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【発明の名称】 光波干渉測定装置
【発明者】 【氏名】月原 浩一

【氏名】河井 斉
【要約】 【課題】本発明は、光路中の空気や他の気体の屈折率変動を複数の周波数の光を用いて補正する光波干渉測定装置に関し、ＳＨＧ変換素子端面からの戻り光による測定精度の低下を防止し、空気の屈折率変動による補正をより高精度に行なうことのできる光波干渉測定装置を提供することを目的とする。

【解決手段】検出部１０１のＳＨＧ変換素子１７の入射端面１１１は、光軸２０１に対して垂直になっていないので、端面反射光２０２が干渉部１００に戻ることがない。また、絞り３５を設けることで完全に端面反射光２０２を除去することができる。従って、誤差光となる端面反射光２０２が光電変換素子１８に入射しない高精度な光波干渉測定装置を実現できる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】第１の周波数の光を有する測長用光束を射出する第１の光源と、第２および第３の周波数の光を有し、前記測長用光束の光路上の屈折率変動を計測する屈折率変動計測用光束を射出する第２の光源と、前記測長用光束と前記屈折率変動計測用光束との共通光路上に設けられ、光路を測定光路と参照光路に分離する分離素子と、前記参照光路上に設けられ、前記参照光路上の少なくとも前記測長用光束を反射させる参照光用反射鏡と、前記測定光路上を移動可能に設けられ、前記測定光路上の前記測長用光束と前記屈折率変動計測用光束とを反射する測定光用反射鏡と、前記参照光路および前記測定光路からの前記測長用光束の干渉光を検出する測長用受光手段と、少なくとも前記測定光路からの前記屈折率変動計測用光束の干渉光を検出する屈折率変動計測用検出手段と、前記各干渉光から光路上の屈折率変動を補正して、真の前記測定用反射鏡の移動量を求める処理系とを備えた光波干渉測定装置において、前記屈折率変動測定用検出手段は、前記第２の周波数の光の周波数を前記第３の周波数に変換する周波数変換素子を有し、前記周波数変換素子の入射端面または射出端面は、光軸に垂直な面から所定量傾いていることを特徴とする光波干渉測定装置。
【請求項２】第１および第２の周波数の光を有し、光路上の屈折率変動を計測する光束を射出する光源と、前記光束を測定光路と参照光路に分離する分離素子と、前記参照光路上に設けられ、前記参照光路上の光束を反射させる参照光用反射鏡と、前記測定光路上を移動可能に設けられ、前記測定光路上の光束を反射する測定光用反射鏡と、前記測定光路と前記参照光路からの前記各光束をそれぞれ干渉させて干渉光を検出する検出手段と、前記各干渉光から前記測定光路上の屈折率変動量を求める処理系とを備えた光波干渉測定装置において、前記検出手段は、前記第１の周波数の光の周波数を前記第２の周波数に変換する周波数変換素子を有し、前記周波数変換素子の入射端面または射出端面は、光軸に垂直な面から所定量傾いていることを特徴とする光波干渉測定装置。
【請求項３】請求項１または２に記載の光波干渉測定装置において、前記周波数変換素子は、入射光を第２高調波に変換する第２高調波発生素子であることを特徴とする光波干渉測定装置。
【請求項４】請求項１乃至３のいずれかに記載の光波干渉測定装置において、前記周波数変換素子と前記分離素子との間の光路上に、前記周波数変換素子の前記入射端面および前記射出端面からの反射光を遮光する絞りが配置されていることを特徴とする光波干渉測定装置。
【発明の詳細な説明】【発明の属する技術分野】本発明は、空気や他の気体中で高精度な変位計測が要求される機器に用いられる光波干渉測定装置に関し、特に光路中の空気や他の気体の屈折率変動を複数の周波数の光を用いて補正する光波干渉測定装置に関する。
【従来の技術】物体の長さ、変位、密度等の測定を行なうための光波干渉測定装置の代表的な例として、ヘテロダイン干渉法を用いた干渉測長機を図４に示す。図４はステージ１８０の光軸方向変位を測定する第１の光学系と、測定光路における空気の屈折率変動をモニタする第２の光学系から構成されている。図４において、光源３１１は偏光方位が紙面に平行な光（周波数ｆ００）と、紙面に垂直な光（周波数ｆ０１）とを含む光束を射出する。この２つの光は、互いに周波数がわずかに異なり、偏光方位が直交している。光源３１１から射出された光束は、偏光ビームスプリッタ（以下、ＰＢＳという）１１０でそれぞれの偏光方位に応じて分離される。ここで、紙面に平行な光をＰ偏光、紙面に垂直な光をＳ偏光とする。一方は参照光路の固定鏡１４０に、他方は測定光路の移動鏡１４１へ射出する。移動鏡１４１は、ステージ１８０上に設置されており、測定光路の光軸方向と平行に変位する。
【０００１】参照光路で反射された周波数ｆ０１の光は波長板１２１を透過した後固定鏡１４０で反射され再び波長板１２１を透過する。波長板１２１はλ／４板であり、波長板１２１を２回通過するため、周波数ｆ０１の光の偏光方位は９０度回転してＰ偏光の光となる。その後ＰＢＳ１１０を透過しコーナーキューブ１５０で光路をずらされた後再びＰＢＳ１１０を透過して参照光路に入射する。ここで先程と同様に波長板１２１、固定鏡１４０、波長板１２１を経る過程により偏光方位が９０度回転してＳ偏光の光となってＰＢＳ１１０で周波数分離素子１０１の方向へ反射される。
【０００２】測定光路に入射した周波数ｆ００の光は波長板１２３を透過し、移動鏡１４１により反射されて波長板１２３を再び透過する。周波数ｆ００の光は参照光路と同様に偏光方位を９０度回転させられてＳ偏光の光となってＰＢＳ１１０に戻ってくる。その後ＰＢＳ１１０で反射した後コーナーキューブ１５０で光路をずらされてＰＢＳ１１０で再び測定光路側に反射される。ＰＢＳ１１０で反射した周波数ｆ００の光は波長板１２３、移動鏡１４１、波長板１２３を経る過程により偏光方位を９０度回転させられてＰ偏光の光となってＰＢＳ１１０に戻り、ＰＢＳ１１０を透過する。
【０００３】それぞれ参照光路および測定光路を２往復した光はＰＢＳ１１０で再び同軸となり、周波数分離素子１０１および周波数フィルタ１６２を透過して偏光子付きのレシーバ４１０に入力する。周波数フィルタ１６２は、周波数ｆ００、ｆ０１以外の誤差光となる周波数の光をカットする。レシーバ４１０の偏光子は、前記２つの光の偏光方位に対し４５度傾いており、参照光路を通ってきた周波数ｆ０１と、測定光路を通ってきた周波数ｆ００の光は、この偏光子を通った後干渉し、周波数ｆ００と周波数ｆ０１の差（ｆ００−ｆ０１）のビートシグナルが生じる。このビートシグナルが移動鏡変位測定の測長信号として演算装置５００に入力される。また、光源３１１は周波数ｆ００と周波数ｆ０１の周波数差（ｆ００−ｆ０１）に等しい参照信号を演算装置５００に入力する。演算装置５００は、参照信号に対する測長信号の位相変化に基づいて、ステージ１８０の矢印方向の変位を演算によって求める。以上が第１の光学系である。
【０００４】次に第２の光学系であるが、光源３１２は周波数ｆ００および周波数ｆ０１とは異なる周波数ｆ１の光と、その第２高調波である周波数ｆ２（＝２ｆ１）の光を射出する。それぞれの光は周波数シフタ１９１、１９２で周波数シフトされ、周波数ｆ１０（＝ｆ１＋△ｆ１）および周波数ｆ２０（＝ｆ２＋△ｆ２）の光となる。ここで△ｆ２≠２△ｆ１である。２つの光は周波数結合素子２１１でほぼ同軸にされた後、周波数結合素子２１２で周波数ｆ００、ｆ０１の光とほぼ同軸にされ、ＰＢＳ１１０に入射する。
【０００５】周波数ｆ１０、ｆ２０の光の偏光方位は周波数ｆ００の光の偏光方位と同一になっているため、ＰＢＳ１１０を透過し測定光路にのみ入射する。２つの光は波長板１２３を透過し移動鏡１４１で反射した後再び波長板１２３を透過する。このとき波長板１２３を２回透過するために偏光方位がＳ偏光となり、ＰＢＳ１１０で反射する。その後コーナーキューブ１５０で光路をずらされた後ＰＢＳ１１０で再び測定光路に入射する。測定光路に入射した２つの光は波長板１２３、移動鏡１４１、波長板１２３を経る過程で偏光方位を９０度回転させられてＰ偏光の光となりＰＢＳ１１０に戻る。Ｐ偏光となった２つの光はＰＢＳ１１０を透過し周波数分離素子１０１に入射する。
【０００６】周波数分離素子１０１は周波数ｆ１０とｆ２０の光を反射するため、これら周波数ｆ１０とｆ２０の光は周波数ｆ００、ｆ０１の光と分離されて第２高調波変換を行う周波数変換素子（以下、ＳＨＧ変換素子という）２２１に入射する。ＳＨＧ変換素子２２１では周波数ｆ１０の光の一部がＳＨＧ変換され、周波数ｆ１０’（＝２ｆ１０）の光となる。また周波数ｆ２０の光はＳＨＧ変換素子２２１を透過する。周波数ｆ１０’の光と周波数ｆ２０の光は周波数フィルタ１６３を透過後、偏光板付きレシーバ４１４に入射する。偏光板を透過することで周波数ｆ１０の光と周波数ｆ２０の光は干渉する。このとき周波数ｆ１０’、ｆ２０以外の誤差光となる光は、この周波数フィルタ１６３でカットされる。レシーバ４１４は入射した周波数ｆ１０’、ｆ２０の光の周波数差ｆ１０’−ｆ２０（＝２△ｆ１−△ｆ２）に等しいビートシグナルを屈折率変動測定の測定信号として演算装置５００に入力する。
【０００７】また周波数シフタ１９１、１９２はその周波数シフト信号△ｆ１、△ｆ２を参照信号として演算装置５００に入力する。演算装置５００はその周波数シフト信号から周波数差（２△ｆ１−△ｆ２）の信号を屈折率変動測定の参照信号として作り出す。この参照信号とレシーバ４１４からの屈折率変動測定の測定信号を比較し、その位相変化量を計算する。以上が第２の光学系である。ここで、参照光路全体は、空気の屈折率変動を抑えるために密封チューブ等で覆われている。
【０００８】演算装置５００は第１の光学系で測定されたステージの移動量を、第２の光学系で測定された測定光路における空気の屈折率変動の測定量を用いて補正し、ステージの幾何学的な変位量を求める。
【０００９】ここで簡単に空気の屈折率変動を補正する方法について説明する。周波数ｆａ、ｆｂ、ｆｃの光で測定したときの光路長をＤ（ｆａ）、Ｄ（ｆｂ）、Ｄ（ｆｃ）とする。このときそれぞれの光路長は、【００１０】
Ｄ（ｆａ）＝｛１＋Ｎ・Ｆ（ｆａ）｝Ｄ ・・・（式１）
Ｄ（ｆｂ）＝｛１＋Ｎ・Ｆ（ｆｂ）｝Ｄ ・・・（式２）
Ｄ（ｆｃ）＝｛１＋Ｎ・Ｆ（ｆｃ）｝Ｄ ・・・（式３）
【００１１】と表せる。ここで、Ｄは幾何学的な距離、Ｎは空気の密度、Ｆ（ｆ）は空気の構成比が変わらなければ空気の密度によらず光の周波数ｆにより決まる関数である。上式より幾何学的距離Ｄは、【００１２】
Ｄ＝Ｄ（ｆａ）−Ａ｛Ｄ（ｆｃ）−Ｄ（ｆｂ）｝・・・（式４）
ただし、Ａ＝Ｆ（ｆａ）／｛Ｆ（ｆｃ）−Ｆ（ｆｂ）｝
【００１３】となる。これより、この干渉計で求めたい幾何学的距離の変位、即ち真の変位△Ｄは、【００１４】
△Ｄ＝△Ｄ（ｆａ）−Ａ｛△Ｄ（ｆｃ）−△Ｄ（ｆｂ）｝・・・（式５）
ただし、Ａ＝Ｆ（ｆａ）／｛Ｆ（ｆｃ）−Ｆ（ｆｂ）｝
【００１５】となる。上式は、周波数ｆａの光で測定した移動鏡の変位から、周波数ｆｂ、ｆｃの光で求めた屈折率の変動による影響を補正し、真の変位を求めることを意味する。
【００１６】演算装置５００は第１光学系における変位測定の参照信号および測長信号から上式における△Ｄ（ｆａ）を、第２光学系における屈折率変動測定の参照信号および測定信号から上式における｛△Ｄ（ｆｃ）−△Ｄ（ｆｂ））｝が得られ、移動鏡の真の変位△Ｄを上式により演算して求めている。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】光路中の空気や他の気体の屈折率変動を複数の周波数の光を用いて補正する従来の光波干渉測定装置では、レシーバ４１４の前段に設けられているＳＨＧ変換素子２２１は、その入射および射出端面が光軸に対して垂直になるように配置されている。ところが反面、ＳＨＧ変換素子２２１へ入射した光のうちＳＨＧ変換素子２２１の入射および射出端面での端面反射光が測定光路への戻り光となってしまう。この戻り光は波長板のリタデーション誤差や他の素子の端面での反射の影響により測定光路を往復し、再びＳＨＧ変換素子２２１に入射して本来の光と干渉してしまう。この不要な干渉成分の存在は移動鏡１４１の変位に応じて測定誤差を生じさせるので測定精度を低下させる原因となるが、従来の光波干渉測定装置においては、ＳＨＧ変換素子２２１の入射および射出端面における光の反射による戻り光の影響については全く考慮されていない。
【００１８】このような戻り光による誤差光が存在する状態で移動鏡１４１が変位すると、測定光路を通過する誤差光も移動鏡１４１の変位に応じて位相変化を生じ、レシーバ４１４において屈折率変動測定用の周波数ｆ１０’、ｆ２０の光と干渉して誤差信号を生じる。ところがこの誤差信号は屈折率変動測定用の測定光と偏光方位が同じであるので原理的に取り除くことができず、真の測定データに重畳して測定精度を低下させてしまう原因となっている。
【００１９】本発明の目的は、ＳＨＧ変換素子端面からの戻り光による測定精度の低下を防止し、空気の屈折率変動による補正をより高精度に行なうことのできる光波干渉測定装置を提供することにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段】上記目的は、第１の周波数の光を有する測長用光束を射出する第１の光源と、第２および第３の周波数の光を有し、測長用光束の光路上の屈折率変動を計測する屈折率変動計測用光束を射出する第２の光源と、測長用光束と屈折率変動計測用光束との共通光路上に設けられ、光路を測定光路と参照光路に分離する分離素子と、参照光路上に設けられ、参照光路上の少なくとも測長用光束を反射させる参照光用反射鏡と、測定光路上を移動可能に設けられ、測定光路上の測長用光束と屈折率変動計測用光束とを反射する測定光用反射鏡と、参照光路および測定光路からの測長用光束の干渉光を検出する測長用受光手段と、少なくとも測定光路からの屈折率変動計測用光束の干渉光を検出する屈折率変動計測用検出手段と、各干渉光から光路上の屈折率変動を補正して、真の測定用反射鏡の移動量を求める処理系とを備えた光波干渉測定装置において、屈折率変動測定用検出手段は、第２の周波数の光の周波数を第３の周波数に変換する周波数変換素子を有し、周波数変換素子の入射端面または射出端面は、光軸に垂直な面から所定量傾いていることを特徴とする光波干渉測定装置によって達成される。
【００２１】また、上記目的は、第１および第２の周波数の光を有し、光路上の屈折率変動を計測する光束を射出する光源と、光束を測定光路と参照光路に分離する分離素子と、参照光路上に設けられ、参照光路上の光束を反射させる参照光用反射鏡と、測定光路上を移動可能に設けられ、測定光路上の光束を反射する測定光用反射鏡と、測定光路と参照光路からの各光束をそれぞれ干渉させて干渉光を検出する検出手段と、各干渉光から測定光路上の屈折率変動量を求める処理系とを備えた光波干渉測定装置において、検出手段は、第１の周波数の光の周波数を第２の周波数に変換する周波数変換素子を有し、周波数変換素子の入射端面または射出端面は、光軸に垂直な面から所定量傾いていることを特徴とする光波干渉測定装置によって達成される。
【００２２】本発明の光波干渉測定装置において、周波数変換素子は、入射光を第２高調波に変換する第２高調波発生素子であることを特徴とする。また、本発明の光波干渉測定装置において、周波数変換素子と分離素子との間の光路上に、周波数変換素子の入射端面および射出端面からの反射光を遮光する絞りが配置されていることを特徴とする。
【００２３】本発明によれば、入射光および射出光が周波数変換素子の入射端面と射出端面に対して垂直とならず、端面反射光を本来検出すべき光と分離できるので、光波干渉測定装置の測定精度を向上させることができる。
【発明の実施の形態】本発明の一実施の形態による光波干渉測定装置を図１乃至図３を用いて説明する。図１は、本実施の形態による光波干渉測定装置の構成を示している。初めに、図１を用いて本実施の形態による光波干渉測定装置の構成を説明する。本実施の形態による光波干渉測定装置は、測定光用反射鏡及び参照光用反射鏡に平面鏡を用い、測定光路および参照光路がいわゆるダブルパスの構成となるように、測定光路および参照光路にアクロマチックな波長板としてのフレネルロムを配置している。
【００２４】図中破線で示したブロック内は干渉部１００である。光源１は、紙面に平行な偏光方位を有する周波数ｆ１の光と、紙面に垂直な偏光方位を有する周波数ｆ１’（＝ｆ１＋△ｆ）の光（すなわち互いに偏光方位が直交している）を射出するようになっている。これらの周波数ｆ１、ｆ１’の光は、移動物体（ここでは測定用反射鏡）の変位を計測するために用いられる。光源１を射出した周波数ｆ１、ｆ１’の光は、周波数結合素子３を通過してＰＢＳ４に向かう。
【００２５】一方光源１４は、周波数ｆ２（ｆ２≠ｆ１、ｆ１’）の光を射出する。周波数ｆ２の光の一部は、ＳＨＧ変換素子１５に入射して周波数ｆ２の第２高調波である周波数ｆ３（ｆ３＝２・ｆ２、ｆ３≠ｆ１、ｆ１’）の光となる。周波数ｆ２の光の偏光方位と周波数ｆ３の光の偏光方位は同一であり、且つ周波数ｆ１の光の偏光方位に対して４５°傾くように、ＳＨＧ変換素子１５の後段に挿入された少なくとも１枚以上の波長板（不図示）によって調節される。これら周波数ｆ２、ｆ３の光は周波数結合素子３で反射して周波数ｆ１、ｆ１’の光と同軸となってＰＢＳ４に向かう。周波数ｆ２、ｆ３の光は、周波数ｆ１の光の進む光路中および周波数ｆ１’の光の進む光路中の屈折率変動を計測するために用いられる。
【００２６】ＰＢＳ４は、紙面に平行な偏光の成分（Ｐ偏光）の光を透過させ、紙面に垂直な偏光の成分（Ｓ偏光）の光を反射させる。従って、本実施の形態においては、周波数ｆ１の光がＰＢＳ４を透過し、周波数ｆ１’の光は反射する。また、周波数ｆ１の光の偏光方位に対して４５°傾いている周波数ｆ２、ｆ３の光は共に、ＰＢＳ４で透過光、反射光に分離される。
【００２７】ＰＢＳ４を透過した周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３の光が進む光路を測定光路とし、ＰＢＳ４で反射した周波数ｆ１’、ｆ２、ｆ３の光が進む光路を参照光路とする。
【００２８】測定光路中には、移動物体（図示せず）に固定されて移動物体と共に移動する測定用平面鏡（移動反射鏡）５が配置されている。また、ＰＢＳ４と測定用平面鏡５との間の測定光路中にアクロマチックな波長板であるフレネルロム３０、３１が配置されている。
【００２９】ＰＢＳ４を透過して測定光路を進む３つの周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３の光は、フレネルロム３０を透過して測定用平面鏡５で反射され、再びＰＢＳ４に戻る過程でフレネルロム３０を透過する。周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３の光は、フレネルロム３０を最初に透過することによりそれぞれＰ偏光から円偏光に変換されて測定用平面鏡５に入射する。
【００３０】ここで、フレネルロム３０〜３３は、入射光および射出光が入射端面と射出端面に対して垂直とならないように設計されている。
【００３１】測定用平面鏡５で反射した周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３の光は、再びフレネルロム３０に入射してそれぞれ円偏光からＳ偏光に変換される。従って、測定用平面鏡５から反射してＰＢＳ４に入射する際には、周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３の各光の偏光方位は、ＰＢＳ４を射出したときのＰ偏光の偏光方位に対して９０°回転したＳ偏光となっているので、ＰＢＳ４で反射されることになる。
【００３２】ＰＢＳ４で反射した周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３の各光は、コーナーキューブ３４に入射して平行に反射され、再びＰＢＳ４で反射されて測定用平面鏡５に向かう。測定用平面鏡５に至る途中に配置されたフレネルロム３１を通過して、上述と同様に周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３の光は、フレネルロム３１を最初に透過することによりそれぞれＳ偏光から円偏光に変換されて測定用平面鏡５に入射する。
【００３３】測定用平面鏡５を反射した周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３の光は、再びフレネルロム３１に入射してそれぞれ円偏光からＰ偏光に変換される。従って、測定用平面鏡５を反射してＰＢＳ４に入射する際には、周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３の各光の偏光方位は、ＰＢＳ４で反射したときのＳ偏光の偏光方位に対して９０°回転したＰ偏光となっているので、今度はＰＢＳ４を透過することになる。
【００３４】一方、参照光路中には、固定された参照用平面鏡（固定反射鏡）６が配置されている。また、ＰＢＳ４と参照用平面鏡６との間の参照光路中にアクロマチックな波長板であるフレネルロム３２、３３が配置されている。
【００３５】ＰＢＳ４を透過して参照光路を進む異なる３つの周波数ｆ１’、ｆ２、ｆ３の光は、フレネルロム３２を透過して参照用平面鏡６で反射され、再びＰＢＳ４に戻る過程でフレネルロム３２を透過する。周波数ｆ１’、ｆ２、ｆ３の光は、フレネルロム３２を最初に透過することによりそれぞれＳ偏光から円偏光に変換されて参照用平面鏡６に入射する。参照用平面鏡６を反射した周波数ｆ１’、ｆ２、ｆ３の光は、再びフレネルロム３２に入射してそれぞれ円偏光からＰ偏光に変換される。
【００３６】従って、参照用平面鏡６から反射してＰＢＳ４に入射する際には、周波数ｆ１’、ｆ２、ｆ３の各光の偏光方位は、ＰＢＳ４で反射したときのＳ偏光の偏光方位に対して９０°回転したＰ偏光となっているので、ＰＢＳ４を透過することになる。ＰＢＳ４を透過した周波数ｆ１’、ｆ２、ｆ３の各光は、コーナーキューブ３４に入射して平行に反射され、再びＰＢＳ４を透過して参照用平面鏡６に向かう。参照用平面鏡６に至る途中に配置されたフレネルロム３３を通過して、上述と同様に周波数ｆ１’、ｆ２、ｆ３の光は、フレネルロム３３を最初に透過することによりそれぞれＰ偏光から円偏光に変換されて参照用平面鏡６に入射する。
【００３７】参照用平面鏡６を反射した周波数ｆ１’、ｆ２、ｆ３の光は、再びフレネルロム３３に入射してそれぞれ円偏光からＳ偏光に変換される。従って、参照用平面鏡６を反射してＰＢＳ４に入射する際には、周波数ｆ１’、ｆ２、ｆ３の各光の偏光方位は、ＰＢＳ４を透過したときのＰ偏光の偏光方位に対して９０°回転したＳ偏光となっているので、今度はＰＢＳ４で反射させられることになる。参照光路の周波数ｆ１’、ｆ２、ｆ３の光は、光ビームスプリッタ４で反射して干渉部１００から周波数分離素子７に向かう。
【００３８】干渉部１００を射出した測定光路及び参照光路からの周波数ｆ１、ｆ１’ｆ２、ｆ３の光は、周波数ｆ１近傍の光（周波数ｆ１’を含む）は透過させ、周波数ｆ２とｆ３の光は反射する性質を有する周波数分離素子７によりそれぞれ分離される。周波数分離素子７を透過した周波数ｆ１とｆ１’の光は偏光板８を透過して干渉し、光電変換素子９でその干渉光が受光され、測定ビート信号として位相計１０に入力される。また、光源１を射出した周波数ｆ１とｆ１’の光の一部はビームスプリッタ２により反射され、偏光板１２を透過して干渉し、光電変換素子１３でその干渉光が受光され、参照ビート信号として位相計１０に入力される。位相計１０では測定ビート信号と参照ビート信号から測定用平面鏡（移動反射鏡）５の変位量を求め、演算器１１に出力する。
【００３９】一方、周波数分離素子７で反射された周波数ｆ２とｆ３の光のうち、測定光路を通った成分はＰＢＳ１６を透過し、検出部１０１のＳＨＧ変換素子１７に入射する。２つの周波数ｆ２、ｆ３のうち低い周波数ｆ２の光はＳＨＧ変換素子１７により周波数ｆ３’（＝２・ｆ２）の光に変換され、測定光路を通った周波数ｆ３の光と干渉し、その干渉光が光電変換素子１８により受光され、測定信号として位相計２１に入力される。本実施の形態におけるＳＨＧ変換素子１７の入射および射出端面は、光軸に垂直な面に対して所定角度傾いて形成されている。この点については後程詳述する。
【００４０】また、周波数分離素子７で反射された周波数ｆ２とｆ３の光のうち、参照光路を通った成分はＰＢＳ１６で反射し、２つの周波数ｆ２、ｆ３のうち低い周波数ｆ２の光がＳＨＧ変換素子１９の機能により変換され、周波数ｆ３’（＝２・ｆ２）の光と参照光路を通った周波数ｆ３の光とが干渉し、その干渉信号が光電変換素子２０で受光され、参照信号として位相計２１に入力される。本実施の形態におけるＳＨＧ変換素子１９も上述のＳＨＧ変換素子１７の入射および射出端面と同様に、光軸に垂直な面に対して所定角度傾いて形成されている。これについては後程詳述する。位相計２１では測定信号と参照信号から測定光路および参照光路で生じた空気や他の気体の屈折率変動を求め、演算器１１に出力する。演算器１１では位相計１０からの移動反射鏡５の変位量と位相計２１からの屈折率変動の情報を演算することにより移動反射鏡５の真の変位量を求める。以上が本実施の形態による光波干渉測定装置の全体の構成の概略である。
【００４１】次に、本実施の形態によるＳＨＧ変換素子１７、１９について図２を用いて説明する。また、本実施の形態による光波干渉測定装置に図４を用いて説明した従来のＳＨＧ変換素子３７を用いた比較例を図３を用いて説明する。
【００４２】図２は干渉部１００の測定光路と測定信号を得る検出部１０１の拡大図である。ここで、周波数分離素子７およびＰＢＳ１６は図示を省略している。本実施の形態によるＳＨＧ変換素子１７、１９は、その入射および射出端面が光軸に対して垂直になっていない点に特徴を有している。図２に示す本実施の形態のＳＨＧ変換素子１７の入射端面１１１は、光軸２０１に対して垂直になっていないので、端面反射光２０２が干渉部１００に戻ることがない。特に、図２に示すように絞り３５を設けることで迷光、散乱光等も含めて完全に端面反射光２０２を除去することができる。
【００４３】ＳＨＧ変換素子１７、１９の入射端面１１１と光軸２０１とのなす角を垂直より大きく外すと、ＳＨＧ変換素子１７、１９の周波数分散により、当初の周波数ｆ３の光と変換された周波数ｆ３の光とが同軸から外れてしまう。変換される周波数ｆ３の光は、ＳＨＧ変換素子１７、１９に入射する際は周波数ｆ２の光であり双方の屈折率が異なるからである。これを防ぐために絞り３５は干渉部１００の直後に配置して、ＳＨＧ変換素子１７、１９の入射端面１１１と光軸２０１のなす角を極力小さくする。光学系の設置面積に余裕がある場合にはＰＢＳ４と周波数分離素子７との間の光路を長くとるようにしてもよい。また、光電変換素子１８、２０に干渉光を入射させる際にレンズ（図示せず）等で集光するようにしてもよい。
【００４４】また、ＳＨＧ変換素子１７、１９の入射端面１１１と光軸２０１のなす角に応じて周波数ｆ２の光は屈折するが、その屈折を考慮した上で変換効率が最良となるようにＳＨＧ変換素子１７、１９の光学軸を設定し、その入射端面または射出端面が光軸２０１と垂直にならないようにカッティングされているＳＨＧ変換素子を用いることでもよい。このようにすることで、先に説明したＳＨＧ変換素子を傾けて配置する場合と比べ、ＳＨＧ変換素子の変換効率が向上するので、光電変換素子１８から得られる干渉信号の強度が高くなる。ところで、ＳＨＧ変換素子１７、１９の材料としては、例えばＫＴｉＯＰＯ4結晶があり、光学軸が所望の向きになるようにカッティングされているものが適当である。
【００４５】一方、比較例として、入射および射出端面１１２が光軸１１３に対して垂直になる従来のＳＨＧ変換素子３７を、図１に示した光波干渉測定装置に用いた場合に生じる不具合を図３を用いて説明する。
【００４６】図３は干渉部１００の測定光路と測定信号を得る検出部１０１の拡大図である。ここで、周波数分離素子７およびＰＢＳ１６は図示を省略している。ＳＨＧ変換素子３７の入射端面１１２が光軸１１３に対して垂直なので、端面反射光は光軸１１３上を戻り光として逆に進み測定光路に再び戻る。本来の光２０１は紙面と平行なＰ偏光の光であるので、この端面反射光も紙面と平行なＰ偏光の光となる。この端面反射光の大部分がフレネルロム３１を通って移動反射鏡５で反射され、再びフレネルロム３１を通る過程で偏光方位が９０°回転して、紙面と垂直なＳ偏光となり、ＰＢＳ４で反射され、最終的に光源１４へ戻る。
【００４７】しかし、光源１４から干渉部１００の光路上に光軸１１３と垂直な端面を有する光学系が存在する場合、戻り光は再びその端面で反射され、測定光路を往復して光電変換素子１８へ向かってしまう。測定光路を複数回往復しているこの端面反射光２０４は、移動反射鏡５の変位に伴い本来の光２０１と干渉するので、測定誤差になる。また、入射端面１１２の端面反射光の一部はフレネルロム３１でのリタデーションが完全でないため、フレネルロム３１を２往復する過程において、偏光方位が９０°回転せず元の偏光方位を維持した成分である端面反射光２０３が存在する。この端面反射光２０３も測定光路を余分に通過していることから、移動反射鏡の変位に伴って測定誤差を生じさせる。
【００４８】以上説明したように、本実施の形態によるＳＨＧ変換素子を用いた光波干渉測定装置によれば、入射光および射出光がＳＨＧ変換素子の入射端面と射出端面に対して垂直とならず、端面反射光を本来検出すべき光と分離できるので、光波干渉測定装置の測定精度を向上させることができるようになる。
【００４９】本発明は、上記実施の形態に限らず種々の変形が可能である。例えば、上記実施の形態においは、第２高調波変換を行う周波数変換素子であるＳＨＧ変換素子を用いたが、それ以外の第ｎ次高調波変換素子を用いた場合においても本発明を適用することができる。
【００５０】
【発明の効果】以上の通り、本発明によれば、高い変換効率を保ち、入射および射出端面での端面反射光の影響を除去することが可能な周波数変換素子を用いることで、戻り光による測定誤差を除去し、高精度な空気等の屈折率変動の補正、移動鏡の変位量の測定が可能となる。
【出願人】 【識別番号】０００００４１１２
【氏名又は名称】株式会社ニコン
【出願日】 平成９年（１９９７）９月３０日
【代理人】 【弁理士】
【氏名又は名称】森岡 正樹
【公開番号】 特開平１１−１０８６１３
【公開日】 平成１１年（１９９９）４月２３日
【出願番号】 特願平９−２８２７２２