本文提出一种基于起偏器-补偿器-样品-检偏器结构、采用旋转补偿器采样的光谱椭偏成像系统，为具有横向微结构的纳米层构薄膜样品的结构参数和物理性质的快速表征提供了一条有效途径。系统的横向分辨可达光学衍射极限、纵向灵敏度可达原子层分辨水平、光谱分辨率为纳米量级并可调，主要优点是可以快速、高空间分辨地同时获得样品上各微区的连续光谱椭偏参数。　　 对系统进行了理论分析。根据倾斜反射成像的特点，分析了理想像面的性质。针对采样方法，确定了样品的椭偏参数解析式并讨论了影响因素。采用傅里叶分析方法处理数据，并讨论了采样频率问题。分析了系统误差和统计误差，讨论了提高系统测量精度的措施。　　 建立了系统的实验装置。采用准直激光和辅助光阑的方法实现了样品的定位。发展了基于图像清晰度判据的自动调焦方法，实现了像面整体清晰。采用自校准等方法对系统的基本参数进行了校准。采用自动控制技术提高了系统的精度和效率，并构建了系统控制与数据分析软件。利用辅助偏振器件，发展了光强匹配问题的方法。发展了入射角扫描的椭偏成像系统，提高了解析能力和灵敏度。在此基础上，进行了仪器化设计。　　 利用SiO2/Si台阶状的纳米薄膜和格式化分布的蛋白质膜层等样品，对系统的空间分辨、光谱分辨、精度等性能进行测试，验证了系统的性能与有效性。