JPH07500909A - 計測装置 - Google Patents

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。

Description

【発明の詳細な説明】

計測装置 この発明は、光学的な測定装置に係り、特に、入力レーザビームのどのような偏 光方向であっても、また、コヒーレントな光源であっても、正確な長さ測定に用 いることができる２方向フリンジ結合２ビーム干渉システムに関する。２方向性 の電気的なカウントに要求される２つの電気的位相波形信号が２つのの干渉計出 力として光検出器から得られる。ビームスプリッタの被覆のための薄い金属フィ ルムが直交し、また、平行な偏向成分のいずれに対しても必要な９０°の位相差 を与えている。電気的なアライメント及び制御が出力部から生ずる信号を連続し てモニタするシステムによって実行される。これが補正を信号増幅システムにフ ィードバックして正確に９０°の位相差で、しかも等しい振幅及び０オフセツト で出力を維持することができる。 電子的調整の全ておよび光学的アライメントを減じた技術を採用した干渉計は、 自動的に電子システムで制御される。 これらの装置は、装置を製造するために経済的であり、光路における変化のｎＪ 定ではナノメータの解像度を達成するに実際的であり、容易である。 バンド幅が狭く、強いコリメートビームを用いる１９６０年代初期における６３ ３ナノメートルのヘリウム−ネオンレーザの開発が刺激となって、干渉計による 長さ測定が精密なｎｊ定の為の最も広く実際的な技術の・一つとなりつつある。 この測定は、マイクロメータよりも小さい範囲の長さがら数十メータの距離まで の測定に用いることができる。１０の９乗分の−に近付くほど高精度にするため に、レーザ光源は、周波数が安定していなければならなず、また、参照用のレー ザとの比較によって／ｆＪｊ定されなければならない。ここで、測定が自然な大 気中でなされる場合には、空気の屈折率に対する放射線の波長を連続的に補正さ れなければならない。高い測定精度が要求される短い距離では、光学的なフリン ジの一部分を解析する必要がある。このような応用分野では、不所望な反射及び 偏光効果がフリンジの歪を引き起こし、電子信号の忠実度に限界を生じさせるに つれて、不所望な反射及び偏光効果が基本的な解像度限界となる。 慎重な光学系の設計によって、不所望な反射の効果を許容できるレベルまで減少 させることができ、また、以下に示す方法によって偏光に不感知であり、達成さ れるべき分割したフリンジ計数の精度を上げることができる干渉計装置を提供で きる。 この発明の実施例に関連する２ビーム干渉計装置は、干渉計の２つの光学出力か ら計測信号を発生する。それぞれの信号の位相差は、ビームスプリッタコーティ ングのための薄層金属フィルム装置を利用することで発生される２方向カウント およびフリンジディビジョンのためにおおむね９０″必要である。このことは、 通常のほかの多くの絶縁性フィルムによるビームスプリッタ装置および位相遅ら せ板が１つの光学出力の２つの直交偏光ビーム成分の間の位相差を取り扱うこと と対比される。この装置は、偏光性の方法を利用することにより、装置の全ての 成分のアライメントおよびコストを除去できる。このことは、ヘトロダイン干渉 長さ計数装置に見られる偏光のリークにともなう円環エラーに対しても不感知で ある。 干渉により長さを計測する装置は、マイケルソン［の干渉計コを双ｓとして設計 きれ、光の波長を単位として変位を計測する。この発明の装置は、アライメント が容易で、コーナーキューブ再帰反射装置をともなった公知の平面ミラーの移動 ［位置を変えること］による反射装置の傾きの影響を受けない。このことは、戻 りビームのオフセットおよびレーザ室に直接反射される放射により生じるレーザ の非安定性［の影響］を阻止できる。１つのコーナーキューブは、干渉ビームス プリッタに固定され、ほかの１つは、計測対象のワークピースに配置される。 ２方向の計数の方法は、移動反射装置の変位により再現されるフリンジカウント により生じる沈み込みあるいは変化のための自動的な補正に利用される。２方向 カウンタの能力のために、一定の平均ＤＣレベルおよび直角位相である干渉計の 光路差に関連した脈動成分がめられる。カウンタ装置のロジックは、平均レベル から通過された信号が生じる時間のそれぞれに対応してセットされる。残念なこ とに、ＤＣ成分は、変位量である。たとえば、その大きさは、光源の強度に依存 する。容量結合によりＤＣ成分を除去すると平均信号のレベルは常に０となるが 、脈動成分の周波数が極めて低いときには機能しないので、実際には、０のため のコーナーキューブプリズムが付加される。 干渉計信号の変調のいくつかの形態の利用あるいは平均信号から検出器信号およ び変調の必要な信号を除去する電気的引き算により平均信号レベルを０ボルトに することのいづれかが共通である。しかしながら、この方法を用いた装置では、 位相遅らせ板により２つの直交する偏光成分から信号間の位相差を９０’にする 偏光の利用が重要である。この結果、干渉計装置の光学成分の偏光性のアジマス と放射光源とから要求されるアライメントの重要性により、総コストが増大され る。 我々は、曲りくねった光路長の２つの信号を発生する光学式計測装置を考案した 。半透過の金属フィルムを用いた干渉ビームスプリッタ装置を利用することによ り位相差を９０゜にできる。このことは、装置の偏光性のアジマスのためのアラ イメント構造を完全に取り除くことができるとともに、干渉計に要求される１つ のビームスプリッタおよび２つの再帰反射装置を削減できる。電気的アライメン トおよび制御は、装置の性能を高めるために、２つの信号を連続して解析および 変形するマイクロプロセッサにより、自動的に達成される。 カウンタ、より詳細には、この発明の干渉計が利用されている計ａｊ装置に利用 される電気的制御装置は、計数のレートが変化するときの位置を取り出し、特性 の変化を検出する。 この発明によれば、透過成分ビームと反射ビーム成分との間に位相差を生じさせ るための部分的に反射する金属フィルムを有するビームスプリッタ手段を含む干 渉計手段からなる光学式計測装置が提供される。 この発明によれば、さらに、カウントレートが所定のスレショルド量より小さく なった時点でフリンジ計数手段をＡＣ結合からＤＣ結合に切り換える切り換え手 段を含む２方向フリンジ計数手段が組み込まれている光学式計測装置が提供され る。 以下、図面を参照して、この発明の詳細な説明する。図１は、くさび型の補正板 を有するマイケルソン干渉計を概略的に示す図、図２は、図１の干渉計の補正板 の組成を示す概略図、図３は、この発明の特別な実施例に関連した干渉計を示す 概略図、図４は、図３の実施例の光検出器を示す詳細図、図５８ないし図８ｂ及 び図１０ａおよび１０ｂは、フリンジの相対位相を示すグラフ、図９は、ビーム スプリッタの配置を示す概略図、図１１及び１２は、信号計数電子装置のブロッ クダイアグラム、図１３ａおよび１３ｂは、ガス干渉計の光学配置を示す断面図 、図１４ないし１６は、ヘリウム−ネオンレーザの出力を示す［ゲラフコ、図１ ７は、図４の実施例の変形例を示す図、図１８は、図１７の実施例の発展型を示 す図、図１９は、図１８の装置の発展型を示す図、図２０は、図１９の装置の例 を示す図、及び、図２１は、図２０の装置の詳細図。 ナノメートルクラスの感度を伴う分解能における精密な長さの測定およびＮＦＬ サブナノミクロン干渉計に利用されているものと実質的に等しい光学配列の装置 の利用の改善のために、我々の出願、第９０１９６４８．８号がある。従来の干 渉計は、部分的な反射コーティング４を自身の一方の面に有する干渉ビームスプ リッタ２からなる。入射レーザビーム６は、ビームスプリッタ２の第１の面８で 参照ビーム１０と計測ビーム１２に分割される。この２つに分割されたビームは 、再帰反射装置１４および１６に向けられ、帰路上のビームスプリッタによって 、２つの干渉像１８および２０を形成する［２つに分割される］。ブラック［背 面］から僅かにくさび型に形成された補正板２２は、計測ビームの光路に配置さ れる。 補正板の組成が図２に示されている。僅かにくさび型のビームスプリッタ２４は 、２つの等しいパーツ２６および２８に分割されるので、必要な大きさの２倍形 成される。パーツは、図１に示されるように、透過ビームに生じる偏向および変 位を補正するよう互いに案内される［方向性（図２において＊によって示されて いる端部の配置に注意］。実際の配列では、干渉計ブロック３２から離れた位置 で、図３に示されているような近接した検出器３４および３６を用いて双方の干 渉像の試験を可能にするために、反射板３０が利用されている。検出器［それぞ れ］は、レンズ３８とフォトダイオード４０により構成される　（図４）。 利用されている干渉ビームスプリッタコーティング装置は、支持体上の４ナノメ ートル厚のクロム、そのうえにコートされた１６ナノメードル厚の金のフィルム およびさらに付加された５ナノメートル厚のクロムフィルムからなる３層金属フ ィルム体である。このコーティング装置は、一般的な蒸着法およびモニタ技巧に より容易に製造可能であって、また、直角位相の位相である干渉計［の出力］か ら平行および直交の双方の偏光成分に対して±１０°の２つの信号を発生する。 フォトダイオードの出力に接続されているマイクロプロセッサは、位相および振 幅の変化を自動的に補正するとともに、補助的な装置のために有益な偏光の状態 を許容する。 ２つのビームの干渉による１つの周波数のための基礎となる等式は、 Ｉ　ｍ　ａ１２＋ａ２２＋２ａｌａ２ｃｏｓδただし、■は強度、ａは振幅、δ は、Ｐを光路長およびλを波長とする時にδ−２π　（ｐ＋　Ｐ２）／λにより 与えられる光学位相の差、 によって表される。 この等式は、ピークからピークまでの振幅が強度レベルがａｌ　２＋ａ２２で、 ４ａｌ　ａ２の光路長差の脈動変化が重畳されていることを示している。２方向 性電気カウンタは、カウントの方向を規定するために、緩やかな直角位相の位相 と光路長の双方によって脈動的に変化する２つの電気信号を必要とする。 カウントと方向検知のためのロジック回路を動作するために、これらの信号は、 シュミットトリガ回路を介してカウンタ入力に流入される。信頼性が高く、ノイ ズがなく、動作の速度の高い最良の検出は、脈動信号がトリガレベルに対して対 称形であるとき、すなわち、信号の強度レベルが直交するときに達成される。不 都合なことにこのＤＣレベルは変動する。たとえば、そのレベルは、光源の強度 あるいは光路の伝達能力に依存する。異なる条件の下における干渉計からのフリ ンジカウント信号が図６および７に示されている。図５ａおよび６ａは、正規化 されたコントラストを示し、図５ｂおよび５ｃは、減少されたあるいは強度ロス によりさらに減少された例を、図６ｂおよび６Ｃは、ある干渉強度により１／２ または１／４にそれぞれ減少された例を示している。 平均信号レベルは、容量結合により、０ボルトに維持される。しかしながら、こ の方法は、脈動成分のスレショルド周波数が確実な場合にのみ利用できる。我々 は、干渉計の光路長が変化した時のＤＣレベルを自動的にかつ連続的に調整でき 、アナログ装置内で利用可能なマイクロプロセッサ装置を考案した。このマイク ロプロセッサ装置は、ある量と信号周波数を調整可能なスレショルドレベル以下 に維持できる。 平均信号レベルが一定値に維持される場合、強度、波面および干渉ビームの直径 、あるいは、各ビームの重なり合わな−いことなどによるミスマッチンングが生 じ、装置内では不完全な干渉となり、コントラストが減少する。従って、光路長 信号の振幅の連続的な減少が生じる。しかしながら、ＤＣレベルは変化しないの で、フリンジカウント信号および割り算回路の最適な性能が発揮される。その一 方で、必要なりＣレベルを“記憶”することは、光源の強度の変化まで保証でき ないので、ナノメートルまたは同等の分解能のときの正確な光路長計測には、干 渉ビームを分析する注意が必要である。 計測のための装置の周期的な利用、たとえば、再帰反射装置を配置することによ り強度変化を補正して装置自身をキャリブレーションすることができる。マルチ モードあるいは周波数制御されたベリラム−ネオンレーザは、一般に、２％以下 で変動する。２％の変化は、“最悪の場合”１．３ナノメートルの光路長の計測 誤差を生じさせる。 理想的な直角位相の逆転端を計数する出力が図８ａに示されている。しかしなが ら、実際には、図８ｂに示されるように、マイケルソン干渉計の２つの干渉像は 、異なる強度、異なるコントラスト深度、および、完全とはいえない直角位相を 有する。コントラスト深度すなわち干渉強度の差からの結果は、干渉ビームスプ リッタの光学特性によって制御される。 上述した３層金クロムフィルム装置は、表１に示されるような反射率および透過 量を有し、直交および平行な偏光成分のそれぞれによる２つの干渉像の間に、９ ０°±１０°の位相差を提供する。強度量から、２つの干渉像が非整合状態とな るための干渉強度および２つの干渉像の強度レベルが異なることが理解される。 表１ 偏光成分　ｐ　ｓ 反射率Ｒ５２５３０ ＲＡ　３０　５２ 透過量Ｔ　３０　１６ Ｒ５２６，３％　９％ Ｔ２　９％　２．６％ ηトラスト深度　８４％　５４％ Ｒ，Ｔ　７．５　％　４．　８％ ＴＲＡ　９％　８．　３％ コントラスト深度　９１％　７６％ Ｒ５は、支持体とフィルムの界面の反射率、Ｒ＾は、空気と支持体の界面の反射 率。 加えて、光路長信号が所定のスレショルドレベルの周波数以下になった各時点で 発生されるレベルごとに平均信号レベルに維持するために、マイクロプロセッサ は、各時間の点で信号を分析する。各信号間の位相差、それぞれのＤＣレベルお よびＡＣ光路長信号の振幅もまた計算され、さらに、正確なフリンジディビジョ ンを規定するためのｔａｎ−’関数が利用される前に、“理想的な信号”を提供 するための補正が加えられる。 図８ｂに示されているような品質に乏しい信号は、図１゜ａに示されているよう に共通ＤＣレベルに補正され、さらに、図１０ｂに示されているように、直角位 相の位相に補正される。 正確なフリンジ分割の達成のために、一方のＡＣ光路長信号と光路長信号の振幅 の比かがけ算（図１０に示されているａ４×ａ３／ａ４）されて、ｔ　ａ　ｎ− ’関数カラ、（ｉ号（７）ＤＣレベルが正規化される。 この比率と、位相およびＤＣレベル補正値が一体に“記憶”される技法により、 干渉計に再帰反射装置が固定されることにより生じる強度の変化によるコントラ ストの変化以外のコントラストの変化では、ハイレベルになるよう装置が維持さ れる。 干渉計装置が切換えられたとき、マイクロプロセッサは、装置のアライメントお よび初期キャリブレーションのための長さ信号を必要とする。このプロセスは、 干渉ビームスプリッタの製造上の許容誤差とこの光学素子の補助的な非反射コー ティングに起因する光学特性に関する変化を自動的に補正する。 逆転端を計数する装置に共通することは、計数信号のランダムノイズにより発生 されるフラッシュカウントから守るためにカウント入力に利用されているシュミ ットトリガ回路内に、“バッターラッシュ”が流入されることである。マイクロ プロセッサは、フリンジカウントとフリンジ分割プロセスとそれらが補正可能に 同期されていることを監視し、さらに、装置の能力を連続的かつ自動的にチェッ クする。たとえば、一方のビームが不明瞭になることによるコントラストのロス が生じた場合、報知するためにアラームをならす。 上記長さを計測するための干渉計装置は、干渉計の計測方向をともなう装置の計 測点の入射（アツベエラー）と、計測ステージの機械軸と装置の光軸との間の平 行度（コサインエラー）の２つの、この種の装置の特有の、動作に要求される光 学アライメントを低減する。 電気的アライメントは、正確なフリンジカウントとディビジョンの双方の点で、 装置から高い能力をめるために、２つの干渉計信号を連続的かつ自動的に処理す るマイクロプロセッサにより総合的に制御される。 干渉計は、２つの規約により効果的に動作する。もし、光路長信号が高カウント レートで急速に変化するとき、たとえば、１０メガヘルツ以上で動作するとき、 装置は、ＡＣで結合される。逆に、光路長信号の周波数がディジタル化および数 学的な分析に対して十分に低いとき、マイクロプロセッサは、位相補正量および 信号レベル補正量をキャリブレーションし、その電圧値を調整することにより信 号を正規化するための周波数スレショルドを提供する。この方法は、再帰反射装 置が配置されることにより、周波数の低下がＯになることで、正確なフリンジ分 割を達成する。 マイクロプロセッサは、計測の結果に加えて、信号条件のデータの記録およびモ ニタにも利用される。 図１１および１２は、カウント信号の正規化および８ビッ−トシフトレジスタに よるゲインおよび電圧コントロールの概略を示すブロックダイアグラムである。 図３および１３に示されているナノメートル干渉計と干渉ガス屈折率計に利用さ れているビームスプリッタコーティング装置は、支持体上の４ナノメートル厚の クロム、そのうえにコートされた１６ナノメードル厚の金のフィルムおよびさら に付加された５ナノメートル厚のクロムフィルムからなる３層金属フィルム体で ある。このコーティング装置は、蒸着法およびモニタ技巧により容易に製造可能 であって、また、直角位相の位相である干渉計［の出力コから平行および直交の 双方の偏光成分に対して±１０°の２つの信号を発生する。 後述する電気的装置は、残存位相と振幅変動を自動的に補正し、偏光の状態の影 響を受けない状態に維持できるので、正確なナノメートル単位の分解能が達成さ れる。 この発明の好適な実施例が利用されるガス屈折率計は、図１３に示されているジ ャミン［Ｊａｍｉｎ］型ビームスプリッタブロック１３１が利用される。この提 案における前面ビームスブリット面１３３は、半透過材料１３５および１３７が 部分的に塗布されている。また、背面ビームスブリット面１３９は、全面反射コ ーティング１４１あるいは強度基準が必要とされる場合の部分的に透過可能な反 射装置１４Ｂのいづれかが配置される。干渉ビームの光路は、窓１４４および１ ４６を介して、ガス入り口１５１および１５３及びガス出口１５５および１５７ を有するガス室の外側通路１４５および内側通路１４７を通過される。 図４および１３に示されているマイケルソン型およびジャミン型のそれぞれの装 置は、平面ミラーの変位を計測するためにも利用できる。これらの装置は、ハイ ブリッド再帰反射装置を組み合わせることにより、ミラーの傾きに影響されない 装置として利用できる。このことは、コーナーキューブ再帰反射装置あるいは偏 光ビームスプリッタとλ／４板を平面ミラーの間に挿入することで達成される。 偏光の技巧は、この組み合わせが組み合わせ反射装置の結合効率を向上させるこ とおよび直角位相の調整の影響を受けないことを含む。偏光成分のアライメント に乏しい場合、電気的装置により自動的に補正されるが、コントラストの低下が 生じる。 上述した形態の２つのビームの干渉計は、２つの検出器から１１およびＩ２が出 力され、 Ｉ、−（ａ＋’＋８２’） ＋２ａ、ａ２　ｃｏｓ　（２πＬ／λ）　−（１）Ｉ２　−　（ｂ＋　’　十ｂ ２　’　）＋２ｂ、ｂ２ｃｏｓ　（２πＬ／λ＋φ）−（２）ただし、ａｌおよ びａ２は、再び結合されたビームの２つの成分の振幅（検出器１に到達）、ｂｌ およびｂ２は、検出器２に到達された同様の振幅、 によりめられる。それぞれの信号の変化は、任意の位置に移動されている移動反 射装置の距離りのコサイン関数である。 位相差φは、金属ビームスプリッタコーティング装置の特性により決まる。 距離りの量を規定するためには、これらの信号から一定量である（ａ＋　”　＋ ａ２’　）および（ｂ＋　”　十ｂ２”　）すなわちビームスプリッタの反射／ 透過特性に依存するとともに、光源の強度に比例する量を引き算すればよい。こ の電気装置によるこの信号のゲインは、脈動信号の振幅（ａｌ＋ａ２＋ｂ１およ びｂ２で示されている）を等値化（または正規化）することで調整される。また 、位相φを９０６とすれば、１、　−　ｃｏｓ　（２πＬ／λ） １２−　５ｉｎ（２πＬ／λ’）　−（３）となる。ここで、距離りは、強度環 （λ／２ごとに増大される）のトラックの数を計数する２方向性計数装置とアナ ログ回路とによりｔａｎ””関数によりめられる。 多くの場合、固定された信号（操作者が調整可能）からＤＣ成分を引き算するこ とでめられる。が、しかし、光源の強度あるいは光路の伝達効率の調整のための 再調整が必要になることがある。一般には、自動調整装置により調整される。 この装置では、この調整は、すべての移動が光路差を生じるようプリセット　［ 所定の］レートより遠方に位置している間に実行される。カウントレートがプリ セットレートに一致したとき、引き算電圧は、平均サイン波形信号を０ボルトに 近づけるために、個々に、僅かな増分で調整される。カウントレートがプリセッ トレートより小さくなったとき、各調整は、停止される。引き算電圧の変更は、 ディジタル−アナログ変換装置として利用される種類のラダーレジスタネットワ ーク装置により正規の間隔で、実行される。複数のセツティングは、クロックに よって増分されるアップダウンカウンタにより“記憶され″かっ切り換えられる 。同様の配列は、信号の脈動振幅の正規化にも利用される。この場合、ラダーレ ジスタネットワークは、　［信号のコゲインを変化させるために、振幅の帰還量 を切り換える。２つの信号の間の位相差は、同様に、信号のミキシングを相互に 入れ換えることにより、調整される。 しかしながら、“記憶”の方法は、Ｌの変化のレートががプリセットレートより 小さくなった場合に、光源の強度の変化まで保証できないので、ナノメートルま たは同等の分解能のときの正確な光路長計測には、干渉ビームを分析する注意が 必要である。２％の強度変化は、“最悪の場合”　１．　３ナノメートルの光路 長の計測誤差を生じさせる。周波数および強度が安定化された［５ｔａｂｉｌｉ ｓｅｄ、スタビライズド］レーザは、短周期ではあるがパワー出力変動は０．１ ％以下であって、安定化されていない［ｕｎｓｔａｂｉｌｉｓｅｄ］マルチモー ドレーザ［の出力変動］は２％以下である。 動作において、装置のすべての可変項をセットするために、以下なる計測に際し ても、“予備設定”が必要である。この点において、光学アライメントが所定の 範囲内にあること、信号レベルおよびコントラストが正規の値であることのテス トされる。さらに、計測のあいだじゆう調整量が最小になるよう要求され、また 、重要な離脱が監視されたときには一方のビームの暗減化あるいは入射される不 明確な計測条件などの他の光学要因のチェックが必要となる。 テストは、コンピュータ装置をともなったマイケルソン干渉計の２つの出力電圧 のモニタによって既に確認されている装置の性能のためにある。ゆっくりとした 移動において、信号１１および１２　（数式１および２）が、さまざまなしの量 を示すディジタル電圧計により読み出される。そののち、ＤＣおよびＡＣレベル 及び位相量が最小自乗法［１ｅａｓｔｓｑｕｅｒｅｓ　ｆ　ｉ　ｔ］によりめら れる。これらの計測値のエラーは、それぞれの数値に関して１％より小さく、対 応する周期的エラーは、１ナノメートル以下になる。装置の分解能は、研究室の 環境において、６ミリワツト偏光非安定化レーザと数センチメートルの光路に関 し、０．１ナノメートル（この装置により達成可能な例外的な数値）である。 最も精度のよいものは、周波数が安定化されたシングル−モードのレーザが利用 された長さ計測用干渉計である。ところで、最高の性能を有する周波数が安定化 された基準ヨウ素レーザか常に利用される必要はない。そのようなレーザは、１ ×１０−１′の安定度とＩＸ］、０−９の真空波長のための絶対周波数精度を有 している。一般的な、周波数が安定化されたゼーマンレーザあるいは［スタビラ イズトコ強度平衡ヘリウム−ネオンレーザは、ｌＸｌ０−８ないしｌＸｌ０−７ の間の精度を有する。一方、マルチモード非安定化レーザがこの発明の装置に利 用された場合には、光路差の変化量は数センチメートル以下となるが、コストと 信頼性に優れている。たとえば、図１４に示されている６ミリワツト偏光マルチ モード非安定化レーザの強度は、ウオームアツプ時間が３０分を経過すると非常 に安定である。図１５および１６は、上記レーザの２つの試料のモード強度を示 している。［図１５および１６は、］相相対変および３つのモードの周波数を“ スナップショット”状に同時に示したもので、パワー変動の周辺部では、ドツプ ラー広がり　［ｄｏｐｐｌｅｒ−ｂｒｏａｄｅｎｅｄ］が見られる。３つのモー ドは、相互にセパレーションを維持する一方で、レーザが輪郭線によって示され るパワーによりλ／２だけ広がるごとに、１モードセパレーシヨンだけ周波数軸 を越える。上記レーザの“有効“周波数は、３つのグラフの指示によりめられる ３つのモードにより重み付けされ、周辺部の内側のすべてのモード位置でＩＸ］ 、０−７以下で変動される。 非偏光レーザについては、ビームスプリッタによる位相シフトが偏光面に関して 非感知であるから推奨できないが、非偏光レーザは、（たとえば、熱変化をとも なって）有効偏光状態を変化できるので電気的に完全な“記憶“を、瞬時に、不 完全なものにできる。 電気的装置は、連続的かつ自動的に、フリンジカウントおよびディビジョンの双 方から、２つの干渉計信号のハイレベルを決めるための処理をする。 装置は、３つの規約に従って動作する。もし、光路長信号が高カウントレートで 急速に変化するとき、たとえば、１０メガヘルツ以上で動作するとき、装置は、 ＡＣで結合される。 低い周波数においては、位相および信号レベル補正のそれぞれは、逆転可能なフ リンジカウント信号の正規化により提供される。信号周波数が所定のスレショル ドレベルより小さくなったとき、信号レベル補正は、記憶およびそれぞれの量で の維持による。この方法は、再帰反射装置が配置されたときに、周波数が０にな るまで正確なフリンジディビジョンを可能にする。 図１７は、図４の実施例の変形例を示し、ＺＺ′方向の変位の計数のために平面 ミラー１７１が利用されている。独立なミラーチルトを提供するために、偏光ビ ームスプリッタ１７３およびλ／４板１７５が導入されている。 感度は、ミラーの二重光路により高められている。 空気屈折率計の実効性は、再帰反射装置の共通通路を利用したジャミン型干渉計 が優れている。図１８は、遅延／差動平面ミラー干渉計を形作る図１３の実施例 の変形例であって、多重平面ミラーアダプター１８］が反射装置１６の位置に配 置されたものを示している。 図１９の配置は、図１８の実際例Ｏを示すもので、多重ミラー１８１が分割され 、それぞれのミラー１９１および１９３が対応する再帰反射装置１９５および１ ９７を有する。 図１９の配列の実際は、たとえば、選択式顕微鏡などのプローブキャリアに利用 される２次元位置計数装置である。 レーザビーム２０１は、ビームスプリッタ２０３によりＸ計数のためのおよびＹ 計数のための２つの成分ビーム２０５および２０７に分割される。第１の成分ビ ーム２０５は、第１のジャミン型ビームスプリッタ２０９を通過し、再帰反射装 置２１１と偏光ビームスプリッタ２１３とλ／４板２１５の組からプローブキャ リア２２１のミラー２１７および２１９および支持体ステージ２２３に到達する 。戻りビームの計数は、干渉像検知器２２５および強度基準検知器２２７による 。直交関係にある計測は、第２の成分ビーム２０７が、ミラー２２９および２３ １から第２のジャミン型ビームスプリッタ２３３に反射され、さらに、再帰反射 装置２３５と偏光ビームスプリッタ２３７とλ／４板２３９の組と、プローブキ ャリアおよび支持体ステージ上のミラー２４１および２４３による。戻りビーム の計数は、干渉像検出器２４５および強度基準検出器２４７による。 図２１は、装置の等角図であって、プローブホルダ２４９と平面器［ｚｅｒｏｄ ｕｒｌすなわち僅かに高価な材質により形成されたミラーアーム２５１および２ ５３を示して〜する。 装置Ｏは、５０ミリメートルを越える計Ｍｊ範囲を有し、大気中において、２５ ミリメートルに対し１ナノメートルの誤差である。このことは、非安定化レーザ たとえば５０ミリメートル以上のレンジのダイオードレーザの利用を可能とする 。 実施例では、直角位相のためのコーティングとして金とクロムのフィルムを利用 したが、必要とされる位相の遅れに応じてたとえばアルミニュームのような別の 金属フィルムか利用されてもよい。

【図１１ 【図２］ 【図３】 （図４１ ［図５１ ｃ図７】

【図８１ （図９１ ｃ図１０３ 【図１１１ 【図１２１ （図１３１ ［図１４１ 時間（分） ［図１５１ ［図１６１ 【図１７１ 【図１８］ に目１９】 ［図２０１ 、　ミー拍出　ヮ 【図２１１ フロントページの続き （８１）指定国　ＥＰ（ＡＴ、ＢＥ、ＣＨ，ＤＥ。 ＤＫ、ＥＳ、ＦＲ，ＧＢ、ＧＲ，ＩＥ、ＩＴ、ＬＵ、ＭＣ，ＮＬ、ＳＥ）、ＪＰ 、　ＵＳ

Claims (21)

【特許請求の範囲】
1. １．透過成分ビームと反射ビーム成分との間に位相差を生じさせるための部分的 に反射する金属フィルムを有するビームスプリッタ手段を含む干渉計手段からな る光学式計測装置。
2. ２．前記金属フィルムは、実質的に９０°の位相差を生じさせる請求項１記載の 光学式計測装置。
3. ３．前記金属フィルムは、支持体上の４ナノメートル厚のクロム、そのうえにコ ートされた１６ナノメートル厚の金のフィルムおよびさらに付加された５ナノメ ートル厚のクロムフィルムからなる３層積層フィルムである請求項２記載の光学 式計測装置。
4. ４．前記金属フィルムは、アルミニュームの層からなる請求項２記載の光学式計 測装置。
5. ５．干渉像を離れたところで検査可能にするための反射手段３０を含む請求項１ 記載の光学式計測装置。
6. ６．前面１３３が部分的に半透過な金属フィルム１３５および１３７が塗布され たジャミン型ビームスプリッタブロック１３１を含むガス屈折率計からなる請求 項５記載の光学式計測装置。
7. ７．背面１３９は全反射コーティングを有する請求項６記載の光学式計測装置。
8. ８．背面１３９は部分反射コーティングを有する請求項６記載の光学式計測装置 。
9. ９．偏光レーザ放射光源を含む請求項１記載の光学式計測装置。
10. １０．スタビライズドゼーマンレーザ光源を含む請求項９記載の光学式計測装置 。
11. １１．強度平衡スタビライズドヘリウムーネオンレーザ光源を含む請求項９記載 の光学式計測装置。
12. １２．マルチモード非安定化レーザ光源を含む請求項９記載の光学式計測装置。
13. １３．再帰反射装置を有する移動可能な平面ミラー手段１７１と偏光ビームスプ リッタ手段１７３と上記平面ミラー手段の傾きの感度を低減する位相遅らせ板手 段１７５を含む請求項１記載の光学式計測装置。
14. １４．多重平面ミラー手段１８１を含む請求項１３記載の光学式計測装置。
15. １５．多重ミラー１８１は分割され、それぞれのミラー１９１および１９３は、 それぞれに対応する再帰反射装置１９５および１９７を有する請求項１４記載の 光学式計測装置。
16. １６．レーザビーム光源手段２０１、レーザビームを２つの成分ビーム２０５お よび２０７に分割するビームスプリッタ手段２０３、第１のジャミン型ビームス プリッタ２０９、搬送手段２２１および基準手段２２３上に配置された第１およ び第２のミラー手段２１７および２１９、および、光学フリンジを検知する光電 計数手段２２５からなる２次元位置計測装置。
17. １７．カウントレートが所定のスレショルド量より小さくなった時点でフリンジ 計数手段をＡＣ結合からＤＣ結合に切り換える切り換え手段を含む２方向フリン ジ計数手段が組み込まれている光学式計測装置。
18. １８．フリンジ計数信号が所定のスレショルド周波数より小さくなる各点におい て信号レベルを収容する収容手段、および、上記各点で信号を解析するマイクロ プロセッサを含む請求項１７記載の光学式計測装置。
19. １９．計数および方向検知のためのロジック回路の動作は、上記信号がシュミッ トトリガ回路を介してカウンタ入力に供給される［ことによる］請求項１７記載 の光学式計測装置。
20. ２０．脈動信号がトリガレベルに対して対称形に配置されるとき信号の強度レベ ルが直角にセットされる請求項１９記載の光学式計測装置。
21. ２１．フリンジ計数信号間の位相差を求める回路手段、及び、ＤＣレベルとＡＣ 光路長信号の振幅に、正確なフリンジディビジョンを規定するためにそれ以前に 利用されたｔａｎ−１関数の信号の補正を提供する回路手段を含む請求項１７記 載の光学式計測装置。