変位計測方法及びその装置、ステージ装置並びにプローブ顕微鏡
【課題】
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計測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及びその装置並びにプローブ顕微鏡等を提供することにある。
【解決手段】
パルス光を２つに分離し、一方は計測対象物で反射させた後、１パルス周期に相当する遅延光路に入射させ、他方は同じ光路を逆向きに遅延光路を経由して１パルス周期遅れて計測対象物に到達させ、反射させる。計測対象物の移動に伴って生じた光位相変化を、両パルス光を干渉させることにより求める。
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計測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及びその装置並びにプローブ顕微鏡等を提供することにある。
【解決手段】
パルス光を２つに分離し、一方は計測対象物で反射させた後、１パルス周期に相当する遅延光路に入射させ、他方は同じ光路を逆向きに遅延光路を経由して１パルス周期遅れて計測対象物に到達させ、反射させる。計測対象物の移動に伴って生じた光位相変化を、両パルス光を干渉させることにより求める。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光干渉を用いて計測対象物の変位を計測する方法及びその装置に係り、特にレーザ光を計測対象物に照射し、その反射光を参照光と干渉させ、得られた干渉信号から計測対象物の変位量を計測する変位計測方法及びその装置、ステージ装置並びにプローブ顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
計測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１２に示す。図１２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３０４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３０５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３０６は偏光ビームスプリッタ３０３を透過し、計測対象物４００上に載置された直角プリズム３０７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３０８を透過後、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３０９で受光され、電気信号３１０に変換される。このヘテロダイン干渉信号３１０の周波数ｆＭは、計測対象物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、（１）式で与えられる。
【０００３】
ｆＭ＝ｆＢ±ＮＶ／λ （１）
ここで、ｆＢ＝２０ＭＨｚ、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１２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３１１が出力されている。測定されたヘテロダイン干渉信号３１０及び参照信号３１１は位相検出回路３１２に入力され、両信号間の位相差から計測対象物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３１３として出力される。
【０００４】
【非特許文献１】Meas. Sci. Technol., 9 (1998), 1024-1030
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
図１２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３０６が通過する光路と参照光であるＳ偏光ビーム３０４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用ステージ、あるいは局所的な寸法測定や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計測・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１２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。
【０００６】
本発明の目的は、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計測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及びその装置を提供することにある。
【０００７】
また、本発明の他の目的は、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測定用プローブの位置計測・制御を行うプローブ顕微鏡等を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明は、所定の周期で強度変調したパルス光を生成する強度変調光生成手段と、該強度変調光生成手段で生成されたパルス光を第１のパルス光と第２のパルス光とに分離し、該分離された第１のパルス光と第２のパルス光とを相対的に時間差をつけて移動可能な計測対象物に設けられたターゲットミラーに照射し、該照射されたターゲットミラーから得られる前記第１のパルス光に基づく反射光と前記第２のパルス光に基づく反射光とを相対的に前記時間差を無くして（同じタイミングで）合成して前記時間差の間における前記計測対象物の単位移動量に応じた光位相差に基づいて干渉させて複数の干渉光信号を生じさせる光干渉光学系と、該光干渉光学系で生じさせた複数の干渉光信号に基づいて前記計測対象物の単位移動量を算出する算出手段とを備えたことを特徴とする変位計測装置及びその方法である。
【０００９】
また、本発明は、前記光干渉光学系において、前記時間差をつける手段として前記第１のパルス光と前記第２のパルス光との間において光路差をつけるように構成したことを特徴とする。
【００１０】
また、本発明は、前記光干渉光学系としては、具体的には、４個以上の偏光ビームスプリッタと、遅延光路と、戻り第１のＳ偏光パルス光と戻り第２のＰ偏光パルス光とを合成して時間差の間における計測対象物の単位移動量に応じた光位相差に基づいて干渉させて複数の干渉光信号Ｉｓ、Ｉｐを生じさせる偏光を用いた光学系とを備えて構成される。
【００１１】
また、本発明は、所定の周期で強度変調したパルス光を生成する強度変調光生成手段と、該強度変調光生成ステップで生成されたパルス光を第１のパルス光と第２のパルス光とに分離し、該分離された第１のパルス光と第２のパルス光とを該第２のパルス光を遅延光路を通すことによって相対的に時間差をつけて移動可能な計測対象物に設けられたターゲットミラーに照射し、該照射されたターゲットミラーから得られる前記第１のパルス光に基づく反射光と前記第２のパルス光に基づく反射光とを該第１のパルス光に基づく反射光を前記遅延光路を通すことによって相対的に前記時間差を無くして（同じタイミングで）合成して前記時間差の間における前記計測対象物の単位移動量に応じた光位相差に基づいて干渉させて複数の干渉光信号を生じさせる光干渉光学系と、該光干渉光学系で生じさせた複数の干渉光信号に基づいて前記計測対象物の単位移動量を算出する算出手段とを備えたことを特徴とする変位計測装置及びその方法である。
【００１２】
また、本発明は、前記光干渉光学系において、前記第１のパルス光における前記分離されてから前記ターゲットミラーに照射するまでの光路と前記第２のパルス光における前記ターゲットミラーから反射して前記合成に至るまでの光路とを同じに構成し、前記第１のパルス光における前記ターゲットミラーから反射して前記合成に至るまでの光路と前記第２のパルス光における前記分離されてから前記ターゲットミラーに照射するまでの光路とを同じに構成したことを特徴とする。
【００１３】
また、本発明は、前記光干渉光学系における前記時間差を、前記強度変調光生成手段における前記所定の周期と一致させることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明は、前記算出手段において、前記対象物の総移動量は、前記時間差の間の前記対象物の単位移動量を積分して求めるように構成したことを特徴とする。
【００１５】
また、本発明は、所定の周期で強度変調したパルス光を生成する強度変調光生成手段と、該強度変調光生成手段で生成されたパルス光を第１のパルス光と第２のパルス光とに分離し、該分離された第１のパルス光と第２のパルス光とを該第２のパルス光を遅延光路を通すことによって相対的に時間差をつけて移動可能な計測対象物に設けられたターゲットミラーに照射し、該照射されたターゲットミラーから得られる前記第１のパルス光に基づく反射光と前記第２のパルス光に基づく反射光とを該第１のパルス光に基づく反射光を前記遅延光路を通すことによって相対的に前記時間差を無くして（同じタイミングで）合成して前記時間差の間における前記計測対象物の単位移動量に応じた光位相差に基づいて干渉させて複数の干渉光信号を生じさせる光干渉光学系と、該光干渉光学系で生じさせた複数の干渉光信号に基づいて前記計測対象物の単位移動量を算出する算出手段とを備え、前記光干渉光学系は、前記第１のパルス光における前記分離されてから前記ターゲットミラーに照射するまでの光路と前記第２のパルス光における前記ターゲットミラーから反射して前記合成に至るまでの光路とを同じに構成し、前記第１の光における前記ターゲットミラーから反射して前記遅延光路を通して前記合成に至るまでの光路と前記第２のパルス光における前記分離されてから前記遅延光路を通して前記ターゲットミラーに照射するまでの光路とを同じに構成したことを特徴とする変位計測装置及びその方法である。
【００１６】
また、本発明は、前記移動可能な計測対象物を設けたステージ装置において、前記変位計測装置を備え、前記算出手段で算出された前記計測対象物の単位移動量に基づいて前記ステージ装置を少なくとも一軸方向に位置決め制御するように構成したことを特徴とする。
【００１７】
また、本発明は、前記移動可能な計測対象物を設け、プローブを少なくとも一軸方向に走査位置決めするプローブ走査機構を備えたプローブ顕微鏡において、前記変位計測装置を備え、前記算出手段で算出された前記計測対象物の単位移動量に基づいて前記プローブ走査機構を少なくとも一軸方向に走査位置決め制御するように構成したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
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、第１のプローブパルス光と第２のプローブパルス光とに等しく作用するので、２つのパルス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、上記外乱の影響を受けることなく、干渉光から対象物の変位量あるいは移動量をサブナノメートルからピコメートルの高精度で安定に計測することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明に係る変位計測装置及びその方法、ステージ装置並びにプローブ顕微鏡の実施の形態について図面を用いて説明する。
【００２０】
［第１の実施の形態］
本発明に係る第１の実施の形態である変位計測装置及びその方法の第１の実施例について図１を用いて説明する。本第１の実施例の変位計測装置は、図１に示すように、光源ユニット２８０、干渉計ユニット５０から成る。図１に示すように、光源ユニット２８０においては、直線偏光レーザ１（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２を、音響光学変調素子３（ＡＯＭ：Acousto-Optic Modulator）に入射する。音響光学変調素子３には、信号発生器４で生成された周波数ｆの矩形波変調信号５が入力されており、出射する１次回折光６を周波数ｆで強度変調する。本実施例の場合、ｆ＝５０ＭＨｚとした。この強度変調光６は集光レンズ７により、偏波面保存ファイバ８の入射端面に集光され、直線偏光を維持したまま干渉計ユニット５０に伝送される。
【００２１】
偏波面保存ファイバ８は、干渉計ユニット５０に対しＰ偏光ビーム（Ｐ１）とＳ偏光ビーム（Ｐ２）とに偏光分離できるように偏光光軸を４５°回転させた状態で装着されている。偏波面保存ファイバ８の出射端面から出射した直線偏光ビームはコリメーティングレンズ９により平行光１０となり、無偏光ビームスプリッタ１１に入射する。無偏光ビームスプリッタ１１を通過した４５°方向の直線偏光ビーム１２は、偏光ビームスプリッタ１３ａによりＰ偏光ビーム（Ｐ１）１４とＳ偏光ビーム（Ｐ２）１５に、偏光分離される。Ｐ偏光ビーム（Ｐ１）１４は偏光ビームスプリッタ１３ｂ及び１／４波長板１６を通過後円偏光ビーム１７となり、第１のプローブ光として計測対象物２０上に載置されたターゲットミラー１８に入射し、反射され、再び１／４波長板１７を透過後Ｓ偏光ビーム２１となり、偏光ビームスプリッタ１３ｂ、１３ｃ、１３ｄで反射され、レンズ２２で偏波面保存ファイバ２３の入射端面に集光されて入射する。この偏波面保存ファイバ２３は長さ６０００ｍｍ程度の遅延光路を形成しており、入射したＳ偏光ビームは６０００ｍｍ程度の距離を通過、即ち２０ｎｓの時間経過後、偏光ビームスプリッタ１３ｄに戻って来る。このように遅延光路２３は、強度変調光の周期の２０ｎｓの時間差をつけるものである。そして、偏波面保存ファイバ２３の出射端面から出射したＳ偏光ビーム２５はレンズ２４により平行光となり、偏光ビームスプリッタ１３ｄ、１３ａで反射され、無偏光ビームスプリッタ１１に入射する。
【００２２】
一方、Ｓ偏光ビーム（Ｐ２）１５は、上記と全く同じ光路（光の経路）を逆向きに通過する（辿る）。いわゆるＳａｇｎａｃ干渉計に似た構成となっている。即ち、Ｓ偏光ビーム（Ｐ２）１５は偏光ビームスプリッタ１３ｄで反射された後、レンズ２４で偏波面保存ファイバ２３の入射端面に集光されて入射し、６０００ｍｍ程度の遅延光路２３を通過、即ち２０ｎｓの時間経過後、干渉計ユニット５０に戻って来る。そして、偏波面保存ファイバ２３の出射端面から出射したＳ偏光ビームはレンズ２２により平行光２６となり、偏光ビームスプリッタ１３ｄ、１３ｃ、１３ｂで反射され、１／４波長板１６を通過後円偏光ビーム２７となり、第２のプローブ光としてターゲットミラー１８に入射し、反射され、再び１／４波長板１７を透過後Ｐ偏光ビーム２８となり、該Ｐ偏光ビーム２８は偏光ビームスプリッタ１３ｂを通過して偏光ビームスプリッタ１３ａにおいて同じタイミングでＳ偏光ビーム２５と合成されて無偏光ビームスプリッタ１１に入射される。
【００２３】
ここで、Ｐ偏光ビーム（Ｐ１）１４とＳ偏光ビーム（Ｐ２）１５は所定の周波数ｆ＝５０ＭＨｚで強度変調されており、図２（ａ）に示すように、各ビームは２０ｎｓ周期の矩形パルス列１４ｐ（Ｐ１０、Ｐ１１、Ｐ１２、Ｐ１３、Ｐ１４・・・・）及び１５ｐ（Ｐ２０、Ｐ２１、Ｐ２２、Ｐ２３、Ｐ２４・・・・）で構成されており、両パルス列は同じタイミングで偏光ビームスプリッタ１３ａに入射する。
【００２４】
一方、ターゲットミラー１８面においては、図２（ｂ）に示すように、Ｐ偏光ビーム（Ｐ１）１４から円偏光ビーム１７に変換されて入射するパルス列１７ｐに対し、Ｓ偏光ビーム（Ｐ２）１５は６０００ｍｍ程度の遅延光路２３を経て２０ｎｓの時間経過後（２０ｎｓの時間差を持って）、円偏光ビーム２７に変換されて入射するため、そのパルス列２７ｐは、２０ｎｓ、即ち１パルス周期分遅延した（１パルス周期分時間差を持った）形態となっている。
【００２５】
更に、図２（ｃ）に示すように、Ｐ偏光ビーム（Ｐ１）１４はターゲットミラー１８で反射した後、６０００ｍｍ程度の遅延光路２３を経て戻って来るので、そのパルス列２５ｐは、遅延光路２３、ターゲットミラー１８の順で戻って来るＳ偏光ビーム（Ｐ２）１５のパルス列２８ｐと同じタイミングで（相対的に時間差を無くして）偏光ビームスプリッタ１３ａに入射する。即ち、偏光ビームスプリッタ１３ａで分離されたＰ偏光ビーム（Ｐ１）１４とＳ偏光ビーム（Ｐ２）１５は、全く同じ光路（光の経路）を互いに逆向きに伝播して（通過して）、再び偏光ビームスプリッタ１３ａに戻って来て合成される。
【００２６】
但し、上述したように、両ビームのパルス列１７ｐ、２５ｐは、上記遅延光路２３によって、移動するターゲットミラー１８面に対して、２０ｎｓ、即ち１パルス分の時間差を伴って入射することになる。そして、逆に戻ってきた両ビームのパルス列２５ｐ、２８ｐは、上記遅延光路２３によって、同じタイミングで（相対的に時間差をなくして）偏光偏光ビームスプリッタ１３ａに入射することになる。
【００２７】
更に、上記で説明した通り、Ｐ偏光ビーム（Ｐ１）１４とＳ偏光ビーム（Ｐ２）１５の戻り光２５、２８は、各々Ｓ偏光及びＰ偏光であり、そのままでは両者は干渉しない。戻り光２５、２８から成る合成ビーム３０は、無偏光ビームスプリッタ１１で反射された後、例えば１／４波長板３１を通過することにより、次の（１）式、及び（２）式で示すように、±π／２の位相差が与えられ、更に４５°に傾けられた偏光ビームスプリッタ３２により、戻り光２５、２８に含まれるＳ偏光成分同士、及びＰ偏光成分同士が干渉する。Ｓ偏光成分同士の干渉光３３は偏光ビームスプリッタ３２で反射され、ホトダイオード等の光電変換素子３４で受光され、電気信号（干渉信号）ＩＳ（３５）に変換される。Ｐ偏光成分同士の干渉光３６は偏光ビームスプリッタ３２を透過後、プリズムミラー３７で反射されホトダイオード等の光電変換素子３８で受光され、電気信号（干渉信号）ＩＰ（３９）に変換される。
【００２８】
該変換された２つの干渉信号ＩＳ（３５）及びＩＰ（３９）は次の（１）式及び（２）式で与えられて、単位移動量算出ユニット４０に送られる。
【００２９】
ＩＳ＝Ｉ１＋Ｉ２＋２（Ｉ１・Ｉ２）１／２ｃｏｓ（４πｎΔＤ／λ＋π／２）
＝Ｉ１＋Ｉ２−２（Ｉ１・Ｉ２）１／２ｓｉｎ（４πｎΔＤ／λ） （１）
ＩＰ＝Ｉ１＋Ｉ２＋２（Ｉ１・Ｉ２）１／２ｃｏｓ（４πｎΔＤ／λ−π／２）
＝Ｉ１＋Ｉ２＋２（Ｉ１・Ｉ２）１／２ｓｉｎ（４πｎΔＤ／λ） （２）
ここで、Ｉ１は戻り光２５の検出強度、Ｉ２は戻り光２８の検出強度、ｎは空気の屈折率、ΔＤは１パルス周期、即ち２０ｎｓの間での計測対象物２０の移動量、λはレーザ光１の波長である。
【００３０】
以上説明したように、本発明に係る干渉光学系は、偏光ビームスプリッタ１３ａにおいて偏光分離をするために偏光光軸を４５°回転させた状態で装着されている偏波面保存ファイバ８と、合成ビーム３０を反射させるための無偏光ビームスプリッタ１１と、例えば１パルス周期分遅延させる遅延光路２３を含めて２つの光路を形成すると共に第１の偏光光と第２の偏光光とに偏光分離し、それらの偏光光を合成するための偏光ビームスプリッタ１３ａ〜１３ｄと、直線偏光を例えば円偏光にする１／４波長板１６と、戻り光２５、２８から成る合成ビーム３０に対して±π／２の位相差を与える例えば１／４波長板３１と、戻り光２５、２８に含まれるＳ偏光成分同士、及びＰ偏光成分同士を干渉させる４５°に傾けられた偏光ビームスプリッタ３２と、該偏光ビームスプリッタ３２で反射されたＳ偏光成分同士の干渉光３３を受光して電気信号（干渉信号）ＩＳ（３５）に変換する光電変換素子３４と、上記偏光ビームスプリッタ３２を透過したＰ偏光成分同士の干渉光３６を受光して電気信号（干渉信号）ＩＰ（３９）に変換する光電変換素子３８とを備えて構成される。特に、本発明は、上記光干渉光学系において、偏光ビームスプリッタ１３ａで偏光分離された第１の偏光光１４における分離されてからターゲットミラー１８に照射するまでの光路と第２の偏光光１５におけるターゲットミラー１８から反射して偏光ビームスプリッタ１３ａでの合成に至るまでの光路とを同じにし、第１の偏光光１４におけるターゲットミラー１８から反射して遅延光路を通して偏光ビームスプリッタ１３ａでの合成に至るまでの光路と第２の偏光光における分離されてから上記遅延光路を通してターゲットミラー１８に照射するまでの光路とを同じにしたことにより、外乱の影響が上記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計測対象物２０の移動量を求めることが可能となる。
【００３１】
単位移動量算出ユニット４０は、送られた２つの干渉信号ＩＳ（３５）及びＩＰ（３９）を基に、次の（３）式に基づいて、単位時間、即ち１パルス周期＝２０ｎｓあたりの計測対象物２０の単位移動量ΔＤが算出されて、単位移動量信号４１として総移動量積算ユニット４２に出力される。
【００３２】
ΔＤ＝（λ／４πｎ）ｓｉｎ−１｛（ＩＰ−ＩＳ）／（ＩＰ＋ＩＳ）｝ （３）
但し、Ｉ１＝Ｉ２とする。
【００３３】
総移動量積算ユニット４２は、送られた単位移動量信号４１を基に、周波数ｆ＝５０ＭＨｚの矩形波変調信号５に基づいて、１パルス周期＝２０ｎｓ毎の単位移動量ΔＤが次の（４）式に基づいて逐次積算され、計測対象物２０の総移動量Ｄ（２０ｄ）が求められ、総移動量信号４３として干渉計ユニット５０から出力される。
【００３４】
【数１】
ここで、Ｎは計測対象物の移動時間中に含まれる矩形波変調信号５のパルス数である。例えば、図３に示すように、１パルス周期＝２０ｎｓ毎の単位移動量ΔＤが１０ｐｍ、計測対象物２０の移動時間が１６０ｎｓとすると、単位移動量ΔＤ＝１０ｐｍを１６０ｎｓに亘って積算することにより、総移動量Ｄ＝８０ｐｍが得られ、移動量積算ユニット４２から測定移動量信号４３として出力される。
【００３５】
図１から明らかなように、本第１の実施例では、偏光ビームスプリッタ１３ａで分離されたＰ偏光ビーム（Ｐ１）１４とＳ偏光ビーム（Ｐ２）１５が、２つのプローブ光として全く同じ光路（光の経路）を互いに逆向きに伝播して（通過して）、１パルス分の時間差で異なる時刻にターゲットミラー１８面に入射した後、再び偏光ビームスプリッタ１３ａに同じ時刻に戻って来て合成され、上記時間差の間のターゲットミラー１８の移動量ΔＤに応じた光位相差（（４πｎΔＤ／λ＋π／２）、（４πｎΔＤ／λ−π／２））に基づく２つの干渉信号（ＩＳ（３５）及びＩＰ（３９））を生じる。
【００３６】
以上説明したように、２つのプローブ光は完全に同一の共通光路（光の経路）を互いに逆向きに通るため、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。従って、本第１の実施例の干渉計の構成によれば、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、計測対象物２０の総移動量Ｄ（２０ｄ）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。
【００３７】
次に、本発明に係る変位計測装置及びその方法の第２の実施例について図４を用いて説明する。上記第１の実施例では、干渉計ユニット５０において、第１及び第２のプローブ光はターゲットミラー１８に各々１回ずつ入射・反射する構成となっていた。本発明に係る第２の実施例の変位計測装置では、２つのプローブ光はターゲットミラー１８に各々２回ずつ入射・反射する、即ち同じターゲットミラー１８の移動量に対して２倍の位相差が生じ、測定感度が２倍になる構成となっている点が異なる。光源ユニット２８０の構成と機能は第１の実施例と同一であるので、説明を省略する。
【００３８】
図４に示すように、偏波面保存ファイバ８は、干渉計ユニット５０に対し偏光光軸を４５°回転させた状態で装着されている。偏波面保存ファイバ８の出射端面から出射した直線偏光ビームはコリメーティングレンズ９により平行光１０となり、無偏光ビームスプリッタ１１に入射する。無偏光ビームスプリッタ１１を通過した４５°方向の直線偏光ビーム１２は、偏光ビームスプリッタ１３ａによりＰ偏光ビーム（Ｐ１）１４とＳ偏光ビーム（Ｐ２）１５に、偏光分離される。Ｐ偏光ビーム（Ｐ１）１４は偏光ビームスプリッタ１３ｂ及び１／４波長板６０を通過後円偏光ビーム６２となり、第１のプローブ光として計測対象物２０上に載置されたターゲットミラー１８に入射し、反射され、再び１／４波長板６０を透過後Ｓ偏光ビームとなり、偏光ビームスプリッタ１３ｂ、１３ｃで反射され、１／４波長板６０を通過後円偏光ビーム６３となりターゲットミラー１８に再度入射し、反射され、１／４波長板６０を透過後Ｐ偏光ビーム６４となり、偏光ビームスプリッタ１３ｃ、１３ｄ、１３ｅ通過後、レンズ２４で偏波面保存ファイバ２３の入射端面に集光され入射する。この偏波面保存ファイバ２３は第１の実施例と同様、長さ６０００ｍｍ程度の遅延光路を形成しており、入射したＰ偏光ビームは６０００ｍｍ程度の距離を通過、即ち２０ｎｓの時間経過後、偏光ビームスプリッタ１３ｅに戻って来る。偏波面保存ファイバ２３の出射端面は入射端面に対し９０°回転しており、出射したＳ偏光ビーム６５はレンズ２２により平行光６６となり、偏光ビームスプリッタ１３ｅ、１３ｄ、１３ａで反射され、無偏光ビームスプリッタ１１に入射する。
【００３９】
一方、Ｓ偏光ビーム（Ｐ２）１５は、上記と全く同じ光路（光の経路）を逆向きに通過する。即ち、Ｓ偏光ビーム（Ｐ２）１５は偏光ビームスプリッタ１３ｄ、１３ｅで反射された後、レンズ２２で偏波面保存ファイバ２３の入射端面に集光されて入射し、６０００ｍｍ程度の遅延光路２３を通過、即ち２０ｎｓの時間経過後、干渉計ユニット５０に戻って来る。偏波面保存ファイバ２３の出射端面は入射端面に対し９０°回転しており、偏波面保存ファイバ２３の出射端面から出射したＰ偏光ビームはレンズ２４により平行光となり、偏光ビームスプリッタ１３ｅ、１３ｄ、１３ｃを通過して１／４波長板６０を通過後円偏光ビーム６７となり、第２のプローブ光としてターゲットミラー１８に入射し、反射され、再び１／４波長板６０を透過後Ｓ偏光ビームとなり、偏光ビームスプリッタ１３ｃ、１３ｂで反射され、１／４波長板６０を通過後円偏光ビーム６８となりターゲットミラー１８に再度入射し、反射され、１／４波長板６０を透過後Ｐ偏光ビーム６９となり、該Ｐ偏光ビーム６９は偏光ビームスプリッタ１３ｂを通過して偏光ビームスプリッタ１３ａにおいて同じタイミングでＳ偏光ビーム６６と合成されて無偏光ビームスプリッタ１１に入射される。
【００４０】
ここで、上記第１の実施例と同様、Ｐ偏光ビーム（Ｐ１）１４とＳ偏光ビーム（Ｐ２）１５は周波数ｆ＝５０ＭＨｚで強度変調されており、図２（ａ）に示すように、各ビームは２０ｎｓ周期の矩形パルス列１４ｐ（Ｐ１０、Ｐ１１、Ｐ１２、Ｐ１３、Ｐ１４・・・・）及び１５ｐ（Ｐ２０、Ｐ２１、Ｐ２２、Ｐ２３、Ｐ２４・・・・）で構成されており、両パルス列は同じタイミングで偏光ビームスプリッタ１３ａに入射する。
【００４１】
一方、ターゲットミラー１８面においては、図２（ｂ）に示すように、Ｐ偏光ビーム（Ｐ１）１４から円偏光ビームに変換されて入射するパルス列１７ｐに対し、Ｓ偏光ビーム（Ｐ２）１５は６０００ｍｍ程度の遅延光路２３を経て２０ｎｓの時間経過後（２０ｎｓの時間差を持って）、円偏光ビームに変換されて入射するため、そのパルス列２７ｐは、２０ｎｓ、即ち１パルス周期分遅延した（１パルス周期分時間差を持った）形態となっている。
【００４２】
更に、図２（ｃ）に示すように、Ｐ偏光ビーム（Ｐ１）１４はターゲットミラー１８で反射した後、６０００ｍｍ程度の遅延光路２３を経て戻って来るので、そのパルス列２５ｐは、遅延光路２３、ターゲットミラー１８の順で戻って来るＳ偏光ビーム（Ｐ２）１５のパルス列２８ｐと同じタイミングで偏光ビームスプリッタ１３ａに入射する。即ち、偏光ビームスプリッタ１３ａで分離されたＰ偏光ビーム（Ｐ１）１４とＳ偏光ビーム（Ｐ２）１５は、全く同じ光路（光の経路）を互いに逆向きに伝播して（通過して）、再び偏光ビームスプリッタ１３ａに戻って来て合成される。
【００４３】
但し、上述したように、両ビームのパルス列１７ｐ、２７ｐは、上記遅延光路２３によって、移動するターゲットミラー１８面に対して、２０ｎｓ、即ち１パルス分の時間差を伴って入射することになる。そして、逆に戻ってくる両ビームのパルス列２５ｐ、２８ｐは、上記遅延回路２３によって、同じタイミングで偏光ビームスプリッタ１３ａに入射することになる。
【００４４】
更に、上記で説明した通り、Ｐ偏光ビーム（Ｐ１）１４とＳ偏光ビーム（Ｐ２）１５の戻り光６６、６９は、各々Ｓ偏光及びＰ偏光であり、そのままでは両者は干渉しない。上記第１の実施例と同様、戻り光６６、６９から成る合成ビーム７０は、無偏光ビームスプリッタ１１で反射された後１／４波長板３１を通過することにより、次の（５）式及び（６）式に示すように、±π／２の位相差が与えられ、更に４５°に傾けられた偏光ビームスプリッタ３２により、戻り光６６、６９に含まれるＳ偏光成分同士、及びＰ偏光成分同士が干渉する。Ｓ偏光成分同士の干渉光７２は偏光ビームスプリッタ３２で反射され、ホトダイオード等の光電変換素子３４で受光され、電気信号（干渉信号）ＩＳ（７３）に変換される。Ｐ偏光成分同士の干渉光７４は偏光ビームスプリッタ３２を透過後、プリズムミラー３７で反射され、ホトダイオード等の光電変換素子３８で受光され、電気信号（干渉信号）ＩＰ（７５）に変換される。２つの干渉信号ＩＳ（７３）及びＩＰ（７５）は次の（５）式及び（６）式で与えられて、単位移動量算出ユニット４０に送られる。
【００４５】
ＩＳ＝Ｉ１＋Ｉ２＋２（Ｉ１・Ｉ２）１／２ｃｏｓ（８πｎΔＤ／λ＋π／２）
＝Ｉ１＋Ｉ２−２（Ｉ１・Ｉ２）１／２ｓｉｎ（８πｎΔＤ／λ） （５）
ＩＰ＝Ｉ１＋Ｉ２＋２（Ｉ１・Ｉ２）１／２ｃｏｓ（８πｎΔＤ／λ−π／２）
＝Ｉ１＋Ｉ２＋２（Ｉ１・Ｉ２）１／２ｓｉｎ（８πｎΔＤ／λ） （６）
ここで、Ｉ１は戻り光６６の検出強度、Ｉ２は戻り光６９の検出強度、ｎは空気の屈折率、ΔＤは１パルス周期、即ち２０ｎｓの間での計測対象物２０の単位移動量２０ｄ、λはレーザ光１の波長である。
【００４６】
単位移動量算出ユニット４０は、送られた２つの干渉信号ＩＳ（７３）及びＩＰ（７５）を基に、次の（７）式に基づいて、単位時間、即ち１パルス周期＝２０ｎｓあたりの計測対象物２０の単位移動量ΔＤが算出されて、単位移動量信号７６として移動量積算ユニット４２に出力される。
【００４７】
ΔＤ＝（λ／８πｎ）ｓｉｎ−１｛（ＩＰ−ＩＳ）／（ＩＰ＋ＩＳ）｝ （７）
但し、Ｉ１＝Ｉ２とする。
【００４８】
移動量積算ユニット４２は、送られた単位移動量信号７６を基に、周波数ｆ＝５０ＭＨｚの矩形波変調信号５に基づいて、１パルス周期＝２０ｎｓ毎の単位移動量ΔＤが上記（４）式に基づいて逐次積算され、計測対象物２０の総移動量Ｄ（２０ｄ）が求められ、総移動量信号７７として干渉計ユニット５０から出力される。
【００４９】
図４から明らかなように、本第２の実施例では、上記第１の実施例と同様、偏光ビームスプリッタ１３ａで分離されたＰ偏光ビーム（Ｐ１）１４とＳ偏光ビーム（Ｐ２）１５が、２つのプローブ光として全く同じ光路（光の経路）を互いに逆向きに伝播して（通過して）、１パルス分の時間差で異なる時刻にターゲットミラー１８面に入射した後、再び偏光ビームスプリッタ１３ａに同じ時刻に戻って来て合成され、上記時間差の間のターゲットミラー１８の単位移動量ΔＤに応じた光位相差（（８πｎΔＤ／λ＋π／２）、（８πｎΔＤ／λ−π／２））に基づく２つの干渉信号（ＩＳ（７３）及びＩＰ（７５））を生じる。
【００５０】
以上説明したように、２つのプローブ光は完全に同一の共通光路（光の経路）を互いに逆向きに通るため、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。従って、本第２の実施例の干渉計の構成によれば、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、計測対象物２０の移動量２０ｄ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。更に、本第２の実施例では、２つのプローブ光が各々２回ずつターゲットミラー１８に入射するので、上記（５）式及び上記（６）式に示すように、同じ単位移動量ΔＤに対し光位相差は２倍となり、測定感度が２倍になるという効果を有する。
【００５１】
次に、本発明に係る変位計測装置及びその方法の第３の実施例について図５を用いて説明する。第３の実施例は、図５に示すように、強度変調光の生成にパルスレーザを用いる変位計測装置である。即ち、光源ユニット２９０において波長７８０ｎｍ、パルス幅１００ｆｓ、繰り返し周波数５０ＭＨｚのパルスレーザ１０１からのパルス直線偏光ビーム１０２を透過率：反射率＝９６：４のビームスプリッタ１０３により２つのビームに分離する。透過したパルス直線偏光ビーム１０５を、偏光光軸を４５°回転させた状態で干渉計ユニット５０の無偏光ビームスプリッタ１１に入射する。４５°方向の直線偏光ビーム１０５は無偏光ビームスプリッタ１１を通過した後、偏光ビームスプリッタ１３ａによりＰ偏光ビーム（Ｐ１）１０６とＳ偏光ビーム（Ｐ２）１０７に、偏光分離される。Ｐ偏光ビーム（Ｐ１）１０６は偏光ビームスプリッタ１３ｂ及び１／４波長板６０を通過後円偏光ビーム１０８となり、第１のプローブ光として計測対象物２０上に載置されたターゲットミラー１８に入射し、反射され、再び１／４波長板６０を透過後Ｓ偏光ビームとなり、偏光ビームスプリッタ１３ｂ、１３ｃで反射され、１／４波長板６０を通過後円偏光ビーム１０９となりターゲットミラー１８に再度入射し、反射され、１／４波長板６０を透過後Ｐ偏光ビーム１１０となり、遅延光路１１６に導かれる。第１及び第２の実施例では遅延光路に偏波面保存ファイバ２３を用いたが、パルス幅１００ｆｓのパルスレーザ光の場合、分散によりパルス波形が大きく崩れてしまうので、光ファイバを用いることはできない。そこで、本第３の実施例では、図５に示すように、対向させたプリズムミラー１１２ａ及び１１２ｂの間でレーザ光を往復させる形態で遅延光路１１６を構成した。Ｐ偏光ビーム１１０は中心部に開口を設けたミラー１１１を通過させた後、対向させたプリズムミラー１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、及びミラー１１１、１１５間で繰り返し往復させることにより、６０００ｍｍ程度の距離を通過、即ち２０ｎｓの時間経過後、偏光ビームスプリッタ１３ｄに戻って来る。尚、遅延光路中の１／４波長板１１４を往復することにより、戻り光１１７はＳ偏光に変換されている。このＳ偏光ビーム１１７は、偏光ビームスプリッタ１３ｄ、１３ａで反射され、戻り光１１８として無偏光ビームスプリッタ１１に入射する。
【００５２】
一方、Ｓ偏光ビーム（Ｐ２）１０７は、上記と全く同じ光路（光の経路）を逆向きに通過する。即ち、Ｓ偏光ビーム（Ｐ２）１０７は偏光ビームスプリッタ１３ｄで反射された後、反射Ｓ偏光ビーム１１９として遅延光路１１６に導かれる。遅延光路１１６からの戻り光１２１はＰ偏光に変換されている。このＰ偏光ビーム１２１は偏光ビームスプリッタ１３ｄ、１３ｃを通過して１／４波長板６０を通過後円偏光ビーム１２２となり、第２のプローブ光としてターゲットミラー１８に入射し、反射され、再び１／４波長板６０を透過後Ｓ偏光ビームとなり、偏光ビームスプリッタ１３ｃ、１３ｂで反射され、１／４波長板６０を通過後円偏光ビーム１２３となりターゲットミラー１８に再度入射し、反射され、１／４波長板６０を透過後Ｐ偏光ビーム１２４となり、偏光ビームスプリッタ１３ｂ、１３ａを通過して、無偏光ビームスプリッタ１１に入射する。
【００５３】
ここで、Ｐ偏光ビーム（Ｐ１）１０６とＳ偏光ビーム（Ｐ２）１０７は繰り返し周波数５０ＭＨｚのパルス直線偏光ビームであり、図６（ａ）に示すように、各ビームは２０ｎｓ周期のパルス列１０６ｐ（Ｐ１０、Ｐ１１、Ｐ１２、Ｐ１３、Ｐ１４・・・・）及び１０７ｐ（Ｐ２０、Ｐ２１、Ｐ２２、Ｐ２３、Ｐ２４・・・・）で構成されており、両パルス列は同じタイミングで偏光ビームスプリッタ１３ａに入射する。
【００５４】
一方、ターゲットミラー１８面においては、図６（ｂ）に示すように、Ｐ偏光ビーム（Ｐ１）１０６から円偏光ビーム１０８、１０９に変換されて入射するパルス列１０８ｐ、１０９ｐに対し、Ｓ偏光ビーム（Ｐ２）１０７は６０００ｍｍ程度の遅延光路１１６を経て２０ｎｓの時間経過後、円偏光ビーム１２２、１２３に変換されて入射するため、そのパルス列１２２ｐ、１２３ｐは、２０ｎｓ、即ち１パルス周期分遅延した形態となっている。
【００５５】
更に、図６（ｃ）に示すように、Ｐ偏光ビーム（Ｐ１）１０６はターゲットミラー１８で反射した後、６０００ｍｍ程度の遅延光路１１６を経て戻って来るので、そのパルス列１１８ｐは、遅延光路１１６、ターゲットミラー１８の順で戻って来るＳ偏光ビーム（Ｐ２）１０７のパルス列１２４ｐと同じタイミングで偏光ビームスプリッタ１３ａに入射する。即ち、偏光ビームスプリッタ１３ａで分離されたＰ偏光ビーム（Ｐ１）１０６とＳ偏光ビーム（Ｐ２）１０７は、全く同じ光路（光の経路）を互いに逆向きに伝播して（通過して）、再び偏光ビームスプリッタ１３ａに戻って来て合成される。
【００５６】
但し、上述したように、両ビームのパルス列１０８ｐ、１０９ｐ；１２２ｐ、１２３ｐは、上記遅延光路１１６によって、移動するターゲットミラー１８面に対して、２０ｎｓ、即ち１パルス分の時間差を伴って入射することになる。そして、逆に戻ってくる両ビームのパルス列１１８ｐ、１２４ｐは、上記遅延回路１１６によって、同じタイミングで偏光ビームスプリッタ１３ａに入射することになる。
【００５７】
更に、上記で説明した通り、Ｐ偏光ビーム（Ｐ１）１０６とＳ偏光ビーム（Ｐ２）１０７の戻り光１１８、１２４は、各々Ｓ偏光及びＰ偏光であり、そのままでは両者は干渉しない。上記第２の実施例と同様、戻り光１１８、１２４から成る合成ビーム１２５は、無偏光ビームスプリッタ１１で反射された後１／４波長板３１を通過することにより、上記（５）式及び（６）式に示すように、±π／２の位相差が与えられ、更に４５°に傾けられた偏光ビームスプリッタ３２により、戻り光１１８、１２４に含まれるＳ偏光成分同士、及びＰ偏光成分同士が干渉する。Ｓ偏光成分同士の干渉光１２６は偏光ビームスプリッタ３２で反射され、ホトダイオード等の光電変換素子３４で受光され、電気信号（干渉信号）ＩＳ（１２７）に変換される。Ｐ偏光成分同士の干渉光１２８は偏光ビームスプリッタ３２を透過後、プリズムミラー３７で反射されホトダイオード等の光電変換素子３８で受光され、電気信号（干渉信号）ＩＰ（１２９）に変換される。２つの干渉信号１２７及び１２９は上記（５）式及び上記（６）式で与えられて単位移動量算出ユニット４０に送られる。単位移動量算出ユニット４０は、送られた２つの干渉信号１２７及び１２９を基に、上記（７）式に基づいて、単位時間、即ち１パルス周期＝２０ｎｓあたりの計測対象物２０の単位移動量ΔＤが算出されて、単位移動量信号１３０として移動量積算ユニット４２に出力される。移動量積算ユニット４２では、光源ユニット２９０において、ビームスプリッタ１０３で反射したパルス直線偏光ビーム１０４をホトダイオード等の光電変換素子２８５で受光して得た繰り返し周波数５０ＭＨｚのパルス信号２８６に基づいて、１パルス周期＝２０ｎｓ毎の単位移動量ΔＤが上記（４）式に基づいて逐次積算され、計測対象物２０の総移動量Ｄ（２０ｄ）が求められ、総移動量信号１３１として干渉計ユニット５０から出力される。
【００５８】
図５から明らかなように、本第３の実施例では、上記第１の実施例と同様、偏光ビームスプリッタ１３ａで分離されたＰ偏光ビーム（Ｐ１）１０６とＳ偏光ビーム（Ｐ２）１０７が、２つのプローブ光として全く同じ光路を互いに逆向きに伝播して、１パルス分の時間差で異なる時刻にターゲットミラー１８面に入射した後、再び偏光ビームスプリッタ１３ａに同じ時刻に戻って来て合成され、上記時間差の間のターゲットミラー１８の単位移動量ΔＤに応じた光位相差（（８πｎΔＤ／λ＋π／２）、（８πｎΔＤ／λ−π／２））に基づく２つの干渉信号（ＩＳ（１２７）及びＩＰ（１２９））を生じる。
【００５９】
以上説明したように、２つのプローブ光は完全に同一の共通光路を互いに逆方向に通るため、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。従って、本第３の実施例の干渉計の構成によれば、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、計測対象物２０の移動量２０ｄ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。更に、本第３の実施例では、上記第２の実施例と同様、２つのプローブ光が各々２回ずつターゲットミラー１８に入射するので、上記（５）式及び上記（６）式に示すように、同じ単位移動量ΔＤに対し光位相差は２倍となり、測定感度が２倍になるという効果を有する。
【００６０】
本発明に係る変位計測装置及びその方法の第４の実施例について図７を用いて説明する。第４の実施例は、図７に示すように、強度変調光の生成に上記第１及び第２の実施例と同様、音響光学変調素子を用いる一方、遅延光路に上記第３の実施例と同様、対向させたプリズムミラーを用いる変位計測装置である。光源ユニット２８０の構成と機能は上記第１の実施例と同一であるので、説明を省略する。図７に示すように、偏波面保存ファイバ８は、干渉計ユニット５０に対し偏光光軸を４５°回転させた状態で装着されている。偏波面保存ファイバ８の出射端面から出射した直線偏光ビームはコリメーティングレンズ９により平行光１０となり、無偏光ビームスプリッタ１１に入射する。無偏光ビームスプリッタ１１を通過した４５°方向の直線偏光ビーム１２は、偏光ビームスプリッタ１３ａによりＰ偏光ビーム（Ｐ１）１４とＳ偏光ビーム（Ｐ２）１５に、偏光分離される。Ｐ偏光ビーム（Ｐ１）１４は偏光ビームスプリッタ１３ｂ及び１／４波長板６０を通過後円偏光ビーム６２となり、第１のプローブ光として計測対象物２０上に載置されたターゲットミラー１８に入射し、反射され、再び１／４波長板６０を透過後Ｓ偏光ビームとなり、偏光ビームスプリッタ１３ｂ、１３ｃで反射され、１／４波長板６０を通過後円偏光ビーム６３となりターゲットミラー１８に再度入射し、反射され、１／４波長板６０を透過後Ｐ偏光ビーム６４となり、遅延光路１１６に導かれる。本第４の実施例では、上記第３の実施例と同様、対向させたプリズムミラー１１２ａ及び１１２ｂの間でレーザ光を往復させる形態で遅延光路１１６を構成した。Ｐ偏光ビーム６４は、レンズ１４１で偏波面保存ファイバ１４２の入射端面に集光され入射し、遅延光路１１６に導かれる。偏波面保存ファイバ１４２の出射端面から出射したＰ偏光ビームはレンズ１４３により平行光１４４となり、中心部に開口を設けたミラー１１１を通過した後、対向させたプリズムミラー１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、及びミラー１１１、１１５間で繰り返し往復させることにより、６０００ｍｍ程度の距離を通過、即ち２０ｎｓの時間経過後、再びレンズ１４３、偏波面保存ファイバ１４２、レンズ１４１を経て、偏光ビームスプリッタ１３ｄに戻って来る。尚、遅延光路中の１／４波長板１１４を往復することにより、戻り光はＳ偏光ビーム１４６に変換されている。このＳ偏光ビーム１４６は、偏光ビームスプリッタ１３ｄ、１３ａで反射され、戻り光１４７として無偏光ビームスプリッタ１１に入射する。
【００６１】
一方、Ｓ偏光ビーム（Ｐ２）１５は、上記と全く同じ光路を逆向きに通過する。即ち、Ｓ偏光ビーム（Ｐ２）１５は偏光ビームスプリッタ１３ｄで反射された後、レンズ１４１、偏波面保存ファイバ１４２、レンズ１４３を経て遅延光路１１６に導かれる。レンズ１４３により平行光となったＳ偏光ビーム１４８は６０００ｍｍ程度の距離を通過、即ち２０ｎｓの時間経過後、再びレンズ１４３、偏波面保存ファイバ１４２、レンズ１４１を経て、偏光ビームスプリッタ１３ｄに戻って来る。尚、遅延光路中の１／４波長板１１４を往復することにより、戻り光はＰ偏光ビーム１５０に変換されている。レンズ１４１により平行光となったＰ偏光ビーム１５１は偏光ビームスプリッタ１３ｄ、１３ｃを通過して１／４波長板６０を通過後円偏光ビーム１５２となり、第２のプローブ光としてターゲットミラー１８に入射し、反射され、再び１／４波長板６０を透過後Ｓ偏光ビームとなり、偏光ビームスプリッタ１３ｃ、１３ｂで反射され、１／４波長板６０を通過後円偏光ビーム１５３となりターゲットミラー１８に再度入射し、反射され、１／４波長板６０を透過後Ｐ偏光ビーム１５４となり、該Ｐ偏光ビーム１５４は偏光ビームスプリッタ１３ｂを通過して偏光ビームスプリッタ１３ａに入射して戻りＳ偏光ビーム１４７と合成され、無偏光ビームスプリッタ１１に入射される。
【００６２】
以降の干渉信号から変位量を得る処理は上記第２の実施例と同様である。Ｐ偏光ビーム（Ｐ１）１４とＳ偏光ビーム（Ｐ２）１５の戻り光１４７、１５４は、各々Ｓ偏光及びＰ偏光であり、そのままでは両者は干渉しない。上記第１の実施例と同様、戻り光１４７、１５４から成る合成ビーム１５５は、無偏光ビームスプリッタ１１で反射された後１／４波長板３１を通過することにより±π／２の位相差が与えられ、更に４５°に傾けられた偏光ビームスプリッタ３２により、戻り光１４７、１５４に含まれるＳ偏光成分同士、及びＰ偏光成分同士が干渉する。Ｓ偏光成分同士の干渉光１５６は偏光ビームスプリッタ３２で反射され、ホトダイオード等の光電変換素子３４で受光され、電気信号（干渉信号）ＩＳ（１５７）に変換される。Ｐ偏光成分同士の干渉光１５８は偏光ビームスプリッタ３２を透過後、プリズムミラー３７で反射されホトダイオード等の光電変換素子３８で受光され、電気信号（干渉信号）ＩＰ（１５９）に変換される。２つの干渉信号ＩＳ（１５７）及びＩＰ（１５９）は上記（５）式及び上記（６）式で与えられて単位移動量算出ユニット４０に送られる。単位移動量算出ユニット４０は、送られた２つの干渉信号１５７及び１５９を基に上記（７）式に基づいて、単位時間、即ち１パルス周期＝２０ｎｓあたりの計測対象物２０の単位移動量ΔＤが算出されて、単位移動量信号１６０として移動量積算ユニット４２に出力される。移動量積算ユニット４２は、送られた単位移動量信号１６０を基に、周波数ｆ＝５０ＭＨｚの矩形波変調信号５に基づいて、１パルス周期＝２０ｎｓ毎の単位移動量ΔＤが上記（４）式に基づいて逐次積算され、計測対象物２０の総移動量Ｄ（２０ｄ）が求められ、総移動量信号１６１として干渉計ユニット５０から出力される。
【００６３】
図７から明らかなように、本第４の実施例では、上記第１及び第２の実施例と同様、偏光ビームスプリッタ１３ａで分離されたＰ偏光ビーム（Ｐ１）１４とＳ偏光ビーム（Ｐ２）１５が、２つのプローブ光として全く同じ光路を互いに逆向きに伝播して（通過して）、１パルス分の時間差で異なる時刻にターゲットミラー１８面に入射した後、再び偏光ビームスプリッタ１３ａに同じ時刻に戻って来て合成され、上記時間差の間のターゲットミラー１８の単位移動量ΔＤに応じた光位相差に基づく干渉信号を生じる。
【００６４】
以上説明したように、２つのプローブ光は完全に同一の共通光路を互いに逆方向に通るため、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。従って、本第４の実施例の干渉計の構成によれば、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、計測対象物２０の移動量２０ｄ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。更に、本実施例では、２つのプローブ光が各々２回ずつターゲットミラー１８に入射するので、上記（５）式及び上記（６）式に示すように、同じ単位移動量ΔＤに対し光位相差は２倍となり、測定感度が２倍になるという効果を有する。
【００６５】
次に、本発明に係る変位計測装置及びその方法の第５の実施例について図８を用いて説明する。第５の実施例は、図８に示すように、位相シフトさせた４つの干渉光から移動量を求める変位計測装置である。光源ユニット２８０の構成と機能は上記第１の実施例と同一であるので、説明を省略する。また、２つのプローブ光を生成する光学系と偏波面保存ファイバ２３で構成した遅延光路は、上記第１の実施例と同一であるので、説明を省略する。２つの戻り光２５、２８は、各々Ｓ偏光及びＰ偏光であり、そのままでは両者は干渉しない。戻り光２５、２８から成る直交偏光ビーム３０は、無偏光ビームスプリッタ１１で反射された後、１／２波長板１７１透過後、偏光方向が４５°回転し、非偏光ビームスプリッタ１７２で２つのビームに分離される。即ち、戻り光２５、２８に含まれるＳ偏光成分同士、及びＰ偏光成分同士は、偏光方向を４５°回転させる１／２波長板１７１を透過することによって干渉することになる。そして、非偏光ビームスプリッタ１７２で反射された直交偏光ビーム１７３は偏光ビームスプリッタ１７４に入射し、互いに位相が１８０°（π）シフトした２つの干渉光１７５及び１７７に分離される。干渉光１７５はホトダイオード等の光電変換素子１７６で受光され、電気信号（干渉信号）Ｉａ（１７９）に変換される。位相が１８０°シフトした干渉光１７７は光電変換素子１７８で受光され、電気信号（干渉信号）Ｉｂ（１８０）に変換される。非偏光ビームスプリッタ１７２を透過した直交偏光ビーム１８１は１／４波長板１８２透過後、±９０°（±π／２）の位相差が付加されて偏光ビームスプリッタ１７４に入射し、更に互いに位相が１８０°（π）シフトした２つの干渉光１８３及び１８５に分離される。干渉光１８３はホトダイオード等の光電変換素子１８４で受光され、電気信号（干渉信号）Ｉｃ（１８７）に変換される。位相が１８０°シフトした干渉光１８５は光電変換素子１８６で受光され、電気信号（干渉信号）Ｉｄ（１８８）に変換される。４つの干渉信号Ｉａ（１７９）、Ｉｂ（１８０）、Ｉｃ（１８７）、Ｉｄ（１８８）は各々（８）〜（１１）式で与えられる。
【００６６】
Ｉａ＝Ｉ１＋Ｉ２＋２（Ｉ１・Ｉ２）１／２ｃｏｓ（４πｎΔＤ／λ） （８）
Ｉｂ＝Ｉ１＋Ｉ２＋２（Ｉ１・Ｉ２）１／２ｃｏｓ（４πｎΔＤ／λ＋π）
＝Ｉ１＋Ｉ２−２（Ｉ１・Ｉ２）１／２ｃｏｓ（４πｎΔＤ／λ） （９）
Ｉｃ＝Ｉ１＋Ｉ２＋２（Ｉ１・Ｉ２）１／２ｃｏｓ（４πｎΔＤ／λ＋π／２）
＝Ｉ１＋Ｉ２−２（Ｉ１・Ｉ２）１／２ｓｉｎ（４πｎΔＤ／λ） （１０）
Ｉｄ＝Ｉ１＋Ｉ２＋２（Ｉ１・Ｉ２）１／２ｃｏｓ（４πｎΔＤ／λ＋３π／２）
＝Ｉ１＋Ｉ２＋２（Ｉ１・Ｉ２）１／２ｓｉｎ（４πｎΔＤ／λ） （１１）
単位移動量算出ユニット１８９では、（８）〜（１１）式より（１２）式に基づいて、単位時間、即ち１パルス周期＝２０ｎｓあたりの計測対象物２０の単位移動量ΔＤが算出されて、単位移動量信号１９０として出力されて移動量積算ユニット１９１に送られる。
【００６７】
ΔＤ＝（λ／４πｎ）ｔａｎ−１｛（Ｉｄ−Ｉｃ）／（Ｉａ−Ｉｂ）｝ （１２）
移動量積算ユニット１９１は、送られた単位移動量信号１９０を基に、周波数ｆ＝５０ＭＨｚの矩形波変調信号５に基づいて、１パルス周期＝２０ｎｓ毎の単位移動量ΔＤが上記（４）式に基づいて逐次積算され、計測対象物２０の総移動量Ｄ（２０ｄ）が求められ、総移動量信号１９２として干渉計ユニット５０から出力される。
【００６８】
図８から明らかなように、本第５の実施例では、偏光ビームスプリッタ１３ａで分離されたＰ偏光ビーム（Ｐ１）１４とＳ偏光ビーム（Ｐ２）１５が、２つのプローブ光として全く同じ光路を互いに逆向きに伝播して、１パルス分の時間差で異なる時刻にターゲットミラー１８面に入射した後、再び偏光ビームスプリッタ１３ａに同じ時刻に戻って来て合成され、上記時間差の間のターゲットミラー１８の移動量に応じた光位相差に基づく干渉信号を生じる。
【００６９】
以上説明したように、２つのプローブ光は完全に同一の共通光路を互いに逆方向に通るため、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。従って、本第５の実施例の干渉計の構成によれば、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、計測対象物２０の移動量２０ｄ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。
【００７０】
次に、本発明に係る変位計測装置及びその方法の第６の実施例について図９を用いて説明する。第６の実施例は、図９に示すように、上記第５の実施例と同様、位相シフトさせた４つの干渉光から移動量を求める変位計測装置である。光源ユニット２８０の構成と機能は上記第１の実施例と同一であるので、説明を省略する。また、２つのプローブ光を生成する光学系と偏波面保存ファイバ２３で構成した遅延光路は、上記第１の実施例と同一であるので、説明を省略する。２つの戻り光２５、２８は、各々Ｓ偏光及びＰ偏光であり、そのままでは両者は干渉しない。戻り光２５、２８から成る直交偏光ビーム３０は、無偏光ビームスプリッタ１１で反射された後、ビームエキスパンダ２０１で拡大される。この拡大ビーム２０２はＤＯＥ２０３（Diffractive Optical Element：回折光学素子）により４つの直交偏光ビーム２０４、２０５、２０６、２０７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２０８ａ、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干渉する。４つの干渉光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つの干渉信号２１５〜２１８は、上記第７の実施例と同様、各々上記（８）〜（１１）式で与えられる。単位移動量算出ユニット１８９では、上記（８）〜（１１）式より上記（１２）式に基づいて、単位時間、即ち１パルス周期＝２０ｎｓあたりの計測対象物２０の単位移動量ΔＤが算出されて、単位移動量信号２２０として出力される。単位移動量信号２２０は移動量積算ユニット１９１に送られ、周波数ｆ＝５０ＭＨｚの矩形波変調信号５に基づいて、１パルス周期＝２０ｎｓ毎の単位移動量ΔＤが上記（４）式に基づいて逐次積算され、計測対象物２０の総移動量Ｄ（２０ｄ）が求められ、総移動量信号２２１として干渉計ユニット５０から出力される。
【００７１】
図９から明らかなように、本第６の実施例では、偏光ビームスプリッタ１３ａで分離されたＰ偏光ビーム（Ｐ１）１４とＳ偏光ビーム（Ｐ２）１５が、２つのプローブ光として全く同じ光路を互いに逆向きに伝播して、１パルス分の時間差で異なる時刻にターゲットミラー１８面に入射した後、再び偏光ビームスプリッタ１３ａに同じ時刻に戻って来て合成され、上記時間差の間のターゲットミラー１８の移動量に応じた光位相差に基づく干渉信号を生じる。
【００７２】
以上説明したように、２つのプローブ光は完全に同一の共通光路を互いに逆方向に通るため、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。従って、本第６の実施例の干渉計の構成によれば、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、計測対象物２０の移動量Ｄ（２０ｄ）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。
【００７３】
［第２の実施の形態］
次に、本発明に係る第１の実施の形態である上記第１〜第６の実施例に示した変位計測装置をステージ位置決め制御に応用した第２の実施の形態について図１０を用いて説明する。ステージ装置は、Ｘステージ２３１ｘ上にＹステージ２３１ｙが搭載され、更にその上に試料ホルダ２３３が搭載された構成となっている。試料ホルダ上に試料２３４が載置される。また、試料ホルダ２３３上には面精度１／２０波長の棒状ミラー２３５ｘ、２３５ｙが、ターゲットミラーとしてｘ方向及びｙ方向に固定されている。光源ユニット２８０の構成と機能は上記第１の実施の形態の第１の実施例と同一であるので、説明を省略する。強度変調光６は集光レンズ７により、カップリング素子２３０を介して３本の偏波面保存ファイバ８の入射端面に集光され、直線偏光を維持したまま３つの干渉計ユニット５０ａ、５０ｂ、５０ｃに伝送される。本第２の実施の形態では、干渉計ユニット５０ａ、５０ｂ、５０ｃの構成は、図４に示した第２の実施例における干渉計ユニット５０と同一である。なお、干渉計ユニット５０内の単位移動量算出ユニット４０、１８９並びに総移動量積算ユニット４２、１９１は、３つの干渉計ユニット５０ａ、５０ｂ、５０ｃで共用してもよい。
【００７４】
そして、干渉計ユニット５０ａ、５０ｂにより、棒状ミラー２３５ｘの移動量が測定され、ｘ方向移動量信号７７ａ、７７ｂとして出力され、ヨーイングと共にその平均移動量が演算ユニット２４０で求められ、ｘ方向平均移動量信号７７ｘとしてＸステージ制御ユニット２４１ｘに送られる。Ｘステージ制御ユニット２４１ｘでは、Ｘステージ位置設定信号２４５ｘとｘ方向平均移動量信号７７ｘとを比較し、その差分に応じたＸステージ制御信号２４２ｘをＸステージ２３１ｘに送り、Ｘステージ２３１ｘを目標位置に位置決めする。一方、干渉計ユニット５０ｃにより、棒状ミラー２３５ｙの移動量が測定され、ｙ方向移動量信号７７ｙとしてＹステージ制御ユニット２４１ｙに送られる。Ｙステージ制御ユニット２４１ｙでは、Ｙステージ位置設定信号２４５ｙとｙ方向移動量信号７７ｙとを比較し、その差分に応じたＹステージ制御信号２４２ｙをＹステージ２３１ｙに送り、Ｙステージ２３１ｙを目標位置に位置決めする。
【００７５】
図１０から明らかなように、本第２の実施の形態における干渉計ユニットでは、２つのプローブ光が完全に同一の共通光路を通るため、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。従って、本第２の実施の形態の干渉計の構成によれば、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、Ｘステージ２３１ｘ及びＹステージ２３１ｙの移動量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となり、試料２３４を高精度に位置決めすることが可能になるという効果を有する。
【００７６】
勿論、本発明に係る第２の実施の形態における干渉計ユニット５０ａ、５０ｂ、５０ｃとしては、第１の実施の形態で説明した干渉計ユニットを適用することは可能である。
【００７７】
［第３の実施の形態］
次に、本発明に係る第１の実施の形態である上記第１〜第６の実施例に示した変位計測装置をプローブ顕微鏡のプローブ位置決め制御に応用した第３の実施の形態について図１１を用いて説明する。プローブ顕微鏡は、プローブ制御ユニット２５３と、該プローブ制御ユニット２５３から得られるプローブ制御信号２５４に基づきプローブ２５６をｘｙｚ方向に走査するプローブ走査機構２５５と、該プローブ走査機構２５５によってｘｙｚ方向に走査されるプローブ２５６の位置を測定する干渉計ユニット５０ｄ、５０ｅ、５０ｆと、周波数ｆでの強度変調光を各干渉計ユニット５０ｄ、５０ｅ、５０ｆへ伝送する光源ユニット２８０とを備えて構成される。干渉計ユニット５０ｄ、５０ｅ、５０ｆの構成は図１に示した第１の実施例における干渉計ユニット５０と同一であるので、説明を省略する。なお、干渉計ユニット５０内の単位移動量算出ユニット４０、１８９並びに総移動量積算ユニット４２、１９１は、３つの干渉計ユニット５０ｄ、５０ｅ、５０ｆで共用してもよい。また、光源ユニット２８０についても上記第１の実施例と同一であるので、説明を省略する。
【００７８】
ところで、強度変調光６は集光レンズ７により、カップリング素子２３０を介して３本の偏波面保存ファイバ８の入射端面に集光され、直線偏光を維持したまま３つの干渉計ユニット５０ｄ、５０ｅ、５０ｆに伝送される。３つの干渉計ユニット５０ｄ、５０ｅ、５０ｆでは、各々ｘ、ｙ、ｚ方向のプローブ２５６の位置を測定し、各測定信号２５１ｘ、２５１ｙ、２５１ｚがプローブ制御ユニット２５３に送られる。プローブ制御ユニット２５３では、目標位置と測定信号とを比較しその差分に応じたプローブ制御信号２５４をプローブ走査機構２５５に送り、プローブ２５６をフィードバック制御して目標位置に位置決めする。
【００７９】
勿論、本発明に係る第３の実施の形態における干渉計ユニット５０ｄ、５０ｅ、５０ｆとしては、第１の実施の形態で説明した干渉計ユニットを適用することは可能である。
【００８０】
また、第３の実施の形態では、プローブ顕微鏡として原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Atomic Force Microscope）を示した。第３の実施の形態によれば、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を受けることなく、測定対象である試料（ウエハ等のシリコン基板）２７０上に形成された微細パターン２７１のパターン幅２７１ｗやパターン高さ２７１ｈが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となる。尚、第３の実施の形態におけるプローブ顕微鏡はＡＦＭに限定されるものではなく、ＳＴＭ（Scanning Tunneling Microscope）、ＭＦＭ（Magnetic Force Microscope）、ＳＣＭ（Scanning Capacitance Microscope)、ＫＦＭ（Kelvin Force Microscope)、ＮＳＯＭ（Near-Field Scanning Optical Microscope）といったプローブと測定対象微小場との相互作用に基づいて測定対象の幾何学情報や、物性情報を得るプローブ顕微鏡一般に適用可能である。
【００８１】
尚、第１の実施の形態では、２つのプローブ光のパルス列は、図２及び図６に示したように１パルス間隔分時間シフトさせたが、本発明は、この実施形態に限定されるものではなく、両パルス列のシフト量は任意に設定可能である。
【００８２】
以上説明したように、本発明に係る実施の形態によれば、共通光路形干渉計で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、計測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。更に、本発明に係る実施の形態によれば、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。
【産業上の利用可能性】
【００８３】
本発明によれば、対象物の変位量あるいは移動量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できる変位計測方法とその装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】本発明に係る第１の実施の形態である変位計測装置の第１の実施例を示す概略装置構成図である。
【図２】本発明に係る第１の実施の形態の第１、第２、第４、第５及び第６の実施例における２つのプローブ光のパルス列の時間軸上の関係を示す概略図である。
【図３】本発明に係る第１の実施の形態において単位移動量を積算して総移動量を求める様子を示す概略図である。
【図４】本発明に係る第１の実施の形態である変位計測装置の第２の実施例を示す概略装置構成図である。
【図５】本発明に係る第１の実施の形態である変位計測装置の第３の実施例を示す概略装置構成図である。
【図６】本発明に係る第１の実施の形態の第３の実施例における２つのプローブ光のパルス列の時間軸上の関係を示す概略図である。
【図７】本発明に係る第１の実施の形態である変位計測装置の第４の実施例を示す概略装置構成図である。
【図８】本発明に係る第１の実施の形態である変位計測装置の第５の実施例を示す概略装置構成図である。
【図９】本発明に係る第１の実施の形態である変位計測装置の第６の実施例を示す概略装置構成図である。
【図１０】本発明に係る第１の実施の形態である変位計測装置の第１〜第６の実施例をステージ装置の位置決め制御に応用した第２の実施の形態を示す概略構成図である。
【図１１】本発明に係る第１の実施の形態である変位計測装置の第１〜第６の実施例をプローブ顕微鏡のプローブ位置決め制御に応用した第３の実施の形態を示す概略構成図である。
【図１２】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。
【符号の説明】
【００８５】
１…直線偏光レーザ、３…音響光学変調素子、４…信号発生器、７…集光レンズ、８…偏波面保存ファイバ、９…コリメーティングレンズ、１１…無偏光ビームスプリッタ、１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、１３ｅ…偏光ビームスプリッタ、１４、１０６…Ｐ偏光ビーム（Ｐ１）、１５、１０７…Ｓ偏光ビーム（Ｐ２）、１６、３１、６０…１／４波長板、１７…円偏光ビーム、１８…ターゲットミラー、２０…計測対象物、２２、２４…レンズ、２３、１４２…偏波面保存ファイバ（遅延光路）、２５、６６、１１８、１４７…戻りＳ偏光ビーム、２８、６９、１２４，１５４…戻りＰ偏光ビーム、３２、１７４…偏光ビームスプリッタ、３７…プリズムミラー、３４、３８、１７６、１７８、１８４、１８６、２１４…光電変換素子、４０、１８９…単位移動量算出ユニット、４２、１９１…総移動量積算ユニット、５０、５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄ、５０ｅ、５０ｆ…干渉計ユニット、１０１…パルスレーザ、１１１、１１５…ミラー、１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ…プリズムミラー、１１４…１／４波長板、１１６…遅延光路、１４３…レンズ、１７１…１／２波長板、１７２…非偏光ビームスプリッタ、１８２…１／４波長板、２０１…ビームエキスパンダ、２０３…ＤＯＥ、２０８…位相シフトマスク、２３１ｘ…Ｘステージ、２３１ｙ…Ｙステージ、２３４…試料、２４０…演算ユニット、２４１ｘ…Ｘステージ制御ユニット、２４１ｙ…Ｙステージ制御ユニット、２５３…プローブ制御ユニット、２５５…プローブ走査機構、２５６…プローブ、２７０…シリコン基板、２７１…微細パターン、２８０、２９０…光源ユニット
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光干渉を用いて計測対象物の変位を計測する方法及びその装置に係り、特にレーザ光を計測対象物に照射し、その反射光を参照光と干渉させ、得られた干渉信号から計測対象物の変位量を計測する変位計測方法及びその装置、ステージ装置並びにプローブ顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
計測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１２に示す。図１２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３０４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３０５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３０６は偏光ビームスプリッタ３０３を透過し、計測対象物４００上に載置された直角プリズム３０７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３０８を透過後、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３０９で受光され、電気信号３１０に変換される。このヘテロダイン干渉信号３１０の周波数ｆＭは、計測対象物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、（１）式で与えられる。
【０００３】
ｆＭ＝ｆＢ±ＮＶ／λ （１）
ここで、ｆＢ＝２０ＭＨｚ、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１２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３１１が出力されている。測定されたヘテロダイン干渉信号３１０及び参照信号３１１は位相検出回路３１２に入力され、両信号間の位相差から計測対象物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３１３として出力される。
【０００４】
【非特許文献１】Meas. Sci. Technol., 9 (1998), 1024-1030
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
図１２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３０６が通過する光路と参照光であるＳ偏光ビーム３０４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用ステージ、あるいは局所的な寸法測定や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計測・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１２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。
【０００６】
本発明の目的は、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計測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及びその装置を提供することにある。
【０００７】
また、本発明の他の目的は、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測定用プローブの位置計測・制御を行うプローブ顕微鏡等を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明は、所定の周期で強度変調したパルス光を生成する強度変調光生成手段と、該強度変調光生成手段で生成されたパルス光を第１のパルス光と第２のパルス光とに分離し、該分離された第１のパルス光と第２のパルス光とを相対的に時間差をつけて移動可能な計測対象物に設けられたターゲットミラーに照射し、該照射されたターゲットミラーから得られる前記第１のパルス光に基づく反射光と前記第２のパルス光に基づく反射光とを相対的に前記時間差を無くして（同じタイミングで）合成して前記時間差の間における前記計測対象物の単位移動量に応じた光位相差に基づいて干渉させて複数の干渉光信号を生じさせる光干渉光学系と、該光干渉光学系で生じさせた複数の干渉光信号に基づいて前記計測対象物の単位移動量を算出する算出手段とを備えたことを特徴とする変位計測装置及びその方法である。
【０００９】
また、本発明は、前記光干渉光学系において、前記時間差をつける手段として前記第１のパルス光と前記第２のパルス光との間において光路差をつけるように構成したことを特徴とする。
【００１０】
また、本発明は、前記光干渉光学系としては、具体的には、４個以上の偏光ビームスプリッタと、遅延光路と、戻り第１のＳ偏光パルス光と戻り第２のＰ偏光パルス光とを合成して時間差の間における計測対象物の単位移動量に応じた光位相差に基づいて干渉させて複数の干渉光信号Ｉｓ、Ｉｐを生じさせる偏光を用いた光学系とを備えて構成される。
【００１１】
また、本発明は、所定の周期で強度変調したパルス光を生成する強度変調光生成手段と、該強度変調光生成ステップで生成されたパルス光を第１のパルス光と第２のパルス光とに分離し、該分離された第１のパルス光と第２のパルス光とを該第２のパルス光を遅延光路を通すことによって相対的に時間差をつけて移動可能な計測対象物に設けられたターゲットミラーに照射し、該照射されたターゲットミラーから得られる前記第１のパルス光に基づく反射光と前記第２のパルス光に基づく反射光とを該第１のパルス光に基づく反射光を前記遅延光路を通すことによって相対的に前記時間差を無くして（同じタイミングで）合成して前記時間差の間における前記計測対象物の単位移動量に応じた光位相差に基づいて干渉させて複数の干渉光信号を生じさせる光干渉光学系と、該光干渉光学系で生じさせた複数の干渉光信号に基づいて前記計測対象物の単位移動量を算出する算出手段とを備えたことを特徴とする変位計測装置及びその方法である。
【００１２】
また、本発明は、前記光干渉光学系において、前記第１のパルス光における前記分離されてから前記ターゲットミラーに照射するまでの光路と前記第２のパルス光における前記ターゲットミラーから反射して前記合成に至るまでの光路とを同じに構成し、前記第１のパルス光における前記ターゲットミラーから反射して前記合成に至るまでの光路と前記第２のパルス光における前記分離されてから前記ターゲットミラーに照射するまでの光路とを同じに構成したことを特徴とする。
【００１３】
また、本発明は、前記光干渉光学系における前記時間差を、前記強度変調光生成手段における前記所定の周期と一致させることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明は、前記算出手段において、前記対象物の総移動量は、前記時間差の間の前記対象物の単位移動量を積分して求めるように構成したことを特徴とする。
【００１５】
また、本発明は、所定の周期で強度変調したパルス光を生成する強度変調光生成手段と、該強度変調光生成手段で生成されたパルス光を第１のパルス光と第２のパルス光とに分離し、該分離された第１のパルス光と第２のパルス光とを該第２のパルス光を遅延光路を通すことによって相対的に時間差をつけて移動可能な計測対象物に設けられたターゲットミラーに照射し、該照射されたターゲットミラーから得られる前記第１のパルス光に基づく反射光と前記第２のパルス光に基づく反射光とを該第１のパルス光に基づく反射光を前記遅延光路を通すことによって相対的に前記時間差を無くして（同じタイミングで）合成して前記時間差の間における前記計測対象物の単位移動量に応じた光位相差に基づいて干渉させて複数の干渉光信号を生じさせる光干渉光学系と、該光干渉光学系で生じさせた複数の干渉光信号に基づいて前記計測対象物の単位移動量を算出する算出手段とを備え、前記光干渉光学系は、前記第１のパルス光における前記分離されてから前記ターゲットミラーに照射するまでの光路と前記第２のパルス光における前記ターゲットミラーから反射して前記合成に至るまでの光路とを同じに構成し、前記第１の光における前記ターゲットミラーから反射して前記遅延光路を通して前記合成に至るまでの光路と前記第２のパルス光における前記分離されてから前記遅延光路を通して前記ターゲットミラーに照射するまでの光路とを同じに構成したことを特徴とする変位計測装置及びその方法である。
【００１６】
また、本発明は、前記移動可能な計測対象物を設けたステージ装置において、前記変位計測装置を備え、前記算出手段で算出された前記計測対象物の単位移動量に基づいて前記ステージ装置を少なくとも一軸方向に位置決め制御するように構成したことを特徴とする。
【００１７】
また、本発明は、前記移動可能な計測対象物を設け、プローブを少なくとも一軸方向に走査位置決めするプローブ走査機構を備えたプローブ顕微鏡において、前記変位計測装置を備え、前記算出手段で算出された前記計測対象物の単位移動量に基づいて前記プローブ走査機構を少なくとも一軸方向に走査位置決め制御するように構成したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
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、第１のプローブパルス光と第２のプローブパルス光とに等しく作用するので、２つのパルス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、上記外乱の影響を受けることなく、干渉光から対象物の変位量あるいは移動量をサブナノメートルからピコメートルの高精度で安定に計測することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明に係る変位計測装置及びその方法、ステージ装置並びにプローブ顕微鏡の実施の形態について図面を用いて説明する。
【００２０】
［第１の実施の形態］
本発明に係る第１の実施の形態である変位計測装置及びその方法の第１の実施例について図１を用いて説明する。本第１の実施例の変位計測装置は、図１に示すように、光源ユニット２８０、干渉計ユニット５０から成る。図１に示すように、光源ユニット２８０においては、直線偏光レーザ１（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２を、音響光学変調素子３（ＡＯＭ：Acousto-Optic Modulator）に入射する。音響光学変調素子３には、信号発生器４で生成された周波数ｆの矩形波変調信号５が入力されており、出射する１次回折光６を周波数ｆで強度変調する。本実施例の場合、ｆ＝５０ＭＨｚとした。この強度変調光６は集光レンズ７により、偏波面保存ファイバ８の入射端面に集光され、直線偏光を維持したまま干渉計ユニット５０に伝送される。
【００２１】
偏波面保存ファイバ８は、干渉計ユニット５０に対しＰ偏光ビーム（Ｐ１）とＳ偏光ビーム（Ｐ２）とに偏光分離できるように偏光光軸を４５°回転させた状態で装着されている。偏波面保存ファイバ８の出射端面から出射した直線偏光ビームはコリメーティングレンズ９により平行光１０となり、無偏光ビームスプリッタ１１に入射する。無偏光ビームスプリッタ１１を通過した４５°方向の直線偏光ビーム１２は、偏光ビームスプリッタ１３ａによりＰ偏光ビーム（Ｐ１）１４とＳ偏光ビーム（Ｐ２）１５に、偏光分離される。Ｐ偏光ビーム（Ｐ１）１４は偏光ビームスプリッタ１３ｂ及び１／４波長板１６を通過後円偏光ビーム１７となり、第１のプローブ光として計測対象物２０上に載置されたターゲットミラー１８に入射し、反射され、再び１／４波長板１７を透過後Ｓ偏光ビーム２１となり、偏光ビームスプリッタ１３ｂ、１３ｃ、１３ｄで反射され、レンズ２２で偏波面保存ファイバ２３の入射端面に集光されて入射する。この偏波面保存ファイバ２３は長さ６０００ｍｍ程度の遅延光路を形成しており、入射したＳ偏光ビームは６０００ｍｍ程度の距離を通過、即ち２０ｎｓの時間経過後、偏光ビームスプリッタ１３ｄに戻って来る。このように遅延光路２３は、強度変調光の周期の２０ｎｓの時間差をつけるものである。そして、偏波面保存ファイバ２３の出射端面から出射したＳ偏光ビーム２５はレンズ２４により平行光となり、偏光ビームスプリッタ１３ｄ、１３ａで反射され、無偏光ビームスプリッタ１１に入射する。
【００２２】
一方、Ｓ偏光ビーム（Ｐ２）１５は、上記と全く同じ光路（光の経路）を逆向きに通過する（辿る）。いわゆるＳａｇｎａｃ干渉計に似た構成となっている。即ち、Ｓ偏光ビーム（Ｐ２）１５は偏光ビームスプリッタ１３ｄで反射された後、レンズ２４で偏波面保存ファイバ２３の入射端面に集光されて入射し、６０００ｍｍ程度の遅延光路２３を通過、即ち２０ｎｓの時間経過後、干渉計ユニット５０に戻って来る。そして、偏波面保存ファイバ２３の出射端面から出射したＳ偏光ビームはレンズ２２により平行光２６となり、偏光ビームスプリッタ１３ｄ、１３ｃ、１３ｂで反射され、１／４波長板１６を通過後円偏光ビーム２７となり、第２のプローブ光としてターゲットミラー１８に入射し、反射され、再び１／４波長板１７を透過後Ｐ偏光ビーム２８となり、該Ｐ偏光ビーム２８は偏光ビームスプリッタ１３ｂを通過して偏光ビームスプリッタ１３ａにおいて同じタイミングでＳ偏光ビーム２５と合成されて無偏光ビームスプリッタ１１に入射される。
【００２３】
ここで、Ｐ偏光ビーム（Ｐ１）１４とＳ偏光ビーム（Ｐ２）１５は所定の周波数ｆ＝５０ＭＨｚで強度変調されており、図２（ａ）に示すように、各ビームは２０ｎｓ周期の矩形パルス列１４ｐ（Ｐ１０、Ｐ１１、Ｐ１２、Ｐ１３、Ｐ１４・・・・）及び１５ｐ（Ｐ２０、Ｐ２１、Ｐ２２、Ｐ２３、Ｐ２４・・・・）で構成されており、両パルス列は同じタイミングで偏光ビームスプリッタ１３ａに入射する。
【００２４】
一方、ターゲットミラー１８面においては、図２（ｂ）に示すように、Ｐ偏光ビーム（Ｐ１）１４から円偏光ビーム１７に変換されて入射するパルス列１７ｐに対し、Ｓ偏光ビーム（Ｐ２）１５は６０００ｍｍ程度の遅延光路２３を経て２０ｎｓの時間経過後（２０ｎｓの時間差を持って）、円偏光ビーム２７に変換されて入射するため、そのパルス列２７ｐは、２０ｎｓ、即ち１パルス周期分遅延した（１パルス周期分時間差を持った）形態となっている。
【００２５】
更に、図２（ｃ）に示すように、Ｐ偏光ビーム（Ｐ１）１４はターゲットミラー１８で反射した後、６０００ｍｍ程度の遅延光路２３を経て戻って来るので、そのパルス列２５ｐは、遅延光路２３、ターゲットミラー１８の順で戻って来るＳ偏光ビーム（Ｐ２）１５のパルス列２８ｐと同じタイミングで（相対的に時間差を無くして）偏光ビームスプリッタ１３ａに入射する。即ち、偏光ビームスプリッタ１３ａで分離されたＰ偏光ビーム（Ｐ１）１４とＳ偏光ビーム（Ｐ２）１５は、全く同じ光路（光の経路）を互いに逆向きに伝播して（通過して）、再び偏光ビームスプリッタ１３ａに戻って来て合成される。
【００２６】
但し、上述したように、両ビームのパルス列１７ｐ、２５ｐは、上記遅延光路２３によって、移動するターゲットミラー１８面に対して、２０ｎｓ、即ち１パルス分の時間差を伴って入射することになる。そして、逆に戻ってきた両ビームのパルス列２５ｐ、２８ｐは、上記遅延光路２３によって、同じタイミングで（相対的に時間差をなくして）偏光偏光ビームスプリッタ１３ａに入射することになる。
【００２７】
更に、上記で説明した通り、Ｐ偏光ビーム（Ｐ１）１４とＳ偏光ビーム（Ｐ２）１５の戻り光２５、２８は、各々Ｓ偏光及びＰ偏光であり、そのままでは両者は干渉しない。戻り光２５、２８から成る合成ビーム３０は、無偏光ビームスプリッタ１１で反射された後、例えば１／４波長板３１を通過することにより、次の（１）式、及び（２）式で示すように、±π／２の位相差が与えられ、更に４５°に傾けられた偏光ビームスプリッタ３２により、戻り光２５、２８に含まれるＳ偏光成分同士、及びＰ偏光成分同士が干渉する。Ｓ偏光成分同士の干渉光３３は偏光ビームスプリッタ３２で反射され、ホトダイオード等の光電変換素子３４で受光され、電気信号（干渉信号）ＩＳ（３５）に変換される。Ｐ偏光成分同士の干渉光３６は偏光ビームスプリッタ３２を透過後、プリズムミラー３７で反射されホトダイオード等の光電変換素子３８で受光され、電気信号（干渉信号）ＩＰ（３９）に変換される。
【００２８】
該変換された２つの干渉信号ＩＳ（３５）及びＩＰ（３９）は次の（１）式及び（２）式で与えられて、単位移動量算出ユニット４０に送られる。
【００２９】
ＩＳ＝Ｉ１＋Ｉ２＋２（Ｉ１・Ｉ２）１／２ｃｏｓ（４πｎΔＤ／λ＋π／２）
＝Ｉ１＋Ｉ２−２（Ｉ１・Ｉ２）１／２ｓｉｎ（４πｎΔＤ／λ） （１）
ＩＰ＝Ｉ１＋Ｉ２＋２（Ｉ１・Ｉ２）１／２ｃｏｓ（４πｎΔＤ／λ−π／２）
＝Ｉ１＋Ｉ２＋２（Ｉ１・Ｉ２）１／２ｓｉｎ（４πｎΔＤ／λ） （２）
ここで、Ｉ１は戻り光２５の検出強度、Ｉ２は戻り光２８の検出強度、ｎは空気の屈折率、ΔＤは１パルス周期、即ち２０ｎｓの間での計測対象物２０の移動量、λはレーザ光１の波長である。
【００３０】
以上説明したように、本発明に係る干渉光学系は、偏光ビームスプリッタ１３ａにおいて偏光分離をするために偏光光軸を４５°回転させた状態で装着されている偏波面保存ファイバ８と、合成ビーム３０を反射させるための無偏光ビームスプリッタ１１と、例えば１パルス周期分遅延させる遅延光路２３を含めて２つの光路を形成すると共に第１の偏光光と第２の偏光光とに偏光分離し、それらの偏光光を合成するための偏光ビームスプリッタ１３ａ〜１３ｄと、直線偏光を例えば円偏光にする１／４波長板１６と、戻り光２５、２８から成る合成ビーム３０に対して±π／２の位相差を与える例えば１／４波長板３１と、戻り光２５、２８に含まれるＳ偏光成分同士、及びＰ偏光成分同士を干渉させる４５°に傾けられた偏光ビームスプリッタ３２と、該偏光ビームスプリッタ３２で反射されたＳ偏光成分同士の干渉光３３を受光して電気信号（干渉信号）ＩＳ（３５）に変換する光電変換素子３４と、上記偏光ビームスプリッタ３２を透過したＰ偏光成分同士の干渉光３６を受光して電気信号（干渉信号）ＩＰ（３９）に変換する光電変換素子３８とを備えて構成される。特に、本発明は、上記光干渉光学系において、偏光ビームスプリッタ１３ａで偏光分離された第１の偏光光１４における分離されてからターゲットミラー１８に照射するまでの光路と第２の偏光光１５におけるターゲットミラー１８から反射して偏光ビームスプリッタ１３ａでの合成に至るまでの光路とを同じにし、第１の偏光光１４におけるターゲットミラー１８から反射して遅延光路を通して偏光ビームスプリッタ１３ａでの合成に至るまでの光路と第２の偏光光における分離されてから上記遅延光路を通してターゲットミラー１８に照射するまでの光路とを同じにしたことにより、外乱の影響が上記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計測対象物２０の移動量を求めることが可能となる。
【００３１】
単位移動量算出ユニット４０は、送られた２つの干渉信号ＩＳ（３５）及びＩＰ（３９）を基に、次の（３）式に基づいて、単位時間、即ち１パルス周期＝２０ｎｓあたりの計測対象物２０の単位移動量ΔＤが算出されて、単位移動量信号４１として総移動量積算ユニット４２に出力される。
【００３２】
ΔＤ＝（λ／４πｎ）ｓｉｎ−１｛（ＩＰ−ＩＳ）／（ＩＰ＋ＩＳ）｝ （３）
但し、Ｉ１＝Ｉ２とする。
【００３３】
総移動量積算ユニット４２は、送られた単位移動量信号４１を基に、周波数ｆ＝５０ＭＨｚの矩形波変調信号５に基づいて、１パルス周期＝２０ｎｓ毎の単位移動量ΔＤが次の（４）式に基づいて逐次積算され、計測対象物２０の総移動量Ｄ（２０ｄ）が求められ、総移動量信号４３として干渉計ユニット５０から出力される。
【００３４】
【数１】
ここで、Ｎは計測対象物の移動時間中に含まれる矩形波変調信号５のパルス数である。例えば、図３に示すように、１パルス周期＝２０ｎｓ毎の単位移動量ΔＤが１０ｐｍ、計測対象物２０の移動時間が１６０ｎｓとすると、単位移動量ΔＤ＝１０ｐｍを１６０ｎｓに亘って積算することにより、総移動量Ｄ＝８０ｐｍが得られ、移動量積算ユニット４２から測定移動量信号４３として出力される。
【００３５】
図１から明らかなように、本第１の実施例では、偏光ビームスプリッタ１３ａで分離されたＰ偏光ビーム（Ｐ１）１４とＳ偏光ビーム（Ｐ２）１５が、２つのプローブ光として全く同じ光路（光の経路）を互いに逆向きに伝播して（通過して）、１パルス分の時間差で異なる時刻にターゲットミラー１８面に入射した後、再び偏光ビームスプリッタ１３ａに同じ時刻に戻って来て合成され、上記時間差の間のターゲットミラー１８の移動量ΔＤに応じた光位相差（（４πｎΔＤ／λ＋π／２）、（４πｎΔＤ／λ−π／２））に基づく２つの干渉信号（ＩＳ（３５）及びＩＰ（３９））を生じる。
【００３６】
以上説明したように、２つのプローブ光は完全に同一の共通光路（光の経路）を互いに逆向きに通るため、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。従って、本第１の実施例の干渉計の構成によれば、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、計測対象物２０の総移動量Ｄ（２０ｄ）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。
【００３７】
次に、本発明に係る変位計測装置及びその方法の第２の実施例について図４を用いて説明する。上記第１の実施例では、干渉計ユニット５０において、第１及び第２のプローブ光はターゲットミラー１８に各々１回ずつ入射・反射する構成となっていた。本発明に係る第２の実施例の変位計測装置では、２つのプローブ光はターゲットミラー１８に各々２回ずつ入射・反射する、即ち同じターゲットミラー１８の移動量に対して２倍の位相差が生じ、測定感度が２倍になる構成となっている点が異なる。光源ユニット２８０の構成と機能は第１の実施例と同一であるので、説明を省略する。
【００３８】
図４に示すように、偏波面保存ファイバ８は、干渉計ユニット５０に対し偏光光軸を４５°回転させた状態で装着されている。偏波面保存ファイバ８の出射端面から出射した直線偏光ビームはコリメーティングレンズ９により平行光１０となり、無偏光ビームスプリッタ１１に入射する。無偏光ビームスプリッタ１１を通過した４５°方向の直線偏光ビーム１２は、偏光ビームスプリッタ１３ａによりＰ偏光ビーム（Ｐ１）１４とＳ偏光ビーム（Ｐ２）１５に、偏光分離される。Ｐ偏光ビーム（Ｐ１）１４は偏光ビームスプリッタ１３ｂ及び１／４波長板６０を通過後円偏光ビーム６２となり、第１のプローブ光として計測対象物２０上に載置されたターゲットミラー１８に入射し、反射され、再び１／４波長板６０を透過後Ｓ偏光ビームとなり、偏光ビームスプリッタ１３ｂ、１３ｃで反射され、１／４波長板６０を通過後円偏光ビーム６３となりターゲットミラー１８に再度入射し、反射され、１／４波長板６０を透過後Ｐ偏光ビーム６４となり、偏光ビームスプリッタ１３ｃ、１３ｄ、１３ｅ通過後、レンズ２４で偏波面保存ファイバ２３の入射端面に集光され入射する。この偏波面保存ファイバ２３は第１の実施例と同様、長さ６０００ｍｍ程度の遅延光路を形成しており、入射したＰ偏光ビームは６０００ｍｍ程度の距離を通過、即ち２０ｎｓの時間経過後、偏光ビームスプリッタ１３ｅに戻って来る。偏波面保存ファイバ２３の出射端面は入射端面に対し９０°回転しており、出射したＳ偏光ビーム６５はレンズ２２により平行光６６となり、偏光ビームスプリッタ１３ｅ、１３ｄ、１３ａで反射され、無偏光ビームスプリッタ１１に入射する。
【００３９】
一方、Ｓ偏光ビーム（Ｐ２）１５は、上記と全く同じ光路（光の経路）を逆向きに通過する。即ち、Ｓ偏光ビーム（Ｐ２）１５は偏光ビームスプリッタ１３ｄ、１３ｅで反射された後、レンズ２２で偏波面保存ファイバ２３の入射端面に集光されて入射し、６０００ｍｍ程度の遅延光路２３を通過、即ち２０ｎｓの時間経過後、干渉計ユニット５０に戻って来る。偏波面保存ファイバ２３の出射端面は入射端面に対し９０°回転しており、偏波面保存ファイバ２３の出射端面から出射したＰ偏光ビームはレンズ２４により平行光となり、偏光ビームスプリッタ１３ｅ、１３ｄ、１３ｃを通過して１／４波長板６０を通過後円偏光ビーム６７となり、第２のプローブ光としてターゲットミラー１８に入射し、反射され、再び１／４波長板６０を透過後Ｓ偏光ビームとなり、偏光ビームスプリッタ１３ｃ、１３ｂで反射され、１／４波長板６０を通過後円偏光ビーム６８となりターゲットミラー１８に再度入射し、反射され、１／４波長板６０を透過後Ｐ偏光ビーム６９となり、該Ｐ偏光ビーム６９は偏光ビームスプリッタ１３ｂを通過して偏光ビームスプリッタ１３ａにおいて同じタイミングでＳ偏光ビーム６６と合成されて無偏光ビームスプリッタ１１に入射される。
【００４０】
ここで、上記第１の実施例と同様、Ｐ偏光ビーム（Ｐ１）１４とＳ偏光ビーム（Ｐ２）１５は周波数ｆ＝５０ＭＨｚで強度変調されており、図２（ａ）に示すように、各ビームは２０ｎｓ周期の矩形パルス列１４ｐ（Ｐ１０、Ｐ１１、Ｐ１２、Ｐ１３、Ｐ１４・・・・）及び１５ｐ（Ｐ２０、Ｐ２１、Ｐ２２、Ｐ２３、Ｐ２４・・・・）で構成されており、両パルス列は同じタイミングで偏光ビームスプリッタ１３ａに入射する。
【００４１】
一方、ターゲットミラー１８面においては、図２（ｂ）に示すように、Ｐ偏光ビーム（Ｐ１）１４から円偏光ビームに変換されて入射するパルス列１７ｐに対し、Ｓ偏光ビーム（Ｐ２）１５は６０００ｍｍ程度の遅延光路２３を経て２０ｎｓの時間経過後（２０ｎｓの時間差を持って）、円偏光ビームに変換されて入射するため、そのパルス列２７ｐは、２０ｎｓ、即ち１パルス周期分遅延した（１パルス周期分時間差を持った）形態となっている。
【００４２】
更に、図２（ｃ）に示すように、Ｐ偏光ビーム（Ｐ１）１４はターゲットミラー１８で反射した後、６０００ｍｍ程度の遅延光路２３を経て戻って来るので、そのパルス列２５ｐは、遅延光路２３、ターゲットミラー１８の順で戻って来るＳ偏光ビーム（Ｐ２）１５のパルス列２８ｐと同じタイミングで偏光ビームスプリッタ１３ａに入射する。即ち、偏光ビームスプリッタ１３ａで分離されたＰ偏光ビーム（Ｐ１）１４とＳ偏光ビーム（Ｐ２）１５は、全く同じ光路（光の経路）を互いに逆向きに伝播して（通過して）、再び偏光ビームスプリッタ１３ａに戻って来て合成される。
【００４３】
但し、上述したように、両ビームのパルス列１７ｐ、２７ｐは、上記遅延光路２３によって、移動するターゲットミラー１８面に対して、２０ｎｓ、即ち１パルス分の時間差を伴って入射することになる。そして、逆に戻ってくる両ビームのパルス列２５ｐ、２８ｐは、上記遅延回路２３によって、同じタイミングで偏光ビームスプリッタ１３ａに入射することになる。
【００４４】
更に、上記で説明した通り、Ｐ偏光ビーム（Ｐ１）１４とＳ偏光ビーム（Ｐ２）１５の戻り光６６、６９は、各々Ｓ偏光及びＰ偏光であり、そのままでは両者は干渉しない。上記第１の実施例と同様、戻り光６６、６９から成る合成ビーム７０は、無偏光ビームスプリッタ１１で反射された後１／４波長板３１を通過することにより、次の（５）式及び（６）式に示すように、±π／２の位相差が与えられ、更に４５°に傾けられた偏光ビームスプリッタ３２により、戻り光６６、６９に含まれるＳ偏光成分同士、及びＰ偏光成分同士が干渉する。Ｓ偏光成分同士の干渉光７２は偏光ビームスプリッタ３２で反射され、ホトダイオード等の光電変換素子３４で受光され、電気信号（干渉信号）ＩＳ（７３）に変換される。Ｐ偏光成分同士の干渉光７４は偏光ビームスプリッタ３２を透過後、プリズムミラー３７で反射され、ホトダイオード等の光電変換素子３８で受光され、電気信号（干渉信号）ＩＰ（７５）に変換される。２つの干渉信号ＩＳ（７３）及びＩＰ（７５）は次の（５）式及び（６）式で与えられて、単位移動量算出ユニット４０に送られる。
【００４５】
ＩＳ＝Ｉ１＋Ｉ２＋２（Ｉ１・Ｉ２）１／２ｃｏｓ（８πｎΔＤ／λ＋π／２）
＝Ｉ１＋Ｉ２−２（Ｉ１・Ｉ２）１／２ｓｉｎ（８πｎΔＤ／λ） （５）
ＩＰ＝Ｉ１＋Ｉ２＋２（Ｉ１・Ｉ２）１／２ｃｏｓ（８πｎΔＤ／λ−π／２）
＝Ｉ１＋Ｉ２＋２（Ｉ１・Ｉ２）１／２ｓｉｎ（８πｎΔＤ／λ） （６）
ここで、Ｉ１は戻り光６６の検出強度、Ｉ２は戻り光６９の検出強度、ｎは空気の屈折率、ΔＤは１パルス周期、即ち２０ｎｓの間での計測対象物２０の単位移動量２０ｄ、λはレーザ光１の波長である。
【００４６】
単位移動量算出ユニット４０は、送られた２つの干渉信号ＩＳ（７３）及びＩＰ（７５）を基に、次の（７）式に基づいて、単位時間、即ち１パルス周期＝２０ｎｓあたりの計測対象物２０の単位移動量ΔＤが算出されて、単位移動量信号７６として移動量積算ユニット４２に出力される。
【００４７】
ΔＤ＝（λ／８πｎ）ｓｉｎ−１｛（ＩＰ−ＩＳ）／（ＩＰ＋ＩＳ）｝ （７）
但し、Ｉ１＝Ｉ２とする。
【００４８】
移動量積算ユニット４２は、送られた単位移動量信号７６を基に、周波数ｆ＝５０ＭＨｚの矩形波変調信号５に基づいて、１パルス周期＝２０ｎｓ毎の単位移動量ΔＤが上記（４）式に基づいて逐次積算され、計測対象物２０の総移動量Ｄ（２０ｄ）が求められ、総移動量信号７７として干渉計ユニット５０から出力される。
【００４９】
図４から明らかなように、本第２の実施例では、上記第１の実施例と同様、偏光ビームスプリッタ１３ａで分離されたＰ偏光ビーム（Ｐ１）１４とＳ偏光ビーム（Ｐ２）１５が、２つのプローブ光として全く同じ光路（光の経路）を互いに逆向きに伝播して（通過して）、１パルス分の時間差で異なる時刻にターゲットミラー１８面に入射した後、再び偏光ビームスプリッタ１３ａに同じ時刻に戻って来て合成され、上記時間差の間のターゲットミラー１８の単位移動量ΔＤに応じた光位相差（（８πｎΔＤ／λ＋π／２）、（８πｎΔＤ／λ−π／２））に基づく２つの干渉信号（ＩＳ（７３）及びＩＰ（７５））を生じる。
【００５０】
以上説明したように、２つのプローブ光は完全に同一の共通光路（光の経路）を互いに逆向きに通るため、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。従って、本第２の実施例の干渉計の構成によれば、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、計測対象物２０の移動量２０ｄ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。更に、本第２の実施例では、２つのプローブ光が各々２回ずつターゲットミラー１８に入射するので、上記（５）式及び上記（６）式に示すように、同じ単位移動量ΔＤに対し光位相差は２倍となり、測定感度が２倍になるという効果を有する。
【００５１】
次に、本発明に係る変位計測装置及びその方法の第３の実施例について図５を用いて説明する。第３の実施例は、図５に示すように、強度変調光の生成にパルスレーザを用いる変位計測装置である。即ち、光源ユニット２９０において波長７８０ｎｍ、パルス幅１００ｆｓ、繰り返し周波数５０ＭＨｚのパルスレーザ１０１からのパルス直線偏光ビーム１０２を透過率：反射率＝９６：４のビームスプリッタ１０３により２つのビームに分離する。透過したパルス直線偏光ビーム１０５を、偏光光軸を４５°回転させた状態で干渉計ユニット５０の無偏光ビームスプリッタ１１に入射する。４５°方向の直線偏光ビーム１０５は無偏光ビームスプリッタ１１を通過した後、偏光ビームスプリッタ１３ａによりＰ偏光ビーム（Ｐ１）１０６とＳ偏光ビーム（Ｐ２）１０７に、偏光分離される。Ｐ偏光ビーム（Ｐ１）１０６は偏光ビームスプリッタ１３ｂ及び１／４波長板６０を通過後円偏光ビーム１０８となり、第１のプローブ光として計測対象物２０上に載置されたターゲットミラー１８に入射し、反射され、再び１／４波長板６０を透過後Ｓ偏光ビームとなり、偏光ビームスプリッタ１３ｂ、１３ｃで反射され、１／４波長板６０を通過後円偏光ビーム１０９となりターゲットミラー１８に再度入射し、反射され、１／４波長板６０を透過後Ｐ偏光ビーム１１０となり、遅延光路１１６に導かれる。第１及び第２の実施例では遅延光路に偏波面保存ファイバ２３を用いたが、パルス幅１００ｆｓのパルスレーザ光の場合、分散によりパルス波形が大きく崩れてしまうので、光ファイバを用いることはできない。そこで、本第３の実施例では、図５に示すように、対向させたプリズムミラー１１２ａ及び１１２ｂの間でレーザ光を往復させる形態で遅延光路１１６を構成した。Ｐ偏光ビーム１１０は中心部に開口を設けたミラー１１１を通過させた後、対向させたプリズムミラー１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、及びミラー１１１、１１５間で繰り返し往復させることにより、６０００ｍｍ程度の距離を通過、即ち２０ｎｓの時間経過後、偏光ビームスプリッタ１３ｄに戻って来る。尚、遅延光路中の１／４波長板１１４を往復することにより、戻り光１１７はＳ偏光に変換されている。このＳ偏光ビーム１１７は、偏光ビームスプリッタ１３ｄ、１３ａで反射され、戻り光１１８として無偏光ビームスプリッタ１１に入射する。
【００５２】
一方、Ｓ偏光ビーム（Ｐ２）１０７は、上記と全く同じ光路（光の経路）を逆向きに通過する。即ち、Ｓ偏光ビーム（Ｐ２）１０７は偏光ビームスプリッタ１３ｄで反射された後、反射Ｓ偏光ビーム１１９として遅延光路１１６に導かれる。遅延光路１１６からの戻り光１２１はＰ偏光に変換されている。このＰ偏光ビーム１２１は偏光ビームスプリッタ１３ｄ、１３ｃを通過して１／４波長板６０を通過後円偏光ビーム１２２となり、第２のプローブ光としてターゲットミラー１８に入射し、反射され、再び１／４波長板６０を透過後Ｓ偏光ビームとなり、偏光ビームスプリッタ１３ｃ、１３ｂで反射され、１／４波長板６０を通過後円偏光ビーム１２３となりターゲットミラー１８に再度入射し、反射され、１／４波長板６０を透過後Ｐ偏光ビーム１２４となり、偏光ビームスプリッタ１３ｂ、１３ａを通過して、無偏光ビームスプリッタ１１に入射する。
【００５３】
ここで、Ｐ偏光ビーム（Ｐ１）１０６とＳ偏光ビーム（Ｐ２）１０７は繰り返し周波数５０ＭＨｚのパルス直線偏光ビームであり、図６（ａ）に示すように、各ビームは２０ｎｓ周期のパルス列１０６ｐ（Ｐ１０、Ｐ１１、Ｐ１２、Ｐ１３、Ｐ１４・・・・）及び１０７ｐ（Ｐ２０、Ｐ２１、Ｐ２２、Ｐ２３、Ｐ２４・・・・）で構成されており、両パルス列は同じタイミングで偏光ビームスプリッタ１３ａに入射する。
【００５４】
一方、ターゲットミラー１８面においては、図６（ｂ）に示すように、Ｐ偏光ビーム（Ｐ１）１０６から円偏光ビーム１０８、１０９に変換されて入射するパルス列１０８ｐ、１０９ｐに対し、Ｓ偏光ビーム（Ｐ２）１０７は６０００ｍｍ程度の遅延光路１１６を経て２０ｎｓの時間経過後、円偏光ビーム１２２、１２３に変換されて入射するため、そのパルス列１２２ｐ、１２３ｐは、２０ｎｓ、即ち１パルス周期分遅延した形態となっている。
【００５５】
更に、図６（ｃ）に示すように、Ｐ偏光ビーム（Ｐ１）１０６はターゲットミラー１８で反射した後、６０００ｍｍ程度の遅延光路１１６を経て戻って来るので、そのパルス列１１８ｐは、遅延光路１１６、ターゲットミラー１８の順で戻って来るＳ偏光ビーム（Ｐ２）１０７のパルス列１２４ｐと同じタイミングで偏光ビームスプリッタ１３ａに入射する。即ち、偏光ビームスプリッタ１３ａで分離されたＰ偏光ビーム（Ｐ１）１０６とＳ偏光ビーム（Ｐ２）１０７は、全く同じ光路（光の経路）を互いに逆向きに伝播して（通過して）、再び偏光ビームスプリッタ１３ａに戻って来て合成される。
【００５６】
但し、上述したように、両ビームのパルス列１０８ｐ、１０９ｐ；１２２ｐ、１２３ｐは、上記遅延光路１１６によって、移動するターゲットミラー１８面に対して、２０ｎｓ、即ち１パルス分の時間差を伴って入射することになる。そして、逆に戻ってくる両ビームのパルス列１１８ｐ、１２４ｐは、上記遅延回路１１６によって、同じタイミングで偏光ビームスプリッタ１３ａに入射することになる。
【００５７】
更に、上記で説明した通り、Ｐ偏光ビーム（Ｐ１）１０６とＳ偏光ビーム（Ｐ２）１０７の戻り光１１８、１２４は、各々Ｓ偏光及びＰ偏光であり、そのままでは両者は干渉しない。上記第２の実施例と同様、戻り光１１８、１２４から成る合成ビーム１２５は、無偏光ビームスプリッタ１１で反射された後１／４波長板３１を通過することにより、上記（５）式及び（６）式に示すように、±π／２の位相差が与えられ、更に４５°に傾けられた偏光ビームスプリッタ３２により、戻り光１１８、１２４に含まれるＳ偏光成分同士、及びＰ偏光成分同士が干渉する。Ｓ偏光成分同士の干渉光１２６は偏光ビームスプリッタ３２で反射され、ホトダイオード等の光電変換素子３４で受光され、電気信号（干渉信号）ＩＳ（１２７）に変換される。Ｐ偏光成分同士の干渉光１２８は偏光ビームスプリッタ３２を透過後、プリズムミラー３７で反射されホトダイオード等の光電変換素子３８で受光され、電気信号（干渉信号）ＩＰ（１２９）に変換される。２つの干渉信号１２７及び１２９は上記（５）式及び上記（６）式で与えられて単位移動量算出ユニット４０に送られる。単位移動量算出ユニット４０は、送られた２つの干渉信号１２７及び１２９を基に、上記（７）式に基づいて、単位時間、即ち１パルス周期＝２０ｎｓあたりの計測対象物２０の単位移動量ΔＤが算出されて、単位移動量信号１３０として移動量積算ユニット４２に出力される。移動量積算ユニット４２では、光源ユニット２９０において、ビームスプリッタ１０３で反射したパルス直線偏光ビーム１０４をホトダイオード等の光電変換素子２８５で受光して得た繰り返し周波数５０ＭＨｚのパルス信号２８６に基づいて、１パルス周期＝２０ｎｓ毎の単位移動量ΔＤが上記（４）式に基づいて逐次積算され、計測対象物２０の総移動量Ｄ（２０ｄ）が求められ、総移動量信号１３１として干渉計ユニット５０から出力される。
【００５８】
図５から明らかなように、本第３の実施例では、上記第１の実施例と同様、偏光ビームスプリッタ１３ａで分離されたＰ偏光ビーム（Ｐ１）１０６とＳ偏光ビーム（Ｐ２）１０７が、２つのプローブ光として全く同じ光路を互いに逆向きに伝播して、１パルス分の時間差で異なる時刻にターゲットミラー１８面に入射した後、再び偏光ビームスプリッタ１３ａに同じ時刻に戻って来て合成され、上記時間差の間のターゲットミラー１８の単位移動量ΔＤに応じた光位相差（（８πｎΔＤ／λ＋π／２）、（８πｎΔＤ／λ−π／２））に基づく２つの干渉信号（ＩＳ（１２７）及びＩＰ（１２９））を生じる。
【００５９】
以上説明したように、２つのプローブ光は完全に同一の共通光路を互いに逆方向に通るため、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。従って、本第３の実施例の干渉計の構成によれば、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、計測対象物２０の移動量２０ｄ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。更に、本第３の実施例では、上記第２の実施例と同様、２つのプローブ光が各々２回ずつターゲットミラー１８に入射するので、上記（５）式及び上記（６）式に示すように、同じ単位移動量ΔＤに対し光位相差は２倍となり、測定感度が２倍になるという効果を有する。
【００６０】
本発明に係る変位計測装置及びその方法の第４の実施例について図７を用いて説明する。第４の実施例は、図７に示すように、強度変調光の生成に上記第１及び第２の実施例と同様、音響光学変調素子を用いる一方、遅延光路に上記第３の実施例と同様、対向させたプリズムミラーを用いる変位計測装置である。光源ユニット２８０の構成と機能は上記第１の実施例と同一であるので、説明を省略する。図７に示すように、偏波面保存ファイバ８は、干渉計ユニット５０に対し偏光光軸を４５°回転させた状態で装着されている。偏波面保存ファイバ８の出射端面から出射した直線偏光ビームはコリメーティングレンズ９により平行光１０となり、無偏光ビームスプリッタ１１に入射する。無偏光ビームスプリッタ１１を通過した４５°方向の直線偏光ビーム１２は、偏光ビームスプリッタ１３ａによりＰ偏光ビーム（Ｐ１）１４とＳ偏光ビーム（Ｐ２）１５に、偏光分離される。Ｐ偏光ビーム（Ｐ１）１４は偏光ビームスプリッタ１３ｂ及び１／４波長板６０を通過後円偏光ビーム６２となり、第１のプローブ光として計測対象物２０上に載置されたターゲットミラー１８に入射し、反射され、再び１／４波長板６０を透過後Ｓ偏光ビームとなり、偏光ビームスプリッタ１３ｂ、１３ｃで反射され、１／４波長板６０を通過後円偏光ビーム６３となりターゲットミラー１８に再度入射し、反射され、１／４波長板６０を透過後Ｐ偏光ビーム６４となり、遅延光路１１６に導かれる。本第４の実施例では、上記第３の実施例と同様、対向させたプリズムミラー１１２ａ及び１１２ｂの間でレーザ光を往復させる形態で遅延光路１１６を構成した。Ｐ偏光ビーム６４は、レンズ１４１で偏波面保存ファイバ１４２の入射端面に集光され入射し、遅延光路１１６に導かれる。偏波面保存ファイバ１４２の出射端面から出射したＰ偏光ビームはレンズ１４３により平行光１４４となり、中心部に開口を設けたミラー１１１を通過した後、対向させたプリズムミラー１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、及びミラー１１１、１１５間で繰り返し往復させることにより、６０００ｍｍ程度の距離を通過、即ち２０ｎｓの時間経過後、再びレンズ１４３、偏波面保存ファイバ１４２、レンズ１４１を経て、偏光ビームスプリッタ１３ｄに戻って来る。尚、遅延光路中の１／４波長板１１４を往復することにより、戻り光はＳ偏光ビーム１４６に変換されている。このＳ偏光ビーム１４６は、偏光ビームスプリッタ１３ｄ、１３ａで反射され、戻り光１４７として無偏光ビームスプリッタ１１に入射する。
【００６１】
一方、Ｓ偏光ビーム（Ｐ２）１５は、上記と全く同じ光路を逆向きに通過する。即ち、Ｓ偏光ビーム（Ｐ２）１５は偏光ビームスプリッタ１３ｄで反射された後、レンズ１４１、偏波面保存ファイバ１４２、レンズ１４３を経て遅延光路１１６に導かれる。レンズ１４３により平行光となったＳ偏光ビーム１４８は６０００ｍｍ程度の距離を通過、即ち２０ｎｓの時間経過後、再びレンズ１４３、偏波面保存ファイバ１４２、レンズ１４１を経て、偏光ビームスプリッタ１３ｄに戻って来る。尚、遅延光路中の１／４波長板１１４を往復することにより、戻り光はＰ偏光ビーム１５０に変換されている。レンズ１４１により平行光となったＰ偏光ビーム１５１は偏光ビームスプリッタ１３ｄ、１３ｃを通過して１／４波長板６０を通過後円偏光ビーム１５２となり、第２のプローブ光としてターゲットミラー１８に入射し、反射され、再び１／４波長板６０を透過後Ｓ偏光ビームとなり、偏光ビームスプリッタ１３ｃ、１３ｂで反射され、１／４波長板６０を通過後円偏光ビーム１５３となりターゲットミラー１８に再度入射し、反射され、１／４波長板６０を透過後Ｐ偏光ビーム１５４となり、該Ｐ偏光ビーム１５４は偏光ビームスプリッタ１３ｂを通過して偏光ビームスプリッタ１３ａに入射して戻りＳ偏光ビーム１４７と合成され、無偏光ビームスプリッタ１１に入射される。
【００６２】
以降の干渉信号から変位量を得る処理は上記第２の実施例と同様である。Ｐ偏光ビーム（Ｐ１）１４とＳ偏光ビーム（Ｐ２）１５の戻り光１４７、１５４は、各々Ｓ偏光及びＰ偏光であり、そのままでは両者は干渉しない。上記第１の実施例と同様、戻り光１４７、１５４から成る合成ビーム１５５は、無偏光ビームスプリッタ１１で反射された後１／４波長板３１を通過することにより±π／２の位相差が与えられ、更に４５°に傾けられた偏光ビームスプリッタ３２により、戻り光１４７、１５４に含まれるＳ偏光成分同士、及びＰ偏光成分同士が干渉する。Ｓ偏光成分同士の干渉光１５６は偏光ビームスプリッタ３２で反射され、ホトダイオード等の光電変換素子３４で受光され、電気信号（干渉信号）ＩＳ（１５７）に変換される。Ｐ偏光成分同士の干渉光１５８は偏光ビームスプリッタ３２を透過後、プリズムミラー３７で反射されホトダイオード等の光電変換素子３８で受光され、電気信号（干渉信号）ＩＰ（１５９）に変換される。２つの干渉信号ＩＳ（１５７）及びＩＰ（１５９）は上記（５）式及び上記（６）式で与えられて単位移動量算出ユニット４０に送られる。単位移動量算出ユニット４０は、送られた２つの干渉信号１５７及び１５９を基に上記（７）式に基づいて、単位時間、即ち１パルス周期＝２０ｎｓあたりの計測対象物２０の単位移動量ΔＤが算出されて、単位移動量信号１６０として移動量積算ユニット４２に出力される。移動量積算ユニット４２は、送られた単位移動量信号１６０を基に、周波数ｆ＝５０ＭＨｚの矩形波変調信号５に基づいて、１パルス周期＝２０ｎｓ毎の単位移動量ΔＤが上記（４）式に基づいて逐次積算され、計測対象物２０の総移動量Ｄ（２０ｄ）が求められ、総移動量信号１６１として干渉計ユニット５０から出力される。
【００６３】
図７から明らかなように、本第４の実施例では、上記第１及び第２の実施例と同様、偏光ビームスプリッタ１３ａで分離されたＰ偏光ビーム（Ｐ１）１４とＳ偏光ビーム（Ｐ２）１５が、２つのプローブ光として全く同じ光路を互いに逆向きに伝播して（通過して）、１パルス分の時間差で異なる時刻にターゲットミラー１８面に入射した後、再び偏光ビームスプリッタ１３ａに同じ時刻に戻って来て合成され、上記時間差の間のターゲットミラー１８の単位移動量ΔＤに応じた光位相差に基づく干渉信号を生じる。
【００６４】
以上説明したように、２つのプローブ光は完全に同一の共通光路を互いに逆方向に通るため、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。従って、本第４の実施例の干渉計の構成によれば、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、計測対象物２０の移動量２０ｄ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。更に、本実施例では、２つのプローブ光が各々２回ずつターゲットミラー１８に入射するので、上記（５）式及び上記（６）式に示すように、同じ単位移動量ΔＤに対し光位相差は２倍となり、測定感度が２倍になるという効果を有する。
【００６５】
次に、本発明に係る変位計測装置及びその方法の第５の実施例について図８を用いて説明する。第５の実施例は、図８に示すように、位相シフトさせた４つの干渉光から移動量を求める変位計測装置である。光源ユニット２８０の構成と機能は上記第１の実施例と同一であるので、説明を省略する。また、２つのプローブ光を生成する光学系と偏波面保存ファイバ２３で構成した遅延光路は、上記第１の実施例と同一であるので、説明を省略する。２つの戻り光２５、２８は、各々Ｓ偏光及びＰ偏光であり、そのままでは両者は干渉しない。戻り光２５、２８から成る直交偏光ビーム３０は、無偏光ビームスプリッタ１１で反射された後、１／２波長板１７１透過後、偏光方向が４５°回転し、非偏光ビームスプリッタ１７２で２つのビームに分離される。即ち、戻り光２５、２８に含まれるＳ偏光成分同士、及びＰ偏光成分同士は、偏光方向を４５°回転させる１／２波長板１７１を透過することによって干渉することになる。そして、非偏光ビームスプリッタ１７２で反射された直交偏光ビーム１７３は偏光ビームスプリッタ１７４に入射し、互いに位相が１８０°（π）シフトした２つの干渉光１７５及び１７７に分離される。干渉光１７５はホトダイオード等の光電変換素子１７６で受光され、電気信号（干渉信号）Ｉａ（１７９）に変換される。位相が１８０°シフトした干渉光１７７は光電変換素子１７８で受光され、電気信号（干渉信号）Ｉｂ（１８０）に変換される。非偏光ビームスプリッタ１７２を透過した直交偏光ビーム１８１は１／４波長板１８２透過後、±９０°（±π／２）の位相差が付加されて偏光ビームスプリッタ１７４に入射し、更に互いに位相が１８０°（π）シフトした２つの干渉光１８３及び１８５に分離される。干渉光１８３はホトダイオード等の光電変換素子１８４で受光され、電気信号（干渉信号）Ｉｃ（１８７）に変換される。位相が１８０°シフトした干渉光１８５は光電変換素子１８６で受光され、電気信号（干渉信号）Ｉｄ（１８８）に変換される。４つの干渉信号Ｉａ（１７９）、Ｉｂ（１８０）、Ｉｃ（１８７）、Ｉｄ（１８８）は各々（８）〜（１１）式で与えられる。
【００６６】
Ｉａ＝Ｉ１＋Ｉ２＋２（Ｉ１・Ｉ２）１／２ｃｏｓ（４πｎΔＤ／λ） （８）
Ｉｂ＝Ｉ１＋Ｉ２＋２（Ｉ１・Ｉ２）１／２ｃｏｓ（４πｎΔＤ／λ＋π）
＝Ｉ１＋Ｉ２−２（Ｉ１・Ｉ２）１／２ｃｏｓ（４πｎΔＤ／λ） （９）
Ｉｃ＝Ｉ１＋Ｉ２＋２（Ｉ１・Ｉ２）１／２ｃｏｓ（４πｎΔＤ／λ＋π／２）
＝Ｉ１＋Ｉ２−２（Ｉ１・Ｉ２）１／２ｓｉｎ（４πｎΔＤ／λ） （１０）
Ｉｄ＝Ｉ１＋Ｉ２＋２（Ｉ１・Ｉ２）１／２ｃｏｓ（４πｎΔＤ／λ＋３π／２）
＝Ｉ１＋Ｉ２＋２（Ｉ１・Ｉ２）１／２ｓｉｎ（４πｎΔＤ／λ） （１１）
単位移動量算出ユニット１８９では、（８）〜（１１）式より（１２）式に基づいて、単位時間、即ち１パルス周期＝２０ｎｓあたりの計測対象物２０の単位移動量ΔＤが算出されて、単位移動量信号１９０として出力されて移動量積算ユニット１９１に送られる。
【００６７】
ΔＤ＝（λ／４πｎ）ｔａｎ−１｛（Ｉｄ−Ｉｃ）／（Ｉａ−Ｉｂ）｝ （１２）
移動量積算ユニット１９１は、送られた単位移動量信号１９０を基に、周波数ｆ＝５０ＭＨｚの矩形波変調信号５に基づいて、１パルス周期＝２０ｎｓ毎の単位移動量ΔＤが上記（４）式に基づいて逐次積算され、計測対象物２０の総移動量Ｄ（２０ｄ）が求められ、総移動量信号１９２として干渉計ユニット５０から出力される。
【００６８】
図８から明らかなように、本第５の実施例では、偏光ビームスプリッタ１３ａで分離されたＰ偏光ビーム（Ｐ１）１４とＳ偏光ビーム（Ｐ２）１５が、２つのプローブ光として全く同じ光路を互いに逆向きに伝播して、１パルス分の時間差で異なる時刻にターゲットミラー１８面に入射した後、再び偏光ビームスプリッタ１３ａに同じ時刻に戻って来て合成され、上記時間差の間のターゲットミラー１８の移動量に応じた光位相差に基づく干渉信号を生じる。
【００６９】
以上説明したように、２つのプローブ光は完全に同一の共通光路を互いに逆方向に通るため、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。従って、本第５の実施例の干渉計の構成によれば、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、計測対象物２０の移動量２０ｄ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。
【００７０】
次に、本発明に係る変位計測装置及びその方法の第６の実施例について図９を用いて説明する。第６の実施例は、図９に示すように、上記第５の実施例と同様、位相シフトさせた４つの干渉光から移動量を求める変位計測装置である。光源ユニット２８０の構成と機能は上記第１の実施例と同一であるので、説明を省略する。また、２つのプローブ光を生成する光学系と偏波面保存ファイバ２３で構成した遅延光路は、上記第１の実施例と同一であるので、説明を省略する。２つの戻り光２５、２８は、各々Ｓ偏光及びＰ偏光であり、そのままでは両者は干渉しない。戻り光２５、２８から成る直交偏光ビーム３０は、無偏光ビームスプリッタ１１で反射された後、ビームエキスパンダ２０１で拡大される。この拡大ビーム２０２はＤＯＥ２０３（Diffractive Optical Element：回折光学素子）により４つの直交偏光ビーム２０４、２０５、２０６、２０７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２０８ａ、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干渉する。４つの干渉光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つの干渉信号２１５〜２１８は、上記第７の実施例と同様、各々上記（８）〜（１１）式で与えられる。単位移動量算出ユニット１８９では、上記（８）〜（１１）式より上記（１２）式に基づいて、単位時間、即ち１パルス周期＝２０ｎｓあたりの計測対象物２０の単位移動量ΔＤが算出されて、単位移動量信号２２０として出力される。単位移動量信号２２０は移動量積算ユニット１９１に送られ、周波数ｆ＝５０ＭＨｚの矩形波変調信号５に基づいて、１パルス周期＝２０ｎｓ毎の単位移動量ΔＤが上記（４）式に基づいて逐次積算され、計測対象物２０の総移動量Ｄ（２０ｄ）が求められ、総移動量信号２２１として干渉計ユニット５０から出力される。
【００７１】
図９から明らかなように、本第６の実施例では、偏光ビームスプリッタ１３ａで分離されたＰ偏光ビーム（Ｐ１）１４とＳ偏光ビーム（Ｐ２）１５が、２つのプローブ光として全く同じ光路を互いに逆向きに伝播して、１パルス分の時間差で異なる時刻にターゲットミラー１８面に入射した後、再び偏光ビームスプリッタ１３ａに同じ時刻に戻って来て合成され、上記時間差の間のターゲットミラー１８の移動量に応じた光位相差に基づく干渉信号を生じる。
【００７２】
以上説明したように、２つのプローブ光は完全に同一の共通光路を互いに逆方向に通るため、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。従って、本第６の実施例の干渉計の構成によれば、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、計測対象物２０の移動量Ｄ（２０ｄ）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。
【００７３】
［第２の実施の形態］
次に、本発明に係る第１の実施の形態である上記第１〜第６の実施例に示した変位計測装置をステージ位置決め制御に応用した第２の実施の形態について図１０を用いて説明する。ステージ装置は、Ｘステージ２３１ｘ上にＹステージ２３１ｙが搭載され、更にその上に試料ホルダ２３３が搭載された構成となっている。試料ホルダ上に試料２３４が載置される。また、試料ホルダ２３３上には面精度１／２０波長の棒状ミラー２３５ｘ、２３５ｙが、ターゲットミラーとしてｘ方向及びｙ方向に固定されている。光源ユニット２８０の構成と機能は上記第１の実施の形態の第１の実施例と同一であるので、説明を省略する。強度変調光６は集光レンズ７により、カップリング素子２３０を介して３本の偏波面保存ファイバ８の入射端面に集光され、直線偏光を維持したまま３つの干渉計ユニット５０ａ、５０ｂ、５０ｃに伝送される。本第２の実施の形態では、干渉計ユニット５０ａ、５０ｂ、５０ｃの構成は、図４に示した第２の実施例における干渉計ユニット５０と同一である。なお、干渉計ユニット５０内の単位移動量算出ユニット４０、１８９並びに総移動量積算ユニット４２、１９１は、３つの干渉計ユニット５０ａ、５０ｂ、５０ｃで共用してもよい。
【００７４】
そして、干渉計ユニット５０ａ、５０ｂにより、棒状ミラー２３５ｘの移動量が測定され、ｘ方向移動量信号７７ａ、７７ｂとして出力され、ヨーイングと共にその平均移動量が演算ユニット２４０で求められ、ｘ方向平均移動量信号７７ｘとしてＸステージ制御ユニット２４１ｘに送られる。Ｘステージ制御ユニット２４１ｘでは、Ｘステージ位置設定信号２４５ｘとｘ方向平均移動量信号７７ｘとを比較し、その差分に応じたＸステージ制御信号２４２ｘをＸステージ２３１ｘに送り、Ｘステージ２３１ｘを目標位置に位置決めする。一方、干渉計ユニット５０ｃにより、棒状ミラー２３５ｙの移動量が測定され、ｙ方向移動量信号７７ｙとしてＹステージ制御ユニット２４１ｙに送られる。Ｙステージ制御ユニット２４１ｙでは、Ｙステージ位置設定信号２４５ｙとｙ方向移動量信号７７ｙとを比較し、その差分に応じたＹステージ制御信号２４２ｙをＹステージ２３１ｙに送り、Ｙステージ２３１ｙを目標位置に位置決めする。
【００７５】
図１０から明らかなように、本第２の実施の形態における干渉計ユニットでは、２つのプローブ光が完全に同一の共通光路を通るため、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。従って、本第２の実施の形態の干渉計の構成によれば、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、Ｘステージ２３１ｘ及びＹステージ２３１ｙの移動量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となり、試料２３４を高精度に位置決めすることが可能になるという効果を有する。
【００７６】
勿論、本発明に係る第２の実施の形態における干渉計ユニット５０ａ、５０ｂ、５０ｃとしては、第１の実施の形態で説明した干渉計ユニットを適用することは可能である。
【００７７】
［第３の実施の形態］
次に、本発明に係る第１の実施の形態である上記第１〜第６の実施例に示した変位計測装置をプローブ顕微鏡のプローブ位置決め制御に応用した第３の実施の形態について図１１を用いて説明する。プローブ顕微鏡は、プローブ制御ユニット２５３と、該プローブ制御ユニット２５３から得られるプローブ制御信号２５４に基づきプローブ２５６をｘｙｚ方向に走査するプローブ走査機構２５５と、該プローブ走査機構２５５によってｘｙｚ方向に走査されるプローブ２５６の位置を測定する干渉計ユニット５０ｄ、５０ｅ、５０ｆと、周波数ｆでの強度変調光を各干渉計ユニット５０ｄ、５０ｅ、５０ｆへ伝送する光源ユニット２８０とを備えて構成される。干渉計ユニット５０ｄ、５０ｅ、５０ｆの構成は図１に示した第１の実施例における干渉計ユニット５０と同一であるので、説明を省略する。なお、干渉計ユニット５０内の単位移動量算出ユニット４０、１８９並びに総移動量積算ユニット４２、１９１は、３つの干渉計ユニット５０ｄ、５０ｅ、５０ｆで共用してもよい。また、光源ユニット２８０についても上記第１の実施例と同一であるので、説明を省略する。
【００７８】
ところで、強度変調光６は集光レンズ７により、カップリング素子２３０を介して３本の偏波面保存ファイバ８の入射端面に集光され、直線偏光を維持したまま３つの干渉計ユニット５０ｄ、５０ｅ、５０ｆに伝送される。３つの干渉計ユニット５０ｄ、５０ｅ、５０ｆでは、各々ｘ、ｙ、ｚ方向のプローブ２５６の位置を測定し、各測定信号２５１ｘ、２５１ｙ、２５１ｚがプローブ制御ユニット２５３に送られる。プローブ制御ユニット２５３では、目標位置と測定信号とを比較しその差分に応じたプローブ制御信号２５４をプローブ走査機構２５５に送り、プローブ２５６をフィードバック制御して目標位置に位置決めする。
【００７９】
勿論、本発明に係る第３の実施の形態における干渉計ユニット５０ｄ、５０ｅ、５０ｆとしては、第１の実施の形態で説明した干渉計ユニットを適用することは可能である。
【００８０】
また、第３の実施の形態では、プローブ顕微鏡として原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Atomic Force Microscope）を示した。第３の実施の形態によれば、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を受けることなく、測定対象である試料（ウエハ等のシリコン基板）２７０上に形成された微細パターン２７１のパターン幅２７１ｗやパターン高さ２７１ｈが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となる。尚、第３の実施の形態におけるプローブ顕微鏡はＡＦＭに限定されるものではなく、ＳＴＭ（Scanning Tunneling Microscope）、ＭＦＭ（Magnetic Force Microscope）、ＳＣＭ（Scanning Capacitance Microscope)、ＫＦＭ（Kelvin Force Microscope)、ＮＳＯＭ（Near-Field Scanning Optical Microscope）といったプローブと測定対象微小場との相互作用に基づいて測定対象の幾何学情報や、物性情報を得るプローブ顕微鏡一般に適用可能である。
【００８１】
尚、第１の実施の形態では、２つのプローブ光のパルス列は、図２及び図６に示したように１パルス間隔分時間シフトさせたが、本発明は、この実施形態に限定されるものではなく、両パルス列のシフト量は任意に設定可能である。
【００８２】
以上説明したように、本発明に係る実施の形態によれば、共通光路形干渉計で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、計測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。更に、本発明に係る実施の形態によれば、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。
【産業上の利用可能性】
【００８３】
本発明によれば、対象物の変位量あるいは移動量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できる変位計測方法とその装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】本発明に係る第１の実施の形態である変位計測装置の第１の実施例を示す概略装置構成図である。
【図２】本発明に係る第１の実施の形態の第１、第２、第４、第５及び第６の実施例における２つのプローブ光のパルス列の時間軸上の関係を示す概略図である。
【図３】本発明に係る第１の実施の形態において単位移動量を積算して総移動量を求める様子を示す概略図である。
【図４】本発明に係る第１の実施の形態である変位計測装置の第２の実施例を示す概略装置構成図である。
【図５】本発明に係る第１の実施の形態である変位計測装置の第３の実施例を示す概略装置構成図である。
【図６】本発明に係る第１の実施の形態の第３の実施例における２つのプローブ光のパルス列の時間軸上の関係を示す概略図である。
【図７】本発明に係る第１の実施の形態である変位計測装置の第４の実施例を示す概略装置構成図である。
【図８】本発明に係る第１の実施の形態である変位計測装置の第５の実施例を示す概略装置構成図である。
【図９】本発明に係る第１の実施の形態である変位計測装置の第６の実施例を示す概略装置構成図である。
【図１０】本発明に係る第１の実施の形態である変位計測装置の第１〜第６の実施例をステージ装置の位置決め制御に応用した第２の実施の形態を示す概略構成図である。
【図１１】本発明に係る第１の実施の形態である変位計測装置の第１〜第６の実施例をプローブ顕微鏡のプローブ位置決め制御に応用した第３の実施の形態を示す概略構成図である。
【図１２】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。
【符号の説明】
【００８５】
１…直線偏光レーザ、３…音響光学変調素子、４…信号発生器、７…集光レンズ、８…偏波面保存ファイバ、９…コリメーティングレンズ、１１…無偏光ビームスプリッタ、１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、１３ｅ…偏光ビームスプリッタ、１４、１０６…Ｐ偏光ビーム（Ｐ１）、１５、１０７…Ｓ偏光ビーム（Ｐ２）、１６、３１、６０…１／４波長板、１７…円偏光ビーム、１８…ターゲットミラー、２０…計測対象物、２２、２４…レンズ、２３、１４２…偏波面保存ファイバ（遅延光路）、２５、６６、１１８、１４７…戻りＳ偏光ビーム、２８、６９、１２４，１５４…戻りＰ偏光ビーム、３２、１７４…偏光ビームスプリッタ、３７…プリズムミラー、３４、３８、１７６、１７８、１８４、１８６、２１４…光電変換素子、４０、１８９…単位移動量算出ユニット、４２、１９１…総移動量積算ユニット、５０、５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄ、５０ｅ、５０ｆ…干渉計ユニット、１０１…パルスレーザ、１１１、１１５…ミラー、１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ…プリズムミラー、１１４…１／４波長板、１１６…遅延光路、１４３…レンズ、１７１…１／２波長板、１７２…非偏光ビームスプリッタ、１８２…１／４波長板、２０１…ビームエキスパンダ、２０３…ＤＯＥ、２０８…位相シフトマスク、２３１ｘ…Ｘステージ、２３１ｙ…Ｙステージ、２３４…試料、２４０…演算ユニット、２４１ｘ…Ｘステージ制御ユニット、２４１ｙ…Ｙステージ制御ユニット、２５３…プローブ制御ユニット、２５５…プローブ走査機構、２５６…プローブ、２７０…シリコン基板、２７１…微細パターン、２８０、２９０…光源ユニット
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の周期で強度変調した光を生成する強度変調光生成ステップと、
該強度変調光生成ステップで生成された光を第１の光と第２の光とに分離し、該分離された第１の光と第２の光とを相対的に時間差をつけて移動可能な計測対象物に設けられたターゲットミラーに照射し、該照射されたターゲットミラーから得られる前記第１の光に基づく反射光と前記第２の光に基づく反射光とを相対的に前記時間差を無くして合成して前記時間差の間における前記計測対象物の単位移動量に応じた光位相差に基づいて干渉させて複数の干渉光信号を生じさせる光干渉ステップと、
該光干渉ステップで生じさせた複数の干渉光信号に基づいて前記計測対象物の単位移動量を算出する算出ステップとを有することを特徴とする変位計測方法。
【請求項２】
所定の周期で強度変調した光を生成する強度変調光生成ステップと、
該強度変調光生成ステップで生成された光を第１の光と第２の光とに分離し、該分離された第１の光と第２の光とを該第２の光を遅延光路を通すことによって相対的に時間差をつけて移動可能な計測対象物に設けられたターゲットミラーに照射し、該照射されたターゲットミラーから得られる前記第１の光に基づく反射光と前記第２の光に基づく反射光とを該第１の光に基づく反射光を前記遅延光路を通すことによって相対的に前記時間差を無くして合成して前記時間差の間における前記計測対象物の単位移動量に応じた光位相差に基づいて干渉させて複数の干渉光信号を生じさせる光干渉ステップと、
該光干渉ステップで生じさせた複数の干渉光信号に基づいて前記計測対象物の単位移動量を算出する算出ステップとを有することを特徴とする変位計測方法。
【請求項３】
前記光干渉ステップにおいて、前記第１の光における前記分離されてから前記ターゲットミラーに照射するまでの光路と前記第２の光における前記ターゲットミラーから反射して前記合成に至るまでの光路とを同じにし、前記第１の光における前記ターゲットミラーから反射して前記合成に至るまでの光路と前記第２の光における前記分離されてから前記ターゲットミラーに照射するまでの光路とを同じにしたことを特徴とする請求項１又は２記載の変位計測方法。
【請求項４】
前記強度変調光生成ステップは、前記所定の周期で強度変調した光を音響光学変調素子を用いて生成することを特徴とする請求項１又は２記載の変位計測方法。
【請求項５】
前記強度変調光生成ステップは、前記所定の周期で強度変調した光をパルスレーザを用いて生成することを特徴とする請求項１又は２記載の変位計測方法。
【請求項６】
前記光干渉ステップにおける前記時間差を、前記強度変調光生成ステップにおける前記所定の周期と一致させることを特徴とする請求項１又は２記載の変位計測方法。
【請求項７】
前記算出ステップにおいて、前記計測対象物の総移動量は、前記時間差の間の前記計測対象物の単位移動量を積分して求めることを特徴とする請求項１又は２記載の変位計測方法。
【請求項８】
所定の周期で強度変調した光を生成する強度変調光生成手段と、
該強度変調光生成手段で生成された光を第１の光と第２の光とに分離し、該分離された第１の光と第２の光とを相対的に時間差をつけて移動可能な計測対象物に設けられたターゲットミラーに照射し、該照射されたターゲットミラーから得られる前記第１の光に基づく反射光と前記第２の光に基づく反射光とを相対的に前記時間差を無くして合成して前記時間差の間における前記計測対象物の単位移動量に応じた光位相差に基づいて干渉させて複数の干渉光信号を生じさせる光干渉光学系と、
該光干渉光学系で生じさせた複数の干渉光信号に基づいて前記計測対象物の単位移動量を算出する算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９】
前記光干渉光学系において、前記時間差をつける手段として前記第１の光と前記第２の光との間において光路差をつけるように構成したことを特徴とする請求項８記載の変位計測装置。
【請求項１０】
所定の周期で強度変調した光を生成する強度変調光生成手段と、
該強度変調光生成ステップで生成された光を第１の光と第２の光とに分離し、該分離された第１の光と第２の光とを該第２の光を遅延光路を通すことによって相対的に時間差をつけて移動可能な計測対象物に設けられたターゲットミラーに照射し、該照射されたターゲットミラーから得られる前記第１の光に基づく反射光と前記第２の光に基づく反射光とを該第１の光に基づく反射光を前記遅延光路を通すことによって相対的に前記時間差を無くして合成して前記時間差の間における前記計測対象物の単位移動量に応じた光位相差に基づいて干渉させて複数の干渉光信号を生じさせる光干渉光学系と、
該光干渉光学系で生じさせた複数の干渉光信号に基づいて前記計測対象物の単位移動量を算出する算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１１】
前記光干渉光学系において、前記第１の光における前記分離されてから前記ターゲットミラーに照射するまでの光路と前記第２の光における前記ターゲットミラーから反射して前記合成に至るまでの光路とを同じに構成し、前記第１の光における前記ターゲットミラーから反射して前記合成に至るまでの光路と前記第２の光における前記分離されてから前記ターゲットミラーに照射するまでの光路とを同じに構成したことを特徴とする請求項８又は１０記載の変位計測装置。
【請求項１２】
前記強度変調光生成手段は、前記強度変調した光を音響光学変調素子を用いて生成するように構成することを特徴とする請求項８又は１０記載の変位計測装置。
【請求項１３】
前記強度変調光生成手段は、前記所定の周期で強度変調した光をパルスレーザを用いて生成するように構成することを特徴とする請求項８又は１０記載の変位計測装置。
【請求項１４】
前記光干渉光学系における前記時間差を、前記強度変調光生成手段における前記所定の周期と一致させることを特徴とする請求項８又は１０記載の変位計測装置。
【請求項１５】
前記算出手段において、前記計測対象物の総移動量は、前記時間差の間の前記計測対象物の単位移動量を積分して求めるように構成したことを特徴とする請求項８又は１０記載の変位計測装置。
【請求項１６】
所定の周期で強度変調した光を生成する強度変調光生成手段と、
該強度変調光生成ステップで生成された光を第１の光と第２の光とに分離し、該分離された第１の光と第２の光とを該第２の光を遅延光路を通すことによって相対的に時間差をつけて移動可能な計測対象物に設けられたターゲットミラーに照射し、該照射されたターゲットミラーから得られる前記第１の光に基づく反射光と前記第２の光に基づく反射光とを該第１の光に基づく反射光を前記遅延光路を通すことによって相対的に前記時間差を無くして合成して前記時間差の間における前記計測対象物の単位移動量に応じた光位相差に基づいて干渉させて複数の干渉光信号を生じさせる光干渉光学系と、
該光干渉光学系で生じさせた複数の干渉光信号に基づいて前記計測対象物の単位移動量を算出する算出手段とを備え、
前記光干渉光学系は、前記第１の光における前記分離されてから前記ターゲットミラーに照射するまでの光路と前記第２の光における前記ターゲットミラーから反射して前記合成に至るまでの光路とを同じに構成し、前記第１の光における前記ターゲットミラーから反射して前記遅延光路を通して前記合成に至るまでの光路と前記第２の光における前記分離されてから前記遅延光路を通して前記ターゲットミラーに照射するまでの光路とを同じに構成したことを特徴とする変位計測装置。
【請求項１７】
前記移動可能な計測対象物を設けたステージ装置において、
請求項８乃至１６の何れか一つに記載の変位計測装置を備え、前記算出手段で算出された前記計測対象物の単位移動量に基づいて前記ステージ装置を少なくとも一軸方向に位置決め制御するように構成したことを特徴とするステージ装置。
【請求項１８】
前記移動可能な計測対象物を設け、プローブを少なくとも一軸方向に走査位置決めするプローブ走査機構を備えたプローブ顕微鏡において、
請求項８乃至１６の何れか一つに記載の変位計測装置を備え、前記算出手段で算出された前記計測対象物の単位移動量に基づいて前記プローブ走査機構を少なくとも一軸方向に走査位置決め制御するように構成したことを特徴とするプローブ顕微鏡。
【請求項１】
所定の周期で強度変調した光を生成する強度変調光生成ステップと、
該強度変調光生成ステップで生成された光を第１の光と第２の光とに分離し、該分離された第１の光と第２の光とを相対的に時間差をつけて移動可能な計測対象物に設けられたターゲットミラーに照射し、該照射されたターゲットミラーから得られる前記第１の光に基づく反射光と前記第２の光に基づく反射光とを相対的に前記時間差を無くして合成して前記時間差の間における前記計測対象物の単位移動量に応じた光位相差に基づいて干渉させて複数の干渉光信号を生じさせる光干渉ステップと、
該光干渉ステップで生じさせた複数の干渉光信号に基づいて前記計測対象物の単位移動量を算出する算出ステップとを有することを特徴とする変位計測方法。
【請求項２】
所定の周期で強度変調した光を生成する強度変調光生成ステップと、
該強度変調光生成ステップで生成された光を第１の光と第２の光とに分離し、該分離された第１の光と第２の光とを該第２の光を遅延光路を通すことによって相対的に時間差をつけて移動可能な計測対象物に設けられたターゲットミラーに照射し、該照射されたターゲットミラーから得られる前記第１の光に基づく反射光と前記第２の光に基づく反射光とを該第１の光に基づく反射光を前記遅延光路を通すことによって相対的に前記時間差を無くして合成して前記時間差の間における前記計測対象物の単位移動量に応じた光位相差に基づいて干渉させて複数の干渉光信号を生じさせる光干渉ステップと、
該光干渉ステップで生じさせた複数の干渉光信号に基づいて前記計測対象物の単位移動量を算出する算出ステップとを有することを特徴とする変位計測方法。
【請求項３】
前記光干渉ステップにおいて、前記第１の光における前記分離されてから前記ターゲットミラーに照射するまでの光路と前記第２の光における前記ターゲットミラーから反射して前記合成に至るまでの光路とを同じにし、前記第１の光における前記ターゲットミラーから反射して前記合成に至るまでの光路と前記第２の光における前記分離されてから前記ターゲットミラーに照射するまでの光路とを同じにしたことを特徴とする請求項１又は２記載の変位計測方法。
【請求項４】
前記強度変調光生成ステップは、前記所定の周期で強度変調した光を音響光学変調素子を用いて生成することを特徴とする請求項１又は２記載の変位計測方法。
【請求項５】
前記強度変調光生成ステップは、前記所定の周期で強度変調した光をパルスレーザを用いて生成することを特徴とする請求項１又は２記載の変位計測方法。
【請求項６】
前記光干渉ステップにおける前記時間差を、前記強度変調光生成ステップにおける前記所定の周期と一致させることを特徴とする請求項１又は２記載の変位計測方法。
【請求項７】
前記算出ステップにおいて、前記計測対象物の総移動量は、前記時間差の間の前記計測対象物の単位移動量を積分して求めることを特徴とする請求項１又は２記載の変位計測方法。
【請求項８】
所定の周期で強度変調した光を生成する強度変調光生成手段と、
該強度変調光生成手段で生成された光を第１の光と第２の光とに分離し、該分離された第１の光と第２の光とを相対的に時間差をつけて移動可能な計測対象物に設けられたターゲットミラーに照射し、該照射されたターゲットミラーから得られる前記第１の光に基づく反射光と前記第２の光に基づく反射光とを相対的に前記時間差を無くして合成して前記時間差の間における前記計測対象物の単位移動量に応じた光位相差に基づいて干渉させて複数の干渉光信号を生じさせる光干渉光学系と、
該光干渉光学系で生じさせた複数の干渉光信号に基づいて前記計測対象物の単位移動量を算出する算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９】
前記光干渉光学系において、前記時間差をつける手段として前記第１の光と前記第２の光との間において光路差をつけるように構成したことを特徴とする請求項８記載の変位計測装置。
【請求項１０】
所定の周期で強度変調した光を生成する強度変調光生成手段と、
該強度変調光生成ステップで生成された光を第１の光と第２の光とに分離し、該分離された第１の光と第２の光とを該第２の光を遅延光路を通すことによって相対的に時間差をつけて移動可能な計測対象物に設けられたターゲットミラーに照射し、該照射されたターゲットミラーから得られる前記第１の光に基づく反射光と前記第２の光に基づく反射光とを該第１の光に基づく反射光を前記遅延光路を通すことによって相対的に前記時間差を無くして合成して前記時間差の間における前記計測対象物の単位移動量に応じた光位相差に基づいて干渉させて複数の干渉光信号を生じさせる光干渉光学系と、
該光干渉光学系で生じさせた複数の干渉光信号に基づいて前記計測対象物の単位移動量を算出する算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１１】
前記光干渉光学系において、前記第１の光における前記分離されてから前記ターゲットミラーに照射するまでの光路と前記第２の光における前記ターゲットミラーから反射して前記合成に至るまでの光路とを同じに構成し、前記第１の光における前記ターゲットミラーから反射して前記合成に至るまでの光路と前記第２の光における前記分離されてから前記ターゲットミラーに照射するまでの光路とを同じに構成したことを特徴とする請求項８又は１０記載の変位計測装置。
【請求項１２】
前記強度変調光生成手段は、前記強度変調した光を音響光学変調素子を用いて生成するように構成することを特徴とする請求項８又は１０記載の変位計測装置。
【請求項１３】
前記強度変調光生成手段は、前記所定の周期で強度変調した光をパルスレーザを用いて生成するように構成することを特徴とする請求項８又は１０記載の変位計測装置。
【請求項１４】
前記光干渉光学系における前記時間差を、前記強度変調光生成手段における前記所定の周期と一致させることを特徴とする請求項８又は１０記載の変位計測装置。
【請求項１５】
前記算出手段において、前記計測対象物の総移動量は、前記時間差の間の前記計測対象物の単位移動量を積分して求めるように構成したことを特徴とする請求項８又は１０記載の変位計測装置。
【請求項１６】
所定の周期で強度変調した光を生成する強度変調光生成手段と、
該強度変調光生成ステップで生成された光を第１の光と第２の光とに分離し、該分離された第１の光と第２の光とを該第２の光を遅延光路を通すことによって相対的に時間差をつけて移動可能な計測対象物に設けられたターゲットミラーに照射し、該照射されたターゲットミラーから得られる前記第１の光に基づく反射光と前記第２の光に基づく反射光とを該第１の光に基づく反射光を前記遅延光路を通すことによって相対的に前記時間差を無くして合成して前記時間差の間における前記計測対象物の単位移動量に応じた光位相差に基づいて干渉させて複数の干渉光信号を生じさせる光干渉光学系と、
該光干渉光学系で生じさせた複数の干渉光信号に基づいて前記計測対象物の単位移動量を算出する算出手段とを備え、
前記光干渉光学系は、前記第１の光における前記分離されてから前記ターゲットミラーに照射するまでの光路と前記第２の光における前記ターゲットミラーから反射して前記合成に至るまでの光路とを同じに構成し、前記第１の光における前記ターゲットミラーから反射して前記遅延光路を通して前記合成に至るまでの光路と前記第２の光における前記分離されてから前記遅延光路を通して前記ターゲットミラーに照射するまでの光路とを同じに構成したことを特徴とする変位計測装置。
【請求項１７】
前記移動可能な計測対象物を設けたステージ装置において、
請求項８乃至１６の何れか一つに記載の変位計測装置を備え、前記算出手段で算出された前記計測対象物の単位移動量に基づいて前記ステージ装置を少なくとも一軸方向に位置決め制御するように構成したことを特徴とするステージ装置。
【請求項１８】
前記移動可能な計測対象物を設け、プローブを少なくとも一軸方向に走査位置決めするプローブ走査機構を備えたプローブ顕微鏡において、
請求項８乃至１６の何れか一つに記載の変位計測装置を備え、前記算出手段で算出された前記計測対象物の単位移動量に基づいて前記プローブ走査機構を少なくとも一軸方向に走査位置決め制御するように構成したことを特徴とするプローブ顕微鏡。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００７−５１９００（Ｐ２００７−５１９００Ａ）
【公開日】平成１９年３月１日（２００７．３．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２３６２９２（Ｐ２００５−２３６２９２）
【出願日】平成１７年８月１７日（２００５．８．１７）
【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１９年３月１日（２００７．３．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年８月１７日（２００５．８．１７）
【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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