JP2004216730A - Optical three-dimensional shaping method and apparatus therefor - Google Patents

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JP2004216730A JP2003007284A JP2003007284A JP2004216730A JP 2004216730 A JP2004216730 A JP 2004216730A JP 2003007284 A JP2003007284 A JP 2003007284A JP 2003007284 A JP2003007284 A JP 2003007284A JP 2004216730 A JP2004216730 A JP 2004216730A
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical three-dimensional shaping method for producing a three-dimensional shaped article having high shaping precision and dimensional precision at a high shaping speed with good optical energy efficiency and good productivity by a simple and inexpensive apparatus, and an apparatus for the method. <P>SOLUTION: In the optical three-dimensional shaping method and the apparatus for the method, light emitted from a light source is separated into two polarized lights whose vibration directions cross each other at right angles by the polarized light splitting surface of a polarized light splitting element. One separated polarized light is let pass through the polarized light splitting element to be turned toward a drawing mask. The other separated polarized light is reflected by the polarized light splitting surface and re-reflected, scattered and/or absorbed so as not to pass through the polarized light splitting element. One polarized light which is passed through the polarized light splitting element is applied to a shaping surface of a photo-setting resin composition through the drawing mask having a liquid crystal shutter to form a photo-set resin layer having a prescribed profile pattern corresponding to the mask image of the drawing mask. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は光学的立体造形方法、光学的立体造形装置および光学装置に関する。より詳細には、本発明は、光硬化性樹脂組成物を用いて、各種の立体造形物を、構造が簡単で且つ安価な装置を使用して、高い光エネルギー効率、高い造形精度および速い造形速度で、生産性良く製造することのできる光学的立体造形方法、そのための光学的立体造形装置、およびそれらに有効に用い得る光学装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、三次元CADに入力されたデータに基づいて光硬化性樹脂を硬化させて立体造形物を製造する光学造形方法および装置が実用化されている。この光造形技術は、設計の途中で外観デザインを検証するためのモデル、部品の機能性をチェックするためのモデル、鋳型を製作するための樹脂型、金型を製作するためのベースモデルなどのような複雑な三次元物体を容易に造形できる。
【0003】
光学造形方法によって造形物を製造するに当たっては、造形浴を用いる方法が汎用されており、その手順としては、造形浴に液状の光硬化性樹脂を入れ、液面に所望のパターンが得られるようにコンピューターで制御されたスポット状の紫外線レーザー光を選択的に照射して所定の厚みに光硬化させて硬化樹脂層を形成し、その硬化樹脂層を造形浴内で下方に移動させて造形浴内の光硬化性樹脂液を該硬化樹脂層上に流動させて光硬化性樹脂液の層を形成させ、その光硬化性樹脂液層にスポット状の紫外線レーザー光を照射して硬化樹脂層を形成し、前記の工程を所定の形状および寸法の立体造形物が得られるまで繰り返して行う方法が広く採用されている。
【0004】
しかしながら、スポット状の紫外線レーザー光を用いる上記した従来法による場合は、1個のスポット状レーザー光を光硬化性樹脂の表面に照射しながら移動させて面状の光硬化したパターンを形成するいわゆる点描方式であるため、造形に長い時間を要し、生産性が低いという問題がある。しかも、光源として用いられる紫外線レーザー装置は極めて高価であり、そのためこの種の光学的立体造形装置を高価格なものにしている。
【0005】
スポット状レーザー光を用いる上記した従来技術における問題点を解消し、造形速度を向上させることを目的として、スポット状レーザー光の代わりに、面状マスクを使用し、該面状マスクを介して、造形しようとする断面形状パターンに応じた光を光硬化性樹脂よりなる造形面に面状に照射して照射部分の光硬化性樹脂を面状に硬化させる光造形方法が開発されている。そして、面状マスクを用いるそのような光造形技術として、微小ドットエリアの透光および遮光が可能な液晶シャッターよりなる描画マスクを用いる方法が知られている(例えば特許文献1〜4参照)。
【0006】
周知のように、光はいくつもの振動面をもって振動しているが、光は、現象的には、図5に示すように、水平方向に振動面を有する振動波(偏光)(P波)と鉛直方向に振動面を有する振動波(偏光)(S波)に分離できる。
前記した特許文献1〜4などに記載されている従来の光学的立体造形装置では、その液晶シャッターよりなる描画マスクとして液晶ディスプレー装置などで使用されているのと同様の液晶シャッターが用いられており、液晶シャッターの入口側と出口側の両面に、2枚の偏光フィルム(偏光板)がその偏光方向を互いに直交させて配置されている。そのような液晶シャッターでは、光源などから照射された光は、入口側に配置した偏光フィルムによってその偏光フィルムと同じ偏光方向に偏光される。すなわち、前記したP波またはS波のうち、入口側の偏光フィルムの偏光方向と同じ方向に振動面を有するP波またはS波のいずれか一方の偏光のみが入口側の偏光フィルムを通して液晶へと導かれ、液晶内に入射した偏光は、電圧の負荷の有無や強弱によって生ずる液晶の配列状態と出口側に配置した偏光フィルムの偏光方向の協同によるマイクロスイッチ作用(オン・オフ作用)によって、液晶シャッターを通過するかまたは液晶シャッターでストップされ、それによって所定の面状マスク画像が形成され、該面状マスク画像に対応した所定の形状パターンの光が光硬化性樹脂よりなる造形面に照射されて、所定の光硬化した断面形状パターンが造形面に形成される。
【0007】
しかしながら、特許文献1〜4のなどの従来技術で用いられている液晶シャッターよりなる描画マスクを用いた場合には、液晶の入口側に配置した偏光フィルムによって、光源などから出射された光の光量が大幅に低下する。すなわち、入口側の偏光フィルムを通過した時点で、光量が通過前の約10〜30%にまで低減してしまい、光エネルギー効率が著しく低いものであった。特に、光学的立体造形で一般に用いられている紫外線は波長が短いために、偏光フィルムによって吸収され易く、それに伴って光量の低減が著しく、液晶シャッターの入口側に配置した偏光フィルムの通過後には通過前の約10%程度にまで光量が低下してしまうというのが現状であった。
そのため、特許文献1〜4などに記載されている従来技術による場合は、光硬化性樹脂よりなる造形面に照射される光の強度が不足し、光硬化性樹脂の硬化に時間を要し造形速度が低下したり、硬化が不十分になって造形精度が低下するなどの問題を生じていた。液晶シャッターよりなる描画マスクを用いるかかる従来技術において、造形精度や造形速度の低下などの問題を回避しようとする場合は、高エネルギーの光を照射しなければならず、そのためには高エネルギー光の照射が可能な高価な光源を使用する必要があり、エネルギー効率、コストなどの点で問題があった。
【0008】
一方、光学的立体造形装置ではないが、液晶シャッターを用いてなるプロジェクターなどの光学装置において、液晶シャッターの入口側に偏光フィルムを配置することに伴う上記した光量の低下を防止することを目的として、液晶の入口側に偏光フィルム(偏光板)を配置する代わりに、レンズアレイ、偏光分離素子(PS分離膜)、1/2波長位相遅延素子(1/2λ波長板)などを配置し、光源からの光をレンズアレイを用いて集光し、集光した光をPS分離膜を用いて振動方向が互いに直交する2つの偏光(X−Y面を振動面とするP波とX−Z面を振動面とするS波)に分離すると共に該2つに分離された偏光(P波またはS波)のうちの一方をPS分離膜を通し、もう一方を反射膜で反射させ、該2つの偏光のうちのいずれか一方の偏光方向を1/2波長位相遅延素子(1/2λ波長板)によって90°回転させて、2つの偏光の振動方向(偏光方向)を同一に揃えて液晶シャッターに供給するようにした、例えば図6に示すような光学装置が知られている。
【0009】
また、その外にも、液晶スイッチの入口側(上流側)に、回折格子などを用いた偏光分離素子、第1レンズアレイ、位相差板(波長位相遅延素子)、第2レンズアレイなどを順に配置して光源からの光の振動方向を同一に揃えて液晶スイッチに供給するようにした投写型投影装置(例えば特許文献5参照)や、光源からの光をレンズアレイを用いて集光し、それを方解石などの複屈折性結晶を通して常光と異常光に分離し、前記常光と異常光のうちの一方を1/2波長位相遅延素子によって90°回転させて両方の光の振動方向を同一に揃えて液晶ライトバルブ(液晶シャッター)に供給するようにした光学装置(例えば特許文献6の特許請求の範囲等を参照)などが知られている。
【0010】
さらに、例えば図7に示すように、ガラスなどからなる透明体内に、偏光分離面と反射面を交互に斜めに配置すると共に、反射面部位の光入射側に遮蔽板を配置し、偏光分離面部位および反射面部位のいずれか一方の光出射側に1/2波長位相遅延素子を配置した、単一偏光形成用の光学装置が知られている(例えば特許文献6の段落0006および図9などを参照)。
この光学装置では、入射した光(P波とS波の混合波)は偏光分離面によって振動方向が互いに直交する2つの偏光(P波とS波)に分離されると共に該2つに分離された偏光(P波またはS波)のうちの一方の偏光(図7ではP波)は偏光分離面を通過し、もう一方の偏光(図7ではS波)は偏光分離面で反射された後にさらに反射面で反射されてその走行方向が偏光分離面を通過した該一方の偏光(図7ではP波)と同じ方向に揃えられる。走行方向を揃えた該2つの偏光(P波またはS波)のうちのいずれか一方の偏光(図7ではP波)は、その走行路に配置された1/2波長位相遅延素子(1/2λ波長板)によって90°回転させられてその偏光方向(振動方向)が変換され、光学装置からは振動方向を同じくする単一の偏光(図7ではS波)が出射される。
この光学装置において、反射面部位の光入射側に配置した遮蔽板は、反射面部位の外部から光(P波とS波との混合波)が入射して、偏光分離面で互いに分離された一方の偏光(P波またはS波)(図7ではS波)と交じりあってしまって、その単一偏光(図7ではS波)状態が損なわれないようにするために設けられている。
【0011】
図6〜図7、特許文献5〜6などに記載されている上記した従来の光学装置では、液晶シャッターに入射させる光の偏光を単一のものとするために偏光フィルムを用いずに、偏光分離素子(PS分離膜)または複屈折性結晶と共に、1/2波長位相遅延素子(1/2λ波長板)や位相差板などを用いており、それによって液晶シャッターの入口側に偏光フィルム(偏光板)を用いた場合に比べて光量の大きな低下を防止することができる。
しかしながら、これら従来の光学装置は、いずれも偏光分離素子で互いに分離した2つの偏光を、振動方向(偏光方向)の同じくする1つの偏光に揃えるために、1/2波長位相遅延素子を必須にしている。
さらに、図6、特許文献5、特許文献6(特に特許請求の範囲)等に記載されている従来の光学装置は、偏光分離素子の上流側または下流側に高価なレンズアレイ(フライアイレンズ)を配置したり、高価な回折格子を用いたり、複屈折性結晶などを用いる必要がある。
そのため、これら従来の光学装置は、構造が複雑で、高価であり、設計や開発に労力や時間を要する。しかも、特許文献6の光学装置で使用されている方解石などの複屈折性結晶は、大きなサイズのものが入手しにくいことから、液晶シャッターに供給する偏光(偏光の方向を一方向に揃えた偏光)の面積を大きくすることができず、そのために光硬化性樹脂よりなる造形面に大面積のマスク画像を投影できず、大型の造形物の製造が困難である。
【0012】
しかも、図6〜図7、特許文献5〜6などに記載されているこれら従来の光学装置では、偏光分離素子によってP波とS波とに分離する際や、偏光分離素子によって分離されたP波またはS波のいずれか一方の偏光の振動方向を1/2波長位相遅延素子を用いてもう一方の偏光の振動方向と同じに揃える際などに、光エネルギーロスなどによって光強度の不均一が生じ易い。そのため、1/2波長位相遅延素子を経た後に出射される光は、その偏光方向(光の振動方向)はP方向またはS方向のいずれかに単一に揃えられてはいるものの、光の強度にムラがある。例えば、図6の光学装置では、PS分離膜(偏光分離膜)を直接通過したP波と、PS分離膜で反射させたS波を1/2λ波長板を通してその振動方向をP方向に変えたP波との間には、同じP波であっても光強度に差がある。
そのため、これら従来の光学装置を光学的立体造形に用いた場合には、液晶シャッターよりなる描画マスクを通して造形面に照射される光の強度が不均一になり、それに伴って造形精度の低下、得られる立体造形物の強度ムラ、外観不良などを生じ易い。これら従来の光学装置において、偏光分離素子および1/2波長位相遅延素子を経て出射される単一の偏光でのそのような光強度ムラを防止するためには、照度均一化手段をその光路途中に配置する必要があり、光学装置を一層複雑でしかも高価なものにしている。
【0013】
【特許文献1】
特開昭62−288844号公報
【特許文献2】
特開平3−227222号公報
【特許文献3】
特開平7−2905789号公報
【特許文献4】
特開平8−112863号公報
【特許文献5】
特開平10−197827号公報
【特許文献6】
特開2000−180262号公報
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、光源などから出射される光の光量低下が少なく、高い光エネルギー効率で、小型の立体造形物から大型の立体造形物まで、高い造形精度で、しかも速い造形速度で、生産性良く製造することのできる光学的立体造形方法および光学的立体造形装置を提供することである。
さらに、本発明の目的は、紫外線レーザー、レンズアレイ、複屈折性結晶、結晶格子からなる偏光分離素子などのような高価な装置や手段を用いずに、しかも1/2波長位相遅延素子をも使用する必要がなく、簡単で安価な装置で、通常の紫外線ランプのような安価な光源を用いて、高い光エネルギー効率で、立体造形物を高い造形精度で且つ高速で生産性良く製造することのできる光学的立体造形方法および光学的立体造形装置を提供することである。
そして、本発明の目的は、簡単で且つ安価な装置で、光硬化性樹脂組成物よりなる造形面に、液晶シャッターよりなる描画マスクを介して、光強度(照度)の均一な光を照射することができ、それによって造形精度、力学的特性などに一層優れる高品質の立体造形物を製造することのできる光学的立体造形方法および光学的立体造形装置を提供することである。
【0015】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成すべく本発明者は鋭意検討を重ねてきた。その結果、液晶シャッターよりなる描画マスクを介して光硬化性樹脂組成物の表面に光を照射して、所定の断面形状パターンを有する光硬化した樹脂層を順次形成して立体造形物を製造する光学的立体造形方法および光学的立体造形装置において、光源または光出射手段から出射された光を、偏光分離素子の偏光分離面で振動方向が互いに直交する2つの偏光に分離し、該分離された2つの偏光のうちで偏光分離面を通過した一方の偏光のみを液晶シャッターよりなる描画マスクを介してそのまま直接造形面に照射し、偏光分離面で分離した(反射させた)もう一方の偏光は描画マスクの方向に向かわないように再反射、散乱および/または吸収させるようにすると、高価な紫外線レーザー、フライアイレンズ(レンズアレイ)、高価な偏光分離素子や複屈折性結晶などを用いることなく、更には上記した従来のこの種の光学装置で必須であった1/2波長位相遅延素子をも使用することなく、極めて簡単な装置で、光源からの光を45%以上の高い光量(光エネルギー強度)を維持しながら、単一の振動方向を有する単一の偏光形態で液晶シャッターを備えた描画マスクに導くことができ、それによって小型の立体造形物から大型の立体造形物まで、極めて良好な光エネルギー効率で、高い造形精度、速い造形速度で、生産性良く製造できることを見出した。
しかも、この方法による場合は、偏光分離素子を経て描画マスクに供給される単一偏光の光強度(照射強度)にムラが無く、全体が均一であるために、目的とする立体造形物を高い造形精度で製造することができ、しかも得られる立体造形物は力学的特性、外観などにおいて極めて優れていることを見出した。
【0016】
さらに、本発明者は、かかる方法によって立体造形物を製造するに当たっては、偏光分離素子として、
・2つの偏光分離面AおよびAをV型の面対称状態で対向配置した構造部を1組以上有する偏光分離素子;
・2つの偏光分離面AおよびAをV型の面対称状態で対向配置すると共に偏光分離面AおよびAの対称面位置に遮光面を配置した構造部を1組以上有する偏光分離素子;または、
・偏光分離面Aを光源または光出射手段から出射された光の進行方向に対して斜め方向に配置すると共に該偏光分離面Aに対して所定の角度で遮光面を配置した構造部を1組以上有する偏光分離素子;
が、好ましく用いられることを見出し、それらの知見に基づいて本発明を完成した。
【0017】
すなわち、本発明は、
(1) 光硬化性樹脂組成物からなる造形面に液晶シャッターを有する描画マスクを介して制御下に光を照射して所定の断面形状パターンを有する光硬化した樹脂層を形成した後、該光硬化した樹脂層の上に1層分の光硬化性樹脂組成物を施して造形面を形成し、該光硬化性樹脂組成物よりなる造形面に描画マスクを介して制御下に光を照射して所定の断面形状パターンを有する光硬化した樹脂層を更に形成する操作を所定の立体造形物が形成されるまで順次繰り返すことによって立体造形物を製造する方法であって、
・偏光分離面を有する偏光分離素子を用いて、光源または光出射手段から出射された光を偏光分離素子の偏光分離面で振動方向が互いに直交する2つの偏光に分離し;
・偏光分離面で分離された一方の偏光は偏光分離素子を通過させて描画マスクの方へと向かわせ;
・偏光分離面で分離されたもう一方の偏光は偏光分離面で反射させた後に偏光分離素子を通過しないように再反射、散乱および/または吸収させ;
・偏光分離素子を通過した前記一方の偏光を、微小エリアでの遮光および透光が可能な液晶シャッターを有する描画マスクを介して光硬化性樹脂組成物よりなる造形面に照射して、描画マスクのマスク画像に対応する所定の断面形状パターンを有する光硬化した樹脂層を形成する;
ことを特徴とする光学的立体造形方法である。
【0018】
そして、本発明は、
(2) 偏光分離素子として、2つの偏光分離面AおよびAをV型の面対称状態で対向配置した構造部を1組以上有する偏光分離素子を用い;
光源または光出射手段から出射された光を、偏光分離素子の偏光分離面AおよびAのそれぞれで振動方向が互いに直交する2つの偏光に分離し、分離した一方の偏光は偏光分離素子を通過させて描画マスクの方に向かわせ、もう一方の偏光は偏光分離面AおよびAのそれぞれで反射させ;
偏光分離面Aで反射させた該もう一方の偏光を偏光分離面Aの方に向かわせて偏光分離面Aで再反射させると共に偏光分離面Aで反射させた該もう一方の偏光を偏光分離面Aの方向に向かわせて偏光分離面Aで再反射させることによって、該もう一方の偏光が偏光分離素子を通過しないようにする;
ことからなる前記(1)の光学的立体造形方法である。
【0019】
さらに、本発明は、
(3) 偏光分離素子として、2つの偏光分離面AおよびAをV型の面対称状態で対向配置すると共に偏光分離面AおよびAの対称面位置に遮光面Bを配置した構造部を1組以上有する偏光分離素子を用い;
光源または光出射手段から出射された光を、偏光分離素子の2つの偏光分離面AおよびAのそれぞれで振動方向が互いに直交する2つの偏光に分離し、分離した一方の偏光は偏光分離素子を通過させて描画マスクの方に向かわせ、もう一方の偏光は偏光分離面AおよびAで反射させ;
偏光分離面AおよびAで反射させた該もう一方の偏光を遮光面Bに向かわせて遮光面Bで再反射、散乱および/または吸収させることによって、該もう一方の偏光が偏光分離素子を通過しないようにする;
ことからなる前記(1)の光学的立体造形方法である。
【0020】
また、本発明は、
(4) 偏光分離素子として、偏光分離面Aを光源または光出射手段から出射された光の進行方向に対して斜め方向に配置すると共に遮光面Bを偏光分離面Aに対して所定の角度で対向配置した構造部を1組以上有する偏光分離素子を用い;
光源または光出射手段から出射された光を、偏光分離面Aにより振動方向が互いに直交する2つの偏光に分離し、分離した一方の偏光は偏光分離面Aを通過させて描画マスクの方に向かわせ、もう一方の偏光は偏光分離面Aで反射させ;
偏光分離面Aで反射させた該もう一方の偏光を遮光面Bに向かわせて遮光面Bで再反射、散乱および/または吸収させることによって、該もう一方の偏光が偏光分離素子を通過しないようにする;
ことからなる前記(1)の光学的立体造形方法である。
【0021】
また、本発明は、
(5) 偏光分離素子を通過した前記一方の偏光を集光レンズを通して描画マスクに供給すると共に、描画マスクを通った所定のマスク画像の光を投影レンズを通して造形面に照射する前記(1)〜(4)のいずれかの光学的立体造形方法である。
【0022】
そして、本発明は、
(6)・光源または光出射手段;
・光源または光出射手段から出射された光を振動方向が互いに直交する2つの偏光に分離する偏光分離面を有し、偏光分離面で分離した該2つの偏光のうちの一方の偏光は偏光分離素子を通過させ、もう一方の偏光は偏光分離面で反射させた後に偏光分離素子を通過しないように再反射、散乱および/または吸収させるようにした偏光分離素子;
・偏光分離素子の下流側に配置した、微小エリアでの遮光および透光が可能な複数の微小液晶シャッターからなる描画マスク;および、
・光硬化性樹脂組成物よりなる造形面を形成する手段;
を有することを特徴とする光学的立体造形装置である。
【0023】
さらに、本発明は、
(7) 偏光分離素子が、
・光源または光出射手段から出射された光を振動方向が互いに直交する2つの偏光に分離し、該2つの偏光のうちの一方の偏光を通過させ、もう一方の偏光を反射させる2つの偏光分離面AおよびAをV型の面対称状態で対向配置した構造部を1組以上有する偏光分離素子[以下これを「偏光分離素子(2a)」ということがある];
・光源または光出射手段から出射された光を振動方向が互いに直交する2つの偏光に分離し、該2つの偏光のうちの一方の偏光を通過させ、もう一方の偏光を反射させる2つの偏光分離面AおよびAをV型の面対称状態で対向配置すると共に偏光分離面Aと偏光分離面Aの対称面位置に遮光面Bを配置した構造部を1組以上有する偏光分離素子[以下これを「偏光分離素子(2b)」ということがある];または、
・光源または光出射手段から出射された光を振動方向が互いに直交する2つの偏光に分離して該2つの偏光のうちの一方の偏光を通過させ且つもう一方の偏光を反射させる偏光分離面Aを光源または光出射手段から出射された光の進行方向に対して斜め方向に配置すると共に遮光面Bを偏光分離面Aに対して所定の角度で対向配置した構造部を1組以上有する偏光分離素子[以下これを「偏光分離素子(2c)」ということがある];
である前記(6)の光学的立体造形装置である。
【0024】、
また、本発明は、
(8) 偏光分離素子の偏光分離面が、光源または光出射手段から出射された光の進行方向に対して40°〜50°の角度で配置されている前記(6)または(7)の光学的立体造形装置である。
【0025】
そして、本発明は、
(9) 光源または光出射手段から出射された光を振動方向が互いに直交する2つの偏光に分離する偏光分離面を有し、偏光分離面で分離した該2つの偏光のうちの一方の偏光は偏光分離素子を通過させ、もう一方の偏光を偏光分離面で反射させた後に偏光分離素子を通過しないように再反射、散乱および/または吸収させるようにした偏光分離素子;並びに、
偏光分離素子の下流側に配置した、微小エリアでの遮光および透光が可能な複数の微小液晶シャッターからなる描画マスク;
を有する光学装置であって、前記偏光分離素子が、
・光源または光出射手段から出射された光を振動方向が互いに直交する2つの偏光に分離し、該2つの偏光のうちの一方の偏光を通過させ、もう一方の偏光を反射させる2つの偏光分離面AおよびAをV型の面対称状態で対向配置した構造部を1組以上有する偏光分離素子(2a);
・光源または光出射手段から出射された光を振動方向が互いに直交する2つの偏光に分離し、該2つの偏光のうちの一方の偏光を通過させ、もう一方の偏光を反射させる2つの偏光分離面AおよびAをV型の面対称状態で対向配置すると共に偏光分離面Aと偏光分離面Aの対称面位置に遮光面Bを配置した構造部を1組以上有する偏光分離素子(2b);または、
・光源または光出射手段から出射された光を振動方向が互いに直交する2つの偏光に分離して該2つの偏光のうちの一方の偏光を通過させ且つもう一方の偏光を反射させる偏光分離面Aを光源または光出射手段から出射された光の進行方向に対して斜め方向に配置すると共に遮光面Bを偏光分離面Aに対して所定の角度で対向配置した構造部を1組以上有する偏光分離素子(2c);
であることを特徴とする光学装置;および、
(10) 偏光分離素子における偏光分離面が、光源または光出射手段から出射された光の進行方向に対して40°〜50°の角度で配置されている前記(9)の光学装置;
である。
【0026】
【発明の実施の形態】
以下に本発明について詳細に説明する。
本発明の光学的立体造形方法は、光硬化性樹脂組成物の表面に描画マスクを介して制御下に光を照射して所定の断面形状パターンを有する光硬化した樹脂層を形成した後、該光硬化した樹脂層の上に1層分の光硬化性樹脂組成物を施し、該光硬化性樹脂組成物の表面(造形面)に描画マスクを介して制御下に光を照射して所定の断面形状パターンを有する光硬化した樹脂層を更に形成する操作を所定の立体造形物が形成されるまで順次繰り返すことによって立体造形物を製造する造形操作を採用して行われ、本発明の光学的立体造形装置はそのような光学的立体造形技術において用いるものである。
【0027】
本発明の造形操作は、一般に、液状の光硬化性樹脂組成物を充填した造形浴中に造形テーブルを配置し、造形テーブルを下降させることによって造形テーブル面に1層分の液状の光硬化性樹脂組成物層(造形面)を形成させ、それに描画マスクを介して制御下に光を照射して所定のパターンおよび厚みを有する光硬化した樹脂層(以下「光硬化層」ということがある)を形成した後、造形テーブルを更に下降させて該光硬化層面に1層分の液状の光硬化性樹脂組成物層を形成させて描画マスクを介して制御下に光を照射して所定のパターンおよび厚みを有する光硬化層を一体に積層形成する工程を繰り返して行う、造形浴法を採用して行うことができる。
【0028】
また、前記した本発明の造形操作は、例えば、気体雰囲気中に造形テーブルを配置し、その造形テーブル面に1層分の液状、ペースト状、粉末状または薄膜状の光硬化性樹脂組成物を施して描画マスクを介して制御下に光を照射して所定のパターンおよび厚みを有する光硬化層を形成した後、該光硬化層面に1層分の液状、ペースト状、粉末状または薄膜状の光硬化性樹脂組成物を施して前記描画マスクを介して制御下に光を照射して所定のパターンおよび厚みを有する光硬化層を一体に積層形成する工程を繰り返して行う方法を採用して行うこともできる。この方法による場合は、造形テーブルまたは光硬化層を上向きにしておき、その上面に光硬化性樹脂組成物を施し描画マスクを介して光照射して光硬化層を順次積層形成してゆく方式を採用してもよいし、造形テーブルまたは光硬化層を垂直または斜めに配置しておいて造形テーブル面または光硬化層面上に光硬化性樹脂層を施し描画マスクを介して光照射して光硬化層を順次積層形成してゆく方式を採用してもよいし、或いは造形テーブルまたは光硬化層を下向きに配置しておいて造形テーブル面または光硬化層面に光硬化性樹脂層組成物を施し描画マスクを介して光照射して順次下方に光硬化層を積層形成してゆく方式を採用してもよい。造形テーブル面または光硬化層面へに光硬化性樹脂組成物を施すに当たっては、例えば、ブレード塗装、流延塗装、ローラー塗装、転写塗装、ハケ塗り、スプレー塗装などの適当な方法を採用することができる。
【0029】
本発明では、上記した光造形操作を行うに当たって、描画マスクとして、微小エリアでの遮光および透光が可能な複数の微小液晶シャッターを備えた描画マスク(以下これを「液晶描画マスク」ということがある)を用いる。そして、上流から下流側に向かって、光源または光出射手段、偏光分離素子および液晶描画マスクの順で配置してある。液晶描画マスクによって形成された所定のマスク画像を通して、造形面形成装置によって形成された光硬化性樹脂組成物よりなる造形面に所定のパターン形状の光が照射されて、造形面に所定の断面形状パターンを有する光硬化した樹脂層が形成される。
【0030】
偏光分離素子は偏光分離面を有し、光源または光出射手段から出射された光は偏光分離面で振動方向が互いに直交する2つの偏光(P波とS波)に分離され、互いに分離されたP波とS波のうちの一方のみが偏光分離面(偏光分離素子)を通過して液晶描画マスクの方向へと進む。もう一方の偏光(P波が偏光分離面を通過する場合はS波、S波が偏光分離面を通過する場合はP波)は、偏光分離面で反射された後、偏光分離面(偏光分離素子)を通過しないように、再反射、散乱および/または吸収させる。
【0031】
本発明の光学的立体造形技術で用いる偏光分離素子としては、偏光分離素子に入射した光を振動方向が互いに直交する2つの偏光(P波とS波)に分離する偏光分離面を有し、且つ該分離した2つの偏光のうちの一方の偏光のみが偏光分離素子を通過し、もう一方の偏光は偏光分離面(偏光分離素子)を通過しないような構造を有する偏光分離素子であればいずれも使用できる。
そのうちでも、本発明では、偏光分離素子として以下の偏光分離素子(2a)〜(2c)が好ましく用いられる。
【0032】
偏光分離素子(2a)
光源または光出射手段から出射された光を振動方向が互いに直交する2つの偏光に分離し、該2つの偏光のうちの一方の偏光を通過させ、もう一方の偏光を反射させる2つの偏光分離面AおよびAをV型の面対称状態で対向配置した構造部を1組以上有する偏光分離素子。
偏光分離素子(2b)
光源または光出射手段から出射された光を振動方向が互いに直交する2つの偏光に分離し、該2つの偏光のうちの一方の偏光を通過させ、もう一方の偏光を反射させる2つの偏光分離面AおよびAをV型の面対称状態で対向配置すると共に偏光分離面Aと偏光分離面Aの対称面位置に遮光面Bを配置した構造部を1組以上有する偏光分離素子。
偏光分離素子(2c)
光源または光出射手段から出射された光を振動方向が互いに直交する2つの偏光に分離して該2つの偏光のうちの一方の偏光を通過させ且つもう一方の偏光を反射させる偏光分離面Aを光源または光出射手段から出射された光の進行方向に対して斜め方向に配置すると共に遮光面Bを偏光分離面Aに対して所定の角度で対向配置した構造部を1組以上有する偏光分離素子。
【0033】
何ら限定されるものではないが、本発明で好ましく用いられる偏光分離素子(2a)〜(2c)について、以下に図を参照して説明する。図1は偏光分離素子(2a)の代表例、図2は偏光分離素子(2b)の代表例、および図3は偏光分離素子(2c)の代表例を示す。
まず、図1を参照して偏光分離素子(2a)について説明する。
偏光分離素子(2a)は、偏光分離面AおよびAをV型の面対称状態で対向配置した構造部を1組または2組以上有する(図1では該構造部を2組配置した状態を図示)。振動方向が互いに直交する2つの偏光(P波とS波)(P波を実線、S波を点線で図示)を含む光源または光出射手段(図示せず)から出射された光は、偏光分離面AおよびAにより分離され、該2つの偏光のうちの一方の偏光(図1ではP波で例示)は偏光分離面AおよびAを通過する。もう一方の偏光(図1ではS波で例示)は偏光分離面AおよびAで反射される。偏光分離面Aで反射された偏光(S波)は、偏光分離面Aに対向配置した偏光分離面Aの方向へと進み、偏光分離面Aによって再反射されて入射方向(光源または光出射手段)へと戻る。また、偏光分離面Aで反射された偏光(S波)は、偏光分離面Aに対向配置した偏光分離面Aの方向へと進み、偏光分離面Aによって再反射されて入射方向(光源または光出射手段)へと戻る。
偏光分離素子(2a)において、光源または光出射手段からの光の進行方向に対する偏光分離面AおよびAの配置角度αおよびαは、一方の偏光(例えばP波)のみをより高率で偏光分離素子(2a)を通過させ且つもう一方の偏光(例えばS波)は偏光分離素子(2a)を完全に通過しないようにする点から、40°〜50°であることが好ましく、42°〜48°であることがより好ましく、45°であることが更に好ましい。
【0034】
偏光分離素子(2a)では、図1に見るように、高価なレンズアレイ(フライアルレンズ)、複屈折性結晶、結晶格子などのような光学部材を何ら使用せずに、さらには1/2波長位相遅延素子をも何ら使用せずに、2つの偏光分離面AとAをV型に面対称状態で対向配置するだけで、光源または光出射手段から出射された2つの偏光(P波およびS波)のうちの一方の偏光(図1ではP波)のみを偏光分離素子(2a)を通過させ、もう一方の偏光(図1ではS波)を反射させて、偏光分離素子(2a)の下流側に配置した液晶描画マスク(図示せず)に、振動方向が1つの方向に揃った単一の偏光(図1ではP波)のみを極めて効率良く入射させることができる。偏光分離素子(2a)では、光源または光出射手段から出射された2つの偏光(P波およびS波)のうちの一方の偏光(例えばP波)のみが偏光分離面AおよびAを通って偏光分離素子(2a)から出射され、もう一方の偏光(例えばS波)の偏光方向(振動方向)を1/2波長位相遅延素子を用いて一方の偏光(P波)の偏光方向(振動方向)に揃えて、偏光分離面を通過した一方の偏光と一緒にして液晶描画マスクへと供給するという操作を行わないため、偏光分離素子(2a)から出射した一方の偏光(例えばP波)は全体に均一で光強度(照度)などにムラがない。そのため、偏光分離素子(2a)を通過した単一の偏光を液晶描画マスクを介して光硬化性樹脂組成物よりなる造形面に照射(光強度)の均一な光を照射することができ、それによって造形精度、力学的特性、外観などに極めて優れる立体造形物を得ることができる。
【0035】
次に、図2を参照して偏光分離素子(2b)について説明する。
偏光分離素子(2b)は、偏光分離面AおよびAをV型の面対称状態で対向配置すると共に偏光分離面Aと偏光分離面Aの対称面位置(中央位置)に遮光面Bを配置した構造部を1組または2組以上有する(図2では該構造部を2組配置した状態を図示)。振動方向が互いに直交する2つの偏光(P波とS波)(P波を実線、S波を点線で図示)を含む光源または光出射手段(図示せず)から出射された光は、偏光分離面AおよびAにより分離され、該2つの偏光のうちの一方の偏光(図2ではP波で例示)は偏光分離面AおよびAを通過する。もう一方の偏光(図2ではS波で例示)は偏光分離面AおよびAで反射される。偏光分離面AおよびAで反射されたもう一方の偏光(S波)は、偏光分離面Aと偏光分離面Aとの間に配置した遮光面Bに衝突し、偏光分離面AおよびAを通過しないように、遮光面Bで再反射、散乱および/または吸収される。
遮光面Bとしては、光吸収体(例えばカーボンブラックなどのような黒色顔料を用いて形成した光吸収体)または反射体が好ましく用いられる。遮光面Bが光吸収体からなる場合は、偏光分離面AおよびAで反射されたもう一方の偏光(S波)は遮光面B(光吸収体)によって吸収されるため、該もう一方の偏光(S波)が偏光分離素子(2b)を通過するのを阻止することができる。また、遮光面Bが反射体からなる場合は、偏光分離面AおよびAで反射された偏光(S波)は、遮光面B(反射体)によって再反射されて偏光分離面AおよびAの方向へと逆戻りし、偏光分離面AおよびAで再々反射されて入射方向(光源または光出射手段)へと戻る。
【0036】
偏光分離素子(2b)において、光源または光出射手段からの光の進行方向に対する偏光分離面AおよびAの配置角度αおよびαは40°〜50°であることが好ましく、42°〜48°であることがより好ましく、45°であることが更に好ましい。また、偏光分離面AおよびAと遮光面Bのなす角度βおよびβは、40°〜50°であることが好ましく、42°〜48°であることがより好ましく、45°であることが更に好ましい。前記角度α、α、βおよびβを前記角度にすることによって、一方の偏光(例えばP波)のみがより高率で偏光分離素子(2a)を通過し且つもう一方の偏光(例えばS波)は偏光分離素子(2a)を完全に通過しないようにすることができる。
【0037】
偏光分離素子(2b)は、偏光分離素子(2a)と同様に、高価なレンズアレイ(フライアルレンズ)、複屈折性結晶、結晶格子などのような光学部材を何ら使用せずに、さらには1/2波長位相遅延素子をも何ら使用せずに、2つの偏光分離面AとAをV型に面対称状態で対向配置し、両偏光分離面AとAの面対称位置(中央部)に遮光面Bを配置するだけで、光源または光出射手段から出射された2つの偏光(P波およびS波)のうちの一方の偏光(例えばP波)のみを偏光分離素子(2b)を通過させ、もう一方の偏光(例えばS波)を遮光面Bで再反射、散乱および/または吸収させて、偏光分離素子(2b)の下流側に配置した液晶描画マスク(図示せず)に、振動方向が1つの方向に揃った単一の偏光(例えばP波)のみを極めて効率良く入射させることができる。
偏光分離素子(2b)では、光源または光出射手段から出射された2つの偏光(P波およびS波)のうちの一方の偏光(例えばP波)のみが偏光分離面AおよびAを通って偏光分離素子(2b)から出射され、もう一方の偏光(例えばS波)についてはその偏光方向(振動方向)を1/2波長位相遅延素子を用いて一方の偏光(例えばP波)の偏光方向(振動方向)に揃えて前記一方の偏光と一緒にして液晶描画マスクに供給するという操作が行われないため、偏光分離素子(2b)から出射した一方の偏光(例えばP波)は全体に均一で光強度(照度)などにムラがない。そのため、偏光分離素子(2b)を通過した単一の偏光を液晶描画マスクを介して光硬化性樹脂組成物よりなる造形面に照度(強度)の均一な光を照射することができ、それによって造形精度、力学的特性、外観などに極めて優れる立体造形物を得ることができる。
【0038】
図3を参照して偏光分離素子(2c)について説明する。
偏光分離素子(2c)は、偏光分離面Aを光源または光出射手段から出射された光の進行方向に対して斜め方向に配置すると共に遮光面Bを偏光分離面Aに対して所定の角度βで対向配置した構造部を1組または2組以上有する(図3では該構造部を4組配置した状態を図示)。振動方向が互いに直交する2つの偏光(P波とS波)(P波を実線、S波を点線で図示)を含む光源または光出射手段(図示せず)から出射された光は、偏光分離面Aにより分離され、該2つの偏光のうちの一方の偏光(図3ではP波で例示)は偏光分離面Aを通過する。もう一方の偏光(図3ではS波で例示)は偏光分離面Aで反射される。偏光分離面Aで反射された該もう一方の偏光(S波)は、偏光分離面Aに所定の角度βで対向配置した遮光面Bに衝突し、偏光分離面Aを通過しないように、遮光面Bで再反射、散乱および/または吸収される。
遮光面Bとしては、偏光分離素子(2b)におけるのと同様に、光吸収体または反射体が好ましく用いられる。遮光面Bが光吸収体からなる場合は、偏光分離面Aで反射されたもう一方の偏光(例えばS波)は遮光面B(光吸収体)によって吸収されるため、該もう一方の偏光(例えばS波)が偏光分離素子(2c)を通過するのを阻止することができる。また、遮光面Bが反射体からなる場合は、偏光分離面Aで反射された該もう一方の偏光(例えばS波)は、遮光面B(反射体)によって再反射されて偏光分離面Aの方向へと逆戻りし、偏光分離面Aで再々反射されて入射方向(光源または光出射手段)へと戻る。
【0039】
偏光分離素子(2c)において、光源または光出射手段からの光の進行方向に対する偏光分離面Aの配置角度αは40°〜50°であることが好ましく、42°〜48°であることがより好ましく、45°であることが更に好ましい。また、偏光分離面Aと遮光面Bのなす角度βは、40°〜50°であることが好ましく、42°〜48°であることがより好ましく、45°であることが更に好ましい。角度αおよびβを前記角度にすることによって、一方の偏光(例えばP波)のみがより高率で偏光分離素子(2c)を通過し且つもう一方の偏光(例えばS波)は偏光分離素子(2a)を完全に通過しないようにすることができる。
【0040】
偏光分離素子(2c)は、偏光分離素子(2a)および(2b)と同様に、高価なレンズアレイ(フライアルレンズ)、複屈折性結晶、結晶格子などのような光学部材を何ら使用せずに、さらには1/2波長位相遅延素子をも何ら使用せずに、偏光分離面Aを光の進行方向に対して斜めに配置すると共に遮光面Bを偏光分離面Aに対して所定の角度で配置するだけで、光源または光出射手段から出射された2つの偏光(P波およびS波)のうちの一方の偏光(例えばP波)のみを偏光分離素子(2c)を通過させ、もう一方の偏光(例えばS波)を遮光面Bで再反射、散乱および/または吸収させて、偏光分離素子(2c)の下流側に配置した液晶描画マスク(図示せず)に、振動方向が1つの方向に揃った単一の偏光(例えばP波)のみを極めて効率良く入射させることができる。そして、偏光分離素子(2c)では、光源または光出射手段から出射された2つの偏光(P波およびS波)のうちの一方の偏光(例えばP波)のみが偏光分離面Aを通って偏光分離素子(2c)から出射され、もう一方の偏光(例えばS波)については偏光方向(振動方向)を1/2波長位相遅延素子を用いて一方の偏光(例えばP波)の偏光方向(振動方向)に揃えて該一方の偏光と一緒に液晶描画マスクに供給するという操作が行われてないため、偏光分離素子(2c)から出射した一方の偏光(例えばP波)は全体に均一で光強度(照度)などにムラがない。そのため、偏光分離素子(2c)を通過した単一の偏光を液晶描画マスクを介して光硬化性樹脂組成物よりなる造形面に均一の光強度(照度)で照射することができ、それによって造形精度、力学的特性、外観などに極めて優れる立体造形物を得ることができる。
【0041】
偏光分離素子(2a)〜(2c)は、透明ガラス、透明プラスチックなどを基材として用い、該基材内に偏光分離面A、A、Aおよび遮光面Bが例えば図1〜図3などで例示したような配置状態で配置されているようにし、偏光分離素子(2a)〜(2c)全体ではほぼ板状をなすようにして形成することができる。その際に、透明基材上に1つの偏光分離面を有するパーツを製造しておき、複数のパーツを図1〜図2の構造に組み立てることによって偏光分離素子(2a)〜(2c)を作製することもできる。偏光分離面の基材への形成方法は特に制限されず、この種の光学製品の製造において従来から採用されているいずれの方法を採用してもよい。
【0042】
偏光分離素子(2a)における偏光分離面A−偏光分離面Aよりなる構造部の組数、偏光分離素子(2b)における偏光分離面A−遮光面B−偏光分離面Aよりなる構造部の組数、および偏光分離素子(2c)における偏光分離面A−遮光面Bよりなる構造部の組数は、製造を目的とする立体造形物のサイズ、光源の種類や大きさ、偏光分離面A、A、Aのサイズ、液晶描画マスクのサイズなどに応じて適宜決めることができる。前記構造部を複数組配列する場合は、隣り合う構造部同士を、図1〜図3に示すように密接させて配置することが好ましく、それによって偏光分離素子(2a)〜(2c)から出射される単一の偏光の光密度を均一にすることができる。
【0043】
本発明の実施に当たっては、例えば、図4に例示するように、光源または光出射手段(1)、偏光分離素子(2)[好ましくは偏光分離素子(2a)〜(2c)のいずれか;図1では偏光分離素子(2a)を使用]および液晶描画マスク(3)をこの順で配置し、必要に応じて、偏光分離素子(2)と液晶描画マスク(3)との間に集光レンズ(4)を、液晶描画マスク(3)と造形面(5)との間に投影レンズ(6)を配置して光学的立体造形を行う。
【0044】
本発明の光学的立体造形で使用する光源の種類は特に制限されず、光学的立体造形で使用され得る光源であればいずれでもよく、例えば、キセノンランプ、メタルハライドランプ、水銀灯、蛍光灯、ハロゲンランプ、白熱ランプ、Arレーザー、He−Cdレーザー、LDレーザー(半導体励起固体レーザー)などを挙げることができる。特に、本発明による場合は、スポット状の光を造形面に照射する光学的立体造形法で従来用いられてきたレーザー光装置のような高価な光源を使用せずに、キセノンランプ、メタルハライドランプ、水銀灯、蛍光灯、ハロゲンランプ、白熱ランプなどのような安価な汎用の光源を使用することができ、そのために、光学的立体造形装置を安価で使用し易いものとすることができる。
光源の形状、大きさ、数も特に制限されず、描画マスクの形状や寸法、形成しようとする光硬化断面形状パターンの形状やサイズなどに応じて適宜選択することができ、光源は、例えば、点状、球状、棒状、面状であってもよいし、また点状や球状の光源を描画マスクの背部側に直接状に一列または複数列で配置してもよい。
さらに、光源からの光を偏光分離素子に直接供給する代わりに、光源からの光を光ファイバー、ライトガイドやその他の光伝達手段を通してロットレンズなどの光出射手段に導き、その光を偏光分離素子に供給する(導く)ようにしてもよい。また、造形速度の向上のために複数の光源を用いて集光し光エネルギーを高くさせる方式を採ってもよい。特に光ファイバーやライトガイドなどを使用する場合は複数光源を集光させ易いというメリットがある。
【0045】
上記において、偏光分離素子(2)を通過した振動方向が同じ方向に揃った単一の偏光(P波またはS波のいずれか)を、液晶描画マスク(2)に直接導くか、または図4に示すように場合により集光レンズ(4)などによって集光した後に液晶描画マスク(3)に導く。本発明の光学的立体造形装置で用いられる液晶描画マスク(3)は、その入口側に光量の大きな低下をもたらす従来汎用の偏光フィルムを有しておらず、上記した偏光分離素子(2)[好ましくは偏光分離素子(2a)〜(2c)のいずれか]によって、当初の45%以上の高い光量を維持したままで単一の振動方向を有する偏光として液晶描画マスク(3)に効率よく導かれる。
液晶内に導かれた単一の振動方向を有する偏光は、液晶描画マスク(3)において、電圧の負荷の有無や強弱によって生ずる液晶の配列状態と液晶描画マスク(3)の出口側に配置した偏光フィルム[図4では液晶描画マスク(3)の出口側に配置した偏光フィルムの図示を省略]の偏光方向の協同によるマイクロスイッチ作用(オン・オフ作用)によって形成される所定の面状マスク画像を通して、所定の形状パターンの光が、光硬化性樹脂よりなる造形面(5)に照射されて、光照射された箇所の樹脂が硬化し、所定の光硬化した断面形状パターンの硬化層が造形面に形成される。
【0046】
上記において、図4に例示するように、液晶描画マスク(3)と光硬化性樹脂組成物よりなる造形面(5)との間に、投影レンズ(6)などを配置して、液晶描画マスク(3)を通して出射された所定のマスク画像光を投影レンズ(6)で結像してから造形面(5)に照射するようにすると、より鮮明が光硬化層を形成させることができ、立体造形物の造形精度が一層向上する。
【0047】
マイクロスイッチ作用(オン・オフ作用)によって所定の描画マスク画像を形成させるための液晶描画マスク(3)の形状、構造、サイズ、画素数、種類などは特に制限されず、入口側(単一の振動方向に揃えた偏光の導入側)に偏光フィルム(偏光板)が配置されておらず、出口側(光の導出側)にのみ偏光フィルム(偏光板)を配置した液晶描画マスク、出口側(光の導出側)にビームスプリッターを配置した液晶描画マスクなどであって、所望のマスク画像を形成し得る微小液晶シャッターを有する液晶描画マスクであればいずれも使用できる。
液晶描画マスク(3)は、例えば、長方形、正方形、横方向に長い短冊形、またはその他の形状を有していてもよい。
液晶描画マスク(3)でのマスク画像の形成方式としては、例えば、形成されるべきマスク画像に関する情報を予めコンピューターなどに記憶させておき、その情報に応じて、造形時の各層ごとに液晶描画マスク5によるマスク画像を変化させる方式などを採用することができる。
【0048】
本発明では、偏光分離素子(2)のサイズ(面積等)、光源または光出射手段からの設置距離、照明を行う光学系などを調整することによって、製造しようとする立体造形物のサイズや形状などに応じて、小さな面積から広い面積にわたるマスク画像を形成させることができる。
さらに、本発明では、液晶描画マスクを用いる上記特許文献1〜4に記載されているような従来の光学的立体造形技術で生じていたような、造形面での光強度のムラの発生を防ぐことができ、かかる点からも、造形精度を向上させることができる。
【0049】
本発明の光学的立体造形装置を用いて立体造形を行うに当たっては、光源または光源からの光の出射手段(光出射手段)(1)、偏光分離素子(2)、液晶描画マスク(3)などの装置を固定した状態にしておいて、光造形時に光硬化性樹脂組成物の1層ごとに液晶描画マスク(3)で形成されるマスク画像に対応するパターンの光を光硬化性樹脂組成物よりなる造形面(5)に照射してもよいし、または光源または光源からの光出射手段(1)、偏光分離素子(2)、液晶描画マスク(3)などの装置を光硬化性樹脂組成物よりなる造形面(5)に対して連続的に移動させ、その際に液晶描画マスク5によるマスク画像も移動に合わせて動的に変化させながら光硬化性樹脂組成物よりなる造形面(5)にマスク画像に対応する光を照射して光硬化性樹脂を硬化させながら造形を行ってもよい。
【0050】
本発明の光学的立体造形装置および光学的立体造形方法による場合は、単一の振動方向に揃えられた偏光の光量、すなわち液晶描画マスク(3)に導入される時点での偏光の光量(光の強さ、照度など)が、光源や光出射手段から出射される光の光量(光の強さ、照度など)の45%以上に維持される。そして、かかる45%以上という高い光量維持率は、光源や光出射手段から出射される光が、光学的立体造形において広く用いられている短波長の紫外線であっても殆ど変わらないので、本発明による場合は、光硬化性樹脂組成物よりなる造形面に液晶描画マスク(3)で形成されるマスク画像に対応した所定のパターンを有する高エネルギーの光を照射することができ、それによって寸法精度、外観、力学的特性に優れる立体造形物を、速い造形速度で生産性よく製造することができる。
【0051】
本発明で用いる光硬化性樹脂組成物の種類は特に制限されず、光造形に用い得る液状、ペースト、粉末状、薄膜状などの光硬化性樹脂組成物のいずれもが使用できる。
本発明では、光硬化性樹脂組成物として、光造形において従来から用いられている、例えば、ウレタンアクリレートオリゴマー、エポキシアクリレートオリゴマー、エステルアクリレートオリゴマー、多官能エポキシ樹脂などの各種オリゴマー;イソボルニルアクリレート、イソボルニルメタクリレート、ジシクロペンテニルアクリレート、ジシクロペンテニルメタクリレート、ジシクロペンテニロキシエチルアクリレート、ジシクロペンテニロキシエチルメタクリレート、ジシクロペタニルアクリレート、ジシクロペタニルメタクリレート、ボルニルアクリレート、ボルニルメタクリレート、2−ヒドロキシエチルアクリレート、シクロヘキシルアクリレート、2−ヒドロキシプロピルアクリレート、フェノキシエチルアクリレート、モルホリンアクリルアミド、モルホリンメタクリルアミド、アクリルアミドなどのアクリル系化合物やN−ビニルピロリドン、N−ビニルカプロラクタム、酢酸ビニル、スチレンなどの各種の単官能性ビニル化合物;トリメチロールプロパントリアクリレート、エチレンオキサイド変性トリメチロールプロパントリアクリレート、エチレングリコールジアクリレート、テトラエチレングリコールジアクリレート、ポリエチレングリコールジアクリレート、1,4−ブタンジオールジアクリレート、1,6−ヘキサンジオールジアクリレート、ネオペンチルグリコールジアクリレート、ジシクロペンタニルジアクリレート、ポリエステルジアクリレート、エチレンオキサイド変性ビスフェノールAジアクリレート、ペンタエリスリトールトリアクリレート、ペンタエリスリトールテトラアクリレート、プロピレンオキサイド変性トリメチロールプロパントリアクリレート、プロピレンオキサイド変性ビスフェノールAジアクリレート、トリス(アクリロキシエチル)イソシアヌレートなど多官能性ビニル化合物;水素添加ビスフェノールAジグリシジルエーテル、3,4−エポキシシクロヘキシルメチル−3,4−エポキシシクロヘキサンカルボキシレート、2−(3,4−エポキシシクロヘキシル−5,5−スピロ−3,4−エポキシ)シクロヘキサン−メタ−ジオキサン、ビス(3,4−エポキシシクロヘキシルメチル)アジペートなどの各種エポキシ系化合物などの1種または2種以上と、光重合開始剤および必要に応じて増感剤などを含有するの光硬化性樹脂組成物を用いることができる。
また、本発明で用いる光硬化性樹脂組成物は、上記した成分以外にも、必要に応じて、レベリング剤、リン酸エステル塩系界面活性剤以外の界面活性剤、有機高分子改質剤、有機可塑剤などを含有していてもよい。
【0052】
本発明で用いる光硬化性樹脂組成物は、必要に応じて、固体微粒子やウィスカーなどの充填材を含有していてもよい。充填材を含有する光硬化性樹脂組成物を用いると、硬化時の体積収縮の低減による寸法精度の向上、機械的物性や耐熱性の向上などを図ることができる。
充填材として用いる固体微粒子としては、例えば、カーボンブラック微粒子などの無機微粒子、ポリスチレン微粒子、ポリエチレン微粒子、ポリプロピレン微粒子、アクリル樹脂微粒子、合成ゴム微粒子などの有機重合体微粒子などを挙げることができ、これらの1種または2種以上を用いることができる。固体微粒子の粒径は特に制限されないが、一般的には平均粒径が200μm以下、特に100μm以下のものが好ましく用いられる。
【0053】
また、ウィスカーとしては、径が0.3〜1μm、特に0.3〜0.7μm、長さが10〜70μm、特に20〜50μmおよびアスペクト比が10〜100、特に20〜70μmのものが好ましく用いられる。なお、ここで言うウイスカーの寸法およびアスペクト比は、レーザー回析/散乱式粒度分布測定装置を用いて測定した寸法およびアスペクト比である。ウイスカーの種類は特に制限されず、例えば、ホウ酸アルミニウム系ウイスカー、酸化アルミニウム系ウイスカー、窒化アルミニウム系ウイスカー水、酸化硫酸マグネシウム系ウイスカー、酸化チタン系ウイスカーなどを挙げることができ、前記したウイスカーの1種または2種以上を用いることができる。
【0054】
固体微粒子および/またはウィスカーを含有する光硬化性樹脂組成物を用いる場合は、固体微粒子を光硬化性樹脂組成物の全容量に基づいて5〜70容量%の割合で含有することが好ましく、またウィスカーの含有量を5〜30容量%とすることが好ましい。固体微粒子とウィスカーの両方を含有する場合は両者の合計含有量が光硬化層の全容量に基づいて10〜75容量%であることが好ましい。
固体微粒子および/またはウィスカーは、シランカップリング剤で表面処理されていても表面処理されていなくてもよいが、表面処理されていることが好ましい。固体微粒子および/またはウイスカーがシランカップリング剤で表面処理されている場合には、熱変形温度、曲げ弾性率、機械的強度の一層高い光硬化物を得ることができる。その場合のシランカップリング剤としては、充填剤の表面処理などに従来から用いられているシランカップリング剤のいずれもが使用でき、好ましいシランカップリング剤としては、アミノシラン、エポキシシラン、ビニルシランおよび(メタ)アクリルシランを挙げることができる。
【0055】
本発明の装置および方法は、上記したように、光硬化性樹脂組成物を用いて立体造形物を製造する光学的立体造形技術において特に好ましく用いられる。
しかしながら、上記した偏光分離素子および微小エリアでの遮光および透光が可能な液晶シャッターを有する液晶描画マスクを備える本発明の光学装置は、その高い光量(光強度)の維持率、単一偏光の出射容易性、簡便さ、低コストなどの優れた特性から、光学的立体造形以外にも、例えば、プロジェクター、大型テレビ、半導体製造装置などにおける光学装置としても有効に用いることができる。
【0056】
【実施例】
以下に実施例などによって本発明について具体的に説明するが、本発明は以下の例により何ら限定されるものではない。
【0057】
《実施例1》
(1) 図4に示す光学的立体造形装置を使用した。
光源として超高圧水銀ランプを用い、光出射手段(ロッドレンズ)(1)での光強度を均一度80%に調整して用いた。光出射口1の下方に図1に示す偏光分離素子(2a)(厚さ=5mm、αとαの角度=45°、偏光分離面A−偏光分離面Aの構造部の26組を横に連設)を配置した[光出射手段の先端と偏光分離素子(2a)との距離=30cm]。偏光分離素子(2a)から1cm離れた下方位置に集光レンズ(4)(日本特殊光学社製;フレネルレンズ)を配置し、その直下に液晶描画マスク(3)(画素数=640ドット×480ドット)を配置した。液晶描画マスク(3)から45cm離れた下方位置に投影レンズ(6)を配置し、投影レンズ(6)から22.5cm離れた下方位置に、光硬化性樹脂組成物(帝人製機株式会社製「TSR−754」)を用いて常法(造形浴方式)により造形面(5)を形成させた。
【0058】
(2) 前記(1)の光学的立体造形装置を用いて、前記液晶描画マスク(3)により形成された所定のマスク画像に対応する形状パターンの光を、1層ごとの造形面(5)への照射時間2秒で、光硬化性樹脂組成物よりなる造形面に照射し、積層していく方式を採用して光造形を行って造形物(縦×横×厚さ=65mm×50mm×50mm)を製造した。造形に要した合計時間は50分であった。
これにより得られた造形物は、外観が良好で、寸法精度に優れ、しかも硬化ムラがなく、強度に優れるものであった。
(3) 上記(1)の光学的立体造形装置において、液晶描画マスク(3)に導入される直前での単一の振動方向に偏光方向を揃えた偏光(P波)束の光強度(照度)を測定したところ3mW/cmであり、光出射手段(1)から出射された光の強度(照度)の46%が維持されていた。
【0059】
《比較例1》
(1) 実施例1で用いた偏光分離素子(2a)を使用せずに、実施例1で使用したのと同じ光源および光出射手段(ロッドレンズ)(1)を使用し、光出射手段(ロッドレンズ)(1)から20cm離れた下方位置に実施例1で使用したのと同じ集光レンズ(4)を配置し、その直下に、光の導入側および導出側の両方に偏光フィルムを配置した液晶描画マスク(画素数=640ドット×480ドット)を配置した。該液晶描画マスクから45cm離れた下方位置に実施例1で使用したのと同じ投影レンズ(6)を配置し、投影レンズ(6)から22.5cm離れた下方位置に、実施例1で使用したのと同じ光硬化性樹脂組成物を用いて同様にしてにより造形面(5)を形成させた。
(2) 前記(1)の光学的立体造形装置を用いて、前記液晶描画マスクによって実施例1におけるのと同様の所定のマスク画像を形成させて該マスク画像に対応する形状パターンの光を1層ごとの造形面(5)に照射して、その操作を繰り返して実施例1におけるのと同じ形状および寸法の造形物(縦×横×厚さ=65mm×50mm×50mm)を製造した。この比較例1では、1層分の造形面を光硬化させるのに要する光の照射時間は6秒であり、そのため造形物の製造に要した合計造形時間は84分であり、実施例1に比べて要照射時間が大幅に長く、それに伴って造形速度が実施例1に大幅に比べて低いものであった。
【0060】
【発明の効果】
本発明による場合は、高価な紫外線レーザー、フライアイレンズ(レンズアレイ)、高価な偏光分離素子や複屈折性結晶などを用いることなく、更には上記した従来のこの種の光学装置で必須であった1/2波長位相遅延素子をも使用することなく、極めて簡単な装置で、光源からの光を45%以上の高い光量(光エネルギー強度)を維持しながら、単一の振動方向を有する単一の偏光形態で液晶シャッターを備えた描画マスクに導くことができ、それによって小型の立体造形物から大型の立体造形物まで、極めて良好な光エネルギー効率で、高い造形精度、寸法精度、速い造形速度で、力学的特性、外観などに優れる高品質の立体造形物を生産性良く製造することができる。
しかも、この方法による場合は、偏光分離素子を経て描画マスクに供給される単一偏光の光強度(照射強度)にムラが無く、全体が均一であるために、目的とする立体造形物を高い造形精度で製造することができ、しかも得られる立体造形物は力学的特性、外観などにおいて極めて優れている。
特に、本発明では、偏光分離素子として、上記した偏光分離素子(2a)〜(2c)が構造が極めて簡単であるにも拘わらず、上記した本発明の優れた効果を奏することができることから好ましく使用される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明で用いる偏光分離素子の一例を示した図である。
【図2】本発明で用いる偏光分離素子の別の例を示した図である。
【図3】本発明で用いる偏光分離素子の更に別の例を示した図である。
【図4】本発明の光学的立体造形装置および光学的立体造形方法の一例を示す図である。
【図5】光の偏光方向を説明するための図である。
【図6】従来の光学装置の一例を示した図である。
【図7】従来の光学装置の別の例を示した図である。
【符号の説明】
偏光分離面
偏光分離面
偏光分離面
B 遮光面
1 光源または光出射手段
2 偏光分離素子
2a 偏光分離素子
2b 偏光分離素子
2c 偏光分離素子
3 液晶描画マスク
4 集光レンズ
5 造形面
6 投影レンズ
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical three-dimensional modeling method, an optical three-dimensional modeling device, and an optical device. More specifically, the present invention uses a photocurable resin composition to form various three-dimensional objects using a simple and inexpensive device, with high light energy efficiency, high modeling accuracy, and rapid modeling. The present invention relates to an optical three-dimensional modeling method that can be manufactured at high speed and with high productivity, an optical three-dimensional modeling apparatus therefor, and an optical device that can be effectively used for them.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art In recent years, an optical shaping method and apparatus for manufacturing a three-dimensional structure by curing a photocurable resin based on data input to three-dimensional CAD has been put to practical use. This stereolithography technology includes models for verifying the external design during the design process, models for checking the functionality of parts, resin models for producing molds, and base models for producing molds. Such a complicated three-dimensional object can be easily formed.
[0003]
In manufacturing a molded article by an optical molding method, a method using a molding bath is widely used, and as a procedure, a liquid photocurable resin is put in a molding bath, and a desired pattern is obtained on a liquid surface. A spot-shaped ultraviolet laser beam controlled by a computer is selectively irradiated to light-cur to a predetermined thickness to form a cured resin layer, and the cured resin layer is moved downward in a molding bath to form a molding bath. The photo-curable resin liquid in the above is caused to flow on the cured resin layer to form a layer of the photo-curable resin liquid, and the photo-curable resin liquid layer is irradiated with spot-shaped ultraviolet laser light to form the cured resin layer. A method of forming and repeating the above steps until a three-dimensional structure having a predetermined shape and dimensions is obtained is widely used.
[0004]
However, in the case of the above-described conventional method using spot-shaped ultraviolet laser light, a so-called spot-shaped laser light is moved while irradiating the surface of the photo-curable resin to form a planar light-cured pattern. Because of the stippling method, there is a problem that a long time is required for modeling and productivity is low. Moreover, an ultraviolet laser device used as a light source is extremely expensive, which makes this type of three-dimensional optical device expensive.
[0005]
In order to solve the above-mentioned problems in the prior art using the spot-shaped laser light and to improve the molding speed, instead of the spot-shaped laser light, a planar mask is used, and through the planar mask, An optical molding method has been developed in which light corresponding to a cross-sectional shape pattern to be molded is irradiated in a plane onto a molding surface made of a photocurable resin, and the irradiated portion of the photocurable resin is cured in a plane. As such an optical molding technique using a planar mask, there is known a method using a drawing mask including a liquid crystal shutter capable of transmitting and blocking light in a minute dot area (for example, see Patent Documents 1 to 4).
[0006]
As is well known, light oscillates with a number of vibrating surfaces. However, light is phenomenally represented as a vibrating wave (polarized light) (P wave) having a vibrating surface in the horizontal direction, as shown in FIG. Vibration waves (polarized light) (S waves) having a vibration surface in the vertical direction can be separated.
In the conventional optical three-dimensional printing apparatus described in Patent Documents 1 to 4, etc., a liquid crystal shutter similar to that used in a liquid crystal display device or the like is used as a drawing mask including the liquid crystal shutter. Two polarizing films (polarizing plates) are arranged on both sides of the entrance and exit sides of the liquid crystal shutter with their polarization directions orthogonal to each other. In such a liquid crystal shutter, light emitted from a light source or the like is polarized in the same polarization direction as that of the polarizing film by a polarizing film disposed on the entrance side. That is, of the P-waves or S-waves described above, only one of P- and S-waves having a vibration plane in the same direction as the polarization direction of the entrance-side polarizing film is transmitted to the liquid crystal through the entrance-side polarizing film. The polarized light that has been guided into the liquid crystal is subjected to a microswitching action (on / off action) by the cooperation of the alignment state of the liquid crystal caused by the presence or absence and strength of the voltage and the polarization direction of the polarizing film disposed on the exit side. It passes through a shutter or is stopped by a liquid crystal shutter, whereby a predetermined planar mask image is formed, and light of a predetermined shape pattern corresponding to the planar mask image is applied to a molding surface made of a photocurable resin. Thus, a predetermined photocured cross-sectional shape pattern is formed on the modeling surface.
[0007]
However, when a drawing mask composed of a liquid crystal shutter used in the prior art such as Patent Documents 1 to 4 is used, the amount of light emitted from a light source or the like is determined by a polarizing film disposed on the liquid crystal entrance side. Is greatly reduced. That is, at the time when the light passed through the polarizing film on the entrance side, the amount of light was reduced to about 10 to 30% before the light was passed, and the light energy efficiency was extremely low. In particular, ultraviolet light generally used in optical three-dimensional modeling has a short wavelength, so it is easily absorbed by the polarizing film, and accordingly the amount of light is significantly reduced, and after passing through the polarizing film arranged on the entrance side of the liquid crystal shutter, At present, the amount of light is reduced to about 10% before passing.
Therefore, in the case of the conventional techniques described in Patent Documents 1 to 4, etc., the intensity of light applied to the molding surface made of the photocurable resin is insufficient, and it takes time to cure the photocurable resin, and There have been problems such as a decrease in speed, insufficient curing, and a decrease in modeling accuracy. In such a conventional technique using a drawing mask composed of a liquid crystal shutter, in order to avoid problems such as a decrease in modeling accuracy and a modeling speed, high-energy light must be irradiated. It is necessary to use an expensive light source capable of irradiation, and there is a problem in energy efficiency, cost, and the like.
[0008]
On the other hand, although it is not an optical three-dimensional modeling device, in an optical device such as a projector using a liquid crystal shutter, the purpose is to prevent the above-mentioned decrease in light amount caused by disposing a polarizing film on the entrance side of the liquid crystal shutter. Instead of disposing a polarizing film (polarizing plate) on the entrance side of the liquid crystal, a lens array, a polarization separating element (PS separating film), a half-wave phase delay element (1 / 2λ wave plate), etc. From the lens is condensed using a lens array, and the condensed light is condensed using a PS separation film into two polarized lights whose vibration directions are orthogonal to each other (a P wave having an XY plane as a vibration plane and an XZ plane). Of the polarized light (P-wave or S-wave) separated through the PS separation film, and the other is reflected by the reflection film, and the two polarized lights (P-wave or S-wave) are reflected by the reflection film. One of polarized light The polarization direction is rotated by 90 ° by a 波長 wavelength phase delay element (1 / λ wavelength plate) so that the oscillation directions (polarization directions) of the two polarized lights are aligned to be supplied to the liquid crystal shutter. An optical device as shown in FIG. 6 is known.
[0009]
In addition, a polarization separation element using a diffraction grating, a first lens array, a phase difference plate (wavelength phase delay element), a second lens array, and the like are sequentially arranged on the entrance side (upstream side) of the liquid crystal switch. A projection type projection device (for example, see Patent Literature 5) in which the light from the light source is arranged in the same direction and supplied to the liquid crystal switch, and the light from the light source is condensed using a lens array; It is separated into ordinary light and extraordinary light through a birefringent crystal such as calcite, and one of the ordinary light and extraordinary light is rotated 90 ° by a half-wavelength phase delay element to make the vibration directions of both lights the same. An optical device (see, for example, claims in Patent Document 6) that aligns and supplies a liquid crystal light valve (liquid crystal shutter) is known.
[0010]
Further, as shown in FIG. 7, for example, a polarization separation surface and a reflection surface are alternately arranged obliquely in a transparent body made of glass or the like, and a shielding plate is arranged on the light incident side of the reflection surface portion. There is known an optical device for forming a single polarized light in which a half-wavelength phase delay element is arranged on one of the light emitting side of a portion and a reflection surface portion (for example, paragraph 0006 of Patent Document 6 and FIG. 9). See).
In this optical device, incident light (mixed wave of P-wave and S-wave) is separated into two polarized lights (P-wave and S-wave) whose vibration directions are orthogonal to each other by a polarization splitting surface, and separated into the two. One of the polarized lights (P wave or S wave) (P wave in FIG. 7) passes through the polarization separation surface, and the other polarization (S wave in FIG. 7) is reflected by the polarization separation surface. Further, the light is reflected by the reflecting surface and its traveling direction is aligned with the same direction as the one polarized light (P wave in FIG. 7) that has passed through the polarized light separating surface. Either one of the two polarized lights (P wave or S wave) (P wave in FIG. 7) whose traveling directions are aligned is a half-wavelength phase delay element (1/2) disposed on the traveling path. The light is rotated by 90 ° by a 2λ wavelength plate, and its polarization direction (oscillation direction) is changed, and a single polarization (S-wave in FIG. 7) having the same oscillation direction is emitted from the optical device.
In this optical device, light (mixed wave of P-wave and S-wave) from the outside of the reflection surface portion is incident on the shielding plate disposed on the light incident side of the reflection surface portion, and is separated from each other by the polarization separation surface. It is provided so as not to be mixed with one polarized light (P wave or S wave) (S wave in FIG. 7) and to lose its single polarized state (S wave in FIG. 7).
[0011]
In the above-described conventional optical devices described in FIGS. 6 and 7 and Patent Documents 5 and 6, the polarization of light incident on the liquid crystal shutter is made single without using a polarizing film in order to use a single polarization. A 波長 wavelength retardation element (1 / λ wavelength plate) or a retardation plate is used together with the separation element (PS separation film) or the birefringent crystal. Plate), it is possible to prevent a large decrease in the amount of light as compared with the case where the plate is used.
However, these conventional optical devices both require a half-wavelength phase delay element in order to align two polarized lights separated by a polarization splitting element into one polarized light having the same vibration direction (polarization direction). ing.
Further, the conventional optical devices described in FIG. 6, Patent Document 5, Patent Document 6 (particularly claims), etc. require expensive lens arrays (fly-eye lenses) upstream or downstream of the polarization separation element. , An expensive diffraction grating, a birefringent crystal, or the like must be used.
Therefore, these conventional optical devices are complicated in structure, expensive, and require labor and time for design and development. In addition, since birefringent crystals such as calcite used in the optical device of Patent Document 6 are difficult to obtain in large size, polarized light supplied to the liquid crystal shutter (polarized light whose polarization direction is aligned in one direction). ) Cannot be made large, so that a large-area mask image cannot be projected on a molding surface made of a photocurable resin, and it is difficult to manufacture a large-sized molded object.
[0012]
Moreover, in these conventional optical devices described in FIGS. 6 and 7 and Patent Documents 5 and 6, etc., when a P-wave and an S-wave are separated by a polarization separation element, or when the P-wave separated by a polarization separation element is used. When the oscillation direction of either one of the wave and the S wave is made to be the same as the oscillation direction of the other polarized light by using a half-wavelength phase delay element, the light intensity becomes nonuniform due to light energy loss and the like. Easy to occur. Therefore, although the light emitted after passing through the half-wavelength phase delay element has its polarization direction (light vibration direction) uniformly aligned in either the P direction or the S direction, the light intensity There is unevenness. For example, in the optical device of FIG. 6, the vibration direction of the P wave directly passing through the PS separation film (polarization separation film) and the S wave reflected by the PS separation film are changed to the P direction through a 1 / 2λ wavelength plate. There is a difference in light intensity between the P wave and the same P wave.
Therefore, when these conventional optical devices are used for optical three-dimensional modeling, the intensity of light applied to a modeling surface through a drawing mask formed of a liquid crystal shutter becomes non-uniform. Unevenness of the three-dimensional object, poor appearance, and the like are likely to occur. In these conventional optical devices, in order to prevent such light intensity unevenness with a single polarized light emitted through a polarization splitting element and a half-wavelength phase delay element, an illuminance uniforming means is provided in the optical path. , Making the optical device more complex and expensive.
[0013]
[Patent Document 1]
JP-A-62-288844
[Patent Document 2]
JP-A-3-227222
[Patent Document 3]
JP-A-7-2905789
[Patent Document 4]
JP-A-8-112866
[Patent Document 5]
JP-A-10-197827
[Patent Document 6]
JP 2000-180262 A
[0014]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to produce light with a small amount of light emitted from a light source or the like, with high light energy efficiency, from small three-dimensional objects to large three-dimensional objects, with high modeling accuracy, and at a high modeling speed. An object of the present invention is to provide an optical three-dimensional modeling method and an optical three-dimensional modeling device that can be manufactured with good efficiency.
Furthermore, an object of the present invention is to provide a half-wave phase delay element without using expensive devices and means such as an ultraviolet laser, a lens array, a birefringent crystal, and a polarization separation element formed of a crystal lattice. It is a simple and inexpensive device that does not need to be used, and uses an inexpensive light source such as an ordinary ultraviolet lamp to produce three-dimensional objects with high light energy efficiency, high modeling accuracy, high speed, and high productivity. It is an object of the present invention to provide an optical three-dimensional modeling method and an optical three-dimensional modeling device that can be performed.
Then, an object of the present invention is to irradiate a light of uniform light intensity (illuminance) to a modeling surface made of a photocurable resin composition through a drawing mask made of a liquid crystal shutter with a simple and inexpensive device. It is an object of the present invention to provide an optical three-dimensional modeling method and an optical three-dimensional modeling apparatus that can produce a high-quality three-dimensional molded article having higher molding accuracy and mechanical characteristics.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
The present inventor has made intensive studies to achieve the above object. As a result, the surface of the photocurable resin composition is irradiated with light through a drawing mask formed of a liquid crystal shutter, and a photocured resin layer having a predetermined cross-sectional shape pattern is sequentially formed to manufacture a three-dimensional structure. In the optical three-dimensional modeling method and the optical three-dimensional modeling apparatus, light emitted from a light source or a light emitting unit is separated into two polarized lights whose vibration directions are orthogonal to each other on a polarization separating surface of a polarization separating element, and the separated light is separated. Of the two polarized lights, only one of the polarized lights that passed through the polarization splitting surface was directly radiated to the modeling surface as it was through the drawing mask composed of the liquid crystal shutter, and the other polarized light separated (reflected) by the polarization splitting surface was Re-reflecting, scattering and / or absorbing away from the drawing mask can result in expensive UV lasers, fly-eye lenses (lens arrays), expensive polarization An extremely simple device without using a separating element, a birefringent crystal, or the like, and without using a half-wavelength phase delay element which is indispensable in the above-described conventional optical device. While maintaining a high light intensity (light energy intensity) of 45% or more, in a single polarization form having a single vibration direction to a drawing mask equipped with a liquid crystal shutter, whereby a small From three-dimensional objects to large three-dimensional objects, it has been found that it can be manufactured with extremely good light energy efficiency, high modeling accuracy, high modeling speed, and high productivity.
In addition, according to this method, since the light intensity (irradiation intensity) of the single polarized light supplied to the drawing mask via the polarization separation element is uniform and the whole is uniform, the objective three-dimensional structure can be made high. It has been found that the three-dimensional molded article that can be manufactured with molding accuracy and that is extremely excellent in mechanical properties, appearance, and the like.
[0016]
Further, the present inventor, when producing a three-dimensional structure by such a method, as a polarization separation element,
.Two polarization separation planes A 1 And A 2 A polarization splitting element having at least one pair of structural parts which are arranged to face each other in a V-shaped plane symmetric state;
.Two polarization separation planes A 1 And A 2 Are arranged facing each other in a V-shaped plane symmetry state, and the polarization separation surface A 1 And A 2 A polarization splitting element having at least one set of structural parts in which a light-shielding surface is arranged at a symmetric plane position; or
・ Polarization separation surface A 3 Are disposed obliquely to the traveling direction of the light emitted from the light source or the light emitting means, and the polarization separation surface A 3 A polarization splitting element having at least one set of structural parts having a light shielding surface disposed at a predetermined angle with respect to
Have been found to be preferably used, and the present invention has been completed based on those findings.
[0017]
That is, the present invention
(1) A photocurable resin layer having a predetermined cross-sectional shape pattern is formed by irradiating light to a molding surface made of a photocurable resin composition through a drawing mask having a liquid crystal shutter under control, and then forming the light. A modeling surface is formed by applying one layer of the photocurable resin composition on the cured resin layer, and light is controlled and irradiated to the modeling surface made of the photocurable resin composition via a drawing mask. A method of manufacturing a three-dimensional structure by sequentially repeating the operation of further forming a photocured resin layer having a predetermined cross-sectional shape pattern until a predetermined three-dimensional structure is formed,
Using a polarization separation element having a polarization separation surface to separate light emitted from the light source or the light emitting unit into two polarized lights whose vibration directions are orthogonal to each other on the polarization separation surface of the polarization separation element;
One of the polarized lights separated by the polarized light separating surface passes through the polarized light separating element and is directed to the drawing mask;
The other polarized light separated by the polarized light separating surface is reflected by the polarized light separating surface and then re-reflected, scattered and / or absorbed so as not to pass through the polarized light separating element;
Irradiating the one polarized light that has passed through the polarization separation element onto a modeling surface made of a photocurable resin composition through a drawing mask having a liquid crystal shutter capable of blocking and transmitting light in a small area, Forming a photocured resin layer having a predetermined cross-sectional pattern corresponding to the mask image of
An optical three-dimensional modeling method characterized by the following.
[0018]
And the present invention
(2) Two polarization separation planes A as polarization separation elements 1 And A 2 Using a polarization splitting element having at least one set of structural parts arranged to face each other in a V-shaped plane symmetric state;
The light emitted from the light source or the light emitting means is converted to the polarization separation surface A of the polarization separation element. 1 And A 2 Respectively, separates into two polarized lights whose vibration directions are orthogonal to each other, one of the separated polarized lights is passed through a polarization separating element and directed toward a drawing mask, and the other polarized light is polarized light separation plane A. 1 And A 2 Reflected by each of the;
Polarization separation surface A 1 The other polarized light reflected by the 2 Polarized light separating surface A 2 And the polarization separation surface A 2 The other polarized light reflected by the 1 Polarized light separating surface A 1 To prevent the other polarized light from passing through the polarization splitting element;
(3) An optical three-dimensional modeling method according to the above (1).
[0019]
Further, the present invention provides
(3) Two polarization separation planes A as polarization separation elements 1 And A 2 Are arranged facing each other in a V-shaped plane symmetry state, and the polarization separation surface A 1 And A 2 Using a polarization splitting element having at least one set of structural parts in which the light-shielding surface B is disposed at the position of the symmetry plane;
The light emitted from the light source or the light emitting means is converted into two polarized light separating surfaces A of the polarized light separating element. 1 And A 2 Respectively, separates into two polarized lights whose vibration directions are orthogonal to each other, one of the separated polarized lights is passed through a polarization separating element and directed toward a drawing mask, and the other polarized light is polarized light separation plane A. 1 And A 2 To reflect;
Polarization separation surface A 1 And A 2 Directing the other polarized light reflected by the light source toward the light-shielding surface B and re-reflecting, scattering and / or absorbing the other polarized light so that the other polarized light does not pass through the polarization separation element;
(3) An optical three-dimensional modeling method according to the above (1).
[0020]
Also, the present invention
(4) As a polarization separation element, a polarization separation surface A 3 Are arranged obliquely to the traveling direction of the light emitted from the light source or the light emitting means, and the light-shielding surface B is provided as the polarization separating surface A. 3 Using a polarization splitting element having at least one set of structural parts opposed to each other at a predetermined angle;
The light emitted from the light source or the light emitting means is converted into a polarized light separating surface A. 3 , The light is separated into two polarized lights whose vibration directions are orthogonal to each other. 3 To the drawing mask, and the other polarized light is polarized light separation plane A. 3 To reflect;
Polarization separation surface A 3 Directing the other polarized light reflected by the light source toward the light-shielding surface B and re-reflecting, scattering and / or absorbing the other polarized light so that the other polarized light does not pass through the polarization separation element;
(3) An optical three-dimensional modeling method according to the above (1).
[0021]
Also, the present invention
(5) The one of the above-mentioned (1) to (1) to which the one polarized light which has passed through the polarization separation element is supplied to a drawing mask through a condenser lens, and light of a predetermined mask image passing through the drawing mask is irradiated to a modeling surface through a projection lens. The optical three-dimensional modeling method according to any one of (4).
[0022]
And the present invention
(6) a light source or light emitting means;
.Having a polarization separation surface for separating the light emitted from the light source or the light emission means into two polarization lights whose vibration directions are orthogonal to each other, and one of the two polarization lights separated by the polarization separation plane is polarization separation light A polarization splitting element that passes through the element and reflects the other polarized light on the polarization splitting surface and then re-reflects, scatters, and / or absorbs the light so as not to pass through the polarization splitting element;
A drawing mask arranged on the downstream side of the polarization splitting element, the drawing mask including a plurality of minute liquid crystal shutters capable of blocking and transmitting light in a minute area; and
Means for forming a shaped surface made of the photocurable resin composition;
It is an optical three-dimensional printing apparatus characterized by having.
[0023]
Further, the present invention provides
(7) The polarization separation element
-Two polarization separations that separate the light emitted from the light source or the light emitting means into two polarized lights whose vibration directions are orthogonal to each other, allow one of the two polarized lights to pass, and reflect the other polarized light. Surface A 1 And A 2 , A polarizing beam splitter having one or more sets of structural parts arranged opposite to each other in a V-shaped plane symmetric state [hereinafter, this may be referred to as a “polarized light separating element (2a)”];
-Two polarization separations that separate the light emitted from the light source or the light emitting means into two polarized lights whose vibration directions are orthogonal to each other, allow one of the two polarized lights to pass, and reflect the other polarized light. Surface A 1 And A 2 Are arranged facing each other in a V-shaped plane symmetry state, and the polarization separation surface A 1 And polarization separation surface A 2 A polarizing beam splitter having one or more sets of structural portions in which a light-shielding surface B is arranged at a symmetric plane position [hereinafter, this may be referred to as a “polarized beam splitting element (2b)”]; or
A polarization separation surface A that separates the light emitted from the light source or the light emitting means into two polarized lights whose vibration directions are orthogonal to each other, passes one of the two polarized lights, and reflects the other polarized light. 3 Are arranged obliquely to the traveling direction of the light emitted from the light source or the light emitting means, and the light-shielding surface B is provided as the polarization separating surface A. 3 A polarizing beam splitter having one or more sets of structural parts opposed to each other at a predetermined angle [hereinafter, this may be referred to as “polarizing beam splitting element (2c)”];
The optical three-dimensional modeling apparatus according to (6) above.
[0024]
Also, the present invention
(8) The optics of (6) or (7), wherein the polarization splitting surface of the polarization splitting element is arranged at an angle of 40 ° to 50 ° with respect to the traveling direction of the light emitted from the light source or the light emitting means. It is a three-dimensional modeling device.
[0025]
And the present invention
(9) It has a polarization separation surface that separates the light emitted from the light source or the light emission unit into two polarization lights whose vibration directions are orthogonal to each other, and one of the two polarization lights separated by the polarization separation surface is A polarization splitting element configured to pass through the polarization splitting element and reflect the other polarized light on the polarization splitting surface, and then re-reflect, scatter and / or absorb the light so as not to pass through the polarization splitting element;
A drawing mask comprising a plurality of minute liquid crystal shutters disposed downstream of the polarization separation element and capable of blocking and transmitting light in a minute area;
An optical device having:
-Two polarization separations that separate the light emitted from the light source or the light emitting means into two polarized lights whose vibration directions are orthogonal to each other, allow one of the two polarized lights to pass, and reflect the other polarized light. Surface A 1 And A 2 (2a) having at least one pair of structural parts which face each other in a V-shaped plane symmetric state;
-Two polarization separations that separate the light emitted from the light source or the light emitting means into two polarized lights whose vibration directions are orthogonal to each other, allow one of the two polarized lights to pass, and reflect the other polarized light. Surface A 1 And A 2 Are arranged facing each other in a V-shaped plane symmetry state, and the polarization separation surface A 1 And polarization separation surface A 2 A polarization splitting element (2b) having at least one set of structural parts in which a light-shielding surface B is arranged at a symmetric plane position;
A polarization separation surface A that separates the light emitted from the light source or the light emitting means into two polarized lights whose vibration directions are orthogonal to each other, passes one of the two polarized lights, and reflects the other polarized light. 3 Are arranged obliquely to the traveling direction of the light emitted from the light source or the light emitting means, and the light-shielding surface B is provided as the polarization separating surface A. 3 A polarization splitting element (2c) having at least one set of structural parts opposed to each other at a predetermined angle;
An optical device, characterized by:
(10) The optical device according to (9), wherein the polarization splitting surface of the polarization splitting element is arranged at an angle of 40 ° to 50 ° with respect to the traveling direction of the light emitted from the light source or the light emitting means;
It is.
[0026]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
The optical three-dimensional modeling method of the present invention is to form a photocured resin layer having a predetermined cross-sectional shape pattern by irradiating light on the surface of the photocurable resin composition under control via a drawing mask, One layer of the photo-curable resin composition is applied on the photo-cured resin layer, and the surface (modeling surface) of the photo-curable resin composition is irradiated with light under control via a drawing mask to a predetermined level. The optical molding of the present invention is performed by adopting a molding operation for manufacturing a three-dimensional molded object by sequentially repeating an operation of further forming a photocured resin layer having a cross-sectional shape pattern until a predetermined three-dimensional molded object is formed. The three-dimensional printing apparatus is used in such an optical three-dimensional printing technique.
[0027]
In general, the molding operation of the present invention is performed by disposing a molding table in a molding bath filled with a liquid photocurable resin composition, and lowering the molding table to form one layer of liquid photocurable on the molding table surface. A resin composition layer (modeling surface) is formed, and a light-cured resin layer having a predetermined pattern and thickness by irradiating light thereto through a drawing mask under control (hereinafter sometimes referred to as a “photo-cured layer”) Is formed, the molding table is further lowered to form a liquid photocurable resin composition layer for one layer on the photocurable layer surface, and the light is radiated under control through a drawing mask under a predetermined pattern. And a molding bath method in which a step of integrally forming a photocurable layer having a thickness and a thickness is repeatedly performed.
[0028]
In the above-described molding operation of the present invention, for example, a molding table is placed in a gas atmosphere, and a layer of a liquid, paste, powder, or thin-film photocurable resin composition is placed on the molding table surface. After applying light under control through a drawing mask to form a photocured layer having a predetermined pattern and thickness, a liquid, paste, powder or thin film of one layer is formed on the photocured layer surface. A method of repeatedly applying a photocurable resin composition and irradiating light under control via the drawing mask to integrally form a photocurable layer having a predetermined pattern and thickness is performed. You can also. In the case of this method, a method in which a molding table or a photocurable layer is turned upward, a photocurable resin composition is applied to the upper surface, and light is irradiated through a drawing mask to sequentially form a photocurable layer is formed. The molding table or light-curing layer may be arranged vertically or obliquely, the photo-curing resin layer may be applied on the surface of the molding table or the light-curing layer, and light curing may be performed by irradiating light through a drawing mask. A method of sequentially forming layers may be adopted, or a photo-setting resin layer composition may be applied to the modeling table surface or the photo-curing layer surface by placing the modeling table or the photo-curing layer downward and drawing. A method of irradiating light through a mask and sequentially forming a photo-cured layer on the lower side may be adopted. In applying the photocurable resin composition to the modeling table surface or the photocurable layer surface, for example, it is possible to employ an appropriate method such as blade coating, casting coating, roller coating, transfer coating, brush coating, spray coating, and the like. it can.
[0029]
In the present invention, in performing the above-described stereolithography operation, a drawing mask including a plurality of minute liquid crystal shutters capable of blocking and transmitting light in a minute area (hereinafter, referred to as a “liquid crystal drawing mask”) Is used). Then, from the upstream to the downstream, a light source or a light emitting unit, a polarization separation element, and a liquid crystal drawing mask are arranged in this order. Through a predetermined mask image formed by the liquid crystal drawing mask, light of a predetermined pattern shape is applied to a modeling surface formed of a photocurable resin composition formed by a modeling surface forming apparatus, and a predetermined cross-sectional shape is formed on the modeling surface. A photocured resin layer having a pattern is formed.
[0030]
The polarized light separating element has a polarized light separating surface, and the light emitted from the light source or the light emitting means is separated into two polarized lights (P wave and S wave) whose vibration directions are orthogonal to each other at the polarized light separating surface and separated from each other. Only one of the P wave and the S wave passes through the polarization splitting surface (polarization splitting element) and proceeds toward the liquid crystal drawing mask. The other polarized light (the S wave when the P wave passes through the polarization separation surface, and the P wave when the S wave passes through the polarization separation surface) is reflected by the polarization separation surface, and then reflected by the polarization separation surface (the polarization separation surface). ) So that they do not pass through the element).
[0031]
The polarization separation element used in the optical three-dimensional modeling technology of the present invention has a polarization separation surface that separates light incident on the polarization separation element into two polarized lights (P wave and S wave) whose vibration directions are orthogonal to each other, In addition, any polarized light separating element having a structure in which only one polarized light of the two separated polarized light passes through the polarized light separating element and the other polarized light does not pass through the polarized light separating surface (polarized light separating element). Can also be used.
Among them, in the present invention, the following polarized light separating elements (2a) to (2c) are preferably used as polarized light separating elements.
[0032]
Polarization separation element (2a) :
Two polarized light separating surfaces that separate light emitted from a light source or a light emitting unit into two polarized lights whose vibration directions are orthogonal to each other, allow one of the two polarized lights to pass, and reflect the other polarized light. A 1 And A 2 Is a polarization splitting element having at least one set of structural parts which face each other in a V-shaped plane symmetry state.
Polarization separation element (2b) :
Two polarized light separating surfaces that separate light emitted from a light source or a light emitting unit into two polarized lights whose vibration directions are orthogonal to each other, allow one of the two polarized lights to pass, and reflect the other polarized light. A 1 And A 2 Are arranged facing each other in a V-shaped plane symmetry state, and the polarization separation surface A 1 And polarization separation surface A 2 A polarization splitting element having at least one set of structural parts in which a light-shielding surface B is arranged at a symmetric plane position.
Polarization separation element (2c) :
A polarization separation surface A that separates light emitted from a light source or a light emitting unit into two polarized lights whose vibration directions are orthogonal to each other, passes one of the two polarized lights, and reflects the other polarized light. 3 Are arranged obliquely to the traveling direction of the light emitted from the light source or the light emitting means, and the light-shielding surface B is provided as the polarization separating surface A. 3 A polarization splitting element having at least one set of structural parts opposed to each other at a predetermined angle.
[0033]
Although not limited, the polarization splitting elements (2a) to (2c) preferably used in the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 shows a typical example of the polarization beam splitter (2a), FIG. 2 shows a typical example of the polarization beam splitter (2b), and FIG. 3 shows a typical example of the polarization beam splitter (2c).
First, the polarization separation element (2a) will be described with reference to FIG.
The polarization separation element (2a) has a polarization separation surface A 1 And A 2 Has one or two or more sets of structural parts facing each other in a V-shaped plane symmetric state (FIG. 1 shows a state in which two sets of the structural parts are arranged). Light emitted from a light source or light emitting means (not shown) including two polarized lights (P wave and S wave) whose vibration directions are orthogonal to each other (P wave is shown by a solid line and S wave is shown by a dotted line) is polarized light separation. Surface A 1 And A 2 And one of the two polarized lights (illustrated by a P wave in FIG. 1) is a polarized light separating plane A. 1 And A 2 Pass through. The other polarized light (illustrated by S wave in FIG. 1) is polarized light separating surface A 1 And A 2 Is reflected by Polarization separation surface A 1 (S wave) reflected by the 1 Separation plane A opposite to 2 In the direction of 2 And is returned to the incident direction (light source or light emitting means). Also, the polarization separation surface A 2 (S wave) reflected by the 2 Separation plane A opposite to 1 In the direction of 1 And is returned to the incident direction (light source or light emitting means).
In the polarization separation element (2a), the polarization separation plane A with respect to the traveling direction of light from the light source or the light emitting means. 1 And A 2 Of the arrangement angle α 1 And α 2 Allows only one polarization (eg, P-wave) to pass through the polarization separation element (2a) at a higher rate and the other polarization (eg, S-wave) not to completely pass through the polarization separation element (2a). From the viewpoint, it is preferably 40 ° to 50 °, more preferably 42 ° to 48 °, and further preferably 45 °.
[0034]
As shown in FIG. 1, the polarization beam splitting element (2a) does not use any optical member such as an expensive lens array (flyal lens), birefringent crystal, crystal lattice, etc. Two polarization separation planes A without using any wavelength phase delay element 1 And A 2 Is simply arranged opposite to the V-shape in plane symmetry, and only one polarization (P-wave in FIG. 1) of two polarizations (P-wave and S-wave) emitted from the light source or the light-emitting means is polarization-separated. After passing through the element (2a) and reflecting the other polarized light (S-wave in FIG. 1), the liquid crystal drawing mask (not shown) arranged downstream of the polarized light separating element (2a) has an oscillation direction of 1 Only a single polarized light (P wave in FIG. 1) aligned in one direction can be extremely efficiently incident. In the polarization separation element (2a), only one polarization (for example, P-wave) of two polarizations (P-wave and S-wave) emitted from the light source or the light emission unit is the polarization separation plane A. 1 And A 2 The polarization direction (vibration direction) of the other polarized light (for example, S wave) is emitted from the polarization separation element (2a) through the half-wavelength phase delay element, and the polarization direction of one polarized light (P wave) is used. (Vibration direction), and since the operation of supplying the polarized light to the liquid crystal drawing mask together with the polarized light having passed through the polarization separating surface is not performed, one polarized light (for example, P The wave is uniform throughout and has no unevenness in light intensity (illuminance). Therefore, it is possible to irradiate the single-polarized light having passed through the polarization separation element (2a) to the modeling surface made of the photo-curable resin composition through the liquid crystal drawing mask with uniform light (light intensity). This makes it possible to obtain a three-dimensional molded article having extremely excellent molding accuracy, mechanical properties, appearance, and the like.
[0035]
Next, the polarization separation element (2b) will be described with reference to FIG.
The polarization separation element (2b) has a polarization separation surface A 1 And A 2 Are arranged facing each other in a V-shaped plane symmetry state, and the polarization separation surface A 1 And polarization separation surface A 2 Has one or two or more sets of structural parts in which the light-shielding surface B is arranged at the symmetry plane position (center position) (FIG. 2 shows a state in which two sets of the structural parts are arranged). Light emitted from a light source or light emitting means (not shown) including two polarized lights (P wave and S wave) whose vibration directions are orthogonal to each other (P wave is shown by a solid line and S wave is shown by a dotted line) is polarized light separation. Surface A 1 And A 2 And one of the two polarized lights (illustrated by a P wave in FIG. 2) is a polarization separation plane A. 1 And A 2 Pass through. The other polarized light (illustrated as an S wave in FIG. 2) is polarized light separating surface A. 1 And A 2 Is reflected by Polarization separation surface A 1 And A 2 The other polarized light (S wave) reflected by the 1 And polarization separation surface A 2 Collide with the light-shielding surface B disposed between 1 And A 2 Is re-reflected, scattered and / or absorbed by the light shielding surface B so as not to pass through.
As the light-shielding surface B, a light absorber (for example, a light absorber formed using a black pigment such as carbon black) or a reflector is preferably used. When the light-shielding surface B is made of a light absorber, the polarization separation surface A 1 And A 2 The other polarized light (S-wave) reflected by is absorbed by the light-shielding surface B (light absorber), so that the other polarized light (S-wave) is prevented from passing through the polarization separation element (2b). be able to. When the light shielding surface B is made of a reflector, the polarization separation surface A 1 And A 2 The polarized light (S wave) reflected by the light is re-reflected by the light-shielding surface B (reflector) to form a polarized light separating surface A. 1 And A 2 Back to the direction of 1 And A 2 And is returned again in the incident direction (light source or light emitting means).
[0036]
In the polarization separation element (2b), the polarization separation plane A with respect to the traveling direction of light from the light source or the light emitting means. 1 And A 2 Of the arrangement angle α 1 And α 2 Is preferably 40 ° to 50 °, more preferably 42 ° to 48 °, and even more preferably 45 °. Also, the polarization separation surface A 1 And A 2 Angle β between the light-shielding surface B and 1 And β 2 Is preferably 40 ° to 50 °, more preferably 42 ° to 48 °, and even more preferably 45 °. The angle α 1 , Α 2 , Β 1 And β 2 Is set to the above angle, so that only one polarized light (for example, P wave) passes through the polarization separation element (2a) at a higher rate and the other polarization (for example, S wave) completely passes through the polarization separation element (2a). Can be prevented from passing through.
[0037]
Like the polarization splitting element (2a), the polarization splitting element (2b) does not use any optical member such as an expensive lens array (flyal lens), a birefringent crystal, a crystal lattice, or the like. Two polarization separation planes A without using any half-wave phase delay element 1 And A 2 Are arranged opposite to each other in a V-shape in plane symmetry, and both polarization separation surfaces A 1 And A 2 By simply arranging the light-shielding surface B at the plane symmetrical position (central portion), only one polarized light (for example, P-wave) of two polarized lights (P-wave and S-wave) emitted from the light source or the light emitting means is emitted. A liquid crystal drawing mask disposed on the downstream side of the polarization separation element (2b) by passing through the polarization separation element (2b) and re-reflecting, scattering and / or absorbing the other polarized light (for example, S wave) on the light shielding surface B. (Not shown), only a single polarized light (for example, P-wave) whose vibration direction is aligned in one direction can be extremely efficiently incident.
In the polarization separation element (2b), only one polarization (for example, P-wave) of the two polarizations (P-wave and S-wave) emitted from the light source or the light emission unit is the polarization separation plane A. 1 And A 2 The polarization direction (vibration direction) of the other polarized light (for example, S wave) is emitted from the polarization splitting element (2b) through the half-wavelength phase delay element. Since the operation of supplying the liquid crystal drawing mask together with the one polarized light in the same polarization direction (vibration direction) is not performed, one polarized light (for example, P wave) emitted from the polarization separation element (2b) is There is no unevenness in light intensity (illuminance) and the like as a whole. Therefore, it is possible to irradiate the single-polarized light that has passed through the polarization separation element (2b) to the modeling surface made of the photocurable resin composition with uniform illuminance (intensity) through the liquid crystal drawing mask, thereby. It is possible to obtain a three-dimensional molded article having extremely excellent molding accuracy, mechanical properties, appearance, and the like.
[0038]
The polarization beam splitting element (2c) will be described with reference to FIG.
The polarization separation element (2c) is a polarization separation surface A 3 Are arranged obliquely to the traveling direction of the light emitted from the light source or the light emitting means, and the light-shielding surface B is provided as the polarization separating surface A. 3 Given angle β 3 Has one or two or more sets of structural parts opposed to each other (FIG. 3 shows a state in which four sets of the structural parts are arranged). Light emitted from a light source or light emitting means (not shown) including two polarized lights (P wave and S wave) whose vibration directions are orthogonal to each other (P wave is shown by a solid line and S wave is shown by a dotted line) is polarized light separation. Surface A 3 And one of the two polarized lights (illustrated by a P wave in FIG. 3) is 3 Pass through. The other polarized light (illustrated as an S wave in FIG. 3) is polarized light separating surface A. 3 Is reflected by Polarization separation surface A 3 The other polarized light (S wave) reflected by the 3 Given angle β 3 Collides with the light-shielding surface B disposed opposite to the 3 Is re-reflected, scattered and / or absorbed by the light shielding surface B so as not to pass through.
As the light shielding surface B, a light absorber or a reflector is preferably used as in the case of the polarization separation element (2b). When the light-shielding surface B is made of a light absorber, the polarization separation surface A 3 Is reflected by the light-shielding surface B (light absorber), so that the other polarized light (eg, S-wave) passes through the polarization separation element (2c). Can be blocked. When the light shielding surface B is made of a reflector, the polarization separation surface A 3 Is reflected by the light-shielding surface B (reflector) and is reflected again by the polarization splitting surface A. 3 Back to the direction of 3 And is returned again in the incident direction (light source or light emitting means).
[0039]
In the polarization separation element (2c), the polarization separation plane A with respect to the traveling direction of light from the light source or the light emitting means. 3 Of the arrangement angle α 3 Is preferably 40 ° to 50 °, more preferably 42 ° to 48 °, and even more preferably 45 °. Also, the polarization separation surface A 3 Angle β between the light-shielding surface B and 3 Is preferably 40 ° to 50 °, more preferably 42 ° to 48 °, and even more preferably 45 °. Angle α 3 And β 3 Is set to the above angle, so that only one polarized light (for example, P wave) passes through the polarization separation element (2c) at a higher rate and the other polarization (for example, S wave) completely passes through the polarization separation element (2a). Can be prevented from passing through.
[0040]
The polarization separation element (2c) does not use any optical member such as an expensive lens array (flyal lens), birefringent crystal, crystal lattice, etc., like the polarization separation elements (2a) and (2b). And without using any half-wavelength phase delay element, 3 Are arranged obliquely to the traveling direction of light, and the light-shielding surface B is 3 , Only one polarization (for example, P-wave) of the two polarizations (P-wave and S-wave) emitted from the light source or the light-emitting means is disposed at a predetermined angle with respect to the polarization separation element (2c). And the other polarized light (for example, S-wave) is re-reflected, scattered and / or absorbed by the light-shielding surface B, and applied to a liquid crystal drawing mask (not shown) arranged downstream of the polarization separation element (2c). In addition, only a single polarized light (for example, P wave) whose vibration direction is aligned in one direction can be extremely efficiently incident. Then, in the polarization separation element (2c), only one polarization (for example, P-wave) of the two polarizations (P-wave and S-wave) emitted from the light source or the light emission unit is the polarization separation plane A. 3 The polarization direction (oscillation direction) of the other polarized light (for example, S wave) is output from the polarization splitting element (2c) through the half-wavelength phase delay element. Since the operation of aligning with the polarization direction (vibration direction) and supplying the polarized light to the liquid crystal drawing mask together with the one polarized light is not performed, one polarized light (for example, P wave) emitted from the polarization separation element (2c) is entirely And there is no unevenness in light intensity (illuminance). Therefore, it is possible to irradiate the single polarized light that has passed through the polarization separation element (2c) to the modeling surface made of the photocurable resin composition with a uniform light intensity (illuminance) through the liquid crystal drawing mask, thereby forming It is possible to obtain a three-dimensional structure having extremely excellent accuracy, mechanical properties, appearance, and the like.
[0041]
The polarization separation elements (2a) to (2c) use a transparent glass, a transparent plastic or the like as a base material, and a polarization separation surface A in the base material. 1 , A 2 , A 3 In addition, the light-shielding surface B is arranged in the arrangement state illustrated in, for example, FIGS. 1 to 3 and the like, and the entirety of the polarization separation elements (2a) to (2c) is formed to be substantially plate-shaped. Can be. At this time, parts having one polarization splitting surface are manufactured on a transparent base material, and the polarization splitting elements (2a) to (2c) are manufactured by assembling a plurality of parts into the structure shown in FIGS. You can also. The method for forming the polarization separation surface on the substrate is not particularly limited, and any method conventionally used in the production of this type of optical product may be employed.
[0042]
Polarization separation plane A in polarization separation element (2a) 1 -Polarization separation surface A 2 The number of sets of structural parts consisting of the polarization separation plane A in the polarization separation element (2b) 1 -Shielding surface B-Polarization separating surface A 2 The number of sets of structural parts made up of the polarization splitting surface A in the polarization splitting element (2c) 3 -The number of sets of the structural part composed of the light-shielding surface B depends on the size of the three-dimensional object to be manufactured, the type and size of the light source, the polarization separation surface A 1 , A 2 , A 3 And the size of the liquid crystal drawing mask can be determined as appropriate. In the case of arranging a plurality of the structural parts, it is preferable to arrange the adjacent structural parts so as to be close to each other as shown in FIGS. 1 to 3, whereby the light is emitted from the polarization splitting elements (2a) to (2c). The light density of the single polarized light to be obtained can be made uniform.
[0043]
In practicing the present invention, for example, as illustrated in FIG. 4, a light source or a light emitting unit (1), a polarization separation element (2) [preferably any of the polarization separation elements (2a) to (2c); 1 uses a polarization separation element (2a)] and a liquid crystal drawing mask (3) in this order, and if necessary, a condenser lens between the polarization separation element (2) and the liquid crystal drawing mask (3). In (4), a projection lens (6) is arranged between the liquid crystal drawing mask (3) and the modeling surface (5) to perform optical three-dimensional modeling.
[0044]
The type of light source used in the optical three-dimensional modeling of the present invention is not particularly limited, and may be any light source that can be used in the optical three-dimensional modeling. For example, a xenon lamp, a metal halide lamp, a mercury lamp, a fluorescent lamp, and a halogen lamp , Incandescent lamps, Ar lasers, He-Cd lasers, LD lasers (semiconductor-excited solid-state lasers), and the like. In particular, in the case of the present invention, without using an expensive light source such as a laser light device conventionally used in an optical three-dimensional molding method of irradiating a molding surface with spot-shaped light, a xenon lamp, a metal halide lamp, An inexpensive general-purpose light source such as a mercury lamp, a fluorescent lamp, a halogen lamp, and an incandescent lamp can be used, and therefore, the optical three-dimensional printing apparatus can be made inexpensive and easy to use.
The shape, size, and number of light sources are not particularly limited, and can be appropriately selected depending on the shape and size of the drawing mask, the shape and size of the light-cured cross-sectional shape pattern to be formed, and the light source is, for example, The light source may be point-like, spherical, rod-like, or sheet-like, or point-like or spherical light sources may be directly arranged in one or more rows on the back side of the drawing mask.
Furthermore, instead of directly supplying the light from the light source to the polarization separation element, the light from the light source is guided to a light emission means such as a lot lens through an optical fiber, a light guide or other light transmission means, and the light is transmitted to the polarization separation element. You may supply (lead). In order to improve the molding speed, a method of condensing light using a plurality of light sources and increasing light energy may be adopted. In particular, when an optical fiber or a light guide is used, there is an advantage that a plurality of light sources can be easily collected.
[0045]
In the above, a single polarized light (either a P-wave or an S-wave) having the same vibration direction passing through the polarization separation element (2) is directly guided to the liquid crystal drawing mask (2), or FIG. In some cases, the light is condensed by a condensing lens (4) or the like and then guided to a liquid crystal drawing mask (3). The liquid crystal drawing mask (3) used in the optical three-dimensional modeling apparatus of the present invention does not have a conventional general-purpose polarizing film that causes a large decrease in the amount of light at the entrance side, and the above-described polarization separation element (2) [ Preferably, any one of the polarization separation elements (2a) to (2c)] is efficiently guided to the liquid crystal drawing mask (3) as polarized light having a single vibration direction while maintaining a high light amount of 45% or more of the initial state. I will
The polarized light having a single oscillation direction guided into the liquid crystal is disposed on the liquid crystal drawing mask (3) on the exit side of the liquid crystal drawing mask (3) due to the arrangement state of the liquid crystal caused by the presence / absence and strength of the voltage load. A predetermined planar mask image formed by a microswitching action (on / off action) by the cooperation of polarization directions of a polarizing film (in FIG. 4, the polarizing film disposed on the exit side of the liquid crystal drawing mask (3) is not shown). Through the process, light having a predetermined shape pattern is irradiated on a molding surface (5) made of a photocurable resin, and the resin at the light-irradiated portion is cured to form a cured layer having a predetermined photocured cross-sectional shape pattern. Formed on the surface.
[0046]
In the above description, as illustrated in FIG. 4, a projection lens (6) and the like are arranged between a liquid crystal drawing mask (3) and a modeling surface (5) made of a photo-curable resin composition to form a liquid crystal drawing mask. When the predetermined mask image light emitted through (3) is formed into an image by the projection lens (6) and then irradiated onto the modeling surface (5), a clearer photocurable layer can be formed, and The molding accuracy of the molded object is further improved.
[0047]
The shape, structure, size, number of pixels, type, and the like of the liquid crystal drawing mask (3) for forming a predetermined drawing mask image by the microswitch operation (on / off operation) are not particularly limited, and the entrance side (single A liquid crystal drawing mask in which no polarizing film (polarizing plate) is arranged on the polarized light introduction side aligned with the vibration direction and a polarizing film (polarizing plate) is arranged only on the exit side (light exit side). Any liquid crystal drawing mask, such as a liquid crystal drawing mask having a beam splitter disposed on the light output side) and having a minute liquid crystal shutter capable of forming a desired mask image, can be used.
The liquid crystal drawing mask (3) may have, for example, a rectangular shape, a square shape, a rectangular shape elongated in the horizontal direction, or other shapes.
As a method of forming a mask image with the liquid crystal drawing mask (3), for example, information on a mask image to be formed is stored in a computer or the like in advance, and according to the information, liquid crystal drawing is performed for each layer at the time of modeling. A method of changing the mask image by the mask 5 can be adopted.
[0048]
In the present invention, the size and shape of the three-dimensional object to be manufactured are adjusted by adjusting the size (area and the like) of the polarization separation element (2), the installation distance from the light source or the light emitting unit, the optical system for illumination, and the like. Depending on the situation, a mask image from a small area to a wide area can be formed.
Further, in the present invention, it is possible to prevent the occurrence of unevenness in light intensity on the molding surface, which is caused by the conventional optical three-dimensional molding technology as described in Patent Documents 1 to 4 using a liquid crystal drawing mask. From this point, the modeling accuracy can be improved.
[0049]
In performing three-dimensional modeling using the optical three-dimensional modeling apparatus of the present invention, a light source or a light emitting unit (light emitting unit) (1), a polarization separation element (2), a liquid crystal drawing mask (3), etc. In a state where the device is fixed, the light of the pattern corresponding to the mask image formed by the liquid crystal drawing mask (3) for each layer of the photocurable resin composition at the time of stereolithography is applied to the photocurable resin composition. Or a light source or a device for emitting light from a light source (1), a polarization separation element (2), a liquid crystal drawing mask (3), or the like. The shaping surface (5) made of the photocurable resin composition is continuously moved with respect to the shaping surface (5) made of the object, and at this time, the mask image by the liquid crystal drawing mask 5 is dynamically changed in accordance with the movement. ) Is irradiated with light corresponding to the mask image The curable resin may be subjected to shaping while curing.
[0050]
In the case of using the optical three-dimensional modeling apparatus and the optical three-dimensional modeling method of the present invention, the amount of polarized light aligned in a single vibration direction, that is, the amount of polarized light (light) when introduced into the liquid crystal drawing mask (3). Is maintained at 45% or more of the amount of light (light intensity, illuminance, etc.) emitted from the light source or the light emitting means. The high light quantity maintaining ratio of 45% or more is almost the same even if the light emitted from the light source or the light emitting means is short-wavelength ultraviolet light widely used in optical three-dimensional modeling. In this case, a high-energy light having a predetermined pattern corresponding to a mask image formed by the liquid crystal drawing mask (3) can be applied to the molding surface made of the photocurable resin composition, thereby achieving dimensional accuracy. A three-dimensional object excellent in appearance, mechanical properties, and appearance can be manufactured with high productivity at a high molding speed.
[0051]
The type of the photocurable resin composition used in the present invention is not particularly limited, and any liquid, paste, powder, thin film, etc. photocurable resin compositions that can be used for stereolithography can be used.
In the present invention, various oligomers such as urethane acrylate oligomer, epoxy acrylate oligomer, ester acrylate oligomer, and polyfunctional epoxy resin, which are conventionally used in photolithography as a photocurable resin composition; isobornyl acrylate; Isobornyl methacrylate, dicyclopentenyl acrylate, dicyclopentenyl methacrylate, dicyclopentenyloxyethyl acrylate, dicyclopentenyloxyethyl methacrylate, dicyclopetanyl acrylate, dicyclopetanyl methacrylate, bornyl acrylate, bornyl methacrylate , 2-hydroxyethyl acrylate, cyclohexyl acrylate, 2-hydroxypropyl acrylate, phenoxyethyl acrylate, mol Acrylic compounds such as phosphorus acrylamide, morpholine methacrylamide, and acrylamide; and various monofunctional vinyl compounds such as N-vinylpyrrolidone, N-vinylcaprolactam, vinyl acetate, and styrene; trimethylolpropane triacrylate, ethylene oxide-modified trimethylolpropane Triacrylate, ethylene glycol diacrylate, tetraethylene glycol diacrylate, polyethylene glycol diacrylate, 1,4-butanediol diacrylate, 1,6-hexanediol diacrylate, neopentyl glycol diacrylate, dicyclopentanyl diacrylate, Polyester diacrylate, ethylene oxide-modified bisphenol A diacrylate, pentaerythritol triacrylate Polyfunctional vinyl compounds such as acrylate, pentaerythritol tetraacrylate, propylene oxide-modified trimethylolpropane triacrylate, propylene oxide-modified bisphenol A diacrylate, and tris (acryloxyethyl) isocyanurate; hydrogenated bisphenol A diglycidyl ether; 4-epoxycyclohexylmethyl-3,4-epoxycyclohexanecarboxylate, 2- (3,4-epoxycyclohexyl-5,5-spiro-3,4-epoxy) cyclohexane-meta-dioxane, bis (3,4-epoxy It is possible to use a photocurable resin composition containing one or more kinds of various epoxy compounds such as (cyclohexylmethyl) adipate and a photopolymerization initiator and, if necessary, a sensitizer. it can.
In addition, the photocurable resin composition used in the present invention, in addition to the components described above, if necessary, a leveling agent, a surfactant other than a phosphate ester-based surfactant, an organic polymer modifier, It may contain an organic plasticizer and the like.
[0052]
The photocurable resin composition used in the present invention may contain a filler such as solid fine particles or whiskers, if necessary. Use of a photocurable resin composition containing a filler can improve dimensional accuracy by reducing volume shrinkage during curing, improve mechanical properties and heat resistance, and the like.
Examples of the solid fine particles used as the filler include inorganic fine particles such as carbon black fine particles, polystyrene fine particles, polyethylene fine particles, polypropylene fine particles, acrylic resin fine particles, and organic polymer fine particles such as synthetic rubber fine particles. One or more kinds can be used. The particle size of the solid fine particles is not particularly limited, but generally, those having an average particle size of 200 μm or less, particularly 100 μm or less are preferably used.
[0053]
The whiskers preferably have a diameter of 0.3 to 1 μm, particularly 0.3 to 0.7 μm, a length of 10 to 70 μm, particularly 20 to 50 μm, and an aspect ratio of 10 to 100, particularly 20 to 70 μm. Used. Here, the dimensions and aspect ratio of the whiskers are dimensions and aspect ratios measured using a laser diffraction / scattering particle size distribution analyzer. The type of whisker is not particularly limited, and examples thereof include aluminum borate-based whiskers, aluminum oxide-based whiskers, aluminum nitride-based whisker water, magnesium oxide-based whiskers, and titanium oxide-based whiskers. Species or two or more can be used.
[0054]
When using a photocurable resin composition containing solid fine particles and / or whiskers, the solid fine particles preferably contain 5 to 70% by volume based on the total volume of the photocurable resin composition, and The whisker content is preferably 5 to 30% by volume. When both the solid fine particles and the whiskers are contained, the total content of both is preferably 10 to 75% by volume based on the total volume of the photocurable layer.
The solid fine particles and / or whiskers may or may not be surface-treated with a silane coupling agent, but are preferably surface-treated. When the solid fine particles and / or whiskers are surface-treated with a silane coupling agent, a photocured product having a higher heat distortion temperature, flexural modulus, and mechanical strength can be obtained. As the silane coupling agent in this case, any of silane coupling agents conventionally used for surface treatment of a filler or the like can be used. Preferred silane coupling agents are aminosilane, epoxysilane, vinylsilane, and ( (Meth) acryl silane.
[0055]
As described above, the apparatus and method of the present invention are particularly preferably used in an optical three-dimensional molding technique for producing a three-dimensional molded article using a photocurable resin composition.
However, the optical device of the present invention including the above-described polarization separation element and a liquid crystal drawing mask having a liquid crystal shutter capable of blocking and transmitting light in a minute area has a high light quantity (light intensity) maintenance rate and a single polarization. Because of its excellent characteristics such as easy emission, simplicity, and low cost, it can be effectively used as an optical device in, for example, a projector, a large television, a semiconductor manufacturing device, and the like in addition to the optical three-dimensional modeling.
[0056]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described specifically with reference to Examples and the like, but the present invention is not limited to the following Examples.
[0057]
<< Example 1 >>
(1) The optical three-dimensional printing apparatus shown in FIG. 4 was used.
An ultra-high pressure mercury lamp was used as the light source, and the light intensity at the light emitting means (rod lens) (1) was adjusted to a uniformity of 80%. The polarization splitting element (2a) shown in FIG. 1 (thickness = 5 mm, α 1 And α 2 Angle = 45 °, polarization separation plane A 1 -Polarization separation surface A 2 [Distance between tip of light emitting means and polarization splitting element (2a) = 30 cm]. A condensing lens (4) (manufactured by Nippon Special Optical Co., Ltd .; Fresnel lens) is disposed at a position 1 cm away from the polarization splitting element (2a), and a liquid crystal drawing mask (3) (pixel number = 640 dots × 480) is disposed immediately below the condenser lens (4). Dot). A projection lens (6) is arranged at a position 45 cm away from the liquid crystal drawing mask (3), and a photocurable resin composition (manufactured by Teijin Seiki Co., Ltd.) is placed at a position 22.5 cm away from the projection lens (6). A molding surface (5) was formed by a conventional method (modeling bath method) using "TSR-754").
[0058]
(2) Using the optical three-dimensional modeling apparatus of (1), light of a shape pattern corresponding to a predetermined mask image formed by the liquid crystal drawing mask (3) is formed on a modeling surface of each layer (5). Irradiation time is 2 seconds, the surface of the photocurable resin composition is irradiated, and the photolithography is performed by adopting a method of laminating the photolithography molding (length × width × thickness = 65 mm × 50 mm × 50 mm). The total time required for modeling was 50 minutes.
The resulting shaped article had good appearance, excellent dimensional accuracy, no curing unevenness, and excellent strength.
(3) In the optical three-dimensional modeling apparatus according to the above (1), the light intensity (illuminance) of a polarized (P-wave) bundle whose polarization direction is aligned with a single vibration direction immediately before being introduced into the liquid crystal drawing mask (3). ) Was measured to be 3 mW / cm 2 That is, 46% of the intensity (illuminance) of the light emitted from the light emitting means (1) was maintained.
[0059]
<< Comparative Example 1 >>
(1) Using the same light source and light emitting means (rod lens) (1) as used in Example 1 without using the polarization splitting element (2a) used in Example 1, The same condensing lens (4) as used in Example 1 is disposed at a position 20 cm below the rod lens (1) and the polarizing film is disposed immediately below the condenser lens on both the light introduction side and the light exit side. Liquid crystal drawing mask (number of pixels = 640 dots × 480 dots) was arranged. The same projection lens (6) as that used in Example 1 was arranged at a position 45 cm away from the liquid crystal drawing mask, and used in Example 1 at a position 22.5 cm away from the projection lens (6). A molding surface (5) was formed in the same manner using the same photocurable resin composition as described above.
(2) Using the optical three-dimensional modeling apparatus of (1), a predetermined mask image similar to that in the first embodiment is formed by the liquid crystal drawing mask, and light of a shape pattern corresponding to the mask image is generated by one. Irradiation was performed on the molding surface (5) of each layer, and the operation was repeated to produce a molded article (length × width × thickness = 65 mm × 50 mm × 50 mm) having the same shape and dimensions as in Example 1. In Comparative Example 1, the irradiation time of light required for photocuring the modeling surface of one layer was 6 seconds, and the total modeling time required for manufacturing a molded article was 84 minutes. The required irradiation time was much longer than that, and the molding speed was accordingly much lower than in Example 1.
[0060]
【The invention's effect】
In the case of the present invention, an expensive ultraviolet laser, a fly-eye lens (lens array), an expensive polarization splitting element, a birefringent crystal, or the like is not used, and further, it is indispensable for the above-described conventional optical device. Without using a half-wavelength phase delay element, a very simple device is used to maintain a high light intensity (light energy intensity) of 45% or more while maintaining a single light beam having a single vibration direction. It can be guided to a drawing mask equipped with a liquid crystal shutter in one polarization form, and from small three-dimensional objects to large three-dimensional objects, with extremely good light energy efficiency, high modeling accuracy, dimensional accuracy, and rapid modeling It is possible to produce a high-quality three-dimensional object excellent in mechanical properties, appearance and the like at high speed with high productivity.
In addition, according to this method, since the light intensity (irradiation intensity) of the single polarized light supplied to the drawing mask via the polarization separation element is uniform and the whole is uniform, the objective three-dimensional structure can be made high. The three-dimensional object obtained can be manufactured with high modeling accuracy, and the obtained three-dimensional object is extremely excellent in mechanical properties, appearance, and the like.
In particular, in the present invention, the above-mentioned polarization splitting elements (2a) to (2c) are preferably used as the polarization splitting element because the above-described excellent effects of the present invention can be achieved despite the extremely simple structure. used.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing an example of a polarization beam splitter used in the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing another example of the polarization beam splitter used in the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing still another example of the polarization beam splitter used in the present invention.
FIG. 4 is a diagram illustrating an example of an optical three-dimensional modeling apparatus and an optical three-dimensional modeling method of the present invention.
FIG. 5 is a diagram for explaining a polarization direction of light.
FIG. 6 is a diagram illustrating an example of a conventional optical device.
FIG. 7 is a diagram showing another example of a conventional optical device.
[Explanation of symbols]
A 1 Polarization separation surface
A 2 Polarization separation surface
A 3 Polarization separation surface
B Light-shielding surface
1 light source or light emitting means
2 Polarization separation element
2a Polarization separation element
2b Polarization separation element
2c Polarization separation element
3 Liquid crystal drawing mask
4 Condensing lens
5 modeling surface
6 Projection lens

Claims (10)

光硬化性樹脂組成物からなる造形面に液晶シャッターを有する描画マスクを介して制御下に光を照射して所定の断面形状パターンを有する光硬化した樹脂層を形成した後、該光硬化した樹脂層の上に1層分の光硬化性樹脂組成物を施して造形面を形成し、該光硬化性樹脂組成物よりなる造形面に描画マスクを介して制御下に光を照射して所定の断面形状パターンを有する光硬化した樹脂層を更に形成する操作を所定の立体造形物が形成されるまで順次繰り返すことによって立体造形物を製造する方法であって、
・偏光分離面を有する偏光分離素子を用いて、光源または光出射手段から出射された光を偏光分離素子の偏光分離面で振動方向が互いに直交する2つの偏光に分離し;
・偏光分離面で分離された一方の偏光は偏光分離素子を通過させて描画マスクの方へと向かわせ;
・偏光分離面で分離されたもう一方の偏光は偏光分離面で反射させた後に偏光分離素子を通過しないように再反射、散乱および/または吸収させ;
・偏光分離素子を通過した前記一方の偏光を、微小エリアでの遮光および透光が可能な液晶シャッターを有する描画マスクを介して光硬化性樹脂組成物よりなる造形面に照射して、描画マスクのマスク画像に対応する所定の断面形状パターンを有する光硬化した樹脂層を形成する;
ことを特徴とする光学的立体造形方法。
After forming a light-cured resin layer having a predetermined cross-sectional shape pattern by irradiating light under control through a drawing mask having a liquid crystal shutter on a molding surface made of a photocurable resin composition, the photocured resin One layer of the photocurable resin composition is applied on the layer to form a molding surface, and the molding surface made of the photocurable resin composition is irradiated with light under control via a drawing mask to a predetermined shape. A method of manufacturing a three-dimensional structure by sequentially repeating an operation of further forming a photocured resin layer having a cross-sectional shape pattern until a predetermined three-dimensional structure is formed,
Using a polarization separation element having a polarization separation surface to separate light emitted from the light source or the light emitting unit into two polarized lights whose vibration directions are orthogonal to each other on the polarization separation surface of the polarization separation element;
One of the polarized lights separated by the polarized light separating surface passes through the polarized light separating element and is directed to the drawing mask;
The other polarized light separated by the polarized light separating surface is reflected by the polarized light separating surface and then re-reflected, scattered and / or absorbed so as not to pass through the polarized light separating element;
Irradiating the one polarized light that has passed through the polarization separation element onto a modeling surface made of a photocurable resin composition through a drawing mask having a liquid crystal shutter capable of blocking and transmitting light in a small area, Forming a photocured resin layer having a predetermined cross-sectional pattern corresponding to the mask image of
An optical three-dimensional modeling method characterized by the following.
偏光分離素子として、2つの偏光分離面AおよびAをV型の面対称状態で対向配置した構造部を1組以上有する偏光分離素子を用い;
光源または光出射手段から出射された光を、偏光分離素子の偏光分離面AおよびAのそれぞれで振動方向が互いに直交する2つの偏光に分離し、分離した一方の偏光は偏光分離素子を通過させて描画マスクの方に向かわせ、もう一方の偏光は偏光分離面AおよびAのそれぞれで反射させ;
偏光分離面Aで反射させた該もう一方の偏光を偏光分離面Aの方に向かわせて偏光分離面Aで再反射させると共に偏光分離面Aで反射させた該もう一方の偏光を偏光分離面Aの方向に向かわせて偏光分離面Aで再反射させることによって、該もう一方の偏光が偏光分離素子を通過しないようにする;
ことからなる請求項1に記載の光学的立体造形方法。
As the polarization splitting element, a polarization splitting element having at least one set of structural parts in which two polarization splitting surfaces A 1 and A 2 are arranged to face each other in a V-shaped plane symmetric state is used;
The light emitted from the light source or the light emitting means is separated into two polarized lights whose vibration directions are orthogonal to each other on each of the polarization splitting surfaces A 1 and A 2 of the polarization splitting element. by passing directs towards the image drawing mask, the other polarization is reflected by the respective polarization separating surfaces a 1 and a 2;
Polarization separation surface A 1 the other polarized light is reflected by the polarization separation surface A 2 causes re reflecting the other polarized light is reflected by the polarization separation surface A 2 in directs towards the polarization separation surface A 2 in by re-reflected by the polarization separation surface a 1 a and directs the direction of the polarization separation surface a 1, the other polarization is prevented from passing through the polarization separating element;
The optical three-dimensional modeling method according to claim 1, comprising:
偏光分離素子として、2つの偏光分離面AおよびAをV型の面対称状態で対向配置すると共に偏光分離面AおよびAの対称面位置に遮光面Bを配置した構造部を1組以上有する偏光分離素子を用い;
光源または光出射手段から出射された光を、偏光分離素子の2つの偏光分離面AおよびAのそれぞれで振動方向が互いに直交する2つの偏光に分離し、分離した一方の偏光は偏光分離素子を通過させて描画マスクの方に向かわせ、もう一方の偏光は偏光分離面AおよびAで反射させ;
偏光分離面AおよびAで反射させた該もう一方の偏光を遮光面Bに向かわせて遮光面Bで再反射、散乱および/または吸収させることによって、該もう一方の偏光が偏光分離素子を通過しないようにする;
ことからなる請求項1に記載の光学的立体造形方法。
As a polarization separation element, a structure in which two polarization separation planes A 1 and A 2 are arranged to face each other in a V-shaped plane symmetric state and a light shielding surface B is arranged at a position symmetrical to the polarization separation planes A 1 and A 2 is defined as 1 Using a polarized light separating element having at least two sets;
The light emitted from the light source or the light emitting means is separated into two polarized lights whose vibration directions are orthogonal to each other on each of the two polarized light separating surfaces A 1 and A 2 of the polarized light separating element, and one of the separated polarized lights is polarized light separation. passed through a device directs towards the drawing mask and the other polarization is reflected by the polarization separation surface a 1 and a 2;
Reflected again by the light shielding surface B the other polarized light is reflected by the polarization separation surface A 1 and A 2 by directing the light shielding surface B, by scattering and / or absorption, the other polarization is polarization separation element Not pass through;
The optical three-dimensional modeling method according to claim 1, comprising:
偏光分離素子として、偏光分離面Aを光源または光出射手段から出射された光の進行方向に対して斜め方向に配置すると共に遮光面Bを偏光分離面Aに対して所定の角度で対向配置した構造部を1組以上有する偏光分離素子を用い;
光源または光出射手段から出射された光を、偏光分離面Aにより振動方向が互いに直交する2つの偏光に分離し、分離した一方の偏光は偏光分離面Aを通過させて描画マスクの方に向かわせ、もう一方の偏光は偏光分離面Aで反射させ;
偏光分離面Aで反射させた該もう一方の偏光を遮光面Bに向かわせて遮光面で再反射、散乱および/または吸収させることによって、該もう一方の偏光が偏光分離素子を通過しないようにする;
ことからなる請求項1に記載の光学的立体造形方法。
As the polarization separating element, opposite at a predetermined angle to the light shielding surface B with respect to the polarization splitting surface A 3 as well as arranged in a diagonal direction of the polarization separating plane A 3 to the traveling direction of the light emitted from the light source or the light emitting means Using a polarized light separating element having at least one set of disposed structural parts;
The light emitted from the light source or the light emitting means, the vibration direction by the polarization separation surface A 3 is separated into two orthogonal polarization to each other towards the image drawing mask in one polarization separated passes the polarization splitting surface A 3 directs the, the other polarization is reflected by the polarization separation surface a 3;
Reflected again by the light shielding surface the other polarized light is reflected by the polarization splitting surface A 3 and directs the light shielding surface B, by scattering and / or absorption, so that the other polarized light does not pass through the polarization separating element To;
The optical three-dimensional modeling method according to claim 1, comprising:
偏光分離素子を通過した前記一方の偏光を集光レンズを通して描画マスクに供給すると共に、描画マスクを通った所定のマスク画像の光を投影レンズを通して造形面に照射する請求項1〜4のいずれか1項に記載の光学的立体造形方法。5. The method according to claim 1, wherein the one polarized light that has passed through the polarization splitting element is supplied to a drawing mask through a condensing lens, and light of a predetermined mask image that has passed through the drawing mask is applied to a modeling surface through a projection lens. The optical three-dimensional modeling method according to claim 1. ・光源または光出射手段;
・光源または光出射手段から出射された光を振動方向が互いに直交する2つの偏光に分離する偏光分離面を有し、偏光分離面で分離した該2つの偏光のうちの一方の偏光は偏光分離素子を通過させ、もう一方の偏光は偏光分離面で反射させた後に偏光分離素子を通過しないように再反射、散乱および/または吸収させるようにした偏光分離素子;
・偏光分離素子の下流側に配置した、微小エリアでの遮光および透光が可能な複数の微小液晶シャッターからなる描画マスク;および、
・光硬化性樹脂組成物よりなる造形面を形成する手段;
を有することを特徴とする光学的立体造形装置。
.Light sources or light emitting means;
.Having a polarization separation surface for separating the light emitted from the light source or the light emission means into two polarization lights whose vibration directions are orthogonal to each other, and one of the two polarization lights separated by the polarization separation plane is polarization separation light A polarization splitting element that passes through the element and reflects the other polarized light on the polarization splitting surface and then re-reflects, scatters, and / or absorbs the light so as not to pass through the polarization splitting element;
A drawing mask arranged on the downstream side of the polarization splitting element, the drawing mask including a plurality of minute liquid crystal shutters capable of blocking and transmitting light in a minute area; and
Means for forming a shaped surface made of the photocurable resin composition;
An optical three-dimensional printing apparatus characterized by having:
偏光分離素子が、
・光源または光出射手段から出射された光を振動方向が互いに直交する2つの偏光に分離し、該2つの偏光のうちの一方の偏光を通過させ、もう一方の偏光を反射させる2つの偏光分離面AおよびAをV型の面対称状態で対向配置した構造部を1組以上有する偏光分離素子;
・光源または光出射手段から出射された光を振動方向が互いに直交する2つの偏光に分離し、該2つの偏光のうちの一方の偏光を通過させ、もう一方の偏光を反射させる2つの偏光分離面AおよびAをV型の面対称状態で対向配置すると共に偏光分離面Aと偏光分離面Aの対称面位置に遮光面Bを配置した構造部を1組以上有する偏光分離素子;または、
・光源または光出射手段から出射された光を振動方向が互いに直交する2つの偏光に分離して該2つの偏光のうちの一方の偏光を通過させ且つもう一方の偏光を反射させる偏光分離面Aを光源または光出射手段から出射された光の進行方向に対して斜め方向に配置すると共に遮光面Bを偏光分離面Aに対して所定の角度で対向配置した構造部を1組以上有する偏光分離素子;
である請求項6に記載の光学的立体造形装置。
Polarization splitter,
-Two polarization separations that separate the light emitted from the light source or the light emitting means into two polarized lights whose vibration directions are orthogonal to each other, allow one of the two polarized lights to pass, and reflect the other polarized light. A polarization splitting element having at least one set of structural parts in which the planes A 1 and A 2 are arranged to face each other in a V-shaped plane symmetric state;
-Two polarization separations that separate the light emitted from the light source or the light emitting means into two polarized lights whose vibration directions are orthogonal to each other, allow one of the two polarized lights to pass, and reflect the other polarized light. A polarization splitting element having at least one set of structural parts in which surfaces A 1 and A 2 are opposed to each other in a V-shaped plane symmetric state, and a light-shielding surface B is arranged at a position symmetrical to the polarization splitting surface A 1 and the polarization splitting surface A 2 Or
A polarization separation surface A that separates the light emitted from the light source or the light emitting means into two polarized lights whose vibration directions are orthogonal to each other, passes one of the two polarized lights, and reflects the other polarized light. having 3 light sources or a structure which is opposed at a predetermined angle to the light shielding surface B with respect to the polarization splitting surface a 3 1 or more sets as well as arranged in an oblique direction with respect to the traveling direction of the light emitted from the light emitting means Polarization separation element;
The optical three-dimensional modeling device according to claim 6, wherein
偏光分離素子の偏光分離面が、光源または光出射手段から出射された光の進行方向に対して40°〜50°の角度で配置されている請求項6または7に記載の光学的立体造形装置。The optical three-dimensional modeling apparatus according to claim 6, wherein the polarization separation surface of the polarization separation element is arranged at an angle of 40 ° to 50 ° with respect to a traveling direction of light emitted from the light source or the light emitting unit. . 光源または光出射手段から出射された光を振動方向が互いに直交する2つの偏光に分離する偏光分離面を有し、偏光分離面で分離した該2つの偏光のうちの一方の偏光は偏光分離素子を通過させ、もう一方の偏光を偏光分離面で反射させた後に偏光分離素子を通過しないように再反射、散乱および/または吸収させるようにした偏光分離素子;並びに、
偏光分離素子の下流側に配置した、微小エリアでの遮光および透光が可能な複数の微小液晶シャッターからなる描画マスク;
を有する光学装置であって、前記偏光分離素子が、
・光源または光出射手段から出射された光を振動方向が互いに直交する2つの偏光に分離し、該2つの偏光のうちの一方の偏光を通過させ、もう一方の偏光を反射させる2つの偏光分離面AおよびAをV型の面対称状態で対向配置した構造部を1組以上有する偏光分離素子;
・光源または光出射手段から出射された光を振動方向が互いに直交する2つの偏光に分離し、該2つの偏光のうちの一方の偏光を通過させ、もう一方の偏光を反射させる2つの偏光分離面AおよびAをV型の面対称状態で対向配置すると共に偏光分離面Aと偏光分離面Aの対称面位置に遮光面を配置した構造部を1組以上有する偏光分離素子;または、
・光源または光出射手段から出射された光を振動方向が互いに直交する2つの偏光に分離して該2つの偏光のうちの一方の偏光を通過させ且つもう一方の偏光を反射させる偏光分離面Aを光源または光出射手段から出射された光の進行方向に対して斜め方向に配置すると共に遮光面Bを偏光分離面Aに対して所定の角度で対向配置した構造部を1組以上有する偏光分離素子;
であることを特徴とする光学装置。
It has a polarization separation surface that separates light emitted from the light source or the light emission unit into two polarization lights whose vibration directions are orthogonal to each other, and one of the two polarization lights separated by the polarization separation surface is a polarization separation element. And the other polarized light is reflected by the polarized light separating surface and then re-reflected, scattered, and / or absorbed so as not to pass through the polarized light separating element; and
A drawing mask comprising a plurality of minute liquid crystal shutters disposed downstream of the polarization separation element and capable of blocking and transmitting light in a minute area;
An optical device having:
-Two polarization separations that separate the light emitted from the light source or the light emitting means into two polarized lights whose vibration directions are orthogonal to each other, allow one of the two polarized lights to pass, and reflect the other polarized light. A polarization splitting element having at least one set of structural parts in which the planes A 1 and A 2 are arranged to face each other in a V-shaped plane symmetric state;
-Two polarization separations that separate the light emitted from the light source or the light emitting means into two polarized lights whose vibration directions are orthogonal to each other, allow one of the two polarized lights to pass, and reflect the other polarized light. A polarizing beam splitter having at least one pair of structural parts in which the surfaces A 1 and A 2 are opposed to each other in a V-shaped plane symmetric state and a light-shielding surface is disposed at a position symmetrical to the polarization separating surface A 1 and the polarization separating surface A 2 ; Or
A polarization separation surface A that separates the light emitted from the light source or the light emitting means into two polarized lights whose vibration directions are orthogonal to each other, passes one of the two polarized lights, and reflects the other polarized light. having 3 light sources or a structure which is opposed at a predetermined angle to the light shielding surface B with respect to the polarization splitting surface a 3 1 or more sets as well as arranged in an oblique direction with respect to the traveling direction of the light emitted from the light emitting means Polarization separation element;
An optical device, characterized in that:
偏光分離素子における偏光分離面が、光源または光出射手段から出射された光の進行方向に対して40°〜50°の角度で配置されている請求項9に記載の光学装置。The optical device according to claim 9, wherein the polarization splitting surface of the polarization splitting element is arranged at an angle of 40 ° to 50 ° with respect to the traveling direction of the light emitted from the light source or the light emitting unit.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN100386173C (en) * 2005-12-09 2008-05-07 大连理工大学 Laser rapid-forming method based on contour scanning of coated powder materials

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