、２０５に入射して、それぞれ水平
方向及び垂直方向の受光位置が検出される。この際、誤
差光となる光源３０１からの光以外の光は周波数フィル
タ１４４によってカットされる。周波数分離素子２４１
を透過した光源部３００からの周波数ｆ20、ｆ30の光は
周波数分離素子２４３に入射して、周波数ｆ20の光が反
射され、周波数ｆ30の光は透過する。周波数分離素子２
４３で反射された周波数ｆ20の光は、レシーバ２０５に
入射して、水平方向及び垂直方向の受光位置が検出され
る。この際、誤差光となる周波数ｆ20の光以外の光は周
波数フィルタ１４６によってカットされる。周波数分離
素子２４３を透過した周波数ｆ30の光は、レシーバ２０
７に入射して、水平方向及び垂直方向の受光位置が検出
される。この際、誤差光となる周波数ｆ30の光以外の光
は周波数フィルタ１４８によってカットされる。

【００８７】光路変動算出装置４１１は、レシーバ２０
２で検出した光源３０１から出射された周波数ｆ1、ｆ
1’の光の水平方向及び垂直方向の受光位置と、レシー
バ２０３で検出した光源３０１から出射された周波数ｆ
1、ｆ1’の光の水平方向及び垂直方向の受光位置と、Ｂ
Ｓ２３０及びミラー２３１間の光路長とに基づいて、光
源３０１から出射された周波数ｆ1、ｆ1’の光の光路変
動をそれぞれ求める。また、光路変動算出装置４１１
は、レシーバ２０４で検出した周波数ｆ20の光の水平方
向及び垂直方向の受光位置と、レシーバ２０５で検出し
た周波数ｆ20の光の水平方向及び垂直方向の受光位置
と、ＢＳ２３０及びミラー２３１間の光路長とに基づい
て、光源部３００から出射された周波数ｆ20の光の光路
変動を求めると共に、レシーバ２０６で検出した周波数
ｆ30の光の水平方向及び垂直方向の受光位置と、レシー
バ２０７で検出した周波数ｆ30の光の水平方向及び垂直
方向の受光位置と、ＢＳ２３０及びミラー２３１間の光
路長とに基づいて、光源部３００から出射された周波数
ｆ30の光の光路変動を求める。さらに、光路変動算出装
置４１１は、求めた光源３０１からの周波数ｆ1、ｆ1’
の光の光路変動量を参照して、これ等の光が所定の光路
を通るように補正鏡２５０、２５１、２５２、２５３の
ＰＺＴに信号を出力すると共に、求めた光源部３００か
らの周波数ｆ20、ｆ30の光の光路変動量を参照して、こ
れ等の光がＤＭ１３９で光源３０１からの光と同軸にな
るように、補正鏡１１２、１１３、１１４、１１５のＰ
ＺＴに信号を出力する。

【００８８】上記のように、本実施形態では、移動鏡１
２０の変位を測定するための光源部３０１から出射され
た光束の出射角度のみならず、空気の屈折率変動を測定
するための光源部３００から出射された光束の光路変動
をも補正を行っている。これは、以下の理由によるもの
である。

【００８９】（式８）において、周波数ｆb、ｆcの光で
求めた屈折率の変動による影響｛ΔＤ（ｆc）−ΔＤ
（ｆb）｝はＡ係数倍されている。したがって、｛ΔＤ
（ｆc）−ΔＤ（ｆb）｝に、周波数ｆb、ｆcの光の出射
角変動による誤差が含まれると、その誤差もＡ係数倍さ
れてしまう。上述したように、係数Ａは、Ｆ（ｆa）、
Ｆ（ｆb）、Ｆ（ｆc）によって定まる定数である。ま
た、Ｆ（ｆ）は空気の構成比が変らなければ、空気の密
度によらず光の周波数ｆのみによって決まる関数であ
る。本実施形態において、周波数ｆ1’の光の波長を６
３２．８ｎｍ、周波数ｆ20の光の波長を１０６４ｎｍ、
そして周波数ｆ30の光の波長を５３２ｎｍとした場合、
図９から係数Ａは約６５となる。したがって、｛ΔＤ
（ｆ30）−ΔＤ（ｆ20）｝に含まれる光源部３００から
の光の光路変動による誤差も６５倍される。このため、
屈折率変動測定のために光源部３００から出射された光
の光路変動を補正することは、空気の屈折率変動による
影響を精度よく求めるために非常に意義のあることであ
る。

【００９０】尚、本実施形態では、測長光路における空
気の屈折率変動を測定するために、光源部３００から出
射された周波数ｆ20、ｆ30の光を測長光路にのみ通すも
のについて説明したが、これ等の光を参照光路に通し
て、同様の方法で参照光路における空気の屈折率変動を
測定することも可能である。また、空気の屈折率変動を
測定するためにヘテロダイン干渉法を用いたものについ
て説明したが、ホモダイン干渉法によって空気の屈折率
変動を測定してもよい。さらに、異なる２つの周波数の
光を用いて、ホモダイン干渉法により移動鏡１２０の変
位を測定し、その２つの測定値から空気の屈折率変動を
求めてもよい。

【００９１】次に、本発明の第四実施形態について図面
を参照して説明する。

【００９２】図１０は本発明の第四実施形態であるヘテ
ロダイン式干渉測長機の概略構成図、図１１は図１０に
示す装置に用いる光路変動検出部の概略構成図である。
尚、第四実施形態において第一実施形態又は第三実施形
態と同一の機能を有するものには、同一の符号を付すこ
とによりその詳細な説明を省略する。

【００９３】本実施形態は、図１０に示すように、光源
３０５と、固定鏡１２１と、ステージ１２３上に設置さ
れた移動鏡１２０と、ＰＺＴによりその角度が変更可能
に設けられた補正鏡１１０、１１１、１１２、１１３
と、出射角度検出部１０６ａ、１０６ｂと、ＰＢＳ１５
０、１５１、１５２と、レシーバ２１０、２１１、２２
０、２２１と、光路変動算出装置４１３と、演算装置４
０２とを含んで構成されている。本実施形態は、上記の
第三実施形態を変形したもので、光源からの周波数の異
なる２つの光を用いて移動鏡１２０の変位測長を行うと
共に空気の屈折率変動を測定するものである。

【００９４】光源３０５は、周波数ｆ2のＦＮＤ光（２
００ｍＷ）と周波数ｆ3（＝２×ｆ2）のＳＨＧ光（１０
０ｍＷ）を出射する。

【００９５】光源３０５から出射された周波数ｆ2の光
は、補正鏡１１２、１１３で反射された後、λ／２板１
６６に入射する。λ／２板１６６は、入射した光の偏光
方位を自由に変えられるように設計してある。λ／２板
１６６を透過した周波数ｆ2の光は、ＰＢＳ１５３によ
り、図１０において紙面に垂直な偏光方位（以下、ｓ−
偏光ともいう）を有する光と、紙面に平行な偏光方位
（以下、ｐ−偏光ともいう）を有する光に分けられる。
この際、λ／２板１６６を回転させることで、ｓ−偏光
の光とｐ−偏光の光との強度比が適当な値となるように
調節する。ＰＢＳ１５３で分離されたｓ−偏光の光とｐ
−偏光の光は、それぞれ周波数シフタ１９２、１９３に
より僅かに異なる周波数シフトを受ける。これにより、
ｐ−偏光の光は周波数ｆ21（＝ｆ2＋Δｆ1）の光とな
り、ｓ−偏光の光は周波数ｆ21’（＝ｆ2＋Δｆ1’）の
光となる。尚、周波数シフタには、例えば音響光学素子
等を用いることができる。周波数ｆ21の光と周波数ｆ2
1’の光は、ＰＢＳ１５４により、その光軸が略同一と
なるように調節され、その後、ＢＳ１３０に入射する。
この際、周波数ｆ21の光と周波数ｆ21’の光は、それぞ
れ一部の光がＢＳ１３０で反射して偏光子付きのレシー
バ２１０に入射し、残りの光がＢＳ１３０を透過してＤ
Ｍ１３９に入射する。偏光子付きのレシーバ２１０に入
射した周波数ｆ21の光と周波数ｆ21’の光は、この偏光
子を通過した後干渉し、その後、光電変換されて周波数
ｆ21と周波数ｆ21’の差（Δｆ1−Δｆ1’）に応じたビ
ートシグナルを生じさせる。このビートシグナルは、移
動鏡１２０の変位を測定するための測長用参照信号とし
て演算装置４０２に出力される。

【００９６】一方、光源部３０５から出射された周波数
ｆ3の光はｐ−偏光の光であり、この光は補正鏡１１
０、１１１で反射された後、周波数シフタ１９４により
周波数シフトを受け、周波数ｆ31（＝ｆ3＋Δｆ1”、但
しΔｆ1”≠２×Δｆ1）の光となる。そして、ＤＭ１３
９に入射する。

【００９７】ＤＭ１３９に入射した周波数ｆ21、ｆ2
1’、ｆ31の３つの光は、ＤＭ１３９により光軸が同一
となるように調節された後、ＰＢＳ１５０、光路変動検
出部１０６ａ、１０６ｂに入射する。この際、周波数ｆ
21、ｆ31の光の一部は、ＰＢＳ１３２によって反射さ
れ、ＳＨＧ変換素子１７０に入射する。ＳＨＧ変換素子
１７０は、周波数ｆ21の光を周波数ｆ22（＝２×ｆ21）
の光に変換し、周波数ｆ31の光をそのまま透過する。Ｓ
ＨＧ変換素子１７０を出射した周波数ｆ22の光と、周波
数ｆ31の光は、偏光子付きのレシーバ２２０に入力す
る。偏光子付きのレシーバ２２０に入射した周波数ｆ22
の光と周波数ｆ31の光は、この偏光子を通過した後干渉
し、その後、光電変換されて周波数ｆ22と周波数ｆ31の
差（ｆ22−ｆ31）に応じたビートシグナルを生じさせ
る。このビートシグナルは、測長光路の空気の屈折率変
動を測定するための屈折率測定用参照信号として演算装
置４０２に出力される。

【００９８】また、ＰＢＳ１５０に入射した周波数ｆ2
1、ｆ21’、ｆ31の３つの光は、それぞれの偏光方位に
応じて分離される。これにより、ｓ−偏光の周波数ｆ2
1’の光はＰＢＳ１５０で反射されて参照光路に導か
れ、ｐ−偏光の周波数ｆ21、ｆ31の光はＰＢＳ１５０を
透過して測長光路に導かれる。この後については、上記
の第三実施形態と同じように、周波数ｆ21’の光が参照
光路を２回往復し、また周波数ｆ21、ｆ31の光が測長光
路を２回往復する。その後、これ等の光は、その光軸を
略同一にしてＰＢＳ１５０を透過し、ＰＢＳ１３４に入
射する。

【００９９】ＰＢＳ１３４に入射した周波数ｆ21、ｆ2
1’、ｆ31の３つの光は、それぞれの偏光方位に応じて
分離される。これにより、ｓ−偏光の周波数ｆ21’の光
はＰＢＳ１３４を透過し、ｐ−偏光の周波数ｆ21、ｆ31
の光はＰＢＳ１３４で反射される。尚、ＰＢＳ１３４は
周波数ｆ2の光に対する消光比が悪くなるように設計し
てある。このため、周波数ｆ21の光の一部がＰＢＳ１３
４を透過する。

【０１００】ＰＢＳ１３４を透過した周波数ｆ21’の光
と周波数ｆ21の光は、偏光子付きのレシーバ２１１に入
力する。偏光子付きのレシーバ２１１に入射した周波数
ｆ21の光と周波数ｆ21’の光は、この偏光子を通過した
後干渉し、その後、光電変換されて周波数ｆ21と周波数
ｆ21’の差（Δｆ21−Δｆ21’）に応じたビートシグナ
ルを生じさせる。このビートシグナルは、移動鏡１２０
の変位を測定するための測長信号として演算装置４０２
に出力される。尚、ＰＢＳ１３４を透過した周波数ｆ31
の光は、誤差光となるため周波数フィルタ１４２でカッ
トされる。

【０１０１】一方、ＰＢＳ１３４で反射された周波数ｆ
21、ｆ31の光は、ＳＨＧ変換素子１７１に入射する。Ｓ
ＨＧ変換素子１７１は、周波数ｆ21の光を周波数ｆ22
（＝２×ｆ21）の光に変換し、周波数ｆ31の光をそのま
ま透過する。ＳＨＧ変換素子１７１から出射された周波
数ｆ22の光と周波数ｆ31の光は、偏光子付きのレシーバ
２２１に入力する。偏光子付きのレシーバ２２１に入射
した周波数ｆ22の光と周波数ｆ31の光は、この偏光子を
通過した後干渉し、その後、光電変換されて周波数ｆ22
と周波数ｆ31の差（ｆ22−ｆ31）に応じたビートシグナ
ルを生じさせる。このビートシグナルは、測長光路の空
気の屈折率変動を測定するための屈折率測定信号として
演算装置４０２に出力される。

【０１０２】次に、演算装置４０２は、上記の４つの信
号（測長信号、測長用参照信号、屈折率測定信号、屈折
率測定用参照信号）に基づいて、測長光路の空気の屈折
率変動の影響を補正した移動鏡１２０の変位を計算す
る。以下、その方法について、簡単に説明する。

【０１０３】（式８）は、（式５）と（式６）を用いる
と、次式により表される。

【０１０４】

【数９】

【０１０５】（式９）は、周波数ｆbの光で測定した移
動鏡の変位から周波数ｆb、ｆcの光で求めた屈折率の変
動による影響を補正して、幾何学的距離ΔＤを求めるこ
とを意味する。

【０１０６】演算装置４０２は、測長信号及び測長用参
照信号から周波数ｆ21の光で測定した移動鏡１２０の変
位ΔＤ（ｆ21）を求め、屈折率測定信号及び屈折率測定
用参照信号から周波数ｆ21、ｆ31の光で求めた屈折率の
変動による影響｛ΔＤ（ｆ３１）−ΔＤ（ｆ２１）｝を
求めている。そして、これ等を（式９）に代入してΔＤ
を算出している。

【０１０７】また、本実施形態では、その特徴的構成と
して、光路変動度検出部１０６ａ、１０６ｂが設けられ
ている。出射角度検出部１０６ａ、１０６ｂは、図１１
に示すように、ＢＳ２３６と、ＰＢＳ７５３と、周波数
分離素子２４０、２４１と、周波数フィルタ１４３、１
４４、１４５、１４６と、受光した光束の水平方向及び
垂直方向の受光位置を検出するレシーバ２０２、２０
３、２０４、２０５とを含んで構成されている。

【０１０８】ＰＢＳ７５３は周波数ｆ21、ｆ31の光の一
部を反射し、周波数ｆ21’の光を透過する。ＰＢＳ７５
３で反射した光束は周波数分離素子２４１に入射して、
周波数ｆ31の光のみが反射され、周波数ｆ21の光は透過
する。周波数分離素子２４１で反射された周波数ｆ31の
光は、レシーバ２０３に入射して、水平方向及び垂直方
向の受光位置が検出される。この際、誤差光となる周波
数ｆ21の光は周波数フィルタ１４４によってカットされ
る。周波数分離素子２４１を透過した周波数ｆ21の光
は、レシーバ２０５に入射して、水平方向及び垂直方向
の受光位置が検出される。この際、誤差光となる周波数
ｆ31の光は周波数フィルタ１４６によってカットされ
る。

【０１０９】一方、光路変動検出部１０６ｂは測長光路
に配置されているため、周波数ｆ21、ｆ31の光がＢＳ２
３６に入射する。周波数ｆ21、ｆ31の光束はＢＳ２３６
でその一部が反射された後、周波数分離素子２４０に入
射し、周波数ｆ31の光のみが反射され、周波数ｆ21の光
は透過する。周波数分離素子２４０で反射された周波数
ｆ31の光は、レシーバ２０２に入射して、水平方向及び
垂直方向の受光位置が検出される。この際、誤差光とな
る周波数ｆ21の光は周波数フィルタ１４３によってカッ
トされる。周波数分離素子２４０を透過した周波数ｆ21
の光は、レシーバ２０４に入射して、水平方向及び垂直
方向の受光位置が検出される。この際、誤差光となる周
波数ｆ31の光は周波数フィルタ１４５によってカットさ
れる。

【０１１０】光路変動算出装置４１３は、レシーバ２０
２で検出した周波数ｆ31の光の水平方向及び垂直方向の
受光位置と、レシーバ２０３で検出した周波数ｆ31の光
の水平方向及び垂直方向の受光位置と、ＰＢＳ７５３及
びＢＳ２３６間の光路長とに基づいて、光源３０５から
出射された周波数ｆ3の光の光路変動を求める。また、
光路変動算出装置４１３は、レシーバ２０４で検出した
周波数ｆ21の光の水平方向及び垂直方向の受光位置と、
レシーバ２０５で検出した周波数ｆ21の光の水平方向及
び垂直方向の受光位置と、ＰＢＳ７５３及びＢＳ２３６
間の光路長とに基づいて、光源３０５から出射された周
波数ｆ2の光の光路変動を求める求める。さらに、光路
変動算出装置４１３は、求めた周波数ｆ2、ｆ3の光の光
路変動量を参照して、これ等の光束が所定の光路を通る
ように補正鏡１１０、１１１、１１２、１１３のＰＺＴ
に信号を出力する。

【０１１１】尚、本実施形態では、ＦＮＤ光を周波数シ
フトした周波数ｆ21とｆ21’の光を用いて移動鏡１２０
の変位を測定しているが、原理的にはＳＨＧ光を周波数
シフトした周波数ｆ31の光を用いて移動鏡１２０の変位
を測定してもよい。本実施形態において、移動鏡１２０
の変位の測定にＦＮＤ光を周波数シフトした周波数ｆ2
1、ｆ21’の光を用いているのは、以下の理由によるも
のである。

【０１１２】光波干渉測定装置の測長精度低下の原因の
一つにＰＢＳの消光比における問題がある。すなわち、
ＰＢＳにおいて、本来透過すべき光を反射したり、また
逆に反射すべき光を透過したりして、これらの誤差光に
より測長精度が低下してしまうのである。ここで、この
誤差光として、本来移動鏡１２０側に導かれるべきであ
る周波数ｆ21の光が固定鏡１２１側に導かれた場合につ
いて考えてみる。この周波数ｆ21の光は、最終的にＳＨ
Ｇ変換素子１７１に入射する。ＳＨＧ変換素子１７１で
変換されるＳＨＧ光の強度は入射光の強度の２乗に比例
する。本実施形態の場合、ＦＮＤ光の強度は光源直後で
２００ｍＷ程度しかないため、誤差光となるＦＮＤ光の
強度は、これよりはるかに弱いはずである。このため、
ＳＨＧ変換素子１７１に入射した誤差光である周波数ｆ
21の光のＳＨＧ光への変換効率はたかだか１％程度にす
ぎないので、測長精度に及ぼす影響は僅かである。これ
に対し、ＳＨＧ光を周波数シフトした周波数ｆ31の光を
用いて移動鏡１２０の変位を測定した場合、周波数ｆ31
の光が誤差光として固定鏡１２１側に導かれ、最終的に
ＳＨＧ変換素子１７１に入射すると、この光はＳＨＧ変
換素子１７１でＳＨＧ変換されずにそのまま透過するた
め、測長精度に多大な影響を及ぼすおそれがある。これ
が、本実施形態において、移動鏡１２０の変位の測定に
ＦＮＤ光を周波数シフトした周波数ｆ21の光を用いてい
る理由である。

【０１１３】本発明は、上記の各実施形態に限定される
ものではなく、その要旨の範囲内で様々な変形が可能で
ある。たとえば、上記の各実施形態では、移動鏡の変位
を測定するものについて説明したが、測長機以外の様々
な光波干渉測定装置にも適用することができる。

【０１１４】また、上記の各実施形態において、光束の
受光位置を検出するレシーバ（例えばＰＳＤ）の出力値
をメモリ等に記憶するようにしてもよい。これにより、
光源の電源を一度切る場合でも、レシーバの出力値を記
憶しておけば、再びその記憶したレシーバの出力値とな
るように、光路を調整することで、測定の条件が大きく
変わることなく、測定を行うことができる。この場合、
補正鏡のＰＺＴを用いて調整するため、その調整も比較
的楽に且つ光波干渉測定装置から離れていても調整する
ことができる。

【０１１５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
光束の光路変動を抑制することができるので、光束の光
路変動に起因する測定誤差を低減することができる。し
たがって、高精度な光波干渉計測を行なうことができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一実施形態であるヘテロダイン式干
渉測長機の概略構成図である。

【図２】図１に示す装置に用いる光路変動検出部の概略
構成図である。

【図３】光源から出射された光束の光路変動を補正する
様子を示す図である。

【図４】図１に示す装置に用いる光路変動検出部の変形
例を示す図である。

【図５】本発明の第二実施形態であるホモダイン式干渉
測長機の概略構成図である。

【図６】本発明の第三実施形態であるヘテロダイン式干
渉測長機の概略構成図である。

【図７】図６に示す装置に用いる屈折率測定用光源部の
概略構成図である。

【図８】図６に示す装置に用いる光路変動検出部の概略
構成図である。

【図９】通常の空気の構成比におけるＦ（ｆ）の特性を
示す図である。

【図１０】本発明の第四実施形態であるヘテロダイン式
干渉測長機の概略構成図である。

【図１１】図１０に示す装置に用いる光路変動検出部の
概略構成図である。

【図１２】従来のヘテロダイン式干渉測長機の概略構成
図である。

【図１３】光束の光路変動に伴う測定誤差を説明するた
めの図である。

【符号の説明】

１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄ、１０４ａ,
１０４ｂ、１０５、１０６ａ、１０６ｂ：光路変動検出
部１１０〜１１９、２５０〜２５３：補正鏡１２０、７２０：移動鏡１２１、７２１：固定鏡１２３、７２３：ステージ１２５、２３１：ミラー１３０〜１３６、２３０〜２３６、７３０：ビームスプ
リッタ１３７、２４０〜２４３：周波数分離素子１３８：周波数結合素子１３９：ダイクロイックミラー１４０〜１４８：周波数フィルタ１５０〜１５９、７５０〜７５３：偏光ビームスプリッ
タ１６０：λ／４板１６１：フレネルロム１６２：λ／８板１６２ａ、１６２ｂ：波長板１６３〜１６５：偏光板１６６：λ／２板１７０〜１７２：ＳＨＧ変換素子１８０、１８１：コーナーキューブ１９０〜１９４：周波数シフタ２００〜２２４、８１０、８１１：レシーバ３００：光源部３０１〜３０５、６０１：光源４００〜４０２、４０５、９０３：演算装置４１０〜４１３：光路変動算出装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源と、前記光源から出射された光束を
光を反射する対象物に導くと共に、前記対象物で反射さ
れた光束に基準となる光束を重ね合わせて干渉光を発生
させる光学系と、前記光学系で発生した干渉光を検出す
る干渉光検出手段と、前記干渉光検出手段の結果に基づ
いて前記対象物の測定値を算出する測定値算出手段と、
を具備する光波干渉測定装置であって、前記光源から出射された光束の光路変動を検出する光路
変動検出手段と、前記光路変動検出手段で検出された光路変動量を参照し
て、前記光源から出射された光束の光路変動を補正する
光路変動補正手段と、を有することを特徴とする光波干渉測定装置。
【請求項２】前記光路変動補正手段は、前記光源から
出射された光束の光路が一定となるように、当該光束の
光路変動を補正することを特徴とする請求項１記載の光
波干渉測定装置。
【請求項３】前記光路変動検出手段は、前記光源から
出射された光束の一部を分離する複数の光束分離手段
と、各前記光束分離手段によって分離された複数の光束を各
々受光する複数の受光手段と、前記受光手段における前記複数の光束各々の受光位置に
基づいて、前記光源から出射された光束の光路変動を求
める光路変動算出手段と、を有することを特徴とする請求項１又は２記載の光波干
渉測定装置。
【請求項４】前記光学系は、前記光源から出射された
光束の一部を固定鏡に導くと共に残りの光束を前記対象
物に導く分離手段を有するものであり、前記基準となる光束は、前記固定鏡で反射された光束で
あることを特徴とする請求項１、２又は３記載の光波干
渉測定装置。
【請求項５】前記複数の光束分離手段は、前記光源と
前記分離手段との間に配置された第一の光束分離手段
と、前記分離手段と前記干渉光検出手段との間に配置さ
れた第二の光束分離手段とから成ることを特徴とする請
求項４記載の光波干渉測定装置。
【請求項６】光源部と、前記光源部から出射された光
束を光を反射する対象物に導くと共に、前記対象物で反
射された光束に基準となる光束を重ね合わせて干渉光を
発生させる光学系と、前記光学系で発生した干渉光を検
出する干渉光検出手段と、前記干渉光検出手段の結果に
基づいて前記対象物の測定値を算出する測定値算出手段
と、を具備する光波干渉測定装置であって、前記光源部は、周波数の異なる複数の光を含む光束を出
射するものであり、前記光源部から出射された光束の光路変動を前記周波数
の異なる光毎に検出する光路変動検出手段と、前記光路変動検出手段で検出された前記複数の光の光路
変動量を参照して、前記光源から出射された光束の光路
変動を前記周波数の異なる光毎に補正する光路変動補正
手段と、を有することを特徴とする光波干渉測定装置。
【請求項７】前記光路変動補正手段は、前記光源部か
ら出射された前記複数の光が同軸となるように、当該複
数の光の光路変動をそれぞれ補正することを特徴とする
請求項６記載の光波干渉測定装置。
【請求項８】前記光学系は、前記光源部から出射され
た光束の一部を固定鏡に導くと共に残りの光束を前記対
象物に導く分離手段を有するものであり、前記基準となる光束は、前記固定鏡で反射された光束で
あることを特徴とする請求項６又は７記載の光波干渉測
定装置。
【請求項９】前記光学系は、前記光源部から出射され
た前記複数の光のうち、二つの周波数の光を前記固定鏡
及び前記対象物の少なくとも一方に導く導光手段と、前記導光手段によって導かれた二つの周波数の光を干渉
させる干渉手段と、前記干渉手段によって発生した干渉光に基づいて前記二
つの周波数の光が導かれた光路における空気の屈折率変
動を測定する測定手段と、を更に有することを特徴とする請求項８記載の光波干渉
測定装置。