椭偏测量术是一种利用光的偏振特性获取样品信息的光学测量方法，其核心是通过测量样品的反射光或透射光，从而获得偏振光在反射或透射前后的偏振状态变化，进而从中提取出样品的信息。近年来随着椭偏测量术的仪器化开发、应用以及理论解释等研究的迅速发展，该技术已成功应用于半导体、光伏产业、平板显示、生物、电化学等多种领域，并显示出越来越丰富的应用前景。　　伴随着椭偏测量术应用领域的延伸，传统椭偏测量设备，如光谱椭偏仪，仅能收集平面反射光或零级衍射光，这一局限性极大地制约了椭偏测量术更广泛的应用，使其无法胜任复杂纳米结构、生物组织结构、浑浊介质材料等新兴领域的应用测量需求。此时入射偏振光与待测样品的相互作用不再是简单的衍射问题或薄膜干涉问题而是复杂的光学散射问题。仅利用单一方向的散射光（如平面反射）进行椭偏分析已经无法表征样品的偏振特性，而需要获得全面的样品偏振散射场分布信息。同时，由于待测样品中多重散射光的非相干叠加，获得的测量信息中可能存在显著的退偏效应，仅通过椭偏参数已经无法准确描述待测样品的偏振特性，而需要采用包含偏振信息更全面的穆勒矩阵描述。因此，在诸如复杂纳米结构、生物组织结构、浑浊介质材料等新兴应用领域中，传统光谱椭偏测量设备已经无法满足其日益复杂的测量需要，需要能实现待测样品完整或大部分偏振散射测量的新型光学仪器。　　本论文围绕偏振散射测量这一主题，以传统光谱椭偏仪为基础，结合层析衍射成像技术，提出研制一种称为层析穆勒矩阵散射仪的新型光学仪器。该仪器采用大数值孔径物镜并利用平面反射镜在其后焦面实现照明光束的快速扫描，使其具有多入射角测量的能力，同时通过获取物镜后焦面图像得到样品在单一入射角下的散射场分布，从而克服了传统椭偏仪只能获取单一方向散射场信息的弱点。通过引入穆勒矩阵椭偏仪技术，使测量所得散射场上每一个点均包含一个4?4阶穆勒矩阵，即仪器在每一个入射角下均有一组散射穆勒矩阵，进而可以表征样品完整的偏振特性，因而比传统光谱椭偏仪获得更丰富的测量信息。结合多入射角下的散射穆勒矩阵可得到样品全散射穆勒矩阵，能实现更准确、更灵敏、更完整的样品偏振散射场表征。按照工作开展顺序，课题研究工作和创新成果可以归纳为以下几个方面：　　系统研究了层析穆勒矩阵散射仪测量原理，提出了样品全散射穆勒矩阵的测量理论与方法。建立了基于双旋转补偿器型偏振测量系统任意转速比下穆勒矩阵求解的通用数学模型；提出了一种高分辨测量入射角扫描方法；推导了成像系统频域图像与样品散射场分布的线性对应关系；研制了第一台层析穆勒矩阵散射仪原理样机，分析了照明光路设计、成像光路设计、偏振系统布置中主要设计问题，提供了各核心光学元件选型依据；提出了一种双旋转补偿器电机与相机高精度同步数据采集的方法；开发了测量数据处理程序和用户操作界面。　　研究了层析穆勒矩阵散射仪误差来源和分类，推导了仪器系统参数误差传递公式，评估了仪器系统误差对测量精度的影响；提出了一种以系统矩阵条件数为评价函数的仪器系统优化模型，并结合全局灵敏度分析方法得到了仪器测量的最优系统配置参数。　　系统研究了层析穆勒矩阵散射仪的标定方法，有效提高了仪器的测量精度。针对层析穆勒矩阵散射仪测量过程中偏振系统参数误差，提出了一种基于非线性回归算法的仪器系统标定方法；针对因相机曝光模式引起补偿器初始方位角标定误差，提出了线性拟合插值的补偿修正方法；针对平面反射镜安装及其转台失步、回程误差等因素引起的照明入射角误差，提出了一种基于光栅标准样品的照明入射角标定方法；针对非偏振分光镜残余偏振误差，提出了一种非偏振分光镜偏振特性在线修正方法；针对成像系统中高 NA物镜偏振像差，提出了一种高 NA物镜偏振像差的在线标定方法。　　开展了纳米结构三维形貌重构和生物组织微结构的偏振散射特性表征等两类应用测量研究，实现了对一维硅基光栅模板三维形貌重构，并首次定量表征了两类闪蝶的蝶翅鳞片的偏振散射特性。对于一维周期性硅模板，通过求解逆散射问题提取出样品的三维形貌参数，展现了仪器在纳米结构三维形貌重构中的应用潜力；对于闪蝶鳞片上微纳尺度的生物组织，采用矩阵分解的方法得到了其在垂直入射下偏振散射特性，为仿生微纳材料器件制备提供理论支持，展现了仪器对复杂散射结构偏振散射特性测量及表征的能力。