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。

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。

研究离轴照明的系统中,光学表面环带中频面形误差对于照明光场均匀性和半影宽度的影响。推导了二极照明下中频面形误差的峰谷(PV)值和系统的相干因子对线扩展函数(LSF)分布的解析关系,并通过数值计算分析了二极照明下,中频面形误差对照明镜组线扩展函数的影响。阐述了中频面形误差降低照明光场的均匀性和增大半影宽度的理论机制。利用实际制造的面形数据结合商用光学设计软件对光刻机照明系统中照明镜组进行仿真。结果表明,这种仿真方法可以快速评估中频面形误差对照明光场和半影宽度的影响,在设计阶段使用实际制造的面形对系统进行仿真,为光学设计和光学加工公差分配提供了理论依据。

针对光刻机照明系统的实际应用需求,提出了一种光瞳特性参数的评估算法。该算法通过对光瞳强度分布进行转换,可以在不同照明模式下同时计算光瞳椭圆度、X方向光瞳极平衡性、Y方向光瞳极平衡性和四象限光瞳极平衡性等多种光瞳特性参数。以一种28 nm节点扫描光刻机照明系统的中继镜组为实例,对其在传统照明模式下进行光瞳特性参数计算分析。仿真结果显示,全视场光瞳椭圆度最大值为0.95%,X方向和Y方向光瞳极平衡性最大值分别为0.18%和0.19%,四象限光瞳极平衡性最大值为0.66%,均满足28 nm节点扫描光刻机实际指标需求。所提算法在光学设计阶段能快速评估光瞳性能。

提出了一种光刻机照明系统的多自由度均匀性校正方法。当照明光瞳的部分相干因子发生变化时,该方法的校正手指只需整体在光轴方向进行微调就能使照明光场的均匀性满足要求。仿真分析了校正手指的三维空间移动对照明光场均匀性的影响,并验证了该方法的高效性。

提出了应用于光刻机照明系统照明光场均匀性的高精度校正方法,该方法通过优化手指阵列式均匀性校正器中校正手指前端的形状及其排布方式来提高校正能力和精度。仿真结果表明:当校正手指错开排布时,手指阵列式均匀性校正器的校正精度优于0.2%;当校正手指的前端有倒斜角且双层错开排布时,手指阵列式均匀性校正器的校正精度优于0.16%,比常规手指阵列式均匀性校正器的校正精度提高约一倍。

阐述了一种基于低相干光干涉技术的透镜中心厚度的测量方法, 并设计了腔式测量结构对未知折射率的材料进行中心厚度测量。测量系统为包括低相干测量和激光测距的全光纤结构。低相干测量结构参考臂和激光测距结构参考臂的共光路设计降低了环境因素的影响, 提高了测量稳定性, 并利用七步相移法实现对干涉信号的定位和提取。另外, 利用低相干测量方法中的平衡差分结构去除了干涉信号中的直流项, 同时提高了弱信号的定位精度。实验结果表明, 该腔式测量结构对殷瓦合金标准块的测量精度优于0.5 μm, 该系统能够实现对透镜中心厚度的高精度测量, 满足高精密光学系统的测量要求。

研究了一种基于强度传输方程（TIE）和角谱迭代传播算法的混合迭代算法。通过仿真和实验，对比了TIE算法与混合迭代算法在不同离焦距离下的相位恢复效果。结果表明，与TIE算法相比，混合迭代算法提升了大离焦距离下的相位恢复精度，同时提高了相位恢复的空间分辨率。该算法为高精度相位恢复提供了解决方案。

描述了利用低相干干涉技术实现光学镜面间距测量的方法。首先，采用微机电系统(MEMS)光开关多通道延迟结构实现测量范围的多倍增，然后通过共光路激光测距结构实现扫描反射镜的位移测量，再利用包络提取算法对低相干干涉信号的零光程差位置进行定位，最后实现镜面间距的高精度测量。实验测量系统为全光纤结构，利用该系统完成了对因瓦合金（Invar）标准块、大间距光学结构和光学镜组的镜面间距测量，在导轨扫描量程为300 mm的条件下，实现了在0.02~550 mm范围内的镜面间距测量，测量精度优于0.5 μm。该套系统可用于光刻机曝光系统、航测镜头、激光谐振腔等高性能精密光学系统的装调与检测。

为了精确控制曝光剂量，需要精确测量光刻系统的光学透射率。采用了双光路对比的方法进行透射率测量，有效地消除了准分子激光器能量波动带来的透射率测量误差。并通过加入起偏器，消除了准分子激光器偏振态不稳定带来的误差。搭建了深紫外光学透射率测量装置，对1片可计算透射率的光学样品进行透射率测量，其测量结果与透射率理论计算结果基本一致。测量结果显示，该装置的测量重复性可达到0.3%。通过分光光度计对该光学样品进行测量，通过结果对比，该装置的测量结果与分光光度计的测量结果相差0.28%。另外，该装置应用灵活，可以测量光学系统的透射率，具有不受待测光学样品尺寸影响的优点。