激光直写机是制作衍射光学元件的关键设备,离焦检测技术是其中的重要单元技术之一。离焦检测的任务是为聚焦伺服系统提供聚焦误差信号,使写入光斑能够精确聚焦,从而保证刻蚀质量。本文在传统差动像散检测方法基础上,给出一种基于单向离焦的差动像散检测方法。与差动像散离焦检测原理相同的是,二者都是采用双探测器进行测量。不同的是,前者探测器分别处于焦面和近焦位置,而后者的探测器则分别处于焦前和焦后。首先,本文从工程应用角度出发,通过分析单向离焦检测的误差影响因素,讨论了探测器位置误差对测量的影响规律,给出了离焦量与测量信号的输出关系,优化设计了检测光学系统,搭建了实验装置。其次,本文设计制作了探测器信号转换电路,实现了电流信号与电压信号的低噪声转换。第三,编制了测量数据处理软件,采用中值滤波方法对测量噪声进行有效抑制,提高了监测实验装置的示值稳定性。最后,本文通过实验验证了单向离焦检测原理的正确性,并通过实验与差动像散检测方法进行了比较,结果表明本文方法具有更高的测量灵敏度。研究结果表明,单向离焦差动检测方法是一种有效的离焦监测技术途径。