JP2005238650A - 光造形方法、及び光造形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 極めて高い分解能を有するとともに、余剰硬化物を生じることなく、複雑な三次元的形状の造形部材を作製する新規な方法及び装置を提供する。
【解決手段】 所定の伝搬光波９を固体浸レンズ２２に導入し、固体浸レンズ２２及び油浸オイルなどの屈折率整合液２３を通って液状樹脂５との境界である規制露光面８で全反射させ、規制露光面８の、伝搬光波９の入射側と反対の側に備えられた液状樹脂５中にエバネッセント光２４を生成させ、このエバネッセント光２４で液状樹脂５を露光及び硬化させて、目的とする光造形物を得る。
【選択図】 図３

Description

本発明は、光造形方法、及び光造形装置に関する。

従来の光造形方法では、例えば伝搬光波を用いた露光型マイクロ光造形方法などが用いられていた。

図１は、従来の光造形方法を説明するための概念図である。従来においては、図１に示すように、強度変調された光波９を規制露光面８へ縮小結像させ、得られた結像光波１４によって樹脂などの液状樹脂５を部分的に層状に硬化させる。一層分の硬化が完了すると、硬化物引き上げロッド４を引き上げ、規制露光面８から次に硬化すべき層の厚さに相当する間隔だけ離れた位置に配置し、液状樹脂５を充填した後、再度上述したような露光処理を行う。このような工程を繰り返すことによって、液状樹脂５を順次に層状に硬化させて硬化部材１３を作製し、三次元的な造形部材を得るものである。

図１に示すような従来の光造形方法では、実現可能な面内最小硬化単位（面内分解能）は、縮小光学系（図示せず）の分解能に依存する。すなわち、光学系構成上必要な作動距離を考慮すると、高開口数結像レンズを使用するのは困難であり、結果として、前記面内分解能は１μｍ〜３μｍ程度となる。

一方、規制露光面８からの結像光波１４は、そのまま液状樹脂５中に伝搬していくので、面垂直方向において１０μｍ程度の余剰硬化物が生じる可能性があり、その結果、オーバーハング形状（図１に示すような被硬化部材１３の形状）を含む複雑な三次元的な造形部材を作製することは困難であった。

本発明は、極めて高い分解能を有するとともに、余剰硬化物を生じることなく、複雑な三次元的形状の造形部材を作製する新規な方法及び装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成すべく、本発明は、
全反射媒体に所定の光波を入射させるとともに全反射させることによって、エバネッセント光を生成する工程と、
被硬化部材に対して、前記被硬化部材の所定の部分を露光するようにして前記エバネッセント光を照射し、前記被硬化部材の前記部分を硬化させる工程と、
を具えることを特徴とする、光造形方法に関する。

また、本発明は、
所定の光波を生成し発射させるための光源と、
前記光波を入射させるとともに全反射させ、エバネッセント光を生成するための全反射媒体と、
を具えることを特徴とする、光造形装置に関する。

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を実施した。その結果、被硬化部材に露光させて前記被硬化部材を硬化させ、目的とする造形部材を作製するに際し、従来のような伝搬光波ではなく、エバネッセント光を用いることを想到した。

図２は、エバネッセント光の生成原理を示す概念図であり、図３は、エバネッセント光を用いた光造形方法の一例を示す概念図である。

図２に示すように、高屈折率媒質１８から低屈折率媒質１９へ臨界角度条件で伝搬光波２０が入射すると、伝搬光波２０は高屈折率媒質１８及び低屈折率媒質１９の界面１７で全反射するが、その際、伝搬光波２０が透過しない低屈折率媒質１９においても、界面１７近傍で伝搬光波２０の一部が滲みだし、局在光２１として存在するようになる。このような局在光２１はエバネッセント光と呼ばれる。エバネッセント光２１は、界面１７において、その垂直方向において指数関数的に減少し、１００ｎｍ程度の領域に存在する。

したがって、図３に示すように、高屈折率媒質１８として高屈折率の固体浸レンズ２２を準備し、所定の伝搬光波９を固体浸レンズ２２に導入すると、伝搬光波９は、固体浸レンズ２２及び油浸オイルなどの屈折率整合液２３を通って、低屈折率媒質１９としての液状樹脂５との界面である規制露光面８に至り、全反射される。その際、液状樹脂５中にはエバネッセント光２４が生じるようになる。エバネッセント光２４は、規制露光面８近傍の約１００ｎｍの領域に局在するとともに、規制露光面８に対する垂直方向の光エネルギー滲みだし深さを８０ｎｍ〜１μｍまで低減することができ、その巾を約２００ｎｍとすることができる。

したがって、エバネッセント光２４の規制露光面８近傍での局在に起因して、液状樹脂５における微小な厚さ部分を露光し硬化させることができるとともに、エバネッセント光２４の小さい光エネルギー滲みだし深さに起因して、余剰硬化物の生成を抑制し、高い分解能で複雑な三次元的形状の造形部材を作製することができるようになる。具体的には、エバネッセント光の垂直方向の光エネルギー滲みだし深さが８０ｎｍ〜１μｍであるので、液状樹脂５の深さ方向（厚さ方向）における分解能を前記光エネルギーの滲みだし深さ程度にまで高めることができ、１００ｎｍ以下の分解能を簡易に実現することができる。また、エバネッセント光の巾を２００ｎｍ以下とすることができるので、液状樹脂５の面内方向の分解能を１００ｎｍ以下にまで増大させることができる。

なお、図３に示す例では、本発明で規定する全反射媒体は、固体浸レンズ２２、屈折率整合液２３、規制露光面８、及び液状樹脂５から構成される。

以上説明したように、本発明によれば、極めて高い分解能を有するとともに、余剰硬化物を生じることなく、複雑な三次元的形状の造形部材を作製する新規な方法及び装置を提供することができる。

以下、本発明の詳細、並びにその他の特徴及び利点について、最良の形態に基づいて詳細に説明する。

図４は、本発明の光造形装置の一例を示す構成図である。図４に示す光造形装置においては、所定の伝搬光波を生成し発射させるための光源２７と、その前方において順次に設けられた全反射角度制御ユニット３３と、液晶パネルなどから構成される動的マスク３７と、高屈折率固体浸レンズ３９と、屈折率整合液としての油浸オイル４０と、規制露光面透明基板４１とを具えている。規制露光面透明基板４１の前方には、硬化させるべき液状の光硬化性樹脂４８が充填された樹脂槽４９が設けられている。

なお、高屈折率固体浸レンズ３９の代わりに、対物レンズを用いることもできる。

光源２７から出射された伝搬光波２８はハーフミラー２９において、透過光３０及び反射光３１に分割される。これら透過光３０及び反射光３１は、それぞれミラー３２で反射された後、全反射角度制御ユニット３３に至る。透過光３０及び反射光３１は、全反射角度制御ユニット３３内を通過した後、レンズ３６を介して動的マスク３７に至る。この動的マスク３７により、透過光３０及び反射光３１は強度変調され、中央部遮蔽フィルタ付きレンズ３８を介し、高屈折率固体浸レンズ３９へと至る。

この際、透過光３０及び反射光３１は、高屈折率固体浸レンズ３９及び油浸オイル４０を通って、光硬化性樹脂４８との境界である規制露光面透明基板４１に至る。この際に、透過光３０及び反射光３１は全反射されるとともに、光硬化性樹脂４８側にはエバネッセント光２４が生成される。このエバネッセント光２４は、規制露光面透明基板４１の近傍に局在するので、光硬化性樹脂４８における微小な厚さ部分を露光し硬化させることができるとともに、エバネッセント光２４の小さい光エネルギー滲みだし深さに起因して、余剰硬化物の生成を抑制し、複雑な三次元的形状の造形部材を作製することができるようになる。

また、エバネッセント光２４の、前記光エネルギー滲みだし部分の巾が約２００ｎｍ以下であるので、この滲みだし部分を利用することによって、光硬化性樹脂４８に対する光硬化の面内分解能を約２００ｎｍ以下にまで増大させることができる。また、エバネッセント光２４の光エネルギー滲みだし深さが８０ｎｍ〜１μｍであるので、光硬化性樹脂４８の深さ方向（厚さ方向）の分解能を光エネルギー滲みだし深さにまで向上させることができ、１００ｎｍ以下の分解能を簡易に実現することができる。

全反射角度制御ユニット３３は、レンズ３４及びその焦点位置に設置されるミラー３５から構成され、ステッピングモータ等の微動ステージにより、図の矢印方向に駆動できるように構成されている。これにより、樹脂硬化領域を固定したまま、全反射入射角度のみを独立に高精度制御することが可能となり、エバネッセント光２４の光硬化性樹脂４８における局在状態、すなわち局在領域を制御することができる。したがって、この場合においても、光硬化性樹脂４８を層状に硬化する際の、その厚さ、すなわち光硬化性樹脂４８から得られる造形部材の硬化周期を制御することができる。

なお、光硬化性樹脂４８を層状に順次硬化させる際において、動的マスク３７を制御させて、各段階の露光及び硬化過程における光硬化性樹脂４８に対する光強度を制御することができる。これによって、所望形状の三次元的光造形物を得ることができる。

また、一層分の硬化が完了すると、硬化造形物引き上げロッド４３により、硬化物４４は引き上げられ、再度所定の強度のエバネッセント光２４が光硬化性樹脂４８中に照射されて、再度一層分の露光及び硬化が行われるようになる。なお、硬化造形物引き上げロッド４３は、ピエゾアクチュエータ等の高分解能・高精度ステージ４５を用いて駆動される。

また、上述した光硬化性樹脂４９の、エバネッセント光２４による露光及び硬化の過程は、レンズ４６及びＣＣＤエリアセンサ４７により顕微鏡観察が可能である。

なお、全反射角度制御ユニット３３、動的マスク３７、硬化造形物引き上げロッド駆動ステージ４５、ＣＣＤエリアセンサ４７等はすべて、コンピュータ４２により、集中制御される。

図５は、本発明の光造形装置の他の例を示す構成図である。図５に示す光造形装置においては、干渉性の伝搬光波を生成し発射させるための光源２７と、その前方において順次に設けられた全反射角度制御ユニット３３と、硬化領域設定絞り５１と、高屈折率固体浸レンズ３９と、屈折率整合液としての油浸オイル４０と、規制露光面透明基板４１とを具えている。規制露光面透明基板４１の前方には、硬化させるべき液状の光硬化性樹脂４８が充填された樹脂槽４９が設けられている。

なお、高屈折率固体浸レンズ３９の代わりに、プリズム又は対物レンズを用いることもできる。

光源２７から出射された伝搬光波２８はハーフミラー２９において、透過光３０及び反射光３１に分割される。これら透過光３０及び反射光３１は、それぞれミラー３２で反射された後、全反射角度制御ユニット３３に至る。次いで、透過光３０及び反射光３１は、全反射角度制御ユニット３３内を通過した後、レンズ３６を介して硬化領域設定絞り５１に至る。その後、透過光３０及び反射光３１は、レンズ３８を介し、高屈折率固体浸レンズ３９へと至る。

この際、透過光３０及び反射光３１は、高屈折率固体浸レンズ３９及び油浸オイル４０を通って、光硬化性樹脂４８との境界である規制露光面透明基板４１に対向するようにして到達する。この際に、透過光３０及び反射光３１は全反射されるが、光硬化性樹脂４８側には透過光３０及び反射光３１からのエバネッセント光がそれぞれ生成され、これらが互いに干渉して、定在波型のエバネッセント光２４が生成されるようになる。

このエバネッセント光２４は、規制露光面透明基板４１の近傍に局在するので、光硬化性樹脂４８における微小な厚さ部分を露光し硬化させることができるとともに、エバネッセント光２４の小さい光エネルギー滲みだし深さに起因して、余剰硬化物の生成を抑制し、複雑な三次元的形状の造形部材を作製することができるようになる。

また、エバネッセント光２４の、前記光エネルギー滲みだし部分の巾が約２００ｎｍ以下であるので、この滲みだし部分を利用することによって、光硬化性樹脂４８に対する光硬化の面内分解能を約２００ｎｍ以下にまで増大させることができる。また、エバネッセント光２４の光エネルギー滲みだし深さが８０ｎｍ〜１μｍであるので、光硬化性樹脂４８の深さ方向（厚さ方向）の分解能を光エネルギー滲みだし深さにまで向上させることができ、１００ｎｍ以下の分解能を簡易に実現することができる。

全反射角度制御ユニット３３は、レンズ３４及びその焦点位置に設置されるミラー３５から構成され、ステッピングモータ等の微動ステージにより、図の矢印方向に駆動できるように構成されている。これにより、樹脂硬化領域を固定したまま、全反射入射角度及び透過光３０及び反射光３１のなす角度を独立に高精度制御することが可能となり、エバネッセント光２４の光硬化性樹脂４８における局在状態、すなわち局在領域を制御することができる。これによって、光硬化性樹脂４８を層状に硬化する際の、その厚さ、すなわち光硬化性樹脂４８から得られる造形部材の硬化周期を制御することができる。

また、ミラー３２の後方に設けたピエゾアクチュエータ５３によってミラー３２を駆動することにより、透過光３０及び反射光３１間に位相差を生ぜしめ、これによって定在波型のエバネッセント光２４の、規制露光面透明基板４１近傍でのエバネッセント光２４の局在状態、すなわち局在領域を制御することができる。したがって、この場合においても、光硬化性樹脂４８を層状に硬化する際の、その厚さ、すなわち光硬化性樹脂４８から得られる造形部材の硬化周期を制御することができる。

なお、一層分の硬化が完了すると、硬化造形物引き上げロッド４３により、硬化物４４は引き上げられ、再度所定の強度のエバネッセント光２４が光硬化性樹脂４８中に照射されて、再度一層分の露光及び硬化が行われるようになる。なお、硬化造形物引き上げロッド４３は、ピエゾアクチュエータ等の高分解能・高精度ステージ４５を用いて駆動される。

また、上述した光硬化性樹脂４９の、エバネッセント光２４による露光及び硬化の過程は、レンズ４６及びＣＣＤエリアセンサ４７により顕微鏡観察が可能である。

なお、全反射角度制御ユニット３３、動的マスク３７、硬化造形物引き上げロッド駆動ステージ４５、ＣＣＤエリアセンサ４７等はすべて、コンピュータ４２により、集中制御される。

以上、具体例を挙げながら発明の実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明してきたが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいてあらゆる変形や変更が可能である。

従来の光造形方法を説明するための概念図である。 エバネッセント光の生成原理を示す概念図である。 エバネッセント光を用いた光造形方法の一例を示す概念図である。 本発明の光造形装置の一例を示す構成図である。 本発明の光造形装置の他の例を示す構成図である。

符号の説明

４ 硬化造形物引き上げロッド
５ 液状樹脂
８ 規制露光面
９ 伝搬光波
１３ 硬化部材
１４ 結像光波
１８ 高屈折率媒質
１９ 低屈折率媒質
２０ 伝搬光波
２１ エバネッセント光（局在光）
２２ 高屈折率固体浸レンズ
２３ 屈折率整合液
２４ エバネッセント光
２７ 光源
２８ 伝搬光波
２９ ハーフミラー
３０ 透過光
３１ 反射光
３２ ミラー
３３ 全反射角度制御ユニット
３４ レンズ
３５ ミラー
３６ レンズ
３７ 動的マスク
３８ 中央部遮蔽フィルタ付きレンズ
３９ 高屈折率固体浸レンズ
４０ 油浸オイル
４１ 規制露光面透明基板
４２ 制御用コンピュータ
４３ 硬化造形物引き上げロッド
４４ 硬化物
４５ 硬化造形物引き上げロッド駆動ステージ
４６ レンズ
４７ ＣＣＤエリアセンサ
４８ 光硬化性樹脂
４９ 樹脂漕
５１ 硬化領域設定絞り
５２ レンズ
５３ 位相調整用ピエゾアクチュエータ

Claims (37)

1. 全反射媒体に所定の光波を入射させるとともに全反射させることによって、エバネッセント光を生成する工程と、
   被硬化部材に対して、前記被硬化部材の所定の部分を露光するようにして前記エバネッセント光を照射し、前記被硬化部材の前記部分を硬化させる工程と、
   を具えることを特徴とする、光造形方法。
2. 前記エバネッセント光の光強度を変調する工程を具えることを特徴とする、請求項１に記載の光造形方法。
3. 前記被硬化部材を、その厚さ方向に連続的に移動させ、前記エバネッセント光を、前記被硬化部材の表層部分から厚さ方向に向けて順次焦点させ、前記被硬化部材を前記厚さ方向において硬化させることを特徴とする、請求項２に記載の光造形方法。
4. 前記エバネッセント光の前記光強度を、前記被硬化部材の前記厚さ方向において変化させることを特徴とする、請求項２又は３に記載の光造形方法。
5. 前記光強度の変調は、動的マスクを用いて行うことを特徴とする、請求項２〜４のいずれか一に記載の光造形方法。
6. 前記光波の、前記全反射媒体への入射角度及び全反射角度を調節することにより、前記エバネッセント光の前記被硬化部材中での局在状態を制御する工程を具えることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一に記載の光造形方法。
7. 前記光波の、前記全反射媒体への前記入射角度の調節は、所定のレンズと、その焦点位置に設けられたミラーとを含む全反射角制御ユニットによって行うことを特徴とする、請求項６に記載の光造形方法。
8. 前記光波は、中央部遮蔽フィルタを介して前記全反射媒体に入射させ、前記全反射媒体で全反射させるようにしたことを特徴とする、請求項２〜７のいずれか一に記載の光造形方法。
9. 前記全反射媒体は、固体浸レンズ、又は対物レンズを含むことを特徴とする、請求項２〜８のいずれか一に記載の光造形方法。
10. 前記エバネッセント光による前記被硬化部材の厚さ方向に対する分解能が１００ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項２〜９のいずれか一に記載の光造形方法。
11. 前記エバネッセント光による前記被硬化部材の面内方向に対する分解能が２００ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項２〜１０のいずれか一に記載の光造形方法。
12. 前記エバネッセント光の前記被硬化部材への露光状態を観察する工程を具えることを特徴とする、請求項２〜１１のいずれか一に記載の光造形方法。
13. 前記全反射媒体に対して複数の光波を入射させるとともに全反射させ、定在波型のエバネッセント光を生成する工程を具えることを特徴とする、請求項１に記載の光造形方法。
14. 前記被硬化部材を、その厚さ方向に連続的に移動させ、前記エバネッセント光を、前記被硬化部材の表層部分から厚さ方向に向けて順次焦点させ、前記被硬化部材を前記厚さ方向において硬化させることを特徴とする、請求項１３に記載の光造形方法。
15. 前記光波の、前記全反射媒体への入射角度、全反射角度及び前記複数の光波のなす角度を調節することにより、前記エバネッセント光の前記被硬化部材中での局在状態を制御する工程を具えることを特徴とする、請求項１３又は１４に記載の光造形方法。
16. 前記光波の、前記全反射媒体への前記入射角度の調節は、所定のレンズと、その焦点位置に設けられたミラーとを含む全反射角制御ユニットによって行うことを特徴とする、請求項１５に記載の光造形方法。
17. 前記複数の光波間の位相差を制御することにより、前記エバネッセント光の前記被硬化部材中での局在状態を制御する工程を具えることを特徴とする、請求項１３〜１６のいずれか一に記載の光造形方法。
18. 前記全反射媒体は、プリズム、固体浸レンズ又は対物レンズを含むことを特徴とする、請求項１３〜１７のいずれか一に記載の光造形方法。
19. 前記エバネッセント光による前記被硬化部材の厚さ方向に対する分解能が１００ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項１３〜１８のいずれか一に記載の光造形方法。
20. 前記エバネッセント光による前記被硬化部材の面内方向に対する分解能が２００ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項１３〜１９のいずれか一に記載の光造形方法。
21. 前記エバネッセント光の前記被硬化部材への露光状態を観察する工程を具えることを特徴とする、請求項１３〜２０のいずれか一に記載の光造形方法。
22. 所定の光波を生成し発射させるための光源と、
    前記光波を入射させるとともに全反射させ、エバネッセント光を生成するための全反射媒体と、
    を具えることを特徴とする、光造形装置。
23. 前記エバネッセント光の光強度を変調する光強度変調手段を具えることを特徴とする、請求項２２に記載の光造形装置。
24. 前記光強度変調手段は、動的マスクであることを特徴とする、請求項２３に記載の光造形装置。
25. 前記被硬化部材を、その厚さ方向に連続的に移動させ、前記エバネッセント光を、前記被硬化部材の表層部分から厚さ方向に向けて順次焦点させ、前記被硬化部材を前記厚さ方向において硬化させるための移動手段を具えることを特徴とする、請求項２３又は２４に記載の光造形装置。
26. 前記光波の、前記全反射媒体への入射角度及び全反射角度を調節することにより、前記エバネッセント光の前記被硬化部材中での局在状態を制御するための、調節手段を具えることを特徴とする、請求項２３〜２５のいずれか一に記載の光造形装置。
27. 前記調節手段は、所定のレンズと、その焦点位置に設けられたミラーとを含む全反射角制御ユニットであることを特徴とする、請求項２６に記載の光造形装置。
28. 前記光波を前記全反射媒体で全反射させるための中央部遮蔽フィルタを具えることを特徴とする、請求項２３〜２７のいずれか一に記載の光造形装置。
29. 前記全反射媒体は、固体浸レンズ、又は対物レンズを含むことを特徴とする、請求項２３〜２８のいずれか一に記載の光造形装置。
30. 前記エバネッセント光の前記被硬化部材への露光状態を観察するための、観察手段を具えることを特徴とする、請求項２３〜２９のいずれか一に記載の光造形装置。
31. 前記全反射媒体に対して複数の光波を入射させるとともに全反射させ、定在波型のエバネッセント光を生成するための生成手段を具えることを特徴とする、請求項２２に記載の光造形装置。
32. 前記被硬化部材を、その厚さ方向に連続的に移動させ、前記エバネッセント光を、前記被硬化部材の表層部分から厚さ方向に向けて順次焦点させ、前記被硬化部材を前記厚さ方向において硬化させるための移動手段を具えることを特徴とする、請求項３１に記載の光造形装置。
33. 前記光波の、前記全反射媒体への入射角度、全反射角度及び前記複数の光波のなす角度を調節することにより、前記エバネッセント光の前記被硬化部材中での局在状態を制御するための、調節手段を具えることを特徴とする、請求項３１又は３２に記載の光造形装置。
34. 前記調節手段は、所定のレンズと、その焦点位置に設けられたミラーとを含む全反射角制御ユニットであることを特徴とする、請求項３３に記載の光造形装置。
35. 前記複数の光波間の位相差を制御することにより、前記エバネッセント光の前記被硬化部材中での局在状態を制御する位相差制御手段を具えることを特徴とする、請求項３１〜３４のいずれか一に記載の光造形装置。
36. 前記全反射媒体は、プリズム、固体浸レンズ又は対物レンズを含むことを特徴とする、請求項３１〜３５のいずれか一に記載の光造形装置。
37. 前記エバネッセント光の前記被硬化部材への露光状態を観察するための、観察手段を具えることを特徴とする、請求項３１〜３６のいずれか一に記載の光造形装置。

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