JPH04366703A - 変位の光学的測定方法及び装置 - Google Patents
変位の光学的測定方法及び装置Info
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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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- Japan
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- light
- phase
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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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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
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
【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
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
【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
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
【数
3】 cos( 2π/λ(s1+2s2))・cos(A
sin ωt)−sin(2π/λ(s1+2s2))
・sin(A sin ωt) ただし
3】 cos( 2π/λ(s1+2s2))・cos(A
sin ωt)−sin(2π/λ(s1+2s2))
・sin(A sin ωt) ただし
【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
nωt)はベッセル関数Jn,n=0,1,・・・を用
いて
【数5】
と展開できる。これを[数3]へ代入すると
【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
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
【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。
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。
【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。
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。
【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
。
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
。
【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
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
【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
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
【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。
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。
【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。
、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。
【図1】本発明の一実施例を示す装置の構成図である。
【図2】図1の実施例の移相器の断面図である。
【図3】図1の実施例の動作原理の説明図である。
【図4】本発明の他の実施例を示す装置の構成図である
。
。
【図5】従来の移相器の構成を示す図である。
【図6】本発明の移相器の構成を示す図である。
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
Claims (10)
- 【請求項1】 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。 - 【請求項2】 前記移相手段は、前記コヒーレント光
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。 - 【請求項3】 前記移相手段は、同一の長さの2本の
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
。 - 【請求項4】 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。 - 【請求項5】 前記移相手段から出力された参照光お
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。 - 【請求項6】 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。 - 【請求項7】 前記移相手段は、前記コヒーレント光
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。 - 【請求項8】 前記移相手段は、同一の長さの2本の
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
。 - 【請求項9】 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。 - 【請求項10】 前記移相手段から出力された参照光
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。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3167726A JPH04366703A (ja) | 1991-06-12 | 1991-06-12 | 変位の光学的測定方法及び装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3167726A JPH04366703A (ja) | 1991-06-12 | 1991-06-12 | 変位の光学的測定方法及び装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04366703A true JPH04366703A (ja) | 1992-12-18 |
Family
ID=15855028
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3167726A Pending JPH04366703A (ja) | 1991-06-12 | 1991-06-12 | 変位の光学的測定方法及び装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH04366703A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0614067A1 (de) * | 1993-03-05 | 1994-09-07 | JENOPTIK GmbH | Phasenmoduliertes Interferometer |
-
1991
- 1991-06-12 JP JP3167726A patent/JPH04366703A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0614067A1 (de) * | 1993-03-05 | 1994-09-07 | JENOPTIK GmbH | Phasenmoduliertes Interferometer |
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