変位計測方法とその装置
【課題】
光干渉を用いた変位計測装置において、プローブ光路と参照光路とが空間的に分離して
いるため、空気の揺らぎ等による温度分布や屈折率分布、あるいは機械振動が生じた場合
、両光路間で光路差が変動し、測定誤差となってしまう。
【解決手段】
プローブ光の光軸と参照光の光軸を外乱の影響を受けない距離まで近接させて、プロー
ブ光を対象物に、参照光を参照面に各々照射し、その反射光同士を干渉させ、生じた干渉
光から対象物の変位量を求める
光干渉を用いた変位計測装置において、プローブ光路と参照光路とが空間的に分離して
いるため、空気の揺らぎ等による温度分布や屈折率分布、あるいは機械振動が生じた場合
、両光路間で光路差が変動し、測定誤差となってしまう。
【解決手段】
プローブ光の光軸と参照光の光軸を外乱の影響を受けない距離まで近接させて、プロー
ブ光を対象物に、参照光を参照面に各々照射し、その反射光同士を干渉させ、生じた干渉
光から対象物の変位量を求める
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光干渉を用いて対象物の変位を計測する方法とその装置に係り、特にレーザ
光を対象物に照射し、その反射光を参照光と干渉させ、得られた干渉信号から対象物の変
位量を計測する変位計測方法とその装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
対象物の変位量あるいは移動量を計測する方法として、光干渉を用いる方法が広く知ら
れている（Meas. Sci. Technol., 9 (1998), 1024-1030）。その一例を図１０に示す。
【０００３】
図１０に示す干渉計において、レーザヘッド３０１からは、偏光方向が互いに直交し、
かつ両者の光周波数が２０ＭＨｚ異なる２周波直交偏光ビーム３０２が出射される。この
ビームは偏光ビームスプリッタ３０３により、２つの偏光成分に分離される。Ｓ偏光ビー
ム３０３は偏光ビームスプリッタ３０３で反射された後、直角プリズム３０４で反射され
、参照光として偏光ビームスプリッタ３０３に入射する。Ｐ偏光ビーム３０５は偏光ビー
ムスプリッタ３０３を透過し、測定対象物４００上に載置された直角プリズム３０６で反
射され、偏光ビームスプリッタ３０３に入射する。両反射ビームは偏光ビームスプリッタ
３０３で合成され、両反射ビームの偏光方向に対し４５°方向に偏光角を有する偏光板３
０７を透過後ヘテロダイン干渉する。
【０００４】
このヘテロダイン干渉光は光電変換素子３０８で受光され電気信号３０９に変換される
。このヘテロダイン干渉信号３０９の周波数ｆＭは、測定対象物４００の移動速度Ｖに応
じたドップラーシフト周波数が加わり、（数１）で与えられる。
【０００５】
ｆＭ＝ｆＢ±ＮＶ／λ ・・・ （数１）
ここで、ｆＢ＝２０ＭＨｚである。λはレーザ光の波長である。また、Ｎ＝２、４、・・
・で、光路の往復回数により決まる定数であり、図１０の場合、Ｎ＝２である。一方、レ
ーザヘッド３０１からは、参照信号としてｆＢ＝２０ＭＨｚのビート信号３１０が出力さ
れている。
【０００６】
測定されたヘテロダイン干渉信号３０９及び参照信号３１０は位相検出回路３１１に入
力され、両信号間の位相差から測定対象物４００の移動速度Ｖ及び移動量４００ｄが求め
られ、移動量出力信号３１２として出力される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Meas. Sci. Technol., 9 (1998), 1024-1030
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
図１０に示す干渉計においては、プローブ光路、即ちプローブ光であるＰ偏光ビーム３
０５が通過する光路と参照光であるＳ偏光ビーム３０３が通過する参照光路とが空間的に
分離しているため、空気の揺らぎ等による温度分布や屈折率分布、あるいは機械振動が生
じた場合、両光路間で光路差が変動し、これがナノメートルオーダの測定誤差となってし
まう。将来の４５ｎｍノードや３２ｎｍノード対応の半導体微細パターン製造用露光装置
やパターン寸法測定装置のステージ、あるいは局所的なキャラクタリゼーションに用いら
れるプローブ顕微鏡のプローブ位置制御にはサブナノメートルオーダ以下の位置決め精度
が要求されており、図１０に示す従来技術では、この要求に応えることができない。温度
、湿度、機械振動といった環境要因を高精度に制御する方法も考えられうるが、装置コス
ト、装置サイズ、使い勝手の面で、経済的効果が著しく低下してしまう。
【０００９】
本発明は、上記した課題を解決して、対象物の変位量や移動量を安定に計測可能な変位
計測方法とその装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明では、光源からの光を第１の光と第２の光に分離し、第１の光の光軸と第２の光
の光軸とを近接させて第１の光を移動可能な対象物に照射し、第２の光を参照面に照射す
ることにより、対象物からの反射光と参照面からの反射光とを干渉させてその干渉光から
前記対象物の移動量を求める際に、外乱の影響を受けることなく高精度に対象物の移動量
を求めることを可能にした。
【００１１】
また、本発明では、第１の光の光軸と第２の光の光軸とを近接させる際に、第１の光の
光軸と第２の光の光軸の周囲の媒体の物性変化が第１の光の光軸と第２の光の光軸に等し
く作用する距離として設定することにより、外乱の影響が２つの光に等しく作用して相殺
させることとなり、外乱の影響を受けることなく高精度に対象物の移動量を求めることを
可能にした。
【００１２】
また、本発明では、第１の光の光軸と第２の光の光軸とを近接させる際に、第１の光の
光軸と第２の光の光軸とを一致させることにより、外乱の影響が２つの光に等しく作用し
て相殺させることとなり、外乱の影響を受けることなく高精度に対象物の移動量を求める
ことを可能にした。
【００１３】
また、本発明では、参照面を回折格子で構成することにより、第１の光の光軸と第２の
光の光軸とを一致させることが可能となり、外乱の影響が２つの光に等しく作用し相殺さ
れることとなり、外乱の影響を受けることなく高精度に対象物の移動量を求めることが可
能となる。
【００１４】
また、本発明は、光源からの光を第１の光と第２の光に分離し、第１の光の光軸と第２
の光の光軸とを近接させて第１の光を対象物の表面に照射し、第２の光を参照面に照射す
ることにより、対象物の表面からの反射光と参照面からの反射光とを干渉させてその干渉
光から前記対象物の表面の形状を求める際に、外乱の影響を受けることなく高精度に対象
物の表面形状を求めることが可能となる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、空気の揺らぎ等による温度分布や屈折率分布あるいは機械振動といっ
た外乱の影響が、プローブ光（第１の光）と参照光（第２の光）に等しく作用するので、
２つの光が干渉した際に上記外乱の影響を相殺することが可能となる。この結果、空気揺
らぎや機械振動といった外乱の影響を受けることなく、サブナノメートルオーダ以下の精
度で干渉光から安定かつ高精度に対象物の変位量や移動量を求めることが可能となる。
【００１６】
また、上記共通光路形干渉計を構成することにより変位計測装置を小さくすることがで
き、測定対象物周辺のスペースが小さい場合にも本装置の適用が可能となる。
【００１７】
更に、温度、湿度、機械振動といった環境要因を高精度に制御する必要が無いため、装
置コスト、装置サイズ、使い勝手の面で、経済的効果が著しく向上するという効果も有す
る。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施例１における変位計測装置の装置構成、光源ユニットの構成、２周波直交偏光ビーム及び偏光板の偏光方向を示す概略図である。
【図２】本発明における参照ミラーの構成を示す概略図である。
【図３】本発明の実施例２における、２周波Ｈｅ−Ｎｅレーザを用いた光源ユニットの構成と２周波直交偏光ビームの偏光方向を示す概略図である。
【図４】本発明の実施例３における、光源ユニットから出射された２周波直交偏光ビームを偏波面保存ファイバにより干渉計ユニットに伝送する変位計測装置の装置構成を示す概略図である。
【図５】本発明の実施例４における、複屈折プリズムを用いて参照光を生成する変位計測装置の装置構成を示す概略図である。
【図６】本発明の実施例５における、偏光ビームスプリッタと反射ミラーを用いて参照光を生成する変位計測装置の装置構成を示す概略図である。
【図７】本発明の実施例６における、プローブ光が１／４波長板とターゲットミラーとの間の光路を４往復する変位計測装置の装置構成を示す概略図である。
【図８】本発明の実施例７における、ホモダイン共通光路形干渉計を基本系とする変位計測装置の装置構成と光源ユニットの構成を示す概略図である。
【図９】本発明の実施例８における、ホモダイン共通光路形干渉計を基本系とする変位計測装置の装置構成を示す概略図である。
【図１０】従来の光干渉を用いた変位計測装置を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の実施の形態を、図により説明する。
【実施例１】
【００２０】
本発明の第１の実施例を図１に基づいて説明する。本実施例の変位計測装置は、図１（ａ
）に示すように、光源ユニット２、干渉計ユニット３及び位相検出ユニット１８から成る
。図１（ｂ）に示すように、光源ユニット２においては、直線偏光レーザ光源２１（例え
ば波長６３２．８ｎｍの周波数安定化Ｈｅ−Ｎｅレーザ）からの直線偏光ビーム２２を４
５°の偏光方向で偏光ビームスプリッタ２３に入射させ、２つの偏光成分に分離する。Ｐ
偏光ビーム２４は偏光ビームスプリッタ２３を透過し、周波数ｆ１で駆動される音響光学
変調素子２５（ＡＯＭ：Ａｃｏｕｓｔｏ−Ｏｐｔｉｃ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）により、光
周波数がｆ１だけシフトする。
【００２１】
一方、Ｓ偏光ビーム２８は偏光ビームスプリッタ２３で反射され、周波数ｆ１＋ｆＢで
駆動される音響光学変調素子２９より、光周波数がｆ１＋ｆＢシフトする。ここで、ｆＢ
は例えば１００ｋＨｚから数１０ＭＨｚである。Ｐ偏光ビーム２４及びＳ偏光ビーム２８
は各々ミラー２６及び２６’で反射された後、偏光ビームスプリッタ２７で合成された後
、ミラー２６”で反射されて、光源ユニット２から２周波直交偏光ビーム４として出射さ
れる。図１（ｃ）中の２４Ｐが２周波直交偏光ビーム４のＰ偏光ビーム２４の偏光方向を
、２８ＳがＳ偏光ビーム２８の偏光方向を示している。
【００２２】
２周波直交偏光ビーム４は干渉計ユニット３に入射し、非偏光ビームスプリッタ５によ
り、２つの光路に分離される。非偏光ビームスプリッタ５により反射された２周波直交偏
光ビーム６は、図１（ｃ）の破線７ａで示すように両偏光方向に対し４５°方向に偏光角
を有する偏光板７を透過することによりヘテロダイン干渉する。このヘテロダイン干渉光
はホトダイオード等の光電変換素子８で受光されビート周波数ｆＢの電気信号９に変換さ
れ、参照信号として用いられる。一方、非偏光ビームスプリッタ５を透過した２周波直交
偏光ビーム１０は、参照ミラー１１に入射する。参照ミラー１１は、図２に示すように、
合成石英基板１１ｂ上にＡｌ等の金属材料で回折格子１１ｇが形成された構成となってい
る。
【００２３】
このような回折格子は、図中に示すように、２周波直交偏光ビーム１０のうち、回折格
子の長手方向と平行なＳ偏光成分２８Ｓは反射し、直交するＰ偏光成分２４Ｐははそのま
ま透過する、いわゆる偏光素子（Ｗｉｒｅ Ｇｒｉｄ Ｐｏｌａｒｉｚｅｒ）としての性
質を示す。本実施例の場合、回折格子１１ｇのピッチは１４４ｎｍ、線幅は６５ｎｍ、高
さは１６５ｎｍとした。参照ミラー１１で反射されたＳ偏光ビーム１０ｒは参照光として
用いる。透過したＰ偏光ビーム１０ｍはプローブ光として用いる。
【００２４】
Ｐ偏光ビーム１０ｍは１／４波長板１２を透過した後円偏光となり、測定対象物１上に
載置されたターゲットミラー１３で反射され、再び１／４波長板１２を透過後Ｓ偏光とな
り、参照ミラー１１で反射され、１／４波長板１２を透過後円偏光としてターゲットミラ
ー１３で反射され、１／４波長板１２を透過後Ｐ偏光となり、参照ミラー１１を透過する
。即ち、プローブ光１０ｍは参照ミラー１１とターゲットミラー１３との間の光路を２往
復することになり、測定対象物１の移動量１ｄを２倍に拡大して検出することになる。
【００２５】
参照ミラー１１で反射されたＳ偏光ビーム１０ｒと透過したＰ偏光ビーム１０ｍは、２
周波直交偏光ビーム１４として非偏光ビームスプリッタ５で反射される。この２周波直交
偏光ビーム１４は、図１（ｃ）の破線１５ａで示すように両偏光方向に対し４５°方向に
偏光角を有する偏光板１５を透過することによりヘテロダイン干渉する。このヘテロダイ
ン干渉光はホトダイオード等の光電変換素子１６で受光され、電気信号１７に変換される
。このヘテロダイン干渉信号１７の周波数ｆＭは、測定対象物１の移動速度Ｖに応じたド
ップラーシフト周波数が加わり、（数１）で与えられる。
【００２６】
（数１）において、Ｎ＝４である。測定されたヘテロダイン干渉信号Ｉ（ｔ）１７及び
光電変換素子８で得られた参照信号９は位相検出ユニット１８に入力され、両信号間の位
相差から測定対象物１の移動速度Ｖ及び移動量１ｄが求められ、移動量信号１９として出
力される。位相検出ユニット１８は、例えばロックインアンプ等が使用可能である。ヘテ
ロダイン干渉信号Ｉ（ｔ）１７は（数２）で与えられる。
【００２７】
Ｉ（ｔ）＝Ｉｍ＋Ｉｒ
＋２（Ｉｍ・Ｉｒ）１／２ｃｏｓ（２πｆＢｔ±２πＮＶｔ／λ） ・・・ （数２）
ここで、Ｉｍはプローブ光の検出強度、Ｉｒは参照光の検出強度、ｎは空気の屈折率、
λはレーザ光２２の波長である。位相検出ユニット１８からは、（数２）のｃｏｓ成分の
中の第２項：±２πＮＶｔ／λが位相信号として出力される。例えば、位相信号がπ／１
８００の場合、移動量１ｄ＝０．０４４ｎｍとなる。
【００２８】
図１から明らかなように、ターゲットミラー１３に向かうプローブ光１０ｍと参照光１
０ｒの２つのビームは、光源ユニット２から出射されて干渉計ユニット３に入射し、参照
ミラー１１に至るまで、更に参照ミラー１１から光電変換素子１６で受光されるに至るま
で、完全に同一の光路を通る。即ち、共通光路形干渉計の構成となる。従って、仮に光路
中に空気の揺らぎ等による温度分布や屈折率分布、あるいは機械振動が生じたとしても、
これらの外乱は両ビームに等しく影響を及ぼすため、両ビームが干渉した際にこれら外乱
の影響は完全に相殺され、干渉光は外乱の影響を受けない。唯一、参照ミラー１１とター
ゲットミラー１３との間の光路においてプローブ光１０ｍのみが存在するが、例えば、プ
ローブ顕微鏡等のストロークは高々数百ミクロン程度であるので、参照ミラー１１とター
ゲットミラー１３との間隙は１ｍｍ以下に設定することが可能であり、このような微小間
隙での外乱の影響は無視できる。
【００２９】
また、図１（ｂ）に示す光源ユニット２では、直交する２つの偏光ビーム２４、２８が
別光路を通る構成となっており、両光路間に外乱の影響が重畳する可能性がある。しかし
、仮に外乱の影響がのったとしても、その影響は測定されたヘテロダイン干渉光と参照光
の両方に等しくのるため、位相検出ユニット１８において両者の位相差を検出する際に相
殺される。
【００３０】
本実施例の干渉計の構成により、温度、湿度、音響振動といった環境因子を高精度に制
御することなく、測定対象物１の移動速度Ｖ及び移動量１ｄをサブナノメートルからピコ
メートルの精度で安定に計測することが可能である。本実施例では、参照ミラーとして金
属回折格子（Ｗｉｒｅ Ｇｒｉｄ Ｐｏｌａｒｉｚｅｒ）を用いることにより、２周波直
交偏光ビームのうち一方の偏光ビームからプローブ光を、他方の偏光ビームから参照光を
同軸上に生成することが可能となり、共通光路形ヘテロダイン干渉計を構成することがで
きるものである。
【実施例２】
【００３１】
第１の実施例では、２周波直交偏光ビーム４を生成するために、図１（ｂ）に示すように
、２つの偏光ビームスプリッタ２３、２７と２つの音響光学変調素子２５、２９を用いた
が、第２の実施例では、上記した第１の実施例において図１（ｂ）に示した光源ユニット
２の代わりに図３（ａ）に示すように、光源ユニット２’に２周波Ｈｅ−Ｎｅレーザ３１
（２本の縦モード発振を有するデュアルモードレーザ）を用いる。得られる２周波直交偏
光ビーム３２の偏光方向は、図３（ｂ）中の３２Ｐ及び３２Ｓに示す通りであり、一例と
して６４０ＭＨｚ程度のビート信号が得られる。干渉計ユニット３及び位相検出ユニット
１８の構成と機能は第１の実施例と同様であるので、説明を省略する。本実施例によれば
、第１の実施例と同様、温度、湿度、音響振動といった環境因子を高精度に制御すること
なく、測定対象物１の移動速度Ｖ及び移動量１ｄをサブナノメートルからピコメートルの
精度で安定に計測することが可能である。
【実施例３】
【００３２】
次に本発明の第３の実施例として、光源ユニット２から出射された２周波直交偏光ビーム
４、３２を偏波面保存ファイバにより干渉計ユニット３に伝送する変位計測装置について
、図４により説明する。２周波直交偏光ビーム４、３２は、偏光ビームスプリッタ４１に
より、Ｐ偏光ビーム４２とＳ偏光ビーム４５に分離される。Ｐ偏光ビーム４２は集光レン
ズ４３により偏波面保存ファイバ４４の入射端面４４ａに集光され、直線偏光を維持した
まま伝送される。偏波面保存ファイバ４４の出射端面４４ｂから出射したＰ偏光ビームは
コリメーティングレンズ４６で平行ビームとなり、偏光ビームスプリッタ４１を透過する
。同様にＳ偏光ビーム４５は集光レンズ４３’により偏波面保存ファイバ４４’の入射端面４４’ａに集光され、直線偏光を維持したまま伝送される。
【００３３】
偏波面保存ファイバ４４’の出射端面４４’ｂから出射したＳ偏光ビームはコリメーティングレンズ４６’で平行ビームとなり、偏光ビームスプリッタ４１で反射される。Ｐ偏光ビームとＳ偏光ビームは合成されて再び２周波直交偏光ビーム４８となり、干渉計ユニット３に入射する。干渉計ユニット３及び位相検出ユニット１８の構成と機能は第１の実施例と同様であるので、説明を省略する。
【００３４】
なお、本実施例において、光源２の代わりに、第２の実施例で説明した光源２’を用いてもよい。
【００３５】
本実施例によれば、第１の実施例と同様、温度、湿度、音響振動といった環境因子を高
精度に制御することなく、測定対象物１の移動速度Ｖ及び移動量１ｄをサブナノメートル
からピコメートルの精度で安定に計測することが可能である。また、光源ユニット２を干
渉計ユニット３から分離して編波面保存ファイバ４４及び４４'で接続することにより遠
方に配置し、測定対象物１の近傍には干渉計ユニット３のみが配置されるので、測定対象
物１の近傍にスペースが無い場合にも適用できるという利点がある。
【実施例４】
【００３６】
次に本発明の第４の実施例として、複屈折プリズムを用いて参照光を生成する方法につい
て、図５により説明する。本実施例の変位計測装置では、光源ユニット２及び位相検出ユ
ニット１８の基本構成とその機能は第１の実施例と同様であるので、説明を省略する。
また、本実施例においても、光源２の代わりに、第２の実施例で説明した光源２’を用い
てもよい。
【００３７】
以下では、参照光の生成方法と干渉計ユニット５０３についてのみ説明する。非偏光ビ
ームスプリッタ５を透過した２周波直交偏光ビーム１０のうちＳ偏光ビーム１０ｂｒは、
複屈折特性を示す光学材料５１と５１’、例えば方解石を２枚張り合わせた複屈折プリズ
ム５０により、その光軸が概ね２００μｍ平行シフトし、誘電体多層膜で構成された反射
ミラー５２で反射された後、参照光として元の光軸を戻っていく。一方、Ｐ偏光ビーム１
０ｂｍは複屈折プリズム５０をそのまま透過し、プローブ光としてターゲットミラー１３
で反射された後、元の光軸を戻り、参照光１０ｂｒと合成され、２周波直交偏光ビーム１
４として非偏光ビームスプリッタ５で反射される。この２周波直交偏光ビーム１４は、第
１の実施例と同様、図１（ｃ）の破線１５ａで示すように両偏光方向に対し４５°方向に
偏光角を有する偏光板１５を透過することによりヘテロダイン干渉する。このヘテロダイ
ン干渉光は光電変換素子１６で受光され、電気信号６７に変換される。以降の動作、信号
処理は第１の実施例と同様であるので、説明を省略する。
【００３８】
図５から明らかなように、ターゲットミラー１３に向かうプローブ光１０ｂｍと参照光
１０ｂｒの２つのビームは、光源ユニット２から出射されて干渉計ユニット５０３に入射
し、複屈折プリズム５０の入射面に至るまで、更に複屈折プリズム５０の入射面から光電
変換素子１６で受光されるに至るまで、完全に同一の光路を通る。即ち、共通光路形干渉
計の構成となる。従って、仮に光路中に空気の揺らぎ等による温度分布や屈折率分布、あ
るいは機械振動が生じたとしても、これらの外乱は両ビームに等しく影響を及ぼすため、
両ビームが干渉した際にこれら外乱の影響は完全に相殺され、干渉光は外乱の影響を受け
ない。唯一、複屈折プリズム５０の入射面とターゲットミラー１３との間の光路において
プローブ光１０ｂｍのみが存在するが、例えば、プローブ顕微鏡等のストロークは高々数
百ミクロン程度であるので、複屈折プリズム５０の入射面とターゲットミラー１３との間
隙は数ｍｍ以下に設定することが可能であり、このような微小間隙での外乱の影響は無視
できる。
【００３９】
従って、本実施例によれば、第１の実施例と同様、温度、湿度、音響振動といった環境
因子を高精度に制御することなく、測定対象物１の移動速度Ｖ及び移動量１ｄをサブナノ
メートルからピコメートルの精度で安定に計測することが可能である。本実施例では、複
屈折プリズム５０と反射ミラー５２を用いることにより、２周波直交偏光ビームのうち一
方の偏光ビームからプローブ光を、他方の偏光ビームから参照光をほぼ同軸上に生成する
ことが可能となり、共通光路形ヘテロダイン干渉計を構成することができるものである。
【実施例５】
【００４０】
次に本発明の第５の実施例として、偏光ビームスプリッタと反射ミラーを用いて参照光を
生成する方法について、図６により説明する。本実施例の変位計測装置では、光源ユニッ
ト２及び位相検出ユニット１８の基本構成とその機能は第１の実施例と同様であるので、
説明を省略する。また、本実施例において、光源２の代わりに、第２の実施例で説明した
光源２’を用いてもよい。
【００４１】
以下では、参照光の生成方法と干渉計ユニット６０３についてのみ説明する。光源ユニ
ット２から出射された２周波直交偏光ビーム４のうちおよそ４％が、ビームスプリッタ６
１（透過率９６％、反射率４％）で反射され、反射された２周波直交偏光ビーム６２は図
１（ｃ）の破線７ａで示すように両偏光方向に対し４５°方向に偏光角を有する偏光板７
を透過することによりヘテロダイン干渉する。このヘテロダイン干渉光は光電変換素子８
で受光されビート周波数ｆＢの電気信号６９に変換され、参照信号として用いられる。
【００４２】
一方、ビームスプリッタ６１を透過した２周波直交偏光ビーム６３は、偏光ビームスプ
リッタ６０によりＳ偏光ビーム６４とＰ偏光ビ−ム６５に分離される。Ｓ偏光ビーム６４
は１／４波長板１２’透過後円偏光となり、誘電体多層膜で構成された反射ミラー６６で
反射された後、再び１／４波長板１２’透過後Ｐ偏光となり、参照光として元の光軸を戻
り偏光ビームスプリッタ６０を透過する。
【００４３】
Ｐ偏光ビーム６５は１／４波長板１２”透過後円偏光となり、プローブ光としてターゲ
ットミラー１３で反射された後、再び１／波長４板１２”透過後Ｓ偏光となり、元の光軸
を戻り偏光ビームスプリッタ６０で反射される。２つの戻り光は合成されて２周波直交偏
光ビーム６７となり、第１の実施例と同様、図１（ｃ）の破線１５ａで示すように両偏光
方向に対し４５°方向に偏光角を有する偏光板１５を透過することによりヘテロダイン干
渉する。このヘテロダイン干渉光は光電変換素子１６で受光され、電気信号６８に変換さ
れる。以降の動作、信号処理は第１の実施例と同様であるので、説明を省略する。
【００４４】
図６から明らかなように、ターゲットミラー１３に向かうプローブ光６５と参照光６４
の２つのビームは、光源ユニット２から出射されて干渉計ユニット６０３に入射し、偏光
ビームスプリッタ６０内のみを透過する。空気の揺らぎ等による温度分布や屈折率分布、
あるいは機械振動が生じたとしても、これらの外乱は両ビームに等しく影響を及ぼすと考
えられ、両ビームが干渉した際にこれら外乱の影響は完全に相殺され、干渉光は外乱の影
響を受けにくい。唯一、１／４波長板１２”とターゲットミラー１３との間の光路におい
てプローブ光６５は空気中を通過するが、例えば、プローブ顕微鏡等のストロークは高々
数百ミクロン程度であるので、１／４波長板１２”とターゲットミラー１３との間隙は１
ｍｍ以下に設定することが可能であり、このような微小間隙での外乱の影響は無視できる
。従って、本実施例によれば、第１の実施例と同様、温度、湿度、音響振動といった環境
因子を高精度に制御することなく、測定対象物１の移動速度Ｖ及び移動量１ｄをサブナノ
メートルからピコメートルの精度で安定に計測することが可能である。
【実施例６】
【００４５】
次に本発明の第６の実施例として、プローブ光が１／４波長板とターゲットミラーとの間
の光路を４往復する場合について、図７により説明する。本実施例の変位計測装置では、
光源ユニット２及び位相検出ユニット１８の基本構成とその機能は第１の実施例と同様で
あるので、説明を省略する。また、本実施例において、光源２の代わりに、第２の実施例
で説明した光源２’を用いてもよい。
【００４６】
以下では、干渉計ユニット７０３についてのみ説明する。光源ユニット２から出射され
た２周波直交偏光ビーム４または３２は干渉計ユニット７０３に入射し、ミラー７１で反
射された後、非偏光ビームスプリッタ７０により２つの光路に分離される。非偏光ビーム
スプリッタ７０を透過した２周波直交偏光ビーム７２は、図１（ｃ）の破線７ａで示すよ
うに両偏光方向に対し４５°方向に偏光角を有する偏光板７を透過することによりヘテロ
ダイン干渉する。このヘテロダイン干渉光は光電変換素子８で受光されビート周波数ｆＢ
の電気信号７９に変換され、参照信号として用いられる。
【００４７】
一方、非偏光ビームスプリッタ７０で反射された２周波直交偏光ビーム７３は、参照ミ
ラー１１に入射する。参照ミラー１１は、第１の実施例と同様、図２に示すように、合成
石英基板１１ｂ上にＡｌ等の金属材料で回折格子が形成された構成となっており、その機
能は第１の実施例と全く同一であり、偏光素子（Ｗｉｒｅ Ｇｒｉｄ Ｐｏｌａｒｉｚｅ
ｒ）として機能する。参照ミラー１１で反射されたＳ偏光ビーム１０ｒは参照光として非
偏光ビームスプリッタ７０を透過し、反射面７０ｍ及び７０ｎで反射された後、再び非偏
光ビームスプリッタ７０を透過し、参照ミラー１１で反射された後、非偏光ビームスプリ
ッタ７０で反射される。
【００４８】
一方、参照ミラー１１を透過したＰ偏光ビーム１０ｍはプローブ光として用いる。Ｐ偏
光ビーム１０ｍは１／４波長板１２を透過した後円偏光となり、ターゲットミラー１３で
反射され、再び１／４波長板１２を透過後Ｓ偏光となり、参照ミラー１１で反射され、１
／４波長板１２を透過後円偏光としてターゲットミラー１３で反射され、１／４波長板１
２を透過後Ｐ偏光となり、参照ミラー１１を透過する。
【００４９】
このＰ偏光ビーム１０ｍは参照光と同一の光路を通り、非偏光ビームスプリッタ７０を
透過し、反射面７０ｍ及び７０ｎで反射された後、再び非偏光ビームスプリッタ７０を透
過し、再度１／４波長板１２を透過した後円偏光となり、ターゲットミラー１３で反射さ
れ、再び１／４波長板１２を透過後Ｓ偏光となり、参照ミラー１１で反射され、１／４波
長板１２を透過後円偏光としてターゲットミラー１３で反射され、１／４波長板１２を透
過後Ｐ偏光となり、参照ミラー１１を透過する。即ち、プローブ光１０ｍは参照ミラー１
１とターゲットミラー１３との間の光路を４往復することになり、測定対象物１の移動量
１ｄを４倍に拡大して検出することになる。
【００５０】
このＰ偏光ビーム１０ｍは参照光であるＳ偏光ビーム１０ｒと合成されて２周波直交偏
光ビーム７４となり、非偏光ビームスプリッタ７０で反射された後、ミラー７１で反射さ
れる。２周波直交偏光ビーム７４は、図１（ｃ）の破線１５ａで示すように両偏光方向に
対し４５°方向に偏光角を有する偏光板１５を透過することによりヘテロダイン干渉する
。このヘテロダイン干渉光は光電変換素子１６で受光され、電気信号７７に変換される。
以降の動作、信号処理は第１の実施例と同様であるので、説明を省略する。
【００５１】
図７から明らかなように、第１の実施例と同様、ターゲットミラー１３に向かうプロー
ブ光１０ｍと参照光１０ｒの２つのビームは、光源ユニット２から出射されて干渉計ユニ
ット７０３に入射し、参照ミラー１１に至るまで、更に参照ミラー１１から光電変換素子
１６で受光されるに至るまで、完全に同一の光路を通る。即ち、共通光路形干渉計の構成
となる。
【００５２】
従って、仮に光路中に空気の揺らぎ等による温度分布や屈折率分布、あるいは機械振動
が生じたとしても、これらの外乱は両ビームに等しく影響を及ぼすため、両ビームが干渉
した際にこれら外乱の影響は完全に相殺され、干渉光は外乱の影響を受けない。唯一、参
照ミラー１１とターゲットミラー１３との間の光路においてプローブ光１０ｍのみが存在
するが、例えば、プローブ顕微鏡等のストロークは高々数百ミクロン程度であるので、参
照ミラー１１とターゲットミラー１３との間隙は１ｍｍ以下に設定することが可能であり
、このような微小間隙での外乱の影響は無視できる。
【００５３】
また、図１（ｂ）に示す光源ユニット２では、直交する２つの偏光ビーム２４、２８が
別光路を通る構成となっており、両光路間に外乱の影響が重畳する可能性がある。しかし
、仮に外乱の影響がのったとしても、その影響は測定されたヘテロダイン干渉光と参照光
の両方に等しくのるため、位相検出ユニット１８において両者の位相差を検出する際に相
殺される。
【００５４】
本実施例の干渉計の構成により、温度、湿度、音響振動といった環境因子を高精度に制
御することなく、測定対象物１の移動速度Ｖ及び移動量１ｄをサブナノメートルからピコ
メートルの精度で安定に計測することが可能である。本実施例では、参照ミラーとして金
属回折格子（Ｗｉｒｅ Ｇｒｉｄ Ｐｏｌａｒｉｚｅｒ）を用いることにより、２周波直
交偏光ビームのうち一方の偏光ビームからプローブ光を、他方の偏光ビームから参照光を
同軸上に生成することが可能となり、共通光路形ヘテロダイン干渉計を構成することがで
きるものである。更に、本実施例では、プローブ光１０ｍが参照ミラー１１とターゲット
ミラー１３との間の光路を４往復することになり、測定対象物１の移動量１ｄを４倍に拡
大して検出することになり、第１の実施例に対し２倍の変位計測感度が得られる。
【実施例７】
【００５５】
第１から第６の実施例はいずれもヘテロダイン共通光路形干渉計を基本系としているが、
次に本発明の第７の実施例として、ホモダイン共通光路形干渉計を基本系とする場合につ
いて、図８により説明する。本実施例の変位計測装置は、図８（ａ）に示すように、光源
ユニット８０２、干渉計ユニット８０３及び変位検出ユニット１０２から成る。図８（ｂ
）に示すように、光源ユニット８０２においては、直線偏光レーザ８２１（例えば波長６
３２．８ｎｍの周波数安定化Ｈｅ−Ｎｅレーザ）からの出射ビーム８２２を４５°の偏光
方向で偏光ビームスプリッタ８２３に入射し、２つの偏光成分、Ｐ偏光ビーム８２４とＳ
偏光ビーム８２８とに分離する。Ｐ偏光ビーム８２４は偏光ビームスプリッタ８２３を透
過し、Ｓ偏光ビーム８２８は偏光ビームスプリッタ８２３で反射され、各々ミラー８２６
、８２６’で反射された後、偏光ビームスプリッタ８２７で合成された、ミラー８２６”
で反射されて、直交偏光ビーム８８１として出射される。
【００５６】
即ち、本実施例では、第１の実施例のように、直交偏光ビームに対し光周波数シフトは
与えない。図１（ｃ）中の２４Ｐが直交偏光ビーム４のＰ偏光ビーム８２４の偏光方向を
、２８ＳがＳ偏光ビーム８２８の偏光方向を示している。
【００５７】
図８（ａ）に示すように、直交偏光ビーム８８１は干渉計ユニット８０３に入射する。
干渉計ユニット８０３において、非偏光ビームスプリッタ８０５を透過した直交偏光ビー
ム８８２は参照ミラー８１１に入射する。参照ミラー８１１は、第１の実施例と同様、図
２に示すように、合成石英基板１１ｂ上にＡｌ等の金属材料で回折格子が形成された構成
となっており、その機能は第１の実施例と全く同一であり、偏光素子（Ｗｉｒｅ Ｇｒｉ
ｄ Ｐｏｌａｒｉｚｅｒ）として機能する。
【００５８】
参照ミラー８１１で反射されたＳ偏光ビーム１０ｒは参照光として用いる。透過したＰ
偏光ビーム１０ｍはプローブ光として用いる。Ｐ偏光ビーム１０ｍは１／４波長板８１２
を透過した後円偏光となり、ターゲットミラー１３で反射され、再び１／４波長板８１２
を透過後Ｓ偏光となり、参照ミラー８１１で反射され、１／４波長板８１２を透過後円偏
光としてターゲットミラー１３で反射され、１／４波長板８１２を透過後Ｐ偏光となり、
参照ミラー８１１を透過する。即ち、プローブ光１０ｍは参照ミラー８１１とターゲット
ミラー１３との間の光路を２往復することになり、測定対象物１の移動量１ｄを２倍に拡
大して検出することになる。
【００５９】
参照ミラー８１１で反射されたＳ偏光ビーム１０ｒと透過したＰ偏光ビーム１０ｍは合
成されて、直交偏光ビーム８８３として非偏光ビームスプリッタ８０５で反射される。こ
の直交偏光ビーム８８３は１／２波長板８８４を透過後偏光方向が４５°回転し、非偏光
ビームスプリッタ８８５で２つのビームに分離される。非偏光ビームスプリッタ８８５で
反射された直交偏光ビーム８８６は偏光ビームスプリッタ８８７に入射し、互いに位相が
１８０°シフトした２つのホモダイン干渉光８８８及び８９０に分離される。ホモダイン
干渉光８８８はホトダイオード等の光電変換素子８８９で受光され、電気信号９２に変換
される。位相が１８０°シフトしたホモダイン干渉光８９０は光電変換素子８９１で受光
され、電気信号９３に変換される。
【００６０】
非偏光ビームスプリッタ８８５を透過した直交偏光ビーム８９４は１／４波長板８９５
透過後±９０°の位相差が付加されて、偏光ビームスプリッタ８８７に入射し、更に互い
に位相が１８０°シフトした２つのホモダイン干渉光８９６及び８９８に分離される。ホ
モダイン干渉光８９６はホトダイオード等の光電変換素子８９７で受光され、電気信号１
００に変換される。位相が１８０°シフトしたホモダイン干渉光８９８は光電変換素子８
９９で受光され、電気信号１０１に変換される。
【００６１】
４つのホモダイン干渉信号９２、９３、１００、１０１は各々（数３）〜（数６）で与
えられる。
【００６２】
Ｉ１＝Ｉｍ＋Ｉｒ＋２（Ｉｍ・Ｉｒ）１／２ｃｏｓ（４πｎＤ／λ） ・・・（数３）
Ｉ２＝Ｉｍ＋Ｉｒ＋２（Ｉｍ・Ｉｒ）１／２ｃｏｓ（４πｎＤ／λ＋π）
＝Ｉｍ＋Ｉｒ−２（Ｉｍ・Ｉｒ）１／２ｃｏｓ（４πｎＤ／λ） ・・・（数４）
Ｉ３＝Ｉｍ＋Ｉｒ＋２（Ｉｍ・Ｉｒ）１／２ｃｏｓ（４πｎＤ／λ＋π／２）
＝Ｉｍ＋Ｉｒ−２（Ｉｍ・Ｉｒ）１／２ｓｉｎ（４πｎＤ／λ） ・・・（数５）
Ｉ４＝Ｉｍ＋Ｉｒ＋２（Ｉｍ・Ｉｒ）１／２ｃｏｓ（４πｎＤ／λ＋３π／２）
＝Ｉｍ＋Ｉｒ＋２（Ｉｍ・Ｉｒ）１／２ｓｉｎ（４πｎＤ／λ） ・・・（数６）
ここで、Ｉｍはプローブ光の検出強度、Ｉｒは参照光の検出強度、ｎは空気の屈折率、Ｄ
は測定対象物１の移動量１ｄ、λはレーザ光８２２の波長である。変位検出ユニット１０
２では、（数３）〜（数６）より（数７）に基づいて、測定対象物１の移動量Ｄが算出さ
れて、移動量信号１０３として出力される。
【００６３】
Ｄ＝（λ／４πｎ）ｔａｎ−１｛（Ｉ４−Ｉ３）／（Ｉ１−Ｉ２）｝ ・・・（数７）
図８（ａ）から明らかなように、ターゲットミラー１３に向かうプローブ光１０ｍと参
照光１０ｒの２つのビームは、光源ユニット８０２から出射されて干渉計ユニット８０３
に入射し、参照ミラー８１１に至るまで、更に参照ミラー８１１から光電変換素子８８９
、８９１、８９７、８９９で受光されるに至るまで、完全に同一の光路を通る。即ち、共
通光路形干渉計の構成となる。
【００６４】
従って、仮に光路中に空気の揺らぎ等による温度分布や屈折率分布、あるいは機械振動
が生じたとしても、これらの外乱は両ビームに等しく影響を及ぼすため、両ビームが干渉
した際にこれら外乱の影響は完全に相殺され、干渉光は外乱の影響を受けない。唯一、参
照ミラー８１１とターゲットミラー１３との間の光路においてプローブ光１０ｍのみが存
在するが、例えば、プローブ顕微鏡等のストロークは高々数百ミクロン程度であるので、
参照ミラー８１１とターゲットミラー１３との間隙は１ｍｍ以下に設定することが可能で
あり、このような微小間隙での外乱の影響は無視できる。また、図８（ｂ）に示す光源ユ
ニット８０２では、直交する２つの偏光ビーム８２４、８２８が別光路を通る構成となっ
ており、両光路間に外乱の影響が重畳する可能性がある。しかし、仮に外乱の影響がのっ
たとしても、その影響は測定された４つのホモダイン干渉光に等しくのるため、変位検出
ユニット１０２における（数７）の処理において相殺される。
【００６５】
本実施例の干渉計の構成により、温度、湿度、音響振動といった環境因子を高精度に制
御することなく、測定対象物１の移動速度Ｖ及び移動量１ｄをサブナノメートルからピコ
メートルの精度で安定に計測することが可能である。本実施例では、参照ミラーとして金
属回折格子（Ｗｉｒｅ Ｇｒｉｄ Ｐｏｌａｒｉｚｅｒ）を用いることにより、直交偏光
ビームのうち一方の偏光ビームからプローブ光を、他方の偏光ビームから参照光を同軸上
に生成することが可能となり、共通光路形ホモダイン干渉計を構成することができるもの
である。
【実施例８】
【００６６】
次に本発明の第８の実施例として、第７の実施例と同様ホモダイン干渉計を基本系とする
場合について、図９により説明する。本実施例の変位計測装置は、第７の実施例と同様、
光源ユニット８０２、干渉計ユニット９０３及び変位検出ユニット１０２から成るが、光
源ユニット８０２及び変位検出ユニット１０２の構成と機能は第７の実施例と同一である
ので、説明を省略する。光源ユニット８０２から出射された直交偏光ビーム８８１は干渉
計ユニット９０３に入射する。干渉計ユニット９０３において、非偏光ビームスプリッタ
９０５を透過した直交偏光ビーム９８２は参照ミラー９１１に入射する。参照ミラー９１
１は、第１の実施例の参照ミラー１１と同様、図２に示すように、合成石英基板１１ｂ上
にＡｌ等の金属材料で回折格子が形成された構成となっており、その機能は第１の実施例
と全く同一であり、偏光素子（Ｗｉｒｅ Ｇｒｉｄ Ｐｏｌａｒｉｚｅｒ）として機能す
る。参照ミラー９１１で反射されたＳ偏光ビーム１０ｒは参照光として用いる。
【００６７】
透過したＰ偏光ビーム１０ｍはプローブ光として用いる。Ｐ偏光ビーム１０ｍは１／４
波長板９１２を透過した後円偏光となり、ターゲットミラー１３で反射され、再び１／４
波長板９１２を透過後Ｓ偏光となり、参照ミラー９１１で反射され、１／４波長板９１２
を透過後円偏光としてターゲットミラー１３で反射され、１／４波長板９１２を透過後Ｐ
偏光となり、参照ミラー９１１を透過する。即ち、プローブ光１０ｍは参照ミラー９１１
とターゲットミラー１３との間の光路を２往復することになり、測定対象物１の移動量１
ｄを２倍に拡大して検出することになる。参照ミラー９１１で反射されたＳ偏光ビーム１
０ｒと透過したＰ偏光ビーム１０ｍは合成されて、直交偏光ビーム９８３として非偏光ビ
ームスプリッタ９０５で反射される。この直交偏光ビーム９８３はビームエキスパンダ２
０１で拡大される。
【００６８】
この拡大ビーム２０２はＤＯＥ２０３（Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅ
ｌｅｍｅｎｔ：回折光学素子）により４つの直交偏光ビーム２０４、２０５、２０６、２
０７に分割され、複屈折材料で構成された位相シフトマスク２０８に入射する。この位相
シフトマスク２０８は、４つの直交偏光ビーム２０４〜２０７に対応した４つの領域２０
８ａ、２０８ｂ、２０８ｃ、２０８ｄに分割されており、各領域を透過する互いに直交す
る偏光ビームの間に、０°、９０°、１８０°、２７０°の位相シフトを与える。位相シ
フトが与えられた４つの直交偏光ビームは、更に両偏光方向に対し４５°方向に偏光角を
有する偏光板２０９を透過することによりホモダイン干渉する。
【００６９】
４つのホモダイン干渉光２１０〜２１３は４分割された光電変換素子２１４で受光され
、電気信号２１５〜２１８に変換される。４つのホモダイン干渉信号２１５〜２１８は、
第７の実施例と同様、各々（数３）〜（数６）で与えられる。変位検出ユニット１０２で
は、（数３）〜（数６）より（数７）に基づいて、測定対象物１の移動量Ｄが算出されて
、移動量信号１０３として出力される。
【００７０】
図９から明らかなように、ターゲットミラー１３に向かうプローブ光１０ｍと参照光１
０ｒの２つのビームは、光源ユニット９０２から出射されて干渉計ユニット９０３に入射
し、参照ミラー９１１に至るまで、更に参照ミラー９１１から光電変換素子２１４で受光
されるに至るまで、同じ光路を通る。即ち、共通光路形干渉計の構成となる。従って、仮
に光路中に空気の揺らぎ等による温度分布や屈折率分布、あるいは機械振動が生じたとし
ても、これらの外乱は両ビームに等しく影響を及ぼすため、両ビームが干渉した際にこれ
ら外乱の影響は完全に相殺され、干渉光は外乱の影響を受けない。唯一、参照ミラー９１
１とターゲットミラー１３との間の光路においてプローブ光１０ｍのみが存在するが、例
えば、プローブ顕微鏡等のストロークは高々数百ミクロン程度であるので、参照ミラー９
１１とターゲットミラー１３との間隙は１ｍｍ以下に設定することが可能であり、このよ
うな微小間隙での外乱の影響は無視できる。
【００７１】
本実施例の干渉計の構成により、温度、湿度、音響振動といった環境因子を高精度に制
御することなく、測定対象物１の移動速度Ｖ及び移動量１ｄをサブナノメートルからピコ
メートルの精度で安定に計測することが可能である。本実施例では、参照ミラーとして金
属回折格子（Ｗｉｒｅ Ｇｒｉｄ Ｐｏｌａｒｉｚｅｒ）を用いることにより、直交偏光
ビームのうち一方の偏光ビームからプローブ光を、他方の偏光ビームから参照光を同軸上
に生成することが可能となり、共通光路形ホモダイン干渉計を構成することができるもの
である。また、本実施例では、位相シフトされた４つの干渉光の生成に、ＤＯＥ２０３と
平面状の位相シフトマスク２０８を用いているため、干渉計ユニット３の構成が簡素化さ
れてより安定性が増し、更に寸法が小さくなるという利点がある。従って、測定対象物１
の周辺にスペースが無い場合でも適用可能である。
【００７２】
以上、本発明の実施例を、測定対象物１の移動量１ｄを計測する場合を例にとり説明し
た。測定対象物１としては、半導体露光装置や検査装置等のステージ等、プローブ顕微鏡
のプローブあるいは測定試料搭載ステージ等、また加工用の工具（バイト等）が想定され
る。更に、本発明はこれらの実施例に限定されるものではなく、例えばターゲットミラー
１３を除去し、対象物１表面にプローブ光１０ｍを直接照射し、プローブ光１０ｍに対し
直交する方向に対象物１を移動させつつ測定を行えば、対象物１表面の微小な凹凸をサブ
ナノメートルからピコメートルの分解能で高精度に計測することも可能である。この場合
の対象物としては、磁気ディスク表面や磁気ヘッド浮上面の面粗さ、マイクロレンズ等の
ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）部品
等が考えられる。また、参照ミラー１１と対象物１との間に集光レンズを挿入すれば、面
内空間分解能もサブミクロンオーダに達する。
【００７３】
また、本発明の第３の実施例を、第４〜第８の実施例に組み合わせうることも自明であ
る。
【符号の説明】
【００７４】
１、４００・・・測定対象物 ２、２’、８０２・・・光源ユニット ３、５０３、
６０３、７０３、８０３、９０３・・・干渉計ユニット ５、８５・・・非偏光ビーム
スプリッタ ７、１５、２０９、３０７・・・偏光板 ８、１６、８９、９１、９７
、９９、２１４、３０８・・・光電変換素子 １１・・・参照ミラー １１ｂ・
・・合成石英基板 １１ｇ・・・回折格子 １２、９５・・・１／４波長板 １３
・・・ターゲットミラー １８・・・位相検出ユニット ２１・・・直線偏光レーザ
２３、２７、４１、８７、３０３・・・偏光ビームスプリッタ ２５、２９・・・
音響光学変調素子 ３１・・・２周波Ｈｅ−Ｎｅレーザ ４４・・・偏波面保存ファ
イバ ５０・・・複屈折プリズム ５１・・・複屈折材料 ５２、６６・・・反射
ミラー ６０・・・偏光ビームスプリッタ ７０・・・非偏光ビームスプリッタ
８４・・・１／２波長板 １０２・・・変位検出ユニット ２０１・・・ビームエキ
スパンダ ２０３・・・ＤＯＥ ２０８・・・位相シフトマスク ３０４、３０６
・・・直角プリズム ３１１・・・位相検出回路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光干渉を用いて対象物の変位を計測する方法とその装置に係り、特にレーザ
光を対象物に照射し、その反射光を参照光と干渉させ、得られた干渉信号から対象物の変
位量を計測する変位計測方法とその装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
対象物の変位量あるいは移動量を計測する方法として、光干渉を用いる方法が広く知ら
れている（Meas. Sci. Technol., 9 (1998), 1024-1030）。その一例を図１０に示す。
【０００３】
図１０に示す干渉計において、レーザヘッド３０１からは、偏光方向が互いに直交し、
かつ両者の光周波数が２０ＭＨｚ異なる２周波直交偏光ビーム３０２が出射される。この
ビームは偏光ビームスプリッタ３０３により、２つの偏光成分に分離される。Ｓ偏光ビー
ム３０３は偏光ビームスプリッタ３０３で反射された後、直角プリズム３０４で反射され
、参照光として偏光ビームスプリッタ３０３に入射する。Ｐ偏光ビーム３０５は偏光ビー
ムスプリッタ３０３を透過し、測定対象物４００上に載置された直角プリズム３０６で反
射され、偏光ビームスプリッタ３０３に入射する。両反射ビームは偏光ビームスプリッタ
３０３で合成され、両反射ビームの偏光方向に対し４５°方向に偏光角を有する偏光板３
０７を透過後ヘテロダイン干渉する。
【０００４】
このヘテロダイン干渉光は光電変換素子３０８で受光され電気信号３０９に変換される
。このヘテロダイン干渉信号３０９の周波数ｆＭは、測定対象物４００の移動速度Ｖに応
じたドップラーシフト周波数が加わり、（数１）で与えられる。
【０００５】
ｆＭ＝ｆＢ±ＮＶ／λ ・・・ （数１）
ここで、ｆＢ＝２０ＭＨｚである。λはレーザ光の波長である。また、Ｎ＝２、４、・・
・で、光路の往復回数により決まる定数であり、図１０の場合、Ｎ＝２である。一方、レ
ーザヘッド３０１からは、参照信号としてｆＢ＝２０ＭＨｚのビート信号３１０が出力さ
れている。
【０００６】
測定されたヘテロダイン干渉信号３０９及び参照信号３１０は位相検出回路３１１に入
力され、両信号間の位相差から測定対象物４００の移動速度Ｖ及び移動量４００ｄが求め
られ、移動量出力信号３１２として出力される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Meas. Sci. Technol., 9 (1998), 1024-1030
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
図１０に示す干渉計においては、プローブ光路、即ちプローブ光であるＰ偏光ビーム３
０５が通過する光路と参照光であるＳ偏光ビーム３０３が通過する参照光路とが空間的に
分離しているため、空気の揺らぎ等による温度分布や屈折率分布、あるいは機械振動が生
じた場合、両光路間で光路差が変動し、これがナノメートルオーダの測定誤差となってし
まう。将来の４５ｎｍノードや３２ｎｍノード対応の半導体微細パターン製造用露光装置
やパターン寸法測定装置のステージ、あるいは局所的なキャラクタリゼーションに用いら
れるプローブ顕微鏡のプローブ位置制御にはサブナノメートルオーダ以下の位置決め精度
が要求されており、図１０に示す従来技術では、この要求に応えることができない。温度
、湿度、機械振動といった環境要因を高精度に制御する方法も考えられうるが、装置コス
ト、装置サイズ、使い勝手の面で、経済的効果が著しく低下してしまう。
【０００９】
本発明は、上記した課題を解決して、対象物の変位量や移動量を安定に計測可能な変位
計測方法とその装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明では、光源からの光を第１の光と第２の光に分離し、第１の光の光軸と第２の光
の光軸とを近接させて第１の光を移動可能な対象物に照射し、第２の光を参照面に照射す
ることにより、対象物からの反射光と参照面からの反射光とを干渉させてその干渉光から
前記対象物の移動量を求める際に、外乱の影響を受けることなく高精度に対象物の移動量
を求めることを可能にした。
【００１１】
また、本発明では、第１の光の光軸と第２の光の光軸とを近接させる際に、第１の光の
光軸と第２の光の光軸の周囲の媒体の物性変化が第１の光の光軸と第２の光の光軸に等し
く作用する距離として設定することにより、外乱の影響が２つの光に等しく作用して相殺
させることとなり、外乱の影響を受けることなく高精度に対象物の移動量を求めることを
可能にした。
【００１２】
また、本発明では、第１の光の光軸と第２の光の光軸とを近接させる際に、第１の光の
光軸と第２の光の光軸とを一致させることにより、外乱の影響が２つの光に等しく作用し
て相殺させることとなり、外乱の影響を受けることなく高精度に対象物の移動量を求める
ことを可能にした。
【００１３】
また、本発明では、参照面を回折格子で構成することにより、第１の光の光軸と第２の
光の光軸とを一致させることが可能となり、外乱の影響が２つの光に等しく作用し相殺さ
れることとなり、外乱の影響を受けることなく高精度に対象物の移動量を求めることが可
能となる。
【００１４】
また、本発明は、光源からの光を第１の光と第２の光に分離し、第１の光の光軸と第２
の光の光軸とを近接させて第１の光を対象物の表面に照射し、第２の光を参照面に照射す
ることにより、対象物の表面からの反射光と参照面からの反射光とを干渉させてその干渉
光から前記対象物の表面の形状を求める際に、外乱の影響を受けることなく高精度に対象
物の表面形状を求めることが可能となる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、空気の揺らぎ等による温度分布や屈折率分布あるいは機械振動といっ
た外乱の影響が、プローブ光（第１の光）と参照光（第２の光）に等しく作用するので、
２つの光が干渉した際に上記外乱の影響を相殺することが可能となる。この結果、空気揺
らぎや機械振動といった外乱の影響を受けることなく、サブナノメートルオーダ以下の精
度で干渉光から安定かつ高精度に対象物の変位量や移動量を求めることが可能となる。
【００１６】
また、上記共通光路形干渉計を構成することにより変位計測装置を小さくすることがで
き、測定対象物周辺のスペースが小さい場合にも本装置の適用が可能となる。
【００１７】
更に、温度、湿度、機械振動といった環境要因を高精度に制御する必要が無いため、装
置コスト、装置サイズ、使い勝手の面で、経済的効果が著しく向上するという効果も有す
る。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施例１における変位計測装置の装置構成、光源ユニットの構成、２周波直交偏光ビーム及び偏光板の偏光方向を示す概略図である。
【図２】本発明における参照ミラーの構成を示す概略図である。
【図３】本発明の実施例２における、２周波Ｈｅ−Ｎｅレーザを用いた光源ユニットの構成と２周波直交偏光ビームの偏光方向を示す概略図である。
【図４】本発明の実施例３における、光源ユニットから出射された２周波直交偏光ビームを偏波面保存ファイバにより干渉計ユニットに伝送する変位計測装置の装置構成を示す概略図である。
【図５】本発明の実施例４における、複屈折プリズムを用いて参照光を生成する変位計測装置の装置構成を示す概略図である。
【図６】本発明の実施例５における、偏光ビームスプリッタと反射ミラーを用いて参照光を生成する変位計測装置の装置構成を示す概略図である。
【図７】本発明の実施例６における、プローブ光が１／４波長板とターゲットミラーとの間の光路を４往復する変位計測装置の装置構成を示す概略図である。
【図８】本発明の実施例７における、ホモダイン共通光路形干渉計を基本系とする変位計測装置の装置構成と光源ユニットの構成を示す概略図である。
【図９】本発明の実施例８における、ホモダイン共通光路形干渉計を基本系とする変位計測装置の装置構成を示す概略図である。
【図１０】従来の光干渉を用いた変位計測装置を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の実施の形態を、図により説明する。
【実施例１】
【００２０】
本発明の第１の実施例を図１に基づいて説明する。本実施例の変位計測装置は、図１（ａ
）に示すように、光源ユニット２、干渉計ユニット３及び位相検出ユニット１８から成る
。図１（ｂ）に示すように、光源ユニット２においては、直線偏光レーザ光源２１（例え
ば波長６３２．８ｎｍの周波数安定化Ｈｅ−Ｎｅレーザ）からの直線偏光ビーム２２を４
５°の偏光方向で偏光ビームスプリッタ２３に入射させ、２つの偏光成分に分離する。Ｐ
偏光ビーム２４は偏光ビームスプリッタ２３を透過し、周波数ｆ１で駆動される音響光学
変調素子２５（ＡＯＭ：Ａｃｏｕｓｔｏ−Ｏｐｔｉｃ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）により、光
周波数がｆ１だけシフトする。
【００２１】
一方、Ｓ偏光ビーム２８は偏光ビームスプリッタ２３で反射され、周波数ｆ１＋ｆＢで
駆動される音響光学変調素子２９より、光周波数がｆ１＋ｆＢシフトする。ここで、ｆＢ
は例えば１００ｋＨｚから数１０ＭＨｚである。Ｐ偏光ビーム２４及びＳ偏光ビーム２８
は各々ミラー２６及び２６’で反射された後、偏光ビームスプリッタ２７で合成された後
、ミラー２６”で反射されて、光源ユニット２から２周波直交偏光ビーム４として出射さ
れる。図１（ｃ）中の２４Ｐが２周波直交偏光ビーム４のＰ偏光ビーム２４の偏光方向を
、２８ＳがＳ偏光ビーム２８の偏光方向を示している。
【００２２】
２周波直交偏光ビーム４は干渉計ユニット３に入射し、非偏光ビームスプリッタ５によ
り、２つの光路に分離される。非偏光ビームスプリッタ５により反射された２周波直交偏
光ビーム６は、図１（ｃ）の破線７ａで示すように両偏光方向に対し４５°方向に偏光角
を有する偏光板７を透過することによりヘテロダイン干渉する。このヘテロダイン干渉光
はホトダイオード等の光電変換素子８で受光されビート周波数ｆＢの電気信号９に変換さ
れ、参照信号として用いられる。一方、非偏光ビームスプリッタ５を透過した２周波直交
偏光ビーム１０は、参照ミラー１１に入射する。参照ミラー１１は、図２に示すように、
合成石英基板１１ｂ上にＡｌ等の金属材料で回折格子１１ｇが形成された構成となってい
る。
【００２３】
このような回折格子は、図中に示すように、２周波直交偏光ビーム１０のうち、回折格
子の長手方向と平行なＳ偏光成分２８Ｓは反射し、直交するＰ偏光成分２４Ｐははそのま
ま透過する、いわゆる偏光素子（Ｗｉｒｅ Ｇｒｉｄ Ｐｏｌａｒｉｚｅｒ）としての性
質を示す。本実施例の場合、回折格子１１ｇのピッチは１４４ｎｍ、線幅は６５ｎｍ、高
さは１６５ｎｍとした。参照ミラー１１で反射されたＳ偏光ビーム１０ｒは参照光として
用いる。透過したＰ偏光ビーム１０ｍはプローブ光として用いる。
【００２４】
Ｐ偏光ビーム１０ｍは１／４波長板１２を透過した後円偏光となり、測定対象物１上に
載置されたターゲットミラー１３で反射され、再び１／４波長板１２を透過後Ｓ偏光とな
り、参照ミラー１１で反射され、１／４波長板１２を透過後円偏光としてターゲットミラ
ー１３で反射され、１／４波長板１２を透過後Ｐ偏光となり、参照ミラー１１を透過する
。即ち、プローブ光１０ｍは参照ミラー１１とターゲットミラー１３との間の光路を２往
復することになり、測定対象物１の移動量１ｄを２倍に拡大して検出することになる。
【００２５】
参照ミラー１１で反射されたＳ偏光ビーム１０ｒと透過したＰ偏光ビーム１０ｍは、２
周波直交偏光ビーム１４として非偏光ビームスプリッタ５で反射される。この２周波直交
偏光ビーム１４は、図１（ｃ）の破線１５ａで示すように両偏光方向に対し４５°方向に
偏光角を有する偏光板１５を透過することによりヘテロダイン干渉する。このヘテロダイ
ン干渉光はホトダイオード等の光電変換素子１６で受光され、電気信号１７に変換される
。このヘテロダイン干渉信号１７の周波数ｆＭは、測定対象物１の移動速度Ｖに応じたド
ップラーシフト周波数が加わり、（数１）で与えられる。
【００２６】
（数１）において、Ｎ＝４である。測定されたヘテロダイン干渉信号Ｉ（ｔ）１７及び
光電変換素子８で得られた参照信号９は位相検出ユニット１８に入力され、両信号間の位
相差から測定対象物１の移動速度Ｖ及び移動量１ｄが求められ、移動量信号１９として出
力される。位相検出ユニット１８は、例えばロックインアンプ等が使用可能である。ヘテ
ロダイン干渉信号Ｉ（ｔ）１７は（数２）で与えられる。
【００２７】
Ｉ（ｔ）＝Ｉｍ＋Ｉｒ
＋２（Ｉｍ・Ｉｒ）１／２ｃｏｓ（２πｆＢｔ±２πＮＶｔ／λ） ・・・ （数２）
ここで、Ｉｍはプローブ光の検出強度、Ｉｒは参照光の検出強度、ｎは空気の屈折率、
λはレーザ光２２の波長である。位相検出ユニット１８からは、（数２）のｃｏｓ成分の
中の第２項：±２πＮＶｔ／λが位相信号として出力される。例えば、位相信号がπ／１
８００の場合、移動量１ｄ＝０．０４４ｎｍとなる。
【００２８】
図１から明らかなように、ターゲットミラー１３に向かうプローブ光１０ｍと参照光１
０ｒの２つのビームは、光源ユニット２から出射されて干渉計ユニット３に入射し、参照
ミラー１１に至るまで、更に参照ミラー１１から光電変換素子１６で受光されるに至るま
で、完全に同一の光路を通る。即ち、共通光路形干渉計の構成となる。従って、仮に光路
中に空気の揺らぎ等による温度分布や屈折率分布、あるいは機械振動が生じたとしても、
これらの外乱は両ビームに等しく影響を及ぼすため、両ビームが干渉した際にこれら外乱
の影響は完全に相殺され、干渉光は外乱の影響を受けない。唯一、参照ミラー１１とター
ゲットミラー１３との間の光路においてプローブ光１０ｍのみが存在するが、例えば、プ
ローブ顕微鏡等のストロークは高々数百ミクロン程度であるので、参照ミラー１１とター
ゲットミラー１３との間隙は１ｍｍ以下に設定することが可能であり、このような微小間
隙での外乱の影響は無視できる。
【００２９】
また、図１（ｂ）に示す光源ユニット２では、直交する２つの偏光ビーム２４、２８が
別光路を通る構成となっており、両光路間に外乱の影響が重畳する可能性がある。しかし
、仮に外乱の影響がのったとしても、その影響は測定されたヘテロダイン干渉光と参照光
の両方に等しくのるため、位相検出ユニット１８において両者の位相差を検出する際に相
殺される。
【００３０】
本実施例の干渉計の構成により、温度、湿度、音響振動といった環境因子を高精度に制
御することなく、測定対象物１の移動速度Ｖ及び移動量１ｄをサブナノメートルからピコ
メートルの精度で安定に計測することが可能である。本実施例では、参照ミラーとして金
属回折格子（Ｗｉｒｅ Ｇｒｉｄ Ｐｏｌａｒｉｚｅｒ）を用いることにより、２周波直
交偏光ビームのうち一方の偏光ビームからプローブ光を、他方の偏光ビームから参照光を
同軸上に生成することが可能となり、共通光路形ヘテロダイン干渉計を構成することがで
きるものである。
【実施例２】
【００３１】
第１の実施例では、２周波直交偏光ビーム４を生成するために、図１（ｂ）に示すように
、２つの偏光ビームスプリッタ２３、２７と２つの音響光学変調素子２５、２９を用いた
が、第２の実施例では、上記した第１の実施例において図１（ｂ）に示した光源ユニット
２の代わりに図３（ａ）に示すように、光源ユニット２’に２周波Ｈｅ−Ｎｅレーザ３１
（２本の縦モード発振を有するデュアルモードレーザ）を用いる。得られる２周波直交偏
光ビーム３２の偏光方向は、図３（ｂ）中の３２Ｐ及び３２Ｓに示す通りであり、一例と
して６４０ＭＨｚ程度のビート信号が得られる。干渉計ユニット３及び位相検出ユニット
１８の構成と機能は第１の実施例と同様であるので、説明を省略する。本実施例によれば
、第１の実施例と同様、温度、湿度、音響振動といった環境因子を高精度に制御すること
なく、測定対象物１の移動速度Ｖ及び移動量１ｄをサブナノメートルからピコメートルの
精度で安定に計測することが可能である。
【実施例３】
【００３２】
次に本発明の第３の実施例として、光源ユニット２から出射された２周波直交偏光ビーム
４、３２を偏波面保存ファイバにより干渉計ユニット３に伝送する変位計測装置について
、図４により説明する。２周波直交偏光ビーム４、３２は、偏光ビームスプリッタ４１に
より、Ｐ偏光ビーム４２とＳ偏光ビーム４５に分離される。Ｐ偏光ビーム４２は集光レン
ズ４３により偏波面保存ファイバ４４の入射端面４４ａに集光され、直線偏光を維持した
まま伝送される。偏波面保存ファイバ４４の出射端面４４ｂから出射したＰ偏光ビームは
コリメーティングレンズ４６で平行ビームとなり、偏光ビームスプリッタ４１を透過する
。同様にＳ偏光ビーム４５は集光レンズ４３’により偏波面保存ファイバ４４’の入射端面４４’ａに集光され、直線偏光を維持したまま伝送される。
【００３３】
偏波面保存ファイバ４４’の出射端面４４’ｂから出射したＳ偏光ビームはコリメーティングレンズ４６’で平行ビームとなり、偏光ビームスプリッタ４１で反射される。Ｐ偏光ビームとＳ偏光ビームは合成されて再び２周波直交偏光ビーム４８となり、干渉計ユニット３に入射する。干渉計ユニット３及び位相検出ユニット１８の構成と機能は第１の実施例と同様であるので、説明を省略する。
【００３４】
なお、本実施例において、光源２の代わりに、第２の実施例で説明した光源２’を用いてもよい。
【００３５】
本実施例によれば、第１の実施例と同様、温度、湿度、音響振動といった環境因子を高
精度に制御することなく、測定対象物１の移動速度Ｖ及び移動量１ｄをサブナノメートル
からピコメートルの精度で安定に計測することが可能である。また、光源ユニット２を干
渉計ユニット３から分離して編波面保存ファイバ４４及び４４'で接続することにより遠
方に配置し、測定対象物１の近傍には干渉計ユニット３のみが配置されるので、測定対象
物１の近傍にスペースが無い場合にも適用できるという利点がある。
【実施例４】
【００３６】
次に本発明の第４の実施例として、複屈折プリズムを用いて参照光を生成する方法につい
て、図５により説明する。本実施例の変位計測装置では、光源ユニット２及び位相検出ユ
ニット１８の基本構成とその機能は第１の実施例と同様であるので、説明を省略する。
また、本実施例においても、光源２の代わりに、第２の実施例で説明した光源２’を用い
てもよい。
【００３７】
以下では、参照光の生成方法と干渉計ユニット５０３についてのみ説明する。非偏光ビ
ームスプリッタ５を透過した２周波直交偏光ビーム１０のうちＳ偏光ビーム１０ｂｒは、
複屈折特性を示す光学材料５１と５１’、例えば方解石を２枚張り合わせた複屈折プリズ
ム５０により、その光軸が概ね２００μｍ平行シフトし、誘電体多層膜で構成された反射
ミラー５２で反射された後、参照光として元の光軸を戻っていく。一方、Ｐ偏光ビーム１
０ｂｍは複屈折プリズム５０をそのまま透過し、プローブ光としてターゲットミラー１３
で反射された後、元の光軸を戻り、参照光１０ｂｒと合成され、２周波直交偏光ビーム１
４として非偏光ビームスプリッタ５で反射される。この２周波直交偏光ビーム１４は、第
１の実施例と同様、図１（ｃ）の破線１５ａで示すように両偏光方向に対し４５°方向に
偏光角を有する偏光板１５を透過することによりヘテロダイン干渉する。このヘテロダイ
ン干渉光は光電変換素子１６で受光され、電気信号６７に変換される。以降の動作、信号
処理は第１の実施例と同様であるので、説明を省略する。
【００３８】
図５から明らかなように、ターゲットミラー１３に向かうプローブ光１０ｂｍと参照光
１０ｂｒの２つのビームは、光源ユニット２から出射されて干渉計ユニット５０３に入射
し、複屈折プリズム５０の入射面に至るまで、更に複屈折プリズム５０の入射面から光電
変換素子１６で受光されるに至るまで、完全に同一の光路を通る。即ち、共通光路形干渉
計の構成となる。従って、仮に光路中に空気の揺らぎ等による温度分布や屈折率分布、あ
るいは機械振動が生じたとしても、これらの外乱は両ビームに等しく影響を及ぼすため、
両ビームが干渉した際にこれら外乱の影響は完全に相殺され、干渉光は外乱の影響を受け
ない。唯一、複屈折プリズム５０の入射面とターゲットミラー１３との間の光路において
プローブ光１０ｂｍのみが存在するが、例えば、プローブ顕微鏡等のストロークは高々数
百ミクロン程度であるので、複屈折プリズム５０の入射面とターゲットミラー１３との間
隙は数ｍｍ以下に設定することが可能であり、このような微小間隙での外乱の影響は無視
できる。
【００３９】
従って、本実施例によれば、第１の実施例と同様、温度、湿度、音響振動といった環境
因子を高精度に制御することなく、測定対象物１の移動速度Ｖ及び移動量１ｄをサブナノ
メートルからピコメートルの精度で安定に計測することが可能である。本実施例では、複
屈折プリズム５０と反射ミラー５２を用いることにより、２周波直交偏光ビームのうち一
方の偏光ビームからプローブ光を、他方の偏光ビームから参照光をほぼ同軸上に生成する
ことが可能となり、共通光路形ヘテロダイン干渉計を構成することができるものである。
【実施例５】
【００４０】
次に本発明の第５の実施例として、偏光ビームスプリッタと反射ミラーを用いて参照光を
生成する方法について、図６により説明する。本実施例の変位計測装置では、光源ユニッ
ト２及び位相検出ユニット１８の基本構成とその機能は第１の実施例と同様であるので、
説明を省略する。また、本実施例において、光源２の代わりに、第２の実施例で説明した
光源２’を用いてもよい。
【００４１】
以下では、参照光の生成方法と干渉計ユニット６０３についてのみ説明する。光源ユニ
ット２から出射された２周波直交偏光ビーム４のうちおよそ４％が、ビームスプリッタ６
１（透過率９６％、反射率４％）で反射され、反射された２周波直交偏光ビーム６２は図
１（ｃ）の破線７ａで示すように両偏光方向に対し４５°方向に偏光角を有する偏光板７
を透過することによりヘテロダイン干渉する。このヘテロダイン干渉光は光電変換素子８
で受光されビート周波数ｆＢの電気信号６９に変換され、参照信号として用いられる。
【００４２】
一方、ビームスプリッタ６１を透過した２周波直交偏光ビーム６３は、偏光ビームスプ
リッタ６０によりＳ偏光ビーム６４とＰ偏光ビ−ム６５に分離される。Ｓ偏光ビーム６４
は１／４波長板１２’透過後円偏光となり、誘電体多層膜で構成された反射ミラー６６で
反射された後、再び１／４波長板１２’透過後Ｐ偏光となり、参照光として元の光軸を戻
り偏光ビームスプリッタ６０を透過する。
【００４３】
Ｐ偏光ビーム６５は１／４波長板１２”透過後円偏光となり、プローブ光としてターゲ
ットミラー１３で反射された後、再び１／波長４板１２”透過後Ｓ偏光となり、元の光軸
を戻り偏光ビームスプリッタ６０で反射される。２つの戻り光は合成されて２周波直交偏
光ビーム６７となり、第１の実施例と同様、図１（ｃ）の破線１５ａで示すように両偏光
方向に対し４５°方向に偏光角を有する偏光板１５を透過することによりヘテロダイン干
渉する。このヘテロダイン干渉光は光電変換素子１６で受光され、電気信号６８に変換さ
れる。以降の動作、信号処理は第１の実施例と同様であるので、説明を省略する。
【００４４】
図６から明らかなように、ターゲットミラー１３に向かうプローブ光６５と参照光６４
の２つのビームは、光源ユニット２から出射されて干渉計ユニット６０３に入射し、偏光
ビームスプリッタ６０内のみを透過する。空気の揺らぎ等による温度分布や屈折率分布、
あるいは機械振動が生じたとしても、これらの外乱は両ビームに等しく影響を及ぼすと考
えられ、両ビームが干渉した際にこれら外乱の影響は完全に相殺され、干渉光は外乱の影
響を受けにくい。唯一、１／４波長板１２”とターゲットミラー１３との間の光路におい
てプローブ光６５は空気中を通過するが、例えば、プローブ顕微鏡等のストロークは高々
数百ミクロン程度であるので、１／４波長板１２”とターゲットミラー１３との間隙は１
ｍｍ以下に設定することが可能であり、このような微小間隙での外乱の影響は無視できる
。従って、本実施例によれば、第１の実施例と同様、温度、湿度、音響振動といった環境
因子を高精度に制御することなく、測定対象物１の移動速度Ｖ及び移動量１ｄをサブナノ
メートルからピコメートルの精度で安定に計測することが可能である。
【実施例６】
【００４５】
次に本発明の第６の実施例として、プローブ光が１／４波長板とターゲットミラーとの間
の光路を４往復する場合について、図７により説明する。本実施例の変位計測装置では、
光源ユニット２及び位相検出ユニット１８の基本構成とその機能は第１の実施例と同様で
あるので、説明を省略する。また、本実施例において、光源２の代わりに、第２の実施例
で説明した光源２’を用いてもよい。
【００４６】
以下では、干渉計ユニット７０３についてのみ説明する。光源ユニット２から出射され
た２周波直交偏光ビーム４または３２は干渉計ユニット７０３に入射し、ミラー７１で反
射された後、非偏光ビームスプリッタ７０により２つの光路に分離される。非偏光ビーム
スプリッタ７０を透過した２周波直交偏光ビーム７２は、図１（ｃ）の破線７ａで示すよ
うに両偏光方向に対し４５°方向に偏光角を有する偏光板７を透過することによりヘテロ
ダイン干渉する。このヘテロダイン干渉光は光電変換素子８で受光されビート周波数ｆＢ
の電気信号７９に変換され、参照信号として用いられる。
【００４７】
一方、非偏光ビームスプリッタ７０で反射された２周波直交偏光ビーム７３は、参照ミ
ラー１１に入射する。参照ミラー１１は、第１の実施例と同様、図２に示すように、合成
石英基板１１ｂ上にＡｌ等の金属材料で回折格子が形成された構成となっており、その機
能は第１の実施例と全く同一であり、偏光素子（Ｗｉｒｅ Ｇｒｉｄ Ｐｏｌａｒｉｚｅ
ｒ）として機能する。参照ミラー１１で反射されたＳ偏光ビーム１０ｒは参照光として非
偏光ビームスプリッタ７０を透過し、反射面７０ｍ及び７０ｎで反射された後、再び非偏
光ビームスプリッタ７０を透過し、参照ミラー１１で反射された後、非偏光ビームスプリ
ッタ７０で反射される。
【００４８】
一方、参照ミラー１１を透過したＰ偏光ビーム１０ｍはプローブ光として用いる。Ｐ偏
光ビーム１０ｍは１／４波長板１２を透過した後円偏光となり、ターゲットミラー１３で
反射され、再び１／４波長板１２を透過後Ｓ偏光となり、参照ミラー１１で反射され、１
／４波長板１２を透過後円偏光としてターゲットミラー１３で反射され、１／４波長板１
２を透過後Ｐ偏光となり、参照ミラー１１を透過する。
【００４９】
このＰ偏光ビーム１０ｍは参照光と同一の光路を通り、非偏光ビームスプリッタ７０を
透過し、反射面７０ｍ及び７０ｎで反射された後、再び非偏光ビームスプリッタ７０を透
過し、再度１／４波長板１２を透過した後円偏光となり、ターゲットミラー１３で反射さ
れ、再び１／４波長板１２を透過後Ｓ偏光となり、参照ミラー１１で反射され、１／４波
長板１２を透過後円偏光としてターゲットミラー１３で反射され、１／４波長板１２を透
過後Ｐ偏光となり、参照ミラー１１を透過する。即ち、プローブ光１０ｍは参照ミラー１
１とターゲットミラー１３との間の光路を４往復することになり、測定対象物１の移動量
１ｄを４倍に拡大して検出することになる。
【００５０】
このＰ偏光ビーム１０ｍは参照光であるＳ偏光ビーム１０ｒと合成されて２周波直交偏
光ビーム７４となり、非偏光ビームスプリッタ７０で反射された後、ミラー７１で反射さ
れる。２周波直交偏光ビーム７４は、図１（ｃ）の破線１５ａで示すように両偏光方向に
対し４５°方向に偏光角を有する偏光板１５を透過することによりヘテロダイン干渉する
。このヘテロダイン干渉光は光電変換素子１６で受光され、電気信号７７に変換される。
以降の動作、信号処理は第１の実施例と同様であるので、説明を省略する。
【００５１】
図７から明らかなように、第１の実施例と同様、ターゲットミラー１３に向かうプロー
ブ光１０ｍと参照光１０ｒの２つのビームは、光源ユニット２から出射されて干渉計ユニ
ット７０３に入射し、参照ミラー１１に至るまで、更に参照ミラー１１から光電変換素子
１６で受光されるに至るまで、完全に同一の光路を通る。即ち、共通光路形干渉計の構成
となる。
【００５２】
従って、仮に光路中に空気の揺らぎ等による温度分布や屈折率分布、あるいは機械振動
が生じたとしても、これらの外乱は両ビームに等しく影響を及ぼすため、両ビームが干渉
した際にこれら外乱の影響は完全に相殺され、干渉光は外乱の影響を受けない。唯一、参
照ミラー１１とターゲットミラー１３との間の光路においてプローブ光１０ｍのみが存在
するが、例えば、プローブ顕微鏡等のストロークは高々数百ミクロン程度であるので、参
照ミラー１１とターゲットミラー１３との間隙は１ｍｍ以下に設定することが可能であり
、このような微小間隙での外乱の影響は無視できる。
【００５３】
また、図１（ｂ）に示す光源ユニット２では、直交する２つの偏光ビーム２４、２８が
別光路を通る構成となっており、両光路間に外乱の影響が重畳する可能性がある。しかし
、仮に外乱の影響がのったとしても、その影響は測定されたヘテロダイン干渉光と参照光
の両方に等しくのるため、位相検出ユニット１８において両者の位相差を検出する際に相
殺される。
【００５４】
本実施例の干渉計の構成により、温度、湿度、音響振動といった環境因子を高精度に制
御することなく、測定対象物１の移動速度Ｖ及び移動量１ｄをサブナノメートルからピコ
メートルの精度で安定に計測することが可能である。本実施例では、参照ミラーとして金
属回折格子（Ｗｉｒｅ Ｇｒｉｄ Ｐｏｌａｒｉｚｅｒ）を用いることにより、２周波直
交偏光ビームのうち一方の偏光ビームからプローブ光を、他方の偏光ビームから参照光を
同軸上に生成することが可能となり、共通光路形ヘテロダイン干渉計を構成することがで
きるものである。更に、本実施例では、プローブ光１０ｍが参照ミラー１１とターゲット
ミラー１３との間の光路を４往復することになり、測定対象物１の移動量１ｄを４倍に拡
大して検出することになり、第１の実施例に対し２倍の変位計測感度が得られる。
【実施例７】
【００５５】
第１から第６の実施例はいずれもヘテロダイン共通光路形干渉計を基本系としているが、
次に本発明の第７の実施例として、ホモダイン共通光路形干渉計を基本系とする場合につ
いて、図８により説明する。本実施例の変位計測装置は、図８（ａ）に示すように、光源
ユニット８０２、干渉計ユニット８０３及び変位検出ユニット１０２から成る。図８（ｂ
）に示すように、光源ユニット８０２においては、直線偏光レーザ８２１（例えば波長６
３２．８ｎｍの周波数安定化Ｈｅ−Ｎｅレーザ）からの出射ビーム８２２を４５°の偏光
方向で偏光ビームスプリッタ８２３に入射し、２つの偏光成分、Ｐ偏光ビーム８２４とＳ
偏光ビーム８２８とに分離する。Ｐ偏光ビーム８２４は偏光ビームスプリッタ８２３を透
過し、Ｓ偏光ビーム８２８は偏光ビームスプリッタ８２３で反射され、各々ミラー８２６
、８２６’で反射された後、偏光ビームスプリッタ８２７で合成された、ミラー８２６”
で反射されて、直交偏光ビーム８８１として出射される。
【００５６】
即ち、本実施例では、第１の実施例のように、直交偏光ビームに対し光周波数シフトは
与えない。図１（ｃ）中の２４Ｐが直交偏光ビーム４のＰ偏光ビーム８２４の偏光方向を
、２８ＳがＳ偏光ビーム８２８の偏光方向を示している。
【００５７】
図８（ａ）に示すように、直交偏光ビーム８８１は干渉計ユニット８０３に入射する。
干渉計ユニット８０３において、非偏光ビームスプリッタ８０５を透過した直交偏光ビー
ム８８２は参照ミラー８１１に入射する。参照ミラー８１１は、第１の実施例と同様、図
２に示すように、合成石英基板１１ｂ上にＡｌ等の金属材料で回折格子が形成された構成
となっており、その機能は第１の実施例と全く同一であり、偏光素子（Ｗｉｒｅ Ｇｒｉ
ｄ Ｐｏｌａｒｉｚｅｒ）として機能する。
【００５８】
参照ミラー８１１で反射されたＳ偏光ビーム１０ｒは参照光として用いる。透過したＰ
偏光ビーム１０ｍはプローブ光として用いる。Ｐ偏光ビーム１０ｍは１／４波長板８１２
を透過した後円偏光となり、ターゲットミラー１３で反射され、再び１／４波長板８１２
を透過後Ｓ偏光となり、参照ミラー８１１で反射され、１／４波長板８１２を透過後円偏
光としてターゲットミラー１３で反射され、１／４波長板８１２を透過後Ｐ偏光となり、
参照ミラー８１１を透過する。即ち、プローブ光１０ｍは参照ミラー８１１とターゲット
ミラー１３との間の光路を２往復することになり、測定対象物１の移動量１ｄを２倍に拡
大して検出することになる。
【００５９】
参照ミラー８１１で反射されたＳ偏光ビーム１０ｒと透過したＰ偏光ビーム１０ｍは合
成されて、直交偏光ビーム８８３として非偏光ビームスプリッタ８０５で反射される。こ
の直交偏光ビーム８８３は１／２波長板８８４を透過後偏光方向が４５°回転し、非偏光
ビームスプリッタ８８５で２つのビームに分離される。非偏光ビームスプリッタ８８５で
反射された直交偏光ビーム８８６は偏光ビームスプリッタ８８７に入射し、互いに位相が
１８０°シフトした２つのホモダイン干渉光８８８及び８９０に分離される。ホモダイン
干渉光８８８はホトダイオード等の光電変換素子８８９で受光され、電気信号９２に変換
される。位相が１８０°シフトしたホモダイン干渉光８９０は光電変換素子８９１で受光
され、電気信号９３に変換される。
【００６０】
非偏光ビームスプリッタ８８５を透過した直交偏光ビーム８９４は１／４波長板８９５
透過後±９０°の位相差が付加されて、偏光ビームスプリッタ８８７に入射し、更に互い
に位相が１８０°シフトした２つのホモダイン干渉光８９６及び８９８に分離される。ホ
モダイン干渉光８９６はホトダイオード等の光電変換素子８９７で受光され、電気信号１
００に変換される。位相が１８０°シフトしたホモダイン干渉光８９８は光電変換素子８
９９で受光され、電気信号１０１に変換される。
【００６１】
４つのホモダイン干渉信号９２、９３、１００、１０１は各々（数３）〜（数６）で与
えられる。
【００６２】
Ｉ１＝Ｉｍ＋Ｉｒ＋２（Ｉｍ・Ｉｒ）１／２ｃｏｓ（４πｎＤ／λ） ・・・（数３）
Ｉ２＝Ｉｍ＋Ｉｒ＋２（Ｉｍ・Ｉｒ）１／２ｃｏｓ（４πｎＤ／λ＋π）
＝Ｉｍ＋Ｉｒ−２（Ｉｍ・Ｉｒ）１／２ｃｏｓ（４πｎＤ／λ） ・・・（数４）
Ｉ３＝Ｉｍ＋Ｉｒ＋２（Ｉｍ・Ｉｒ）１／２ｃｏｓ（４πｎＤ／λ＋π／２）
＝Ｉｍ＋Ｉｒ−２（Ｉｍ・Ｉｒ）１／２ｓｉｎ（４πｎＤ／λ） ・・・（数５）
Ｉ４＝Ｉｍ＋Ｉｒ＋２（Ｉｍ・Ｉｒ）１／２ｃｏｓ（４πｎＤ／λ＋３π／２）
＝Ｉｍ＋Ｉｒ＋２（Ｉｍ・Ｉｒ）１／２ｓｉｎ（４πｎＤ／λ） ・・・（数６）
ここで、Ｉｍはプローブ光の検出強度、Ｉｒは参照光の検出強度、ｎは空気の屈折率、Ｄ
は測定対象物１の移動量１ｄ、λはレーザ光８２２の波長である。変位検出ユニット１０
２では、（数３）〜（数６）より（数７）に基づいて、測定対象物１の移動量Ｄが算出さ
れて、移動量信号１０３として出力される。
【００６３】
Ｄ＝（λ／４πｎ）ｔａｎ−１｛（Ｉ４−Ｉ３）／（Ｉ１−Ｉ２）｝ ・・・（数７）
図８（ａ）から明らかなように、ターゲットミラー１３に向かうプローブ光１０ｍと参
照光１０ｒの２つのビームは、光源ユニット８０２から出射されて干渉計ユニット８０３
に入射し、参照ミラー８１１に至るまで、更に参照ミラー８１１から光電変換素子８８９
、８９１、８９７、８９９で受光されるに至るまで、完全に同一の光路を通る。即ち、共
通光路形干渉計の構成となる。
【００６４】
従って、仮に光路中に空気の揺らぎ等による温度分布や屈折率分布、あるいは機械振動
が生じたとしても、これらの外乱は両ビームに等しく影響を及ぼすため、両ビームが干渉
した際にこれら外乱の影響は完全に相殺され、干渉光は外乱の影響を受けない。唯一、参
照ミラー８１１とターゲットミラー１３との間の光路においてプローブ光１０ｍのみが存
在するが、例えば、プローブ顕微鏡等のストロークは高々数百ミクロン程度であるので、
参照ミラー８１１とターゲットミラー１３との間隙は１ｍｍ以下に設定することが可能で
あり、このような微小間隙での外乱の影響は無視できる。また、図８（ｂ）に示す光源ユ
ニット８０２では、直交する２つの偏光ビーム８２４、８２８が別光路を通る構成となっ
ており、両光路間に外乱の影響が重畳する可能性がある。しかし、仮に外乱の影響がのっ
たとしても、その影響は測定された４つのホモダイン干渉光に等しくのるため、変位検出
ユニット１０２における（数７）の処理において相殺される。
【００６５】
本実施例の干渉計の構成により、温度、湿度、音響振動といった環境因子を高精度に制
御することなく、測定対象物１の移動速度Ｖ及び移動量１ｄをサブナノメートルからピコ
メートルの精度で安定に計測することが可能である。本実施例では、参照ミラーとして金
属回折格子（Ｗｉｒｅ Ｇｒｉｄ Ｐｏｌａｒｉｚｅｒ）を用いることにより、直交偏光
ビームのうち一方の偏光ビームからプローブ光を、他方の偏光ビームから参照光を同軸上
に生成することが可能となり、共通光路形ホモダイン干渉計を構成することができるもの
である。
【実施例８】
【００６６】
次に本発明の第８の実施例として、第７の実施例と同様ホモダイン干渉計を基本系とする
場合について、図９により説明する。本実施例の変位計測装置は、第７の実施例と同様、
光源ユニット８０２、干渉計ユニット９０３及び変位検出ユニット１０２から成るが、光
源ユニット８０２及び変位検出ユニット１０２の構成と機能は第７の実施例と同一である
ので、説明を省略する。光源ユニット８０２から出射された直交偏光ビーム８８１は干渉
計ユニット９０３に入射する。干渉計ユニット９０３において、非偏光ビームスプリッタ
９０５を透過した直交偏光ビーム９８２は参照ミラー９１１に入射する。参照ミラー９１
１は、第１の実施例の参照ミラー１１と同様、図２に示すように、合成石英基板１１ｂ上
にＡｌ等の金属材料で回折格子が形成された構成となっており、その機能は第１の実施例
と全く同一であり、偏光素子（Ｗｉｒｅ Ｇｒｉｄ Ｐｏｌａｒｉｚｅｒ）として機能す
る。参照ミラー９１１で反射されたＳ偏光ビーム１０ｒは参照光として用いる。
【００６７】
透過したＰ偏光ビーム１０ｍはプローブ光として用いる。Ｐ偏光ビーム１０ｍは１／４
波長板９１２を透過した後円偏光となり、ターゲットミラー１３で反射され、再び１／４
波長板９１２を透過後Ｓ偏光となり、参照ミラー９１１で反射され、１／４波長板９１２
を透過後円偏光としてターゲットミラー１３で反射され、１／４波長板９１２を透過後Ｐ
偏光となり、参照ミラー９１１を透過する。即ち、プローブ光１０ｍは参照ミラー９１１
とターゲットミラー１３との間の光路を２往復することになり、測定対象物１の移動量１
ｄを２倍に拡大して検出することになる。参照ミラー９１１で反射されたＳ偏光ビーム１
０ｒと透過したＰ偏光ビーム１０ｍは合成されて、直交偏光ビーム９８３として非偏光ビ
ームスプリッタ９０５で反射される。この直交偏光ビーム９８３はビームエキスパンダ２
０１で拡大される。
【００６８】
この拡大ビーム２０２はＤＯＥ２０３（Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅ
ｌｅｍｅｎｔ：回折光学素子）により４つの直交偏光ビーム２０４、２０５、２０６、２
０７に分割され、複屈折材料で構成された位相シフトマスク２０８に入射する。この位相
シフトマスク２０８は、４つの直交偏光ビーム２０４〜２０７に対応した４つの領域２０
８ａ、２０８ｂ、２０８ｃ、２０８ｄに分割されており、各領域を透過する互いに直交す
る偏光ビームの間に、０°、９０°、１８０°、２７０°の位相シフトを与える。位相シ
フトが与えられた４つの直交偏光ビームは、更に両偏光方向に対し４５°方向に偏光角を
有する偏光板２０９を透過することによりホモダイン干渉する。
【００６９】
４つのホモダイン干渉光２１０〜２１３は４分割された光電変換素子２１４で受光され
、電気信号２１５〜２１８に変換される。４つのホモダイン干渉信号２１５〜２１８は、
第７の実施例と同様、各々（数３）〜（数６）で与えられる。変位検出ユニット１０２で
は、（数３）〜（数６）より（数７）に基づいて、測定対象物１の移動量Ｄが算出されて
、移動量信号１０３として出力される。
【００７０】
図９から明らかなように、ターゲットミラー１３に向かうプローブ光１０ｍと参照光１
０ｒの２つのビームは、光源ユニット９０２から出射されて干渉計ユニット９０３に入射
し、参照ミラー９１１に至るまで、更に参照ミラー９１１から光電変換素子２１４で受光
されるに至るまで、同じ光路を通る。即ち、共通光路形干渉計の構成となる。従って、仮
に光路中に空気の揺らぎ等による温度分布や屈折率分布、あるいは機械振動が生じたとし
ても、これらの外乱は両ビームに等しく影響を及ぼすため、両ビームが干渉した際にこれ
ら外乱の影響は完全に相殺され、干渉光は外乱の影響を受けない。唯一、参照ミラー９１
１とターゲットミラー１３との間の光路においてプローブ光１０ｍのみが存在するが、例
えば、プローブ顕微鏡等のストロークは高々数百ミクロン程度であるので、参照ミラー９
１１とターゲットミラー１３との間隙は１ｍｍ以下に設定することが可能であり、このよ
うな微小間隙での外乱の影響は無視できる。
【００７１】
本実施例の干渉計の構成により、温度、湿度、音響振動といった環境因子を高精度に制
御することなく、測定対象物１の移動速度Ｖ及び移動量１ｄをサブナノメートルからピコ
メートルの精度で安定に計測することが可能である。本実施例では、参照ミラーとして金
属回折格子（Ｗｉｒｅ Ｇｒｉｄ Ｐｏｌａｒｉｚｅｒ）を用いることにより、直交偏光
ビームのうち一方の偏光ビームからプローブ光を、他方の偏光ビームから参照光を同軸上
に生成することが可能となり、共通光路形ホモダイン干渉計を構成することができるもの
である。また、本実施例では、位相シフトされた４つの干渉光の生成に、ＤＯＥ２０３と
平面状の位相シフトマスク２０８を用いているため、干渉計ユニット３の構成が簡素化さ
れてより安定性が増し、更に寸法が小さくなるという利点がある。従って、測定対象物１
の周辺にスペースが無い場合でも適用可能である。
【００７２】
以上、本発明の実施例を、測定対象物１の移動量１ｄを計測する場合を例にとり説明し
た。測定対象物１としては、半導体露光装置や検査装置等のステージ等、プローブ顕微鏡
のプローブあるいは測定試料搭載ステージ等、また加工用の工具（バイト等）が想定され
る。更に、本発明はこれらの実施例に限定されるものではなく、例えばターゲットミラー
１３を除去し、対象物１表面にプローブ光１０ｍを直接照射し、プローブ光１０ｍに対し
直交する方向に対象物１を移動させつつ測定を行えば、対象物１表面の微小な凹凸をサブ
ナノメートルからピコメートルの分解能で高精度に計測することも可能である。この場合
の対象物としては、磁気ディスク表面や磁気ヘッド浮上面の面粗さ、マイクロレンズ等の
ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）部品
等が考えられる。また、参照ミラー１１と対象物１との間に集光レンズを挿入すれば、面
内空間分解能もサブミクロンオーダに達する。
【００７３】
また、本発明の第３の実施例を、第４〜第８の実施例に組み合わせうることも自明であ
る。
【符号の説明】
【００７４】
１、４００・・・測定対象物 ２、２’、８０２・・・光源ユニット ３、５０３、
６０３、７０３、８０３、９０３・・・干渉計ユニット ５、８５・・・非偏光ビーム
スプリッタ ７、１５、２０９、３０７・・・偏光板 ８、１６、８９、９１、９７
、９９、２１４、３０８・・・光電変換素子 １１・・・参照ミラー １１ｂ・
・・合成石英基板 １１ｇ・・・回折格子 １２、９５・・・１／４波長板 １３
・・・ターゲットミラー １８・・・位相検出ユニット ２１・・・直線偏光レーザ
２３、２７、４１、８７、３０３・・・偏光ビームスプリッタ ２５、２９・・・
音響光学変調素子 ３１・・・２周波Ｈｅ−Ｎｅレーザ ４４・・・偏波面保存ファ
イバ ５０・・・複屈折プリズム ５１・・・複屈折材料 ５２、６６・・・反射
ミラー ６０・・・偏光ビームスプリッタ ７０・・・非偏光ビームスプリッタ
８４・・・１／２波長板 １０２・・・変位検出ユニット ２０１・・・ビームエキ
スパンダ ２０３・・・ＤＯＥ ２０８・・・位相シフトマスク ３０４、３０６
・・・直角プリズム ３１１・・・位相検出回路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の面上に格子が配列された格子状の偏光素子の前記第一の面に対して垂直方向から光
を照射し、
前記格子状の偏光素子を透過した第１の偏光状態の透過光を対象物に照射し前記対象物で
反射した第１の偏光状態の反射光と、前記格子状の偏光素子で反射した第２の偏光状態の
反射光と、を干渉させて干渉光を生じさせ、
前記干渉光に含まれている情報から前記対象物の変位情報を求めることを特徴とする変位
計測方法。
【請求項２】
光源からの光を格子状の偏光素子に照射し、
前記格子状の偏光素子を透過した第１の偏光状態の透過光を対象物に照射し前記対象物で
反射した第１の偏光状態の反射光と、前記格子状の偏光素子で反射した第２の偏光状態の
反射光と、を干渉させて干渉光を生じさせ、
前記干渉光に含まれている情報から前記対象物の変位情報を求める変位計測方法であって
、
前記格子状の偏光素子の格子は、前記光源からの光の入射方向に対して垂直方向に配列さ
れていることを特徴とする変位計測方法。
【請求項３】
請求項１又は２記載の変位計測方法であって、
前記第１の偏光状態の透過光の光軸と、前記第１の偏光状態の反射光の光軸と、前記第２
の偏光状態の反射光の光軸と、は同軸であることを特徴とする変位計測方法。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の変位計測方法であって、
前記格子状の偏光素子を透過した前記第１の偏光状態の透過光は、前記格子状偏光素子と
前記対象物との間を２往復した後、前記格子状の偏光素子を透過して、前記格子状の偏光
素子で反射した前記第２の偏光状態の反射光と干渉させることを特徴とする変位計測方法
。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の変位計測方法であって、
前記格子状の偏光素子は、回折格子で構成されることを特徴とする変位計測方法。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載の変位計測方法であって、
前記格子状の偏光素子は、Ｗｉｒｅ Ｇｒｉｄ Ｐｏｌａｒｉｚｅｒで構成されることを
特徴とする変位計測方法。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載の変位計測方法であって、
前記対象物で反射した前記第１の偏光状態の反射光と前記格子状の偏光素子で反射した前
記第２の偏光状態の反射光とを干渉させる方法は、ヘテロダイン干渉であることを特徴と
する変位計測方法。
【請求項８】
請求項１乃至６のいずれかに記載の変位計測方法であって、
前記対象物で反射した前記第１の偏光状態の反射光と前記格子状の偏光素子で反射した前
記第２の偏光状態の反射光とを干渉させる方法は、ホモダイン干渉であることを特徴とす
る変位計測方法。
【請求項９】
光源と、
第一の面上に格子が配列された格子状の偏光素子と、
前記光源からの光を前記格子状の偏光素子の前記第一の面に対して垂直方向から照射する
照射手段と、
前記格子状の偏光素子を透過した第１の偏光状態の透過光を対象物に照射し前記対象物で
反射した第１の偏光状態の反射光と、前記格子状の偏光素子で反射した第２の偏光状態の
反射光と、を干渉させて干渉光を生じさせる干渉手段と、
前記干渉手段で生じさせた干渉光を検出して前記対象物の変位情報を求める変位情報抽出
手段と、
を備えたことを特徴とする変位計測装置。
【請求項１０】
光源と、
格子状の偏光素子と、
前記光源からの光を前記格子状の偏光素子に照射する照射手段と、
前記格子状の偏光素子を透過した第１の偏光状態の透過光を対象物に照射し前記対象物で
反射した第１の偏光状態の反射光と、前記格子状の偏光素子で反射した第２の偏光状態の
反射光と、を干渉させて干渉光を生じさせる干渉手段と、
前記干渉手段で生じさせた干渉光を検出して前記対象物の変位情報を求める変位情報抽出
手段と、
を備え、
前記格子状の偏光素子の格子は、前記光源からの光の入射方向に対して垂直方向に配置さ
れていることを特徴とする変位計測装置。
【請求項１１】
請求項９又は１０記載の変位計測装置であって、
前記干渉手段は、前記第１の偏光状態の透過光の光軸と、前記第１の偏光状態の反射光の
光軸と、前記第２の偏光状態の反射光の光軸とが同軸となるように構成したものであるこ
とを特徴とする変位計測装置。
【請求項１２】
請求項９乃至１１のいずれかに記載の変位計測装置であって、
前記干渉手段は、前記格子状の偏光素子の一方の面側に配置した１/４波長板を有するこ
とを特徴とする変位計測装置。
【請求項１３】
請求項９乃至１２のいずれかに記載の変位計測装置であって、
前記格子状の偏光素子は、回折格子で構成されることを特徴とする変位計測装置。
【請求項１４】
請求項９乃至１２のいずれかに記載の変位計測装置であって、
前記格子状の偏光素子は、Ｗｉｒｅ Ｇｒｉｄ Ｐｏｌａｒｉｚｅｒで構成されることを
特徴とする変位計測装置。
【請求項１５】
請求項９乃至１４のいずれかに記載の変位計測装置であって、
前記干渉手段は、ヘテロダイン干渉計により、前記対象物で反射した前記第１の偏光状態
の反射光と前記格子状の偏光素子で反射した前記第２の偏光状態の反射光とを干渉させる
構成を有することを特徴とする変位計測装置。
【請求項１６】
請求項９乃至１６のいずれかに記載の変位計測方法であって、
前記干渉手段は、ホモダイン干渉計により、前記対象物で反射した前記第１の偏光状態の
反射光と前記格子状の偏光素子で反射した前記第２の偏光状態の反射光とを干渉させる構
成を有することを特徴とする変位計測装置。
【請求項１】
第一の面上に格子が配列された格子状の偏光素子の前記第一の面に対して垂直方向から光
を照射し、
前記格子状の偏光素子を透過した第１の偏光状態の透過光を対象物に照射し前記対象物で
反射した第１の偏光状態の反射光と、前記格子状の偏光素子で反射した第２の偏光状態の
反射光と、を干渉させて干渉光を生じさせ、
前記干渉光に含まれている情報から前記対象物の変位情報を求めることを特徴とする変位
計測方法。
【請求項２】
光源からの光を格子状の偏光素子に照射し、
前記格子状の偏光素子を透過した第１の偏光状態の透過光を対象物に照射し前記対象物で
反射した第１の偏光状態の反射光と、前記格子状の偏光素子で反射した第２の偏光状態の
反射光と、を干渉させて干渉光を生じさせ、
前記干渉光に含まれている情報から前記対象物の変位情報を求める変位計測方法であって
、
前記格子状の偏光素子の格子は、前記光源からの光の入射方向に対して垂直方向に配列さ
れていることを特徴とする変位計測方法。
【請求項３】
請求項１又は２記載の変位計測方法であって、
前記第１の偏光状態の透過光の光軸と、前記第１の偏光状態の反射光の光軸と、前記第２
の偏光状態の反射光の光軸と、は同軸であることを特徴とする変位計測方法。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の変位計測方法であって、
前記格子状の偏光素子を透過した前記第１の偏光状態の透過光は、前記格子状偏光素子と
前記対象物との間を２往復した後、前記格子状の偏光素子を透過して、前記格子状の偏光
素子で反射した前記第２の偏光状態の反射光と干渉させることを特徴とする変位計測方法
。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の変位計測方法であって、
前記格子状の偏光素子は、回折格子で構成されることを特徴とする変位計測方法。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載の変位計測方法であって、
前記格子状の偏光素子は、Ｗｉｒｅ Ｇｒｉｄ Ｐｏｌａｒｉｚｅｒで構成されることを
特徴とする変位計測方法。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載の変位計測方法であって、
前記対象物で反射した前記第１の偏光状態の反射光と前記格子状の偏光素子で反射した前
記第２の偏光状態の反射光とを干渉させる方法は、ヘテロダイン干渉であることを特徴と
する変位計測方法。
【請求項８】
請求項１乃至６のいずれかに記載の変位計測方法であって、
前記対象物で反射した前記第１の偏光状態の反射光と前記格子状の偏光素子で反射した前
記第２の偏光状態の反射光とを干渉させる方法は、ホモダイン干渉であることを特徴とす
る変位計測方法。
【請求項９】
光源と、
第一の面上に格子が配列された格子状の偏光素子と、
前記光源からの光を前記格子状の偏光素子の前記第一の面に対して垂直方向から照射する
照射手段と、
前記格子状の偏光素子を透過した第１の偏光状態の透過光を対象物に照射し前記対象物で
反射した第１の偏光状態の反射光と、前記格子状の偏光素子で反射した第２の偏光状態の
反射光と、を干渉させて干渉光を生じさせる干渉手段と、
前記干渉手段で生じさせた干渉光を検出して前記対象物の変位情報を求める変位情報抽出
手段と、
を備えたことを特徴とする変位計測装置。
【請求項１０】
光源と、
格子状の偏光素子と、
前記光源からの光を前記格子状の偏光素子に照射する照射手段と、
前記格子状の偏光素子を透過した第１の偏光状態の透過光を対象物に照射し前記対象物で
反射した第１の偏光状態の反射光と、前記格子状の偏光素子で反射した第２の偏光状態の
反射光と、を干渉させて干渉光を生じさせる干渉手段と、
前記干渉手段で生じさせた干渉光を検出して前記対象物の変位情報を求める変位情報抽出
手段と、
を備え、
前記格子状の偏光素子の格子は、前記光源からの光の入射方向に対して垂直方向に配置さ
れていることを特徴とする変位計測装置。
【請求項１１】
請求項９又は１０記載の変位計測装置であって、
前記干渉手段は、前記第１の偏光状態の透過光の光軸と、前記第１の偏光状態の反射光の
光軸と、前記第２の偏光状態の反射光の光軸とが同軸となるように構成したものであるこ
とを特徴とする変位計測装置。
【請求項１２】
請求項９乃至１１のいずれかに記載の変位計測装置であって、
前記干渉手段は、前記格子状の偏光素子の一方の面側に配置した１/４波長板を有するこ
とを特徴とする変位計測装置。
【請求項１３】
請求項９乃至１２のいずれかに記載の変位計測装置であって、
前記格子状の偏光素子は、回折格子で構成されることを特徴とする変位計測装置。
【請求項１４】
請求項９乃至１２のいずれかに記載の変位計測装置であって、
前記格子状の偏光素子は、Ｗｉｒｅ Ｇｒｉｄ Ｐｏｌａｒｉｚｅｒで構成されることを
特徴とする変位計測装置。
【請求項１５】
請求項９乃至１４のいずれかに記載の変位計測装置であって、
前記干渉手段は、ヘテロダイン干渉計により、前記対象物で反射した前記第１の偏光状態
の反射光と前記格子状の偏光素子で反射した前記第２の偏光状態の反射光とを干渉させる
構成を有することを特徴とする変位計測装置。
【請求項１６】
請求項９乃至１６のいずれかに記載の変位計測方法であって、
前記干渉手段は、ホモダイン干渉計により、前記対象物で反射した前記第１の偏光状態の
反射光と前記格子状の偏光素子で反射した前記第２の偏光状態の反射光とを干渉させる構
成を有することを特徴とする変位計測装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−５３０６５（Ｐ２０１２−５３０６５Ａ）
【公開日】平成２４年３月１５日（２０１２．３．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２４６０６８（Ｐ２０１１−２４６０６８）
【出願日】平成２３年１１月１０日（２０１１．１１．１０）
【分割の表示】特願２００９−２９６６８９（Ｐ２００９−２９６６８９）の分割
【原出願日】平成１７年３月２８日（２００５．３．２８）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月１５日（２０１２．３．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月１０日（２０１１．１１．１０）
【分割の表示】特願２００９−２９６６８９（Ｐ２００９−２９６６８９）の分割
【原出願日】平成１７年３月２８日（２００５．３．２８）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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