照明系统是光刻机的重要组成部分，其主要功能是对激光光束进行扩束、整形和匀光。石英晶体x晶向具有本征双折射特点，以其原理制作的偏振装置可实现对光束偏振态的控制，配合离轴照明，能够进一步提高光刻机照明系统的分辨率和成像质量。受传统石英晶体生长工艺和晶体自范性限制，用于偏振装置的大口径石英波片(＞50 mm)一直是石英晶体研究的难题。本文利用平行定向生长水热工艺，系统调整温度、压力、矿化剂种类和浓度、节流挡板开孔率等参数，成功合成了可用于193 nm波长的高透过率石英单晶，并加工出已知报道的最大尺寸160 mm石英波片坯料。实验过程中使用改进的框架籽晶法淘汰了可遗传腐蚀隧道缺陷，通过优化原料配比进一步降低Al3+、Na+等微量元素含量，控制升温曲线实现籽晶界面晶格匹配，从而淡化籽晶外延区域均匀性差异。对单晶样品进行微量元素含量、内透过率、双折射性能和光学均匀性表征，结果表明，石英晶体微量元素总含量控制在7×10-6以内，内透过率达到99.80%/mm，双折射率差不均匀性低于0.029 7%，140 mm有效通光口径内光学均匀性PV值达到3.9×10-6。

极紫外光刻曝光光学系统是极紫外光刻机的核心部件，其设计直接影响极紫外光刻机的性能。极紫外光刻机曝光系统的设计难度大、研究周期长，国外极紫外光刻机产品已经用于高端芯片的制造，但国外对中国禁运相关产品。国内极紫外光刻机曝光系统的设计和研发始于2002年。国内相关领域的研究主要聚焦在极紫外光刻机曝光光学系统的光学设计、像差检测、公差分析、热变形分析等。结合国内外极紫外光刻机曝光光学系统设计研究的历史和现状，较为系统地综述了极紫外光刻投影物镜和照明系统的设计研究与进展，包括：极紫外光刻机投影物镜系统及其设计方法、极紫外光刻照明系统及其设计方法、极紫外光刻曝光光学系统的公差分析、热变形及其对成像性能的影响研究，这为我国从事极紫外光刻机研制、曝光系统光学设计与加工的学者、工程师等提供了极紫外光刻机曝光系统设计研究的历史、现状和未来趋势的相关信息，助力我国极紫外光刻机的设计和研制。

针对光刻机照明系统矩形光场的均匀照明需求，提出了一种基于单排平凸微柱面镜阵列与小长宽比积分棒相结合的匀光单元方案。分析了小长宽比积分棒输入光场的角度分布特性和宽度对照明均匀性的影响。使用单排平凸微柱面镜阵列进行预匀光可以满足积分棒输入光场需求。采用光线方向余弦的分布偏差表征照明均匀性，构造了匀光单元透镜组的均匀性评价函数，并以KrF光刻机匀光单元为对象，利用CODE V软件对平凸微柱面镜和聚光镜组进行了自动优化设计。在LightTools中对该匀光单元进行仿真验证，结果表明，在不同部分相干因子的传统照明模式和环形照明模式下输出光场的积分非均匀性均小于0.43%，优于基于弥散斑均方根评价函数优化设计的对照组结果，对相关工程设计有一定参考意义。

提出了一种快速计算光学系统像面照度均匀性的算法，通过近似算法计算系统数值孔径，并利用出射光瞳数值孔径表征像面照度。利用该算法计算光场不均匀性，将其作为自动优化过程中的评价函数之一，优化设计光刻机照明系统中继镜组。通过Light tools软件对设计的中继镜组进行仿真验证，结果表明不同相干因子照明下掩膜面上的光场不均匀性均小于0.5%。通过实验测试了设计的中继镜组的积分均匀性，结果表明各相干因子下，光场不均匀性小于1.21%，能够满足掩膜面上光场不均匀性的指标需求（< 1.5%），验证了该快速评估算法可有效应用于中继镜组优化设计中。

为了解决投影系统的畸变大、尺寸大和能量利用率低等问题，基于双高斯结构与自由曲面照明系统设计一个新型小畸变投影系统，主要针对自由曲面的建模方法与光路结构开展光学系统的设计。根据边缘光线理论与斯涅耳定律，采用数值迭代法来设计自由曲面照明系统。仿真结果表明，照明系统的照度均匀度可达87.86%，能量利用率可达94.38%。成像系统采用双高斯结构作为初始结构进行设计，投影系统经过非球面优化后的畸变为0.26%，光学传递函数在93 pl/mm的频率处大于0.8，35°边缘视场处大于0.6，而且该投影系统的成像质量高并且结构紧凑，镜片数量少。通过公差分析可知，Q5公差等级满足系统的性能要求，公差要求较低。

光刻机的照明光瞳性能对曝光图形质量和套刻精度均有重要影响。照明光瞳由光刻机照明系统产生,在光刻机长时间使用后,照明光瞳的性能会逐渐劣化,需要采用光瞳校正手段来改善照明光瞳的性能。本文提出一种径向环状多分区高能量利用率光瞳校正方法,该方法在径向环状多分区方法的基础上优化了常规光瞳校正方法中基准能量的选取方式,可设计出适用于多种照明模式的单一光瞳校正板。在不将光瞳性能校正至零的情况下,该方法可以使得校正后的光瞳性能满足需求,这样可减小由光瞳校正所引起的能量损失。通过对劣化光瞳的校正分析,可以发现:所提方法可将光瞳的性能校正至需求范围内,且与常规光瞳校正方法相比,其可使环形和四极照明模式的能量损失最大值分别由5.54%和3.06%降至2.06%和0.93%,这对提高光刻机的产率具有重要意义。

为实现太阳能量利用最大化,提出一种基于导光板型聚光器的自然光光纤采光系统。通过分光模块,将不可见光波段的能量转换成电能,进而驱动补偿系统中的LED阵列,实现各种天气条件下的照明能量稳定输出。利用仿真软件对光线进行追迹,结果表明,在室内面积为100 m 2,照明12 h的情况下,太阳能可以供应约60%的总光通量。为进一步验证所设计系统的可行性和准确性,搭建了用于光纤采光系统的导光板型聚光系统,并对其进行聚光实验测试。当光线收集模块数量从10增加到100时,聚光器的聚光效率从83。6%降低至65。1%。在室外对光纤采光系统进行双轴跟踪测试,光纤输出的照度和太阳输入的辐照度变化趋势基本一致,说明光纤采光系统具有良好的聚光性能。

为解决目前光片荧光显微镜光片厚度单一的问题, 基于变倍扩束原理进行了可变光片照明系统设计。首先, 对光片照明系统各组成部分进行了高斯光学计算, 得到光片厚度与扩束比的关系以及扩束比与各组元垂轴放大率、焦距的关系; 然后, 设计了基于10倍扩束的可变光片照明系统, 得到厚度和长度连续可变的光片; 最后, 对光片参数、均匀性及系统的公差进行分析。设计结果表明, 连续可变光片的厚度为3.33～33.3 μm, 在YOZ平面上60%的光片高度区域内, 低(1×)、中(6×)和高(10×)扩束比下的照度均匀性分别达到0.65、0.4和0.61。公差分析表明, 光片厚度在1×扩束比时的最大改变量小于设计值的15%, 在6×和10×扩束时小于6%。设计实现了光片厚度的连续变化, 且在60%的光片高度区域内有利于样本的观察。