JP2007298989A - 三次元物体を作製する装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】三次元物体を作製するための装置において、高精度、高解像度、微調整及び／又は高均一性を実現すること。
【解決手段】互いに独立した所定数の画素（ピクセル）を備えたイメージングユニットを通じてエネルギーを入力することにより、電磁放射の作用で硬化し得る材料を硬化させて三次元物体を製造する装置を提供する。本装置は、特定のグレー値及び／又はカラー値によりボクセルマトリクスにおけるエネルギーの入力レベルを調整及び／又は制御し得るコンピュータ装置、ＩＣ及び／又はソフトウェアインプリメンテーションを備える。
【選択図】図６

Description

本発明は、互いに独立した所定数の画素（ピクセル）を備えたイメージングユニットを通してエネルギーを入力することにより、電磁放射の作用で硬化性材料、特に感光性樹脂を硬化させて、三次元物体を作製する装置に関する。特に、本発明は、空間光変調器（ＳＬＭ：Ｓｐａｔｉａｌ Ｌｉｇｈｔ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）技術とピクセルサイズにより定まるラスターマスクの最小の物理的解像度をイメージングユニットに適用しつつ、当該ラスターマスクを利用して露光することにより硬化させる方法に関する。

非特許文献１には、光硬化性の感光性樹脂で三次元物体を構成（ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ）する方法が極めて多岐にわたって開示されている。

実現可能なものとしては、特に、以下のものを利用した露光が知られている。
ａ）マルチメディアプロジェクタ
ｂ）液晶ディスプレイ（反射型、透過型）
ｃ）ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ−Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）ライン又はレーザダイオードライン（これらはライン方向と直交する方向に移動させられる。）
ｄ）ライトバルブ技術（ＭＥＭＳ：Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）

これらの手法は、特許文献１〜特許文献１０に記載されている。特に、特許文献４には、マイクロテクニカルな三次元部品の作製への応用が記載されている。なお、特許文献５と特許文献６は互いに等しいものである。また、特許文献７は、特許文献８と等価なものである。

マーシャル・バーンズ（Ｍａｒｓｈａｌｌ Ｂｕｒｎｓ）著、"Ａｕｔｏｍａｔｅｄ Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ − Ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｖｉｔｙ ｉｎ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ"、１９９３年発行（ＩＳＢＮ ０−１３−１１９４６２−３） 米国特許第５２４７１８０号明細書 米国特許第５９８０８１３号明細書 独国実用新案出願公開第Ｇ ９３ １９ ４０５．６号明細書 独国実用新案出願公開第２９９ １１ １２２号明細書 欧州特許出願公開第１２５０９９７号明細書 米国特許出願公開第２００２／１５５１８９号明細書 独国特許発明第６９９０９１３６号明細書 欧州特許第１１５６９２２号明細書 国際公開第０１／００３９０号パンフレット 国際公開第０５／１１０７２２号パンフレット

レーザーを使って光重合させるシステムでは、レーザビームのエネルギーを設定することによって露光点における光の出力レベルを調整し、それにより、感光性樹脂のような硬化性材料の当該露光点における硬化深度（硬化した材料の深さ方向における厚み）を制御することができる。選択的に硬化を行うためには、硬化させたい断面領域のみに対してレーザビームを走査する。硬化させたい断面領域の輪郭は、レーザビームにより曲線状に走査することができる。

投影システムを利用してマスクを投影し、それによって光重合させるシステム、特に、特に、ＳＬＭ技術を適用したシステムでは、通常、断面領域を一度に露光する。投影された像のうち白い領域では硬化性材料（通常は感光性樹脂）が硬化し、黒い領域では硬化しない。硬化させたい断面領域の輪郭はラスターとしてのみ表される。解像度は、像点（即ち、ピクセル）の数と投影された像の大きさによって決まる。

特許文献９では、マスクの透過率を制御することによりビームの強度を制御している。ここで、ビームの強度は、透過型ＬＣＤ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）のグレーレベルを選択することにより制御してもよい。但し、あるレイヤーに対して異なる強度を割り当てられるかどうかは、既硬化の領域がそのレイヤーの下に存在するか否かのみによって決まる。本発明のようにボクセルマトリクスに対するエネルギーの入力レベルを調整及び／又は制御することは、特許文献９には記載されていない。本発明では、ボクセルマトリクスにおける微調整及び解像度を取り扱っている。一方で、本発明では、既に硬化しているレイヤーが下に存在しているか存在していないかとは関係なく、グレーレベルの階調をつけることができる。

特許文献１０では、作製する物体の断面領域の輪郭の外側及び輪郭の内側に沿って解像度を上げるためにサブピクセルレベルでの多重露光を行う。この露光は、像形成面／造形面内においてサブピクセルレベルで相殺される（オフセットされる）一連の複数の画像から構成される。なお、相殺された像（オフセットイメージ）のそれぞれに対しては、別個のマスク／ビットマップが生成される。サブピクセルオフセットによって得られる輪郭のピクセルに関しては、グレーレベルの調整が考慮される。本発明のようにボクセルマトリクスに対するエネルギーの入力レベルを調整及び／又は制御することのいずれについても、特許文献１０にはまったく記載されていない。

特許文献９及び特許文献１０のいずれも、像面における微調整及び解像度をどのようにすれば改善できるかについて開示しておらず、また、光源が素の状態（何らの補償もしない状態）において有している不均一性（ムラ）をどのようにして均すかについても開示していない。

本発明は、互いに独立した所定数の画素（ピクセル）を備えたイメージングユニットを通してエネルギーを入力することにより、電磁放射の作用で硬化性材料を硬化させて、三次元物体を作製する装置及び方法を改良し、システムの高精度、高解像度及び微調整及び／又は高均一性を実現することを目的とする。

第１の実施の形態において、本発明は、互いに独立した所定数の画素（ピクセル）を備えたイメージングユニットを通じてエネルギーを入力することにより、電磁放射の作用で硬化性材料を硬化させて三次元物体を製造する装置であって、特有のグレー値及び／又はカラー値により前記エネルギーの入力を調整及び／又は制御し得るコンピュータ装置、ＩＣ及び／又はソフトウェアインプリメンテーションを備える装置を提供する。

特有のグレー値及び／又はカラー値によりボクセルマトリクスへのエネルギーの入力レベルを選択的に調整及び／又は制御することが特に有利であることが理解される。ラスターマスク（ビットマップ）をピクセルシフトさせずに使用することが更に好ましい。

本発明において、用語“ボクセルマトリクス”は、硬化したボクセル（ｖｏｌｕｍｅ ｐｉｘｅｌ）のラスター配列を意味し、各ボクセルはピクセルマトリクスの像点をイメージしたものであり、ボクセル毎の硬化深度は像点毎のエネルギーの入力レベルによって決まる。

第１の実施の形態の好ましい変形例における利点は、ピクセル毎に具体的に且つ個別に、特有のグレー値及び／又はカラー値を調整及び／又は制御するための能力が提供されることである。

第２の実施の形態において、本発明は、点状、線状又はマトリクス状に配置された所定数の独立した画素（ピクセル）を有するラスターイメージングユニットを通じてエネルギーを入力することにより、電磁放射の作用で硬化性材料を硬化させて三次元物体を製造する装置を提供する。ここで、前記イメージングユニットは、前記ピクセルを用いて像を構成しラスターマスク（ビットマップ）を形成するものであり、また、前記イメージングユニットは、エネルギーの入力レベルを可変とするため、前記ピクセルの少なくとも一部に対して３種以上のエネルギーレベルを割り当てることができるように、構成されている。

第２の実施の形態における利点は、特に、特有のグレー値及び／又はカラー値により、ボクセルマトリクスにおけるエネルギーの入力レベルを選択的に調整及び／又は制御することであると理解される。ラスターマスク（ビットマップ）をピクセルシフトさせずに使用することが更に好ましい。

ビットマップ毎に、好ましくは且つ具体的にはピクセル毎に、３種以上のエネルギーレベルを供給又は提供することにより、割り当てを適切に行うことができる。第２の実施の形態の好ましい変形例の利点は、ピクセル毎に具体的に且つ個別にピクセルを３種以上のエネルギーレベルのいずれかに割り当て又は分類することが可能なように、イメージングユニットを設計することができることである。

３種以上のエネルギーレベルには、好ましくは、以下のａ１）又はａ２）、並びにｂ１）又はｂ２）が含まれる。
ａ１）オン状態及びオフ状態。前者は、透過型のシステム（特に、ライトバルブを有するもの）において、ほぼ完全にエネルギーを透過させることによるもの（即ち、白）であり、後者は、同システムにおいて、エネルギーを透過させることなく、ほぼ完全にエネルギーをブロックすることによるもの（即ち、黒）である。
ａ２）オン状態及びオフ状態。前者は、反射型システム（特に、ＤＬＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｌｉｇｈｔ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）用のＬＣｏＳ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ）又はＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ））において、光軸に向けてエネルギーをほぼ完全に反射させることによるもの（即ち、投影されたイメージ上では白）であり、後者は、光軸には向けず光吸収体に向けてエネルギーをほぼ完全に反射させることによるもの（即ち、投影されたイメージ上では黒）である。
ｂ１）所定且つ所望の数のグレーレベル。
ｂ２）所定且つ所望の数のカラー値。カラー値は、色調及び／又は色濃度、又は、色強度を表すことができる。

本発明では、グレー値よりカラー値を使用して調整又は設定を行う方が、特に対応して使用される感光性樹脂との関連において非常に精細に調整することができるようになるため、有利である。

第１及び第２の実施の形態において、当該装置のイメージングユニットは投影ユニットに含まれていてもよい。イメージングユニットは、通常、ピクセルの数が一定で且つピクセルが相互に空間的に固定されるようにして平面状に配置されて、構成されている。

第１及び第２の実施の形態において、イメージングユニットは、発光点型、発光ライン型又は発光マトリックス型の装置であってもよい。イメージングユニットが空間光変調器（ＳＬＭ）、ＭＥＭＳ技術における光バルブ又はＬＥＤを備えている場合には、特に解像度を向上させることができる。

更に、本発明は、所定数の独立した画素（ピクセル）を有するイメージングユニットを通してエネルギーを入力することにより、電磁放射の作用で硬化性材料を硬化させて、三次元物体を作製するための方法を提供する。ここで、前記材料を硬化させるための光出力レベルは、規定されたグレー値及び／又はカラー値により、前記ピクセルの少なくとも一部に対して制御される。本方法によれば、特有のグレー値及び／又はカラー値によりボクセルマトリクスにおけるエネルギーの入力レベルを選択的に調整及び／又は制御することにより、材料を硬化させるための電磁放射の浸透深度をピクセル毎に正確にそして非常に精密に且つ可変に設定することができる。ラスターマスク（ビットマップ）をピクセルシフトさせずに使用することが好ましい。

グレー値及び／又はカラー値に関する情報は、像点（ピクセル）毎に、ラスターイメージ（ビットマップ）中に格納され得る。

本発明による方法の好ましい実施の形態では、露光マスク又は像は、材料を硬化させるため投影ユニットを使用して造形面に投影される。

本発明による装置及び方法の好ましい実施の形態では、素の状態における光の出力レベルを測定して得られる分布（補償なしの場合の光の出力レベルの分布）に基づき、投影される像の全体に対してグレー値を有する補償マスクが生成される。補償マスクは、材料硬化用として生成されたビットマップと重ね合わせられることにより、投影される像の全体に亘って光の出力レベルの分布を均一なものとする。光の出力の分布の均一性は著しく改善される。造形面上に投影された像内で素の状態における光の出力レベルの分布の測定が行われる場合、補償マスクは、造形プロセスにおいて生成されるビットマップとは別個独立して生成され、従って、その生成は、露光される面のみでなく露光されない面にも関係する。

本発明による方法の好ましい実施の形態では、補償マスクにおいてグレー値が測定点間に補完されており、したがって、補償マスクの全体に亘ってより均一なグレー値の分布を得ることができる。

本発明による装置及び方法の特に好ましい実施の形態では、何れのピクセルがグラフィックスとどの程度重なっているか特定する。当該特定した結果に基づいて、各ピクセルに対して、それぞれ重み付けられたグレー値又はカラー値が割り当てられる。この手法により、非常に精細な構造に関し、解像度を著しく向上させることができる。これに代えて又は付加的に、上記の手法において輪郭をラスタリングする際にアンチエイリアシングを考慮すると、ベクターグラフィックス（ここでは、露光したい断面構造のベクターグラフィックス）のラスタリングにより形成されるエッジ／輪郭領域における所謂エイリアシングアーチファクト（ギザギザの人工的な生成物）を除去又は抑制することができる。この場合、本発明によれば、多重露光及び／又はサブピクセルオフセットは必要とされない。

本発明による装置及び方法の特に他の好ましい実施の形態では、材料硬化用として生成された断面像内において、領域拡張度合い（広がり具合）の異なる別個独立した領域が識別される。識別された領域のピクセルは、それぞれ均一なグレー値及び／又はカラー値を割り当てられ又は与えられ、対応する領域に亘ってグレー値及び／又はカラー値が広がる。このようにして、例えば、比較的大きい面積を有する構造についてはその拡張度合いに従って暗くし、比較的小さい面積を有する構造については明るく照射することができる。従って、全断面像、即ち、露光される全領域にわたって硬化深度が均一となる。

本発明による装置及び方法の好ましい実施の形態では、ボクセルマトリクス内において部位に応じた適切なグレー値を割り当てることにより、該ボクセルマトリクスの単独又は複数回の露光を通じて、選択した領域（グレー値／カラー値を割り当てられないか、低いグレー値／カラー値を割り当てられた領域）の硬度を増加させる。好ましくは、選択した領域における硬度深度は、選択しなかった領域の数倍、即ち、少なくとも３倍、好ましくは少なくとも４倍、更に好ましくは少なくとも５倍である。

本発明による装置及び方法の好ましい実施の形態では、像点（ピクセル）毎のグレー値及び／又はカラー値に関する情報は、各ラスターイメージ（ビットマップ）毎に、その都度、オンラインで算出される。

本発明の装置及び方法によれば、光出力の分布の均一性を改善することができる。具体的には、巨視的なレベルにおけるグレー値及び／又はカラー値による光の出力レベルの調整、又は、特に微視的なレベにおけるピクセルレベルでのグレー値及び／又はカラー値による光の出力レベルの調整により、ボクセルマトリクスを決定するビットマッピングによる像形成特性を改善することができる。オン／オフ（白／黒）しかないラスターによって生じてしまうようなイメージングロス（像形成の際の損失）を減少させることができる。イメージングユニットの解像度を増やす必要なく、造形面における解像度特性を改善することができる。従って、形成される構成要素の品質が、表面の平坦性、正確性、精細性、及び、耐久性の点で、全体的に改善される。

特に、ＳＬＭ技術を利用した投影システムの場合、像表面における光の出力レベルの分布が（定数項又は絶対項において５０％にまで達し得る従来の不均一な分布と比べて）著しく改善される。従って、従来技術と比較して、本発明によれば、ａ）使用する光源、ｂ）光エネルギーを（特にＳＬＭへ）結合するための光学系、及び、ｃ）投影光学部品の“けられ”への依存又はそれらによる影響が減少する。

光源の特性が経時的に変化する場合であっても、本発明によればそれを修正することができ、種々のエラー及び変化するムラを補償することができる。必要とあらば、どのようなムラをも本発明によって補償することにより、ＳＬＭや投影光学部品に光エネルギーを結合させるための光学系により生じてしまうような一様な誤差でさえも防ぐことができる。

必要に応じ、本発明の概念によれば、露光された領域の構造の大きさによって光強度が変化してしまう（広く連続した領域では光強度が強く、狭く繊細な領域の構造では光強度が弱い）問題を扱うことができる。本発明の手段をとらなければ、前述の問題点によって、投影された像における光の出力レベルの分布の不均一性に起因して感光性樹脂の硬化深度においても当該不均一性に対応したバラつきが生じてしまい、そのため、ＳＬＭ技術を使用したマスク投影のアプリケーションにおいてもコンポーネントの誤り／バラつき、不正確さを生じさせてしまうこととなる。

グレーレベルを制御及び／又はカラー値を制御することにより、光源及び／又は結像光学系の素の状態（即ち補償前の状態）に変更を加えることなく、光の出力分布をイメージ全体にわたって調整（即ち、巨視的な調整）することができる（グレーマスク補償）。ピクセルレベルでの調整も（即ち、微視的な調整）同様に可能である。選択的に、即ち、像形成したい断面構造に依存して、且つ、その都度作製されるボクセルマトリックス用の断面領域のビットマップの生成の間に、微視的な調整は最も良好に行われる。

更に、特に通常のオン／オフ（白／黒）状態に加えて所定数のグレーレベル、好ましくは所定数のカラー値による付加的なエネルギーレベルをも使用して、３種以上のエネルギーレベルを少なくとも一部のピクセルに割り当てることにより、極めて良好なエネルギーの入力の調整を達成することができる。

本発明を使用することにより、制御条件、特に硬化深度を、断面像の構造全体にわたってほぼ一定に保つことができ、或いは、選択された領域を過露光（強露光）又は弱露光とする目的のために特に選択的に処理することができ、これにより作製されるコンポーネントの質を改善することができる。特に、過露光又は弱露光に関するパラメータとして以下のものが含まれている場合には、より良い解像度及びより微細な調整が達成されるであろう。
−ラスターピクセルのベクターグラフィックとの重なり度合い、及び／又は
−断面像の領域の大きさ

また、例えば光源の経年劣化や他の光学的な誤差によって生じるムラを補償することもできる。

グレーレベルの制御及び／又はカラー値の制御は、技術的にはもっぱらソフトウェアによって最も適切に実行することができる。この目的にあう構成要素としては、必要とされる機能を備えたＣＰＵなどのコンピュータユニット、ＩＣ、及び／又はソフトウェアインプリメンテーションを用いることができる。このように、本システムは、非常にフレキシブルに、ＳＭＬ技術に基づいたあらゆるマスク投影システム用として、用いることができる。

他の主要な利点としては、露光時間とは無関係にグレーレベル及び／又はカラーレベルの制御によって選択的且つピクセル毎に光出力調整を行いうることが挙げられる。従って、露光時間をビットマップ毎に異ならせる必要はないという利点もある。

以下、添付図面を参照し、更なる典型的な実施の形態に基づいて、本発明についてより詳細に説明する。しかしながら、本発明は、以下に記載される実施の形態及び例並びに図面に限定されるものではなく、むしろ、本発明の範囲内において考えられ得るすべての修正・変更を含むものである。

図７は、マスク投影８により光硬化性材料４を硬化させて三次元物体３を作製するための基本的な装置を模式的に示す。ここで、結像光学系２を備えた投影ユニット１は、光硬化性材料４を満たした容器６の上方に設けられており、容器６内において垂直方向に移動可能な支持板５上で物体３を硬化させる。硬化するのは、造形面７上にマスクが投影されてなる像内である。

図示された実施の形態では、レイヤー単位で三次元物体３を作製する。しかしながら、それに代えて、レイヤーと無関係に作製してもよい。他の設計オプションを選択することも可能である。例えば、硬化プロセスは、レイヤー単位ではなく、連続的に行っても良いし、（同一の又は異なる層厚、種々の層厚で）不連続に行っても良いし、部分的に連続的に行う一方で他の部分では（同一の又は異なる層厚、種々の層厚で）不連続に行っても良いし、考えられ得る種々な手段の組み合わせにて行っても良い。一例として、図８には、図７に示すデバイスの代替例を模式的に示す。図８においては、同じ参照符号によって対応する構成要素を示している。ここで、三次元物体３は、レイヤーとは無関係に作製されている。本発明の装置及び方法は、レイヤーとは無関係に三次元物体を作製するのに特に適している。

光重合に基づいた方法では、材料の硬化に必要とされる光の照射は、処理面上に投影される。露光はマルチメディアプロジェクタによってなされる。ここで、像は、独立した像点（ピクセル）からなる、いわゆるビットマップである。ビットマップマスクはＳＬＭによって形成され、そこでは、ピクセルは相互に空間的に固定されるようにして平面状に配置されている。かかる半導体素子の一般的な解像度は、現在のところ、１４００×１０５０ピクセルのＳＸＧＡ＋である。

（グレーレベルの制御／巨視的な調整）
巨視的な調整は、グレー又はカラーのマスク補償により、光学系又はそのエラーが原因となって生じた像形成領域全体に亘る光の出力分布の素の状態（補償前の状態）におけるムラを均すことに関連する。

この目的のため、イメージ表面の全体に亘って一様に分布した多数の測定値が記録され、複数のグレー値又はカラー値を有する補償マスクが計算される。前記補償マスクは、別個に投影されたビットマップマスクのそれぞれの上に設けられ又はそれぞれと重ねられる。

この方法により、均一性は少なくとも２倍に改善される。

測定結果は、手作業で記録してもよいし、センサーマトリクスを用いて得ても良い。

補償マスクの一例として、単純なタイリングを補償マスクに使用することができる（図１）。他の例としては、測定点間に補償グレー値又はカラー値を補完してもよく（図２）、これによって個々の測定点間で滑らかに／連続的に変化するような補償マスクが形成される。

（グレーレベルの制御／微視的な調整）
微視的な調整は、最高の精度で投影したい断面領域の最も忠実な像を得ることに関し、また、露光したい構造に亘る硬化パラメータ及び露光をいずれも一定にすること、又は、グレー値又はカラー値の制御された過露光又は弱露光を利用して、それらに明確且つピクセル精度の影響を与えることに関する。応用例を以下に示す。

（像形成する面内において露光したい構造が３×３ピクセルより小さい場合におけるグレー値のピクセル精度の調整）
構造上の大きさが１．５×１．５ピクセルである場合、好ましくないピクセル／ビットマップの分布、即ち、単純な黒／白変換を含むようなラスターが原因となって、１ピクセルのみが黒から白に変更されたり、３×３ピクセルが黒から白に変更されたりすることが起こり得る。更に小さい１ピクセル程度の構造の場合、像形成したい構造がビットマップ上から完全になくなってしまう恐れすらある。

これを防ぐために、各ピクセルには、像形成したい構造との重なり具合に応じて定まるグレー値を割り当てる。これは特に当該構造の輪郭部分で行われる。

ここで、当該原理について、種々の大きさ（直径２００、５００、及び、１０００μｍ）の小さな穴及び小さな柱を備えた構造に基づいて、説明する。当該構造の断面領域から、１つのビットマップマスクがそれぞれ生成される。

ラスターの解像度（ここでは１２８０×１０２４ピクセル）及び、形成する領域の大きさ（３１７．５×２５４ｍｍ）から、ピクセルの大きさは２４８μｍとなる。

理解されるように、この例における最も小さい構造（直径２００μｍのもの）は１ピクセルよりも小さい。

以下、２つの異なるビットマッピング手法を掲げることにより、グレー値又はカラー値の調整による改善について説明する。

［単純な白黒ピクセルを用いたビットマッピング手法］
−輪郭内部領域はピクセルで満たされる。
−輪郭の外側の部分（中空でない部分）は、白ピクセルで満たされる。
−輪郭の内部の部分（中空部）は、黒ピクセルで満たされる。
−ピクセルが輪郭内部領域によって５０％以上覆われる場合にのみ、ピクセルを輪郭線上に配置する。

このようにして生成されたビットマップ（図４）では、直径２００μｍの構造が完全に失われていることが分かる。これは、ビットマップに現れないこれらの構造に関しては、ラスター上の位置に起因して、５０％以上覆われたピクセルが存在しないためである。

［ピクセル精度のグレー値調整によるビットマッピング手法］
−輪郭内部領域はピクセルで満たされる。
−輪郭の外側の部分（中空でない部分）は、明るいピクセルで満たされる。
−輪郭の内側の部分（中空部）は、暗いピクセルで満たされる。
−ピクセルの明るさ又はグレー値は、内部領域との重なり具合によって決まる。

このようにして生成されたビットマップ（図５）では、全ての構造／表面形状が視認可能である。２００μｍの柱は暗すぎ、２００μｍの穴は明るすぎる。これは、ピクセルラスターにおける輪郭の位置に起因して、１００％重なるピクセルが存在しないため１００％白（輪郭の外側）又は１００％黒（輪郭の内側）になるピクセルが存在しないからである。

（露光したい構造の輪郭の外側及び輪郭の内側のスムージング）
デジタル画像処理の分野で既に知られているアンチエイリアシング効果を利用する。

ラスタライゼーションの既知の問題はエイリアス効果（エッジがギザギザになる効果）である。生成したいラスターグラフィックに対して２ビット以上の深さのグレー値を利用することができる場合、“エッジスムージング（アンチエイリアシング）”によって、このエイリアス効果を抑制することができる。Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ Ｂ／Ｗフィルタ法を利用することもできる。

ビットマップ出力のアンチエイリアシングによれば、ベクターグラフィック（ここでは露光したい断面構造（図６））のラスターに生じる、エイリアシングの影響である所謂エイリアシングアーチファクト（ギザギザの人工的な生成物）が除去される。

線を描画するとき問題なく描くことのできる線は、その線の厚みが複数のピクセル空間に相当し、且つ、開始点及び終了点がピクセル上に存在するような水平線及び垂直線だけである。線が少しでも傾斜していると、エイリアシングアーチファクトが生じてしまうことを避けることはできない。同じことは全ての丸い／フリーな形状について生じる。解像度が荒くなるとその効果はいっそう顕著になる。

ベクターグラフィックスのアンチエイリアシングでは、どのピクセルがグラフィックスとどの程度重なるかが考慮され、各ピクセルにはそれぞれに重み付けされたグレー値が与えられる。通常、ここでは、ピクセルは正方形状に描かれる。グラフィックによって覆われるピクセル面が広いほど、ピクセルのグレー値がより明るくなるように調整される。実装にあたっては特殊なソフトウェアフィルタが使用される。

最終的には、材料の硬化作用もこの方法による影響を受け、従って、最終的なコンポーネントにおいては高い精度を得ることができる。

投影光学部品及び感光性樹脂の像形成が不正確であると、付加的に、ディープパスフィルタ機能が働くことになる。このフィルタ機能は、コンポーネント表面の更なるスムージング効果をもたらす一方で、更にコンポーネントの精度を更に下げ、細部を欠落させてしまう。

［像形成したい断面構造／像形成したいコンポーネント形状のファンクションとしてグレーレベルを制御することにより硬化深度を制御する］
（繊細な断面構造と大きな面構造とにおける硬度深度）
比較的大きな構造面積を有する場合、繊細な構造の場合と比較して、利用可能な単位面積あたりの光の出力レベルをより多くすることができる。この現象により、ｘｙ方向における拡張度合い（輪郭を超えてしまうこと）及びｚ方向における拡張度合い（深さ）において、硬化が異なることとなる。

例えば１０ｍｍ×１０ｍｍの広い面が一度に露光されるとき、例えば１３０μｍの厚さまで硬化される。しかし、２ｍｍ×１０ｍｍの構造では同じ露光時間で１００μｍしか硬化されない。コンポーネントが例えば１００μｍ厚のレイヤー内又はそれに相当するボクセルマトリクス内に作製される場合、繊細な部位において硬化して形成された材料は過露光（深さ１３０μｍで既に形成されたレイヤー中に３０％まで硬化させる）によっても十分に化学結合せず、硬化した材料がこの部位で分離して、コンポーネントに欠陥が生じる。この現象は特に繊細な支持構造において問題となる。

特別なアルゴリズムによれば、様々な領域拡張度合いを有する構造は、断面の像内において識別され、ピクセル毎に適切なグレー値を割り当てられ（ここでは、比較的大きい領域構造はその拡張度合いに応じて暗くなる）、それによって露光したい構造領域の全体に亘って均一な硬化深度（Ｚ）及び広がり（ＸＹ）を得る。

（一つのコンポーネント内部における材料の高堆積／大規模な構造の場合における高圧粉体硬度）
コンポーネントによっては、壁の厚さがポスト硬化プロセスにおける最大可能硬化深度を超えているほど材料が堆積されてなるボリューム部や、コンポーネント内部における位置であってポスト硬化プロセスにおいて光エネルギーが到達しない或いは限られた範囲にしか到達しない位置に材料が堆積されてなるボリューム部を備えているものある。

かかるボリューム部は、既に生成プロセス中で具体的には過露光されることによって高圧粉体硬度を達成することができる。これは、ボクセルマトリクスに対して、それぞれ適切な対応するグレー値又はカラー値を割り当てることによって行われる。ここで、Ｚ方向における硬化深度は、好ましくは、通常の硬化深度を何倍か超えている。

以上説明した全ての適用例では、ビットマップマスク／露光マスクに露光エネルギーを制御するための黒／白、グレー値及び／又はカラー情報に関する情報を含めることができる。個々に説明した実施の形態及び実施例は、種々の手段で互いに組み合わせることができる。

単純なタイリングを補償マスクに使用する実施の形態による巨視的なレベルでのグレー値又はカラー値の調整に関する本発明の概念を模式的に示す図である。 他の実施の形態による巨視的なレベルでのグレー値又はカラー値の調整に関する本発明の他の概念を模式的に示す図である。ここで、補償マスクを生成するために、個々の測定点間に補完が行われている。 ビットマップ生成のベースとなる形状であって、異なる大きさの穴部及び柱部を有する三次元物体の原型の形状を模式的に示す図である。 本発明のようなピクセル精度のグレー値又はカラー値の調整又は制御を行わずにビットマップを生成する比較例を模式的に示す図である。 本発明の実施例による微視的なレベルでのピクセル精度のグレー値又はカラー値の調整又は制御を伴ってビットマップを生成する例を模式的に示す図である。ここで、調整又は制御は、ラスターピクセルのベクターグラフィックとの重なり具合によって決まる。 左図は、像形成したい断面構造についてのベクターベースの当初の像をラスター（ここではピクセルが正方形として描かれている）に重ねて示す図である。右図は、ラスターグラフィックに基づいて生成されたビットマップを示す。ここで、本発明の実施の形態によるエッジ部分のスムージングは、ピクセルがグラフィックスと重なっているか否か及び重なっているとすればどの程度重なっているのかに基づいて、各ピクセルに対してそれぞれ重み付けしたグレー値を割り当てるようにして、微視的なレベルでグレー値又はカラー値を調整することにより得られるものである。 本発明による装置であって三次元物体を作製するために使用可能な基本装置を模式的に示す図である。本実施の形態において、三次元物体は複数のレイヤーの形態で形成される。 本発明による装置であって三次元物体を作製するために使用可能な基本装置を模式的に示す図である。本実施の形態において、三次元物体はレイヤーとは無関係に形成される。

符号の説明

１ 投影装置
２ 結像光学系
３ 三次元物体
４ 光硬化性材料
５ 支持板
６ 容器
７ 形成面
８ マスク投影

Claims (25)

1. 三次元物体を作製するための装置において：
   電磁放射の作用で硬化性材料を硬化させることのできるエネルギーを入力するための画素（ピクセル）であって、互いに独立した所定数のピクセルを備えたイメージングユニット；及び
   特有のグレー値及び／又はカラー値によりボクセルマトリクスへの前記エネルギーの入力を調整及び／又は制御し得るコンピュータ装置、ＩＣ及び／又はソフトウェアインプリメンテーション；
   を備える装置。
2. 造形面上において像の形成される領域の全域に亘って測定された素の状態の光の出力レベルの分布に基づいて、投影される像の全体に対する補償マスクを生成するように、前記コンピュータ装置、前記ＩＣ及び／若しくは前記ソフトウェアインプリメンテーション、又は前記イメージングユニットが構成されており、
   前記補償マスクは、グレー値及び／又はカラー値を有しており、材料硬化用として生成されたビットマップと重ね合わせられることにより、前記投影される像の全体に亘る前記光の出力レベルの均一な分布を生じさせる、
   請求項１記載の装置。
3. 補償マスクが提供されており、
   当該補償マスクの全体により、グレー値及び／又はカラー値が測定点間に補完され、エネルギーの入力レベルの一様な分布が形成される、
   請求項１記載の装置。
4. 何れのピクセルがどの程度グラフィックに重なるかを特定し且つ各ピクセルに対して前記特定の結果に基づいて決定された特有のグレー値又はカラー値を割り当てるように、前記コンピュータ装置、前記ＩＣ及び／若しくは前記ソフトウェアインプリメンテーション、又は前記イメージングユニットが構成されている、請求項１記載の装置。
5. 材料硬化用として生成される断面像において、領域拡張度合いの異なる別個独立した領域を識別し、互いに対応する領域に対しては一様なグレー値及び又はカラー値を割り当てるように、前記コンピュータ装置、前記ＩＣ及び／若しくは前記ソフトウェアインプリメンテーション、又は前記イメージングユニットが構成されている、請求項１記載の装置。
6. 材料硬化用として生成される断面像において、硬化させたい領域が比較的大きい場合には、当該領域を黒くするグレー値及び／又はカラー値を割り当てる一方、硬化させたい領域が比較的小さい場合には、当該領域に対して、低いレベルのグレー値及び／又はカラー値を割り当てるかグレー値及び／又はカラー値を割り当てないこととし、それにより、露光したい構造領域の全体に亘って一様な硬度深度を得るように、前記コンピュータ装置、前記ＩＣ及び／若しくは前記ソフトウェアインプリメンテーション、又は前記イメージングユニットが構成されている、請求項１記載の装置。
7. グレー値及び／又はカラー値の前記ボクセルマトリクスへの割り当てを行うように、前記コンピュータ装置、前記ＩＣ及び／若しくは前記ソフトウェアインプリメンテーション、又は前記イメージングユニットが構成されており、
   前記割り当ては、より硬化するために選択された領域において、ボクセルマトリクス内のＺ方向における硬度深度を増加させるものである、
   請求項１記載の装置。
8. 像点（ピクセル）毎に、グレー値及び／又はカラー値に関する情報をラスターイメージ（ビットマップ）内に格納するように、前記コンピュータ装置、前記ＩＣ及び／若しくは前記ソフトウェアインプリメンテーション、又は前記イメージングユニットが構成されている、請求項１記載の装置。
9. 像点（ピクセル）毎のグレー値及び／又はカラー値に関する情報は、各ラスターイメージ（ビットマップ）毎に、その都度、オンラインで算出される、請求項１記載の装置。
10. 前記イメージングユニットは、投影ユニットに含まれている、請求項１記載の装置。
11. 前記イメージングユニットは、空間光変調器（ＳＬＭ）タイプのものである、請求項１記載の装置。
12. 前記イメージングユニットは、ＭＥＭＳ技術のライトバルブを備える発光点、発光ライン又は発光マトリクスである、請求項１記載の装置。
13. 前記イメージングユニットは、ＬＥＤを備える発光点、発光ライン又は発光マトリクスである、請求項１記載の装置。
14. 三次元物体を作製するための装置であって、
    点状、線状又はマトリクス状に配置された所定数の独立した画素（ピクセル）を有するラスターイメージングユニットを備えており、
    前記イメージングユニットは、前記三次元物体の特定の断面領域に関する像を前記ピクセルにて構成し、ラスターマスク（ビットマップ）を形成するものであり、
    前記イメージングユニットは、電磁放射の作用で硬化性材料を硬化させるためのエネルギーの入力を制御するように、構成されており、
    ボクセルマトリクスへのエネルギーの入力を可変とするため、前記ピクセルの少なくとも一部に対して３種以上のエネルギーレベルを割り当てることができるように、前記イメージングユニットを制御することができる、
    装置。
15. 前記３種以上のエネルギーレベルは、
    ａ）オン及びオフ状態（黒／白）；及び
    ｂ１）所定数のグレーレベル、又は
    ｂ２）所定数のカラー値；
    を備える、
    請求項１４記載の装置。
16. 三次元物体を作製するための方法であって、
    所定数の独立した画素（ピクセル）を有するイメージングユニットを通してエネルギーを入力することにより、電磁放射の作用で硬化性材料を硬化させるステップを備え、
    ボクセルマトリクスにおいて、規定されたグレー値及び／又はカラー値により、前記ピクセルの少なくとも一部に対して前記材料を硬化させるための光の出力レベルが制御される、
    方法。
17. 投影ユニットを利用して、前記材料を硬化させるために像を造形面に投影する、請求項１６記載の方法。
18. 素の状態における光の出力レベルを測定して得られる分布に基づいて、投影される像の全体に対して、グレー値を有する補償マスクが生成されており、
    前記補償マスクは、材料硬化用として生成されたビットマップと重ね合わせられることにより、前記投影される像の全体に亘って前記光の出力レベルの分布を均一なものとする、
    請求項１６記載の方法。
19. 前記補償マスクにおいてグレー値が測定点間に補完され、従って、前記補償マスク全域に亘ってより一様なグレー値の分布が得られる、請求項１８記載の方法。
20. 何れのピクセルがどの程度グラフィックに重なるかを特定するステップを備えており、
    当該特定した結果に従って、各ピクセルに対して、それぞれ特有のグレー値又は特有のカラー値を割り当てる、
    請求項１６記載の方法。
21. 材料硬化用として生成された断面像において、領域拡張度合いの異なる別個独立した領域が識別され、
    当該識別された領域はそれぞれ均一なグレー値及び／又はカラー値を付与される、
    請求項１６記載の方法。
22. 比較的大きな構造的領域をその拡張度合いに従って暗くし、それによって、露光したい構造的領域の全体に亘って均一な硬度深度を得る、請求項２１記載の方法。
23. ボクセルマトリクスに対してそれぞれ特有のグレー値を割り当てることにより、前記ボクセルマトリクスの単独又は複数回の露光を通じて、選択した領域の硬度を増加させ、
    前記選択した領域において、Ｚ方向における前記ボクセルマトリクスの前記硬度深度を増加させる、
    請求項１６記載の方法。
24. 像点（ピクセル）毎に、前記グレー値及び／又は前記カラー値に関する情報をラスターイメージ（ビットマップ）中に格納する、
    請求項１６記載の方法。
25. 像点（ピクセル）毎のグレー値及び／又はカラー値に関する情報は、各ラスターイメージ（ビットマップ）毎に、その都度、オンラインで算出される、
    請求項１６記載の方法。