激光直写机是制作衍射光学器件的关键设备,其系统的基本结构主要由H e-Cd激光器、声光调制器、伺服控制系统、投影光刻物镜、CCD摄像机、离焦检测系统、控制计算机等单元构成。离焦检测系统是其中的核心单元之一,实时的为伺服控制系统提供工件表面离焦量,通过伺服控制系统的调整使直写机的写入光斑能够精确聚焦于光刻胶表面,从而保证刻蚀质量。离焦检测系统安装在激光直写头上,被伺服机构驱动后随直写头一起移动,为了避免伺服机构负载过大而产生惯性作用影响系统动态工作特性,要求离焦检测系统在体积和重量上都尽量小。课题“基于差动像散原理的离焦检测传感器”的目的在于设计一种高精度、小型化且实时性好的离焦测量传感器。本文在分析现有离焦检测方法优缺点的基础上,结合实际应用背景,确定了差动像散检测的方案,从系统的整体设计入手,确定了关键环节——光路参数、机械结构、光电转换、数字处理、测试系统软件平台的设计方案;根据激光束光学建立的差动像散法光学系统的数学模型,用ZEMAX和MATLAB进行了仿真分析,通过对比柱面镜焦距、物镜与柱面镜之间的距离等不同光路参数对聚焦误差信号(FES)的影响,设定了光学系统的参数;根据各个光学元器件的尺寸和仿真分析结果设计了小型化、高精度的机械结构,采用胶接技术实现了机械组件的高精度安装定位。对系统的硬件和软件部分分别进行了优化设计以实现快速、高精度的信号处理。硬件部分主要是在实现光电转化、信号调理和模拟滤波、AD转换、CPLD协助DSP控制等功能。软件部分主要包括数据采集、数据处理和数据通信三部分,并使用IIR数字滤波和中值滤波降低了噪声干扰,其中还包括软件功能优化和性能优化。在以上研究工作的基础上,搭建了光学实验平台并进行了实验测试,重点验证TMS320F2812DSP数据处理芯片在对系统检测精度上效果和采用数据插值方法在对扩大量程范围上的效果,实验结果表明测量灵敏度80nm,量程60μm,满足激光直写机的性能要求。