随着光刻技术不断发展,成像分辨率极限一再推进,投影物镜数值孔径越来越大,光刻机像差直接影响成像分辨率和工艺窗口,是评价光刻机成像最重要的参数。光刻成像系统可以抽象为部分相干成像系统,投影物镜像差需要在光刻机运行过程中实现原位、精确检测。基于成像光强的光刻机像差检测技术具有成本低、易于实现、误差来源少等优势,在原位检测中有很好的适用性。然而在实际应用中,该类技术仍然面临众多的技术难题：其一,现有技术缺乏严格的像差检测模型,难以实现整个光瞳面波像差的快速精确检测；其二,该类技术通常需要设计一组几十个掩模图形,同时需要离焦扫描测量光强,时间和经济成本较高；其三,在光刻机实际使用中,物镜热效应等因素会产生较大波像差,而目前的主流技术是基于建立线性的简化模型,不适用于较大波像差存在的情况；其四,随着数值孔径增大,偏振像差对成像质量造成空前的影响,现有的检测技术还没有实现完整的偏振像差检测。鉴于此,本学位论文从这四方面开展基于成像光强的光刻机投影物镜像差检测理论与方法研究,从像差与成像光强的内在联系机理出发,探索光刻机投影物镜像差原位检测新理论和新方法。本文具体内容包括：提出了基于光强传输方程的波像差原位检测方法,将传统光强传输方程扩展到了部分相干光成像中,建立了解析的像差模型。利用光刻机成像系统的远场衍射成像特性,将像面的振幅相位信息与光瞳面相位信息建立关系,从而将光强传输方程应用在了波像差检测中。该方法通过采集较小离焦处的成像光强信号,利用傅里叶变换,进行解析计算,实现波像差原位检测,在数值孔径小于0.6的光刻系统中,波像差检测精度高达mλ量级,有良好的适用性。提出了基于单帧光强提取的波像差原位检测方法,构建了波像差灵敏度矩阵解析模型,建立了波像差37级泽尼克系数快速重构算法。通过深入的理论推导,建立了光刻机成像模型,解析推导了泽尼克系数与成像光强之间的线性关系,从而定义了灵敏度矩阵,提出了掩模优化方法。配合采用优化设计的单个掩模图形,只需要测量单帧离焦成像光强,即可获得全部37级泽尼克系数,克服了离焦扫描的时间和成本问题。该方法在较大数值孔径(0.6<NA<0.85)下,对60m以内的波像差,检测精度高达mλ量级。提出了基于迭代求解的波像差原位检测理论与方法,解决了大波像差情况下高精度、原位检测难题。在解析线性模型的基础上建立了二次像差畸变模型,分析了不同泽尼克项之间的二次耦合关系,定义了光强基函数,调用解析计算的光强基函数,采用迭代算法,对37级泽尼克系数进行求解,从而实现较大波像差的原位检测。该方法在波像差高达150mλ时,泽尼克37级系数检测误差在0.1mλ量级,波像差检测精度仍然高达mλ量级。提出了基于解析灵敏度函数的偏振像差原位检测理论与方法。通过深入分析光刻机成像过程中光的偏振特性,建立了包含偏振的矢量成像模型,研究了不同类型偏振像差对成像畸变的不同影响。采用泡利泽尼克多项式对偏振像差进行表征,使用制作最为简易的二元光栅作为掩模图形,解析计算灵敏度函数,以成像光强的三维分布作为观测量,结合灵敏度矩阵,实现偏振像差原位检测。该方法对偏振像差琼斯光瞳的检测相对误差小于10-2,有效的对超大数值孔径(NA>0.85)浸没式光刻机偏振像差进行了原位检测。本学位论文提出的一系列像差检测方法具有简便易行、低成本、高效率、高精度等诸多优点,为实际应用中所面临的技术难题提供了有效的解决方案,为光刻机投影物镜像差的原位检测、控制和补偿提供了新原理、新途径,极大丰富了现有的像差检测技术。