精密和智能制造技术一直是推动国民经济向高端发展的重要源动力。从设备、材料、工艺等方面,实现对各种形状和尺寸的零件的快速、精密和智能化制造,是制造业长期追求的目标。激光直写光刻技术是指将计算机控制的高精度的激光束聚焦到涂覆有光刻胶的基材表面或介质层上,无需掩膜,直接进行扫描曝光,之后经过显影和化学蚀刻等步骤,形成有效图形窗口或功能图形的一种精密、微细、智能加工技术。在大面积、大曲率的三维曲面上,利用激光直写光刻技术制造精密的微细图形,一直是过去和当前制造领域研究的热点与难点。因此,本文系统地研究了曲面激光直写光刻的规律和关键技术,并对曲面激光直写光刻的设备、材料、机理、工艺和实际应用进行了深入探讨,取得的主要成果和得出的主要结论如下:（1）设备方面,搭建了一套全新的曲面激光直写光刻系统,该系统主要由高速扫描振镜（扫描速率为0-5000 mm/s）、动态聚焦镜、X-Y-Z三轴工作台和纳秒紫外（355nm）激光器等构成。基于光学杠杆原理、利用近轴光学和矩阵光学理论,对该系统的光路工作原理进行了详细分析,建立了整个光路系统激光扫描路径的数学模型,实现了在直写光刻过程中焦点位置在Z轴方向的实时改变（动态聚焦范围约为±3.6 mm,配合Z轴工作台可达±25 mm）,并通过引入负畸变及采用校正表的方法,对扫描图形的失真误差进行了分析和校正,最终实现了该设备在大幅面（与工作台三个轴的移动距离相关）、大纵深的三维空间内的快速、精密（误差小于10%）直写光刻加工。（2）材料方面,以重氮萘醌磺酸酯为感光剂、以高玻璃化温度的酰胺-酰亚胺共聚物为成膜树脂,制备了一种低成本、耐高温的紫外正型光刻胶,该光刻胶的相关性能（如线宽/线间距分辨率（可达1μm）、曝光阈值能量密度（16 mJ/cm²）、润湿性等）可满足大幅面激光直写光刻使用要求,其曝光-显影-成像机理是基于光化学反应和溶解抑制机理,只要所用光刻胶的感光波长与所用激光的波长相匹配,即可实现激光直写光刻;通过对旋涂时凸曲面上光刻胶的受力作用分析和合理假设,建立了光刻胶在三维凸曲面上的旋涂膜厚分布模型;提出了一种使用柔性材料将曲面微细图形轮廓转印至平面进行精密测量的新方法;用该法测试并验证了上述自制的光刻胶在三维凸球面上进行旋涂后的胶膜厚度分布,表明模型计算值与实测值能较好的吻合。（3）通过高斯光束的能量分布模型和Lambert定律,建立了激光直写光刻的能量密度分布和光刻图形轮廓的理论模型。结果表明,光刻胶对355 nm的紫外激光有较强吸收(吸收系数约为1.314μm^-1);当胶层厚度较小时,光斑边缘的能量决定了其底层光刻半径;而当胶层厚度较大时,光斑中心的能量决定了其底层光刻半径。而离焦量、激光入射角度及动态聚焦均能影响入射至光刻胶表面激光光斑大小和形状,从而影响曝光能量密度的分布和光刻轮廓;光斑的变化是影响光刻图形尺寸精度的重要因素。当曲面的曲率半径大于41 mm时,激光光斑在Z轴方向纵深7.38 mm的聚焦范围内光斑尺寸的变化率小于10%;随着曲率半径减小,光斑的变化率逐渐增大,且当纵深超过7.38 mm的曲面范围时,要保持聚焦光斑的变化率小于10%,需相应地缩小动态聚焦的范围。据此可根据加工曲面的形状及图形精度要求调整优化曲面光刻的条件。（4）利用正交实验法、响应面分析法和最小二乘法,系统地研究了光刻工艺参数（包括激光功率、扫描速度、扫描次数、离焦量及膜层厚度）对光刻图形线宽的影响规律,并建立了光刻线宽与工艺参数的数学模型;在选取的光刻工艺参数（激光功率10-50 mW,扫描速度400-1000 mm/s,扫描次数1-5次,膜层厚度1.4-2.6μm）范围内,可获得的最小光刻线宽小于10μm,并且实际光刻实验得到的图形线条宽度与模型预测的线宽误差小于10%,表明此数学模型有较高的可靠性。这些研究可为加工不同精度和尺寸的微细图形,选取适当的光刻工艺参数提供理论支持。基于上述的光刻规律和关键技术,实际实验表明,相对于传统的平面光刻技术、激光直接刻蚀技术和柔性膜转移技术等,利用曲面激光直写光刻技术,制备大幅面、大曲率的微细图形及频率选择表面等,具有效率高、精确度高和性能好等明显优点。因此,本论文研究的曲面激光直写光刻技术对大幅面、大曲率曲面的跨尺度精密图形制作有巨大的应用前景。