相位光栅（PG）标记是微位移测量系统的关键部件，提出了一种严格耦合波（RCWA）法与差分进化算法相结合的共振域PG标记设计方法，解决了标量衍射理论计算精度不足和参数遍历设计方法耗时太久的问题。基于自参考干涉位移测量模型，确定以测量光信噪比（SNR）之和最大为光栅标记设计的评价函数，并研究了不同入射光波长、偏振态和光栅周期下，RCWA法中空间谐波数与计算精度的关系。针对多波长照明微位移测量需求，利用所提方法进行了标记设计，并与常规设计方法进行了比对分析。结果表明：对于3.2 μm周期的PG，横磁（TM）光照射时光栅占空比取0.484，槽深取161.5 nm，此时SNR之和可达到最大值586.63；较常规设计方法，所提方法设计PG标记的时间缩短到了其的0.2%，SNR之和最大提升比例可达到24.4%。

匀光系统的均匀性是实现深紫外CMOS图像传感器参数测试的关键。根据傅里叶光学理论, 结合ArF准分子激光输出光斑特点, 设计了复眼阵列匀光系统的初始结构, 并在ZEMAX非序列模式下建立了匀光系统模型。针对ZEMAX光源中光线采样随机性的特点及匀光系统均匀性的要求, 对追迹光线数目及复眼阵列中透镜元个数进行了优化。在透镜元大小为1mm、采用1亿根光线并做30次平均后, 在12mm×12mm光斑范围内获得了均匀性为0.986的均匀照明光斑, 满足CMOS图像传感器测试对光斑均匀性优于0.97的要求。

根据光谱共焦位移传感器的工作原理及线性轴向色散条件,选择3种色散物镜用玻璃材料N-KZFS11、N-SF66和N-PK52A,并结合像差理论设计了由3个单透镜和2个双胶合透镜组合成的线性色散物镜初始结构。利用Zemax光学设计软件对色散物镜的初始结构进行优化和公差分析。结果表明:在450~650 nm波长范围内,各波长弥散斑均远小于艾里斑,色散物镜测量范围可达1.05 mm,轴向色散与波长之间的线性判定系数R²达0.997,理论分辨率可达105 nm。

环境温度变化是影响夏克哈特曼波前传感器（SHWS）测量精度的重要因素之一。采用Zemax软件热分析功能，分析了环境温度变化引起的微透镜阵列（MLA）变形及折射率变化、MLA和电荷耦合器件（CCD）间距变化以及球面波点源与SHWS间距变化对SHWS测量精度的影响。分析计算得出，环境温度变化引起的MLA和CCD间距变化是影响SHWS测量精度的主要因素，环境温度在21~24 ℃内每增加1 ℃，给测量结果带来的误差[均方根（RMS）]约为0.52 nm 。通过单模光纤衍射产生近于理想的球面波对SHWS测量精度进行实验验证，实验结果和仿真分析结果基本一致。

在基于夏克-哈特曼波前传感器的深紫外物镜系统波像差检测中，均匀高亮度的照明光束是实现纳米精度波像差检测的关键。采用时域有限差分法和部分相干性理论对随机排列微孔阵列衍射波前的强度对比度进行了优化。与周期排列微孔阵列相比，采用随机排列微孔阵列，可获得更加光滑的衍射波前强度分布；对单个微孔衍射波前的分析表明，微孔直径越大衍射波前强度对比度越大；衍射波前强度对比度在双孔间为74 nm 时达到最大值。分析计算得出，为获得满足纳米精度波像差检测强度对比度要求的波前，随机排列微孔阵列中宜采用直径170 nm 的微孔，且微孔间距大于等于306 nm，此时，微孔阵列中微孔个数为428，衍射波前强度对比度为11.70。

针对口径Φ62mm双凸非球面透镜，进行了数控研磨和抛光技术研究。提出了规范性的加工工艺流程，实现了中小口径双非球面元件的高效、快速抛光。根据计算机控制光学表面成型技术，采用全口径抛光和小抛头修抛的两步抛光法，在抛光中对其面形误差进行多次反馈补偿，使被加工零件表面的面形精度逐步收敛。最终两面的面形精度均小于0.5μm，中心偏差小于0.01mm，满足了光学系统中对非球面元件的精度要求，并且在保证有较高面形精度和较好表面光洁度的同时，解决了双非球面中心偏差和中心厚度难以控制的加工技术难题。