研究意义
改革开放四十年以来，我国制造业飞速发展，但西方发达国家长期以来占据高科技制造的制高点，尤其在芯片制造领域，我国被其“卡脖子”已久。激光直写技术（Laser Direct Writing）是一种无掩膜、低成本、适应性好的微光学元件和微机电系统的加工方法，一直以来都是电子束直写技术、电铸、注塑、LIGA等微细加工技术的有效补充或工艺组成，目前已经被广泛应用到微光学元件、微光机电系统元件、半导体元器件、超透镜等微纳领域[1-3]。
到目前为止，发达国家诸如美国、德国、瑞士、加拿大等国家，都已经研制了激光直写设备并利用其进行二元光学的研究工作[4-8]，典型工业生产级产品的有美国Applied Material公司的Alta系列，德国 Heidelberg 仪器公司的VPG 系列，瑞典Mycronic 公司的Prexision系列等。国内也有多家单位进行激光直写系统、工艺的研究，浙江大学、中国科学院微细加工光学技术国家重点实验室等在光刻技术、系统特性研究上取得一定的紧张，用激光直写制作各类光刻掩模，通过多次套刻直接制作二元光学元件等[9]，中科院长春光学精密机械与物理研究所实现了在曲面上的光刻直写。此外，国内还有许多高校和研究单位也在进行双光束激光直写系统[10]的研发工作，譬如苏州大学研制的数码激光立体光刻系统，用于制作激光数码光变图像，已经实现设备出口。
激光直写系统的光学组成主要有直写光路、检焦光路、光束整形与校正光路，以及直写图形检测光路四个部分[11]。在激光蚀刻过程中，检焦光路系统负责将直写光路所形成的最小聚焦点定位于曝光平面，通过实时检测汇聚光束的焦点与光刻胶之间的距离，来保证照射到光刻胶上的光斑直径相同，蚀刻出的线条一致[12]。检焦光路的检焦效率直接影响激光直写的速率，因此对快速定焦方法的研究十分有意义和价值。
国内外研究现状
检焦方法可以分为同轴和离轴两种，区别在于是否利用直写物镜，由于离轴检焦在更换直写物镜及装调方面存在一定问题，现在一般采用同轴检焦的方式，即利用直写物镜来实现检测。同轴检焦的主要方式有共焦法、 MTF 法、相位法、像散法、傅科刀口法和临界角法等等。
1995年，美国Nikon公司Suwa K.等人报道了像散法自动激光扫描检焦方法[13]。同年，英国曼彻斯特大学的Wright C. D.等人采用激光共焦法[14]，研究了一种聚焦误差检测技术，通过使用两个针孔和检测器的差分检测系统，使被测面的反射光落在两个差分连接的光电二极管上，再由聚焦误差信号FES公式来反映离焦量：
检焦系统原理图如图1所示。
图 1 基于差分深度判别的聚焦误差检测系统
2001年，美国亚利桑那州立大学的Fan K-C.等人也采用像散法，开发了一种低成本自动检焦探针[15]，用于轮廓测量。如图2（左）所示，激光二极管发出的激光光束被分光光栅衍射分三束。这些光束通过偏振分束器、四分之一波片和物镜，最后聚焦到测量表面。然后光束沿着原来的路径反射回来，穿过圆柱形透镜，最后投射到四象限光电二极管上，由于柱形透镜在子午方向和弧矢方向上的焦距不同,四象限探测器上的聚焦光斑形状会随着目标物的位移发生变化，通过四象限探测器上四个信号输出端的运算(A C)-(B D)，输出一个聚焦误差信号（FES），其过零点就是最佳对焦位置。该聚焦误差信号经信号处理后，用于驱动音圈马达（VCM）。VCM将物镜移动，直到焦点返回到物体表面为止。VCM的运动量被记录下来，相当于物体的轮廓变化。
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