JP2003042710A - Optical heterodyne interferometer - Google Patents

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical heterodyne interferometer which can realize accurate measurement and is given no influence of irregularity of an optical thin film of a polarization beam splitter on measurement. SOLUTION: This optical heterodyne interferometer is provided with a device for measuring automatically the distribution of leakage quantity among polarized elements in a polarization beam splitter and a stage device that can at least move the polarization beam splitter to an arbitrary position in a plane vertical to a light axis. It measures the distribution of polarization separation characteristic within the polarization beam splitter, positions the polarization splitter in the most superior polarization separation characteristic by using the stage device, and minimizes leakage among the polarized elements.

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は高精度な光ヘテロダ
イン干渉法及び光ヘテロダイン干渉測定装置に関する。 【０００２】 【従来の技術】光ヘテロダイン干渉計は、高精度な測長
や面形状の測定として広く使われている。例えば文献：
Ａｐｐｌｉｅｄ ｏｐｔｉｃｓ ｖｏｌ．１９ Ｎ０．
１（１９８０）ｐ．ｐ．１５４−１６０に紹介されてい
る。 【０００３】図１に従来例の構成を示す。１はレーザ光
源である。レーザ光源から発振されたレーザ光は、ミラ
ーＭ１で反射し、ビームスプリッタ２により反射光と透
過光に分割される。反射光はＭ２で反射され、音響光学
素子４ａで周波数シフトを受け、周波数ｆ１のレーザ光
となる。透過光は音響光学素子４ｂで周波数シフトを受
け、周波数ｆ２のレーザ光となり、ミラーＭ３で反射さ
れた後、半波長板５により偏光方位を９０°回転され
る。音響光学素子４ａ、４ｂは音響光学素子ドライバ４
ｃで駆動されている。周波数ｆ１、ｆ２のレーザ光は、
ビームスプリッタ３で合成されることにより、直交する
直線偏光となる。 【０００４】レーザ光は、ビームエキスパンダ６でビー
ム径を拡大された後、偏光ビームスプリッタ７で偏光状
態により分割される。周波数ｆ１の偏光成分は、四分の
一波長板８ａを通過し、参照平面９で反射される。周波
数ｆ２の偏光成分は四分の一波長板８ｂを通過し、コリ
メータレンズ１０で平面波を球面波に変換し、被測定面
１１で反射され、被測定面１１の形状情報を含んだ反射
光となる。両方の光路中にある四分の一波長板８ａ、８
ｂは、入射偏光に対して出射偏光方位を９０°回転させ
ることで、光源へ反射光を戻さない役割をしている。 【０００５】周波数ｆ１、ｆ２の反射光は再び偏光ビー
ムスプリッタ７でひとつに合成され、方位４５°の直線
偏光子１２で干渉する。干渉したレーザ光は、ビームス
プリッタ１３で反射光と透過光に分割される。 【０００６】反射光はピンホール１４により被測定面内
の基準点の反射光のみを選択され、光検出器１５で参照
ビート信号として光電検出される。 【０００７】透過光は二次元光検出器１６で光電検出さ
れる。二次元光検出器の各受光素子での検出ビート信号
は、参照ビート信号と位相計１７で位相比較され、コン
ピュータ１８で位相差の二次元分布を計算することによ
り、高精度に物体の三次元表面形状を得ることができ
る。 【０００８】 【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の場合、
偏光ビームスプリッタの偏光分離特性の不完全さ等によ
り、偏光成分間に漏れが生じ、測定物の表面形状を含ま
ない不要な誤差ビートを発生させる。この誤差ビート信
号の位相と本来のビート信号との位相差が０または１８
０°であれば測定されるビートの位相は、本来のビート
の位相と同じである。しかし、図２（ａ）の様に、本来
のビートと誤差ビートの位相差が０、１８０°以外の時
は、測定されるビートの位相は本来のビートの位相から
ずれる。 【０００９】光ヘテロダイン干渉計測では、ビート信号
の位相を計測しているため、このずれは図２（ｂ）の様
に非線形な誤差として現れる。また、光学薄膜のコーテ
ィングむらにより、偏光ビームスプリッタ面内のレーザ
光入射位置により誤差ビートの大きさが異なる。これ
は、二次元光検出器において各光検出器毎に異なる誤差
ビートが生じることになる。 【００１０】 【課題を解決するための手段】本発明では、測定のはじ
めに、自動で偏光ビームスプリッタの偏光成分間の漏れ
による誤差ビート強度の面内分布を測定する。 【００１１】次に、少なくとも光軸に垂直な面内で任意
の位置に偏光ビームスプリッタを移動させることにでき
るステージ装置により、偏光ビームスプリッタをレーザ
光が誤差ビートの最も小さい部分に入射するように位置
決めする。これにより偏光ビームスプリッタ内の偏光分
離特性の最も優れた部分にレーザ光を入射するため、誤
差ビートの影響を最小にすることができる。また偏光ビ
ームスプリッタに入射するビーム径を拡大しないことに
より、偏光ビームスプリッタの光学薄膜のむらによる誤
差ビートの分布を最小限にできる。 【００１２】 【発明の実施の形態】本発明の実施形態を図１に示す。
１はレーザ光源である。レーザ光源から発振されたレー
ザ光は、ミラーＭ１で反射し、ビームスプリッタ２によ
り反射光と透過光に分割される。反射光はＭ２で反射さ
れ、音響光学素子４ａで周波数シフトを受け周波数ｆ１
のレーザ光となる。透過光は音響光学素子４ｂで周波数
シフトを受け、周波数ｆ２のレーザ光となり、ミラーＭ
３で反射された後、半波長板５により偏光方位を９０°
回転される。 【００１３】音響光学素子４ａ、４ｂは音響光学素子ド
ライバ４ｃで駆動されている。周波数ｆ１、ｆ２のレー
ザ光は、ビームスプリッタ３で合成されることにより、
直交する直線偏光となる。上記の直交直線偏光を生成す
る部分は、ゼーマン効果を利用したゼーマンレーザを使
用することも可能である。 【００１４】レーザ光は、偏光ビームスプリッタ７で偏
光成分により二つに分割される。周波数ｆ１の偏光成分
は、四分の一波長板８ａを通過し、参照平面９により反
射される。周波数ｆ２の偏光成分は、四分の一波長板８
ｂを通過し、ビームエキスパンダ６ａでビーム径を拡大
された後、コリメータレンズ１０により平面波を球面波
に変換し、被測定面１１で反射され被測定面１１の表面
形状を含んだ反射光となる。 【００１５】両方の光路中にある四分の一波長板８ａ、
８ｂは、入射偏光に対して出射偏光方位を９０°回転さ
せることで、光源へ反射光を戻さない役割をしている。
周波数ｆ１、ｆ２の反射光は再び偏光ビームスプリッタ
７でひとつに合成される。 【００１６】合成されたレーザ光は、方位４５°の直線
偏光子１２で干渉し、ビームスプリッタ１３で反射光と
透過光に分割される。反射光は光検出器１４で光電検出
され、参照ビート信号となる。透過光はビームエキスパ
ンダ６ｂでビーム径を拡大され、二次元光検出器１５で
光電検出される。 【００１７】二次元光検出器の各受光素子での検出ビー
ト信号は参照ビート信号と位相計で位相比較され、コン
ピュータ１７で位相差の二次元分布を計算することによ
り、高精度に物体の三次元表面形状を得ることができ
る。しかし、このままでは、偏光ビームスプリッタの偏
光分離特性の不完全さによる偏光成分間の漏れにより、
誤差ビートが生じる。そこで、本発明では以下の方法で
偏光ビームスプリッタの偏光成分間の漏れを最小にす
る。 【００１８】光軸上から出し入れ可能なハーフミラー２
０を偏光ビームスプリッタ７と四分の一波長板８ａの間
の光軸上に挿入する。光検出器１９を用いて、ハーフミ
ラー２０で反射されたレーザ光のビート信号を測定し、
光検出器１４からの参照ビート信号とロックインアンプ
２１で同期検出する。検出されたビート信号は偏光ビー
ムスプリッタの偏光分離特性の不完全さによる誤差ビー
トである。 【００１９】したがって、光軸と垂直な面内（Ｘ、Ｚ
軸）を移動できるステージ装置１８で偏光ビームスプリ
ッタを走査しながら、誤差ビート信号を光検出器１４か
らの参照ビート信号とロックインアンプで同期検出する
ことで、偏光ビームスプリッタ面内での誤差ビート強度
を測定し、この値からコンピュータ１７で誤差ビート強
度の二次元分布を求める。 【００２０】次に、偏光ビームスプリッタの最も誤差ビ
ート強度の小さい部分にレーザ光が入射するようにステ
ージ装置１８を位置決めする。 【００２１】さらに正確に調整するためには、ステージ
装置を各軸回りに回転させ、誤差ビート強度が最小にな
るように位置決めする。この状態でハーフミラー２０を
光軸上から除き、測定することで本発明では、測定時の
誤差ビートを最小にできる。 【００２２】また、実施例においては、偏光ビームスプ
リッタに入射するビーム径を拡大していないため、偏光
ビームスプリッタの光学薄膜のむらによる影響を少なく
することができる。 【００２３】 【発明の効果】偏光ビームスプリッタの偏光成分間の漏
れ光の影響を最小にすることにより、従来法より高精度
な測定が可能となる。また、偏光ビームスプリッタの光
学薄膜のむらによる影響を受けずに測定することが可能
となる。Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a highly accurate optical heterodyne interferometer and an optical heterodyne interferometer. [0002] Optical heterodyne interferometers are widely used for highly accurate length measurement and surface shape measurement. For example literature:
Applied optics vol. 19 N0.
1 (1980) p. p. 154-160. FIG. 1 shows a configuration of a conventional example. 1 is a laser light source. The laser light oscillated from the laser light source is reflected by the mirror M1 and split by the beam splitter 2 into reflected light and transmitted light. The reflected light is reflected by M2, undergoes a frequency shift by the acousto-optic element 4a, and becomes a laser beam of frequency f1. The transmitted light is frequency-shifted by the acousto-optic element 4b, becomes a laser beam of frequency f2, is reflected by the mirror M3, and is rotated by 90% in the polarization direction by the half-wave plate 5. The acousto-optic devices 4a and 4b are acousto-optic device drivers 4.
c. The laser beams of the frequencies f1 and f2 are
By being combined by the beam splitter 3, the light becomes orthogonal linearly polarized light. After the beam diameter of the laser beam is expanded by a beam expander 6, the laser beam is split by a polarization beam splitter 7 according to the polarization state. The polarization component of the frequency f1 passes through the quarter-wave plate 8a and is reflected by the reference plane 9. The polarization component of the frequency f2 passes through the quarter-wave plate 8b, converts a plane wave into a spherical wave by the collimator lens 10, is reflected by the surface 11 to be measured, and is reflected light including shape information of the surface 11 to be measured. Become. Quarter wave plates 8a, 8 in both optical paths
b serves to prevent reflected light from returning to the light source by rotating the output polarization direction by 90 ° with respect to the incident polarization. [0005] The reflected lights of the frequencies f1 and f2 are combined again by the polarization beam splitter 7 and interfere with the linear polarizer 12 having an azimuth of 45 °. The interfering laser light is split by the beam splitter 13 into reflected light and transmitted light. As the reflected light, only the reflected light at the reference point in the surface to be measured is selected by the pinhole 14, and the photodetector 15 photoelectrically detects the reflected light as a reference beat signal. The transmitted light is photoelectrically detected by a two-dimensional photodetector 16. The detected beat signal from each light receiving element of the two-dimensional photodetector is compared in phase with the reference beat signal by the phase meter 17, and the computer 18 calculates the two-dimensional distribution of the phase difference, thereby obtaining a three-dimensional object with high precision. The surface shape can be obtained. However, in the above case,
Leakage occurs between the polarization components due to imperfect polarization separation characteristics of the polarization beam splitter and the like, causing unnecessary error beats that do not include the surface shape of the measured object. The phase difference between the phase of the error beat signal and the original beat signal is 0 or 18
If it is 0 °, the measured beat phase is the same as the original beat phase. However, as shown in FIG. 2A, when the phase difference between the original beat and the error beat is other than 0 and 180 °, the phase of the measured beat deviates from the original beat. In the optical heterodyne interference measurement, since the phase of the beat signal is measured, this shift appears as a non-linear error as shown in FIG. Also, the magnitude of the error beat varies depending on the laser beam incident position in the plane of the polarization beam splitter due to uneven coating of the optical thin film. This results in a different error beat for each photodetector in the two-dimensional photodetector. According to the present invention, the in-plane distribution of the error beat intensity due to leakage between the polarization components of the polarization beam splitter is automatically measured at the beginning of the measurement. Next, a polarizing beam splitter is moved by a stage device capable of moving the polarizing beam splitter to an arbitrary position at least within a plane perpendicular to the optical axis so that the laser beam is incident on a portion having the smallest error beat. Position. This allows the laser beam to be incident on the portion of the polarization beam splitter having the best polarization separation characteristics, so that the effect of the error beat can be minimized. Also, by not increasing the diameter of the beam incident on the polarizing beam splitter, the distribution of error beats due to unevenness of the optical thin film of the polarizing beam splitter can be minimized. FIG. 1 shows an embodiment of the present invention.
1 is a laser light source. The laser light oscillated from the laser light source is reflected by the mirror M1 and split by the beam splitter 2 into reflected light and transmitted light. The reflected light is reflected by M2, undergoes a frequency shift by the acousto-optic element 4a, and has a frequency f1.
Laser light. The transmitted light is frequency-shifted by the acousto-optic element 4b to become a laser beam of frequency f2,
After being reflected at 3, the polarization direction is set to 90 ° by the half-wave plate 5.
Rotated. The acousto-optic devices 4a and 4b are driven by an acousto-optic device driver 4c. The laser beams having the frequencies f1 and f2 are combined by the beam splitter 3 so that
It becomes orthogonal linearly polarized light. For the portion for generating the orthogonal linearly polarized light, a Zeeman laser utilizing the Zeeman effect can be used. The laser beam is split into two by a polarization beam splitter 7 by a polarization component. The polarization component at the frequency f1 passes through the quarter-wave plate 8a and is reflected by the reference plane 9. The polarization component of the frequency f2 is a quarter-wave plate 8
b, the beam diameter is expanded by the beam expander 6a, and then the plane wave is converted into a spherical wave by the collimator lens 10, and reflected light including the surface shape of the surface 11 to be measured reflected by the surface 11 to be measured. Become. A quarter wave plate 8a in both optical paths,
8b plays a role of not returning reflected light to the light source by rotating the output polarization direction by 90 ° with respect to the incident polarization.
The reflected lights of the frequencies f1 and f2 are combined again by the polarization beam splitter 7. The combined laser light interferes with the linear polarizer 12 having an azimuth of 45 °, and is split by the beam splitter 13 into reflected light and transmitted light. The reflected light is photoelectrically detected by the photodetector 14 and becomes a reference beat signal. The transmitted light is expanded in beam diameter by the beam expander 6b, and is photoelectrically detected by the two-dimensional photodetector 15. The beat signal detected by each light receiving element of the two-dimensional photodetector is compared in phase with the reference beat signal by a phase meter, and the computer 17 calculates the two-dimensional distribution of the phase difference, thereby obtaining the third order of the object with high accuracy. The original surface shape can be obtained. However, in this state, leakage between polarization components due to imperfect polarization separation characteristics of the polarization beam splitter causes
An error beat occurs. Therefore, in the present invention, leakage between the polarization components of the polarization beam splitter is minimized by the following method. Half mirror 2 which can be moved in and out of the optical axis
0 is inserted on the optical axis between the polarizing beam splitter 7 and the quarter-wave plate 8a. Using a photodetector 19, a beat signal of the laser beam reflected by the half mirror 20 is measured,
The reference beat signal from the photodetector 14 and the lock-in amplifier 21 are synchronously detected. The detected beat signal is an error beat due to imperfect polarization separation characteristics of the polarization beam splitter. Therefore, in a plane perpendicular to the optical axis (X, Z
While the polarization beam splitter is scanned by the stage device 18 which can move the axis, the error beat signal is synchronously detected by the lock-in amplifier with the reference beat signal from the photodetector 14, so that the error beat signal in the plane of the polarization beam splitter is obtained. The intensity is measured, and the computer 17 obtains a two-dimensional distribution of the error beat intensity from this value. Next, the stage device 18 is positioned so that the laser beam is incident on a portion of the polarization beam splitter where the error beat intensity is the smallest. For more accurate adjustment, the stage device is rotated around each axis and positioned so as to minimize the error beat intensity. In this state, by removing the half mirror 20 from the optical axis and performing measurement, in the present invention, the error beat at the time of measurement can be minimized. Further, in the embodiment, since the diameter of the beam incident on the polarization beam splitter is not enlarged, the influence of unevenness of the optical thin film of the polarization beam splitter can be reduced. By minimizing the influence of the leakage light between the polarization components of the polarization beam splitter, it is possible to perform a measurement with higher accuracy than the conventional method. Further, the measurement can be performed without being affected by the unevenness of the optical thin film of the polarization beam splitter.

【図面の簡単な説明】 【図１】 本発明の実施例の図 【図２】 （ａ）は誤差ビート、本来のビート、測定さ
れるビートの関係を表す図、（ｂ）は測定点の基準点か
らの変位量における位相の変化を示した図 【図３】 従来例の図 【符号の説明】 １ レーザ光源 Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３ ミラー ２、３、１３ ビームスプリッタ ４ａ、４ｂ 音響光学素子 ４ｃ 音響光学素子ドライバ ５ 半波長板 ６、６ａ、６ｂ ビームエキスパンダ ７ 偏光ビームスプリッタ ８ａ、８ｂ 四分の一波長板 ９ 参照平面 １０ コリメータレンズ １１ 被測定面 １２ 直線偏光子 １４、１９ 光検出器 Ｐ１ ピンホール １５ 二次元光検出器 １６ 電気位相計 １７ コンピュータ １８ ステージ装置 ２０ ハーフミラー ２１ ロックインアンブ ２２ ステージコントローラBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a diagram of an embodiment of the present invention. FIG. 2 (a) is a diagram showing a relationship between an error beat, an original beat, and a measured beat, and FIG. FIG. 3 is a diagram showing a change in phase with respect to a displacement amount from a reference point. FIG. 3 is a diagram of a conventional example. Acousto-optic element driver 5 Half-wave plate 6, 6a, 6b Beam expander 7 Polarizing beam splitter 8a, 8b Quarter-wave plate 9 Reference plane 10 Collimator lens 11 Surface to be measured 12 Linear polarizer 14, 19 Photodetector P1 Pinhole 15 Two-dimensional photodetector 16 Electric phase meter 17 Computer 18 Stage device 20 Half mirror 21 Lock-in ambience 22 Stage controller

Claims (1)

【特許請求の範囲】 【請求項１】 光ヘテロダイン干渉計装置において、自
動で偏光ビームスプリッタの偏光成分間の漏れ量の分布
を測定する装置と少なくとも光軸に垂直面内で任意の位
置に偏光ビームスプリッタを移動させることのできるス
テージ装置を備え、偏光ビームスプリッタ内の偏光分離
特性の分布を測定し、偏光分離特性の最も優れた部分に
該ステージ装置を用いて偏光ビームスプリッタを位置決
めし、偏光成分間の漏れを最小にしたことを特徴とする
光ヘテロダイン干渉計装置。Claims: 1. An optical heterodyne interferometer, comprising: a device for automatically measuring a distribution of a leakage amount between polarization components of a polarization beam splitter; and a polarization device at least in an arbitrary position in a plane perpendicular to an optical axis. Equipped with a stage device that can move the beam splitter, measure the distribution of polarization separation characteristics in the polarization beam splitter, position the polarization beam splitter using the stage device in the most excellent part of the polarization separation characteristics, polarization An optical heterodyne interferometer, wherein leakage between components is minimized.