设计了一种狭缝柔性结构的光学元件调节机构, 使光学元件在具备较高调节精度的同时, 保持较高的导向精度。采用弹性力学应力函数法分析了狭缝柔性结构的刚度, 以径向刚度与轴向刚度的比值为目标函数, 对狭缝柔性结构尺寸参数进行了优化, 在不超过柔性结构材料屈服应力等约束条件下, 刚度比最优值达到1 5736, 较大的刚度比值可以减小调节机构的耦合位移, 从而提高机构的导向精度。该结构加工装配方便, 可实现三自由度(θx-θy-Z)调节。对优化后的柔性结构进行仿真分析, 结果表明: 径向刚度与轴向刚度比值的仿真值为1 6604, 解析值与仿真值误差为523%, 证明了刚度分析方法的有效性。优化后的结构, 轴向调节行程为209 mm, 绕x轴偏转角度调节行程为±166 mrad, 绕y轴偏转角度调节行程可达到±144 mrad, 满足光学元件调节的大行程要求。

X-Y向柔性调节机构应用于光刻投影物镜中光学元件 X-Y方向偏心位置补偿。基于柔性铰链, 设计柔性二级减速机构, 并将之应用到新型的一体式 X-Y向柔性调节机构上。在对机构原理进行分析的基础上, 对 X-Y向柔性调节机构结构参数进行了优化设计。进一步, 运用有限元分析法, 分析了该 X-Y向柔性调节机构的性能。分析结果表明, 该机构调节行程大于 ±20 μm, 机构位移输入.输出关系稳定, 传动比约 11.9, 理论调节精度约 8.4 nm, 机构单方向驱动刚度为 0.473 μm/N; 机构开环单轴运动时, 耦合误差与主运动比值为 7.1%; 机构 1阶模态频率大于 200 Hz。该 X-Y向柔性调节机构能够应用到光刻投影物镜中。

为了实现高成像要求，投影光刻物镜在设计时需要考虑膜层偏振效应的影响，并进行相应的分析和评价。首先介绍了基于琼斯矩阵的偏振像差理论，然后以一个数值孔径（NA）为0.75的投影光刻物镜为例，设计了相应膜系，系统分析了膜层引入的偏振像差，并在设计时对膜层引入的离焦项和球差项进行了间隔优化补偿，补偿前后标量波像差和质心畸变分别从68.92 nm 和3.76 nm 改善为1.08 nm 和0.38 nm，偶极照明模式下90 nm 密集线条对比度从0.082 提高为0.876，在此基础上，提出在设计时根据不同表面的入射角分布情况，采用组合膜系，同时控制P光和S光的振幅和相位分离，减小膜系引入的延迟和二次衰减等偏振像差，使得线条对比度提高了1.1%。

在保证光学元件极高面形精度和极高调节精度的同时，为了实现更大的调节行程，采用柔性环片结构，设计了一种光学元件轴向精密调节机构。建立了调节机构的有限元分析模型，分析了主要设计参数对调节机构的调节行程、应力值、固有频率、光学元件上下表面面形均方根(RMS)值等性能指标的影响。结果表明：轴向调节机构可实现299.2 μm的调节行程，且机构的最大应力值为141.3 MPa，固有频率值为95.3 Hz，光学元件上下表面的面形RMS值在1.3 nm以内，满足光刻投影物镜对轴向调节光学元件的使用需求。

超光滑加工通常是在保证光学元件面型精度不劣化前提下提升其中高频精度.均匀去除是保证超光滑加工过程中光学元件面型精度不劣化的重要途径.本文以四轴三联动小磨头超光滑加工机床为基础, 结合Preston假设, 研究了四轴三联动超光滑加工机床对光学元件的材料去除特性, 发现当机床取某些特定的参量时, 通过等值的驻留时间规划即可实现光学元件表面材料的均匀去除.最后, 对这些特定的参量进行了对比实验.实验结果验证了理论分析的正确性.

在Preston假设基础上, 研究并推导了光学元件抛光过程中“花瓣”型截面磨头在双转子运动形式下的去除函数.提出了“花瓣”型截面磨头的离散点弧长表达方法, 并讨论了该方法的适用范围; 基于离散点弧长法, 推导了“花瓣”型截面磨头在双转子运动形式下的去除函数表达式; 根据可调步长式曲线逼近原理研究了类高斯型目标去除函数的逼近算法; 并得到了类余弦型去除函数的双转子抛光模参量.从而证明了双转子抛光技术可以得到类高斯型去除函数.