在高数值孔径(NA)投影光刻物镜中, 随着数值孔径的增加, 非球面的偏离度越来越大。对这种大偏离度非球面进行亚纳米量级的检测, 一直是光学检测的一大难题。本文首先对一偏离度超过500 μm的偶次高次非球面进行了计算全息图(Computer-Generated Hologram,CGH)设计, 设计出了满足高精度面形检测和刻蚀加工要求的CGH。然后, 针对此设计方案, 定量分析了CGH的成像畸变及畸变对像差分析的影响。分析结果表明, 不同径向位置的成像倍率偏差(畸变)最大达到了2.7∶1, 并且由于畸变的存在, 低阶像差衍生出了明显的高阶像差。最后, 针对用CGH检测大偏离度非球面时出现的成像畸变, 提出了采用光线追迹与最小二乘法相结合的成像畸变的校正方法, 并通过实验验证了此方法的准确性。实验结果表明, 畸变校正之后相对剩余残差小于0.2%, 可以满足高精度非球面检测加工的要求。

目前，高数值孔径(NA)投影光刻物镜都普遍采用非球面元件来提升光学系统的成像质量并降低系统的复杂度，但是高精度非球面检测一直是光学检测领域的一大难题，也是限制高NA投影光刻物镜制造的关键因素。为了解决这一难题，针对高NA投影光刻物镜中的一偶次高次非球面，论述了计算全息图(CGH)相位与空间频率的关系，以及相位与空间频率的计算方法；采用点光源照明模式，详细分析了CGH设计时的关键参数的选择方法和避免CGH非工作衍射级次的干扰的方法；采用所选定的设计参数，加工制作了CGH，并用此CGH完成了对非球面的高精度检测。经过多轮加工检测迭代，最终非球面的收敛精度的均方根（RMS）达到了0.46 nm。

影响高精度光学元件重要的因素之一是支撑结构。主要研究了在三点支撑下，自重变形量与口径和厚度的关系。采用数值分析、有限元法(FEM)模型与实验验证相结合的方法完成对三点支撑下自重变形量的研究。采用薄板理论推导了在三点支撑下，重力变形与口径、厚度的关系；采用有限元法分析了一系列不同厚度、不同口径的平面镜自重变形大小；利用实验验证了模型的正确性。在薄板理论模型基础上，完善了自重变形与不同材料、口径、厚度、形状的变形函数，为快速计算出三点支撑下的自重变形提供理论依据。

用计算全息图(CGH)检测非球面时，除了设计零位补偿CGH 外，还往往设计辅助调节CGH，从而可以利用干涉图来精确调节CGH 的位置。针对这种同时具有零位补偿和辅助调节功能的CGH，提出零位补偿CGH 和辅助调节CGH 之间具有相互补偿效应。针对一高次非球面，设计了四种不同的CGH 配置方案，而后逐一分析了零位补偿CGH 和辅助调节CGH 之间的补偿效应。分析结果表明，在相同的基板误差的条件下，具有自补偿效应的配置方案的Power 项误差小于其他方案的1/40，而球差和高阶球差则小于其他方案的1/70。利用具有自补偿效应的配置方案加工制作了CGH，用此CGH 完成了对非球面的加工检测迭代，非球面面形的收敛精度均方根(RMS)达到0.48 nm。