在曲面上进行微光刻是当前制作微器件的发展方向之一,曲面激光直写则是曲面微器件,特别是微光学器件制作的一个重要发展方向。相比平面激光直写,曲面激光直写由于曲面基片可变倾斜角的引入,使得在其上的光刻曝光困难许多。目前,和曲面激光直写相关的技术、工艺、设备尚处于起步阶段。本论文搭建了一套新型的曲面激光直写系统。.该系统通过创新的光刻头恒姿态结构,实现曲面基片上光焦点的检测、控制与曝光。此外,论文对基于曲面的光刻理论、基于曲面的焦点检测,和基于曲面的焦点控制分别进行了研究。论文对曲面基片上光刻胶胶层内光场的传输、曝光,以及工艺参数在曲面基片情况下对微结构线条的影响等内容进行了研究。论文首先建立了曲面基片上光刻胶胶层内光场传输与分布模型,之后分析了曲面各种不同的扫描曝光方式,并建立了曲面下的Dill曝光模型,以及不同扫描曝光方式下光刻胶胶层内的曝光模型。在此基础上,论文分别建立了曲面不同扫描曝光方式下的线宽模型,并分析了不同扫描曝光方式下各种工艺参数对线条的影响。曲面上光焦点的检测与控制是曲面激光直写的关键。论文在共焦显微技术的基础上,建立了曲面上光焦点的系统响应模型,在此基础上得出了曲面上光焦点的系统径向、轴向响应特性,并据此提出了适合于曲面的光焦点探测新方案,也即动态扫描检测法。论文对新方案原理、参数进行了分析和研究。在此基础上,论文构建了反映曲面上光焦点位置信息的焦点误差信号FES。曲面上焦点的控制方面,论文根据曲面基片上光刻的特点,使用了宏／微双驱动控制系统对光焦点进行控制。由于直写光刻的特殊性,论文对宏／微控制系统进行了针对性的设计,包括反映定位误差的信号构建、宏微系统同步方式等。此外,论文研究并提出了两种曲面基片上的焦点搜索机制。这两种机制分别用于激光直写系统初始化时焦点的搜索,以及光刻过程中失去焦点或闭环控制失控时的焦点重新搜索。论文最后在所搭建的曲面激光直写系统基础上,进行了初步性的实验,并进行了圆光栅和直线光栅的制作。