[发明专利]双正交衍射光栅计量系统及其构成的共基面扫描工作台

说明书

技术领域

本发明涉及精密测量领域，具体涉及一种双正交衍射光栅计量系统及其应用的共基面扫描工作台，主要运用于三维表面形貌测量，也可应用于精密加工、半导体光刻、微型装配等需要精密工作台协同运动的领域。

背景技术

运动平面稳定可靠和定位精度高的二维扫描工作台是三维表面形貌测量仪器的重要组成部分。现有表面测量仪器中二维扫描工作台多采用两套导轨、丝杠和电机组成的一维驱动定位结构叠加组合而成，工作台的二维定位计量也是采用两套计量系统，如精密光栅、激光干涉仪等分别实现计量。这样的结构和计量安排存在着一些需要解决的问题。首先，这些二维扫描工作台，通过相互独立且相互间具有相当垂直距离的x、y直线导轨，形成三维测量的平面基准。这种形式由于工艺上难以实现双向导向基准的统一，各自的精度特性、刚度特性、承载状况都不一样，从而难以实现高的平面基准精度。同时由于工作台面离导轨驱动轴和导向面的垂直距离大，阿贝误差不可避免。虽然现在也出现一些基于共基面的二维工作台的科研成果，但大多是基于磁悬浮技术或气浮导轨，往往结构复杂，造价昂贵。另一方面，现有的工作台x、y方向计量系统独立安装，一个方向的计量系统只能完成该方向的位移计量，而该方向运动中由于导轨误差引入的工作台整体在另一方向的位置变化则得不到计量，必然形成定位误差，从而使得二维计量很难达到高的定位精度要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种双正交衍射光栅二维同步计量系统，同时检测两个方向的位移，提高了二维定位精度。

本发明的另一目的在于提供一种采用上述计量系统构成的共基面扫描工作台，同时检测两个方向的位移，并从机械结构上统一了横向和纵向的导向面，从而实现高的平面基准精度。

双正交衍射光栅二维同步计量系统，包括静光栅座4和位于其下方的动光栅座5，在静光栅座4和动光栅座5上分别安装有第一，第二正交衍射光栅11a，11b，正交衍射光栅是刻蚀有双向正交栅线的光栅，第一正交衍射光栅11a的工作面位于第二正交衍射光栅11b工作面的正上方，两光栅的对应栅线平行；静光栅座4上设有激光源，激光源发出的光垂直入射第一正交衍射光栅11a的工作面，并透射到第二正交衍射光栅11b的工作面上，最终被一光电接收器接收。

采用上述计量系统构成的共基面扫描工作台，包括双正交衍射光栅二维同步计量系统和共基面二维位移机构；共基面二维位移机构包括共基面平台210，共基面平台210上安装有一对x向平行放置的x向导轨和一对y向平行放置的y向导轨；双正交衍射光栅二维同步计量系统的动光栅座5安装在x向导轨的滑块上，动光栅座5连接x向滚珠丝杠107，其在x向驱动电机的带动下沿x向运动；共基面平台210连接y向滚珠丝杠207，另有一固定支撑架2通过连接y向导轨的滑块与共基面平台210连接，共基面平台210在y向驱动电机的带动下沿y向运动；动光栅座5上安装有目标工作台3。

本发明的有益效果在：

本发明公开的双正交衍射光栅计量系统，能够实现x-y向同步位移，保证较高的二维定位精度。该系统的主要特征是能同步检测到x、y两个方向的位移变化，比两个方向单独检测的计量系统更智能、方便，且当工作台沿x方向运动时，若有y方向的位移误差，双正交衍射光栅计量系统在对x方向进行反馈控制的同时亦能检测到y方向上的位置变化，从而通过y方向的驱动控制补偿在工作台y方向上的误差，实现高的二维定位精度。以光栅刻线密度为1200/mm为例，该系统计量初始分辨率能达到1μm，软件细分后分辨率优于0.01μm。

应用上述双正交衍射光栅计量系统的扫描工作台可以方便使用在三维表面形貌测量仪器上，成本低，机械结构简单，行程范围大，x、y导向面统一、易于形成稳定可靠的测量基准面，通过双正交衍射光栅同步测量二维位移信号的反馈闭环控制可以达到较高的二维定位精度。扫描工作台的共导向面导轨安装结构，结构形式简单，x导向面与y导向面位于同一平面上由于在结构上实现双向导轨处于同一平面，易于实现测点与工作台导轨驱动、定位和计量系统间较小的垂直距离，最大程度减小了测点定位的阿贝误差，其目标工作台运动基准面误差远小于由双层导向面叠加而成的目标工作台运动运动基准面。有效测量的行程范围大，可达25mm×25mm，计量分辨率细分后可优于0.01μm，定位分辨率、定位精度、重复定位精度分别能达到0.1μm、1μm、0.5μm。

附图说明

图1是本发明工作台的整体结构示意图。

图2是本发明工作台的俯视图。

图3是图2的A--A剖视图。

图4是共基面导轨安装结构示意图。