JP2003340923A - Optical-forming apparatus - Google Patents

Optical-forming apparatus

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JP2003340923A
JP2003340923A JP2002149885A JP2002149885A JP2003340923A JP 2003340923 A JP2003340923 A JP 2003340923A JP 2002149885 A JP2002149885 A JP 2002149885A JP 2002149885 A JP2002149885 A JP 2002149885A JP 2003340923 A JP2003340923 A JP 2003340923A
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Japan
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laser
light
fiber
optical fiber
optical
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Application number
JP2002149885A
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Japanese (ja)
Inventor
Kazuhiko Nagano
和彦 永野
Yoji Okazaki
洋二 岡崎
Hiromi Ishikawa
弘美 石川
Takeshi Fujii
武 藤井
Hiromitsu Yamakawa
博充 山川
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Fujinon Corp
Fujifilm Holdings Corp
Original Assignee
Fuji Photo Film Co Ltd
Fuji Photo Optical Co Ltd
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Publication date
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Priority to TW93136883A priority patent/TWI274733B/en
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Priority to TW93136882A priority patent/TWI263798B/en
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical forming apparatus capable of forming at a high speed and to provide a light forming apparatus capable of forming at a high definition. <P>SOLUTION: Though a micromirror line, wherein 800 pieces of micromirrors are arranged in a main scanning direction, is arranged by 600 sets in a subscanning direction for a DMD 50 to be used in an exposure head, control is carried out so that only a part of the micromirror line (for example, 800 pieces × 100 lines) is driven with a controller. Since there is a limit in a data processing speed of the DMD 50 and a modulating speed per line is determined in proportion to the number of pixels to be used, the modulating speed line is increased by using only a part of the micromirror line. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、光造形装置に関
し、特に、画像データに応じて空間光変調素子により変
調された光ビームで光硬化性樹脂を露光して3次元モデ
ルを造形する光造形装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a stereolithography apparatus, and more particularly to a stereolithography apparatus for exposing a photocurable resin with a light beam modulated by a spatial light modulator according to image data to produce a three-dimensional model. Regarding the device.

【0002】[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。
2. Description of the Related Art In recent years,
With the spread of the three-dimensional CAD (Computer Aided Design) system, a three-dimensional model created by a three-dimensional CAD in a virtual space on a computer is exposed to a photocurable resin with a light beam based on CAD data, and a three-dimensional model is created. An optical molding system for molding is used. In this stereolithography system, CAD data is sliced at a predetermined interval on a computer to create a plurality of cross-section data, and the surface of a liquid photo-curable resin is scanned with laser light based on each cross-section data to be cured in layers. Then, the resin cured layers are sequentially laminated to form a three-dimensional model. As a stereolithography method, a liquid photocurable resin is stored in an open-type tank, and a molding table placed near the liquid surface of the photocurable resin is sequentially submerged from the free liquid surface of the resin while the resin is sinking. A free liquid level method for laminating a hardened layer is widely known.

【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。
Conventionally, the stereolithography apparatus used in this stereolithography system includes "Yoji Marutani: Basics / Current Situations / Problems of Stereolithography System, Mold Technology, Vol. 7, No. 10, pp 18-2.
No. 3, 1992 ”, there are some which perform scanning by the laser plotter system and those which perform scanning by the movable mirror system.

【0004】レーザプロッタ方式による光造形装置を図
28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。
FIG. 28 shows an optical molding apparatus using a laser plotter system. In this device, the laser light emitted from the laser light source 250 reaches the XY plotter 256 through the optical fiber 254 provided with the shutter 252, and the liquid surface 266 of the photocurable resin 262 in the container 260 from the XY plotter 256. Is irradiated. Also, the X positioning mechanism 258a
The position of the XY plotter 256 in the X direction and the Y direction is controlled by the XY positioning mechanism 258 including the Y positioning mechanism 258b and the Y positioning mechanism 258b. Therefore, while moving the XY plotter 256 in the X and Y directions, the X
The photocurable resin 262 on a predetermined portion of the liquid surface 266 can be cured by controlling the on / off of the laser light emitted from the Y plotter 256 according to the cross-sectional data.

【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。
However, the laser plotter type optical modeling apparatus has a problem that the shutter speed and the moving speed of the plotter are limited, and that it takes a long time for modeling.

【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29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。
Next, FIG. 29 shows an optical modeling apparatus using a movable mirror system using a conventional galvanometer mirror.
In this device, the laser light 270 is emitted from the X-axis rotating mirror 27.
2. Photocurable resin 2 reflected by the Y-axis rotating mirror 274
62 is irradiated. The X-axis rotation mirror 272 rotates about the Z-axis as a rotation axis to change the irradiation position in the X direction to Y
The axis rotation mirror 274 controls the position of the irradiation position in the Y direction by rotating around the X axis. This movable mirror method can increase the scanning speed as compared with the laser plotter method.

【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。
However, even in the stereolithography apparatus using the movable mirror system, even if high-speed scanning of, for example, 2 to 12 m / s is performed in order to scan with a minute laser spot,
8 to 3D modeling of 0 cm cubic
It takes a long time for modeling, such as 24 hours. Further, the laser beam 270 is reflected only when it is incident on the Y-axis rotating mirror 274 at an angle within a predetermined range, so that the irradiation area is limited. Therefore, if the Y-axis rotating mirror 274 is arranged at a high position apart from the photocurable resin 262 in order to widen the irradiation area, the diameter of the laser spot becomes large, the positioning accuracy deteriorates, and the modeling accuracy decreases.
There is a problem. Further, when the rotation angle of the Y-axis rotating mirror 274 is increased, the irradiation range is expanded, but similarly, the positioning accuracy is deteriorated and the pin cushion error is increased. Further, the stereolithography apparatus using the galvanometer mirror has problems that the adjustment of the optical system such as distortion correction and optical axis adjustment is complicated, and the optical system is complicated and the entire apparatus becomes large.

【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、ガスレーザはチューブの交換等のメンテナンス
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。
In any of the stereolithography apparatuses of any type, a high-power ultraviolet laser light source is used as a laser light source, and conventionally, a gas laser such as an argon laser or a solid laser by THG (third harmonic) is generally used. However, in addition to troublesome maintenance such as tube replacement, the gas laser is expensive and raises the price of the stereolithography apparatus, and ancillary equipment such as a chiller for cooling is required, and the entire apparatus becomes large. In the THG solid-state laser, it is a pulse operation of the Q switch, the repetition speed is slow, and it is not suitable for high-speed exposure. Further, since the THG light is used, the wavelength conversion efficiency is poor and the output cannot be increased.
A pump laser having a high output must be used, which is very expensive.

【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。
In view of this problem, JP-A-11-13864
Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 5 has proposed a stereolithography apparatus that includes a plurality of light sources capable of illuminating an exposure area with a spot having a size larger than that of a single pixel, and that multiple-exposes pixels by a plurality of light sources. In this device, since pixels are multiple-exposed by a plurality of light sources, the output of each light source may be small, so that an inexpensive light emitting diode (LED) can be used as a light source.

【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。
However, JP-A-11-138645
In the stereolithography apparatus described in the publication, since the spot size of each light source is larger than a single pixel, it cannot be used for high-definition modeling, and multiple exposure of pixels by multiple light sources wastes operation. There are also many problems that it takes a long time to form. There is also a problem that the exposure section becomes large due to the increase in the number of light sources. Furthermore, LED
There is a possibility that sufficient resolution may not be obtained even if multiple exposure is performed with the output light amount of.

【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、高速造形が可能な光
造形装置を提供することにある。本発明の他の目的は、
高精細な造形が可能な光造形装置を提供することにあ
る。
The present invention has been made in view of the above problems of the prior art, and an object of the present invention is to provide an optical molding apparatus capable of high-speed molding. Another object of the present invention is to
An object is to provide an optical modeling apparatus capable of high-definition modeling.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明の光造形装置は、光硬化性樹脂を収容する造形
槽と、該造形槽内に昇降可能に設けられた造形物を支持
するための支持台と、レーザ光を照射するレーザ装置
と、各々制御信号に応じて光変調状態が変化する多数の
画素部が基板上に2次元状に配列され、前記レーザ装置
から照射されたレーザ光を変調する空間光変調素子と、
前記基板上に配列された画素部の全個数より少ない個数
の複数の画素部の各々を、露光情報に応じて生成した制
御信号によって制御する制御手段と、各画素部で変調さ
れたレーザ光を前記造形槽に収容された光硬化性樹脂の
液面に結像させる光学系と、を含む露光ヘッドと、該露
光ヘッドを前記光硬化性樹脂の液面に対して相対移動さ
せる移動手段と、を備えたことを特徴としている。
In order to achieve the above object, an optical modeling apparatus of the present invention supports a modeling tank containing a photocurable resin and a modeled object that is vertically movable in the modeling tank. And a laser device for irradiating a laser beam, and a large number of pixel portions each of which has a light modulation state that changes in accordance with a control signal are two-dimensionally arranged on a substrate and are radiated from the laser device. A spatial light modulator for modulating laser light,
Control means for controlling each of a plurality of pixel units of a number smaller than the total number of pixel units arranged on the substrate by a control signal generated according to exposure information, and a laser beam modulated by each pixel unit. An exposure head including an optical system for forming an image on the liquid surface of the photocurable resin housed in the molding tank; and a moving means for moving the exposure head relative to the liquid surface of the photocurable resin, It is characterized by having.

【0013】本発明の光造形装置では、露光ヘッドの空
間光変調素子の各画素部で変調されたレーザ光を、前記
造形槽に収容された光硬化性樹脂の液面に結像させると
共に、移動手段によって該露光ヘッドを前記光硬化性樹
脂の液面に対して相対移動させることにより、造形槽に
収容された光硬化性樹脂の液面を走査露光する。露光さ
れた樹脂は硬化して硬化樹脂層が形成される。硬化樹脂
層を1層形成した後、造形物を支持するために造形槽内
に設けられた支持台を降下させて新たな樹脂表面を形成
し、同様にして次の硬化樹脂層を形成する。このように
樹脂の硬化と支持台の降下とを繰り返し、硬化樹脂層を
順次積層して3次元モデルを造形する。
In the stereolithography apparatus of the present invention, the laser light modulated by each pixel portion of the spatial light modulator of the exposure head is imaged on the liquid surface of the photocurable resin housed in the molding tank. By moving the exposure head relative to the liquid surface of the photocurable resin by the moving means, the liquid surface of the photocurable resin stored in the modeling tank is scanned and exposed. The exposed resin is cured to form a cured resin layer. After forming one cured resin layer, a support table provided in the modeling tank for supporting the molded article is lowered to form a new resin surface, and the next cured resin layer is similarly formed. In this way, the curing of the resin and the lowering of the support are repeated, and the cured resin layers are sequentially laminated to form a three-dimensional model.

【0014】本発明の光造形装置においては、露光ヘッ
ドの空間光変調素子について、その基板上に配列された
画素部の全個数より少ない個数の複数の画素部の各々
を、露光情報に応じて生成した制御信号によって制御す
る。即ち、基板に配列された画素部の全部を制御するこ
となく、一部の画素部を制御している。このため、制御
する画素部の個数が少なくなり、制御信号の転送速度が
全画素部の制御信号を転送する場合より短くなる。これ
によって変調速度を速くすることができ、高速造形が可
能となる。
In the stereolithography apparatus of the present invention, with respect to the spatial light modulation element of the exposure head, each of a plurality of pixel units of which the number is smaller than the total number of pixel units arranged on the substrate is determined according to the exposure information. It is controlled by the generated control signal. That is, a part of the pixel parts is controlled without controlling all the pixel parts arranged on the substrate. Therefore, the number of pixel units to be controlled is reduced, and the transfer rate of control signals is shorter than that in the case of transferring control signals for all pixel units. As a result, the modulation speed can be increased and high-speed molding can be performed.

【0015】上記の光造形装置において、前記制御手段
により制御される画素部は、所定方向に対応する方向の
長さが前記所定方向と交差する方向の長さより長い領域
に含まれる画素部であることが好ましい。レーザ装置の
発光点の配列方向に長い領域の画素部を使用すること
で、使用する露光ヘッドの数を減らすことができる。
In the above-mentioned stereolithography apparatus, the pixel portion controlled by the control means is a pixel portion included in a region in which the length in the direction corresponding to the predetermined direction is longer than the length in the direction intersecting with the predetermined direction. It is preferable. The number of exposure heads to be used can be reduced by using the pixel portion having a long area in the arrangement direction of the light emitting points of the laser device.

【0016】また、上記の光造形装置において、前記レ
ーザ装置を、光ファイバの入射端から入射されたレーザ
光をその出射端から出射する複数のファイバ光源を備
え、該複数のファイバ光源の出射端における発光点の各
々が1次元又は2次元アレイ状に配列されたファイバア
レイ光源で構成することができる。また、該複数のファ
イバ光源の出射端における発光点の各々がバンドル状に
配列されたファイババンドル光源で構成してもよい。ア
レイ化又はバンドル化することで高出力化を図ることが
できる。前記光ファイバとしては、コア径が均一で出射
端のクラッド径が入射端のクラッド径より小さい光ファ
イバを用いるのが好ましい。
Further, in the above-mentioned optical modeling apparatus, the laser device is provided with a plurality of fiber light sources for emitting the laser light incident from the incident end of the optical fiber from its emission end, and the emission ends of the plurality of fiber light sources. Each of the light emitting points can be composed of a fiber array light source arranged in a one-dimensional or two-dimensional array. Further, each of the light emitting points at the emission ends of the plurality of fiber light sources may be configured by a fiber bundle light source arranged in a bundle. Higher output can be achieved by forming an array or a bundle. As the optical fiber, it is preferable to use an optical fiber having a uniform core diameter and a cladding diameter at the exit end smaller than the cladding diameter at the entrance end.

【0017】ファイバアレイ光源等を構成する各ファイ
バ光源としては、レーザ光を合波して光ファイバに入射
させる合波レーザ光源が好ましい。合波レーザ光源とす
ることで、高輝度、高出力を得ることができる。また、
同じ光出力を得るためにアレイ化する光ファイバの本数
が少なくて済み、低コストである。更に、光ファイバの
本数が少ないので、アレイ化した際の発光領域が更に小
さくなる(高輝度化する)。空間光変調素子を部分的に
使用する場合でも、高輝度なファイバアレイ光源やファ
イババンドル光源を用いることにより、使用部分にレー
ザ光を効率良く照射することができ、高光密度でレーザ
光を照射することができる。これにより、高速且つ高精
細な露光、造形が可能となる。例えば、1μmオーダー
の微細形状の造形も可能である。
As each fiber light source constituting the fiber array light source or the like, a combined laser light source that combines laser light and makes it enter the optical fiber is preferable. By using the combined laser light source, high brightness and high output can be obtained. Also,
The number of optical fibers to be arrayed to obtain the same light output is small, and the cost is low. Furthermore, since the number of optical fibers is small, the light emitting area when arrayed is further reduced (increased brightness). Even when the spatial light modulator is partially used, by using a high-intensity fiber array light source or fiber bundle light source, it is possible to efficiently irradiate the laser light to the used portion, and irradiate the laser light with high light density. be able to. This enables high-speed and high-definition exposure and modeling. For example, it is possible to form a fine shape on the order of 1 μm.

【0018】例えば、ファイバ光源を、複数の半導体レ
ーザと、複数の半導体レーザと、1本の光ファイバと、
前記複数の半導体レーザの各々から出射されたレーザビ
ームを集光し、集光ビームを前記光ファイバの入射端に
結合させる集光光学系と、で構成することができる。ま
た、ファイバ光源を、複数の発光点を備えたマルチキャ
ビティレーザと、1本の光ファイバと、前記複数の発光
点の各々から出射されたレーザビームを集光し、集光ビ
ームを前記光ファイバの入射端に結合させる集光光学系
と、で構成してもよい。更に、複数のマルチキャビティ
レーザの発光点の各々から出射されたレーザビームを集
光して1本の光ファイバに結合してもよい。
For example, the fiber light source includes a plurality of semiconductor lasers, a plurality of semiconductor lasers, and one optical fiber.
A condensing optical system that condenses the laser beam emitted from each of the plurality of semiconductor lasers and couples the condensing beam to the incident end of the optical fiber. Further, the fiber light source is a multi-cavity laser having a plurality of light emitting points, one optical fiber, and a laser beam emitted from each of the plurality of light emitting points is focused, and the focused beam is directed to the optical fiber. And a condensing optical system to be coupled to the incident end of. Further, the laser beams emitted from each of the light emitting points of the plurality of multi-cavity lasers may be condensed and combined into one optical fiber.

【0019】上記の光造形装置に使用される空間変調素
子としては、各々制御信号に応じて反射面の角度が変更
可能な多数のマイクロミラーが基板上に2次元状に配列
されて構成されたデジタルマイクロミラーデバイス(D
MD)や、各々制御信号に応じて透過光を遮断すること
が可能な多数の液晶セルが基板上に2次元状に配列され
て構成された液晶シャッターアレイを用いることができ
る。DMDのように多数の画素部を備えた空間光変調素
子を用いて多数のチャンネルで露光することにより、パ
ワーが分散し熱歪みが防止される。
As the spatial modulation element used in the above-mentioned optical modeling apparatus, a large number of micromirrors whose reflection surface angles can be changed according to control signals are arranged two-dimensionally on a substrate. Digital micromirror device (D
MD) or a liquid crystal shutter array in which a large number of liquid crystal cells capable of blocking transmitted light according to control signals are arranged two-dimensionally on a substrate can be used. By exposing with a large number of channels using a spatial light modulator having a large number of pixels such as DMD, power is dispersed and thermal distortion is prevented.

【0020】上記の光造形装置に使用されるレーザ装置
としては、波長350〜450nmのレーザ光を照射す
るものが好ましい。例えば、半導体レーザにGaN系半
導体レーザを用いることで、波長350〜450nmの
レーザ光を照射するレーザ装置を構成することができ
る。波長350〜450nmのレーザ光を使用すること
により、赤外波長領域のレーザ光を使用する場合に比
べ、光硬化性樹脂の光吸収率を大幅に増加させることが
できる。波長350〜450nmのレーザ光は短波長で
あるためフォトンエネルギーが大きく、熱エネルギーに
変換することが容易である。このように、波長350〜
450nmのレーザ光は光吸収率が大きく、熱エネルギ
ーへの変換が容易であるため、光硬化性樹脂の硬化、即
ち造形を高速に行うことができる。レーザ光の波長帯域
は350〜420nmが好ましい。低コストなGaN系
半導体レーザを用いるという点では、波長405nmが
特に好ましい。
As the laser device used in the above-mentioned stereolithography device, one that irradiates laser light having a wavelength of 350 to 450 nm is preferable. For example, by using a GaN-based semiconductor laser as the semiconductor laser, it is possible to configure a laser device that emits laser light having a wavelength of 350 to 450 nm. By using the laser light having a wavelength of 350 to 450 nm, the light absorption rate of the photocurable resin can be significantly increased as compared with the case of using the laser light in the infrared wavelength region. Since the laser light having a wavelength of 350 to 450 nm has a short wavelength, it has a large photon energy and can be easily converted into heat energy. Thus, the wavelength of 350 ~
Since 450 nm laser light has a large light absorption rate and is easily converted into heat energy, curing of the photocurable resin, that is, modeling can be performed at high speed. The wavelength band of laser light is preferably 350 to 420 nm. The wavelength of 405 nm is particularly preferable in terms of using a low-cost GaN-based semiconductor laser.

【0021】なお、上記の光造形装置は、露光ヘッドを
複数備えたマルチヘッド方式の光造形装置として構成す
ることができる。マルチヘッド化することで更に造形の
高速化が図られる。
The above-mentioned stereolithography apparatus can be configured as a multi-head type stereolithography apparatus having a plurality of exposure heads. By using multiple heads, the modeling speed can be further increased.

【0022】[0022]

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を詳細に説明する。 (第1の実施の形態) [光造形装置の構成]本発明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156
を備えており、容器156内には液状の光硬化性樹脂1
50が収容されている。また、容器156内には、平板
状の昇降ステージ152が配置されており、この昇降ス
テージ152は、容器156外に配置された支持部15
4に支持されている。支持部154には、雄ねじ部15
4Aが設けられており、この雄ねじ部154Aは、図示
しない駆動モータにより回転可能とされたリードスクリ
ュー155が螺合されている。このリードスクリュー1
55の回転に伴い、昇降ステージ152が昇降される。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. (First Embodiment) [Structure of Stereolithography Apparatus] A stereolithography apparatus according to an embodiment of the present invention is, as shown in FIG.
And a liquid photo-curable resin 1 in the container 156.
50 are accommodated. In addition, a flat plate-shaped lifting stage 152 is arranged inside the container 156, and the lifting stage 152 is provided on the support part 15 arranged outside the container 156.
It is supported by 4. The support portion 154 has a male screw portion 15
4A is provided, and a lead screw 155, which is rotatable by a drive motor (not shown), is screwed into the male screw portion 154A. This lead screw 1
With the rotation of 55, the elevating stage 152 is moved up and down.

【0023】容器156内に収容された光硬化性樹脂1
52の液面上方には、箱状のスキャナ162がその長手
方向を容器156の短手方向に向けて配置されている。
スキャナ162は、短手方向の両側面に取り付けられた
2本の支持アーム160により支持されている。なお、
スキャナ162は、これを制御する図示しないコントロ
ーラに接続されている。
Photocurable resin 1 contained in container 156
A box-shaped scanner 162 is arranged above the liquid surface of 52 with its longitudinal direction oriented in the lateral direction of the container 156.
The scanner 162 is supported by two support arms 160 attached to both side surfaces in the lateral direction. In addition,
The scanner 162 is connected to a controller (not shown) that controls the scanner 162.

【0024】また、容器156の長手方向の両側面に
は、副走査方向に延びたガイド158が各々設けられて
いる。2本の支持アーム160の下端部が、このガイド
158に副走査方向に沿って往復移動可能に取り付けら
れている。なお、この光造形装置には、支持アーム16
0と共にスキャナ162をガイド158に沿って駆動す
るための図示しない駆動装置が設けられている。
Guides 158 extending in the sub-scanning direction are provided on both side surfaces in the longitudinal direction of the container 156. The lower ends of the two support arms 160 are attached to the guide 158 so as to be capable of reciprocating along the sub-scanning direction. The support arm 16 is provided in this stereolithography apparatus.
A driving device (not shown) for driving the scanner 162 along with the guide 158 is provided.

【0025】スキャナ162は、図2に示すように、
(例えば、3行5列)の略マトリックス状に配列された
複数(例えば、14個)の露光ヘッド166を備えてい
る。この例では、容器156の短手方向の幅との関係
で、3行目には4個の露光ヘッド166を配置した。な
お、m行目のn列目に配列された個々の露光ヘッドを示
す場合は、露光ヘッド166mnと表記する。
The scanner 162, as shown in FIG.
A plurality of (for example, 14) exposure heads 166 arranged in a matrix (for example, 3 rows and 5 columns) are provided. In this example, four exposure heads 166 are arranged in the third row in relation to the width of the container 156 in the lateral direction. When the individual exposure heads arranged in the m-th row and the n-th column are shown, they are referred to as exposure heads 166 mn .

【0026】露光ヘッド166による露光エリア168
は、副走査方向を短辺とする矩形状である。従って、ス
キャナ162の移動に伴い、光硬化性樹脂152の液面
には露光ヘッド166毎に帯状の露光済み領域(硬化領
域)170が形成される。なお、m行目のn列目に配列
された個々の露光ヘッドによる露光エリアを示す場合
は、露光エリア168mnと表記する。
Exposure area 168 by exposure head 166
Is a rectangular shape having a short side in the sub-scanning direction. Therefore, as the scanner 162 moves, a belt-shaped exposed region (cured region) 170 is formed on the liquid surface of the photocurable resin 152 for each exposure head 166. When the exposure area by the individual exposure heads arranged in the m-th row and the n-th column is shown, it is referred to as an exposure area 168 mn .

【0027】また、図3(A)及び(B)に示すよう
に、帯状の露光済み領域170が副走査方向と直交する
方向に隙間無く並ぶように、ライン状に配列された各行
の露光ヘッドの各々は、配列方向に所定間隔(露光エリ
アの長辺の自然数倍、本実施の形態では2倍)ずらして
配置されている。このため、1行目の露光エリア168
11と露光エリア16812との間の露光できない部分は、
2行目の露光エリア16821と3行目の露光エリア16
31とにより露光することができる。
Further, as shown in FIGS. 3 (A) and 3 (B),
In addition, the strip-shaped exposed area 170 is orthogonal to the sub-scanning direction.
Each row arranged in a line so that they are lined up with no gap in the direction
Each of the exposure heads of the
A natural number times the long side of A, twice in this embodiment)
It is arranged. Therefore, the exposure area 168 of the first row
11And exposure area 16812The part that cannot be exposed between
Second row exposure area 168twenty oneAnd exposure area 16 on the 3rd row
831It can be exposed by.

【0028】露光ヘッド16611〜166mn各々は、図
4、図5(A)及び(B)に示すように、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空間光
変調素子として、デジタル・マイクロミラー・デバイス
(DMD)50を備えている。このDMD50は、デー
タ処理部とミラー駆動制御部とを備えた図示しないコン
トローラに接続されている。このコントローラのデータ
処理部では、入力された画像データに基づいて、各露光
ヘッド166毎にDMD50の制御すべき領域内の各マ
イクロミラーを駆動制御する制御信号を生成する。な
お、制御すべき領域については後述する。また、ミラー
駆動制御部では、画像データ処理部で生成した制御信号
に基づいて、各露光ヘッド166毎にDMD50の各マ
イクロミラーの反射面の角度を制御する。なお、反射面
の角度の制御に付いては後述する。
As shown in FIGS. 4, 5A and 5B, each of the exposure heads 166 11 to 166 mn is a spatial light modulator that modulates an incident light beam for each pixel according to image data. A digital micromirror device (DMD) 50 is provided as an element. The DMD 50 is connected to a controller (not shown) including a data processing unit and a mirror drive control unit. The data processing unit of this controller generates a control signal for driving and controlling each micromirror in the region to be controlled by the DMD 50 for each exposure head 166 based on the input image data. The area to be controlled will be described later. The mirror drive control unit controls the angle of the reflecting surface of each micro mirror of the DMD 50 for each exposure head 166 based on the control signal generated by the image data processing unit. The control of the angle of the reflecting surface will be described later.

【0029】DMD50の光入射側には、光ファイバの
出射端部(発光点)が露光エリア168の長辺方向と対
応する方向に沿って一列に配列されたレーザ出射部を備
えたファイバアレイ光源66、ファイバアレイ光源66
から出射されたレーザ光を補正してDMD上に集光させ
るレンズ系67、レンズ系67を透過したレーザ光をD
MD50に向けて反射するミラー69が配置されてい
る。
On the light incident side of the DMD 50, there is provided a fiber array light source having a laser emitting section in which the emitting ends (light emitting points) of the optical fibers are arranged in a line along a direction corresponding to the long side direction of the exposure area 168. 66, fiber array light source 66
The lens system 67 that corrects the laser light emitted from the lens and focuses it on the DMD, and the laser light that has passed through the lens system 67 is D
A mirror 69 that reflects toward the MD 50 is arranged.

【0030】レンズ系67は、ファイバアレイ光源66
から出射されたレーザ光を平行光化するレンズ71、平
行光化されたレーザ光の光量分布が均一になるように補
正する1対の組合せレンズ73、及び光量分布が補正さ
れたレーザ光をDMD上に集光する集光レンズ75で構
成されている。組合せレンズ73は、レーザ出射端の配
列方向に対しては、レンズの光軸に近い部分は光束を広
げ且つ光軸から離れた部分は光束を縮め、且つこの配列
方向と直交する方向に対しては光をそのまま通過させる
機能を備えており、光量分布が均一となるようにレーザ
光を補正する。
The lens system 67 is a fiber array light source 66.
A lens 71 that collimates the laser light emitted from the laser beam, a pair of combination lenses 73 that corrects the collimated laser light so that the light amount distribution is uniform, and a DMD that corrects the light amount distribution. It is composed of a condenser lens 75 for converging light on the upper side. With respect to the arrangement direction of the laser emission ends, the combined lens 73 expands the light beam in a portion near the optical axis of the lens and contracts the light beam in a portion away from the optical axis, and in a direction orthogonal to the arrangement direction. Has a function of allowing light to pass through as it is, and corrects the laser light so that the light amount distribution becomes uniform.

【0031】また、DMD50の光反射側には、DMD
50で反射されたレーザ光を光硬化性樹脂150の走査
面(被露光面)56上に結像するレンズ系54、58が
配置されている。レンズ系54及び58は、DMD50
と被露光面56とが共役な関係となるように配置されて
いる。
On the light reflecting side of the DMD 50, the DMD
Lens systems 54 and 58 for arranging the laser light reflected by 50 on the scanning surface (exposed surface) 56 of the photocurable resin 150 are arranged. The lens systems 54 and 58 are DMD50s.
And the exposed surface 56 are arranged so as to have a conjugate relationship.

【0032】DMD50は、図6に示すように、SRA
Mセル(メモリセル)60上に、微小ミラー(マイクロ
ミラー)62が支柱により支持されて配置されたもので
あり、画素(ピクセル)を構成する多数の(例えば、6
00個×800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6
2が設けられており、マイクロミラー62の表面にはア
ルミニウム等の反射率の高い材料が蒸着されている。な
お、マイクロミラー62の反射率は90%以上である。
また、マイクロミラー62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SRAMセル
60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。
The DMD 50, as shown in FIG.
A micro mirror (micro mirror) 62 is disposed on an M cell (memory cell) 60 while being supported by a support, and a large number (for example, 6
This is a mirror device configured by arranging pixels, which are 00 × 800 micromirrors, in a grid pattern. Each pixel has a micromirror 6 supported by a pillar at the top.
2 is provided, and a material having a high reflectance such as aluminum is vapor-deposited on the surface of the micro mirror 62. The reflectance of the micro mirror 62 is 90% or more.
Immediately below the micro mirror 62, a silicon gate CMOS SRAM cell 60 manufactured in a normal semiconductor memory manufacturing line is arranged via a pillar including a hinge and a yoke, and the whole is monolithic (integrated type). )
Is configured.

【0033】DMD50のSRAMセル60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62が、対角線を中心としてDMD50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7(A)は、マイクロミラー62がオン状態
である+α度に傾いた状態を示し、図7(B)は、マイ
クロミラー62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、DMD50の各ピク
セルにおけるマイクロミラー62の傾きを、図6に示す
ように制御することによって、DMD50に入射された
光はそれぞれのマイクロミラー62の傾き方向へ反射さ
れる。
When a digital signal is written in the SRAM cell 60 of the DMD 50, the micromirrors 62 supported by the pillars are ± α degrees (for example ± 10 degrees) with respect to the substrate side on which the DMD 50 is arranged with the diagonal line as the center. Tilt in range. FIG. 7A shows a state in which the micro mirror 62 is in the ON state and is inclined to + α degrees, and FIG. 7B shows a state in which the micro mirror 62 is in the OFF state and is inclined to −α degrees. Therefore, by controlling the inclination of the micro mirror 62 in each pixel of the DMD 50 according to the image signal as shown in FIG. 6, the light incident on the DMD 50 is reflected in the inclination direction of each micro mirror 62. .

【0034】なお、図6には、DMD50の一部を拡大
し、マイクロミラー62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6
2のオンオフ制御は、DMD50に接続された図示しな
いコントローラによって行われる。なお、オフ状態のマ
イクロミラー62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。
FIG. 6 shows an example of a state in which a part of the DMD 50 is enlarged and the micromirror 62 is controlled to + α degrees or −α degrees. Each micro mirror 6
The on / off control of No. 2 is performed by a controller (not shown) connected to the DMD 50. A light absorber (not shown) is arranged in the direction in which the light beam is reflected by the micro mirror 62 in the off state.

【0035】また、DMD50は、その短辺が副走査方
向と所定角度θ(例えば、1°〜5°)を成すように僅
かに傾斜させて配置するのが好ましい。図8(A)はD
MD50を傾斜させない場合の各マイクロミラーによる
反射光像(露光ビーム)53の走査軌跡を示し、図8
(B)はDMD50を傾斜させた場合の露光ビーム53
の走査軌跡を示している。
Further, it is preferable that the DMD 50 is disposed so as to be slightly inclined so that its short side makes a predetermined angle θ (for example, 1 ° to 5 °) with the sub-scanning direction. 8 (A) is D
8 shows scanning trajectories of the reflected light image (exposure beam) 53 by each micromirror when the MD 50 is not tilted, and FIG.
(B) is the exposure beam 53 when the DMD 50 is tilted
The scanning locus of is shown.

【0036】DMD50には、長手方向にマイクロミラ
ーが多数個(例えば、800個)配列されたマイクロミ
ラー列が、短手方向に多数組(例えば、600組)配列
されているが、図8(B)に示すように、DMD50を
傾斜させることにより、各マイクロミラーによる露光ビ
ーム53の走査軌跡(走査線)のピッチP1が、DMD
50を傾斜させない場合の走査線のピッチP2より狭く
なり、解像度を大幅に向上させることができる。一方、
DMD50の傾斜角は微小であるので、DMD50を傾
斜させた場合の走査幅W2と、DMD50を傾斜させな
い場合の走査幅W1とは略同一である。
In the DMD 50, a large number (for example, 600) of micromirror rows in which a large number (for example, 800) of micromirrors are arranged in the longitudinal direction are arranged in the lateral direction. As shown in B), by tilting the DMD 50, the pitch P 1 of the scanning locus (scanning line) of the exposure beam 53 by each micromirror is set to the DMD.
The pitch is narrower than the scanning line pitch P 2 when 50 is not tilted, and the resolution can be greatly improved. on the other hand,
Since the tilt angle of the DMD 50 is small, the scan width W 2 when the DMD 50 is tilted and the scan width W 1 when the DMD 50 is not tilted are substantially the same.

【0037】また、異なるマイクロミラー列により同じ
走査線上が重ねて露光(多重露光)されることになる。
このように、多重露光されることで、露光位置の微少量
をコントロールすることができ、高精細な露光を実現す
ることができる。また、主走査方向に配列された複数の
露光ヘッドの間のつなぎ目を微少量の露光位置制御によ
り段差無くつなぐことができる。
Further, the same scanning line is overlapped and exposed (multiple exposure) by different micromirror rows.
By performing multiple exposure in this way, it is possible to control a very small amount of the exposure position and realize high-definition exposure. Further, the joint between the plurality of exposure heads arranged in the main scanning direction can be connected without a step by controlling the exposure position with a very small amount.

【0038】なお、DMD50を傾斜させる代わりに、
各マイクロミラー列を副走査方向と直交する方向に所定
間隔ずらして千鳥状に配置しても、同様の効果を得るこ
とができる。
Instead of tilting the DMD 50,
The same effect can be obtained by arranging the micromirror rows in a zigzag pattern with a predetermined gap in the direction orthogonal to the sub-scanning direction.

【0039】ファイバアレイ光源66は、図9に示すよ
うに、複数(本実施の形態では6個)のレーザモジュー
ル64を備えており、各レーザモジュール64には、マ
ルチモード光ファイバ30の一端が結合されている。マ
ルチモード光ファイバ30の他端には、コア径がマルチ
モード光ファイバ30と同一で且つクラッド径がマルチ
モード光ファイバ30より小さい光ファイバ31が結合
され、図9(C)に示すように、光ファイバ31の出射
端部(発光点)が副走査方向と直交する主走査方向に沿
って1列に配列されてレーザ出射部68が構成されてい
る。なお、図9(D)に示すように、発光点を主走査方
向に沿って2列に配列することもできる。
As shown in FIG. 9, the fiber array light source 66 includes a plurality of (six in this embodiment) laser modules 64, and each laser module 64 has one end of the multimode optical fiber 30. Are combined. At the other end of the multimode optical fiber 30, an optical fiber 31 having the same core diameter as the multimode optical fiber 30 and a cladding diameter smaller than the multimode optical fiber 30 is coupled, and as shown in FIG. The laser emitting portion 68 is configured by arranging the emitting ends (light emitting points) of the optical fibers 31 in one line along the main scanning direction orthogonal to the sub scanning direction. As shown in FIG. 9D, the light emitting points can be arranged in two rows along the main scanning direction.

【0040】光ファイバ31の出射端部は、図9(B)
に示すように、表面が平坦な2枚の支持板65に挟み込
まれて固定されている。また、光ファイバ31の光出射
側には、光ファイバ31の端面を保護するために、ガラ
ス等の透明な保護板63が配置されている。保護板63
は、光ファイバ31の端面と密着させて配置してもよ
く、光ファイバ31の端面が密封されるように配置して
もよい。光ファイバ31の出射端部は、光密度が高く集
塵し易く劣化し易いが、保護板63を配置することによ
り端面への塵埃の付着を防止することができると共に劣
化を遅らせることができる。
The emission end of the optical fiber 31 is shown in FIG.
As shown in FIG. 7, the support plate 65 is sandwiched and fixed by two support plates 65 having flat surfaces. A transparent protective plate 63 such as glass is arranged on the light emitting side of the optical fiber 31 to protect the end face of the optical fiber 31. Protection plate 63
May be arranged in close contact with the end face of the optical fiber 31, or may be arranged so that the end face of the optical fiber 31 is sealed. Although the emission end of the optical fiber 31 has a high light density and easily collects dust and easily deteriorates, by disposing the protective plate 63, it is possible to prevent dust from adhering to the end face and delay the deterioration.

【0041】この例では、クラッド径が小さい光ファイ
バ31の出射端を隙間無く1列に配列するために、クラ
ッド径が大きい部分で隣接する2本のマルチモード光フ
ァイバ30の間にマルチモード光ファイバ30を積み重
ね、積み重ねられたマルチモード光ファイバ30に結合
された光ファイバ31の出射端が、クラッド径が大きい
部分で隣接する2本のマルチモード光ファイバ30に結
合された光ファイバ31の2つの出射端の間に挟まれる
ように配列されている。
In this example, in order to arrange the output ends of the optical fibers 31 having a small clad diameter in one row without a gap, the multimode optical fibers 30 are adjacent to each other in the portion having a large clad diameter. The fibers 30 are stacked, and the output end of the optical fiber 31 coupled to the stacked multi-mode optical fibers 30 is two of the optical fibers 31 coupled to the two multi-mode optical fibers 30 adjacent to each other in the portion where the cladding diameter is large. It is arranged so as to be sandwiched between two emission ends.

【0042】このような光ファイバは、例えば、図10
に示すように、クラッド径が大きいマルチモード光ファ
イバ30のレーザ光出射側の先端部分に、長さ1〜30
cmのクラッド径が小さい光ファイバ31を同軸的に結
合することにより得ることができる。2本の光ファイバ
は、光ファイバ31の入射端面が、マルチモード光ファ
イバ30の出射端面に、両光ファイバの中心軸が一致す
るように融着されて結合されている。上述した通り、光
ファイバ31のコア31aの径は、マルチモード光ファ
イバ30のコア30aの径と同じ大きさである。
Such an optical fiber is shown in FIG.
As shown in FIG. 3, the length of the multimode optical fiber 30 having a large cladding diameter is
It can be obtained by coaxially coupling optical fibers 31 having a small clad diameter of cm. The two optical fibers are fused and coupled so that the incident end face of the optical fiber 31 is connected to the emitting end face of the multimode optical fiber 30 so that the central axes of the both optical fibers coincide with each other. As described above, the diameter of the core 31a of the optical fiber 31 is the same as the diameter of the core 30a of the multimode optical fiber 30.

【0043】また、長さが短くクラッド径が大きい光フ
ァイバにクラッド径が小さい光ファイバを融着させた短
尺光ファイバを、フェルールや光コネクタ等を介してマ
ルチモード光ファイバ30の出射端に結合してもよい。
コネクタ等を用いて着脱可能に結合することで、クラッ
ド径が小さい光ファイバが破損した場合等に先端部分の
交換が容易になり、露光ヘッドのメンテナンスに要する
コストを低減できる。なお、以下では、光ファイバ31
を、マルチモード光ファイバ30の出射端部と称する場
合がある。
Further, a short optical fiber in which an optical fiber having a small clad diameter is fused to an optical fiber having a short length and a large clad diameter is coupled to the emission end of the multimode optical fiber 30 via a ferrule or an optical connector. You may.
By detachably coupling with a connector or the like, the tip portion can be easily replaced when the optical fiber having a small clad diameter is damaged, and the cost required for maintenance of the exposure head can be reduced. In the following, the optical fiber 31
May be referred to as the exit end of the multimode optical fiber 30.

【0044】マルチモード光ファイバ30及び光ファイ
バ31としては、ステップインデックス型光ファイバ、
グレーテッドインデックス型光ファイバ、及び複合型光
ファイバの何れでもよい。例えば、三菱電線工業株式会
社製のステップインデックス型光ファイバを用いること
ができる。本実施の形態では、マルチモード光ファイバ
30及び光ファイバ31は、ステップインデックス型光
ファイバであり、マルチモード光ファイバ30は、クラ
ッド径=125μm、コア径=25μm、NA=0.
2、入射端面コートの透過率=99.5%以上であり、
光ファイバ31は、クラッド径=60μm、コア径=2
5μm、NA=0.2である。
As the multimode optical fiber 30 and the optical fiber 31, a step index type optical fiber,
Either a graded index type optical fiber or a composite type optical fiber may be used. For example, a step index type optical fiber manufactured by Mitsubishi Cable Industries, Ltd. can be used. In the present embodiment, the multimode optical fiber 30 and the optical fiber 31 are step index type optical fibers, and the multimode optical fiber 30 has a cladding diameter = 125 μm, a core diameter = 25 μm, and NA = 0.
2, the transmittance of the incident end face coat = 99.5% or more,
The optical fiber 31 has a clad diameter of 60 μm and a core diameter of 2
5 μm, NA = 0.2.

【0045】一般に、赤外領域のレーザ光では、光ファ
イバのクラッド径を小さくすると伝搬損失が増加する。
このため、レーザ光の波長帯域に応じて好適なクラッド
径が決定されている。しかしながら、波長が短いほど伝
搬損失は少なくなり、GaN系半導体レーザから出射さ
れた波長405nmのレーザ光では、クラッドの厚み
{(クラッド径−コア径)/2}を800nmの波長帯
域の赤外光を伝搬させる場合の1/2程度、通信用の
1.5μmの波長帯域の赤外光を伝搬させる場合の約1
/4にしても、伝搬損失は殆ど増加しない。従って、ク
ラッド径を60μmと小さくすることができる。
In general, with laser light in the infrared region, the propagation loss increases when the cladding diameter of the optical fiber is reduced.
Therefore, a suitable cladding diameter is determined according to the wavelength band of laser light. However, the shorter the wavelength is, the smaller the propagation loss becomes, and in the laser light having a wavelength of 405 nm emitted from the GaN-based semiconductor laser, the cladding thickness {(clad diameter-core diameter) / 2} is the infrared light in the wavelength band of 800 nm. Of about 1/2 when propagating infrared light, and about 1 when propagating infrared light in the wavelength band of 1.5 μm for communication.
Even at / 4, the propagation loss hardly increases. Therefore, the cladding diameter can be reduced to 60 μm.

【0046】但し、光ファイバ31のクラッド径は60
μmには限定されない。従来のファイバ光源に使用され
ている光ファイバのクラッド径は125μmであるが、
クラッド径が小さくなるほど輝度が上がるため焦点深度
がより深くなるので、マルチモード光ファイバのクラッ
ド径は80μm以下が好ましく、60μm以下がより好
ましく、40μm以下が更に好ましい。一方、コア径は
少なくとも3〜4μm必要であることから、光ファイバ
31のクラッド径は10μm以上が好ましい。
However, the cladding diameter of the optical fiber 31 is 60
It is not limited to μm. The clad diameter of the optical fiber used in the conventional fiber light source is 125 μm,
The smaller the clad diameter, the higher the brightness and the deeper the depth of focus. Therefore, the clad diameter of the multimode optical fiber is preferably 80 μm or less, more preferably 60 μm or less, and further preferably 40 μm or less. On the other hand, since the core diameter needs to be at least 3 to 4 μm, the cladding diameter of the optical fiber 31 is preferably 10 μm or more.

【0047】レーザモジュール64は、図11に示す合
波レーザ光源(ファイバ光源)によって構成されてい
る。この合波レーザ光源は、ヒートブロック10上に配
列固定された複数(例えば、7個)のチップ状の横マル
チモード又はシングルモードのGaN系半導体レーザL
D1,LD2,LD3,LD4,LD5,LD6,及び
LD7と、GaN系半導体レーザLD1〜LD7の各々
に対応して設けられたコリメータレンズ11,12,1
3,14,15,16,及び17と、1つの集光レンズ
20と、1本のマルチモード光ファイバ30と、から構
成されている。なお、半導体レーザの数は7個には限定
されない。クラッド径=60μm、コア径=50μm、
NA=0.2のマルチモード光ファイバには、20個も
の半導体レーザ光を入射することが可能であり、露光ヘ
ッドの必要光量を実現して、且つ光ファイバ本数をより
減らすことができる。
The laser module 64 is composed of a combined laser light source (fiber light source) shown in FIG. This combined laser light source is a plurality (eg, 7) of chip-shaped lateral multimode or single mode GaN-based semiconductor lasers L arranged and fixed on the heat block 10.
D1, LD2, LD3, LD4, LD5, LD6 and LD7, and collimator lenses 11, 12 and 1 provided corresponding to each of the GaN-based semiconductor lasers LD1 to LD7.
It comprises 3, 14, 15, 16, and 17, one condenser lens 20, and one multimode optical fiber 30. The number of semiconductor lasers is not limited to seven. Clad diameter = 60 μm, core diameter = 50 μm,
As many as 20 semiconductor laser beams can be incident on the multimode optical fiber with NA = 0.2, the required amount of light of the exposure head can be realized, and the number of optical fibers can be further reduced.

【0048】GaN系半導体レーザLD1〜LD7は、
発振波長が総て共通(例えば、405nm)であり、最
大出力も総て共通(例えば、マルチモードレーザでは1
00mW、シングルモードレーザでは30mW)であ
る。なお、GaN系半導体レーザLD1〜LD7として
は、350nm〜450nmの波長範囲で、上記の40
5nm以外の発振波長を備えるレーザを用いることがで
きる。レーザ光の波長帯域は350〜420nmがより
好ましい。低コストなGaN系半導体レーザを用いると
いう点では、波長408nmが特に好ましい。
The GaN semiconductor lasers LD1 to LD7 are
The oscillation wavelengths are all common (for example, 405 nm), and the maximum outputs are also all common (for example, 1 for a multimode laser).
00 mW, and 30 mW for a single mode laser). The GaN-based semiconductor lasers LD1 to LD7 have a wavelength range of 350 nm to 450 nm and the above 40
A laser having an oscillation wavelength other than 5 nm can be used. The wavelength band of the laser light is more preferably 350 to 420 nm. The wavelength of 408 nm is particularly preferable in that a low-cost GaN-based semiconductor laser is used.

【0049】上記の合波レーザ光源は、図12及び図1
3に示すように、他の光学要素と共に、上方が開口した
箱状のパッケージ40内に収納されている。パッケージ
40は、その開口を閉じるように作成されたパッケージ
蓋41を備えており、脱気処理後に封止ガスを導入し、
パッケージ40の開口をパッケージ蓋41で閉じること
により、パッケージ40とパッケージ蓋41とにより形
成される閉空間(封止空間)内に上記合波レーザ光源が
気密封止されている。
The above-mentioned combined laser light source is shown in FIGS.
As shown in FIG. 3, it is housed together with other optical elements in a box-shaped package 40 having an upper opening. The package 40 includes a package lid 41 formed so as to close the opening thereof, and introduces a sealing gas after the degassing process,
By closing the opening of the package 40 with the package lid 41, the combined laser light source is hermetically sealed in the closed space (sealing space) formed by the package 40 and the package lid 41.

【0050】パッケージ40の底面にはベース板42が
固定されており、このベース板42の上面には、前記ヒ
ートブロック10と、集光レンズ20を保持する集光レ
ンズホルダー45と、マルチモード光ファイバ30の入
射端部を保持するファイバホルダー46とが取り付けら
れている。マルチモード光ファイバ30の出射端部は、
パッケージ40の壁面に形成された開口からパッケージ
外に引き出されている。
A base plate 42 is fixed to the bottom surface of the package 40, and the heat block 10, a condenser lens holder 45 for holding the condenser lens 20, and a multimode light are provided on the upper surface of the base plate 42. A fiber holder 46 that holds the entrance end of the fiber 30 is attached. The exit end of the multimode optical fiber 30 is
It is pulled out from the package through an opening formed in the wall surface of the package 40.

【0051】また、ヒートブロック10の側面にはコリ
メータレンズホルダー44が取り付けられており、コリ
メータレンズ11〜17が保持されている。パッケージ
40の横壁面には開口が形成され、この開口を通してG
aN系半導体レーザLD1〜LD7に駆動電流を供給す
る配線47がパッケージ外に引き出されている。
A collimator lens holder 44 is attached to the side surface of the heat block 10 and holds the collimator lenses 11 to 17. An opening is formed on the lateral wall surface of the package 40 and G
A wiring 47 for supplying a drive current to the aN semiconductor lasers LD1 to LD7 is drawn out of the package.

【0052】なお、図13においては、図の煩雑化を避
けるために、複数のGaN系半導体レーザのうちGaN
系半導体レーザLD7にのみ番号を付し、複数のコリメ
ータレンズのうちコリメータレンズ17にのみ番号を付
している。
Incidentally, in FIG. 13, in order to avoid complication of the drawing, GaN among a plurality of GaN-based semiconductor lasers is used.
Only the system semiconductor laser LD7 is numbered, and only the collimator lens 17 of the plurality of collimator lenses is numbered.

【0053】図14は、上記コリメータレンズ11〜1
7の取り付け部分の正面形状を示すものである。コリメ
ータレンズ11〜17の各々は、非球面を備えた円形レ
ンズの光軸を含む領域を平行な平面で細長く切り取った
形状に形成されている。この細長形状のコリメータレン
ズは、例えば、樹脂又は光学ガラスをモールド成形する
ことによって形成することができる。コリメータレンズ
11〜17は、長さ方向がGaN系半導体レーザLD1
〜LD7の発光点の配列方向(図14の左右方向)と直
交するように、上記発光点の配列方向に密接配置されて
いる。
FIG. 14 shows the collimator lenses 11-1.
7 is a front view of a mounting portion of No. 7. Each of the collimator lenses 11 to 17 is formed in a shape in which a region including the optical axis of a circular lens having an aspherical surface is elongated and cut out in parallel planes. The elongated collimator lens can be formed by molding resin or optical glass, for example. The length direction of the collimator lenses 11 to 17 is a GaN-based semiconductor laser LD1.
~ LD7 is closely arranged in the arrangement direction of the light emitting points so as to be orthogonal to the arrangement direction of the light emitting points (the horizontal direction in FIG. 14).

【0054】一方、GaN系半導体レーザLD1〜LD
7としては、発光幅が2μmの活性層を備え、活性層と
平行な方向、直角な方向の拡がり角が各々例えば10
°、30°の状態で各々レーザビームB1〜B7を発す
るレーザが用いられている。これらGaN系半導体レー
ザLD1〜LD7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。
On the other hand, GaN semiconductor lasers LD1 to LD
7 includes an active layer having an emission width of 2 μm, and the divergence angle in the direction parallel to the active layer and the divergence angle in the direction perpendicular to the active layer are, for example, 10
Lasers which emit laser beams B1 to B7 in the respective states of 30 ° and 30 ° are used. These GaN-based semiconductor lasers LD1 to LD7 have an emission point of 1 in the direction parallel to the active layer.
It is arranged so as to line up in a row.

【0055】従って、各発光点から発せられたレーザビ
ームB1〜B7は、上述のように細長形状の各コリメー
タレンズ11〜17に対して、拡がり角度が大きい方向
が長さ方向と一致し、拡がり角度が小さい方向が幅方向
(長さ方向と直交する方向)と一致する状態で入射する
ことになる。つまり、各コリメータレンズ11〜17の
幅が1.1mm、長さが4.6mmであり、それらに入
射するレーザビームB1〜B7の水平方向、垂直方向の
ビーム径は各々0.9mm、2.6mmである。また、
コリメータレンズ11〜17の各々は、焦点距離f1
3mm、NA=0.6、レンズ配置ピッチ=1.25m
mである。
Therefore, the laser beams B1 to B7 emitted from the respective light emitting points diverge with respect to the elongated collimator lenses 11 to 17 as described above, in which the direction where the divergence angle is large coincides with the length direction. The light enters in a state in which the direction with a small angle coincides with the width direction (direction orthogonal to the length direction). That is, each collimator lens 11 to 17 has a width of 1.1 mm and a length of 4.6 mm, and the laser beams B1 to B7 incident on them have horizontal and vertical beam diameters of 0.9 mm and 2. It is 6 mm. Also,
Each of the collimator lenses 11 to 17 has a focal length f 1 =
3 mm, NA = 0.6, lens arrangement pitch = 1.25 m
m.

【0056】集光レンズ20は、非球面を備えた円形レ
ンズの光軸を含む領域を平行な平面で細長く切り取っ
て、コリメータレンズ11〜17の配列方向、つまり水
平方向に長く、それと直角な方向に短い形状に形成され
ている。この集光レンズ20は、焦点距離f2=23m
m、NA=0.2である。この集光レンズ20も、例え
ば、樹脂又は光学ガラスをモールド成形することにより
形成される。
In the condenser lens 20, a region including the optical axis of a circular lens provided with an aspherical surface is cut into long and thin parts in parallel planes, and the collimator lenses 11 to 17 are arranged in a long direction, that is, in the horizontal direction, and in a direction perpendicular to it. It has a short shape. This condenser lens 20 has a focal length f 2 = 23 m
m, NA = 0.2. The condenser lens 20 is also formed by molding resin or optical glass, for example.

【0057】[光造形装置の動作]次に、上記光造形装
置の動作について説明する。
[Operation of Stereolithography Apparatus] Next, the operation of the above stereolithography apparatus will be described.

【0058】スキャナ162の各露光ヘッド166にお
いて、ファイバアレイ光源66の合波レーザ光源を構成
するGaN系半導体レーザLD1〜LD7の各々から発
散光状態で出射したレーザビームB1,B2,B3,B
4,B5,B6,及びB7の各々は、対応するコリメー
タレンズ11〜17によって平行光化される。平行光化
されたレーザビームB1〜B7は、集光レンズ20によ
って集光され、マルチモード光ファイバ30のコア30
aの入射端面に収束する。
In each exposure head 166 of the scanner 162, laser beams B1, B2, B3, B emitted in a divergent state from each of the GaN semiconductor lasers LD1 to LD7 constituting the combined laser light source of the fiber array light source 66.
4, B5, B6, and B7 are collimated by the corresponding collimator lenses 11 to 17, respectively. The collimated laser beams B1 to B7 are condensed by the condenser lens 20, and the core 30 of the multimode optical fiber 30 is collected.
It converges on the incident end face of a.

【0059】本例では、コリメータレンズ11〜17及
び集光レンズ20によって集光光学系が構成され、その
集光光学系とマルチモード光ファイバ30とによって合
波光学系が構成されている。即ち、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B1〜B7
が、このマルチモード光ファイバ30のコア30aに入
射して光ファイバ内を伝搬し、1本のレーザビームBに
合波されてマルチモード光ファイバ30の出射端部に結
合された光ファイバ31から出射する。
In this example, the collimator lenses 11 to 17 and the condenser lens 20 constitute a condenser optical system, and the condenser optical system and the multimode optical fiber 30 constitute a multiplexing optical system. That is, the laser beams B1 to B7 condensed by the condenser lens 20 as described above.
From the optical fiber 31 which is incident on the core 30a of the multimode optical fiber 30, propagates in the optical fiber, is combined with one laser beam B, and is coupled to the emission end of the multimode optical fiber 30. Emit.

【0060】各レーザモジュールにおいて、レーザビー
ムB1〜B7のマルチモード光ファイバ30への結合効
率が0.85で、GaN系半導体レーザLD1〜LD7
の各出力が30mWの場合には、アレイ状に配列された
光ファイバ31の各々について、出力180mW(=3
0mW×0.85×7)の合波レーザビームBを得るこ
とができる。従って、6本の光ファイバ31がアレイ状
に配列されたレーザ出射部68での出力は約1W(=1
80mW×6)である。
In each laser module, the coupling efficiency of the laser beams B1 to B7 to the multimode optical fiber 30 is 0.85, and the GaN semiconductor lasers LD1 to LD7.
Output of 30 mW, the output of each of the optical fibers 31 arranged in an array is 180 mW (= 3
A combined laser beam B of 0 mW × 0.85 × 7) can be obtained. Therefore, the output of the laser emitting section 68 in which the six optical fibers 31 are arranged in an array is about 1 W (= 1
80 mW x 6).

【0061】ファイバアレイ光源66のレーザ出射部6
8には、この通り高輝度の発光点が主走査方向に沿って
一列に配列されている。単一の半導体レーザからのレー
ザ光を1本の光ファイバに結合させる従来のファイバ光
源は低出力であるため、多数列配列しなければ所望の出
力を得ることができなかったが、本実施の形態で使用す
る合波レーザ光源は高出力であるため、少数列、例えば
1列でも所望の出力を得ることができる。
Laser emitting section 6 of fiber array light source 66
As shown in FIG. 8, high-luminance light emitting points are arranged in a line in the main scanning direction. Since the conventional fiber light source that combines the laser light from a single semiconductor laser into one optical fiber has a low output, a desired output could not be obtained without arranging in multiple rows. Since the combined laser light source used in the mode has a high output, a desired output can be obtained even with a small number of rows, for example, one row.

【0062】例えば、半導体レーザと光ファイバを1対
1で結合させた従来のファイバ光源では、通常、半導体
レーザとしては出力30mW(ミリワット)程度のレー
ザが使用され、光ファイバとしてはコア径50μm、ク
ラッド径125μm、NA(開口数)0.2のマルチモ
ード光ファイバが使用されているので、約1W(ワッ
ト)の出力を得ようとすれば、マルチモード光ファイバ
を48本(8×6)束ねなければならず、発光領域の面
積は0.62mm2(0.675mm×0.925m
m)であるから、レーザ出射部68での輝度は1.6×
106(W/m2)、光ファイバ1本当りの輝度は3.
2×106(W/m2)である。
For example, in a conventional fiber light source in which a semiconductor laser and an optical fiber are coupled one-to-one, a laser having an output of about 30 mW (milliwatt) is usually used as the semiconductor laser, and a core diameter of 50 μm is used as the optical fiber. Since a multimode optical fiber with a cladding diameter of 125 μm and an NA (numerical aperture) of 0.2 is used, 48 multimode optical fibers (8 × 6) are required to obtain an output of about 1 W (watt). Must be bundled, the area of the light emitting region is 0.62mm2 (0.675mm × 0.925m
m), the brightness at the laser emitting portion 68 is 1.6 ×
106 (W / m2), the brightness per optical fiber is 3.
It is 2 × 10 6 (W / m 2).

【0063】これに対し、本実施の形態では、上述した
通り、マルチモード光ファイバ6本で約1Wの出力を得
ることができ、レーザ出射部68での発光領域の面積は
0.0081mm2(0.325mm×0.025m
m)であるから、レーザ出射部68での輝度は123×
106(W/m2)となり、従来に比べ約80倍の高輝
度化を図ることができる。また、光ファイバ1本当りの
輝度は90×106(W/m2)であり、従来に比べ約
28倍の高輝度化を図ることができる。
On the other hand, in the present embodiment, as described above, the output of about 1 W can be obtained with the six multimode optical fibers, and the area of the light emitting region at the laser emitting portion 68 is 0.0081 mm 2 (0 .325 mm x 0.025 m
m), the brightness at the laser emitting portion 68 is 123 ×
Since it is 106 (W / m2), it is possible to increase the brightness by about 80 times as compared with the conventional one. In addition, the brightness per optical fiber is 90 × 10 6 (W / m 2), and it is possible to achieve a brightness that is about 28 times higher than the conventional one.

【0064】ここで、図15(A)及び(B)を参照し
て、従来の露光ヘッドと本実施の形態の露光ヘッドとの
焦点深度の違いについて説明する。従来の露光ヘッドの
バンドル状ファイバ光源の発光領域の副走査方向の径は
0.675mmであり、本実施の形態の露光ヘッドのフ
ァイバアレイ光源の発光領域の副走査方向の径は0.0
25mmである。図15(A)に示すように、従来の露
光ヘッドでは、光源(バンドル状ファイバ光源)1の発
光領域が大きいので、DMD3へ入射する光束の角度が
大きくなり、結果として走査面5へ入射する光束の角度
が大きくなる。このため、集光方向(ピント方向のず
れ)に対してビーム径が太りやすい。
Here, the difference in depth of focus between the conventional exposure head and the exposure head of the present embodiment will be described with reference to FIGS. 15 (A) and 15 (B). The diameter of the light emitting region of the bundle-shaped fiber light source of the conventional exposure head in the sub scanning direction is 0.675 mm, and the diameter of the light emitting region of the fiber array light source of the exposure head of the present embodiment in the sub scanning direction is 0.075 mm.
It is 25 mm. As shown in FIG. 15A, in the conventional exposure head, since the light emitting area of the light source (bundle-shaped fiber light source) 1 is large, the angle of the light beam incident on the DMD 3 is large, and as a result, it is incident on the scanning surface 5. The angle of the luminous flux becomes large. For this reason, the beam diameter tends to be thicker in the focusing direction (shift in the focusing direction).

【0065】一方、図15(B)に示すように、本実施
の形態の露光ヘッドでは、ファイバアレイ光源66の発
光領域の副走査方向の径が小さいので、レンズ系67を
通過してDMD50へ入射する光束の角度が小さくな
り、結果として走査面56へ入射する光束の角度が小さ
くなる。即ち、焦点深度が深くなる。この例では、発光
領域の副走査方向の径は従来の約30倍になっており、
略回折限界に相当する焦点深度を得ることができる。従
って、微小スポットの露光に好適である。この焦点深度
への効果は、露光ヘッドの必要光量が大きいほど顕著で
あり、有効である。この例では、露光面に投影された1
画素サイズは10μm×10μmである。なお、DMD
は反射型の空間変調素子であるが、図15(A)及び
(B)は、光学的な関係を説明するために展開図とし
た。
On the other hand, as shown in FIG. 15B, in the exposure head of this embodiment, since the diameter of the light emitting area of the fiber array light source 66 in the sub-scanning direction is small, it passes through the lens system 67 to the DMD 50. The angle of the incident light beam becomes smaller, and as a result, the angle of the light beam incident on the scanning surface 56 becomes smaller. That is, the depth of focus becomes deep. In this example, the diameter of the light emitting area in the sub-scanning direction is about 30 times that of the conventional one.
It is possible to obtain a depth of focus corresponding to the diffraction limit. Therefore, it is suitable for exposure of a minute spot. The effect on the depth of focus is more remarkable and effective as the required light amount of the exposure head is larger. In this example, 1 projected on the exposure surface
The pixel size is 10 μm × 10 μm. DMD
Is a reflection type spatial modulation element, but FIGS. 15A and 15B are developed views for explaining the optical relationship.

【0066】1層分の露光パターンに応じた画像データ
が、DMD50に接続された図示しないコントローラに
入力され、コントローラ内のフレームメモリに一旦記憶
される。この画像データは、画像を構成する各画素の濃
度を2値(ドットの記録の有無)で表したデータであ
る。
Image data corresponding to the exposure pattern for one layer is input to a controller (not shown) connected to the DMD 50 and temporarily stored in a frame memory in the controller. This image data is data in which the density of each pixel forming the image is represented by a binary value (whether or not dots are recorded).

【0067】スキャナ162は、図示しない駆動装置に
より、ガイド158に沿って副走査方向の上流側から下
流側に一定速度で移動される。スキャナ162の移動が
開始されると、フレームメモリに記憶された画像データ
が複数ライン分ずつ順次読み出され、データ処理部で読
み出された画像データに基づいて各露光ヘッド166毎
に制御信号が生成される。そして、ミラー駆動制御部に
より、生成された制御信号に基づいて各露光ヘッド16
6毎にDMD50のマイクロミラーの各々がオンオフ制
御される。
The scanner 162 is moved along the guide 158 from the upstream side to the downstream side in the sub-scanning direction at a constant speed by a driving device (not shown). When the movement of the scanner 162 is started, the image data stored in the frame memory is sequentially read out by a plurality of lines, and a control signal is sent to each exposure head 166 based on the image data read by the data processing unit. Is generated. Then, each exposure head 16 is controlled by the mirror drive controller based on the generated control signal.
Each of the micromirrors of the DMD 50 is controlled to be turned on / off every 6 times.

【0068】ファイバアレイ光源66からDMD50に
レーザ光が照射されると、DMD50のマイクロミラー
がオン状態のときに反射されたレーザ光は、レンズ系5
4、58により光硬化性樹脂150の液面(被露光面)
56上に結像される。このようにして、ファイバアレイ
光源66から出射されたレーザ光が画素毎にオンオフさ
れて、光硬化性樹脂150がDMD50の使用画素数と
略同数の画素単位(露光エリア168)で露光されて硬
化する。また、スキャナ162が一定速度で移動される
ことにより、光硬化性樹脂150の液面が副走査され、
各露光ヘッド166毎に帯状の硬化領域170が形成さ
れる。
When the DMD 50 is irradiated with laser light from the fiber array light source 66, the laser light reflected when the micromirrors of the DMD 50 are in the on state is reflected by the lens system 5.
Liquid level of the photocurable resin 150 (exposed surface) by 4, 58
Imaged on 56. In this way, the laser light emitted from the fiber array light source 66 is turned on and off for each pixel, and the photo-curable resin 150 is exposed and cured in the same number of pixel units (exposure area 168) as the number of pixels used in the DMD 50. To do. Further, by moving the scanner 162 at a constant speed, the liquid surface of the photocurable resin 150 is sub-scanned,
A belt-shaped hardening region 170 is formed for each exposure head 166.

【0069】図16(A)及び(B)に示すように、本
実施の形態では、DMD50には、主走査方向にマイク
ロミラーが800個配列されたマイクロミラー列が、副
走査方向に600組配列されているが、本実施の形態で
は、コントローラ51により一部のマイクロミラー列
(例えば、800個×100列)だけが駆動されるよう
に制御する。
As shown in FIGS. 16A and 16B, in the present embodiment, the DMD 50 has 600 sets of micromirror rows in which 800 micromirrors are arrayed in the main scanning direction and in the subscanning direction. Although arranged, in the present embodiment, the controller 51 controls so that only some of the micromirror rows (for example, 800 rows × 100 rows) are driven.

【0070】図16(A)に示すように、DMD50の
中央部に配置されたマイクロミラー列を使用してもよ
く、図16(B)に示すように、DMD50の端部に配
置されたマイクロミラー列を使用してもよい。また、一
部のマイクロミラーに欠陥が発生した場合は、欠陥が発
生していないマイクロミラー列を使用するなど、状況に
応じて使用するマイクロミラー列を適宜変更してもよ
い。
As shown in FIG. 16 (A), a micromirror array arranged at the center of the DMD 50 may be used, or as shown in FIG. 16 (B), a micromirror array arranged at the end of the DMD 50. Mirror rows may be used. Further, when a defect occurs in some of the micromirrors, the micromirror array used may be appropriately changed depending on the situation, such as using a micromirror array in which no defect has occurred.

【0071】DMD50のデータ処理速度には限界があ
り、使用する画素数に比例して1ライン当りの変調速度
が決定されるので、一部のマイクロミラー列だけを使用
することで1ライン当りの変調速度が速くなる。一方、
連続的に露光ヘッドを露光面に対して相対移動させる露
光方式の場合には、副走査方向の画素を全部使用する必
要はない。
The data processing speed of the DMD 50 is limited, and the modulation speed per line is determined in proportion to the number of pixels used. Therefore, by using only some micromirror rows The modulation speed becomes faster. on the other hand,
In the case of the exposure method in which the exposure head is continuously moved relative to the exposure surface, it is not necessary to use all the pixels in the sub-scanning direction.

【0072】例えば、600組のマイクロミラー列の
内、300組だけ使用する場合には、600組全部使用
する場合と比較すると1ライン当り2倍速く変調するこ
とができる。また、600組のマイクロミラー列の内、
200組だけ使用する場合には、600組全部使用する
場合と比較すると1ライン当り3倍速く変調することが
できる。即ち、副走査方向に500mmの領域を17秒
で露光できる。また、100組だけ使用する場合には、
1ライン当り6倍速く変調することができる。即ち、副
走査方向に500mmの領域を9秒で露光できる。
For example, when only 300 of the 600 sets of micromirror arrays are used, the modulation can be performed twice as fast per line as compared with the case where all 600 sets are used. Also, of the 600 pairs of micromirrors,
When only 200 sets are used, modulation can be performed three times faster per line than when all 600 sets are used. That is, an area of 500 mm in the sub-scanning direction can be exposed in 17 seconds. Also, when using only 100 pairs,
Modulation can be performed 6 times faster per line. That is, an area of 500 mm in the sub scanning direction can be exposed in 9 seconds.

【0073】使用するマイクロミラー列の数、即ち、副
走査方向に配列されたマイクロミラーの個数は、10以
上で且つ200以下が好ましく、10以上で且つ100
以下がより好ましい。1画素に相当するマイクロミラー
1個当りの面積は15μm×15μmであるから、DM
D50の使用領域に換算すると、12mm×150μm
以上で且つ12mm×3mm以下の領域が好ましく、1
2mm×150μm以上で且つ12mm×1.5mm以
下の領域がより好ましい。
The number of micromirror rows used, that is, the number of micromirrors arrayed in the sub-scanning direction is preferably 10 or more and 200 or less, and 10 or more and 100 or more.
The following is more preferable. Since the area per micromirror corresponding to one pixel is 15 μm × 15 μm, DM
Converted to the usage area of D50, 12 mm x 150 μm
It is preferable that the area is not less than 12 mm × 3 mm and not less than 1
A region of 2 mm × 150 μm or more and 12 mm × 1.5 mm or less is more preferable.

【0074】使用するマイクロミラー列の数が上記範囲
にあれば、図17(A)及び(B)に示すように、ファ
イバアレイ光源66から出射されたレーザ光をレンズ系
67で略平行光化して、DMD50に照射することがで
きる。DMD50によりレーザ光を照射する照射領域
は、DMD50の使用領域と一致することが好ましい。
照射領域が使用領域よりも広いとレーザ光の利用効率が
低下する。
If the number of micromirror rows used is within the above range, as shown in FIGS. 17A and 17B, the laser light emitted from the fiber array light source 66 is converted into substantially parallel light by the lens system 67. Then, the DMD 50 can be irradiated. It is preferable that the irradiation area where the DMD 50 irradiates the laser light coincides with the usage area of the DMD 50.
If the irradiation area is wider than the usage area, the utilization efficiency of the laser light is reduced.

【0075】一方、DMD50上に集光させる光ビーム
の副走査方向の径を、レンズ系67により副走査方向に
配列されたマイクロミラーの個数に応じて小さくする必
要があるが、使用するマイクロミラー列の数が10未満
であると、DMD50に入射する光束の角度が大きくな
り、走査面56における光ビームの焦点深度が浅くなる
ので好ましくない。また、使用するマイクロミラー列の
数が200以下が変調速度の観点から好ましい。なお、
DMDは反射型の空間変調素子であるが、図17(A)
及び(B)は、光学的な関係を説明するために展開図と
した。
On the other hand, the diameter of the light beam focused on the DMD 50 in the sub-scanning direction needs to be reduced according to the number of micro mirrors arranged in the sub-scanning direction by the lens system 67. If the number of rows is less than 10, the angle of the light beam incident on the DMD 50 becomes large and the depth of focus of the light beam on the scanning surface 56 becomes shallow, which is not preferable. Further, it is preferable that the number of micromirror rows used is 200 or less from the viewpoint of modulation speed. In addition,
The DMD is a reflective spatial light modulator, which is shown in FIG.
(B) is a developed view for explaining the optical relationship.

【0076】スキャナ162による1回の副走査により
1層分の硬化が終了すると、スキャナ162は、図示し
ない駆動装置により、ガイド158に沿って最上流側に
ある原点に復帰する。次に、図示しない駆動モータによ
りリードスクリュー155を回転させて昇降ステージ1
52を所定量降下させ、光硬化性樹脂150の硬化部分
を液面下に沈め、硬化部分上方を液状の光硬化性樹脂1
50で満たす。そして、次の層の画像データが、DMD
50に接続された図示しないコントローラに入力される
と、再度、スキャナ162による副走査が行われる。こ
のように、副走査による露光(硬化)とステージの降下
とを繰り返し行い、硬化部分が積み重ねられることによ
り3次元モデルが形成される。
When the curing of one layer is completed by one sub-scanning by the scanner 162, the scanner 162 is returned to the origin on the most upstream side along the guide 158 by the driving device (not shown). Next, the lead screw 155 is rotated by a drive motor (not shown) to move the lifting stage 1
52 is lowered by a predetermined amount, the cured portion of the photocurable resin 150 is sunk below the liquid surface, and the upper portion of the cured portion is a liquid photocurable resin 1
Fill with 50. Then, the image data of the next layer is DMD.
When input to a controller (not shown) connected to 50, the sub-scanning by the scanner 162 is performed again. In this way, the exposure (curing) by the sub-scanning and the descending of the stage are repeated, and the cured portions are stacked to form a three-dimensional model.

【0077】以上説明した通り、本実施の形態の光造形
装置は、主走査方向にマイクロミラーが800個配列さ
れたマイクロミラー列が、副走査方向に600組配列さ
れたDMDを備えているが、コントローラにより一部の
マイクロミラー列だけが駆動されるように制御するの
で、全部のマイクロミラー列を駆動する場合に比べて、
1ライン当りの変調速度が速くなる。これにより高速で
の露光、造形が可能になる。
As described above, the stereolithography apparatus according to the present embodiment is provided with the DMD in which the micromirror array in which 800 micromirrors are arranged in the main scanning direction and the 600 sets in the subscanning direction are arranged. , The controller controls so that only some of the micromirror rows are driven, so compared to the case of driving all the micromirror rows,
The modulation speed per line becomes faster. This enables high-speed exposure and modeling.

【0078】また、DMDを照明する光源に、合波レー
ザ光源の光ファイバの出射端部をアレイ状に配列した高
輝度のファイバアレイ光源を用いているので、高出力で
あると共に深い焦点深度を得ることができ且つ高い光密
度出力が得られるので、高速且つ高精細に造形を行うこ
とができる。更に、各ファイバ光源の出力が大きくなる
ことで、所望の出力を得るために必要なファイバ光源数
が少なくなり、光造形装置の低コスト化が図られる。
Further, as the light source for illuminating the DMD, since the high-intensity fiber array light source in which the emitting ends of the optical fibers of the combined laser light source are arranged in an array is used, a high output and a deep focal depth can be obtained. Since it is possible to obtain a high optical density output, high-speed and high-definition modeling can be performed. Furthermore, since the output of each fiber light source increases, the number of fiber light sources required to obtain the desired output decreases, and the cost of the optical modeling apparatus can be reduced.

【0079】特に、本実施の形態では、光ファイバの出
射端のクラッド径を入射端のクラッド径よりも小さくし
ているので、発光部径がより小さくなり、ファイバアレ
イ光源の一層の高輝度化が図られる。これにより、より
高精細な造形が可能となる。
In particular, in the present embodiment, the clad diameter at the exit end of the optical fiber is made smaller than the clad diameter at the entrance end, so the diameter of the light emitting portion becomes smaller and the brightness of the fiber array light source is further increased. Is planned. This enables higher-definition modeling.

【0080】なお、上記の実施の形態では、DMDのマ
イクロミラーを部分的に駆動する例について説明した
が、所定方向に対応する方向の長さが前記所定方向と交
差する方向の長さより長い基板上に、各々制御信号に応
じて反射面の角度が変更可能な多数のマイクロミラーが
2次元状に配列された細長いDMDを用いても、反射面
の角度を制御するマイクロミラーの個数が少なくなるの
で、変調速度を速くすることができる。
In the above embodiment, an example in which the DMD micromirrors are partially driven has been described. However, a substrate whose length in the direction corresponding to the predetermined direction is longer than the length in the direction intersecting with the predetermined direction. Even if an elongated DMD in which a large number of micromirrors whose reflecting surface angles can be changed according to control signals are arranged two-dimensionally is used, the number of micromirrors that control the reflecting surface angles is reduced. Therefore, the modulation speed can be increased.

【0081】次に、以上説明した実施の形態の変形例に
ついて説明する。[他の空間変調素子]上記の実施の形
態では、DMDのマイクロミラーを部分的に駆動する例
について説明したが、所定方向に対応する方向の長さが
前記所定方向と交差する方向の長さより長い基板上に、
各々制御信号に応じて反射面の角度が変更可能な多数の
マイクロミラーが2次元状に配列された細長いDMDを
用いても、反射面の角度を制御するマイクロミラーの個
数が少なくなるので、変調速度を速くすることができ
る。
Next, a modification of the above-described embodiment will be described. [Other Spatial Modulators] In the above embodiment, an example in which the micromirrors of the DMD are partially driven has been described, but the length in the direction corresponding to the predetermined direction is smaller than the length in the direction intersecting with the predetermined direction. On a long board,
Even if an elongated DMD in which a large number of micromirrors whose reflecting surface angles can be changed according to control signals are arranged in a two-dimensional array is used, the number of micromirrors that control the reflecting surface angles is reduced. The speed can be increased.

【0082】上記の実施の形態では、空間変調素子とし
てDMDを備えた露光ヘッドについて説明したが、例え
ば、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)タ
イプの空間変調素子(SLM;Spacial Light Modulato
r)や、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、ME
MSタイプ以外の空間変調素子を用いた場合にも、基板
上に配列された全画素部に対し一部の画素部を使用する
ことで、1画素当り、1主走査ライン当たりの変調速度
を速くすることができるので、同様の効果を得ることが
できる。
In the above-described embodiment, the exposure head provided with the DMD as the spatial modulation element has been described. However, for example, a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) type spatial modulation element (SLM; Spatial Light Modulato) is used.
r), an optical element (PLZT element) that modulates the transmitted light by an electro-optical effect, a liquid crystal optical shutter (FLC), etc.
Even when a spatial modulation element other than the MS type is used, by using a part of the pixel parts with respect to all the pixel parts arranged on the substrate, the modulation speed per pixel and one main scanning line can be increased. Therefore, the same effect can be obtained.

【0083】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。
The MEMS is a general term for a micro system in which micro-sized sensors, actuators, and control circuits based on the micromachining technology based on the IC manufacturing process are integrated, and the MEMS type spatial modulator is It means a spatial modulation element driven by electromechanical operation using electrostatic force.

【0084】[レーザ駆動方法]また、ファイバアレイ
光源に含まれる各GaN系半導体レーザは、連続駆動し
てもよく、またパルス駆動してもよい。パルス駆動され
たレーザ光で露光することにより熱拡散が防止され、高
速かつ高精細な造形が可能となる。パルス幅は短い方が
好ましく、1psec〜100nsecが好ましく、1psec〜3
00psecがより好ましい。なお、GaN系半導体レーザ
は、COD(Catastrophic Optical Damage)と呼ばれ
る光出射端面の破損が生じ難く、高信頼性であり、1ps
ec〜300psecのパルス幅も容易に実現できる。
[Laser Driving Method] Each GaN semiconductor laser included in the fiber array light source may be continuously driven or pulse driven. By exposing with pulse-driven laser light, thermal diffusion is prevented, and high-speed and high-definition modeling is possible. The shorter pulse width is preferable, 1psec to 100nsec is preferable, and 1psec to 3
00 psec is more preferable. It should be noted that the GaN-based semiconductor laser has high reliability because the light emitting end face, which is called COD (Catastrophic Optical Damage), is unlikely to be damaged and has high reliability.
A pulse width of ec to 300 psec can be easily realized.

【0085】[他の露光方式]図18に示すように、上
記の実施の形態と同様に、スキャナ162によるX方向
への1回で光硬化性樹脂150の液面全面を走査しても
よく、図19(A)及び(B)に示すように、スキャナ
162をX方向へ走査した後、スキャナ162をY方向
に1ステップ移動し、X方向へ走査を行うというよう
に、走査と移動を繰り返して、複数回の走査で液面全面
を走査するようにしてもよい。なお、この例では、スキ
ャナ162は18個の露光ヘッド166を備えている。
[Other Exposure Methods] As shown in FIG. 18, the entire surface of the liquid surface of the photocurable resin 150 may be scanned by the scanner 162 once in the X direction, as in the above embodiment. As shown in FIGS. 19A and 19B, after scanning the scanner 162 in the X direction, the scanner 162 is moved in the Y direction by one step, and the scanning is performed in the X direction. Repeatedly, the entire liquid surface may be scanned by scanning a plurality of times. In this example, the scanner 162 has 18 exposure heads 166.

【0086】一般に、3次元モデルを造形する光造形方
法においては、樹脂の硬化に伴う重合収縮、硬化時に発
生した重合熱により高温となった樹脂が常温に冷却され
て歪むことによる硬化収縮が発生し、これら硬化に伴う
収縮により造形物が歪み、造形精度が低下するという問
題がある。特に、複数の画素を含む領域を同時に露光
(面露光)して平板状に造形する場合には、造形物が積
層方向に対して下側に凸に反ってしまう。このような硬
化収縮による歪みの発生を防止するために、露光領域を
複数の領域に分けて順次露光するのが好ましい。
In general, in the stereolithography method for molding a three-dimensional model, polymerization shrinkage due to hardening of the resin and hardening shrinkage due to distortion of the resin heated to a high temperature due to the heat of polymerization when the resin is cooled to room temperature are caused. However, there is a problem that the molded article is distorted due to the shrinkage caused by the curing and the molding accuracy is lowered. In particular, when a region including a plurality of pixels is exposed (surface exposure) at the same time to form a flat plate, the formed article warps downward in the stacking direction. In order to prevent such distortion due to curing shrinkage, it is preferable to divide the exposure region into a plurality of regions and perform exposure sequentially.

【0087】例えば、光硬化性樹脂の同一液面を複数回
走査することとし、1回目の走査で造形形状の輪郭線を
露光して光硬化性樹脂を硬化させた後、2回目以降の走
査で輪郭線の内部を露光して光硬化性樹脂を硬化させる
ことにより、歪みの発生が防止される。
For example, the same liquid surface of the photo-curable resin is scanned a plurality of times, and the contour line of the modeling shape is exposed by the first scan to cure the photo-curable resin, and then the second and subsequent scans. By exposing the inside of the contour line to cure the photocurable resin, the occurrence of distortion can be prevented.

【0088】また、図30(A)に示すように、露光領
域を多数個の画素に分割し、この多数個の画素を、相互
に隣接しない画素102で構成される第1のグループ
と、相互に隣接しない画素104で構成される第2のグ
ループの2つのグループに分けて、グループ毎に走査露
光してもよい。画素102と画素104とは市松模様を
構成するように交互に配列されている。図30(A)に
は露光領域の一部を示すが、例えば100万画素のDM
Dを備えた露光ヘッドを用いた場合には、DMDの画素
数に応じて露光領域を100万個の画素に分割すること
ができる。
Further, as shown in FIG. 30A, the exposure area is divided into a large number of pixels, and the large number of pixels are divided into a first group composed of pixels 102 which are not adjacent to each other. Alternatively, the scanning exposure may be performed for each group by dividing into two groups of the second group configured by the pixels 104 that are not adjacent to each other. The pixels 102 and the pixels 104 are alternately arranged so as to form a checkered pattern. A part of the exposure area is shown in FIG.
When the exposure head including D is used, the exposure area can be divided into 1 million pixels according to the number of pixels of the DMD.

【0089】まず、1回目の走査で、図30(B)に示
すように、第1のグループに属する画素102を露光
し、2回目の走査で、図30(C)に示すように、第2
のグループに属する画素104を露光する。これによ
り、画素と画素との隙間が埋められて、光硬化性樹脂の
液面の露光領域の全面が露光される。
First, the first scan exposes the pixels 102 belonging to the first group as shown in FIG. 30 (B), and the second scan exposes the pixels 102 as shown in FIG. 30 (C). Two
The pixels 104 belonging to the group are exposed. As a result, the gaps between the pixels are filled, and the entire exposure area of the liquid surface of the photocurable resin is exposed.

【0090】1回目の走査で同時に露光される第1のグ
ループの画素同士は相互に隣接しておらず、2回目の走
査で同時に露光される第2のグループの画素同士も相互
に隣接していない。このように隣接する画素は同時に露
光されることが無いので、隣接する画素に硬化収縮によ
る歪みが伝播しない。即ち、露光領域全体を同時に露光
する場合には、硬化収縮による歪みは露光領域を伝播す
るに従い大きくなり、相当の歪みが発生することになる
が、この例では、硬化収縮は1画素の範囲でのみ生じ、
硬化収縮による歪みは隣接する画素には伝播しない。こ
れにより、積層造形物において歪みの発生が顕著に抑制
されて、高精度での造形が可能となる。
The pixels of the first group which are simultaneously exposed in the first scan are not adjacent to each other, and the pixels of the second group which are simultaneously exposed in the second scan are also adjacent to each other. Absent. Since adjacent pixels are not exposed at the same time as described above, distortion due to curing shrinkage does not propagate to adjacent pixels. That is, when the entire exposure area is exposed at the same time, distortion due to curing shrinkage increases as it propagates through the exposure area, and considerable distortion occurs. However, in this example, curing shrinkage is within a range of 1 pixel. Only occurs,
Distortion due to curing shrinkage does not propagate to adjacent pixels. As a result, the occurrence of distortion is significantly suppressed in the layered model, and modeling with high accuracy becomes possible.

【0091】上記の実施の形態の露光装置では、スキャ
ナによる1回の走査により光硬化性樹脂の液面を任意の
パターンで露光することができる。従って、複数回の走
査により分割された領域毎に露光することは比較的容易
である。
In the exposure apparatus of the above embodiment, the liquid surface of the photocurable resin can be exposed in an arbitrary pattern by one scanning with the scanner. Therefore, it is relatively easy to expose each area divided by a plurality of scans.

【0092】[光硬化性樹脂]光造形で用いられる液状
の光硬化性樹脂としては、一般に、光ラジカル重合反応
により硬化するウレタンアクリレート系樹脂や、光カチ
オン重合反応により硬化するエポキシ系樹脂が使用され
る。また、常温ではゲル状態にあり、レーザ照射により
熱エネルギーが付与されるとゾル状態に転移するゾル−
ゲル変換型の光硬化性樹脂を用いることができる。ゾル
−ゲル変換型の光硬化性樹脂を用いた光造形方法では、
液状ではなくゲル状態の造形面において露光、硬化を行
うので、造形物がゲル状の樹脂中に形成され、造形物を
支えるためのサポート部分や連結部分を造形する必要が
無い、という利点がある。
[Photocurable Resin] As the liquid photocurable resin used for stereolithography, generally, urethane acrylate resin which is cured by photoradical polymerization reaction or epoxy resin which is cured by photocationic polymerization reaction is used. To be done. Also, at room temperature, it is in a gel state, and when heat energy is applied by laser irradiation, it changes to a sol state.
A gel conversion type photocurable resin can be used. In the stereolithography method using the sol-gel conversion type photocurable resin,
Since exposure and curing are performed on the modeling surface in the gel state instead of the liquid state, the molded article is formed in the gel-like resin, and there is an advantage that it is not necessary to model the support portion and the connecting portion for supporting the molded article. .

【0093】所定領域を同時に露光するライン露光、エ
リア露光を行う場合には、上記のゾル−ゲル変換型の光
硬化性樹脂に熱伝導性のフィラーを添加した樹脂を用い
ることが好ましい。熱伝導性のフィラーを添加すること
で熱拡散性が発揮され、造形物における熱歪みの発生が
防止される。特に、ゾル−ゲル変換型の光硬化性樹脂で
は、通常の樹脂と異なりフィラーを沈降させずに均一に
分散させることができるので、熱拡散性を維持すること
ができる。
When performing line exposure or area exposure for simultaneously exposing a predetermined area, it is preferable to use a resin obtained by adding a thermally conductive filler to the above sol-gel conversion type photocurable resin. Addition of a thermally conductive filler exerts thermal diffusivity and prevents thermal distortion in the modeled object. In particular, in the sol-gel conversion type photocurable resin, unlike the ordinary resin, the filler can be uniformly dispersed without settling, so that the thermal diffusivity can be maintained.

【0094】[他のレーザ装置(光源)]上記の実施の
形態では、合波レーザ光源を複数備えたファイバアレイ
光源を用いる例について説明したが、レーザ装置は、合
波レーザ光源をアレイ化したファイバアレイ光源には限
定されない。例えば、1個の発光点を有する単一の半導
体レーザから入射されたレーザ光を出射する1本の光フ
ァイバを備えたファイバ光源をアレイ化したファイバア
レイ光源を用いることができる。
[Other Laser Device (Light Source)] In the above embodiment, an example of using a fiber array light source having a plurality of combined laser light sources has been described, but the laser device is an array of combined laser light sources. It is not limited to the fiber array light source. For example, it is possible to use a fiber array light source that is an array of fiber light sources provided with one optical fiber that emits laser light incident from a single semiconductor laser having one light emitting point.

【0095】また、複数の発光点を備えた光源として
は、例えば、図20に示すように、ヒートブロック10
0上に、複数(例えば、7個)のチップ状の半導体レー
ザLD1〜LD7を配列したレーザアレイを用いること
ができる。また、図21(A)に示す、複数(例えば、
5個)の発光点110aが所定方向に配列されたチップ
状のマルチキャビティレーザ110が知られている。マ
ルチキャビティレーザ110は、チップ状の半導体レー
ザを配列する場合と比べ、発光点を位置精度良く配列で
きるので、各発光点から出射されるレーザビームを合波
し易い。但し、発光点が多くなるとレーザ製造時にマル
チキャビティレーザ110に撓みが発生し易くなるた
め、発光点110aの個数は5個以下とするのが好まし
い。
As a light source having a plurality of light emitting points, for example, as shown in FIG.
It is possible to use a laser array in which a plurality (for example, seven) of chip-shaped semiconductor lasers LD1 to LD7 are arranged on the laser diode 0. In addition, as shown in FIG.
A chip-shaped multi-cavity laser 110 in which (five) light emitting points 110a are arranged in a predetermined direction is known. In the multi-cavity laser 110, the light emitting points can be arranged with higher positional accuracy than in the case of arranging chip-shaped semiconductor lasers, and therefore the laser beams emitted from the respective light emitting points can be easily combined. However, as the number of light emitting points increases, the multi-cavity laser 110 is likely to bend during laser manufacturing. Therefore, the number of light emitting points 110a is preferably 5 or less.

【0096】本発明の露光ヘッドでは、このマルチキャ
ビティレーザ110や、図21(B)に示すように、ヒ
ートブロック100上に、複数のマルチキヤビティレー
ザ110が各チップの発光点110aの配列方向と同じ
方向に配列されたマルチキャビティレーザアレイを、レ
ーザ装置(光源)として用いることができる。
In the exposure head of the present invention, the multi-cavity laser 110 and, as shown in FIG. 21B, a plurality of multi-cavity lasers 110 are arranged on the heat block 100 in the arrangement direction of the light emitting points 110a of the respective chips. A multi-cavity laser array arranged in the same direction as can be used as a laser device (light source).

【0097】また、合波レーザ光源は、複数のチップ状
の半導体レーザから出射されたレーザ光を合波するもの
には限定されない。例えば、図22に示すように、複数
(例えば、3個)の発光点110aを有するチップ状の
マルチキャビティレーザ110を備えた合波レーザ光源
を用いることができる。この合波レーザ光源は、マルチ
キャビティレーザ110と、1本のマルチモード光ファ
イバ130と、集光レンズ120と、を備えて構成され
ている。マルチキャビティレーザ110は、例えば、発
振波長が405nmのGaN系レーザダイオードで構成
することができる。
Further, the combined laser light source is not limited to the one that combines laser beams emitted from a plurality of chip-shaped semiconductor lasers. For example, as shown in FIG. 22, a combined laser light source including a chip-shaped multi-cavity laser 110 having a plurality of (for example, three) light emitting points 110a can be used. This combined laser light source includes a multi-cavity laser 110, a single multi-mode optical fiber 130, and a condenser lens 120. The multi-cavity laser 110 can be composed of, for example, a GaN-based laser diode having an oscillation wavelength of 405 nm.

【0098】上記の構成では、マルチキャビティレーザ
110の複数の発光点110aの各々から出射したレー
ザビームBの各々は、集光レンズ120によって集光さ
れ、マルチモード光ファイバ130のコア130aに入
射する。コア130aに入射したレーザ光は、光ファイ
バ内を伝搬し、1本に合波されて出射する。
In the above structure, each of the laser beams B emitted from each of the plurality of light emitting points 110a of the multi-cavity laser 110 is condensed by the condenser lens 120 and is incident on the core 130a of the multimode optical fiber 130. . The laser light incident on the core 130a propagates in the optical fiber, is combined into one, and is emitted.

【0099】マルチキャビテイレーザ110の複数の発
光点110aを、上記マルチモード光ファイバ130の
コア径と略等しい幅内に並設すると共に、集光レンズ1
20として、マルチモード光ファイバ130のコア径と
略等しい焦点距離の凸レンズや、マルチキャビティレー
ザ110からの出射ビームをその活性層に垂直な面内の
みでコリメートするロッドレンズを用いることにより、
レーザビームBのマルチモード光ファイバ130への結
合効率を上げることができる。
A plurality of light emitting points 110a of the multi-cavity laser 110 are arranged side by side within a width substantially equal to the core diameter of the multi-mode optical fiber 130, and the condenser lens 1 is provided.
As 20, a convex lens having a focal length substantially equal to the core diameter of the multimode optical fiber 130, or a rod lens for collimating the emitted beam from the multicavity laser 110 only in a plane perpendicular to its active layer is used.
The coupling efficiency of the laser beam B to the multimode optical fiber 130 can be increased.

【0100】また、図23に示すように、複数(例え
ば、3個)の発光点を備えたマルチキャビティレーザ1
10を用い、ヒートブロック111上に複数(例えば、
9個)のマルチキャビティレーザ110が互いに等間隔
で配列されたレーザアレイ140を備えた合波レーザ光
源を用いることができる。複数のマルチキヤビティレー
ザ110は、各チップの発光点110aの配列方向と同
じ方向に配列されて固定されている。
Further, as shown in FIG. 23, the multi-cavity laser 1 having a plurality of (for example, three) light emitting points is provided.
10, using a plurality of heat blocks 111 (for example,
A combined laser light source including a laser array 140 in which nine (9) multi-cavity lasers 110 are arranged at equal intervals can be used. The plurality of multi-cavity lasers 110 are arranged and fixed in the same direction as the light emitting points 110a of each chip.

【0101】図23に示す合波レーザ光源は、レーザア
レイ140と、各マルチキヤピティレーザ110に対応
させて配置した複数のレンズアレイ114と、レーザア
レイ140と複数のレンズアレイ114との間に配置さ
れた1本のロッドレンズ113と、1本のマルチモード
光ファイバ130と、集光レンズ120と、を備えて構
成されている。レンズアレイ114は、マルチキヤピテ
ィレーザ110の発光点に対応した複数のマイクロレン
ズを備えている。
The combined laser light source shown in FIG. 23 includes a laser array 140, a plurality of lens arrays 114 arranged corresponding to each multicapability laser 110, and between the laser array 140 and the plurality of lens arrays 114. It is configured to include one rod lens 113 arranged, one multimode optical fiber 130, and a condenser lens 120. The lens array 114 includes a plurality of microlenses corresponding to the light emitting points of the multicapability laser 110.

【0102】上記の構成では、複数のマルチキヤビティ
レーザ110の複数の発光点10aの各々から出射した
レーザビームBの各々は、ロッドレンズ113により所
定方向に集光された後、レンズアレイ114の各マイク
ロレンズにより平行光化される。平行光化されたレーザ
ビームLは、集光レンズ120によって集光され、マル
チモード光フアイバ130のコア130aに入射する。
コア130aに入射したレーザ光は、光フアイバ内を伝
搬し、1本に合波されて出射する。
In the above configuration, each of the laser beams B emitted from each of the plurality of light emitting points 10a of the plurality of multi-cavity lasers 110 is condensed in a predetermined direction by the rod lens 113, and then the laser beam of the lens array 114 is collected. The light is collimated by each microlens. The collimated laser beam L is condensed by the condenser lens 120 and is incident on the core 130 a of the multimode optical fiber 130.
The laser light that has entered the core 130a propagates in the optical fiber, is combined into one, and is emitted.

【0103】更に他の合波レーザ光源の例を示す。この
合波レーザ光源は、図24(A)及び(B)に示すよう
に、略矩形状のヒートブロック180上に光軸方向の断
面がL字状のヒートブロック182が搭載され、2つの
ヒートブロック間に収納空間が形成されている。L字状
のヒートブロック182の上面には、複数の発光点(例
えば、5個)がアレイ状に配列された複数(例えば、2
個)のマルチキャビティレーザ110が、各チップの発
光点110aの配列方向と同じ方向に等間隔で配列され
て固定されている。
An example of still another combined laser light source will be shown. In this combined laser light source, as shown in FIGS. 24A and 24B, a heat block 182 having an L-shaped cross section in the optical axis direction is mounted on a heat block 180 having a substantially rectangular shape, and two heats are provided. A storage space is formed between the blocks. On the upper surface of the L-shaped heat block 182, a plurality of (for example, 2) light emitting points (for example, 5) are arranged in an array.
The individual multi-cavity lasers 110 are arranged and fixed at equal intervals in the same direction as the arrangement direction of the light emitting points 110a of each chip.

【0104】略矩形状のヒートブロック180には凹部
が形成されており、ヒートブロック180の空間側上面
には、複数の発光点(例えば、5個)がアレイ状に配列
された複数(例えば、2個)のマルチキャビティレーザ
110が、その発光点がヒートブロック182の上面に
配置されたレーザチップの発光点と同じ鉛直面上に位置
するように配置されている。
A concave portion is formed in the substantially rectangular heat block 180, and a plurality of light emitting points (for example, five light emitting points) (for example, five light emitting points) arranged in an array are formed on the space-side upper surface of the heat block 180. The (two) multi-cavity lasers 110 are arranged such that their light emitting points are located on the same vertical plane as the light emitting points of the laser chips arranged on the upper surface of the heat block 182.

【0105】マルチキャビティレーザ110のレーザ光
出射側には、各チップの発光点110aに対応してコリ
メートレンズが配列されたコリメートレンズアレイ18
4が配置されている。コリメートレンズアレイ184
は、各コリメートレンズの長さ方向とレーザビームの拡
がり角が大きい方向(速軸方向)とが一致し、各コリメ
ートレンズの幅方向が拡がり角が小さい方向(遅軸方
向)と一致するように配置されている。このように、コ
リメートレンズをアレイ化して一体化することで、レー
ザ光の空間利用効率が向上し合波レーザ光源の高出力化
が図られると共に、部品点数が減少し低コスト化するこ
とができる。
On the laser beam emitting side of the multi-cavity laser 110, a collimating lens array 18 in which collimating lenses are arranged corresponding to the light emitting points 110a of each chip.
4 are arranged. Collimating lens array 184
Is so that the length direction of each collimator lens and the direction where the divergence angle of the laser beam is large (fast axis direction) match, and the width direction of each collimator lens matches the direction where the divergence angle is small (slow axis direction). It is arranged. As described above, by integrating the collimator lenses in an array, the space utilization efficiency of laser light is improved, the output of the combined laser light source is increased, and the number of parts is reduced and the cost can be reduced. .

【0106】また、コリメートレンズアレイ184のレ
ーザ光出射側には、1本のマルチモード光ファイバ13
0と、このマルチモード光ファイバ130の入射端にレ
ーザビームを集光して結合する集光レンズ120と、が
配置されている。
Further, one multimode optical fiber 13 is provided on the laser beam emitting side of the collimator lens array 184.
0 and a condenser lens 120 that condenses and combines the laser beam at the incident end of the multimode optical fiber 130.

【0107】上記の構成では、レーザブロック180、
182上に配置された複数のマルチキヤビティレーザ1
10の複数の発光点10aの各々から出射したレーザビ
ームBの各々は、コリメートレンズアレイ184により
平行光化され、集光レンズ120によって集光されて、
マルチモード光フアイバ130のコア130aに入射す
る。コア130aに入射したレーザ光は、光フアイバ内
を伝搬し、1本に合波されて出射する。
With the above arrangement, the laser block 180,
Multiple multi-cavity lasers 1 arranged on 182
Each of the laser beams B emitted from each of the ten emission points 10a is collimated by the collimator lens array 184 and condensed by the condenser lens 120,
The light enters the core 130a of the multimode optical fiber 130. The laser light that has entered the core 130a propagates in the optical fiber, is combined into one, and is emitted.

【0108】この合波レーザ光源は、上記の通り、マル
チキャビティレーザの多段配置とコリメートレンズのア
レイ化とにより、特に高出力化を図ることができる。こ
の合波レーザ光源を用いることにより、より高輝度なフ
ァイバアレイ光源やバンドルファイバ光源を構成するこ
とができるので、本発明の露光装置のレーザ光源を構成
するファイバ光源として特に好適である。
As described above, this combined laser light source can achieve a particularly high output by arranging multi-cavity lasers in multiple stages and forming an array of collimator lenses. By using this combined laser light source, a fiber array light source or a bundle fiber light source with higher brightness can be formed, and thus it is particularly suitable as a fiber light source forming the laser light source of the exposure apparatus of the present invention.

【0109】なお、上記の各合波レーザ光源をケーシン
グ内に収納し、マルチモード光ファイバ130の出射端
部をそのケーシングから引き出したレーザモジュールを
構成することができる。
It is possible to construct a laser module in which the above-mentioned combined laser light sources are housed in a casing and the emission end of the multimode optical fiber 130 is pulled out from the casing.

【0110】また、上記の実施の形態では、合波レーザ
光源のマルチモード光ファイバの出射端に、コア径がマ
ルチモード光ファイバと同一で且つクラッド径がマルチ
モード光ファイバより小さい他の光ファイバを結合して
ファイバアレイ光源の高輝度化を図る例について説明し
たが、例えば、クラッド径が125μm、80μm、6
0μm等のマルチモード光ファイバを、出射端に他の光
ファイバを結合せずに使用してもよい。
In the above embodiment, another optical fiber having the same core diameter as that of the multimode optical fiber and a cladding diameter smaller than that of the multimode optical fiber is provided at the exit end of the multimode optical fiber of the combined laser light source. Although an example in which the fiber diameter of the fiber array light source is increased by combining the above has been described, for example, the cladding diameter is 125 μm, 80 μm, 6
A multimode optical fiber such as 0 μm may be used without coupling another optical fiber to the output end.

【0111】[光量分布補正光学系]上記の実施の形態
では、露光ヘッドに1対の組合せレンズからなる光量分
布補正光学系を用いている。この光量分布補正光学系
は、光軸に近い中心部の光束幅に対する周辺部の光束幅
の比が入射側に比べて出射側の方が小さくなるように各
出射位置における光束幅を変化させて、光源からの平行
光束をDMDに照射するときに、被照射面での光量分布
が略均一になるように補正する。以下、この光量分布補
正光学系の作用について説明する。
[Light Quantity Distribution Correction Optical System] In the above embodiment, the light quantity distribution correction optical system including a pair of combination lenses is used in the exposure head. This light quantity distribution correction optical system changes the light flux width at each emission position so that the ratio of the light flux width of the peripheral portion to the light flux width of the central portion near the optical axis is smaller on the emission side than on the incident side. When the parallel light flux from the light source is applied to the DMD, the light amount distribution on the illuminated surface is corrected so as to be substantially uniform. The operation of this light quantity distribution correction optical system will be described below.

【0112】まず、図25(A)に示したように、入射
光束と出射光束とで、その全体の光束幅(全光束幅)H
0、H1が同じである場合について説明する。なお、図
25(A)において、符号51、52で示した部分は、
光量分布補正光学系における入射面および出射面を仮想
的に示したものである。
First, as shown in FIG. 25A, the entire luminous flux width (total luminous flux width) H of the incident luminous flux and the outgoing luminous flux.
A case where 0 and H1 are the same will be described. Note that, in FIG. 25A, the portions indicated by reference numerals 51 and 52 are
2 is a view virtually showing an entrance surface and an exit surface in a light quantity distribution correction optical system.

【0113】光量分布補正光学系において、光軸Z1に
近い中心部に入射した光束と、周辺部に入射した光束と
のそれぞれの光束幅h0、h1が、同一であるものとす
る(h0=hl)。光量分布補正光学系は、入射側にお
いて同一の光束幅h0,h1であった光に対し、中心部
の入射光束については、その光束幅h0を拡大し、逆
に、周辺部の入射光束に対してはその光束幅h1を縮小
するような作用を施す。すなわち、中心部の出射光束の
幅h10と、周辺部の出射光束の幅h11とについて、
h11<h10となるようにする。光束幅の比率で表す
と、出射側における中心部の光束幅に対する周辺部の光
束幅の比「h11/h10」が、入射側における比(h
1/h0=1)に比べて小さくなっている((h11/
h10)<1)。
In the optical system for correcting light quantity distribution, it is assumed that the luminous flux widths h0 and h1 of the luminous flux incident on the central portion close to the optical axis Z1 and the luminous flux incident on the peripheral portion are the same (h0 = hl). ). The light amount distribution correction optical system expands the luminous flux width h0 of the central incident light flux with respect to the light having the same luminous flux width h0 and h1 on the incident side, and conversely with respect to the peripheral incident light flux. As a result, the light beam width h1 is reduced. That is, regarding the width h10 of the emitted light flux at the central portion and the width h11 of the emitted light flux at the peripheral portion,
Make sure that h11 <h10. Expressed by the ratio of the luminous flux width, the ratio “h11 / h10” of the luminous flux width of the peripheral portion to the luminous flux width of the central portion on the emission side is the ratio (h11 / h10) on the incident side.
It is smaller than (1 / h0 = 1) ((h11 /
h10) <1).

【0114】このように光束幅を変化させることによ
り、通常では光量分布が大きくなっている中央部の光束
を、光量の不足している周辺部へと生かすことができ、
全体として光の利用効率を落とさずに、被照射面での光
量分布が略均一化される。均一化の度合いは、例えば、
有効領域内における光量ムラが30%以内、好ましくは
20%以内となるようにする。
By changing the luminous flux width in this manner, the luminous flux in the central portion where the light amount distribution is normally large can be utilized to the peripheral portion where the light amount is insufficient,
As a whole, the light amount distribution on the irradiated surface is made substantially uniform without lowering the light use efficiency. The degree of homogenization is, for example,
The light amount unevenness in the effective area is set to be within 30%, preferably within 20%.

【0115】このような光量分布補正光学系による作
用、効果は、入射側と出射側とで、全体の光束幅を変え
る場合(図25(B),(C))においても同様であ
る。
The operation and effect of such a light quantity distribution correcting optical system is the same when the entire luminous flux width is changed between the entrance side and the exit side (FIGS. 25B and 25C).

【0116】図25(B)は、入射側の全体の光束幅H
0を、幅H2に“縮小”して出射する場合(H0>H
2)を示している。このような場合においても、光量分
布補正光学系は、入射側において同一の光束幅h0、h
1であった光を、出射側において、中央部の光束幅h1
0が周辺部に比べて大きくなり、逆に、周辺部の光束幅
h11が中心部に比べて小さくなるようにする。光束の
縮小率で考えると、中心部の入射光束に対する縮小率を
周辺部に比べて小さくし、周辺部の入射光束に対する縮
小率を中心部に比べて大きくするような作用を施してい
る。この場合にも、中心部の光束幅に対する周辺部の光
束幅の比「H11/H10」が、入射側における比(h
1/h0=1)に比べて小さくなる((h11/h1
0)<1)。
FIG. 25B shows the entire luminous flux width H on the incident side.
When 0 is “reduced” to the width H2 and emitted (H0> H
2) is shown. Even in such a case, the light amount distribution correction optical system has the same light flux widths h0 and h on the incident side.
The light having a value of 1 is changed to a luminous flux width h1 at the central portion on the emission side.
0 is made larger than that in the peripheral portion, and conversely, the luminous flux width h11 in the peripheral portion is made smaller than that in the central portion. Considering the reduction ratio of the luminous flux, the reduction ratio of the incident light flux at the central portion is made smaller than that of the peripheral portion, and the reduction ratio of the incident light flux at the peripheral portion is made larger than that of the central portion. Also in this case, the ratio “H11 / H10” of the luminous flux width of the peripheral portion to the luminous flux width of the central portion is
It is smaller than (1 / h0 = 1) ((h11 / h1
0) <1).

【0117】図25(C)は、入射側の全体の光束幅H
0を、幅Η3に“拡大”して出射する場合(H0<H
3)を示している。このような場合においても、光量分
布補正光学系は、入射側において同一の光束幅h0、h
1であった光を、出射側において、中央部の光束幅h1
0が周辺部に比べて大きくなり、逆に、周辺部の光束幅
h11が中心部に比べて小さくなるようにする。光束の
拡大率で考えると、中心部の入射光束に対する拡大率を
周辺部に比べて大きくし、周辺部の入射光束に対する拡
大率を中心部に比べて小さくするような作用を施してい
る。この場合にも、中心部の光束幅に対する周辺部の光
束幅の比「h11/h10」が、入射側における比(h
1/h0=1)に比べて小さくなる((h11/h1
0)<1)。
FIG. 25C shows the entire luminous flux width H on the incident side.
When 0 is “expanded” to the width Η3 and emitted (H0 <H
3) is shown. Even in such a case, the light amount distribution correction optical system has the same light flux widths h0 and h on the incident side.
The light having a value of 1 is changed to a luminous flux width h1 at the central portion on the emission side.
0 is made larger than that in the peripheral portion, and conversely, the luminous flux width h11 in the peripheral portion is made smaller than that in the central portion. Considering the expansion ratio of the light flux, the expansion ratio for the incident light flux at the central portion is made larger than that at the peripheral portion, and the expansion ratio for the incident light flux at the peripheral portion is made smaller than at the central portion. Also in this case, the ratio “h11 / h10” of the luminous flux width of the peripheral portion to the luminous flux width of the central portion is equal to the ratio (h11 / h10) on the incident side.
It is smaller than (1 / h0 = 1) ((h11 / h1
0) <1).

【0118】このように、光量分布補正光学系は、各出
射位置における光束幅を変化させ、光軸Z1に近い中心
部の光束幅に対する周辺部の光束幅の比を入射側に比べ
て出射側の方が小さくなるようにしたので、入射側にお
いて同一の光束幅であった光が、出射側においては、中
央部の光束幅が周辺部に比べて大きくなり、周辺部の光
束幅は中心部に比べて小さくなる。これにより、中央部
の光束を周辺部へと生かすことができ、光学系全体とし
ての光の利用効率を落とさずに、光量分布の略均一化さ
れた光束断面を形成することができる。
As described above, the light quantity distribution correcting optical system changes the luminous flux width at each emission position, and the ratio of the peripheral luminous flux width to the central luminous flux width near the optical axis Z1 is larger than that on the incident side. Since the light flux with the same luminous flux width on the incident side has a larger luminous flux width on the exit side, the luminous flux width at the central portion is larger than that at the peripheral portion, and the luminous flux width at the peripheral portion is smaller than that at the central portion. Will be smaller than. This makes it possible to utilize the light flux in the central portion to the peripheral portion, and to form a light flux cross section with a substantially uniform light amount distribution without reducing the light utilization efficiency of the optical system as a whole.

【0119】次に、光量分布補正光学系として使用する
1対の組合せレンズの具体的なレンズデータの1例を示
す。この例では、光源がレーザアレイ光源である場合の
ように、出射光束の断面での光量分布がガウス分布であ
る場合のレンズデータを示す。なお、シングルモード光
ファイバの入射端に1個の半導体レーザを接続した場合
には、光ファイバからの射出光束の光量分布がガウス分
布になる。本実施の形態はこのような場合にも適用可能
である。また、マルチモード光ファイバのコア径を小さ
くしてシングルモード光ファイバの構成に近付ける等に
より光軸に近い中心部の光量が周辺部の光量よりも大き
い場合にも適用可能である。
Next, an example of specific lens data of a pair of combination lenses used as a light amount distribution correcting optical system will be shown. This example shows lens data when the light amount distribution in the cross section of the emitted light flux is a Gaussian distribution, as in the case where the light source is a laser array light source. When one semiconductor laser is connected to the incident end of the single mode optical fiber, the light quantity distribution of the light flux emitted from the optical fiber becomes a Gaussian distribution. The present embodiment can be applied to such a case. Further, the present invention is also applicable to the case where the amount of light in the central portion close to the optical axis is larger than the amount of light in the peripheral portion by reducing the core diameter of the multimode optical fiber to approach the configuration of the single mode optical fiber.

【0120】下記表1に基本レンズデータを示す。Table 1 below shows basic lens data.

【0121】[0121]

【表1】 [Table 1]

【0122】表1から分かるように、1対の組合せレン
ズは、回転対称の2つの非球面レンズから構成されてい
る。光入射側に配置された第1のレンズの光入射側の面
を第1面、光出射側の面を第2面とすると、第1面は非
球面形状である。また、光出射側に配置された第2のレ
ンズの光入射側の面を第3面、光出射側の面を第4面と
すると、第4面が非球面形状である。
As can be seen from Table 1, the pair of compound lenses is composed of two rotationally symmetric aspherical lenses. When the surface on the light incident side of the first lens arranged on the light incident side is the first surface and the surface on the light emitting side is the second surface, the first surface has an aspherical shape. When the surface on the light incident side of the second lens arranged on the light emitting side is the third surface and the surface on the light emitting side is the fourth surface, the fourth surface has an aspherical shape.

【0123】表1において、面番号Siはi番目(i=
1〜4)の面の番号を示し、曲率半径riはi番目の面
の曲率半径を示し、面間隔diはi番目の面とi+1番
目の面との光軸上の面間隔を示す。面間隔di値の単位
はミリメートル(mm)である。屈折率Niはi番目の
面を備えた光学要素の波長405nmに対する屈折率の
値を示す。
In Table 1, the surface number Si is the i-th (i =
1 to 4), the radius of curvature ri represents the radius of curvature of the i-th surface, and the surface distance di represents the surface distance between the i-th surface and the (i + 1) th surface on the optical axis. The unit of the surface distance di value is millimeter (mm). The refractive index Ni represents the value of the refractive index for the wavelength 405 nm of the optical element having the i-th surface.

【0124】下記表2に、第1面及び第4面の非球面デ
ータを示す。
Table 2 below shows aspherical surface data of the first and fourth surfaces.

【0125】[0125]

【表2】 [Table 2]

【0126】上記の非球面データは、非球面形状を表す
下記式(A)における係数で表される。
The above aspherical surface data is represented by the coefficient in the following expression (A) representing the aspherical surface shape.

【0127】[0127]

【数1】 [Equation 1]

【0128】上記式(A)において各係数を以下の通り
定義する。 Z:光軸から高さρの位置にある非球面上の点から、非
球面の頂点の接平面(光軸に垂直な平面)に下ろした垂
線の長さ(mm) ρ:光軸からの距離(mm) K:円錐係数 C:近軸曲率(1/r、r:近軸曲率半径) ai:第i次(i=3〜10)の非球面係数 表2に示した数値において、記号“E”は、その次に続
く数値が10を底とした“ぺき指数″であることを示
し、その10を底とした指数関数で表される数値が
“E”の前の数値に乗算されることを示す。例えば、
「1.0E−02」であれば、「1.0×10−2」で
あることを示す。
In the above equation (A), each coefficient is defined as follows. Z: The length (mm) of a perpendicular line drawn from a point on the aspherical surface located at a height ρ from the optical axis to the tangent plane (the plane perpendicular to the optical axis) at the apex of the aspherical surface ρ: From the optical axis Distance (mm) K: Cone coefficient C: Paraxial curvature (1 / r, r: Paraxial radius of curvature) ai: Aspheric coefficient of the i-th order (i = 3 to 10) Symbol in the values shown in Table 2 "E" indicates that the number following it is a "base index" with a base of 10. The number represented by an exponential function with a base of 10 is multiplied by the number before "E". Indicates that For example,
If "1.0E-02", it means "1.0x10-2".

【0129】図27は、上記表1及び表2に示す1対の
組合せレンズによって得られる照明光の光量分布を示し
ている。横軸は光軸からの座標を示し、縦軸は光量比
(%)を示す。なお、比較のために、図26に、補正を
行わなかった場合の照明光の光量分布(ガウス分布)を
示す。図26及び図27から分かるように、光量分布補
正光学系で補正を行うことにより、補正を行わなかった
場合と比べて、略均一化された光量分布が得られてい
る。これにより、露光ヘッドにおける光の利用効率を落
とさずに、均一なレーザ光でムラなく露光を行うことが
できる。
FIG. 27 shows the light quantity distribution of the illumination light obtained by the pair of combination lenses shown in Tables 1 and 2. The horizontal axis shows the coordinates from the optical axis, and the vertical axis shows the light amount ratio (%). For comparison, FIG. 26 shows a light amount distribution (Gaussian distribution) of illumination light when no correction is performed. As can be seen from FIGS. 26 and 27, by performing the correction with the light amount distribution correction optical system, a substantially uniform light amount distribution is obtained as compared with the case where the correction is not performed. As a result, it is possible to perform uniform exposure with a uniform laser beam without reducing the light utilization efficiency of the exposure head.

【0130】[他の結像光学系]上記の実施の形態で
は、露光ヘッドに使用するDMDの光反射側に、結像光
学系として2組のレンズを配置したが、レーザ光を拡大
して結像する結像光学系を配置してもよい。DMDによ
り反射される光束線の断面積を拡大することで、被露光
面における露光エリア面積(画像領域)を所望の大きさ
に拡大することができる。
[Other Imaging Optical Systems] In the above-mentioned embodiment, two sets of lenses are arranged as the imaging optical system on the light reflecting side of the DMD used for the exposure head. An image forming optical system for forming an image may be arranged. By enlarging the cross-sectional area of the luminous flux reflected by the DMD, the exposure area area (image area) on the exposed surface can be enlarged to a desired size.

【0131】例えば、露光ヘッドを、図31(A)に示
すように、DMD50、DMD50にレーザ光を照射す
る照明装置144、DMD50で反射されたレーザ光を
拡大して結像するレンズ系454、458、DMD50
の各画素に対応して多数のマイクロレンズ474が配置
されたマイクロレンズアレイ472、マイクロレンズア
レイ472の各マイクロレンズに対応して多数のアパー
チャ478が設けられたアパーチャアレイ476、アパ
ーチャを通過したレーザ光を被露光面56に結像するレ
ンズ系480、482で構成することができる。
For example, as shown in FIG. 31A, the exposure head DMD 50, the illumination device 144 for irradiating the DMD 50 with the laser beam, and the lens system 454 for enlarging the laser beam reflected by the DMD 50 to form an image. 458, DMD50
, A microlens array 472 in which a large number of microlenses 474 are arranged corresponding to the respective pixels, an aperture array 476 in which a large number of apertures 478 are provided corresponding to the respective microlenses of the microlens array 472, and a laser which has passed through the apertures. It can be configured with lens systems 480 and 482 that image light on the exposed surface 56.

【0132】この露光ヘッドでは、照明装置144から
レーザ光が照射されると、DMD50によりオン方向に
反射される光束線の断面積が、レンズ系454、458
により数倍(例えば、2倍)に拡大される。拡大された
レーザ光は、マイクロレンズアレイ472の各マイクロ
レンズによりDMD50の各画素に対応して集光され、
アパーチャアレイ476の対応するアパーチャを通過す
る。アパーチャを通過したレーザ光は、レンズ系48
0、482により被露光面56上に結像される。
In this exposure head, when laser light is emitted from the illuminating device 144, the cross-sectional areas of the light flux lines reflected in the ON direction by the DMD 50 have lens systems 454 and 458.
Is enlarged several times (for example, twice). The magnified laser light is condensed by each microlens of the microlens array 472 corresponding to each pixel of the DMD 50,
It passes through the corresponding apertures in aperture array 476. The laser light that has passed through the aperture is reflected by the lens system 48.
An image is formed on the exposed surface 56 by 0 and 482.

【0133】この結像光学系では、DMD50により反
射されたレーザ光は、拡大レンズ454、458により
数倍に拡大されて被露光面56に投影されるので、全体
の画像領域が広くなる。このとき、マイクロレンズアレ
イ472及びアパーチャアレイ476が配置されていな
ければ、図31(B)に示すように、被露光面56に投
影される各ビームスポットBSの1画素サイズ(スポッ
トサイズ)が露光エリア468のサイズに応じて大きな
ものとなり、露光エリア468の鮮鋭度を表すMTF
(Modulation Transfer Function)特性が低下する。
In this imaging optical system, the laser light reflected by the DMD 50 is magnified several times by the magnifying lenses 454 and 458 and projected on the exposed surface 56, so that the entire image area is widened. At this time, if the microlens array 472 and the aperture array 476 are not arranged, as shown in FIG. 31B, one pixel size (spot size) of each beam spot BS projected on the exposed surface 56 is exposed. The MTF becomes larger according to the size of the area 468 and represents the sharpness of the exposure area 468.
(Modulation Transfer Function) characteristics deteriorate.

【0134】一方、マイクロレンズアレイ472及びア
パーチャアレイ476を配置した場合には、DMD50
により反射されたレーザ光は、マイクロレンズアレイ4
72の各マイクロレンズによりDMD50の各画素に対
応して集光される。これにより、図31(C)に示すよ
うに、露光エリアが拡大された場合でも、各ビームスポ
ットBSのスポットサイズを所望の大きさ(例えば、1
0μm×10μm)に縮小することができ、MTF特性
の低下を防止して高精細な露光を行うことができる。な
お、露光エリア468が傾いているのは、画素間の隙間
を無くす為にDMD50を傾けて配置しているからであ
る。
On the other hand, when the microlens array 472 and the aperture array 476 are arranged, the DMD50
The laser light reflected by the microlens array 4
The microlenses 72 collect light corresponding to the pixels of the DMD 50. Thereby, as shown in FIG. 31C, even if the exposure area is enlarged, the spot size of each beam spot BS is set to a desired size (for example, 1).
It is possible to reduce the size to 0 μm × 10 μm), prevent deterioration of MTF characteristics, and perform high-definition exposure. The exposure area 468 is tilted because the DMD 50 is tilted in order to eliminate a gap between pixels.

【0135】また、マイクロレンズの収差によるビーム
の太りがあっても、アパーチャによって被露光面56上
でのスポットサイズが一定の大きさになるようにビーム
を整形することができると共に、各画素に対応して設け
られたアパーチャを通過させることにより、隣接する画
素間でのクロストークを防止することができる。
Further, even if the beam is thickened by the aberration of the microlens, the beam can be shaped by the aperture so that the spot size on the exposed surface 56 becomes a constant size, and at the same time, each pixel can be shaped. Crosstalk between adjacent pixels can be prevented by passing through the aperture provided correspondingly.

【0136】更に、照明装置144に上記実施の形態と
同様に高輝度光源を使用することにより、レンズ458
からマイクロレンズアレイ472の各マイクロレンズに
入射する光束の角度が小さくなるので、隣接する画素の
光束の一部が入射するのを防止することができる。即
ち、高消光比を実現することができる。
Furthermore, by using the high-intensity light source for the illumination device 144 as in the above embodiment, the lens 458 is obtained.
Since the angle of the light flux incident on each microlens of the microlens array 472 becomes small, it is possible to prevent a part of the light flux of the adjacent pixel from entering. That is, a high extinction ratio can be realized.

【0137】[0137]

【発明の効果】本発明の光造形装置は、高速造形を行う
ことができる、という効果を奏する。
The stereolithography apparatus of the present invention has an effect that high-speed molding can be performed.

【0138】また、光源に高輝度光源を用いる場合に
は、高精細な造形を行うことができる、という効果を奏
する。
When a high-brightness light source is used as the light source, there is an effect that high-definition modeling can be performed.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】第1の実施の形態に係る光造形装置の外観を示
す斜視図である。
FIG. 1 is a perspective view showing an appearance of a stereolithography apparatus according to a first embodiment.

【図2】第1の実施の形態に係る光造形装置のスキャナ
の構成を示す斜視図である。
FIG. 2 is a perspective view showing a configuration of a scanner of the optical modeling apparatus according to the first embodiment.

【図3】(A)は液面に形成される露光済み領域を示す
平面図であり、(B)は各露光ヘッドによる露光エリア
の配列を示す図である。
FIG. 3A is a plan view showing an exposed area formed on a liquid surface, and FIG. 3B is a view showing an arrangement of exposure areas by each exposure head.

【図4】第1の実施の形態に係る光造形装置の露光ヘッ
ドの概略構成を示す斜視図である。
FIG. 4 is a perspective view showing a schematic configuration of an exposure head of the stereolithography apparatus according to the first embodiment.

【図5】(A)は図4に示す露光ヘッドの構成を示す光
軸に沿った副走査方向の断面図であり、(B)は(A)
の側面図である。
5A is a cross-sectional view taken along the optical axis in the sub-scanning direction, showing the configuration of the exposure head shown in FIG. 4, and FIG.
FIG.

【図6】デジタルマイクロミラーデバイス(DMD)の
構成を示す部分拡大図である。
FIG. 6 is a partially enlarged view showing the configuration of a digital micromirror device (DMD).

【図7】(A)及び(B)はDMDの動作を説明するた
めの説明図である。
FIGS. 7A and 7B are explanatory diagrams for explaining the operation of the DMD.

【図8】(A)及び(B)は、DMDを傾斜配置しない
場合と傾斜配置する場合とで、露光ビームの配置及び走
査線を比較して示す平面図である。
FIGS. 8A and 8B are plan views showing the arrangement of the exposure beam and the scanning line in comparison between the case where the DMD is not tilted and the case where the DMD is tilted.

【図9】(A)はファイバアレイ光源の構成を示す斜視
図であり、(B)は(Aの部分拡大図であり、(C)及
び(D)はレーザ出射部における発光点の配列を示す平
面図である。
9A is a perspective view showing a configuration of a fiber array light source, FIG. 9B is a partially enlarged view of FIG. 9A, and FIGS. 9C and 9D show an array of light emitting points in a laser emitting portion. It is a top view shown.

【図10】マルチモード光ファイバの構成を示す図であ
る。
FIG. 10 is a diagram showing a configuration of a multimode optical fiber.

【図11】合波レーザ光源の構成を示す平面図である。FIG. 11 is a plan view showing a configuration of a combined laser light source.

【図12】レーザモジュールの構成を示す平面図であ
る。
FIG. 12 is a plan view showing the configuration of a laser module.

【図13】図12に示すレーザモジュールの構成を示す
側面図である。
13 is a side view showing the configuration of the laser module shown in FIG.

【図14】図12に示すレーザモジュールの構成を示す
部分側面図である。
FIG. 14 is a partial side view showing the configuration of the laser module shown in FIG.

【図15】(A)及び(B)は、従来の露光ヘッドにお
ける焦点深度と第1の実施の形態に係る光造形装置の露
光ヘッドにおける焦点深度との相違を示す光軸に沿った
断面図である。
15A and 15B are cross-sectional views taken along the optical axis showing the difference between the depth of focus in the conventional exposure head and the depth of focus in the exposure head of the optical modeling apparatus according to the first embodiment. Is.

【図16】(A)及び(B)は、DMDの使用領域の例
を示す図である。
16A and 16B are diagrams showing an example of a DMD usage area;

【図17】(A)はDMDの使用領域が適正である場合
の側面図であり、(B)は(A)の光軸に沿った副走査
方向の断面図である。
FIG. 17A is a side view when the DMD usage area is appropriate, and FIG. 17B is a cross-sectional view in the sub-scanning direction along the optical axis of FIG.

【図18】スキャナによる1回の走査で光硬化性樹脂の
液面全面を露光する露光方式を説明するための平面図で
ある。
FIG. 18 is a plan view for explaining an exposure method in which the entire liquid surface of the photocurable resin is exposed by one scanning with the scanner.

【図19】(A)及び(B)はスキャナによる複数回の
走査で光硬化性樹脂の液面全面を露光する露光方式を説
明するための平面図である。
19A and 19B are plan views for explaining an exposure method in which the entire liquid surface of the photocurable resin is exposed by scanning a scanner a plurality of times.

【図20】レーザアレイの構成を示す斜視図である。FIG. 20 is a perspective view showing a configuration of a laser array.

【図21】(A)はマルチキャビティレーザの構成を示
す斜視図であり、(B)は(A)に示すマルチキャビテ
ィレーザをアレイ状に配列したマルチキャビティレーザ
アレイの斜視図である。
21A is a perspective view showing a configuration of a multi-cavity laser, and FIG. 21B is a perspective view of a multi-cavity laser array in which the multi-cavity lasers shown in FIG.

【図22】合波レーザ光源の他の構成を示す平面図であ
る。
FIG. 22 is a plan view showing another configuration of the combined laser light source.

【図23】合波レーザ光源の他の構成を示す平面図であ
る。
FIG. 23 is a plan view showing another configuration of the combined laser light source.

【図24】(A)は合波レーザ光源の他の構成を示す平
面図であり、(B)は(A)の光軸に沿った断面図であ
る。
24A is a plan view showing another configuration of the combined laser light source, and FIG. 24B is a sectional view taken along the optical axis of FIG.

【図25】光量分布補正光学系による補正の概念につい
ての説明図である。
FIG. 25 is an explanatory diagram of a concept of correction by a light amount distribution correction optical system.

【図26】光源がガウス分布で且つ光量分布の補正を行
わない場合の光量分布を示すグラフである。
FIG. 26 is a graph showing a light amount distribution when the light source has a Gaussian distribution and the light amount distribution is not corrected.

【図27】光量分布補正光学系による補正後の光量分布
を示すグラフである。
FIG. 27 is a graph showing a light quantity distribution after correction by a light quantity distribution correction optical system.

【図28】従来のレーザ走査方式の積層造形装置の構成
を示す斜視図である。
FIG. 28 is a perspective view showing a configuration of a conventional laser scanning type additive manufacturing apparatus.

【図29】従来の可動ミラー方式の積層造形装置の構成
を示す斜視図である。
FIG. 29 is a perspective view showing a configuration of a conventional movable mirror type additive manufacturing apparatus.

【図30】(A)は露光領域の露光パターンの1例を示
す平面図であり、(B)は(A)の第1のグループの画
素を露光した後の状態を示す斜視図であり、(C)は
(A)の第2のグループの画素を露光した後の状態を示
す斜視図である。
30A is a plan view showing an example of an exposure pattern of an exposure region, FIG. 30B is a perspective view showing a state after the pixels of the first group of FIG. (C) is a perspective view showing a state after exposing the pixels of the second group of (A).

【図31】(A)は結合光学系の異なる他の露光ヘッド
の構成を示す光軸に沿った断面図であり、(B)はマイ
クロレンズアレイ等を使用しない場合に被露光面に投影
される光像を示す平面図であり、(C)はマイクロレン
ズアレイ等を使用した場合に被露光面に投影される光像
を示す平面図である。
FIG. 31 (A) is a sectional view taken along the optical axis showing the configuration of another exposure head having a different coupling optical system, and FIG. 31 (B) is projected onto the exposed surface when a microlens array or the like is not used. FIG. 6C is a plan view showing a light image that is projected, and FIG. 6C is a plan view showing a light image that is projected onto the exposed surface when a microlens array or the like is used.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

LD1〜LD7 GaN系半導体レーザ 10 ヒートブロック 11〜17 コリメータレンズ 20 集光レンズ 30 マルチモード光ファイバ 50 デジタル・マイクロミラー・デバイス(DMD) 53 反射光像(露光ビーム) 54、58 レンズ系 56 走査面(被露光面) 64 レーザモジュール 66 ファイバアレイ光源 68 レーザ出射部 73 組合せレンズ 150 光硬化性樹脂 152 昇降ステージ 156 容器 158 ガイド 162 スキャナ 166 露光ヘッド 168 露光エリア 170 露光済み領域 LD1 to LD7 GaN semiconductor laser 10 heat block 11-17 Collimator lens 20 Condensing lens 30 multimode optical fiber 50 Digital Micromirror Device (DMD) 53 Reflected light image (exposure beam) 54, 58 lens system 56 Scanning surface (exposed surface) 64 laser module 66 Fiber array light source 68 Laser emission part 73 Combination lens 150 Light curable resin 152 Lifting stage 156 containers 158 Guide 162 scanner 166 exposure head 168 exposure area 170 Exposed area

フロントページの続き (72)発明者 岡崎 洋二 神奈川県足柄上郡開成町宮台798番地 富 士写真フイルム株式会社内 (72)発明者 石川 弘美 神奈川県足柄上郡開成町宮台798番地 富 士写真フイルム株式会社内 (72)発明者 藤井 武 神奈川県足柄上郡開成町宮台798番地 富 士写真フイルム株式会社内 (72)発明者 山川 博充 埼玉県さいたま市植竹町1丁目324番地 富士写真光機株式会社内 Fターム(参考) 4F213 AA44 AC05 WL03 WL13 WL23 WL37 WL43 WL50 WL75 WL76 WL80 WL85 WL87 WL92 WL96Continued front page    (72) Inventor Yoji Okazaki             798 Miyadai, Kaisei-cho, Ashigarakami-gun, Kanagawa Prefecture             Shishi Film Co., Ltd. (72) Inventor Hiromi Ishikawa             798 Miyadai, Kaisei-cho, Ashigarakami-gun, Kanagawa Prefecture             Shishi Film Co., Ltd. (72) Inventor Takeshi Fujii             798 Miyadai, Kaisei-cho, Ashigarakami-gun, Kanagawa Prefecture             Shishi Film Co., Ltd. (72) Inventor Hiromitsu Yamakawa             1-324 Uetakecho, Saitama City, Saitama Prefecture             Fuji Photo Optical Co., Ltd. F-term (reference) 4F213 AA44 AC05 WL03 WL13 WL23                       WL37 WL43 WL50 WL75 WL76                       WL80 WL85 WL87 WL92 WL96

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】光硬化性樹脂を収容する造形槽と、 該造形槽内に昇降可能に設けられた造形物を支持するた
めの支持台と、 レーザ光を照射するレーザ装置と、各々制御信号に応じ
て光変調状態が変化する多数の画素部が基板上に2次元
状に配列され、前記レーザ装置から照射されたレーザ光
を変調する空間光変調素子と、前記基板上に配列された
画素部の全個数より少ない個数の複数の画素部の各々
を、露光情報に応じて生成した制御信号によって制御す
る制御手段と、各画素部で変調されたレーザ光を前記造
形槽に収容された光硬化性樹脂の液面に結像させる光学
系と、を含む露光ヘッドと、 該露光ヘッドを前記光硬化性樹脂の液面に対して相対移
動させる移動手段と、を備えた光造形装置。
1. A molding tank for accommodating a photocurable resin, a support stand for supporting a molded object which is provided in the molding tank so as to be able to move up and down, a laser device for irradiating a laser beam, and control signals respectively. A plurality of pixel portions whose light modulation state changes according to the two-dimensionally arranged on the substrate, the spatial light modulator for modulating the laser light emitted from the laser device, and the pixels arranged on the substrate Control means for controlling each of a plurality of pixel parts of which the number is smaller than the total number of parts by a control signal generated according to the exposure information, and a laser beam modulated by each pixel part is stored in the modeling tank. An optical modeling apparatus comprising: an exposure head including an optical system that forms an image on the liquid surface of a curable resin; and a moving unit that relatively moves the exposure head with respect to the liquid surface of the photocurable resin.
【請求項2】前記制御手段により制御される画素部は、
所定方向に対応する方向の長さが前記所定方向と交差す
る方向の長さより長い領域に含まれる画素部である請求
項1に記載の光造形装置。
2. The pixel section controlled by the control means comprises:
The stereolithography apparatus according to claim 1, wherein the stereolithography device is a pixel unit included in a region having a length in a direction corresponding to a predetermined direction longer than a length in a direction intersecting with the predetermined direction.
【請求項3】前記レーザ装置を、光ファイバの入射端か
ら入射されたレーザ光をその出射端から出射する複数の
ファイバ光源を備え、該複数のファイバ光源の出射端に
おける発光点の各々がアレイ状に配列されたファイバア
レイ光源又はバンドル状に配列されたファイババンドル
光源で構成した請求項1又は2に記載の光造形装置。
3. The laser device is provided with a plurality of fiber light sources for emitting laser light incident from an incident end of an optical fiber from an emission end thereof, each light emitting point at the emission end of the plurality of fiber light sources being an array. The optical modeling apparatus according to claim 1 or 2, comprising fiber array light sources arranged in a matrix or fiber bundle light sources arranged in a bundle.
【請求項4】前記光ファイバとして、コア径が均一で出
射端のクラッド径が入射端のクラッド径より小さい光フ
ァイバを用いた請求項3に記載の光造形装置。
4. The optical modeling apparatus according to claim 3, wherein the optical fiber is an optical fiber having a uniform core diameter and a cladding diameter at an emitting end smaller than a cladding diameter at an incident end.
【請求項5】前記ファイバ光源を、下記(1)〜(3)
のいずれか1つのファイバ光源で構成した請求項3又は
4に記載の光造形装置。 (1)複数の半導体レーザと、1本の光ファイバと、前
記複数の半導体レーザの各々から出射されたレーザビー
ムを集光し、集光ビームを前記光ファイバの入射端に結
合させる集光光学系と、を備えたファイバ光源 (2)(1)の半導体レーザが、複数の発光点を備える
マルチキャビティレーザであるファイバ光源 (3)複数の発光点を備えるマルチキャビティレーザ
と、1本の光ファイバと、前記複数の発光点の各々から
出射されたレーザビームを集光し、集光ビームを前記光
ファイバの入射端に結合させる集光光学系と、を備えた
ファイバ光源
5. The fiber light source according to the following (1) to (3)
The optical modeling apparatus according to claim 3, wherein the optical modeling apparatus is configured by any one of the fiber light sources. (1) Condensing optics for condensing a plurality of semiconductor lasers, one optical fiber, and laser beams emitted from each of the plurality of semiconductor lasers, and coupling the condensing beams to an incident end of the optical fiber. The semiconductor laser of the fiber light source (2) (1) provided with the system is a multi-cavity laser having a plurality of emission points, and the fiber light source (3) a multi-cavity laser having a plurality of emission points and one light A fiber light source including a fiber and a condensing optical system that condenses a laser beam emitted from each of the plurality of light emitting points and couples the condensing beam to an incident end of the optical fiber.
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