JP2002316363A

JP2002316363A - 光造形装置及び露光ユニット

Info

Publication number: JP2002316363A
Application number: JP2001274360A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Nagano; 和彦永野; Yoji Okazaki; 洋二岡崎
Original assignee: Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Holdings Corp
Priority date: 2001-02-16
Filing date: 2001-09-10
Publication date: 2002-10-29
Also published as: US20020164069A1

Abstract

(57)【要約】【課題】高速且つ高精細な造形を可能とする光造形装置
を提供する。【解決手段】ＸＹ位置決め機構２０により露光ユニット
１８の第１の位置が決定されると、第１の位置に応じた
所定面積の領域１６の画像データに応じて、ＤＭＤ２８
のマイクロミラー４０がオンオフ制御され、光源２２か
ら光ビームが出射された光ビーム１４が光ファイバ２４
及びホモジナイザ光学系２６を介してＤＭＤ２８へ入射
されて、画像データに応じて各画素毎に変調される。反
射ミラー３２の方向に反射された光ビーム１４は、集光
レンズ３０により集光され、反射ミラー３２により光硬
化性樹脂１２表面の方向に反射され、光硬化性樹脂１２
表面の所定面積の領域１６内が光ビーム１４で露光され
て、露光された部分が硬化する。同様にして、露光ユニ
ット１８の移動と露光とを繰り返すことにより、光硬化
性樹脂１２の表面全体を露光する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光造形装置及び露
光ユニットに係り、詳しくは、光硬化性樹脂を光ビーム
で露光して３次元モデルを造形する光造形装置、及びこ
の光造形装置に好適に使用することができる露光ユニッ
トに関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】近年、
３次元ＣＡＤ（Computer Aided Design）システムの普
及に伴い、３次元ＣＡＤによりコンピュータ上の仮想空
間に作成された３次元形状を、ＣＡＤデータに基づき光
硬化性樹脂を光ビームで露光して３次元モデルを造形す
る光造形システムが利用されている。この光造形システ
ムでは、コンピュータ上でＣＡＤデータを所定間隔でス
ライスして複数の断面データを作成し、各断面データに
基づいて液状の光硬化性樹脂の表面をレーザ光で走査し
て層状に硬化させ、樹脂硬化層を順次積層して３次元モ
デルを造形する。光造形方法としては、上方開放型の槽
内に液状の光硬化性樹脂を貯留しておき、光硬化性樹脂
の液面近くに配置した造形テーブルを樹脂の自由液面か
ら順次沈下させながら樹脂硬化層を積層する自由液面法
が広く知られている。

【０００３】従来、この光造形システムに使用される光
造形装置には、「丸谷洋二：光造形システムの基礎・現
状・問題点、型技術、第７巻第１０号、ｐｐ１８−２
３，１９９２」に示されるように、レーザプロッタ方式
により走査を行うものと可動ミラー方式により走査を行
うものとがあった。

【０００４】レーザプロッタ方式による光造形装置を図
３２に示す。この装置では、レーザ光源２５０から発振
されたレーザ光は、シャッタ２５２を備えた光ファイバ
２５４を通ってＸＹプロッタ２５６に到達し、ＸＹプロ
ッタ２５６から容器２６０内の光硬化性樹脂２６２の液
面２６６に照射される。また、Ｘ位置決め機構２５８ａ
とＹ位置決め機構２５８ｂとを備えたＸＹ位置決め機構
２５８により、ＸＹプロッタ２５６のＸ方向、Ｙ方向の
位置が制御される。従って、ＸＹプロッタ２５６をＸ方
向、Ｙ方向に移動させながら、シャッタ２５２によりＸ
Ｙプロッタ２５６から照射されるレーザ光を断面データ
に応じてオンオフ制御することで、液面２６６の所定部
分の光硬化性樹脂２６２を硬化させることができる。

【０００５】しかしながら、レーザプロッタ方式による
光造形装置では、シャッタ速度やプロッタの移動速度に
は限界があり、造形に長時間を要する、という問題があ
る。

【０００６】次に、従来のガルバノメータ・ミラーを用
いた可動ミラー方式による光造形装置を図３３に示す。
この装置では、レーザ光２７０は、Ｘ軸回転ミラー２７
２、Ｙ軸回転ミラー２７４に反射されて光硬化性樹脂２
６２に照射される。Ｘ軸回転ミラー２７２はＺ軸を回転
軸として回転することで照射位置のＸ方向の位置を、Ｙ
軸回転ミラー２７４はＸ軸を回転軸として回転すること
で照射位置のＹ方向の位置を制御する。この可動ミラー
方式では、レーザプロッタ方式に比べ走査速度を上げる
ことができる。

【０００７】しかしながら、可動ミラー方式による光造
形装置においても、微小なレーザスポットで走査するた
めに、例えば２〜１２ｍ／ｓの高速走査を行っても、１
０センチメートル立方程度の３次元モデルの造形に８〜
２４時間もの時間を要する等、造形に長時間を要してい
る。また、レーザ光２７０は、Ｙ軸回転ミラー２７４に
所定範囲の角度で入射した場合にしか反射されないため
照射領域が限定される。そこで、照射領域を広げるため
にＹ軸回転ミラー２７４を光硬化性樹脂２６２から離れ
た高い位置に配置すると、レーザスポットの径が大きく
なって位置決め精度が悪くなり、造形精度が低下する、
という問題がある。また、Ｙ軸回転ミラー２７４の回転
角度を大きくした場合にも、照射範囲は拡大するが、同
様に位置決め精度が悪くなり、ピン・クッション・エラ
ーが増加する。更に、ガルバノメータ・ミラーを用いた
光造形装置には、歪み補正や光軸調整などの光学系の調
整が複雑である、光学系が複雑で装置全体が大型化す
る、といった問題もある。

【０００８】また、いずれの方式による光造形装置にお
いても、レーザ光源としては高出力の紫外線レーザ光源
が使用され、従来はアルゴンレーザ等のガスレーザまた
はＴＨＧ（第３高調波）による固体レーザが一般的であ
ったが、ガスレーザはガスの充填等のメンテナンスが面
倒であることに加え、高価であり光造形装置の価格を引
き上げ、冷却用チラー等の付帯設備が必要で装置全体が
大型化する。ＴＨＧ固体レーザにおいては、Ｑスイッチ
のパルス動作であり、繰り返しスピードが遅く、高速露
光には不適切であった。また、ＴＨＧ光を用いるために
波長変換効率が悪く高出力化できないことに加え、励起
半導体レーザとして高出力のものを用いなければなら
ず、非常にコストの高いものであった。

【０００９】この問題に鑑み、特開平１１−１３８６４
５号公報には、単一のピクセルより大きなサイズのスポ
ットで露光領域を照射することができる光源を複数備
え、複数の光源によりピクセルを多重露光する光造形装
置が提案されている。この装置では、複数の光源により
ピクセルを多重露光するので、個々の光源の出力は小さ
くてもよいため、安価な発光ダイオード（ＬＥＤ）を光
源として使用することができる。

【００１０】しかしながら、特開平１１−１３８６４５
号公報に記載の光造形装置では、各光源のスポットサイ
ズは単一のピクセルより大きいため、高精細な造形には
使用できず、また、複数の光源によってピクセルを多重
露光するため動作に無駄が多く、造形に長時間を要す
る、という問題もある。また、光源の数が増えることで
露光部が大型化する、という問題もある。更に、ＬＥＤ
の出力光量で多重露光しても、充分な分解能が得られな
い虞もある。

【００１１】本発明は上記従来技術の問題点に鑑み成さ
れたものであり、本発明の目的は、高速且つ高精細な造
形を可能とする光造形装置を提供することにある。本発
明の他の目的は、従来に比べて小型化されており、露光
手段に多数配列することができる露光ユニットを提供す
ることにある。本発明の更に他の目的は、安価な光造形
装置及び露光ユニットを提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の第１の光造形装置は、光硬化性樹脂を光ビ
ームで露光して３次元モデルを造形する光造形装置であ
って、光硬化性樹脂の表面の複数画素を含む所定領域
を、光源から出射され画像データに応じて各画素毎に変
調された光ビームで露光する露光手段と、該露光手段を
光硬化性樹脂の表面に対し相対移動させる移動手段と、
を備えたことを特徴とする。

【００１３】第１の光造形装置では、露光手段が、光硬
化性樹脂の表面の複数画素を含む所定領域を、光源から
出射され画像データに応じて各画素毎に変調された光ビ
ームで露光するので、光硬化性樹脂の表面の複数画素を
含む所定領域を同時に硬化させることができ、高速造形
が可能となる。そして、移動手段がこの露光手段を光硬
化性樹脂の表面に対し相対移動させるので、露光手段に
より同時に露光される所定領域の面積を制限して、空間
分解能を向上させることができ、高精細な造形が可能と
なる。

【００１４】この場合、露光手段は、光源と、該光源か
ら出射された光ビームを画像データに応じて各画素毎に
変調する空間変調素子と、を含んで構成することができ
る。この空間変調素子は、デジタル・マイクロミラー・
デバイスで構成するのが好ましい。

【００１５】また、本発明の第２の光造形装置は、光硬
化性樹脂を光ビームで露光して３次元モデルを造形する
光造形装置であって、光硬化性樹脂の表面の複数画素を
含む所定領域を、光源から出射され画像データに応じて
各画素毎に変調された光ビームで露光する走査機能を備
えた露光手段と、該露光手段を光硬化性樹脂の表面に対
し相対移動させる移動手段と、を備えたことを特徴とす
る。

【００１６】第２の光造形装置では、露光手段が、光硬
化性樹脂の表面の複数画素を含む所定領域を、光源から
出射され画像データに応じて各画素毎に変調された光ビ
ームで露光するので、光硬化性樹脂の表面の複数画素を
含む所定領域を同時に硬化させることができ、高速造形
が可能となる。そして、露光手段が走査機能を備えてお
り、光硬化性樹脂の表面を走査すると共に、移動手段が
この露光手段を光硬化性樹脂の表面に対し相対移動させ
るので、露光手段により同時に露光される所定領域の面
積を制限して、空間分解能を向上させることができ、高
精細な造形が可能となる。

【００１７】この場合、露光手段は、光源と、該光源か
ら出射された光ビームを画像データに応じて各画素毎に
変調する空間変調素子を第１の走査方向（例えば、主走
査方向）に配列した空間変調素子アレイと、を含んで構
成することができる。この空間変調素子アレイにより、
光硬化性樹脂の表面が第１の走査方向に走査露光され
る。空間変調素子は、例えば、デジタル・マイクロミラ
ー・デバイス、または回折格子光バルブ（ＧＬＶ：Grat
ing Light Valve）で構成することができる。なお、Ｇ
ＬＶの詳細については米国特許第５３１１３６０号に記
載されている。

【００１８】更に、露光手段は、光源と、該光源から出
射された光ビームを画像データに応じて各画素毎に変調
する空間変調素子を第１の走査方向に配列した空間変調
素子アレイと、該第１の走査方向と交差する第２の走査
方向に走査する走査ミラーと、で構成することができ
る。この走査ミラー（可動ミラー、スキャナミラー）に
より、光硬化性樹脂の表面が第２の走査方向（例えば、
副走査方向）に走査露光される。また、移動手段は、露
光手段を、第１の走査方向及び第１の走査方向と交差す
る第２の走査方向に移動させる。

【００１９】上記のいずれの光造形装置においても、露
光手段を複数設け、複数の露光手段の各々を光硬化性樹
脂の表面に対し各々独立に相対移動可能とすることによ
り、更に造形の高速化を図ることができる。

【００２０】また、本発明の第３の光造形装置は、光硬
化性樹脂を光ビームで露光して３次元モデルを造形する
光造形装置であって、光硬化性樹脂の表面の複数画素を
含む所定領域を光源から出射され画像データに応じて各
画素毎に変調された光ビームで走査して露光する露光ユ
ニットを、アレイ状に複数配列した露光手段を備えたこ
とを特徴とする。

【００２１】第３の光造形装置では、露光手段にアレイ
状に配列された複数の露光ユニットの各々が、光硬化性
樹脂の表面の複数画素を含む所定領域を、光源から出射
され画像データに応じて各画素毎に変調された光ビーム
で走査して露光するので、高速且つ高精細な造形が可能
となる。

【００２２】この光造形装置においては、露光ユニット
は、光源と、該光源から出射された光ビームを集光する
集光光学系と、該集光光学系により集光された光ビーム
を画像データに応じて各画素毎に変調する偏向素子と、
を含んで構成することができる。この露光ユニットは、
画像データに応じて各画素毎に変調する偏向素子を用い
ることにより、従来の２枚組の可動ミラーを用いる場合
に比べて小型化されている。このため露光手段に多数の
露光ユニットを配列することが可能であり、更に高速且
つ高精細な造形が可能となると共に、露光ユニット当り
の露光領域が小さくなるので、ピン・クッション・エラ
ーを略解消することができる。また、この露光ユニット
は、光源、集光光学系、及び偏向素子がパッケージ内に
封止されている形態とすることができる。偏向素子とし
ては、例えば、２次元マイクロ・スキャナを用いること
ができる。

【００２３】本発明の光造形装置は、光源として、窒化
ガリウム系半導体レーザ、窒化ガリウム系半導体レーザ
で固体レーザ結晶を励起して得られたレーザビームを光
波長変換素子で波長変換して出射する半導体レーザ励起
固体レーザ、赤外領域の光を出射する半導体レーザでフ
ァイバを励起して得られたレーザビームを光波長変換素
子で波長変換して出射するファイバレーザまたはファイ
バアンプ、及び窒化ガリウム系半導体レーザでファイバ
を励起して得られたレーザビームを光波長変換素子で波
長変換して出射するファイバレーザのいずれかを備えて
いることが好ましい。

【００２４】また、窒化ガリウム系半導体レーザをファ
イバに結合した第１のレーザ光源、複数の窒化ガリウム
系半導体レーザを合波光学系によりファイバに結合した
第２のレーザ光源、該第１のレーザ光源のファイバおよ
び第２のレーザ光源のファイバの少なくとも一方を線状
のレーザ光束が出射されるようにアレイ状に配列した線
状レーザ光源、及び該第１のレーザ光源および第２のレ
ーザ光源のファイバの少なくとも一方をスポット状のレ
ーザ光束が出射されるようにバンドル状に配列した面状
レーザ光源のいずれかのレーザ光源を用いてもよい。

【００２５】これらのレーザ光源は、従来にない数１０
ワット級の高出力レーザ光源であって、連続駆動または
パルス駆動されて、紫外を含む所定波長領域（３５０ｎ
ｍ〜４２０ｎｍ、好ましくは４０５ｎｍ）のレーザ光を
出射する。これらのレーザ光源を使用することにより、
高価なガスレーザやＴＨＧ固体レーザを使用する必要が
なくなり且つ従来にない高出力が実現できるので、従来
にない１０倍以上の高速且つ高精細で安価な光造形装置
及び露光ユニットを提供することができる。

【００２６】上記の光造形装置において、光源から出射
されるパルス駆動された光ビームで光硬化性樹脂の表面
を露光することにより、照射した光による熱の拡散が防
止され、更に高速且つ高精細な露光が可能となる。した
がって、パルス駆動されたレーザ光のパルス幅は短い方
がよく、好ましくは、１ｐｓｅｃ〜１００ｎｓｅｃ、よ
り好ましくは、１ｐｓｅｃ〜３００ｐｓｅｃが適してい
る。以上に述べたレーザ光源は従来にない高出力化がで
きるだけでなく、ピコ秒オーダーの短パルス発振も可能
であり、高速且つ高精細な露光が可能となる。紫外を含
む所定波長域としては、３５０ｎｍ〜４２０ｎｍが好ま
しく、低コストな窒化ガリウム系半導体レーザを用いる
という点では、最も高出力化が期待できる４０５ｎｍが
より好ましい。

【００２７】具体的には、下記のレーザ光源を用いるこ
とができる。

【００２８】（１）窒化ガリウム系半導体レーザ。例え
ば、ブロードエリア発光領域を有する窒化ガリウム系半
導体レーザ、１０ｍｍ長バー型構造半導体レーザ、複数
の発光点を有する窒化ガリウム系半導体レーザチップに
よる半導体レーザでもよい。また、複数の発光点を有す
る窒化ガリウム系半導体レーザチップを複数実装するこ
とにより構成される特願２００１−２７３８４９号に開
示されているアレイ型半導体レーザであれば、より高出
力を得ることができる。

【００２９】（２）窒化ガリウム系半導体レーザで固体
レーザ結晶を励起して得られたレーザビームを光波長変
換素子で波長変換して出射する半導体レーザ励起固体レ
ーザ。例えば、希土類元素イオンとして少なくともＰｒ
³⁺が添加された固体レーザ結晶、該固体レーザ結晶を励
起するレーザビームを出射する窒化ガリウム系半導体レ
ーザ、及び前記固体レーザ結晶を励起して得られたレー
ザビームを紫外領域の光に波長変換する光波長変換素子
を備えた半導体レーザ励起固体レーザである。

【００３０】Ｐｒ³⁺が添加された固体レーザ結晶は、Ｇ
ａＮ系半導体レーザにより励起されて、７００〜８００
ｎｍの波長帯で効率良く発振する。つまり、例えば³Ｐ₀
→³Ｆ₄の遷移によって、Ｐｒ³⁺の発振ラインである波長
７２０ｎｍの赤外域の固体レーザビームを効率良く発振
させるので、この固体レーザビームを光波長変換素子に
より第２高調波に波長変換すれば、波長３６０ｎｍの高
強度の紫外光を得ることができる。また、第３高調波を
発生させる場合のように構成が複雑化することがなく、
低コストの半導体レーザ励起固体レーザが実現される。
また、連続動作で容易に高効率の波長変換を行なうこと
ができ、高出力特性が得ることができる。

【００３１】（３）窒化ガリウム系半導体レーザでファ
イバを励起して得られたレーザビームを光波長変換素子
で波長変換して出射するファイバレーザ。例えば、Ｅｒ
³⁺、Ｈｏ³⁺、Ｄｙ³⁺、Ｅｕ³⁺、Ｓｎ³⁺、Ｓｍ³⁺、及びＮ
ｄ³⁺のうちの少なくとも１つとＰｒ³⁺とが共ドープされ
たコアを持つファイバ、該ファイバを励起するレーザビ
ームを出射する窒化ガリウム系半導体レーザ、及び前記
ファイバを励起して得られたレーザビームを紫外領域の
光に波長変換する光波長変換素子を備えたファイバレー
ザである。

【００３２】Ｅｒ³⁺、Ｈｏ³⁺、Ｄｙ³⁺、Ｅｕ³⁺、Ｓ
ｎ³⁺、Ｓｍ³⁺、及びＮｄ³⁺は、波長３８０〜４３０ｎｍ
に吸収帯があり、ＧａＮ系半導体レーザによって励起さ
れ得る。そして、励起された電子をＰｒ³⁺の励起準位
（例えば³Ｐ₀→³Ｐ₁）にエネルギー移動し、下準位に落
とすことにより、Ｐｒ³⁺の発振ラインである青、緑、赤
色領域の発振が可能となる。波長３８０〜４３０ｎｍは
ＧａＮ系半導体レーザが比較的発振しやすい波長帯であ
り、特に波長４００〜４１０ｎｍは、現在提供されてい
るＧａＮ系半導体レーザの最大出力が得られる波長帯で
あるので、Ｅｒ³⁺、Ｈｏ³⁺、Ｄｙ³⁺、Ｅｕ³⁺、Ｓｎ³⁺、
Ｓｍ³⁺、及びＮｄ³⁺をＧａＮ系半導体レーザによって励
起すれば、励起光の吸収量が大きくなり、高効率化およ
び高出力化が達成される。また、光学部品が少なくて簡
潔な構成となり、損失が低減され、温度安定領域も広く
なる。

【００３３】なお、励起光源であるＧａＮ系半導体レー
ザとしては、単一縦、横モード型のものを使用できるこ
とは勿論、その他ブロードエリア型、マルチアレイ型、
フェーズドアレー型、ＭＯＰＡ型、あるいはＧａＮ系半
導体レーザを合波し、ファイバへ結合したファイバ型の
高出力タイプのものを１個または複数個使用することも
できる。また、ファイバレーザを励起光源とすることも
できる。このように高出力な励起光源を用いることによ
り、更なる高出力、例えばＷ（ワット）クラスの高出力
を得ることも可能である。また、（２）、（３）で述べ
た発光スペクトルの広いＰｒ³⁺を用いたレーザは、モー
ドロックにより容易にｐｓｅｃパルス駆動ができ、高繰
り返し動作も可能になる。さらに、ｐｓｅｃ発振のた
め、高効率波長変換ができる。

【００３４】（４）赤外領域の光を出射する半導体レー
ザでファイバを励起して得られたレーザビームを光波長
変換素子で波長変換して出射するファイバレーザまたは
ファイバアンプ。例えば、Ｎｄ³⁺ドープ、Ｙｂ³⁺ドー
プ、またはＥｒ³⁺とＹｂ³⁺とが共ドープされたコアを持
つファイバ、該ファイバを励起する赤外領域のレーザビ
ームを出射する半導体レーザ、及び前記ファイバを励起
して得られたレーザビームを紫外領域の光に波長変換す
る光波長変換素子を備えたファイバレーザまたはファイ
バアンプである。光波長変換素子としては、ＴＨＧ（第
３高調波発生）素子、ＦＨＧ（第４高調波発生）素子を
用いることができる。

【００３５】ファイバレーザを用いることで、従来の固
体レーザに対して、励起光と発振ビームとのモードマッ
チングを向上させることができるので、高効率化するこ
とが可能になる。また、ファイバレーザ方式の場合にお
いては、モードロック機構を従来の固体レーザに対して
安定且つ低コストに構成することが可能であり、上記フ
ァイバレーザの発振スペクトルがブロードな希土類元素
を用いることで、短パルス駆動（ｐｓｅｃ）及び高繰り
返し動作（１００ＭＨｚ）が可能になる。その結果、波
長変換によるＴＨＧ光、ＦＨＧ光を高効率にて得ること
が可能になる。

【００３６】また、ファイバアンプの場合においても、
種光源に高繰り返し及び短パルス化が可能なＬＤ光を用
いることによって、ファイバアンプにより高出力化する
ことが可能になり、且つ波長変換によるＴＨＧ光、ＦＨ
Ｇ光を高効率にて得ることが可能になる。以上のことか
ら、従来の固体レーザに対して高出力且つ高繰り返しの
紫外レーザ光を得ることが可能となる。その結果、高速
露光に適した低コストな光源となる。

【００３７】（５）窒化ガリウム系半導体レーザをファ
イバへ合波したレーザ。例えば、特願２００１−２７３
８７０号及び特願２００１−２７３８７１号で開示され
ているように、複数の窒化ガリウム系半導体レーザを合
波光学系で合波結合することにより、ファイバから高出
力を得ることができる。複数のビームを出射する半導体
レーザチップによる半導体レーザを集光光学系によりフ
ァイバに合波したレーザでもよい。また、ブロードエリ
ア発光領域を有する窒化ガリウム系半導体レーザビーム
をファイバに合波してもよい。これらのファイバをアレ
イ状に配置して線状光源とすること、またはバンドル状
に配置して面状光源とすることにより、さらにを高出力
を得ることができる。

【００３８】（６）また、光源は、複数のレーザ光源、
及び該複数のレーザ光源から出射されたレーサビームを
合波する合波光学系を含んで構成されていてもよく、レ
ーザ光源としては、上記（１）〜（５）のレーザ光源を
用いることができる。合波光学系を用いて複数のレーザ
光源から出射されたレーザビームを合波することによ
り、光源の高出力化を図ることができる。

【００３９】特に、窒化ガリウム系半導体レーザは、半
導体レーザであるため、低コストなシステムを構成する
ことが可能である。また、窒化ガリウム系半導体レーザ
は、転移の移動度が非常に小さく、熱伝導係数が非常に
大きいため、赤外波長領域の光源に比べ非常に高いＣＯ
Ｄ（Catastrophic Optical Damage）値を有している。
さらに、半導体レーザであるため、短周期で高いピーク
パワーを有するパルスによる繰り返し動作が可能であ
り、これにより、高速かつ高精細な露光を行うことがで
きる。したがって、窒化ガリウム系半導体レーザを光源
に使用することで、安価かつ高速・高精細な露光装置を
提供することができる。

【００４０】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、本発明の
実施の形態について詳細に説明する。（第１の実施の形態）本発明の第１の実施の形態に係る
光造形装置は、図１に示すように、上方に開口した容器
１０を備えており、容器１０内には液状の光硬化性樹脂
１２が収容されている。容器１０に収容された光硬化性
樹脂１２の表面上方には、樹脂表面の複数画素を含む所
定面積の領域１６を光ビーム１４で露光する露光ユニッ
ト１８が配置されている。露光ユニット１８は、ＸＹ位
置決め機構２０により、樹脂表面に対して水平方向（Ｘ
Ｙ方向）に移動可能とされている。

【００４１】ＸＹ位置決め機構２０は、露光ユニット１
８を固定する固定台２０ａ、固定台２０ａをＸ方向に移
動可能に支持する支持体２０ｂ、及び支持体２０ｂを固
定台２０ａと共にＹ方向に移動可能に支持する支持体２
０ｃから構成されている。そして、固定台２０ａが支持
体２０ｂ上をＸ方向にスライドすることにより露光ユニ
ット１８がＸ方向に移動されて、露光ユニット１８のＸ
方向の位置が決められ、支持体２０ｂが支持体２０ｃ上
をＹ方向にスライドすることにより露光ユニット１８が
Ｙ方向に移動されて、露光ユニット１８のＹ方向の位置
が決められる。固定台２０ａ及び支持体２０ｂをスライ
ドさせる機構としては、ラックアンドピニオン、ボール
ねじ等がある。

【００４２】露光ユニット１８は、図１及び図２に示す
ように、例えば、約０．５Ｗのレーザ光を出射する光源
２２から、例えば、コア径１０μｍ〜２００μｍの光フ
ァイバに結合し、この光ファイバをバンドル状に多数本
（例えば、１００本の）束ねられた光ファイバ束２４を
介して入射された５０Ｗ（＝０．５Ｗ×１００本）のレ
ーザ光１４を平行光化すると共に、その波形を整形して
光軸に垂直な面内での強度分布を矩形状に変換する整形
光学系としてのホモジナイザ光学系２６、２次元状に配
列されたマイクロミラーを備え、ホモジナイザ光学系２
６から入射された光ビームを例えば約１００万画素の画
像データに応じて各画素毎に変調するデジタル・マイク
ロミラー・デバイス（ＤＭＤ）２８、ＤＭＤ２８から入
射された光ビームを集光する集光レンズ３０、及び集光
レンズ３０を透過した光ビームを光硬化性樹脂１２の表
面の方向に反射する固定配置された反射ミラー３２を備
えている。

【００４３】なお、ＸＹ位置決め機構２０、光源２２及
びＤＭＤ２８は、これらを制御するコントローラ（図示
せず）に接続されている。

【００４４】光源２２として、例えば、特願２００１−
２７３８７０号に記載されているマルチモード窒化ガリ
ウム（ＧａＮ）系半導体レーザをファイバに合波結合し
たレーザ光源を用いることができる。この光源２２は、
図３（Ａ）に示すように、例えば８個のマルチモード窒
化ガリウム（ＧａＮ）系半導体レーザＬＤ１、ＬＤ２、
ＬＤ３、ＬＤ４、ＬＤ５、ＬＤ６、ＬＤ７およびＬＤ８
と、合波光学系３４とから構成されている。ＧａＮ系半
導体レーザＬＤ１〜ＬＤ８の発振波長は、発振可能な３
９０〜４１０ｎｍの範囲内で、高出力発振可能な波長が
選択され、例えば、３９５ｎｍ、３９６ｎｍ、３９７ｎ
ｍ、３９８ｎｍ、３９９ｎｍ、４００ｎｍ、４０１ｎ
ｍ、４０２ｎｍと１ｎｍずつ異なる波長とされている。
なお、このときの各レーザの出力は全て共通の１００ｍ
Ｗである。

【００４５】ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ８の各
々に対応して、各々から出射する発散光状態のレーザビ
ームＢ１〜Ｂ８を平行光化するコリメートレンズＣ１〜
Ｃ８が設けられている。

【００４６】合波光学系３４は、平行平板プリズム３６
と、その一方の表面３６ａに貼着された狭帯域バントパ
スフィルタＦ３、Ｆ５およびＦ７と、平行平板プリズム
３６の他方の表面３６ｂに貼着された狭帯域バンドパス
フィルタＦ２、Ｆ４、Ｆ６およびＦ８とから構成されて
いる。これらの狭帯域バントパスフィルタＦ２〜Ｆ８は
各々、平行平板プリズム３６の表面３６ａと粘着された
粘着面から入射される光を例えば反射率９８％で反射
し、且つ粘着面と反対側から入射される所定波長域の光
を例えば透過率９０％で透過するように形成されてい
る。図４には、これらの狭帯域バントパスフィルタＦ２
〜Ｆ８の透過スペクトルを、後述する狭帯域バントパス
フィルタＦ１の透過スペクトルと併せて示してある。

【００４７】ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ８の各
々は、各々から出射したレーザビームＢ１〜Ｂ８が狭帯
域バントパスフィルタＦ２〜Ｆ８に対して５°の入射角
で入射するように配設されており、各ＧａＮ系半導体レ
ーザＬＤ１〜ＬＤ８から出射した波長３９５ｎｍ、３９
６ｎｍ、３９７ｎｍ、３９８ｎｍ、３９９ｎｍ、４００
ｎｍ、４０１ｎｍ、４０２ｎｍのレーザビームＢ１〜Ｂ
８は、平行平板プリズム３６に入射した後、狭帯域バン
トパスフィルタＦ２〜Ｆ８で反射されながら１本に合波
され、波長多重された高出力（例えば、約０．５Ｗ）の
レーザビームＢが平行平板プリズム３６から出射し、レ
ンズＣ９によって集光され、コア径約１０μｍ、ＮＡ＝
０．３のマルチモードファイバ３７に結合される。この
マルチモードファイバ３７を図３（Ｂ）に示すように、
入射端面がバンドル状になるように配列し、例えば、１
００本バンドル化することで５０Ｗの面状ビームを得
る。

【００４８】ＤＭＤ２８は、図５（Ｃ）に示すように、
ＳＲＡＭセル（メモリセル）３８上に、微小ミラー（マ
イクロミラー）４０が支柱により支持されて配置された
ものであり、多数の（数１０万個から数１００万個）の
微小ミラーであるピクセルを格子状に配列して構成され
たミラーデバイスである。各ピクセルには、最上部に支
柱に支えられたマイクロミラー４０が設けられており、
マイクロミラー４０の表面にはアルミニウムが蒸着され
ている。なお、マイクロミラー４０の反射率は９０％以
上である。また、マイクロミラー４０の直下には、ヒン
ジ及びヨークを含む支柱を介して通常の半導体メモリの
製造ラインで製造されるシリコンゲートのＣＭＯＳのＳ
ＲＡＭセル３８が配置されており、全体はモノリシック
（一体型）に構成されている。

【００４９】ＤＭＤ２８のＳＲＡＭセル３８にデジタル
信号が書き込まれると、支柱に支えられたマイクロミラ
ー４０が、対角線を中心としてＤＭＤ２８が配置された
基板側に対して±α度（例えば±１０度）の範囲で傾け
られる。図６（Ａ）は、マイクロミラー４０がオン状態
である＋α度に傾いた状態を示し、図６（Ｂ）は、マイ
クロミラー４０がオフ状態である−α度に傾いた状態を
示す。従って、画像信号に応じて、ＤＭＤ２８の各ピク
セルにおけるマイクロミラー４０の傾きを、図５（Ｃ）
に示すように制御することによって、ＤＭＤ２８に入射
された光はそれぞれのマイクロミラー４０の傾き方向へ
反射される。なお、図５（Ｃ）には、ＤＭＤ２８の一部
を拡大し、マイクロミラー４０が＋α度又は−α度に制
御されている状態の一例を示す。それぞれのマイクロミ
ラー４０のオンオフ制御は、ＤＭＤ２８に接続されたコ
ントローラ（図示せず）によって行われる。なお、オフ
状態のマイクロミラー４０により光ビームが反射される
方向には、光吸収体（図示せず）が配置されている。

【００５０】次に、以上説明した光造形装置の動作につ
いて図１を参照して説明する。コントローラ（図示せ
ず）によりＸＹ位置決め機構２０が駆動されて、露光ユ
ニット１８がＸ方向及びＹ方向に移動されて、露光ユニ
ット１８のＸ方向及びＹ方向の第１の位置が決定され
る。露光ユニット１８の第１の位置が決定されると、光
源２２から光ビームが出射され、露光ユニット１８の第
１の位置に応じた所定面積の領域１６の画像データがＤ
ＭＤ２８のコントローラ（図示せず）に送信される。Ｄ
ＭＤ２８のマイクロミラー４０は、受信した画像データ
に応じてオンオフ制御される。

【００５１】光源２２から出射された光ビーム１４は、
光ファイバ２４を介してホモジナイザ光学系２６に入射
され、ホモジナイザ光学系２６により平行光化されると
共に、その波形が整形され光軸に垂直な面内での強度分
布が矩形状に変換されて、ＤＭＤ２８へ入射される。ホ
モジナイザ光学系２６から入射された光ビーム１４は、
図５（Ｃ）、図６において、ＤＭＤ２８のマイクロミラ
ー４０がオン状態の場合には反射ミラー３２の方向に、
マイクロミラー４０がオフ状態の場合には光吸収体（図
示せず）の方向にそれぞれ反射される。即ち、ＤＭＤ２
８へ入射された光ビーム１４は、画像データに応じて各
画素毎に変調される。反射ミラー３２の方向に反射され
た光ビーム１４は、集光レンズ３０により集光され、集
光された光ビーム１４が反射ミラー３２により光硬化性
樹脂１２の表面の方向に反射される。これにより、光硬
化性樹脂１２表面の所定面積の領域１６内が光ビーム１
４で露光され、領域１６内の光ビーム１４で露光された
部分が硬化する。

【００５２】第１の位置での所定面積の領域１６の露光
が完了すると、ＸＹ位置決め機構２０により、露光ユニ
ット１８がＸ方向、Ｙ方向に移動されて、露光ユニット
１８のＸ方向及びＹ方向の第２の位置が決定され、上記
と同様にして、第２の位置に対応する所定面積の領域１
６が露光される。このように、露光ユニット１８の移動
と露光とを繰り返すことにより、光硬化性樹脂１２の表
面全体を露光することができる。

【００５３】例えば、光硬化性樹脂１２の表面上での光
ビームのスポット径を５０μｍとすると、１００万（１
０００×１０００）画素のＤＭＤ２８を備えた露光ユニ
ット１８を用いた場合には、面積５０ｍｍ×５０ｍｍの
領域１６を同時に露光することができる。この場合、光
硬化性樹脂１２表面の露光総面積が５００ｍｍ×５００
ｍｍであるとすると、露光ユニット１８の位置をずらし
ながら１００回に分けて露光することにより、表面全体
を露光することができる。

【００５４】以上の通り、本実施の形態に係る光造形装
置では、露光ユニットはＤＭＤを備えているので、所定
面積の領域を同時に露光することができ、高速での造形
が可能となる。また、露光ユニットはＸＹ位置決め機構
により移動可能とされており、露光ユニットの位置をず
らしながら複数回に分けて全体を露光することができる
ので、１つの露光ユニットで同時に露光する領域の面積
を制限して、空間分解能を向上させることができ、高精
細な造形が可能となる。

【００５５】また、複数のＧａＮ系半導体レーザと合波
光学系とから構成された光源は、高出力が得られると同
時に低コストであり、光造形装置全体の製造コストも低
減することができる。特に、アルゴンレーザ等のガスレ
ーザや固体レーザを使用している従来の光造形装置と比
較した場合には、安価で、メンテナンスが容易となり、
装置全体が小型化する、という利点がある。

【００５６】また、露光ユニットの外に光源を配置し、
露光ユニットと光源とを光ファイバで結合したことによ
り、露光ユニットを軽量化することができ、ＸＹ位置決
め機構に掛かる負荷が軽減されて、露光ユニットを高速
移動させることができる。

【００５７】なお、上記では、光源を複数のＧａＮ系半
導体をファイバに合波結合したレーザ光源とする例につ
いて説明したが、光源を以下の（１）〜（６）のいずれ
かで構成してもよい。（１）図７に示される、窒化ガリウム系半導体レーザ。
好ましくは、図１９及び図２０に示される複数の窒化ガ
リウム系半導体レーザより構成されるアレイ型半導体レ
ーザ。（２）図８に示される、窒化ガリウム系半導体レーザで
固体レーザ結晶を励起して得られたレーザビームを光波
長変換素子で波長変換して出射する半導体レーザ励起固
体レーザ。（３）図９に示される、窒化ガリウム系半導体レーザで
ファイバを励起して得られたレーザビームを光波長変換
素子で波長変換して出射するファイバレーザ。（４）図１０に示される、赤外領域の光を出射する半導
体レーザでファイバを励起して得られたレーザビームを
光波長変換素子で波長変換して出射するファイバレーザ
またはファイバアンプ。（５）窒化ガリウム系半導体レーザをファイバに結合し
たレーザ光源、複数の窒化ガリウム系半導体レーザを合
波光学系によりファイバに結合したレーザ光源、図１８
に示される以上のレーザ光源のファイバを線状のレーザ
光束が出射されるようにアレイ状に配列した線状レーザ
光源、及び以上のレーザ光源のファイバをスポット状の
レーザ光束が出射されるようにバンドル状に配列した面
状レーザ光源。（６）上記（１）〜（５）のいずれかのレーザ光源と合
波光学系とで構成されたレーザ光源。

【００５８】図７に、上記（１）のブロードエリアの発
光領域を有するＧａＮ系半導体レーザの積層構造の一例
を示す。この積層構造のＧａＮ系半導体レーザでは、ｎ
型ＧａＮ（０００１）基板１００上には、ｎ型Ｇａ_1-z1
Ａｌ_z1Ｎ／ＧａＮ超格子クラッド層１０２（０．０５＜
ｚ１＜１）、ｎ型またはｉ型ＧａＮ光導波層１０４、Ｉ
ｎ_1-z2Ｇａ_z2Ｎ（Ｓｉドープ）／Ｉｎ_1-z3Ｇａ_z3Ｎ多重
量子井戸活性層１０６（０．０１＜ｚ２＜０．０５、
０．１＜ｚ３＜０．３）、ｐ型Ｇａ_0.8Ａ１_0.2Ｎキャリ
アブロッキング層１０８、ｎ型またはｉ型ＧａＮ光導波
層１１０、ｐ型Ｇａ_1-z1Ａｌ_z1Ｎ／ＧａＮ超格子クラッ
ド層１１２、及びｐ型ＧａＮコンタクト層１１４が順次
積層されている。ｐ型ＧａＮコンタクト層１１４上に
は、幅５０μｍ程度のストライプ領域を除いて絶縁膜１
１６が形成され、ストライプ領域にはｐ側電極１１８が
形成されている。また、ｎ型ＧａＮ（０００１）基板１
００の裏面には、ｎ側電極１２０が形成されている。な
お、この半導体レーザの発振波長帯は４４０ｎｍであ
り、発光領域幅が５０μｍであるので、得られる出力は
１Ｗ程度であり、電気−光変効率は１５％である。この
半導体レーザをコア径５００μｍのファイバに１０素子
からのレーザ光を入力し、１０Ｗ出力のファイバ励起モ
ジュール１２２を得る。

【００５９】図８に、上記（２）の窒化ガリウム系半導
体レーザで固体レーザ結晶を励起して得られたレーザビ
ームを光波長変換素子で波長変換して出射する半導体レ
ーザ励起固体レーザの一例を示す。この半導体レーザ励
起固体レーザは、励起光としてのレーザビーム１２１を
発する励起モジュール１２２、入射端が励起モジュール
１２２に光結合されたファイバＦ、ファイバＦから出射
された発散光である上記レーザビーム１２１を集光する
集光レンズ１２４、Ｐｒ³⁺がドープされた固体レーザ媒
質であるＬｉＹＦ₄結晶（以下、Ｐｒ：ＹＬＦ結晶と称
する）１２６、このＰｒ：ＹＬＦ結晶１２６の光出射側
に配置された共振器ミラー１２８、Ｐｒ：ＹＬＦ結晶１
２６と共振器ミラー１２８との間に配置された光波長変
換素子１３０、及びエタロン１３２を備えている。

【００６０】光波長変換素子１３０は、非線形光学材料
である、ＭｇＯがドープされたＬｉＮｂＯ₃結晶に周期
ドメイン反転構造が設けられて構成されている。周期ド
メイン反転構造の周期は、例えば、基本波波長を７２０
ｎｍ、第２高調波の波長を３６０ｎｍとした場合、これ
らの波長に対して１次の周期となるように１．６５μｍ
とされている。また、波長選択素子としてのエタロン１
３２は、固体レーザを単一縦モード発振させて低ノイズ
化を実現する。

【００６１】半導体レーザ１２２としては、例えば、Ｉ
ｎＧａＮ活性層を有し、波長４５０ｎｍで発振するブロ
ードエリア型のものを用いることができる。また、Ｐ
ｒ：ＹＬＦ結晶１２６の光入射側の端面１２６ａには、
波長４５０ｎｍの光は８０％以上の透過率で良好に透過
させる一方、Ｐｒ³⁺の１つの発振線である波長７２０ｎ
ｍに対して高反射率で、７２０ｎｍ以外のＰｒ³⁺の発振
線４００〜６５０ｎｍおよび８００ｎｍ以上に対しては
低反射率のコーティングが施されている。また、Ｐｒ：
ＹＬＦ結晶１２６の光出射側の端面１２６ｂには、波長
７２０ｎｍに対して低反射率で、その第２高調波波長３
６０ｎｍに対しては高反射率のコーティングが施されて
いる。一方、共振器ミラー１２８のミラー面１２８ａに
は、波長７２０ｎｍの光に対して高反射率で、波長３６
０ｎｍの光を９５％以上透過させ、上記４９０〜６５０
ｎｍおよび８００ｎｍ以上の光に対しては低反射率のコ
ーティングが施されている。

【００６２】この半導体レーザ励起固体レーザでは、半
導体レーザ１２２から出射された波長４５０ｎｍのレー
ザビーム１２１は、上記端面１２６ａを透過してＰｒ：
ＹＬＦ結晶１２６に入射する。Ｐｒ：ＹＬＦ結晶１２６
はこのレーザビーム１２１によってＰｒ³⁺が励起される
ことにより、波長７２０ｎｍの光を発する。このときの
準位は³Ｐ₀→³Ｆ₄と考えられる。そして、Ｐｒ：ＹＬＦ
結晶１２６の端面１２６ａと共振器ミラー１２８のミラ
ー面１２８ａとで構成される共振器によりレーザ発振が
引き起こされて、波長７２０ｎｍの固体レーザビーム１
２３が得られる。このレーザビーム１２３は光波長変換
素子１３０に入射して、波長が１／２すなわち３６０ｎ
ｍの第２高調波１２５に変換される。共振器ミラー１２
８のミラー面１２８ａには、前述の通りのコーティング
が施されているので、共振器ミラー１２８からは、略、
波長３６０ｎｍの第２高調波１２５のみが出射する。

【００６３】図１０に、上記（４）の赤外領域の光を出
射する半導体レーザでファイバを励起して得られたレー
ザビームを光波長変換素子で波長変換して出射するファ
イバレーザの一例を示す。このファイバレーザは、ＴＨ
Ｇ（第３高調波発生）ファイバレーザであり、波長１５
６０ｎｍのレーザビーム１３３を出射するパルス分布帰
還形半導体レーザ（パルスＤＦＢレーザ）１３４、発散
光である上記レーザビーム１３３を平行光化するコリメ
ートレンズ１３６、平行光となったレーザビーム１３３
を集光する集光レンズ１３８、コリメートレンズ１３６
と集光レンズ１３８との間に配置されたハーフミラー１
４２、Ｅｒ³⁺及びＹｂ³⁺が共ドープされたコアを持つフ
ァイバ１４０、ファイバ１４０から出射されたレーザビ
ーム１３３を集光する集光レンズ１５４、及び集光され
たレーザビーム１３３を入射させて波長変換波を得る波
長変換部１５６を備えている。

【００６４】波長変換部１５６は、入射されたレーザビ
ーム１３３を１／２の波長（７８０ｎｍ）のレーザビー
ムに変換するＳＨＧ（第２高調波発生）素子１５８、及
び入射されたレーザビーム１３３を１／４の波長（３９
０ｎｍ）のレーザビームに変換するＦＨＧ（第４高調波
発生）素子１６０から構成されている。ＳＨＧ素子１５
６及びＴＨＧ素子１５８は、非線形光学材料である、Ｍ
ｇＯがドープされたＬｉＮｂＯ₃に周期ドメイン反転構
造が設けられて構成されたバルク型波長変換結晶であ
る。

【００６５】ハーフミラー１４２の反射光入射側には
（図中、ハーフミラー１４２の下方）には、波長９４０
ｎｍのレーザビーム１３５を出射する半導体レーザ１４
４が配置されている。ハーフミラー１４２と半導体レー
ザ１４４との間にはコリメートレンズ１４６が配置され
ている。

【００６６】図１０に示すように、ファイバ１４０にお
いて、レーザビーム１３３は、同じ波長１５６０ｎｍの
蛍光からエネルギーを受けて増幅され、ファイバ１４０
の出射端面１４０ｂから出射される。出射された波長１
５６０ｎｍのレーザビーム１３３は、集光レンズ１５４
で集光され、波長変換部１５６に入射され、入射された
レーザビーム１３３は、波長変換部１５６において、第
４高調波である波長３９０ｎｍのレーザビーム１３７に
変換されて出射される。なお、このＦＨＧファイバレー
ザでは、５Ｗの出力を得ることができる。

【００６７】なお、波長変換部を、入射されたレーザビ
ームを１／２の波長のレーザビームに変換するＳＨＧ
（第２高調波発生）素子、及び入射されたレーザビーム
を１／３の波長のレーザビームに変換するＴＨＧ（第３
高調波発生）素子から構成することにより、ＴＨＧ（第
３高調波発生）ファイバレーザとすることができる。

【００６８】また、図９に、上記（３）の窒化ガリウム
系半導体レーザを用いたファイバー入力励起モジュール
でファイバを励起して得られたレーザビームを光波長変
換素子で波長変換して出射するファイバレーザの一例を
示す。このファイバレーザは、ＳＨＧ（第２高調波発
生）ファイバレーザであり、波長４５０ｎｍのレーザビ
ーム１７３を出射するＧａＮ系半導体レーザを用いたフ
ァイバー入力励起モジュール１７４、発散光である上記
レーザビーム１７３を平行光化するコリメートレンズ１
７６、平行光となったレーザビーム１７３を集光する集
光レンズ１７８、Ｐｒ³⁺がドープされたコアを持つファ
イバ１８０、ファイバ１８０から出射された波長７２０
ｎｍのレーザビーム１８２を集光する集光レンズ１９
４、及び集光されたレーザビーム１８２を入射させて１
／２の波長（３６０ｎｍ）のレーザビーム１７７に変換
するＳＨＧ（第２高調波発生）素子１９６を備えてい
る。ＳＨＧ素子１９６は、ＭｇＯがドープされたＬｉＮ
ｂＯ₃に周期ドメイン反転構造が設けられて構成された
バルク型波長変換結晶である。ファイバ１８０の端面１
８０ａおよび１８０ｂには、以上述べた各波長の光に対
してＡＲ（無反射）となる特性のコートが施されてい
る。

【００６９】このファイバレーザでは、ＧａＮ系半導体
レーザを用いたファイバー入力励起モジュール１７４か
ら出射された波長４５０ｎｍのレーザビーム１７３は、
集光レンズ１７８により集光されて、ファイバ１８０に
入射する。入射したレーザビーム１７３により波長７２
０ｎｍの蛍光が発生し、ファイバ１８０の両端面１８０
ａ、１８０ｂ間で共振されて、波長７２０ｎｍのレーザ
ビーム１８２が出射端面１８０ｂから出射される。出射
された波長７２０ｎｍのレーザビーム１８２は、集光レ
ンズ１９４で集光され、ＳＨＧ素子１９６に入射され
る。入射されたレーザビーム１８２は、ＳＨＧ素子１９
６において、第２高調波である３６０ｎｍのレーザビー
ム１７７に変換されて出射される。

【００７０】光源として、紫外を含む所定波長領域の連
続もしくはパルス駆動されたレーザ光を使用することが
できる。パルス駆動されたレーザ光を光源として使用す
る場合には、ＣＯＤレベルの高い窒化ガリウム系半導体
レーザを駆動電流をパルス動作させパルス駆動してもよ
いし、固体レーザもしくはファイバレーザを繰り返し周
波数の高い（例えば、１００ＭＨｚ）モードロック動作
によりパルス駆動してもよい。パルス駆動されたレーザ
光を光源として使用することにより、熱拡散が防止され
るため、高速かつ高精細な造形が可能となる。したがっ
て、パルス駆動されたレーザ光のパルス幅は短い方がよ
く、好ましくは、１ｐｓｅｃ〜１００ｎｓｅｃ、より好
ましくは、１ｐｓｅｃ〜３００ｐｓｅｃが適している。
特に、１ｐｓｅｃ〜３００ｐｓｅｃのパルス幅は、ＣＯ
Ｄの高いＧａＮ−ＬＤにおいては、容易に実現でき、更
に本実施の形態で示したＰｒ³⁺，Ｅｒ³⁺，Ｙｂ³⁺等の発
光スペクトル幅の広い希土類元素を含んだ固体レーザ及
びファイバレーザをモードロック動作させることで容易
に実現できる。

【００７１】（第２の実施の形態）本発明の第２の実施
の形態に係る光造形装置は、図１１に示すように、複数
の露光ユニット及び複数の光源を備えた以外は、第１の
実施の形態に係る光造形装置と同じ構成であるため、同
一部分には同じ符号を付して説明を省略する。

【００７２】この光造形装置では、容器１０に収容され
た光硬化性樹脂１２の表面上方には、４つの露光ユニッ
ト１８₁、１８₂、１８₃、及び１８₄が配置されている。
露光ユニット１８₁〜１８₄の各々は、ＸＹ位置決め機構
２０により、樹脂表面に対して水平方向（ＸＹ方向）に
相互に独立に移動させることができる。

【００７３】ＸＹ位置決め機構２０は、露光ユニット１
８₁〜１８₄の各々を固定する固定台２０ａ₁〜２０ａ₄、
固定台２０ａ₁、２０ａ₂をＸ方向に移動可能に支持する
支持体２０ｂ₁、固定台２０ａ₃、２０ａ₄をＸ方向に移
動可能に支持する支持体２０ｂ₂、及び支持体２０ｂ₁及
び支持体２０ｂ₂を固定台２０ａ₁〜２０ａ₄と共にＹ方
向に移動可能に支持する支持体２０ｃから構成されてい
る。

【００７４】露光ユニット１８₁〜１８₄の各々は、対応
する光源２２₁〜２２₄から対応する光ファイバ２４₁〜
２４₄を介して入射された光ビーム１４₁〜１４₄を各々
平行光化すると共に、その波形を整形して光軸に垂直な
面内での強度分布を矩形状に変換する整形光学系として
のホモジナイザ光学系２６_１〜２６_４、ホモジナイザ光
学系２６₁〜２６₄の各々から入射された光ビームを画像
データに応じて各画素毎に変調するデジタル・マイクロ
ミラー・デバイス（ＤＭＤ）２８₁〜２８₄、ＤＭＤ２８
₁〜２８₄の各々から入射された光ビームを集光する集光
レンズ３０₁〜３０₄、及び集光レンズ３０₁〜３０₄の各
々を透過した光ビームを光硬化性樹脂１２の表面の方向
に反射する固定配置された反射ミラー３２₁〜３２₄を備
えている。

【００７５】なお、ＸＹ位置決め機構２０、光源２２₁
〜２２₄及びＤＭＤ２８₁〜２８₄は、これらを制御する
コントローラ（図示せず）に接続されている。

【００７６】次に、以上説明した光造形装置の動作につ
いて説明する。コントローラ（図示せず）によりＸＹ位
置決め機構２０が駆動され、露光ユニット１８₁〜１８₄
の各々がＸ方向及びＹ方向に移動されて、露光ユニット
１８₁〜１８₄各々のＸ方向及びＹ方向の第１の位置が決
定される。露光ユニット１８₁〜１８₄各々の第１の位置
が決定されると、第１の実施の形態と同様にして、光硬
化性樹脂１２表面の所定面積の領域１６₁〜１６₄内の各
々が対応する光ビーム１４₁〜１４₄で露光され、領域１
６₁〜１６₄内の光ビームで露光された部分が硬化する。

【００７７】第１の位置での所定面積の領域１６₁〜１
６₄の露光が完了すると、ＸＹ位置決め機構２０によ
り、露光ユニット１８₁〜１８₄の各々がＸ方向及びＹ方
向に移動されて、露光ユニット１８₁〜１８₄各々のＸ方
向及びＹ方向の第２の位置が決定され、上記と同様にし
て、第２の位置に対応する所定面積の領域１６₁〜１６₄
が露光される。このように、露光ユニット１８₁〜１８₄
の移動と露光とを繰り返すことにより、光硬化性樹脂１
２の表面全体を露光することができる。

【００７８】以上の通り、本実施の形態に係る光造形装
置では、ＤＭＤを備えた露光ユニットを複数備えてお
り、各々の露光ユニットについて所定面積の領域を同時
に露光することができるので、第１の実施の形態と比べ
て更に高速での造形が可能となる。例えば、４つの露光
ユニットを使用する場合には、１つの露光ユニットを使
用する場合の４倍の速度で造形を行うことができる。

【００７９】また、複数の露光ユニットにより露光を行
う場合には、露光領域を分散させて硬化させ、局部的な
硬化収縮に起因する歪みの発生を抑制することができる
外、１部の露光ユニットが故障しても他の露光ユニット
を使用して光造形を続行することができ、使用安定性に
優れている。

【００８０】なお、上記の第２の実施の形態では、露光
ユニットを４つ設ける例について説明したが、露光ユニ
ットの数は、光硬化性樹脂を収容する容器のサイズ、要
求される造形速度、造形精度等に応じて適宜決定され
る。また、第１の実施の形態と同様に、光源を前記
（１）〜（６）のいずれかで構成してもよい。

【００８１】（第３の実施の形態）本発明の第３の実施
の形態に係る光造形装置は、図１２に示すように、上方
に開口した容器１０を備えており、容器１０内には光硬
化性樹脂１２が収容されている。容器１０に収容された
光硬化性樹脂１２の表面上方には、露光ヘッド４２が固
定手段（図示せず）により固定されて配置されている。
露光ヘッド４２には、樹脂表面の複数画素を含む所定面
積の領域１６を光ビーム１４で走査して露光する多数
（図１２では、１００個）の露光ユニット１８Ａがアレ
イ状（１０列×１０行）に配列されている。

【００８２】露光ユニット１８Ａは、図１３（Ａ）及び
（Ｂ）に示すように、光源としてのＧａＮ系半導体レー
ザ４４、ＧａＮ系半導体レーザ４４から出射された光ビ
ームを集光する例えば屈折率分布型レンズで構成された
集光レンズ４６、及び集光レンズ４６により集光された
光ビームを２次元方向に反射すると共に光硬化性樹脂１
２の表面に結像させる２次元マイクロスキャナ４８を備
えている。

【００８３】ＧａＮ系半導体レーザ４４及び集光レンズ
４６は、例えば銅またはシリコンからなるマウント５
０、５２に各々保持された状態で、２次元マイクロスキ
ャナ４８と共に、共通の基板５４に取り付けられてい
る。各構成要素を固定配置した基板５４は、温度調節手
段を構成するペルチェ素子５６上に固定されて、光出射
窓５８を有するパッケージ６０内に気密封止されてい
る。パッケージ６０内にはサーミスタ（図示せず）が取
り付けられており、サーミスタが出力する温度検出信号
に基づいて温度制御回路（図示せず）によりペルチェ素
子５６の駆動が制御されて、パッケージ６０内の要素が
全て共通の所定温度に制御される。なお、図１４（Ａ）
及び（Ｂ）に示すように、ペルチェ素子５６はパッケー
ジ６０の外側に設けられていてもよい。

【００８４】２次元マイクロスキャナ４８は、基板５４
に固定された外枠６２、外枠６２に回転軸６４の周りに
回転可能に保持された内枠６６、及び内枠６６に回転軸
６８の周りに回転可能に保持された反射ミラー７０から
構成されている。この反射ミラー７０から反射された光
ビームが、樹脂表面の領域１６をＸ方向及びＹ方向に走
査するように、露光ユニット１８Ａが露光ヘッド４２に
配置されている。

【００８５】なお、各々の露光ユニット１８ＡのＧａＮ
系半導体レーザ４４及び２次元マイクロスキャナ４８
は、これらを独立に制御するコントローラ（図示せず）
に接続されている。

【００８６】次に、以上説明した光造形装置の動作につ
いて説明する。コントローラ（図示せず）により各々の
露光ユニット１８ＡのＧａＮ系半導体レーザ４４が独立
に駆動されて、ＧａＮ系半導体レーザ４４から光ビーム
が出射され、露光ユニット１８Ａの各々の配置位置に応
じた所定面積の領域１６の画像データが２次元マイクロ
スキャナ４８のコントローラ（図示せず）に送信され
る。２次元マイクロスキャナ４８では、画像データに応
じて、内枠６６に保持された反射ミラー７０が回転軸６
８の周りに回転して、Ｘ方向に光ビーム１４が走査され
ると共に、外枠６２に保持された内枠６６が反射ミラー
７０と共に回転軸６４の周りに回転して、Ｘ方向と直交
するＹ方向に光ビーム１４が走査されて、各々の露光ユ
ニット１８Ａに対応する所定面積の領域１６が露光さ
れ、結果として、光硬化性樹脂１２の表面全体が露光さ
れる。

【００８７】例えば、光硬化性樹脂１２の表面上での光
ビームのスポット径を５０μｍとすると、１００万（１
０００×１０００）画素の２次元マイクロスキャナ４８
を備えた露光ユニット１８Ａを用いた場合には、面積５
０ｍｍ×５０ｍｍの領域１６を同時に露光することがで
きる。この場合、光硬化性樹脂１２の表面の露光総面積
が５００ｍｍ×５００ｍｍであるとすると、１００個の
露光ユニット１８Ａを用いて同時に露光することによ
り、表面全体を短時間で露光することができる。即ち、
表面の全体を１００個の露光ユニット１８Ａを用いて同
時に露光する場合には、１つの露光ユニット当りの露光
領域は、表面全体を１個の露光ユニット１８Ａを用いて
露光する場合の１００分の１となり、露光時間も１／１
００に短縮される。

【００８８】以上の通り、本実施の形態に係る光造形装
置では、露光ユニットは、画像データに応じて各画素毎
に変調された光ビームで走査する２次元マイクロスキャ
ナを用いることにより、従来の２枚組の可動ミラーを用
いる場合に比べて小型化されている。このため、露光ヘ
ッドに多数の露光ユニットを配列することが可能であ
り、多数の露光ユニットで所定面積の領域を並列に走査
露光することができ、高速且つ高精細での造形が可能と
なる。また、多数の露光ユニットで全体を露光するの
で、１つの露光ユニットで走査露光する領域の面積を制
限して、ピン・クッション・エラーを、例えば１００個
の露光ユニットを用いた場合は約１／１０に低減するこ
とができる。

【００８９】また、ＧａＮ系半導体レーザで構成された
光源は、高出力が得られると同時に低コストであり、光
造形装置全体の製造コストも低減することができる。特
に、アルゴンレーザ等のガスレーザや固体レーザを使用
している従来の光造形装置と比較すると、安価で、メン
テナンスが容易となり、装置全体が小型化する、という
利点がある。

【００９０】なお、上記の第３の実施の形態では、露光
ユニットを１００個設ける例について説明したが、露光
ユニットの数は、光硬化性樹脂を収容する容器のサイ
ズ、要求される造形速度、造形精度等に応じて適宜決定
される。露光ユニットの数は、２５〜１００個の範囲が
好ましい。

【００９１】また、上記第３の実施の形態では、光源を
ＧａＮ系半導体レーザで構成する例について説明した
が、第１の実施の形態と同様に、光源を前記（１）〜
（６）のいずれかで構成してもよい。

【００９２】図１５（Ａ）及び（Ｂ）に、前記（２）の
半導体レーザ励起固体レーザを用いた場合の露光ユニッ
トの構成例を示す。第３の実施の形態の露光ユニットと
同じ構成部分に付いては同じ符号を付して説明を省略す
る。この露光ユニットでは、集光レンズ４６及び２次元
マイクロスキャナ４８の間に、Ｐｒ³⁺がドープされた固
体レーザ媒質であるＬｉＹＦ₄結晶（以下、Ｐｒ：ＹＬ
Ｆ結晶と称する）４７が配置されており、例えば銅から
なるマウント４９に保持された状態で、共通の基板５４
に取り付けられている。また、Ｐｒ：ＹＬＦ結晶４７及
び２次元マイクロスキャナ４８の間には、波長変換素子
７２、エタロン７４、及び共振器ミラー７６がマウント
（図示せず）に保持された状態でこの順に配列されてい
る。また、ペルチェ素子５６はパッケージ６０の外側に
設けられている。なお、光波長変換素子７２、半導体レ
ーザ４４、及び共振器ミラー７６の構成は、図８に示す
半導体レーザ励起固体レーザと同様である。

【００９３】この半導体レーザ励起固体レーザでは、半
導体レーザ４４から入射されたレーザビームによりＰ
ｒ：ＹＬＦ結晶４７のＰｒ³⁺が励起され、Ｐｒ：ＹＬＦ
結晶４７から所定波長のレーザビームが出射される。出
射されたレーザビームはＰｒ：ＹＬＦ結晶４７の端面と
共振器ミラー７６のミラー面とで構成される共振器によ
り共振されると共に、光波長変換素子７２により波長変
換されて、光ビーム１４が出射される。

【００９４】図１６（Ａ）及び（Ｂ）に、図９に示す、
窒化ガリウム系半導体レーザでファイバを励起して得ら
れたレーザビームを光波長変換素子で波長変換して出射
するファイバレーザを用いた場合の露光ユニットの構成
例を示す。第３の実施の形態の露光ユニットと同じ構成
部分に付いては同じ符号を付して説明を省略する。この
露光ユニットは、ファイバレーザと、ファイバレーザか
ら出射された光ビーム１７７を２次元方向に反射すると
共に光硬化性樹脂１２の表面に集光レンズ１９４を通過
した光ビームを結像させる２次元マイクロスキャナ４８
と、を備えている。

【００９５】ファイバレーザは、図９に示すように、波
長４５０ｎｍのレーザビーム１７３を出射するＧａＮ系
半導体レーザ１７４、発散光である上記レーザビーム１
７３を平行光化するコリメートレンズ１７６、平行光と
なったレーザビーム１７３を集光する集光レンズ１７
８、Ｐｒ³⁺がドープされたコアを持つファイバ１８０、
ファイバ１８０から出射された波長７２０ｎｍのレーザ
ビーム１８２を集光する集光レンズ１９４、及び集光さ
れたレーザビーム１８２を入射させて１／２の波長（３
６０ｎｍ）のレーザビーム１７７に変換するＳＨＧ（第
２高調波発生）素子１９６を備えている。

【００９６】パッケージ６０の内側には、集光レンズ１
９４及びＳＨＧ素子１９６が配置されており、集光レン
ズ１９４及びＳＨＧ素子１９６は、例えば銅からなるマ
ウント５７、５９に各々保持された状態で、２次元マイ
クロスキャナ４８と共に、共通の基板５４に取り付けら
れている。各構成要素を固定配置した基板５４は、光出
射窓５８を有するパッケージ６０内に気密封止されてい
る。ファイバ１８０の出射側の端部は、パッケージ６０
の側壁を貫通して内部に導入されて、集光レンズ５３と
光結合されている。一方、図１６においては図示は省略
するが、図９に示すその他の構成要素は、パッケージ６
０の外側に設けられている。

【００９７】（第４の実施の形態）本発明の第４の実施
の形態に係る光造形装置は、図１７に示すように、露光
ユニット１８に代えて、樹脂表面の複数画素を含む線分
１６Ｂを光ビーム１４で同時に露光する露光ユニット１
８Ｂを配置すると共に、光源２２に特願２００１−２７
３８７０号及び特願２００１−２７３８７１号において
開示されているファイバアレイを用いた以外は、第１の
実施の形態に係る光造形装置と同じ構成であるため、同
一部分には同じ符号を付して説明を省略する。

【００９８】露光ユニット１８Ｂは、図１７に示すよう
に、約５０Ｗの光源２２からアレイ状に配列された光フ
ァイバ２４を介して入射された光ビーム１４を照射する
レンズ４００、４０１、レンズ４００から入射された光
ビームを画像データに応じて各画素毎に変調するライン
状に配列された光変調アレイ素子４０２、光変調アレイ
素子４０２から入射された光ビームを集光する集光レン
ズ４０３、４０４、及び集光レンズ４０４を透過した光
ビームを光硬化性樹脂１２の表面の方向に反射する固定
配置された反射ミラー４０６を備えている。

【００９９】特願２００１−２７３８７０号及び特願２
００１−２７３８７１号において開示されている光源２
２の詳細を図１８に示す。光源２２は、多数の半導体レ
ーザチップから出射されるビームを１本のファイバに合
波する合波モジュール５２０とその合波モジュール５２
０の各々に光結合され、かつ線状のレーザ光束が出射さ
れるようにアレイ状に配列した光ファイバ２４とにより
構成される。各々の合波モジュール５２０は、図１９及
び図２０に示されるように、（例えば、銅からなる）ヒ
ートシンクブロック５１０上に配列固定された複数個
（例えば、７個）の横マルチモード窒化ガリウム系半導
体レーザ５３０と、半導体レーザ各々に対向して設けら
れたコリメータレンズ５４０と、集光レンズ５５０とか
ら構成され、一本のマルチモード光ファイバ２４に光結
合されている。

【０１００】ヒートシンクブロック５１０、半導体レー
ザ５３０、コリメータレンズ５４０、および集光レンズ
５５０は、上方が開口した箱上のパッケージ５８０内に
収容され、パッケージ５８０の開口がパッケージ蓋５８
１によって閉じられることにより、パッケージ５８０お
よびパッケージ蓋５８１が構成する閉空間内に密閉保持
される。

【０１０１】パッケージ５８０の底面にはベース板５９
０が固定され、このベース板５９０の上面に前記ヒート
シンクブロック５１０が取り付けられ、そしてこのヒー
トシンクブロック５１０にコリメータレンズ５４０を保
持するコリメータレンズホルダ５４１が固定されてい
る。さらに、ベース板５９０の上面には、集光レンズ５
５０を保持する集光レンズホルダ５５１と、マルチモー
ド光ファイバ２４の入射端部を保持するファイバホルダ
５５２が固定されている。また窒化ガリウム系半導体レ
ーザ５３０に駆動電流を供給する配線類５５５は、パッ
ケージ５８０の横壁面に形成された図示しない気密封止
材料で封止される配線類５５５を通してパッケージ外に
引き出されている。

【０１０２】コリメータレンズ５４０は、窒化ガリウム
系半導体レーザ５３０の発光点の並び方向の開口径が該
方向に直角な方向（図２０（Ｂ）の上下方向）の開口径
よりも小さく（すなわち、細長い形状で）形成されて、
上記発光点の並び方向に密接配置されている。窒化ガリ
ウム系半導体レーザ５３０としては、例えば、発光幅が
２μｍで、活性層と平行な方向、直角な方向の拡がり角
がそれぞれ１０°、３０°の状態で各々レーザビームを
発するものが用いられる。これらの窒化ガリウム系半導
体レーザ５３０は、活性層と平行な方向に発光点が１列
に並ぶように配設されている。

【０１０３】したがって、各発光点から発せられたレー
ザビームは、上述のように細長い形状とされた各コリメ
ータレンズ５４０に対して、拡がり角最大の方向が開口
径大の方向と一致し、拡がり角最小の方向が開口径小の
方向と一致する状態で入射することになる。つまり、細
長い形状とされた各コリメータレンズ５４０は、入射す
るレーザビームの楕円径の断面形状に対応して、非有効
部分を極力少なくして使用されることになる。

【０１０４】例えば、本実施の形態では、コリメータレ
ンズ５４０の水平方向および垂直方向の開口径１．１ｍ
ｍ、４．６ｍｍ、焦点距離３ｍｍ、ＮＡ０．６、コリメ
ータレンズ５４０に入射するレーザビームの水平方向お
よび垂直方向のビーム径０．９ｍｍ、２．６ｍｍが使用
できる。また、コリメータレンズ５４０はピッチ１．２
５ｍｍで配置される。

【０１０５】集光レンズ５５０は、非球面円形レンズの
光軸を含む領域を細長く切り取って、コリメータレンズ
５４０の並び方向すなわち水平方向に長く、それと直角
な方向に短い形状とされている。集光レンズ５５０は、
例えば、焦点距離１２．５ｍｍ、ＮＡ０．３であるもの
が使用できる。この集光レンズ５５０も、例えば、樹脂
あるいは光学ガラスをモールド成形することによって形
成される。

【０１０６】他方、マルチモード光ファイバ２４は、例
えば、三菱電線製のグレーデッドインデックス型を基本
としたコア中心部がグレーデットインデックス型で外周
部がステップインデックス型であるコア径２５μｍ、Ｎ
Ａ０．３、端面コートの透過率９９．５％以上のファイ
バが使用できる。すなわちコア径×ＮＡの値は７．５μ
ｍとなる。

【０１０７】レーザビームのマルチモード光ファイバ２
４への結合効率が０．９、窒化ガリウム系半導体レーザ
５３０の出力１００ｍＷ、半導体レーザ５３０の個数７
の場合、出力６３０ｍＷ（＝１００ｍＷ×０．９×７）
の合波レーザビームが得られることになる。

【０１０８】窒化ガリウム系半導体レーザ５３０は、発
振波長は４０５±１０ｎｍであり、最大出力は１００ｍ
Ｗである。これらの窒化ガリウム系半導体レーザ５３０
から発散光状態で出射したレーザビームは、各々対向す
るコリメータレンズ５４０によって平行光化される。平
行光とされたレーザビームは、集光レンズ５５０によっ
て集光され、マルチモード光ファイバ２４のコアの入射
端面上で収束する。

【０１０９】コリメータレンズ５４０および集光レンズ
５５０によって集光光学系が構成され、それとマルチモ
ード光ファイバ２４とによって合波光学系が構成されて
いる。すなわち、集光レンズ２０によって上述のように
集光されたレーザビームがこのマルチモード光ファイバ
２４のコアに入射してそこを伝搬し、１本のレーザビー
ムに合波されてマルチモード光ファイバ２４から出射す
る。なおマルチモード光ファイバ２４としては、例え
ば、ステップインデックス型のものや微小コアで高いＮ
Ａのものを使用する場合は、グレードインデックス型の
もの及びその複合型のファイバが適用可能である。

【０１１０】なお、各々の半導体レーザ５３０に対応す
る個別のコリメータレンズ５４０の代替として、半導体
レーザ５３０の個数に対応する個数のレンズ要素を有す
るコリメータレンズアレイが使用されてもよい。個別の
コリメータレンズを使用する場合もそれらを互いに密接
配置して、窒化ガリウム系半導体レーザ５３０の配置ピ
ッチを小さくし、空間利用効率を高めることができる
が、コリメータレンズアレイを用いることにより、その
効果をより一層高めることが可能である。また、そのよ
うにして空間利用効率が高められると、合波本数を増や
すことができ、更に窒化ガリウム系半導体レーザ５３
０、集光光学系およびマルチモード光ファイバ２４の組
立位置精度に比較的余裕を持たせることができるという
効果も得られる。

【０１１１】コリメータレンズアレイの各レンズ要素、
もしくは個別のコリメータレンズ５４０の焦点距離およ
び開口数をｆ_１、ＮＡ_１、集光レンズ５５０の焦点距離
をｆ _２、マルチモード光ファイバ２４の開口数をＮ
Ａ_２、空間利用効率をηとする。なお、この空間利用効
率ηは、レーザビームが使用する空間中でレーザビーム
の光路が占める空間の割合で規定されるものであり、レ
ーザビームの光路が互いに密接する状態がη＝１であ
る。

【０１１２】上記の条件下では、レンズ径の倍率ａ、す
なわち、窒化ガリウム系半導体レーザの各発光点におけ
るビームスポット径に対するマルチモードファイバ２４
のコア端面上におけるビームスポット径の比は式（１）
で与えられる。なおＮは合波本数である。

【０１１３】

【数１】

【０１１４】式（１）から明らかな通り、空間利用効率
ηがより大きいほど倍率ａは低下する。そして倍率ａが
小さいほど、窒化ガリウム系半導体レーザ、集光光学系
およびマルチモード光ファイバ２４の相対位置関係がず
れた際に、レーザビームがマルチモード光ファイバ２４
のコア端面上で動く距離が小さくなる。そこで、窒化ガ
リウム系半導体レーザ、集光光学系およびマルチモード
光ファイバ２４の組立位置精度を比較的緩くしておいて
も、レーザビームをマルチモード光ファイバ２４のコア
に正常に入射させることが可能になる。また、ηを１に
近づけるとａを低下することができ、合波本数Ｎをその
分増加させることができるので、合波本数Ｎを増加させ
ても位置ずれ許容度が大きいまま高出力化できる。

【０１１５】長尺状に構成されている光変調アレイ素子
４０２に光変調アレイ素子４０２の長さ方向に延びた線
状のレーザ光を出射するように、多数の半導体レーザチ
ップ５２０各々に対して１本ずつ設けられたファイバ２
４は光変調アレイ素子４０２の長さ方向に沿って配列さ
れてアレイ状に構成されている。

【０１１６】上述されたように、窒化ガリウム系半導体
レーザ５３０から出射されたレーザ光は、各々対応する
コリメータレンズ５４０でコリメートされた後、光ファ
イバ２４に入射される。各半導体レーザチップ５２０に
７個の半導体レーザ５３０が備えられている場合、７本
のコリメートされたレーザ光が、非球面ガラスモールド
レンズ５５０により、ファイバ２４へ光結合される。こ
のコア径２５μｍ、ＮＡ＝０．３、出力０．５Ｗのファ
イバを１００本設ければ、線状に配置されたファイバか
らは、５０Ｗ（＝０．５Ｗ×１００本）の線状の超高出
力ビームが出射される。線状ビームは照射レンズ系によ
り照射され、長尺状の光変調アレイ素子４０２に入射す
る。

【０１１７】上記記載されたファイバを並べた５０Ｗ
（＝０．５Ｗ×１００本）の線状の高出力ビームの代替
として、図２１（Ａ）に示す半導体レーザチップ５６０
を図２１（Ｂ）に示すように所定方向に沿って配列し
た、特願２００１−２７３８４９号で開示されているア
レイ型半導体レーザが使用されてもよい。光源２２は、
複数の半導体レーザチップ５６０により構成される。各
々の半導体レーザチップ５６０は、発光点５７０を複数
個有する。発光点５７０の出力が０．１Ｗ、発光点数が
５であれば、半導体レーザチップ５６０各々の出力は
０．５Ｗ（＝０．１Ｗ×５個）であり、光源２２が３４
個の半導体レーザチップ５６０により構成されていれ
ば、１７Ｗ（＝０．５Ｗ×３４個）の高出力アレイビー
ムを出射することができる。この１７Ｗのアレイビーム
を３素子並べることで、ファイバを並べたビームと同様
の５０Ｗ（１７Ｗ×３素子）級の線状の高出力ビームが
得られる。

【０１１８】露光ユニット１８Ｂは、図１７に示すよう
に、上記記載した光源２２から線状に配列された複数の
ファイバ２４を介して入射された線状光ビーム１４を、
レンズ４００、４０１で光変調素子アレイ４０２上にラ
イン状に照射し、光変調素子アレイ４０２によって画像
データに応じて各画素毎に変調されたビームをレンズ４
０３、４０４によって光硬化性樹脂１２の表面に反射ミ
ラー４０６を通してＹ軸方向にライン状に結像する。

【０１１９】次に、図２２及び図２３を参照して、光変
調アレイ素子４０２として用いるＧＬＶ素子の構成及び
動作原理を説明する。ＧＬＶ素子２０１は、例えば米国
特許第５，３１１，３６０号に開示されているように、
ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）タイプ
の空間変調素子（ＳＬＭ；Spacial Light Modulator）
であり、図２２に示すように、グレーティングを一方向
に複数配列して構成されている。

【０１２０】図２２に示すように、ＧＬＶ素子２０１の
シリコン等からなる基板２０３上には、可動格子となる
リボン状のマイクロブリッジ２０９が多数個（例えば、
６４８０個）設けられている。複数のマイクロブリッジ
２０９が平行に配列されることで複数のスリット２１１
が形成されている。マイクロブリッジ２０９は、基板２
０３から所定間隔離間されている。

【０１２１】マイクロブリッジ２０９は、図２３に示す
ように、基板２０３に対向する下面側がＳｉＮx等から
なる可撓性梁２０９ａで構成され、表面側がアルミニウ
ム（又は、金、銀、銅等）の単層金属膜からなる反射電
極膜２０９ｂで構成されている。なお、反射電極膜２０
９ｂを金、銀、銅等により形成することで、使用する光
の波長に応じて反射率をより向上させることができる。
上記基板２０３、マイクロブリッジ２０９、及び図示し
ないコントローラは可動格子移動手段に相当する。

【０１２２】このＧＬＶ素子２０１は、マイクロブリッ
ジ２０９と基板２０３との間に印加される電圧のオン／
オフで駆動制御される。マイクロブリッジ２０９と基板
２０３との間に印加する電圧をオンにすると、静電誘導
された電荷によってマイクロブリッジ２０９と基板２０
３との間に静電吸引力が発生し、マイクロブリッジ２０
９が基板２０３側に撓む。そして、印加電圧をオフにす
ると、撓みが解消し、マイクロブリッジ２０９は弾性復
帰により基板２０３から離間する。通常、１画素は複数
（例えば、６個）のマイクロブリッジ２０９で構成さ
れ、電圧を印加するマイクロブリッジ２０９を交互に配
置することで、電圧の印加により回折格子を生成し、光
の変調を行なうものである。

【０１２３】マイクロブリッジ２０９に電圧を印加しな
い場合には、マイクロブリッジ２０９の反射面の高さが
総て揃い、反射光には光路差が生じず正反射される。一
方、１つおきのマイクロブリッジ２０９に電圧を印加し
た場合には、前述した原理によりマイクロブリッジ２０
９の中央部が撓み、交互に段差のある反射面となる。こ
の反射面にレーザ光を入射すると、撓みのないマイクロ
ブリッジ２０９で反射された光には光路差が生じ、光の
回折現象が発生する。１次回折光の強度Ｉ_1stは光路差
に依存し、下記の式で表すことができる。この場合、光
路差としてλ／２となる場合に最も回折光の強度が高く
なる。

【０１２４】

【数２】

【０１２５】次に、以上説明した光造形装置の動作につ
いて説明する。コントローラ（図示せず）によりＸＹ位
置決め機構２０が駆動されて、露光ユニット１８ＢがＸ
方向及びＹ方向に移動されて、露光ユニット１８ＢのＸ
方向及びＹ方向の初期位置が決定される。露光ユニット
１８Ｂの初期位置が決定されると、光源２２から光ビー
ムが出射され、露光ユニット１８Ｂの初期位置に応じた
複数画素を含む線分１６Ｂの画像データが光変調アレイ
素子４０２のコントローラ（図示せず）に送信される。
光変調アレイ素子４０２の各ＧＬＶ素子２０１は、上記
の通り、受信した画像データに応じてオンオフ制御され
る。

【０１２６】光源２２から出射された光ビーム１４は、
光変調アレイ素子に対して平行に線状に配置された光フ
ァイバ２４、及びレンズ４００、４０１を介して、光変
調素子アレイ４０２上にライン状に照射され、光変調素
子アレイ４０２によって画像データに応じて各画素毎に
変調されたビームがレンズ４０３、４０４によって光硬
化性樹脂１２の表面に反射ミラー４０６を通してＹ軸方
向にライン状に結像される。これにより、光硬化性樹脂
表面の線分１６Ｂが線状の光ビーム１４で同時に露光さ
れ、露光された部分が硬化する。

【０１２７】初期位置での線分１６Ｂの露光が完了する
と、ＸＹ位置決め機構２０により、露光ユニット１８が
Ｘ方向に１ステップ移動されて、次の線分が露光され
る。この通りＸ方向への移動と露光とが繰り返され、光
硬化性樹脂１２の所定面積の領域が露光される。Ｘ方向
に沿って所定面積の領域の露光が完了すると、ＸＹ位置
決め機構２０により露光ユニット１８がＹ方向に１ステ
ップ移動され、Ｘ方向への移動と露光とが繰り返され
て、光硬化性樹脂１２の所定面積の領域が露光される。

【０１２８】例えば、光硬化性樹脂１２の表面上での光
ビームのスポット径（分解能）を５０μｍとすると、１
０００画素の光変調アレイ素子４０２を備えた露光ユニ
ット１８Ｂを用いた場合には、長さ５０ｍｍの線分１６
Ｂを同時に露光することができる。この場合、光硬化性
樹脂１２表面の露光総面積が５００ｍｍ×５００ｍｍで
あるとすると、露光ユニット１８Ｂの位置を移動させな
がら露光することにより、分解能を低下させることなく
表面全体を露光することができる。

【０１２９】以上の通り、本実施の形態に係る光造形装
置では、露光ユニットはＧＬＶ素子からなる光変調素子
アレイを備えているので、所定長さの線分を同時に露光
することができ、高速での造形が可能となる。また、露
光ユニットはＸＹ位置決め機構により移動可能とされて
おり、露光ユニットの位置をずらしながら複数回に分け
て全体を露光することができるので、１つの露光ユニッ
トで同時に露光する領域を制限して、空間分解能を向上
させることができ、高精細な造形が可能となる。

【０１３０】また、複数のＧａＮ系半導体レーザと合波
光学系とから構成された光源は、高出力が得られると同
時に低コストであり、光造形装置全体の製造コストも低
減することができる。特に、アルゴンレーザ等のガスレ
ーザや固体レーザを使用している従来の光造形装置と比
較した場合には、安価で、メンテナンスが容易となり、
装置全体が小型化する、という利点がある。

【０１３１】また、露光ユニットの外に光源を配置し、
露光ユニットと光源とを光ファイバで結合したことによ
り、露光ユニットを軽量化することができ、ＸＹ位置決
め機構に掛かる負荷が軽減されて、露光ユニットを高速
移動させることができる。

【０１３２】なお、光源は、第１の実施の形態と同様
に、前記（１）〜（６）のいずれかの光源で構成するこ
とができる。

【０１３３】以上に説明した第４の実施の形態では、光
変調アレイ素子にＧＬＶを用い、集光レンズを透過した
光ビームを光硬化性樹脂の表面方向に反射するミラーに
固定ミラーを用いているが、本発明はこれに限定される
ものではなく、光変調アレイ素子として図５（Ａ）また
は（Ｂ）に示されるように、マイクロミラー２４０を１
列またな複数列アレイ状に配列したＤＭＤ素子を使用し
てもよい。

【０１３４】なお、光変調アレイ素子の構成は厳密な一
次元（すなわち、一方の次元の素子の数が１個）の線状
に限定されず、一方の次元の素子の数が他方の次元の素
子の数より十分に小さい線状の構成であればよい。光変
調アレイ素子を面状あるいは線状に構成することによ
り、光硬化性樹脂の複数画素に対応する領域を一度に露
光することができるようになり、処理を高速化すること
ができる。しかしながら、光変調アレイ素子を面状に構
成すると、一度に処理される領域間の境界が線を構成す
る。これに対し、光変調アレイ素子が線状に構成されて
いれば、一度に処理される領域の境界は点となる。この
ような境界に対しては、各処理毎の整合を行うためにア
ラインメント処理が行われなければならず、境界が線と
なる場合にくらべ、点となる場合の方がアラインメント
処理の対象となる領域が減少するために処理が容易とな
る。したがって、光変調アレイ素子を面状ではなく線状
に構成することにより、露光処理を高速化することがで
き、かつ、アラインメント処理を容易に行うことができ
る。

【０１３５】第４の実施の形態では、光源として連続駆
動された窒化ガリウム系半導体レーザを使用したが、パ
ルス駆動された窒化ガリウム系半導体レーザを使用して
もよい。ＣＯＤレベルが非常に高い窒化ガリウム系半導
体レーザをパルス駆動することによって、より高速・高
精細な積層造形を得ることができる。パルス幅は、短い
方がよく、好ましくは、１ｐｓｅｃ〜１００ｎｓｅｃ、
より好ましくは、１ｐｓｅｃ〜３００ｐｓｅｃとするこ
とが好ましい。

【０１３６】また、第４の実施の形態では、図１７に示
すように、ファイバ２４をアレイ状に配設しているが、
本発明はこれに限定されず、ファイバ２４をバンドル状
に配設して面状のレーザ光を発生するようにしてもよ
い。この場合、光変調アレイ素子４０２は面状に構成さ
れているものが使用されることが好ましい。

【０１３７】また、図２４に示すように、複数の露光ユ
ニット及び複数の光源を備える構成とすることもでき
る。なお、露光ユニット１８₁〜１８₄に代えて露光ユニ
ット１８Ｂ₁〜１８Ｂ₄を配置したこと、及び図１９、図
２０に示す光源を使用したこと以外は、第２の実施の形
態と同様の構成であるため、同一部分には同じ符号を付
して説明を省略する。この光造形装置では、光変調素子
アレイを備えた露光ユニットを複数（図では４つ）備え
ており、各々の露光ユニットについて所定領域を同時に
露光することができるので、更に高速での造形が可能と
なる。例えば、４つの露光ユニットを使用する場合に
は、１つの露光ユニットを使用する場合の４倍の速度で
造形を行うことができる。また、複数の露光ユニットに
より露光を行う場合には、露光領域を分散させて硬化さ
せ、局部的な硬化収縮に起因する歪みの発生を抑制する
ことができる外、１部の露光ユニットが故障しても他の
露光ユニットを使用して光造形を続行することができ、
使用安定性に優れている。

【０１３８】（第５の実施の形態）本発明の第５の実施
の形態に係る光造形装置は、図２５に示すように、露光
ユニット１８Ｂに代えて、所定長さの線分を光ビーム１
４で同時に露光すると共に可動ミラーにより線分と直交
する方向（図では、Ｘ方向）に走査して、樹脂表面の複
数画素を含む所定面積の領域１６Ｃを光ビーム１４で露
光する露光ユニット１８Ｃを配置した以外は、第４の実
施の形態に係る光造形装置と同じ構成であるため、同一
部分には同じ符号を付して説明を省略する。

【０１３９】露光ユニット１８Ｃは、図２５に示すよう
に、上記約５０Ｗの光源２２からアレイ状に配列された
光ファイバ２４を介して入射されたライン状の光ビーム
１４を照射するレンズ４００、４０１、レンズ４００、
４０１から入射された光ビームを画像データに応じて各
画素毎に変調するライン状に配列された光変調アレイ素
子４０２、光変調アレイ素子４０２から入射された光ビ
ームを光硬化性樹脂１２の表面上に集光する集光レンズ
４０３、４０４、及び集光レンズ４０３、４０４を透過
した光ビームを光硬化性樹脂１２の表面の方向に反射す
ると共に矢印Ａ方向に回転可能に配置された可動反射ミ
ラー４０８Ｃを備えている。なお、可動反射ミラー４０
８Ｃには取り付けられた回転軸４１０は、軸受け（図示
せず）に回転可能に支持されている。

【０１４０】次に、以上説明した光造形装置の動作につ
いて説明する。第４の実施の形態と同様にして、第１の
位置での露光ユニット１８Ｃによる所定長さの線分の露
光が完了すると、ＸＹ位置決め機構２０により、露光ユ
ニット１８Ｃの可動反射ミラー４０８ＣがＸ方向に１ス
テップ回転されて、次の線分が露光される。この通りＸ
方向へのミラーの回転と露光とが繰り返され、光硬化性
樹脂１２の所定面積の領域１６Ｃが露光される。

【０１４１】第１の位置での所定面積の領域１６Ｃの露
光が完了すると、ＸＹ位置決め機構２０により、露光ユ
ニット１８ＣがＸ方向、Ｙ方向に移動されて、露光ユニ
ット１８ＣのＸ方向及びＹ方向の第２の位置が決定さ
れ、上記と同様にして、第２の位置に対応する所定面積
の領域１６Ｃが露光される。このように、露光ユニット
１８の移動と露光とを繰り返すことにより、光硬化性樹
脂１２の表面全体を露光することができる。

【０１４２】以上の通り、本実施の形態に係る光造形装
置では、露光ユニットはＧＬＶ素子からなる光変調素子
アレイを備えているので、所定長さの線分を同時に露光
することができる。また、所定長さの線分を同時に露光
すると共に、可動反射ミラーにより線分と直交する方向
に走査露光するので、第４の実施の形態と比較して、よ
り高速での造形が可能となる。また、露光ユニットはＸ
Ｙ位置決め機構により移動可能とされており、露光ユニ
ットの位置をずらしながら複数回に分けて全体を露光す
ることができるので、１つの露光ユニットで同時に露光
する領域を制限して、空間分解能を向上させることがで
き、高精細な造形が可能となる。

【０１４３】また、複数のＧａＮ系半導体レーザと合波
光学系とから構成された光源は、高出力が得られると同
時に低コストであり、光造形装置全体の製造コストも低
減することができる。特に、アルゴンレーザ等のガスレ
ーザを使用している従来の光造形装置と比較した場合に
は、安価で、メンテナンスが容易となり、装置全体が小
型化する、という利点がある。

【０１４４】また、露光ユニットの外に光源を配置し、
露光ユニットと光源とを光ファイバで結合したことによ
り、露光ユニットを軽量化することができ、ＸＹ位置決
め機構に掛かる負荷が軽減されて、露光ユニットを高速
移動させることができる。

【０１４５】なお、光源は、第１の実施の形態と同様
に、前記（１）〜（６）のいずれかの光源で構成するこ
とができる。

【０１４６】また、図２６に示すように、複数の露光ユ
ニット及び複数の光源を備える構成とすることもでき
る。なお、露光ユニット１８₁〜１８₄に代えて露光ユニ
ット１８Ｃ₁〜１８Ｃ₄を配置した以外は、第２の実施の
形態と同様の構成であるため、同一部分には同じ符号を
付して説明を省略する。この光造形装置では、光変調素
子アレイを備えた露光ユニットを複数（図では４つ）備
えており、各々の露光ユニットについて所定面積の領域
を同時に露光することができるので、更に高速での造形
が可能となる。例えば、４つの露光ユニットを使用する
場合には、１つの露光ユニットを使用する場合の４倍の
速度で造形を行うことができる。また、複数の露光ユニ
ットにより露光を行う場合には、露光領域を分散させて
硬化させ、局部的な硬化収縮に起因する歪みの発生を抑
制することができる外、１部の露光ユニットが故障して
も他の露光ユニットを使用して光造形を続行することが
でき、使用安定性に優れている。

【０１４７】上記の第１、２、４、及び第５の実施の形
態では、ＸＹ位置決め機構により露光ユニットをＸ方
向、Ｙ方向に移動させる例について説明したが、光硬化
性樹脂を収納した容器を露光ユニットに対して移動させ
てもよい。

【０１４８】また、上記の第１〜第５の実施の形態にお
いて、露光ユニットから照射される光ビームのスポット
径及び出力光量を適宜変更することができる。例えば、
低出力光量で露光することにより高精細な造形を行うこ
ともできるし、高出力光量で露光することにより高速造
形を行うこともできる。

【０１４９】上記の第４及び第５の実施の形態では、Ｍ
ＥＭＳ（Micro Electro MechanicalSystems）タイプの
空間変調素子（ＳＬＭ；Spacial Light Modulator）の
１種である反射回折格子型のＧＬＶ（Grating Light Va
lve）素子をアレイ化した光変調アレイ素子を用いて光
ビームを変調する例について説明したが、他の変調手段
により光ビームを変調するこもできる。なお、ＭＥＭＳ
とは、ＩＣ製造プロセスを基盤としたマイクロマシニン
グ技術によるマイクロサイズのセンサ、アクチュエー
タ、そして制御回路を集積化した微細システムの総称で
あり、ＭＥＭＳタイプの空間変調素子とは、静電気力を
利用した電気機械動作により駆動される空間変調素子を
意味している。

【０１５０】例えば、レーザ光源が連続駆動され且つ光
出力が小さい用途の場合には、電気光学効果により透過
光を変調する光学素子（ＰＬＺＴ素子）や液晶光シャッ
タ（ＦＬＣ）等、ＭＥＭＳタイプ以外の空間変調素子を
用いてもよい。また、レーザ光源が高出力である場合ま
たはパルス駆動される場合には、デジタル・マイクロミ
ラー・デバイス（ＤＭＤ）、全反射型の空間変調素子、
及び干渉型の空間変調素子等、他のＭＥＭＳタイプの空
間変調素子を用いてもよい。

【０１５１】干渉型の空間変調素子としては、ファブリ
ペロー干渉を利用した光変調素子（干渉型光シャッタ）
が挙げられる。図２７及び図２８において、干渉型光シ
ャッタは、入射光に対し所定角度を持って配置される一
方の電極３０３と、一方の電極３０３に少なくとも空隙
を挟んで対向する他方の電極３０４と、一方の電極３０
３及び他方の電極間３０４に介装されて透明な可撓薄膜
３０７とを具備し、一方の電極３０３及び他方の電極３
０４間に電圧を印加することで発生したクーロン力によ
って可撓薄膜３０７を撓ませ該可撓薄膜３０７を透過す
る光を変調して出射するものである。

【０１５２】即ち、一方の電極３０３は透明基板３０１
に組み込まれて構成され、該一方の電極３０３の上側に
は誘電体多層膜ミラー３０５が設けられている。また透
明基板３０１上には左右に支柱３０２が設けられてお
り、該支柱３０２の上端面には可撓薄膜３０７が設けら
れている。可撓薄膜３０７の誘電体多層膜ミラー３０５
に対向する下面にはもう１つの誘電体多層膜ミラー３０
６が設けられている。従って、上下２つの誘電体多層膜
ミラー３０５、３０６間には空隙３０９が形成されてい
る。さらに可撓薄膜３０７の上面には一方の電極３０３
と対向するように他方の電極３０４が設けられている。

【０１５３】このように構成される干渉型光シャッタで
は、図２９（Ａ）の状態に示すように、一方の電極３０
３と他方の電極３０４との間の電源電圧Ｖgsの供給をＯ
ＦＦとしたとき、上下２つの誘電体多層膜ミラー３０
５、３０６間の空隙３０９の間隔はｔoffとなる。ま
た、図２９（Ｂ）の状態に示すように、一方の電極３０
３と他方の電極３０４と間の電源電圧Ｖgsの供給をＯＮ
としたとき、上下２つの誘電体多層膜ミラー３０５，３
０６間の空隙３０９の間隔はｔonとなる。即ち、各電極
３０３、３０４間に電圧Ｖgsを印加すると、発生したク
ーロン力によって可撓薄膜３０７が変形して空隙３０９
の間隔が狭くなる。

【０１５４】ここで、ｔoffは可撓薄膜３０７の成膜時
に調整可能であり、またｔonの制御は、印加される電圧
Ｖgsと可撓薄膜３０７が変形したときに発生する復元力
のバランスで可能となる。尚、より安定な制御を行うに
は、変位が一定となるように電極３０３と可撓薄膜３０
７との間にスペーサを形成してもよい。このスペーサを
絶縁体とした場合には、その比誘電率（１以上）により
印加電圧を低減する効果があり、また導電性とした場合
には、さらにこの効果は大きくなる。また、電極３０
３、３０４とスペーサとを同一材料で形成してもよい。

【０１５５】また、図２８に示すように、光シャッタの
面法線と入射光のなす角がθiのとき、干渉型光シャッ
タの光強度透過率Ｉtは次式で与えられる。ここにおい
て、Ｒは誘電体多層膜ミラー３０５、３０６の光強度反
射率、ｎは空隙３０９の屈折率（空気の場合に１）、ｔ
は誘電体多層膜ミラー３０５、３０６間の空隙３０９の
間隔、λは光の波長である。

【０１５６】

【数３】

【０１５７】ここで、ｔon、ｔoffを下記のように設定
する（ｍ＝１）。ｔon＝１／２×λ［ｎｍ］、ｔoff＝
３／４×λ［ｎｍ］、λ＝４０５ｎｍである。また、誘
電体多層膜ミラー３０５、３０６の光強度反射率Ｒ＝
０．９とし、入射角θi＝０［ｄｅｇ］とし、空隙３０
９を空気又は希ガスとして屈折率ｎ＝１とする。このと
きの干渉型光シャッタにおける光強度透過率の波長に対
する特性は、電圧Ｖgsを印加しないとき（ｔoffのと
き）は光を全く透過せず、電圧Ｖgsを印加したとき（ｔ
onのとき）には半導体レーザ光の波長４０５［ｎｍ］を
中心とした光を透過するようになる。

【０１５８】干渉型光シャッタでは、一方の電極３０３
及び他方の電極３０４との間に電圧Ｖgsを印加すること
で発生したクーロン力によって可撓薄膜３０７を撓ま
せ、多層膜干渉効果を発生することにより可撓薄膜３０
７を透過する光を光変調することができる。尚、干渉の
条件を満たせば、空隙３０９の間隔ｔ、屈折率ｎ、誘電
体多層膜ミラー３０５、３０６の光強度反射率Ｒ等は何
れの組み合わせであってもよい。また、電圧Ｖgsの値に
より間隔ｔを連続的に変化させると、透過スペクトルの
中心波長を任意に変化させることが可能である。これに
より透過光量を連続的に制御することも可能である。即
ち、印加電圧による階調制御が可能となる。

【０１５９】全反射型の空間変調素子は、図３０及び図
３１に示すように、メカニカル光タップ駆動構成の例で
は、ノーマリオンの光タップ構成である。ここで、導光
プレートメサ３２６は導光プレート３１２上のスペーサ
３４８の高さより低い高さを有する。スペーサ３４８の
近くにはライン電極３５６が設けられている。対応する
カラム電極３５８はメカニカルタップ膜３２８の上面に
配置されている。ノーマリオン構成において、メカニカ
ルタップ膜が備える張力性（tensil e nature）によ
り、メサの上方のスペーサ３４８の高さが増加している
ことでメカニカルタップ膜は、導光プレートメサ３２６
の上面３３６から離間された状態に維持される。タップ
膜とメサのトップ面３３６との間の例えば約０．７μｍ
のギャップＧは、導光プレートからの光がタップ膜及び
上方の透過基板３３８に透過することを許さない。この
状態（オン状態）では導光プレート３１２の図中左側か
ら入射した光は右側に出射するため、その出射光を露光
に用いることができる。一方、ライン電極３５６とカラ
ム電極３５８との間に適切な電位差が印加されると、両
電極には引き合う電荷構成（図示せず）が発生する。そ
の結果、可撓姓のあるタップ膜３２８が導光プレート及
びライン電極３５６に引き寄せられる。この正の引力は
タップ膜を下方へ撓ませ、これによってタップ膜が動い
て導光プレートメサ３２６のトップ面３３６に接触す
る。図２５に示すように、この接触はメカニカル光タ
ップをオフにし、これにより、導光プレートメサから出
た光が、接触しているメカニカルタップ膜を通り、そこ
から透過基板３３８を通って図中上方へ抜けて行く。こ
の状態（オフ状態）では導光プレート３１２の図中左側
から入射した光は右側から出射しないため露光されな
い。引き合うような電極電位を除くことにより、張力性
メカニカルタップ膜は上方に向けて通常の休止位置へス
ナップバックし、ギャップＧがタップ膜を導光プレート
メサのトップ面から離間させることでオン状態に戻る。

【０１６０】

【発明の効果】本発明の光造形装置は、高速且つ高精細
な造形が可能である、という効果を奏する。また、本発
明の露光ユニットは、従来に比べて小型化されており、
露光ユニットに多数配列することができる、という効果
を奏する。更に、光源を所定の高出力レーザ光源とした
場合には、安価な光造形装置及び露光ユニットが提供さ
れる、という効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係る光造形装置の
概略構成を示す斜視図である。

【図２】本発明の第１の実施の形態に係る光造形装置の
露光ユニットの構成を示す部分拡大図である。

【図３】（Ａ）は本発明の第１の実施の形態に係る積層
造形装置の紫外光源の構成を示す平面図であり、（Ｂ）
はバンドル状に配置したファイバの端面を示す平面図で
ある。

【図４】図３に示す光源の狭域帯バンドパスフィルタの
透過特性を示すグラフである。

【図５】（Ａ）〜（Ｃ）はＤＭＤの構成を示す部分拡大
図である。

【図６】ＤＭＤの動作を説明するための説明図である。

【図７】本発明の第１の実施の形態に係る光造形装置の
光源として使用可能なブロードエリアの発光領域を有す
るＧａＮ系半導体レーザの積層構造の一例を示す概略断
面図である。

【図８】本発明の第１の実施の形態に係る光造形装置の
光源として使用可能な半導体レーザ励起固体レーザの構
成を示す概略断面図である。

【図９】本発明の第１の実施の形態に係る光造形装置の
光源として使用可能なＳＨＧ（第２高調波発生）ファイ
バレーザの構成を示す概略断面図である。

【図１０】本発明の第１の実施の形態に係る光造形装置
の光源として使用可能なＦＨＧ（第４高調波発生）ファ
イバレーザの構成を示す概略断面図である。

【図１１】本発明の第２の実施の形態に係る光造形装置
の概略構成を示す斜視図である。

【図１２】本発明の第３の実施の形態に係る光造形装置
の概略構成を示す斜視図である。

【図１３】（Ａ）は本発明の第３の実施の形態に係る光
造形装置の露光ユニットの構成を示す平面図であり、
（Ｂ）は（Ａ）の光軸に沿った断面図である。

【図１４】（Ａ）は本発明の第３の実施の形態に係る光
造形装置の露光ユニットの変形例を示す平面図であり、
（Ｂ）は（Ａ）の光軸に沿った断面図である。

【図１５】（Ａ）は本発明の第３の実施の形態に係る光
造形装置の露光ユニットの変形例を示す平面図であり、
（Ｂ）は（Ａ）の光軸に沿った断面図である。

【図１６】（Ａ）は本発明の第３の実施の形態に係る光
造形装置の露光ユニットの変形例を示す平面図であり、
（Ｂ）は（Ａ）の光軸に沿った断面図である。

【図１７】本発明の第４の実施の形態に係る光造形装置
の概略構成を示す斜視図である。

【図１８】本発明の第４の実施の形態で使用する光源を
示す斜視図である。

【図１９】光源における半導体レーザチップの斜視図で
ある。

【図２０】（Ａ）は光源における半導体レーザチップの
平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）の光軸に沿った断面図で
ある。

【図２１】本発明の第４の実施の形態に係る光造形装置
の変形例を示す斜視図である。

【図２２】光変調アレイ素子として使用されるグレーテ
ィングライトバルブ素子（ＧＬＶ素子）の概略構成を示
す斜視図である。

【図２３】（Ａ）及び（Ｂ）はＧＬＶ素子の動作原理の
説明図である。

【図２４】本発明の第４の実施の形態に係る光造形装置
の変形例を示す斜視図である。

【図２５】本発明の第５の実施の形態に係る光造形装置
の概略構成を示す斜視図である。

【図２６】本発明の第５の実施の形態に係る光造形装置
の変形例を示す斜視図である。

【図２７】干渉型の空間変調素子の例を示す平面図であ
る。

【図２８】図２７のＡ−Ａ断面図である。

【図２９】図２７の干渉型の空間変調素子の動作状態を
示す説明図である。

【図３０】全反射型の空間変調素子の例を示す概略断面
図である。

【図３１】図３０の全反射型の空間変調素子の動作状態
を示す説明図である。

【図３２】従来のレーザ走査方式の光造形装置の構成を
示す斜視図である。

【図３３】従来の可動ミラー方式の光造形装置の構成を
示す斜視図である。

【符号の説明】

１０容器１２光硬化性樹脂１４光ビーム１６領域１８、１８Ａ露光ユニット２０ＸＹ位置決め機構２２光源２４光ファイバ２６ホモジナイザ光学系２８デジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ）３０集光レンズ３２反射ミラー４２露光ヘッド４４ＧａＮ系半導体レーザ４６集光レンズ４８２次元マイクロスキャナ５６ペルチェ素子５８光出射窓６０パッケージ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光硬化性樹脂を光ビームで露光して３次元
モデルを造形する光造形装置であって、光硬化性樹脂の表面の複数画素を含む所定領域を、光源
から出射され画像データに応じて各画素毎に変調された
光ビームで露光する露光手段と、該露光手段を光硬化性樹脂の表面に対し相対移動させる
移動手段と、を備えた光造形装置。
【請求項２】光硬化性樹脂を光ビームで露光して３次元
モデルを造形する光造形装置であって、光硬化性樹脂の表面の複数画素を含む所定領域を、光源
から出射され画像データに応じて各画素毎に変調され且
つピコ秒パルス幅でパルス駆動された光ビームで露光す
る露光手段と、該露光手段を光硬化性樹脂の表面に対し相対移動させる
移動手段と、を備えた光造形装置。
【請求項３】前記露光手段を、光源と、該光源から出射
された光ビームを画像データに応じて各画素毎に変調す
る空間変調素子と、を含んで構成した請求項１または２
に記載の光造形装置。
【請求項４】前記空間変調素子を、デジタル・マイクロ
ミラー・デバイスで構成した請求項３に記載の光造形装
置。
【請求項５】光硬化性樹脂を光ビームで露光して３次元
モデルを造形する光造形装置であって、光硬化性樹脂の表面の複数画素を含む所定領域を、光源
から出射され画像データに応じて各画素毎に変調された
光ビームで露光する走査機能を備えた露光手段と、該露光手段を光硬化性樹脂の表面に対し相対移動させる
移動手段と、を備えた光造形装置。
【請求項６】前記露光手段を、光源と、該光源から出射
された光ビームを画像データに応じて各画素毎に変調す
る空間変調素子を第１の走査方向に配列した空間変調素
子アレイと、を含んで構成した請求項５に記載の光造形
装置。
【請求項７】前記空間変調素子が回折格子光バルブまた
はデジタル・マイクロミラー・デバイスである請求項６
に記載の光造形装置。
【請求項８】前記露光手段を、光源と、該光源から出射
された光ビームを画像データに応じて各画素毎に変調す
る空間変調素子を第１の走査方向に配列した空間変調素
子アレイと、該第１の走査方向と交差する第２の走査方
向に走査する走査ミラーと、で構成した請求項５〜７の
いずれか１項に記載の光造形装置。
【請求項９】前記移動手段は、前記露光手段を前記第１
の走査方向及び第１の走査方向と交差する第２の走査方
向に移動させる請求項８に記載の光造形装置。
【請求項１０】前記露光手段を複数設け、該複数の露光
手段の各々を光硬化性樹脂の表面に対し各々独立に相対
移動可能にした請求項１〜９のいずれか１項に記載の光
造形装置。
【請求項１１】光硬化性樹脂を光ビームで露光して３次
元モデルを造形する光造形装置であって、光硬化性樹脂の表面の複数画素を含む所定領域を、光源
から出射され画像データに応じて各画素毎に変調された
光ビームで走査して露光する露光ユニットを、アレイ状
に複数配列した露光手段を備えた光造形装置。
【請求項１２】前記露光ユニットを、光源と、該光源か
ら出射された光ビームを集光する集光光学系と、該集光
光学系により集光された光ビームを画像データに応じて
各画素毎に変調する偏向素子と、で構成した請求項１１
に記載の光造形装置。
【請求項１３】前記光源、前記集光光学系、及び前記偏
向素子を、パッケージ内に封止した請求項１２に記載の
光造形装置。
【請求項１４】前記偏向素子を、２次元マイクロ・スキ
ャナで構成した請求項１２または１３に記載の光造形装
置。
【請求項１５】前記光源を、窒化ガリウム系半導体レー
ザ、窒化ガリウム系半導体レーザで固体レーザ結晶を励
起して得られたレーザビームを光波長変換素子で波長変
換して出射する半導体レーザ励起固体レーザ、赤外領域
の光を出射する半導体レーザでファイバを励起して得ら
れたレーザビームを光波長変換素子で波長変換して出射
するファイバレーザまたはファイバアンプ、及び窒化ガ
リウム系半導体レーザでファイバを励起して得られたレ
ーザビームを光波長変換素子で波長変換して出射するフ
ァイバレーザのいずれかのレーザ光源で構成した請求項
１〜１４のいずれか１項に記載の光造形装置。
【請求項１６】前記光源を、窒化ガリウム系半導体レー
ザをファイバに結合した第１のレーザ光源、複数の窒化
ガリウム系半導体レーザを合波光学系によりファイバに
結合した第２のレーザ光源、該第１のレーザ光源のファ
イバおよび第２のレーザ光源のファイバの少なくとも一
方を線状のレーザ光束が出射されるようにアレイ状に配
列した線状レーザ光源、及び該第１のレーザ光源および
第２のレーザ光源のファイバの少なくとも一方をスポッ
ト状のレーザ光束が出射されるようにバンドル状に配列
した面状レーザ光源のいずれかのレーザ光源で構成した
請求項１〜１５のいずれか１項に記載の積層造形装置。
【請求項１７】前記光源を、複数のレーザ光源、及び該
複数のレーザ光源から出射されたレーサビームを合波す
る合波光学系を含んで構成した請求項１〜１６のいずれ
か１項に記載の光造形装置。
【請求項１８】光源と、該光源から出射された光ビーム
を集光する集光光学系と、該集光光学系により集光され
た光ビームを画像データに応じて各画素毎に変調する偏
向素子と、を備えた露光ユニット。
【請求項１９】光源と、該光源から出射され且つピコ秒
パルス幅でパルス駆動された光ビームを集光する集光光
学系と、該集光光学系により集光された光ビームを画像
データに応じて各画素毎に変調する偏向素子と、を備え
た露光ユニット。
【請求項２０】前記光源、前記集光光学系、及び前記偏
向素子を、パッケージ内に封止した請求項１８または１
９に記載の露光ユニット。
【請求項２１】前記偏向素子を、２次元マイクロ・スキ
ャナで構成した請求項１８〜２０のいずれか１項に記載
の露光ユニット。
【請求項２２】前記光源を、窒化ガリウム系半導体レー
ザ、窒化ガリウム系半導体レーザで固体レーザ結晶を励
起して得られたレーザビームを光波長変換素子で波長変
換して出射する半導体レーザ励起固体レーザ、赤外領域
の光を出射する半導体レーザでファイバを励起して得ら
れたレーザビームを光波長変換素子で波長変換して出射
するファイバレーザまたはファイバアンプ、及び窒化ガ
リウム系半導体レーザでファイバを励起して得られたレ
ーザビームを光波長変換素子で波長変換して出射するフ
ァイバレーザのいずれかのレーザ光源で構成した請求項
１８〜２１のいずれか１項に記載の露光ユニット。
【請求項２３】前記光源を、窒化ガリウム系半導体レー
ザをファイバに結合した第１のレーザ光源、複数の窒化
ガリウム系半導体レーザを合波光学系によりファイバに
結合した第２のレーザ光源、該第１のレーザ光源のファ
イバおよび第２のレーザ光源のファイバの少なくとも一
方を線状のレーザ光束が出射されるようにアレイ状に配
列した線状レーザ光源、及び該第１のレーザ光源および
第２のレーザ光源のファイバの少なくとも一方をスポッ
ト状のレーザ光束が出射されるようにバンドル状に配列
した面状レーザ光源のいずれかのレーザ光源で構成した
請求項１８〜２１のいずれか１項に露光ユニット。
【請求項２４】前記光源を、複数のレーザ光源、及び該
複数のレーザ光源から出射されたレーサビームを合波す
る合波光学系を含んで構成した請求項１８〜２３のいず
れか１項に記載の露光ユニット。