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WO2023062891A1 - 光ヘテロダイン干渉測定装置および光ヘテロダイン干渉測定方法 - Google Patents

光ヘテロダイン干渉測定装置および光ヘテロダイン干渉測定方法 Download PDF

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WO2023062891A1
WO2023062891A1 PCT/JP2022/026606 JP2022026606W WO2023062891A1 WO 2023062891 A1 WO2023062891 A1 WO 2023062891A1 JP 2022026606 W JP2022026606 W JP 2022026606W WO 2023062891 A1 WO2023062891 A1 WO 2023062891A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
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light beam
frequency
heterodyne
light
optical
Prior art date
Application number
PCT/JP2022/026606
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
尚明 加藤
優 瀧口
博 田中
Original Assignee
浜松ホトニクス株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 浜松ホトニクス株式会社 filed Critical 浜松ホトニクス株式会社
Priority to US18/687,468 priority Critical patent/US20240361120A1/en
Priority to DE112022004963.4T priority patent/DE112022004963T5/de
Priority to CN202280069193.9A priority patent/CN118215835A/zh
Publication of WO2023062891A1 publication Critical patent/WO2023062891A1/ja

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J9/00—Measuring optical phase difference; Determining degree of coherence; Measuring optical wavelength
    • G01J9/02—Measuring optical phase difference; Determining degree of coherence; Measuring optical wavelength by interferometric methods

Definitions

  • the present disclosure relates to a measurement apparatus and measurement method using optical heterodyne interference.
  • the detection band of a photodetector that detects light intensity is much lower than the frequency of light to be detected. For this reason, photodetectors can only measure temporally averaged light intensity and cannot directly measure the phase of light.
  • the first light beam or the second light beam is provided with information about the object to be measured as phase information, and the intensity of light resulting from multiplexing and interference of the first light beam and the second light beam is detected by a photodetector.
  • the value of the detection signal output from the photodetector corresponds to the phase information, from which information about the object to be measured can be obtained.
  • it is necessary that the intensity of each of the first light beam and the second light beam is known.
  • Noise includes, for example, intensity fluctuations in light output from a light source due to temperature fluctuations, intensity fluctuations at a frequency (50 Hz or 60 Hz) due to a commercial power source that supplies power to a light source, and noise from a photodetector.
  • Optical heterodyne interferometry reduces the influence of noise even when the intensity of the first light beam or the second light beam contains noise, and detects light. It is said that the phase information can be obtained based on the detection signal output from the detector.
  • the optical frequency ⁇ 1 of the first optical beam and the optical frequency ⁇ 2 of the second optical beam are slightly different from each other.
  • the detection signal I(t) output from the photodetector is a sine wave with a heterodyne frequency ⁇ h . It has a wavy time-varying component.
  • the detection signal I(t) output from the photodetector is expressed by the following equation (3). expressed.
  • 1/T corresponds to the bandwidth of the photodetector.
  • the third term on the right side of the above equation (3) varies sinusoidally with time at the heterodyne frequency ⁇ h . Even if the electric field amplitude e1 of the first light beam or the electric field amplitude e2 of the second light beam is unknown, the component (right side 3) can be obtained.
  • the phase information can be obtained by reducing the influence of
  • the present inventors have found that even when the heterodyne frequency is set to a frequency with low noise intensity in the noise frequency spectrum, the effect of noise is reduced. It was found that the effect of is not sufficient. Conversely, the inventors have found that even if the heterodyne frequency is set to a frequency where the noise intensity is large in the noise frequency spectrum, the effect of reducing the influence of noise is sufficient when certain conditions are met. I found that
  • An object of the embodiments is to provide an optical heterodyne interference measurement device and an optical heterodyne interference measurement method that can reduce the influence of noise.
  • An embodiment of the first aspect is an optical heterodyne interferometer.
  • the optical heterodyne interferometry apparatus includes (1) a beam generator that generates and outputs a first light beam and a second light beam that have optical frequencies different from each other by the heterodyne frequency and whose polarizations are orthogonal to each other, and (2) the first light beam. and after both or one of the second light beams is reflected or transmitted by the object to be measured, a first detection signal is generated by detecting a temporal change in intensity due to heterodyne interference between the first light beam and the second light beam.
  • ⁇ a setting unit for setting a heterodyne frequency, which is the difference in optical frequency between the first light beam and the second light beam output from the beam generation unit when p is a rational number multiple of the peak frequency ⁇ p ;
  • a computing unit that acquires information about the object to be measured based on the phase of the component of the first detection signal that changes sinusoidally with time at the heterodyne frequency.
  • An embodiment of the second aspect is an optical heterodyne interferometer.
  • An optical heterodyne interferometer (1) generates and outputs a first light beam and a second light beam having optical frequencies different from each other by the heterodyne frequency and having polarizations orthogonal to each other based on light reflected or transmitted by an object to be measured.
  • the second light beam output from the beam generation unit is (4) a setting unit for setting the heterodyne frequency, which is the difference in optical frequency between the first light beam and the second light beam, to a value that is a rational multiple of the peak frequency ⁇ p ; and a computing unit that acquires information about the measurement object based on the phase of the component that changes with time in a wave shape.
  • An embodiment of the first aspect is an optical heterodyne interferometry method.
  • the optical heterodyne interference measurement method includes (1) a beam generation step of generating and outputting a first light beam and a second light beam having optical frequencies different from each other by the heterodyne frequency and having mutually orthogonal polarizations, and (2) the first light beam After both or one of the second light beam and the second light beam are reflected or transmitted by the object to be measured, the first photodetector detects a temporal change in intensity due to heterodyne interference between the first light beam and the second light beam.
  • the heterodyne frequency which is the difference in optical frequency between the first light beam and the second light beam output in the beam generation step, is set to a value that is a rational multiple of the peak frequency ⁇ p .
  • An embodiment of the second aspect is an optical heterodyne interferometry method.
  • the optical heterodyne interference measurement method includes (1) generating and outputting a first light beam and a second light beam having optical frequencies different from each other by the heterodyne frequency and having polarizations orthogonal to each other based on light reflected or transmitted by an object to be measured; and (2) a first photodetection step of detecting a temporal change in intensity due to heterodyne interference between the first light beam and the second light beam with a first photodetector and outputting a first detection signal. and (3) beam generation, where ⁇ p is any peak frequency constant in time in the frequency spectrum of the intensity noise included in the first light beam or the second light beam output in the beam generation step.
  • the heterodyne frequency which is the optical frequency difference between the first light beam and the second light beam output in the step, to a rational multiple of the peak frequency ⁇ p ; and a computing step of acquiring information about the measurement object based on the phase of the component that changes sinusoidally with time at the heterodyne frequency.
  • optical heterodyne interference measurement device and the optical heterodyne interference measurement method of the embodiments it is possible to reduce the influence of noise in measurements using the optical heterodyne interferometry.
  • FIG. 1 is a diagram showing the configuration of an optical heterodyne interference measurement apparatus 1.
  • FIG. 2 is a diagram showing the configuration of the optical heterodyne interference measurement device 2.
  • FIG. 3 is a diagram showing the configuration of the optical heterodyne interference measurement device 3.
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of a frequency spectrum of intensity noise included in laser light output from a He--Ne laser light source.
  • FIG. 5 shows temporal changes in the intensity of each of the reference signal and the measurement signal obtained by heterodyne interference in the ideal case where the output light from the laser light source does not contain noise, and the noise output light from the laser light source.
  • FIG. 5 shows temporal changes in the intensity of each of the reference signal and the measurement signal obtained by heterodyne interference in the ideal case where the output light from the laser light source does not contain noise, and the noise output light from the laser light source.
  • FIG. 10 is a diagram schematically showing temporal changes in output light intensity in the case of including .
  • FIG. 6 is a diagram schematically showing temporal changes in the intensity of each of the reference signal and the measurement signal obtained by heterodyne interference when the output light from the laser light source contains noise.
  • FIG. 7 is a diagram schematically showing temporal changes in intensity of a heterodyne signal (reference signal or measurement signal) with a heterodyne frequency of 80 Hz and temporal changes in intensity of noise with a peak frequency of 320 Hz.
  • FIG. 8 is a diagram showing a sine wave representing temporal changes in intensity of a heterodyne signal (reference signal or measurement signal) with a heterodyne frequency of 80 Hz and a sine wave representing temporal changes in intensity of noise with a peak frequency of 60 Hz.
  • FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the sampling number for each cycle of the 80 Hz heterodyne signal and the required phase.
  • FIG. 10 is a flow chart of the optical heterodyne interference measurement method.
  • FIG. 1 is a diagram showing the configuration of an optical heterodyne interference measurement device 1.
  • the optical heterodyne interference measurement apparatus 1 includes a beam generator 10, a beam splitter 21, a mirror 31, a first photodetector 41, a linear polarizer 42, a second photodetector 51, a linear polarizer 52, an AD converter 60, and a computer. 70.
  • the optical heterodyne interference measurement device 1 can measure the retardation of the measurement object 90 placed on the optical path between the beam splitter 21 and the mirror 31 .
  • the beam generation unit 10 generates and outputs a first light beam and a second light beam whose polarizations are orthogonal to each other (beam generation step).
  • the first light beam and the second light beam differ in optical frequency from each other by the heterodyne frequency.
  • the beam generator 10 includes a laser light source 11 , a half-wave plate 12 , a quarter-wave plate 13 , a laser driver 14 , a motor 15 and a motor driver 16 .
  • the fact that the polarizations are orthogonal to each other means that when the respective polarization states are represented by Jones vectors, they are orthogonal as complex vectors.
  • Examples of mutually orthogonal polarization states are a combination of x-polarized and y-polarized light, a combination of right-handed and left-handed circularly polarized light, and more generally a combination of two elliptical polarizations.
  • an xyz orthogonal coordinate system is set for the convenience of explanation.
  • the z-axis is a direction parallel to the traveling direction of light.
  • the x-axis is parallel to the plane of the paper and perpendicular to the traveling direction of light.
  • the y-axis is the direction perpendicular to the plane of the paper.
  • the laser light source 11 is driven by a laser driver 14 to output laser light.
  • the laser light output from the laser light source 11 is linearly polarized light.
  • the laser light output from the laser light source 11 is linearly polarized light parallel to the x-axis direction.
  • Any laser light source can be used as the laser light source 11.
  • a He--Ne laser light source is used.
  • the laser driver 14 is electrically connected to the laser light source 11 and causes the laser light source 11 to perform laser oscillation.
  • the laser driver 14 is supplied with power of AC voltage 100 V at a frequency of 60 Hz from a commercial power supply.
  • the half-wave plate 12 is optically connected to the laser light source 11 .
  • the half-wave plate 12 has a flat plate shape and is fixed perpendicularly to the rotating shaft of the motor 15 .
  • the half-wave plate 12 rotates at a constant speed w as the rotating shaft of the motor 15 rotates.
  • the motor driver 16 is electrically connected to the motor 15 and receives instructions from the computer 70 to drive the motor 15 so as to rotate the half-wave plate 12 at a constant speed w.
  • the laser light output from the laser light source 11 passes through the half-wave plate 12 rotating at a constant speed w, resulting in two light components (right-handed circularly polarized light component, left-handed circularly polarized light component, Circular polarization components) are transformed into superimposed ones.
  • the intensities of the right-handed circularly polarized light component and the left-handed circularly polarized light component output from the half-wave plate 12 may or may not be equal to each other.
  • the optical frequency of each of the right-handed circularly polarized light component and the left-handed circularly polarized light component is changed by ⁇ 2w with respect to the light frequency of the laser light output from the laser light source 11 . That is, the difference in optical frequency between the right-handed circularly polarized light component and the left-handed circularly polarized light component is four times the rotational speed w of the half-wave plate 12 .
  • the quarter-wave plate 13 is optically connected to the half-wave plate 12 .
  • the fast axis of the quarter-wave plate 13 is on the xy plane and is inclined by a predetermined angle (for example, 45°) with respect to the x-axis direction.
  • the right-handed circularly polarized component and the left-handed circularly polarized component output from the half-wave plate 12 pass through the quarter-wave plate 13 to become the x-polarized component and the y-polarized component.
  • the intensities of the x-polarized component and the y-polarized component output from the quarter-wave plate 13 may or may not be equal to each other.
  • optical frequencies of the x-polarized component and the y-polarized component are different from the optical frequency of the laser light output from the laser light source 11 by ⁇ 2w. That is, the difference in optical frequency (heterodyne frequency) between the x-polarized component and the y-polarized component is 4w.
  • the beam generator 10 outputs one of the light of the x-polarized component and the light of the y-polarized component output from the quarter-wave plate 13 as a first light beam and outputs the other as a second light beam.
  • the first light beam and the second light beam have mutually orthogonal polarizations and differ from each other in optical frequency by the heterodyne frequency 4w.
  • the half-wave plate 12 and the quarter-wave plate 13 rotating at a constant speed generate first light having different optical frequencies and orthogonal polarizations based on the laser light output from the laser light source 11.
  • a frequency shifter is configured to generate and output the beam and the second light beam.
  • the beam splitter 21 is optically connected to the beam generator 10 .
  • the beam splitter 21 collectively splits the first light beam and the second light beam output from the beam generator 10 into two at a predetermined intensity ratio, and outputs the first split light and the second split light (2 branch step).
  • the beam splitter 21 is, for example, a half mirror that branches with an intensity ratio of 1:1. Also, the beam splitter 21 may have polarization dependence. Therefore, the first branched light and the second branched light output from the beam splitter 21 are the first light beam and the second light beam whose polarizations are orthogonal to each other with a predetermined intensity ratio (for example, an intensity ratio of 1:1). include.
  • the beam splitter 21 outputs the reflected first branched light to the mirror 31 and outputs the transmitted second branched light to the linear polarizing plate 52 .
  • the mirror 31 is optically connected to the beam splitter 21.
  • the mirror 31 receives the first branched light that is output from the beam splitter 21 and has passed through the measurement object 90, and vertically reflects the first branched light.
  • the first branched light reflected by the mirror 31 passes through the measurement object 90 again, and then the first branched light that has passed through the beam splitter 21 is input to the linear polarizing plate 42 .
  • the first branched light that has passed through the measurement object 90 twice has retardation information of the measurement object 90 as phase information.
  • the first optical beam and the second optical beam included in the first branched light are an x-polarized component and a y-polarized component whose optical frequencies are different from each other by the heterodyne frequency 4w.
  • the retardation is measured while the measurement object 90 is rotated, and the fast axis of the measurement object 90 is calculated based on the angle at which the retardation reaches its extreme value. It may be aligned in the x-axis direction or the y-axis direction.
  • the linear polarizing plate 42 is optically connected to the beam splitter 21 .
  • the transmission axis of the linear polarizing plate 42 is on the xy plane and is inclined at a predetermined angle (for example, 45°) with respect to the x-axis direction.
  • the linear polarizing plate 42 receives the first branched light that has arrived from the beam splitter 21, and converts the first light beam and the second light beam (x-polarized component and y-polarized component) included in the first branched light into predetermined They are mixed at an intensity ratio (for example, an intensity ratio of 1:1), converted into light having a single linearly polarized component, and output. At this time, it is preferable to mix the first light beam and the second light beam so that the amplitude of the sine wave included in the heterodyne signal is maximized.
  • the first photodetector 41 is optically coupled with the linear polarizing plate 42 .
  • the first photodetector 41 receives the light output from the linear polarizing plate 42, detects temporal changes in the light intensity, and outputs a first detection signal (first photodetection step).
  • This first detection signal represents a temporal change in intensity due to heterodyne interference of the first light beam and the second light beam (x-polarized component and y-polarized component) contained in the first branched light, and has a heterodyne frequency of 4w. contains sinusoidal time-varying components.
  • the first detection signal is a measurement signal having retardation information of the measurement object 90 as phase information.
  • the linear polarizing plate 52 is optically connected to the beam splitter 21 .
  • the transmission axis of the linear polarizing plate 52 is on the xy plane and is inclined at a predetermined angle (for example, 45°) with respect to the x-axis direction.
  • the linear polarizing plate 52 receives the second branched light that has arrived from the beam splitter 21, and converts the first light beam and the second light beam (x-polarized component and y-polarized component) included in the second branched light into predetermined They are mixed at an intensity ratio (for example, an intensity ratio of 1:1), converted into light having a single linearly polarized component, and output. At this time, it is preferable to mix the first light beam and the second light beam so that the amplitude of the sine wave included in the heterodyne signal is maximized.
  • the second photodetector 51 is optically coupled with the linear polarizing plate 52 .
  • the second photodetector 51 receives the light output from the linear polarizing plate 52, detects temporal changes in the light intensity, and outputs a second detection signal (second photodetection step).
  • This second detection signal represents a temporal change in intensity due to heterodyne interference of the first light beam and the second light beam (x-polarized component and y-polarized component) contained in the second branched light, and has a heterodyne frequency of 4w. contains sinusoidal time-varying components.
  • the second detection signal is a reference signal that does not have retardation information of the measurement object 90 as phase information.
  • the AD converter 60 is electrically connected to the first photodetector 41 and the second photodetector 51 .
  • the AD converter 60 can sample analog signal data at a rate sufficiently faster than the heterodyne frequency 4w and convert it into digital signal data.
  • the sampling rate of the AD converter 60 may be twice or more the heterodyne frequency 4w, and may be ten times or more.
  • the AD converter 60 receives the first detection signal (measurement signal) output from the first photodetector 41 as an analog signal, converts it to a digital signal, and outputs it.
  • the AD converter 60 also receives the second detection signal (reference signal) output from the second photodetector 51 as an analog signal, converts it to a digital signal, and outputs the digital signal.
  • the computer 70 is electrically connected to the AD conversion section 60 .
  • the computer 70 has the functions of both a setting section and a computing section as described below.
  • the computer 70 as a setting unit sets the heterodyne frequency 4w to a desired value and instructs the motor driver 16 to cause the motor 15 to rotate the half-wave plate 12 at a constant speed w (setting step). The details of setting the heterodyne frequency 4w will be described later.
  • a computer 70 as a computing unit receives the first detection signal (measurement signal) and the second detection signal (reference signal) output as digital signals from the AD conversion unit 60, and converts these signals at a heterodyne frequency of 4w.
  • the phases of the components that change sinusoidally with time are obtained, and the phase difference (retardation) ⁇ of the measurement object 90 is obtained based on these phases (calculation step).
  • the computer 70 can obtain ⁇ n (the difference between the refractive index for x-polarized light and the refractive index for y-polarized light), which is an index of birefringence, from the following equation (4) based on this phase difference ⁇ .
  • d is the thickness of the measurement object 90 in the light passing direction
  • ⁇ is the wavelength of light. This formula takes into consideration that the first branched light has passed through the object 90 to be measured twice.
  • FIG. 2 is a diagram showing the configuration of the optical heterodyne interference measurement device 2.
  • the optical heterodyne interference measurement device 2 includes a beam generator 10 , a first photodetector 41 , a linear polarizer 42 , an AD converter 60 and a computer 70 .
  • the optical heterodyne interference measurement device 2 can measure the retardation of the measurement object 90 placed on the optical path between the beam generator 10 and the linear polarizer 42 .
  • the first light beam and the second light beam (x-polarized component and y-polarized component) output from the beam generator 10 pass through the measurement object 90 and are input to the linear polarizer 42 .
  • the transmission axis of the linear polarizing plate 42 is on the xy plane and is inclined at a predetermined angle (for example, 45°) with respect to the x-axis direction.
  • the linear polarizing plate 42 inputs the first light beam and the second light beam that have passed through the measurement object 90, and converts the first light beam and the second light beam (x-polarization component and y-polarization component) into a predetermined They are mixed at an intensity ratio (for example, an intensity ratio of 1:1), converted into light having a single linearly polarized component, and output. At this time, it is preferable to mix the first light beam and the second light beam so that the amplitude of the sine wave included in the heterodyne signal is maximized.
  • the first photodetector 41 receives light output from the linear polarizing plate 42, detects temporal changes in the light intensity, and outputs a first detection signal.
  • This first detection signal represents a temporal change in intensity due to heterodyne interference of the first light beam and the second light beam (x-polarized component and y-polarized component), and is sinusoidally temporally generated at a heterodyne frequency of 4w.
  • the first detection signal is a measurement signal having retardation information of the measurement object 90 as phase information.
  • the AD converter 60 receives the first detection signal (measurement signal) output from the first photodetector 41 as an analog signal, converts it to a digital signal, and outputs it. Further, the AD converter 60 receives the electric signal (reference signal) that changes with time at the heterodyne frequency 4w output from the motor driver 16 of the beam generator 10 as an analog signal and converts it into a digital signal. output. Note that the reference signal output from the motor driver 16 does not have to be a sine wave.
  • the signal output from the motor driver 16 serves as an aid to output the timing of frequency 4w.
  • a waveform (not limited to a sine wave) that oscillates at a frequency of 2w is output from the motor driver 16, thresholds are provided for the rise and fall of this waveform, and the timing at which the threshold is exceeded can be used as a reference for the phase. can.
  • a waveform that oscillates at the frequency w is output from the motor driver 16, and based on that, it is possible to determine the timing of the frequency 4w during analysis by a computer.
  • a computer 70 as a computing unit receives the first detection signal (measurement signal) and the second detection signal (reference signal) output as digital signals from the AD conversion unit 60, and converts these signals at a heterodyne frequency of 4w.
  • the phases of the components that change sinusoidally with time are obtained, and the phase difference (retardation) ⁇ of the measurement object 90 is obtained based on these phases (calculation step).
  • the computer 70 can obtain ⁇ n (the difference between the refractive index for x-polarized light and the refractive index for y-polarized light), which is an index of birefringence, based on this phase difference ⁇ .
  • the configuration shown in FIG. 2 does not require the beam splitter 21, the mirror 31, the second photodetector 51, and the linear polarizing plate 52, thus simplifying the optical system. , the adjustment of the optical system is easy. 1 and 2, the reference signal may be omitted, and the phase difference ⁇ of the measurement object 90 can be obtained only from the measurement signal. In this case, for example, calibration may be performed without placing the measurement object 90 .
  • FIG. 3 is a diagram showing the configuration of the optical heterodyne interference measurement device 3.
  • the optical heterodyne interference measurement device 3 includes a beam generator 10, a polarizing beam splitter 22, a mirror 31, a quarter-wave plate 33, a first photodetector 41, a linear polarizer 42, a quarter-wave plate 53, AD A conversion unit 60 and a computer 70 are provided.
  • the optical heterodyne interferometer 3 can measure the displacement of the object 90 to be measured.
  • the polarizing beam splitter 22 is optically connected to the beam generator 10 .
  • the polarizing beam splitter 22 transmits the first light beam (x-polarized component) out of the first light beam and the second light beam (x-polarized component and y-polarized component) output from the beam generator 10 and splits it into 4 minutes. , and the second light beam (y-polarized component) is reflected and output to the quarter-wave plate 33 .
  • the first light beam transmitted through the polarizing beam splitter 22 is reflected by the measurement object 90 after passing through the quarter-wave plate 53, passes through the quarter-wave plate 53 again, and becomes a polarized beam. Input to the splitter 22 .
  • the fast axis of the quarter-wave plate 53 is on the xy plane and is inclined by 45° with respect to the x-axis direction.
  • the first light beam is converted from the x-polarized component to the y-polarized component by passing through the quarter-wave plate 53 twice.
  • the second light beam reflected by the polarizing beam splitter 22 is reflected by the mirror 31 after passing through the quarter-wave plate 33 , passes through the quarter-wave plate 33 again, and reaches the polarizing beam splitter 22 .
  • the fast axis of the quarter-wave plate 33 is on the xy plane and is inclined by 45° with respect to the x-axis direction.
  • the second light beam is converted from the y-polarized component to the x-polarized component by passing through the quarter-wave plate 33 twice, so that it is transmitted through the polarizing beam splitter 22 and output to the linear polarizing plate 42 .
  • the linear polarizing plate 42 is optically connected to the polarizing beam splitter 22 .
  • the transmission axis of the linear polarizing plate 42 is on the xy plane and is inclined at a predetermined angle (for example, 45°) with respect to the x-axis direction.
  • the linear polarizer 42 receives the first light beam (y-polarized component) and the second light beam (x-polarized component) arriving from the polarizing beam splitter 22, and converts the first light beam and the second light beam (y-polarized component) into the linear polarizer 42. and x-polarized components) are mixed at a predetermined intensity ratio (for example, an intensity ratio of 1:1), converted into light having a single linearly polarized component, and output. At this time, it is preferable to mix the first light beam and the second light beam so that the amplitude of the sine wave included in the heterodyne signal is maximized.
  • a predetermined intensity ratio for example, an intensity ratio of 1:1
  • the first photodetector 41 receives light output from the linear polarizing plate 42, detects temporal changes in the light intensity, and outputs a first detection signal.
  • This first detection signal represents a temporal change in intensity due to heterodyne interference of the first light beam and the second light beam (y-polarized component and x-polarized component), and is sinusoidally temporally generated at a heterodyne frequency of 4w.
  • the first detection signal is a measurement signal having, as phase information, the difference between the optical path lengths of the first light beam and the second light beam (that is, the displacement information of the measurement object 90).
  • the AD converter 60 receives the first detection signal (measurement signal) output from the first photodetector 41 as an analog signal, converts it to a digital signal, and outputs it. Further, the AD converter 60 receives the electric signal (reference signal) that changes with time at the heterodyne frequency 4w output from the motor driver 16 of the beam generator 10 as an analog signal and converts it into a digital signal. output. Note that the reference signal output from the motor driver 16 does not have to be a sine wave. Further, the reference signal may not be used, and the displacement of the measuring object 90 can be obtained only from the measurement signal.
  • a computer 70 as a computing unit receives the first detection signal (measurement signal) and the second detection signal (reference signal) output as digital signals from the AD conversion unit 60, and converts these signals at a heterodyne frequency of 4w.
  • the phases of the components that change sinusoidally with time are obtained, and the displacement of the measuring object 90 is obtained based on these phases (calculation step).
  • optical heterodyne interference measurement device As the configuration of the optical heterodyne interference measurement device, various modes are possible in addition to the configurations of the optical heterodyne interference measurement devices 1 to 3 shown in FIGS.
  • a frequency shifter that generates and outputs a first light beam and a second light beam having different optical frequencies based on laser light output from a light source has a half wavelength shown in FIGS.
  • a configuration including only the half-wave plate 12 and not including the quarter-wave plate 13 may be used.
  • the frequency shifter with the latter configuration can generate and output light in which right-handed circularly polarized components and left-handed circularly polarized components with different optical frequencies are superimposed as the first light beam and the second light beam. Note that the right-handed circularly polarized light and the left-handed circularly polarized light have orthogonal polarization states.
  • the frequency shifter there is a configuration using an electro-optical modulation element or an acousto-optical modulation element.
  • the configuration of the beam generation unit for generating and outputting the first light beam and the second light beam whose polarizations are orthogonal to each other includes a configuration using a light source and a frequency shifter, a configuration using a horizontal Zeeman laser light source, and two light beams. For example, there is a configuration in which lights having polarizations orthogonal to each other output from external cavity laser diodes are combined.
  • the retardation (Fig. 1, Fig. 1 2) Retardation when light is reflected by a measurement object (e.g., a reflective spatial light modulator), displacement of the measurement object (reflecting surface thereof) using reflection of light on the measurement object (Fig. 3), It is possible to measure changes in optical path length along the path through which light passes through the object to be measured, changes in the refractive index of the object to be measured, surface shape of the object to be measured, surface roughness of the object to be measured, and the like.
  • the surface roughness or surface shape of the measurement object can be obtained by measuring the displacement of the measurement object on the surface using the reflection of the light of the measurement object. Further, the change in the refractive index of the object to be measured corresponds to the change in the optical path length when the physical distance is constant in the displacement of the object to be measured using the reflection of light from the object. In the case of retardation measurement, an object to be measured may be arranged on the optical path between the light source and the frequency shifter.
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of the frequency spectrum of intensity noise contained in laser light output from a He--Ne laser light source. As shown in this figure, overall, there is a tendency that the higher the frequency, the lower the intensity noise.
  • the frequency of the commercial power supply of 60 Hz, the frequency of an integral multiple of 60 Hz, the frequency of 320 Hz, and the frequency of an integral multiple of 320 Hz are peak frequencies in which the intensity noise is prominently large relative to the intensity noise level in the vicinity of each. .
  • the peak frequency in the frequency spectrum of the intensity noise included in the first light beam or the second light beam output from the beam generator 10 is , coincides with the peak frequency in the frequency spectrum of the intensity noise contained in the laser light output from the laser light source 11 .
  • FIG. 5 shows temporal changes in the intensity of each of the reference signal and the measurement signal obtained by heterodyne interference in the ideal case where the output light from the laser light source does not contain noise, and the noise output light from the laser light source.
  • FIG. 10 is a diagram schematically showing temporal changes in output light intensity in the case of including . The time variation of the intensity of the output light from the laser light source is exaggerated. The temporal variation of the intensity of each of the reference signal and the measurement signal in the ideal case has an ideal sinusoidal shape.
  • FIG. 6 is a diagram schematically showing temporal changes in the intensity of each of the reference signal and the measurement signal obtained by heterodyne interference when the output light from the laser light source contains noise as shown in FIG.
  • the temporal variations in the intensity of the reference signal and the measurement signal generally do not have an ideal sinusoidal shape and are distorted with different peaks. It has an oval shape. Specifically, the peak intensities of the reference signal and the measurement signal are different for each peak, and the shapes around the peaks of the reference signal and the measurement signal are left-right asymmetrical. In such cases, the phase cannot be determined accurately based on the measurement signal and the reference signal.
  • FIG. 10 is a flowchart of the optical heterodyne interference measurement method.
  • the optical heterodyne interferometry method comprises a beam generation step S1, a first photodetection step S2 and a calculation step S3.
  • a first light beam and a second light beam having optical frequencies different from each other by the heterodyne frequency and polarizations orthogonal to each other are generated and output. Further, in the beam generation step S1, if any peak frequency that is temporally constant in the frequency spectrum of the intensity noise included in the first light beam or the second light beam is ⁇ p , then the first light beam and the second light beam The heterodyne frequency, which is the optical frequency difference between the two light beams, is set to a rational multiple of the peak frequency ⁇ p (setting step).
  • the first photodetector detects temporal changes in intensity due to heterodyne interference between the first light beam and the second light beam, and outputs a first detection signal.
  • the calculation step S3 information about the object to be measured is obtained based on the phase of the component of the first detection signal that changes sinusoidally with time at the heterodyne frequency.
  • the computer 70 as the setting unit sets the heterodyne frequency ⁇ h to a desired value, and the first light beam and the second light beam having different optical frequencies and orthogonal polarizations by the set heterodyne frequency ⁇ h
  • the beam generator 10 is instructed to generate and output a beam.
  • the setting unit selects any peak frequency that is temporally constant in the frequency spectrum of the intensity noise included in the first light beam or the second light beam output from the beam generation unit 10. is set to ⁇ p , the heterodyne frequency ⁇ h is set to a value that is a rational multiple of the peak frequency ⁇ p .
  • the frequency of the commercial power supply of 60 Hz, the frequency of integral multiples of 60 Hz, the frequency of 320 Hz, and the frequencies of integral multiples of 320 Hz are peak frequencies that are constant over time. be.
  • FIG. 7 is a diagram schematically showing temporal changes in intensity of a heterodyne signal (reference signal or measurement signal) with a heterodyne frequency of 80 Hz and temporal changes in intensity of noise with a peak frequency of 320 Hz. The time variation of noise intensity is exaggerated.
  • the peak intensity of the heterodyne signal is constant at each peak, and the shape around the peak of the heterodyne signal is also constant at each peak. This means that the influence of noise is reduced, and the phase can be accurately determined based on the measurement signal and the reference signal.
  • FIG. 8 is a diagram showing a sine wave representing temporal changes in intensity of a heterodyne signal (reference signal or measurement signal) with a heterodyne frequency of 80 Hz and a sine wave representing temporal changes in intensity of noise with a peak frequency of 60 Hz. .
  • the time for n cycles of the 80 Hz heterodyne signal is equal to the time for m cycles of the 60 Hz intensity noise.
  • FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the sampling number for each cycle of the 80 Hz heterodyne signal and the required phase.
  • each period within one set of the 80 Hz heterodyne signal will have a different phase, but there is no need to average the phase over n periods within one set of the 80 Hz heterodyne signal.
  • the phase can be obtained in a period in which each of a plurality of sets is similarly affected by noise. However, an average may be taken.
  • n is preferably 10 or less, more preferably 1.
  • m is preferably 10 or less, more preferably 1.
  • the heterodyne frequency after setting the heterodyne frequency to a value that is a rational multiple of the peak frequency, it is also preferable to search for the heterodyne frequency that minimizes retardation and displacement fluctuation while gradually changing the heterodyne frequency for fine adjustment.
  • optical heterodyne interference measurement device and the optical heterodyne interference measurement method are not limited to the above-described embodiments and configuration examples, and various modifications are possible.
  • the optical heterodyne interference measurement apparatus of the first aspect includes: (1) a beam generator that generates and outputs a first light beam and a second light beam that have optical frequencies different from each other by the heterodyne frequency and whose polarizations are orthogonal to each other; , (2) change in intensity over time due to heterodyne interference between the first light beam and the second light beam after both or one of the first light beam and the second light beam is reflected or transmitted by the object to be measured; (3) a first photodetector that detects and outputs a first detection signal; Assuming that any peak frequency is ⁇ p , the heterodyne frequency, which is the difference in optical frequency between the first light beam and the second light beam output from the beam generator, is a rational multiple of the peak frequency ⁇ p . and (4) a computing unit for obtaining information about the measurement object based on the phase of the component of the first detection signal that changes sinusoidally with time at the heterodyne frequency.
  • the optical heterodyne interference measurement apparatus of the second aspect includes: (1) a first light beam and a first light beam whose optical frequencies are different from each other by the heterodyne frequency and whose polarizations are orthogonal to each other, based on the light reflected or transmitted by the measurement object; (2) a first light that detects a temporal change in intensity due to heterodyne interference between the first light beam and the second light beam and outputs a first detection signal; When any peak frequency that is constant in time in the frequency spectrum of the intensity noise included in the first light beam or the second light beam output from the detector and (3) the beam generator is ⁇ p , (4) a setting unit for setting a heterodyne frequency, which is a difference in optical frequency between the first light beam and the second light beam output from the beam generation unit, to a value that is a rational multiple of the peak frequency ⁇ p ; and a computing unit that acquires information about the object to be measured based on the phase of the component of the detection
  • the measurement apparatus of the first aspect described above includes a beam splitter that collectively splits the first light beam and the second light beam output from the beam generation unit into two and outputs the first split light and the second split light; a second photodetector that detects a temporal change in intensity due to heterodyne interference between the first light beam and the second light beam included in the second branched light and outputs a second detection signal; After both or one of the first light beam and the second light beam included in the first branched light output from the beam splitter is reflected or transmitted by the measurement object, the photodetector detects the first light beam and the second light beam.
  • a first detection signal is output by detecting a temporal change in intensity due to heterodyne interference with the two light beams.
  • a configuration may be adopted in which information about the object to be measured is acquired based on the phase of the component of the two detection signals that changes with time at the heterodyne frequency.
  • the setting unit sets the ratio ⁇ h / ⁇ p between the heterodyne frequency ⁇ h and the peak frequency ⁇ p to a rational number n/m (where m and n have a common divisor of 1 It is also possible to set the heterodyne frequency ⁇ h such that n is 10 or less when expressed as a positive integer that is only Further, in this case, the setting unit may be configured to set the heterodyne frequency ⁇ h where n is 1.
  • the setting unit sets the ratio ⁇ h / ⁇ p between the heterodyne frequency ⁇ h and the peak frequency ⁇ p to a rational number n/m (where m and n have a common divisor of 1 It is also possible to set the heterodyne frequency ⁇ h such that m is 10 or less when expressed in terms of a positive integer that is only a positive integer). Further, in this case, the setting unit may be configured to set the heterodyne frequency ⁇ h where m is 1.
  • the setting section may be configured to set the heterodyne frequency ⁇ h to the same value as the peak frequency ⁇ p .
  • the computing unit temporally changes the phase of the component of the first detection signal that changes with time at the heterodyne frequency and the heterodyne frequency generated by the beam generation unit. It may be configured to obtain information about the object to be measured based on the changing phase of the electrical signal.
  • the beam generator includes a frequency shifter that generates and outputs the first light beam and the second light beam based on the laser light output from the laser light source. good too.
  • the calculation unit includes, as information related to the object to be measured, the retardation of the object to be measured, the displacement of the object to be measured, the change in the refractive index of the object to be measured, the surface shape of the object to be measured, and the surface roughness of the object to be measured.
  • the optical heterodyne interference measurement method of the first aspect includes: (1) a beam generation step of generating and outputting a first light beam and a second light beam having optical frequencies different from each other by the heterodyne frequency and having polarizations orthogonal to each other; , (2) change in intensity over time due to heterodyne interference between the first light beam and the second light beam after both or one of the first light beam and the second light beam is reflected or transmitted by the object to be measured; A frequency spectrum of intensity noise included in the first light beam or the second light beam output in the first photodetection step of detecting by the first photodetector and outputting a first detection signal, and (3) the beam generation step , the heterodyne frequency, which is the difference in optical frequency between the first and second light beams output in the beam generation step, is the peak frequency (4) A computing step of acquiring information about the object to be measured based on the phase of the component of the first detection signal that changes sinusoidally with time at the heterodyne
  • the optical heterodyne interference measurement method of the second aspect includes: (1) a first light beam having an optical frequency different from each other by the heterodyne frequency and a first light beam having polarizations orthogonal to each other based on light reflected or transmitted by the measurement object; a beam generating step of generating and outputting two light beams; and (2) detecting a temporal change in intensity due to heterodyne interference between the first light beam and the second light beam by a first photodetector to generate a first detection signal.
  • any peak frequency that is constant in time in the frequency spectrum of the intensity noise included in the first light beam or the second light beam output in the beam generation step a setting step of setting a heterodyne frequency, which is the difference in optical frequency between the first light beam and the second light beam output in the beam generating step, given ⁇ p , to a value that is a rational multiple of the peak frequency ⁇ p ; and (4) obtaining information about the measurement object based on the phase of the component of the first detection signal that changes sinusoidally with time at the heterodyne frequency.
  • the first light beam and the second light beam output from the beam generation step are collectively split into two by a beam splitter and output as the first split light and the second split light.
  • a branching step second light for outputting a second detection signal by detecting a temporal change in intensity due to heterodyne interference between the first light beam and the second light beam contained in the second branched light by a second photodetector; and a detection step, wherein in the first light detection step, both or one of the first light beam and the second light beam included in the first branched light output from the beam splitter is reflected or reflected by the measurement object.
  • the first photodetector After transmission, the first photodetector detects a temporal change in intensity due to heterodyne interference between the first light beam and the second light beam to output a first detection signal, and in the computing step, the first detection signal is Information about the measurement object may be acquired based on the phase of the component that changes with time at the heterodyne frequency and the phase of the component that changes with time at the heterodyne frequency in the second detection signal.
  • the ratio ⁇ h / ⁇ p between the heterodyne frequency ⁇ h and the peak frequency ⁇ p is set to a rational number n/m (where m and n have a common divisor of 1 It is also possible to set the heterodyne frequency ⁇ h such that n is 10 or less when expressed as a positive integer that is only In this case, the setting step may be configured such that the heterodyne frequency ⁇ h where n is 1 is set.
  • the ratio ⁇ h / ⁇ p between the heterodyne frequency ⁇ h and the peak frequency ⁇ p is set to a rational number n/m (where m and n have a common divisor of 1 It is also possible to set the heterodyne frequency ⁇ h such that m is 10 or less when expressed in terms of a positive integer that is only a positive integer).
  • the setting step may be configured such that the heterodyne frequency ⁇ h with m equal to 1 is set.
  • the setting step may be configured such that the heterodyne frequency ⁇ h is set to the same value as the peak frequency ⁇ p .
  • the phase of the component of the first detection signal that changes with time at the heterodyne frequency and the phase of the component that changes with time at the heterodyne frequency generated in the beam generating step It may be configured to obtain information about the object to be measured based on the changing phase of the electrical signal.
  • the first light beam and the second light beam may be generated and output by the frequency shifter based on the laser light output from the laser light source. good.
  • the information related to the object to be measured includes the retardation of the object to be measured, the displacement of the object to be measured, the change in the refractive index of the object to be measured, the surface shape of the object to be measured, and the surface roughness of the object to be measured.
  • the embodiments can be used as an optical heterodyne interference measurement device and an optical heterodyne interference measurement method that can reduce the effects of noise.
  • Reference Signs List 1 to 3 optical heterodyne interference measuring device 10 beam generator 11 laser light source 12 half-wave plate 13 quarter-wave plate 14 laser driver 15 motor 16 Motor driver 21 Beam splitter 22 Polarizing beam splitter 31 Mirror 33 Quarter wavelength plate 41 First photodetector 42 Linear polarizing plate 51 Second photodetector 52 ... linear polarizing plate, 53 ... quarter-wave plate, 60 ... AD converter, 70 ... computer, 90 ... measurement object.

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Abstract

光ヘテロダイン干渉測定装置１は、ビーム生成部１０、ビームスプリッタ２１、ミラー３１、第１光検出器４１、直線偏光板４２、第２光検出器５１、直線偏光板５２、ＡＤ変換部６０およびコンピュータ７０を備える。ビーム生成部１０は、偏光が互いに直交する第１光ビームおよび第２光ビームを生成して出力する。第１光ビームおよび第２光ビームは、ヘテロダイン周波数だけ光周波数が互いに異なる。コンピュータ７０は、ビーム生成部１０から出力された第１光ビームまたは第２光ビームに含まれる強度ノイズの周波数スペクトルにおいて時間的に一定である何れかのピーク周波数をωｐとしたとき、ヘテロダイン周波数ωｈをピーク周波数ωｐの有理数倍の値に設定する。これにより、ノイズの影響を低減することができる光ヘテロダイン干渉測定装置が実現される。

Description

光ヘテロダイン干渉測定装置および光ヘテロダイン干渉測定方法
　本開示は、光ヘテロダイン干渉を利用した測定装置および測定方法に関するものである。
　光の強度を検出する光検出器の検出帯域は、検出しようとする光の周波数と比べて遙かに低い。このことから、光検出器は、時間的に平均化された光強度を測定することができるに留まり、光の位相を直接に測定することができない。
　測定対象物に関する情報を位相情報として第１光ビームまたは第２光ビームに持たせ、第１光ビームと第２光ビームとを合波して干渉させた光の強度を光検出器により検出すると、光検出器から出力される検出信号の値は位相情報に応じたものとなり、これから測定対象物に関する情報を取得することができる。しかし、この場合、第１光ビームおよび第２光ビームそれぞれの強度が既知であることが必要である。
　また、第１光ビームまたは第２光ビームの強度にノイズが含まれている場合には、正確な位相情報を求めることができない。ノイズとしては、例えば、温度変動に由来する光源の出力光の強度変動、光源等に電力供給する商用電源に由来する周波数（５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）の強度変動、光検出器のノイズ、等がある。
　光ヘテロダイン干渉法（特許文献１，２を参照）は、第１光ビームまたは第２光ビームの強度にノイズが含まれている場合であっても、そのノイズの影響を低減して、光検出器から出力される検出信号に基づいて位相情報を求めることができるとされている。
　光ヘテロダイン干渉法では、第１光ビームの光周波数ω１と第２光ビームの光周波数ω２とを互いに僅かに異ならせる。この光周波数の差ωｈ（＝ω２－ω１）は、ヘテロダイン周波数と呼ばれ、第１光ビームおよび第２光ビームそれぞれの光周波数より遙かに低く、光検出器の帯域より十分に低い値に設定される。第１光ビームと第２光ビームとを合波して干渉させた光の強度を光検出器により検出すると、光検出器から出力される検出信号Ｉ(ｔ)は、ヘテロダイン周波数ωｈで正弦波状に時間的に変化する成分を有する。
　第１光ビームの電場Ｅ１(ｔ)を下記（１）式で表し、第２光ビームの電場Ｅ２(ｔ)を下記（２）式で表すとする。ｔは時刻であり、φ１，φ２は位相である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　第１光ビームと第２光ビームとを合波してヘテロダイン干渉させた光の強度を光検出器により検出すると、光検出器から出力される検出信号Ｉ(ｔ)は下記（３）式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　上記の式において、１／Ｔは光検出器の帯域に相当する。上記（３）式の右辺第３項は、ヘテロダイン周波数ωｈで正弦波状に時間的に変化する。第１光ビームの電場振幅ｅ１または第２光ビームの電場振幅ｅ２が未知であっても、検出信号Ｉ(ｔ)のうちヘテロダイン周波数ωｈで正弦波状に時間的に変化する成分（右辺第３項）の位相を求めることができる。
　また、第１光ビームの電場振幅ｅ１または第２光ビームの電場振幅ｅ２にノイズが含まれている場合、ノイズの周波数スペクトルにおいてノイズ強度が小さい周波数にヘテロダイン周波数を設定することにより、ノイズの影響を低減して位相情報を求めることができるとされている。
特開平２－８３４２８号公報 特開２０１０－２１０５４１号公報
　本発明者らは、光ヘテロダイン干渉法を用いた測定技術について研究開発を行う過程において、ノイズの周波数スペクトルにおいてノイズ強度が小さい周波数にヘテロダイン周波数を設定した場合であっても、ノイズの影響の低減の効果が十分でないことを見出した。また、本発明者らは、逆に、ノイズの周波数スペクトルにおいてノイズ強度が大きい周波数にヘテロダイン周波数を設定した場合であっても、或る条件が満たされるときには、ノイズの影響の低減の効果が十分に得られることを見出した。
　実施形態は、ノイズの影響を低減することができる光ヘテロダイン干渉測定装置および光ヘテロダイン干渉測定方法を提供することを目的とする。
　第１態様の実施形態は、光ヘテロダイン干渉測定装置である。光ヘテロダイン干渉測定装置は、（１）ヘテロダイン周波数だけ光周波数が互いに異なり偏光が互いに直交する第１光ビームおよび第２光ビームを生成して出力するビーム生成部と、（２）第１光ビームおよび第２光ビームの双方または何れか一方が測定対象物で反射または透過した後に、第１光ビームと第２光ビームとのヘテロダイン干渉による強度の時間的変化を検出して第１検出信号を出力する第１光検出器と、（３）ビーム生成部から出力された第１光ビームまたは第２光ビームに含まれる強度ノイズの周波数スペクトルにおいて時間的に一定である何れかのピーク周波数をωｐとしたとき、ビーム生成部から出力される第１光ビームと第２光ビームとの間の光周波数の差であるヘテロダイン周波数をピーク周波数ωｐの有理数倍の値に設定する設定部と、（４）第１検出信号のうちヘテロダイン周波数で正弦波状に時間的に変化する成分の位相に基づいて測定対象物に関する情報を取得する演算部と、を備える。
　第２態様の実施形態は、光ヘテロダイン干渉測定装置である。光ヘテロダイン干渉測定装置は、（１）測定対象物で反射または透過した光に基づいて、ヘテロダイン周波数だけ光周波数が互いに異なり偏光が互いに直交する第１光ビームおよび第２光ビームを生成して出力するビーム生成部と、（２）第１光ビームと第２光ビームとのヘテロダイン干渉による強度の時間的変化を検出して第１検出信号を出力する第１光検出器と、（３）ビーム生成部から出力された第１光ビームまたは第２光ビームに含まれる強度ノイズの周波数スペクトルにおいて時間的に一定である何れかのピーク周波数をωｐとしたとき、ビーム生成部から出力される第１光ビームと第２光ビームとの間の光周波数の差であるヘテロダイン周波数をピーク周波数ωｐの有理数倍の値に設定する設定部と、（４）第１検出信号のうちヘテロダイン周波数で正弦波状に時間的に変化する成分の位相に基づいて測定対象物に関する情報を取得する演算部と、を備える。
　第１態様の実施形態は、光ヘテロダイン干渉測定方法である。光ヘテロダイン干渉測定方法は、（１）ヘテロダイン周波数だけ光周波数が互いに異なり偏光が互いに直交する第１光ビームおよび第２光ビームを生成して出力するビーム生成ステップと、（２）第１光ビームおよび第２光ビームの双方または何れか一方が測定対象物で反射または透過した後に、第１光ビームと第２光ビームとのヘテロダイン干渉による強度の時間的変化を第１光検出器により検出して第１検出信号を出力する第１光検出ステップと、（３）ビーム生成ステップにおいて出力された第１光ビームまたは第２光ビームに含まれる強度ノイズの周波数スペクトルにおいて時間的に一定である何れかのピーク周波数をωｐとしたとき、ビーム生成ステップにおいて出力される第１光ビームと第２光ビームとの間の光周波数の差であるヘテロダイン周波数をピーク周波数ωｐの有理数倍の値に設定する設定ステップと、（４）第１検出信号のうちヘテロダイン周波数で正弦波状に時間的に変化する成分の位相に基づいて測定対象物に関する情報を取得する演算ステップと、を備える。
　第２態様の実施形態は、光ヘテロダイン干渉測定方法である。光ヘテロダイン干渉測定方法は、（１）測定対象物で反射または透過した光に基づいて、ヘテロダイン周波数だけ光周波数が互いに異なり偏光が互いに直交する第１光ビームおよび第２光ビームを生成して出力するビーム生成ステップと、（２）第１光ビームと第２光ビームとのヘテロダイン干渉による強度の時間的変化を第１光検出器により検出して第１検出信号を出力する第１光検出ステップと、（３）ビーム生成ステップにおいて出力された第１光ビームまたは第２光ビームに含まれる強度ノイズの周波数スペクトルにおいて時間的に一定である何れかのピーク周波数をωｐとしたとき、ビーム生成ステップにおいて出力される第１光ビームと第２光ビームとの間の光周波数の差であるヘテロダイン周波数をピーク周波数ωｐの有理数倍の値に設定する設定ステップと、（４）第１検出信号のうちヘテロダイン周波数で正弦波状に時間的に変化する成分の位相に基づいて測定対象物に関する情報を取得する演算ステップと、を備える。
　実施形態の光ヘテロダイン干渉測定装置および光ヘテロダイン干渉測定方法によれば、光ヘテロダイン干渉法を用いた測定においてノイズの影響を低減することができる。
図１は、光ヘテロダイン干渉測定装置１の構成を示す図である。 図２は、光ヘテロダイン干渉測定装置２の構成を示す図である。 図３は、光ヘテロダイン干渉測定装置３の構成を示す図である。 図４は、Ｈｅ－Ｎｅレーザ光源から出力されるレーザ光に含まれる強度ノイズの周波数スペクトルの一例を示す図である。 図５は、レーザ光源からの出力光がノイズを含まないとした理想的な場合にヘテロダイン干渉により得られる参照信号および測定信号それぞれの強度の時間的変化、ならびに、レーザ光源からの出力光がノイズを含む場合の出力光強度の時間変化を、模式的に示す図である。 図６は、レーザ光源からの出力光がノイズを含む場合にヘテロダイン干渉により得られる参照信号および測定信号それぞれの強度の時間的変化を模式的に示す図である。 図７は、ヘテロダイン周波数８０Ｈｚのヘテロダイン信号（参照信号または測定信号）の強度の時間的変化、および、ピーク周波数３２０Ｈｚのノイズの強度の時間的変化を、模式的に示す図である。 図８は、ヘテロダイン周波数８０Ｈｚのヘテロダイン信号（参照信号または測定信号）の強度の時間変化を表す正弦波、および、ピーク周波数６０Ｈｚのノイズの強度の時間的変化を表す正弦波、を示す図である。 図９は、８０Ｈｚのヘテロダイン信号の１周期毎のサンプリング番号と求められる位相との関係を示す図である。 図１０は、光ヘテロダイン干渉測定方法のフローチャートである。
　以下、添付図面を参照して、光ヘテロダイン干渉測定装置および光ヘテロダイン干渉測定方法の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。本発明は、これらの例示に限定されるものではない。
　初めに、ヘテロダイン干渉測定装置およびヘテロダイン干渉測定方法の全体構成について説明し、その後に、構成の要部について説明する。
　図１は、光ヘテロダイン干渉測定装置１の構成を示す図である。光ヘテロダイン干渉測定装置１は、ビーム生成部１０、ビームスプリッタ２１、ミラー３１、第１光検出器４１、直線偏光板４２、第２光検出器５１、直線偏光板５２、ＡＤ変換部６０およびコンピュータ７０を備える。光ヘテロダイン干渉測定装置１は、ビームスプリッタ２１とミラー３１との間の光路上に置かれた測定対象物９０のリタデーションを測定することができる。
　ビーム生成部１０は、偏光が互いに直交する第１光ビームおよび第２光ビームを生成して出力する（ビーム生成ステップ）。第１光ビームおよび第２光ビームは、ヘテロダイン周波数だけ光周波数が互いに異なる。ビーム生成部１０は、レーザ光源１１、２分の１波長板１２、４分の１波長板１３、レーザドライバ１４、モータ１５およびモータドライバ１６を含む。
　なお、偏光が互いに直交するとは、それぞれの偏光状態をジョーンズベクトルで表したときにそれらが複素ベクトルとして直交するということを意味する。互いに直交している偏光状態の例は、ｘ偏光及びｙ偏光の組み合わせ、右回り円偏光及び左回り円偏光の組み合わせであり、より一般には２つの楕円偏光の組み合わせもありうる。
　図中に示されるように、説明の便宜の為にｘｙｚ直交座標系を設定する。ｚ軸は、光の進行方向に平行な方向である。ｘ軸は、紙面に平行であって光の進行方向に垂直な方向である。ｙ軸は、紙面に垂直な方向である。
　レーザ光源１１は、レーザドライバ１４により駆動されて、レーザ光を出力する。レーザ光源１１から出力されるレーザ光は、直線偏光である。例えば、レーザ光源１１から出力されるレーザ光は、ｘ軸方向に平行な直線偏光である。レーザ光源１１としては、任意のものが用いられ得るが、例えばＨｅ－Ｎｅレーザ光源である。
　レーザドライバ１４は、レーザ光源１１と電気的に接続されており、レーザ光源１１にレーザ発振を行わせる。レーザドライバ１４には、商用電源から周波数６０Ｈｚで交流電圧１００Ｖの電力が供給される。
　２分の１波長板１２は、レーザ光源１１と光学的に接続されている。２分の１波長板１２は、平板形状を有するものであって、モータ１５の回転軸に対して垂直に固定されている。２分の１波長板１２は、モータ１５の回転軸の回転に伴い一定速度ｗで回転する。モータドライバ１６は、モータ１５と電気的に接続されており、コンピュータ７０からの指示を受けて、２分の１波長板１２を一定速度ｗで回転させるようモータ１５を駆動する。
　レーザ光源１１から出力されたレーザ光は、一定速度ｗで回転している２分の１波長板１２を通過することで、光周波数が互いに異なる２つの光成分（右回り円偏光成分、左回り円偏光成分）が重ね合わされたものに変換される。２分の１波長板１２から出力される右回り円偏光成分および左回り円偏光成分それぞれの強度は互いに等しくてもよく、等しくなくてもよい。
　右回り円偏光成分および左回り円偏光成分それぞれの光周波数は、レーザ光源１１から出力されたレーザ光の光周波数に対して±２ｗだけ変化したものである。すなわち、右回り円偏光成分および左回り円偏光成分それぞれの光周波数の差は、２分の１波長板１２の回転速度ｗの４倍である。
　４分の１波長板１３は、２分の１波長板１２と光学的に接続されている。４分の１波長板１３の進相軸は、ｘｙ平面上にあってｘ軸方向に対し所定の角度（例えば、４５°）だけ傾斜している。ただし、２分の１波長板１２から出力された右回り円偏光成分および左回り円偏光成分は、４分の１波長板１３を通過することにより、ｘ偏光成分およびｙ偏光成分になる。４分の１波長板１３から出力されるｘ偏光成分およびｙ偏光成分それぞれの強度は互いに等しくてもよく、等しくなくてもよい。
　ｘ偏光成分およびｙ偏光成分それぞれの光周波数は、レーザ光源１１から出力されたレーザ光の光周波数に対して±２ｗだけ変化したものである。すなわち、ｘ偏光成分およびｙ偏光成分それぞれの光周波数の差（ヘテロダイン周波数）は４ｗである。
　ビーム生成部１０は、４分の１波長板１３から出力されるｘ偏光成分の光およびｙ偏光成分の光のうち、一方を第１光ビームとして出力し、他方を第２光ビームとして出力する。第１光ビームおよび第２光ビームは、偏光が互いに直交しており、ヘテロダイン周波数４ｗだけ光周波数が互いに異なる。
　また、一定速度で回転する２分の１波長板１２および４分の１波長板１３は、レーザ光源１１から出力されたレーザ光に基づいて、光周波数が互いに異なり偏光が互いに直交する第１光ビームおよび第２光ビームを生成して出力する周波数シフタを構成している。
　ビームスプリッタ２１は、ビーム生成部１０と光学的に接続されている。ビームスプリッタ２１は、ビーム生成部１０から出力された第１光ビームおよび第２光ビームを一括して所定の強度比で２分岐して、第１分岐光および第２分岐光として出力する（２分岐ステップ）。
　ビームスプリッタ２１は、例えば、強度比１：１で分岐するハーフミラーである。また、ビームスプリッタ２１は偏光依存性を有していてもよい。したがって、ビームスプリッタ２１から出力される第１分岐光および第２分岐光それぞれは、偏光が互いに直交する第１光ビームおよび第２光ビームを所定の強度比（例えば、強度比１：１）で含む。ビームスプリッタ２１は、反射させた第１分岐光をミラー３１へ出力し、透過させた第２分岐光を直線偏光板５２へ出力する。
　ミラー３１は、ビームスプリッタ２１と光学的に接続されている。ミラー３１は、ビームスプリッタ２１から出力されて測定対象物９０を通過した第１分岐光を入力し、その第１分岐光を垂直反射させる。ミラー３１で反射された第１分岐光は再び測定対象物９０を通過し、続いてビームスプリッタ２１を透過した第１分岐光は直線偏光板４２に入力される。
　測定対象物９０を２度通過した第１分岐光は、測定対象物９０のリタデーションの情報を位相情報として有する。第１分岐光に含まれる第１光ビームおよび第２光ビームは、ヘテロダイン周波数４ｗだけ光周波数が互いに異なるｘ偏光成分およびｙ偏光成分である。測定対象物９０の進相軸をｘ軸方向またはｙ軸方向に一致させておくことにより、第１分岐光に含まれる第１光ビームおよび第２光ビームは、測定対象物９０の複屈折性（偏光方向によって屈折率が異なる性質）によって異なる位相変化を受けることになる。
　なお、測定対象物９０のリタデーション情報が未知である場合などでは、測定対象物９０を回転させながらリタデーションを測定し、リタデーションが極値となる角度に基づいて、測定対象物９０の進相軸をｘ軸方向またはｙ軸方向に一致させてもよい。
　直線偏光板４２は、ビームスプリッタ２１と光学的に接続されている。直線偏光板４２の透過軸は、ｘｙ平面上にあってｘ軸方向に対し所定の角度（例えば、４５°）だけ傾斜している。
　直線偏光板４２は、ビームスプリッタ２１から到達した第１分岐光を入力して、その第１分岐光に含まれる第１光ビームおよび第２光ビーム（ｘ偏光成分およびｙ偏光成分）を所定の強度比（例えば、強度比１：１）で混合して、単一の直線偏光成分を有する光に変換して出力する。このとき、ヘテロダイン信号に含まれる正弦波の振幅が最も大きくなるように、第１光ビームおよび第２光ビームを混合するとよい。
　第１光検出器４１は、直線偏光板４２と光学的に結合されている。第１光検出器４１は、直線偏光板４２から出力された光を受光し、その光強度の時間的変化を検出して第１検出信号を出力する（第１光検出ステップ）。
　この第１検出信号は、第１分岐光に含まれる第１光ビームおよび第２光ビーム（ｘ偏光成分およびｙ偏光成分）のヘテロダイン干渉による強度の時間的変化を表すものであり、ヘテロダイン周波数４ｗで正弦波状に時間的に変化する成分を含む。第１検出信号は、測定対象物９０のリタデーション情報を位相情報として有する測定信号である。
　直線偏光板５２は、ビームスプリッタ２１と光学的に接続されている。直線偏光板５２の透過軸は、ｘｙ平面上にあってｘ軸方向に対し所定の角度（例えば、４５°）だけ傾斜している。
　直線偏光板５２は、ビームスプリッタ２１から到達した第２分岐光を入力して、その第２分岐光に含まれる第１光ビームおよび第２光ビーム（ｘ偏光成分およびｙ偏光成分）を所定の強度比（例えば、強度比１：１）で混合して、単一の直線偏光成分を有する光に変換して出力する。このとき、ヘテロダイン信号に含まれる正弦波の振幅が最も大きくなるように、第１光ビームおよび第２光ビームを混合するとよい。
　第２光検出器５１は、直線偏光板５２と光学的に結合されている。第２光検出器５１は、直線偏光板５２から出力された光を受光し、その光強度の時間的変化を検出して第２検出信号を出力する（第２光検出ステップ）。
　この第２検出信号は、第２分岐光に含まれる第１光ビームおよび第２光ビーム（ｘ偏光成分およびｙ偏光成分）のヘテロダイン干渉による強度の時間的変化を表すものであり、ヘテロダイン周波数４ｗで正弦波状に時間的に変化する成分を含む。第２検出信号は、測定対象物９０のリタデーション情報を位相情報として有しない参照信号である。
　ＡＤ変換部６０は、第１光検出器４１および第２光検出器５１と電気的に接続されている。ＡＤ変換部６０は、ヘテロダイン周波数４ｗより十分に速いレートでアナログ信号のデータをサンプリングして、これをデジタル信号のデータに変換することができる。例えば、ＡＤ変換部６０のサンプリングレートは、ヘテロダイン周波数４ｗの２倍以上のレートであればよく、さらに、１０倍以上のレートであってもよい。
　ＡＤ変換部６０は、第１光検出器４１から出力された第１検出信号（測定信号）を、アナログ信号として入力し、これをデジタル信号に変換して出力する。また、ＡＤ変換部６０は、第２光検出器５１から出力された第２検出信号（参照信号）を、アナログ信号として入力し、これをデジタル信号に変換して出力する。
　コンピュータ７０は、ＡＤ変換部６０と電気的に接続されている。コンピュータ７０は、次に説明するような設定部および演算部の双方の機能を有する。設定部としてのコンピュータ７０は、ヘテロダイン周波数４ｗを所望値に設定して、モータ１５が２分の１波長板１２を一定速度ｗで回転させるようモータドライバ１６に指示する（設定ステップ）。ヘテロダイン周波数４ｗの設定の詳細については後述する。
　演算部としてのコンピュータ７０は、ＡＤ変換部６０からデジタル信号として出力された第１検出信号（測定信号）および第２検出信号（参照信号）を入力して、これらの信号のうちヘテロダイン周波数４ｗで正弦波状に時間的に変化する成分の位相を求め、これらの位相に基づいて測定対象物９０の位相差（リタデーション）Δφを求める（演算ステップ）。
　さらに、コンピュータ７０は、この位相差Δφに基づいて下記（４）式から、複屈折の指標であるΔｎ（ｘ偏光に対する屈折率とｙ偏光に対する屈折率との差）を求めることができる。ｄは測定対象物９０における光通過方向の厚みであり、λは光の波長である。この式は、第１分岐光が測定対象物９０を２度通過したことを考慮したものである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　図２は、光ヘテロダイン干渉測定装置２の構成を示す図である。光ヘテロダイン干渉測定装置２は、ビーム生成部１０、第１光検出器４１、直線偏光板４２、ＡＤ変換部６０およびコンピュータ７０を備える。光ヘテロダイン干渉測定装置２は、ビーム生成部１０と直線偏光板４２との間の光路上に置かれた測定対象物９０のリタデーションを測定することができる。
　この構成では、ビーム生成部１０から出力された第１光ビームおよび第２光ビーム（ｘ偏光成分およびｙ偏光成分）は、測定対象物９０を通過して直線偏光板４２に入力される。直線偏光板４２の透過軸は、ｘｙ平面上にあってｘ軸方向に対し所定の角度（例えば、４５°）だけ傾斜している。
　直線偏光板４２は、測定対象物９０を通過した第１光ビームおよび第２光ビームを入力して、これらの第１光ビームおよび第２光ビーム（ｘ偏光成分およびｙ偏光成分）を所定の強度比（例えば、強度比１：１）で混合して、単一の直線偏光成分を有する光に変換して出力する。このとき、ヘテロダイン信号に含まれる正弦波の振幅が最も大きくなるように、第１光ビームおよび第２光ビームを混合するとよい。
　第１光検出器４１は、直線偏光板４２から出力された光を受光し、その光強度の時間的変化を検出して第１検出信号を出力する。この第１検出信号は、第１光ビームおよび第２光ビーム（ｘ偏光成分およびｙ偏光成分）のヘテロダイン干渉による強度の時間的変化を表すものであり、ヘテロダイン周波数４ｗで正弦波状に時間的に変化する成分を含む。第１検出信号は、測定対象物９０のリタデーション情報を位相情報として有する測定信号である。
　ＡＤ変換部６０は、第１光検出器４１から出力された第１検出信号（測定信号）を、アナログ信号として入力し、これをデジタル信号に変換して出力する。また、ＡＤ変換部６０は、ビーム生成部１０のモータドライバ１６から出力されたヘテロダイン周波数４ｗで時間的に変化する電気信号（参照信号）を、アナログ信号として入力し、これをデジタル信号に変換して出力する。なお、モータドライバ１６から出力される参照信号は、正弦波でなくてもよい。
　モータドライバ１６から出力される信号は、周波数４ｗのタイミングを出力する補助としての役割を果たす。周波数２ｗで振動する（正弦波に限られない）波形がモータドライバ１６から出力され、この波形の立ち上がり及び立ち下がりそれぞれに閾値を設けて、その閾値を超えたタイミングを位相の基準として用いることができる。あるいは、周波数ｗで振動する波形がモータドライバ１６から出力され、それを基にして周波数４ｗのタイミングをコンピュータでの解析時に定めることも可能である。
　演算部としてのコンピュータ７０は、ＡＤ変換部６０からデジタル信号として出力された第１検出信号（測定信号）および第２検出信号（参照信号）を入力して、これらの信号のうちヘテロダイン周波数４ｗで正弦波状に時間的に変化する成分の位相を求め、これらの位相に基づいて測定対象物９０の位相差（リタデーション）Δφを求める（演算ステップ）。さらに、コンピュータ７０は、この位相差Δφに基づいて、複屈折の指標であるΔｎ（ｘ偏光に対する屈折率とｙ偏光に対する屈折率との差）を求めることができる。
　図１に示された構成と比較すると、図２に示される構成では、ビームスプリッタ２１、ミラー３１、第２光検出器５１および直線偏光板５２が不要となり、光学系が簡易なものとなるので、光学系の調整が容易である。なお、図１および図２の何れに構成においても、参照信号は無くてもよく、測定信号のみから測定対象物９０の位相差Δφを求めることもできる。この場合、例えば、測定対象物９０を配置しない状態で較正するとよい。
　図３は、光ヘテロダイン干渉測定装置３の構成を示す図である。光ヘテロダイン干渉測定装置３は、ビーム生成部１０、偏光ビームスプリッタ２２、ミラー３１、４分の１波長板３３、第１光検出器４１、直線偏光板４２、４分の１波長板５３、ＡＤ変換部６０およびコンピュータ７０を備える。光ヘテロダイン干渉測定装置３は、測定対象物９０の変位を測定することができる。
　この構成では、偏光ビームスプリッタ２２は、ビーム生成部１０と光学的に接続されている。偏光ビームスプリッタ２２は、ビーム生成部１０から出力された第１光ビームおよび第２光ビーム（ｘ偏光成分およびｙ偏光成分）のうち、第１光ビーム（ｘ偏光成分）を透過させて４分の１波長板５３へ出力し、第２光ビーム（ｙ偏光成分）を反射させて４分の１波長板３３へ出力する。
　偏光ビームスプリッタ２２を透過して出力された第１光ビームは、４分の１波長板５３を通過した後に測定対象物９０で反射され、４分の１波長板５３を再び通過して偏光ビームスプリッタ２２に入力される。４分の１波長板５３の進相軸は、ｘｙ平面上にあってｘ軸方向に対し４５°だけ傾斜している。第１光ビームは、４分の１波長板５３を２度通過することによりｘ偏光成分からｙ偏光成分に変換されるので、偏光ビームスプリッタ２２で反射されて直線偏光板４２へ出力される。
　偏光ビームスプリッタ２２で反射されて出力された第２光ビームは、４分の１波長板３３を通過した後にミラー３１で反射され、４分の１波長板３３を再び通過して偏光ビームスプリッタ２２に入力される。４分の１波長板３３の進相軸は、ｘｙ平面上にあってｘ軸方向に対し４５°だけ傾斜している。第２光ビームは、４分の１波長板３３を２度通過することによりｙ偏光成分からｘ偏光成分に変換されるので、偏光ビームスプリッタ２２を透過して直線偏光板４２へ出力される。
　直線偏光板４２は、偏光ビームスプリッタ２２と光学的に接続されている。直線偏光板４２の透過軸は、ｘｙ平面上にあってｘ軸方向に対し所定の角度（例えば、４５°）だけ傾斜している。
　直線偏光板４２は、偏光ビームスプリッタ２２から到達した第１光ビーム（ｙ偏光成分）および第２光ビーム（ｘ偏光成分）を入力して、第１光ビームおよび第２光ビーム（ｙ偏光成分およびｘ偏光成分）を所定の強度比（例えば、強度比１：１）で混合して、単一の直線偏光成分を有する光に変換して出力する。このとき、ヘテロダイン信号に含まれる正弦波の振幅が最も大きくなるように、第１光ビームおよび第２光ビームを混合するとよい。
　第１光検出器４１は、直線偏光板４２から出力された光を受光し、その光強度の時間的変化を検出して第１検出信号を出力する。この第１検出信号は、第１光ビームおよび第２光ビーム（ｙ偏光成分およびｘ偏光成分）のヘテロダイン干渉による強度の時間的変化を表すものであり、ヘテロダイン周波数４ｗで正弦波状に時間的に変化する成分を含む。第１検出信号は、第１光ビームおよび第２光ビームそれぞれの光路長の差（すなわち、測定対象物９０の変位情報）を位相情報として有する測定信号である。
　ＡＤ変換部６０は、第１光検出器４１から出力された第１検出信号（測定信号）を、アナログ信号として入力し、これをデジタル信号に変換して出力する。また、ＡＤ変換部６０は、ビーム生成部１０のモータドライバ１６から出力されたヘテロダイン周波数４ｗで時間的に変化する電気信号（参照信号）を、アナログ信号として入力し、これをデジタル信号に変換して出力する。なお、モータドライバ１６から出力される参照信号は、正弦波でなくてもよい。また、参照信号は無くてもよく、測定信号のみから測定対象物９０の変位を求めることもできる。
　演算部としてのコンピュータ７０は、ＡＤ変換部６０からデジタル信号として出力された第１検出信号（測定信号）および第２検出信号（参照信号）を入力して、これらの信号のうちヘテロダイン周波数４ｗで正弦波状に時間的に変化する成分の位相を求め、これらの位相に基づいて測定対象物９０の変位を求める（演算ステップ）。
　光ヘテロダイン干渉測定装置の構成としては、図１～図３に示された光ヘテロダイン干渉測定装置１～３の構成の他にも、様々な態様が可能である。
　例えば、光源から出力されたレーザ光に基づいて光周波数が互いに異なる第１光ビームおよび第２光ビームを生成して出力する周波数シフタは、図１～図３に示された２分の１波長板１２および４分の１波長板１３を含む構成の他、２分の１波長板１２のみを含み４分の１波長板１３を含まない構成であってもよい。
　後者の構成の周波数シフタは、第１光ビームおよび第２光ビームとして、光周波数が互いに異なる右回り円偏光成分および左回り円偏光成分が重ね合わされた光を生成して出力することができる。なお、右回り円偏光と左回り円偏光とは、偏光状態が直交している。
　周波数シフタの他の構成としては、電気光学変調素子または音響光学変調素子を用いた構成、光を２分岐して一方の分岐光を一定速度で移動するミラーで反射させた後に２つの分岐光を合波する構成、光を２分岐して一方の分岐光を一定速度で回転するラジアル回折格子により回折させた後に２つの分岐光を合波する構成、等がある。
　偏光が互いに直交する第１光ビームおよび第２光ビームを生成して出力するビーム生成部の構成としては、光源および周波数シフタを用いた構成の他、横ゼーマンレーザ光源を用いる構成、２個の外部共振器型レーザダイオードそれぞれから出力された互いに直交する偏光を有する光を合波する構成、等がある。
　光ヘテロダイン干渉法を用いることで、測定対象物（例えば透過型空間光変調器、水晶などの結晶、配向した液晶、ガラスなどの光弾性体）を光が透過する際のリタデーション（図１，図２）、測定対象物（例えば反射型空間光変調器）で光が反射する際のリタデーション、測定対象物での光の反射を利用した測定対象物（の反射面）の変位（図３）、測定対象物を光が透過する経路に沿った光路長の変化、測定対象物の屈折率変化、測定対象物の面形状、測定対象物の表面粗さ、等を測定することができる。
　測定対象物の表面粗さ、あるいは表面形状は、測定対象物の光の反射を利用した測定対象物の変位を面で測定すると求めることができる。また、測定対象物の屈折率変化とは、測定対象物の光の反射を利用した測定対象物の変位において、物理的距離が一定とした状態での光路長の変化に相当する。なお、リタデーション測定の場合には、光源と周波数シフタとの間の光路上に測定対象物を配置してもよい。
　図４は、Ｈｅ－Ｎｅレーザ光源から出力されるレーザ光に含まれる強度ノイズの周波数スペクトルの一例を示す図である。この図に示されるように、全体的に見れば周波数が高いほど強度ノイズが低くなる傾向がある一方で、近傍の強度ノイズレベルに対して強度ノイズが突出して大きいピーク周波数が存在する。例えば、商用電源の周波数６０Ｈｚ、この６０Ｈｚの整数倍の周波数、周波数３２０Ｈｚ、および、この３２０Ｈｚの整数倍の周波数は、各々の近傍の強度ノイズレベルに対して強度ノイズが突出して大きいピーク周波数である。
　図１～図３に示された光ヘテロダイン干渉測定装置１～３の構成において、ビーム生成部１０から出力される第１光ビームまたは第２光ビームに含まれる強度ノイズの周波数スペクトルにおけるピーク周波数は、レーザ光源１１から出力されるレーザ光に含まれる強度ノイズの周波数スペクトルにおけるピーク周波数と一致する。
　図５は、レーザ光源からの出力光がノイズを含まないとした理想的な場合にヘテロダイン干渉により得られる参照信号および測定信号それぞれの強度の時間的変化、ならびに、レーザ光源からの出力光がノイズを含む場合の出力光強度の時間変化を、模式的に示す図である。レーザ光源からの出力光の強度の時間変化は誇張して示されている。理想的な場合の参照信号および測定信号それぞれの強度の時間的変化は、理想的な正弦波形状を有する。
　図６は、図５に示されたようにレーザ光源からの出力光がノイズを含む場合にヘテロダイン干渉により得られる参照信号および測定信号それぞれの強度の時間的変化を模式的に示す図である。
　この図に示されるとおり、レーザ光源からの出力光がノイズを含む場合、参照信号および測定信号それぞれの強度の時間的変化は、一般に、理想的な正弦波形状を有することなく、ピークによって異なる歪んだ形状を有する。具体的には、参照信号および測定信号それぞれのピーク強度がピーク毎に異なっていたり、参照信号および測定信号それぞれのピーク周辺の形状が左右非対称になっていたりする。このような場合、測定信号および参照信号に基づいて位相を正確に求めることができない。
　次に、光ヘテロダイン干渉測定装置および光ヘテロダイン干渉測定方法において、図５および図６を用いて説明した上記問題を解消してノイズの影響を低減し得るヘテロダイン周波数ωｈの設定方法について説明する。
　図１０は、光ヘテロダイン干渉測定方法のフローチャートである。光ヘテロダイン干渉測定方法は、ビーム生成ステップＳ１、第１光検出ステップＳ２および演算ステップＳ３を備える。
　ビーム生成ステップＳ１では、ヘテロダイン周波数だけ光周波数が互いに異なり偏光が互いに直交する第１光ビームおよび第２光ビームを生成して出力する。また、ビーム生成ステップＳ１では、第１光ビームまたは第２光ビームに含まれる強度ノイズの周波数スペクトルにおいて時間的に一定である何れかのピーク周波数をωｐとしたとき、第１光ビームと第２光ビームとの間の光周波数の差であるヘテロダイン周波数をピーク周波数ωｐの有理数倍の値に設定する（設定ステップ）。
　第１光検出ステップＳ２では、第１光ビームと第２光ビームとのヘテロダイン干渉による強度の時間的変化を第１光検出器により検出して第１検出信号を出力する。演算ステップＳ３では、第１検出信号のうちヘテロダイン周波数で正弦波状に時間的に変化する成分の位相に基づいて測定対象物に関する情報を取得する。以下では、設定ステップについて詳細に説明する。
　設定ステップにおいて、設定部としてのコンピュータ７０は、ヘテロダイン周波数ωｈを所望値に設定して、その設定したヘテロダイン周波数ωｈだけ光周波数が互いに異なり偏光が互いに直交する第１光ビームおよび第２光ビームを生成して出力するようビーム生成部１０に対して指示する。
　具体的には、設定部（コンピュータ７０）は、ビーム生成部１０から出力された第１光ビームまたは第２光ビームに含まれる強度ノイズの周波数スペクトルにおいて時間的に一定である何れかのピーク周波数をωｐとしたとき、ヘテロダイン周波数ωｈをピーク周波数ωｐの有理数倍の値に設定する。図４に示された強度ノイズの周波数スペクトルにおいて、商用電源の周波数６０Ｈｚ、この６０Ｈｚの整数倍の周波数、周波数３２０Ｈｚ、および、この３２０Ｈｚの整数倍の周波数は、時間的に一定であるピーク周波数である。
　好適には、設定部は、ヘテロダイン周波数ωｈとピーク周波数ωｐとの比ωｈ／ωｐを有理数ｎ／ｍ（ただし、ｍ，ｎは公約数が１のみである正の整数）で表したとき、ｎが１０以下であるヘテロダイン周波数ωｈを設定する。より好適には、設定部は、ｎ＝１として、ヘテロダイン周波数ωｈを設定する。最も好適には、設定部は、ｎ＝ｍ＝１として、ヘテロダイン周波数ωｈをピーク周波数ωｐと同じ値に設定する。
　また、好適には、設定部は、ヘテロダイン周波数ωｈとピーク周波数ωｐとの比ωｈ／ωｐを有理数ｎ／ｍ（ただし、ｍ，ｎは公約数が１のみである正の整数）で表したとき、ｍが１０以下であるヘテロダイン周波数ωｈを設定する。より好適には、設定部は、ｍ＝１として、ヘテロダイン周波数ωｈを設定する。最も好適には、設定部は、ｎ＝ｍ＝１として、ヘテロダイン周波数ωｈをピーク周波数ωｐと同じ値に設定する。
　例えば、設定部は、ピーク周波数３２０Ｈｚの強度ノイズに着目し、ｎ＝１、ｍ＝４として、このピーク周波数の１／４倍である８０Ｈｚにヘテロダイン周波数を設定する。図７は、ヘテロダイン周波数８０Ｈｚのヘテロダイン信号（参照信号または測定信号）の強度の時間的変化、および、ピーク周波数３２０Ｈｚのノイズの強度の時間的変化を、模式的に示す図である。ノイズの強度の時間変化は誇張して示されている。
　この図に示されるように、ヘテロダイン信号のピーク強度が各ピークで一定となり、ヘテロダイン信号のピーク周辺の形状も各ピークで一定となる。これは、ノイズの影響が低減されていることを意味し、測定信号および参照信号に基づいて位相を正確に求めることができる。
　また、例えば、設定部は、ピーク周波数６０Ｈｚの強度ノイズに着目し、ｎ＝４、ｍ＝３として、このピーク周波数の４／３倍である８０Ｈｚにヘテロダイン周波数を設定する。図８は、ヘテロダイン周波数８０Ｈｚのヘテロダイン信号（参照信号または測定信号）の強度の時間変化を表す正弦波、および、ピーク周波数６０Ｈｚのノイズの強度の時間的変化を表す正弦波、を示す図である。
　この図に示されるように、８０Ｈｚのヘテロダイン信号のｎ周期分の時間は、６０Ｈｚの強度ノイズのｍ周期分の時間と等しい。
　したがって、８０Ｈｚのヘテロダイン信号のｎ周期を１セットとすれば、１セットにおけるノイズの影響は時間変化しない。次の１セットにおいてもノイズの影響を同じように受ける。図９は、８０Ｈｚのヘテロダイン信号の１周期毎のサンプリング番号と求められる位相との関係を示す図である。
　この図に示されるように、８０Ｈｚのヘテロダイン信号の１セット内の各周期で求められる位相は異なることになるが、８０Ｈｚのヘテロダイン信号の１セット内のｎ周期で位相の平均をとる必要はなく、複数のセットそれぞれにおいてノイズの影響を同じように受けている周期で位相を求めればよい。ただし、平均をとってもよい。
　すなわち、図９中に８０Ｈｚのヘテロダイン信号の周期毎に示されたサンプリング番号１，２，３，４，・・・のうち、サンプリング番号ｐ，ｐ＋ｎ，ｐ＋２ｎ，…，(ｐ＋ｑｎ)，・・・それぞれで求められた位相はノイズの影響を同じように受けているので、これらのサンプリング番号の位相を求めれば、ノイズの影響を低減することができる。ｐは１以上４以下の整数であり、ｑは正の整数である。一方、これと異なるサンプリング番号の位相を求めた場合、ノイズの影響を大きく受けることになる。
　なお、ｎの値が大きいと、ヘテロダイン周波数のわずかなゆらぎに対するノイズの影響の変化が大きくなってしまうので、好ましくない。このような観点から、好適にはｎは１０以下であり、より好適にはｎは１である。また、これと同じ観点から、好適にはｍは１０以下であり、より好適にはｍは１である。
　また、ヘテロダイン周波数をピーク周波数の有理数倍の値に設定した後に、微調整のために、ヘテロダイン周波数を少しずつ変化させながらリタデーションや変位のゆらぎが最も小さくなるヘテロダイン周波数を探索するのも好適である。
　光ヘテロダイン干渉測定装置および光ヘテロダイン干渉測定方法は、上述した実施形態および構成例に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。
　上記実施形態による第１態様の光ヘテロダイン干渉測定装置は、（１）ヘテロダイン周波数だけ光周波数が互いに異なり偏光が互いに直交する第１光ビームおよび第２光ビームを生成して出力するビーム生成部と、（２）第１光ビームおよび第２光ビームの双方または何れか一方が測定対象物で反射または透過した後に、第１光ビームと第２光ビームとのヘテロダイン干渉による強度の時間的変化を検出して第１検出信号を出力する第１光検出器と、（３）ビーム生成部から出力された第１光ビームまたは第２光ビームに含まれる強度ノイズの周波数スペクトルにおいて時間的に一定である何れかのピーク周波数をωｐとしたとき、ビーム生成部から出力される第１光ビームと第２光ビームとの間の光周波数の差であるヘテロダイン周波数をピーク周波数ωｐの有理数倍の値に設定する設定部と、（４）第１検出信号のうちヘテロダイン周波数で正弦波状に時間的に変化する成分の位相に基づいて測定対象物に関する情報を取得する演算部と、を備える。
　上記実施形態による第２態様の光ヘテロダイン干渉測定装置は、（１）測定対象物で反射または透過した光に基づいて、ヘテロダイン周波数だけ光周波数が互いに異なり偏光が互いに直交する第１光ビームおよび第２光ビームを生成して出力するビーム生成部と、（２）第１光ビームと第２光ビームとのヘテロダイン干渉による強度の時間的変化を検出して第１検出信号を出力する第１光検出器と、（３）ビーム生成部から出力された第１光ビームまたは第２光ビームに含まれる強度ノイズの周波数スペクトルにおいて時間的に一定である何れかのピーク周波数をωｐとしたとき、ビーム生成部から出力される第１光ビームと第２光ビームとの間の光周波数の差であるヘテロダイン周波数をピーク周波数ωｐの有理数倍の値に設定する設定部と、（４）第１検出信号のうちヘテロダイン周波数で正弦波状に時間的に変化する成分の位相に基づいて測定対象物に関する情報を取得する演算部と、を備える。
　上記の第１態様の測定装置は、ビーム生成部から出力された第１光ビームおよび第２光ビームを一括して２分岐して第１分岐光および第２分岐光として出力するビームスプリッタと、第２分岐光に含まれる第１光ビームと第２光ビームとのヘテロダイン干渉による強度の時間的変化を検出して第２検出信号を出力する第２光検出器と、を更に備え、第１光検出器は、ビームスプリッタから出力された第１分岐光に含まれる第１光ビームおよび第２光ビームの双方または何れか一方が測定対象物で反射または透過した後に、第１光ビームと第２光ビームとのヘテロダイン干渉による強度の時間的変化を検出して第１検出信号を出力し、演算部は、第１検出信号のうちヘテロダイン周波数で時間的に変化する成分の位相、および、第２検出信号のうちヘテロダイン周波数で時間的に変化する成分の位相に基づいて、測定対象物に関する情報を取得する構成としてもよい。
　上記の第１または第２態様の測定装置では、設定部は、ヘテロダイン周波数ωｈとピーク周波数ωｐとの比ωｈ／ωｐを有理数ｎ／ｍ（ただし、ｍ，ｎは公約数が１のみである正の整数）で表したとき、ｎが１０以下であるヘテロダイン周波数ωｈを設定する構成としてもよい。また、この場合、設定部は、ｎが１であるヘテロダイン周波数ωｈを設定する構成としてもよい。
　上記の第１または第２態様の測定装置では、設定部は、ヘテロダイン周波数ωｈとピーク周波数ωｐとの比ωｈ／ωｐを有理数ｎ／ｍ（ただし、ｍ，ｎは公約数が１のみである正の整数）で表したとき、ｍが１０以下であるヘテロダイン周波数ωｈを設定する構成としてもよい。また、この場合、設定部は、ｍが１であるヘテロダイン周波数ωｈを設定する構成としてもよい。
　上記の第１または第２態様の測定装置では、設定部は、ヘテロダイン周波数ωｈをピーク周波数ωｐと同じ値に設定する構成としてもよい。
　上記の第１または第２態様の測定装置では、演算部は、第１検出信号のうちヘテロダイン周波数で時間的に変化する成分の位相、および、ビーム生成部で生成されたヘテロダイン周波数で時間的に変化する電気信号の位相に基づいて、測定対象物に関する情報を取得する構成としてもよい。
　上記の第１または第２態様の測定装置では、ビーム生成部は、レーザ光源から出力されたレーザ光に基づいて第１光ビームおよび第２光ビームを生成して出力する周波数シフタを含む構成としてもよい。
　上記の第１または第２態様の測定装置では、演算部は、測定対象物に関する情報として、測定対象物のリタデーション、測定対象物の変位、測定対象物の屈折率変化、測定対象物の面形状および測定対象物の表面粗さのうち少なくとも１つの情報を取得する構成としてもよい。
　上記実施形態による第１態様の光ヘテロダイン干渉測定方法は、（１）ヘテロダイン周波数だけ光周波数が互いに異なり偏光が互いに直交する第１光ビームおよび第２光ビームを生成して出力するビーム生成ステップと、（２）第１光ビームおよび第２光ビームの双方または何れか一方が測定対象物で反射または透過した後に、第１光ビームと第２光ビームとのヘテロダイン干渉による強度の時間的変化を第１光検出器により検出して第１検出信号を出力する第１光検出ステップと、（３）ビーム生成ステップにおいて出力された第１光ビームまたは第２光ビームに含まれる強度ノイズの周波数スペクトルにおいて時間的に一定である何れかのピーク周波数をωｐとしたとき、ビーム生成ステップにおいて出力される第１光ビームと第２光ビームとの間の光周波数の差であるヘテロダイン周波数をピーク周波数ωｐの有理数倍の値に設定する設定ステップと、（４）第１検出信号のうちヘテロダイン周波数で正弦波状に時間的に変化する成分の位相に基づいて測定対象物に関する情報を取得する演算ステップと、を備える。
　上記実施形態による第２態様の光ヘテロダイン干渉測定方法は、（１）測定対象物で反射または透過した光に基づいて、ヘテロダイン周波数だけ光周波数が互いに異なり偏光が互いに直交する第１光ビームおよび第２光ビームを生成して出力するビーム生成ステップと、（２）第１光ビームと第２光ビームとのヘテロダイン干渉による強度の時間的変化を第１光検出器により検出して第１検出信号を出力する第１光検出ステップと、（３）ビーム生成ステップにおいて出力された第１光ビームまたは第２光ビームに含まれる強度ノイズの周波数スペクトルにおいて時間的に一定である何れかのピーク周波数をωｐとしたとき、ビーム生成ステップにおいて出力される第１光ビームと第２光ビームとの間の光周波数の差であるヘテロダイン周波数をピーク周波数ωｐの有理数倍の値に設定する設定ステップと、（４）第１検出信号のうちヘテロダイン周波数で正弦波状に時間的に変化する成分の位相に基づいて測定対象物に関する情報を取得する演算ステップと、を備える。
　上記の第１態様の測定方法は、ビーム生成ステップから出力された第１光ビームおよび第２光ビームをビームスプリッタにより一括して２分岐して第１分岐光および第２分岐光として出力する２分岐ステップと、第２分岐光に含まれる第１光ビームと第２光ビームとのヘテロダイン干渉による強度の時間的変化を第２光検出器により検出して第２検出信号を出力する第２光検出ステップと、を更に備え、第１光検出ステップにおいて、ビームスプリッタから出力された第１分岐光に含まれる第１光ビームおよび第２光ビームの双方または何れか一方が測定対象物で反射または透過した後に、第１光ビームと第２光ビームとのヘテロダイン干渉による強度の時間的変化を第１光検出器により検出して第１検出信号を出力し、演算ステップにおいて、第１検出信号のうちヘテロダイン周波数で時間的に変化する成分の位相、および、第２検出信号のうちヘテロダイン周波数で時間的に変化する成分の位相に基づいて、測定対象物に関する情報を取得する構成としてもよい。
　上記の第１または第２態様の測定方法では、設定ステップにおいて、ヘテロダイン周波数ωｈとピーク周波数ωｐとの比ωｈ／ωｐを有理数ｎ／ｍ（ただし、ｍ，ｎは公約数が１のみである正の整数）で表したとき、ｎが１０以下であるヘテロダイン周波数ωｈを設定する構成としてもよい。また、この場合、設定ステップにおいて、ｎが１であるヘテロダイン周波数ωｈを設定する構成としてもよい。
　上記の第１または第２態様の測定方法では、設定ステップにおいて、ヘテロダイン周波数ωｈとピーク周波数ωｐとの比ωｈ／ωｐを有理数ｎ／ｍ（ただし、ｍ，ｎは公約数が１のみである正の整数）で表したとき、ｍが１０以下であるヘテロダイン周波数ωｈを設定する構成としてもよい。また、この場合、設定ステップにおいて、ｍが１であるヘテロダイン周波数ωｈを設定する構成としてもよい。
　上記の第１または第２態様の測定方法では、設定ステップにおいて、ヘテロダイン周波数ωｈをピーク周波数ωｐと同じ値に設定する構成としてもよい。
　上記の第１または第２態様の測定方法では、演算ステップにおいて、第１検出信号のうちヘテロダイン周波数で時間的に変化する成分の位相、および、ビーム生成ステップで生成されたヘテロダイン周波数で時間的に変化する電気信号の位相に基づいて、測定対象物に関する情報を取得する構成としてもよい。
　上記の第１または第２態様の測定方法では、ビーム生成ステップにおいて、レーザ光源から出力されたレーザ光に基づいて周波数シフタにより第１光ビームおよび第２光ビームを生成して出力する構成としてもよい。
　上記の第１または第２態様の測定方法では、演算ステップにおいて、測定対象物に関する情報として、測定対象物のリタデーション、測定対象物の変位、測定対象物の屈折率変化、測定対象物の面形状および測定対象物の表面粗さのうち少なくとも１つの情報を取得する構成としてもよい。
　実施形態は、ノイズの影響を低減することができる光ヘテロダイン干渉測定装置および光ヘテロダイン干渉測定方法として利用可能である。
　１～３…光ヘテロダイン干渉測定装置、１０…ビーム生成部、１１…レーザ光源、１２…２分の１波長板、１３…４分の１波長板、１４…レーザドライバ、１５…モータ、１６…モータドライバ、２１…ビームスプリッタ、２２…偏光ビームスプリッタ、３１…ミラー、３３…４分の１波長板、４１…第１光検出器、４２…直線偏光板、５１…第２光検出器、５２…直線偏光板、５３…４分の１波長板、６０…ＡＤ変換部、７０…コンピュータ、９０…測定対象物。

Claims (22)

  1. 　ヘテロダイン周波数だけ光周波数が互いに異なり偏光が互いに直交する第１光ビームおよび第２光ビームを生成して出力するビーム生成部と、
    　前記第１光ビームおよび前記第２光ビームの双方または何れか一方が測定対象物で反射または透過した後に、前記第１光ビームと前記第２光ビームとのヘテロダイン干渉による強度の時間的変化を検出して第１検出信号を出力する第１光検出器と、
    　前記ビーム生成部から出力された前記第１光ビームまたは前記第２光ビームに含まれる強度ノイズの周波数スペクトルにおいて時間的に一定である何れかのピーク周波数をωｐとしたとき、前記ビーム生成部から出力される前記第１光ビームと前記第２光ビームとの間の光周波数の差である前記ヘテロダイン周波数を前記ピーク周波数ωｐの有理数倍の値に設定する設定部と、
    　前記第１検出信号のうち前記ヘテロダイン周波数で正弦波状に時間的に変化する成分の位相に基づいて前記測定対象物に関する情報を取得する演算部と、
    を備える、光ヘテロダイン干渉測定装置。
  2. 　測定対象物で反射または透過した光に基づいて、ヘテロダイン周波数だけ光周波数が互いに異なり偏光が互いに直交する第１光ビームおよび第２光ビームを生成して出力するビーム生成部と、
    　前記第１光ビームと前記第２光ビームとのヘテロダイン干渉による強度の時間的変化を検出して第１検出信号を出力する第１光検出器と、
    　前記ビーム生成部から出力された前記第１光ビームまたは前記第２光ビームに含まれる強度ノイズの周波数スペクトルにおいて時間的に一定である何れかのピーク周波数をωｐとしたとき、前記ビーム生成部から出力される前記第１光ビームと前記第２光ビームとの間の光周波数の差である前記ヘテロダイン周波数を前記ピーク周波数ωｐの有理数倍の値に設定する設定部と、
    　前記第１検出信号のうち前記ヘテロダイン周波数で正弦波状に時間的に変化する成分の位相に基づいて前記測定対象物に関する情報を取得する演算部と、
    を備える、光ヘテロダイン干渉測定装置。
  3. 　前記ビーム生成部から出力された前記第１光ビームおよび前記第２光ビームを一括して２分岐して第１分岐光および第２分岐光として出力するビームスプリッタと、
    　前記第２分岐光に含まれる前記第１光ビームと前記第２光ビームとのヘテロダイン干渉による強度の時間的変化を検出して第２検出信号を出力する第２光検出器と、
    を更に備え、
    　前記第１光検出器は、前記ビームスプリッタから出力された第１分岐光に含まれる前記第１光ビームおよび前記第２光ビームの双方または何れか一方が前記測定対象物で反射または透過した後に、前記第１光ビームと前記第２光ビームとのヘテロダイン干渉による強度の時間的変化を検出して第１検出信号を出力し、
    　前記演算部は、前記第１検出信号のうち前記ヘテロダイン周波数で時間的に変化する成分の位相、および、前記第２検出信号のうち前記ヘテロダイン周波数で時間的に変化する成分の位相に基づいて、前記測定対象物に関する情報を取得する、請求項１に記載の光ヘテロダイン干渉測定装置。
  4. 　前記設定部は、前記ヘテロダイン周波数ωｈと前記ピーク周波数ωｐとの比ωｈ／ωｐを有理数ｎ／ｍ（ただし、ｍ，ｎは公約数が１のみである正の整数）で表したとき、ｎが１０以下である前記ヘテロダイン周波数ωｈを設定する、請求項１～３の何れか１項に記載の光ヘテロダイン干渉測定装置。
  5. 　前記設定部は、ｎが１である前記ヘテロダイン周波数ωｈを設定する、請求項４に記載の光ヘテロダイン干渉測定装置。
  6. 　前記設定部は、前記ヘテロダイン周波数ωｈと前記ピーク周波数ωｐとの比ωｈ／ωｐを有理数ｎ／ｍ（ただし、ｍ，ｎは公約数が１のみである正の整数）で表したとき、ｍが１０以下である前記ヘテロダイン周波数ωｈを設定する、請求項１～５の何れか１項に記載の光ヘテロダイン干渉測定装置。
  7. 　前記設定部は、ｍが１である前記ヘテロダイン周波数ωｈを設定する、請求項６に記載の光ヘテロダイン干渉測定装置。
  8. 　前記設定部は、前記ヘテロダイン周波数ωｈを前記ピーク周波数ωｐと同じ値に設定する、請求項１～７の何れか１項に記載の光ヘテロダイン干渉測定装置。
  9. 　前記演算部は、前記第１検出信号のうち前記ヘテロダイン周波数で時間的に変化する成分の位相、および、前記ビーム生成部で生成された前記ヘテロダイン周波数で時間的に変化する電気信号の位相に基づいて、前記測定対象物に関する情報を取得する、請求項１～８の何れか１項に記載の光ヘテロダイン干渉測定装置。
  10. 　前記ビーム生成部は、レーザ光源から出力されたレーザ光に基づいて前記第１光ビームおよび前記第２光ビームを生成して出力する周波数シフタを含む、請求項１～９の何れか１項に記載の光ヘテロダイン干渉測定装置。
  11. 　前記演算部は、前記測定対象物に関する情報として、前記測定対象物のリタデーション、前記測定対象物の変位、前記測定対象物の屈折率変化、前記測定対象物の面形状および前記測定対象物の表面粗さのうち少なくとも１つの情報を取得する、請求項１～１０の何れか１項に記載の光ヘテロダイン干渉測定装置。
  12. 　ヘテロダイン周波数だけ光周波数が互いに異なり偏光が互いに直交する第１光ビームおよび第２光ビームを生成して出力するビーム生成ステップと、
    　前記第１光ビームおよび前記第２光ビームの双方または何れか一方が測定対象物で反射または透過した後に、前記第１光ビームと前記第２光ビームとのヘテロダイン干渉による強度の時間的変化を第１光検出器により検出して第１検出信号を出力する第１光検出ステップと、
    　前記ビーム生成ステップにおいて出力された前記第１光ビームまたは前記第２光ビームに含まれる強度ノイズの周波数スペクトルにおいて時間的に一定である何れかのピーク周波数をωｐとしたとき、前記ビーム生成ステップにおいて出力される前記第１光ビームと前記第２光ビームとの間の光周波数の差である前記ヘテロダイン周波数を前記ピーク周波数ωｐの有理数倍の値に設定する設定ステップと、
    　前記第１検出信号のうち前記ヘテロダイン周波数で正弦波状に時間的に変化する成分の位相に基づいて前記測定対象物に関する情報を取得する演算ステップと、
    を備える、光ヘテロダイン干渉測定方法。
  13. 　測定対象物で反射または透過した光に基づいて、ヘテロダイン周波数だけ光周波数が互いに異なり偏光が互いに直交する第１光ビームおよび第２光ビームを生成して出力するビーム生成ステップと、
    　前記第１光ビームと前記第２光ビームとのヘテロダイン干渉による強度の時間的変化を第１光検出器により検出して第１検出信号を出力する第１光検出ステップと、
    　前記ビーム生成ステップにおいて出力された前記第１光ビームまたは前記第２光ビームに含まれる強度ノイズの周波数スペクトルにおいて時間的に一定である何れかのピーク周波数をωｐとしたとき、前記ビーム生成ステップにおいて出力される前記第１光ビームと前記第２光ビームとの間の光周波数の差である前記ヘテロダイン周波数を前記ピーク周波数ωｐの有理数倍の値に設定する設定ステップと、
    　前記第１検出信号のうち前記ヘテロダイン周波数で正弦波状に時間的に変化する成分の位相に基づいて前記測定対象物に関する情報を取得する演算ステップと、
    を備える、光ヘテロダイン干渉測定方法。
  14. 　前記ビーム生成ステップから出力された前記第１光ビームおよび前記第２光ビームをビームスプリッタにより一括して２分岐して第１分岐光および第２分岐光として出力する２分岐ステップと、
    　前記第２分岐光に含まれる前記第１光ビームと前記第２光ビームとのヘテロダイン干渉による強度の時間的変化を第２光検出器により検出して第２検出信号を出力する第２光検出ステップと、
    を更に備え、
    　前記第１光検出ステップにおいて、前記ビームスプリッタから出力された第１分岐光に含まれる前記第１光ビームおよび前記第２光ビームの双方または何れか一方が前記測定対象物で反射または透過した後に、前記第１光ビームと前記第２光ビームとのヘテロダイン干渉による強度の時間的変化を前記第１光検出器により検出して第１検出信号を出力し、
    　前記演算ステップにおいて、前記第１検出信号のうち前記ヘテロダイン周波数で時間的に変化する成分の位相、および、前記第２検出信号のうち前記ヘテロダイン周波数で時間的に変化する成分の位相に基づいて、前記測定対象物に関する情報を取得する、請求項１２に記載の光ヘテロダイン干渉測定方法。
  15. 　前記設定ステップにおいて、前記ヘテロダイン周波数ωｈと前記ピーク周波数ωｐとの比ωｈ／ωｐを有理数ｎ／ｍ（ただし、ｍ，ｎは公約数が１のみである正の整数）で表したとき、ｎが１０以下である前記ヘテロダイン周波数ωｈを設定する、請求項１２～１４の何れか１項に記載の光ヘテロダイン干渉測定方法。
  16. 　前記設定ステップにおいて、ｎが１である前記ヘテロダイン周波数ωｈを設定する、請求項１５に記載の光ヘテロダイン干渉測定方法。
  17. 　前記設定ステップにおいて、前記ヘテロダイン周波数ωｈと前記ピーク周波数ωｐとの比ωｈ／ωｐを有理数ｎ／ｍ（ただし、ｍ，ｎは公約数が１のみである正の整数）で表したとき、ｍが１０以下である前記ヘテロダイン周波数ωｈを設定する、請求項１２～１６の何れか１項に記載の光ヘテロダイン干渉測定方法。
  18. 　前記設定ステップにおいて、ｍが１である前記ヘテロダイン周波数ωｈを設定する、請求項１７に記載の光ヘテロダイン干渉測定方法。
  19. 　前記設定ステップにおいて、前記ヘテロダイン周波数ωｈを前記ピーク周波数ωｐと同じ値に設定する、請求項１２～１８の何れか１項に記載の光ヘテロダイン干渉測定方法。
  20. 　前記演算ステップにおいて、前記第１検出信号のうち前記ヘテロダイン周波数で時間的に変化する成分の位相、および、前記ビーム生成ステップで生成された前記ヘテロダイン周波数で時間的に変化する電気信号の位相に基づいて、前記測定対象物に関する情報を取得する、請求項１２～１９の何れか１項に記載の光ヘテロダイン干渉測定方法。
  21. 　前記ビーム生成ステップにおいて、レーザ光源から出力されたレーザ光に基づいて周波数シフタにより前記第１光ビームおよび前記第２光ビームを生成して出力する、請求項１２～２０の何れか１項に記載の光ヘテロダイン干渉測定方法。
  22. 　前記演算ステップにおいて、前記測定対象物に関する情報として、前記測定対象物のリタデーション、前記測定対象物の変位、前記測定対象物の屈折率変化、前記測定対象物の面形状および前記測定対象物の表面粗さのうち少なくとも１つの情報を取得する、請求項１２～２１の何れか１項に記載の光ヘテロダイン干渉測定方法。
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