近年来,随着纳米制造工艺的发展,芯片的尺寸越来越小,集成度也越来越高,已经达到了纳米级别的制程,对测量技术也提出了越来越高的要求。对于椭偏测量技术,由于其高精度、无接触、无破坏等优点,目前在半导体、生物、医药、光伏产业等多个领域的应用也越来越广泛。随着椭偏测量应用的延伸,传统椭偏仪由于只能采集到零级衍射光,只能测量简单的周期结构,无法胜任在复杂纳米结构方面的测量。本文主要研究层析穆勒矩阵散射仪,该仪器结合了穆勒矩阵测量能力和高分辨显微成像技术,基于高NA物镜实现多入射角的测量,可以获取样品更加全面的信息。本文将重点展开仪器的优化设计、仪器校准、系统软件设计等方面的探索。具体研究内容及创新点如下:（1）阐述了层析穆勒矩阵散射仪的仪器测量原理,推导了仪器偏振测量的系统模型,并介绍了仪器高分辨层析成像的原理,结合数据处理方法介绍了参数的提取过程。（2）针对激光作为成像照明光源存在的散斑现象和高斯分布问题,设计了一套光学照明系统,实现均匀准直的照明光束,并通过实验验证了系统的有效性。（3）分析了仪器偏振测量系统中的误差来源,提出了基于非线性拟合的系统校准算法,实现所有校准参数的原位校准,提高仪器的测量精度;设计了一种自动对焦算法,提高仪器自动化测量能力;设计了一种边缘识别算法,可以针对暗弱二维材料有较好的区分效果。（4）针对层析穆勒矩阵散射仪的测量需求,基于Lab VIEW开发了仪器系统软件,编写系统软件的各个功能模块,并进行了各个模块以及整体软件的功能测试。进行了应用测试,验证了系统软件的设计满足层析穆勒矩阵散射仪的测量需求。