用于定位物体的定位系统
阅读说明：本技术 用于定位物体的定位系统 (Positioning system for positioning an object ) 是由 伦斯·亨塞尔曼斯 于 2020-02-07 设计创作，主要内容包括：用于定位物体的定位系统,其中定位系统包括堆叠载物台系统,其中堆叠载物台系统是在基准表面上可移动的,其中堆叠载物台系统包括：驱动系统,用于驱动堆叠载物台系统；第一载物台,其布置成沿着与基准表面的平面平行的驱动平面被驱动；主载物台,用于支撑物体,其中主载物台布置在被驱动的第一载物台上,以用于沿着驱动平面移动主载物台；其中主载物台系统包括旋转驱动系统,并且其中旋转驱动系统布置成用于围绕平行于与驱动平面垂直的平面外方向的轴线相对于第一载物台旋转主载物台；以及其中主载物台相对于第一载物台沿平面外方向是可移动的,并且其中主载物台还包括支撑轴承,支撑轴承布置成沿平面外方向将主载物台可移动地支撑在基准表面上。(A positioning system for positioning an object, wherein the positioning system comprises a stack stage system, wherein the stack stage system is movable on a reference surface, wherein the stack stage system comprises: a drive system for driving the stacking stage system; a first stage arranged to be driven along a drive plane parallel to the plane of the reference surface; a main stage for supporting the object, wherein the main stage is arranged on a driven first stage for moving the main stage along a drive plane; wherein the primary stage system comprises a rotational drive system, and wherein the rotational drive system is arranged for rotating the primary stage relative to the first stage about an axis parallel to an out-of-plane direction perpendicular to the drive plane; and wherein the primary stage is movable in an out-of-plane direction relative to the first stage, and wherein the primary stage further comprises a support bearing arranged to movably support the primary stage on the reference surface in the out-of-plane direction.)
技术领域
本发明涉及定位系统，尤其是用于光学测量系统以在最小的平面外位置误差的情况下向诸如传感器、工具或工件的物体提供平面内平移和旋转。
背景技术
诸如透镜的传统光学元件包括传统光学表面，传统光学表面是球面的或具有旋转对称的非球面。传统上，这些类型的旋转对称透镜用于光学系统的设计和构造。自由曲面形成了用于设计和制造光学元件的相对最新的发展，并且可以被限定为没有旋转不变性轴的表面。由此，可以形成更复杂、规则和不规则的表面几何形状并将其整合到光学系统中。由于光学系统设计的自由度增加，与传统的光学系统相比，它允许构建更紧凑和更轻的光学系统，具有更高的性能。
为了最大限度地发挥这种相对新的技术的潜力，这种自由曲面的制造和测量必须与设计能力保持同步。显然，设计可以如对应的设计理论和计算能力所允许的那样复杂地应用这些设计。然而，如果不能制作和测量这些设计，则不能实现全部潜力。
光学元件的表面质量和几何形状描述了其光学设计，并且还考虑透镜缺陷，诸如成形误差，例如划痕、碎裂、孔或夹杂物。几何结构中的缺陷或偏差会使图像失真，降低系统的光学吞吐量并散射漫射光，由此降低光学系统的性能。在与传统光学元件相比时，用于测量自由曲面的表面质量和几何形状的测量系统需要能够考虑到光学元件的表面中的更多变化。由此，测量系统需要能够以更大的自由度移动，以便跟踪表面的变化。为了实现这一点，用于自由形状光学元件的计量系统通常包括相对复杂(和昂贵)的堆叠载物台系统(stacked stage system)，包括用于保持光学测量探针和/或待测光学元件的多个高精度载物台。这种系统例如公开在欧洲专利申请EP 1519 144 A1中。
光学测量探针相对于被测量物体的总定位误差需要尽可能小。需要测量探针的平移和旋转以将其垂直于凸形或凹形光学器件对齐。因此，沿垂直于光学元件表面的方向的定位误差是最关键的，并且需要在纳米(nm)范围内。该方向与堆叠载物台的平面内方向对齐，其中可以例如根据EP 1519 144 A1来测量位置。
典型地用于沿平面内方向定位的线性和旋转载物台的精度可分为平面内误差和平面外误差，平面内误差主要源于引导系统中的驱动系统的精度和(由于例如生产导致的)公差，平面外误差归因于在引导系统中的公差。
在堆叠载物台的平面外方向上，也应用关于平面外定位的非常严格的准则。由于载物台通常被堆叠，各载物台的定位误差被求和，从而导致取决于所有底层载物台的定位误差的总平面外定位误差。为了满足特别是平面外定位误差的要求，需要具有极低的平面内和平面外定位误差的大型和昂贵的空气轴承支撑载物台。这又导致用于测量自由形状光学元件表面的大型、重型和昂贵的计量系统。
发明内容
除了其它目标之外，本发明的目标是获得改进的、更紧凑的和/或更高效的堆叠载物台定位系统，尤其是用于具有减小的定位误差的光学测量系统，和/或其中至少部分地缓解上述问题中的至少一个。
该目标以及其它目标由用于对诸如传感器、工具和/或工件的物体、特别是光学测量系统中的物体进行定位的定位系统来实现，其中该定位系统包括堆叠载物台系统，其中堆叠载物台系统是在基准表面上可移动的，其中堆叠载物台系统包括：
驱动系统，用于驱动堆叠载物台系统；
第一载物台，其布置成沿着与基准表面的平面平行的驱动平面被驱动；
主载物台，用于支撑物体，其中主载物台布置在被驱动的第一载物台上，以用于沿着驱动平面移动主载物台；
其中主载物台系统包括旋转驱动系统，并且其中旋转驱动系统布置成用于围绕平行于与驱动平面垂直的平面外方向的轴线相对于第一载物台旋转主载物台的测量单元；以及
其中主载物台相对于第一载物台沿平面外方向是可移动的，并且其中主载物台还包括支撑轴承，支撑轴承布置成沿平面外方向将主载物台可移动地支撑在基准表面上。
由于主载物台相对于第一载物台沿平面外方向是可移动的，所以它的沿平面外方向的位置精度不取决于堆叠系统中下层载物台的平面外位置精度。而是，相对于基准表面，主载物台的平面外位置精度以及由此物体(诸如传感器、工具和/或工件，特别是光学测量系统中的待测物体和/或测量探头)的平面外位置精度取决于具有基准框架的支撑轴承的平面外位置精度。
换句话说，在传统的堆叠载物台系统中，沿堆叠中的最终载物台的平面外方向的误差包括所有下层载物台的对应定位误差的总和，因此需要包括例如具有非常低定位误差的高精度空气轴承的昂贵和重的高精度载物台。然而，通过借助于支撑轴承将主载物台支撑在基准表面上，有效地获得具有改进的精度的载物台系统。由于主载物台的平面外精度由基准表面上的支撑轴承确定，所以可以在堆叠中使用具有更高的平面外定位误差的更便宜和更紧凑的载物台(例如包括简单的滚子轴承)，同时仍然实现主载物台的目标平面外精度。
优选地，主载物台直接支撑在基准表面上，使得主载物台沿平面外方向的相对位置由所述轴承确定。更优选地，由于主载物台相对于其他载物台沿平面外方向是可移动的，所以主载物台的平面外位置不由定位系统中的第一载物台或其他载物台的平面外位置确定。主载物台优选地是刚性的，或者包括刚性区段，使得能够布置在主载物台上的(光学)测量探针和/或待测物体与将主载物台支撑在基准表面上的支撑轴承之间保持预定的和/或恒定的距离。附加地或可选地，主载物台包括线性驱动系统，其中线性驱动系统布置成用于相对于驱动平面沿平面外方向移动主载物台的测量单元和/或待测物体。这允许沿平面外方向精确地可移动地定位测量单元载物台和/或待测物体。当主载物台沿平面外方向上与下层载物台分离时，主载物台沿平面外方向的定位精度与下层载物台的平面外定位精度无关，从而有效地取消了对下层载物台的平面外定位精度的任何严格要求。
由于自由形状的光学元件包括可以是凸形或凹形的表面，因此对于诸如传感器、工具和/或工件的物体，特别是对于光学测量系统中的待测物体和/或测量探针，具有旋转自由度是有利的，由此允许传感器保持垂直于表面。主载物台可相对于第一载物台旋转。然后，主载物台相对于第一载物台沿平面外方向是可移动的，并且相对于所述第一载物台是可旋转的。然而，也可以提供没有这种旋转驱动系统的定位系统。然后，通过将主载物台可移动地支撑在基准表面上，仍然获得高的平面外精度。
如上所述的定位系统特别适合于高精度机器，例如包括多个载物台(优选地，多个堆叠载物台)的通用定位系统，这些载物台要求沿平面内方向在不同物体(诸如工件、工具和/或传感器)之间进行精确的相对定位和/或移动，同时要求沿平面外方向的精确的相对位置。由此，定位系统特别适合于光学测量系统，该光学测量系统要求沿平面内方向相对于(光学)测量探针精确定位和/或移动待测量的(自由形状)光学元件，同时沿平面外方向保持精确的相对位置。
在优选实施例中，第一载物台包括用于容纳主载物台的支撑轴承的中心开口。由此，主载物台位于第一载物台内的中心，使得主载物台被第一载物台包围并且能够容易地由第一载物台沿平面内方向驱动。优选地，支撑件延伸穿过第一载物台中的开口，从而在基准表面上实现稳定和有效的支撑。
在优选实施例中，堆叠载物台系统还包括第二载物台，第二载物台布置成沿着与基准表面的平面平行的平面被驱动，其中第一载物台布置在第二载物台上，其中第一载物台布置成用于沿第一方向移动，第二载物台布置成用于沿垂直于第一方向的第二方向移动。在这种设置中，两个载物台优选地布置成仅沿单个方向移动，同时仍使主载物台能够在整个2D平面上移动。这些载物台可以是例如相对简单的1D线性载物台，使得获得不那么复杂且不那么贵的定位系统。虽然载物台的位移方向不是必须彼此垂直，但是其中载物台彼此垂直安装的设置确实具有以下优点，即对于主载物台的平面内定位，可以单独控制第一载物台和第二载物台，由此简化驱动这种定位系统所需的控制系统。
该设置不限于线性载物台，而是可以包括所有类型的载物台。作为示例，第二载物台可以是布置成围绕平行于平面外方向的轴线旋转的旋转载物台，而在该示例中布置在第二载物台顶部的第一载物台将是线性载物台，使得可以驱动主载物台在所有平面内方向上移动。
还应当注意，在传统的堆叠载物台定位系统中，第二载物台的平面外定位误差将添加到第一载物台的平面外定位误差中，使得难以(且昂贵地)满足对平面外定位精度的严格要求。事实上，在堆叠载物台系统中堆叠的载物台越多，就会开始累积越多的不精确度，并且它将变得越难满足位置精度要求。因此，即使在靠近主载物台的两个另外的堆叠载物台的设置中，主载物台也将被支撑在基准表面上，使得主载物台的平面外位置由基准表面指示，并且不会或至少几乎不会受到两个其它载物台的平面外方向上的任何位置误差的影响。
进一步提及的是，虽然本发明在堆叠多载物台系统中特别有利，但是在基准表面上支撑主载物台也可以提高没有或仅具有有限堆叠构造(或者换句话说，仅包括主载物台和第一载物台)的多载物台定位系统的精度。
在优选实施例中，支撑轴承包括空气轴承，优选用于在基准表面和支撑轴承的下端之间形成加压气体薄膜。空气轴承的使用允许对支撑轴承的底表面相对于基准表面的平面外位移进行精确的位置控制，同时优选地在三个自由度上获得支撑轴承和支撑表面之间的低摩擦。由于支撑轴承支撑主载物台(优选地直接支撑主载物台)，获得沿主载物台的平面外方向的非常低的定位误差。
在另一优选实施例中，定位系统包括预负荷子系统，该预负荷子系统布置成用于将主载物台朝向基准表面偏压，优选地用于将支撑轴承朝向基准表面偏压。因此，支撑轴承相对于基准表面的平面外位置保持基本恒定，使得主载物台相对于基准表面的平面外位置也保持基本恒定，并且可以获得所需的位置精度。
优选地，预负荷子系统布置在第一载物台上，以用于将支撑轴承从第一载物台朝向基准表面偏压。通过将预装载子系统布置在第一载物台上，预装载系统布置成与主载物台一起移动，从而避免预装载子系统和主载物台之间沿平面内方向的相对移动，并允许预装载子系统的不那么复杂的构造。可选地或者附加地，优选的是，定位系统包括布置在支撑轴承和第一载物台之间的偏压元件。这种偏压元件的示例例如是螺旋弹簧、空气(或液压)活塞、弹性元件和任何其他类型的元件，它们可以施加力以朝向基准表面推动支撑轴承。任何这些方案都可以有效地抑制支撑轴承和基准表面之间的不希望的相对运动，从而满足对主载物台的定位精度的严格要求。注意，除了第一载物台之外，预装载子系统还可以布置在下层载物台中的一个上，尽管这要求预装载子系统布置成允许预装载子系统和主载物台之间沿平面内方向中的至少一个的相对运动。这种设置的优点是由于偏压支撑轴承而在叠层中的较低载物台引入反作用力。因此，可能相对较大的反作用力仅需要通过叠层中有限数量的载物台传递。
在包括预负荷子系统的任何实施例中，进一步优选的是，在预负荷子系统和第一载物台之间设置旋转轴承，由此旋转轴承优选地布置成允许预负荷系统围绕平行于平面外方向的轴线相对于第一载物台的相对旋转。如果主载物台绕平行于平面外方向的轴线相对于第一载物台旋转，则在预负荷子系统中也将发生相对旋转。然后优选的是，在预装载子系统和第一载物台之间设置轴承，使得预装载子系统布置成与主载物台一起旋转。从而确保了预负荷子系统的可靠操作，同时使由于主载物台的相对旋转引起的摩擦损失最小化。
可选地或附加地，优选的是，预装载子系统包括用于在第一载物台和支撑轴承之间供应气体的气体系统。优选地，第一载物台和支撑轴承中的一者包括活塞缸，以用于容纳第一载物台和支撑轴承活塞中的另一者的活塞，其中气体系统布置成在活塞缸中供应气体。通过调节到预负荷子系统的气体供应，可以调节支撑轴承被推向基准表面的力。
在包括预负荷子系统的任何实施例中，进一步优选的是，预负荷子系统包括吸引装置，优选的是用于在支撑轴承和基准表面之间产生真空的真空系统。通过在支撑轴承和基准表面之间提供真空，支撑轴承也将受到牵引力的推动，从而朝向基准表面偏压。附加地或可选地，优选的是，预负荷子系统包括至少一个磁性元件作为用于在支撑轴承和基准表面之间产生磁力的吸引装置。在支撑轴承和基准表面之间再次产生牵引力，由此支撑轴承被推向基准表面。在例如在第一载物台和主载物台之间没有足够的空间用于安装预负荷系统的部件的情况下，基于牵引力的变型可以是将支撑轴承朝向基准表面偏压的吸引解决方案。
在优选实施例中，定位系统还包括布置在第一载物台和主载物台之间的旋转轴承和布置成在主载物台或第一载物台中的至少一者上柔性地支撑旋转轴承的至少柔性区段，以用于允许主载物台和第一载物台之间沿平面外方向的相对运动。柔性区段布置成用于固定地保持轴承，由此仍然允许沿平面外方向移动。这使得能够实现分离第一载物台和主载物台的平面外运动所需的相对运动。因此，旋转轴承可仅用于允许主载物台的旋转运动。否则需要更复杂或更不可靠的滚子、空气或滑动轴承来允许旋转和平面外方向。
进一步优选的是，柔性区段包括至少两个平行的板簧元件，其中板簧元件基本上平行于基准表面布置，并且其中板簧布置成沿平面外方向看时彼此隔开一定距离。可选地或附加地，通过仔细设计柔性区段和平行的板簧元件，通过板簧元件的弹性变形产生沿基准表面方向的推力。因此，柔性区段产生预负荷子系统通常将产生的推力的至少一部分。这可以显著降低预负荷子系统的复杂性，或者甚至消除对预负荷子系统的需要。
可选地，柔性区段布置成当处于静止位置时在至少平面外方向上基本上无负荷，其中堆叠载物台系统布置在基准表面上并且主载物台支撑在基准表面上。因此，基本上没有平面外(反作用)力被柔性区段引入到靠近主载物台的第一载物台和/或主载物台上，因为这些可能导致变形，导致定位精度的降低。优选地，柔性区段围绕其静止位置的刚度基本上为零，使得与由预负荷系统产生的预负荷力相比，在载物台系统的驱动期间发生的任何变形基本上更低，优选地低100倍，更优选地低1000倍。因此，可以减少或最小化靠近主载物台的干扰。
在优选实施例中，驱动系统包括精密驱动件，诸如滚珠丝杠主轴或线性马达或平面马达。可以沿平面内方向精确地驱动这些精密驱动件，从而获得沿平面内方向和平面外方向具有非常低的定位误差的定位系统。
该目标以及其它目标也由用于确定待测物体(诸如(自由形状)光学元件)的几何性质的测量系统来实现，其中，测量系统包括测量单元(特别是(光学)测量探针)和定位系统(特别是根据前述实施例中的任何一个)，以用于将物体和测量单元中的一者相对于物体和测量单元中的另一者定位；
其中定位系统包括堆叠载物台系统，其中堆叠载物台系统是在基准表面上可移动的，其中堆叠载物台系统包括：
驱动系统，用于驱动堆叠载物台系统；
第一载物台，其布置成沿着与基准表面的平面平行的驱动平面被驱动；
主载物台，用于支撑物体，其中主载物台布置在被驱动的第一载物台上，以用于沿着驱动平面移动主载物台；
其中主载物台相对于第一载物台沿平面外方向是可移动的，并且其中主载物台还包括支撑轴承，支撑轴承布置成沿平面外方向将主载物台可移动地支撑在基准表面上。
因此，获得了包括定位系统的测量系统，可以采用更便宜和更紧凑的载物台，并且沿平面内外方向具有改进的定位精度。
在测量系统的优选实施例中，主载物台系统包括旋转驱动系统，并且其中旋转驱动系统被布置成用于围绕平行于与驱动平面垂直的平面外方向的轴线相对于第一载物台旋转主载物台。旋转驱动系统在测量可以是凸形的和凹形的自由形状物体(诸如自由形状光学元件)的几何性质时是有益的，因为其允许保持传感器垂直于待测表面。
附图说明
以下附图进一步示出了本发明，示出了根据本发明的定位系统的优选实施例，并且不旨在以任何方式限制本发明的范围，在附图中：
图1以正视图示意性地示出了现有技术的定位系统。
图2以正视图示意性地示出了根据本发明的定位系统的实施例。
图3以正视图示意性地示出了根据本发明的定位系统的非对称实施例。
图4以正视图示意性地示出了根据本发明的定位系统的壁装式实施例。
图5以正视图示意性地示出了根据本发明的定位系统的实施例，该定位系统包括具有压缩弹簧的预负荷系统。
图6以正视图示意性地示出了根据本发明的定位系统的实施例，该定位系统包括具有真空系统的预负荷系统。
图7以正视图示意性地示出了根据本发明的包括磁预负荷系统的定位系统的实施例。
图8以正视图示意性地示出了根据本发明的定位系统的备选实施例。在该实施例中，使用衬套将主载物台安装到第一载物台上。
具体实施方式
图1示出了包括根据现有技术的堆叠载物台系统1的定位系统。注意，仅示出了导轨；驱动系统可以是任何类型的，诸如直接驱动、丝杠、滚珠丝杠等。堆叠系统1包括三个堆叠载物台，布置在基准表面2上的线性X载物台3，布置在X载物台3上的线性Y载物台4，以及借助于轴承6布置在线性Y载物台4上并布置成围绕垂直于基准表面2的旋转轴线51旋转的旋转θ载物台5。由于生产公差、表面粗糙度等，这些载物台通常具有一些定位误差。因此，由于堆叠，堆叠载物台的定位精度取决于下层载物台的定位精度。
因此，线性X载物台3的平面外方向上的定位误差取决于其自身的孤立定位误差和导向，该孤立定位误差是其X位置∈x(X)和基准表面的表面质量的函数，该导向为载物台在∈rf(X，Y)上运行，该∈rf(X，Y)又是基准表面的平面内位置的函数。因此，X载物台3的总定位误差∈3(∈x，∈rf)是载物台本身的孤立定位误差以及下方基准表面的表面质量的函数。因此，一般可以说以下通常成立：
max(|∈3|)≥max(|∈rf|，|∈x|)，
或者换句话说，布置在基准表面上的X载物台的最大绝对平面外定位误差通常大于载物台本身的最大绝对平面外定位误差，或者大于下面的基准表面的表面质量。因此，仅当将更多载物台添加到堆叠时，才会增加最大绝对平面外定位误差。因此，如果添加Y载物台4：
max(|∈4|)≥max(|∈3|，|∈Y|)，
其中∈Y是孤立Y载物台的平面外定位误差，并且∈4是在Y载物台处的总平面外定位误差。通过添加旋转θ载物台5：
max(|∈5|)≥max(|∈4|，|∈θ|)，
其中∈θ是孤立旋转θ载物台的平面外定位误差，并且∈5是旋转θ载物台的总平面外定位误差。因此，定位误差倾向于通过更多载物台的堆叠而增加。
图2示意性地示出了定位系统的实施例。在该实施例中，示出了第一载物台13和第二载物台14，它们布置成分别沿着构成平行于基准表面2的平面内方向的X方向和Y方向移动。因此，第一载物台13也称为X载物台13，第二载物台14也称为Y载物台14。通常也称为表面板的基准表面2通常是经过机械加工以满足严格的平整度和表面粗糙度要求的大型花岗岩块或板。X载物台13设置在基准表面2的项部。在该具体示例中，X载物台13包括已定位在基准表面2上的诸如导轨等的引导构件131，以及在该引导构件131上方行进的可移动滑架132。Y载物台14布置在X载物台13上，并且布置成沿垂直于X载物台13的移动方向的Y方向移动。在该具体示例中，Y形载物台包括定位在X载物台的滑架132上的诸如轨道等的引导构件141，以及在引导构件141上方行进的可移动滑架142。设置有第三载物台15，该第三载物台15借助轴承16布置在线性Y载物台14上，并且布置成围绕垂直于基准表面2的旋转轴线51旋转。因此，X载物台13和Y载物台14布置成沿平面内方向驱动第三载物台15。该第三载物台15是旋转θ载物台，并且布置成用于保持诸如传感器、工具、工件、传统的或自由形状的光学元件的物体(此处未图示)，和/或布置成用于保持包括例如光学测量探针的测量单元(此处未图示)。
该第三载物台15也通常被称为主载物台，该第三载物台穿过位于下方的Y载物台的中心开口设置，并且还穿过X载物台13，并且通过滑动的(或通常可移动的)轴承152直接支撑在基准表面2上。
由于第三载物台15直接支撑在基准表面2上，因此平面外定位误差不再取决于堆叠中下层载物台的平面外定位误差。而是取决于基准表面的表面质量和空气轴承152保持空气轴承的下表面154和基准表面2之间的恒定气隙153的能力。这明显地显著降低了X载物台13和Y载物台14的平面外定位误差要求，使得更紧凑、更轻和更便宜的载物台可用于获得具有非常高的平面外定位精度的定位系统。
Y载物台14的总定位误差仍然取决于孤立Y载物台14的平面外定位误差∈Y和X载物台13的总定位误差∈13(∈x，∈rf)，使得：
max(|∈14|)≥max(|∈13|，|∈Y|)，max(|∈13|≥max(|∈rf|，|∈x|)，
由此，X载物台13的总定位误差∈13(∈x，∈rf)是载物台本身的孤立定位误差∈x以及下方基准表面的表面质量∈rf的函数。然而，通过添加根据图2所示实施例的旋转θ载物台15，旋转θ载物台15的平面外定位误差不取决于下层载物台的平面外定位误差。而是，旋转θ载物台15的平面外定位误差仅是下方的基准表面的表面质量∈rf的函数，并且可能是孤立旋转θ载物台15的平面外定位误差和/或制造误差∈θ，并且使得以下通常成立：
max(|∈15|)≥max(|∈rf|，|∈θ|)。
因此，第三载物台(在本例中为最后的载物台)15(旋转θ载物台)的定位误差与下层堆叠中的载物台的定位误差分离。
该轴承在该示例中是空气轴承，其中空气轴承的基准表面2和下表面154之间的空气间隙153的宽度被高精度地控制。连接部分155布置在第三载物台的项部区段156和空气轴承152之间。柔性部分143布置在Y载物台的滑架142和保持第三旋转载物台15的旋转轴承16之间。包括多个板簧元件144的柔性区段143沿平面外方向具有低的刚度，同时沿所有其他方向相对于Y载物台固定地保持连接到第三载物台15的旋转轴承16。板簧144布置成沿平面外方向弯曲，并且设置成串联两个，其中，在串联中，板簧144彼此平行地定向并且沿平面外方向彼此面对。因此，第三载物台15仅允许相对于Y载物台14的两个相对运动。首先，轴承16确保第三载物台15能够围绕平面外轴线51相对于Y载物台14旋转，其次，柔性区段允许沿旋转轴承16和第三载物台15的平面外方向上相对于Y载物台的相对移动。
为了确保空气轴承152的下表面154和基准表面2之间尽可能恒定的空气间隙153，空气轴承152被朝基准表面2偏压。该偏压由预负荷子系统17布置，以用于提供用于将第三载物台15推向基准表面2的力。预负荷子系统17包括相互配合的空气活塞171和气缸172，其中这两者中的一者连接到第三载物台15。在本实施例中，气缸172连接到空气轴承152的上表面156，由此也连接到第三载物台15。注意，这种布置可以容易地颠倒，使得空气活塞171连接到第三载物台15。
通过向相互配合的空气活塞171和气缸172供应气体，在封闭空间173中产生压力积聚，从而导致沿基准表面方向施加在第三载物台15上的推力，如图2中箭头I所示。相互配合的空气活塞171和气缸172中的另一者连接到Y载物台14，使得与推力相关联的反作用力沿负荷路径175穿过Y载物台14和X载物台13传递到基准表面2或固定接地点。在图2所示的实施例中，空气活塞171通过预负荷系统17的旋转轴承174与Y载物台连接。旋转轴承174安装在副框架146中，副框架146刚性地安装在Y载物台14的可移动滑架142上。为了提供强和硬的负荷路径175，副框架146必须连接到可移动滑架的与柔性区段143分开的部分，以确保预负荷机构17的适当功能。
在本实施例中，相互配合的空气活塞171和气缸172因此布置成围绕旋转轴51一起旋转。注意，预负荷子系统17还可以包括多个相互配合的空气活塞171和气缸172。进一步注意，相互配合的空气活塞171和气缸172也可以形成为包围环形封闭空间173。为了防止相互配合的空气活塞171和气缸172的气体泄漏，可以在相互配合的空气活塞171和气缸172之间应用诸如O形环的密封构件(未图示)。由于相互配合的空气活塞171和气缸172在这种情况下是完全轴对称的，因此它们也可以布置成相对于彼此围绕旋转轴线51旋转。因此，相互配合的空气活塞171和气缸172也将形成旋转轴承，从而消除了对用于预负荷系统17的单独的旋转轴承174的需要。在这种布置中，相互配合的空气活塞171和气缸172中的另一者固定地连接到Y载物台，使得它不能绕旋转轴线51旋转。布置成减少气体泄漏的密封构件将必须布置成使得它能够处理相互配合的空气活塞171和气缸172之间的相对旋转。例如，O形环典型地不适于(平滑地)允许这种相对旋转。
用于向空气轴承152供应气体的气体供应源可以与用于向相互配合的空气活塞171和气缸172供应气体的气体供应源组合，使得需要单个供应管线(未图示)。气体供应装置(未图示)可以位于堆叠载物台系统11的外部，或者甚至可以整合到载物台13、14、15中的一个中。
堆叠载物台系统11还设有用于驱动载物台的驱动装置，用于线性载物台的驱动装置包括例如直接驱动、丝杠驱动、滚珠丝杠驱动和/或皮带驱动，而用于旋转载物台的驱动装置包括例如直接驱动、齿轮驱动、蜗轮驱动和/或皮带驱动。
注意，包括在堆叠载物台系统11中的三个载物台13、14、15可以是任何类型的载物台。因此，X载物台13和Y载物台14可以互换，下层载物台甚至可以是围绕平面外轴线旋转的旋转载物台，X载物台、Y载物台布置在该旋转载物台上。第三载物台也可以是平移载物台或布置成围绕平行于平面内方向中的任何方向的轴线旋转的载物台。堆叠中的载物台的数量也可以变化。
图3示出了图2所示的实施例的替代实施例。堆叠载物台系统21再次包括X载物台23、Y载物台24和第三旋转载物台25。然而，在该实施例中，在靠近Y载物台24的边缘245的位置处，穿过下层的Y载物台24提供第三载物台25。在这种布置中，第三载物台25也不布置成穿过X载物台23的中间，而是布置成邻近X载物台23。用于保持预负荷系统17的副框架246将由于偏压空气轴承152而产生的反作用力再次传递到Y载物台24，然后通过X载物台23传递到被认为是固定接地的基准表面2。注意，如图2所示，副框架146可以支撑在Y载物台14的两个侧面(如在正视图中看到的)，副框架246仅支撑在Y载物台24的单个端部。因此，必须注意确保副框架246的适当强度和刚度。对于其余部分，实施例类似于或等于图2的实施例。
图4示出了图2的实施例，其中堆叠载物台系统31布置在竖直基准表面32上。因此，最靠近基准表面的载物台(即，第二载物台)仍然是X载物台33。堆叠在X载物台33上的载物台(即，第一载物台)现在是Z载物台34，而第三旋转载物台35仍然布置成围绕平行于平面外方向的轴线351旋转，不同之处在于，轴线351现在平行于Y方向，而不是Z方向(如前述实施例中的情况)。
在该实施例中，高度优选预负荷子系统37。而在先前的实施例中，重力将有助于将第三载物台15、25推向基准表面2，在本实施例中，重力相对于基准表面32的法线垂直地工作，从而不有助于将第三载物台35向基准表面32偏压。然而，对于图2和图3的实施例讨论的预负荷子系统17也可以直接应用在该实施例中。
图5至图7示出具有可选的或附加的用于将空气轴承152朝基准表面2偏压的装置的预负荷系统。如图5中所示，预负荷系统27特征为压缩弹簧271，压缩弹簧271布置成将空气轴承152推向基准表面2。压缩弹簧271通过旋转轴承174连接到副框架146，旋转轴承174的结构实质上与图2所示的实施例相同。为了确保适当的偏压作用，压缩弹簧271可以以预负荷安装，使得空气轴承152在几乎所有情况下都经历朝向参考系2的推力。
气隙153的宽度现在仅通过调节朝向空气轴承152的气体的流量和压力来控制，而在图2至图4的实施例中，气隙153的宽度可以通过调节朝向空气轴承152的气体的流量和压力，还可以通过调节朝向相互配合的空气活塞171和气缸172的气体的流量和压力来控制，从而动态地控制用于向下推动空气轴承152的推力的力幅值和频率。
然而，注意，可以组合图2至图5的实施例，使得作为示例，预负荷系统17、27包括预负荷压缩弹簧152和相互配合的(一个或多个)空气活塞171和(一个或多个)气缸172。因此，在预负荷系统的布置中获得了更灵活的设置。
在图6中示出了另一替代方案，用于将支撑第三载物台的空气轴承452朝向基准表面2偏压。真空室457布置在空气轴承452的下表面454中。在空气轴承452的下端454的靠近其边缘458的第一部分461上设置有用于在基准表面2和下端454的第一部分461之间形成加压气体薄膜的装置。因此，空气轴承452的下端454的第一部分461形成空气轴承区段，并确保第三载物台45可移动地支撑在基准表面2上。在空气轴承下端的中心部分459中，设置真空室457，该真空室457布置成提供真空，从而在基准表面2上产生吸力。该吸力由此使空气轴承452(且因此第三载物台45)朝向基准表面2偏压。由于本实施例的预负荷子系统47不产生传递到堆叠载物台系统中的反作用力，因此也不需要副框架等来促进将反作用力传递到固定接地，从而简化Y载物台44设计。
在图7中示出了用于将支撑第三载物台55的空气轴承552朝向基准表面2偏压的另一替代方案。在该替代方案中，在第三载物台55和参考系2之间产生磁引力。在图7的具体实施例中，这是通过用磁性和/或铁磁性元件装配空气轴承552和基准表面52来实现的。或者，基准表面也可以由铁磁材料制成。磁性元件可以是布置成吸引安装在相对侧上的磁性和/或铁磁性元件的永磁体和/或磁性线圈。空气轴承552装有这些磁性和/或铁磁性元件576，而在另一侧，恰好在基准表面52的下方，(电)磁体和/或电磁线圈577被定位。电磁体和/或电磁线圈577布置成使得它们跨越空气轴承的整个运动平面。由此在磁性和/或铁磁性元件576与(电)磁体和/或电磁线圈577之间产生引力。与图6的实施例类似，该实施例的预负荷子系统57不产生转移到堆叠载物台系统中的反作用力，也不需要副框架等来促进将反作用力转移到固定接地，从而简化Y载物台44设计。
图8示出第三载物台65在Y载物台64上的替代布置，其中第三载物台65布置在衬套641中，衬套641允许第三载物台65围绕平面外轴线51相对于Y载物台64旋转，其次，允许第三载物台65相对于Y载物台64沿平面外方向的相对移动。这种衬套641可以是滑动轴承、球衬套、空气衬套或允许相对运动的任何其他合适类型的衬套或轴承。本实施例可以与任何上述实施例结合。
所呈现的所有实施例的优点在于，具有堆叠载物台系统的定位系统以非常高的平面外定位精度获得，其中主载物台的平面外定位精度不取决于下层载物台的平面外定位精度。明确地注意到，用于将第三载物台朝基准表面偏压的不同替代方案可以互换和组合以用于形成预负荷子系统。注意，包括在堆叠载物台系统中的三个载物台可以是任何类型的载物台。因此，X载物台、Y载物台和Z载物台可以互换，下层载物台甚至可以是围绕平面外轴线旋转的旋转载物台，其中X载物台、Y载物台和/或Z载物台布置在该旋转载物台上。第三载物台也可以是平移载物台或布置成围绕平行于平面内方向中的任何方向的轴线旋转的载物台。堆叠中的载物台的数量也可以变化，由此包括两个载物台、四个载物台或甚至超过四个载物台。此外，本发明不限于所示的实施例，还延伸到落入所附权利要求书的范围内的其他实施例。
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