JPH09280822A

JPH09280822A - 光波干渉測定装置

Info

Publication number: JPH09280822A
Application number: JP8117083A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Kawai; 斉河井; Jun Kawakami; 潤川上; Koichi Tsukihara; 浩一月原
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1996-04-15
Filing date: 1996-04-15
Publication date: 1997-10-31

Abstract

(57)【要約】【課題】偏光ビームスプリッターにおける漏れ光に起
因するクロストークの低減された、測定精度の高い光波
干渉測定装置。【解決手段】第２干渉光生成系は、第２の測定光の偏
光方位を所定角度回転させるための第１偏光方位回転手
段と、第１偏光方位回転手段を介した第２の測定光を第
２の周波数とは異なる周波数を有し且つ偏光方位回転手
段を介した第３の測定光の偏光方位と平行な偏光方位を
有する光に変換するための第１周波数変換素子とを有
し、第３干渉光生成系は、第２の参照光の偏光方位を所
定角度回転させるための第２偏光方位回転手段と、第２
偏光方位回転手段を介した第２の参照光を第２の周波数
とは異なる周波数を有し且つ偏光方位回転手段を介した
第３の参照光の偏光方位と平行な偏光方位を有する光に
変換するための第２周波数変換素子とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光波干渉測定装置お
よび光波干渉測定方法に関し、特に高精度な変位計測を
行う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】図５は、従来の光波干渉測定装置の構成
を概略的に示す図である。図５の光波干渉測定装置は、
移動鏡６の光軸方向（図中矢印方向）の変位量を測長す
るものである。測長用光源１２は、周波数ω₁の光と周
波数ω₁'（ω₁'＝ω₁＋Δω₁）の光とを含む光を射出
する。この２つの光は、周波数が互いにわずかに異な
り、偏光方位が互いに直交している。

【０００３】この２つの光は、ビームスプリッター１３
を介して偏光ビームスプリッタ４に入射し、周波数ω₁'
の光と周波数ω₁の光とに分離される。周波数ω₁'の光
は参照光となり、固定鏡５で反射された後、再び偏光ビ
ームスプリッタ４に戻る。また、周波数ω₁の光は測定
光となり、移動鏡６で反射された後、再び偏光ビームス
プリッタ４に戻る。

【０００４】偏光ビームスプリッタ４に戻ってきた測定
光と参照光とは、同一光路に沿って偏光ビームスプリッ
タ４から射出される。同一光路に沿って偏光ビームスプ
リッタ４から射出された測定光と参照光とは、偏光板
（不図示）を介して干渉する。干渉光は、受光素子１６
で受光される。受光素子１６で変換された測定ビート信
号（周波数Δω₁）は、位相計１７に入力される。

【０００５】一方、測長用光源１２から射出された２つ
の光の一部はビームスプリッタ１３によって反射され、
偏光板（不図示）を介して干渉する。干渉光は受光素子
１４によって検出され、参照ビート信号（周波数Δ
ω₁）として位相計１７に入力される。位相計１７
は、参照ビート信号に対する測定ビート信号の位相変化
を測定することによって移動鏡６の変位量を求め、その
変位量情報に関する信号を演算器３５に出力する。

【０００６】ところで、図５のような光波の干渉による
測長を精密（高精度）に行うためには、光路中の空気
（またはその他の気体）の屈折率変動を無視することが
できない。そこで、従来の光波干渉測定装置は、図５に
示すように、測定光路中の空気の屈折率変動に起因する
測長誤差の補正手段としてエアセンサ３２を備えてい
る。すなわち、エアセンサ３２を用いて測定光路中の大
気の温度、圧力、湿度を測定し、この測定結果に基づい
て光の波長を補正することによって、空気の屈折率変動
に起因する測長誤差を補正している。

【０００７】すなわち、真の変位量をＤとし、空気の屈
折率をｎとし、ｎは空間的に一様であるとすると、光波
干渉測定装置で測定される変位量Ｄｍは、

【数１】Ｄｍ＝ｎＤ・・・（１）と表される。

【０００８】ここで、ｎを光の波長を用いて表すと、

【数２】Ｄｍ＝λ₀Ｄ／λ・・・（２）となる。但し、λ＝ｃ／ωである。ここで、λ₀は真空
中の光の波長であり、λは測定光路に沿った光の波長で
ある。

【０００９】なお、波長λは、測定光路中の空気の温
度、圧力、湿度に依存する量である。したがって、測定
光路に沿った空気の温度、圧力、湿度をエアセンサ３２
で測定することにより、波長λを求めることができる。
すなわち、演算器３５は、位相計１７からの変位Ｄｍの
信号と、エアセンサ３２からの温度、圧力、湿度の測定
信号と、式（２）に示す演算式とに基づいて、移動鏡６
の真の変位量Ｄを求めることができる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、従来の
技術では、測定光路の１箇所のみにおいて空気の温度、
圧力、湿度をエアセンサで検出している。このため、空
気の屈折率が測定光路に沿って一様に変動している場合
には正確な補正が可能であるが、空気の屈折率が測定光
路上において局所的に変動している場合には、空気の屈
折率変動に起因する測長誤差を正確に補正することがで
きないという不都合があった。

【００１１】そこで、本発明者等は、特願平６−３３５
６９６号の明細書および図面において、異なる周波数の
光を用いて空気の屈折率変動に起因する測長誤差を補正
することの可能な光波干渉測定装置を提案している。な
お、特願平６−３３５６９６号の明細書および図面に開
示された光波干渉測定装置は、本件出願時に未だ公開さ
れておらず、本件出願の従来技術に属していない。

【００１２】図４は、特願平６−３３５６９６号の明細
書および図面に開示の光波干渉測定装置の構成を概略的
に示す図である。なお、図４において、図５の従来の光
波干渉測定装置の構成要素と同様な要素については同じ
参照符号を付している。以下、図５の装置との相違に着
目して図４の装置の説明を行い、重複する説明を省略す
る。

【００１３】図４の光波干渉測定装置では、測長用光源
１２から射出される光と同じ光路上に、２つの異なる周
波数ω₂（基本波）およびω₃（第２高調波：２ω₂＝
ω₃）のレーザ光を結合させている。こうして、この２
つの異なる周波数のレーザ光により、測長用干渉計の光
路中での空気（または他の気体等）の屈折率変動を求め
ることができる。

【００１４】図４の光波干渉測定装置では、光源１から
射出された周波数ω₂の光の一部が第２高調波変換素子
（以下、「ＳＨＧ変換素子」という）２によって周波数
ω₃（ω₃＝２ω₂）の光に変換され、残部はＳＨＧ変
換素子２をそのまま透過する。なお、ＳＨＧ変換素子２
を介した周波数ω₂の光および周波数ω₃の光の偏光方
位は、測長用光源１２から射出される光の偏光方位に対
して４５°の角度をなしている。周波数ω₂の光および
周波数ω₃の光は、たとえばダイクロイックミラーから
なる周波数結合素子３によって測長用光源１２から射出
された周波数ω₁の光と同一光路上に結合する。結合さ
れた光は、同じ光路を介して、偏光ビームスプリッター
４に入射する。

【００１５】周波数ω₂の光および周波数ω₃の光は、
偏光ビームスプリッター４によって、固定鏡５側に反射
される光（参照光）と移動鏡６側へ透過する光（測定
光）とに分割される。参照光と測定光とは、その偏光方
位が互いに直交しているが、いずれも周波数ω₂の光お
よび周波数ω₃の光をそれぞれ含んでいる。その後、固
定鏡５および移動鏡６でそれぞれ反射された参照光およ
び測定光（それぞれ周波数ω₂の光および周波数ω₃の
光を含む）は、偏光ビームスプリッター４に入射して結
合され、同一光路に沿って射出される。

【００１６】偏光ビームスプリッター４で結合された周
波数ω₂の光および周波数ω₃の光は、たとえばダイク
ロイックミラーからなる周波数分離素子７で反射され
る。こうして、周波数ω₂の光および周波数ω₃の光
は、周波数分離素子７を透過する周波数ω₁の光と分離
され、偏光ビームスプリッター２０に入射する。偏光ビ
ームスプリッター２０は、移動鏡６で反射された測定光
（周波数ω₂の光および周波数ω₃の光）を透過し、固
定鏡５で反射された参照光（周波数ω₂の光および周波
数ω₃の光）を反射する。

【００１７】偏光ビームスプリッター２０を透過した周
波数ω₂の光および周波数ω₃の光のうち周波数ω₂の
光の一部は、ＳＨＧ変換素子８によって周波数ω₃（２
ω₂＝ω₃）の光に変換される。一方、周波数ω₃の光
は、ＳＨＧ変換素子８をそのまま透過する。その結果、
ＳＨＧ変換素子８によって周波数ω₂から周波数ω₃に
変換された光と移動鏡６で反射された周波数ω₃の光と
が干渉し、その干渉光が受光素子１０によって検出され
る。また、偏光ビームスプリッター２０で反射された周
波数ω₂の光および周波数ω₃の光についても、ＳＨＧ
変換素子９の作用により、周波数ω₂から周波数ω₃に
変換された光と固定鏡５で反射された周波数ω₃の光と
の干渉光が受光素子１１で検出される。

【００１８】受光素子１０および１１でそれぞれ検出さ
れた干渉信号は、位相計１８に入力される。位相計１８
では、受光素子１１からの干渉信号（参照信号）に対す
る受光素子１０からの干渉信号（測定信号）の位相変化
を測定する。こうして、周波数ω₃の光に対する光路長
変化Ｄ（ω₃）と周波数ω₂の光に対する光路長変化Ｄ
（ω₂）との差すなわち｛Ｄ（ω₃）−Ｄ（ω₂）｝を
求めることができる。位相計１８で求められた｛Ｄ（ω
₃）−Ｄ（ω₂）｝に関する信号は、演算器１９に供給
される。

【００１９】演算器１９では、測長用光源１２を用いた
測長用干渉計で測定した移動鏡６の変位量Ｄｍを補正
し、真の変位量（幾何学的な距離）Ｄが求められる。以
下、移動鏡６の変位量Ｄｍから真の変位量（幾何学的な
距離）Ｄへの補正について説明する。周波数ω₁、ω₂
およびω₃の光に対する光路長変化Ｄ（ω₁）、Ｄ（ω
₂）およびＤ（ω₃）は、それぞれ次の式（３）乃至
（５）により表される。

【００２０】

【数３】Ｄ（ω₁）＝ｎ₁・Ｄ・・・（３）

【数４】Ｄ（ω₂）＝ｎ₂・Ｄ・・・（４）

【数５】Ｄ（ω₃）＝ｎ₃・Ｄ・・・（５）

【００２１】ここで、Ｄは幾何学的な距離であり、ｎ₁
〜ｎ₃は周波数ω₁〜ω₃の光に対する光路中の空気
（または他の気体）の屈折率である。上述の式（３）乃
至（５）より、幾何学的距離Ｄは次の式（６）によって
与えられる。

【数６】Ｄ＝Ｄ（ω₁）−Ａ〔Ｄ（ω₃）−Ｄ（ω₂）〕・・・（６）但し、Ａ＝（ｎ₁−１）／（ｎ₃−ｎ₂）である。

【００２２】式（６）の右辺第２項のＤ（ω₃）−Ｄ
（ω₂）は、上述したように、位相計１８によって求め
ることができる。また、右辺第１項のＤ（ω₁）は、位
相計１７によって求めることができる。したがって、演
算器１９では、位相計１７の出力信号と位相計１８の出
力信号とに基づいて、式（６）の演算式により、測長用
干渉計で測定した変位量Ｄ（ω₁）を補正し、真の変位
量Ｄを求めることができる。

【００２３】図４の光波干渉測定装置では、光源１から
の周波数ω₂の光および周波数ω₃の光が、測長用光源
１２から射出された測長用の光と同一の光路を通る。こ
のため、空気の屈折率変動が測定光路に沿って一様でな
い場合も、空気の屈折率変動に起因する測長誤差を補正
し、移動鏡の光軸方向の変位量を高精度に測定すること
ができる。

【００２４】しかしながら、図４の光波干渉測定装置で
は、移動鏡６で反射された周波数ω₂の光および周波数
ω₃の光からなる測定光と、固定鏡５で反射された周波
数ω₂の光および周波数ω₃の光からなる参照光とが、
偏光ビームスプリッター４で一旦結合され、その後偏光
ビームスプリッター２０で分離される。このため、偏光
ビームスプリッター２０の偏光特性（性能や配置の不完
全さなど）に起因して測定のＳ／Ｎ比が悪くなり、測定
精度が低下することがある。以下、偏光ビームスプリッ
ター２０の偏光特性（性能や配置の不完全さなど）に起
因する測定精度の低下について説明する。

【００２５】偏光ビームスプリッター２０で分離された
周波数ω₂の光および周波数ω₃の光は、上述したよう
に、受光素子１１で検出される周波数ω₂の光および周
波数ω₃の光の信号と、受光素子１０で検出される周波
数ω₂の光および周波数ω₃の光の信号との位相差とし
て検出される。したがって、偏光ビームスプリッター２
０に入射した光が固定鏡５で反射された参照光と移動鏡
６で反射された測定光とに精度良く分離されない場合、
それぞれの受光素子に対して検出すべき光以外の光が漏
れ光として入射してしまう。その結果、その漏れ光がク
ロストークとなり、測定精度が低下してしまう。特に、
周波数ω₂の光および周波数ω₃の光のうち、周波数の
高い光すなわち周波数ω₃の光の漏れ光が測定誤差に大
きく影響する。

【００２６】本発明は、前述の課題に鑑みてなされたも
のであり、偏光ビームスプリッターにおける漏れ光に起
因するクロストークの低減された、測定精度の高い光波
干渉測定装置を提供することを目的とする。

【００２７】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明において、第１の周波数を有する第１の光
と、第２の周波数を有する第２の光と、前記第２の周波
数とは異なる第３の周波数を有する第３の光とを同一光
路に沿って出力するための光源部と、前記光源部から出
力された前記第１の光、前記第２の光および前記第３の
光を、固定鏡までの参照光路に沿って導かれる参照光
と、移動鏡までの測定光路に沿って導かれる測定光とに
それぞれ偏光分離するための第１偏光ビームスプリッタ
ーと、前記測定光路および前記参照光路を介して前記第
１偏光ビームスプリッターから同一光路に沿って射出さ
れた前記第１の光に基づいて、前記測定光路を介した測
定光と前記参照光路を介した参照光との第１干渉光を生
成するための第１干渉光生成系と、前記測定光路および
前記参照光路を介して前記第１偏光ビームスプリッター
から同一光路に沿って射出された前記第２の光および前
記第３の光を、前記測定光路を介した前記第２の周波数
を有する第２の測定光および前記第３の周波数を有する
第３の測定光と、前記参照光路を介した前記第２の周波
数を有する第２の参照光および前記第３の周波数を有す
る第３の参照光とに偏光分離するための第２偏光ビーム
スプリッターと、前記第２偏光ビームスプリッターによ
って分離された前記第２の測定光および前記第３の測定
光のうち前記第２の測定光の周波数を前記第３の測定光
の周波数とほぼ一致させて第２干渉光を生成するための
第２干渉光生成系と、前記第２偏光ビームスプリッター
によって分離された前記第２の参照光および前記第３の
参照光のうち前記第２の参照光の周波数を前記第３の参
照光の周波数とほぼ一致させて第３干渉光を生成するた
めの第３干渉光生成系と、前記第１干渉光に基づいて測
定された前記移動鏡の変位量を、前記第２干渉光および
前記第３干渉光に基づいて測定された前記測定光路中の
屈折率変動情報に基づいて補正するための補正手段とを
備え、前記第２干渉光生成系は、前記第２の測定光の偏
光方位を所定角度回転させるための第１偏光方位回転手
段と、前記第１偏光方位回転手段を介した前記第２の測
定光を前記第２の周波数とは異なる周波数を有し且つ前
記偏光方位回転手段を介した前記第３の測定光の偏光方
位と平行な偏光方位を有する光に変換するための第１周
波数変換素子とを有し、前記第３干渉光生成系は、前記
第２の参照光の偏光方位を所定角度回転させるための第
２偏光方位回転手段と、前記第２偏光方位回転手段を介
した前記第２の参照光を前記第２の周波数とは異なる周
波数を有し且つ前記偏光方位回転手段を介した前記第３
の参照光の偏光方位と平行な偏光方位を有する光に変換
するための第２周波数変換素子とを有することを特徴と
する光波干渉測定装置を提供する。

【００２８】本発明の好ましい態様によれば、前記第１
偏光方位回転手段は、前記第２の測定光に対して１／２
波長板として作用するとともに前記第３の測定光に対し
て１波長板として作用し、前記第１の周波数変換素子は
第２高調波変換素子（以下、「ＳＨＧ変換素子」とい
う）であり、前記第３の測定光の偏光方位と平行な異常
光線方位を有する負の非線形結晶からなり、前記第２偏
光方位回転手段は、前記第２の参照光に対して１／２波
長板として作用するとともに前記第３の参照光に対して
１波長板として作用し、前記第２の周波数変換素子はＳ
ＨＧ変換素子であり、前記第３の参照光の偏光方位と平
行な異常光線方位を有する負の非線形結晶からなる。

【００２９】

【発明の実施の形態】本発明の光波干渉測定装置では、
第２偏光ビームスプリッターを介した第２の光および第
３の光の偏光方位とＳＨＧ変換素子の異常光線方位とを
平行にしている。そして、第２の光および第３の光のう
ち第２高調波に変換すべき第２の光の偏光方位を、偏光
方位回転手段によって所定角度だけ回転させている。し
たがって、偏光方位回転手段とＳＨＧ変換素子との組み
合わせ作用により、ＳＨＧ変換された第２の光の偏光方
位とＳＨＧ変換されない第３の光の偏光方位とを一致さ
せることができる。

【００３０】一方、第２偏光ビームスプリッターを介し
た第２漏れ光（第２の光に対応する漏れ光）および第３
漏れ光（第２の光に対応する漏れ光）の偏光方位と第２
の光および第３の光の偏光方位とが直交しているので、
ＳＨＧ変換されない第３漏れ光の偏光方位とＳＨＧ変換
された第２の光の偏光方位とは必然的に直交する。その
結果、第３漏れ光と第２の光とは全く干渉しない。ま
た、ＳＨＧ変換された光第２漏れ光の偏光方位は、ＳＨ
Ｇ変換されない第３の光の偏光方位と一致する。しかし
ながら、ＳＨＧ変換された第２漏れ光の強度は極めて小
さいので、第２漏れ光と第３の光との干渉によるクロス
トークの影響は極めて小さく、測定精度は実質的に低下
しない。

【００３１】以下、本発明の実施例を、添付図面に基づ
いて説明する。図１は、本発明の第１実施例にかかる光
波干渉測定装置の構成を概略的に示す図である。なお、
第１実施例の光波干渉測定装置では、いわゆるホモダイ
ン干渉方式を用いて屈折率変動の測定を行っている。

【００３２】図１の光波干渉測定装置は、屈折率変動を
測定するための光を供給する光源１を備えている。光源
１から射出された周波数ω₂の光はＳＨＧ変換素子２に
入射し、周波数ω₂の光の一部がＳＨＧ変換素子２によ
り周波数ω₃（ω₃＝２ω₂）のＳＨＧ光に変換され、
残部はＳＨＧ変換素子２をそのまま透過する。ＳＨＧ変
換素子２から射出された周波数ω₂の光および周波数ω
₃の光は、たとえばダイクロイックミラーからなる周波
数結合素子３によって反射され、後述する測長用光源１
２からの光（周波数ω₁近傍の光）と同一光路上に結合
される。なお、周波数結合素子３は、周波数ω₁近傍の
光のみを透過し、それ以外の周波数の光を反射する特性
を有する。

【００３３】周波数結合素子３で反射された周波数ω₂
の光および周波数ω₃の光は、偏光ビームスプリッタ４
に入射する。偏光ビームスプリッタ４は、周波数ω₂の
光および周波数ω₃の光の偏光方位に対して４５°だけ
傾いて配置されている。したがって、偏光ビームスプリ
ッタ４に入射した光は、２つの光、すなわち偏光ビーム
スプリッタ４で反射されて固定鏡５に導かれる参照光
と、偏光ビームスプリッタ４を透過して移動鏡６に導か
れる測定光とに分割される。このように、参照光と測定
光とは偏光方位が互いに直交しており、いずれも周波数
ω₂の光および周波数ω₃の光の双方を含んでいる。

【００３４】偏光ビームスプリッタ４で反射された参照
光は、コーナキューブプリズムからなる固定鏡５で反射
された後、再び偏光ビームスプリッタ４に戻る。他方、
偏光ビームスプリッタ４を透過した測定光も移動台（不
図示）に取り付けられたコーナキューブプリズムからな
る移動鏡６で反射され、再び偏光ビームスプリッタ４に
戻る。

【００３５】こうして、参照光路を介して偏光ビームス
プリッタ４から射出された周波数ω₂の光および周波数
ω₃の光と、測定光路を介して偏光ビームスプリッタ４
から射出された周波数ω₂の光および周波数ω₃の光と
は、同一光路に沿って周波数分離素子７に入射する。周
波数分離素子７は周波数結合素子３と同様に、たとえば
ダイクロイックミラーで構成され、周波数がω₁近傍の
光のみを透過し、他の周波数の光を反射する特性を有す
る。したがって、周波数ω₂の光および周波数ω₃の光
は、周波数分離素子７の作用により、後述する測長用光
源１２からの光（周波数ω₁近傍の光）から分離され
る。

【００３６】周波数分離素子７で反射された周波数ω₂
の光と周波数ω₃の光、すなわち参照光路を介した周波
数ω₂の光および周波数ω₃の光と、測定光路を介した
周波数ω₂の光および周波数ω₃の光とは、同一光路に
沿って偏光ビームスプリッター２０に入射する。偏光ビ
ームスプリッター２０は、移動鏡６で反射された測定光
（周波数ω₂の光および周波数ω₃の光）を透過し、固
定鏡５で反射された参照光（周波数ω₂の光および周波
数ω₃の光）を反射する。

【００３７】偏光ビームスプリッター２０を透過した周
波数ω₂の光および周波数ω₃の光のうち周波数ω₂の
光は、波長板２１を介した後、ＳＨＧ変換素子８によっ
て周波数ω₃（２ω₂＝ω₃）の光に変換される。一
方、周波数ω₃の光は、波長板２１を介した後、ＳＨＧ
変換素子８をそのまま透過する。その結果、ＳＨＧ変換
素子８によって周波数ω₂から周波数ω₃に変換された
光と移動鏡６で反射された周波数ω₃の光とが干渉し、
その干渉光が受光素子１０によって検出される。

【００３８】また、偏光ビームスプリッター２０で反射
された周波数ω₂の光および周波数ω₃の光について
も、波長板２２を介した後、ＳＨＧ変換素子９の作用に
より、周波数ω₂から周波数ω₃に変換された光と固定
鏡５で反射された周波数ω₃の光との干渉光が受光素子
１１で検出される。なお、波長板２１および波長板２２
は、周波数がω₃近傍の光に対して１波長板として機能
し、周波数がω₂近傍の光に対して１／２波長板として
機能する光学素子であって、その作用については図２を
参照して後述する。受光素子１１からの干渉信号（参照
信号）および受光素子１０からの干渉信号（測定信号）
は、ともに位相計１８に供給される。

【００３９】位相計１８では、参照光路を介した周波数
ω₂の光と周波数ω₃の光とによる干渉信号（参照信
号）と測定光路を介した周波数ω₂の光と周波数ω₃の
光とによる干渉信号（測定信号）との位相差に基づい
て、周波数ω₃の光に対する光路長変化Ｄ（ω₃）と周
波数ω₂の光に対する光路長変化Ｄ（ω₂）との差であ
る｛Ｄ（ω₃）−Ｄ（ω₂）｝を求める。位相計１８で
求められた｛Ｄ（ω₃）−Ｄ（ω₂）｝に関する信号
は、演算器１９に供給される。

【００４０】図１の光波干渉測定装置はまた、移動鏡６
の光軸方向（図中矢印方向）の変位量を測長するための
光を供給する測長用光源１２を備えている。測長用光源
１２は、周波数が互いにわずかに異なり且つ偏光方位が
互いに直交する２つの光、すなわち周波数ω₁の光およ
び周波数ω₁'（ω₁'＝ω₁＋Δω₁）の光を同一光路に
沿って射出する。以下、この周波数ω₁の光と周波数ω
₁'の光とを２周波光（または直交２周波光）と呼ぶ。測
長用光源１２から射出されたこの直交２周波光の一部
は、ビームスプリッタ１３を透過した後、周波数結合素
子３に入射する。

【００４１】周波数結合素子３を透過した２周波光は、
偏光ビームスプリッタ４に入射する。偏光ビームスプリ
ッタ４は、周波数ω₁'の光と同一な偏光方位の光を反射
し、周波数ω₁の光と同一な偏光方位の光を透過するよ
うに配置されている。したがって、偏光ビームスプリッ
タ４に入射した２周波光のうち周波数ω₁'の光は、偏光
ビームスプリッタ４で反射され、参照光としてコーナキ
ューブプリズムからなる固定鏡５に導かれる。一方、２
周波光のうち周波数ω₁の光は、偏光ビームスプリッタ
４を透過し、測定光としてコーナキューブプリズムから
なる移動鏡６に導かれる。

【００４２】参照光は、固定鏡５で反射された後、再び
偏光ビームスプリッタ４に戻る。また、偏光ビームスプ
リッタ４を透過した測定光も移動鏡６で反射され、再び
偏光ビームスプリッタ４に戻る。このように、周波数ω
₁'の参照光は周波数ω₂の光および周波数ω₃の光から
なる参照光と同じ光路に沿って、周波数ω₁の測定光は
周波数ω₂の光および周波数ω₃の光からなる測定光と
同じ光路に沿って、偏光ビームスプリッタ４にそれぞれ
戻る。

【００４３】こうして、参照光路を介して偏光ビームス
プリッタ４から射出された周波数ω₁'の光と、測定光路
を介して偏光ビームスプリッタ４から射出された周波数
ω₁の光とは、同一光路に沿って周波数分離素子７に入
射する。前述したように、周波数分離素子７は、周波数
がω₁近傍の光のみを透過し、他の周波数の光を反射す
る特性を有する。したがって、周波数ω₁'の参照光およ
び周波数ω₁の測定光は、周波数分離素子７を透過す
る。周波数分離素子７を透過した周波数ω₁'の参照光お
よび周波数ω₁の測定光は、偏光板（不図示）を介して
干渉する。干渉光は受光素子１６で受光され、受光素子
１６は干渉光に基づく測定ビート信号（周波数Δω₁）
を位相計１７に供給する。

【００４４】一方、測長用光源１２から射出された２周
波光すなわち周波数ω₁'の光および周波数ω₁の光の一
部は、ビームスプリッタ１３によって反射された後、偏
光板（不図示）を介して干渉する。干渉光は、受光素子
１４によって検出される。受光素子１４は、周波数ω₁'
の光と周波数ω₁の光との干渉光に基づく参照ビート信
号（周波数Δω₁）を位相計１７に供給する。

【００４５】位相計１７では、参照ビート信号に対する
測定ビート信号の位相変化を測定することによって屈折
率変動の影響を考慮していない移動鏡６の変位量Ｄ（ω
₁）を求め、この変位量Ｄ（ω₁）に関する信号を演算
器１９に供給する。演算器１９では、位相計１７からの
信号と位相計１８からの信号と式（６）に示す演算式と
に基づいて、屈折率変動に起因する測定誤差を補正した
移動鏡６の真の変位量Ｄを、ひいては移動台の真の変位
量Ｄを求めて出力する。

【００４６】図２は、図１の波長板２１および２２の作
用について説明する図であって、（ａ）は比較のために
波長板を備えていない従来例を、（ｂ）は波長板を備え
た第１実施例をそれぞれ示している。なお、図２では、
波長板２２およびＳＨＧ変換素子９からなり参照光を受
光すべき光学系について説明しているが、波長板２１お
よびＳＨＧ変換素子８からなり測定光を受光すべき光学
系についても原理は全く同じである。

【００４７】図２（ａ）において、周波数ω₂の光５０
および周波数ω₃の光５１は、偏光ビームスプリッター
２０を介した参照光であり、ともに図面の紙面に垂直な
偏光方位を有する。また、周波数ω₂の光５２および周
波数ω₃の光５３は、本来偏光ビームスプリッター２０
を透過すべき測定光のうち偏光ビームスプリッター２０
で反射された漏れ光であり、ともに図面の紙面に垂直な
偏光方位を有する。

【００４８】参照光のうち周波数ω₃の光５１は、ＳＨ
Ｇ変換素子９をそのまま通過して、周波数ω₃の光６１
となる。なお、周波数ω₃の光６１の偏光方位は、紙面
に垂直なままである。一方、参照光のうち周波数ω₂の
光５０は、ＳＨＧ変換素子９を介して周波数ω₃の光６
０となる。なお、周波数ω₃の光６０の偏光方位は、Ｓ
ＨＧ変換素子９の異常光線方位に沿った方向、すなわち
紙面に垂直な方向から光軸まわりに所定角度回転した方
向になる。

【００４９】また、漏れ光のうち周波数ω₃の光５３
は、ＳＨＧ変換素子９をそのまま通過して、周波数ω₃
の光６３となる。なお、周波数ω₃の光６３の偏光方位
は、紙面に平行なままである。一方、漏れ光のうち周波
数ω₂の光５２は、ＳＨＧ変換素子９を介して周波数ω
₃の光６２となる。なお、周波数ω₃の光６２の偏光方
位は、ＳＨＧ変換素子９の異常光線方位に沿った方向、
すなわち紙面に垂直な方向から光軸まわりに所定角度回
転した方向になる。。

【００５０】こうして、図示を省略した偏光板を介し
て、ＳＨＧ変換素子９をそのまま通過した周波数ω₃の
参照光６１と、ＳＨＧ変換素子９を介して周波数が変換
された周波数ω₃の参照光６０とが干渉する。この際、
ＳＨＧ変換素子９をそのまま通過した周波数ω₃の漏れ
光６３と、ＳＨＧ変換素子９を介して周波数が変換され
た周波数ω₃の参照光６０とが干渉する。その結果、漏
れ光６３と参照光６０との干渉がクロストークとなり、
測定精度が低下する。

【００５１】そこで、第１実施例では、図２（ｂ）に示
すように、偏光ビームスプリッター２０とＳＨＧ変換素
子９との間の光路中に波長板２２を付設している。波長
板２２は、周波数ω₃の光に対して１波長板として作用
し、周波数ω₂の光に対して１／２波長板として作用す
る光学素子である。また、ＳＨＧ変換素子９を構成する
負の非線形光学結晶の異常光線方位が図面の紙面に垂直
で、その常光線方位が図面の紙面に平行になるようにＳ
ＨＧ変換素子９が配置されている。そして、ＳＨＧ変換
は、負の結晶でタイプIIの位相整合によるものとする。

【００５２】したがって、偏光ビームスプリッター２０
を介した周波数ω₃の参照光５１は、参照光５１に対し
て１波長板として作用する波長板２２をそのまま通過し
て、紙面に垂直な偏光方位を有する周波数ω₃の光７１
となる。一方、偏光ビームスプリッター２０を介した周
波数ω₂の参照光５０は、参照光５０に対して１／２波
長板として作用する波長板２２を介して、偏光方位が紙
面に垂直な方向から光軸まわりに所定角度回転した周波
数ω₂の光７０となる。

【００５３】また、偏光ビームスプリッター２０を介し
た周波数ω₃の漏れ光５３は、漏れ光５３に対して１波
長板として作用する波長板２２をそのまま通過して、紙
面に平行な偏光方位を有する周波数ω₃の光７３とな
る。一方、偏光ビームスプリッター２０を介した周波数
ω₂の漏れ光５２は、漏れ光５２に対して１／２波長板
として作用する波長板２２を介して、偏光方位が紙面に
平行な方向から光軸まわりに所定角度回転した周波数ω
₂の光７２となる。

【００５４】周波数ω₃の参照光７１は、ＳＨＧ変換素
子９をそのまま通過して、周波数ω₃の光８１となる。
なお、周波数ω₃の光８１の偏光方位は、紙面に垂直な
ままである。一方、周波数ω₂の参照光７０は、ＳＨＧ
変換素子９を介して周波数ω₃の光８０となる。なお、
周波数ω₃の光８０の偏光方位は、ＳＨＧ変換素子９の
異常光線方位に沿った方向、すなわち紙面に垂直な方向
になる。このように、周波数ω₃の光８１の偏光方位と
周波数ω₃の光８０の偏光方位とが一致する。

【００５５】また、周波数ω₃の漏れ光７３は、ＳＨＧ
変換素子９をそのまま通過して、周波数ω₃の光８３と
なる。なお、周波数ω₃の光８３の偏光方位は、紙面に
平行なままである。一方、周波数ω₂の漏れ光７２は、
ＳＨＧ変換素子９を介して周波数ω₃の光８２となる。
なお、周波数ω₃の光８２の偏光方位は、ＳＨＧ変換素
子９のの異常光線方位に沿った方向、すなわち紙面に垂
直な方向になる。このように、周波数ω₃の光８３の偏
光方位は、周波数ω₃の光８０の偏光方位と直交する。

【００５６】こうして、ＳＨＧ変換素子９をそのまま通
過した周波数ω₃の参照光８１と、ＳＨＧ変換素子９を
介して周波数が変換された周波数ω₃の参照光８０とが
干渉する。この際、ＳＨＧ変換素子９をそのまま通過し
た周波数ω₃の漏れ光８３と、ＳＨＧ変換素子９を介し
て周波数が変換された周波数ω₃の参照光８０とは偏光
方位が互いに直交しているので干渉することがない。そ
の結果、漏れ光８３と参照光８０との干渉によるクロス
トークが発生することなく、測定精度は低下しない。

【００５７】一方、ＳＨＧ変換素子９をそのまま通過し
た周波数ω₃の参照光８１と、ＳＨＧ変換素子９を介し
て周波数が変換された周波数ω₃の漏れ光８２とは干渉
する。しかしながら、ＳＨＧ変換素子９の変換効率は入
射光の強度の二乗に比例するので、もともと弱い強度を
有する漏れ光７２に基づいてＳＨＧ変換により得られた
漏れ光８２の強度は極めて弱い。したがって、参照光８
１と漏れ光８２との干渉によるクロストークの影響は極
めて弱く、測定精度が実質的に低下することがない。

【００５８】このように、第１実施例では、偏光ビーム
スプリッター２０を介した参照光５０および５１の偏光
方位とＳＨＧ変換素子９の異常光線方位とを平行にして
いる。そして、参照光５０および５１のうちＳＨＧ変換
すべき参照光５０の偏光方位を、波長板２２によって所
定角度だけ回転させている。したがって、波長板２２と
ＳＨＧ変換素子９との組み合わせ作用により、参照光５
０に基づくＳＨＧ変換された光８０の偏光方位と参照光
５１に基づくＳＨＧ変換されない光８１の偏光方位とを
一致させることができる。

【００５９】一方、漏れ光５２、５３の偏光方位と参照
光５０、５１の偏光方位とが直交しているので、漏れ光
５３に基づくＳＨＧ変換されない光８３の偏光方位と参
照光５０に基づくＳＨＧ変換された光８０の偏光方位と
は必然的に直交する。その結果、漏れ光８３と参照光８
０とは全く干渉しない。また、漏れ光５２に基づくＳＨ
Ｇ変換された光８２の偏光方位は、参照光５１に基づく
ＳＨＧ変換されない光８１の偏光方位と一致する。しか
しながら、上述したように、漏れ光５２に基づくＳＨＧ
変換された光８２の強度は極めて小さいので、漏れ光８
２と参照光８１との干渉によるクロストークの影響は極
めて小さく、測定精度は実質的に低下しない。

【００６０】図３は、本発明の第２実施例にかかる光波
干渉測定装置の構成を概略的に示す図である。なお、第
２実施例の光波干渉測定装置では、いわゆるヘテロダイ
ン干渉方式を用いて屈折率変動の測定を行っている。

【００６１】図３の光波干渉測定装置では、ヘテロダイ
ン方式を用いて周波数ω₂の光と周波数ω₃の光との干
渉光を検出するために、ＳＨＧ変換素子２と周波数結合
素子３との間に一対の周波数フィルター２３ａ、２３ｂ
および周波数シフター２４を付設している。しかしなが
ら、図３の装置の他の構成は、第１実施例の図１の装置
と基本的に同じである。したがって、図３において、第
１実施例の構成要素と同様の機能を有する要素には図１
と同じ参照符号を付している。以下、第１実施例との相
違点に着目して、第２実施例を説明する。

【００６２】ＳＨＧ変換素子２から射出された周波数ω
₂の光および周波数ω₃の光は、周波数フィルター２３
ａに入射する。周波数フィルター２３ａおよび２３ｂ
は、周波数ω₃の近傍の光を透過し、周波数ω₂の光を
反射する特性を有する。周波数フィルター２３ａを透過
した周波数ω₃の光は、周波数シフター２４を介して周
波数ω₃からわずかに周波数のずれた周波数ω₃'の光
（ω₃'＝ω₃＋Δω₃）となる。なお、周波数シフター
２４は、例えば音響光学素子等である。周波数シフター
２４を介した周波数ω₃'の光は、周波数フィルター２３
ｂに入射する。

【００６３】一方、周波数フィルター２３ａで反射され
た周波数ω₂の光は、２つの反射鏡を介して、周波数フ
ィルター２３ｂに入射する。こうして、周波数ω₃'の光
および周波数ω₂の光は、周波数フィルター２３ｂの作
用によって再び同一光路上に結合される。その後、この
周波数ω₂の光および周波数ω₃'の光は、第１実施例に
おける周波数ω₂の光および周波数ω₃の光と同様の光
路を介した後、周波数分離素子７によって測定光および
参照光として反射される。

【００６４】周波数ω₂の光および周波数ω₃'の光から
なる測定光のうち、周波数ω₂の光はＳＨＧ変換素子８
によって変換されて周波数ω₃の光となり、周波数シフ
ター２４を介した周波数ω₃'の光はＳＨＧ変換素子８を
そのまま透過する。このように、第１実施例とは異な
り、周波数が互いにΔω₃だけ異なる２つの光すなわち
周波数ω₃の光と周波数ω₃'の光とがヘテロダイン干渉
する。また、周波数ω₂の光および周波数ω₃'の光から
なる参照光も同様に、ＳＨＧ変換素子９を介して、ヘテ
ロダイン干渉する。

【００６５】従って、受光素子１１からの参照信号およ
び受光素子１０からの測定信号は、ともに干渉ビート信
号となる。位相計１８では、第１実施例と同様に、｛Ｄ
（ω₃）−Ｄ（ω₂）｝を求め、この値に関する信号を
演算器１９に供給する。演算器１９では、位相計１７か
らの信号と位相計１８からの信号と式（６）に示す演算
式とに基づいて、屈折率変動に起因する測定誤差を補正
した移動鏡６の真の変位量Ｄを求めて出力する。

【００６６】このように、第２実施例の光波干渉測定装
置においても、屈折率変動の補正のための参照光と測定
光とのクロストークを実質的に回避することができ、精
度の高い測定を行うことができる。また、第２実施例で
は、周波数ω₂の光と周波数ω₃の光とを用いた屈折率
変動測定をヘテロダイン干渉方式で行っている。このた
め、電気的または光学的にヘテロダイン周波数のみ取り
出すことができるので、光源１の出力の変動による誤差
を受けにくく、位相差｛Ｄ（ω₃）−Ｄ（ω₂）｝を正
確に検出することができる。その結果、真の変位量Ｄの
検出精度を向上させることができる。

【００６７】また、第２実施例では、周波数ω₃の光だ
けを周波数ω₃'の光に周波数シフトしているが、周波数
ω₂の光および周波数ω₃の光をそれぞれ周波数ω₂'の
光および周波数ω₃'の光に周波数シフトしてもよい。ま
た、周波数ω₂の光だけを周波数ω₂'の光に周波数シフ
トしてもよい。このように、周波数シフターを設けるこ
とにより、光源１への戻り光が回避され、光源１への戻
り光による測定誤差を低減することができる。

【００６８】また、上述の各実施例では、コーナーキュ
ーブプリズムからなる固定鏡および移動鏡を用いている
が、コーナーキューブプリズムに代えて、平面鏡やキャ
ッツアイ等を用いてもよい。さらに、上述の各実施例で
は、測長用光源１２が偏光方位が互いに直交し且つ周波
数が互いにわずかに異なる２つの光を射出し、この２周
波光に基づいて移動鏡６の変位をヘテロダイン干渉方式
を用いて測定している。しかしながら、測長用光源から
の単一の周波数を有する光に基づいて、ホモダイン干渉
方式により移動鏡６の変位を測定しても良い。

【００６９】

【効果】以上説明したように、本発明によれば、偏光方
位回転手段とＳＨＧ変換素子との組み合わせ作用によ
り、第３漏れ光と第２の光との干渉が回避される。さら
に、第２漏れ光の強度は極めて小さいので、第２漏れ光
と第３の光との干渉によるクロストークの影響は極めて
小さく、測定精度は実質的に低下しない。その結果、偏
光ビームスプリッターにおける漏れ光に起因するクロス
トークの低減された、測定精度の高い光波干渉測定装置
を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例にかかる光波干渉測定装置
の構成を概略的に示す図である。

【図２】図１の波長板２１および２２の作用について説
明する図であって、（ａ）は比較のために波長板を備え
ていない従来例を、（ｂ）は波長板を備えた第１実施例
をそれぞれ示している。

【図３】本発明の第２実施例にかかる光波干渉測定装置
の構成を概略的に示す図である。

【図４】特願平６−３３５６９６号明細書および図面に
開示の光波干渉測定装置の構成を概略的に示す図であ
る。

【図５】従来の光波干渉測定装置の構成を概略的に示す
図である。

【符号の説明】

１光源２、８、９ＳＨＧ変換素子３周波数結合素子４、２０偏光分離素子５、６コーナーキューブプリズム７周波数分離素子１０、１１受光素子１４、１６受光素子１２測長用光源１３ビームスプリッター１７、１８位相計１９演算器２１、２２波長板２３周波数フィルター２４音響光学素子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１の周波数を有する第１の光と、第２
の周波数を有する第２の光と、前記第２の周波数とは異
なる第３の周波数を有する第３の光とを同一光路に沿っ
て出力するための光源部と、前記光源部から出力された前記第１の光、前記第２の光
および前記第３の光を、固定鏡までの参照光路に沿って
導かれる参照光と、移動鏡までの測定光路に沿って導か
れる測定光とにそれぞれ偏光分離するための第１偏光ビ
ームスプリッターと、前記測定光路および前記参照光路を介して前記第１偏光
ビームスプリッターから同一光路に沿って射出された前
記第１の光に基づいて、前記測定光路を介した測定光と
前記参照光路を介した参照光との第１干渉光を生成する
ための第１干渉光生成系と、前記測定光路および前記参照光路を介して前記第１偏光
ビームスプリッターから同一光路に沿って射出された前
記第２の光および前記第３の光を、前記測定光路を介し
た前記第２の周波数を有する第２の測定光および前記第
３の周波数を有する第３の測定光と、前記参照光路を介
した前記第２の周波数を有する第２の参照光および前記
第３の周波数を有する第３の参照光とに偏光分離するた
めの第２偏光ビームスプリッターと、前記第２偏光ビームスプリッターによって分離された前
記第２の測定光および前記第３の測定光のうち前記第２
の測定光の周波数を前記第３の測定光の周波数とほぼ一
致させて第２干渉光を生成するための第２干渉光生成系
と、前記第２偏光ビームスプリッターによって分離された前
記第２の参照光および前記第３の参照光のうち前記第２
の参照光の周波数を前記第３の参照光の周波数とほぼ一
致させて第３干渉光を生成するための第３干渉光生成系
と、前記第１干渉光に基づいて測定された前記移動鏡の変位
量を、前記第２干渉光および前記第３干渉光に基づいて
測定された前記測定光路中の屈折率変動情報に基づいて
補正するための補正手段とを備え、前記第２干渉光生成系は、前記第２の測定光の偏光方位
を所定角度回転させるための第１偏光方位回転手段と、
前記第１偏光方位回転手段を介した前記第２の測定光を
前記第２の周波数とは異なる周波数を有し且つ前記偏光
方位回転手段を介した前記第３の測定光の偏光方位と平
行な偏光方位を有する光に変換するための第１周波数変
換素子とを有し、前記第３干渉光生成系は、前記第２の参照光の偏光方位
を所定角度回転させるための第２偏光方位回転手段と、
前記第２偏光方位回転手段を介した前記第２の参照光を
前記第２の周波数とは異なる周波数を有し且つ前記偏光
方位回転手段を介した前記第３の参照光の偏光方位と平
行な偏光方位を有する光に変換するための第２周波数変
換素子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】前記第１偏光方位回転手段は、前記第２
の測定光に対して１／２波長板として作用するとともに
前記第３の測定光に対して１波長板として作用し、前記第１周波数変換素子は、前記第３の測定光の偏光方
位と平行な異常光線方位を有する負の非線形結晶からな
り、前記第２偏光方位回転手段は、前記第２の参照光に対し
て１／２波長板として作用するとともに前記第３の参照
光に対して１波長板として作用し、前記第２周波数変換素子は、前記第３の参照光の偏光方
位と平行な異常光線方位を有する負の非線形結晶からな
ることを特徴とする請求項１に記載の光波干渉測定装
置。
【請求項３】前記光源部は、周波数が互いにわずかに
異なり且つ偏光方位が互いに直交する周波数ω₁の光と
周波数ω₁'の光とを含んだ光を前記第１の光として出力
し、前記偏光ビームスプリッターは、前記周波数ω₁の光を
前記測定光に、前記周波数ω₁'の光を前記参照光にそれ
ぞれ偏光分離することを特徴とする請求項１または２に
記載の光波干渉測定装置。
【請求項４】前記光源部は、前記第１の光を出力するための第１光源部と、前記第２の光および前記第３の光を出力するための第２
光源部と、前記第２光源部からの前記第２の光および前記第３の光
と、前記第１光源部からの前記第１の光とを同一光路上
に結合させるための周波数結合素子とを有することを特
徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光波干
渉測定装置。
【請求項５】前記第２光源部は、前記第２の光を出力
するための光源と、前記光源からの前記第２の光の一部
を周波数変換し、該周波数変換した光を前記第３の光と
して出力するための周波数変換手段とを有することを特
徴とする請求項４に記載の光波干渉測定装置。
【請求項６】前記第２光源部は、前記第２の光および
前記第３の光のうち少なくともいずれか一方の光の周波
数をわずかにシフトさせるための周波数シフト手段をさ
らに有することを特徴とする請求項４または５に記載の
光波干渉測定装置。