激光全息防偽技術(shù)是采用激光作為光源，通過復(fù)雜的光路設(shè)計，記錄拍攝物體圖像信息的干涉條紋等圖像，通過光刻機對光刻膠進(jìn)行刻蝕，再經(jīng)過顯影和電鑄制作全息母板，用特殊的機械模壓設(shè)備進(jìn)行大量廉價的復(fù)制。在普通光照明下，承載這種干涉條紋的復(fù)制品材料呈現(xiàn)出變換的色彩、三維的圖像文字信息以及動態(tài)變化的時空信息[1-2]。全息母板制作技術(shù)復(fù)雜，涉及刻蝕顯影工藝、電化學(xué)工藝等，其中最為關(guān)鍵的技術(shù)是光刻機根據(jù)圖像信息對光刻膠進(jìn)行刻蝕。傳統(tǒng)的點陣光刻機采用靜態(tài)曝光的工作模式，工作效率低，難以實現(xiàn)大尺寸防偽商標(biāo)的制作。本文介紹了一種單光束激光點陣光刻機的設(shè)計，該設(shè)備采用雙向逐行掃描、動態(tài)曝光的工作方式，使光刻工作速度提高了10～12倍，解決了大尺寸防偽商標(biāo)制作難的問題，提高了防偽商標(biāo)制作的技術(shù)水平。

1 光刻機的工作原理與主要技術(shù)指標(biāo)
1.1 工作原理
    點陣光刻機制作激光全息防偽商標(biāo)的母板是通過點-線-面形成一幅畫面。X-Y工作臺由兩臺直線電機分別控制X軸與Y軸方向上的位移，采用雙向逐行掃描的方式工作[3-4]。首先系統(tǒng)位置初始化，讀第一行圖像的文件，運行X-Y工作臺，轉(zhuǎn)動光柵轉(zhuǎn)角，檢測到曝光位置時觸發(fā)激光器對光刻膠感光、關(guān)閉激光器、轉(zhuǎn)動光柵轉(zhuǎn)角，直致X軸方向走完一行，然后Y軸方向上移動一個步距，如此交替進(jìn)行，直到一幅畫面完成。為了提高激光光刻制版的速度，本系統(tǒng)采用動態(tài)曝光的工作方式[5]，在激光器曝光時，工作臺不會停止運行，因此對定位精度、位移判斷的速度和曝光時間都提出了較高的要求。
1.2 主要技術(shù)指標(biāo)
    光刻機的主要技術(shù)指標(biāo)有：(1)定位精度±1 μm；(2)光刻精度2 540 dpi(最大)；(3)光刻速度50～500點/s；(4)制作尺寸400 mm×600 mm。
2 光刻機的硬件結(jié)構(gòu)
    光刻機采用上位機和下位機的結(jié)構(gòu)形式，上位機采用工業(yè)控制計算機，下位機采用ARM LPC2138和單片機STC12C5401AD。主要由X-Y工作臺、激光器、自動調(diào)焦機構(gòu)、控制器（X-Y位移控制、交流伺服控制、自動調(diào)焦控制）、計算機等組成[6]，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

2.1 X-Y工作臺
    X-Y工作臺采用直線電機驅(qū)動的全閉環(huán)系統(tǒng)，位移檢測傳感器采用光柵尺，以ARM LPC2138和可編程邏輯器件FPGA為核心控制器件，控制X-Y工作臺以雙向逐行掃描的方式工作。由于直線電機結(jié)構(gòu)簡單、運動平穩(wěn)、噪聲小、動態(tài)響應(yīng)快，在加速度和精度方面明顯優(yōu)于“旋轉(zhuǎn)伺服電機+滾珠絲杠”的驅(qū)動方式，有效提高了工作臺的運動速度和光刻定位精度（光刻定位精度優(yōu)于±1 μm）。
    光柵尺輸出的方波信號有A相、B相和Z相三個電信號，A相與B相信號周期相同（均為W）相位差90°，構(gòu)成正交脈沖，Z相信號作為校準(zhǔn)信號以消除累積誤差。正相運動時A相超前B相90°，反相運動時B相超前A相90°。本設(shè)備采用英國RENISHAW公司的RGH25型光柵尺，分辨率為0.1 μm。光柵尺輸出的A、B相正交脈沖送入FPGA構(gòu)成正交脈沖計數(shù)處理電路。
2.2 正交脈沖計數(shù)處理電路
    采用Altera公司的FPGA EP3C80F484構(gòu)成正交脈沖計數(shù)處理電路，由數(shù)字濾波電路、細(xì)分辨向電路、32 bit可逆計數(shù)電路、32 bit數(shù)據(jù)鎖存電路、接口處理電路集成構(gòu)成，可同時接收兩路（X軸、Y軸）正交脈沖，完成工作臺位移方向和距離的檢測任務(wù)。正交脈沖計數(shù)處理電路如圖3所示，各引腳功能如表1所示，使用VHDL語言實現(xiàn)。

2.2.1 數(shù)字濾波電路
    X軸與Y軸光柵尺輸出的正交脈沖信號由CHAX、CHBX、CHAY、CHBY端輸入，通過施密特觸發(fā)器進(jìn)入數(shù)字濾波電路。通過施密特觸發(fā)器后的信號，只有當(dāng)一定大小的電平維持足夠長時間后，才認(rèn)為輸入的電平是有效的，否則認(rèn)為是脈沖噪聲，不改變?yōu)V波器的輸出電平。小于1 V的低電平噪聲被濾除，高電平、持續(xù)時間短的噪聲脈沖通過數(shù)字濾波器時也被濾除。正交脈沖信號經(jīng)數(shù)字濾波電路濾除干擾信號后送入細(xì)分辨向電路。
2.2.2 細(xì)分辨向電路
    經(jīng)數(shù)字濾波輸出的X軸正交脈沖信號CHAX、CHBX與Y軸正交脈沖信號CHAY、CHBY送入細(xì)分辨向電路，首先進(jìn)行四倍頻細(xì)分，然后進(jìn)行辨相，這種先細(xì)分后辨向的信號處理模式提高了光柵尺的測量精度。若正交脈沖信號CHAX、CHBX經(jīng)細(xì)分辨向后從CNTX信號端輸出細(xì)分脈沖，則UP/DNX端輸出方向信號，UP/DNX高電位表示X軸光柵尺正向運動，低電位表示光柵尺反向運動；若正交脈沖信號CHAY、CHBY經(jīng)細(xì)分辨向后從CNTY信號端輸出細(xì)分脈沖，則UP/DNY端輸出方向信號，UP/DNY高電位表示Y軸光柵尺正向運動，低電位表示光柵尺反向運動。
2.2.3 32 bit可逆計數(shù)器
    兩個32 bit可逆計數(shù)器分別對X軸與Y軸脈沖進(jìn)行計數(shù)。輸入信號定義為：時鐘CLK、X軸計數(shù)脈沖CHTX、方向信號UP/DNX、校準(zhǔn)信號RX、清零信號CLRX；Y軸計數(shù)脈沖CHTY、方向信號UP/DNY、校準(zhǔn)信號RY、清零信號CLRY。對應(yīng)X軸的32 bit可逆計數(shù)器輸出信號定義為OX0～OX31；對應(yīng)Y軸的32 bit可逆計數(shù)器輸出信號定義為OY0～OY31。當(dāng)方向信號UP/DNX(或UP/DNY)為高電平時，對應(yīng)的32 bit可逆計數(shù)器作為加法計數(shù)器；當(dāng)方向信號UP/DNX（或UP/DNY）為低電平時，對應(yīng)的32 bit可逆計數(shù)器作為減法計數(shù)器。
2.2.4 32 bit數(shù)據(jù)鎖存器
    32 bit數(shù)據(jù)鎖存器的輸入信號定義為IX0～I(xiàn)X31、IY0～I(xiàn)Y31，輸出信號定義為DX0～DX31、DY0～DY31，讀控制信號定義為OE。32 bit可逆計數(shù)器的計數(shù)結(jié)果OX0～OX31、OY0～OY31分別從該鎖存器的輸入端IX0～I(xiàn)X31、IY0～I(xiàn)Y31輸入，由該鎖存器的輸出端DX0～DX31、DY0～DY31輸出。由于內(nèi)部各計數(shù)單元工作屬于動態(tài)過程，為了保證讀出正確穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，在讀取數(shù)據(jù)時，應(yīng)該先給其發(fā)出讀控制信號，使數(shù)據(jù)鎖存后再讀取數(shù)據(jù)。鎖存器輸出設(shè)計為三態(tài)門輸出，與外部數(shù)據(jù)總線連接。三態(tài)門的使能信號（讀控制信號）由 LPC2138提供。
2.2.5 接口處理電路
    接口處理電路的輸入信號分別定義為：DX0～DX31、DY0～DY31、數(shù)據(jù)字節(jié)選擇端為SEL1、SEL2，讀控制信號為OE，選相信號為X/Y。接口處理電路的輸出數(shù)據(jù)線為D0～D7 8 bit。因此，32 bit的數(shù)據(jù)需要通過改變輸出數(shù)據(jù)字節(jié)選擇端SEL1、SEL2的值分4 B依次讀出。當(dāng)X軸、Y軸信號選擇端X/Y=1，SEL1、SEL2為00、01、10、11時，分別讀出數(shù)據(jù)DX0～DX7、DX7～DX15、DX16～DX23和DX24～DX31。
2.3 控制電路
      控制電路以LPC2138為核心，包括顯示、RS232接口、鍵盤等外圍設(shè)備，實現(xiàn)對X-Y工作臺、交流伺服和調(diào)焦機構(gòu)的控制。
2.3.1 X-Y工作臺控制
    LPC2138是一個支持實時仿真和跟蹤32 bit ARM7TDMI-S核的微控制器，具有1個10 bit 8路A/D轉(zhuǎn)換器、2個32 bit定時器/計數(shù)器、6路PWM單元輸出、2個硬件I2C接口和47個GPIO、2個16C550工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)UART以及多達(dá)9個邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷[7]。LPC2138讀取X軸與Y軸的位移脈沖，控制X-Y軸直線電機控制器，使X-Y移動工作臺按照逐行掃描的方式工作。
2.3.2 交流伺服控制
    LPC2138接收上位機的指令，控制交流伺服執(zhí)行機構(gòu)根據(jù)每點圖像像素對角度旋轉(zhuǎn)的要求，通過交流伺服控制器，使交流伺服電機帶動光柵旋轉(zhuǎn)，把圖像信號轉(zhuǎn)換為光柵旋轉(zhuǎn)的角度信號。當(dāng)圖像為白色時，光柵旋轉(zhuǎn)的角度是0°；當(dāng)圖像為黑色時，光柵旋轉(zhuǎn)的角度是90°，因此光柵旋轉(zhuǎn)的最大角度是90°。在光柵旋轉(zhuǎn)最大角度時，設(shè)備每秒鐘曝光50次，這就要求交流伺服執(zhí)行機構(gòu)在20 ms內(nèi)使光柵旋轉(zhuǎn)90°。因此，在選擇交流伺服電機時要選擇轉(zhuǎn)動慣量小、動態(tài)響應(yīng)快和加速度大的電機。本文選用交流伺服電機型號是安川SGMAS-01ACA21，交流伺服控制器工作在位置控制模式。
2.3.3 調(diào)焦機構(gòu)控制
    自動調(diào)焦機構(gòu)用來保持光刻時的激光調(diào)焦位置。這個機構(gòu)由Z軸電機和自動調(diào)焦傳感器電路組成。自動調(diào)焦傳感器電路的原理是基于在光刻表面照射的紅外半導(dǎo)體激光束反射位置的改變，控制Z軸電機調(diào)整激光聚焦位置。在Z軸電機上有刻度尺用于監(jiān)視調(diào)焦位置和范圍。
2.4 曝光控制電路
    該光刻機提高光刻速度的主要措施是采用了動態(tài)曝光技術(shù)，即一幅畫面所有的曝光點都是在運動的狀態(tài)下完成的，這對位移檢測的時間和曝光速度提出了較高的要求。采用了兩種解決方法：一是對曝光位移的檢測使用獨立的單片機，該單片機采用增強型8051內(nèi)核，1個時鐘(即1個機器周期)的STC12C5401AD，速度比普通8051快8～12倍；二是選用美國光波公司生產(chǎn)的型號為AWAVE-351-100 mW-1K半導(dǎo)體激光器。該激光器觸發(fā)響應(yīng)時間快（<100 ns），能瞬間發(fā)出較大的功率。
2.5 通信接口電路
    LPC2138、STC12C5401AD與上位機之間采用串行通信的方式。由于兩塊芯片采用不同的電壓，因此采用兩路RS-232串行通信電路，而電路結(jié)構(gòu)相同。通過RS-232串行接口，實現(xiàn)了上位機與下位機之間的通信，傳輸?shù)男畔▓D像像素、曝光的點距、曝光時間、運行速度等。
3 軟件設(shè)計
    軟件設(shè)計包括LPC2138、STC12C5401AD和上位機PC控制程序的設(shè)計。
    LPC2138的程序設(shè)計基于嵌入式C語言，采用模塊化結(jié)構(gòu)，由主程序、位移測量控制子程序、X-Y工作臺控制子程序、交流伺服控制子程序、按鍵功能子程序、與上位機通信子程序構(gòu)成。主程序主要實現(xiàn)系統(tǒng)初始化，主要包括引腳配置初始化、中斷初始化、系統(tǒng)參數(shù)初始化、調(diào)用子程序完成測試功能等，其主程序流程圖如圖4所示。

    為了保證單片機STC12C5401AD的程序執(zhí)行效率，采用匯編語言編程，主要包括主程序、曝光位置控制子程序、與上位機通信子程序。主程序主要實現(xiàn)單片機的初始化，包括引腳初始化、中斷初始化、系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)初始化、調(diào)用子程序完成測試功能等，其主程序流程圖如圖5所示。

    測試系統(tǒng)的上位機PC控制程序采用可視化編程軟件Visual C++ 6.0開發(fā)，使用微軟公司提供的MSComm控件進(jìn)行Windows的串行通信編程，只需修改MSComm控件的屬性和使用控件提供的方法，就可以配置串口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，簡化了程序的設(shè)計[8]。
    本文介紹的上位機與下位機結(jié)構(gòu)的激光點陣光刻機，應(yīng)用了先進(jìn)的直線電機驅(qū)動的X-Y工作臺，采用了動態(tài)曝光的工作方式，有效提高了光刻的速度，解決了以往制作大尺寸激光全息防偽商標(biāo)困難的問題，使激光防偽商標(biāo)制作的技術(shù)水平得到了較大的提升。該設(shè)備已被國內(nèi)多家企業(yè)采用，一些知名企業(yè)用其制作了防偽商標(biāo)。該設(shè)備還銷往印度、韓國。
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