针对光栅横向剪切干涉仪研究了旋转绝对检测的方法，并用前36项Zernike多项式标定出剪切装置的系统误差非对称项。研究结果表明，将面形检测的绝对算法应用于检测镜头系统波像差，在干涉仪系统误差消除后可以达到相对理想的检测精度。实验数据的重复性的均方根可以达到0.14 nm。

光刻物镜硅片刻蚀过程中的Z5像散会使光刻物镜波像差产生严重的劣化。为了对像散进行实时补偿, 提出一种Z5像散主动补偿系统。该系统由实时数据平台、驱动力系统、柔性支撑结构和光学透镜构成。采用球面干涉仪作为光学透镜表面面形的检测设备, 利用最小二乘法及线性叠加原理确定驱动参数与面形关系。实验进行了主动补偿系统的驱动器响应函数测试、补偿行程测试、补偿精度测试、补偿分辨率测试。结果表明, 系统Z5像散补偿行程达到735 nm, Z5像散补偿精度小于2 nm, 引入的高阶像差小于1 nm, 像散补偿分辨率为2 nm, 该系统能够有效补偿光刻物镜系统波前像差, 使光刻物镜满足像质要求。

针对45 nm节点投影光刻物镜的应用, 开展了工作波长为193 nm的深紫外浸没式高数值孔径(NA)投影光刻物镜的研究和研制。设计了数值孔径(NA)为1.30的离轴三反射镜投影光刻物镜和NA为1.35的同轴两反射镜投影光刻物镜, 并对两个设计方案的优劣进行对比分析, 选择了同轴式结构作为最终的设计方案。分析了系统在不同NA情况下可变光阑与其远心度之间的关系, 提出了用双可变曲面光阑的设计方案来优化系统的远心度。实验表明, 应用本文设计方案, 光刻物镜的波像差小于1 nm, 畸变小于1 nm; 新型的可变光阑使系统NA在0.85~1.35变化时的最大远心度由5.83~17.57 mrad降低至0.26~3.21 mrad。本文提出的设计方案为45 nm节点高数值孔径投影光刻物镜的研制提供了有益的理论依据和指导。

考虑高数值孔径(NA)投影光刻物镜视场较大、波像差分布不均匀, 本文提出了一种自动优化设计方法来降低设计过程中出现的全视场最大波像差。该方法通过将一个自动调节采样视场权重的循环程序附加在光刻物镜的局部优化程序之外来自动平衡全视场的波像差, 进而降低全视场的最大波像差。设计实例证明, 运用该方法后光刻物镜全视场波像差的均匀性显著提高, 最大波像差降低为原来的63%。该方法在光学设计软件Code V中有良好的应用效果, 应用该方法不但能节省光刻物镜设计者的时间, 而且会降低设计对设计者设计经验的依赖性。同时, 该方法也可推广应用在其他对成像质量要求较高的光学系统设计中。

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。

极平衡作为光刻物镜的一项重要指标，受到多种误差因素综合调制，因此有必要准确区分各种误差源的独立贡献量。提出了一种标定方法，将远心度误差所引入的调制效果进行了解耦，对极平衡指标进行了标定，并与质心标定方法进行对比研究。实现途径是以Matlab程序作为载体，调用Code V进行远心度运算，对LightTools的光瞳强度仿真结果进行重新定位，从而获取远心分离后的极平衡性指标。此外，设计了一个光刻物镜方案作为研究对象，对标定程序进行了仿真验证。结果表明，该标定方法可有效分离远心误差对极平衡的调制作用，程序执行效率较高。

柔性铰链与高准确度驱动器的结合是实现光学元件轴向精密调节的重要方法.本文介绍了一种采用柔性铰链的轴向精密调节机构，推导并得出了其实现精密调节的原理.通过对应用柔性调节机构的一种典型光机系统的刚度分析，得到在不超过柔性铰链材料屈服应力情况下，光学元件的最大轴向位移可以达到200 μm以上; 同时，对一种典型参量的柔性结构做了模态分析，得到其一阶固有频率为185.1 Hz，证明了调节机构的固有频率满足工作要求.分析了驱动力在此种轴向调整机构中对镜片面形的影响，结果表明: 调整机构在接近最大允许驱动力作用下对镜片面形影响为4.41 nm，说明其对光学元件的面形影响较小.该研究结果为柔性光学元件轴向调节机构的应用提供了有力依据.

针对投影光刻物镜苛刻的像质要求，将计算机辅助装调(CAA)技术引入投影光刻物镜的装调过程中，建立了相应的数学模型。选取33个视场Fringe Zernike多项式的4~37项，以及畸变作为校正对象，并选取19个结构参量作为补偿器。通过将CODE V的宏功能和Matlab结合，采集灵敏度矩阵和像质数据。提出用奇异值分解求加权最小二乘解的方法计算补偿量，通过权重因子实现对不同视场上不同Zernike项系数或畸变的改进。将补偿后光刻物镜的性能和理想光刻物镜对比，发现相比于设计镜头，装调后镜头的平均波前均方根(RMS)大约差0.004λ，平均畸变大约差1 nm，该方法可以将系统波像差和畸变恢复到接近设计水平。

研究了光学表面中频误差对杂散光的影响规律，提出使用功率谱密度函数描述表面中频误差，并通过该描述方法进行杂散光分析；同时利用等效光瞳空间频率对表面中频误差进行公差分析。利用以上方法，对工作波长为193 nm、数值孔径为0.75的光刻物镜进行元件表面中频公差分析，当要求在2~10 μm范围内的杂散光强度占比小于0.5%时，中低频等效光瞳空间频率界限为16，中高频等效光瞳空间频率界限为78。当元件表面功率谱曲线指数取1.5时，功率谱密度系数小于0.06的元件表面满足杂散光要求。结果表明该方法可以有效分析光学系统杂散光和元件表面中频公差。

针对光刻投影物镜中透镜X-Y调整机构调整量程小、调整精度高的特点，提出了一种基于柔性铰链的X-Y微动调整机构，并将其应用在光刻投影物镜模型中进行了实验验证。首先，基于机构自由度和机构瞬心等概念介绍了该机构的工作原理。然后，用柔性铰链代替传统铰链完成了该机构的结构设计，并对该机构的运动方向刚度、位移输入-输出比以及固有频率和阵型等进行了仿真分析。分析结果表明：该机构X，Y方向的刚度值为1.99 μm/N和1.96 μm/N，X，Y方向的位移输入-输出比值分别为-2.5和-2.56，机构X，Y方向运动的原理误差分别为实际量的8.22％和6.68％。最后，将研制的X-Y微动调整机构用于光刻投影物镜验证模型中，给出了X-Y调整机构补偿前后的系统波像差。结果显示：模型补偿前后的系统波像差RMS分别为50.864 nm和25.933 nm。由此表明，本文设计的柔性微动调整机构补偿效果明显，能够满足光刻投影物镜高精度X-Y调整补偿要求。