JPH10170218A

JPH10170218A - 光波干渉測定装置

Info

Publication number: JPH10170218A
Application number: JP8352964A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Kawai; 斉河井; Jun Kawakami; 潤川上; Hirochika Shinjiyou; 啓慎新城
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1996-12-14
Filing date: 1996-12-14
Publication date: 1998-06-26

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、物体の長さ、変位、密度等を高精度
に測定する光波干渉測定装置に関し、光束の出射角度の
変動に伴って発生する測定誤差を除去した光波干渉測定
装置を提供することを目的とする。【解決手段】所定の周波数ω１、ω１’を有する光束を
出射する光源１０１と、光束から干渉光を発生させる光
学系２０１、２３１、２３２と、干渉光を受光する受光
部３０１と、光源１０１から偏光ビームスプリッタ２０
１に至る光束の光路上に配置され、光源１０１から出射
された光束の出射角度の変動を補正する光導波路２９１
とを備えるように構成する。

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光波干渉測定装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】物体の長さ、変位、密度等を高精度に測
定する代表的な光波干渉測定装置としてヘテロダイン式
干渉測長機がある。この従来のヘテロダイン式干渉測長
機を図８を用いて説明する。図８は従来のヘテロダイン
式干渉測長機の概略構成を示している。図８において、
光源１０１は、周波数ω１の光と、周波数ω１に対して
周波数がわずかに異なる周波数ω１’（ω１’＝ω１＋
Δω）の光とを含む光束を出射する。この２つの光は、
偏光方位が互いに直交した直線偏光となっている。

【０００３】光源１０１から出射した光束は、偏光ビー
ムスプリッタ２０１で分離され、周波数ω１の光は偏光
ビームスプリッタ２０１を透過して、測定光としてステ
ージ３１１に設置された移動鏡２３２に向い、周波数ω
１’の光は偏光ビームスプリッタ２０１で反射されて、
参照光として固定鏡２３１に向かう。ステージ３１１は
測定対象物である。当該ヘテロダイン式干渉測長機によ
りステージ３１１の図８の矢印方向の移動量（変位量）
が測定される。

【０００４】測定光としての周波数ω１の光は、ステー
ジ３１１の移動鏡２３２で反射されて偏光ビームスプリ
ッタ２０１に向かい、参照光としての周波数ω１’の光
は、固定鏡２３１で反射されて偏光ビームスプリッタ２
０１に向かう。周波数ω１、ω１’の２つの光は偏光ビ
ームスプリッタ２０１で再び結合されてレシーバ３０１
に入力する。レシーバ３０１内で２つの光は干渉させら
れた後、光電変換される。

【０００５】図示していないが、レシーバ３０１の受光
部には偏光子が付加されている。この偏光子は、具体的
には測定光（ω１）の偏光方位と参照光（ω１’）の偏
光方位とに対してほぼ４５°傾いて配置されている。レ
シーバ３０１で光電変換された光は、測定ビート信号４
１１として演算装置５０１へ出力される。一方、光源１
０１では、出射直後の周波数ω１および周波数ω１’の
光束の一部が取り出され、偏光子を透過したのち光電変
換されて、参照ビート信号４０１として演算装置５０１
へ出力される。演算装置５０１において、参照ビート信
号４０１に対する測定ビート信号４１１の位相変化に基
きステージ３１１の矢印方向の変位が演算される。

【０００６】さて、上述のような構成の従来のヘテロダ
イン式干渉測長機を用いて高精度で測長を行う際には、
当然のことながら、できる限り測長誤差を生じさせる要
因を排除しておく必要がある。従来のヘテロダイン式測
長機を用いる上で測長誤差を低減させるべく考慮すべき
点は幾つかあるが、その中でも光源から出射した光束の
出射方向が変位計測方向に対して相対的に変動してしま
うことによる測定誤差に十分留意する必要がある。この
相対的な出射方向の変動が生じてしまう要因として以下
のようなものが挙げられる。

【０００７】（１）移動鏡２３２が設置されているステ
ージ３１１の移動に伴って生じるステージ３１１自体の
ピッチング、ヨーイング；（２）光学素子２０１、２３１、２３２の振動、熱変形
等による位置変動；そして、（３）光源１０１における、光束出射点の平行シフトお
よび光束の出射角度の変動。

【０００８】これらの測定誤差要因の中で光束の出射方
向の変動が比較的大きく、測定誤差として無視できない
要因として、（１）の「ステージのピッチング、ヨーイ
ング」と、（３）「光束の出射角度の変動」の２つがあ
る。

【０００９】このうち、（１）の「ステージのピッチン
グ、ヨーイング」に基づく測定誤差は、一般的にコサイ
ン誤差と呼ばれている。コサイン誤差に関しては、例え
ば、レーザ測長機を図９に示すような構成にしてピッチ
ングとヨーイングを計測することにより補正することが
可能である。図９では、ステージ３１１の移動方向であ
るＺ軸とともに、Ｘ軸およびＹ軸についての回転成分で
あるピッチングおよびヨーイングの２軸（ρ軸，φ軸）
を測定対象としている。なお、図９の偏光ビームスプリ
ッタ２０１、２０２、２０３には、順に、固定鏡２３
１、２３３、２３５が備え付けられている。

【００１０】ステージ３１１には、移動鏡２３２、２３
４、２３６が設けられている。ミラー２３７は、５０％
反射ビームスプリッタ２１２で反射された光束を偏光ビ
ームスプリッタ２０２側に偏向する。ミラー２３８は、
３３％反射ビームスプリッタ２１１で反射された光束を
偏光ビームスプリッタ２０３側に偏向する。また、レシ
ーバ３０１で検出する第１軸に対して、レシーバ３０２
で検出する第２軸が垂直方向に配置され、レシーバ３０
３で検出する第３軸が第１軸に対して水平方向に配置さ
れている。

【００１１】光源１０１から出射された光束は、３３％
反射ビームスプリッタ２１１および５０％反射ビームス
プリッタ２１２によって３軸に振幅分割され、それぞれ
の軸で干渉する。この結果は、各軸に配置されたレシー
バ３０１、３０２、３０３から測定信号４１１、４１
２、４１３として出力される。演算装置５０１は、光源
１０１から出力された参照信号４０１とレシーバ３０１
から出力された測定信号４１１との差分に基づいて、ス
テージ３１１のＺ軸方向の変位を求めるとともに、測定
信号４１１と測定信号４１２との差分に基づくピッチン
グ成分（ステージ３１１のρ軸回りの変動成分）の算出
と、測定信号４１１と測定信号４１３との差分に基づく
ヨーイング成分（ステージ３１１のφ軸回りの変動成
分）の算出を行い、これら２つの変動成分に応じて、ス
テージ３１１のＺ軸方向の変位の測定誤差を補正する。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】このように、従来のヘ
テロダイン干渉測長機においては、測定対象物であるス
テージ３１１自体の移動で生じるピッチングおよびヨー
イングによるコサイン誤差を補正する具体的な方法が存
在する。しかしながら、従来のヘテロダイン干渉測長機
では、測長誤差要因として無視できない（３）の「光束
の出射角度の変動」については全く考慮されていない。

【００１３】ここで、光源からの光束の出射角度に変動
が生じた場合の測定誤差について図１０を用いて説明す
る。図１０は、図８に示したヘテロダイン式干渉測長機
の構成の一部を示している。光源１０１から移動鏡２３
２を経てレシーバ３０１に達する光束の光路長をＬｍ、
固定鏡２３１を経てレシーバ３０１に達する光束の光路
長をＬｒとする。移動鏡２３２に向かう周波数ω１の光
束の出射角度がθｍ変化し、固定鏡２３１に向かう周波
数ω１’の光束の出射角度がθｒ変化したとすると、レ
シーバ３０１では、２つの光束が相対的に傾くため、次
式（１）で与えられる測定誤差Ｅｈｔが生ずる。

【００１４】Ｅｈｔ＝｛Ｌｍ（１／ｃｏｓθｍ−１）−Ｌｒ（１／ｃｏｓθｒ−１）｝／２・・・式（１）

【００１５】なお、単一周波数の光束で測長を行なうホ
モダイン方式の測長機の場合にも、光束の出射角度の変
動に基づく同様の測長誤差が生じるが、その場合の光束
の出射角度の変化をθｓとすると、上記式（１）におい
てθｍとθｒにθｓを代入したものが測定誤差Ｅｈｏと
なる。

【００１６】Ｅｈｏ＝（Ｌｍ−Ｌｒ）（１／ｃｏｓθｓ−１）／２・・・式（２）

【００１７】これらの測長誤差Ｅｈｔ、Ｅｈｏは、ステ
ージ３１１が静止している状態でも発生し、前述のピッ
チング、ヨーイングによる測長誤差を補正する装置構成
を用いても補正不可能な成分である。高精度に測長を行
なおうとする場合には、これらの出射角度の変動による
測長誤差は無視できない大きさとなる。

【００１８】本発明は、上述の従来の光波干渉測定装置
の有する問題点を解決するためになされたものであって
その目的は、光束の出射角度の変動に伴って発生する測
定誤差を除去した光波干渉測定装置を提供することにあ
る。

【００１９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の実施の形態を表す図１乃至図７に対応付け
て本発明を説明すると、請求項１記載の発明において
は、所定の周波数（ω１、ω１’）を有する光束を出射
する光源（１０１）と、光束から干渉光を発生させる光
学系（２０１又は２０４と、２３１、２３２、あるい
は、２０４と２２１、２２２、および２４１〜２４３）
と、干渉光を受光する受光手段（３０１）と、光源（１
０１）から光学系（２０１）に至る光束の光路上に配置
され、光源（１０１）から出射された光束の出射角度の
変動を補正する光導波路（２９１）とを備えている。

【００２０】また請求項２記載の発明は、所定の周波数
（ω１、ω１’）を有する測長用光束を出射する第１の
光源（１０１）と、周波数（ω１、ω１’）と異なる複
数の周波数（ω２、ω３）を有し、測長用光束の光路上
の屈折率変動を計測するための屈折率変動計測用光束を
出射する第２の光源（１０２）と、測長用光束と屈折率
変動計測用光束との共通光路を形成し、それぞれの光束
からそれぞれ干渉光を発生させる光学系（２０４、、２
２１〜２４３）と、各干渉光をそれぞれ受光する複数の
受光手段（３０１、２７１、２７２）と、第２の光源
（１０２）から光学系（２０４）に至る屈折率変動計測
用光束の光路上に配置され、第２の光源（１０２）から
出射された屈折率変動計測用光束の出射角度の変動を補
正する光導波路（２９２〜２９５）とを備えている。

【００２１】これらの光波干渉測定装置において、光学
系は、光導波路（２９１〜２９５）からの出射光を、干
渉を生じさせる第１および第２の光に分離する光分離手
段（２０１、２０４）と、第１の光（ω１’、ω２、ω
３）を反射する第１の反射鏡（２３１、２４１）と、第
２の光（ω１、ω２、ω３）を反射して、第１の反射鏡
（２３１、２４１）に対して相対的に移動する第２の反
射鏡（２３２、２４２）とから構成される。

【００２２】そして、上記光波干渉測定装置において、
光導波路（２９１〜２９５）は、マルチモード光ファイ
バであることを特徴としている。

【００２３】以上のような本発明の構成によれば、導波
路（２９１）の光入射端部に入射した複数の光（ω１、
ω１’、ω２、ω３）は、光導波路（２９１）内で全反
射を繰り返しながら進み、光導波路（２９１）の出射端
部から出射角度の変動成分が除去された光となって光分
離手段（２０１、２０４）へ出射する。そして、光導波
路（２９１）として、光源（１０３）からの複数の光
（ω１、ω１’、ω２、ω３）を透過させる周波数帯域
を有する光ファイバを用いるようにしている。従って、
本発明の光波干渉測定装置によれば、光源から出射した
複数の周波数の光の出射角度の変動に起因する測定誤差
を減少させることができるようになる。

【００２４】

【発明の実施の形態】本発明の第１の実施の形態による
光波干渉測定装置を図１を用いて説明する。図１は、本
実施の形態による光波干渉測定装置の構成を概略的に示
す図である。図１に示す本実施の形態による光波干渉測
定装置の光源１には、例えばＨｅ−Ｎｅレーザ（λ＝６
３３ｎｍ）が用いられている。光源１０１の出射光の光
路中であって光源１の光の出射口に隣接して光導波路２
９１が設けられている。光導波路２９１としては、例え
ば長さ数ｃｍ程度のマルチモードの光ファイバがある。

【００２５】光導波路２９１から出射される光の光路上
には偏光ビームスプリッタ２０１が配置されている。偏
光ビームスプリッタ２０１を透過する光の光路上には、
測定対象物であるステージ３１１と共に移動する移動鏡
２３２が位置している。偏光ビームスプリッタ２０１で
反射する光の光路上には光束を再び偏光ビームスプリッ
タ２０１に戻す固定鏡２３１が固定されている。また、
偏光ビームスプリッタ２０１で同軸にされた反射光の光
路上に反射光を受光するレシーバ３０１が設けられてい
る。このように本実施の形態による光波干渉測定装置の
構成は、光源１０１と偏光ビームスプリッタ２０１との
間に光導波路２９１を配設した点以外は図８に示した従
来のヘテロダイン式干渉測長機の構成と同様である。

【００２６】次に本実施の形態による光波干渉測定装置
の変位測定動作を説明する。光源１０１は、周波数ω１
の光と、周波数ω１に対して周波数がわずかに異なる周
波数ω１’（ω１’＝ω１＋Δω）の光とを含む光束を
出射する。この２つの光は、偏光方位が互いに直交した
直線偏光となっている。光源１０１から出射した周波数
ω１と周波数ω１’の２つの光は、光導波路２９１に入
射され、出射角度変動成分の除去が行われる。

【００２７】光導波路２９１の光入射端部は、図示は省
略したが光源１０１からの２つの光（ω１、ω１’）を
集光する対物レンズ等の集光光学系が設けられている。
集光光学系により導波路２９１の光入射端部に入射した
２つの光（ω１、ω１’）は、光導波路２９１内で全反
射を繰り返しながら進み、もしも、光源１０１から出射
した２つの光がそれぞれ独立して出射角度の変動を生じ
たとしても、光導波路２９１の出射端部からは出射角度
変動成分の除去がされた同軸の２つの平行光となって偏
光ビームスプリッタ２０１へ出射する。

【００２８】本実施の形態において、光導波路２９１に
長さ数ｃｍ程度のマルチモードの光ファイバを用いてい
るのは、光源からの２つの光（ω１、ω１’）を十分透
過させる周波数帯域を有すること、および偏光依存性を
有さないこと、という出射角度変動成分を除去するのに
必要な条件をマルチモードファイバが満たしているから
である。なお、出射光の角度補正をさせる光導波路２９
１の取り付け調整は、光源１０１を取り付ける際の調整
と同様にして行うことができる。すなわち、光導波路２
９１からの出射光をステージ３１１上の移動鏡２３２に
入射し、ステージ３１１を測長範囲内で移動させて移動
鏡２３２の反射光がレシーバ３０１の受光面で移動しな
いように調整すればよい。

【００２９】光導波路２９１を透過して出射角度変動成
分が除去された２つの光は、偏光ビームスプリッタ２０
１で周波数ω１の光と周波数ω１’の光とに分離され、
周波数ω１の光は偏光ビームスプリッタ２０１を透過し
て、測定光としてステージ３１１に設置された移動鏡２
３２に向い、周波数ω１’の光は偏光ビームスプリッタ
２０１で反射されて、参照光として固定鏡２３１に向か
う。

【００３０】測定光としての周波数ω１の光は、移動鏡
２３２で反射されて偏光ビームスプリッタ２０１に向か
い、参照光としての周波数ω１’の光は、固定鏡２３１
で反射されて偏光ビームスプリッタ２０１に向かう。周
波数ω１、ω１’の２つの光は偏光ビームスプリッタ２
０１で再び結合されてレシーバ３０１に入力する。図示
していないが、レシーバ３０１の受光部には偏光子が付
加されている。この偏光子は、具体的には測定光（ω
１）の偏光方位と参照光（ω１’）の偏光方位とに対し
てほぼ４５°傾いて配置されている。

【００３１】レシーバ３０１に入射した２つの光束は、
偏光子を透過することによって干渉し、その干渉光が光
電変換素子で検出される。レシーバ３０１で光電変換さ
れた光は、測定ビート信号４１１として演算装置５０１
に入力される。一方、光源１０１では、出射直後の周波
数ω１および周波数ω１’の光束の一部が取り出され、
偏光子を透過することによって２つの光が干渉した後光
電変換され、参照ビート信号４０１として演算装置５０
１に入力される。演算装置５０１は、参照ビート信号４
０１に対する測定ビート信号４１１の位相変化に基づい
て、ステージ３１１の矢印方向の変位を演算する。これ
らの動作については、従来のへテロダイン式干渉測長機
と同様である。

【００３２】このように本実施の形態による光波干渉測
定装置は、光源１０１の直後に出射角度変動成分の除去
用の光導波路２９１を設けた点に特徴を有している。光
導波路２９１を用いることにより、その入射端において
入射光の角度変動が生じた場合でも、光導波路２９１の
出射端からは、角度変動のない光束を出射することがで
きる。なお、光が光導波路内を伝搬した結果、出射端か
らの光が強度変動を生じてしまう可能性があるが、本実
施の形態における測定方法では光の強度変動に影響され
ないへテロダイン計測を用いているのでほとんど問題に
はならない。干渉光の強度を計測するホモダイン測定の
場合であっても光の強度変動を補正するような構成にす
ることにより、本実施の形態で示したような光導波路を
光路中に配置して光束の出射角度の補正を行うことが可
能である。

【００３３】次に、本発明の第２の実施の形態による光
波干渉測定装置について図２乃至図６を用いて説明す
る。図２は、本実施の形態による光波干渉測定装置の構
成を概略的に示す図である。本実施の形態による光波干
渉測定装置は屈折率変動補正用の干渉計を搭載している
点に特徴を有している。光波干渉測定の測定動作と共に
屈折率変動補正用の干渉計について説明する。

【００３４】図２の光波干渉測定装置では、光源部１０
３から周波数ω１の光および周波数ω１’（ω１’＝ω
１＋△ω１）の測長用の２つの光と、屈折率変動を測定
するための周波数ω２およびω３の光が同軸で出射され
る。周波数ω１の光と周波数ω１’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た直線偏
光となっている。周波数ω２の光および周波数ω３の光
は直線偏光で、その方位は測長用の光（ω１、ω１’）
の偏光方位に対して４５°の角度をなしている。光源部
１０３の構成の例を図３に示す。測長用の光源１０１か
ら出射した周波数ω１の光と周波数ω１’の光が、周波
数選択素子（ダイクロイックミラー）２５３に向かう。

【００３５】屈折率変動を測定するための光源部１０２
からは周波数ω２’の光と周波数ω３’（ω３’＝２・
ω２’）の互いに異なる周波数を有する２つの光が出射
する。光源部１０２からの周波数ω２’と周波数ω３’
の光は、それぞれ周波数シフタ２６１、２６２により周
波数変調され、光源部１０３から出射する際には周波数
ω２（例えば、ω２＝ω２’＋８０ＭＨｚ）と周波数ω
３（例えば、ω３＝ω３’＋１６０．１ＭＨｚ）の光と
なる。周波数シフタ２６１により周波数シフトした周波
数ω２の光は反射鏡２４０で反射した後、周波数選択素
子２５２において、周波数シフタ２６２により周波数シ
フトした周波数ω３の光と同軸になり、周波数選択素子
２５３において測長用の周波数ω１およびω１’の光と
同軸なる。なお、測長用の光源１０１からは参照ビート
信号４０１が出力されている。従って光源部１０３から
出射する光は、光源１０１からの周波数ω１および周波
数ω１’の光と光源１０２からの周波数ω２および周波
数ω３の光とが同軸になった光となる。

【００３６】図２に戻って、光源部１０３からの光のう
ち、ステージ３１１に設置してある移動鏡２３２の光軸
方向（図中矢印方向）の変位量を測長するための周波数
ω１の光と周波数ω１’の光は、偏光ビームスプリッタ
２０４で周波数ω１の光と周波数ω１’の光とに分離さ
れる。周波数ω１’の光は参照光として偏光ビームスプ
リッタ２０４で反射し、さらに固定鏡２３１で反射した
後、再び偏光ビームスプリッタ２０４に戻る。また、周
波数ω１の光は測定光として偏光びームスプリッタ２０
４を透過して移動鏡２３２で反射した後、再び偏光ビー
ムスプリッタ２０４に戻る。以後、参照光だけが通る光
路を参照光路、測定光だけが通る光路を測定光路と呼ぶ
ことにする。

【００３７】参照光路を通過した後偏光ビームスプリッ
タ２０４から射出した周波数ω１’の光と、測定光路を
通過した後偏光ビームスプリッタ２０４から射出した周
波数ω１の光は同軸になり、周波数選択素子２５１を透
過してレシーバ３０１に入射する。図示していないが、
レシーバ３０１内には偏光子が光入射側に付加された光
電変換素子が設けられている。この偏光子は、具体的に
は参照光の偏光方位と測定光の偏光方位とに対してほぼ
４５°傾いて配置している。この結果、可干渉となった
２つの光が光電変換素子に入力されて電気信号に変換さ
れて測定信号４１１として出力される。一方で光源部１
０３からの参照ビート信号４０１も演算回路５０２に入
力する。演算回路５０２では、参照ビート信号４０１に
対する測定ビート信号４１１の位相変化を測定すること
によって移動鏡２３２の変位量Ｄ（ω１）を求めてい
る。

【００３８】次に屈折率変動補正用の光波干渉測定装置
について説明する。光源部１０３からの周波数ω２の光
および周波数ω３の光のそれぞれが、偏光ビームスプリ
ッタ２０４により参照光と測定光に分離する。偏光ビー
ムスプリッタ２０４を反射した周波数ω２の光および周
波数ω３の光は参照光として、周波数ω１’の光と同様
に固定鏡２３１で反射し、再び偏光ビームスプリッタ２
０４に向かう。偏光ビームスプリッタ２０４を透過した
周波数ω２の光および周波数ω３の光は測定光として、
周波数ω１の光と同様に移動鏡２３２で反射したのち、
再び偏光ビームスプリッタ２０４に向かう。参照光路を
通過した周波数ω２とω３の光と、測定光路を通過した
周波数ω２とω３の光は、偏光ビームスプリッタ２０４
で同軸になった後、周波数選択素子２５１で反射して測
長用の周波数ω１とω１’の光から分離される。

【００３９】周波数選択素子２５１で反射した測定光路
からの周波数ω２とω３の光および参照光路からの周波
数ω２とω３の光は、偏光ビームスプリッタ２０５で再
び参照光と測定光とに分離される。すなわち、参照光路
を通過した周波数ω２とω３の光は偏光ビームスプリッ
タ２０５で反射し、反射鏡２３９で光路を折り曲げられ
て、周波数変換素子２７１に入射する。測定光路を通過
した周波数ω２とω３の光は偏光ビームスプリッタ２０
５を透過して、周波数変換素子２７２に入射する。周波
数変換素子２７１および２７２は、周波数ω３の光はそ
のまま透過させ、それより低い周波数ω２（＜ω３）の
光を周波数ω３からわずかに異なる周波数に高調波変換
して出力する。

【００４０】こうして、周波数変換素子２７１で周波数
変換された周波数ω３の光は、光源部１０３から周波数
ω３である光と干渉してレシーバ３０４で受光され光電
変換される。一方、周波数変換素子２７２で周波数変換
された周波数ω３の光は、光源部１０３から周波数ω３
である光と干渉してレシーバ３０５で受光され光電変換
される。

【００４１】受光素子３０４では参照光路を通った周波
数ω２の光と周波数ω３の光による干渉信号４２１が生
成される。また、受光素子３０５では測定光路を通った
周波数ω２の光と周波数ω３の光による干渉信号４２２
が生成される。受光素子３０４からの干渉信号４２１お
よび受光素子３０５からの干渉信号４２２は、ともに演
算回路５０２に供給される。

【００４２】演算回路５０２では、参照光路からの周波
数ω２の光および周波数ω３の光による干渉信号４２１
と、測定光路からの周波数ω２の光および周波数ω３の
光による干渉信号４２２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（ω２）との差である｛Ｄ（ω
３）−Ｄ（ω２）｝が演算される。

【００４３】演算器５０２ではさらに、測長用干渉計で
測定した移動鏡２３２の変位量Ｄ（ω１）を、屈折率の
変動量補正｛Ｄ（ω３）−Ｄ（ω２）｝で補正し、真の
変位量（幾何学的な距離）Ｄを求めるための演算も行わ
れる。以下、移動鏡２３２の変位量Ｄ（ω１）から真の
変位量（幾何学的な距離）Ｄの導出方法について説明す
る。周波数ω１、ω２および周波数ω３の光に対する光
路長Ｄ（ω１）、Ｄ（ω２）およびＤ（ω３）は、それ
ぞれ次の式（３）乃至式（５）により表される。

【００４４】Ｄ（ω１）＝｛１＋Ｎ・Ｆ（ω１）｝×Ｄ・・・式（３）Ｄ（ω２）＝｛１＋Ｎ・Ｆ（ω２）｝×Ｄ・・・式（４）Ｄ（ω３）＝｛１＋Ｎ・Ｆ（ω３）｝×Ｄ・・・式（５）

【００４５】ここで、Ｄは幾何学的な距離であり、Ｎは
空気の密度である。またＦ（ω）は、空気の構成比が不
変であれば空気の密度に依存することなく光の周波数ω
のみに依存する関数である。上の式３乃至式５より、幾
何学的距離Ｄは次の式６により与えられる。

【００４６】Ｄ＝Ｄ（ω１）−Ａ・｛Ｄ（ω３）−Ｄ（ω２）｝・・・式（６）

【００４７】但し、Ａ＝Ｆ（ω１）／（Ｆ（ω３）−Ｆ
（ω２））である。本実施の形態による光波干渉測定装
置では、このようにして測長用の光の光路中の屈折率の
変化を別の光束を用いて計測し補正するようにしてい
る。しかしながら、この屈折率の計測を行う場合におい
ても、各光束の出射角度に変動が生じてしまうと、本来
測定すべき屈折率変動とは無関係の誤差成分まで検出し
てしまうことになる。測長用の光路の屈折率変動を測定
するために用いられる光は、測長用の光路とできるだけ
同軸になるようにした方が測定精度を向上させる上で好
ましい。

【００４８】このため本実施の形態においては、例えば
図４に示すように、光源部１０３の周波数選択素子２５
３と偏光ビームスプリッタ２０４との間に光導波路２９
５を配置するようにしている。こうすることにより、各
周波数の光の出射角度に角度変動があっても光導波路２
９５により各出射光を同軸にさせることができる。また
測長用の光の角度変動が小さいような場合には、図５に
示すように周波数選択素子２５２と周波数選択素子２５
３との間に光導波路２９４を配置してもよい。こうする
ことで、測長用の光の光導波路に起因する光量ロスを少
なくさせることができ、特にホモダイン計測に有効であ
る。さらに光量ロスなどの点から多波長の光を同軸で通
すのが困難である場合には、図６に示すように周波数シ
フタ２６１と反射鏡２４０との間、および周波数シフタ
２６２と周波数選択素子２５２との間にそれぞれ光導波
路２９２、２９３を配置してもよい。

【００４９】本実施の形態の光導波路２９２〜２９５に
おいても、光入射端部には光源１０１あるいは光源１０
２からの光を集光する対物レンズ等の集光光学系が設け
られている。集光光学系により導波路２９２〜２９５の
光入射端部に入射した光は、光導波路２９２〜２９５内
で全反射を繰り返しながら進み、光源１０１、１０２か
ら出射した光が独立して出射角度の変動を生じたとして
も、光導波路２９２〜２９５の出射端部からは出射角度
変動成分の除去がされた同軸の平行光となって次の光学
系へ出射する。また、本実施の形態における光導波路２
９２〜２９５も第１の実施の形態における光導波路２９
１と同様の理由により、いずれも長さ数ｃｍのマルチモ
ードの光ファイバを用いることができる。

【００５０】次に、本発明の第３の実施の形態による光
波干渉測定装置を図７を用いて説明する。図７は、本実
施の形態による光波干渉測定装置の構成を概略的に示す
図である。本実施の形態による光波干渉測定装置は、上
述の第２の実施の形態による光波干渉測定装置の光学系
の一部を変更し、光学的な測定分解能を向上させた点に
特徴を有している。従って本実施の形態においては、第
２の実施の形態による光波干渉測定装置の構成要素と同
一の機能を有する構成要素には同一の符号を付してその
説明を省略する。以下第２の実施の形態との相違点に着
目して本実施の形態による光波干渉測定装置を説明す
る。

【００５１】図７に示す光波干渉測定装置の光源部１０
３から出射する光は、図２の光源部１０３と全く同じ光
が出射する。具体的には、周波数ω１の光と周波数ω
１’（ω１’＝ω１＋△ω１）の測長用の光と、屈折率
変動を測定するための周波数ω２およびω３の光を含む
光を同軸で出射する。周波数ω１の光と周波数ω１’の
光は、周波数が互いにわずかに異なり、偏光方位が互い
に直交した直線偏光となっている。周波数ω２の光およ
び周波数ω３の光は直線偏光で、その方位は測長用の光
（ω１、ω１’）の偏光方位に対して４５°の角度をな
している。

【００５２】光源部１０３を出射した光のうち、測長用
の参照光となる周波数ω１’と、屈折率計測用の参照光
となる周波数ω２およびω３の光は、偏光ビームスプリ
ッタ２０４で反射し、１／４波長板２２１を通過して固
定鏡２４１で反射した後、再び１／４波長板２２１を通
過して偏光ビームスプリッタ２０４に戻る。ここで、１
／４波長板２２１を２回通過することにより、参照光の
偏光方位は９０°回転させられる。従って、偏光ビーム
スプリッタ２０４で初めに反射した参照光は今度は偏光
ビームスプリッタ２０４を透過する。偏光ビームスプリ
ッタ２０４を透過した参照光は、反射鏡２４３で反射さ
れた後、再び偏光ビームスプリッタ２０４を透過し、１
／４波長板２２１を通過して固定鏡２４１で再び反射す
る。固定鏡２４１で反射した参照光は、再び１／４波長
板２２１を通過して偏光ビームスプリッタ２０４に戻
り、ここで反射される。このように、参照光は固定鏡２
４１で２回反射することになる。

【００５３】同様に測長用の測定光となる周波数ω１
と、屈折率計測用の周波数ω２およびω３の光は、１／
４波長板２２２を通過して移動鏡２４２で反射した後、
再び１／４波長板２２２を通過して偏光ビームスプリッ
タ２０４に戻る。ここで、１／４波長板２２２を２回通
過するので、測定光の偏光方位は９０°回転させられ
る。従って、偏光ビームスプリッタ２０４を初めに透過
した測定光は偏光ビームスプリッタ２０４で今度は反射
される。偏光ビームスプリッタ２０４を反射した測定光
は、反射鏡２４３で反射された後、再び偏光ビームスプ
リッタ２０４で反射され１／４波長板２２２を通過して
移動鏡２４２で再び反射する。移動鏡２４２で反射した
測定光は、１／４波長板２２２を通過して偏光ビームス
プリッタ２０４に戻り、ここを透過する。このように、
測定光も移動鏡２４２で２回反射することになる。この
ような、いわゆるダブルパスの構成にすることにより第
１および第２の実施の形態による光波干渉測定装置より
も光学的に測定分解能を２倍に向上させて測定を行うこ
とができるようになる。偏光ビームスプリッタ２０４を
出射した後の光の処理は、第２の実施の形態において説
明したものと同一であるので説明を省略する。本実施の
形態の光波干渉測定装置も、測長用の光の光路中の屈折
率の変化を別の光束を用いて計測し補正するようにして
いる。従って、本実施の形態における光波干渉測定装置
においても、第２の実施の形態と同様に図４乃至第６図
に示す光導波路２９２〜２９５を配置して、屈折率計測
用の光と測長用の光とがたとえ出射角度に変動を生じる
ことがあっても同一光路を通るように補正されるように
している。

【００５４】

【発明の効果】以上の通り、本発明によれば、光束の出
射角度の変動に起因する測定誤差を除去した、高精度な
光波干渉計測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の実施の形態による光波干渉測定
装置の概略の構成を示す図である。

【図２】本発明の第２の実施の形態による光波干渉測定
装置の概略の構成を示す図である。

【図３】本発明の第２の実施の形態による光波干渉測定
装置の光源部１０３の構成を示す図である。

【図４】本発明の第２の実施の形態による光波干渉測定
装置の光源部１０３に光導波路を配置した例を示す図で
ある。

【図５】本発明の第２の実施の形態による光波干渉測定
装置の光源部１０３に光導波路を配置した他の例を示す
図である。

【図６】本発明の第２の実施の形態による光波干渉測定
装置の光源部１０３に光導波路を配置した他の例を示す
図である。

【図７】本発明の第３の実施の形態による光波干渉測定
装置の概略の構成を示す図である。

【図８】従来のへテロダイン式干渉測長機の概略の構成
を示す図である。

【図９】ステージのピッチング、ヨーイングに対処した
従来の干渉測長機の概略の構成を示す図である。

【図１０】光束の出射角度の変動に伴う測定誤差に関す
る説明図である。

【符号の説明】

１０１〜１０２光源１０３高原部２０１〜２０５偏光ビームスプリッタ２１１、２１２ビームスプリッタ２２１、２２２１／４波長板２３１〜２４２反射鏡２５１〜２５３周波数選択素子２６１、２６２周波数シフタ２７１、２７２周波数変換素子２８１、２８２偏光回転装置２９１〜２９５光導波路３０１〜３０５レシーバ３１１ステージ５０１、５０２演算装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定の周波数を有する光束を出射する光源
と、前記光束から干渉光を発生させる光学系と、前記干渉光を受光する受光手段と、前記光源から前記光学系に至る前記光束の光路上に配置
され、前記光源から出射された前記光束の出射角度の変
動を補正する光導波路とを備えたことを特徴とする光波
干渉測定装置。
【請求項２】所定の周波数を有する測長用光束を出射す
る第１の光源と、前記周波数と異なる複数の周波数を有し、前記測長用光
束の光路上の屈折率変動を計測するための屈折率変動計
測用光束を出射する第２の光源と、前記測長用光束と前記屈折率変動計測用光束との共通光
路を形成し、それぞれの光束からそれぞれ干渉光を発生
させる光学系と、前記各干渉光をそれぞれ受光する複数の受光手段と、前記第２の光源から前記光学系に至る前記屈折率変動計
測用光束の光路上に配置され、前記第２の光源から出射
された前記屈折率変動計測用光束の出射角度の変動成分
を除去する光導波路とを備えたことを特徴とする光波干
渉測定装置。
【請求項３】請求項１又は２に記載の光波干渉測定装置
において、前記光学系は、前記光導波路からの出射光を、干渉を生じさせる参照光
路を介する第１の光と測定光路を介する第２の光に分離
する光分離手段と、前記第１の光を反射する第１の反射鏡と、前記第２の光
を反射して、前記第１の反射鏡に対して相対的に移動す
る第２の反射鏡とを有することを特徴とする光波干渉測
定装置。
【請求項４】請求項１乃至３のいずれかに記載の光波干
渉測定装置において、前記光導波路は、光ファイバであることを特徴とする光
波干渉測定装置。
【請求項５】請求項４記載の光波干渉測定装置におい
て、前記光ファイバは、透過率に優れ偏光特性のないマルチ
モード光ファイバであることを特徴とする光波干渉測定
装置。