极紫外光刻技术是具有很好发展前景的下一代光刻技术。投影曝光系统是极紫外光刻系统的核心组成部分。极紫外光刻投影物镜和照明系统设计是极紫外光刻技术研究的重要内容之一，对我国的半导体制造设备的研制具有重要意义和作用。本文在极紫外光刻投影物镜的初始结构设计方法、非球面结构成像系统优化方法、极紫外光刻照明系统的初始建模与优化等方面开展了深入的研究。利用本文建立的设计方法，设计了多套极紫外光刻机成像系统。利用本文建立的优化设计方法，优化后的成像系统，具有接近衍射极限分辨率和很好的成像质量。建立了极紫外光刻投影物镜的初始结构分组设计的方法和人机交互设计程序。针对现有设计方法存在的计算量大，搜索速度慢，搜索不全面，普遍适用性和灵活性差,人机互动不良等不足，提出了全球面共轴反射投影物镜分组设计的方法和人机交互设计程序。分组设计方法将复杂投影物镜分为若干镜组，根据各镜组的光路特点、反射镜结构和系统结构参数的特征，选取适当的计算条件，分别计算各组反射镜的结构参数；然后通过物像匹配和光瞳匹配规则进行衔接，进而得到全光路无遮拦或中心遮拦较小的共轴全球面初始结构设计。这一方法将人工设计和计算机自动搜索过程相结合，运算耗时短，计算和搜索过程直观可控，能够在短时间内给出大量备选的初始结构设计。应用本文建立的共轴全球面初始结构设计方法和人机交互设计程序，设计了多种六枚反射镜、八枚反射镜，以及十枚反射镜构成的成像物镜的初始结构，对应的数值孔径在0.3~0.7范围内。详细和具体地实施了分组设计的方法，研究确定了物镜中每个镜组的结构参数取值范围和多种参数组合、选取出适当的镜组结构衔接、得到了多种满足给定系统参数要求的全球面初始结构。同时，提出了初始结构的微调优化方法，通过对结构参数实施人工判断和程序自动步进微调，实现更为紧凑、平衡、合理的光路结构。建立了将全球面初始结构转化为非球面镜系统的参数渐进优化方法。渐进优化方法基于阻尼最小二乘法，从小数值孔径和低次非球面系数逐步优化投影物镜，分类、分次加入优化控制条件，操作简单，保证了优化速度，易于掌握和实现。本文使用渐进优化方法，对部分结构较为合理的全球面系统加入非球面系数进行了优化，并对优化后的非球面成像系统进行了成像质量分析，其系统达到衍射极限分辨率时，获得了很好的成像质量，即有效控制了畸变和成像均匀性，各项成像指标符合产业化极紫外光刻光学系统的光学设计要求。建立了逆向设计方法并设计了传统照明方式的极紫外光刻照明系统。提出从投影物镜方向开始对极紫外光刻照明系统进行建模。首先设定和计算出中继镜组及复眼组的空间位置，使之与常用的极紫外光源的尺寸和发散角等参数相匹配，然后对复眼进行对位和排布，从获得照明性能良好的极紫外照明系统。利用复眼对位的微调方法能够进一步对照明均匀性进行优化，从而保证极紫外光刻所需的掩模面照明性能。逆向设计方法能够很好地对任意给定的投影物镜物方视场和入瞳参数进行匹配，光能利用率高，设计速度快。