折反式深紫外光刻物镜采用反射镜为主动自由曲面，补偿系统热像差。一些物镜系统要求反射镜的通光孔径为矩形。出于描述反射镜主动变形的目的，需要采用矩形区域正交的多项式拟合变形数据。高精度的拟合要求需要获得高阶的多项式表达式。本文根据正交多项式的性质，推导了矩形正交多项式的通式并列出前36 项多项式的表达式。应用该多项式对主动自由曲面的变形数据进行拟合。结果表明，变形均方根值(RMS)在2 nm~5 nm 范围内，最小拟合残差可达0.024 nm。根据拟合残差面形的特点，可以对主动自由曲面的结构设计改进。

设计了基于振幅型棋盘光栅的二维剪切干涉仪, 用于测量大数值孔径(NA)物镜的波像差。研究了棋盘光栅剪切干涉仪的基本原理, 分析了大数值孔径物镜波像差测量时涉及的几个特殊问题。首先, 根据棋盘光栅的远场衍射函数分析了棋盘光栅的衍射效率和衍射级分布, 给出了剪切干涉图数据的处理方法。接着, 根据球面光瞳坐标与平面探测器坐标的投影关系, 分析了光瞳坐标畸变的影响; 采用几何光线追迹方法, 分析了光栅方程非线性对系统误差的影响。最后, 推导了物镜光瞳边缘的相对照度与数值孔径的关系。试验结果表明：采用相同光瞳坐标, NA为0.6的显微物镜的波像差测量重复性（3σ）可达到3.7 mλ。对大数值孔径物镜测量过程中涉及的特殊问题进行了探讨, 结果提示：测量大数值孔径物镜的波像差时, 需要考虑光瞳坐标畸变、光栅方程引入的系统误差、光瞳边缘照度衰减的影响等。

设计了适用于制冷型320×256 中波红外凝视焦平面阵列探测器和320×256长波红外凝视焦平面阵列探测器的共孔径消热差折反射式红外双波段光学系统。该系统在中波3.7~4.8 μm, 长波7.7~11.7 μm, 环境温度10~40 ℃下工作, 其焦距为292 mm, 视场角为1.56°×1.875°, F/＃为1.93, 满足100％冷光阑效率。设计的系统共用主镜、次镜和准直镜组, 利用分光镜实现中波红外、长波红外光谱分光, 后接各自的校正镜组校正剩余像差。给出了设计原理、设计过程和工程设计时需考虑的一些因素, 通过选择合适的光学材料、机械材料和分配光焦度, 实现了两路系统在10~40 ℃环境温度下具有良好的成像性能。该系统成像质量良好、可加工性好、装配难度小、工程可实施性强。

与红外定焦镜头和红外两档变焦镜头相比，红外连续变焦镜头具有连续可变的视场，可对目标进行连续的跟踪，是未来红外成像技术的发展方向。随着光学冷加工、精密机械加工、镀膜技术等工艺水平的不断进步，以及现代科技的发展要求，红外变焦镜头向高变焦比方向发展，同时还须保持良好的成像和消热差性能。概述了国外各种高变焦比中波红外镜头的结构和设计方法，包括20×高变焦比中波红外镜头、30×高变焦比中波红外镜头、300×高变焦比中波红外镜头，总结了一套高变焦比中波红外镜头设计经验，对国内高变焦比中波红外镜头的应用发展研究有借鉴价值。

系统研究分析了红外光学系统中各个光学参数随温度变化的影响情况,根据红外硫系光学材料折射率温度系数较小的特点,并结合折反射结构良好的消热差特性，应用Code-v光学设计软件设计了一种折反式中波红外探测无热化成像系统，系统工作波段为3.7～4.8 μm，焦距为109.7 mm，全视场角为6.4°，F/＃为2.0，满足100％冷光阑效率，采用锗、硫化锌和硫系玻璃AMTIR1三种红外材料，设计结果表明，该系统在低温-40 ℃、高温60 ℃时的成像质量和常温20 ℃的成像质量变化不大，取得了良好的成像性能，可匹配像元尺寸为30 μm，像元数320×256的凝视型焦平面阵列中波红外探测器。

光源掩膜协同优化是45 nm节点以下浸没式光刻提高分辨率的重要途径之一，为了重构其优化后输出的像素级光源，提出了一种基于可寻址二维微反射镜阵列的新型照明模式变换系统设计方法。分析了减少重构光源所需微反射镜数量的原理，结合成像与非成像光学，利用柱面复眼透镜，获得了入射到微反射镜阵列上的非均匀的特定光强分布，基于此光强分布对微及射镜二维偏转角度进行了模拟及优化，并对该照明模式变换系统进行仿真，结果表明，光瞳重构精度小于2.5%，X，Y 方向光瞳极平衡性小于0.5%，Prolith中重构光源的曝光性能仿真结果满足要求。与类似的系统相比，该系统仅用不足4000个镜单元即可达到设计要求，适用于集成度高的下一代浸没式光刻系统。

为了分析一维相移剪切干涉仪中调制度的变化规律和影响。研究了一维光栅相移剪切干涉仪的基本原理，推导了干涉光强公式和光强调制度函数。通过将泽尼克单项像差代入到调制度函数因子，分析了泽尼克像差、剪切比对调制度函数的影响，发现测量范围主要受到高级球差和大剪切比限制。设计了一维相移剪切干涉仪的可见光实验装置，在632.8 nm 波长分别使用周期为9 μm、18 μm 一维光栅测量了一个NA=0.25 显微物镜的波像差，实验结果表明：光栅周期为18 μm 时可以正确测量，光栅周期为9 μm 时，调制度存在反转点，像差超出测量范围，并验证调制度函数分析结果的正确性。

离轴照明(OAI)作为一种重要的分辨力增强技术(RET)，不仅可以提高光刻分辨力，而且对焦深(DOF)也有一定程度地改善。针对特定的掩模图形，采用何种离轴照明模式能最大程度地改善光刻成像性能是主要研究的内容。通过优化设计的方法来获得最佳照明模式，采用的优化算法为最速下降法，采用的评价函数为光刻工艺窗口。工艺窗口包含三个方面的信息：成像精确度、曝光度、焦深。通过空间像性能对这三个方面分别做了描述，并将这三个函数加权得到综合评价函数，这种描述方法避免了复杂的光刻胶模型，评价函数值能快速准确地被求解。求解不同权值下的最佳照明模式及该照明模式对应的实际工艺窗口大小，结果表明，空间像性能描述的评价函数能较好地反映实际工艺窗口的性能，合理选择权值，优化得到的照明模式对工艺窗口性能有较大改善作用。

相比红外光谱定焦成像系统和红外光谱两档成像系统而言, 红外光谱连续变焦成像系统具有连续变化的视场, 可对目标进行连续成像, 是未来红外光谱成像技术的发展方向。 为了提高红外光谱连续变焦成像系统的探测性能、 实现低成本、 良好的消热差性能, 近年来国外开发了一些新技术。 概述了国外红外材料、 红外探测器、 冷光阑等方面的新技术, 及这些新技术在红外光谱变焦成像系统中的具体应用, 列举了使用新型红外材料实现消热差的红外目标探测连续变焦系统, 中波红外、 长波红外光谱双波段连续变焦系统, 高变焦比红外光谱连续变焦系统, 应用可变冷光阑技术的红外光谱连续变焦系统设计实例, 作为国内红外光谱变焦成像系统发展的借鉴。

为了用同一设备对目标在中红外光谱段同时实现跟踪和捕获, 针对像元尺寸为15 μm×15 μm的新型大面阵640×512红外探测器, 设计了一套大面阵中红外光谱变视场探测成像系统, 系统光谱范围为3.7～4.8 μm, F数为4.0, 窄视场为0.45°, 宽视场为0.90°, 通过利用机械机构在窄视场结构中切入两片透镜实现宽视场结构, 应用二次成像技术不仅有效减小了前固定组透镜口径, 而且实现了100%冷光阑匹配, 减小了进入红外探测器的杂光。该系统仅采用了锗和硅两种常用的红外材料, 为了有效校正系统的轴外像差和高级像差, 并保证变视场系统两种结构的齐焦性, 系统应用了非球面技术。设计结果表明, 奈奎斯特频率33 lp·mm-1处, 系统的窄视场和宽视场的传递函数值均优于0.2, 所有视场畸变均小于0.5％, 具有优良的成像性能。在极端温度－35～55 ℃范围时, 该大面阵中红外光谱变视场探测成像系统窄视场结构和宽视场结构的成像质量变化不大, 满足使用要求。