超精密位移测量系统是光刻机不可或缺的关键分系统之一，而基于激光外差干涉技术的超精密位移测量系统同时具备亚纳米级分辨率、纳米级精度、米级量程和数米每秒的测量速度等优点，是目前唯一能满足光刻机要求的位移测量系统。目前应用于光刻机的超精密位移测量系统主要有双频激光干涉仪和平面光栅测量系统两种，二者均以激光外差干涉技术为基础。本文将分别对这两种测量系统的原理、优缺点以及在光刻机中的典型应用进行阐述。

为实现掩模台水平向三自由度高精度的运动定位,掩模台测量系统需要建立准确的多自由度解耦测量模型。采用二维衍射平面光栅尺建立掩模台自由度位置测量系统,并主要分析平面光栅尺和读头产生的多个安装误差使测量掩模台位置存在偏差的原因。首先结合安装布局设计出三自由度位移模型,然后结合平面光栅尺和读头的安装误差,分析掩模台位置产生阿贝误差与余弦误差的原因,并设计补偿算法来减小掩模台位置误差,再通过MATLAB软件对模型进行仿真,发现耦合系数具有收敛性;最后提出一种误差校准方法,以双频激光干涉仪测量系统为基准,利用最小二乘法拟合平面光栅尺位置模型的自由度耦合系数。结果表明,该算法能有效地对掩模台的阿贝误差与余弦误差进行补偿,实现5 nm的测量系统不确定度。

介绍了一种掠入射式多包含角平面光栅单色器的设计原理, 从理论上对其可行性进行了分析和验证。该单色器系统对SX-700型单色器进行了改进, 通过简单地升降多角平面反射镜即可对覆盖某个波长范围的包含角进行改变, 选择所需的单色光波长。通过光学仿真软件X-LAB模拟了光束入射到多角平面反射镜的单个角度的反射面时, 单色器对软X射线波段1~2.48 nm的单色化效果, 从理论上验证了本设计能够实现宽能谱扫描及高次谐波的抑制, 并且该单色器结构简单, 易于在实际应用中得以推广。

变包含角平面光栅单色器具有分辨率高和光通量高等优点，被广泛应用于各科研领域，并且随着相关领域研究的不断深入，迫切需要提高其光谱分辨率，以满足使用需求。为研究探索极高分辨率变包含角平面光栅单色器，结合上海同步辐射光源光束线，重点研究影响单色器分辨率的关键因素;对单色器光学元件表面热负载进行分析，设计冷却系统，降低热负载产生的影响;研究变包含角平面光栅单色器转角精度等检测方法。结果表明，根据推导出的变包含角平面光栅单色器光学放大倍数与单色器分辨率的关系式，达到优选极高分辨率工作模式的目的;加入冷却系统后，单色器前置平面镜因受热负载影响而产生的最大斜率误差由81 μrad降到31 μrad;设计可应用于变包含角光栅单色器分辨率达5×104的转角精度检测方法，检测精度可达0026″。该研究将为第三代同步辐射光源中建造极高分辨变包含角单色器提供帮助。

针对反射式成像光谱系统普遍存在多次反射(和衍射)产生杂散光和装调难度大等问题,设计了一种高性能透射式系统,全部使用通用光学组件,简化了系统结构,降低了成本和装调难度,较传统成像光谱仪有更广的适用范围.该设计中全部部件都非定制,可以根据应用场合更换,具有较好的灵活性,采用透射的方式,减少了杂散光的影响.利用ZEMAX软件仿真、优化了搭配两组不同物镜的系统光路,对畸变、MTF、色差等性能进行测试.对比25和50 mm物镜的系统性能,发现望远镜头的更换对整个系统成像质量的影响不大.参照设计参数成功搭建出一台成像光谱仪,其中望远物镜采用准对称双高斯结构,有利于控制场曲和畸变;采用透射式平面衍射光栅作为分光器件,制作工艺成熟,无需定制,装调简单.光谱分辨率和畸变测试结果显示该系统拥有良好的畸变控制能力,光谱分辨率达到2 nm,满足设计要求,利用标定后的系统测得的氘灯光谱取得了较为理想的结果。

高光谱成像具有精细的光谱分辨能力, 在热红外谱段实施高光谱成像对目标探测与识别有显著效果.与国外相比, 我国在该领域的研究还相对薄弱, 应用部门的研究主要基于国外数据, 国内尚未有成熟的仪器.对国内外研究现状进行了详细调研, 并结合目前国内已经布局的研究项目对该领域未来的发展进行了展望, 对我国发展高性能空间红外光谱成像技术具有一定意义.

为了满足高分辨率大相对孔径宽波段高光谱成像仪的要求, 提出并设计了一种基于双Schwarzschild结构的平面光栅光谱仪。基于几何像差理论, 推导出了像散校正条件, 利用Matlab软件编制了初始结构参数快速计算程序。作为实例, 设计了一个相对孔径为1/2.5, 波段为350～1 000 nm的平面光栅光谱仪光学系统。利用自己编制的Matlab程序计算了初始结构参数, 然后利用光学设计软件ZEMAX-EE对该光谱仪的光学系统进行了光线追迹和优化设计, 并对设计结果进行分析。结果表明, 在整个工作波段(350～1 000 nm)内, 点列图半径均方根值小于8.2 μm, 实现了大相对孔径宽波段像散同时校正, 在宽波段内同时获得了良好的成像质量, 满足了设计指标要求。所提出的基于双Schwarzschild结构的平面光栅光谱仪在高光谱遥感领域很有应用前景。

考虑机械刻划光栅刻线摆角对平面光栅衍射波前质量的影响，本文根据光栅机械刻划过程的特点，提出了一种单压电执行器调节方法。该方法可通过不断调节微定位工作台位移，实时修正工作台摆角导致的光栅刻线摆角误差。首先，推导出了微定位工作台位移实时修正公式。接着，采用三路干涉仪实现了微定位工作台摆角测量及其主要成分分析。最后，进行了光栅刻线摆角放大和校正实验。结果显示，摆角放大和摆角校正实验已基本达到了预期的效果，对光栅宽度为10.4 mm且刻线密度为600 line/mm的光栅进行修正后,光栅刻线摆角比校正前降低了64%以上。这些结果表明：采用单压电执行器方法对光栅刻线摆角进行实时修正可有效降低光栅刻线摆角，提高光栅质量；该方法可应用于大面积机械刻划光栅刻线摆角的修正。