JP2000167939A - 光造形方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】光硬化性樹脂に選択的に光を照射することによ
り簡易かつ短時間で精度よく光学素子等を成形すること
ができる光造形方法を提供する。 【解決手段】光硬化性樹脂４に光を照射し硬化させるこ
とにより立体形状を造形する光造形方法であって、光硬
化性樹脂４に照射する光の光量を選択的に調節すること
により立体形状の断面パターンを制御することを特徴と
する。光量の調節は光硬化性樹脂４と光源１との間に配
置されるマスク２により行われ、前記光硬化性樹脂４お
よびマスク２のうち少なくとも一方を照射光の進行方向
と平行な回転軸を中心として回転または回動させること
が好ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は光学素子、特に微小
レンズ等の成形に適した光造形方法に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】光硬化性樹脂を用いた光造形方法として
は、未硬化の光硬化性樹脂を例えば透明なガラス製の型
内に充填し光を照射することにより光硬化性樹脂を硬化
させ、離型して所望形状の硬化物を取出す方法が一般的
である。

【０００３】一方、近年、光学素子分野において、各種
製品の超小型化、精密化、超高性能化が進み、例えば、
数十ミクロンから数ミリ程度の寸法の微小化、微細化さ
れた光学素子の製造に対する要求が増してきている。し
たがって、上記の光造形方法による場合、微細な光学素
子を成形するための成形型を精密機械加工等により作製
する必要がある。この場合、成形型を作製するために高
精度で微細な工具が必要となり、さらに、加工装置の軸
心と工具軸心を高精度で一致させる等の高度な製造技術
を要し、型の作製が困難であり製造コストも増大してい
た。

【０００４】また、光硬化性樹脂を用いた他の光造形方
法としては、液状の光硬化性樹脂の表面にスポット状の
レーザ光を平面的に走査させ、目的物の断面パターンを
描く露光を行ない、レーザ光が照射された部分に相当す
る光硬化性樹脂のみを硬化させて薄膜状の硬化樹脂層を
形成し、この硬化樹脂層を連続的に幾層にも積層するこ
とで、所望の立体形状を有する光学素子等を形成する方
法が知られている。

【０００５】しかし、このように硬化樹脂層を幾層にも
積層する場合、硬化物の外周部分において硬化寸法のず
れを生じ、寸法精度が悪くなるという問題があった。ま
た、レーザ光による露光方式を採用した場合、レーザ光
の走査は一筆書きによる長い線を描く工程となるため、
造形に非常に長時間を要するものであった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、光硬
化性樹脂に選択的に光を照射することにより簡易かつ短
時間で精度よく光学素子等を成形することができる光造
形方法を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】このような目的は、下記
（１）〜（５）の本発明により達成される。

【０００８】（１） 光硬化性樹脂に光を照射し硬化さ
せることにより立体形状を造形する光造形方法におい
て、前記光硬化性樹脂に照射する光の光量を選択的に調
節することにより前記立体形状の断面パターンを制御す
ることを特徴とする光造形方法。

【０００９】（２） 前記光量の調節は前記光硬化性樹
脂と光源との間に配置されるマスクにより行われる上記
（１）に記載の光造形方法。

【００１０】（３） 前記光硬化性樹脂に光を照射する
際、前記光硬化性樹脂および前記マスクのうち少なくと
も一方を回転または回動させる上記（１）または（２）
に記載の光造形方法。

【００１１】（４） 前記光硬化性樹脂および前記マス
クのうち少なくとも一方を照射光の進行方向と平行な回
転軸を中心として回転または回動させる上記（３）に記
載の光造形方法。

【００１２】（５） 前記光硬化性樹脂の硬化物は光学
素子である上記（１）ないし（４）のいずれかに記載の
光造形方法。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の光造形方法を添付
図面に示す好適実施形態に基づいて詳細に説明する。

【００１４】図１は本発明の光造形方法に用いられる装
置の構成の一例を示す概略図、図２は図１に示す装置を
用いて本発明の光造形方法により成形された光学素子の
一例を示す断面図である。

【００１５】図１に示す装置は、光源１と、光源１から
放射される光により硬化する光硬化性樹脂４と、光源１
と光硬化性樹脂４との間に介在するマスク２と、光硬化
性樹脂４を収容する光硬化性樹脂槽５とを有する。

【００１６】光源１からの光をマスク２で遮断し、光透
過部３を透過した光のみを光硬化性樹脂槽５に収容され
た光硬化性樹脂４に照射する。そして、ここではマスク
２を回転または回動させることにより光硬化性樹脂４に
照射する光の光量を選択的に調節することにより立体形
状の断面パターンを制御するものである。

【００１７】このような構成とすることにより、従来法
のように薄膜状の硬化樹脂層を連続的に幾層にも積層す
ることで所望の立体形状とする方法と異なり、本発明で
は層を積層しないため、層と層との積層面が不連続とな
ったり、硬化物の外周部において硬化寸法のズレを生じ
る等の問題を招くおそれがない。

【００１８】したがって、本発明による硬化物を光学素
子として使用する場合、層間の不連続性、硬化寸法のズ
レにより光学特性が著しく損なわれることはない。ま
た、光を走査させ一筆書きによる長い線を描く工程を要
しないため、造形時間を大幅に短縮することができる。
その上、光源等を走査させないため、装置の小型化、簡
略化を図り製造コストを低減することができる。また、
本発明の光造形法は成形用型を用いないため、成形物が
微小なもの、複雑形状のものであっても容易に造形する
ことができる。

【００１９】光源１は、光硬化性樹脂４を硬化可能な光
を発生するものであれば特に限定されず、照射する光に
より適宜選択される。また、光源１は複数使用してもよ
く、多方向から照射するよう配置してもよい。さらに、
光源１からの光がミラー、光ファイバ、レンズ等の導光
手段を経て光硬化性樹脂４に照射するよう構成してもよ
い。

【００２０】光硬化性樹脂４に照射する光としては、か
かる光硬化性樹脂を硬化させるために必要なエネルギー
を有するものであれば特に限定されず、例えば、Ｘ線、
レーザ光、紫外線、可視光線等が挙げられる。また、照
射光は平行光、拡散光、収束光のいずれであってもよ
い。

【００２１】光硬化性樹脂４に照射する光の光量調節
は、光硬化性樹脂４と光源１との間に配置されるマスク
２により行われることが好ましく、本実施形態では、光
量の調節はマスク２を回転させることにより行なわれ
る。

【００２２】例えば、光源１からの光を光硬化性樹脂４
に照射する際、マスク２を回転させ、光透過部３を透過
し光硬化性樹脂４に到達する光の光量が選択的に調節さ
れるよう構成されている。具体的には、図１に示すよう
な形状の光透過部３を有するマスク２を用いた場合、光
透過部３の中央部付近においては常に光が透過し光硬化
性樹脂４に到達する光の光量が大きくなるのに対し、光
透過部３の輪郭部付近ではマスク２の回転に伴い光の透
過と遮断が行なわれ、光硬化性樹脂４に到達する光量が
制限される。

【００２３】したがって、光量が最も大きい光透過部３
の中央部付近では、最も光硬化性樹脂４の硬化深さが大
きく、一方、光透過部３の輪郭部に移行するにしたがっ
て光量が減少し硬化深さが小さくなるため、図２に示す
ような断面パターンの硬化物（光学素子１０）が成形さ
れる。

【００２４】なお、本実施形態ではマスク２のみを回転
させているが、本発明は光硬化性樹脂４を回転させても
よく、さらに光硬化性樹脂４とマスク２の両者を回転さ
せてもよい。両者を回転させる場合には、同方向に回転
させても異方向に回転させてもよく、回転速度について
も互いに同じ速度であっても異なる速度であってもよ
い。さらに、マスク２や光硬化性樹脂４は、等速度で回
転させても、断続的に回転させてもよい。あるいは、マ
スク等は回転させるのみならず、所定の角度をもって回
動させてもよい。

【００２５】また、マスク等は照射光の進行方向と平行
な回転軸を中心として回転または回動させることがより
好ましい。なお、ここでいう「照射光の進行方向」と
は、光源１から一連の光学系を介して光硬化性樹脂４に
照射する光の進行方向を意味する。このような構成とす
ることにより、マスク等の動作の制御を容易かつ精密に
行うことが可能となり、形状精度の向上を図ることがで
きる。また、硬化物の断面パターンの対称性を維持・向
上させることができ、優れた光学性能を発揮する光学素
子を製造することができる。

【００２６】このようなマスク等の動作としては、光硬
化性樹脂４に到達する光の光量を選択的に調節させるこ
とができ、所望の立体形状の断面パターンを造形するこ
とができるものであれば、上記回転または回動のみなら
ずいかなる動作であってもよい。

【００２７】このように、本発明の光造形法ではマスク
２および光透過部３の形状、配置、動作等の選択によ
り、照射光のスポット径、光硬化性樹脂４の硬化深さ等
を任意に制御することができ、所望の立体形状を造形す
ることができる。したがって、マスク２の光透過部３を
小さくすることによりマイクロレンズ等の微小な光学素
子も容易に製造することができる。

【００２８】本発明で用いられるマスク２は、光の反射
が少なく、すなわち光を吸収し易くかつ光透過部３を透
過する光のロスをできるだけ少なくするため、薄板で構
成されていることが好ましく、例えば光の反射を防止す
るための黒色塗料が塗布されたアルミ板や黒染めされた
薄い鉄板あるいは石英ガラスからなるクロムマスク、エ
マルジョンマスク等が好ましい。

【００２９】光透過部３は、光硬化性樹脂４に照射する
光が透過可能な部材で構成されており、光透過部３の一
部または全部が開孔で構成されるものであってもよい。

【００３０】光硬化性樹脂槽５には、光エネルギーによ
り重合反応が誘起され、液体から固体に変化する特性を
もつ光硬化性樹脂４が収容されている。光硬化性樹脂４
としては特に限定されず、その種類は硬化物の用途等に
より適宜選択され、さらに、例えば光エネルギーを吸収
しラジカル等の活性種を発生する光重合開始剤や特性改
善のための各種添加剤等を含むものであってもよい。

【００３１】また、光学素子を成形する場合、光透過率
が高く、透明性、耐衝撃性等に優れた光硬化性樹脂を用
いることが好ましい。このような光硬化性樹脂として
は、例えば、ポリメチルメタクリレートなどの（メタ）
アクリル系樹脂、ポリカーボネート、ポリジエチレング
リコールビスアリルカーボネートなどのポリジアリルグ
リコールカーボネート類、ポリスチレン等が好ましく用
いられる。

【００３２】さらに、光硬化性樹脂に粉体等を混合し、
本発明の方法により光造形することも可能である。光硬
化性樹脂に混合される粉体としてはいかなるものであっ
てもよいが、例えばハイドロキシアパタイト等のセラミ
ックス粉体を用いた場合、耳小骨等の骨補填用セラミッ
クス構造体を作製することができる。

【００３３】光硬化性樹脂槽５は、少なくとも光透過部
３を透過した光が入射する側は透明部材で構成されたも
の、あるいは開孔が設けられていることが好ましい。ま
た、光硬化性樹脂槽５の内壁面は光の反射を防止するた
めに例えば黒色塗料が塗布されていることが好ましい。
このような処理が施された光硬化性樹脂槽５を用いるこ
とにより、光硬化性樹脂４における照射光の照射部と非
照射部とのコントラストを明瞭にすることができ、形状
精度をいっそう向上させることができる。

【００３４】以上、本発明の光造形法を図示の実施形態
に基づいて説明したが、本発明はこれらに限定されるも
のではなく、各手段の構成は同様の機能を有する任意の
他の構成に置換することができる。

【００３５】

【実施例】次に、本発明の具体的実施例について説明す
る。 （実施例）図１に示すような装置において、マスク２と
して図３に示す形状の光透過部３が設けられたものを用
いて本発明の光造形法により光造形を行った。

【００３６】まず、図１に示したものと同様の光硬化性
樹脂槽５内に光硬化性樹脂４として変性アクリレート系
ＵＶ硬化樹脂を満たした。

【００３７】マスク２は、厚さ２mmの石英ガラス製のク
ロムマスクで構成され、図３に示すように中央部には、
幅２mm（ａ）、最大厚さ０．５mm（ｂ）の両凸レンズ形
状の光透過部３が設けられている。このようなマスク２
を光硬化性樹脂槽５の近傍に配置した。そして、マスク
２を光透過部３の中心点Ｏを通り照射光の進行方向と平
行な回転軸を中心として、速度１０rpmで等速回転させ
た。

【００３８】次に、光源１としてメタルハライドランプ
を点灯し、光強度１０mw/cm²、照射時間３００secで、
紫外線をマスク２の光透過部３を通して光硬化性樹脂４
に照射した。所定の照射時間（３００sec）の経過後、
光源１をＯＦＦとし光硬化性樹脂４の硬化反応を停止さ
せた。光硬化性樹脂槽５内の未硬化の光硬化性樹脂を除
去することによりレンズが得られた。

【００３９】上記の照射条件下において、光硬化性樹脂
４に照射した紫外線の光量と回転中心Ｏからの距離と
は、図４のグラフに示される関係が成立することがわか
った。

【００４０】一方、実施例で作製されたレンズの断面パ
ターンを測定したところ、図５のグラフに示されるよう
な結果が得られた。グラフの縦軸に表されたレンズの厚
さは光硬化性樹脂４の液面からの硬化深さに対応してい
る。一方、横軸はレンズの中心部からの距離であってマ
スク２の回転中心からの距離に対応している。

【００４１】この結果、実施例で作製されたレンズは、
その膨出部の断面パターンは優れた対称性を有し、さら
に表面部分は優れた平滑性と面精度とを備えるものであ
ることがわかった。さらに、図４と図５のグラフを対比
すると、照射光の光量と光硬化性樹脂４の断面パターン
とは一定の相関関係が成立することがわかった。

【００４２】以上のことから、本発明の光造形方法によ
れば、直径２mm、厚さ２００μｍ程度のマイクロレンズ
であっても簡易かつ短時間で精度よく造形できることが
わかった。さらに、本発明によれば、光量と硬化物の断
面パターンとの相関関係から所望の断面パターンの立体
形状を得るために必要な光量を求めることができ、さら
にかかる光量を得るための最適マスクパターンを容易に
決定できることがわかった。

【００４３】

【発明の効果】以上述べたように、本発明の光造形方法
によれば、簡易かつ短時間で精度よく光学素子等を成形
することができる。また、マスクの形状を選択すること
により、任意の大きさ、形状の造形物を得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光造形方法に用いられる装置の構成の
一例を示す概略図である。

【図２】図１に示す装置を用いて本発明の光造形方法に
より成形された光学素子の一例を示す断面図である。

【図３】実施例で使用したマスクを示す正面図である。

【図４】本発明の光造形方法により露光した場合の回転
中心からの距離と光量との関係を表すグラフである。

【図５】本発明の光造形方法により作製されたレンズの
断面パターンを示すグラフである。

【符号の説明】

１ 光源 ２ マスク ３ 光透過部 ４ 光硬化性樹脂 ５ 光硬化性樹脂槽 １０ 光学素子

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光硬化性樹脂に光を照射し硬化させるこ
   とにより立体形状を造形する光造形方法において、 前記光硬化性樹脂に照射する光の光量を選択的に調節す
   ることにより前記立体形状の断面パターンを制御するこ
   とを特徴とする光造形方法。
2. 【請求項２】 前記光量の調節は前記光硬化性樹脂と光
   源との間に配置されるマスクにより行われる請求項１に
   記載の光造形方法。
3. 【請求項３】 前記光硬化性樹脂に光を照射する際、前
   記光硬化性樹脂および前記マスクのうち少なくとも一方
   を回転または回動させる請求項１または２に記載の光造
   形方法。
4. 【請求項４】 前記光硬化性樹脂および前記マスクのう
   ち少なくとも一方を照射光の進行方向と平行な回転軸を
   中心として回転または回動させる請求項３に記載の光造
   形方法。
5. 【請求項５】 前記光硬化性樹脂の硬化物は光学素子で
   ある請求項１ないし４のいずれかに記載の光造形方法。