激光全息防偽技術是采用激光作為光源，通過復雜的光路設計，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備進行大量廉價的復制。在普通光照明下，承載這種干涉條紋的復制品材料呈現(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]。全息母板制作技術復雜，涉及刻蝕顯影工藝、電化學工藝等，其中最為關鍵的技術是光刻機根據(jù)圖像信息對光刻膠進行刻蝕。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)大尺寸防偽商標的制作。本文介紹了一種單光束激光點陣光刻機的設計，該設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制作難的問題，提高了防偽商標制作的技術水平。

1 光刻機的工作原理與主要技術指標
1.1 工作原理
    點陣光刻機制作激光全息防偽商標的母板是通過點-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 主要技術指標
    光刻機的主要技術指標有：(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。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)器進入數(shù)字濾波電路。通過施密特觸發(fā)器后的信號，只有當一定大小的電平維持足夠長時間后，才認為輸入的電平是有效的，否則認為是脈沖噪聲，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分辨向電路。
2.2.2 細分辨向電路
    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送入細分辨向電路，首先進行四倍頻細分，然后進行辨相，這種先細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)細分辨向后從CNTX信號端輸出細分脈沖，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)細分辨向后從CNTY信號端輸出細分脈沖，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、校準信號RX、清零信號CLRX；Y軸計數(shù)脈沖CHTY、方向信號UP/DNY、校準信號RY、清零信號CLRY。對應X軸的32 bit可逆計數(shù)器輸出信號定義為OX0～OX31；對應Y軸的32 bit可逆計數(shù)器輸出信號定義為OY0～OY31。當方向信號UP/DNX(或UP/DNY)為高電平時，對應的32 bit可逆計數(shù)器作為加法計數(shù)器；當方向信號UP/DNX（或UP/DNY）為低電平時，對應的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～IX31、IY0～IY31，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～IX31、IY0～IY31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)標準UART以及多達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。當圖像為白色時，光柵旋轉(zhuǎn)的角度是0°；當圖像為黑色時，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，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半導體激光器。該激光器觸發(fā)響應時間快（<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 軟件設計
    軟件設計包括LPC2138、STC12C5401AD和上位機PC控制程序的設計。
    LPC2138的程序設計基于嵌入式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，應用了先進的直線電機驅(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困難的問題，使激光防偽商標制作的技術水平得到了較大的提升。該設備已被國內(nèi)多家企業(yè)采用，一些知名企業(yè)用其制作了防偽商標。該設備還銷往印度、韓國。
參考文獻
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