JPH09178415A

JPH09178415A - 光波干渉測定装置

Info

Publication number: JPH09178415A
Application number: JP7351078A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Kawai; 斉河井; Koichi Tsukihara; 浩一月原
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1995-12-25
Filing date: 1995-12-25
Publication date: 1997-07-11

Abstract

(57)【要約】【課題】偏光ビームスプリッターにおいて参照光路や
測定光路に混入した誤差光に起因する非線形誤差を低減
した、測定精度の高い光波干渉測定。【解決手段】光源部と偏光ビームスプリッターとの間
の光路中に配置され、光源部からの第１の光乃至第３の
光を第１の偏光状態を有する光と第２の偏光状態を有す
る光とにそれぞれ偏光分離するとともに、第１の偏光状
態を有する光と第２の偏光状態を有する光とを所定の間
隔を隔てた互いに平行な光路に沿って射出するための光
分離手段とを備え、第１干渉光に基づいて測定された移
動鏡の変位量を、第２干渉光および第３干渉光に基づい
て測定された測定光路中の屈折率変動情報に基づいて補
正する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光波干渉測定装置に
関し、特に高精度な変位計測を行うための光波干渉測定
装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図１４は、従来の光波干渉測定装置の構
成を概略的に示す図である。図１４の光波干渉測定装置
は、移動鏡９０６の光軸方向（図中矢印方向）の真の変
位量Ｄを測長するものである。測長用光源９１２は、周
波数ω₁の光と周波数ω₁'（ω₁'＝ω₁＋Δω₁）の光
とを含む光を射出する。この２つの光は、周波数が互い
にわずかに異なり、偏光方位が互いに直交している。

【０００３】この２つの光は、ビームスプリッター９１
３を介して偏光ビームスプリッタ９０４に入射し、周波
数ω₁'の光と周波数ω₁の光とに分離される。周波数ω
₁'の光は参照光となり、固定鏡９０５で反射された後、
再び偏光ビームスプリッタ９０４に戻る。また、周波数
ω₁の光は測定光となり、移動鏡９０６で反射された
後、再び偏光ビームスプリッタ９０４に戻る。

【０００４】偏光ビームスプリッタ９０４に戻ってきた
測定光と参照光とは、同一光路に沿って偏光ビームスプ
リッタ９０４から射出される。同一光路に沿って偏光ビ
ームスプリッタ９０４から射出された測定光と参照光と
は、偏光子９３１を介して干渉する。偏光素子９３１
は、具体的には参照光の偏光方位と測定光の偏光方位の
それぞれに対して４５°傾いて配置された偏光板であ
る。偏光素子９３１を介して生成された干渉光は、受光
素子９１６で受光される。受光素子９１６で変換された
干渉ビート信号（周波数Δω₁）９３４は、位相計９１
７に入力される。

【０００５】一方、測長用光源９１２から射出された２
つの光の一部はビームスプリッタ９１３によって反射さ
れ、偏光素子９３０を介して干渉する。偏光素子９３０
を介して生成された干渉光は受光素子９１４によって検
出され、参照信号（周波数Δω₁）９３３として位相計
９１７に入力される。なお、偏光素子９３０は、偏光素
子９３１と同様に２つの光を偏光干渉させる偏光板であ
る。位相計９１７は、参照信号９３３に対する干渉ビー
ト信号９３４の位相変化を測定することによって移動鏡
９０６の変位量Ｄｍを求め、その変位量情報を信号９４
０として演算器９３５に出力する。

【０００６】ところで、図１４のような光波の干渉によ
る測長を精密（高精度）に行うためには、光路中の空気
（またはその他の気体）の屈折率変動を無視することが
できない。そこで、従来の光波干渉測定装置は、図１４
に示すように、測定光路中の空気の屈折率変動に起因す
る測長誤差の補正手段としてエアセンサ９３２を備えて
いる。すなわち、エアセンサ９３２を用いて測定光路中
の大気の温度、圧力、湿度を測定し、この測定結果に基
づいて光の波長を補正することによって、空気の屈折率
変動に起因する測長誤差を補正している。

【０００７】すなわち、真の変位量をＤとし、空気の屈
折率をｎとし、ｎは空間的に一様であるとすると、光波
干渉測定装置で測定される変位量Ｄｍは、

【数１】Ｄｍ＝ｎＤ・・・（１）と表される。

【０００８】ここで、ｎを光の波長を用いて表すと、

【数２】Ｄｍ＝λ₀Ｄ／λ・・・（２）となる。但し、λ＝ｃ／ωである。ここで、λ₀は真空
中の光の波長であり、λは測定光路に沿った光の波長で
ある。

【０００９】なお、波長λは、測定光路中の空気の温
度、圧力、湿度に依存する量である。したがって、測定
光路に沿った空気の温度、圧力、湿度をエアセンサ９３
２で測定することにより、波長λを求めることができ
る。すなわち、演算器９３５は、位相計９１７からの変
位Ｄｍの信号９４０と、エアセンサ９３２からの温度、
圧力、湿度の測定信号９４１と、式（２）に示す演算式
とに基づいて、移動鏡９０６の真の変位量Ｄを求めるこ
とができる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、従来の
技術では、測定光路の１箇所のみにおいて空気の温度、
圧力、湿度をエアセンサで検出している。このため、空
気の屈折率が測定光路に沿って一様に変動している場合
には正確な補正が可能であるが、空気の屈折率が測定光
路上において局所的に変動している場合には、空気の屈
折率変動に起因する測長誤差を正確に補正することがで
きないという不都合があった。

【００１１】そこで、本発明者等は、特願平７−６６４
６９号の明細書および図面において、２つの異なる周波
数の光を用いて空気の屈折率変動に起因する測長誤差を
補正することの可能な光波干渉測定装置を提案してい
る。なお、特願平７−６６４６９号の明細書および図面
に開示された光波干渉測定装置は、本件出願時に未だ公
開されておらず、本件出願の従来技術に属していない。

【００１２】図１３は、特願平７−６６４６９号の明細
書および図面に開示の光波干渉測定装置の構成を概略的
に示す図である。図１３の光波干渉測定装置では、後述
する測長用光源１から射出される光と同じ光路上に、２
つの異なる周波数ω₂（基本波）およびω₃（第２高調
波：２ω ₂＝ω₃）のレーザ光を結合させている。こう
して、この２つの異なる周波数のレーザ光により、測長
用干渉計の光路中での空気（または他の気体等）の屈折
率変動を求めることができる。

【００１３】図１３の光波干渉測定装置では、光源２０
から射出された周波数ω₂の光３２３の一部が第２高調
波発生素子（以下、「ＳＨＧ変換素子」という）２２に
よって周波数ω₃（２ω₂＝ω₃）の光４２３にＳＨＧ
変換され、残りの周波数ω₂の光はＳＨＧ変換素子２２
をそのまま透過する。なお、ＳＨＧ変換素子２２を介し
た周波数ω₂の光３２３および周波数ω₃の光４２３の
偏光方位は、測長用光源１から射出される光（後述する
光３０２および４０２）の偏光方位に対して４５°の角
度をなしている。周波数ω₂の光３２３および周波数ω
₃の光４２３は、たとえばダイクロイックミラーからな
る周波数結合素子２４によって測長用光源１から射出さ
れた周波数ω₁の光３０２および周波数ω₁'の光４０２
と同一光路上に結合する。結合された光は、同じ光路を
介して、偏光ビームスプリッター３に入射する。

【００１４】周波数ω₂の光３２３および周波数ω₃の
光４２３は、偏光ビームスプリッター３によって、固定
鏡５側に反射される光（参照光）と移動鏡７側へ透過す
る光（測定光）とに分割される。参照光と測定光とは、
その偏光方位が互いに直交しているが、いずれも周波数
ω₂の光および周波数ω₃の光をそれぞれ含んでいる。
すなわち、参照光は周波数ω₂の光３２６および周波数
ω₃の光４２６を含み、測定光は周波数ω₂の光３２７
および周波数ω₃の光４２７を含んでいる。

【００１５】偏光ビームスプリッター３で反射された参
照光は、１／４波長板４を介して固定鏡５で反射された
後、１／４波長板４を介して偏光ビームスプリッター３
に入射する。偏光ビームスプリッター３を透過した参照
光は、コーナーキューブプリズム８で反射された後、偏
光ビームスプリッター３に入射する。偏光ビームスプリ
ッター３を透過した参照光は、１／４波長板４を介して
固定鏡５で再び反射された後、１／４波長板４を介して
偏光ビームスプリッター３に戻る。一方、偏光ビームス
プリッター３を透過した測定光は、１／４波長板６を介
して移動鏡７で反射された後、１／４波長板６を介して
偏光ビームスプリッター３に入射する。偏光ビームスプ
リッター３で反射された測定光は、コーナーキューブプ
リズム８で反射された後、偏光ビームスプリッター３に
入射する。偏光ビームスプリッター３で反射された測定
光は、１／４波長板６を介して移動鏡７で再び反射され
た後、１／４波長板６を介して偏光ビームスプリッター
３に戻る。こうして、参照光（周波数ω₂の光３２６お
よび周波数ω₃の光４２６）および測定光（周波数ω₂
の光３２７および周波数ω₃の光４２７）は、偏光ビー
ムスプリッター３に入射して結合され、同一光路に沿っ
て射出される。

【００１６】偏光ビームスプリッター３で結合された参
照光および測定光は、たとえばダイクロイックミラーか
らなる周波数分離素子２５で反射される。こうして、参
照光（周波数ω₂の光３２６および周波数ω₃の光４２
６）および測定光（周波数ω₂の光３２７および周波数
ω₃の光４２７）は、周波数分離素子２５を透過する周
波数ω₁近傍の光と分離され、偏光ビームスプリッター
２８に入射する。偏光ビームスプリッター２８は、移動
鏡７で反射された測定光（周波数ω₂の光３２７および
周波数ω₃の光４２７）を透過し、固定鏡５で反射され
た参照光（周波数ω₂の光３２６および周波数ω₃の光
４２６）を反射する。

【００１７】偏光ビームスプリッター２８を透過した周
波数ω₂の光３２７および周波数ω₃の光４２７のうち
周波数ω₂の光３２７は、ＳＨＧ変換素子３０によって
周波数ω₃（２ω₂＝ω₃）の光３３１に変換される。
一方、周波数ω₃の光４２７は、ＳＨＧ変換素子３０を
そのまま透過して周波数ω₃の光４３１となる。その結
果、ＳＨＧ変換素子３０によって周波数ω₂から周波数
ω₃に変換された光３３１と移動鏡７で反射された周波
数ω₃の光４３１とが干渉し、その干渉光が受光素子３
２によって検出される。また、偏光ビームスプリッター
２８で反射された周波数ω₂の光３２６および周波数ω
₃の光４２６についても、ＳＨＧ変換素子３４の作用に
より、周波数ω₂から周波数ω₃に変換された光３３５
と固定鏡５で反射された周波数ω₃の光４３５との干渉
光が受光素子３６で検出される。

【００１８】受光素子３２および３６でそれぞれ検出さ
れた干渉信号１１０および１０９は、位相計３７に入力
される。位相計３７では、干渉信号１０９（参照信号）
に対する干渉信号１１０（測定信号）の位相変化を測定
する。こうして、周波数ω₃の光に対する光路長変化Ｄ
（ω₃）と周波数ω₂の光に対する光路長変化Ｄ
（ω₂）との差すなわち｛Ｄ（ω₃）−Ｄ（ω₂）｝を
求めることができる。位相計３７で求められた｛Ｄ（ω
₃）−Ｄ（ω₂）｝に関する信号１１１は、演算器３８
に供給される。

【００１９】また、図１３の光波干渉測定装置では、測
長用光源１は、周波数ω₁の光３０２と周波数ω₁'（ω
₁'＝ω₁＋Δω₁）の光４０２とを含む光を射出する。
この２つの光は、周波数が互いにわずかに異なり、偏光
方位が互いに直交している。

【００２０】この２つの光は、ビームスプリッター１２
および周波数結合素子２４を介して偏光ビームスプリッ
ター３に入射し、周波数ω₁'の光４０２と周波数ω₁の
光３０２とに分離される。周波数ω₁'の光４０２は参照
光となり、１／４波長板４、固定鏡５、１／４波長板
４、偏光ビームスプリッター３およびコーナーキューブ
プリズム８を介して偏光ビームスプリッター３に戻る。
また、周波数ω₁の光３０２は測定光となり、１／４波
長板６、移動鏡７、１／４波長板６、偏光ビームスプリ
ッター３およびコーナーキューブプリズム８を介して、
偏光ビームスプリッター３に戻る。

【００２１】偏光ビームスプリッター３に戻ってきた測
定光と参照光とは、同一光路に沿って偏光ビームスプリ
ッター３から射出される。同一光路に沿って偏光ビーム
スプリッター３から射出された参照光および測定光は、
周波数分離素子２５を透過した後、周波数ω₁'の光４０
９および周波数ω₁の光３０９となり、偏光子１０を介
して干渉する。偏光素子１０を介して生成された干渉光
は、受光素子１１で受光される。受光素子１１で変換さ
れた干渉ビート信号（周波数Δω₁）１０７は、位相計
１５に入力される。

【００２２】一方、測長用光源１から射出された２つの
光の一部はビームスプリッター１２によって反射され、
偏光素子１３を介して干渉する。偏光素子１３を介して
生成された干渉光は受光素子１４によって検出され、参
照信号（周波数Δω₁）１０６として位相計１５に入力
される。位相計１５は、参照信号１０６に対する干渉ビ
ート信号１０７の位相変化を測定することによって移動
鏡７の変位量Ｄ（ω₁）を求め、その変位量情報を信号
１０８として演算器３８に出力する。

【００２３】演算器３８では、測長用光源１を用いた測
長用干渉計で測定した移動鏡７の変位量Ｄｍを補正し、
真の変位量（幾何学的な距離）Ｄが求められる。以下、
移動鏡７の変位量（ω₁）から真の変位量（幾何学的な
距離）Ｄへの補正について説明する。周波数ω₁、ω₂
およびω₃の光に対する光路長変化Ｄ（ω₁）、Ｄ（ω
₂）およびＤ（ω₃）は、それぞれ次の式（３）乃至
（５）により表される。

【００２４】

【数３】Ｄ（ω₁）＝〔１＋Ｎ・Ｆ（ω₁）〕・Ｄ・・・（３）

【数４】Ｄ（ω₂）＝〔１＋Ｎ・Ｆ（ω₂）〕・Ｄ・・・（４）

【数５】Ｄ（ω₃）＝〔１＋Ｎ・Ｆ（ω₃）〕・Ｄ・・・（５）

【００２５】ここで、Ｄは幾何学的な距離であり、Ｎは
空気の密度である。また、Ｆ（ω）は、空気の構成比が
不変であれば空気の密度に依存することなく光の周波数
ωのみに依存する関数である。上述の式（３）乃至
（５）より、幾何学的距離Ｄは次の式（６）によって与
えられる。

【数６】Ｄ＝Ｄ（ω₁）−Ａ〔Ｄ（ω₃）−Ｄ（ω₂）〕・・・（６）但し、Ａ＝Ｆ（ω₁）／〔Ｆ（ω₃）−Ｆ（ω₂）〕で
ある。

【００２６】式（６）の右辺第２項の｛Ｄ（ω₃）−Ｄ
（ω₂）｝は、上述したように、位相計３７によって求
めることができる。また、右辺第１項のＤ（ω₁）は、
位相計１５によって求めることができる。したがって、
演算器３８では、位相計１５の出力信号１０８と位相計
３７の出力信号１１１とに基づいて、式（６）の演算式
により、測長用干渉計で測定した変位量Ｄ（ω₁）を補
正し、真の変位量Ｄを求めることができる。

【００２７】図１３の光波干渉測定装置では、光源２０
からの周波数ω₂の光および周波数ω₃の光が、測長用
光源１から射出された測長用の光と同一の光路を通る。
このため、空気の屈折率変動が測定光路に沿って一様で
ない場合も、空気の屈折率変動に起因する測長誤差を補
正し、移動鏡の光軸方向の変位量を高精度に測定するこ
とができる。

【００２８】なお、図１３の光波干渉測定装置では、コ
ーナーキューブプリズム８で反射された周波数ω₂の光
３２７および周波数ω₃の光４２７からなる測定光は、
偏光ビームスプリッター３で反射されるべき光である。
また、コーナーキューブプリズム８で反射された周波数
ω₂の光３２６および周波数ω₃４２６の光からなる参
照光は、偏光ビームスプリッター３を透過すべき光であ
る。

【００２９】ところで、偏光ビームスプリッターが周波
数の異なる複数の光に対して同様の機能を有するよう
に、すなわち偏光ビームスプリッターが理想的に機能す
るように構成することおよび製造することは難しい。こ
のため、偏光ビームスプリッター３で反射されるべき測
定光の一部が透過して参照光路に混入したり、偏光ビー
ムスプリッター３を透過するべき参照光の一部が反射さ
れて測定光路に混入したりする。その結果、参照光路や
測定光路に混入した光が誤差光となって、非線形誤差が
発生し、測定精度が低下してしまう。

【００３０】なお、結晶タイプの偏光ビームスプリッタ
ーは、複数の周波数に対し高い性能を示す。しかしなが
ら、ダブルパス構成の光波干渉測定装置に結晶タイプの
偏光ビームスプリッターを用いる場合、ダブルパス構成
に基づいて測定光および参照光の偏光状態が変わると結
晶の異方性に起因して分離機能が低下してしまう。その
結果、参照光路や測定光路に混入した光が誤差光となっ
て、非線形誤差が発生し、測定精度が低下してしまう。

【００３１】本発明は、前述の課題に鑑みてなされたも
のであり、偏光ビームスプリッターにおいて参照光路や
測定光路に混入した誤差光に起因する非線形誤差を低減
した、測定精度の高い光波干渉測定装置を提供すること
を目的とする。

【００３２】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明において、所定の周波数を有する第１の光
と、互いに異なる周波数を有する第２の光および第３の
光とを同一光路に沿って出力するための光源部と、前記
光源部から出力された前記第１の光乃至前記第３の光
を、固定鏡までの参照光路に沿って導かれる第１の偏光
状態を有する参照光と、移動鏡までの測定光路に沿って
導かれる第２の偏光状態を有する測定光とにそれぞれ偏
光分離するための偏光ビームスプリッターと、前記測定
光路および前記参照光路を介した前記第１の光に基づい
て、前記測定光路を介した測定光と前記参照光路を介し
た参照光との第１干渉光を生成するための第１干渉光生
成系と、前記測定光路を介した前記第２の光および前記
第３の光のうち一方の光の周波数を他方の光の周波数と
ほぼ一致させて第２干渉光を生成するための第２干渉光
生成系と、前記参照光路を介した前記第２の光および前
記第３の光のうち一方の光の周波数を他方の光の周波数
とほぼ一致させて第３干渉光を生成するための第３干渉
光生成系と、前記光源部と前記偏光ビームスプリッター
との間の光路中に配置され、前記光源部からの前記第１
の光乃至前記第３の光を前記第１の偏光状態を有する光
と前記第２の偏光状態を有する光とにそれぞれ偏光分離
するとともに、前記第１の偏光状態を有する光と前記第
２の偏光状態を有する光とを所定の間隔を隔てた互いに
平行な光路に沿って射出するための光分離手段とを備
え、前記第１干渉光に基づいて測定された前記移動鏡の
変位量を、前記第２干渉光および前記第３干渉光に基づ
いて測定された前記測定光路中の屈折率変動情報に基づ
いて補正することを特徴とする光波干渉測定装置を提供
する。

【００３３】本発明の好ましい態様によれば、前記偏光
ビームスプリッターにおいて前記参照光路に混入した誤
差光および前記測定光路に混入した誤差光を除去するた
めの除去手段をさらに備えている。この場合、前記除去
手段は、前記偏光ビームスプリッターと前記固定鏡との
間の光路中に配置され、所定の参照光路に沿った参照光
だけを通過させるための第１空間フィルターと、前記偏
光ビームスプリッターと前記移動鏡との間の光路中に配
置され、所定の測定光路に沿った測定光だけを通過させ
るための第２空間フィルターとを有する。

【００３４】なお、前記光分離手段は、正レンズと、該
正レンズの焦点位置に位置決めされたウォラストンプリ
ズムとを有するか、あるいは偏光ビームスプリッターと
全反射プリズム等の反射鏡とを有する。また、本発明の
好ましい態様によれば、前記第１干渉光生成系は、互い
に平行な光路に沿って前記偏光ビームスプリッターから
射出された参照光と測定光とを同一光路上に結合させる
ための光結合手段をさらに備えている。この場合、前記
光結合手段は、正レンズと、該正レンズの焦点位置に位
置決めされたウォラストンプリズムとを有するか、ある
いは偏光ビームスプリッターと全反射プリズム等の反射
鏡とを有する。

【００３５】

【発明の実施の形態】本発明の光波干渉測定装置では、
互いに異なる周波数を有する２つの光、すなわち周波数
ω₂の光および周波数ω₃の光に基づいて測定光路中の
屈折率変動情報を測定する。そして、偏光ビームスプリ
ッターを介して参照光と測定光とに分離されるべき周波
数ω₂の光および周波数ω₃の光を、光分離手段の作用
により互いに平行な光路に沿って空間的に分離する。す
なわち、偏光ビームスプリッターを介して参照光と測定
光とに分離されるべき２つの光を予め平行シフトさせる
ことができるので、測定光路と参照光路とが同一光路上
に結合されることなく、互いに空間的に分離される。

【００３６】したがって、偏光ビームスプリッターにお
いて参照光路や測定光路に混入しても、混入した誤差光
の影響を低減することができる。すなわち、混入した誤
差光に起因する非線形誤差を低減することができ、精度
の高い測定を行うことができる。なお、偏光ビームスプ
リッターにおいて参照光路に混入した誤差光および測定
光路に混入した誤差光を除去するための除去手段を備え
ることにより、混入した誤差光に起因する非線形誤差を
さらに低減することができ、さらに精度の高い測定を行
うことができる。

【００３７】以下、本発明の実施例を、添付図面に基づ
いて説明する。図１は、本発明の第１実施例にかかる光
波干渉測定装置の構成を概略的に示す図である。なお、
第１実施例の光波干渉測定装置では、いわゆるホモダイ
ン干渉方式を用いて屈折率変動の測定を行っている。ま
た、図２は、図１の測長部２００の拡大図である。

【００３８】図１の光波干渉測定装置は、移動鏡７の光
軸方向（図中矢印方向）の変位量を測長するための光を
供給する測長用光源１を備えている。測長用光源１は、
たとえば波長６３３ｎｍのレーザ光を供給するＨｅ−Ｎ
ｅレーザである。そして、測長用光源１は、周波数が互
いにわずかに異なり且つ偏光方位が互いに直交する２つ
の直線偏光、すなわち周波数ω₁の光３０２および周波
数ω₁'（ω₁'＝ω₁＋Δω₁）の光４０２を同一光路に
沿って射出する。以下、周波数ω₁の光および周波数ω
₁'の光４０２をまとめて２周波光という。また、説明の
簡略化のために、周波数ω₁の光３０２は紙面に平行な
偏光方位を有するＰ偏光であり、周波数ω₁'の光４０２
は紙面に垂直な偏光方位を有するＳ偏光であるものとす
る。

【００３９】測長用光源１から射出された周波数ω₁の
光３０２および周波数ω₁'の光４０２の一部は、ビーム
スプリッター１２を透過した後、たとえばダイクロイッ
クミラーからなる周波数結合素子２４に入射する。周波
数結合素子２４は、周波数ω₁近傍の光を透過し、その
他の周波数の光を反射する特性を有する。したがって、
周波数結合素子２４を透過した周波数ω₁の光３０２お
よび周波数ω₁'の光４０２は、光分離素子５０に入射す
る。光分離素子５０は、同一光路に沿って入射したＰ偏
光とＳ偏光とを空間的に分離させ互いに平行な光路に沿
って射出する光学素子であって、たとえばビームディス
プレーサーからなる。ここで、ビームディスプレーサー
は、結晶の異方性を利用して、Ｓ偏光の光およびＰ偏光
の光のうち一方の光路をそのまま維持し他方の光路を平
行にシフトさせることができる。

【００４０】したがって、同一光路に沿って光分離素子
５０に入射したＰ偏光３０２およびＳ偏光４０２は、互
いに平行な光路１２２および１２０に沿って光分離素子
５０から射出され、偏光ビームスプリッター３に入射す
る。偏光ビームスプリッター３は、Ｓ偏光を反射し、Ｐ
偏光を透過するように配置されている。したがって、偏
光ビームスプリッター３に入射した２周波光のうち周波
数ω₁'の光４０２は、偏光ビームスプリッター３で反射
され、参照光として固定鏡５に導かれる。一方、２周波
光のうち周波数ω₁の光３０２は、偏光ビームスプリッ
ター３を透過し、測定光として移動鏡７に導かれる。

【００４１】周波数ω₁'の光４０２からなる参照光（Ｓ
偏光）は、空間フィルター５２を通過した後、１／４波
長板４を介して円偏光の光５５となる。円偏光の光５５
は、固定鏡５で反射された後、１／４波長板４を介して
Ｐ偏光となる。Ｐ偏光となった参照光４０２は、空間フ
ィルター５２を通過した後、偏光ビームスプリッター３
に入射する。Ｐ偏光状態で偏光ビームスプリッター３を
透過した参照光５６は、コーナーキューブプリズム８で
反射された後、偏光ビームスプリッター３に入射する。
Ｐ偏光状態のまま偏光ビームスプリッター３を透過した
参照光５６は、空間フィルター５２を通過した後、１／
４波長板４を介して円偏光の光５７となる。円偏光の光
５７は、固定鏡５で反射された後、１／４波長板４を介
してＳ偏光となる。Ｓ偏光となった参照光４０２は、空
間フィルター５２を通過した後、偏光ビームスプリッタ
ー３に入射する。Ｓ偏光状態で偏光ビームスプリッター
３において反射された参照光５８は、光路１２０に沿っ
て測長部２００から射出される。

【００４２】一方、周波数ω₁の光３０２からなる測定
光（Ｐ偏光）は、空間フィルター５３を通過した後、１
／４波長板６を介して円偏光の光６０となる。円偏光の
光６０は、移動鏡７で反射された後、１／４波長板６を
介してＳ偏光となる。Ｓ偏光となった測定光３０２は、
空間フィルター５３を通過した後、偏光ビームスプリッ
ター３に入射する。Ｓ偏光状態で偏光ビームスプリッタ
ー３において反射された測定光６１は、コーナーキュー
ブプリズム８で反射された後、偏光ビームスプリッター
３に入射する。Ｓ偏光状態のまま偏光ビームスプリッタ
ー３で反射された測定光６１は、空間フィルター５３を
通過した後、１／４波長板６を介して円偏光の光６２と
なる。円偏光の光６２は、移動鏡７で反射された後、１
／４波長板６を介してＰ偏光となる。Ｐ偏光となった測
定光３０２は、空間フィルター５３を通過した後、偏光
ビームスプリッター３に入射する。Ｐ偏光状態で偏光ビ
ームスプリッター３を透過した測定光６３は、光路１２
２に沿って測長部２００から射出される。

【００４３】こうして、参照光路を介して偏光ビームス
プリッター３から射出された周波数ω₁'の光４０２と、
測定光路を介して偏光ビームスプリッター３から射出さ
れた周波数ω₁の光３０２とは、互いに異なる光路１２
０および１２２に沿って周波数分離素子２５に入射す
る。周波数分離素子２５は、周波数がω₁近傍の光のみ
を透過し、他の周波数の光を反射する特性を有する。し
たがって、周波数ω₁'の参照光４０２および周波数ω₁
の測定光３０２は、周波数分離素子２５を透過する。周
波数分離素子２５を透過した周波数ω₁'の参照光４０２
および周波数ω₁の測定光３０２は、光結合素子５１に
入射する。光結合素子５１は、互いに平行な光路に沿っ
て入射したＰ偏光とＳ偏光とを結合させて同一光路に沿
って射出する光学素子であって、たとえば光分離素子５
０を光の進行方向に対して反対に配置することによって
構成することができる。

【００４４】したがって、互いに平行な光路１２０およ
び１２２に沿って光結合素子５１に入射したＰ偏光３０
２とＳ偏光４０２とは、同一光路上に結合された後、周
波数ω₁の測定光３０９および周波数ω₁'の参照光４０
９となって光結合素子５１から射出される。光結合素子
５１から射出された周波数ω₁'の参照光４０９と周波数
ω₁の測定光３０９とは、偏光素子１０を介して干渉す
る。なお、偏光素子１０は、たとえば２周波光の偏光方
位に対して４５°だけ傾いて配置された偏光板から構成
されている。偏光素子１０を介して生成された干渉光は
受光素子１１で受光され、受光素子１１は干渉光に基づ
く測定ビート信号（周波数Δω₁）１０７を位相計１５
に供給する。

【００４５】一方、測長用光源１から射出された２周波
光すなわち周波数ω₁'の光４０２および周波数ω₁の光
３０２の一部は、ビームスプリッター１２によって反射
された後、偏光素子１３に入射する。なお、偏光素子１
３は、偏光素子１０と同様に、２周波光を干渉させるた
めの偏光板である。したがって、偏光素子１３を介して
生成された周波数ω₁'の光４０２と周波数ω₁の光３０
２との干渉光は、受光素子１４によって検出される。受
光素子１４は、周波数ω₁'の光４０２と周波数ω₁の光
３０２との干渉光に基づく参照信号（周波数Δω₁）１
０６を位相計１５に供給する。位相計１５では、参照信
号１０６に対する測定ビート信号１０７の位相変化を測
定することによって屈折率変動の影響を考慮していない
移動鏡７の変位量Ｄ（ω₁）を求め、この変位量Ｄ（ω
₁）に関する信号１０８を演算器３８に供給する。

【００４６】図１の光波干渉測定装置はまた、屈折率変
動を測定するための光として、たとえば波長１０６４ｎ
ｍのＹＡＧレーザ光を供給する光源２０を備えている。
光源２０から射出された周波数ω₂の直線偏光の光３２
３はＳＨＧ変換素子２２に入射し、周波数ω₂の光３２
３の一部がＳＨＧ変換素子２２により周波数ω₃（ω₃
＝２ω₂）の光４２３にＳＨＧ変換され、残りの周波数
ω₂の光はＳＨＧ変換素子２２をそのまま透過する。な
お、ＳＨＧ変換素子２２は、たとえば非線形光学材料KT
iOPO₄により構成することができる。

【００４７】ＳＨＧ変換素子２２から射出された周波数
ω₂の光３２３および周波数ω₃の光４２３は、周波数
結合素子２４によって反射され、測長用光源１からの光
（周波数ω₁近傍の光）と同一光路上に結合される。な
お、前述したように、周波数結合素子２４は、周波数ω
₁近傍の光のみを透過し、それ以外の周波数の光を反射
する特性を有する。このように、光源２０およびＳＨＧ
変換素子２２は、互いに周波数の異なる２つの光を同一
光路に沿って出力する光源部２０１を構成している。

【００４８】周波数結合素子２４で反射された周波数ω
₂の光３２３および周波数ω₃の光４２３は、光分離素
子５０に入射する。光分離素子５０に入射した周波数ω
₂の光３２３および周波数ω₃の光４２３のうちＰ偏光
成分５４（周波数ω₂の光３２３ａおよび周波数ω₃の
光４２３ａ）は光路１２２に沿って光分離素子５０から
射出され、偏光ビームスプリッター３に入射する。ま
た、光分離素子５０に入射した周波数ω₂の光３２３お
よび周波数ω₃の光４２３のうちＳ偏光成分５９（周波
数ω₂の光３２３ｂおよび周波数ω₃の光４２３ｂ）は
光路１２２と平行な別の光路１２０に沿って光分離素子
５０から射出され、偏光ビームスプリッター３に入射す
る。

【００４９】前述したように、偏光ビームスプリッター
３は、Ｓ偏光を反射し、Ｐ偏光を透過するように配置さ
れている。したがって、光路１２０に沿ってＳ偏光状態
で偏光ビームスプリッター３に入射した周波数ω₂の光
３２３ｂおよび周波数ω₃の光４２３ｂは、偏光ビーム
スプリッター３で反射され、参照光として固定鏡５に導
かれる。一方、光路１２２に沿ってＰ偏光状態で偏光ビ
ームスプリッター３に入射した周波数ω₂の光３２３ａ
および周波数ω₃の光４２３ａは、偏光ビームスプリッ
ター３を透過し、測定光として移動鏡７に導かれる。

【００５０】周波数ω₂の光３２３ｂおよび周波数ω₃
の光４２３ｂからなる参照光（Ｓ偏光）は、空間フィル
ター５２を通過した後、１／４波長板４を介して円偏光
の光５５となる。円偏光の光５５は、固定鏡５で反射さ
れた後、１／４波長板４を介してＰ偏光となる。Ｐ偏光
となった参照光３２３ｂおよび４２３ｂは、空間フィル
ター５２を通過した後、偏光ビームスプリッター３に入
射する。Ｐ偏光状態で偏光ビームスプリッター３を透過
した参照光５６は、コーナーキューブプリズム８で反射
された後、偏光ビームスプリッター３に入射する。Ｐ偏
光状態のまま偏光ビームスプリッター３を透過した参照
光５６は、空間フィルター５２を通過した後、１／４波
長板４を介して円偏光の光５７となる。円偏光の光５７
は、固定鏡５で反射された後、１／４波長板４を介して
Ｓ偏光となる。Ｓ偏光となった参照光３２３ｂおよび４
２３ｂは、空間フィルター５２を通過した後、偏光ビー
ムスプリッター３に入射する。Ｓ偏光状態で偏光ビーム
スプリッター３において反射された参照光５８は、光路
１２０に沿って測長部２００から射出される。

【００５１】一方、周波数ω₂の光３２３ａおよび周波
数ω₃の光４２３ａからなる測定光（Ｐ偏光）は、空間
フィルター５３を通過した後、１／４波長板６を介して
円偏光の光６０となる。円偏光の光６０は、移動鏡７で
反射された後、１／４波長板６を介してＳ偏光となる。
Ｓ偏光となった測定光３２３ａおよび４２３ａは、空間
フィルター５３を通過した後、偏光ビームスプリッター
３に入射する。Ｓ偏光状態で偏光ビームスプリッター３
において反射された測定光６１は、コーナーキューブプ
リズム８で反射された後、偏光ビームスプリッター３に
入射する。Ｓ偏光状態のまま偏光ビームスプリッター３
で反射された測定光６１は、空間フィルター５３を通過
した後、１／４波長板６を介して円偏光の光６２とな
る。円偏光の光６２は、移動鏡７で反射された後、１／
４波長板６を介してＰ偏光となる。Ｐ偏光となった測定
光３２３ａおよび４２３ａは、空間フィルター５３を通
過した後、偏光ビームスプリッター３に入射する。Ｐ偏
光状態で偏光ビームスプリッター３を透過した測定光６
３は、光路１２２に沿って測長部２００から射出され
る。

【００５２】このように、周波数ω₂の光および周波数
ω₃の光からなる測定光および参照光は、前述した周波
数ω₁近傍の光からなる測定光および参照光と同じ測定
光路および参照光路を介して測長部２００から射出され
る。こうして、参照光路を介して偏光ビームスプリッタ
ー３から射出された周波数ω₂の光３２３ｂおよび周波
数ω₃の光４２３ｂと、測定光路を介して偏光ビームス
プリッター３から射出された周波数ω₂の光３２３ａお
よび周波数ω₃の光４２３ａとは、互いに異なる光路１
２０および１２２に沿って周波数分離素子２５に入射す
る。周波数分離素子２５は、前述したように、周波数が
ω₁近傍の光のみを透過し、他の周波数の光を反射する
特性を有する。したがって、周波数ω₂の光および周波
数ω₃の光からなる測定光および参照光は、周波数分離
素子２５でそれぞれ反射される。

【００５３】周波数分離素子２５で反射された周波数ω
₂の光および周波数ω₃の光、すなわち参照光路を介し
た周波数ω₂の光３２６および周波数ω₃の光４２６
と、測定光路を介した周波数ω₂の光３２７および周波
数ω₃の光４２７とは、互いに異なる光路に沿って偏光
ビームスプリッター２８に入射する。偏光ビームスプリ
ッター２８は、Ｐ偏光状態の測定光（周波数ω₂の光３
２７および周波数ω₃の光４２７）を透過し、Ｓ偏光状
態の参照光（周波数ω₂の光３２６および周波数ω₃の
光４２６）を反射する。偏光ビームスプリッター２８と
ＳＨＧ変換素子３０との間に前述の空間フィルターを挿
入すると、参照光が測定光用のＳＨＧ変換素子３０に向
かわないようにすることができる。同様に、偏光ビーム
スプリッター２８とＳＨＧ変換素子３４との間に空間フ
ィルターを挿入すると、測定光が参照光用のＳＨＧ変換
素子３４に向かわないようにすることができる。

【００５４】偏光ビームスプリッター２８を透過した周
波数ω₂の光３２７および周波数ω₃の光４２７のうち
周波数ω₂の光３２７は、ＳＨＧ変換素子３０によって
周波数ω₃（２ω₂＝ω₃）の光３３１に変換される。
一方、周波数ω₃の光４２７は、ＳＨＧ変換素子３０を
そのまま透過して周波数ω₃の光４３１となる。その結
果、ＳＨＧ変換素子３０によって周波数ω₂から周波数
ω₃に変換された光３３１と移動鏡７で反射された周波
数ω₃の光４３１とが干渉し、その干渉光が受光素子３
２によって検出される。また、偏光ビームスプリッター
２８で反射された周波数ω₂の光３２６および周波数ω
₃の光４２６についても、ＳＨＧ変換素子３４の作用に
より、周波数ω₂から周波数ω₃に変換された光３３５
と固定鏡５で反射された周波数ω₃の光４３５との干渉
光が受光素子３６で検出される。

【００５５】受光素子３２および３６でそれぞれ検出さ
れた干渉信号１１０および１０９は、位相計３７に入力
される。位相計３７では、干渉信号１０９（参照信号）
に対する干渉信号１１０（測定信号）の位相変化を測定
する。こうして、周波数ω₃の光に対する光路長変化Ｄ
（ω₃）と周波数ω₂の光に対する光路長変化Ｄ
（ω₂）との差すなわち｛Ｄ（ω₃）−Ｄ（ω₂）｝を
求めることができる。位相計３７で求められた｛Ｄ（ω
₃）−Ｄ（ω₂）｝に関する信号１１１は、演算器３８
に供給される。演算器３８では、位相計１５からの信号
１０８と位相計３７からの信号１１１と式（６）に示す
演算式とに基づいて、屈折率変動に起因する測定誤差を
補正した移動鏡７の真の変位量Ｄを、ひいては移動鏡７
が固定された移動台の真の変位量Ｄを求めて出力する。

【００５６】以上のように、第１実施例では、偏光ビー
ムスプリッター３を介して参照光と測定光とに分離され
るべき２つの光が、光分離素子５０の作用により互いに
平行な光路に沿って空間的に分離される。すなわち、偏
光ビームスプリッター３を介して参照光と測定光とに分
離されるべき２つの光を予め平行シフトすることによ
り、測定光路と参照光路とが同一光路上に結合されるこ
となく、互いに空間的に分離される。その結果、コーナ
ーキューブプリズム８で反射された周波数ω₂の光３２
３ａおよび周波数ω₃の光４２３ａからなる測定光６１
は本来偏光ビームスプリッター３で反射されるべきであ
るが、仮に測定光６１の一部が偏光ビームスプリッター
３を透過して参照光路に混入しても、混入した誤差光は
空間フィルター５２に遮られる。

【００５７】また、コーナーキューブプリズム８で反射
された周波数ω₂の光３２３ｂおよび周波数ω₃の光４
２３ｂからなる参照光５６は本来偏光ビームスプリッタ
ー３を透過すべきであるが、仮に参照光５６の一部が偏
光ビームスプリッター３で反射されて測定光路に混入し
ても、混入した誤差光は空間フィルター５３に遮られ
る。なお、移動鏡７で２回反射された周波数ω₂の光３
２３ａおよび周波数ω₃の光４２３ａからなる測定光は
本来偏光ビームスプリッター３を透過すべきであるが、
この測定光の一部が偏光ビームスプリッター３で反射さ
れることがある。この場合、測定光の一部がコーナーキ
ューブプリズム８で反射された後、偏光ビームスプリッ
ター３を透過して参照光路に混入しても、混入した誤差
光は空間フィルター５２に遮られる。

【００５８】また、固定鏡５で２回反射された周波数ω
₂の光３２３ｂおよび周波数ω₃の光４２３ｂからなる
参照光は本来偏光ビームスプリッター３で反射されるべ
きであるが、この参照光の一部が偏光ビームスプリッタ
ー３を透過することがある。この場合、参照光の一部が
コーナーキューブプリズム８で反射された後、偏光ビー
ムスプリッター３で反射されて測定光路に混入しても、
混入した誤差光は空間フィルター５３に遮られる。この
ように、第１実施例では、偏光ビームスプリッター３に
おいて参照光路や測定光路に混入した誤差光に起因する
非線形誤差を低減して、ダブルパス構成による精度の高
い測定を行うことができる。

【００５９】なお、上述の第１実施例では、周波数分離
素子２５を光結合素子５１よりも偏光ビームスプリッタ
ー３側に配置している。しかしながら、光結合素子５１
を周波数分離素子２５よりも偏光ビームスプリッター３
側に配置することもできる。また、上述の第１実施例で
は、偏光ビームスプリッター３と空間フィルター５２お
よび５３とを別体に構成している。しかしながら、偏光
ビームスプリッター３の対応する面の一部を粗面に形成
し、偏光ビームスプリッターと空間フィルターとを一体
的に構成してもよい。

【００６０】さらに、上述の第１実施例において光分離
素子５０の平行シフト量に周波数依存性があると、屈折
率変動測定用の光と測長用の光との間で平行シフト量に
差異が生じる。この場合、所定の特性を有するガラス等
を配置することにより、平行シフト量の補正が可能であ
る。

【００６１】図３は、本発明の第２実施例にかかる光波
干渉測定装置の構成を概略的に示す図である。なお、第
２実施例の光波干渉測定装置では、いわゆるヘテロダイ
ン干渉方式を用いて屈折率変動の測定を行っている。

【００６２】図３の光波干渉測定装置では、ヘテロダイ
ン方式を用いて周波数ω₂の光と周波数ω₃の光との干
渉光を検出するために、ＳＨＧ変換素子２２と周波数結
合素子２４との間に周波数フィルター６４、６７および
周波数シフター６６を付設している。しかしながら、図
３の装置の他の構成は、第１実施例の図１の装置と基本
的に同じである。したがって、図３において、第１実施
例の構成要素と同様の機能を有する要素には図１と同じ
参照符号を付している。以下、第１実施例との相違点に
着目して、第２実施例を説明する。

【００６３】ＳＨＧ変換素子２２から射出された周波数
ω₂の光３６８および周波数ω₃の光４６５は、周波数
フィルタ６４に入射する。周波数フィルタ６４および６
７は、周波数ω₃の近傍の光を反射し、周波数ω₂の光
を透過する特性を有する。周波数フィルタ６４で反射さ
れた周波数ω₃の光４６５は、周波数シフター６６を介
して周波数ω₃からわずかに周波数のずれた周波数ω₃'
の光（ω₃'＝ω₃＋Δω₃）４６９となる。なお、周波
数シフター６６は、例えば音響光学素子等である。周波
数シフター６６を介した周波数ω₃'の光は、周波数フィ
ルタ６７に入射する。

【００６４】一方、周波数フィルタ６４を透過した周波
数ω₂の光３６８は、そのまま周波数フィルタ６７に入
射する。こうして、周波数ω₃'の光４６９および周波数
ω₂の光３６８は、周波数フィルタ６７の作用によって
再び同一光路上に結合される。その後、結合された周波
数ω₂の光３６８および周波数ω₃'の光４６９は、第１
実施例における周波数ω₂の光３２３および周波数ω₃
の光４２３と同様の光路を介した後、周波数分離素子２
５によって測定光および参照光として反射される。

【００６５】周波数ω₂の光３７１および周波数ω₃'の
光４７１からなる測定光のうち、周波数ω₂の光３７１
はＳＨＧ変換素子３０によって変換されて周波数ω₃の
光３７３となり、周波数ω₃'の光４７１はＳＨＧ変換素
子３０をそのまま透過して周波数ω₃'の光４７３とな
る。このように、第１実施例とは異なり、周波数が互い
にΔω₃だけ異なる２つの光すなわち周波数ω₃の光３
７３と周波数ω₃'の光４７３とがヘテロダイン干渉す
る。また、周波数ω₂の光３７０および周波数ω₃'の光
４７０からなる参照光も同様に、ＳＨＧ変換素子３４を
介して、周波数が互いにΔω₃だけ異なる２つの光すな
わち周波数ω₃の光３７２と周波数ω₃'の光４７２とな
り、ヘテロダイン干渉する。

【００６６】従って、受光素子３６からの参照信号１０
９および受光素子３２からの測定信号１１０は、ともに
干渉ビート信号となる。位相計３７では、第１実施例と
同様に、｛Ｄ（ω₃'）−Ｄ（ω₂）｝を求め、この値に
関する信号１１１を演算器３８に供給する。演算器３８
では、位相計１５からの信号１０８と位相計３７からの
信号１１１と式（６）に示す演算式とに基づいて、屈折
率変動に起因する測定誤差を補正した移動鏡７の真の変
位量Ｄを求めて出力する。

【００６７】このように、第２実施例の光波干渉測定装
置においても、偏光ビームスプリッター３において参照
光路や測定光路に混入した誤差光に起因する非線形誤差
を低減して、ダブルパス構成による精度の高い測定を行
うことができる。また、第２実施例では、周波数ω₂の
光と周波数ω₃の光とを用いた屈折率変動測定をヘテロ
ダイン干渉方式で行っている。このため、光源２０の出
力の変動による誤差を受けにくく、位相差｛Ｄ（ω₃）
−Ｄ（ω₂）｝を正確に検出することができる。その結
果、真の変位量Ｄの検出精度を向上させることができ
る。

【００６８】図４乃至図６は、第１実施例における光分
離結合部２０２（光分離素子５０および光結合素子５
１）の変形例の構成を概略的に示す図である。図４に示
す変形例では、正レンズ７７とその焦点位置に配置され
たウォラストンプリズム７６とを組み合わせて光分離素
子を構成している。また、正レンズ７９とその焦点位置
に配置されたウォラストンプリズム７８とを組み合わせ
て光結合素子を構成している。

【００６９】ウォラストンプリズムは、同一光路に沿っ
て入射したＰ偏光とＳ偏光とを所定の分離角度で分離さ
せる作用を有する光学素子である。したがって、ウォラ
ストンプリズム７６に同一光路に沿って入射したＰ偏光
とＳ偏光とは、所定の分離角度で分離された後、正レン
ズ７７の作用によって互いに平行な光路に沿って光分離
結合部２０２から射出される。同様に、正レンズ７９と
ウォラストンプリズム７８との組み合わせにより、互い
に平行な光路に沿って入射したＰ偏光とＳ偏光とを、同
一光路上に結合して光分離結合部２０２から射出するこ
ともできる。

【００７０】なお、図４のウォラストンプリズム７６の
分離角度に周波数依存性があると、周波数の大きく異な
る２つの光の分離角度に差異が生じ、正レンズ７７を介
した２つの光の平行性が崩れてしまう。この場合、図５
に示すように、正レンズ７７の後側（偏光ビームスプリ
ッター３側）に分散ガラス８０を配置することにより、
ウォラストンプリズム７６の分離角度に周波数依存性が
ある場合にも正レンズ７７を介した２つの光の平行性を
維持することができる。この場合、正レンズ７９の前側
（偏光ビームスプリッター３側）にも、分散ガラス８１
を配置することが必要である。さらに、分散ガラス８０
を使用しなくても、正レンズにウォラストンプリズムの
周波数依存性に応じた色収差を付けて平行性を維持する
こともできる。

【００７１】また、図６に示す変形例では、偏光ビーム
スプリッター８２と全反射プリズム５８２とを組み合わ
せて光分離素子を構成している。また、偏光ビームスプ
リッター８３と全反射プリズム５８３とを組み合わせて
光結合素子を構成している。なお、図６において、全反
射プリズム５８２および５８３を他の反射鏡と置換して
もよい。また、偏光ビームスプリッター８２および８３
は、結晶タイプであっても膜タイプであってもよい。

【００７２】図７乃至図９は、第１実施例における測長
部２００の変形例の構成を概略的に示す図である。図７
の測長部２００は、第１実施例における測長部２００と
類似している。しかしながら、重複誤差光の影響を低減
するために、偏光ビームスプリッター８４、偏光ビーム
スプリッター８５およびコーナーキューブプリズム８７
を付設している点だけが第１実施例と相違する。したが
って、図７において、第１実施例の構成要素と同様の機
能を有する要素には図１と同じ参照符号を付している。
以下、第１実施例との相違点に着目して、図７の変形例
を説明する。

【００７３】まず、図１を再び参照して、重複誤差光の
影響について説明する。図１において、移動鏡７で２回
反射された周波数ω₂の光３２３ａおよび周波数ω₃の
光４２３ａからなる測定光は本来偏光ビームスプリッタ
ー３を透過すべきであるが、偏光ビームスプリッター３
の製造上の性能の不完全さによって、この測定光の一部
が偏光ビームスプリッター３で反射されることがある。
この場合、測定光の一部がコーナーキューブプリズム８
で反射された後、偏光ビームスプリッター３で反射され
て重複誤差光となる。この重複誤差光は、測定光路をさ
らに２往復（結果的には４往復）してしまう。その結
果、重複誤差光に起因して非線形誤差が発生し、精度の
高い測定を行うことができなくなってしまう。

【００７４】また、図１において、固定鏡５で２回反射
された参照光は本来偏光ビームスプリッター３で反射さ
れるべきであるが、この参照光の一部が偏光ビームスプ
リッター３を透過することがある。この場合、参照光の
一部がコーナーキューブプリズム８で反射された後、偏
光ビームスプリッター３を透過して重複誤差光となる。
この重複誤差光は、参照光路をさらに２往復（結果的に
は４往復）してしまう。その結果、重複誤差光に起因し
て非線形誤差が発生し、精度の高い測定を行うことがで
きなくなってしまう。そこで、図７の変形例では、重複
誤差光の影響を低減するために、偏光ビームスプリッタ
ー８４、偏光ビームスプリッター８５およびコーナーキ
ューブプリズム８７を付設している。

【００７５】したがって、図７の変形例では、偏光ビー
ムスプリッター３で反射された参照光は、空間フィルタ
ー５２および１／４波長板４を介して固定鏡５で反射さ
れた後、１／４波長板４および空間フィルター５２を介
して偏光ビームスプリッター３に戻る。偏光ビームスプ
リッター３を透過した参照光は、偏光ビームスプリッタ
ー８４を介してコーナキューブプリズム８で反射された
後、偏光ビームスプリッター８４を介して偏光ビームス
プリッター３に入射する。偏光ビームスプリッター３を
透過した参照光は、空間フィルター５２および１／４波
長板４を介して固定鏡５で再び反射された後、１／４波
長板４および空間フィルター５２を介して偏光ビームス
プリッター３に戻る。

【００７６】一方、偏光ビームスプリッター３を透過し
た測定光は、空間フィルター５３および１／４波長板６
を介して移動鏡７で反射された後、１／４波長板６およ
び空間フィルター５３を介して偏光ビームスプリッター
３に戻る。偏光ビームスプリッター３で反射された測定
光は、偏光ビームスプリッター８４および８５を介して
コーナキューブプリズム８７で反射された後、偏光ビー
ムスプリッター８５および８４を介して偏光ビームスプ
リッター３に入射する。偏光ビームスプリッター３で反
射された測定光は、空間フィルター５３および１／４波
長板６を介して移動鏡７で再び反射された後、１／４波
長板６および空間フィルター５３を介して偏光ビームス
プリッター３に戻る。

【００７７】移動鏡７までの測定光路を２往復して偏光
ビームスプリッター３に戻った測定光から生じる重複誤
差光は、偏光ビームスプリッター３、８４および８５を
本来透過すべき成分である。したがって、重複誤差光の
大部分は偏光ビームスプリッタ８４を透過する。偏光ビ
ームスプリッター８４を透過した重複誤差光は、進むべ
き光路を失うので影響がなくなる。仮に、偏光ビームス
プリッター８４を透過した重複誤差光がコーナーキュー
ブプリズム８で反射されて測定精度に影響を及ぼす場合
には、参照光のみが通過可能な空間フィルタ５８４を付
設して、重複誤差光の悪影響を防ぐことができる。

【００７８】なお、偏光ビームスプリッター８４の性能
もまた完全ではないため、重複誤差光の一部が偏光ビー
ムスプリッター８４で反射されてしまう。しかしなが
ら、偏光ビームスプリッター８４で反射された重複誤差
光の大部分は、偏光ビームスプリッター８５を透過し、
進むべき光路を失うので影響がなくなる。さらに、重複
誤差光の一部が偏光ビームスプリッター８５で反射され
た場合でも、コーナーキューブプリズム８７で反射され
て、偏光ビームスプリッター８５に再び入射する。その
結果、重複誤差光の大部分は、偏光ビームスプリッター
８５を透過し、進むべき光路を失うので影響がなくな
る。

【００７９】同様に、固定鏡５までの参照光路を２往復
して偏光ビームスプリッター３に戻った参照光から生じ
る重複誤差光は、偏光ビームスプリッター３、８４およ
び８５で本来反射されるべき成分である。したがって、
重複誤差光の大部分は偏光ビームスプリッタ８４で反射
される。偏光ビームスプリッター８４で反射された重複
誤差光は、偏光ビームスプリッター８５を透過する。偏
光ビームスプリッター８５を透過した重複誤差光は、進
むべき光路を失うので影響がなくなる。仮に、偏光ビー
ムスプリッター８５で反射された重複誤差光がコーナー
キューブプリズム８７で反射されて測定精度に影響を及
ぼす場合には、測定光のみが通過可能な空間フィルタ５
８５を付設して、重複誤差光の悪影響を防ぐことができ
る。

【００８０】なお、偏光ビームスプリッター８４の性能
もまた完全ではないため、重複誤差光の一部が偏光ビー
ムスプリッター８４を透過してしまう。しかしながら、
偏光ビームスプリッター８４を透過した重複誤差光の大
部分は、コーナーキューブプリズム８で反射されて、偏
光ビームスプリッター８４に再び入射する。その結果、
重複誤差光の大部分は、偏光ビームスプリッター８４で
反射され、進むべき光路を失うので影響がなくなる。

【００８１】このように、参照光路や測定光路を２往復
して偏光ビームスプリッター３に戻った参照光や測定光
から重複誤差光が生じても、３つの偏光ビームスプリッ
ター３、８４および８５の作用により、重複誤差光を順
次低減することができる。すなわち、重複誤差光に起因
する非線形誤差を低減して、ダブルパス構成による精度
の高い測定を行うことができる。また、偏光ビームスプ
リッター８４、８５を付加したように、偏光ビームスプ
リッター８４、８５の後ろ側（コーナーキューブプリズ
ム側）にさらに偏光ビームスプリッターを順次接続して
いけば、誤差光をさらに低減することができるので、よ
り高精度な測定をすることができる。

【００８２】図８の測長部２００は図７の変形例におけ
る測長部２００と類似しているが、移動鏡の反射面と固
定鏡の反射面とが互いに平行になるように構成されてい
る点だけが基本的に相違する。したがって、図８におい
て、図７の変形例の構成要素と同様の機能を有する要素
には図７と同じ参照符号を付している。以下、図７の変
形例との相違点に着目して、図８の変形例を説明する。

【００８３】図８の変形例では、参照光路中において１
／４波長板４と固定鏡８９との間に反射鏡８８を付設
し、固定鏡８９の反射面と移動鏡７の反射面とが互いに
平行になるように構成している。なお、反射鏡８８に代
えて、全反射プリズムを用いてもよい。例えば、半導体
素子や液晶表示素子の製造のための露光装置（リソグラ
フィステッパー）の２次元ステージの位置を検出するた
めの光波干渉測定装置に本発明を適用する場合、２次元
ステージに固定された移動鏡の反射面と投影光学系に固
定された固定鏡の反射面とを平行にする必要がある。し
たがって、図８の変形例に示す測長部２００の構成は、
たとえば露光装置に適している。

【００８４】図９の測長部２００は第１実施例における
測長部２００と類似しているが、測定光路および参照光
路において１／４波長板と空間フィルターとの配置が逆
になっている点だけが基本的に相違する。なお、図３、
図７および図８においても、測定光路および参照光路の
少なくとも一方において、１／４波長板と空間フィルタ
ーとの配置を逆にする構成が可能である。

【００８５】図１０乃至図１２は、図３の第２実施例に
おける光源部２０１の変形例の構成を概略的に示す図で
ある。図１０の変形例では、図３の周波数シフター６６
に代えて、周波数フィルター６４と６７との間に周波数
シフター１９０を設けている。したがって、図１０の変
形例では、周波数ω₃の光９２を周波数シフトすること
なく、周波数ω₂の光９０だけを周波数ω₂'の光９１に
周波数シフトしている。

【００８６】また、図１１の変形例では、図３の周波数
シフター６６に対応する周波数シフター１９１に加え
て、２つの周波数フィルター６４と６７との間に周波数
シフター１９２を付設している。したがって、図１０の
変形例では、周波数ω₃の光９２を周波数ω₃'の光９５
に周波数シフトするとともに、周波数ω₂の光９０を周
波数ω₂'の光９４に周波数シフトしている。

【００８７】図１２の変形例では、周波数ω₂の光９０
および周波数ω₃の光９２をそれぞれの別の光路に沿っ
て射出する光源９７を備えている。周波数ω₃の光９２
は、周波数シフター１９３の作用により、周波数ω₃'の
光９８に周波数シフトされる。周波数ω₃の光９２およ
び周波数ω₃'の光９８は、周波数フィルター６７を介し
て同一光路上に結合される。

【００８８】なお、図１２の変形例では、周波数ω₃の
光だけを周波数ω₃'の光に周波数シフトしている。しか
しながら、図１０のように周波数ω₂の光だけを周波数
ω₂'の光に周波数シフトしてもよいし、図１１のように
周波数ω₂の光および周波数ω₃の光を周波数ω₂'の光
および周波数ω₃'の光に周波数シフトしてもよい。ま
た、第１実施例のようにホモダイン方式で屈折率変動を
測定する場合には、周波数変調を行うことなく、周波数
ω₂の光９０と周波数ω₃の光９２とを周波数フィルタ
ー６７を介して同一光路上に結合すればよい。

【００８９】なお、上述の各実施例では、屈折率変動の
測定に際して、周波数ω₂の光とω₂の２倍の周波数を
有する周波数ω₃の光とを用いている。しかしながら、
本発明では、参照光路および測定光路を通った互いに周
波数の異なる２つの光のうち一方の光の周波数を他方の
光の周波数とほぼ一致させることによって干渉させるこ
とが重要である。したがって、例えば、高調波変換素子
を用いて、第３高調波やそれ以上の高次の光を用いて、
屈折率変動の測定を行っても良い。

【００９０】また、上述の各実施例では、測長用光源１
が偏光方位が互いに直交し且つ周波数が互いにわずかに
異なる２つの光を射出し、この２周波光に基づいて移動
鏡７の変位をヘテロダイン干渉方式を用いて測定してい
る。しかしながら、測長用光源からの単一の周波数を有
する光に基づいて、ホモダイン干渉方式により移動鏡７
の変位を測定しても良い。

【００９１】

【効果】以上説明したように、本発明によれば、偏光ビ
ームスプリッターを介して参照光と測定光とに分離され
るべき２つの光を予め平行シフトするので、測定光路と
参照光路とが同一光路上に結合されることなく、互いに
空間的に分離される。その結果、偏光ビームスプリッタ
ーにおいて参照光路や測定光路に混入しても、混入した
誤差光の影響を低減することができる。また、偏光ビー
ムスプリッターにおいて参照光路に混入した誤差光およ
び測定光路に混入した誤差光を除去するための除去手段
を備えることにより、混入した誤差光に起因する非線形
誤差をさらに低減することができ、さらに精度の高い測
定を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例にかかる光波干渉測定装置
の構成を概略的に示す図である。

【図２】図１の測長部２００の拡大図である。

【図３】本発明の第２実施例にかかる光波干渉測定装置
の構成を概略的に示す図である。

【図４】第１実施例における光分離結合部２０２（光分
離素子５０および光結合素子５１）の変形例の構成を概
略的に示す図である。

【図５】第１実施例における光分離結合部２０２（光分
離素子５０および光結合素子５１）の変形例の構成を概
略的に示す図である。

【図６】第１実施例における光分離結合部２０２（光分
離素子５０および光結合素子５１）の変形例の構成を概
略的に示す図である。

【図７】第１実施例における測長部２００の変形例の構
成を概略的に示す図である。

【図８】第１実施例における測長部２００の変形例の構
成を概略的に示す図である。

【図９】第１実施例における測長部２００の変形例の構
成を概略的に示す図である。

【図１０】図３の第２実施例における光源部２０１の変
形例の構成を概略的に示す図である。

【図１１】図３の第２実施例における光源部２０１の変
形例の構成を概略的に示す図である。

【図１２】図３の第２実施例における光源部２０１の変
形例の構成を概略的に示す図である。

【図１３】特願平７−６６４６９号明細書および図面に
開示の光波干渉測定装置の構成を概略的に示す図であ
る。

【図１４】従来の光波干渉測定装置の構成を概略的に示
す図である。

【符号の説明】

１、２０光源３、２８偏光ビームスプリッター４、６１／４波長板５固定鏡７移動鏡８コーナーキューブプリズム１０、１３偏光板１１、１４受光素子１２ビームスプリッター１５、３７位相計２１、２３周波数フィルター２２、３０、３４ＳＨＧ変換素子２４周波数結合素子２５周波数分離素子３２、３６受光素子３８演算器５０光結合素子５１光分離素子５２、５３空間フィルター６６音響光学素子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定の周波数を有する第１の光と、互い
に異なる周波数を有する第２の光および第３の光とを同
一光路に沿って出力するための光源部と、前記光源部から出力された前記第１の光乃至前記第３の
光を、固定鏡までの参照光路に沿って導かれる第１の偏
光状態を有する参照光と、移動鏡までの測定光路に沿っ
て導かれる第２の偏光状態を有する測定光とにそれぞれ
偏光分離するための偏光ビームスプリッターと、前記測定光路および前記参照光路を介した前記第１の光
に基づいて、前記測定光路を介した測定光と前記参照光
路を介した参照光との第１干渉光を生成するための第１
干渉光生成系と、前記測定光路を介した前記第２の光および前記第３の光
のうち一方の光の周波数を他方の光の周波数とほぼ一致
させて第２干渉光を生成するための第２干渉光生成系
と、前記参照光路を介した前記第２の光および前記第３の光
のうち一方の光の周波数を他方の光の周波数とほぼ一致
させて第３干渉光を生成するための第３干渉光生成系
と、前記光源部と前記偏光ビームスプリッターとの間の光路
中に配置され、前記光源部からの前記第１の光乃至前記
第３の光を前記第１の偏光状態を有する光と前記第２の
偏光状態を有する光とにそれぞれ偏光分離するととも
に、前記第１の偏光状態を有する光と前記第２の偏光状
態を有する光とを所定の間隔を隔てた互いに平行な光路
に沿って射出するための光分離手段とを備え、前記第１干渉光に基づいて測定された前記移動鏡の変位
量を、前記第２干渉光および前記第３干渉光に基づいて
測定された前記測定光路中の屈折率変動情報に基づいて
補正することを特徴とする光波干渉測定装置。
【請求項２】前記偏光ビームスプリッターにおいて前
記参照光路に混入した誤差光および前記測定光路に混入
した誤差光を除去するための除去手段をさらに備えてい
ることを特徴とする請求項１に記載の光波干渉測定装
置。
【請求項３】前記除去手段は、前記偏光ビームスプリッターと前記固定鏡との間の光路
中に配置され、所定の参照光路に沿った参照光だけを通
過させるための第１空間フィルターと、前記偏光ビームスプリッターと前記移動鏡との間の光路
中に配置され、所定の測定光路に沿った測定光だけを通
過させるための第２空間フィルターとを有することを特
徴とする請求項２に記載の光波干渉測定装置。
【請求項４】前記光分離手段は、正レンズと、該正レ
ンズの焦点位置に位置決めされたウォラストンプリズム
とを有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか
１項に記載の光波干渉測定装置。
【請求項５】前記光分離手段は、偏光ビームスプリッ
ターと反射鏡とを有することを特徴とする請求項１乃至
３のいずれか１項に記載の光波干渉測定装置。
【請求項６】前記第１干渉光生成系は、互いに平行な
光路に沿って前記偏光ビームスプリッターから射出され
た参照光と測定光とを同一光路上に結合させるための光
結合手段をさらに備えていることを特徴とする請求項１
乃至５のいずれか１項に記載の光波干渉測定装置。
【請求項７】前記光結合手段は、正レンズと、該正レ
ンズの焦点位置に位置決めされたウォラストンプリズム
とを有することを特徴とする請求項６に記載の光波干渉
測定装置。
【請求項８】前記光結合手段は、偏光ビームスプリッ
ターと反射鏡とを有することを特徴とする請求項６に記
載の光波干渉測定装置。
【請求項９】前記偏光ビームスプリッターと前記固定
鏡との間の光路中に配置された１／４波長板と、前記偏光ビームスプリッターと前記移動鏡との間の光路
中に配置された１／４波長板と、前記参照光路を１往復して前記偏光ビームスプリッター
を介した参照光を反射して前記偏光ビームスプリッター
を介して前記固定鏡に導くとともに、前記測定光路を１
往復して前記偏光ビームスプリッターを介した測定光を
反射して前記偏光ビームスプリッターを介して前記移動
鏡に導くための反射手段とをさらに有することを特徴と
する請求項１乃至８のいずれか１項に記載の光波干渉測
定装置。
【請求項１０】前記参照光路を１往復して前記偏光ビ
ームスプリッターを介した参照光と、前記測定光路を１
往復して前記偏光ビームスプリッターを介した測定光と
を偏光分離するための第２偏光ビームスプリッターをさ
らに有し、前記反射手段は、前記参照光路を１往復して前記偏光ビ
ームスプリッターおよび前記第２偏光ビームスプリッタ
ーを介した参照光を反射して前記第２偏光ビームスプリ
ッターおよび前記偏光ビームスプリッターを介して前記
固定鏡に導くための第１反射手段と、前記測定光路を１
往復して前記偏光ビームスプリッターおよび前記第２偏
光ビームスプリッターを介した測定光を反射して前記第
２偏光ビームスプリッターおよび前記偏光ビームスプリ
ッターを介して前記移動鏡に導くための第２反射手段と
を有することを特徴とする請求項９に記載の光波干渉測
定装置。
【請求項１１】前記光源部は、周波数が互いにわずか
に異なり且つ偏光方位が互いに直交する周波数ω₁の光
と周波数ω₁'の光とを含んだ光を前記第１の光として出
力し、前記偏光ビームスプリッターは、前記周波数ω₁の光を
前記測定光に、前記周波数ω₁'の光を前記参照光にそれ
ぞれ偏光分離することを特徴とする請求項１乃至１０の
いずれか１項に記載の光波干渉測定装置。
【請求項１２】前記光源部は、前記第１の光を出力するための第１光源部と、前記第２の光および前記第３の光を出力するための第２
光源部と、前記第２光源部からの前記第２の光および前記第３の光
と、前記第１光源部からの前記第１の光とを同一光路上
に結合させるための周波数結合素子とを有することを特
徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の光波
干渉測定装置。
【請求項１３】前記第２光源部は、前記第２の光を出
力するための光源と、前記光源からの前記第２の光の一
部を第２高調波に変換し、該第２高調波を前記第３の光
として出力するための第１周波数変換手段とを有し、前記第２干渉光生成系は、前記測定光路を介した前記第
２の光を第２高調波に変換するための第２周波数変換手
段を有し、前記第３干渉光生成系は、前記参照光路を介した前記第
２の光を第２高調波に変換するための第３周波数変換手
段を有することを特徴とする請求項１２に記載の光波干
渉測定装置。
【請求項１４】前記第２光源部は、前記第２の光およ
び前記第３の光のうち少なくともいずれか一方の光の周
波数をわずかにシフトさせるための周波数シフト手段を
さらに有することを特徴とする請求項１２または１３に
記載の光波干渉測定装置。