干渉測定装置及び測定原点決定方法
【課題】 測定後の原点を高精度に設定することができ、被測定物の変位情報（絶対変位情報）を高精度に測定することができる干渉測定装置を得ること。
【解決手段】 第１光源手段からの第１の光束と第２光源手段からの第２の光束を合波する第１の合波手段と、第１の光束と第２の光束が合波された光束を、２つの光束に分割し、一方の光束を被測定物の測定面に入射させ、他方の光束を参照面に入射させ、測定面からの反射光束と参照面からの反射光束を合波する光学系と、
測定面と参照面からの反射光束とに含まれている分割された２つの第１の光束により形成される光束と、２つの第２の光束により形成される光束を受光する受光手段と、
受光手段で受光した第１の光束に基づく第１の信号と受光手段で受光した第２の光束に基づく第２の信号とを用いて測定原点を決定する決定手段を有すること。
【解決手段】 第１光源手段からの第１の光束と第２光源手段からの第２の光束を合波する第１の合波手段と、第１の光束と第２の光束が合波された光束を、２つの光束に分割し、一方の光束を被測定物の測定面に入射させ、他方の光束を参照面に入射させ、測定面からの反射光束と参照面からの反射光束を合波する光学系と、
測定面と参照面からの反射光束とに含まれている分割された２つの第１の光束により形成される光束と、２つの第２の光束により形成される光束を受光する受光手段と、
受光手段で受光した第１の光束に基づく第１の信号と受光手段で受光した第２の光束に基づく第２の信号とを用いて測定原点を決定する決定手段を有すること。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非接触にて物体の位置変動情報を検出する干渉測定装置及び測定原点決定方法に関し、特に変位情報を検出するときに、原点となる原点位置を付加し、絶対位置変移情報を検出する際に好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
ナノメータレベルの精度、分解能で長さを計測する装置には、レーザ光を用いたマイケルソン干渉装置等のレーザ干渉測定装置が広く使用されている。
【０００３】
レーザ干渉測定装置は被測定対象の変位によって発生する干渉波が正弦波であり、その波数を積算し、さらに正弦波の位相を読み取ることによりナノメータレベルの精度、分解能で変位量を得ることができる。
【０００４】
マイケルソン干渉装置で得られる干渉信号を用いて、被測定面の変位情報（位置情報）を得る装置が種々と提案されている（特許文献１）。
【０００５】
特許文献１の変位検出装置では、光干渉を利用して、磁気ヘッドアームに設けた被測定面の変位情報を検出している。
【０００６】
具体的には磁気ヘッドアームの回転軸と同軸に位置決め用のプローブ指示アームを設けている。
【０００７】
そしてプローブ指示アームには、磁気ヘッドアームの端面位置（被測定面）が適正な位置にあるか否かを検出する光学的位置検出センサユニットが取り付けられている。
【０００８】
この光学的位置検出センサユニットには、干渉信号を利用して、磁気ヘッドアームの側面の位置決めを行う１／４波長板、位相回折格子、受光素子等を含む検出系が設けられている。
【０００９】
この他被測定面の光軸方向の位置情報を検出する為に偏向板、集光レンズ、４分割センサ等を含むフォーカス検出光学系が設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００１−７６３２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
干渉測定装置によるレーザ干渉は出力信号が正弦波で得られる。このため、波数と位相からナノメータオーダーの分解能の計測が可能であるが、変位のみで絶対位置は計測できない。測定物の絶対変位情報を得る方法として別に基準点（原点）を設けそこからの相対位置を得る必要がある。
【００１２】
この場合、正確な絶対位置を得るにはレーザ干渉の出力正弦波の波長（上記例では0.2μm）以下の精度の基準点（原点）が必要となってくる。
【００１３】
特許文献１の、変位検出装置におけるフォーカス検出光学系では、被測定面の原点を４分割センサの各センサに入射する光量比を検出して求めており、干渉信号を利用していない。
【００１４】
この為、被測定面の位置情報を波長オーダーの精度で検出するのが難しい。
【００１５】
本発明は、測定後の原点を高精度に設定することができ、被測定物の変位情報（絶対変位情報）を高精度に測定することができる干渉測定装置及び測定原点決定方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の干渉測定装置は、可干渉性の第１の光束を放射する第１の光源手段と、
第１の光源手段よりも可干渉性の低い第２の光束を放射する第２の光源手段と、
前記第１の光束と前記第２の光束を合波する第１の合波手段と、
前記第１の光束と前記第２の光束が合波された光束を、それぞれ前記第１の光束と前記第２の光束の少なくとも一部を含む２つの光束に分割し、前記分割された一方の光束を被測定物の測定面に入射させ、他方の光束を参照面に入射させ、前記測定面からの反射光束と前記参照面からの反射光束を合波する光学系と、
前記光学系を介して前記測定面からの反射光束と前記参照面からの反射光束とに含まれている前記分割された２つの第１の光束により形成される光束と、前記測定面からの反射光束と前記参照面からの反射光束とに含まれている前記分割された２つの第２の光束により形成される光束を受光する受光手段と、
前記受光手段の出力に基づいて測定原点を決定する決定手段と、を有し、
前記決定手段は、前記受光手段で受光した前記第１の光束に基づく第１の信号と前記受光手段で受光した前記第２の光束に基づく第２の信号とを用いて前記測定原点を決定することを特徴としている。
【００１７】
本発明の測定原点決定方法は、第１の光源からの可干渉性の第１の光束と、第２の光源からの第１の光束よりも可干渉性の低い第２の光束を合波する合波ステップと、
前記第１の光束と前記第２の光束が合波された光束を、それぞれ前記第１の光束と前記第２の光束の少なくとも一部を含む２つの光束に分割し、前記分割された一方の光束を被測定物の測定面に入射させ、他方の光束を参照面に入射させ、前記測定面からの反射光束と前記参照面からの反射光束を合波する分割合波ステップと、
前記測定面からの反射光束と前記参照面からの反射光束とに含まれている前記分割された２つの第１の光束により形成される光束と、前記測定面からの反射光束と前記参照面からの反射光束とに含まれている前記分割された２つの第２の光束により形成される光束を受光手段により受光する受光ステップと、
前記受光手段で受光した前記第１の光束に基づく第１の信号と前記受光手段で受光した前記第２の光束に基づく第２の信号とを用いて前記測定原点を決定ステップと、を有することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、測定後の原点を高精度に設定することができ、被測定物の変位情報（絶対変位情報）を高精度に測定することができる干渉測定装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】実施例１の光学配置の概略図
【図２】実施例１の光ＬＤ及び光ＳＬＤのパワースペクトルの説明図
【図３】実施例１の光ＳＬＤのビジビリティの説明図
【図４】実施例１のＵＶＷ干渉信号出力の波形図
【図５】実施例１の干渉信号ＵＶＷ出力から計算したＡ相、Ｂ相の波形図
【図６】実施例１のＵ干渉信号出力及びＯ干渉信号出力の波形図
【図７】実施例２の光学配置の概略図
【図８】実施例２の光ＬＤ及び光ＳＬＤのパワースペクトルの説明図
【図９】実施例３のＵ干渉信号出力及び（Ｕ＋Ｏ）干渉信号出力の波形図
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明の干渉測定装置は、可干渉性の第１の光束を放射する第１の光源手段と、第１の光源手段よりも可干渉性の低い第２の光束を放射する第２の光源手段と、前記第１の光束と前記第２の光束を合波する第１の合波手段とを有する。前記第１の光束と前記第２の光束が合波された光束を、それぞれ前記第１の光束と前記第２の光束の少なくとも一部を含む２つの光束に分割する。
【００２１】
前記分割された一方の光束を被測定物の測定面に入射させ、他方の光束を参照面に入射させ、前記測定面からの反射光束と前記参照面からの反射光束を合波する光学系とを有する。前記光学系を介して前記測定面からの反射光束と前記参照面からの反射光束とに含まれている前記分割された２つの第１の光束により形成される光束を受光する受光手段を有する。更に受光手段は前記測定面からの反射光束と前記参照面からの反射光束とに含まれている前記分割された２つの第２の光束により形成される光束を受光する。
【００２２】
前記受光手段の出力に基づいて測定原点を決定する決定手段と、を有する。前記決定手段は、前記受光手段で受光した前記第１の光束に基づく第１の信号と前記受光手段で受光した前記第２の光束に基づく第２の信号とを用いて前記測定原点を決定する。
【００２３】
このとき、前記光学系は、前記第１の光束と前記第２の光束が合波された光束を、それぞれ前記第１の光束と前記第２の光束の少なくとも一部を含む２つの光束に分割する分割面を含む。前記第２の信号は前記分割面から前記測定面の光路と、前記分割面から前記参照面までの光路の光路長が等しい或いはほぼ等しい場合に出力される信号である。
【００２４】
このとき、前記決定手段は、前記第２の信号のピークを検出する検出手段を含み、前記検出手段の出力と周期信号である前記第１の信号との関係が所定の関係である場合に前記測定原点を決定する。
【００２５】
また本発明の測定原点決定方法は、第１の光源からの可干渉性の第１の光束と、第２の光源からの第１の光束よりも可干渉性の低い第２の光束を合波する合波ステップを有する。前記第１の光束と前記第２の光束が合波された光束を、それぞれ前記第１の光束と前記第２の光束の少なくとも一部を含む２つの光束に分割する。そして、前記分割された一方の光束を被測定物の測定面に入射させ、他方の光束を参照面に入射させ、前記測定面からの反射光束と前記参照面からの反射光束を合波する分割合波ステップを有する。
【００２６】
前記測定面からの反射光束と前記参照面からの反射光束とに含まれている前記分割された２つの第１の光束により形成される光束を受光する受光ステップを有する。更に受光ステップは、前記測定面からの反射光束と前記参照面からの反射光束とに含まれている前記分割された２つの第２の光束により形成される光束を受光手段により受光する。前記受光手段で受光した前記第１の光束に基づく第１の信号と前記受光手段で受光した前記第２の光束に基づく第２の信号とを用いて前記測定原点を決定ステップと、を有する。
【００２７】
本発明の実施例は、シングルモード半導体レーザ等の高可干渉性のレーザ光の光学系と同一光学系上に、スペクトル半値幅が３０ｎｍ程度の低可干渉性の光を合波している。そしてこの低可干渉性の光の干渉出力のピーク（振幅のピーク）と高可干渉性のレーザ光の干渉出力から原点（測定原点）を決定している。
【００２８】
すなわち、低可干渉性の光のスペクトル幅が大きいと、低可干渉性の光の干渉出力の波形は、被測定面が参照面と基準点から等光路近辺で高可干渉性のレーザ光の干渉出力の波形と略同じ波形となる。
【００２９】
又、参照面と被測定面との距離が等しいとき最大になる。これにより高可干渉性のレーザ光の干渉出力と同期した原点を決定している。
【００３０】
［実施例１］
図１（Ａ）、（Ｂ）は、本発明の実施例１の要部側面図と要部正面図である。
【００３１】
実施例１は、小型の干渉測定装置に原点検出手段を適用したものである。
【００３２】
シングルモード半導体レーザＬＤ（以下「半導体レーザＬＤ」という）（第１の光源手段）に発振レーザ波長が安定な波長０．７８μmのＤＦＢ(Distributed Feedback) レーザを使用している。
【００３３】
この半導体レーザＬＤから放射された直線偏光発散光、光ＬＤ（第１の光束）をコリメーターレンズＣＯＬ１で平行光としている。
【００３４】
一方光ＬＤと中心波長が異なり低可干渉であるスペクトル半値幅ΔΛが約３０ｎｍで中心波長が約０．８４μmのスーパールミネッセントダイオードＳＬＤ（以下「ダイオードＳＬＤ」という）（第２の光源手段）を用いている。
【００３５】
ダイオードＳＬＤからの光ＳＬＤ（第２の光束）をコリメーターレンズＣＯＬ２により平行光としている。コリメーターレンズＣＯＬ１からの光ＬＤとＣＯＬ２からの光ＳＬＤをダイクロイックミラー（合波手段）ＤＭ１で同一光軸上（双方の光束の主光線が一致）に合波する。そして、レンズＬＮＳ１によりハーフミラーＮＢＳを介してレンズＬＮＳ２の焦点面の位置Ｐ１を集光照明している。
【００３６】
位置Ｐ１からの光束をレンズＬＮＳ２より、光軸がわずかに斜めの平行光束を射出させている。そして偏光ビームスプリッタ（光分割手段）ＰＢＳ１にて偏光成分にて２光束に分離する。偏光ビームスプリッタＰＢＳ１からの反射光（Ｓ偏光）を参照ミラー（参照面）Ｍ１に入射させ、偏光ビームスプリッタＰＢＳ１からの透過光（Ｐ偏光）を被測定対象面としての測定ミラー（測定面）Ｍ２に入射させている。
【００３７】
そしてそれぞれの反射光を、該偏光ビームスプリッタＰＢＳ１を介して合成し、レンズＬＮＳ２の焦点面の位置Ｐ２を集光照明し、その近傍に設けられた反射膜ＭＯにより、元の光路に戻している。
【００３８】
位置Ｐ２からの反射光は、レンズＬＮＳ２より平行光束として射出させ、偏光ビームスプリッタＰＢＳ１にて２光束に分離し、反射光（Ｓ偏光）で参照ミラーＭ１を照明している。このとき第１の光束ＬＤと第２の光束ＳＬＤの光分割手段ＰＢＳ１により分割されて参照面Ｍ１に入射して、参照面Ｍ１で反射される光束の光路は共通である。
【００３９】
又、透過光（Ｐ偏光）で被測定ミラー（被測定面）Ｍ２を照明している。
【００４０】
それぞれの反射光を、該偏光ビームスプリッタＰＢＳ１を介して、合波してレンズＬＮＳ２の焦点面の位置Ｐ１を集光照明し、そこから光源側に光束を取り出す。（Ｓ偏光は、参照面Ｍ１とビームスプリッタＰＢＳ１の間を２往復し、Ｐ偏光は、被測定面Ｍ２とビームスプリッタＰＢＳ１の間を２往復する）。これらの光束は、非偏光ビームスプリッタ（ハーフミラー）ＮＢＳにより、受光系側に取り出し、１／４波長板ＱＷＰを透過させて、位相差の変化に応じて偏光方位回転する直線偏光に変換する。
【００４１】
その後、光ＬＤと光ＳＬＤを分離するため、集光レンズＣＯＮ、アパーチャーＡＰを介してダイクロイックミラーＤＭ１と同じ構成のダイクロイックミラーＤＭ２により光ＬＤを透過、光ＳＬＤを反射し分離する。
【００４２】
光ＬＤは受光系ＬＤ（第１の受光手段）で検出している。即ちビーム分割素子ＧＢＳにて３光束に分割し、それぞれの光束を互いに６０°ずつ偏光軸をずらして配置した偏光素子アレイ３ＣＨ−ＰＯＬを介して３分割受光素子ＰＤＡの各受光部に入射させている。これにより被測定対象面（ミラー）Ｍ２の面外変位に基づく３つの互いに位相が１２０度づつずれた干渉信号ＵＶＷを検出する。この干渉信号ＵＶＷから、演算手段ＳＰＣで位相が９０°ずれたＡ相、Ｂ相をＡ＝２／３×｛Ｕ−（Ｖ＋Ｗ）／２｝、Ｂ＝１／√３×（Ｖ−Ｗ）の計算よって得ている。
【００４３】
一方ダイクロイックミラーＤＭ２で反射した光ＳＬＤは受光系ＳＬＤ（第２の受光手段）で検出している。即ち偏光素子ＰＯＬ２を介して受光素子ＰＤ２に入射し、被測定面が参照面と等光路付近の ときに干渉信号Ｏを出力する。
【００４４】
ここでＵ出力に対応する偏光素子アレイ３ＣＨ−ＰＯＬの偏光素子３ＣＨ−ＰＯＬ−１と光ＳＬＤに対する偏光素子ＰＯＬ２の偏向方向を被測定面と参照面の光路差がゼロのときでピークになる方向に配置している。これによりＵ波形およびＡ相は被測定面Ｍ２と参照面Ｍ１の光路差ゼロを原点とするコサイン波形になる。
【００４５】
またＯ出力も被測定面Ｍ２が被測定面Ｍ２と参照面Ｍ１の光路差ゼロを原点とし、原点から遠ざかると減衰するコサイン波形状に出力することが出来る。
【００４６】
尚、被測定面Ｍ２及び参照面Ｍ１から受光素子ＰＤ２、ＰＤＡ至る光路中の部材は干渉部の一要素を形成している。
【００４７】
図２は半導体レーザＬＤからの光ＬＤとダイオードＳＬＤからの光ＳＬＤのパワースペクトルを示している。
【００４８】
半導体レーザＬＤからの光ＬＤのパワースペクトルは０．７８μｍの輝線である。ダイオードＳＬＤからの光ＳＬＤのパワースペクトルは中心波長０．８４μmで半値幅が３０ｎｍのローレンツ型のパワースペクトルに近似したものである。光ＳＬＤの中心波長（０．８４μｍ）からの波長ずれΔλに対するパワースペクトルＳ（Δλ）は次式よる。
【００４９】
Ｓ（Δλ）＝（ΔΛ／２)２２／｛Δλ２＋(ΔΛ/２)２} ・・・（１式）
：ΔΛは半値幅を示し、ここでは３０ｎｍである。
【００５０】
図２から図１に示すダイクロイックミラーＤＭ１、ＤＭ２は波長０．８μｍ近傍に透過、反射特性の境界を持ち、ダイクロイックミラーＤＭ１で光束を合波、ダイクロイックミラーＤＭ２で光束を分波することが出来る。
【００５１】
さて、半導体レーザＬＤによる干渉信号ＵＶＷは十分長い可干渉を持つ。これに対し、ダイオードＳＬＤによる干渉信号Ｏの可干渉性、ビジビリティＶ（ΔＶｌ）は１式の逆フーリエ変換から次式で近似できる。
【００５２】
Ｖ（ΔＶｌ）＝ＥＸＰ｛−πΔΛ/λ２｝ΔＶｌ ・・・（２式）
：λは光ＳＬＤの中心波長、ここでは０．８４μm
：ΔＶｌは光路長差
図３は、このときの光路長差Δ１に対するビジビリティＶとの関係を示す図である。
【００５３】
一方、受光素子ＰＤＡで得られる半導体レーザＬＤによる干渉信号ＵＶＷを図４に示す。又干渉信号ＵＶＷから作られた９０°位相のずれた干渉信号Ａ，Ｂ相を図５にしめす。又、受光素子ＰＤ２で得られる等光路近傍のダイオードＳＬＤによる干渉信号Ｏと半導体レーザLDによる干渉信号Ｕを図６に示す。横軸は被測定面と参照面ＳＬＤの光路差を示し、光は二往復するので被測定面の変位は１/４である。図からダイオードＳＬＤによる干渉信号Ｏが、等光路のところ（光路差Ｏ）で半導体レーザＬＤによる干渉信号Ｕとほぼ同じコサインカーブで、そのピークは隣接するピークより大きく判別可能である。
【００５４】
従ってダイオードＳＬＤによる干渉信号Ｏのピーク（強度）を検出することにより、半導体レーザＬＤによる干渉信号Ｕと同期した原点を高精度に定めている。
【００５５】
尚、干渉信号Ｏのピーク値でなくても、予め設定した値と干渉信号Ｂとの関係より原点を定めても良い。
【００５６】
半導体レーザＬＤによる干渉信号ＵＶＷから作られた９０°位相のずれた干渉信号A,B相は、２往復光路による干渉測長を原理としている。このため半導体レーザＬＤによる干渉信号Ｕ源の波長の１／４を周期とする正弦波状信号である。
【００５７】
波長０．７８μmの半導体レーザＬＤを 使用した場合には、周期が０．１９５μｍの正弦波信号が得られる。波数を計数し更にtan-1(B/A)により位相を計算して、ナノメータオーダーの分解能の相対位置ずれを検出できる。
【００５８】
また上記波数計数を、ダイオードＳＬＤによる干渉信号Ｏのピークでリセットすることで、原点もナノメータオーダーの分解能の絶対値測定が可能となる。
【００５９】
以上のように、実施例１では、干渉部において光ＬＤ同士により形成される干渉信号と光ＳＬＤ同士により形成される干渉信号を受光手段で検出している。
【００６０】
そして受光手段で得られる干渉信号から、測定反射面Ｍと参照面Ｍ１の光分割手段ＰＢＳ１からの等光路の位置を、変位情報の測定原点として測定し、絶対変位情報を求めている。
【００６１】
具体的には、受光手段ＰＤ２で設けられる干渉信号の強度情報から、測定反射面Ｍ２と参照面Ｍ１の光分割手段ＰＢＳ１の等光路の位置を受光手段ＰＤＡで得られる干渉信号の周期より設定している。そして変位情報の測定原点として、絶対変位情報を求めている。
【００６２】
［実施例２］
図７は本発明の実施例２の要部概略図である。実施例２は実施例１に比べて次の点が異なっている。
（イ）半導体レーザＬＤとダイオードＳＬＤの駆動を原点検出時に交互にＯＮ−ＯＦＦする。
（ロ）ＳＬＤ受光系は半導体レーザＬＤによる干渉信号の受光系ＬＤのうち、偏光素子アレイ３ＣＨ−ＰＯＬと３分割の受光素子ＰＤＡを兼ねている。そして光ＳＬＤの干渉信号Ｏは３分割受光素子ＰＤＡ（ＰＤＡ１〜ＰＤＡ３）の干渉信号Ｕに対応するＰＤＡ−１からの信号を使用する。
【００６３】
各々の点灯に合わせて光ＬＤによる干渉信号ＵＶＷと光ＳＬＤによる干渉信号Ｏを信号処理ＳＰＣによってサンプリングし分離し、各干渉信号がＯＦＦの間は補間推定し連続した光ＬＤによる干渉信号ＵＶＷと光ＳＬＤの干渉信号Ｏを得る。
（ハ）波長による分離がいらない。図８に示す光ＬＤと光ＳＬＤのパワースペクトルのように、光ＬＤと光ＳＬＤの波長差を小さくすることで、偏光ビームスプリッタＰＢＳ等の波長による特性のズレを少なくすることが出来る、その為合波手段ＨＭとしてハーフミラーを使用している。
【００６４】
こうして得られた光ＳＬＤの干渉信号Ｏと光ＬＤの干渉信号ＵＶＷから、実施例１と同様に光ＬＤによる干渉信号と同期し原点を定めている。
【００６５】
実施例２は、原点検出時に、光ＳＬＤをＯＮ−ＯＦＦして時系列でサンプリングする為、被測定面Ｍ２の動きがサンプリング周波数より十分遅い必要がある。
【００６６】
一般に被測定面Ｍ２はメカニカルな動きである限り電気的サンプリングにくらべ一般的に遅く、原点検出は容易である。
【００６７】
［実施例３］
本発明の実施例３の構成は、図７と略同じである。
【００６８】
実施例３は、実施例２で半導体レーザＬＤとダイオードＳＬＤを原点検出時に交互の駆動をＯＮ−ＯＦＦする代わりに、半導体レーザＬＤを常時点灯している。そしてダイオードＳＬＤの駆動のＯＮ−ＯＦＦに合わせている。
【００６９】
具体的には、ダイオードＳＬＤがＯＦＦのとき半導体レーザＬＤによる干渉信号ＵＶＷを用いている。
【００７０】
又、ＯＮのとき半導体レーザＬＤによる干渉信号ＵＶＷとダイオードＳＬＤの干渉信号Oが重畳した信号を信号処理ＳＰＣのよってサンプリングし分離している。そして各干渉信号は推定補間し、連続した干渉信号ＵＶＷと干渉信号ＵＶＷに干渉信号Oが重畳した信号を得ている。
【００７１】
図９に測定面Ｍ２と参照面Ｍ１の光分割手段ＰＢＳから等光路近傍での、推定補間された連続した干渉信号ＵＶＷのうちの信号Ｕの波形と干渉信号ＵＶＷに干渉信号Ｏが重畳した干渉信号の信号（Ｕ＋Ｏ）の波形を示す。
【００７２】
こうして得られた光ＳＬＤによる干渉信号Ｏに光ＬＤによる干渉信号Ｕが重畳した信号（Ｕ＋Ｏ）と光ＬＤの干渉信号ＵＶＷから、実施例１と同様に光ＬＤによる干渉信号Ｖと同期し原点を定めている。
【００７３】
実施例３では、半導体レーザLDを常時点灯としたが、逆にダイオードＳＬＤを常時点灯とし半導体レーザＬＤの駆動をＯＮ−ＯＦＦしても良い。
【００７４】
半導体レーザＬＤはレーザ発振を安定化させるため一定温度に維持することが好ましい。
【００７５】
しかしながら、ＯＮ−ＯＦＦすると半導体レーザ素子の熱抵抗のためＯＮ時に半導体レーザ素子の発光部の温度変化が起き、レーザシングルモード発振が不安定なる恐れがある。このため実施例３のように半導体レーザＬＤを常時点灯した方が好ましい。
【００７６】
以上のように実施例３では２つの光源手段の一方のみの駆動をＯＮ−ＯＦＦしている。そして一方の光源手段の消灯に合わせて他方の光源手段からの光束に基づく干渉光を検出している。そして一方の光源手段の点灯に合わせて光ＬＤの干渉光に光ＳＬＤの干渉光を重畳した干渉波形を受光手段で受光している。そしてＯＮ−ＯＦＦした一方の光源手段からの光束に基づく干渉信号波形または他方の光源手段からの光束に基づく干渉信号波形を推定補間している。これにより測定反射面と参照面の光分割手段からの等光路の位置を測定原点としている。
【００７７】
以上説明してきた各実施例では、低可干渉光の光源としてスーパールミネッセントダイオードＳＬＤを用い、パワースペクトルをローレンツ型に近似したが厳密には異なり、その場合ビジビリティ及び干渉信号Ｏの包絡線も違ってくる。
【００７８】
しかしながらパワースペクトルの半値幅が大きいほど原点のピークが隣接するピークより大きく検知しやすくなり、スペクトルの半値幅が小さいと検知が難しくなる。パワースペクトルは低可干渉光の干渉信号が参照面と被測定面が等光路長のときのピーク（振幅のピーク）が検出できることが必要である。
【００７９】
低可干渉光の小型の光源としては指向性が広く光の利用効率が低いが、電流狭窄型の点光源発光ダイオードも有用である。
【００８０】
また被測定対象にコーナーキューブを用いたガスレーザ干渉測長装置にも適応できる。低可干渉光の光源としてキセノンランプ光源とピンホールからなる白色点光源も有用である。
【００８１】
ＤＦＢレーザダイオード以外に、安定した高可干渉光源としては一定温度に制御されたシングルモード面発光型半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ）、Ｈｅ−Ｎｅ等のガスレーザ等が適用できる。
【００８２】
以上のように各実施例によれば、ナノメータオーダーの分解能の原点を、レーザ干渉の出力正弦波に同期して得ることができる。
【００８３】
従ってナノメータオーダーの分解能で絶対位置情報を測定することが容易となる。
【符号の説明】
【００８４】
ＬＤ シングルモードレーザ光源 ＳＬＤ スーパールミネッセントダイオード
ＣＯＬ１、ＣＯＬ２、ＣＯＬ３ コリメータレンズ ＬＮＳ１、ＬＮＳ２ レンズ
ＤＭ１、ＤＭ２ ダイクロイックミラー ＨＭ ハーフミラー
ＰＢＳ 偏光ビームスプリッタ ＮＢＳ 非偏光ビームスプリッタ
ＧＲＮ 屈折率分布型ロッド状レンズ ３ＣＨ−ＰＯＬ、ＰＯＬ２ 偏光素子
ＰＤＡ 受光素子アレイ ＰＤ 受光素子 Ｍ１ 被測定反射面
Ｍ２ 参照反射面 Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３ 集光位置 ｆ 焦点距離
ＧＢＳ 光束分割素子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非接触にて物体の位置変動情報を検出する干渉測定装置及び測定原点決定方法に関し、特に変位情報を検出するときに、原点となる原点位置を付加し、絶対位置変移情報を検出する際に好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
ナノメータレベルの精度、分解能で長さを計測する装置には、レーザ光を用いたマイケルソン干渉装置等のレーザ干渉測定装置が広く使用されている。
【０００３】
レーザ干渉測定装置は被測定対象の変位によって発生する干渉波が正弦波であり、その波数を積算し、さらに正弦波の位相を読み取ることによりナノメータレベルの精度、分解能で変位量を得ることができる。
【０００４】
マイケルソン干渉装置で得られる干渉信号を用いて、被測定面の変位情報（位置情報）を得る装置が種々と提案されている（特許文献１）。
【０００５】
特許文献１の変位検出装置では、光干渉を利用して、磁気ヘッドアームに設けた被測定面の変位情報を検出している。
【０００６】
具体的には磁気ヘッドアームの回転軸と同軸に位置決め用のプローブ指示アームを設けている。
【０００７】
そしてプローブ指示アームには、磁気ヘッドアームの端面位置（被測定面）が適正な位置にあるか否かを検出する光学的位置検出センサユニットが取り付けられている。
【０００８】
この光学的位置検出センサユニットには、干渉信号を利用して、磁気ヘッドアームの側面の位置決めを行う１／４波長板、位相回折格子、受光素子等を含む検出系が設けられている。
【０００９】
この他被測定面の光軸方向の位置情報を検出する為に偏向板、集光レンズ、４分割センサ等を含むフォーカス検出光学系が設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００１−７６３２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
干渉測定装置によるレーザ干渉は出力信号が正弦波で得られる。このため、波数と位相からナノメータオーダーの分解能の計測が可能であるが、変位のみで絶対位置は計測できない。測定物の絶対変位情報を得る方法として別に基準点（原点）を設けそこからの相対位置を得る必要がある。
【００１２】
この場合、正確な絶対位置を得るにはレーザ干渉の出力正弦波の波長（上記例では0.2μm）以下の精度の基準点（原点）が必要となってくる。
【００１３】
特許文献１の、変位検出装置におけるフォーカス検出光学系では、被測定面の原点を４分割センサの各センサに入射する光量比を検出して求めており、干渉信号を利用していない。
【００１４】
この為、被測定面の位置情報を波長オーダーの精度で検出するのが難しい。
【００１５】
本発明は、測定後の原点を高精度に設定することができ、被測定物の変位情報（絶対変位情報）を高精度に測定することができる干渉測定装置及び測定原点決定方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の干渉測定装置は、可干渉性の第１の光束を放射する第１の光源手段と、
第１の光源手段よりも可干渉性の低い第２の光束を放射する第２の光源手段と、
前記第１の光束と前記第２の光束を合波する第１の合波手段と、
前記第１の光束と前記第２の光束が合波された光束を、それぞれ前記第１の光束と前記第２の光束の少なくとも一部を含む２つの光束に分割し、前記分割された一方の光束を被測定物の測定面に入射させ、他方の光束を参照面に入射させ、前記測定面からの反射光束と前記参照面からの反射光束を合波する光学系と、
前記光学系を介して前記測定面からの反射光束と前記参照面からの反射光束とに含まれている前記分割された２つの第１の光束により形成される光束と、前記測定面からの反射光束と前記参照面からの反射光束とに含まれている前記分割された２つの第２の光束により形成される光束を受光する受光手段と、
前記受光手段の出力に基づいて測定原点を決定する決定手段と、を有し、
前記決定手段は、前記受光手段で受光した前記第１の光束に基づく第１の信号と前記受光手段で受光した前記第２の光束に基づく第２の信号とを用いて前記測定原点を決定することを特徴としている。
【００１７】
本発明の測定原点決定方法は、第１の光源からの可干渉性の第１の光束と、第２の光源からの第１の光束よりも可干渉性の低い第２の光束を合波する合波ステップと、
前記第１の光束と前記第２の光束が合波された光束を、それぞれ前記第１の光束と前記第２の光束の少なくとも一部を含む２つの光束に分割し、前記分割された一方の光束を被測定物の測定面に入射させ、他方の光束を参照面に入射させ、前記測定面からの反射光束と前記参照面からの反射光束を合波する分割合波ステップと、
前記測定面からの反射光束と前記参照面からの反射光束とに含まれている前記分割された２つの第１の光束により形成される光束と、前記測定面からの反射光束と前記参照面からの反射光束とに含まれている前記分割された２つの第２の光束により形成される光束を受光手段により受光する受光ステップと、
前記受光手段で受光した前記第１の光束に基づく第１の信号と前記受光手段で受光した前記第２の光束に基づく第２の信号とを用いて前記測定原点を決定ステップと、を有することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、測定後の原点を高精度に設定することができ、被測定物の変位情報（絶対変位情報）を高精度に測定することができる干渉測定装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】実施例１の光学配置の概略図
【図２】実施例１の光ＬＤ及び光ＳＬＤのパワースペクトルの説明図
【図３】実施例１の光ＳＬＤのビジビリティの説明図
【図４】実施例１のＵＶＷ干渉信号出力の波形図
【図５】実施例１の干渉信号ＵＶＷ出力から計算したＡ相、Ｂ相の波形図
【図６】実施例１のＵ干渉信号出力及びＯ干渉信号出力の波形図
【図７】実施例２の光学配置の概略図
【図８】実施例２の光ＬＤ及び光ＳＬＤのパワースペクトルの説明図
【図９】実施例３のＵ干渉信号出力及び（Ｕ＋Ｏ）干渉信号出力の波形図
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明の干渉測定装置は、可干渉性の第１の光束を放射する第１の光源手段と、第１の光源手段よりも可干渉性の低い第２の光束を放射する第２の光源手段と、前記第１の光束と前記第２の光束を合波する第１の合波手段とを有する。前記第１の光束と前記第２の光束が合波された光束を、それぞれ前記第１の光束と前記第２の光束の少なくとも一部を含む２つの光束に分割する。
【００２１】
前記分割された一方の光束を被測定物の測定面に入射させ、他方の光束を参照面に入射させ、前記測定面からの反射光束と前記参照面からの反射光束を合波する光学系とを有する。前記光学系を介して前記測定面からの反射光束と前記参照面からの反射光束とに含まれている前記分割された２つの第１の光束により形成される光束を受光する受光手段を有する。更に受光手段は前記測定面からの反射光束と前記参照面からの反射光束とに含まれている前記分割された２つの第２の光束により形成される光束を受光する。
【００２２】
前記受光手段の出力に基づいて測定原点を決定する決定手段と、を有する。前記決定手段は、前記受光手段で受光した前記第１の光束に基づく第１の信号と前記受光手段で受光した前記第２の光束に基づく第２の信号とを用いて前記測定原点を決定する。
【００２３】
このとき、前記光学系は、前記第１の光束と前記第２の光束が合波された光束を、それぞれ前記第１の光束と前記第２の光束の少なくとも一部を含む２つの光束に分割する分割面を含む。前記第２の信号は前記分割面から前記測定面の光路と、前記分割面から前記参照面までの光路の光路長が等しい或いはほぼ等しい場合に出力される信号である。
【００２４】
このとき、前記決定手段は、前記第２の信号のピークを検出する検出手段を含み、前記検出手段の出力と周期信号である前記第１の信号との関係が所定の関係である場合に前記測定原点を決定する。
【００２５】
また本発明の測定原点決定方法は、第１の光源からの可干渉性の第１の光束と、第２の光源からの第１の光束よりも可干渉性の低い第２の光束を合波する合波ステップを有する。前記第１の光束と前記第２の光束が合波された光束を、それぞれ前記第１の光束と前記第２の光束の少なくとも一部を含む２つの光束に分割する。そして、前記分割された一方の光束を被測定物の測定面に入射させ、他方の光束を参照面に入射させ、前記測定面からの反射光束と前記参照面からの反射光束を合波する分割合波ステップを有する。
【００２６】
前記測定面からの反射光束と前記参照面からの反射光束とに含まれている前記分割された２つの第１の光束により形成される光束を受光する受光ステップを有する。更に受光ステップは、前記測定面からの反射光束と前記参照面からの反射光束とに含まれている前記分割された２つの第２の光束により形成される光束を受光手段により受光する。前記受光手段で受光した前記第１の光束に基づく第１の信号と前記受光手段で受光した前記第２の光束に基づく第２の信号とを用いて前記測定原点を決定ステップと、を有する。
【００２７】
本発明の実施例は、シングルモード半導体レーザ等の高可干渉性のレーザ光の光学系と同一光学系上に、スペクトル半値幅が３０ｎｍ程度の低可干渉性の光を合波している。そしてこの低可干渉性の光の干渉出力のピーク（振幅のピーク）と高可干渉性のレーザ光の干渉出力から原点（測定原点）を決定している。
【００２８】
すなわち、低可干渉性の光のスペクトル幅が大きいと、低可干渉性の光の干渉出力の波形は、被測定面が参照面と基準点から等光路近辺で高可干渉性のレーザ光の干渉出力の波形と略同じ波形となる。
【００２９】
又、参照面と被測定面との距離が等しいとき最大になる。これにより高可干渉性のレーザ光の干渉出力と同期した原点を決定している。
【００３０】
［実施例１］
図１（Ａ）、（Ｂ）は、本発明の実施例１の要部側面図と要部正面図である。
【００３１】
実施例１は、小型の干渉測定装置に原点検出手段を適用したものである。
【００３２】
シングルモード半導体レーザＬＤ（以下「半導体レーザＬＤ」という）（第１の光源手段）に発振レーザ波長が安定な波長０．７８μmのＤＦＢ(Distributed Feedback) レーザを使用している。
【００３３】
この半導体レーザＬＤから放射された直線偏光発散光、光ＬＤ（第１の光束）をコリメーターレンズＣＯＬ１で平行光としている。
【００３４】
一方光ＬＤと中心波長が異なり低可干渉であるスペクトル半値幅ΔΛが約３０ｎｍで中心波長が約０．８４μmのスーパールミネッセントダイオードＳＬＤ（以下「ダイオードＳＬＤ」という）（第２の光源手段）を用いている。
【００３５】
ダイオードＳＬＤからの光ＳＬＤ（第２の光束）をコリメーターレンズＣＯＬ２により平行光としている。コリメーターレンズＣＯＬ１からの光ＬＤとＣＯＬ２からの光ＳＬＤをダイクロイックミラー（合波手段）ＤＭ１で同一光軸上（双方の光束の主光線が一致）に合波する。そして、レンズＬＮＳ１によりハーフミラーＮＢＳを介してレンズＬＮＳ２の焦点面の位置Ｐ１を集光照明している。
【００３６】
位置Ｐ１からの光束をレンズＬＮＳ２より、光軸がわずかに斜めの平行光束を射出させている。そして偏光ビームスプリッタ（光分割手段）ＰＢＳ１にて偏光成分にて２光束に分離する。偏光ビームスプリッタＰＢＳ１からの反射光（Ｓ偏光）を参照ミラー（参照面）Ｍ１に入射させ、偏光ビームスプリッタＰＢＳ１からの透過光（Ｐ偏光）を被測定対象面としての測定ミラー（測定面）Ｍ２に入射させている。
【００３７】
そしてそれぞれの反射光を、該偏光ビームスプリッタＰＢＳ１を介して合成し、レンズＬＮＳ２の焦点面の位置Ｐ２を集光照明し、その近傍に設けられた反射膜ＭＯにより、元の光路に戻している。
【００３８】
位置Ｐ２からの反射光は、レンズＬＮＳ２より平行光束として射出させ、偏光ビームスプリッタＰＢＳ１にて２光束に分離し、反射光（Ｓ偏光）で参照ミラーＭ１を照明している。このとき第１の光束ＬＤと第２の光束ＳＬＤの光分割手段ＰＢＳ１により分割されて参照面Ｍ１に入射して、参照面Ｍ１で反射される光束の光路は共通である。
【００３９】
又、透過光（Ｐ偏光）で被測定ミラー（被測定面）Ｍ２を照明している。
【００４０】
それぞれの反射光を、該偏光ビームスプリッタＰＢＳ１を介して、合波してレンズＬＮＳ２の焦点面の位置Ｐ１を集光照明し、そこから光源側に光束を取り出す。（Ｓ偏光は、参照面Ｍ１とビームスプリッタＰＢＳ１の間を２往復し、Ｐ偏光は、被測定面Ｍ２とビームスプリッタＰＢＳ１の間を２往復する）。これらの光束は、非偏光ビームスプリッタ（ハーフミラー）ＮＢＳにより、受光系側に取り出し、１／４波長板ＱＷＰを透過させて、位相差の変化に応じて偏光方位回転する直線偏光に変換する。
【００４１】
その後、光ＬＤと光ＳＬＤを分離するため、集光レンズＣＯＮ、アパーチャーＡＰを介してダイクロイックミラーＤＭ１と同じ構成のダイクロイックミラーＤＭ２により光ＬＤを透過、光ＳＬＤを反射し分離する。
【００４２】
光ＬＤは受光系ＬＤ（第１の受光手段）で検出している。即ちビーム分割素子ＧＢＳにて３光束に分割し、それぞれの光束を互いに６０°ずつ偏光軸をずらして配置した偏光素子アレイ３ＣＨ−ＰＯＬを介して３分割受光素子ＰＤＡの各受光部に入射させている。これにより被測定対象面（ミラー）Ｍ２の面外変位に基づく３つの互いに位相が１２０度づつずれた干渉信号ＵＶＷを検出する。この干渉信号ＵＶＷから、演算手段ＳＰＣで位相が９０°ずれたＡ相、Ｂ相をＡ＝２／３×｛Ｕ−（Ｖ＋Ｗ）／２｝、Ｂ＝１／√３×（Ｖ−Ｗ）の計算よって得ている。
【００４３】
一方ダイクロイックミラーＤＭ２で反射した光ＳＬＤは受光系ＳＬＤ（第２の受光手段）で検出している。即ち偏光素子ＰＯＬ２を介して受光素子ＰＤ２に入射し、被測定面が参照面と等光路付近の ときに干渉信号Ｏを出力する。
【００４４】
ここでＵ出力に対応する偏光素子アレイ３ＣＨ−ＰＯＬの偏光素子３ＣＨ−ＰＯＬ−１と光ＳＬＤに対する偏光素子ＰＯＬ２の偏向方向を被測定面と参照面の光路差がゼロのときでピークになる方向に配置している。これによりＵ波形およびＡ相は被測定面Ｍ２と参照面Ｍ１の光路差ゼロを原点とするコサイン波形になる。
【００４５】
またＯ出力も被測定面Ｍ２が被測定面Ｍ２と参照面Ｍ１の光路差ゼロを原点とし、原点から遠ざかると減衰するコサイン波形状に出力することが出来る。
【００４６】
尚、被測定面Ｍ２及び参照面Ｍ１から受光素子ＰＤ２、ＰＤＡ至る光路中の部材は干渉部の一要素を形成している。
【００４７】
図２は半導体レーザＬＤからの光ＬＤとダイオードＳＬＤからの光ＳＬＤのパワースペクトルを示している。
【００４８】
半導体レーザＬＤからの光ＬＤのパワースペクトルは０．７８μｍの輝線である。ダイオードＳＬＤからの光ＳＬＤのパワースペクトルは中心波長０．８４μmで半値幅が３０ｎｍのローレンツ型のパワースペクトルに近似したものである。光ＳＬＤの中心波長（０．８４μｍ）からの波長ずれΔλに対するパワースペクトルＳ（Δλ）は次式よる。
【００４９】
Ｓ（Δλ）＝（ΔΛ／２)２２／｛Δλ２＋(ΔΛ/２)２} ・・・（１式）
：ΔΛは半値幅を示し、ここでは３０ｎｍである。
【００５０】
図２から図１に示すダイクロイックミラーＤＭ１、ＤＭ２は波長０．８μｍ近傍に透過、反射特性の境界を持ち、ダイクロイックミラーＤＭ１で光束を合波、ダイクロイックミラーＤＭ２で光束を分波することが出来る。
【００５１】
さて、半導体レーザＬＤによる干渉信号ＵＶＷは十分長い可干渉を持つ。これに対し、ダイオードＳＬＤによる干渉信号Ｏの可干渉性、ビジビリティＶ（ΔＶｌ）は１式の逆フーリエ変換から次式で近似できる。
【００５２】
Ｖ（ΔＶｌ）＝ＥＸＰ｛−πΔΛ/λ２｝ΔＶｌ ・・・（２式）
：λは光ＳＬＤの中心波長、ここでは０．８４μm
：ΔＶｌは光路長差
図３は、このときの光路長差Δ１に対するビジビリティＶとの関係を示す図である。
【００５３】
一方、受光素子ＰＤＡで得られる半導体レーザＬＤによる干渉信号ＵＶＷを図４に示す。又干渉信号ＵＶＷから作られた９０°位相のずれた干渉信号Ａ，Ｂ相を図５にしめす。又、受光素子ＰＤ２で得られる等光路近傍のダイオードＳＬＤによる干渉信号Ｏと半導体レーザLDによる干渉信号Ｕを図６に示す。横軸は被測定面と参照面ＳＬＤの光路差を示し、光は二往復するので被測定面の変位は１/４である。図からダイオードＳＬＤによる干渉信号Ｏが、等光路のところ（光路差Ｏ）で半導体レーザＬＤによる干渉信号Ｕとほぼ同じコサインカーブで、そのピークは隣接するピークより大きく判別可能である。
【００５４】
従ってダイオードＳＬＤによる干渉信号Ｏのピーク（強度）を検出することにより、半導体レーザＬＤによる干渉信号Ｕと同期した原点を高精度に定めている。
【００５５】
尚、干渉信号Ｏのピーク値でなくても、予め設定した値と干渉信号Ｂとの関係より原点を定めても良い。
【００５６】
半導体レーザＬＤによる干渉信号ＵＶＷから作られた９０°位相のずれた干渉信号A,B相は、２往復光路による干渉測長を原理としている。このため半導体レーザＬＤによる干渉信号Ｕ源の波長の１／４を周期とする正弦波状信号である。
【００５７】
波長０．７８μmの半導体レーザＬＤを 使用した場合には、周期が０．１９５μｍの正弦波信号が得られる。波数を計数し更にtan-1(B/A)により位相を計算して、ナノメータオーダーの分解能の相対位置ずれを検出できる。
【００５８】
また上記波数計数を、ダイオードＳＬＤによる干渉信号Ｏのピークでリセットすることで、原点もナノメータオーダーの分解能の絶対値測定が可能となる。
【００５９】
以上のように、実施例１では、干渉部において光ＬＤ同士により形成される干渉信号と光ＳＬＤ同士により形成される干渉信号を受光手段で検出している。
【００６０】
そして受光手段で得られる干渉信号から、測定反射面Ｍと参照面Ｍ１の光分割手段ＰＢＳ１からの等光路の位置を、変位情報の測定原点として測定し、絶対変位情報を求めている。
【００６１】
具体的には、受光手段ＰＤ２で設けられる干渉信号の強度情報から、測定反射面Ｍ２と参照面Ｍ１の光分割手段ＰＢＳ１の等光路の位置を受光手段ＰＤＡで得られる干渉信号の周期より設定している。そして変位情報の測定原点として、絶対変位情報を求めている。
【００６２】
［実施例２］
図７は本発明の実施例２の要部概略図である。実施例２は実施例１に比べて次の点が異なっている。
（イ）半導体レーザＬＤとダイオードＳＬＤの駆動を原点検出時に交互にＯＮ−ＯＦＦする。
（ロ）ＳＬＤ受光系は半導体レーザＬＤによる干渉信号の受光系ＬＤのうち、偏光素子アレイ３ＣＨ−ＰＯＬと３分割の受光素子ＰＤＡを兼ねている。そして光ＳＬＤの干渉信号Ｏは３分割受光素子ＰＤＡ（ＰＤＡ１〜ＰＤＡ３）の干渉信号Ｕに対応するＰＤＡ−１からの信号を使用する。
【００６３】
各々の点灯に合わせて光ＬＤによる干渉信号ＵＶＷと光ＳＬＤによる干渉信号Ｏを信号処理ＳＰＣによってサンプリングし分離し、各干渉信号がＯＦＦの間は補間推定し連続した光ＬＤによる干渉信号ＵＶＷと光ＳＬＤの干渉信号Ｏを得る。
（ハ）波長による分離がいらない。図８に示す光ＬＤと光ＳＬＤのパワースペクトルのように、光ＬＤと光ＳＬＤの波長差を小さくすることで、偏光ビームスプリッタＰＢＳ等の波長による特性のズレを少なくすることが出来る、その為合波手段ＨＭとしてハーフミラーを使用している。
【００６４】
こうして得られた光ＳＬＤの干渉信号Ｏと光ＬＤの干渉信号ＵＶＷから、実施例１と同様に光ＬＤによる干渉信号と同期し原点を定めている。
【００６５】
実施例２は、原点検出時に、光ＳＬＤをＯＮ−ＯＦＦして時系列でサンプリングする為、被測定面Ｍ２の動きがサンプリング周波数より十分遅い必要がある。
【００６６】
一般に被測定面Ｍ２はメカニカルな動きである限り電気的サンプリングにくらべ一般的に遅く、原点検出は容易である。
【００６７】
［実施例３］
本発明の実施例３の構成は、図７と略同じである。
【００６８】
実施例３は、実施例２で半導体レーザＬＤとダイオードＳＬＤを原点検出時に交互の駆動をＯＮ−ＯＦＦする代わりに、半導体レーザＬＤを常時点灯している。そしてダイオードＳＬＤの駆動のＯＮ−ＯＦＦに合わせている。
【００６９】
具体的には、ダイオードＳＬＤがＯＦＦのとき半導体レーザＬＤによる干渉信号ＵＶＷを用いている。
【００７０】
又、ＯＮのとき半導体レーザＬＤによる干渉信号ＵＶＷとダイオードＳＬＤの干渉信号Oが重畳した信号を信号処理ＳＰＣのよってサンプリングし分離している。そして各干渉信号は推定補間し、連続した干渉信号ＵＶＷと干渉信号ＵＶＷに干渉信号Oが重畳した信号を得ている。
【００７１】
図９に測定面Ｍ２と参照面Ｍ１の光分割手段ＰＢＳから等光路近傍での、推定補間された連続した干渉信号ＵＶＷのうちの信号Ｕの波形と干渉信号ＵＶＷに干渉信号Ｏが重畳した干渉信号の信号（Ｕ＋Ｏ）の波形を示す。
【００７２】
こうして得られた光ＳＬＤによる干渉信号Ｏに光ＬＤによる干渉信号Ｕが重畳した信号（Ｕ＋Ｏ）と光ＬＤの干渉信号ＵＶＷから、実施例１と同様に光ＬＤによる干渉信号Ｖと同期し原点を定めている。
【００７３】
実施例３では、半導体レーザLDを常時点灯としたが、逆にダイオードＳＬＤを常時点灯とし半導体レーザＬＤの駆動をＯＮ−ＯＦＦしても良い。
【００７４】
半導体レーザＬＤはレーザ発振を安定化させるため一定温度に維持することが好ましい。
【００７５】
しかしながら、ＯＮ−ＯＦＦすると半導体レーザ素子の熱抵抗のためＯＮ時に半導体レーザ素子の発光部の温度変化が起き、レーザシングルモード発振が不安定なる恐れがある。このため実施例３のように半導体レーザＬＤを常時点灯した方が好ましい。
【００７６】
以上のように実施例３では２つの光源手段の一方のみの駆動をＯＮ−ＯＦＦしている。そして一方の光源手段の消灯に合わせて他方の光源手段からの光束に基づく干渉光を検出している。そして一方の光源手段の点灯に合わせて光ＬＤの干渉光に光ＳＬＤの干渉光を重畳した干渉波形を受光手段で受光している。そしてＯＮ−ＯＦＦした一方の光源手段からの光束に基づく干渉信号波形または他方の光源手段からの光束に基づく干渉信号波形を推定補間している。これにより測定反射面と参照面の光分割手段からの等光路の位置を測定原点としている。
【００７７】
以上説明してきた各実施例では、低可干渉光の光源としてスーパールミネッセントダイオードＳＬＤを用い、パワースペクトルをローレンツ型に近似したが厳密には異なり、その場合ビジビリティ及び干渉信号Ｏの包絡線も違ってくる。
【００７８】
しかしながらパワースペクトルの半値幅が大きいほど原点のピークが隣接するピークより大きく検知しやすくなり、スペクトルの半値幅が小さいと検知が難しくなる。パワースペクトルは低可干渉光の干渉信号が参照面と被測定面が等光路長のときのピーク（振幅のピーク）が検出できることが必要である。
【００７９】
低可干渉光の小型の光源としては指向性が広く光の利用効率が低いが、電流狭窄型の点光源発光ダイオードも有用である。
【００８０】
また被測定対象にコーナーキューブを用いたガスレーザ干渉測長装置にも適応できる。低可干渉光の光源としてキセノンランプ光源とピンホールからなる白色点光源も有用である。
【００８１】
ＤＦＢレーザダイオード以外に、安定した高可干渉光源としては一定温度に制御されたシングルモード面発光型半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ）、Ｈｅ−Ｎｅ等のガスレーザ等が適用できる。
【００８２】
以上のように各実施例によれば、ナノメータオーダーの分解能の原点を、レーザ干渉の出力正弦波に同期して得ることができる。
【００８３】
従ってナノメータオーダーの分解能で絶対位置情報を測定することが容易となる。
【符号の説明】
【００８４】
ＬＤ シングルモードレーザ光源 ＳＬＤ スーパールミネッセントダイオード
ＣＯＬ１、ＣＯＬ２、ＣＯＬ３ コリメータレンズ ＬＮＳ１、ＬＮＳ２ レンズ
ＤＭ１、ＤＭ２ ダイクロイックミラー ＨＭ ハーフミラー
ＰＢＳ 偏光ビームスプリッタ ＮＢＳ 非偏光ビームスプリッタ
ＧＲＮ 屈折率分布型ロッド状レンズ ３ＣＨ−ＰＯＬ、ＰＯＬ２ 偏光素子
ＰＤＡ 受光素子アレイ ＰＤ 受光素子 Ｍ１ 被測定反射面
Ｍ２ 参照反射面 Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３ 集光位置 ｆ 焦点距離
ＧＢＳ 光束分割素子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可干渉性の第１の光束を放射する第１の光源手段と、
第１の光源手段よりも可干渉性の低い第２の光束を放射する第２の光源手段と、
前記第１の光束と前記第２の光束を合波する第１の合波手段と、
前記第１の光束と前記第２の光束が合波された光束を、それぞれ前記第１の光束と前記第２の光束の少なくとも一部を含む２つの光束に分割し、前記分割された一方の光束を被測定物の測定面に入射させ、他方の光束を参照面に入射させ、前記測定面からの反射光束と前記参照面からの反射光束を合波する光学系と、
前記光学系を介して前記測定面からの反射光束と前記参照面からの反射光束とに含まれている前記分割された２つの第１の光束により形成される光束と、前記測定面からの反射光束と前記参照面からの反射光束とに含まれている前記分割された２つの第２の光束により形成される光束を受光する受光手段と、
前記受光手段の出力に基づいて測定原点を決定する決定手段と、を有し、
前記決定手段は、前記受光手段で受光した前記第１の光束に基づく第１の信号と前記受光手段で受光した前記第２の光束に基づく第２の信号とを用いて前記測定原点を決定することを特徴とする干渉測定装置。
【請求項２】
前記決定手段は、前記第２の信号の強度に関する情報を用いることを特徴とする請求項１に記載の干渉測定装置。
【請求項３】
前記決定手段は、前記第２の信号のピークを検出する検出手段を含み、前記検出手段の出力と周期信号である前記第１の信号との関係が所定の関係である場合に前記測定原点を決定することを特徴とする干渉測定装置。
【請求項４】
前記光学系は、前記第１の光束と前記第２の光束が合波された光束を、それぞれ前記第１の光束と前記第２の光束の少なくとも一部を含む２つの光束に分割する分割面を含み、
前記第２の信号は前記分割面から前記測定面の光路と、前記分割面から前記参照面までの光路の光路長が等しい或いはほぼ等しい場合に出力される信号であることを特徴とする請求項１または２に記載の干渉測定装置。
【請求項５】
第１の光源からの可干渉性の第１の光束と、第２の光源からの第１の光束よりも可干渉性の低い第２の光束を合波する合波ステップと、
前記第１の光束と前記第２の光束が合波された光束を、それぞれ前記第１の光束と前記第２の光束の少なくとも一部を含む２つの光束に分割し、前記分割された一方の光束を被測定物の測定面に入射させ、他方の光束を参照面に入射させ、前記測定面からの反射光束と前記参照面からの反射光束を合波する分割合波ステップと、
前記測定面からの反射光束と前記参照面からの反射光束とに含まれている前記分割された２つの第１の光束により形成される光束と、前記測定面からの反射光束と前記参照面からの反射光束とに含まれている前記分割された２つの第２の光束により形成される光束を受光手段により受光する受光ステップと、
前記受光手段で受光した前記第１の光束に基づく第１の信号と前記受光手段で受光した前記第２の光束に基づく第２の信号とを用いて前記測定原点を決定ステップと、を有することを特徴とする測定原点決定方法。
【請求項１】
可干渉性の第１の光束を放射する第１の光源手段と、
第１の光源手段よりも可干渉性の低い第２の光束を放射する第２の光源手段と、
前記第１の光束と前記第２の光束を合波する第１の合波手段と、
前記第１の光束と前記第２の光束が合波された光束を、それぞれ前記第１の光束と前記第２の光束の少なくとも一部を含む２つの光束に分割し、前記分割された一方の光束を被測定物の測定面に入射させ、他方の光束を参照面に入射させ、前記測定面からの反射光束と前記参照面からの反射光束を合波する光学系と、
前記光学系を介して前記測定面からの反射光束と前記参照面からの反射光束とに含まれている前記分割された２つの第１の光束により形成される光束と、前記測定面からの反射光束と前記参照面からの反射光束とに含まれている前記分割された２つの第２の光束により形成される光束を受光する受光手段と、
前記受光手段の出力に基づいて測定原点を決定する決定手段と、を有し、
前記決定手段は、前記受光手段で受光した前記第１の光束に基づく第１の信号と前記受光手段で受光した前記第２の光束に基づく第２の信号とを用いて前記測定原点を決定することを特徴とする干渉測定装置。
【請求項２】
前記決定手段は、前記第２の信号の強度に関する情報を用いることを特徴とする請求項１に記載の干渉測定装置。
【請求項３】
前記決定手段は、前記第２の信号のピークを検出する検出手段を含み、前記検出手段の出力と周期信号である前記第１の信号との関係が所定の関係である場合に前記測定原点を決定することを特徴とする干渉測定装置。
【請求項４】
前記光学系は、前記第１の光束と前記第２の光束が合波された光束を、それぞれ前記第１の光束と前記第２の光束の少なくとも一部を含む２つの光束に分割する分割面を含み、
前記第２の信号は前記分割面から前記測定面の光路と、前記分割面から前記参照面までの光路の光路長が等しい或いはほぼ等しい場合に出力される信号であることを特徴とする請求項１または２に記載の干渉測定装置。
【請求項５】
第１の光源からの可干渉性の第１の光束と、第２の光源からの第１の光束よりも可干渉性の低い第２の光束を合波する合波ステップと、
前記第１の光束と前記第２の光束が合波された光束を、それぞれ前記第１の光束と前記第２の光束の少なくとも一部を含む２つの光束に分割し、前記分割された一方の光束を被測定物の測定面に入射させ、他方の光束を参照面に入射させ、前記測定面からの反射光束と前記参照面からの反射光束を合波する分割合波ステップと、
前記測定面からの反射光束と前記参照面からの反射光束とに含まれている前記分割された２つの第１の光束により形成される光束と、前記測定面からの反射光束と前記参照面からの反射光束とに含まれている前記分割された２つの第２の光束により形成される光束を受光手段により受光する受光ステップと、
前記受光手段で受光した前記第１の光束に基づく第１の信号と前記受光手段で受光した前記第２の光束に基づく第２の信号とを用いて前記測定原点を決定ステップと、を有することを特徴とする測定原点決定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−２２０１２（Ｐ２０１２−２２０１２Ａ）
【公開日】平成２４年２月２日（２０１２．２．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２４１５６１（Ｐ２０１１−２４１５６１）
【出願日】平成２３年１１月２日（２０１１．１１．２）
【分割の表示】特願２００５−２１８９８０（Ｐ２００５−２１８９８０）の分割
【原出願日】平成１７年７月２８日（２００５．７．２８）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年２月２日（２０１２．２．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月２日（２０１１．１１．２）
【分割の表示】特願２００５−２１８９８０（Ｐ２００５−２１８９８０）の分割
【原出願日】平成１７年７月２８日（２００５．７．２８）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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