JP4514209B2

JP4514209B2 - 位置検出装置及び方法

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Publication number: JP4514209B2
Application number: JP2004302063A
Authority: JP
Inventors: 公石塚
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Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2004-10-15
Filing date: 2004-10-15
Publication date: 2010-07-28
Anticipated expiration: 2024-10-15
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Description

本発明は、干渉測長を利用して非接触にて物体の位置変動を検出する位置検出装置及びその方法に関する。

レーザを用いたマイケルソン干渉測長装置はナノメータ計測を必要とする分野に広く使用されている。この種の干渉測長装置では被測定対象からの反射光を得ることが必要であり、そのためにミラーを用いるのが一般的である。ミラーを用いた方式では、光学アライメント調整を非常に高精度に行う必要があるため、通常は被測定対象にコーナーキューブを用いて光学アライメントずれが発生しても干渉計測が損なわれないようにしてある。しかしコーナーキューブはプリズムであるため微小な部分には取り付けられない。すなわち被測定対象が微小な場合には干渉計測装置を用いた位置計測ができなくなってしまう。

そこで本出願人は、図８に示すように、被測定対象のミラーに集光照明することで、ミラーのアライメントずれによる干渉状態の乱れを防止する方法を提案している（特許文献１参照）。

図８について説明すると、光源ＬＤから射出した発散光束をレンズＣＯＬにて緩い集光光束ＢＥＡＭに変換し、非偏光ビームスプリッタＮＢＳを透過後、偏光ビームスプリッタＰＢＳにて光束ＢＥＡＭをＰ偏光成分とＳ偏光成分に分離する。すなわち、Ｐ偏光成分を透過させて参照ミラーＭ２で反射させ、一方、Ｓ偏光成分を反射させて被測定対象面Ｍ１にて反射させる。その後、これら反射された光束を偏光ビームスプリッタＰＢＳにて合波し、非偏光ビームスプリッタＮＢＳにて反射させる。非偏光ビームスプリッタＮＢＳで反射された光束は１／４波長板ＱＷＰを介して、上記分離された２光束の光路長差の変動に基づく位相差の変動に応じた偏光方位が回転する直線偏光に変換される。そして、分割素子ＧＢＳにて４光束に分割後、各々の光束を互いに偏光方位を４５°づつずらして配置した４つの偏光素子ＰＰ１，ＰＰ２，ＰＰ３，ＰＰ４を透過させ、４つの互いに位相差が９０度の干渉周期信号光に変換し、各々の受光素子ＰＤ１，ＰＤ２，ＰＤ３，ＰＤ４にて受光し、４つの周期信号を出力するものである。

この従来例は、被測定対象に集光照明するため、アライメントずれ（角度ずれ）が生じても、反射光の波面は変化しない。但し、反射光の中心（光軸）はずれる。波面がずれないことから、参照光との干渉状態は安定している。

この方式は、コーナーキューブを使用しないので、光学センサヘッド部に半導体レーザを用いることにより、被測定面の微小面外変位を測定する新規な小型変位センサとして活用することができる。
特開２００１−０７６３２５号公報

しかしながら、この方式は被測定面に集光照明するため、空間分解能が非常に高くなる。このため、被測定面の面外変位を測定する際に、被測定対象物に横ずれ等が生じると当該被測定対象物の面形状成分も検出してしまい、計測が不安定になる可能性がある。従って、用途によっては面の横ずれ方向の空間分解能を低くしたほうが安定した面外変位測定を行うことができる。このため、被測定対象（ミラー）に照明する領域を広くすることが望まれていた。

また、上記方式では、被測定対象に集光照明して計測を行うが、面外変位が大きくなると集光照明条件が成立しなくなり、アライメントずれに対して干渉状態を安定にする機能が弱くなるという問題がある。このため、測定領域は、一般に数１０μｍの領域に限られていた。従って、面外変位の測定可能領域をｍｍオーダに拡大し、かつアライメントしやすい方式（角度ずれに対する許容量を大きくすること）が望まれていた。

本発明は、上述従来例に鑑みてなされたものであり、被測定対象面に対する照明領域を広くし、面外変位の測定領域を拡大し、かつアライメントずれに影響を受けない新規方式の位置検出装置及び方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するための本発明による位置検出装置は以下の構成を備える。すなわち、
２光束が測定対象面に供給されるように配置されたビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタで得られる前記第１及び第２光束が前記基準面及び前記測定対象面のそれぞれに斜めに入射するように光源からの光束を該ビームスプリッタに導き、前記基準面及び前記測定対象面で反射され前記ビームスプリッタによって統合された前記第１及び第２光束を反射部材に導く光学ユニットと、
前記第１及び第２光束を受光して干渉信号を生成する受光素子とを備え、
前記反射部材で反射した前記第１及び第２光束は、前記光学ユニットで前記ビームスプリッタへ導かれ、該ビームスプリッタにて再び分離され、前記基準面及び前記測定対象面で反射され、該ビームスプリッタで再び統合され、
前記光学ユニットは、該ビームスプリッタで再び統合された前記第１及び第２光束を前記受光素子に導き、
前記受光素子は、前記光学ユニットからの前記第１及び第２光束を受光して該第１及び第２光束の位相差に対応した前記干渉信号を生成し、
前記光学ユニットは、前記ビームスプリッタによって統合された前記第１及び第２光束を前記反射部材の位置に集光する。

本発明によれば、被測定対象面に対する照明領域を広くし、面外変位の測定領域を拡大し、かつアライメントずれに影響を受けない新規方式の位置検出装置及び方法が提供される。

以下、添付の図面を参照して本発明の好適な実施形態を説明する。

＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態によるレーザ干渉計の光学系を説明する図である。図１において、半導体レーザ１０１からの直線偏光発散光は、レンズ１１１により、レンズ１１２の焦点面の位置Ｐ１に集光照明される。位置Ｐ１から発散される直線偏光光はレンズ１１２に入射され、光軸がわずかに斜めの平行光束を射出させる。なお、本実施形態において、「光軸がわずかに斜め」というのは、平行光束の光軸の方向が、ビームスプリッタからの透過光及び反射光がそれぞれ被測定対象物１２１及び参照ミラー１２２の面の法線方向に対してわずかに角度を有して（例えば１度から１０度程度）入射されるように設定されている状態を言う。レンズ１１２より射出された平行光束は、偏光ビームスプリッタ１１３にて偏光成分により２つの光束、即ち反射光（Ｓ偏光）と透過光（Ｐ偏光）に分離される（以下、これらを総称して分離光束という）。反射光（Ｓ偏光）は参照ミラー１２２に照明され、透過光（Ｐ偏光）は被測定対象物（ミラー）１２１に照明される。各ミラーからの反射光は、偏光ビームスプリッタ１１３を介して、レンズ１１２の焦点面の位置Ｐ２に集光照明される。なお、位置Ｐ２は位置Ｐ１より微小量ずれた位置である。

位置Ｐ２の近傍には反射膜１１４が設けられており、位置Ｐ２へ集光された照明は反射膜１１４により元の光路に戻される。このため、反射膜１１４からの反射光は、レンズ１１２から光軸がわずかに斜めの平行光束（レンズ１１２に入射された平行光束の光軸にほぼ沿う方向の平行光束）として射出される。その後、偏光ビームスプリッタ１１３にて２つの光束に分離され、反射光（Ｓ偏光）を参照ミラー１２２に、透過光（Ｐ偏光）を被測定対象物１２１に照明する。そして、それぞれの反射光を、偏光ビームスプリッタ１１３を介して同一光路上の光束としてレンズ１１２に入射させる。レンズ１１２に入射された光束は焦点面の位置Ｐ１を集光照明し、そこから光源側に光束を取り出す。こうして、Ｓ偏光は、参照ミラー１２２の面とビームスプリッタＰＢＳの間を２往復し、Ｐ偏光は、被測定対象物１２１の面とビームスプリッタＰＢＳの間を２往復することになる。

この光束は、非偏光ビームスプリッタ１０２により受光素子側に取り出される。取り出された光束は、１／４波長板１０３を透過することにより、位相差の変化に応じて偏光方位が回転する直線偏光に変換され、集光レンズ１０４及び開口部材１０５を介してビーム分割素子１０６に到達し、そこで３光束に分割される。集光レンズ１０４は、受光素子１０８に入射する光束が広がるので、それを適切に集光して効率良く受光させるための部材である。また、開口部材１０５は、干渉光束を３つに分割する際に元の光束の領域を限定して確実に等質の３光束を得るためのものである。開口部材１０５が無いと、元の光束が広がっている場合に、分割した３光束が重なり合ってしまう。こうして分割された３光束のそれぞれを、互いに６０°ずつ偏光軸をずらして配置した偏光素子アレイ１０７を介して３分割受光素子１０８の各受光部に入射させることで被測定対象物１２１の面外変位に基づく３つの互いに位相が１２０度ずつずれた干渉信号ＵＶＷを検出する。

こうして得られた３つの干渉信号ＵＶＷは、２往復光路による干渉測長を原理としているので、光源の波長の１／４を周期とする正弦波状信号となる。例えば、波長０.８μｍのレーザダイオードを使用した場合には、周期が０.２μｍの正弦波信号が得られ、波数を計数し更に公知の電気的な位相分割装置にて、電気的に信号を分割することでナノメートルオーダーの分解能の相対位置ずれを検出できる。

また、干渉信号は、１２０度の位相差信号を３種類発生させるのではなく、９０°の位相差信号を４種類または２種類発生させる構成としても良い。

図２は、図１に示した光学系において、被測定対象面がわずかに傾いた場合の光路を説明する図である。非測定対象物１２１の傾きにより、被測定対象物１２１の面からの反射光（Ｐ偏光）は理想光路より角度をなして射出される。このため、レンズ１１２に入射された平行光束は、焦点面に入射する際に位置Ｐ２からわずかにずれた位置Ｐ３に入射する。位置Ｐ３に入射したＰ偏光の光束は、位置Ｐ２、Ｐ３の近傍に設けられた反射膜１１４により元の光路を戻る。即ち、レンズ１１２及び反射膜１１４からなるキヤッツアイ光学系を往復させる効果により、正常な光路と同じ方位に反射され、レンズ１１２から平行光束として射出される。そして、この光束のうちのＰ偏光の光束は偏光ビームスプリッタ１１３を透過して被測定対象物１２１にて反射する。このため、再度、偏光ビームスプリッタ１１３を透過して、レンズ１１２の焦点面上の位置Ｐ１に集光され、そこから光源側に発散光として射出される。

一方、参照ミラー１２２からの反射光（Ｓ偏光）は、理想光路を経由し、最終的には、レンズ１１２の焦点面上の位置Ｐ１に集光照明し、そこから光源側に発散光として射出される。こうして、非測定対象物１２１の面を経由した光束（Ｐ偏光）と参照ミラー１２２を経由した光束（Ｓ偏光）は、最終的にレンズ１１２の焦点面から射出することになる。このように、射出する位置が一致することで、両光束の球面波の波面が揃い、干渉状態が安定する。なお、この効果は以下の第２〜第５実施形態に関しても同様である。

なお、測定対象物１２１の面の傾き方向は２方向あるが、レンズ１１２の焦点面の集光反射位置（位置Ｐ３）のずれる方向が異なるのみで基本的に同様の効果が発揮される。このように、被測定対象面の傾きに対して安定した干渉光学系が得られるため、被測定対象にコーナーキューブを設置することなく位置検出をすることが可能となり、小型化を実現できるとともに、取扱いが容易となる。

図３は、図１に示した光学系において、被測定対象面がｍｍオーダーで平行に面外変位した場合の光路を説明する図である。被測定対象物１２１からの反射光（Ｐ偏光）の光軸中心は理想光路より平行にずれており、レンズ１１２の焦点面上の位置Ｐ２に到達する。位置Ｐ２は、レンズの焦点距離と平行光束のレンズへの入射角度により決定されるが、図３のケースではこれらの量が変化していないからである。位置Ｐ２に到達したＰ偏光の光束は、位置Ｐ２近傍に設けられた反射膜１１４により反射され、レンズ１１２から射出される平行光束は元の光路と同じ方位だが平行にずれた光路をたどることになる。このＰ偏光の平行光束は、偏光ビームスプリッタ１１３を透過し、被測定対象物１２１の面にて反射する。このとき、この平行光束（Ｐ偏光）は、レンズ１１２と反射膜１１４からなるキヤッツアイ光学系を往復させる効果により、正常な光路と同じ方位に反射されている。よって、被測定対象物１２１から反射されたこの平行光束は、偏光ビームスプリッタ１１１を透過してレンズ１１２へ入射されて位置Ｐ１に集光され、そこから光源側に発散光として射出される。なお、ビームスプリッタ１１３によって得られるＳ偏光の分離光束は図１で説明した理想光路を辿り、位置Ｐ１に集光され、そこから光源側に発散光として射出される。上述したように、射出する位置が一致することで、両光束の球面波の波面が揃い、干渉状態が安定する。

但し、光束の光軸は平行ずれを起こすため、レンズ１１２の光学的有効径によりケラレが生じる可能性があること、参照光と干渉させる際に、光軸の不一致のため、波面を互いに重ね合わせる領域が狭くなることといった理由により、面外変位を大きくするほど干渉光束を受光素子アレイで受光することで得られる信号の振幅は低下する。しかし、例えば、被測定対象面への照明角度θが５度の場合で、面外変位が１ｍｍの場合の光軸のずれＸは、
Ｘ＝４ｍｍ×ｔａｎθ＝０.３４ｍｍ
となり、照明光束径Φがｍｍオーダーであれば干渉光束の重なりは５０％程度確保できている。このように１ｍｍ程度の面外変位が生じても測定ができることが満たされる（ただし、上記数値は目安である）。

以上のように、第１実施形態によれば、可干渉性の光源を用いて、被測定面にｍｍオーダーの光束径の平行光束を被測定面の法線に対して微小に斜めに照明し、その反射光束をキヤッツアイ光学系で受光し、該キヤッツアイ光学系による反射光束を再度被測定面に照明し、その反射光を参照光と干渉させる光学系を採用している。このため、面外変位の測定領域をｍｍオーダー程度に拡大でき、かつアライメントずれの影響を受けにくいという効果を奏する。

＜第２実施形態＞
第１実施形態では、レンズ１１２とその焦点面のミラー１１４を用いてキヤッツアイ光学系を構成した。第２実施形態では、所謂１／４ピッチの屈折率分布型ロッドレンズの端面に反射膜を施すことで、キヤッツアイ光学系を構成し、第１実施形態と同様の作用効果を得る。

図４は、第２実施形態によるレーザ干渉計の光学系を説明する図である。半導体レーザ１０１からの直線偏光発散光をレンズ２１１とくさび状のプリズム２１２（プリズム２１２は主光線の向きを変えるための素子）を通すことにより、所謂１／４ピッチの屈折率分布型ロッドレンズ２１３の端面の位置Ｐ２１に光軸がわずかに斜めの集光光束として入射させる。キャッツアイ素子として屈折率分布型ロッドレンズ２１３を採用する場合は、図４に示すように光源側からの光束を、キヤッツアイ素子への入射角度をずらし、更に中心からずれた位置に集光入射する必要がある。このようにすることで、反射位置と入射位置にずれが与えられ、かつ、屈折率分布型ロッドレンズ２１３からの射出光と屈折率分布型ロッドレンズ２１３への入射光が空間的に分離できる。屈折率分布型ロッドレンズ２１３に入射された光束は、反対面より平行光束として射出され、偏光ビームスプリッタ２１４により偏光成分にて２光束に分離する。偏光ビームスプリッタ２１４により得られた反射光（Ｓ偏光）を参照ミラー２２２に照明し、透過光（Ｐ偏光）を被測定対象物２２１の面（ミラー）に照明する。そして、それぞれの反射光を、偏光ビームスプリッタ２１４を介して、屈折率分布型ロッドレンズ２１３の焦点面における位置Ｐ２２に集光照明する。

位置Ｐ２２近傍に設けられた反射膜２１５により、集光照明された光束を元の光路に戻し、屈折率分布型ロッドレンズ２１３から平行光束を射出させ、再度、偏光ビームスプリッタ２１４にて２つに分離する。そして、反射光（Ｓ偏光）を参照ミラー２２２に照明し、透過光（Ｐ偏光）を被測定対象物２２１に照明し、それぞれの反射光を、偏光ビームスプリッタ２１４を介して、屈折率分布型ロッドレンズ２１３に再入射させる。この結果、屈折率分布型ロッドレンズ２１３の端面上の位置Ｐ２１より発散光束を取り出すことができる。以上より、Ｓ偏光の光束は参照ミラー２２２の面と偏光ビームスプリッタ２１４の間を２往復し、Ｐ偏光の光束は、被測定対処物２２１の面と偏光ビームスプリッタ２１４の間を２往復することになる。

位置Ｐ２１より発散された光束より干渉信号を得る構成は第１実施形態と同様である。即ち、位置Ｐ２１より発散された光束を非偏光ビームスプリッタ１０２により受光素子側に取り出し、１／４波長板１０３を透過させることにより、位相差の変化に応じた偏光方位に回転した直線偏光に変換する。これを、ビーム分割素子１０６にて３光束に分割し、それぞれの光束を互いに６０°ずつ偏光軸をずらして配置した偏光素子アレイ１０７を介して３分割受光素子１０８の各受光部に入射させることで被測定対象物２２１の面外変位に基づく３つの互いに位相が１２０度ずつずれた干渉信号を検出する。

以上のように、第２実施形態によれば、キヤッツアイ光学素子として屈折率分布型ロッドレンズを用いることにより、小型で安定した光学系が構成できるメリットがある。

＜第３実施形態＞
図５は、第３実施形態によるレーザ干渉計の光学系を説明する図である。

図５に示されるように、半導体レーザ１０１からの直線偏光発散光をコリメータレンズ１０２により、光軸がわずかに斜めの平行光束を生成させ、射出させる。偏光ビームスプリッタ３１２にて偏光成分により２つの光束に分離し、反射光（Ｓ偏光）を参照ミラー３２２に、透過光（Ｐ偏光）を被測定対象物３２１の面（ミラー）にそれぞれ照明させる。それぞれの反射光を偏光ビームスプリッタ３１２を介して、所謂１／４ピッチの屈折率分布型ロッドレンズ３１３に入射させる。屈折率分布型ロッドレンズ３１３では、入射された光束を端面の位置Ｐ３２に集光し、位置Ｐ３２近傍に設けられた反射膜３１４により元の光路に戻す。こうして屈折率分布型ロッドレンズ３１３から平行光束を射出させ、偏光ビームスプリッタ３１２にて再び２光束に分離する。反射光（Ｓ偏光）を参照ミラー３２２に照明し、透過光（Ｐ偏光）を被測定対象物３２１の面に照明し、それぞれの反射光を、偏光ビームスプリッタ３１２を介して光源側に取り出す。この結果、Ｓ偏光の分離光束は参照ミラー３２２の面とビームスプリッタ３１２の間を２往復し、Ｐ偏光の分離光束は被測定対象物３２１の面とビームスプリッタ３１２の間を２往復することになる。

上記のようにして光源側に取り出された光束から、第１実施形態と同様の構成により干渉信号を取得する。すなわち、非偏光ビームスプリッタ１０２により、受光素子側に光束を取り出し、１／４波長板１０３を透過させて、位相差の変化に応じた偏光方位に回転した直線偏光に変換する。これを、ビーム分割素子ＧＢＳ１０６にて３光束に分割し、それぞれの光束を互いに６０°ずつ偏光軸をずらして配置した偏光素子アレイ１０７を介して３分割受光素子１０８の各受光部に入射させる。こうして、被測定対象物３２１の面の面外変位に基づく３つの互いに位相が１２０度ずつずれた干渉信号を検出する。

なお、第３実施形態において使用している屈折率分布型ロッドレンズ３１３および反射膜３１４は、キヤッツアイの機能として同等である、図１に示すようなレンズとその焦点面上に配置した反射膜とによって代替することも可能である。

＜第４実施形態＞
図６は、第４実施形態によるレーザ干渉計の光学系を説明する図である。

第４実施形態では、半導体レーザ１０１からの直線偏光発散光をレンズ４１１により偏波面保持型光ファイバー４０２に、光ファイバーの偏光軸と光束の偏光面が一致する状態で入射させる。そして、光ファイバー反対側端面をレンズ４１２の焦点面の位置Ｐ４１に配置して発散光束を射出させる。発散光束は、レンズ４１２により平行光束に変換され、光軸がわずかに斜めの平行光束として射出される。この平行光束を、偏光ビームスプリッタ４１３にて偏光成分毎の２光束に分離する。２光束のうちの反射光（Ｓ偏光）は参照ミラー４２２に、透過光（Ｐ偏光）は被測定対象物４２１の面（ミラー）にそれぞれ照明される。

それぞれの反射光は、偏光ビームスプリッタ４１３を介して、レンズ４１２の焦点面の位置Ｐ４２に集光照明され、位置Ｐ４２近傍に設けられた反射膜４１４により、元の光路に戻される。こうして、再度レンズ４１２から平行光束を射出させる。この平行光束は、偏光ビームスプリッタ４１３にて２光束に分離され、反射光（Ｓ偏光）は参照ミラー４２２に、透過光（Ｐ偏光）は被測定対象物４２１の面（ミラー）に照明される。それぞれの反射光を、偏光ビームスプリッタ４１３を介してレンズ４１２に入射し、レンズ４１２の焦点面の位置Ｐ４１に向けて光束を進行させる。この結果、Ｓ偏光は、参照ミラー４２２の面とビームスプリッタ４１３の間を２往復し、Ｐ偏光は、被測定対象物４２１の面とビームスプリッタ４１３の間を２往復する。

この光束は、偏波面保持型光ファイバー４０２の端面が配置された位置Ｐ４１の手前において、非偏光ビームスプリッタ１０２により、受光素子側に取り出される。その後、第１実施形態と同様の構成により干渉信号を生成する。即ち、１／４波長板１０３を透過させて、位相差の変化に応じた偏光方位に回転した直線偏光に変換する。この直線偏光の光束を、ビーム分割素子１０６にて３光束に分割し、それぞれの光束を互いに６０°ずつ偏光軸をずらして配置した偏光素子アレイ１０７を透過させて３分割受光素子１０８の各受光部に入射させることで被測定対象面（被測定対象物４２１の面）の面外変位に基づく４つの互いに位相が１２０度ずつずれた干渉信号を検出する。このように光ファイバーにて光源を検出ヘッド部から離すことで、位置検出のための検出ヘッドを容易に小型化できるとともに、光源の発熱の影響回避による安定化に有効である。

＜第５実施形態＞
図７は、第５実施形態によるレーザ干渉計の光学系を説明する図である。第１または第４実施形態を改良し、光源側からの往路の光路と受光素子側へ進行する復路の光路が空間的に分離するように構成したものである。

半導体レーザ１０１からの直線偏光発散光をレンズ４１１により偏波面保持型光ファイバー４０２に光ファイバーの偏光軸と光束の偏光面が一致する状態で入射させる。光ファイバー４０２の反対側の端面をレンズ４１２の焦点面に若干傾けて配置して、発散光束を射出させる。発散光束は、レンズ４１２により平行光束に変換されて、光軸がわずかに斜めの平行光束として射出される。平行光束は偏光ビームスプリッタ４１３にて偏光成分毎に２つの光束に分離され、反射光（Ｓ偏光）は参照ミラー４２２の面に、透過光（Ｐ偏光）は被測定対象物４２２の面にそれぞれ照明される。そして、それぞれの反射光は、偏光ビームスプリッタ４１３を介してレンズ４１２に入射され、焦点面の位置Ｐ５２に集光される。位置Ｐ５２に集光された光束は、位置Ｐ５２近傍に設けられた反射膜４１４により、隣の領域の光路に戻し、再度レンズ４１２から平行光束として射出させる。

射出された平行光束は、偏光ビームスプリッタ４１３にて２光束に分離され、反射光（Ｓ偏光）は参照ミラー４２２の面に、透過光（Ｐ偏光）は被測定対象物４２１の面（ミラー）にそれぞれ照明される。それぞれの反射光は、偏光ビームスプリッタ４１３を介してレンズ４１２に入射され、レンズ４１２の焦点面の位置Ｐ５１に集光され、そこから光ファイバー側に光束を射出する。以上により、Ｓ偏光の光束は参照ミラー４２２の面とビームスプリッタ４１３の間を２往復し、Ｐ偏光の光束は、被測定対象物４２１の面とビームスプリッタ４１３の間を２往復することになる。

第５実施形態では、往路の光路偏波面保持型光ファイバーの端面が配置された位置Ｐ５１の手前に配置された部分反射ビームスプリッタ５１１により、復路の光束を空間的に取り出す。取り出された光束は、１／４波長板１０３を透過することにより、位相差の変化に応じた偏光方位に回転した直線偏光に変換される。この直線偏光をビーム分割素子１０６にて３光束に分割し、それぞれの光束を互いに６０°ずつ偏光軸をずらして配置した偏光素子アレイ１０７を介して３分割受光素子１０８の各受光部に入射させることで、被測定対象物４２１の面の面外変位に基づく３つの互いに位相が１２０度ずつずれた干渉信号を検出する。なお、部分反射ビームスプリッタ５１１の代わりに、微小プリズムを用いてもよい。

面外変位の測定可能領域は、平行光束照明によるマイケルソン干渉計の場合、光源の干渉性のみで決定されるが、小型にするため光源（半導体レーザ１０１）として面発光型レザダイオードを使用したい。しかし面発光型レーザダイオードは、戻り光による横モード変化を引き起こし、偏波面が飛び移る現象が発生する場合があるため、面発光型レーザダイオードへの戻り光を防止する方策が必要となる。第５実施形態は、光源側へ進行する光束を部分反射ビームスプリッタ５１１により遮断できるため、上記の観点から好都合である。なお、第１実施形態〜第４実施形態を実現する場合は、戻り光を排除するアイソレータ等を設けることが好ましい。

なお、上記各実施形態において、参照ミラーと被測定ミラーと偏光ビームスプリッタの間を２回往復した干渉光束を受光素子側に取り出すための素子として、第１〜第４実施形態では非偏光ビームスプリッタ１０２を、第５実施形態では部分反射ビームスプリッタ５１１を用いたが、非偏光ビームスプリッタ１０２の代わりに部分反射ビームスプリッタ５１１を用いてもよいし、部分反射ビームスプリッタ５１１の代わりに非偏光ビームスプリッタ１０２を用いてもよい。或いはそれらの代わりに微小プリズムを用いることも可能である。

以上説明した各実施形態によれば、以下のような効果が得られる。
（１）ｍｍオーダーの平行光照明を採用するので、被測定面の面形状や微小な傷等の影響を受けにくい。
（２）ｍｍオーダーの平行光照明と可干渉性の良い光源の組合せにより、ｍｍオーダーの測定領域を実現できる。
（３）キヤッツアイによる２往復の経路（２往復干渉測長光学系）を実現したので、高い分解能（波長の１／４周期の正弦波信号を出力）を得ることができる。
（４）キヤッツアイによる２往復干渉測長光学系により、被測定面のアライメントずれが生じても安定した測定を実現できる。
（５）特に第５実施形態によれば、光束の往路、復路光路が空間的に分離されるので、光源への戻り光を排除することができ、アイソレータ等を用いずとも、より安定した測定が可能となる。
（６）被測定部に配置させるコーナーキューブや参照光用の内部コーナーキューブを不要にしたこと（第１〜第５実施形態）により、或いは、キャッツアイのレンズとコリメーターレンズを共用したこと（第３実施形態）等により、光学系の小型化を実現できた。
（７）また、空気中に暴露する部分を短く設定することにより安定した測定を実現できる（空気中に暴露する部分とは、偏光ビームスプリッタから非測定面までの光路で、空気中に光線が通過する部分を指す。この部分の空気が揺らぐと、干渉信号に揺れがでるため、暴露する部分は短いほど測定が安定する）。

第１実施形態によるレーザ干渉計の光学系を説明する図である。図１に示した光学系において、被測定対象面がわずかに傾いた場合の光路を説明する図である。図１に示した光学系において、被測定対象面がｍｍオーダーで平行に面外変位した場合の光路を説明する図である。第２実施形態によるレーザ干渉計の光学系を説明する図である。第３実施形態によるレーザ干渉計の光学系を説明する図である。第４実施形態によるレーザ干渉計の光学系を説明する図である。第５実施形態によるレーザ干渉計の光学系を説明する図である。従来の被測定面へ集光照明する方式の干渉測長方式の光学系説明図である。

Claims

入射した光束を第１光束と第２光束とに分離して、該第１光束が基準面に供給され該第２光束が測定対象面に供給されるように配置されたビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタで得られる前記第１及び第２光束が前記基準面及び前記測定対象面のそれぞれに斜めに入射するように光源からの光束を該ビームスプリッタに導き、前記基準面及び前記測定対象面で反射され前記ビームスプリッタによって統合された前記第１及び第２光束を反射部材に導く光学ユニットと、
前記第１及び第２光束を受光して干渉信号を生成する受光素子とを備え、
前記反射部材で反射した前記第１及び第２光束は、前記光学ユニットで前記ビームスプリッタへ導かれ、該ビームスプリッタにて再び分離され、前記基準面及び前記測定対象面で反射され、該ビームスプリッタで再び統合され、
前記光学ユニットは、該ビームスプリッタで再び統合された前記第１及び第２光束を前記受光素子に導き、
前記受光素子は、前記光学ユニットからの前記第１及び第２光束を受光して該第１及び第２光束の位相差に対応した前記干渉信号を生成し、
前記光学ユニットは、前記ビームスプリッタによって統合された前記第１及び第２光束を前記反射部材の位置に集光することを特徴とする位置検出装置。
入射した光束を第１光束と第２光束とに分離して、該第１光束が基準面に供給され該第２光束が測定対象面に供給されるように配置されたビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタで得られる前記第１及び第２光束が前記基準面及び前記測定対象面のそれぞれに斜めに入射するように光源からの光束を該ビームスプリッタに導き、前記基準面及び前記測定対象面で反射され前記ビームスプリッタによって統合された前記第１及び第２光束を反射部材に導く光学ユニットと、
前記第１及び第２光束を受光して干渉信号を生成する受光素子とを備え、
前記反射部材で反射した前記第１及び第２光束は、前記光学ユニットで前記ビームスプリッタへ導かれ、該ビームスプリッタにて再び分離され、前記基準面及び前記測定対象面で反射され、該ビームスプリッタで再び統合され、
前記光学ユニットは、該ビームスプリッタで再び統合された前記第１及び第２光束を前記受光素子に導き、
前記受光素子は、前記光学ユニットからの前記第１及び第２光束を受光して該第１及び第２光束の位相差に対応した前記干渉信号を生成し、
前記光学ユニットは、前記反射部材の位置を焦点面とする光学素子を有し、
前記光学素子は、前記ビームスプリッタによって統合された前記第１及び第２光束を反射部材に導き、前記反射部材で反射した前記第１及び第２光束を前記ビームスプリッタへ導くことを特徴とする位置検出装置。
前記光学素子は、前記光源からの光束を平行光束に変換して前記ビームスプリッタに導き、前記ビームスプリッタで再び統合された前記第１及び第２光束を前記受光素子に導くことを特徴とする請求項２に記載の位置検出装置。
前記光学素子は、レンズであることを特徴とする請求項２に記載の位置検出装置。
前記レンズは、屈折率分布型レンズであることを特徴とする請求項４に記載の位置検出装置。
前記光学ユニットは、前記光源からの光束を第１の位置に集光する集光手段を有し、
前記光学素子は、該第１の位置を焦点面とするように配置され、前記第１の位置から発散される光束を前記平行光束に変換することを特徴とする請求項３に記載の位置検出装置。
前記集光手段は、前記光源からの光束を伝搬し、前記第１の位置に出射端を有する光ファイバを含むことを特徴とする請求項６に記載の位置検出装置。
前記光学ユニットは、前記光源からの光束を平行光束に変換する第1のレンズと、前記反射部材の位置を焦点面とする第２のレンズと、を有し、
前記第1のレンズは、前記平行光束を前記ビームスプリッタに導き、前記ビームスプリッタで再び統合されて互いに干渉した前記第１及び第２光束を前記受光素子に導き、
前記第２のレンズは、前記ビームスプリッタによって統合された前記第１及び第２光束を反射部材に導き、前記反射部材で反射した前記第１及び第２光束を前記ビームスプリッタへ導くことを特徴とする請求項１に記載の位置検出装置。
前記光学ユニットと前記受光素子の間に配置され、前記光学ユニットからの光束を透過する１／４波長板と、
前記１／４波長板と前記受光素子の間に配置され、前記１／４波長板からの光束を複数の光束に分割するビーム分割素子と、
前記ビーム分割素子と前記受光素子の間に配置された偏光素子アレイと、を備え、
前記受光素子は、前記偏光素子アレイを介した前記複数の光束を受光する分割受光素子であることを特徴とする請求項１又は２に記載の位置検出装置。
入射した光束を第１光束と第２光束とに分離して、該第１光束が基準面に供給され該第２光束が測定対象面に供給されるように配置されたビームスプリッタを用いた位置検出方法であって、
光学ユニットにより、前記ビームスプリッタで得られる前記第１及び第２光束が前記基準面及び前記測定対象面のそれぞれに斜めに入射するように光源からの光束を該ビームスプリッタに導き、
前記光学ユニットにより、前記基準面及び前記測定対象面で反射され前記ビームスプリッタによって統合された前記第１及び第２光束を反射部材に導き、ここで前記ビームスプリッタによって統合された前記第１及び第２光束は前記光学ユニットにより前記反射部材の位置に集光され、
前記光学ユニットにより、前記反射部材で反射した前記第１及び第２光束を前記ビームスプリッタへ導き、ここで前記第１及び第２光束は前記ビームスプリッタにて再び分離され、前記基準面及び前記測定対象面で反射された前記第１及び第２光束は該ビームスプリッタで再び統合され、
前記光学ユニットにより、該ビームスプリッタで再び統合された前記第１及び第２光束を受光素子に導き、
前記受光素子により、前記第１及び第２光束の位相差に対応した干渉信号を生成することを特徴とする位置検出方法。
入射した光束を第１光束と第２光束とに分離して、該第１光束が基準面に供給され該第２光束が測定対象面に供給されるように配置されたビームスプリッタを用いた位置検出方法であって、
光学ユニットにより、前記ビームスプリッタで得られる前記第１及び第２光束が前記基準面及び前記測定対象面のそれぞれに斜めに入射するように光源からの光束を該ビームスプリッタに導き、
前記光学ユニット内の光学素子により、前記基準面及び前記測定対象面で反射され前記ビームスプリッタによって統合された前記第１及び第２光束を、前記光学素子の焦点面に配置された反射部材に導き、
前記光学素子により、前記反射部材で反射した前記第１及び第２光束を前記ビームスプリッタへ導き、ここで前記第１及び第２光束は前記ビームスプリッタにて再び分離され、前記基準面及び前記測定対象面で反射された前記第１及び第２光束は該ビームスプリッタで再び統合され、
前記光学ユニットにより、該ビームスプリッタで再び統合された前記第１及び第２光束を受光素子に導き、
前記受光素子により、前記第１及び第２光束の位相差に対応した干渉信号を生成することを特徴とする位置検出方法。