在常见光学系统的设计过程中,默认所使用的光学材料各点折射率是均匀的。然而,事实上绝对均匀的光学材料并不存在。对一般的光学系统而言,由于系统本身具有明显的像差,因此材料折射率均匀性对系统成像质量的影响可以忽略。但是,对高数值孔径投影光刻物镜、超高分辨显微镜等极小像差光学系统而言,各项像差都已经得到了很好的校正,影响其成像质量的主要因素就是应力双折射效应和材料的折射率均匀性等。由材料非均匀性导致的像差,可能导致光学系统无法实现预期的功能,甚至无法正常工作。因此,在进行光学设计时,就必须对材料折射率均匀性进行建模和仿真分析,从而指导系统的进一步优化设计。本文针对目前已经存在的材料折射率均匀性分析的二维处理方法仿真精度不高的问题,提出了一种折射率均匀性分析的三维仿真和光线追迹方法。具体说来,主要做了以下工作：1、对一个NA0.75的投影光刻物镜进行优化设计。NA0.75投影光刻物镜是用于实现90nm节点曝光复制的光学系统。本文在广泛搜集和研究国际上高NA投影光刻物镜优化设计和性能提高的实现方法和措施后,设计出一个NA0.75、工作波长193nm的投影光刻物镜,使系统在各视场的MTF都达到衍射极限,波像差均方根值RMS<2.0nm,全视场畸变<2.0nm。2、提出了一种折射率均匀性分析的三维仿真和光线追迹方法。传统的折射率均匀性分析方法,都是将材料均匀性干涉信息直接以像差的形式添加到镜片表面,忽略了斜入射光线和镜片厚度对系统波前像差的影响,因此其仿真精度不高。针对此种情况,本文提出的三维仿真和光线追迹方法,是在ZEMAX中通过自定义的宏程序,构建材料折射率均匀性的三维分布,设置光线追迹的步长,并控制整个光线追迹的过程,提高仿真分析的精度。分别用传统的二维分析方法和三维仿真和光线追迹方法,对一个NA0.7的小像差光学系统进行仿真分析,结果表明,三维仿真和光线追迹方法的仿真结果与实验结果十分接近,仿真精度明显提高。这个结果表明,本文提出的三维仿真和光线追迹方法的仿真精度是可靠的。3、用三维仿真和光线追迹方法,对本文中设计的NA0.75投影光刻物镜的光学材料折射率均匀性进行仿真分析。分析结果表明,光学材料折射率均匀性对投影光刻物镜的波像差、MTF、PSF及畸变等性能都产生十分严重的影响,必须进行进一步的优化设计、校正或补偿。仿真结果对于进一步的光学优化设计和加工装调等具有重要的指导意义。本文提出的三维仿真和光线追迹方法,对于分析光学材料的折射率均匀性对光学系统,尤其是小像差光学系统的成像质量影响,具有十分重要的指导意义和应用价值。