自带计量标准器的二维位移工作台研究

　　在半导体光刻、微型机械、精密测量、超精密加工、微型装配、生物细胞操纵和纳米技术等领域,需要高性能的超精密定位工作台.国外在微位移工作台方面的研究比较多,但高精度、大量程工作台一般采用激光干涉仪进行位移检测[1,2],不仅价格昂贵,而且容易产生较大的阿贝误差,设备调试困难.国内也已开始从事这方面的工作[3,4],研制出行程在几十μm至几十mm的一维精密工作台,定位精度达到0.1μm.但目前国内行程在几十mm的二维精密工作台研制的还比较少.为此,本文提出利用平面正交衍射光栅为计量标准器,对工作台两个方向的位移进行测量的方法,以满足实际应用中大行程与高精度的要求.

　　1　正交衍射光栅的工作原理

　　一般的衍射光栅只能检测一个方向的位移,而平面正交衍射光栅能同时检测两个方向的位移,其工作原理如图1所示:由激光器发出的光束进入平面正交衍射光栅,经光栅一次衍射后沿X向、Y向形成四束衍射光线+1(x)、-1(x)与+1(y)、-1(y),通过置于四侧直角棱镜的反射,分别会聚于光栅另外两点,再次发生衍射后,产生的(- 1,- 1) (x)、(+ 1,+ 1) (x)与(- 1,-1)(y)、(+1,+1)(y)级四束二次衍射光线,沿光栅法线方向传播[5],两两形成干涉条纹,进入光电探测器.由于X和Y向干涉条纹所产生的相移与光栅沿X或Y方向位移成正比,因而通过检测干涉条纹的相移就可以得到X或Y向的位移.

　　x为沿光电阵列面方向的坐标.

　　两束二次衍射光为近似平面光,假设两束光的倾角为2ε,中心位置为o,由衍射光栅的性质可知:当光栅常数为g的光栅在某个方向产生一个相对位移d时,根据激光的传播特性,去掉初相位的影响后,两束光合成光强度分布为:

　　式(1)表示当光栅静止时,在光电探测器处形成有明暗相间的干涉条纹,当光栅移动了一个光栅节距时,干涉条纹相位变化8π,即4个条纹常数.在此基础上,如果光电探测器采用四象限光电阵列,并把光电阵列面置于适当的位置,使光电阵列各相邻两个象限之间接收到的相位相差为π/2,则可以得到4个相差π/2的光强信号,通过对此4个信号的差分、判向、计数与细分处理,就得到了条纹的整体相位变化情况.

　　2　工作台的结构及光路布置

　　为了得到高精度、宽范围的工作台,工作台采用粗定位与细定位结构相结合的方法进行设计,其中粗定位工作台又分为内外两层移动工作台,由直流伺服电机驱动.细定位工作台是在一个平面上布置内外两层柔性铰支机构,在压电微位移器驱动下,可产生相互正交的运动.细定位工作台的内层作为目标工作台与正交衍射光栅通过刚性固连在一起,光栅随目标工作台的移动而移动,整个光路结构与光电接收装置布置在工作台下方,其内部整体结构如图2所示.