纳米材料的结构参数与光学特性,是光电子器件设计与性能调制的必要先验知识。但是由于光电子器件微型化、复杂化和高效化的发展趋势以及制备工艺的限制,许多材料结构仅具有微米级的横向尺寸,对其测量表征提出了严峻的挑战。本学位论文围绕微区纳米材料的结构参数与光学特性这一目标,研制出了基于全穆勒矩阵椭偏测量与显微成像测量原理的高分辨层析成像穆勒矩阵椭偏仪。所研制的仪器在兼顾传统穆勒矩阵椭偏仪高椭偏测量精度与准确度的前提下,能够实现亚微米量级空间横向分辨的全偏振信息测量,在微区纳米材料结构参数与光学特性测量方向存在极大的应用潜力。本论文主要的研究工作及创新点包括:提出了全偏振调制解调与后焦面扫描结合的层析成像穆勒矩阵测量原理,使仪器具有快速改变入射角并收集宽入射角下样品高分辨成像信息的能力,首次实现亚微米横向分辨的宽光谱、多入射角、全穆勒矩阵测量。建立了穆勒矩阵系统数学模型,并基于非线性回归迭代算法,实现了高准确度与高精度的椭偏测量。根据所建立的系统数学模型,系统分析了仪器的误差来源与分类,并评估了对测量准确度产生的影响。针对系统中分束器偏振效应引入的测量误差,提出了一种基于傅里叶变换的参数化校准方法,对分束器的偏振效应进行补偿;针对系统中高数值孔径物镜的偏振效应引入的测量误差,提出了一种基于泽尼克多项式的参数化校准方法,对高数值孔径物镜的偏振效应进行补偿,实现了仪器的精密校准。设计并研制了具有高椭偏测量精度、高横向分辨率的层析成像穆勒矩阵椭偏仪原理样机。通过一系列评估实验,验证了所研制的仪器全测量波段横向空间分辨率优于0.8μm,全穆勒矩阵元素准确度优于±0.005,膜厚测量重复性精度优于±0.02 nm,满足微区纳米材料结构参数与光学特性的测量需求。利用研制的高分辨层析成像穆勒矩阵椭偏仪开展了微区纳米材料的结构尺寸和光学常数的测量应用研究,首次实现了微区纳米薄片Ge S2各向异性光学常数的表征以及三维显示中的微区纳米结构形貌参数的提取。在应用的研究过程中,针对微区纳米薄片二维材料对比度不高的问题,利用哈达玛成像模式,快速准确地对微区纳米薄片二维材料进行定位和识别;针对由于微区纳米结构周期不准确造成的拟合问题,提出了一种同时测量周期与结构参数的方法,提高了参数提取的准确度。应用研究结果展示了所研制的仪器在微区纳米材料结构参数与光学特性测量中优良的性能以及潜在的应用前景。