针对复杂结构对准标记仿真需求，联合严格耦合波法和分层近似法提出一种对准标记鲁棒性分析方法。利用该方法构建仿真模型：以晶圆质量和信噪比为评价函数，研究了标记槽深、槽宽、膜层厚度和侧壁对称变形等参数变化对标记鲁棒性的影响；以对准误差为评价函数，研究了侧壁非对称变形对标记鲁棒性的影响。并结合对准标记鲁棒性分析结果明晰了光刻机提升标记工艺适应性的策略。最后借助VirtualLab商业软件和实验平台，验证了分析方法的有效性和准确性。所提方法和给出的工艺适应性策略，对于对准标记设计优化和光刻机对准精度提升具有重要的理论意义和应用价值。

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%。

相位光栅位置测量系统是实现超精密制造的核心，自参考干涉信号对比度是影响相位光栅位置测量精度的重要因素之一，而光束偏振特性直接决定了自参考干涉信号的对比度。采用琼斯矩阵和矢量形式反射定律，对自参考干涉仪棱镜中的传输光束进行了偏振追迹，构建了相位光栅位置测量系统的琼斯矩阵模型，并用物理光场数值分析软件VirtualLab验证了该模型的准确性。基于该模型分析了偏振分光面消光比、入射光偏振态及棱镜光程差对自参考干涉信号对比度的影响，结果表明，在波长为λ的照明光束下，为保证干涉信号对比度优于0.98，偏振分束镜的消光比需大于122，入射光椭偏角ψ和椭圆度tan ε分别在（0.693 rad，0.878 rad）和（-0.093，0.093）范围内，棱镜光程差需控制在（-0.03λ，0.03λ）范围内。综合考虑后，要求入射光椭圆度的取值范围为0.531δ±0.087（δ为自参考干涉仪棱镜的相位差）。该分析结果可为相位光栅位置测量系统中光束偏振特性的调控补偿提供理论依据，对提高自参考干涉信号对比度及相位光栅位置测量系统的精度具有重要意义。

为了提高相位光栅位置测量系统的测量精度,需要降低零级和偶衍射级次信号的衍射效率,同时提高高奇衍射级次信号的衍射效率。目前,已知的增强型相位光栅衍射效率模型限制了结构参数取值范围,在设计时以某一高奇衍射级次信号作为优化目标。为设计针对多个高奇衍射级次信号的衍射增强、零级和偶衍射级次缺级的相位光栅结构,对增强型相位光栅衍射效率进行了深入研究。该研究基于标量衍射理论,建立相位光栅结构与衍射效率理论模型;分析光栅结构参数如槽深、栅脊宽度、栅脊位置对衍射效率的影响;根据相位光栅位置测量系统的约束条件,获得多奇衍射级次增强型光栅结构。这种结构不仅使零级和偶衍射级次缺级,而且同时提高了第5、7、9衍射级次的衍射效率。本研究有利于深入理解增强型相位光栅衍射原理,为光栅设计提供支撑。

调焦调平传感器是光刻机关键分系统之一,用于曝光前对硅片高度形貌进行测量。投影光学系统是调焦调平传感器的核心,其成像质量直接影响传感器测量精度。根据调焦调平传感器的测量原理与像差理论,分析得到投影光学系统放大倍率、畸变、远心度和分辨率对调焦调平系统测量精度的影响规律。为此,优选反射式投影光学系统设计方案,该方案具有结构简单、无色差,畸变小等特点,并利用ZEMAX软件进行设计优化和公差分析,所设计系统工作波长为600~1000 nm,放大率为1.000,视场3 mm×26 mm范围内弥散斑均方根半径小于0.189 μm,调制传递函数为0.74@33 lp/mm,最大畸变为0.0008%,远心度为0.04 mrad。结合目前光机制造和装配能力可知,用于光刻调焦调平的反射式光学投影系统设计可工程实现。

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。

针对高压电力设备局部放电的监测需求, 结合放电光谱的紫外波段分布特征, 提出一种基于SiC基光电传感器的放电监测方法, 并进行了系统设计, 重点给出模拟电路模块、以FPGA为核心的数字电路模块和识别定位软件的设计思路和方法。通过实验测试, 验证了基于SiC基的放电探测系统能够实现对局部放电现象的准确探测和放电方位的识别。克服了以往监测设备体积大、易受干扰、成本高, 只能判断有无, 很难判断方位的问题, 为电力系统局部放电监测提供了新的技术手段。

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。