JPH1144504A

JPH1144504A - 光波干渉測定装置

Info

Publication number: JPH1144504A
Application number: JP9217162A
Authority: JP
Inventors: Jun Kawakami; 潤川上; Keishin Shinjiyou; 啓慎新城
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1997-07-28
Filing date: 1997-07-28
Publication date: 1999-02-16

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、物体の長さ、変位、密度等を高精度
に測定するための光波干渉測定装置に関し、複数の周波
数シフタでの駆動周波数に変動が生じても測定誤差を生
じさせずに屈折率変動情報を得ることができる光波干渉
測定装置を提供することを目的とする。【解決手段】光波干渉測定装置において、移動鏡１０３
７の変位量を測定した第３干渉信号１４０２を光源部３
０００からの第３基準信号１４０１と位相計１５０２で
比較し、参照光路を通った屈折率変動計測用の第１干渉
信号１４１１と光源部３０００からの第１基準信号１４
２１とを位相計１５０３で比較し、測定光路を通った屈
折率変動計測用の第２干渉信号１４１２と光源部３００
０からの第２基準信号１４２２とを位相計１５０３で比
較して、光源部３０００内の複数の周波数シフタによる
駆動周波数の変動分をキャンセルするように構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、物体の長さ、変
位、密度等を高精度に測定するための光波干渉測定装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の光波干渉測定装置の概略の構成を
図１２を用いて説明する。図１２に示す光波干渉測定装
置は、移動鏡の変位量の測定および、参照光路中と測定
光路中の空気や他の気体の屈折率変動の測定をヘテロダ
イン干渉法で行うものである。また、図１３は、図１２
の周波数シフト部２０００の構成を概略的に示してい
る。

【０００３】図１２において、光源１０００から周波数
ｆ１の光と周波数ｆ２（＝２×ｆ１）の光とが周波数シ
フト部２０００に向けて射出される。このとき、周波数
ｆ１の光および周波数ｆ２の光の偏光方位は、例えば図
１２の紙面に対して４５°傾いている。図１３を参照す
ると、周波数シフト部２０００に入射した周波数ｆ２の
光は、周波数分離素子１０１１を透過して偏光分離素子
１０２３に入射する。偏光分離素子１０２３で反射され
た周波数ｆ２の光は、反射鏡１０３３で反射されて、例
えば音響光学素子からなる周波数シフタ１２０１に入射
し、周波数シフタ１２０１により周波数ｆ２とはわずか
に周波数の異なる周波数ｆ２ａ（＝ｆ２＋Δｆ２ａ）の
光に周波数シフトされる。一方、偏光分離素子１０２３
を透過した周波数ｆ２の光は、周波数シフタ１２０２に
より、周波数ｆ２ｂ（＝ｆ２＋Δｆ２ｂ）の光に周波数
シフトされる。

【０００４】周波数シフタ１２０１で周波数シフトされ
た周波数ｆ２ａの光は反射鏡１０３４で反射されて偏光
分離素子１０２４に入射し、周波数１２０２で周波数シ
フトされた周波数ｆ２ｂの光は直接偏光分離素子１０２
４に入射する。こうして、偏光分離素子１０２４により
結合された周波数ｆ２ａの光と周波数ｆ２ｂの光とは、
周波数分離素子１０１２に入射する。

【０００５】また一方、光源１０００からの周波数ｆ１
の光は、周波数分離素子１０１１で反射された後、偏光
分離素子１０２１に入射する。偏光分離素子１０２１で
反射された周波数ｆ１の光は、周波数シフタ１１０１に
より周波数ｆ１ａ（＝ｆ１＋Δｆ１ａ）の光に周波数シ
フトされる。また、偏光分離素子１０２１を透過した周
波数ｆ１の光は、反射鏡１０３１で反射されて周波数シ
フタ１１０２に入射し、周波数シフタ１１０２により周
波数ｆ１ｂ（＝ｆ１＋Δｆ１ｂ）の光に周波数シフトさ
れる。

【０００６】周波数シフタ１１０１で周波数シフトされ
た周波数ｆ１ａの光は直接偏光分離素子１０２２に入射
する。周波数シフタ１１０２で周波数シフトされた周波
数ｆ１ｂの光は反射鏡１０３２で反射された後偏光分離
素子１０２２に入射する。こうして、偏光分離素子１０
２２により結合された周波数ｆ１ａの光と周波数ｆ１ｂ
の光とは、周波数分離素子１０１２に入射する。

【０００７】周波数分離素子１０１２により結合された
周波数ｆ２ａの光と周波数ｆ２ｂの光、および周波数ｆ
１ａの光と周波数ｆ１ｂの光とは、ビームスプリッタ１
０５１を介して周波数シフト部２０００から射出され
る。

【０００８】再び図１２に戻って、周波数シフト部２０
００から射出された各々の光は、反射鏡１０３５により
光路を折り曲げられて偏光分離素子１０２５に向けて射
出される。偏光分離素子１０２５において、周波数ｆ１
ａの光および周波数ｆ２ａの光は反射されて参照光路に
向かう。参照光路には、コーナーキューブプリズムであ
る固定鏡１０３６が設けられており、周波数ｆ１ａの光
および周波数ｆ２ａの光は反射鏡１０３８により偏光分
離素子１０２５と固定鏡１０３６との間を２往復した
後、偏光分離素子１０２５から射出される。偏光分離素
子１０２５を射出した周波数ｆ１ａの光および周波数ｆ
２ａの光は、ビームスプリッタ１０５２に入射する。

【０００９】また、周波数ｆ１ｂの光および周波数ｆ２
ｂの光は偏光分離素子１０２５を透過して測定光路に向
かう。測定光路には、コーナーキューブプリズムである
移動鏡１０３７が設けられており、周波数ｆ１ｂの光お
よび周波数ｆ２ｂの光は反射鏡１０３８により偏光分離
素子１０２５と移動鏡１０３７との間を２往復した後、
偏光分離素子１０２５から射出される。偏光分離素子１
０２５を射出した周波数ｆ１ｂの光および周波数ｆ２ｂ
の光は、反射鏡１０３９、反射鏡１０４０で反射してビ
ームスプリッタ１０５２に入射する。

【００１０】このように、偏光分離素子１０２５で参照
光路と測定光路とに分離された光はその後共通の光路を
通ることなく偏光分離素子１０２５から射出されて、ビ
ームスプリッタ１０５２の異なる位置に入射する。ビー
ムスプリッタ１０５２では、周波数ｆ１ａの光の一部と
周波数ｆ１ｂの光の一部が透過し、周波数ｆ１ａの光お
よび周波数ｆ１ｂの光の残りと周波数ｆ２ａの光および
周波数ｆ２ｂの光は反射される。

【００１１】測定光路を経てビームスプリッタ１０５２
で反射された周波数ｆ１ｂの光および周波数ｆ２ｂの光
のうち、周波数の低い周波数ｆ１ｂの光は、周波数変換
素子１０７２により周波数２×ｆ１ｂ（＝ｆ２＋２Δｆ
１ｂ）の光に周波数変換される。測定光路を経て周波数
変換素子１０７２で周波数変換された周波数２×ｆ１ｂ
の光と、測定光路を経て周波数変換素子１０７２をその
まま透過した周波数ｆ２ｂの光とが干渉し、その干渉光
は光電変換素子１３１２で検出される。光電変換素子１
３１２からの干渉信号１４１２は、位相計１５０１に入
力される。

【００１２】同様に、参照光路を経てビームスプリッタ
１０５２で反射された周波数ｆ１ａの光および周波数ｆ
２ａの光のうち、周波数の低い周波数ｆ１ａの光は、周
波数変換素子１０７１により周波数２×ｆ１ａ（＝ｆ２
＋２Δｆ１ａ）の光に周波数変換される。参照光路を経
て周波数変換素子１０７１で周波数変換された周波数２
×ｆ１ａの光と、参照光路を経て周波数変換素子１０７
１をそのまま透過した周波数ｆ２ａの光とが干渉し、そ
の干渉光は光電変換素子１３１１で検出される。光電変
換素子１３１１からの干渉信号１４１１は、位相計１５
０１に入力される。

【００１３】位相計１５０１は、干渉信号１４１１に対
する干渉信号１４１２の位相変化を測定することによ
り、周波数ｆ２の光による移動鏡１０３７の測定変位量
ΔＤ（ｆ２）と周波数ｆ１の光による移動鏡１０３７の
測定変位量ΔＤ（ｆ１）との差である屈折率変動情報１
４５１、すなわち｛ΔＤ（ｆ２）−ΔＤ（ｆ１）｝を求
め、これを演算器１６００に出力する。

【００１４】このとき干渉信号１４１１の搬送周波数
（２Δｆ１ａ−Δｆ２ａ）と干渉信号１４１２の搬送周
波数（２Δｆ１ｂ−Δｆ２ｂ）は、等しくすることが必
要である。

【００１５】また、図１３に示した周波数シフト部２０
００のビームスプリッタ１０５１は、入射した周波数ｆ
１ａの光および周波数ｆ１ｂの光のうち一部を反射し、
周波数ｆ１ａの光および周波数ｆ１ｂの光のうちの残り
の部分、周波数ｆ２ａの光および周波数ｆ２ｂの光を透
過させる。ビームスプリッタ１０５１で反射された周波
数ｆ１ａの光および周波数ｆ１ｂの光は、偏光板１０６
１を介して干渉する。その干渉光は、光電変換素子１３
０１によって検出され、干渉信号１４０１を位相計１５
０２に出力する。

【００１６】一方、ビームスプリッタ１０５２を透過し
た周波数ｆ１ａの光は、反射鏡１０４１で反射して偏光
分離素子１０２６で周波数ｆ１ｂの光と結合され、偏光
板１０６２を介して干渉する。干渉光は光電変換素子１
３０２で検出され、干渉信号１４０２を位相計１５０２
に出力する。

【００１７】位相計１５０２では、干渉信号１４０１に
対する干渉信号１４０２の位相変化を測定し、周波数ｆ
１の光による移動鏡１０３７の測定変位量情報１４５
２、すなわちΔＤ（ｆ１）を求め、演算器１６００に出
力する。演算器１６００では、測定変位量情報１４５２
（ΔＤ（ｆ１））を屈折率変動情報１４５１（｛ΔＤ
（ｆ２）−ΔＤ（ｆ１）｝）で補正することによって、
移動鏡１０３７の幾何学的変位量ΔＤを求める。

【００１８】以下、移動鏡１０３７の測定変位量ΔＤ
（ｆ１）から、幾何学的変位量ΔＤへの補正について説
明する。周波数ｆ１およびｆ２の光に対する光路長Ｄ
（ｆ１）およびＤ（ｆ２）は、それぞれ次の式（１）、
（２）により表される。

【００１９】Ｄ（ｆ１）＝［１＋Ｎ・Ｆ（ｆ１）］・Ｄ・・・（１）Ｄ（ｆ２）＝［１＋Ｎ・Ｆ（ｆ２）］・Ｄ・・・（２）

【００２０】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（ｆ）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
ｆのみに依存する関数である。上述の式（１）、（２）
より、幾何学的距離Ｄは、次の式（３）によって与えら
れる。

【００２１】Ｄ＝Ｄ（ｆ１）−Ａ［Ｄ（ｆ２）−Ｄ（ｆ１）］・・・（３）但し、Ａ＝Ｆ（ｆ１）／［Ｆ（ｆ２）−Ｆ（ｆ１）］
である。

【００２２】従って、幾何学的変位量ΔＤは、次の式
（４）によって与えられる。 ΔＤ＝ΔＤ（ｆ１）−Ａ［ΔＤ（ｆ２）−ΔＤ（ｆ１）］・・・（４）

【００２３】

【発明が解決しようとする課題】このように従来のヘテ
ロダイン方式の光波干渉測定装置では、図１３に示した
ような複数の周波数シフタ１１０１、１１０２、１２０
１、１２０２により複数の所望の周波数の光が生成され
ている。そして、これらの複数の周波数の光を参照光
路、測定光路にそれぞれ振り分けて移動鏡の移動量の測
定、参照光路上および測定光路上の気体の屈折率変動の
測定を行うようにしている。このようなヘテロダイン方
式による干渉測定では、異なる２つの周波数の光の所定
の周波数差（ビート周波数）を基準としてそのビート周
波数の変動量を測定して測長距離、あるいは屈折率変動
量を求めている。従って、測定と無関係な要因によりビ
ート周波数が変動してしまうと、その変動量は測定デー
タに重畳されて取り除くことができない測定誤差となっ
てしまう。

【００２４】ところが、上述の従来の光波干渉測定装置
では、図１３に示した周波数シフタ１１０１、１１０
２、１２０１、１２０２の駆動周波数変動の影響につい
て考慮されていない。従って、周波数シフタ１１０１、
１１０２、１２０１、１２０２の駆動周波数変動が各周
波数シフタにおいて独立に生じてしまうと、参照光路を
経た光の干渉信号１４１１の搬送周波数（２Δｆ１ａ−
Δｆ２ａ）と参照光路を経た光の干渉信号１４１２の搬
送周波数（２Δｆ１ｂ−Δｆ２ｂ）とが等しくなくな
り、正しい屈折率変動情報１４５１が得られなくなると
いう問題がある。

【００２５】本発明は、上記従来の技術が有していた問
題を解決するためになされたものであり、その目的は、
複数の周波数シフタでの駆動周波数に変動が生じても測
定誤差を生じさせずに屈折率変動情報を得ることがで
き、移動鏡の幾何学的変位量を高精度に測定することが
できる光波干渉測定装置を提供することにある。

【００２６】

【課題を解決するための手段】上記目的は、第１の周波
数を有する第１の光と、第１の光と偏光方位が直交し第
２の周波数を有する第２の光と、第１の光と偏光方位が
同一で第３の周波数を有する第３の光と、第３の光と偏
光方位が直交し第４の周波数を有する第４の光とを同一
光路に沿って射出する光源部と、光源部から射出された
第１の光および第３の光を固定鏡が設けられた参照光路
に導き、記第２の光および第４の光を移動鏡が設けられ
た測定光路に導く偏光分離手段と、参照光路を通った第
１の光と、第３の光の周波数をほぼ一致させて干渉さ
せ、第１干渉信号を生成する第１干渉信号生成系と、測
定光路を通った第２の光と、第４の光の周波数をほぼ一
致させて干渉させ、第２干渉信号を生成する第２干渉信
号生成系と、参照光路を通った第３の光と、測定光路を
通った第４の光とを干渉させて第３干渉信号を生成する
第３干渉信号生成系とを備え、第１干渉信号と第２干渉
信号とに基づいて測定された参照光路中および測定光路
中の屈折率変動情報により、第３干渉信号に基づいて測
定された移動鏡の測定変位量を補正して、移動鏡の幾何
学的変位量を測定する光波干渉測定装置において、光源
部は、第１干渉信号の基準信号となる第１基準信号を生
成する第１基準信号生成系と、第２干渉信号の基準信号
となる第２基準信号を生成する第２基準信号生成系と、
第３干渉信号の基準信号となる第３基準信号を生成する
第３基準信号生成系とをさらに備えていることを特徴と
する光波干渉測定装置によって達成される。

【００２７】本発明の光波干渉測定装置において、第１
基準信号生成系は、第１、および第３の周波数を電気的
に混合して第１基準信号を生成し、第２基準信号生成系
は、第２、および第４の周波数を電気的に混合して第２
基準信号を生成するようにしてもよい。

【００２８】また、第１基準信号生成系は、第１、およ
び第３の光の周波数をほぼ一致させて干渉させて第１基
準信号を生成し、第２基準信号生成系は、第２、および
第４の光の周波数をほぼ一致させて干渉させて第２基準
信号を生成するようにしてもよい。

【００２９】さらに、これらの光波干渉測定装置におい
て、第３基準信号生成系は、第３および第４の周波数を
電気的に混合して第３基準信号を生成するようにしても
よい。あるいは、第３基準信号生成系は、第３の光と第
４の光とを干渉させて第３基準信号を生成するようにし
てもよい。

【００３０】さらに、第３干渉信号生成系は、第３及び
第４の光に代えて、参照光路を通った第１の光と、測定
光路を通った第２の光を干渉させて第３干渉信号を生成
するようにしてもよい。この場合、第３基準信号生成系
は、第１および第２の周波数を電気的に混合して第３基
準信号を生成するようにしても、第１の光と第２の光と
を干渉させて第３基準信号を生成するようにすることも
できる。

【００３１】上記のような本発明の構成によれば、参照
光路を経た光の干渉信号および測定光路を経た光の干渉
信号は、それぞれの基準信号と比較されるため、屈折率
変動情報に駆動周波数変動による測定誤差が重畳してし
まうことはない。これにより、変位測定に及ぼす屈折率
変動の影響を正確に測定することができ、移動鏡の幾何
学的変位量を高精度に測定することができるようにな
る。

【００３２】

【発明の実施の形態】本発明の一実施の形態による光波
干渉測定装置を図１乃至図１１を用いて説明する。図１
は本実施の形態による光波干渉測定装置の概略の構成を
示している。また、図２乃至図９は、図１に示した光源
部３０００の種々の構成を概略的に示している。図１０
および図１１は、図２乃至図９に示した光源装置４００
０の構成例をそれぞれ概略的に示している。

【００３３】まず、本実施の形態による光波干渉測定装
置の概略の構成を図１、図２、および図１０、図１１を
用いて説明する。ここでは図１における光源部３０００
内が図２に示す構成である場合について説明する。

【００３４】まず、図２に示す光源装置４０００から、
周波数ｆ１の光と周波数ｆ２（＝２×ｆ１）の光とが射
出される。このとき、周波数ｆ１の光および周波数ｆ２
の光の偏光方位は、例えば図２の紙面に対して４５°傾
いている。光源装置４０００の構成は、例えば図１０に
示すように、光源１００１から周波数ｆ１の光が射出さ
れ、周波数変換素子１０７０で周波数ｆ１の光の一部が
周波数ｆ２に変換された後、周波数分離素子１０１１で
周波数ｆ１の光のみが透過し周波数ｆ２の光が反射され
反射鏡１０３０を介して射出されるものである。あるい
は、光源装置４０００の別の構成として、図１１に示す
ように一つの光源１００２から周波数ｆ１の光と周波数
ｆ２（＝２×ｆ１）の光とが射出するものでもよい。

【００３５】図２において、光源装置４０００からの周
波数ｆ２の光は、偏光分離素子１０２３に入射する。偏
光分離素子１０２３で反射された周波数ｆ２の光は、反
射鏡１０３３で反射されて、例えば音響光学素子からな
る周波数シフタ１２０１に入射し、周波数シフタ１２０
１により周波数ｆ２とはわずかに周波数の異なる周波数
ｆ２ａ（＝ｆ２＋Δｆ２ａ）の光に周波数シフトされ
る。一方、偏光分離素子１０２３を透過した周波数ｆ２
の光は、周波数シフタ１２０２により、周波数ｆ２ｂ
（＝ｆ２＋Δｆ２ｂ）の光に周波数シフトされる。

【００３６】周波数シフタ１２０１で周波数シフトされ
た周波数ｆ２ａの光は反射鏡１０３４で反射されて偏光
分離素子１０２４に入射し、周波数シフタ１２０２で周
波数シフトされた周波数ｆ２ｂの光は直接偏光分離素子
１０２４に入射する。こうして、偏光分離素子１０２４
により結合された周波数ｆ２ａの光と周波数ｆ２ｂの光
とは、反射鏡１０４２で光路を折り曲げられて周波数分
離素子１０１２に入射する。

【００３７】また一方、光源装置４０００からの周波数
ｆ１の光は、偏光分離素子１０２１に入射する。偏光分
離素子１０２１で反射された周波数ｆ１の光は、反射鏡
１０３１で反射されて周波数シフタ１１０１により周波
数ｆ１ａ（＝ｆ１＋Δｆ１ａ）の光に周波数シフトされ
る。また、偏光分離素子１０２１を透過した周波数ｆ１
の光は、周波数シフタ１１０２に入射し、周波数シフタ
１１０２により周波数ｆ１ｂ（＝ｆ１＋Δｆ１ｂ）の光
に周波数シフトされる。

【００３８】周波数シフタ１１０１で周波数シフトされ
た周波数ｆ１ａの光は反射鏡１０３２で反射された後偏
光分離素子１０２２に入射する。周波数シフタ１１０２
で周波数シフトされた周波数ｆ１ｂの光は直接偏光分離
素子１０２２に入射する。こうして、偏光分離素子１０
２２により結合された周波数ｆ１ａの光と周波数ｆ１ｂ
の光とは、周波数分離素子１０１２に入射する。

【００３９】周波数分離素子１０１２により結合された
周波数ｆ２ａの光と周波数ｆ２ｂの光、および周波数ｆ
１ａの光と周波数ｆ１ｂの光とは、光源部３０００から
射出される。このとき、周波数ｆ１ａの光と周波数ｆ２
ａの光の偏光方位は一致しており、周波数ｆ１ｂの光と
周波数ｆ２ｂの光の偏光方位は一致しており、周波数ｆ
１ａの光と周波数ｆ１ｂの光の偏光方位は直交してい
る。図１において、光源部３０００から射出された各々
の光は、反射鏡１０３５により光路を折り曲げられて偏
光分離素子１０２５に向けて射出される。

【００４０】偏光分離素子１０２５において、周波数ｆ
１ａの光および周波数ｆ２ａの光は反射されて参照光路
に向かう。参照光路には、コーナーキューブプリズムで
ある固定鏡１０３６が設けられており、周波数ｆ１ａの
光および周波数ｆ２ａの光は反射鏡１０３８により偏光
分離素子１０２５と固定鏡１０３６との間を２往復した
後、偏光分離素子１０２５から射出される。偏光分離素
子１０２５を射出した周波数ｆ１ａの光および周波数ｆ
２ａの光は、ビームスプリッタ１０５９に入射する。

【００４１】また、周波数ｆ１ｂの光および周波数ｆ２
ｂの光は偏光分離素子１０２５を透過して測定光路に向
かう。測定光路には、コーナーキューブプリズムである
移動鏡１０３７が設けられており、周波数ｆ１ｂの光お
よび周波数ｆ２ｂの光は反射鏡１０３８により偏光分離
素子１０２５と移動鏡１０３７との間を２往復した後、
偏光分離素子１０２５から射出される。偏光分離素子１
０２５を射出した周波数ｆ１ｂの光および周波数ｆ２ｂ
の光は、反射鏡１０３９、反射鏡１０４０で反射してビ
ームスプリッタ１０５９に入射する。

【００４２】このように、偏光分離素子１０２５で参照
光路と測定光路とに分離された光はその後共通の光路を
通ることなく偏光分離素子１０２５から射出されて、ビ
ームスプリッタ１０５９の異なる位置に入射する。ビー
ムスプリッタ１０５９では、周波数ｆ２ａの光の一部と
周波数ｆ２ｂの光の一部が透過し、周波数ｆ１ａの光お
よび周波数ｆ１ｂの光と周波数ｆ２ａの光および周波数
ｆ２ｂの光の残りは反射される。

【００４３】測定光路を経てビームスプリッタ１０５９
で反射された周波数ｆ１ｂの光および周波数ｆ２ｂの光
のうち、周波数の低い周波数ｆ１ｂの光は、周波数変換
素子１０７２により周波数２×ｆ１ｂ（＝ｆ２＋２Δｆ
１ｂ）の光に周波数変換される。測定光路を経て周波数
変換素子１０７２で周波数変換された周波数２×ｆ１ｂ
の光と、測定光路を経て周波数変換素子１０７２をその
まま透過した周波数ｆ２ｂの光とが干渉し、その干渉光
は光電変換素子１３１２で検出される。光電変換素子１
３１２からの干渉信号（第２干渉信号）１４１２は、位
相計１５０３に入力される。

【００４４】同様に、参照光路を経てビームスプリッタ
１０５９で反射された周波数ｆ１ａの光および周波数ｆ
２ａの光のうち、周波数の低い周波数ｆ１ａの光は、周
波数変換素子１０７１により周波数２×ｆ１ａ（＝ｆ２
＋２Δｆ１ａ）の光に周波数変換される。参照光路を経
て周波数変換素子１０７１で周波数変換された周波数２
×ｆ１ａの光と、参照光路を経て周波数変換素子１０７
１をそのまま通過した周波数ｆ２ａの光とが干渉し、そ
の干渉光は光電変換素子１３１１で検出される。光電変
換素子１３１１からの干渉信号（第１干渉信号）１４１
１は、位相計１５０３に入力される。

【００４５】また、ビームスプリッタ１０５９を透過し
た周波数ｆ２ａの光は、反射鏡１０４１で反射して偏光
分離素子１０２６で周波数ｆ２ｂの光と結合され、偏光
板１０６２を介して干渉する。干渉光は光電変換素子１
３０２で検出され、干渉信号（第３干渉信号）１４０２
を位相計１５０２に出力する。

【００４６】一方、図２に示す光源部３０００におい
て、周波数シフタ１２０１を駆動するドライバ２２０１
からの信号（周波数△ｆ２ａ）は、ミキサ３４０１およ
びミキサ３４２１に供給されるようになっている。ま
た、周波数シフタ１２０２を駆動するドライバ２２０２
からの信号（周波数△ｆ２ｂ）は、ミキサ３４０１およ
びミキサ３４２２に供給されるようになっている。

【００４７】さらに、周波数シフタ１１０１を駆動する
ドライバ２１０１からの信号（周波数△ｆ１ａ）は、ミ
キサ３４２１に供給されるようになっている。また、周
波数シフタ１１０２を駆動するドライバ２１０２からの
信号（周波数△ｆ１ｂ）は、ミキサ３４２２に供給され
るようになっている。

【００４８】そして、ミキサ３４０１では、周波数△ｆ
２ａと周波数△ｆ２ｂの差周波信号｛周波数（△ｆ２ａ
−△ｆ２ｂ）｝を第３基準信号１４０１として位相計１
５０２に出力するようになっている。

【００４９】また、ミキサ３４２１では、周波数△ｆ２
ａと周波数△ｆ１ａの２倍の周波数との差周波信号｛周
波数（△ｆ２ａ−２×△ｆ１ａ）｝を第１基準信号１４
２１として位相計１５０３に出力するようになってい
る。また、ミキサ３４２２では、周波数△ｆ２ｂと周波
数△ｆ１ｂの２倍の周波数との差周波信号｛周波数（△
ｆ２ｂ−２×△ｆ１ｂ）｝を第２基準信号１４２２とし
て位相計１５０３に出力するようになっている。

【００５０】位相計１５０３では、第１基準信号１４２
１に対する第１干渉信号１４１１の位相変化と、第２基
準信号１４２２に対する第２干渉信号１４１２の位相変
化との差を測定し、周波数ｆ２の光による測定変位量△
Ｄ（ｆ２）と周波数ｆ１の光による測定変位量△Ｄ（ｆ
１）との差である屈折率変動情報１４５３、すなわち
｛△Ｄ（ｆ２）−△Ｄ（ｆ１）｝を求め、これを演算器
１６００に出力する。

【００５１】位相計１５０２では、第３基準信号１４０
１に対する第３干渉信号１４０２の位相変化を測定し、
周波数ｆ２の光による移動鏡１０３７の測定変位量情報
１４５２、すなわち△Ｄ（ｆ２）を求め、演算器１６０
０に出力する。

【００５２】演算器１６００では、測定変位量情報１４
５２（ΔＤ（ｆ２））を屈折率変動情報１４５３（｛Δ
Ｄ（ｆ２）−ΔＤ（ｆ１）｝）で補正することによっ
て、移動鏡１０３７の幾何学的変位量ΔＤを求める。

【００５３】ここで本実施の形態における移動鏡１０３
７の測定変位量ΔＤ（ｆ１）から、幾何学的変位量ΔＤ
への補正について以下に説明する。周波数ｆ１およびｆ
２の光に対する光路長Ｄ（ｆ１）およびＤ（ｆ２）は、
従来の技術で説明した式（１）及び式（２）と同様に表
される。本実施の形態においては、測長用に周波数ｆ２
の光を用いているので上述の式（１）、（２）より、幾
何学的距離Ｄは、次の式（５）によって与えられる。

【００５４】Ｄ＝Ｄ（ｆ２）−Ａ［Ｄ（ｆ２）−Ｄ（ｆ１）］・・・（５）但し、Ａ＝Ｆ（ｆ２）／［Ｆ（ｆ２）−Ｆ（ｆ１）］
である。

【００５５】従って、幾何学的変位量ΔＤは、次の式
（６）によって与えられる。 ΔＤ＝ΔＤ（ｆ２）−Ａ［ΔＤ（ｆ２）−ΔＤ（ｆ１）］・・・（６）

【００５６】以上説明したように、本実施の形態による
光波干渉測定装置においては、参照光路を経た光の干渉
信号および測定光路を経た光の干渉信号が、それぞれの
基準信号と比較されるため、屈折率変動情報に周波数シ
フタの駆動周波数変動による測定誤差が重畳することを
防止させることができるようになる。これにより、変位
測定に及ぼす屈折率変動の影響を正確に測定することが
でき、移動鏡の幾何学的変位量を高精度に測定すること
ができるようになる。

【００５７】以下、本実施の形態における光源部３００
０内の種々の変形例を図３乃至図９を用いて説明する。
まず、図３は、第３基準信号１４０１として、周波数シ
フタ１１０１を駆動するドライバ２１０１からの信号
（周波数△ｆ１ａ）と、周波数シフタ１１０２を駆動す
るドライバ２１０２からの信号（周波数△ｆ１ｂ）との
差周波信号｛周波数（△ｆ１ａ−△ｆ１ｂ）｝を用いた
場合の光源部３０００内の構成例を示している。

【００５８】図３に示す光源部３０００において、周波
数シフタ１２０１を駆動するドライバ２２０１からの信
号（周波数△ｆ２ａ）は、ミキサ３４２１に供給される
ようになっている。また、周波数シフタ１２０２を駆動
するドライバ２２０２からの信号（周波数△ｆ２ｂ）
は、ミキサ３４２２に供給されるようになっている。

【００５９】さらに、周波数シフタ１１０１を駆動する
ドライバ２１０１からの信号（周波数△ｆ１ａ）は、ミ
キサ３４２１およびミキサ３４０１に供給されるように
なっている。また、周波数シフタ１１０２を駆動するド
ライバ２１０２からの信号（周波数△ｆ１ｂ）は、ミキ
サ３４２２およびミキサ３４０１に供給されるようにな
っている。

【００６０】従って、ミキサ３４０１からは、周波数△
ｆ１ａと周波数△ｆ１ｂの差周波信号｛周波数（△ｆ１
ａ−△ｆ１ｂ）｝が第３基準信号１４０１として位相計
１５０２に出力される。

【００６１】また、ミキサ３４２１からは、周波数△ｆ
２ａと周波数△ｆ１ａの２倍の周波数との差周波信号
｛周波数（△ｆ２ａ−２×△ｆ１ａ）｝が第１基準信号
１４２１として位相計１５０３に出力される。また、ミ
キサ３４２２からは、周波数△ｆ２ｂと周波数△ｆ１ｂ
の２倍の周波数との差周波信号｛周波数（△ｆ２ｂ−２
×△ｆ１ｂ）｝が第２基準信号１４２２として位相計１
５０３に出力される。

【００６２】この図３に示す光源部３０００の場合、図
１におけるビームスプリッタ１０５９は、周波数ｆ１ａ
の光の一部と周波数ｆ１ｂの光の一部のみを透過し、他
は反射するものであり、光電変換素子１３０２で検出さ
れ出力される第３干渉信号１４０２は、周波数ｆ１ａの
光と周波数ｆ１ｂの光との干渉によるものである。従っ
て、この場合の幾何学的変位量△Ｄは、式（４）で算出
される。

【００６３】次に、図４に示す光源部３０００は、第１
基準信号１４２１と第２基準信号１４２２を干渉光から
生成する場合の構成例を示している。この図４に示した
光源部３０００を図２に示した光源部３０００との相違
で説明する。

【００６４】図４の光源部３０００は、周波数シフタ１
２０１を駆動するドライバ２２０１からの信号（周波数
△ｆ２ａ）がミキサ３４０１に供給され、周波数シフタ
１２０２を駆動するドライバ２２０２からの信号（周波
数△ｆ２ｂ）がミキサ３４０１に供給され、ミキサ３４
０１から周波数△ｆ２ａと周波数△ｆ２ｂの差周波信号
｛周波数（△ｆ２ａ−△ｆ２ｂ）｝が第３基準信号１４
０１として位相計１５０２に出力される点では図２の光
源部３０００と同様である。ところが、図４の光源部３
０００は、第１基準信号１４２１と第２基準信号１４２
２を干渉光から生成するようにしているので、図２にお
けるようなミキサ３４２１、３４２２は設けられていな
い。その代わり、図４の光源部３０００においては、以
下のような光学系を用いて第１基準信号１４２１と第２
基準信号１４２２を光学的に生成している。

【００６５】図４の光源部３０００では、周波数シフタ
１２０１で周波数変換された周波数ｆ２ａの光の一部は
ビームスプリッタ１０５３で反射した後反射鏡１０４３
で反射して周波数分離素子１０１３に入射し、周波数シ
フタ１１０１で周波数変換された周波数ｆ１ａの光の一
部はビームスプリッタ１０５５で反射して周波数分離素
子１０１３に入射して、両光は周波数分離素子１０１３
で結合する。このうち周波数の低い周波数ｆ１ａの光
は、周波数変換素子１０７３により周波数２×ｆ１ａ
（＝ｆ２＋２△ｆ１ａ）の光に変換される。この周波数
変換された周波数２×ｆ１ａの光と、周波数変換素子１
０７３をそのまま透過した周波数ｆ２ａの光とが干渉
し、その干渉光は光電変換素子１３２１で検出され、第
１基準信号１４２１として位相計１５０３に出力され
る。

【００６６】同様に、周波数シフタ１２０２で周波数変
換された周波数ｆ２ｂの光の一部はビームスプリッタ１
０５４で反射した後反射鏡１０４４で反射して周波数分
離素子１０１４に入射し、周波数シフタ１１０２で周波
数変換された周波数ｆ１ｂの光の一部はビームスプリッ
タ１０５６で反射して周波数分離素子１０１４に入射し
て、両光は周波数分離素子１０１４で結合する。このう
ち周波数の低い周波数ｆ１ｂの光は、周波数変換素子１
０７４により周波数２×ｆ１ｂ（＝ｆ２＋２△ｆ１ｂ）
の光に変換される。この周波数変換された周波数２×ｆ
１ｂの光と、周波数変換素子１０７４をそのまま透過し
た周波数ｆ２ｂの光とが干渉し、その干渉光は光電変換
素子１３２２で検出され、第２基準信号１４２２として
位相計１５０３に出力される。

【００６７】このように、図４に示したような光源部３
０００の構成においても、参照光路を経た光の干渉信号
および測定光路を経た光の干渉信号が、それぞれの基準
信号と比較されるため、屈折率変動情報に周波数シフタ
の駆動周波数変動による測定誤差が重畳することはな
い。従って、変位測定に及ぼす屈折率変動の影響を正確
に測定することができ、移動鏡の幾何学的変位量を高精
度に測定することができるようになる。

【００６８】次に、図５に示す光源部３０００は、図４
に示した光源部３０００の構成例に対して、第３基準信
号１４０１として、周波数シフタ１１０１を駆動するド
ライバ２１０１からの信号（周波数△ｆ１ａ）と、周波
数シフタ１１０２を駆動するドライバ２１０２からの信
号（周波数△ｆ１ｂ）との、差周波信号｛周波数（△ｆ
１ａ−△ｆ１ｂ）｝を用いた点が異なっている構成例を
示すものである。

【００６９】このとき、図１におけるビームスプリッタ
１０５９は、周波数ｆ１ａの光の一部と周波数ｆ１ｂの
光の一部のみを透過し、他は反射するものであり、光電
変換素子１３０２で検出され出力される第３干渉信号１
４０２は、周波数ｆ１ａの光と周波数ｆ１ｂの光との干
渉によるものである。この場合の幾何学的変位量△Ｄ
は、式（４）で算出される。

【００７０】次に、図６に示す光源部３０００は、図４
に示した光源部３０００の構成例に対して、第３基準信
号も干渉光から生成する場合を示している。この図６に
示した光源部３０００を図４に示した光源部３０００と
の相違で説明する。

【００７１】図６に示す光源部３０００では、偏光分離
素子１０２４で結合された、周波数ｆ２ａの光と周波数
ｆ２ｂの光が、ビームスプリッタ１０５７でそれぞれの
一部が反射され、偏光板１０６３を介して干渉する。干
渉光は光電変換素子１３０３で検出され、第３基準信号
１４０１として位相計１５０２に出力される。

【００７２】次に、図７に示す光源部３０００は、図５
に示した光源部３０００の構成例に対して、第３基準信
号も干渉光から生成する場合の構成例を示すものであ
る。この図７に示した光源部３０００を図５に示した光
源部３０００との相違で説明する。

【００７３】図７に示す光源部３０００では、偏光分離
素子１０２２で結合された、周波数ｆ１ａの光と周波数
ｆ１ｂの光が、ビームスプリッタ１０５８でそれぞれの
一部が反射され、偏光板１０６１を介して干渉する。干
渉光は光電変換素子１３０１で検出され、第３基準信号
１４０１として位相計１５０２に出力される。

【００７４】このとき、図１におけるビームスプリッタ
１０５９は、周波数ｆ１ａの光の一部と周波数ｆ１ｂの
光の一部のみを透過し、他は反射するものであり、光電
変換素子１３０２で検出され出力される第３干渉信号１
４０２は、周波数ｆ１ａの光と周波数ｆ１ｂの光との干
渉によるものである。従って、この場合の幾何学的変位
量△Ｄは、式（４）で算出される。

【００７５】次に、図８に示す光源部３０００では、図
２に示した光源部３０００の構成例に対して、第３基準
信号を干渉光から作成するときの構成例を示すものであ
る。この図８に示した光源部３０００を図２に示した光
源部３０００との相違で説明する。

【００７６】図８に示す光源部３０００では、偏光分離
素子１０２４で結合された、周波数ｆ２ａの光と周波数
ｆ２ｂの光が、ビームスプリッタ１０５７でそれぞれの
一部が反射され、偏光板１０６３を介して干渉する。干
渉光は光電変換素子１３０３で検出され、第３基準信号
１４０１として位相計１５０２に出力される。

【００７７】次に、図９に示す光源部３０００では、図
３に示した光源部３０００の構成例に対して、第３基準
信号を干渉光から作成するときの構成例を示すものであ
る。この図９に示した光源部３０００を図３に示した光
源部３０００との相違で説明する。

【００７８】図９に示す光源部３０００では、偏光分離
素子１０２２で結合された、周波数ｆ１ａの光と周波数
ｆ１ｂの光は、ビームスプリッタ１０５８でそれぞれの
一部が反射され、偏光板１０６１を介して干渉する。干
渉光は光電変換素子１３０１で検出され、第３基準信号
１４０１として位相計１５０２に出力される。

【００７９】このとき、図１におけるビームスプリッタ
１０５９は、周波数ｆ１ａの光の一部と周波数ｆ１ｂの
光の一部のみを透過し、他は反射するものであり、光電
変換素子１３０２で検出され出力される第３干渉信号１
４０２は、周波数ｆ１ａの光と周波数ｆ１ｂの光との干
渉によるものである。この場合、幾何学的変位量△Ｄ
は、式（４）で算出する。

【００８０】以上説明したように、図５乃至図９に例示
した光源部３０００によっても、参照光路を経た光の干
渉信号および測定光路を経た光の干渉信号が、それぞれ
の基準信号と比較されるため、屈折率変動情報に周波数
シフタの駆動周波数変動による測定誤差が重畳すること
を防止できる。従って、変位測定に及ぼす屈折率変動の
影響を正確に測定することができ、移動鏡の幾何学的変
位量を高精度に測定することができるようになる。

【００８１】

【発明の効果】以上の通り、本発明によれば、周波数シ
フタの駆動周波数変動による測定誤差を低減させた光波
干渉測定装置を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態による光波干渉測定装置
の概略の構成を示す図である。

【図２】本発明の一実施の形態による光波干渉測定装置
における光源部の概略の構成を示す図である。

【図３】本発明の一実施の形態による光波干渉測定装置
における光源部の他の例の概略の構成を示す図である。

【図４】本発明の一実施の形態による光波干渉測定装置
における光源部の他の例の概略の構成を示す図である。

【図５】本発明の一実施の形態による光波干渉測定装置
における光源部の他の例の概略の構成を示す図である。

【図６】本発明の一実施の形態による光波干渉測定装置
における光源部の他の例の概略の構成を示す図である。

【図７】本発明の一実施の形態による光波干渉測定装置
における光源部の他の例の概略の構成を示す図である。

【図８】本発明の一実施の形態による光波干渉測定装置
における光源部の他の例の概略の構成を示す図である。

【図９】本発明の一実施の形態による光波干渉測定装置
における光源部の他の例の概略の構成を示す図である。

【図１０】本発明の一実施の形態による光波干渉測定装
置に用いる光源装置の概略の構成を示す図である。

【図１１】本発明の一実施の形態による光波干渉測定装
置に用いる他の光源装置の概略の構成を示す図である。

【図１２】従来の光波干渉測定装置の概略の構成を示す
図である。

【図１３】従来の光波干渉測定装置における光源部の概
略の構成を示す図である。

【符号の説明】

１００１光源１０１２周波数分離素子１１０１、１１０２、１２０１、１２０２周波数シフ
タ１０２５偏光分離素子１０３６固定鏡１０３７移動鏡１０３８反射鏡１０７１、１０７２周波数変換素子１４０１第３基準信号１４０２第３干渉信号１４１１第１干渉信号１４１２第２干渉信号１４２１第１基準信号１４２２第２基準信号１５０１、１５０２、１５０３位相計２１０１、２１０２、２２０１、２２０２ドライバ３０００光源部３４０１、３４２１、３４２２ミキサ４０００光源装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１の周波数を有する第１の光と、前記第
１の光と偏光方位が直交し第２の周波数を有する第２の
光と、前記第１の光と偏光方位が同一で第３の周波数を
有する第３の光と、前記第３の光と偏光方位が直交し第
４の周波数を有する第４の光とを同一光路に沿って射出
する光源部と、前記光源部から射出された前記第１の光および前記第３
の光を固定鏡が設けられた参照光路に導き、前記第２の
光および前記第４の光を移動鏡が設けられた測定光路に
導く偏光分離手段と、前記参照光路を通った前記第１の光と、前記第３の光の
周波数をほぼ一致させて干渉させ、第１干渉信号を生成
する第１干渉信号生成系と、前記測定光路を通った前記第２の光と、前記第４の光の
周波数をほぼ一致させて干渉させ、第２干渉信号を生成
する第２干渉信号生成系と、前記参照光路を通った前記第３の光と、前記測定光路を
通った前記第４の光とを干渉させて第３干渉信号を生成
する第３干渉信号生成系とを備え、前記第１干渉信号と前記第２干渉信号とに基づいて測定
された前記参照光路中および前記測定光路中の屈折率変
動情報により、前記第３干渉信号に基づいて測定された
前記移動鏡の測定変位量を補正して、前記移動鏡の幾何
学的変位量を測定する光波干渉測定装置において、前記光源部は、前記第１干渉信号の基準信号となる第１基準信号を生成
する第１基準信号生成系と、前記第２干渉信号の基準信号となる第２基準信号を生成
する第２基準信号生成系と、前記第３干渉信号の基準信号となる第３基準信号を生成
する第３基準信号生成系とをさらに備えていることを特
徴とする光波干渉測定装置。
【請求項２】請求項１記載の光波干渉測定装置におい
て、前記第１基準信号生成系は、前記第１、および第３の周
波数を電気的に混合して前記第１基準信号を生成し、前
記第２基準信号生成系は、前記第２、および第４の周波
数を電気的に混合して前記第２基準信号を生成すること
を特徴とする光波干渉測定装置。
【請求項３】請求項１記載の光波干渉測定装置におい
て、前記第１基準信号生成系は、前記第１、および第３の光
の周波数をほぼ一致させて干渉させて前記第１基準信号
を生成し、前記第２基準信号生成系は、前記第２、およ
び第４の光の周波数をほぼ一致させて干渉させて前記第
２基準信号を生成することを特徴とする光波干渉測定装
置。
【請求項４】請求項１乃至３のいずれかに記載の光波干
渉測定装置において、前記第３基準信号生成系は、前記第３および第４の周波
数を電気的に混合して前記第３基準信号を生成すること
を特徴とする光波干渉測定装置。
【請求項５】請求項１乃至３のいずれかに記載の光波干
渉測定装置において、前記第３基準信号生成系は、前記第３の光と前記第４の
光とを干渉させて第３基準信号を生成することを特徴と
する光波干渉測定装置。
【請求項６】請求項１乃至３のいずれかに記載の光波干
渉測定装置において、前記第３干渉信号生成系は、前記第３及び第４の光に代
えて、前記参照光路を通った前記第１の光と、前記測定
光路を通った前記第２の光を干渉させて前記第３干渉信
号を生成することを特徴とする光波干渉測定装置。
【請求項７】請求項６記載の光波干渉測定装置におい
て、前記第３基準信号生成系は、前記第１および第２の周波
数を電気的に混合して前記第３基準信号を生成すること
を特徴とする光波干渉測定装置。
【請求項８】請求項６記載の光波干渉測定装置におい
て、前記第３基準信号生成系は、前記第１の光と前記第２の
光とを干渉させて第３基準信号を生成することを特徴と
する光波干渉測定装置。