基于低成本半导体生产的需求,光刻机的产率和分辨率在过去几十年中不断提高。为了增加光刻分辨率,光刻投影物镜的曝光波长不断减小,数值孔径不断增加,目前先进曝光设备均装备有高数值孔径的光刻投影物镜来保证曝光系统的分辨率。目前主流的曝光光学系统的数值孔径能够达到1.35,相比于早期低数值孔径的光学系统,高数值孔径光刻投影物镜在成像原理、像质补偿和波像差检测方面更为复杂。其中,最主要的差别是需要考虑光波在光学系统中的矢量传播效应,因此本论文针对工作波长为193nm的高数值孔径光学系统的成像原理、像质补偿以及波像差检测三个方面,开展了相关的研究,主要研究内容分为以下三部分:以矢量衍射理论为基础,在光刻胶为多层薄膜介质的假设前提下,详细的推导了描述矢量光刻成像过程的数学模型,给出了矢量光刻成像公式。对于高数值孔径成像必须考虑的掩模3D效应,本文采用傅里叶模态理论方法描述厚掩模衍射近场及远场的电磁场分布的数学模型。涉及到矢量光刻成像的光学系统偏振像差,介绍了偏振像差追迹及表征方法,并编写了相关程序,极大的方便了偏振像差的评估。最后综合上述推导的数学模型,编写了光刻成像仿真程序,对一维周期性掩模,二维周期性掩模在光刻胶中的成像进行了仿真,对比了基尔霍夫近似及厚掩模条件下光刻胶中成像差别,分析了光学系统偏振像差对成像质量的影响。在探讨了光刻投影物镜成像理论后,以已有的高数值孔径光刻投影物镜光学系统为研究对象,开展了光刻投影物镜像质补偿策略的研究。考虑到光刻投影物镜补偿器选择的限制,建立了适用于光刻投影物镜补偿器选择的方法,论证了补偿器选择方法的有效性。然后,本论文还给出了热像差的评估计算方法,计算了一种曝光工况下的热像差,并针对热像差的补偿,提出了一种热像差补偿单元,介绍了该补偿单元的实现原理和热像差补偿算法。结合所选择的补偿器及所设计的热像差补偿单元,对典型的热像差工况进行补偿,热像差由10nm RMS补偿至1.8nm RMS,证明了热像差补偿单元的有效性。最后利用所编写的矢量光刻成像程序,以采用当前像质补偿策略后的物镜像差输入,进行了光刻性能仿真,评估了物镜最终的成像质量。针对高数值孔径波像差检测技术,在标量假设条件下,基于互相干度传播理论完成了表征剪切干涉的基本原理的数学推导。对于高数值孔径波像差检测模型,由于需要考虑光波的矢量传播效应和光学系统的偏振像差,用于描述标量电磁场传播的互相干度传播理论已经不适用,因此对矢量光刻成像理论采用的Abbe成像模型进行了进一步拓展,建立了适用于光波矢量传播理论的类Abbe剪切干涉数学模型。采用类Abbe方法建立的剪切干涉数学模型的关键点在于如何计算衍射光栅后表面到探测器CCD表面光场传播,本文采用半解析傅里叶变换结合域分解的方法解决了上述问题。利用所建立的剪切干涉数学模型,在数值上验证了所建立的高数值孔径剪切干涉模型的准确性,给出了衍射光栅与探测器CCD的距离与波前检测精度之间的关系,结果表明探测器与CCD之间的距离对波像差的解算结果没有影响。