激光全息防偽技術(shù)是采用激光作為光源，通過(guò)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(guò)光刻機(jī)對(duì)光刻膠進(jìn)行刻蝕，再經(jīng)過(guò)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(duì)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(wèn)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(guò)點(diǎn)-線-面形成一幅畫(huà)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(cè)到曝光位置時(shí)觸發(fā)激光器對(duì)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(huà)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(duì)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(cè)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(jiǎn)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(guó)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(cè)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(yǔ)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(guò)施密特觸發(fā)器進(jìn)入數(shù)字濾波電路。通過(guò)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(zhǎng)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(guò)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(cè)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(guò)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(mén)輸出，與外部數(shù)據(jù)總線連接。三態(tài)門(mén)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(guò)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(pán)等外圍設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)角度旋轉(zhuǎn)的要求，通過(guò)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(lái)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(huà)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(duì)位移檢測(cè)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(duì)曝光位移的檢測(cè)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(guó)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(guò)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(yǔ)言，采用模塊化結(jié)構(gòu)，由主程序、位移測(cè)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(cè)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(yǔ)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(cè)試功能等，其主程序流程圖如圖5所示。

    測(cè)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(kāi)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(jiǎn)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(wèn)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(guó)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(xiāo)往印度、韓國(guó)。
參考文獻(xiàn)
[1] 陳林森，解劍鋒，沈燕，等.用于數(shù)碼三維衍射圖像的激光照排系統(tǒng)[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2005（4）：351-355.
[2] 于美文.光全息學(xué)及其應(yīng)用[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，1996：327.
[3] 吳智華，周小紅，魏國(guó)軍，等.采用DMD并行輸入的激光干涉直寫(xiě)方法[J].激光與紅外，2008，38（5）：12-16.
[4] 徐兵，魏國(guó)軍，陳林森.激光直寫(xiě)技術(shù)的研究現(xiàn)狀及其進(jìn)展[J].光電子技術(shù)與信息，2004，17（6）：1-5.
[5] 張山，譚久彬，網(wǎng)雷，等.直角坐標(biāo)激光直寫(xiě)的動(dòng)態(tài)暴光模型[J].光學(xué)精密工程，2008（8）：48-52.
[6] 相恒富，張立軍.激光直寫(xiě)聚合物微流芯片精密實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2009（5）：70-73.
[7] 周立功，張華.深入淺出ARM7-LPC213X/214X[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005：439-441.
[8] 龔建偉，熊光明.Visual C++/Turbo C串口通信編程實(shí)踐[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007：63-73.