在一些高速动态的物理化学过程中,如粒子迁移过程,分子自组装过程,外加电场下液晶分子取向有序化过程等,往往同时存在局部物理特性及微观纳米结构的快速变化,且常常仅发生在毫秒甚至于微秒时间尺度内。由于高速动态过程的复杂性和瞬时性,对相关的实时原位测量与表征技术提出了严峻的挑战。本学位论文围绕着高速动态过程测量这一目标,研制出基于双光弹偏振态高速调制以及空间分振幅的实时解调测量原理的高速穆勒矩阵椭偏仪。所研制的仪器不仅兼具传统穆勒矩阵椭偏仪高测量准确度以及高测量精密度的优点,还能实现微秒量级时间分辨力的全穆勒矩阵测量。凭借着高测量精度和高测量时间分辨力特性,所研制的穆勒矩阵椭偏仪在高速动态过程实时测量有着极大的应用潜力。论文主要研究工作及创新点包括:提出了基于双光弹偏振态高速调制以及空间分振幅的实时解调的测量原理,建立了基于非线性回归迭代光强拟合算法的穆勒矩阵求解系统模型,实现了全穆勒矩阵快速高精度测量。根据所建立的系统模型,进一步建立了仪器误差传递模型,系统性地分析了仪器测量中的误差来源、分类以及传递过程。通过一系列误差传递仿真实验,评估了各类误差对穆勒矩阵测量精度以及光学参数提取精度的影响,验证了所建立的误差传递模型的正确性。针对分束器偏振畸变效应引起的测量误差,提出了基于穆勒矩阵极分解形式的分束器表征模型及相应的参数化原位校准方法,对分束器偏振畸变效应进行了补偿,实现了起偏矩阵的精确校准。提出了基于离散傅里叶变换和贝塞尔函数展开算法以及幅值谱匹配的光弹调制器（PEM）原位校准方法,实现了不同驱动电压下PEM动态调制性质校准与标定。提出了基于遗传算法的多目标系统测量配置优化方法,减小了由于系统误差和随机误差对穆勒矩阵测量结果的影响,并通过仿真实验结果证明了测量配置优化对仪器的精度和鲁棒性的明显改善。设计并研制出了高精度、高时间分辨力的基于光弹调制的高速穆勒矩阵椭偏仪,重点解决了仪器研制过程中光路结构设计、控制系统设计、机械结构设计等方面的问题。通过不同类型样品的测量实验,完成了仪器测量性能评估,验证了所研制仪器穆勒矩阵元素测量准确度优于0.005,测量精密度优于0.003,测量时间分辨力最高可达3μs,满足高速动态物理化学过程实时原位测量需求。最后,利用自主研制的仪器,开展了向列液晶相位延迟器（LCVR）动态调制特性表征以及物体姿态角实时原位测量应用研究。在应用研究开展过程中,建立了高速动态过程中基于穆勒矩阵形式的样品光学性质表征模型,提出了高速动态过程中动态光学参数的提取方法,实现了复杂多变的高速动态过程的高精度实时原位监测。应用研究结果展示了所研制的仪器在高速动态过程实时原位测量中优良的性能以及潜在的应用前景。