为了准确获取简单光学系统的点扩散函数(PSF), 提升图像复原质量, 本文提出了一种基于PSF测量的宽光谱PSF估计方法。首先, 测量了光学系统的窄带PSF, 并结合图像匹配算法, 标定了实际光学系统中的探测器位置和光轴中心偏移。然后, 模拟实际光学系统各波长、各视场的PSF, 再结合目标反射光谱和探测器光谱敏感信息计算实际目标的宽光谱PSF。实验结果表明: 本文提出的PSF估计方法明显优于窄带PSF估计和盲估计方法, 复原图片质量和稳定性均有明显提升, 能够准确估计实际光学成像系统的PSF。

为了实现高像质相机低成本、小型化的需求，本文提出了一种大视场简单光学系统的光学-算法协同设计方法，并通过图像复原算法校正简单光学系统的残余像差。首先，针对大视场光学系统，对空间变化的交叉通道去卷积算法进行改进，加入倍率色差校正，使图像复原算法可显著去除色差的影响。然后，在光学设计过程中，放开色差的约束，并专注优化绿色通道的像质，使其成像锐利，在后期交叉通道去卷积算法中有助于红、蓝两通道图像复原。利用该方法设计了一个由两片同种材料的镜片构成的大视场简单光学系统。系统焦距为50 mm，全视场为46°，F数为56，探测器分辨率为1 000万像素。实验结果表明: 本文设计的两片镜、大视场简单光学系统的成像质量可媲美三片式库克镜头，明显优于纯图像复原的结果。本文方法实现了大视场简单光学系统的设计，并能够通过系统最终获得高分辨率、高像质图像。

针对精密反射镜的重力变形，提出了一种基于径向预紧力的变形补偿方法。以高数值孔径(NA)投影光刻物镜中的反射镜为研究对象，建立了反射镜的受力模型，定性分析了径向预紧力对反射镜重力变形的影响规律。利用有限元分析方法得到了在不同径向预紧力作用下反射镜的面形变化，通过数据拟合分析了径向预紧力与面形误差及其泽尼克系数之间的关系。分析结果表明：径向预紧力主要影响反射镜面形的球差项和三叶像差项；随着径向预紧力的增大，补偿后的面形误差呈现先减小后增大的趋势，当径向预紧力约为25 N 时，由于重力导致的面形误差由2.009 nm 减小为0.462 nm，补偿结果最优。通过实验测量了重力和预紧力作用下反射镜的面形误差，当径向预紧力为25 N 时重力导致的反射镜面形误差减小了0.988 nm，从而验证了分析过程和补偿方法的正确性。

热像差是导致光刻物镜工作状态下像质劣化的主要原因之一。针对同轴两反式高数值孔径(NA)投影光刻物镜的结构特点，提出了将元件位移法和元件分区加热法相结合，共同补偿热像差的方案。元件位移法通过改变元件的间隔、偏心或倾斜量来调节像质；元件分区加热法利用光学材料折射率随温度变化的特点，通过控制元件的温度分布产生可控波前。采用上述补偿方案对偶极照明模式下的热像差进行补偿，波像差从129.78 nm 减小至1.69 nm，畸变从12.24 nm 减小至1.31 nm，将物镜像质补偿至接近设计水平。

以45 nm浸没式光刻物镜中采用的三点支撑反射镜为研究对象,建立了胶层连接的三点边缘支撑结构模型,用以确定胶层厚度对三点支撑反射镜面形变化的影响.分析了重力作用下三点支撑反射镜的面形变化情况,通过解析表达式描述了胶层厚度对反射镜受力变形的影响.建立了“支撑块-胶层-反射镜”的有限元计算模型,针对不同胶层厚度对反射镜的面形变化进行了仿真分析.仿真结果表明:随着胶层厚度的增大,反射镜的面形变化(均方根值RMS)呈现先减小后增大的趋势;当胶层厚度为280 μm时,反射镜面形变化的RMS值最小,约为1.25 nm.最后,通过实验测量了柔性双脚架三点边缘支撑导致的反射镜面形变化.结果显示:当胶层厚度为200,280,400 μm时,反射镜面形的变化结果均与仿真结果一致,验证了本文仿真结果的正确性.

为了解决微镜头阵列在球面上的排布问题，提出了一种通用的基于正二十面体阵列点微移动排布方法。采用与排布球面同心正二十面体点阵投射方法获取微镜头中心点在球面上的初始排布。以弦长率和填充率为评价函数，采用点阵微移动法对此初始结构进行优化。完成方法通用性测试并和一种基于局部球面的经纬线排布法进行对比。实验结果表明，在排布球冠面立体角较大、微相机数量较多的情况下，采用该方法可以获得弦长率低于0.17，填充率达到75%以上的排布表现，同时其良好的排布对称性有效提高了微镜头阵列的成像性能。