基于空间像主成分分析的波像差检测技术是一种原位光刻机投影物镜波像差检测技术。本文对该技术的检测模型和工程技术进行了系统研究。分析了照明条件、检测标记、空间像扫描范围等影响因素对检测精度的影响。研究了空间像传感器模型，并通过仿真和实验验证了传感器模型的有效性。研究了空间像定心误差对检测精度的影响，对比了不同定心方法下波像差检测模型的性能表现。分析了不同降噪方法的空间像降噪效果，并基于空间像噪声模型，提出了一种新的空间像降噪方法。仿真与实验结果表明，在各种影响因素中，照明部分相干因子和F方向采样范围对像差检测精度影响较大。定心方面，在X方向上六项模型定心精度更高，F方向上三项模型与六项模型各有优劣。平均值降噪法可以有效滤除空间像噪声，提高像差求解精度。像差漂移量仿真测试结果表明，该技术可用于校正光刻机的短期像差漂移。本文对该技术还给出了工程应用建议。

面向光学系统及光学车间现场波像差检测、长焦成像系统波像差检测等复杂易受外部干扰的应用场景，本团队提出了一种基于偏振同步相移的双光纤点衍射干涉技术，用于光学成像系统波像差的实时动态检测。该技术采用短相干长度光源与单模保偏光纤产生两个点源，这两个点源可以输出正交线偏振光；在光路中加入四分之一波片，采用微偏振阵列相机实现了基于单幅干涉图的空间同步相移。通过衰减器调节两束光的光强比，可以实现干涉条纹对比度的调节。搭建了基于该技术的实验装置，并采用该装置对5X透射式微缩投影物镜波像差进行了测量，测得其波像差均方根(RMS)为10.49 nm。在低频振动噪声环境下进行了32次重复性测量，重复测量精度为0.17 nm，实现了待测投影物镜波像差的高精度实时动态检测。实验结果验证了所提检测技术的有效性。

提出了一种用于测量高精度成像系统的双孔点衍射干涉仪,具有高光场均匀性、高可测量数值孔径、准共光路、相移元件在系统成像光路以外的优点。设计了两种测量模式,点衍射测量模式和系统误差测量模式,其中系统误差模式用于标定干涉仪的系统误差。分别搭建了双孔点衍射干涉和双光纤点衍射干涉的实验装置,完成了对设计波像差小于0.045λ RMS,5×透射式投影物镜的检测实验。实验结果表明,与双光纤点衍射干涉仪对比,双孔点衍射的波像差测量相对误差为0.07 nm RMS,且干涉图具有更加良好的光强均匀性。验证了本文检测技术的有效性。

Ptychography是一种基于扫描式相干衍射成像的相位恢复技术，实验装置简单，抗干扰能力强。将Ptychography技术用于投影物镜波像差的检测，并分析了检测不同数值孔径投影物镜波像差所采用的光场传播公式、离散化条件及实验架构。数值仿真与实验结果表明，Ptychography技术用于波像差检测时检测标记的通光率需要在45%~80%范围内；增加标记图案的复杂性并在计算过程中增加配准环节可提高收敛速度与检测精度；波像差检测精度在10-3λ以内。将Ptychography技术应用于极紫外光刻投影物镜波像差检测是可行的。

提出了一种基于空间像主成分分析的超大数值孔径光刻机投影物镜波像差检测方法。通过采用偏振光照明和矢量光刻成像模型并考虑投影物镜的偏振像差，准确表征了超大数值孔径光刻机的空间像，从而提高了像差检测模型的精度，实现了超大数值孔径光刻机投影物镜33项泽尼克像差(Z₅~Z₃₇)的高精度检测。相比于原基于空间像主成分分析的投影物镜成像差检测技术(AMAI-PCA)方法，所提方法适用于超大数值孔径光刻机投影物镜波像差检测。采用光刻仿真软件PROLITH 对所提方法的检测精度进行了仿真验证，并分析了空间像采样间隔对波像差检测精度的影响。仿真结果表明，该方法对泽尼克像差(Z₅~Z₃₇)的检测精度优于0.85×10^-3λ。

针对成像光学系统的波像差检测, 提出波像差梯度偏离值评价方法, 用于表征波前的成像性能.定义波像差梯度偏离值为波前成像点与成像能量中心的偏离值, 相对波像差梯度偏离值为波像差梯度偏离值与艾里斑大小的比值.相对波像差梯度偏离值与波前口径、形状、焦距均无关, 其与波像差梯度偏离值均可以用成像尺寸、成像集中度以及成像能量分布等方式进行评价.大量的波像差实际检测结果表明, 成像集中度和成像能量分布在不同的检测分辨率条件下的稳定性较好, 分辨率每相差一倍产生的差异通常小于10%.中频误差含量不同的两个球面和非球面波像差的实例比较结果表明波像差梯度偏离值可以很好地评价波像差的空间频率分布特征.根据出瞳位置的波像差梯度偏离值分布和像面位置的波像差梯度分布情况, 可以方便地指导光学加工和系统装调.该方法可以用于制定波像差指标, 进行波前质量控制.

在分析Ronchi 相移剪切干涉仪典型系统参数的基础上，系统研究了该干涉仪相位提取精度的主要影响因素。结合传统的五步相移算法，采用所提出的八步与十步相移算法，对Ronchi相移剪切干涉仪的相位提取误差进行理论分析和仿真计算。仿真结果说明，八步和十步相移算法可以有效地消除多级衍射光寄生干涉对相位提取精度的影响，且十步相移算法比八步相移算法具有更高的相位提取精度；为了提高测量精度，要求相移误差优于2%；探测器位数大于10位；光栅周期误差小于1%；光源空间相干性低于0.1。通过采用不同的相移算法、剪切率和光源空间相干性的三组对比实验，对理论分析的正确性进行了验证。

Ronchi剪切干涉采用扩展光源调制光场空间相干性，具有干涉仪结构简单、共光路、零条纹检测等优点，适合用于光刻机投影物镜波像差原位检测。基于Ronchi剪切干涉的投影物镜波像差检测技术及系统，根据光栅衍射和空间相干性理论推导了Ronchi剪切干涉场的表达式。针对Ronchi剪切干涉仪多级衍射光寄生干涉对相位提取精度的影响，提出了一种十步相移算法，有效地消除±9 级以内多级衍射的影响，理论上相位提取误差峰谷(PV)值为0.0046 λ ，均方根(RMS)值为0.0019 λ ，实验数据验证了理论推导的正确性和相位提取算法的有效性。

提出一种基于阶梯相位环空间像主成分分析的光刻投影物镜波像差检测方法。通过对相位环空间像进行主成分分析和多元线性回归分析，构建了空间像光强分布与波像差之间的线性模型，并基于该模型实现了波像差检测。与使用孤立空检测标记的传统方法相比，使用新检测标记能够消除不同种类波像差之间的串扰问题，提高像差检测精度。同时，分析了空间像的离焦误差对波像差检测精度的影响，并提出了一种迭代算法用于确定实测空间像的离焦误差，其测量精度优于1 nm。光刻仿真软件Dr.LiTHO的仿真结果表明，该法有能力检测12项泽尼克系数（Z5~Z16），最大系统误差约为1×10-3λ，检测速度可提高一倍以上。

提出了一种基于空间像自适应降噪的投影物镜波像差检测方法。通过对空间像进行统计分析，获取空间像的噪声模型和噪声标准差模型。以噪声标准差为权重因子，利用加权最小二乘法对空间像进行主成分分解，可以实现对空间像的自适应、无损降噪，从而得到更为精确的主成分系数和泽尼克系数。使用光刻仿真软件PROLITH的仿真结果表明，在相同的噪声水平下，0.1λ像差幅值内，与基于空间像主成分分析的波像差检测技术相比，精度提高30%以上。在使用光刻实验平台测量Z8调整量的实验中，该方法的精度更高。