JPH0843014A

JPH0843014A - 干渉計

Info

Publication number: JPH0843014A
Application number: JP6175841A
Authority: JP
Inventors: Masashi Sueyoshi; 正史末吉
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1994-07-27
Filing date: 1994-07-27
Publication date: 1996-02-16

Abstract

(57)【要約】【目的】平面移動鏡の傾きに対して、干渉信号の減少が
少ない干渉計を提供する。【構成】光線を供給する光源と、前記光線を参照光と測
定光とに分割する光分割手段と、前記参照光を反射する
参照光反射手段と、前記測定光を反射する測定光反射手
段と、前記参照光反射手段からの前記参照光と前記測定
光反射手段からの前記測定光との干渉光を受光する光電
変換手段と、を有し、該光電変換手段からの信号に基づ
いて前記測定光反射手段の相対的な変位を検出する干渉
計において、前記測定光反射手段に入射する光線と該入
射光線が前記測定光反射手段によって反射する光線とを
含む平面に沿った方向での前記測定光の径を小さくする
ビーム径整形手段を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザ干渉計等の干渉
計に関し、特に精密測定器のステージの移動量を高精度
に計測するために使用して好適なものに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の干渉計は、図３に示される構成で
あった。但し、ここで、レーザ光源部から光が射出され
る方向をｘ軸方向とし、ｘ軸方向と垂直で且つ図３
（ａ）において紙面上下方向となる方向をｙ軸方向と
し、ｘ軸方向とｙ軸方向と両方に垂直な方向をｚ軸方向
とする。更に、図３（ａ）は、干渉計の上面図であり、
図３（ｂ）は、干渉計を図３（ａ）の紙面下方から見た
干渉計の側面図である。

【０００３】レーザ光源部１から射出されたレーザ光線
は、大きさの異なる２つの直角プリズム１３及び１４か
らなる偏光ビームスプリッタ１２の偏光分離面１２ａに
入射し、測定光となるＰ偏光の成分はｘ軸方向に透過さ
れ、参照光となるＳ偏光の成分はｙ軸方向に反射され
る。偏光分離面１２ａを透過したＰ偏光の成分は、ｘ軸
方向にそのまま直進し、１／４波長板５ａを透過し平面
移動鏡６に到達する。平面移動鏡６に到達したレーザ光
線は、元来た方向に反射され、再び１／４波長板５ａを
透過し、再び偏光ビームスプリッタ１２の偏光分離面１
２ａに入射する。このとき、レーザ光線の偏光面は、１
／４波長板５ａを２回透過しているので、Ｓ偏光となっ
ている。そのため、偏光分離面１２ａに再び入射したレ
ーザ光線は、偏光分離面１２ａでｙ軸方向に９０°反射
される。

【０００４】偏光分離面１２ａで反射されたレーザ光線
は、直角プリズム１４の反射面１２ｂでｘ軸方向に９０
°反射され、１／４波長板５ｂを透過し、平面移動鏡６
に再び到達する。但し、１／４波長板５ａを透過したと
きとは異なる場所である。平面移動鏡６に再び到達した
レーザ光線は、元来た方向に反射され、再び１／４波長
板５ｂを透過する。このとき、偏光面は、１／４波長板
５ｂを２回透過しているので、再びＰ偏光となってい
る。再びＰ偏光となったレーザ光線は、直角プリズム１
４の再び反射面１２ｂでｙ軸方向に９０°反射され、三
たび偏光分離面１２ａに入射しする。このとき、レーザ
光線の偏光面はＰ偏光となっているため、偏光分離面１
２ａを透過直進し、レシーバ９に入射する。

【０００５】一方、レーザ光源１から射出し参照光とな
るＳ偏光の成分は、偏光ビームスプリッタ１２の偏光分
離面１２ａに入射し、ｙ軸方向に９０°反射され、直接
レシーバ９に入射する。レシーバ９内では、上記２つの
レーザ光線は、偏光方向が揃えられ、干渉を起こす。こ
れによって得られた干渉信号より平面移動鏡６の変位が
得られる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、実際に平面
移動鏡６をｘ軸方向に水平移動させると、平面移動鏡６
は傾いたり微妙に振動したりする。ここで、もし、図５
に示すごとく、平面移動鏡６がｙ軸方向を回転軸として
傾くと、図４（ａ）に示すように、レシーバ９上での測
定光の波面ＷＭ１と参照光の波面ＷＲ１とに角度差θが
生じる。このように角度差θが生じると、上記干渉とは
異なる干渉が生じ、干渉信号の強度が低下する。一般的
に、この影響を小さくするためにはレーザビームの径を
小さくすると良いが、レーザビームの径を小さくする
と、平面移動鏡６の図３におけるｚ軸の回転に対する精
度が悪くなってしまう。また、レーザビームの径を小さ
くすると、干渉計を構成する各部品上のキズやゴミ等の
影響が大きくなってしまう。

【０００７】本発明は、以上のことに鑑み、平面移動鏡
の傾きに対して、干渉信号の減少が少ない干渉計を提供
するものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明では、光線を供給する光源と、前記光線を参
照光と測定光とに分割する光分割手段と、前記参照光を
反射する参照光反射手段と、前記測定光を反射する測定
光反射手段と、前記参照光反射手段からの前記参照光と
前記測定光反射手段からの前記測定光との干渉光を受光
する光電変換手段と、を有し、該光電変換手段からの信
号に基づいて前記測定光反射手段の相対的な変位を検出
する干渉計において、前記測定光反射手段に入射する光
線と該入射光線が前記測定光反射手段によって反射する
光線とを含む平面に沿った方向での前記測定光の径を小
さくするビーム径整形手段を設けたことを特徴とする干
渉計を提供する。

【０００９】更に、以下の条件を満足することが好まし
い。｜ｒ・ｓｉｎθ｜≦λ／２但し、ｒは、前記ビーム径整形手段により小さくされた
光線の半径であり、θは、前記測定光反射手段に入射す
る光線と該入射光線が前記測定光反射手段によって反射
する光線とがなす角であり、λは、波長である。

【００１０】

【作用】図４及び図７を参照しながら説明を行う。従来
の干渉計では、図４（ａ）に示すように、半径Ｒのレー
ザ光線で測定光の波面ＷＭ１と参照光の波面ＷＲ１とが
なす角θの傾きをもってレシーバに入射すると、レーザ
光線の中心に対して周辺ではφの位相差をもち干渉信号
が減少していた。

【００１１】しかし、例えば、図４（ｂ）に示されるよ
うに、レーザ光線の半径を前述の半分のＲ／２にする
と、測定光の波面ＷＭ２と参照光の波面ＷＲ２とがなす
角θの傾きは同じでも、周辺での位相差はφ／２にな
る。以上のことを参照光の波面の法線方向からみた図が
図７であり、図７を用いて更に説明する。図７（ａ）
は、従来の干渉計の場合で、レシーバの入射面上での波
面の重なり具合を示した図である。但し、ここでは、説
明を分かり易くするために、参照光の波面ＷＲ１の中心
と測定光の波面ＷＭ１の中心をずらしてある。従来の干
渉計では、図７（ａ）の斜線部に示されるように、参照
光と測定光とが干渉を起こす範囲が、これら参照光及び
測定光の円形断面の重なった部分となる。もし、ここ
で、測定光と参照光とに傾きが生じると、参照光及び測
定光の断面の重なった部分に相当する分だけ干渉信号が
減少していた。

【００１２】しかし、本発明により、測定光反射手段に
入射する光線と該入射光線が前記測定光反射手段によっ
て反射する光線とを含む平面に沿った方向での前記測定
光の径を小さくすることによって、図７（ｂ）に示され
るように、参照光及び測定光の断面の重なった部分が、
従来の干渉計の場合に比べて減少する。（但し、ここで
は、参照光の方も、測定光と同じ形状に光線の断面が整
形されている。）尚、ここでも、図７（ａ）と同様に参
照光の波面ＷＲ２の中心と測定光の波面ＷＭ２の中心を
ずらしてある。これにより、もし、測定光と参照光とに
傾きが生じても、従来のものより参照光及び測定光の断
面の重なった部分が少ないため、干渉信号の減少を低減
することが可能となる。

【００１３】また、上記では参照光及び測定光のそれぞ
れの光線の断面を整形したが、参照光或いは測定光のど
ちらか一方だけの光線の断面を整形しても、干渉信号の
減少を低減することが可能である。更に、本発明の効果
を最大限発揮するために、条件式（１）を満足するのが
好ましい。実際の測定光の波面と参照光の波面とがなす
角（＝測定光反射手段に入射する光線と該入射光線が前
記測定光反射手段によって反射する光線とがなす角）θ
は非常に小さいため、ｒ・ｓｉｎθ≒φである。つま
り、条件式（１）は、レーザ光線の中心に対し周辺にお
いて波面のずれでλ／２以内までなら、許容範囲である
ことを示している。条件式（１）の上限を超えると干渉
信号の減少が大きくなり、実用に向かなくなる。尚、条
件式（１）の上限をλ／４にすると、干渉信号の減少が
殆ど無い干渉計を構成することができる。

【００１４】

【実施例】図１（ａ）及び図１（ｂ）は第１実施例を示
した図であり、図１（ａ）及び図１（ｂ）を参照しなが
ら第１実施例の説明を行う。但し、ここで、レーザ光源
部から光が射出される方向をｘ軸方向とし、ｘ軸方向と
垂直で且つ図１（ａ）において紙面上下方向となる方向
をｙ軸方向とし、ｘ軸方向とｙ軸方向と両方に垂直な方
向をｚ軸方向とする。また、図１（ａ）は、干渉計の上
面図であり、図１（ｂ）は、干渉計を図１（ａ）の紙面
下方から見た干渉計の側面図である。

【００１５】光源であるレーザ光源部１からｘ軸方向に
射出されて平行光となっているレーザ光線は、ビーム径
整形手段であるアナモルフィックプリズム１０３ａに入
射し、レーザ光線のｚ軸方向の径が圧縮され、続いても
う一方のビーム径整形手段であるアナモルフィックプリ
ズム１０３ｂに入射する。アナモルフィックプリズム１
０３ｂは、前のアナモルフィックプリズム１０３ａと一
対になってアナモルフィックプリズム１０３ｂから射出
するレーザ光を平行光にする働きがある。アナモルフィ
ックプリズム１０３ｂを射出する際には、光路はｚ軸方
向に僅かに平行移動し、光線の断面形状はｚ軸方向に圧
縮された楕円形に整形されている。アナモルフィックプ
リズムの利用は、収差が無い、調整が容易という利点が
ある。アナモルフィックプリズム１０３ａ及び１０３ｂ
で整形されたレーザ光線は、更に直進し、光分割手段で
ある大きさの異なる直角プリズム１３及び１４からなる
偏光ビームスプリッタ１２の偏光分離面１２ａに入射す
る。

【００１６】偏光分離面１２ａに対して、測定光となる
Ｐ偏光の成分は、そのまま透過直進する。透過直進した
Ｐ偏光の成分は、更に１／４波長板５ａを透過直進し、
測定光反射手段である平面移動鏡６に入射する。平面移
動鏡６への入射は垂直入射なので、平面移動鏡６で反射
されたレーザ光線は、平面移動鏡６への入射光と同じ光
路を今度は逆に進行する。平面移動鏡６で反射されたレ
ーザ光線は、再び１／４波長板５ａを透過し、再び偏光
分離面１２ａに入射する。このとき、レーザ光線は１／
４波長板５ａを２回透過しているので偏光面がＳ偏光と
なっており、偏光分離面１２ａに入射したレーザ光線
は、ｙ軸方向に９０°反射される。

【００１７】偏光分離面１２ａで反射された光線は、偏
光ビームスプリッタを構成する直角プリズム１４の反射
面１２ｂでｘ軸方向に９０°反射され、１／４波長板５
ｂを透過し、再び平面移動鏡６に入射する。レーザ光線
が再び平面移動鏡６に入射する位置は、一回目に平面移
動鏡６に入射した位置とは異なり、ｙ軸方向にずれた位
置である。再度の平面移動鏡６への入射も垂直入射なの
で、一回目の平面移動鏡６への入射同様に、平面反射鏡
６で反射された光線は、入射光と同じ光路を進行し、再
び１／４波長板５ｂを透過する。再び１／４波長板５ｂ
を透過したレーザ光線は、再び直角プリズム１４の反射
面１２ｂに入射し、ｙ軸方向に９０°反射され、三たび
偏光分離面１２ａに入射する。このとき、偏光面は１／
４波長板５ｂを２回透過しているのでＰ偏光となってお
り、偏光分離面１２ａを透過直進する。偏光分離面１２
ａを透過直進したレーザ光線は、最終的に、光電変換手
段であるレシーバ９に入射する。

【００１８】一方、レーザ光源部１からｘ軸方向に射出
されたレーザ光線で参照光となるＳ偏光の成分は、参照
光反射手段でもある偏光ビームスプリッタ１２の偏光分
離面１２ａでｙ軸方向に９０°の角度で反射され、直接
にレシーバ９に入射する。レシーバ９内では、測定光と
参照光との２つの偏光成分が揃えられ、干渉を起こす。
この干渉から得られる干渉信号より平面移動鏡６の変位
が得られる。

【００１９】ここで、平面移動鏡６の図１（ａ）の紙面
内における回転或いは傾き（ｚ軸を回転軸とする回転或
いは傾き）は、参照光に対する測定光の横ずれとなる
が、図６（ａ）に示されるような、平面移動鏡６の図１
（ｂ）の紙面内の回転或いは傾き（ｙ軸を回転軸とする
回転或いは傾き）は、参照光及び測定光のレシーバ９内
での入射角度のずれとなる。本実施例中に示したごと
く、ｚ軸方向にレーザ光線を圧縮することにより、平面
移動鏡６の図３ｂの紙面内の回転或いは傾き（ｙ軸を回
転軸とする回転或いは傾き）に対して、干渉信号の減少
を少なくできる。

【００２０】また、本実施例では、レーザ光源部１とし
ては、ヘリウム−ネオン（Ｈｅ−Ｎｅ）レーザを使用し
ており、更に、音響光学素子を１個用いて元々のＨｅ−
Ｎｅレーザの周波数に変調をかけた周波数を放射してい
る。つまり、レーザ光源部１は、元々のＨｅ−Ｎｅレー
ザの周波数ν₁と、音響光学素子によって変調された周
波数ν₂（＝ν₁＋Δν，Δν≪ν₁）とを放射する光
源である。また、それぞれの周波数ν₁とν₂は、偏光
面がそれぞれ直交している。どちらかが参照光となるＳ
偏光であり、もう一方が測定光となるＰ偏光である。
尚、参照光をＰ偏光とし、測定光をＳ偏光としてもよ
い。

【００２１】そして、これらの周波数ν₁と周波数ν₂
をレシーバ９内で、偏光板を用い４５°偏光させて、干
渉させることにより、ビート（唸り）信号を検出する。
上記に示した構成は、所謂ヘテロダイン干渉計である。
上記の様にヘテロダイン干渉計の構成にした場合は、一
般的に、かなりの高精度で、被検物体の変位を検出する
ことが可能である。また、ヘテロダイン干渉法を用いる
場合は、上記のごとく、Ｈｅ−Ｎｅレーザと音響光学素
子とを用いて異なる２種類の周波数を得るのではなく、
ゼーマンレーザを用いて異なる２種類の周波数を得る方
法もある。

【００２２】図２（ａ）及び（ｂ）は第２実施例を示し
た図であり、図２（ａ）及び（ｂ）を参照しながら第２
実施例の説明を行う。但し、ここで、レーザ光源部から
光が射出される方向をｘ軸方向とし、ｘ軸方向と垂直で
且つ図２（ａ）において紙面上下方向となる方向をｙ軸
方向とし、ｘ軸方向とｙ軸方向と両方に垂直な方向をｚ
軸方向とする。また、図２（ａ）は、干渉計の上面図で
あり、図２（ｂ）は、干渉計を図２（ａ）の紙面下方か
ら見た干渉計の側面図である。

【００２３】光源であるレーザ光源部１からｘ軸方向に
射出された平行光のレーザ光線は、ビーム整形手段であ
るシリンドリカルレンズ１０２ａに入射し、レーザ光線
のｚ軸方向の径が圧縮され、続いてもう一方のビーム整
形手段であるシリンドリカルレンズ１０２ｂに入射す
る。シリンドリカルレンズ１０２ａ及び１０２ｂは、ｙ
軸方向にのみ焦点が存在し、それぞれの焦点が一致した
状態で配置されている。本実施例の場合は、シリンドリ
カルレンズ１０２ａは、平凹負シリンドリカルレンズで
あり、シリンドリカルレンズ１０２ｂは、平凸正シリン
ドリカルレンズである。前述の様にそれぞれのシリンド
リカルレンズ１０２ａ及び１０２ｂは焦点が一致した状
態で配置されているので、シリンドリカルレンズ１０２
ｂを射出する際には、光線の断面形状はｚ軸方向に圧縮
された楕円形の平行光に整形されている。シリンドリカ
ルレンズの利用は、光軸がずれないといった利点があ
る。

【００２４】シリンドリカルレンズ１０２ａ及び１０２
ｂで整形されたレーザ光線は、更に直進し、光分割手段
である大きさの異なる直角プリズム１３及び１４からな
る偏光ビームスプリッタ１２の偏光分離面１２ａに入射
する。偏光分離面１２ａに対して、測定光となるＰ偏光
の成分は、そのまま透過直進する。透過直進したＰ偏光
の成分は、更に１／４波長板５ａを透過直進し、測定光
反射手段である平面移動鏡６に入射する。平面移動鏡６
への入射は垂直入射なので、平面移動鏡６で反射された
レーザ光線は、平面移動鏡６への入射光と同じ光路を今
度は逆に進行する。平面移動鏡６で反射されたレーザ光
線は、再び１／４波長板５ａを透過し、再び偏光分離面
１２ａに入射する。このとき、レーザ光線は１／４波長
板５ａを２回透過しているので偏光面がＳ偏光となって
おり、偏光分離面１２ａに入射したレーザ光線は、ｙ軸
方向に９０°反射される。

【００２５】偏光分離面１２ａで反射された光線は、直
角プリズム１４の反射面１２ｂでｘ軸方向に９０°反射
され、１／４波長板５ｂを透過し、再び平面移動鏡６に
入射する。レーザ光線が再び平面移動鏡６に入射する位
置は、一回目に平面移動鏡６に入射した位置とは異な
り、ｙ軸方向にずれた位置である。再度の平面移動鏡６
への入射も垂直入射なので、一回目の平面移動鏡６への
入射同様に、平面反射鏡６で反射された光線は、入射光
と同じ光路を進行し、再び１／４波長板５ｂを透過す
る。再び１／４波長板５ｂを透過したレーザ光線は、再
び直角プリズム１４の反射面１２ｂに入射し、ｙ軸方向
に９０°反射され、三たび偏光分離面１２ａに入射す
る。このとき、偏光面は１／４波長板５ｂを２回透過し
ているのでＰ偏光となっており、偏光分離面１２ａを透
過直進できる。偏光分離面１２ａを透過直進したレーザ
光線は、最終的に、光電変換手段であるレシーバ９に入
射する。

【００２６】一方、レーザ光源１からｘ軸方向に射出さ
れたレーザ光線で参照光となるＳ偏光の成分は、参照光
反射手段でもある偏光ビームスプリッタ１２の偏光分離
面１２ａでｙ軸方向に９０°の角度で反射され、直接に
レシーバ９に入射する。レシーバ９内では、測定光と参
照光との２つの偏光成分が揃えられ、干渉を起こす。こ
の干渉から得られる干渉信号より移動鏡６の変位が得ら
れる。

【００２７】ここで、平面移動鏡６の図２（ａ）の面内
における回転及び傾き（ｚ軸を回転軸とする回転及び傾
き）は、参照光に対する測定光の横ずれとなるが、図６
（ｂ）に示されるような、平面移動鏡６の図２（ｂ）の
紙面内の回転及び傾き（ｙ軸を回転軸とする回転及び傾
き）は、参照光及び測定光のレシーバ９内での入射角度
のずれとなる。本実施例中に示したごとく、ｚ軸方向に
ビームを圧縮することにより、図６（ｂ）に示される様
な、平面移動鏡６の図２ｂの紙面内の回転及び傾き（ｙ
軸を回転軸とする回転及び傾き）に対して、干渉信号の
減少を少なくできる。

【００２８】尚、本実施例中では１種類の干渉計の構成
しか示さなかったが、マイケルソン干渉計など他の種類
の干渉計に、本発明を適用しても良いことは言うまでも
無い。また、上記実施例のヘテロダイン干渉法のみなら
ず、ホモダイン干渉法に適用しても効果がある。

【００２９】

【発明の効果】平面移動鏡の傾きに対して、干渉信号の
減少の少ない干渉計を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の第１実施例の説明図である。

【図２】図２は、本発明の第２実施例の説明図である。

【図３】図３は、従来の干渉計の説明図である。

【図４】図４は、波面のずれ量の説明図である。

【図５】図５は、従来の干渉計で平面移動鏡が傾いたと
きの図である。

【図６】図６は、実施例の干渉計で平面移動鏡が傾いた
ときの図である。

【図７】図７は、波面の重なりの説明図である。

【主な符号の説明】

１レーザ光源部５ａ，５ｂ１／４波長板６平面移動鏡９レシーバ１２偏光ビームスプリッタ１０２ａ，１０２ｂシリンドリカルレンズ１０３ａ，１０３ｂアナモルフィックプリズム

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光線を供給する光源と、前記光線を参照光と測定光とに分割する光分割手段と、前記参照光を反射する参照光反射手段と、前記測定光を反射する測定光反射手段と、前記参照光反射手段からの前記参照光と前記測定光反射
手段からの前記測定光との干渉光を受光する光電変換手
段と、を有し、該光電変換手段からの信号に基づいて前記測定光反射手
段の相対的な変位を検出する干渉計において、前記測定光反射手段に入射する光線と該入射光線が前記
測定光反射手段によって反射する光線とを含む平面に沿
った方向での前記測定光の径を小さくするビーム径整形
手段を設けたことを特徴とする干渉計。
【請求項２】前記ビーム径整形手段は前記光源と前記光
分割手段との間に配置され、前記ビーム径整形手段は１
対のアナモルフィックプリズムを有することを特徴とす
る請求項１記載の干渉計。
【請求項３】前記ビーム径整形手段は前記光源と前記光
分割手段との間に配置され、前記ビーム径整形手段は１
対のシリンドリカルレンズを有することを特徴とする請
求項１記載の干渉計。
【請求項４】以下の条件を満足することを特徴とする請
求項１乃至３記載の干渉計。｜ｒ・ｓｉｎθ｜≦λ／２但し、ｒ：前記ビーム径整形手段により小さくされた光線の半
径 θ：前記測定光反射手段に入射する光線と該入射光線が
前記測定光反射手段によって反射する光線とがなす角 λ：波長