JPH04366703A - Optical displacement measurement method and device - Google Patents
Optical displacement measurement method and deviceInfo
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- JPH04366703A JPH04366703A JP3167726A JP16772691A JPH04366703A JP H04366703 A JPH04366703 A JP H04366703A JP 3167726 A JP3167726 A JP 3167726A JP 16772691 A JP16772691 A JP 16772691A JP H04366703 A JPH04366703 A JP H04366703A
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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。(57) [Summary] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.
Description
【0001】0001
【産業上の利用分野】本発明は変位を光学的に測定する
方法及び装置に係わり、特にEB装置などの半導体製造
装置における基板の位置決めに好適な変位の光学的測定
方法及びその装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method and apparatus for optically measuring displacement, and more particularly to a method and apparatus for optically measuring displacement suitable for positioning a substrate in semiconductor manufacturing equipment such as an EB apparatus.
【0002】0002
【従来の技術】半導体製造時には、加工対象である半導
体基板をステージの上に乗せ、ステージを移動させなが
ら加工を行う。このとき、基板の移動量、即ちステージ
の移動量を精密に計測するための光学的計測手段が用い
られており、たとえば特開昭61ー219802号に開
示された装置では、コヒーレントな光ビームを基準面と
測定対象物とに照射してそれらの反射波を干渉させ、か
つ一方の光ビーム通路の移相量がπラジアン以上可変な
移相器を設置する。こうして移相器で移相量を変えると
周期的に干渉波の振幅は最大または最小となるから、こ
の点を補償点として干渉信号の微分値が0になることを
用いて検出し、そのときの移相器に加えた駆動信号の大
きさから2つの光ビーム経路の位相差を検出する。これ
と測定対象物を動かしたときに求めた位相差とから移動
量、つまり対象物の変位を検出する。また特開昭63ー
11803号に開示された装置では、動作原理は上記の
ものと同様であるが、干渉信号が最大値と最小値の中間
値をとる瞬間(位相差がnπ+π/2となる瞬間)を補
償点としこれを検出している点だけが異なる。さらに特
開昭62−88902号に開示された装置では、測定対
象物の移動速度が小さいときは上記の原理で高精度の測
定を行い、移動速度が大きいときは単に干渉信号の明暗
の変化をカウントして移動速度を測定している。2. Description of the Related Art When manufacturing semiconductors, a semiconductor substrate to be processed is placed on a stage and processed while moving the stage. At this time, an optical measurement means is used to precisely measure the amount of movement of the substrate, that is, the amount of movement of the stage. A phase shifter is installed that irradiates the reference surface and the object to be measured to cause their reflected waves to interfere with each other, and that allows the amount of phase shift of one optical beam path to be variable by π radians or more. When the phase shift amount is changed using the phase shifter, the amplitude of the interference wave periodically becomes maximum or minimum, so this point is used as a compensation point to detect when the differential value of the interference signal becomes 0. The phase difference between the two optical beam paths is detected from the magnitude of the drive signal applied to the phase shifter. From this and the phase difference obtained when the object to be measured is moved, the amount of movement, that is, the displacement of the object is detected. In addition, in the device disclosed in JP-A-63-11803, the operating principle is the same as that described above, but at the moment when the interference signal takes an intermediate value between the maximum value and the minimum value (when the phase difference becomes nπ+π/2). The only difference is that the current moment) is used as a compensation point and this is detected. Furthermore, the device disclosed in JP-A No. 62-88902 performs highly accurate measurement based on the above principle when the moving speed of the object to be measured is low, and when the moving speed is high, it simply detects changes in the brightness of the interference signal. The movement speed is measured by counting.
【0003】0003
【発明が解決しようとする課題】上記した従来例では、
いずれにおいても偏光の異なる2つの光の間の位相差を
制御する型の移相器を使用しているため、移相器の駆動
電圧が大きくなり、移相器を温度補償機能のついた形で
光集積化し低駆動電圧化することが困難であるという問
題がある。また第1の従来例では、干渉信号を微分して
その零点として補償点を得ているから、雑音による誤差
が発生し易いという問題がある。また第2の従来例では
、干渉信号の最大値と最小値とから中間値を求める回路
が複雑になるという問題がある。さらに第1、第2の従
来例では、微分回路、中間値検出回路の周波数限界のた
め、移相器の変調周波数を上げ応答速度を大きくするこ
とも困難である。第3の従来例は移動速度の大きいとき
の測定精度が悪いため、例えばEB装置などでステージ
を高速移動させながらかつ位置を精密に計測描画したい
という要求を満足することはできない。[Problem to be solved by the invention] In the conventional example described above,
In both cases, a type of phase shifter that controls the phase difference between two lights of different polarization is used, so the driving voltage for the phase shifter is large, and the phase shifter is designed to have a temperature compensation function. However, there is a problem in that it is difficult to achieve optical integration and lower driving voltage. Furthermore, in the first conventional example, since the interference signal is differentiated and the compensation point is obtained as its zero point, there is a problem in that errors due to noise are likely to occur. Further, in the second conventional example, there is a problem that the circuit for calculating the intermediate value from the maximum value and the minimum value of the interference signal becomes complicated. Furthermore, in the first and second conventional examples, it is difficult to increase the modulation frequency of the phase shifter and increase the response speed due to the frequency limit of the differentiating circuit and the intermediate value detection circuit. The third conventional example has poor measurement accuracy when the moving speed is high, and therefore cannot satisfy the demand for accurately measuring and drawing the position while moving the stage at high speed using, for example, an EB device.
【0004】本発明の目的は、低電圧で駆動可能、高精
度かつ応答速度の速い変位の光学的測定方法及び装置を
提供するにある。[0004] An object of the present invention is to provide an optical displacement measurement method and apparatus that can be driven with low voltage, has high accuracy, and has a fast response speed.
【0005】[0005]
【課題を解決するための手段】上記の目的は、光源から
のコヒーレント光を2分し、正弦波状の駆動信号により
駆動される移相手段によって上記2分されたコヒーレン
ト光の位相差を変化幅πラジアン以上の正弦波状に変化
するように変調し、該変調された内の1つの光を参照光
として固定された基準面に反射させ、上記変調されたも
う1つの光を測定光として可動物体に固定された反射面
に反射させ、上記基準面及び反射面からの反射光を合成
して生成された干渉信号の振幅を調べることによって上
記可動物体の変位により生じた上記測定光の光路長変化
による位相の変化が上記移相手段による位相差の変化に
より相殺されるときの上記駆動信号の大きさから変位に
よる測定光の位相変化を検出し、該検出した位相変化か
ら上記可動物体の変位量を算出するとともに、前記移相
器で発生される位相差の全振幅の半分の値に対する第零
次ベッセル関数の値が零となるように前記駆動信号の振
幅を設定することにより達成される。[Means for solving the problem] The above object is to divide coherent light from a light source into two, and to change the phase difference of the coherent light divided into two by a phase shifter driven by a sine wave drive signal. The movable object is modulated so that it changes in a sinusoidal manner of π radians or more, one of the modulated lights is reflected on a fixed reference surface as a reference light, and the other modulated light is used as a measurement light. Changes in the optical path length of the measurement light caused by the displacement of the movable object can be determined by examining the amplitude of the interference signal generated by combining the reflected light from the reference surface and the reflection surface. The phase change of the measurement light due to displacement is detected from the magnitude of the drive signal when the change in phase caused by the change in phase is offset by the change in phase difference caused by the phase shifting means, and the amount of displacement of the movable object is determined from the detected phase change. This is achieved by calculating the amplitude of the drive signal and setting the amplitude of the drive signal so that the value of the zero-order Bessel function for half the total amplitude of the phase difference generated by the phase shifter becomes zero.
【0006】[0006]
【作用】移相手段は同一偏波面の2つの光に対して個別
に移相を行うので、低電圧での駆動が可能になる。また
駆動信号による移相量を上記のように選ぶことにより、
可動物体の移動の有無にかかわらず干渉信号の交流成分
が0になった瞬間を補償点とすることができ、常に精度
の高い測定が可能になる。[Operation] Since the phase shift means individually shifts the phase of two lights having the same polarization plane, it is possible to drive with a low voltage. In addition, by selecting the amount of phase shift by the drive signal as described above,
Regardless of whether the movable object moves or not, the moment when the AC component of the interference signal becomes 0 can be set as the compensation point, making it possible to always perform highly accurate measurements.
【0007】[0007]
【実施例】本発明をEB装置に応用した実施例を図1、
図2、図3を用いて説明する。まず、構成の概要を述べ
る。図1に於て、レーザ光源1からのコヒーレント光は
偏光板2、偏波面保存ファイバ6を経由して真空のチャ
ンバ19内に設置された移相器7へ入力される。移相器
7は入射光を2つの互いの位相差が可変制御可能なビー
ムに分けて出力し、この一方は基準面14で、他方はス
テージ16に固定されたミラー17で反射され、それら
の反射が合成されて干渉信号となり、チャンバ19の光
学窓21から取り出される。ステージ16上にはミラー
17、基板18が設置され、またステージ16上方には
図示しない電子工学系が設置されており、これにより電
子ビームを基板18上に収束してその上に希望のパター
ンが描画される。電子工学系の描画範囲は小さいので、
ステージ16によって基板18全体を移動させ、広い描
画範囲を得ている。このステージの移動距離が、上記の
干渉信号を位相差検出手段22、アップダウンパルス発
生器34、カウンタ42、加算器43で処理することに
より求められる。[Example] Fig. 1 shows an example in which the present invention is applied to an EB device.
This will be explained using FIGS. 2 and 3. First, an overview of the configuration will be described. In FIG. 1, coherent light from a laser light source 1 is input to a phase shifter 7 installed in a vacuum chamber 19 via a polarizing plate 2 and a polarization maintaining fiber 6. The phase shifter 7 outputs the incident light by dividing it into two beams whose phase difference can be variably controlled. One of these beams is reflected by the reference plane 14 and the other by the mirror 17 fixed to the stage 16. The reflections are combined into an interference signal that is extracted through the optical window 21 of the chamber 19. A mirror 17 and a substrate 18 are installed on the stage 16, and an electronic system (not shown) is installed above the stage 16, which focuses the electron beam onto the substrate 18 and forms a desired pattern on it. be drawn. Since the drawing range for electronic engineering is small,
The entire substrate 18 is moved by the stage 16 to obtain a wide drawing range. The moving distance of this stage is determined by processing the above-mentioned interference signal by the phase difference detection means 22, the up/down pulse generator 34, the counter 42, and the adder 43.
【0008】以下、各部の詳細及び動作を説明する。レ
ーザ光源1から出たコヒーレント光の内、紙面と並行な
面内の振動成分のみが偏光板2で選択され、集光レンズ
3で偏波面保存ファイバ6に集光される。このファイバ
6は入射光の上記振動面を保存してチャンバ19近くま
で導く。その出力光はレンズ4で並行にされ、チャンバ
19内の光学窓20を介してレンズ5に入射され、移相
器7の導波路9aに集光される。移相器7はリチューム
ナイオベート(LiNbO3)の基板8、この上にチタ
ンを拡散して形成した導波路9a〜9c、金属クラッド
10、金属電極11a〜11cから成っており、導波路
9aに入射した光は、金属クラッド10の下を通過する
。もともと導波路9aに入射する光の振動面はほぼ紙面
に並行で、導波路9aに励起されるのも殆どTEモード
の成分のみであるが、偏波面保存ファイバ6が理想的で
ないこと、偏波面保存ファイバ6と移相器7のアライン
メント誤差などによって若干のTMモードも励起される
ので、金属クラッド10によってこれを吸収させ取り除
く。[0008] The details and operation of each part will be explained below. Of the coherent light emitted from the laser light source 1 , only the vibration component in a plane parallel to the plane of the paper is selected by the polarizing plate 2 and focused onto the polarization maintaining fiber 6 by the condensing lens 3 . This fiber 6 preserves the above-mentioned vibration plane of the incident light and guides it to near the chamber 19. The output light is made parallel by the lens 4, enters the lens 5 through the optical window 20 in the chamber 19, and is focused on the waveguide 9a of the phase shifter 7. The phase shifter 7 consists of a lithium niobate (LiNbO3) substrate 8, waveguides 9a to 9c formed by diffusing titanium thereon, a metal cladding 10, and metal electrodes 11a to 11c. The light passes under the metal cladding 10. Originally, the vibration plane of the light incident on the waveguide 9a is almost parallel to the plane of the paper, and almost only the TE mode component is excited in the waveguide 9a, but the polarization maintaining fiber 6 is not ideal, and the polarization plane Since some TM modes are also excited due to alignment errors between the storage fiber 6 and the phase shifter 7, they are absorbed and removed by the metal cladding 10.
【0009】図2は移相器7の断面を示しており、金属
電極11a、11cに電圧を印加(電極11bは接地)
したときに基板8内に発生する電気力線45a、45b
が示されている。ここでリチュームナイオベート基板8
の結晶軸は、X軸が図2の上下方向、Y軸が図2の紙面
と垂直方向、Z軸が紙面の水平方向にとられており、上
記の電気力線45a、45bはチタン拡散導波路9a、
9c中ではZ軸方向に沿い、互いに逆方向を向いている
。このようにすると、リチュームナイオベート結晶では
Z軸方向に振動面を持つ光に対する屈折率が最もよく変
化することが知られており(光波電子工学、コロナ社、
昭和53年、274ページ参照)、これによって導波路
9c上の測定光B2と導波路9b上の参照光B1の間の
位相差を効率よく変調することができる。そこで図1の
電極11a、11b間に発振器32の正弦波状(周波数
ω)の出力電圧を増幅器33で増幅して印加すると、移
相器7により測定光B2と参照光B1の間に与えられる
位相差も周波数ωで正弦波的に変調される。従ってこの
振幅をA0とすると、光路長の差はA0 sinωtと
表せる。導波路9bを出た参照光B1はレンズ12で並
行光にされ、基準面14で反射されてハーフミラー15
を透過する。一方、導波路9cを出た測定光B2はレン
ズ13で並行光に整形され、ハーフミラー15を透過し
、ステージ上のミラー17で反射され再びハーフミラー
15に至って反射される。こうして同じ振動面を持つ参
照光B1と測定光B2は干渉を起こす。このときの2つ
の光の光路長差は、基準面14の中心からハーフミラー
15の中心までの光学的距離s1と、ミラー17からハ
ーフミラー15の中心までの距離s2の2倍とを加算し
たs1+2s2であるから、全光路長の差SはFIG. 2 shows a cross section of the phase shifter 7, in which voltage is applied to metal electrodes 11a and 11c (electrode 11b is grounded).
Electric lines of force 45a and 45b generated within the substrate 8 when
It is shown. Here, lithium niobate substrate 8
The crystal axis of wave path 9a,
9c, they are along the Z-axis direction and face in opposite directions. It is known that by doing this, the refractive index of lithium niobate crystal for light with a vibration plane in the Z-axis direction changes best (Light Wave Electronics, Corona Inc.,
1974, p. 274), thereby making it possible to efficiently modulate the phase difference between the measurement light B2 on the waveguide 9c and the reference light B1 on the waveguide 9b. Therefore, when the sinusoidal (frequency ω) output voltage of the oscillator 32 is amplified by the amplifier 33 and applied between the electrodes 11a and 11b in FIG. The phase difference is also sinusoidally modulated at frequency ω. Therefore, if this amplitude is A0, the difference in optical path length can be expressed as A0 sinωt. The reference light B1 exiting the waveguide 9b is made into parallel light by the lens 12, reflected by the reference surface 14, and then reflected by the half mirror 15.
Transparent. On the other hand, the measurement light B2 exiting the waveguide 9c is shaped into parallel light by the lens 13, passes through the half mirror 15, is reflected by the mirror 17 on the stage, reaches the half mirror 15, and is reflected again. In this way, the reference beam B1 and the measurement beam B2 having the same vibration plane cause interference. The optical path length difference between the two lights at this time is the sum of the optical distance s1 from the center of the reference plane 14 to the center of the half mirror 15 and twice the distance s2 from the mirror 17 to the center of the half mirror 15. Since s1+2s2, the difference S in the total optical path length is
【数1】
S=s1+2s2+A0 sinωtで与えられる。従
って干渉光の強度Iは、B1、B2の強度をI1、I2
、光の波長をλとして[Math 1]
It is given by S=s1+2s2+A0 sinωt. Therefore, the intensity I of the interference light is the intensity of B1, B2, I1, I2
, where the wavelength of light is λ
【数2】
I=I1+I2+2(I1・I2)1/2 cos(2
πS/λ)=I1+I2+2(I1・I2)1/2・c
os(2π/λ(s1+2s2+A0 sinωt))
により求められる。この式の cos() の項は[Math. 2] I=I1+I2+2(I1・I2)1/2 cos(2
πS/λ)=I1+I2+2(I1・I2)1/2・c
os(2π/λ(s1+2s2+A0 sinωt))
It is determined by The cos() term in this equation is
【数
3】
cos( 2π/λ(s1+2s2))・cos(A
sin ωt)−sin(2π/λ(s1+2s2))
・sin(A sin ωt)
ただし[Equation 3] cos(2π/λ(s1+2s2))・cos(A
sin ωt)−sin(2π/λ(s1+2s2))
・sin(A sin ωt) However
【数4】A=2πA0/λ
と書けるが、cos(Asinωt)、cos(Asi
nωt)はベッセル関数Jn,n=0,1,・・・を用
いて[Equation 4] It can be written as A=2πA0/λ, but cos(Asinωt), cos(Asi
nωt) is calculated using Bessel function Jn, n=0, 1,...
【数5】 と展開できる。これを[数3]へ代入すると[Math 5] It can be expanded as follows. Substituting this into [Math 3]
【数6】
となる。[数6]の第1項は測定対象物が静止している
ときは一定であるが、移動しているときはs2が時間に
より変化し、その移動速度に比例した周波数の交流成分
となる。第1項以外は変調周波数ωの整数倍で振動する
交流成分である。そこで本実施例では、移相器による2
つの光B1、B2の位相差の振幅A0を調整して、[数
4]のAがJ0(A)=0、すなわちA=2.40・・
・を満たすように設定する。そうすると[数6]のJ0
(A)を含む項は常に0になるから、[数2]の干渉信
号のω及びそれ以上の交流成分は[数6]のJ2n、J
2nー1を含む項だけで表され、これが常に0になるの
は測定対象物の静止、移動にかかわらず[数2]のco
s(2πS/λ)が0になる瞬間に一致する。この瞬間
は全光路長差SがS=(λ/2π)(π/2+nπ)(
ただしnは整数)を満たす瞬間である。従ってこの瞬間
(移相補償点)には位相差検出手段22内のパルス発生
器28によりパルスが発生される。即ち干渉信号強度を
検出する光検出器23の出力をハイパスフイルタ24を
通して角周波数成分がωに満たない直流成分を除去し、
コンパレータ25でアース電位と比較して0となる(一
致する)ごとに出力が反転する出力とし、この出力電圧
の立ち上がり、立ち下がりをデイレイライン26、EO
R27によりその発生時点のパルスに変換する。このパ
ルスは、移相器7による位相変調の1周期(2π/ω)
ごとに複数回発生するので、このうち1周期の位相差が
−π/2を越えてから最初に発生した1つのパルスだけ
をゲート回路29で取り出す。これは移相器7への印加
電圧を可変抵抗器31で適当に分圧してゲート回路29
へ印加することにより行われる。同時にこのときが位相
補償点であるから、このときの移相量、つまり位相補償
量を上記印加電圧からA/Dコンバータ30で検出する
。このようにして検出した位相補償量を縦軸に、測定対
象物の位置(全光路長差Sの半分)を横軸にとると、図
3のように位置がπ/4変化する毎に移相量はπ/2か
ら−π/2(移動方向が図と逆の場合は−π/2からπ
/2)に不連続的に変化する。ここで、この不連続変化
の回数をアップダウンパルス発生器34とカウンタ回路
42によって方向を含めて計測する。アップダウンパル
ス発生器34は、デイジタルコンパレータ35、36の
レファレンス入力値を図3のA、Bで示した値に設定す
ると、不連続変化が発生したときのみ両デイジタルコン
パレータの出力が同時にLow→Hi(Hi→Low)
と変化するので、これをデイレーライン37、インバー
タ38、39、アンド回路40、41で検出し、アップ
ダウンパルスを発生させる。このようにすると、カウン
タ42のカウント数がmのとき図3の不連続点をm回通
過したことになる。不連続点から次の不連続点の間で移
相量はπ、光路長でλ/2あるからs2の変化はこの半
分λ/4に相当し、これをm回通過するとmλ/4だけ
の移動に相当する。従って測定対象物16が最初の位置
にあるときの位置をX0、位相補償量をΦ0、現在の位
置をX、位相補償量をΦとしたとき、ステージ16の移
動量X−X0は[Equation 6] The first term in [Equation 6] is constant when the object to be measured is stationary, but when it is moving, s2 changes with time and becomes an alternating current component with a frequency proportional to the speed of movement. The terms other than the first term are alternating current components that oscillate at integral multiples of the modulation frequency ω. Therefore, in this embodiment, two
By adjusting the amplitude A0 of the phase difference between the two lights B1 and B2, A in [Equation 4] becomes J0(A)=0, that is, A=2.40...
・Set to meet the requirements. Then, J0 of [Math. 6]
Since the term containing (A) is always 0, the alternating current components of ω and higher in the interference signal in [Equation 2] are J2n, J in [Equation 6]
It is expressed only by the term containing 2n-1, and the reason why this is always 0 is that the co of [Equation 2]
It coincides with the moment when s(2πS/λ) becomes 0. At this moment, the total optical path length difference S is S=(λ/2π)(π/2+nπ)(
However, n is an integer). Therefore, at this instant (phase shift compensation point), a pulse is generated by the pulse generator 28 in the phase difference detection means 22. That is, the output of the photodetector 23 that detects the interference signal intensity is passed through a high-pass filter 24 to remove the DC component whose angular frequency component is less than ω.
The output is inverted every time the comparator 25 compares it with the ground potential and it becomes 0 (matches).
R27 converts it into a pulse at the time of generation. This pulse is one period (2π/ω) of phase modulation by the phase shifter 7.
The gate circuit 29 extracts only the first pulse generated after the phase difference of one cycle exceeds -π/2. This is done by appropriately dividing the voltage applied to the phase shifter 7 using a variable resistor 31 and applying it to the gate circuit 29.
This is done by applying a voltage to At the same time, since this time is the phase compensation point, the amount of phase shift at this time, that is, the amount of phase compensation, is detected by the A/D converter 30 from the applied voltage. If we take the phase compensation amount detected in this way on the vertical axis and the position of the object to be measured (half of the total optical path length difference S) on the horizontal axis, we can see that the object moves every time the position changes by π/4 as shown in Figure 3. The phase amount is from π/2 to -π/2 (if the moving direction is opposite to the diagram, it is from -π/2 to π
/2) discontinuously. Here, the number of times of this discontinuous change, including the direction, is measured by the up/down pulse generator 34 and the counter circuit 42. When the reference input values of the digital comparators 35 and 36 are set to the values shown in A and B in FIG. 3, the up/down pulse generator 34 simultaneously changes the outputs of both digital comparators from Low to High only when a discontinuous change occurs. (Hi→Low)
This is detected by the delay line 37, inverters 38, 39, and AND circuits 40, 41 to generate up/down pulses. In this way, when the count number of the counter 42 is m, it means that the discontinuous point in FIG. 3 has been passed m times. The amount of phase shift between one discontinuity point and the next discontinuity point is π, and the optical path length is λ/2, so the change in s2 corresponds to half of this, λ/4, and when this is passed m times, the change is only mλ/4. Corresponds to movement. Therefore, when the initial position of the measurement object 16 is X0, the amount of phase compensation is Φ0, the current position is X, and the amount of phase compensation is Φ, the amount of movement of the stage 16 is X-X0.
【数7】
X−X0=λm/4+λ(ΦーΦ0)/(4π)で与え
られる。本実施例によれば、移相器の低電圧駆動が可能
で、またステージの高速移動時でも正確な変位測定が行
える。[Formula 7] It is given by X−X0=λm/4+λ(Φ−Φ0)/(4π). According to this embodiment, the phase shifter can be driven at a low voltage, and accurate displacement measurement can be performed even when the stage moves at high speed.
【0010】図4は本発明の他の実施例を示すもので、
レーザ光源1からのコヒーレント光はハーフミラー51
で2分され、一方は偏光板53、もう一方はミラー52
経由で偏光板54へ入射され、これらの偏光板で紙面に
並行な方向の振動面を持つ光とされて移相器55へ入射
される。移相器55は電気光学結晶、例えばリチューム
ナイオベート結晶56、57、電極58a〜58dから
成っており、上記結晶56、57の結晶軸の方向は、図
のように紙面上方向がY軸の正方向、左方向がZ軸の正
方向となるよう設置されている。電極58a、58dに
発振器32からの電圧を印加する(電極58b、58c
は接地)ことにより、リチュームナイオベート結晶56
、57のZ軸方向に互いに逆方向の電界が発生し、後述
のようにして2つの光に位相差が生じる。これらはそれ
ぞれレンズ59、60、偏波面保存ファイバ61、62
、レンズ63、64、光学窓65、66を通って真空チ
ャンバ69内へ導かれる。光学窓65からの光は参照光
B1としてハーフミラー70で2分され、一部はハーフ
ミラー72へ、一部はミラー71経由で偏光ビームスプ
リッタ73へ導かれる。この偏光ビームスプリッタ73
は紙面と並行な振動面を持つ光を透過し、紙面と垂直な
振動面を持つ光を反射する。もう一方の光学窓66から
の光は測定光B2としてハーフミラー72、偏光ビーム
スプリッタ73を通過し(これは紙面と並行な偏波面を
持つ)、1/4波長板74経由でステージ16上のミラ
ー17へ達し、ここで反射されて再び1/4波長板74
経由でスプリッタ73へ戻る。こうして1/4波長板を
往復すると測定光の偏波面は90度回転されて紙面と垂
直になるように1/4波長板74の方向を決めておけば
、ビームスプリッタ73に戻ってきた測定光B2はここ
で反射され、ミラー71からの参照光と合成されて干渉
信号C1となり、光学窓68から出力される。またハー
フミラー70からの参照光とハーフミラー72で分岐さ
れた測定光も合成されて干渉信号C2として光学窓67
から出力される。FIG. 4 shows another embodiment of the present invention.
The coherent light from the laser light source 1 passes through the half mirror 51
divided into two parts, one is a polarizing plate 53 and the other is a mirror 52.
The light is incident on the polarizing plate 54 via the polarizing plate, and the light is converted into light having a vibration plane parallel to the plane of the paper by these polarizing plates, and is incident on the phase shifter 55. The phase shifter 55 is composed of electro-optic crystals, for example, lithium niobate crystals 56 and 57, and electrodes 58a to 58d. It is installed so that the positive direction and the left direction are the positive direction of the Z axis. A voltage from the oscillator 32 is applied to the electrodes 58a and 58d (electrodes 58b and 58c).
is grounded), the lithium niobate crystal 56
, 57 in opposite directions are generated, and a phase difference occurs between the two lights as will be described later. These are lenses 59 and 60 and polarization maintaining fibers 61 and 62, respectively.
, lenses 63, 64, and optical windows 65, 66 into a vacuum chamber 69. The light from the optical window 65 is split into two by a half mirror 70 as reference light B1, and part of it is guided to a half mirror 72 and the other part is guided to a polarizing beam splitter 73 via a mirror 71. This polarizing beam splitter 73
transmits light whose vibration plane is parallel to the paper surface, and reflects light whose vibration plane is perpendicular to the paper surface. The light from the other optical window 66 passes through a half mirror 72 and a polarizing beam splitter 73 as measurement light B2 (this has a polarization plane parallel to the plane of the paper), and passes through a quarter-wave plate 74 onto the stage 16. It reaches the mirror 17, where it is reflected and passes through the quarter-wave plate 74 again.
It returns to the splitter 73 via the route. If the direction of the quarter-wave plate 74 is determined so that the plane of polarization of the measurement light is rotated by 90 degrees when the quarter-wave plate goes back and forth in this way and becomes perpendicular to the plane of the paper, the measurement light that returns to the beam splitter 73 can be rotated by 90 degrees. B2 is reflected here and combined with the reference light from the mirror 71 to form an interference signal C1, which is output from the optical window 68. Further, the reference light from the half mirror 70 and the measurement light branched by the half mirror 72 are also combined and output to the optical window 67 as an interference signal C2.
is output from.
【0011】位相差検出手段76、アップダウンパルス
発生器78、カウンタ80及び加算器82からなる部分
は図1の同一名のものと同じ回路で、参照光B1の一部
と測定光B2の一部をミラー17で反射したものとの干
渉信号C1から、図1と全く同じ動作でステージ16の
移動量を算出する。一方、上記と同一回路構成の位相差
検出手段75、アップダウンパルス発生器77、カウン
タ79及び加算器81からなる部分は、上記移動量が0
のときの見かけの移動量を干渉信号C2から算出する。
この見かけの移動量と言うのは、2つの光が偏波面保存
ファイバ61、62の光路長が温度や圧力などの影響で
それぞれ変化し、このために移相器55による移相量に
余分な移相量が加わるために生じるものであり、この見
かけの移動量は加算器82出力にも同じ量だけ含まれて
いる。従って算出したステージ16の移動量から見かけ
の移動量を減算器3で差し引いて、真の移動量を求める
ことができる。この見かけの移動量の補正方法は、図1
の移相器7の場合にも適用可能なことは言うまでもない
。The portion consisting of the phase difference detection means 76, the up/down pulse generator 78, the counter 80, and the adder 82 is the same circuit as the one with the same name in FIG. The amount of movement of the stage 16 is calculated from the interference signal C1 with that reflected by the mirror 17 using the same operation as in FIG. On the other hand, in the portion consisting of the phase difference detection means 75, up/down pulse generator 77, counter 79, and adder 81, which have the same circuit configuration as the above, the amount of movement is 0.
The apparent movement amount at this time is calculated from the interference signal C2. This apparent amount of movement is due to the fact that the optical path lengths of the two light beams in the polarization maintaining fibers 61 and 62 change due to the influence of temperature, pressure, etc. This is caused by the addition of a phase shift amount, and this apparent shift amount is also included in the output of the adder 82 by the same amount. Therefore, the true amount of movement can be obtained by subtracting the apparent amount of movement from the calculated amount of movement of the stage 16 using the subtractor 3. The method for correcting this apparent amount of movement is shown in Figure 1.
It goes without saying that this is also applicable to the case of the phase shifter 7.
【0012】図5、図6は上記移相器55の動作説明図
である。図5は従来の構成を示しており、互いに軸方向
を90度ずらせた同一長のリチュームナイオベート結晶
84、85、電極86〜89からなる。ここで2つの結
晶を軸方向をずらせて設けたのは、温度変化に対する補
償のためである。リチュームナイオベート結晶84、8
5のZ軸方向に逆極性の電圧Vを印加しY軸方向に互い
に偏光面の直交する参照光と測定光を入射する。このと
き移相器を出射した参照光と測定光の間に新たに発生す
る位相差△ΦはFIGS. 5 and 6 are explanatory diagrams of the operation of the phase shifter 55. FIG. 5 shows a conventional structure, which consists of lithium niobate crystals 84, 85 and electrodes 86 to 89 of the same length and axially shifted by 90 degrees from each other. The reason why the two crystals are provided with their axial directions shifted is to compensate for temperature changes. Lithium niobate crystal 84, 8
5, a voltage V of opposite polarity is applied in the Z-axis direction, and reference light and measurement light whose polarization planes are perpendicular to each other are incident in the Y-axis direction. At this time, the phase difference △Φ newly generated between the reference light and the measurement light emitted from the phase shifter is
【数8】△Φ=(ne3r33−n03r13)sV/
dで与えられる。ここでno、neはそれぞれ異常光線
屈折率、常光線屈折率、r33,r13はボッケルス定
数、sは結晶の長さ、dは結晶の厚さである。no=2
.29、ne=2.2、r33=30.8、r13=8
.6(A.Yariv著,”Optical Elec
tronics” p281,Halt−Saund
rs 参照)を[数8]に代入してs/d=1のときの
感度を求めると224×10ー12(rad/V)を得
る。一方、図6は本実施例の移相器55を示したもので
、同一の偏光を持つ参照光と測定光を入射すると、移相
器55を通過したことにより生じる位相差△Φは[Equation 8] △Φ=(ne3r33-n03r13)sV/
It is given by d. Here, no and ne are the extraordinary ray refractive index and the ordinary ray refractive index, r33 and r13 are Bockels constants, s is the length of the crystal, and d is the thickness of the crystal. no=2
.. 29, ne=2.2, r33=30.8, r13=8
.. 6 (by A. Yariv, “Optical Elec
tronics” p281, Halt-Sound
rs) into [Equation 8] to find the sensitivity when s/d=1, 224×10−12 (rad/V) is obtained. On the other hand, FIG. 6 shows the phase shifter 55 of this embodiment. When reference light and measurement light having the same polarization are incident, the phase difference ΔΦ caused by passing through the phase shifter 55 is
【数9】△Φ=ne3r33sV/d
で与えられる。リチュームナイオベート結晶56、57
の条件を上と同じとし、s/d=1も同じとして感度を
求めると327×10ー12(rad/V)を得る。従
って本実施例で感度が約46パーセント向上する。さら
に光ビームがそのビーム径を結晶の厚さ以下に保ったま
ま結晶を通過できる距離には限度がある。移相器の長さ
は従来の図5の構成では2s、本実施例の図6ではsで
あるから、上記のビーム径を考慮すると本実施例での感
度向上は92パーセントに達する。[Equation 9] It is given by △Φ=ne3r33sV/d. Lithium niobate crystals 56, 57
If the conditions are the same as above and s/d=1 is also the same, the sensitivity is found to be 327×10-12 (rad/V). Therefore, in this example, the sensitivity is improved by about 46%. Furthermore, there is a limit to the distance that a light beam can pass through a crystal while keeping its beam diameter below the thickness of the crystal. Since the length of the phase shifter is 2 s in the conventional configuration shown in FIG. 5 and s in the configuration shown in FIG. 6 of this embodiment, the sensitivity improvement in this embodiment reaches 92% when the above beam diameter is taken into account.
【0013】[0013]
【発明の効果】本発明によれば、電気回路が簡略化され
、移相器の駆動電圧を小さくできるので、変調周波数を
上げることができ、応答速度を大きくできるという効果
がある。According to the present invention, the electric circuit can be simplified and the driving voltage of the phase shifter can be reduced, so that the modulation frequency can be increased and the response speed can be increased.
【図1】本発明の一実施例を示す装置の構成図である。FIG. 1 is a configuration diagram of an apparatus showing an embodiment of the present invention.
【図2】図1の実施例の移相器の断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view of the phase shifter of the embodiment of FIG. 1;
【図3】図1の実施例の動作原理の説明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram of the operating principle of the embodiment of FIG. 1;
【図4】本発明の他の実施例を示す装置の構成図である
。FIG. 4 is a configuration diagram of an apparatus showing another embodiment of the present invention.
【図5】従来の移相器の構成を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing the configuration of a conventional phase shifter.
【図6】本発明の移相器の構成を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing the configuration of a phase shifter according to the present invention.
1 レーザ光源 7 移相器 8 リチュームナイオベート基板 9a チタン拡散導波路 9b チタン拡散導波路 9c チタン拡散導波路 11a 金属電極 11b 金属電極 11c 金属電極 16 ステージ 17 ミラー 22 位相差検出手段 55 移相器 75 位相差検出手段 76 位相差検出手段 1 Laser light source 7 Phase shifter 8 Litium niobate substrate 9a Titanium diffusion waveguide 9b Titanium diffusion waveguide 9c Titanium diffusion waveguide 11a Metal electrode 11b Metal electrode 11c Metal electrode 16 Stage 17 Mirror 22 Phase difference detection means 55 Phase shifter 75 Phase difference detection means 76 Phase difference detection means
Claims (10)
正弦波状の駆動信号により駆動される移相手段によって
上記2分されたコヒーレント光の位相差を変化幅πラジ
アン以上の正弦波状に変化するように変調し、該変調さ
れた内の1つの光を参照光として固定された基準面に反
射させ、上記変調されたもう1つの光を測定光として可
動物体に固定された反射面に反射させ、上記基準面及び
反射面からの反射光を合成して生成された第1の干渉信
号の振幅を調べることによって上記可動物体の変位によ
り生じた上記測定光の光路長変化による位相の変化が上
記移相手段による位相差の変化により相殺されるときの
上記駆動信号の大きさから変位による測定光の位相変化
を検出し、該検出した位相変化から上記可動物体の変位
量を算出することを特徴とする変位の光学的測定方法。[Claim 1] Split coherent light from a light source into two,
A phase shifter driven by a sinusoidal drive signal modulates the phase difference of the divided coherent light into a sinusoidal waveform with a variation width of π radian or more, and one of the modulated lights is The reference light is reflected by a fixed reference surface, the other modulated light is reflected by a reflective surface fixed to a movable object as a measurement light, and the reflected light from the reference surface and the reflective surface are combined. By examining the amplitude of the generated first interference signal, it is possible to determine the above when the change in phase due to the change in optical path length of the measurement light caused by the displacement of the movable object is canceled out by the change in phase difference caused by the phase shift means. A method for optically measuring displacement, comprising detecting a phase change of measurement light due to displacement from the magnitude of a drive signal, and calculating the amount of displacement of the movable object from the detected phase change.
を2分するためのY型分岐路とそれから発生する2本の
導波路を結晶基板上に配して構成され、上記2本の導波
路に互いに逆方向の電界を印加することによって逆符号
の屈折率変化を発生させ、該屈折率の変化により導波路
上の光の位相差を変化させるものであることを特徴とす
る請求項1記載の変位の光学的測定方法。2. The phase shifting means is configured by disposing a Y-shaped branch path for dividing the coherent light into two and two waveguides generated from the Y-shaped branch path on a crystal substrate, wherein the two waveguides 2. A refractive index change having an opposite sign is generated by applying electric fields in mutually opposite directions to the waveguide, and the phase difference of light on the waveguide is changed by the change in the refractive index. Optical measurement method of displacement.
バルク型電気光学結晶からなり、該2本の電気光学結晶
に互いに逆方向の電界を印加することによって逆符号の
屈折率変化を発生させ、該屈折率の変化により上記電気
光学結晶を通過する光の位相差を変化させるものである
ことを特徴とする請求項1記載の変位の光学的測定方法
。3. The phase shifting means is composed of two bulk electro-optic crystals of the same length, and by applying electric fields in opposite directions to the two electro-optic crystals, refractive indexes of opposite signs are changed. 2. The method for optically measuring displacement according to claim 1, wherein the change in refractive index causes a change in the phase difference of light passing through the electro-optic crystal.
幅の半分の値に対する第零次ベッセル関数の値が零とな
るように前記駆動信号の振幅を設定すると共に、前記第
1の位相差検出手段は、前記第1の干渉信号の交流成分
が零になったことをもって上記移相手段により生成され
た位相差が前記可動物体の変位により生じた位相差を相
殺したと判定することを特徴とする請求項1または2ま
たは3の内の1つに記載の変位の光学的測定方法。4. The amplitude of the drive signal is set so that the value of the zero-order Bessel function for half the total amplitude of the phase difference generated by the phase shifter is zero, and the amplitude of the first The phase difference detection means determines that the phase difference generated by the phase shift means cancels the phase difference caused by the displacement of the movable object when the alternating current component of the first interference signal becomes zero. 4. The method for optically measuring displacement according to claim 1, characterized in that:
よび測定光をそれぞれ分岐して該分岐した光同志を合成
して第2の干渉信号を生成し、該第2の干渉信号を入力
として動作する前記第1の位相差検出手段と同一構成の
第2の位相差検出手段により検出された位相差から求め
た変位量を上記第1の位相差検出手段により検出された
位相差から求めた変位量から差し引いた値を前記可動物
体の変位量として出力することを特徴とする請求項1ま
たは2または3または4の内の1つに記載の変位の光学
的測定方法。5. Branching the reference light and measurement light output from the phase shifting means, combining the branched lights to generate a second interference signal, and using the second interference signal as an input. The amount of displacement determined from the phase difference detected by the second phase difference detection means having the same configuration as the operating first phase difference detection means was determined from the phase difference detected by the first phase difference detection means. 5. The optical displacement measuring method according to claim 1, wherein a value subtracted from the displacement amount is output as the displacement amount of the movable object.
正弦波状の駆動信号により駆動されて上記2分されたコ
ヒーレント光の位相差が変化幅πラジアン以上の正弦波
状に変化するように上記各コヒーレント光を移相する移
相手段と、該手段からの1つの出力光を参照光として該
参照光を反射させるための固定された基準面と、上記移
相手段からのもう1つの出力光を測定光として該測定光
を反射させるための可動物体に固定された反射面と、上
記基準面及び反射面からの反射光を合成して生成された
第1の干渉信号の振幅を調べることによって上記可動物
体の変位により生じた上記測定光の光路長変化による位
相の変化が上記移相手段による位相差の変化により相殺
されるときの上記駆動信号の大きさから変位による測定
光の位相変化を検出するための第1の位相差検出手段と
を備えたことを特徴とする変位の光学的測定装置。[Claim 6] Divide coherent light from a light source into two,
a phase shifting means driven by a sinusoidal drive signal to shift the phase of each of the coherent lights so that the phase difference of the two divided coherent lights changes in a sinusoidal manner with a variation width of π radians or more; A fixed reference surface for reflecting the reference light using one output light as a reference light, and a movable object for reflecting the measurement light using another output light from the phase shifting means as the measurement light. By examining the amplitude of the first interference signal generated by combining the reflected light from the reflective surface, the reference surface, and the reflective surface, it is possible to determine whether the change in optical path length of the measurement light caused by the displacement of the movable object is and a first phase difference detection means for detecting a phase change of the measurement light due to displacement from the magnitude of the drive signal when a change in phase is offset by a change in phase difference caused by the phase shift means. An optical displacement measuring device characterized by:
を2分するためのY型分岐路とそれから発生する2本の
導波路を結晶基板上に配して構成され、上記2本の導波
路に互いに逆方向の電界を印加することによって逆符号
の屈折率変化を発生させ、該屈折率の変化により導波路
上の光の位相差を変化させるものであることを特徴とす
る請求項6記載の変位の光学的測定装置。7. The phase shifting means is configured by disposing a Y-shaped branch path for dividing the coherent light into two and two waveguides generated from the Y-shaped branch path on a crystal substrate, wherein the two waveguides 7. A refractive index change having an opposite sign is generated by applying electric fields in mutually opposite directions to the waveguide, and the phase difference of light on the waveguide is changed by the change in the refractive index. Optical measuring device for the displacement of.
バルク型電気光学結晶からなり、該2本の電気光学結晶
に互いに逆方向の電界を印加することによって逆符号の
屈折率変化を発生させ、該屈折率の変化により上記電気
光学結晶を通過する光の位相差を変化させるものである
ことを特徴とする請求項6記載の変位の光学的測定装置
。8. The phase shifting means is composed of two bulk electro-optic crystals of the same length, and by applying electric fields in opposite directions to the two electro-optic crystals, refractive indexes of opposite signs are changed. 7. The optical displacement measuring device according to claim 6, wherein the change in refractive index causes a change in the phase difference of light passing through the electro-optic crystal.
幅の半分の値に対する第零次ベッセル関数の値が零とな
るように前記駆動信号の振幅を設定すると共に、前記第
1の位相差検出手段は、前記第1の干渉信号の交流成分
が零になったことをもって上記移相手段により生成され
た位相差が前記可動物体の変位により生じた位相差を相
殺したと判定することを特徴とする請求項6または7ま
たは8の内の1つに記載の変位の光学的測定装置。9. The amplitude of the drive signal is set so that the value of the zero-order Bessel function for half the total amplitude of the phase difference generated by the phase shifter is set to zero, and the amplitude of the first The phase difference detection means determines that the phase difference generated by the phase shift means cancels the phase difference caused by the displacement of the movable object when the alternating current component of the first interference signal becomes zero. 9. An optical displacement measuring device according to claim 6, characterized in that:
および測定光をそれぞれ分岐して該分岐した光同志を合
成して第2の干渉信号を生成する光合成手段と、上記第
2の干渉信号を入力として動作する前記第1の位相差検
出手段と同一構成の第2の位相差検出手段を付加すると
共に、該手段により検出された位相差から求めた変位量
を上記第1の位相差検出手段により検出された位相差か
ら求めた変位量から差し引いた値を前記可動物体の変位
量として出力することを特徴とする請求項6または7ま
たは8または9の内の1つに記載の変位の光学的測定装
置。10. Light combining means for branching the reference light and measurement light output from the phase shifting means and combining the branched lights to generate a second interference signal; A second phase difference detection means having the same configuration as the first phase difference detection means which operates with input is added, and the displacement amount obtained from the phase difference detected by the means is added to the first phase difference detection means. 10. The displacement detector according to claim 6, 7, 8, or 9, wherein a value subtracted from the displacement amount determined from the phase difference detected by the means is output as the displacement amount of the movable object. Optical measuring device.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3167726A JPH04366703A (en) | 1991-06-12 | 1991-06-12 | Optical displacement measurement method and device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3167726A JPH04366703A (en) | 1991-06-12 | 1991-06-12 | Optical displacement measurement method and device |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04366703A true JPH04366703A (en) | 1992-12-18 |
Family
ID=15855028
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3167726A Pending JPH04366703A (en) | 1991-06-12 | 1991-06-12 | Optical displacement measurement method and device |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH04366703A (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0614067A1 (en) * | 1993-03-05 | 1994-09-07 | JENOPTIK GmbH | Phase modulation interferometer |
-
1991
- 1991-06-12 JP JP3167726A patent/JPH04366703A/en active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0614067A1 (en) * | 1993-03-05 | 1994-09-07 | JENOPTIK GmbH | Phase modulation interferometer |
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