一种直写式丝网制版系统及制版方法与流程

本发明涉及丝网制版技术领域，具体涉及一种直写式丝网制版系统及制版方法。

背景技术：

传统的丝网制版系统，需要通过晒版机使用菲林进行制版。菲林与早期的照相机底片类似。使用菲林进行制版流程如下：将带有图像的菲林贴在已涂敷感光胶的丝网网板上，使用汞灯照射菲林，菲林上有图形部分可以透射光线，使网板的感光胶感光，将感光的网板进行显影，显影之后未感光的部分会被显影液溶解，从而在网板上形成图形。

传统的利用菲林制版的方法存在如下缺陷：

1、耗材成本高昂，传统丝网印刷制版方法需要使用照排机制作菲林，多色印刷需要多张菲林，晒版后菲林即遭废弃，与直接制版相比耗材成本较高；

2、增加工序，导致制版效率低下：传统丝网印刷制版过程需首先制作图案底片，再经晒版机制版工艺周期较长，制版效率低下，由此还可能导致更多的问题点出现以及人工成本、时间成本的增加；

3、菲林易损坏：菲林本身易变形易被划伤，导致其使用寿命大大受影响；

4、无法制作超大网板：受菲林本身面积的限制，传统的制版方法无法制作超大网板；

5、图像精度差，无法满足小线宽图形的制版：由于传统丝网印刷制版方法是通过图案底片与感光胶接触曝光复制而完成的，因而复制过程中会造成图像细节的损失，图像精度低于原稿，该现象在厚感光胶的晒版过程中尤为明显，因此传统菲林制版通常仅适用于50μm以上的线宽。

近年来，研究者们也进行了一些直接制版的尝试。如我国授权公告号cn103149801b的专利中，使用密排激光器进行曝光处理实现直接制版。但在实际应用中，激光器装配受到物理条件、尺寸等的限制，密排方式装配的激光器数量相当有限，一般不超过256支，加之网板制版只能使用平面扫描，而平面扫描需要不停的来回更换扫描方向，大大限制了密排式激光器的工作能力，导致产能低下；采用密排激光器进行直接制版的方式控制难度也较大，能量的细微不均匀都将带来曝光效果的差异；采用密排激光器进行直接制版的方式还存在加工精细度不够高的不足。

另一方面，在现有的直接制版系统中，网板往往通过夹具固定于平台上。这种固定方式无法保证网板的各部分保持在同一水平面上，原因在于：(1)网板自身的变形；(2)夹具各间隙不均匀；(3)重力原因导致网板中间部分出现轻微下垂。网板各部分无法保持在同一水平面上会带来离焦的问题，进而导致图形模糊或曝光不充分。此外，现有的直接制版系统对于反馈位置信号的定位平台精度要求较高，导致了生产成本增加。

技术实现要素：

本发明的目的是解决传统使用菲林带来的成本高、工序多、精度低等问题以及现有的直接制版方法产能低、加工精细度差、容易离焦、对定位平台精度要求高等问题。

为了实现上述目的，本发明提供一种直写式(dis)丝网制版系统以及使用该系统制版的方法。

本发明的技术方案如下：

一种直写式丝网制版系统，用于丝网制版过程中在网板上进行图形曝光，系统包括主机、运动系统、光源驱动控制器(lsc)、光源(ls)、可编程数据控制器(pdc)、空间光调制器(slm)、主动聚焦模块(af)、光学镜头、位置误差修正模块以及通信模块；

所述运动系统由步进平台、扫描平台以及平台驱动器组成，其中平台驱动器与主机相连并驱动步进平台和扫描平台运动；

所述光源驱动控制器控制所述光源的开关状态以及光强；

所述可编程数据控制器与主机直接相连，在主机的控制下驱动空间光调制器完成曝光任务；

所述主动聚焦模块控制光学镜头与网板间的距离；

所述位置误差修正模块接收扫描平台发出的实时位置信号，对实时位置信号进行修正得到精确位置信号并将精确位置信号输出至可编程数据控制器；

所述通信模块上行与主机相连，下行与光源驱动控制器以及主动聚焦模块分别相连。

其中，所述主机是个人计算机、服务器或工控机中的一种。

其中，所述步进平台承载网板并带动网板运动，所述扫描平台承载主动聚焦模块和光学镜头并带动主动聚焦模块和光学镜头运动。

其中，所述光源是激光器或led中的一种。

其中，所述可编程数据控制器由随机存储器、现场可编程门阵列以及空间光调制器控制芯片(slmc)组成。

其中，所述空间光调制器控制芯片为数字光处理芯片(dlp)。

其中，所述空间光调制器为数字微镜器件(dmd)。

其中，所述主动聚焦模块由高速电机、位置传感器和主动聚焦控制器组成。

本发明还提供一种利用上述直写式丝网制版系统在网板上进行图形曝光的方法，包括如下步骤：

(1)网板准备步骤，主机向平台驱动器发出指令，平台驱动器驱动步进平台移动到上版位置，由人工或自动上板装置将网板放置到步进平台上，再由设于步进平台的网板固定装置对网板进行固定；

(2)版图发送步骤，主机将版图发送给可编程数据控制器，同时向可编程数据控制器发出关闭空间光调制器指令；

(3)曝光准备步骤，主机根据相关参数计算出初始曝光点位置，然后控制平台驱动器驱动步进平台和扫描平台移动到初始曝光点位置；其中，相关参数包括版图大小、网板大小等；

(4)启动主动聚焦步骤，主动聚焦模块经由通信模块接收主机下发的指令，开始进行主动聚焦操作；

(5)版图就绪信号及图形生成步骤，可编程数据控制器接收版图并准备就绪后，向主机发出版图就绪信号，表示可以开始曝光，之后可编程数据控制器依据版图发送步骤中接收的版图，持续地按空间光调制器的宽度生成图形数据；

(6)打开光源步骤，光源驱动控制器经由通信模块接受主机下发的指令，打开光源；

(7)正方向的单次扫描步骤，平台驱动器接受主机发出的控制指令，驱动扫描平台按指定速度匀速运动到单次扫描的结束位置，扫描过程中，扫描平台持续向位置误差修正模块反馈位置信号，位置误差修正模块对接收到的位置信号进行修正得到精确位置信号，并输出精确位置信号至可编程数据控制器，可编程数据控制器根据接收的精确位置信号控制空间光调制器在指定位置投射相应图案；

(8)步进移动步骤，平台驱动器接受主机发出的控制指令，驱动步进平台向待曝光区域移动空间光调制器有效扫描宽度的距离；

(9)反方向的单次扫描步骤，平台驱动器接受主机发出的控制指令，驱动扫描平台按指定速度反方向匀速运动到反方向的结束位置，扫描过程中，扫描平台持续向位置误差修正模块反馈位置信号，位置误差修正模块对接收到的位置信号进行修正得到精确位置信号，并输出精确位置信号至可编程数据控制器，可编程数据控制器根据接收的精确位置信号控制空间光调制器在指定位置投射相应图案；

(10)步进移动步骤，平台驱动器接受主机发出的控制指令，驱动步进平台向待曝光区域移动空间光调制器有效扫描宽度的距离；

(11)重复步骤(7)-步骤(10)，直至所有图形均被转移，曝光过程完成。

其中，所述启动主动聚焦步骤中所述主动聚焦操作的过程如下：主动聚焦模块中的位置传感器实时测量镜头到网板间的距离，当所述距离的值超过镜头的误差范围时，主动聚焦模块中的主动聚焦控制器上下移动主动聚焦模块中的高速电机，使得镜头的焦面保持在网板平面上。

本发明的有益效果如下：

本发明的直写式丝网制版系统，制版过程不需要菲林，有效降低了成本，且工序简单、图像精度高，可适用于制作超大网板；本发明采用面阵式空间光调制器进行直写式制版，相对于传统采用密排激光器进行直接制版的方式，加工精细度更高，控制难度小，且产能显著提升。

此外，本发明实现了主动聚焦功能，对于网板不平的情况也能很好适应，使得镜头焦面始终保持在网板平面上，有效避免网板不平整导致的离焦进而导致图形模糊或曝光不充分等问题。本发明还引入了位置误差修正模块，有效克服了对高精度定位平台依赖的问题，降低了生产成本。

附图说明

图1是本发明实施例的一种直写式丝网制版系统的模块组成图；

图2是本发明另一实施例的的一种直写式丝网制版装置的结构示意图；

图3是本发明另一实施例的一种直写式丝网制版装置的立体结构示意图；

图4是应用本发明的直写式丝网制版系统在网板上进行图形曝光的方法流程图。

附图标记说明：

1——主机，2——运动系统，2-1——步进平台，2-2——扫描平台，2-3——平台驱动器，3——光源驱动控制器，4——光源，5——可编程数据控制器，6——空间光调制器，7——主动聚焦模块，8——光学镜头，9——位置误差修正模块，10——通信模块，11——网板，12——大理石框架，12-1——底座，12-2——龙门，12-2-1——龙门支架，12-2-2——龙门横梁，13——网板固定装置，14——光学系统。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。

实施例1

本发明提供一种直写式丝网制版系统，用于丝网制版过程中在网板上进行图形曝光。图1所示是本发明一个具体实施例的直写式丝网制版系统的模块组成图。该系统包括主机1、运动系统2、光源驱动控制器3、光源4、可编程数据控制器5、空间光调制器6、主动聚焦模块7、光学镜头8、位置误差修正模块9以及通信模块10。

主机1可以是pc、各类服务器或各类工控机。主机1的主要作用是接收版图、缓存版图和预处理版图以及总控pdc、lsc、af和运动系统协同工作。所涉及的版图一般由cam软件负责生成，其格式可以是pdf、gdsii、gerber、odb++、tif、bmp、dwg或dpf等。

运动系统2由步进平台2-1、扫描平台2-2以及平台驱动器2-3组成，其中平台驱动器2-3与主机1相连并驱动步进平台2-1和扫描平台2-2运动。步进平台2-1承载网板并带动网板在步进方向运动，扫描平台2-2承载主动聚焦模块7和光学镜头8并带动主动聚焦模块7和光学镜头8在扫描方向连续运动。扫描方向和步进方向相互垂直，但均平行于网板平面。

光源驱动控制器3控制光源4的开关状态以及光强；光源用于提供曝光时所需要的光能量，曝光时，光源处于常开的恒流状态。本实施例中使用的光源是激光器或led中的一种。

可编程数据控制器5与主机直接相连1，在主机1的控制下驱动空间光调制器6完成曝光任务。可编程数据控制器5由随机存储器(ram)、现场可编程门阵列(fpga)以及空间光调制器控制芯片(slmc)组成。可编程数据控制器5解析由主机1传来的矢量图形或位图，将其按系统参数进行处理，然后生成slmc可接受的格式，并驱动slmc完成图像的投射工作。本实施例中，使用的slmc为德州仪器(ti)提供的dlp芯片。

空间光调制器6主要根据图形或图形数据，在光源的照射的作用下，在基底上投射不同的图案。slm通过对光的反射或折射，根据版图中的图形位置和当前运动系统的位置，由pdc实时生成曝光需要的光学图案，驱动slm以完成曝光任务。本实施例中，使用的slm为ti提供的数字微镜器件(dmd)。

主动聚焦模块7控制光学镜头8与网板间的距离，使镜头的焦面始终保持在网板平面上；主动聚焦模块7由高速电机、位置传感器和主动聚焦控制器组成。其工作过程如下：主动聚焦模块7中的位置传感器实时测量光学镜头8到网板间的距离，当该距离的值超过镜头8的误差范围时，主动聚焦模块7中的主动聚焦控制器上下移动主动聚焦模块7中的高速电机，使得镜头的焦面保持在网板平面上。

位置误差修正模块9接收扫描平台2-2发出的实时位置信号，然后对实时位置信号进行修正得到精确位置信号，并将精确位置信号输送至pdc，由pdc根据接收的精确位置信号控制slm在指定位置投射相应图案。

通信模块10上行与主机1相连，下行与lsc以及af分别相连，用于接收主机1下发的控制命令并向相应模块分发控制命令。

本实施例的直写式丝网制版系统中，由光源、slm、光学镜头和主动聚焦模块组成了光学系统，其中，光源是照明系统的一部分(照明系统还包括其他用于匀光、聚焦的光学元件)，而主动聚焦、光学镜头和slm则构成了光学系统的成像部分。主动聚焦系统位于slm的下方。

实施例2

本实施例给出了应用本发明的直写式丝网制版系统的一种具体装置。

如图2是本实施例的一种直写式丝网制版装置的结构示意图；图3是本实施例的直写式丝网制版装置的立体结构示意图。从图中可以看出，步进平台2-1和扫描平台2-2均承载于大理石框架12上，该大理石框架包括底座12-1和龙门12-2，底座12-1平行于水平面，龙门12-2包括龙门支架12-2-1和龙门横梁12-2-2，龙门支架12-2-1垂直于水平面且固定在底座12-1上，龙门横梁12-2-2位于龙门支架12-2-1顶端

其中，步进平台2-1固定于底座12-1上，位于龙门横梁12-2-2正下方，步进方向与龙门横梁12-2-2相垂直；

扫描平台2-2固定于龙门横梁12-2-2上，扫描平台2-2上承载有光学系统14，包括光源4、slm6、光学镜头8和主动聚焦模块7；

本实施例中的网板固定装置13是网板夹具。网板11通过网板夹具固定于步进平台上，网板夹具可有效避免网板在运动时滑动或跳动，从而避免曝光图形错乱。

实施例3

本实施例提供应用本发明的直写式丝网制版系统在网板上进行图形曝光的方法。图4是应用本发明的直写式丝网制版系统在网板上进行图形曝光的方法流程图。该方法具体包括如下步骤：

在网板准备步骤s1中，主机1向平台驱动器2-3发出指令，平台驱动器2-3驱动步进平台2-1移动到上版位置，由人工或自动上板装置将网板放置到步进平台2-1上，再由设于步进平台2-1的网板固定装置对网板进行固定；

在版图发送步骤s2中，主机1将版图发送给可编程数据控制器5，同时向可编程数据控制器5发出关闭空间光调制器6指令——由于步进平台2-1和扫描平台2-2均移动到曝光起始点之后才能曝光，因此，在步进平台2-1和扫描平台2-2移动到曝光起始点之前需要关闭slm。

在曝光准备步骤s3中，主机1根据相关参数计算出初始曝光点位置，然后控制平台驱动器2-3驱动步进平台2-1和扫描平台2-2移动到初始曝光点位置。其中，相关参数包括网板大小、版图大小和平台特性等。

在启动主动聚焦步骤s4中，主动聚焦模块7经由通信模块接收主机1下发的指令，进行主动聚焦操作；操作过程是：主动聚焦模块7中的位置传感器实时测量光学镜头8到网板11间的距离，当所述距离的值超过光学镜头8的误差范围时(这种情况称为离焦)，主动聚焦模块7中的主动聚焦控制器上下移动主动聚焦模块7中的高速电机，使得光学镜头8的焦面保持在网板平面上。

主动聚焦模块7是一个自主模块，主机1控制它开始主动聚焦后，该模块将不再接受主机1命令，直到主机下达停止主动聚焦的命令。

在版图就绪信号及图形生成步骤s5中，可编程数据控制器5接收版图并准备就绪后，向主机1发出版图就绪信号，表示可以开始曝光，之后可编程数据控制器5依据接收的版图，持续地按空间光调制器6的宽度生成图形数据。

在打开光源步骤s6中，光源驱动控制器3经由通信模块10接受主机1下发的指令，打开光源4。

在正方向的单次扫描步骤s7中，平台驱动器2-3接受主机1发出的控制指令，驱动扫描平台2-2按指定速度匀速运动到单次扫描的结束位置，扫描过程中，扫描平台2-2持续向位置误差修正模块9反馈位置信号，位置误差修正模块9对接收到的位置信号进行修正得到精确位置信号，并输出精确位置信号至可编程数据控制器5，可编程数据控制器5根据接收的精确位置信号控制空间光调制器6在网板11上的指定位置投射相应图案；其中，扫描速度由网板11上的油墨和光源4的光强共同决定；单次扫描的结束位置由给定的版图的尺寸决定；单次扫描中，扫描平台2-2的行进距离等于版图沿扫描方向上的径向尺寸。假设版图尺寸为a*b，其中a为沿步进方向的长度，b为沿扫描方向的长度，则单次扫描中的扫描距离为b，单次扫描的结束位置为由起始曝光点沿扫描方向的射线方向上与起始曝光点距离为b的点。

位置误差修正模块9通过扫描平台2-2反馈的位置信号进行修正补偿后输出精确位置信号从而确保在网板上呈现出符合精度范围要求的正确图形。由于扫描平台2平台存在误差，因此需要对其反馈的位置信号进行修正。平台误差包括系统误差和随机误差两种，其中，系统误差包括角度误差、刻度误差、编码误差、涨缩误差、回城误差等，随机误差包括偏摆误差，俯仰误差，摇摆误差等。系统误差是可修正或补差的，而随机误差是不可补偿或修正的。位置误差修正模块9就是针对系统误差进行修正补偿。

系统误差的主要形成原因是：表征位置的脉冲信号是根据光栅的最小分辨率的间距出发的，由于温度、加工精度和细分算法等原因，输出的位置脉冲间距与最小分辨率间存在着多种误差，即系统误差。典型的传统系统误差修正方式是采用映射区间(mapping)的方式，这种方式应用于本发明的直写式制版系统中时，对于定位模块(本发明中指扫描平台)的绝对定位精度和移动速度的精度都有较高的要求，导致系统成本的增高。本发明中引入了误差修正模块，能够在保持低成本的同时实现对于精度的补偿。具体方式是：使用高精度测量装置，测量出系统误差分布后，将数据写入二维mapping。误差修正模块直接使用该mapping进行误差的修正。二维mapping的形成方式是：分别获取不同x值一维的mapping，然后组合，获得二维mapping。一维mapping的获取方式是通过对位置脉冲进行计数和判断完成。运算逻辑如下：

假设曝光精度(pw)为c个脉冲，其中脉冲的理论间距为d，即每c个脉冲计数产生一次位置信号(pos)。

现设从a点向b点移动，a点的绝对计数为，a点到b点的计数个数为，注意，是绝对量，是相对量，故b点的脉冲序为；

(1)令累计误差；a、b点所在区间为：，。其中，累计误差定义如下：每次位置信号产生时，平台移动的距离不可能恰好是曝光精度(pw)，那么此时，就产生了一个位置信号的实际输出所经过的距离与理论的曝光精度之间的误差，并且该误差会滞后影响到后序的多个位置信号的输出，故称为累计误差。

(2)设为，t=0。其中，c表示的是当前总的脉冲计数器，称为累积脉冲计数器；t为位置信号发生周期内的脉冲计数器，称为周期计数器；

(3)判断c所在区间，取得该区间的误差系数

(4)累计误差，并取c=c+1，t=t+1；判断是否成立，如果成立，则完成脉冲计数，否则执行下一步骤；

(5)如果，

a)如果t=c，则产生一次位置信号，然后转到步骤(3)；

b)如果t<c，则转到步骤(3)；

(6)如果，

a)如果，则t=t+1，，然后转步骤(5)；

b)如果，则t=t-1，，然后转步骤(5)；

通过位置误差修正模块，可以有效克服对高精度平台的依赖，从而有效地降低了产品的生产成本。

在步进移动步骤s8中，平台驱动器2-3接受主机1发出的控制指令，驱动步进平台2-1向待曝光区域移动空间光调制器6有效扫描宽度的距离。有效扫描宽度的定义是：假设空间光调制器6在单次扫描中曝光的图形宽度为d，则d即为空间光调制器6的有效扫描宽度。

在反方向的单次扫描步骤s9中，平台驱动器2-3接受主机1发出的控制指令，驱动扫描平台2-2按指定速度反方向匀速运动到反方向的结束位置，扫描过程中，扫描平台2-2持续向位置误差修正模块9反馈位置信号，位置误差修正模块9对接收到的位置信号进行修正得到精确位置信号，并输出精确位置信号至可编程数据控制器5，可编程数据控制器5根据接收的精确位置信号控制空间光调制器6在网板11上的指定位置投射相应图案；同样，扫描速度由网板11上的油墨和光源4的光强共同决定；单次扫描的结束位置由给定的版图的尺寸决定。基于步骤s7-s8中的假设，此时反方向的结束位置为距离起始曝光点沿步进方向距离为d的位置；通过s7-s9，正、反方向的总计扫描距离为2*b，步进平台的行进距离为d。

在步进移动步骤s10中，平台驱动器2-3接受主机1发出的控制指令，驱动步进平台2-1向待曝光区域移动空间光调制器6有效扫描宽度的距离；

重复步骤s7-步骤s10，直至所有图形均被转移，曝光过程完成。

以上应用具体实施例对本发明的技术方案进行了详细阐述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。同时，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。因此，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。