本课题搭建了一套新型兼顾直角坐标与极坐标的激光直写系统,该系统与以往的常规直写系统不同,通过创新的恒姿态结构,以光刻光路与闭环检测光路设计成分立体系,将整个光学准直聚焦系统和焦点检测的闭环反馈光路系统同时构建于一个高精度的一维平动导轨上,在进行直写光刻的过程中光刻光路和检测光路始终保持联动,该恒姿态系统可以有效的克服以往传统激光直写系统的焦点定位不准、光刻光路和检测光路出现偏差所导致的光刻线条移位等缺点。同时直接利用计算机对曝光光强和时间进行数字化控制,克服以往声光调制的同步性不高和实时性不好等不足。平面激光直写技术已经发展到比较成熟,而曲面光刻,尤其是曲面激光直写技术的研究与工艺开发还处于刚起步阶段。和平面衍射光学元件(DOE)、平面微光机电系统(MOMES)相比,曲面DOE、曲面MOMES有更多的设计自由度,更好的光学性能表现和更出色的微结构特性,但曲面DOE、曲面MOMES的制作却相对来说要困难得多。本课题在设计并搭建了一套新型适宜于在曲面基片进行光刻的恒姿态激光直写系统的基础上,开展曲面激光直写光刻以及相关基础性制作工艺研究,主要以在曲面基片上进行激光直写光刻以及相应的曲面衍射光学元件的制作工艺为研究对象,同时详细分析并讨论了对于曲面光刻最为重要的几个关键技术：曲面甩胶尤其是凸面甩胶技术,曲面胶层厚度的测量方法,曲面光刻过程中的对中、调焦技术,曲面直写光刻的曝光模型等。本论文所撰写的主要内容介绍如下：第一章、本文的绪论,主要介绍了本课题以及本论文相关研究内容的发展现状,简要分析了一些传统上常规的和最近新出现的用于制作衍射光学元件(DOE)、微光机电系统(MOMES)等微光学元件的技术,比如投影曝光、激光直写、金刚石车削、塑料注射成型、LIGA (Lithographie, Galanoformung, Abformung)技术、微电铸等,并对比总结了它们各自的优缺点,指出激光直写光刻虽然是一种逐渐趋于成熟的技术,但依旧有其比较性优点、研究价值和应用市场,尤其是在掩膜制作和曲面微光学元件的加工上。回顾和概括了利用常规成熟的激光直写系统制作平面微光学元件的技术在工艺发展上的主要优缺点和应用上的概况,同时简析了曲面微光学元件(CMOE)相较于平面微光学元件(PMOE)在光学性能、机械性能上的优点,阐述了曲面微光学元件在应用上的需求,以及利用激光直写技术制作曲面微光学元件的必要性和可行性,从而引出本论文的研究背景。第二章、搭建了一套新型的适宜于在曲面基片进行光刻加工的恒姿态激光直写系统,详细介绍了该系统的总体构成,以及各个子系统组件和模块的功能配置情况。围绕着该直写系统的光机结构,讨论了利用该系统在曲面基片上进行直写加工的可行性和优势所在。还从理论上简要介绍了本直写系统基于能量检测和位置传感器(Position Sensitive Detector, PSD)的调焦原理。然后以该直写系统为基础,简要介绍了在曲面基片上进行直写光刻的加工过程。第三章、首先指出了利用传统上常规的离心旋涂式甩胶机,在曲面基片上进行光刻胶旋涂过程中,会因为胶液重力分量的存在而导致胶层分布质量变差。而因为直写光刻时胶层内部的光强相对分布和曝光量相对分布会存在一定的不一致性,所以曲面基片上均匀性比较差的胶层分布会对直写光刻所得线条和微结构图形的质量造成很差的影响。以此为出发点,得出了研究曲面甩胶和胶厚分布均匀性在工艺上的必要性。根据流体力学理论,详细分析和讨论了在凸面基片上进行旋涂甩胶过程中胶液的受力状态。并在理论上分别建立了凸面基片上进行旋涂甩胶后所得胶厚分布的数学模型和胶层均匀性的数学模型。最后从实验上验证了这两个模型的合理性。第四章、提出了两种测量曲面基片上胶层厚度分布的方法。在以往传统的平面基片上进行激光直写光刻之前的甩胶过程中,一般都是通过工艺经验来在平面基片上获取一定厚度的光刻胶,而对胶层厚度和均匀性的确切数值并不关注。但在曲面基片上通过旋涂甩胶所得胶厚分布的均匀性比较差,所以在曲面基片上进行激光直写过程时,尤其是对于线条深度方向上需要进行精细控制的曲面微光学元件,测知曲面基片上的胶层厚度分布状况和均匀性好坏显得尤为必要。本章先从理论上提出利用基于数字波面处理技术的双干涉条纹法来测量曲面基片上胶层厚度的方法,该法可对胶厚分布进行在线、全场、高精度的测量。然后还提出了基于能量对比的多光谱透射法来测量曲面基片上胶层厚度分布,并从实验上对多光谱透射法进行了验证。第五章、在前述所搭建的恒姿态直写光刻系统的基础上,根据信息光学的衍射理论,推导出了曲面基片胶层上表面处的光场分布；从曲面基片的中心出发,建立了逐点等效斜面来模拟整个曲面的几何模型。同时以描述涂覆有薄层光刻胶的平面基片上曝光过程的Dill模型为基础,建立了等效斜面的修正Dill曝光模型。并以该修正Dill曝光模型为基础,模拟了在曲面基片上进行激光直写加工的曝光过程和胶层中的光强分布状态,从而在理论上推导出了薄层光刻胶曲面直写光刻过程中的曝光模型和线宽表达式。理论仿真表明,在曲面直写光刻过程中,随着基片上表面所加工环带径向矢径的增大,其线条横截面的对称性会变差。然后在一块凸面基片上进行的光刻实验显示,该几何等效模型和修正Dill曝光模型是有效的,具有一定的理论和工艺指导意义。第六章、主要分析和研究了本课题中恒姿态曲面激光直写系统的加工能力,在基于工艺经验的基础上对该系统的光刻特性进行了初步讨论。从系统所使用光机器件的功能参数和几何光路的结构关系出发,理论上分析了因为对中和调焦的要求对系统加工过程所形成的约束条件。以这些约束条件为基础,分别推导出了该系统所能加工曲面基片的最大曲率半径和最大口径的表达式,通过实际的数值计算得出了该直写系统所能加工凸面基片的最小曲率半径、最大口径和最大矢高,并确定了它们之间的相互制约关系。然后对该恒姿态曲面激光直写系统的应用进行了初步探索,利用该直写系统在一个凸面基片的口径内中心区域部分,曝光、刻蚀制作了一个圆光栅,并测量了该光栅的光栅常数和加工深度。第七章、本论文的最后一章,主要对本课题所做的研究工作进行了概括性回顾和总结,对本文的贡献和创新点进行了简要归纳,并对以后的研究工作进行了展望,提出了本课题未来的主要研究方向。