【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、立体形状データを基にして液体状の光硬化性樹脂に対し、形状部分にレーザ光を照射することにより前記樹脂を硬化させて前記立体形状を形成させる所謂光造形の技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光造形のプロセスについて図４の概念図を基にまず説明する。ステップ１で作製したい形状をＣＡＤ情報としてコンピュータ上で作製するか外部からコンピュータに入力する。ステップ２でＣＡＤにより三次元の静止画形態に変換する。ステップ３で該三次元形状を１軸方向に直交する面で厚さｄ毎にスライスして各層毎の断面形状情報を得る。ステップ４で該各層毎の断面形状情報に基づき、下層部分から順次形成する。この手法は液状の光硬化性樹脂の容器内に少なくとも上下方向に駆動されるテーブルを配置し、該テーブル面が樹脂液面下ｄの位置にくるようにセットすると共に、前記テーブル上の樹脂層にレーザスポットを照射しながら最下層の断面形状をなぞるように走査する。すると、厚みｄの樹脂層の内レーザスポットがあてられた部分だけが硬化してテーブル上に最下層形状Ｓ１が形状形成される。ステップ５では前記テーブルをｄだけ下方に変位させる。すると今形成された最下層形状Ｓ１の面上に厚みｄの液体樹脂層がかぶることになる。この状態で第２層目の断面形状をなぞるようにビームスポットを走査し、最下層形状Ｓ１の面上に第２層形状Ｓ２が光硬化して形成される。以下順次にテーブルの下方移動と各層毎の断面データに基くレーザ走査を繰り返し、各層毎の形状を形成してゆく。そしてステップ５に示すように最上層の形状Ｓｎを形成して所望の三次元形状の造形を終了する。以上が積層型光造形プロセスの基本である。
【０００３】
この光造形の技術は複雑な立体形状を得るのに適した方法として機械部品モデルの加工等に採用され実用化されている。さらに最近は医学の分野への適用が期待されているマイクロマシンの作製にこの光造形技術を用いることが研究されている。特許文献１には硬化層の剥離の問題を解消でき、しかも、加工分解能をさらに向上できる光造形加工法、該加工法を用いた可動装置および光造形加工装置を提供することを目的として、図３に示す光造形加工装置が記載されている。すなわち、「液状の光硬化性樹脂ｈに光を照射して、該光硬化性樹脂ｈを所望の形状に硬化させる光造形加工法を用いた光造形加工装置において、レーザ発振器ａと、レーザ発振器から出射されたレーザビームＬを集光するためのレンズｇと、レンズｇで集光されたレーザビームＬが照射される液状の光硬化性樹脂ｈを載置するステージｉと、レーザ発振器ａとレンズｇとの間に配置され、レーザ発振器ａから出射されたレーザビームＬのビーム幅を拡げることにより、レンズで集光されるレーザビームの焦点Ｆの部分のみが光硬化性樹脂ｈの硬化に必要なエネルギ強度を有するようにするためのビームエキスパンダｅとを設ける。」構成が提示されている。このような構成を採ることによりビームの焦点部分のみが光硬化性樹脂の硬化に必要なエネルギ強度を有するようにしたので、光硬化性樹脂の内部でビームの焦点部分のみを硬化させることが可能になり、これにより、硬化層の剥離の問題を解消でき、加工分解能を一層向上できるとともに、粘性の高い材料を使えるようになる効果を生じるものである。しかし、この種の従来の光造形法においては加工途中の状態、すなわち硬化条件の確認や製造過程の確認をすることが難しかった。そのため、一連の製造工程を終えた段階で加工された製品を見てその出来具合から次回の加工にそれを生かすしかなかった。
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−１７０３７７号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、マイクロ光造形加工装置において、光造形の途中経過を観察できるモニター機構を設けて、硬化条件の確認や製造過程の確認をスムーズに行なうことができるようにすることにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明のマイクロ光造形装置は、レーザ光源からのレーザビームを硬化性樹脂層にスポット照射するレーザ光学系において、走査用のガルバノミラーと対物レンズの間で、ビームをレンズで一旦集光させて再び結像レンズを介して平行光として対物レンズに入れる構成をとると共に、この光軸上にビームスプリッタと、該ビームスプリッタの分岐光路に撮像カメラを配置するようにし、加工途上において加工条件や加工状態の良し悪しを観察できる機能を備えるようにした。
また、本発明の観察機能付きマイクロ光造形装置ビームスプリッタは、摺動自在に設置し、光軸上に位置する形態と光路外に位置する形態が切換えられることを特徴とする。更に、ビームスプリッタには屈折率を同じくするダミーを連設させた構成をとることを特徴とし、この場合における本発明の観察機能付きマイクロ光造形装置は、該ビームスプリッタが光路外に位置する形態において光学路における屈折率の補償を行なうことができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の基本構成を図１を参照しつつ説明する。１はレーザ光源であり、２はレーザビームの通過／遮断機能をもつシャッタ、３はニュトラルデンシティフィルタ（ＮＤフィルタ）で、レーザ光の透過量を制限する機能を有する。４，５はミラー、６，７，１０はレンズ、８，９はビームをＸ方向とＹ方向に走査させるガルバノミラー、１１は光を透過光と反射光に二分するビームスプリッタ、１２は結像レンズであり、１３は絞り、１４は対物レンズ、そして１５はカバーガラス、１６は光硬化性樹脂、１７はガラス基板１８はガラス基板をＸＹＺ方向に移動させる三次元移動機構であり、１９は観察用の照明で、２０が観察用のＣＣＤ撮像カメラである。レーザ光源１からのレーザ光はＮＤフィルター３で透過量を制限されレンズ６で一旦集光されてから広げられ、レンズ７で平行光線とされる。平行光線とされたレーザ光はガルバノミラー８でＸ（またはＹ）方向に振られ、次いでガルバノミラー９でＹ（またはＸ）方向に振られる。走査偏向されたレーザ光はレンズ１０により集光されてから広げられ結像レンズ１２へ入れられる。本発明ではさらに集光点と結像レンズ１２間の位置にビームスプリッタ１１が配設される。この結像レンズ１２でレーザ光は平行光線にされ、絞り１３を通過したレーザ光が対物レンズ１４で光硬化性樹脂層に集光される。カバーガラス１５を介してこのレーザスポットが照射された部分の樹脂が光硬化する。ここで、光硬化させるパターンはＣＡＤ情報から得られた該当層の断面形状である。そして、この二次元位置情報に基づき前記ガルバノミラー８，９が走査されレーザスポットが断面形状をなぞる。また、跳びパターンなどの場合にはスポット移動の間シャッタ２がレーザ光を遮断する。そして該当層の加工が終了したならばシャッタ２がレーザ光を遮断した状態でＸＹＺ方向移動機構１８でＺ方向に層の厚み分変位させ、一つ上の層のパターンを形成する。以上は光造形装置としての一般構成と作動である。
【０００８】
本発明の特徴点はこの光硬化現象を加工途上においてリアルタイムで観察できる機能を備えた点にあり、そのための構成は照明１９と結像レンズ１２、ビームスプリッタ１１とその分岐光学路上に配置されたＣＣＤカメラ２０等の撮像カメラである。結像レンズ１２のレンズ力に対応して加工中の層が撮像カメラの結像位置となるように撮像カメラ２０、ビームスプリッタ１１そして結像レンズ１２の位置が決められる。加工中の状態を観察をする場合には照明１９により、光硬化性樹脂を下方から照らすと、レーザビームスポット部分が撮像カメラ２０に捉えられる。この撮像画像をモニタ画面に映し目視により、光硬化現象の状態や硬化条件の確認が加工途上においてリアルタイムで観察できる。したがって、すぐに不適性な加工条件は修正することが可能となり、作製効率歩留まりが従来に較べて格段に向上する。またこの画像を記録に残し作製された造形物と対比させて後の検討に供することもできる。
【０００９】
上記のビームスプリッタ１１は撮像カメラで加工状況を観察するために必要なもので、単に光造形を実行するだけの時には必要がないものである。そして、このビームスプリッタ１１は照射するレーザ光量のロスを伴うものでもあるため、本発明では非観察時には図２のＡに示すようにビームスプリッタ１１を光学路から退避させる構成を提示する。具体的には摺動機構に該ビームスプリッタ１１を取り付けるようにし、二つの摺動位置で光軸上に位置する形態と光路外に位置する形態が切換えられるようにした。
【００１０】
また、このビームスプリッタ１１が光軸上に位置する形態と光路外に位置する形態でレーザビーム光学系の光学的条件が変ってしまわないように、ダミーキューブ２１を準備し、図２のＢに示すように上記の光軸上に位置する形態と光路外に位置する形態の二つの摺動位置に対応するようにビームスプリッタ１１とダミーキューブ２１を連接して設ける構成を提示する。このダミーキューブ２１は該ビームスプリッタ１１と同じ屈折率を有する光学部材で、ビームスプリッタ１１が光路外に退避している時、光路内に位置して透過するレーザビームに対して同じ屈折率となって作用する。
【００１１】
【発明の効果】
本発明の光造形装置は、レーザ光源からのレーザビームを硬化性樹脂層にスポット照射するレーザ光学系において、走査用のガルバノミラーと対物レンズの間で、ビームを一旦集光させて再び結像レンズを介して対物レンズに入れる構成をとると共に、この光軸上にビームスプリッタと、該ビームスプリッタの分岐光路に撮像カメラを配置した構成を採用したものであるから、光造形の加工途上でオペレータが加工状態をモニターを見ながら観察することができ、不適正である場合には加工条件の修正を即座に対応して実行することができる。したがって、従来のように加工を終えた製品の出来具合から適正条件を修正するようなことではなく、加工作業中にリアルタイムの対応がとれるので加工精度がよく、歩留まりも高くなる。
【００１２】
また、摺動自在に設置し、光軸上に位置する形態と光路外に位置する形態が切換えられるビームスプリッタの構成を採った本発明の観察機能付きマイクロ光造形装置は、非観察時にはビームスプリッタをレーザ光の光路から退避させることができるので、該ビームスプリッタによるレーザ光量のロスを防ぎ効率の良い光硬化を促すことができる。
そして、そのビームスプリッタには屈折率を同じくするダミーを連設させ、該ビームスプリッタ光路外に位置する形態を採ったときには、ビームスプリッタをレーザ光の光路から退避させた状態において同じ屈折率を持ったダミーが光路に位置されることとなり、光学路における屈折率の補償を行ない当該光路における光学特性をビームスプリッタが存在した時と同じに保つことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の観察機能付きマイクロ光造形装置の構成を示す図である。
【図２】Ａはスライド機構を備えたビームスプリッタの作動形態を説明する図で、Ｂはダミーキューブを連接した形態を説明する図である。
【図３】従来のマイクロ光造形装置の例を示す図である。
【図４】光造形のプロセスを説明する図である。
【符号の説明】
１ レーザ光源 １４ 対物レンズ
２ シャッタ １５ カバーガラス
３ フィルター １６ 光硬化性樹脂
４，５ ミラー １７ ガラス基板
６，７，１０ レンズ １８ ＸＹＺ移動機構
８，９ ガルバノミラー １９ 照明
１１ ビームスプリッタ ２０ 撮像カメラ
１２ 結像レンズ ２１ ダミーキューブ
１３ 絞り[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a so-called stereolithography technique for forming a three-dimensional shape by irradiating a shape portion with a laser beam to a liquid photocurable resin based on three-dimensional shape data to form the three-dimensional shape.
[0002]
[Prior art]
The stereolithography process will be described first with reference to the conceptual diagram of FIG. The shape to be produced in step 1 is produced on a computer as CAD information or is input to the computer from outside. In step 2, the image is converted into a three-dimensional still image by CAD. In step 3, the three-dimensional shape is sliced for each thickness d on a plane orthogonal to the one axis direction to obtain cross-sectional shape information for each layer. In step 4, based on the cross-sectional shape information of each layer, the layers are sequentially formed from the lower layer portion. In this method, a table which is driven at least in a vertical direction is arranged in a container of a liquid photocurable resin, and the table surface is set so as to be located at a position d below the resin liquid level, and the resin layer on the table is formed. While irradiating a laser spot on the lowermost layer so as to trace the sectional shape of the lowermost layer. Then, only the portion of the resin layer having the thickness d where the laser spot is applied is cured, and the lowermost layer shape S1 is formed on the table. In step 5, the table is displaced downward by d. Then, a liquid resin layer having a thickness of d covers the surface of the currently formed lowermost layer shape S1. In this state, the beam spot is scanned so as to trace the cross-sectional shape of the second layer, and the second layer shape S2 is formed by light curing on the surface of the lowermost layer shape S1. Thereafter, the downward movement of the table and the laser scanning based on the cross-sectional data of each layer are sequentially repeated to form the shape of each layer. Then, as shown in step 5, the shape Sn of the uppermost layer is formed, and the shaping of the desired three-dimensional shape is completed. The above is the basics of the multilayer stereolithography process.
[0003]
This stereolithography technique has been adopted and practically used for processing of a machine part model as a method suitable for obtaining a complicated three-dimensional shape. More recently, the use of this stereolithography technology for the fabrication of micromachines expected to be applied to the field of medicine has been studied. Patent Document 1 aims to provide a stereolithography method capable of solving the problem of peeling of a hardened layer and further improving the processing resolution, a movable device using the processing method, and a stereolithography apparatus. 3 is described. That is, in a stereolithography machine using a stereolithography method for irradiating a liquid photocurable resin h with light to cure the photocurable resin h into a desired shape, a laser oscillator a and a laser oscillator A lens g for condensing the laser beam L emitted from the lens g, a stage i for mounting a liquid photocurable resin h to be irradiated with the laser beam L condensed by the lens g, and a laser oscillator a. By disposing between the lens g and the beam width of the laser beam L emitted from the laser oscillator a, only the portion of the focal point F of the laser beam condensed by the lens is cured by the photocurable resin h. And a beam expander e for providing a necessary energy intensity. " With this configuration, only the focal point of the beam has the energy intensity required for curing the photocurable resin, so that only the focal point of the beam can be cured inside the photocurable resin. Accordingly, the problem of peeling of the hardened layer can be solved, the processing resolution can be further improved, and an effect that a material having high viscosity can be used is produced. However, in this type of conventional stereolithography, it was difficult to confirm the state during processing, that is, to confirm the curing conditions and the production process. For this reason, the only way to look at the finished product after a series of manufacturing processes is to use it in the next process based on the finished product.
[0004]
[Patent Document 1] Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-170377
[Problems to be solved by the invention]
It is an object of the present invention to provide a micro stereolithography processing apparatus with a monitor mechanism capable of observing the progress of stereolithography so that curing conditions and a manufacturing process can be smoothly checked.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The micro-stereolithography apparatus of the present invention is a laser optical system that irradiates a laser beam from a laser light source onto a curable resin layer in a spot, between a scanning galvanometer mirror and an objective lens, once condensing the beam with a lens. Again, a configuration is adopted in which the light is fed into the objective lens as parallel light again via the imaging lens, and a beam splitter and an imaging camera are disposed on the optical path of the beam splitter on this optical axis. It has a function to observe the quality of the condition.
Further, the beam splitter according to the present invention is characterized in that the beam splitter is slidably installed and a mode located on the optical axis and a mode located outside the optical path are switched. Further, the beam splitter has a configuration in which a dummy having the same refractive index is continuously provided, and in this case, the micro stereolithography device with the observation function of the present invention has a configuration in which the beam splitter is located outside the optical path. Can compensate for the refractive index in the optical path.
[0007]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The basic configuration of the present invention will be described with reference to FIG. 1 is a laser light source, 2 is a shutter having a function of passing / blocking a laser beam, and 3 is a neutral density filter (ND filter), which has a function of limiting the amount of transmission of laser light. 4, 5 are mirrors; 6, 7, 10 are lenses; 8, 9 are galvano mirrors for scanning beams in the X and Y directions; 11 is a beam splitter that divides light into transmitted light and reflected light; Reference numeral 13 denotes an aperture, 14 denotes an objective lens, 15 denotes a cover glass, 16 denotes a photocurable resin, 17 denotes a glass substrate, 18 denotes a three-dimensional moving mechanism for moving the glass substrate in the XYZ directions, and 19 denotes an observation. Reference numeral 20 denotes a CCD imaging camera for observation. The amount of transmission of the laser light from the laser light source 1 is restricted by the ND filter 3, the laser light is once condensed by the lens 6, then expanded, and is converted into a parallel light by the lens 7. The parallel laser light is oscillated in the X (or Y) direction by the galvanomirror 8 and then oscillated in the Y (or X) direction by the galvanomirror 9. The scan-deflected laser light is condensed by a lens 10 and then spread and entered into an imaging lens 12. In the present invention, a beam splitter 11 is further provided at a position between the light converging point and the imaging lens 12. The laser beam is converted into a parallel beam by the imaging lens 12, and the laser beam that has passed through the aperture 13 is condensed on the photocurable resin layer by the objective lens 14. The resin in the portion irradiated with the laser spot through the cover glass 15 is light-cured. Here, the pattern to be photocured is the cross-sectional shape of the corresponding layer obtained from the CAD information. The galvanometer mirrors 8 and 9 are scanned based on the two-dimensional position information, and the laser spot traces the cross-sectional shape. In the case of a jumping pattern or the like, the shutter 2 blocks the laser light during the spot movement. When the processing of the corresponding layer is completed, the XYZ direction moving mechanism 18 displaces the layer in the Z direction by the thickness of the layer while the shutter 2 blocks the laser beam, thereby forming a pattern of the next higher layer. The above is the general configuration and operation of the optical shaping apparatus.
[0008]
The feature of the present invention resides in that a function of observing this photocuring phenomenon in real time during processing is provided, and the configuration for that is arranged on the illumination 19, the imaging lens 12, the beam splitter 11, and its branch optical path. It is an imaging camera such as the CCD camera 20. The positions of the imaging camera 20, the beam splitter 11, and the imaging lens 12 are determined so that the layer being processed becomes the imaging position of the imaging camera in accordance with the lens power of the imaging lens 12. When observing the state during processing, when the photocurable resin is illuminated from below with the illumination 19, the laser beam spot portion is captured by the imaging camera 20. This captured image is displayed on a monitor screen, and the state of the photocuring phenomenon and the curing conditions can be confirmed in real time during processing by visual observation. Therefore, improper processing conditions can be corrected immediately, and the production efficiency yield is significantly improved as compared with the conventional case. Also, this image can be recorded and compared with the formed object for later examination.
[0009]
The above-described beam splitter 11 is necessary for observing the processing situation with the imaging camera, and is not necessary when merely performing the stereolithography. Since the beam splitter 11 involves a loss of the amount of laser light to be irradiated, the present invention proposes a configuration in which the beam splitter 11 is retracted from the optical path as shown in FIG. Specifically, the beam splitter 11 is attached to the sliding mechanism, and the form located on the optical axis and the form located outside the optical path can be switched between the two sliding positions.
[0010]
Further, a dummy cube 21 is prepared so that the optical conditions of the laser beam optical system do not change depending on whether the beam splitter 11 is located on the optical axis or outside the optical path. As shown in the figure, there is provided a configuration in which the beam splitter 11 and the dummy cube 21 are provided in series so as to correspond to the two sliding positions of the configuration located on the optical axis and the configuration located outside the optical path. The dummy cube 21 is an optical member having the same refractive index as that of the beam splitter 11. When the beam splitter 11 is retracted out of the optical path, the dummy cube 21 has the same refractive index with respect to the transmitted laser beam located in the optical path. Act.
[0011]
【The invention's effect】
In the laser optical system of the present invention, in a laser optical system that irradiates a laser beam from a laser light source to a curable resin layer with a spot, the beam is once focused between a scanning galvanometer mirror and an objective lens to form an image again. In addition to the configuration in which the lens is inserted into the objective lens via a lens, and a configuration in which a beam splitter is provided on the optical axis and an imaging camera is disposed in a branch optical path of the beam splitter, an operator is required to be in the process of optical molding. Can observe the processing state while looking at the monitor, and when it is inappropriate, correction of the processing conditions can be immediately executed. Therefore, it is not necessary to correct the appropriate condition based on the finished product of the processed product as in the conventional case, but a real-time response can be taken during the processing operation, so that the processing accuracy is good and the yield is high.
[0012]
In addition, the micro stereolithography device with the observation function of the present invention adopting a configuration of a beam splitter that is slidably installed and can be switched between a configuration located on the optical axis and a configuration located outside the optical path is a beam splitter when not observing. Can be retracted from the optical path of the laser light, so that the loss of the amount of laser light by the beam splitter can be prevented, and efficient light curing can be promoted.
A dummy having the same refractive index is connected to the beam splitter, and when the beam splitter is positioned outside the optical path of the beam splitter, the dummy has the same refractive index when the beam splitter is retracted from the optical path of the laser beam. The dummy placed in the optical path is compensated for in the optical path, and the optical characteristics in the optical path can be kept the same as when the beam splitter is present.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a micro stereolithography apparatus with an observation function according to the present invention.
2A is a diagram illustrating an operation mode of a beam splitter provided with a slide mechanism, and FIG. 2B is a diagram illustrating a mode in which dummy cubes are connected.
FIG. 3 is a diagram showing an example of a conventional micro stereolithography apparatus.
FIG. 4 is a diagram for explaining a stereolithography process.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Laser light source 14 Objective lens 2 Shutter 15 Cover glass 3 Filter 16 Photocurable resin 4,5 Mirror 17 Glass substrate 6,7,10 Lens 18 XYZ moving mechanism 8,9 Galvano mirror 19 Illumination 11 Beam splitter 20 Imaging camera 12 Conclusion Image lens 21 Dummy cube 13 Aperture
