激光光刻机控制系统(硬件设计)毕业论文或毕业设计说明书
目录
一、绪论 1
（一）本课题的研究背景和意义 1
（二）光刻机的硬件结构和工作原理 2
（三）课题来源 3
（四）光刻机的主要技术指标 3
（五）本设计的主要工作 3
二、总体方案设计 4
（一）激光光刻机控制系统总体设计要求 4
（二）动态曝光原理 4
（三）激光光刻机控制系统的总体框图设计 5
（四）系统抗干扰设计 6
（五）控制系统输入输出通道设计 6
三、硬件设计 7
（一）X-Y轴光栅尺正交脉冲计数处理电路 8
（二）直线电机控制电路 13
（三）交流伺服控制电路 14
（四）曝光控制电路 15
（五）通信接口电路 16
（六）单片机复位电路 17
（七）电源电路 18
四、PCB设计与制作 20
五、材料清单 24
六、总结 27
致谢 28
参考文献 29
附录 30
一、绪论
（一）本课题的研究背景和意义
激光全息防伪技术已在很多领域得到了广范的运用。把激光用作激光全息技术的光源，把每种不一样特质的微小光栅合并起来，会发生动态效果、三维立体和色彩变化等光变效果的光学可变图像（Optical Variable Device），简称OVD，局部完成3D图像数字化。本文讲的是用单光束激光直写的点阵光刻机控制系统的硬件设计，把逐行扫描和动态曝光用作光刻机的工作方式，大大改善老光刻机在非动态情况下实现曝光的工作方式，改善了光刻的工作效率，处理了大规格防伪商标制造的难 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
题。
激光全息防伪标识是高新技术的结晶，在现在国内外得到广泛重视的一项现代化激光应用技术结晶，和普通印刷商标比较，它有独一无二的防伪效果，而且有色彩绚丽、图像清晰、一次性使用、立体感强的特点。可以增加产品的效果，并且用深奥的全息成像原理和色彩斑斓的闪光效果从而得到了大众的喜爱。
激光全息防伪技术由常规全息防伪技术，多通道全息防伪技术，隐形加密技术，360°计算机点阵全息技术，双层全息技术，荧光加密全息技术，动态编码防伪技术，电话电码防伪技术，核微孔防伪技术，以及基因防伪技术等组成。多通道全息防伪在转动标识时，能看到在标识的同一个地方呈现不一样的图形。隐形加密技术把加密图案放在标识的任一地方，在激光再现仪下面可以看到加密图案。360°计算机点阵全息技术在图像360°的观察领域内会呈现放环状、螺旋状、射状等光点的组合和变换，动感非常强。双层全息技术课可以把全息标识揭开，还可以看到印有文字与图案的第二防伪层，有双保险的防伪效果。动态编码防伪把商标放在前面，慢慢地旋转商标可以呈现持续动作的图形。电话防伪技术是用查询统一的中心数据库来核查真假的。核微孔防伪标识是由激光防伪技术与核微孔防伪技术组合的，只要用一只水笔就可以辨别真假。
激光防伪既叫镭射防伪又叫激光全息防伪。“全息”的是指“全部信息”，一般照相的仅会记录物体的明暗变化，激光全息照相还可以记录物体空间的改变。
因为以前模压全息图片的制作技术是很优秀的技术，仅有很少的技术员会，所以它将会被作为防伪标识。它的防伪原理是：
①在激光全息图片拍录所有时间里，假如一个要求不一样（例子为拍摄彩虹全息的条件），全息标识的结果将会不好。
②这种全息图像的全息信息一般的照相机不能拍录，所以全息图像很少能被仿造。?
（二）光刻机的硬件结构和工作原理
1．光刻机的硬件结构
光刻机的构成包括：光刻机控制系统、X-Y工作台（X轴与Y轴直线电机、X轴与Y轴位移传感器）、激光器、X轴与Y轴直线电机控制器、交流伺服电机、光栅、交流伺服控制器。
图1是光刻机结构示意图，图2是光刻机实物图。光刻机的控制系统是由上位机与下位机组成的，上位机用的是工业控制PC，下位机用的是2片型号为STC12C5A60S2的单片机。
2. 光刻机工作原理
激光点阵光刻机是通过“点-线-面” 制作一幅激光全息防伪商标的母板。X轴和Y轴方向上的位移可由X-Y工作台的两台直线电机分别控制，工作方式是采用双向逐行扫描的。先要将系统的位置进行初始化，读出第一行图像的文件，使X-Y工作台动作，改变光栅的转角，检测到曝光位置时触发激光器对光刻胶感光，曝光时间要等到关闭激光器，改变光栅的转角，检测到曝光位置时触发激光器对光刻胶感光，再将激光器关闭，一直等到X轴方向走完一行，然后Y轴方向上移动一个步距，如此交替进行，直到完成一幅画面。光刻机运动轨迹如图3所示。为了使激光光刻制版的工作效率得到改善，该系统将会用动态曝光的工作方法，激光器曝光的时候，工作台是不会停止工作的，所以对定位精度、位移判断的速度和曝光时间都提出了较高的要求。
（三）课题来源
根据苏州印象镭射科技有限公司提供的激光点阵光刻机控制系统的技术要求，设计与制作功能满足要求、工作稳定、以单片机为核心的激光点阵光刻机控制系统，可以用逐行扫描的方式来操纵光刻机运转，工作模式用的是动态曝光，能够完成高速高精度的定位，可以制造大规格的防伪商标，可以改善全息母板制造的速度。
（四）光刻机的主要技术指标
1.定位精度±0.5μm；2.光刻精度2540dpi（最大）；3.光刻速度50～500点/s；3.制作尺寸600×800mm这四点指标构成了光刻机首要技术指标。
（五）本设计的主要工作
本设计主要完成以下工作：
（1）按照苏州印象镭射科技有限公司对光刻机控制器的需求，设计与制作一台满足技术要求的基于PC的控制器，且对PC选择的原因和多中央处理器结构组成的方式进行论述。
（2）为保证光刻机控制器在强电磁干扰环境下能够稳固牢靠地工作，从硬件设计方面对抗干扰的方法进行分析。
（3）硬件设计上用了好多PC作为控制核心，从而削减硬件分立元件的个数；在硬件设计上确保微控制器可靠性高、实时性强的要求。
（4）系统通过RS-232接口和PC机进行相接从而构成了上下位机系统，实现系统的监控。
（5）本设计是从硬件完成光刻机控制器的设计，需要结合软件设计确定硬件的实现方案，本论文对硬件设计中的X-Y轴光栅尺正交脉冲计数处理电路、曝光控制电路、直线电机控制电路、交流伺服控制电路和RS-232通信接口电路等作了比较详细的论述。
（1）用逐行扫描的运行方式来操控X-Y工作台；
（2）X-Y工作台定位精度0.5μm；
（3）图像信号可换成光栅旋转角度的信号。光栅的旋转角度是00时图像是白的，光栅的旋转角度是1800时图像是黑的，所以光栅最大的角度能转到1800；
（4）动态曝光技术可以将整幅图像全部的曝光点都是在动态的情况下成功曝光；
当直写光路的系统不变时，曝光截面内的曝光量分布会和光刻胶自身特性、直写光束的光功率与运动速度相关。
经过全息学解析，能够保障制造出有品质的光学可变图像与3D图像，光刻机工作台的工作速度可达0.5m/s，光栅栅距有0.5μm，所以各个光点的曝光时间不能大于0.05×10-6/0.5=0.1μs。所以，激光器的曝光时间要达到纳秒级时才能满足要求。激光器选所选的是美国光波公司生产的型号为AWAVE-351-500mW-3K半导体激光器，该激光器脉冲频率可达1～200千赫兹，脉冲宽度＜30纳秒，脉冲能量＞0.2mJ。
一、绪论 1
（一）本课题的研究背景和意义 1
（二）光刻机的硬件结构和工作原理 2
（三）课题来源 3
（四）光刻机的主要技术指标 3
（五）本设计的主要工作 3
二、总体方案设计 4
（一）激光光刻机控制系统总体设计要求 4
（二）动态曝光原理 4
（三）激光光刻机控制系统的总体框图设计 5
（四）系统抗干扰设计 6
（五）控制系统输入输出通道设计 6
三、硬件设计 7
（一）X-Y轴光栅尺正交脉冲计数处理电路 8
（二）直线电机控制电路 13
（三）交流伺服控制电路 14
（四）曝光控制电路 15
（五）通信接口电路 16
（六）单片机复位电路 17
（七）电源电路 18
四、PCB设计与制作 20
五、材料清单 24
六、总结 27
致谢 28
参考文献 29
附录 30
一、绪论
（一）本课题的研究背景和意义
激光全息防伪技术已在很多领域得到了广范的运用。把激光用作激光全息技术的光源，把每种不一样特质的微小光栅合并起来，会发生动态效果、三维立体和色彩变化等光变效果的光学可变图像（Optical Variable Device），简称OVD，局部完成3D图像数字化。本文讲的是用单光束激光直写的点阵光刻机控制系统的硬件设计，把逐行扫描和动态曝光用作光刻机的工作方式，大大改善老光刻机在非动态情况下实现曝光的工作方式，改善了光刻的工作效率，处理了大规格防伪商标制造的难 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
题。
激光全息防伪标识是高新技术的结晶，在现在国内外得到广泛重视的一项现代化激光应用技术结晶，和普通印刷商标比较，它有独一无二的防伪效果，而且有色彩绚丽、图像清晰、一次性使用、立体感强的特点。可以增加产品的效果，并且用深奥的全息成像原理和色彩斑斓的闪光效果从而得到了大众的喜爱。
激光全息防伪技术由常规全息防伪技术，多通道全息防伪技术，隐形加密技术，360°计算机点阵全息技术，双层全息技术，荧光加密全息技术，动态编码防伪技术，电话电码防伪技术，核微孔防伪技术，以及基因防伪技术等组成。多通道全息防伪在转动标识时，能看到在标识的同一个地方呈现不一样的图形。隐形加密技术把加密图案放在标识的任一地方，在激光再现仪下面可以看到加密图案。360°计算机点阵全息技术在图像360°的观察领域内会呈现放环状、螺旋状、射状等光点的组合和变换，动感非常强。双层全息技术课可以把全息标识揭开，还可以看到印有文字与图案的第二防伪层，有双保险的防伪效果。动态编码防伪把商标放在前面，慢慢地旋转商标可以呈现持续动作的图形。电话防伪技术是用查询统一的中心数据库来核查真假的。核微孔防伪标识是由激光防伪技术与核微孔防伪技术组合的，只要用一只水笔就可以辨别真假。
激光防伪既叫镭射防伪又叫激光全息防伪。“全息”的是指“全部信息”，一般照相的仅会记录物体的明暗变化，激光全息照相还可以记录物体空间的改变。
因为以前模压全息图片的制作技术是很优秀的技术，仅有很少的技术员会，所以它将会被作为防伪标识。它的防伪原理是：
①在激光全息图片拍录所有时间里，假如一个要求不一样（例子为拍摄彩虹全息的条件），全息标识的结果将会不好。
②这种全息图像的全息信息一般的照相机不能拍录，所以全息图像很少能被仿造。?
（二）光刻机的硬件结构和工作原理
1．光刻机的硬件结构
光刻机的构成包括：光刻机控制系统、X-Y工作台（X轴与Y轴直线电机、X轴与Y轴位移传感器）、激光器、X轴与Y轴直线电机控制器、交流伺服电机、光栅、交流伺服控制器。
图1是光刻机结构示意图，图2是光刻机实物图。光刻机的控制系统是由上位机与下位机组成的，上位机用的是工业控制PC，下位机用的是2片型号为STC12C5A60S2的单片机。
2. 光刻机工作原理
激光点阵光刻机是通过“点-线-面” 制作一幅激光全息防伪商标的母板。X轴和Y轴方向上的位移可由X-Y工作台的两台直线电机分别控制，工作方式是采用双向逐行扫描的。先要将系统的位置进行初始化，读出第一行图像的文件，使X-Y工作台动作，改变光栅的转角，检测到曝光位置时触发激光器对光刻胶感光，曝光时间要等到关闭激光器，改变光栅的转角，检测到曝光位置时触发激光器对光刻胶感光，再将激光器关闭，一直等到X轴方向走完一行，然后Y轴方向上移动一个步距，如此交替进行，直到完成一幅画面。光刻机运动轨迹如图3所示。为了使激光光刻制版的工作效率得到改善，该系统将会用动态曝光的工作方法，激光器曝光的时候，工作台是不会停止工作的，所以对定位精度、位移判断的速度和曝光时间都提出了较高的要求。
（三）课题来源
根据苏州印象镭射科技有限公司提供的激光点阵光刻机控制系统的技术要求，设计与制作功能满足要求、工作稳定、以单片机为核心的激光点阵光刻机控制系统，可以用逐行扫描的方式来操纵光刻机运转，工作模式用的是动态曝光，能够完成高速高精度的定位，可以制造大规格的防伪商标，可以改善全息母板制造的速度。
（四）光刻机的主要技术指标
1.定位精度±0.5μm；2.光刻精度2540dpi（最大）；3.光刻速度50～500点/s；3.制作尺寸600×800mm这四点指标构成了光刻机首要技术指标。
（五）本设计的主要工作
本设计主要完成以下工作：
（1）按照苏州印象镭射科技有限公司对光刻机控制器的需求，设计与制作一台满足技术要求的基于PC的控制器，且对PC选择的原因和多中央处理器结构组成的方式进行论述。
（2）为保证光刻机控制器在强电磁干扰环境下能够稳固牢靠地工作，从硬件设计方面对抗干扰的方法进行分析。
（3）硬件设计上用了好多PC作为控制核心，从而削减硬件分立元件的个数；在硬件设计上确保微控制器可靠性高、实时性强的要求。
（4）系统通过RS-232接口和PC机进行相接从而构成了上下位机系统，实现系统的监控。
（5）本设计是从硬件完成光刻机控制器的设计，需要结合软件设计确定硬件的实现方案，本论文对硬件设计中的X-Y轴光栅尺正交脉冲计数处理电路、曝光控制电路、直线电机控制电路、交流伺服控制电路和RS-232通信接口电路等作了比较详细的论述。
（1）用逐行扫描的运行方式来操控X-Y工作台；
（2）X-Y工作台定位精度0.5μm；
（3）图像信号可换成光栅旋转角度的信号。光栅的旋转角度是00时图像是白的，光栅的旋转角度是1800时图像是黑的，所以光栅最大的角度能转到1800；
（4）动态曝光技术可以将整幅图像全部的曝光点都是在动态的情况下成功曝光；
当直写光路的系统不变时，曝光截面内的曝光量分布会和光刻胶自身特性、直写光束的光功率与运动速度相关。
经过全息学解析，能够保障制造出有品质的光学可变图像与3D图像，光刻机工作台的工作速度可达0.5m/s，光栅栅距有0.5μm，所以各个光点的曝光时间不能大于0.05×10-6/0.5=0.1μs。所以，激光器的曝光时间要达到纳秒级时才能满足要求。激光器选所选的是美国光波公司生产的型号为AWAVE-351-500mW-3K半导体激光器，该激光器脉冲频率可达1～200千赫兹，脉冲宽度＜30纳秒，脉冲能量＞0.2mJ。
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