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(jì),，記錄拍攝物體圖像信息的干涉條紋等圖像,，通過光刻機(jī)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(jī)械模壓設(shè)備進(jìn)行大量廉價(jià)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(dòng)態(tài)變化的時(shí)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(jī)根據(jù)圖像信息對光刻膠進(jìn)行刻蝕。傳統(tǒng)的點(diǎn)陣光刻機(jī)采用靜態(tài)曝光的工作模式,，工作效率低,，難以實(shí)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(diǎn)陣光刻機(jī)的設(shè)計(jì),，該設(shè)備采用雙向逐行掃描,、動(dòng)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(jī)的工作原理與主要技術(shù)指標(biāo)
1.1 工作原理
    點(diǎn)陣光刻機(jī)制作激光全息防偽商標(biāo)的母板是通過點(diǎn)-線-面形成一幅畫面,。X-Y工作臺(tái)由兩臺(tái)直線電機(jī)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(yùn)行X-Y工作臺(tái)，轉(zhuǎn)動(dòng)光柵轉(zhuǎn)角,，檢測到曝光位置時(shí)觸發(fā)激光器對光刻膠感光,、關(guān)閉激光器、轉(zhuǎn)動(dòng)光柵轉(zhuǎn)角,，直致X軸方向走完一行,，然后Y軸方向上移動(dòng)一個(gè)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(dòng)態(tài)曝光的工作方式[5]，在激光器曝光時(shí),，工作臺(tái)不會(huì)停止運(yùn)行,，因此對定位精度、位移判斷的速度和曝光時(shí)間都提出了較高的要求,。
1.2 主要技術(shù)指標(biāo)
    光刻機(jī)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(diǎn)/s,；(4)制作尺寸400 mm×600 mm,。
2 光刻機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)
    光刻機(jī)采用上位機(jī)和下位機(jī)的結(jié)構(gòu)形式，上位機(jī)采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī),，下位機(jī)采用ARM LPC2138和單片機(jī)STC12C5401AD,。主要由X-Y工作臺(tái)、激光器,、自動(dòng)調(diào)焦機(jī)構(gòu),、控制器（X-Y位移控制、交流伺服控制,、自動(dòng)調(diào)焦控制）,、計(jì)算機(jī)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(tái)
    X-Y工作臺(tái)采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(tái)以雙向逐行掃描的方式工作,。由于直線電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單,、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、噪聲小,、動(dòng)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(jī)+滾珠絲杠”的驅(qū)動(dòng)方式，有效提高了工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)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(hào)有A相,、B相和Z相三個(gè)電信號(hào)，A相與B相信號(hào)周期相同（均為W）相位差90°,，構(gòu)成正交脈沖,，Z相信號(hào)作為校準(zhǔn)信號(hào)以消除累積誤差,。正相運(yùn)動(dòng)時(shí)A相超前B相90°，反相運(yùn)動(dòng)時(shí)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(jì)數(shù)處理電路,。
2.2 正交脈沖計(jì)數(shù)處理電路
    采用Altera公司的FPGA EP3C80F484構(gòu)成正交脈沖計(jì)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(jì)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(shí)接收兩路（X軸、Y軸）正交脈沖,，完成工作臺(tái)位移方向和距離的檢測任務(wù),。正交脈沖計(jì)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(shí)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(hào)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(hào),，只有當(dāng)一定大小的電平維持足夠長時(shí)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(shí)間短的噪聲脈沖通過數(shù)字濾波器時(shí)也被濾除。正交脈沖信號(hào)經(jīng)數(shù)字濾波電路濾除干擾信號(hào)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(hào)CHAX,、CHBX與Y軸正交脈沖信號(hào)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(hào)處理模式提高了光柵尺的測量精度。若正交脈沖信號(hào)CHAX,、CHBX經(jīng)細(xì)分辨向后從CNTX信號(hào)端輸出細(xì)分脈沖,，則UP/DNX端輸出方向信號(hào)，UP/DNX高電位表示X軸光柵尺正向運(yùn)動(dòng),，低電位表示光柵尺反向運(yùn)動(dòng),；若正交脈沖信號(hào)CHAY、CHBY經(jīng)細(xì)分辨向后從CNTY信號(hào)端輸出細(xì)分脈沖,，則UP/DNY端輸出方向信號(hào),，UP/DNY高電位表示Y軸光柵尺正向運(yùn)動(dòng)，低電位表示光柵尺反向運(yùn)動(dòng),。
2.2.3 32 bit可逆計(jì)數(shù)器
    兩個(gè)32 bit可逆計(jì)數(shù)器分別對X軸與Y軸脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù),。輸入信號(hào)定義為：時(shí)鐘CLK、X軸計(jì)數(shù)脈沖CHTX,、方向信號(hào)UP/DNX,、校準(zhǔn)信號(hào)RX、清零信號(hào)CLRX,；Y軸計(jì)數(shù)脈沖CHTY,、方向信號(hào)UP/DNY、校準(zhǔn)信號(hào)RY,、清零信號(hào)CLRY,。對應(yīng)X軸的32 bit可逆計(jì)數(shù)器輸出信號(hào)定義為OX0～OX31；對應(yīng)Y軸的32 bit可逆計(jì)數(shù)器輸出信號(hào)定義為OY0～OY31,。當(dāng)方向信號(hào)UP/DNX(或UP/DNY)為高電平時(shí),，對應(yīng)的32 bit可逆計(jì)數(shù)器作為加法計(jì)數(shù)器；當(dāng)方向信號(hào)UP/DNX（或UP/DNY）為低電平時(shí),，對應(yīng)的32 bit可逆計(jì)數(shù)器作為減法計(jì)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(hào)定義為IX0～I(xiàn)X31、IY0～I(xiàn)Y31,，輸出信號(hào)定義為DX0～DX31,、DY0～DY31，讀控制信號(hào)定義為OE,。32 bit可逆計(jì)數(shù)器的計(jì)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(jì)數(shù)單元工作屬于動(dòng)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(shí)，應(yīng)該先給其發(fā)出讀控制信號(hào),，使數(shù)據(jù)鎖存后再讀取數(shù)據(jù),。鎖存器輸出設(shè)計(jì)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(hào)（讀控制信號(hào)）由 LPC2138提供,。
2.2.5 接口處理電路
    接口處理電路的輸入信號(hào)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(hào)為OE,，選相信號(hào)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(hào)選擇端X/Y=1,，SEL1、SEL2為00,、01,、10、11時(shí),，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(shí)現(xiàn)對X-Y工作臺(tái)、交流伺服和調(diào)焦機(jī)構(gòu)的控制,。
2.3.1 X-Y工作臺(tái)控制
    LPC2138是一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤32 bit ARM7TDMI-S核的微控制器,，具有1個(gè)10 bit 8路A/D轉(zhuǎn)換器、2個(gè)32 bit定時(shí)器/計(jì)數(shù)器,、6路PWM單元輸出,、2個(gè)硬件I2C接口和47個(gè)GPIO、2個(gè)16C550工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)UART以及多達(dá)9個(gè)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(jī)控制器，使X-Y移動(dòng)工作臺(tái)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(jī)的指令,，控制交流伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)每點(diǎn)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(jī)帶動(dòng)光柵旋轉(zhuǎn),，把圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換為光柵旋轉(zhuǎn)的角度信號(hào),。當(dāng)圖像為白色時(shí)，光柵旋轉(zhuǎn)的角度是0°,；當(dāng)圖像為黑色時(shí),，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(shí),，設(shè)備每秒鐘曝光50次，這就要求交流伺服執(zhí)行機(jī)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(jī)時(shí)要選擇轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快和加速度大的電機(jī),。本文選用交流伺服電機(jī)型號(hào)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(jī)構(gòu)控制
    自動(dòng)調(diào)焦機(jī)構(gòu)用來保持光刻時(shí)的激光調(diào)焦位置,。這個(gè)機(jī)構(gòu)由Z軸電機(jī)和自動(dòng)調(diào)焦傳感器電路組成,。自動(dòng)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(jī)調(diào)整激光聚焦位置,。在Z軸電機(jī)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(jī)提高光刻速度的主要措施是采用了動(dòng)態(tài)曝光技術(shù)，即一幅畫面所有的曝光點(diǎn)都是在運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)下完成的,，這對位移檢測的時(shí)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(dú)立的單片機(jī)，該單片機(jī)采用增強(qiáng)型8051內(nèi)核,，1個(gè)時(shí)鐘(即1個(gè)機(jī)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(hào)為AWAVE-351-100 mW-1K半導(dǎo)體激光器,。該激光器觸發(fā)響應(yīng)時(shí)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(jī)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(shí)現(xiàn)了上位機(jī)與下位機(jī)之間的通信,，傳輸?shù)男畔▓D像像素,、曝光的點(diǎn)距、曝光時(shí)間,、運(yùn)行速度等,。
3 軟件設(shè)計(jì)
    軟件設(shè)計(jì)包括LPC2138、STC12C5401AD和上位機(jī)PC控制程序的設(shè)計(jì),。
    LPC2138的程序設(shè)計(jì)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(tái)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(jī)通信子程序構(gòu)成。主程序主要實(shí)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(jī)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(jī)通信子程序,。主程序主要實(shí)現(xiàn)單片機(jī)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(jī)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送,，簡化了程序的設(shè)計(jì)[8],。
    本文介紹的上位機(jī)與下位機(jī)結(jié)構(gòu)的激光點(diǎn)陣光刻機(jī),，應(yīng)用了先進(jìn)的直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的X-Y工作臺(tái)，采用了動(dòng)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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