JPS63151802A - 高精度偏光干渉計 - Google Patents
高精度偏光干渉計Info
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- JPS63151802A JPS63151802A JP30049586A JP30049586A JPS63151802A JP S63151802 A JPS63151802 A JP S63151802A JP 30049586 A JP30049586 A JP 30049586A JP 30049586 A JP30049586 A JP 30049586A JP S63151802 A JPS63151802 A JP S63151802A
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- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Landscapes
- Instruments For Measurement Of Length By Optical Means (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
「産業上の利用分野」
本発明は物理量の変化量を光学的に測定する高精度偏光
干渉計に関する。
干渉計に関する。
「従来技術」
電子線および光リソグラフィーを用いた半導体製造装置
をはじめ、最近の多くの超精密機械においては、高精度
位置検出ならびに位置決め技術が必要不可欠な技術とな
っている。
をはじめ、最近の多くの超精密機械においては、高精度
位置検出ならびに位置決め技術が必要不可欠な技術とな
っている。
現在それらの装置で主に使われている干渉計は、周波数
がわずかに異なり偏光面が直交した光を発生し、参照光
と物体光との干渉によってできるビート信号の位相を検
出する、光ヘテロゲイン干渉計である。この装置では、
レーザーの変調や信号処理系を含め装置が大がかりにな
る欠点があった。
がわずかに異なり偏光面が直交した光を発生し、参照光
と物体光との干渉によってできるビート信号の位相を検
出する、光ヘテロゲイン干渉計である。この装置では、
レーザーの変調や信号処理系を含め装置が大がかりにな
る欠点があった。
一方、光ファイバーや微小光学素子を用いた高精度光干
渉センサーの研究が盛んに行われており、電磁界、変位
、圧力やジャイロなどが提案されて来ているが、高精度
センサーでは光変調素子や電気回路、信号処理回路など
装置が大がかりになる欠点があった。
渉センサーの研究が盛んに行われており、電磁界、変位
、圧力やジャイロなどが提案されて来ているが、高精度
センサーでは光変調素子や電気回路、信号処理回路など
装置が大がかりになる欠点があった。
「発明が解決しようとする問題点」
現在までに提案されている偏光干渉計においては、ヘテ
ロダイン方式以外の干渉縞の一点で光強度を検出する場
合では、種々の物理量が引き起こす光の位相差を、光の
波長の１ ／１００程度の高精度で検出することはでき
ない。そこで本発明では、従来の偏光干渉計の構造をあ
まり変えることなく、簡単な複屈折素子などの光学系と
光センサーおよび信号処理装置により、高感度、高精度
に物理量の変化量を検出することのできる光学的測定方
法を提供することを目的とする。
ロダイン方式以外の干渉縞の一点で光強度を検出する場
合では、種々の物理量が引き起こす光の位相差を、光の
波長の１ ／１００程度の高精度で検出することはでき
ない。そこで本発明では、従来の偏光干渉計の構造をあ
まり変えることなく、簡単な複屈折素子などの光学系と
光センサーおよび信号処理装置により、高感度、高精度
に物理量の変化量を検出することのできる光学的測定方
法を提供することを目的とする。
「問題点を解決するための手段」
上記目的は、以下本発明によって達成される。
即ち、本発明は、直線偏光の参照光と、被測定対象の物
理量の変化に応じて、前記参照光との間の位相差が変化
する前記参照光と直交した偏光面を持つ物体光とを干渉
させて、等間隔直線状の干渉縞を形成し、この干渉縞を
複数の受光素子から構成されるアレイセンサで受け、干
渉縞方向の位置゛Ｘに配置される受光素子の出力信号を
処理し、被測定物理量の変化に比例した、前記干渉縞の
Ｘ方向の移動量を高精度で検出することに基づいて前記
物理量の変化量を検出するものである。
理量の変化に応じて、前記参照光との間の位相差が変化
する前記参照光と直交した偏光面を持つ物体光とを干渉
させて、等間隔直線状の干渉縞を形成し、この干渉縞を
複数の受光素子から構成されるアレイセンサで受け、干
渉縞方向の位置゛Ｘに配置される受光素子の出力信号を
処理し、被測定物理量の変化に比例した、前記干渉縞の
Ｘ方向の移動量を高精度で検出することに基づいて前記
物理量の変化量を検出するものである。
このような偏光干渉計を用いることによって、光の波長
以下の光路長の変化も高精度に測定することができる。
以下の光路長の変化も高精度に測定することができる。
「作 用」
本発明を図面を用いて更に説明する。第１図は本発明を
説明するための基本的干渉計としてのマイケルソン偏光
干渉計の平面図である。レーザー光源１から放出された
光２は偏光ビームスプリッタ−３により、直交した偏光
面を持つ二つの光２ａと２ｂとに分けられる。それぞれ
の光２ａ’−２ｂは１／４波長板４．５を通過し円偏光
２Ｃおよび２ｄとなる。円偏光２Ｃは被測定物体の電歪
素子（ＰＺＴ）６によって移動されるミ）−７に入射し
円偏光２ｅとして反射される。他方の光２ｄは参照ミラ
ー８に入射され参照光２ｆとして反射される。これらの
光は再び１／４波長板４．５を通過しそれぞれ直交した
直線偏光２ｇ、２ｈとなる。それらの光２ｇ、２ｈは偏
光ビームスプリッタ−３によりそれぞれ透過および反射
し、対物レンズ９およびレンズ１０により平行光となり
、複屈折素−子１１に入射する。この複屈折素子１１と
しては、水晶などの複屈折を示す結晶のウェッジ板また
はバビネの補償板のようにウェッジ板を張り合わせたも
のなどが使用できる。ここで対物レンズ９と複屈折素子
１１の距離が大きい時はレンズ１０を省略することがで
きる。複屈折ウェッジ板１１により直交偏光、２ｇ、２
ｂ間に距離に従って直線的に変化する位相差を与えるこ
とができる。複屈折素子１１の透過光は偏光板１２を通
過すること−により等間隔直線状の干渉縞１３がアレイ
センサー１４上に形成される。アレイセンサー１４から
の出力信号１５は信号処理回路１６へ送られ、干渉縞１
３の横移動量が検出されさらに物理量の変化量に変換さ
れる。干渉縞１３の横移動は、干渉縞１３の空間周波数
におけるフーリエ積分値またはフーリエ級数（それらを
正弦値Ｃ１余弦値Ｓとする）を求め、それらＣとＳの値
を用いて逆正接を求めることにより、光の波長の数百分
の工程度の精度で求めることができる。その他干渉縞１
３の移動量は規則的なパターンおよびランダムなパター
ンの横移動量を検出できる手法ならば全て使うことがで
きるが、それぞれの手法の精度に応じて使い分けること
ができる。例えば縞の極大値ふよび極小値の移動量の検
出法、空間フィルター検出器などが使える。
説明するための基本的干渉計としてのマイケルソン偏光
干渉計の平面図である。レーザー光源１から放出された
光２は偏光ビームスプリッタ−３により、直交した偏光
面を持つ二つの光２ａと２ｂとに分けられる。それぞれ
の光２ａ’−２ｂは１／４波長板４．５を通過し円偏光
２Ｃおよび２ｄとなる。円偏光２Ｃは被測定物体の電歪
素子（ＰＺＴ）６によって移動されるミ）−７に入射し
円偏光２ｅとして反射される。他方の光２ｄは参照ミラ
ー８に入射され参照光２ｆとして反射される。これらの
光は再び１／４波長板４．５を通過しそれぞれ直交した
直線偏光２ｇ、２ｈとなる。それらの光２ｇ、２ｈは偏
光ビームスプリッタ−３によりそれぞれ透過および反射
し、対物レンズ９およびレンズ１０により平行光となり
、複屈折素−子１１に入射する。この複屈折素子１１と
しては、水晶などの複屈折を示す結晶のウェッジ板また
はバビネの補償板のようにウェッジ板を張り合わせたも
のなどが使用できる。ここで対物レンズ９と複屈折素子
１１の距離が大きい時はレンズ１０を省略することがで
きる。複屈折ウェッジ板１１により直交偏光、２ｇ、２
ｂ間に距離に従って直線的に変化する位相差を与えるこ
とができる。複屈折素子１１の透過光は偏光板１２を通
過すること−により等間隔直線状の干渉縞１３がアレイ
センサー１４上に形成される。アレイセンサー１４から
の出力信号１５は信号処理回路１６へ送られ、干渉縞１
３の横移動量が検出されさらに物理量の変化量に変換さ
れる。干渉縞１３の横移動は、干渉縞１３の空間周波数
におけるフーリエ積分値またはフーリエ級数（それらを
正弦値Ｃ１余弦値Ｓとする）を求め、それらＣとＳの値
を用いて逆正接を求めることにより、光の波長の数百分
の工程度の精度で求めることができる。その他干渉縞１
３の移動量は規則的なパターンおよびランダムなパター
ンの横移動量を検出できる手法ならば全て使うことがで
きるが、それぞれの手法の精度に応じて使い分けること
ができる。例えば縞の極大値ふよび極小値の移動量の検
出法、空間フィルター検出器などが使える。
「実施例１」
このような偏光干渉計はつぎに示すような高感度な位置
検出器に応用できる。第２図にはそのような位置検出器
の平面図を示した。コヒーレントを偏光ビームスプリッ
タ−１９に導き、各々の偏光面が直交した参照用直線偏
光１８ａ＃よび位置センシング用直線偏光１８ｂを得る
。これらの直線偏光１８ａ、１８ｂをそれぞれコーナー
キューブ２０．２１に導きそれぞれ直線偏光１８ａ１１
８ｂと平行な光１８ｃ、１８ｄを得る。ここで光１８ｄ
はコーナーキユーブ２１の位置により光の位相が変化す
る。直線偏光１８Ｃ，１８ｄは偏光ビームスプリッタ−
１９をそれぞれ反射、透過して光１８ｅとなる。光１８
ｅはミラー２２で反射され対物レンズ２３で広げられた
後複屈折ウェッジ素子２４、偏光板２５を通過して等間
隔直線状の干渉縞２６となる。この干渉縞２６をアレイ
センサー２７で検出し、その出力信号２８を信号処理回
路２９で処理し、コーナーキューブ２１の位置を高精度
で求める。
検出器に応用できる。第２図にはそのような位置検出器
の平面図を示した。コヒーレントを偏光ビームスプリッ
タ−１９に導き、各々の偏光面が直交した参照用直線偏
光１８ａ＃よび位置センシング用直線偏光１８ｂを得る
。これらの直線偏光１８ａ、１８ｂをそれぞれコーナー
キューブ２０．２１に導きそれぞれ直線偏光１８ａ１１
８ｂと平行な光１８ｃ、１８ｄを得る。ここで光１８ｄ
はコーナーキユーブ２１の位置により光の位相が変化す
る。直線偏光１８Ｃ，１８ｄは偏光ビームスプリッタ−
１９をそれぞれ反射、透過して光１８ｅとなる。光１８
ｅはミラー２２で反射され対物レンズ２３で広げられた
後複屈折ウェッジ素子２４、偏光板２５を通過して等間
隔直線状の干渉縞２６となる。この干渉縞２６をアレイ
センサー２７で検出し、その出力信号２８を信号処理回
路２９で処理し、コーナーキューブ２１の位置を高精度
で求める。
「実施例２」
本発明の偏光干渉計は以下のような表面粗さ計に一応用
できる。第３図には偏光干渉計を用いた表面粗さ計の平
面図を示した。コヒーレント光源３０から出射した直線
偏光または円偏光３１は複屈折プリズム３２（ウォラス
トンプリズムなど）により角度がういた偏光面が直交し
た二つの光３１ａ、３１ｂとなる。これらの光は顕微鏡
用対物レンズ３３により被測定物体３４の表面上の２゛
点Ａ、Ｂに集光される。物体上の２点Ａ、Ｂから反射さ
れて来た光３１Ｃ，３１ｄは再び対物レンズ３３および
複屈折プリズム３２を通り一つの光線３１ｅとなる。こ
の光線の方向をミラー３５で変え対物レンズ３６で広げ
た後、複屈折ウェッジ板３７および偏光板３８を透過し
て等間隔直線状の干渉縞３９となる。この干渉縞３９を
アレイセンサー４０で検出しその出力信号４１を処理回
路４２で処理して物体３４上の２点Ａ、Ｂの表面形状差
を高精度で求めることができる。被測定物体３４をＡ点
またはＢ点を中心にして回転することにより物体の表面
粗さを直接求めることができる。
できる。第３図には偏光干渉計を用いた表面粗さ計の平
面図を示した。コヒーレント光源３０から出射した直線
偏光または円偏光３１は複屈折プリズム３２（ウォラス
トンプリズムなど）により角度がういた偏光面が直交し
た二つの光３１ａ、３１ｂとなる。これらの光は顕微鏡
用対物レンズ３３により被測定物体３４の表面上の２゛
点Ａ、Ｂに集光される。物体上の２点Ａ、Ｂから反射さ
れて来た光３１Ｃ，３１ｄは再び対物レンズ３３および
複屈折プリズム３２を通り一つの光線３１ｅとなる。こ
の光線の方向をミラー３５で変え対物レンズ３６で広げ
た後、複屈折ウェッジ板３７および偏光板３８を透過し
て等間隔直線状の干渉縞３９となる。この干渉縞３９を
アレイセンサー４０で検出しその出力信号４１を処理回
路４２で処理して物体３４上の２点Ａ、Ｂの表面形状差
を高精度で求めることができる。被測定物体３４をＡ点
またはＢ点を中心にして回転することにより物体の表面
粗さを直接求めることができる。
また物体を直線的に移動させると表面粗さの空間的傾き
を高精度で求めることができる。
を高精度で求めることができる。
「実施例３」
本発明は第４図に示すように光ファイバーを用いた磁界
センサーに応用できる。光源（レーザー等）４３からの
直線偏光（または円偏光）４４を半透鏡４５を通し対物
レンズ４６で絞り込んで偏波保持ファイバー４７に入射
する。この時の直交偏光を４４ａ、４４ｂとする。光フ
ァイバー４７から出射した光を対物レンズ４８で平行光
とし、これを１／４波長板４９を通して右回り４４Ｃお
よび左回り４４ｄの円偏光を得る。これらの円偏光４４
Ｃおよび４４ｄを、磁界５０に比例して偏光面が回転す
るファラデー回転素子５１をミラー５２により２回透過
させ、磁界により光の位相が変化した円偏光４４ｅｋよ
び４４ｆを得る。これらの円偏光４４ｅ、４４ｆを再び
１／４波長板、４９を通しそれぞれ直交した直線偏光４
４ｇ１４４ｈを得る。これら直線偏光４４ｇ、４４ｈを
光ファイバー４７に再び通し、半透鏡４５で折り返した
後、対物レンズ５３、複屈折プリズム５４および偏光板
５５により等間隔直線状の干渉縞 ＝５６を得る。この
干渉縞５６は磁界５０の強度に比例して横移動する。こ
の干渉縞５６を光検出器５７で受光しこれからの出力信
号５８を信号処理回路５９で処理して、干渉縞５６の横
移動すなわち磁界を高精度で求める。この干渉計では光
ファイバー４７が受ける外部の振動などの影響が光が往
復すると相殺される特徴がある。従ってこの干渉センサ
ーは高精度な磁界センサーを提供する。
センサーに応用できる。光源（レーザー等）４３からの
直線偏光（または円偏光）４４を半透鏡４５を通し対物
レンズ４６で絞り込んで偏波保持ファイバー４７に入射
する。この時の直交偏光を４４ａ、４４ｂとする。光フ
ァイバー４７から出射した光を対物レンズ４８で平行光
とし、これを１／４波長板４９を通して右回り４４Ｃお
よび左回り４４ｄの円偏光を得る。これらの円偏光４４
Ｃおよび４４ｄを、磁界５０に比例して偏光面が回転す
るファラデー回転素子５１をミラー５２により２回透過
させ、磁界により光の位相が変化した円偏光４４ｅｋよ
び４４ｆを得る。これらの円偏光４４ｅ、４４ｆを再び
１／４波長板、４９を通しそれぞれ直交した直線偏光４
４ｇ１４４ｈを得る。これら直線偏光４４ｇ、４４ｈを
光ファイバー４７に再び通し、半透鏡４５で折り返した
後、対物レンズ５３、複屈折プリズム５４および偏光板
５５により等間隔直線状の干渉縞 ＝５６を得る。この
干渉縞５６は磁界５０の強度に比例して横移動する。こ
の干渉縞５６を光検出器５７で受光しこれからの出力信
号５８を信号処理回路５９で処理して、干渉縞５６の横
移動すなわち磁界を高精度で求める。この干渉計では光
ファイバー４７が受ける外部の振動などの影響が光が往
復すると相殺される特徴がある。従ってこの干渉センサ
ーは高精度な磁界センサーを提供する。
以上の実施例のように物理量のセンサーとして偏光干渉
計を用いるならば、被測定物体の物理量例えば回転角、
圧力、温度、電界などを高感度、高精度で求めることが
できる。
計を用いるならば、被測定物体の物理量例えば回転角、
圧力、温度、電界などを高感度、高精度で求めることが
できる。
「発明の効果」
以上説明したように、本発明の方法によると、直交２偏
光間の光の位相変化を光の波長の数回分の１程度の精度
で高感度、高安定に測定することができる。
光間の光の位相変化を光の波長の数回分の１程度の精度
で高感度、高安定に測定することができる。
第１図は本発明を説明するための基本的干渉計−として
マイケルソン偏光干渉計の平面図、第２図は本発明を用
いた位置検出装置の概略図であり、 第３図は本発明を用いた表面粗さ計の概略図であり、 第４図は本発明を用いた光フアイバー磁界センサーの概
略図である。 １．１７，３０．４３・・・・・・レーザー光源（コヒ
ーレント光源）、 ２．１８．３１．４４・・・・・・光、３．１９・・・
・・・偏向ビームスプリッタ−１４，５，４９・・・・
・・１／４波長板、６・・・・・・電歪素子、 ？、 ８． ２２． ３５． ５２ ・・
・ ・・・ ミ ラ − 、’９．１０，２３．４６．
５３・・・・・・対物レンズ、１１．２４．３２．３７
．５４・・・・・・複屈折素子、１２．５５・・・・・
・偏向板、 １３．２６．３９．５６・・・・・・干渉縞、１４．２
７．４０．５７・・・・・・アレイセンサー、１５．２
８．４１・・・・・・出力信号、１６．２９．４２．５
９・・・・・・信号処理回路、２０．２１・・・・・・
コーナーキューブ、２５．３８・・・・・・偏向板、 ３６．４６．５３・・・・・・対物レンズ、３４・・・
・・・被測定物体、 ４５・・・・・・半透鏡、 ４７・・・・・・偏波保持ファイバー、５０・・・・・
・磁界、 ５１・・・・・・ファラデー回転素子。 第１図 銅２図
マイケルソン偏光干渉計の平面図、第２図は本発明を用
いた位置検出装置の概略図であり、 第３図は本発明を用いた表面粗さ計の概略図であり、 第４図は本発明を用いた光フアイバー磁界センサーの概
略図である。 １．１７，３０．４３・・・・・・レーザー光源（コヒ
ーレント光源）、 ２．１８．３１．４４・・・・・・光、３．１９・・・
・・・偏向ビームスプリッタ−１４，５，４９・・・・
・・１／４波長板、６・・・・・・電歪素子、 ？、 ８． ２２． ３５． ５２ ・・
・ ・・・ ミ ラ − 、’９．１０，２３．４６．
５３・・・・・・対物レンズ、１１．２４．３２．３７
．５４・・・・・・複屈折素子、１２．５５・・・・・
・偏向板、 １３．２６．３９．５６・・・・・・干渉縞、１４．２
７．４０．５７・・・・・・アレイセンサー、１５．２
８．４１・・・・・・出力信号、１６．２９．４２．５
９・・・・・・信号処理回路、２０．２１・・・・・・
コーナーキューブ、２５．３８・・・・・・偏向板、 ３６．４６．５３・・・・・・対物レンズ、３４・・・
・・・被測定物体、 ４５・・・・・・半透鏡、 ４７・・・・・・偏波保持ファイバー、５０・・・・・
・磁界、 ５１・・・・・・ファラデー回転素子。 第１図 銅２図
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 光源、 この光源からの光を受け、物理量の変化に応じて直交偏
光面間の位相がずれた光を出力する第１の手段、 前記第１の手段からの光と交わる方向で距離に従って直
線的に直交偏光面間の位相をずらす第２の手段、 前記第２の手段によって位相がずらされた方向に分解能
を有するセンサー、および 前記第２の手段と前記センサーとの間に配置された偏光
板を備えて成る高精度偏光干渉計。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP30049586A JPS63151802A (ja) | 1986-12-17 | 1986-12-17 | 高精度偏光干渉計 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP30049586A JPS63151802A (ja) | 1986-12-17 | 1986-12-17 | 高精度偏光干渉計 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS63151802A true JPS63151802A (ja) | 1988-06-24 |
Family
ID=17885494
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP30049586A Pending JPS63151802A (ja) | 1986-12-17 | 1986-12-17 | 高精度偏光干渉計 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS63151802A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0481356A2 (de) * | 1990-10-18 | 1992-04-22 | Dr. Johannes Heidenhain GmbH | Polarisationsoptische Anordnung |
| JPH0682313A (ja) * | 1992-03-17 | 1994-03-22 | Internatl Business Mach Corp <Ibm> | 異なって偏光された光ビーム間の位相差を干渉的に決定する方法および装置 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5786007A (en) * | 1980-09-22 | 1982-05-28 | Philips Nv | Interference gauge |
| JPS6182113A (ja) * | 1984-09-29 | 1986-04-25 | Satoru Toyooka | 光学的微小変位測定方法 |
-
1986
- 1986-12-17 JP JP30049586A patent/JPS63151802A/ja active Pending
Patent Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
| JPS5786007A (en) * | 1980-09-22 | 1982-05-28 | Philips Nv | Interference gauge |
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