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,，首先進行四倍頻細(xì)分,，然后進行辨相，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～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(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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