本发明涉及高端装备的纳米位移测量，具体涉及一种基于周期光场特征提取的纳米精度位移解析方法。
背景技术：
1、高精度纳米位移测量是高端装备的基础，随着光刻机等高端装备的革新换代，其重要部件例如工件台的定位也对纳米位移测量提出了新的要求。而周期性的光场测量系统有着读数稳定、测量精度较高、干涉臂短、精度保持性好、适用于高端装备的测量环境等优点，被广泛用于高精度纳米位移测量中。
2、对光栅结构形成的光场进行细分，通过光场信息与位移的函数关系解析获取位移，是高精度纳米位移测量的常用方法，例如光栅中的高级次衍射光细分，利用高级次衍射光携带的多倍相位信息进行周期内细分；光栅像素点细分，利用光场的像素点位置直接进行周期性的光场细分；光栅电学细分，通过对光栅正弦信号的幅值、频率或者相位进行周期内的内插处理，来细分周期内的位移。但是，这些细分都普遍依赖于一个前期就是光场周期的制造精度达到纳米量级，但目前的制造技术在短时间内无法得到迅速提高，光场在制造误差在细分的过程中也被传递。
3、针对光场周期的制造精度在短时间内无法迅速提高的现状，目前国内外的主要办法是进行周期容差度的提高和对应的算法补偿(gaoliang dai et al.,accurate andtraceable calibration ofone-dimensional gratings,measuremnt science andtechnolgoy,2005,16,1241.)，但无法从根本上解决光场周期的精度问题；制造精度问题从根本上制约了周期光场的测量精度的提升，并进一步影响了诸如光刻机等高端装备的技术更新。因而，需要在现有制造能力基础上，发展新型的纳米位移解析方法。
技术实现思路
1、为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种基于周期光场特征提取的纳米精度位移解析方法，提高光栅光场的位移解析精度。
2、为达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
3、一种基于周期光场特征提取的纳米精度位移解析方法，包括：
4、入射光照射在光栅的周期结构上，经光栅透射或反射，形成周期分布的光场，即周期光场，通过光场周期、光场边缘等光场分布特性进行位移解析；在进行多周期测量时，采用“三段式”位移测量：先通过计算指定点检测到的光斑数来测量第一段位移l1＝n×a，a为光场的周期，n为光场的周期数目，光场的周期数目通过脉冲测量来计数，通过设置检测区域，在检测区域内通过一个光场的周期，则后台探测器相应产生一个计数脉冲；再针对首末两端不足一个光栅周期的情况，通过对两端的像素点数来测量第二段位移l2＝m×j，j为cmos相机10像素点周期，m为计数的像素点数目；最后针对不足一个像素点的亚微米级位移，通过图像处理的方式，采用高斯峰值拟合定位光场的峰值线k，通过亚像素点位移的细分测量，获得第三段位移l3；通过“三段式”位移测量方法，获得位移l＝l1+l2+l3；该方法可以大幅度提高光场测量精度，适用于超构表面光栅测量系统与普通光栅测量系统。
5、周期光场的光强峰值计数采用脉冲来进行读取，设置波峰值和波谷值的平均值作为阈值进行脉冲计数，把周期性的光强谐波转化成为脉冲方波，进行脉冲计数。
6、周期光场的光强峰值定位采用高斯峰值拟合进行定位，通过多线融合算法定位高精度峰值时，0≤j≤100，具体值通过多次尝试，需要既在计算能力范围内又能满足纳米精度位移测量要求。
7、检测区域的宽度为a/10≤t≤9×a/10，t为周期光场检测区域宽度。
8、周期光场的运动速度为v＜f×t，其中f为周期光场采样频率，v为周期光场运动速度。
9、所述的超构表面光栅测量系统，包括光源1，光源1射出的光照射到第一线偏振片2上，再通过第一四分之一波片3转化成圆偏振光，通过非偏振分光棱镜4改变光传播方向照射到超构表面光栅5上，并在高倍物镜6的工作距离上聚焦；通过高倍物镜6进行无限远校正放大，并通过第二四分之一波片7和第二线偏振片8滤除反射光中的杂波，通过管透镜9在cmos相机10中进行聚焦成像；通过高倍物镜6的放大，超构表面光栅5每移动距离l，cmos相机10上光斑线k都会移动l的w倍，w为高倍物镜6的放大倍数，满足2≤w≤200。
10、所述的超构表面光栅5在单周期的覆盖率为1/20≤a/b≤1，超构表面光栅5的周期为10μm≤a≤200μm；组成超构表面光栅5的单元超结构长度为200nm≤c≤600nm，宽度为50nm≤d≤200nm,高度为50nm≤e≤300nm，周期为200nm≤h＝i≤1500nm，且须满足c＜h＝i＜λ，偏转角度其中r为单位超结构离本周期中心线的距离，f为所要聚焦的光斑的焦距，λ为入射波波长。
11、所述的普通光栅测量系统，包括光源1，光源1射出的光照射到非偏振分光棱镜4改变光传播方向照射到普通光栅14上，通过高倍物镜6进行无限远校正放大，在cmos相机10中进行成像；通过cmos相机10像素点记录的数据11进行高斯峰值拟合，得到高斯曲线中对应的数据点12以及峰值位置13，进行纳米位移测量。
12、所述的普通光栅表面14的光栅周期为4μm—100μm，cmos相机10像素点周期在0.5-5μm的范围内。
13、和现有技术相比，本发明的有益效果为：在不改变光栅结构制造精度的基础上，通过对光栅形成的周期光场进行分析拟合与特征提取，对周期光场进行高精度重构与图像处理，实现纳米位移解析；该方法避免了传统方法在光栅周期模糊边界处产生的误差，通过对数据的拟合重构光场周期，进一步细化光栅高精度光场。
1.一种基于周期光场特征提取的纳米精度位移解析方法，其特征在于，入射光经光栅周期结构的透射或反射，形成周期光场；在进行多周期测量时，采用“三段式”位移测量：先通过计算指定点检测到的光斑数来测量第一段位移l1＝n×a，a为光场的周期，n为光场的周期数目，光场的周期数目通过脉冲测量来计数，通过设置检测区域，在检测区域内通过一个光场的周期，则后台探测器相应产生一个计数脉冲；再针对首末两端不足一个光栅周期的情况，通过对两端的像素点数来测量第二段位移l2＝m×j，j为cmos相机(10)像素点周期，m为计数的像素点数目；最后针对不足一个像素点的亚微米级位移，通过图像处理的方式，采用高斯峰值拟合定位光场的峰值线k，通过亚像素点位移的细分测量，获得第三段位移l3；通过“三段式”位移测量方法，获得位移l＝l1+l2+l3；该方法适用于超构表面光栅测量系统与普通光栅测量系统。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：周期光场的光强峰值计数采用脉冲来进行读取，设置波峰值和波谷值的平均值作为阈值进行脉冲计数，把周期性的光强谐波转化成为脉冲方波，进行脉冲计数。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：周期光场内的光强峰值定位采用高斯峰值拟合进行定位，通过多线融合算法定位高精度峰值时，0≤j≤100，具体值通过多次尝试，需要既在计算能力范围内又能满足纳米精度位移测量要求。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：检测区域的宽度为a/10≤t≤9×a/10，t为周期光场检测区域宽度。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：周期光场的运动速度为v＜f×t，其中f为周期光场采样频率，v为周期光场运动速度。
6.权利要求1中所述方法中的超构表面光栅测量系统，其特征在于，包括光源(1)，光源(1)射出的光照射到第一线偏振片(2)上，再通过第一四分之一波片(3)转化成圆偏振光，通过非偏振分光棱镜(4)改变光传播方向照射到超构表面光栅(5)上，并在高倍物镜(6)的工作距离上聚焦；通过高倍物镜(6)进行无限远校正放大，并通过第二四分之一波片(7)和第二线偏振片(8)滤除反射光中的杂波，通过管透镜(9)在cmos相机(10)中进行聚焦成像；通过高倍物镜(6)的放大，超构表面光栅(5)每移动距离l，cmos相机(10)上线光斑k都会移动l的w倍，w为高倍物镜(6)的放大倍数，满足2≤w≤200。
7.根据权利要求6所述的超构表面光栅测量系统，其特征在于，超构表面光栅(5)在单周期的覆盖率为1/20≤a/b≤1，超构表面光栅(5)的周期为10μm≤a≤200μm；组成超构表面光栅(5)的单元超结构长度为200nm≤c≤600nm，宽度为50nm≤d≤200nm,高度为50nm≤e≤300nm，周期为200nm≤h＝i≤1500nm，且须满足c＜h＝i＜λ，偏转角度其中r为单位超结构离本周期中心线的距离，f为所要聚焦的线光斑的焦距，λ为入射波波长。
8.权利要求1中所述方法中的普通光栅测量系统，其特征在于，包括光源(1)，光源(1)射出的光照射到非偏振分光棱镜(4)改变光传播方向照射到普通光栅(14)上，通过高倍物镜(6)进行无限远校正放大，在cmos相机(10)中进行成像；通过cmos相机(10)像素点记录的数据(11)进行高斯峰值拟合，得到高斯曲线中对应的数据点(12)以及峰值位置(13)，进行纳米位移的测量。
9.根据权利要求8所述的普通光栅测量系统，普通光栅表面(14)的光栅周期为4μm—100μm，cmos相机(10)像素点周期在0.5-5μm的范围内。
