随着集成电路、平板显示、太阳能电池等产业的发展,加工精度不断提升,器件的特征尺寸减小至纳米量级。纳米器件的三维形貌结构尺寸、薄膜厚度、材料的物理光学性质等对器件的性能有着极大影响,因此对这些参数进行准确、快速、无损的检测对提升器件性能具有重大意义。现有较高精度的扫描电子显微镜等测量方式测量效率极低,操作繁琐,且具有破坏性,难以满足纳米结构的测量需求;传统时间调制型椭偏仪能够完成无损精确的检测任务,但是测量时间较长。快照式穆勒矩阵椭偏仪基于波长调制求解待测样品穆勒矩阵,无需旋转任何器件,测量速度快,不受器件运动干扰,是该问题的潜在解决方案。本论文围绕快照式穆勒矩阵椭偏仪研制展开研究,主要工作与创新点包括:建立了快照式穆勒矩阵椭偏仪的系统模型,着重解决了系统矩阵的确定与由测量光谱恢复实频系数与虚频系数这两个核心问题。提出了基于快照式穆勒矩阵椭偏仪测量误差分析的系统优化指标和相位延迟器厚度比优化设计方法,建立了包含相位延迟量误差、方位角误差的系统模型,并提出了考虑多误差耦合条件下的系统模型校准与误差修正方法,能够准确校准仪器系统误差并大幅提升穆勒矩阵测量精度。提出了快照式穆勒矩阵椭偏仪的设计准则,完成了关键器件的选型与设计,搭建了一套快照式穆勒矩阵椭偏仪的原理样机,校准了仪器的系统误差,对原理样机进行了初步的测量实验,仪器测量速度可达毫秒量级,最大测量误差约为5%。最后对测量误差来源进行了分析,并提出改进方案。本文聚焦于快照式穆勒矩阵椭偏仪研制工作,建立了仪器的系统模型与仿真方法,重点研究了相位延迟量误差与方位角误差等系统误差的修正方法,并研究了通过优化相位延迟器厚度比降低随机误差影响的方法,研制了一台测量速度可达毫秒量级的快照式穆勒矩阵椭偏仪的原理样机,为集成电路、平板显示、太阳能电池等产业中诸多参数的测量提供了潜在的解决方案。