JP2009083240A - 光造形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高精度な光造形を行うことできる。
【解決手段】一括露光光学系１２は、紫外線硬化樹脂５１の表面への光の照射を所定の単位領域ごとにオン／オフし、光の照射がオンとされる複数の単位領域に一括して光を照射し、駆動部２８は、空間光変調器２６を光軸方向に移動させて、一括露光光学系１２から放射される光の紫外線硬化樹脂５１の表面でのフォーカスを調整する。また、ビームスキャン光学系１３は、所定の直径の光ビームを放射し、紫外線硬化樹脂５１の表面で光ビームを走査させる。また、対物レンズ１５は、一括露光光学系１２からの光を紫外線硬化樹脂５１の表面に結像させるとともに、ビームスキャン光学系１３からの光ビームを紫外線硬化樹脂５１の表面に集光させる。そして、一括露光光学系１２が有する集光レンズ２７と対物レンズ１５とが、両側テレセントリックな光学系を形成している。本発明は、例えば、光造形装置に適用できる。
【選択図】図２

Description

本発明は、光造形装置に関し、特に、高精度な光造形を行うことできるようにした光造形装置に関する。

従来、ＣＡＤ（Computer Aided Design）で作成された３次元形状データを用いて、立体モデルを作成するときには、例えば、数値制御される機械加工機などが用いられ、機械加工により立体モデルが作成される。

また、近年、機械加工をすることなく立体モデルを作成するラピッドプロトタイピング（ＲＰ：Rapid Prototyping）と呼ばれる手法が、多くの製造現場で注目を集めている。ラピッドプロトタイピングでは、立体モデルの３次元形状データに基づいて、立体モデルをスライスした断面形状の薄板を作成し、その断面形状の薄板を積層することで立体モデルが作成される積層造形法と呼ばれる製造手法が用いられる。

また、ラピッドプロトタイピングは、この断面形状の薄板を作成する方法によって、紫外線硬化樹脂を用いた光造形、熱可塑性樹脂を押し出し積層する方法（ＦＤＭ）、粉末の溶融接着積層方式（ＳＬＳ）、紙を薄膜積層する方式（ＬＯＭ）、粉末や硬化触媒を吐出させ積層する方式（Ｉｎｋ−Ｊｅｔ方式）などに分類される。

例えば、光造形においては、ＣＡＤで作成された立体モデルの３次元形状データが、立体モデルの表面が小さな三角形の面で表現されるフォーマットであるＳＴＬ（Stereo Lithography）に変換されて、光造形装置に入力される。

光造形装置は、３次元形状データから、例えば、0.1〜0.2mm程度の一定間隔で、立体モデルをスライスした断面形状データを作成し、断面形状データに応じて、液状の光硬化樹脂の表面に照射する光の露光領域を決定する。光造形装置は、断面形状データの１層ごとに、液状の光硬化樹脂の表面に、その断面形状データに応じた露光領域の光を照射するとともに、液状の光硬化樹脂中の移動架台を、立体モデルをスライスした厚みに応じて垂直方向下方に移動させる。そして、光造形装置は、断面形状データの最下層から最上層まで、光の照射と移動架台の移動とを繰り返すことにより、立体モデルを生成する。

光造形装置において、光硬化樹脂の表面に光を照射する方式としては、光ビームを走査させるビームスキャン方式、液晶パネルなどの空間光変調器（ＳＬＭ：Spatial Light Modulator）を用いて一括して光を照射するＳＬＭ投影方式、および、ビームスキャン方式とＳＬＭ投影方式とを組み合わせた方式がある。

また、ビームスキャン方式としては、ラスタースキャン方式、ベクタースキャン方式、および、ラスタースキャンとベクタースキャンとを組み合わせた方式がある。

図１を参照して、ビームスキャン方式について説明する。

図１Ａには、ラスタースキャン方式によるビームスキャンが示されており、断面形状を一方向に往復して直線状に光ビームが走査される。図１Ｂには、ベクタースキャン方式によるビームスキャンが示されており、断面形状に沿って曲線的に光ビームが走査される。

図１Ｃには、ラスタースキャンとベクタースキャンとを組み合わせた方式によるビームスキャンが示されており、断面形状を一方向に往復して直線状に光ビームを走査させた後、断面形状のエッジ（境界部）に沿って、光ビームが走査される。ラスタースキャンだけでは、エッジをスムーズに形成させることができず、ベクタースキャンを組み合わせることにより、エッジをスムーズに形成させることができる。

また、ビームスキャン方式とＳＬＭ投影方式とを組み合わせた方式では、空間光変調器を用いて、光硬化樹脂の表面の露光領域に光を一括して照射した後に、光ビームを断面形状データの輪郭線に沿って走査させることにより、短時間で、輪郭がきれいに形成される立体モデルを造形することができる。

ビームスキャン方式では、エッジをきれいに形成することができるというメリットがあり、ＳＬＭ投影方式では、光源を強くして露光時間を短縮することができるというメリットがあり、ビームスキャン方式とＳＬＭ投影方式とを組み合わせた方式は、これらの両方のメリットを享受することができる。

ところで、光造形装置においては、ＳＬＭ投影方式による一括露光の光の光硬化樹脂の表面でのフォーカスを調整する方法として、例えば、カメラのオートフォーカスで用いられているフォーカス方法を適用することが考えられる。オートフォーカスでのフォーカス方法を適用するには、光硬化樹脂の表面で、光がどのように投影されているかという情報（投影像）が必要であるが、ＳＬＭ投影を行う光学系に、投影像を取得する機能を組み込むことは困難であった。また、フォーカスを調整することに伴い、投影像が変化してしまうことがある。

従って、従来の光造形装置では、フォーカスを正確に調整することが困難であったり、投影像が変化してしまうことにより、断面形状データと実際の投影像とにずれが生じることがあり、その結果、立体モデルの寸法精度が低下していた。

ここで、特許文献１には、立体モデルの大きさに合わせて、光ビームをスキャンするためのミラーと光硬化樹脂の表面との間隔を調整することができる光造形装置が開示されている。

特開平５−７７３２３号公報

上述したように、従来の光造形装置では、立体モデルの寸法精度が低下することがあり、高精度な光造形を行うことが困難であった。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、高精度な光造形を行うことができるようにするものである。

本発明の一側面の光造形装置は、立体モデルの断面形状データに応じた光を光硬化性樹脂の表面に照射して硬化層を形成し、前記硬化層を積層することにより前記立体モデルを造形する光造形装置であって、前記光硬化性樹脂の表面への光の照射を所定の単位領域ごとにオン／オフし、前記光の照射がオンとされる複数の前記単位領域に一括して光を照射する一括露光手段と、前記一括露光手段から放射される光の前記光硬化性樹脂の表面でのフォーカスを調整する一括露光フォーカス調整手段と、所定の直径の光ビームを放射し、前記光硬化性樹脂の表面で前記光ビームを走査させる走査露光手段と、前記一括露光手段からの光を前記光硬化性樹脂の表面に結像させるとともに、前記走査露光手段からの光ビームを前記光硬化性樹脂の表面に集光させる対物レンズとを備え、前記一括露光手段が有する集光レンズと前記対物レンズとが、両側テレセントリックな光学系を形成している。

本発明の一側面においては、一括露光手段により、光硬化性樹脂の表面への光の照射を所定の単位領域ごとにオン／オフし、光の照射がオンとされる複数の単位領域に一括して光が照射され、一括露光フォーカス調整手段により、一括露光手段から放射される光の光硬化性樹脂の表面でのフォーカスが調整される。また、走査露光手段により、所定の直径の光ビームが放射され、光硬化性樹脂の表面で光ビームが走査され、対物レンズにより、一括露光手段からの光が光硬化性樹脂の表面に結像されるとともに、走査露光手段からの光ビームが光硬化性樹脂の表面に集光される。そして、一括露光手段が有する集光レンズと対物レンズとにより、両側テレセントリックな光学系が形成されている。

本発明の一側面によれば、高精度な光造形を行うことできる。

以下に本発明の実施の形態を説明するが、本発明の構成要件と、明細書又は図面に記載の実施の形態との対応関係を例示すると、次のようになる。この記載は、本発明をサポートする実施の形態が、明細書又は図面に記載されていることを確認するためのものである。従って、明細書又は図面中には記載されているが、本発明の構成要件に対応する実施の形態として、ここには記載されていない実施の形態があったとしても、そのことは、その実施の形態が、その構成要件に対応するものではないことを意味するものではない。逆に、実施の形態が構成要件に対応するものとしてここに記載されていたとしても、そのことは、その実施の形態が、その構成要件以外の構成要件には対応しないものであることを意味するものでもない。

本発明の一側面の光造形装置は、立体モデルの断面形状データに応じた光を光硬化性樹脂の表面に照射して硬化層を形成し、前記硬化層を積層することにより前記立体モデルを造形する光造形装置であって、
前記光硬化性樹脂の表面への光の照射を所定の単位領域ごとにオン／オフし、前記光の照射がオンとされる複数の前記単位領域に一括して光を照射する一括露光手段（例えば、図２の一括露光光学系１２）と、
前記一括露光手段から放射される光の前記光硬化性樹脂の表面でのフォーカスを調整する一括露光フォーカス調整手段（例えば、図２の駆動部２８）と、
所定の直径の光ビームを放射し、前記光硬化性樹脂の表面で前記光ビームを走査させる走査露光手段（例えば、図２のビームスキャン光学系１３）と、
前記一括露光手段からの光を前記光硬化性樹脂の表面に結像させるとともに、前記走査露光手段からの光ビームを前記光硬化性樹脂の表面に集光させる対物レンズ（例えば、図２の対物レンズ１５）と
を備え、
前記一括露光手段が有する集光レンズと前記対物レンズとが、両側テレセントリックな光学系を形成している。

また、本発明の一側面の光造形装置は、
前記走査露光手段が、
前記光硬化性樹脂の表面で反射する前記光ビームの戻り光を検出する検出手段（例えば、図２の反射光モニタ部４１）と、
前記検出手段により検出された戻り光に基づいて、前記走査露光手段から放射される光ビームの前記光硬化性樹脂の表面でのフォーカスを調整する光ビームフォーカス調整手段（例えば、図２のフォーカス調整レンズ４２）と
を有することができる。

また、本発明の一側面の光造形装置は、
前記一括露光手段が、光源から放射された光を空間変調する空間光変調手段（例えば、図２の空間光変調器２６）
を有し、
前記一括露光フォーカス調整手段は、前記空間光変調手段を通過する光の光軸方向に、前記空間光変調手段を移動させることにより、前記光のフォーカスを調整することができる。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図２は、本発明を適用した光造形装置の一実施の形態の構成例を示すブロック図である。

図２において、光造形装置１１は、一括露光光学系１２、ビームスキャン光学系１３、偏光ビームスプリッタ１４、対物レンズ１５、駆動部１５Ａ、およびワーク部１６から構成され、光硬化性樹脂である紫外線硬化樹脂５１に光（紫外線）を照射して光造形を行う。

一括露光光学系１２は、ワーク部１６にある紫外線硬化樹脂５１の表面を一括して露光する一括露光を行うための光学系であり、光源２１、シャッタ２２、偏光版２３、ビームインテグレータ２４、ミラー２５、空間光変調器２６、集光レンズ２７、および駆動部２８から構成される。

光源２１としては、例えば、高出力な青色ＬＥＤをアレイ状に配置したものを用いることができ、光源２１は、一括露光を行うための光を放射する。なお、光源２１としては、コヒーレントなレーザ光源を用いる必要はない。

シャッタ２２は、光源２１から放射される光の通過または遮蔽を制御し、一括露光光学系１２による露光のオン／オフを制御する。

偏光版２３は、シャッタ２２を通過した光を所定の偏光光とする。即ち、偏光版２３は、透過型の液晶パネルからなる空間光変調器２６が、光源２１からの光を空間変調することができるように、その光を偏光する。

ビームインテグレータ２４は、偏光版２３により偏光された光を均一化する。ビームインテグレータ２４としては、複数のレンズエレメントを配列してなるフライアイタイプや、四角柱等の柱状のロッドレンズの内部を全反射させる構成としてなるライトロッドタイプ等の一般的なものが用いられる。

ミラー２５は、ビームインテグレータ２４により均一化された光を空間光変調器２６に向かって反射する。

空間光変調器２６は、例えば、透過型の液晶パネルからなり、ミラー２５により反射された光が、断面形状データに応じた形状で、紫外線硬化樹脂５１に投影されるように、その光の一部を空間変調する。即ち、空間光変調器２６は、液晶パネルの各画素に駆動信号に基づいて投影しようとする画像に対応して液晶の分子の配列を変えて透過する偏光方向を変化させることで通過する光を空間変調し、液晶パネルの１画素に対応する領域を、露光を行う単位領域として、断面形状データに応じた形状の光を紫外線硬化樹脂５１に投影する。

集光レンズ２７は、空間光変調器２６により空間変調された光が対物レンズ１５を通過する際のディストーションを補正するためのレンズ群により構成され、空間光変調器２６により空間光変調された光を、偏光ビームスプリッタ１４の反射透過面上の対物レンズ１５の前焦点に集光する。例えば、集光レンズ２７と対物レンズ１５とが対称光学系となるように、それぞれのレンズ群を構成することで、ディストーションを少なくすることができる。

駆動部２８は、後述するビームスキャン光学系１３の反射光モニタ部４１により検出される戻り光に基づくコンピュータ（図１１）の制御に従って、空間光変調器２６を光軸方向に駆動し、一括露光光学系１２から紫外線硬化樹脂５１の表面に照射される光のフォーカスを調整する。

ビームスキャン光学系１３は、ワーク部１６の紫外線硬化樹脂５１の表面にレーザ光を走査させてビームスキャン露光を行うための光学系であり、光源３１、コリメータレンズ３２、アナモルフィックレンズ３３、ビームエキスパンダ３４、駆動部３４Ａ、ビームスプリッタ３５、シャッタ３６、ガルバノミラー３７および３８、リレーレンズ３９および４０、反射光モニタ部４１、並びに、フォーカス調整レンズ４２から構成される。

光源３１は、例えば、青から紫外域程度の比較的に波長の短いレーザ光を放射する半導体レーザであり、ビームスキャン光学系１３によりビームスキャンを行うための光ビームを放射する。なお、光源３１としては、半導体レーザ以外に、ガスレーザなどを用いてもよい。

コリメータレンズ３２は、光源３１から放射される光ビームの発散角を変換して略平行光とする。アナモルフィックレンズ３３は、コリメータレンズ３２により略平行光とされた楕円形状の光ビームを整形して略円形状にする。

ビームエキスパンダ３４は、複数のレンズを有しており、アナモルフィックレンズ３３により略円形状にされた光ビームのビーム径（ビームの直径）を、対物レンズ１５の開口、ＮＡ（開口数）等に適した所望のビーム径に変換してビーム径のサイズ調整を行う。

駆動部３４Ａは、ビームエキスパンダ３４が有する複数のレンズを駆動させ、ビーム径のサイズの調整を行わせる。また、駆動部３４Ａが、後述するように反射光モニタ部４１から出力されるフォーカス誤差信号に基づいて、ビームエキスパンダ３４を駆動することにより、ビームエキスパンダ３４が、後述するフォーカス調整レンズ４２の機能を兼ねることもできる。

ビームスプリッタ３５は、光源３１から照射される光ビームを透過させて、ワーク部１６にある紫外線硬化樹脂５１に向かわせるとともに、紫外線硬化樹脂５１で反射され、各光学系を通過してくる戻り光を、反射光モニタ部４１に向かって反射する。

シャッタ３６は、ビームスプリッタ３５を透過した光ビームの通過または遮蔽を制御し、ビームスキャン光学系１３によるビームスキャン露光のオン／オフを制御する。なお、光源３１が半導体レーザであるときには、半導体レーザにおいて光ビームの放射を直接変調することにより、ビームスキャン露光のオン／オフを制御することができるので、シャッタ３６を設けずにビームスキャン光学系１３を構成するようにしてもよい。

ガルバノミラー３７および３８は、所定の方向に回転可能とされた反射手段と、電気信号に応じて反射手段の回転方向の角度を調整する調整手段とを有し、調整手段が反射手段の角度を調整することで、反射手段により反射される光ビームを、所定の方向に走査させる。

即ち、ガルバノミラー３７は、シャッタ３６を透過した光ビームを、ガルバノミラー３８に向かって反射させるとともに、紫外線硬化樹脂５１の表面である液面に平行な面内の所定の一方向であるＸ方向に走査させる。ガルバノミラー３８は、ガルバノミラー３７により反射された光ビームを、偏光ビームスプリッタ１４に向かって反射させるとともに、紫外線硬化樹脂５１の表面である液面に平行な面内の、Ｘ方向に直交する方向であるＹ方向に走査させる。

リレーレンズ３９および４０は、一又は複数のレンズを有するレンズ群からなり、ガルバノミラー３７および３８により光ビームがスキャンされるスキャン角度にわたり、平行入射光ビームを平行に出射する。即ち、リレーレンズ３９は、ガルバノミラー３７で反射された光ビームを、ガルバノミラー３８上に結像し、リレーレンズ４０は、ガルバノミラー３８で反射された光ビームを、偏光ビームスプリッタ１４の反射透過面上に結像する。

このように、ガルバノミラー３７とガルバノミラー３８との間にリレーレンズ３９を設け、ガルバノミラー３８と偏光ビームスプリッタ１４との間にリレーレンズ４０を設けることで、近接する位置に配置されていないガルバノミラー３７とガルバノミラー３８とにより光ビームをスキャンさせても、偏光ビームスプリッタ１４の反射透過面上に光ビームを結像させ、一括露光光学系１２からの光と合成させることができる。

反射光モニタ部４１は、紫外線硬化樹脂５１の表面で反射された戻り光を、例えば、非点収差法や三角測量法を用いて検出する。反射光モニタ部４１は、紫外線硬化樹脂５１の表面からの戻り光に基づいて求められるフォーカス誤差信号をフォーカス調整レンズ４２に供給する。また、反射光モニタ部４１は、フォーカス誤差信号を、光造形装置１１の各部を制御するコンピュータ（図１１）に供給する。

フォーカス調整レンズ４２は、反射光モニタ部４１から供給されるフォーカス誤差信号に基づいて、ビームエキスパンダ３４を透過した光ビームの平行度を調整し、その光ビームをビームスプリッタ３５に向かわせる。

偏光ビームスプリッタ１４は、一括露光光学系１２からの光と、ビームスキャン光学系１３からの光ビームとを合成し、それらの光を紫外線硬化樹脂５１に導く。なお、偏光ビームスプリッタ１４は、その反射透過面が、対物レンズ１５の前側焦点位置に一致するように配置されている。

対物レンズ１５は、一又は複数のレンズを有するレンズ群からなり、一括露光光学系１２からの光を紫外線硬化樹脂５１の表面に結像させるとともに、ビームスキャン光学系１３からの光ビームを集光する。

また、対物レンズ１５は、ビームスキャン光学系１３のガルバノミラー３７および３８により偏向された光ビームが、紫外線硬化樹脂５１の表面において等速度で走査されるように、即ち、紫外線硬化樹脂５１の表面において均一な走査線速度で走査されるように構成されている。

例えば、対物レンズ１５としては、入射角θに比例した像高Ｙをもち、焦点距離ｆと入射角θとの積が像高Ｙとなるような関係（Ｙ＝ｆ×θ）を有する所謂ｆθレンズが用いられる。換言すると、ｆθレンズは、走査される光ビームの走査速度が、レンズへの入射位置によらず、常に一定となるように設計されたレンズである。このような対物レンズ１５を用いることで、走査線速度がばらつくことによる設計形状と実際の硬化層の形状とに違いが発生することを防止することができ、高精細な造形が実現される。

駆動部１５Ａは、ビームスキャン光学系１３の反射光モニタ部４１により検出される戻り光に基づくコンピュータ（図１１）の制御に従って、対物レンズ１５を光軸方向に駆動し、ビームスキャン光学系１３から紫外線硬化樹脂５１の表面に照射される光ビームのフォーカスを調整する。

ワーク部１６は、収容容器５２、ステージ５３、駆動部５４から構成される。

収容容器５２は、液状の紫外線硬化樹脂５１を収容する。

ステージ５３は、収容容器５２の紫外線硬化樹脂５１に浸漬され、少なくとも紫外線硬化樹脂５１の表面である液面に対して直交する垂直方向（図２の矢印Ｚの方向）に移動可能とされる。

駆動部５４は、立体モデルの断面形状データに応じて紫外線硬化樹脂５１が露光され、立体モデルの硬化層が１層形成されるのに応じて、１ステップずつステージ５３を垂直方向下方に駆動する。

また、駆動部５４は、ビームスキャン光学系１３の反射光モニタ部４１により検出される戻り光に基づくコンピュータ（図１１）の制御に従って、収容容器５２を光軸方向、即ち、矢印Ｚの方向に駆動し、一括露光光学系１２から紫外線硬化樹脂５１の表面に照射される光のフォーカス、およびビームスキャン光学系１３から紫外線硬化樹脂５１の表面に照射される光ビームのフォーカスを調整する。

次に、図３を参照して、反射光モニタ部４１が出力するフォーカス誤差信号について説明する。

図３には、反射光モニタ部４１がフォーカス誤差信号を求めるのに、一般的な光ディスクなどでの読み取りに用いられる非点収差法を用いた例が示されている。

反射光モニタ部４１には、紫外線硬化樹脂５１の表面で反射され、各光学系を通過してくる戻り光が、ビームスプリッタ３５により反射されて導入され、反射光モニタ部４１が有するシリンドリカルレンズを介して、４つに分割された受光部に照射される。

紫外線硬化樹脂５１の表面でフォーカスが合っているときには、受光部に照射される戻り光は正円形になり、フォーカス誤差信号として０が出力される。紫外線硬化樹脂５１の表面でフォーカスが近いときには、受光部に照射される戻り光は縦長の円形になり、フォーカス誤差信号としてプラスの値が出力される。一方、フォーカスが遠いときには、受光部に照射される戻り光は横長の円形になり、フォーカス誤差信号としてマイナスの値が出力される。

次に、図４は、紫外線硬化樹脂５１の表面でのフォーカスの状態を表す図である。なお、図４では、光造形装置１１を構成する各ブロックのうち、ガルバノミラー３８および対物レンズ１５以外のブロックの図示は省略されている。

図４の上側には、ビームスキャン光学系１３から紫外線硬化樹脂５１の表面に照射される光ビームのフォーカスが合っている状態が示されている。また、図４の下側には、ビームスキャン光学系１３から紫外線硬化樹脂５１の表面に照射される光ビームのフォーカスが近い、即ち、手前にずれている状態が示されている。例えば、光造形を行っているうちに、液状の紫外線硬化樹脂５１が減ることにより、フォーカスが近い状態になることがある。

このように、フォーカスがずれた場合、紫外線硬化樹脂５１の表面からの戻り光に基づいて、反射光モニタ部４１によりフォーカスがずれたことが検出され、反射光モニタ部４１から出力されるフォーカス誤差信号に基づいてフォーカスの調整が行われる。

即ち、図５乃至図７を参照して、ビームスキャン光学系１３から紫外線硬化樹脂５１の表面に照射される光ビームのフォーカスを調整する方法について説明する。

図５には、対物レンズ１５を光軸方向に移動させることにより、フォーカスを調整する方法が示されている。図５の上側には、フォーカス調整前の状態が示されており、図５の下側には、フォーカス調整後の状態が示されている。

例えば、反射光モニタ部４１から出力されるフォーカス誤差信号に基づいて、駆動部１５Ａ（図２）が、対物レンズ１５を下方に移動させる（即ち、紫外線硬化樹脂５１の表面に近づける）ことで、紫外線硬化樹脂５１の表面にフォーカスが合う状態となる。なお、この場合、対物レンズ１５が移動することで、紫外線硬化樹脂５１の表面における光ビームの振り幅が変わるので、例えば、立体モデルの断面形状データに応じた光ビームの振り幅となるように、ガルバノミラー３７および３８の回転角度を調整する必要がある。

次に、図６には、対物レンズ１５を固定したままで、紫外線硬化樹脂５１の表面を光軸方向に移動させることにより、フォーカスを調整する方法が示されている。図６の上側には、フォーカス調整前の状態が示されており、図６の下側には、フォーカス調整後の状態が示されている。

例えば、反射光モニタ部４１から出力されるフォーカス誤差信号に基づいて、駆動部５４（図２）が、収容容器５２を上方に移動させる（即ち、対物レンズ１５に近づける）ことで、紫外線硬化樹脂５１の表面にフォーカスが合う状態となる。

次に、図７には、対物レンズ１５および紫外線硬化樹脂５１の表面の高さを固定したままで、フォーカス調整レンズ４２により光ビームの平行度を調整することにより、フォーカスを調整する方法が示されている。図７の上側には、フォーカス調整前の状態が示されており、図７の下側には、フォーカス調整後の状態が示されている。

例えば、反射光モニタ部４１から出力されるフォーカス誤差信号に基づいて、フォーカス調整レンズ４２が、光ビームの平行度を広くし、光ビームを平行光から発散光にすることで、紫外線硬化樹脂５１の表面にフォーカスが合う状態となる。

このように、フォーカス調整レンズ４２によりフォーカスを調整する場合には、光ビームの振り幅が変更することがないので、例えば、ガルバノミラー３７および３８の回転角度を調整する必要はない。また、駆動部５４により収容容器５２を駆動させる場合に比べて、小規模な装置構成とすることができる。

また、フォーカス調整レンズ４２としては、ガリレオタイプビームエキスパンダを用いることができる。

図８を参照して、ガリレオタイプビームエキスパンダを用いるフォーカス調整レンズ４２について説明する。

フォーカス調整レンズ４２は、1対の凸レンズにより構成され、凸レンズ間の距離を調整することにより、光ビームの平行度を調整することができる。即ち、平行光であるときの凸レンズ間の距離よりも、その距離を広くすることで平行光を収束光にすることができ、その距離を狭くすることで平行光を発散光にすることができる。そして、対物レンズ１５に収束光が入射されるとフォーカスは対物レンズ１５に近くなり、対物レンズ１５に発散光が入射されるとフォーカスは対物レンズ１５から遠くなる。

このようにして、光造形装置１１では、ビームスキャン光学系１３から紫外線硬化樹脂５１の表面に照射される光ビームのフォーカスを調整することができる。

次に、一括露光光学系１２から紫外線硬化樹脂５１の表面に照射される光のフォーカスを調整について説明する。

例えば、光造形装置１１では、ビームスキャン光学系１３からの光ビームのフォーカス調整と同様に、対物レンズ１５の位置または紫外線硬化樹脂５１の表面を移動させることにより、一括露光光学系１２から紫外線硬化樹脂５１の表面に照射される光のフォーカスを調整することができる。また、一括露光光学系１２が有する空間光変調器２６を駆動部２８により移動させることによっても、紫外線硬化樹脂５１の表面に照射される光のフォーカスを調整することができる。

ここで、一括露光光学系１２から紫外線硬化樹脂５１の表面に照射される光のフォーカスを調整には、ビームスキャン光学系１３からの光ビームのフォーカス調整と同様に、反射光モニタ部４１により検出される戻り光が用いられる。即ち、光造形装置１１では、反射光モニタ部４１により検出される戻り光に基づいて、対物レンズ１５から紫外線硬化樹脂５１までの距離を求めることができ、この距離に基づいて、近軸理論では縦倍率＝（横倍率）²の関係があることより、空間光変調器２６の移動距離、即ち、一括露光光学系１２から紫外線硬化樹脂５１の表面に照射される光のフォーカスを合わせることができる空間光変調器２６の移動距離を求めることができる。また、光学シミュレーションを用いて、空間光変調器２６の移動距離を求めることができる。

なお、空間光変調器２６などを移動させたときに、紫外線硬化樹脂５１の表面に投影される光の像（投影像）が変化しないようにするために、集光レンズ２７と対物レンズ１５とにより、両側テレセントリックな光学系が形成されている。

ここで、図９および図１０を参照して、両側テレセントリックな光学系について説明する。

両側テレセントリックな光学系とは、図９に示すように、物点から垂直に放射された光が、像点に垂直に結像するように構成された光学系のことである。ここで、物点側のレンズが集光レンズ２７に対応し、像点側のレンズが対物レンズ１５に対応する。

そして、両側テレセントリックな光学系では、図１０の左側に示すように、ピント調整を行ったとしても、倍率が変わらないという特徴がある。即ち、例えば、対物レンズ１５（または、対物レンズ１５が内蔵する複数のレンズ）を移動させてフォーカスを調整しても、紫外線硬化樹脂５１の表面に結像される光の面積は一定である。

即ち、図１０の右側に示すように、通常の光学系では、ピント調整を行うと、倍率が変わってしまうが、両側テレセントリックな光学系では、このような倍率の変化が発生しない。

このように、光造形装置１１は、両側テレセントリックな光学系であるので、フォーカスを調整しても、一括露光光学系１２からの光が紫外線硬化樹脂５１の表面で結像する面積が立体モデルの断面形状データからずれることはなく、立体モデルの断面形状データに正確に基づいた断面形状の薄板（硬化層）を作成することができる。これにより、立体モデルを高精度に造形することができる。

また、ビームスキャン光学系１３の反射光モニタ部４１により検出される戻り項に基づいて、一括露光光学系１２からの光のフォーカスを調整するので、例えば、一括露光光学系１２からの光のフォーカスを検出する機構を一括露光光学系１２に設ける場合よりも、簡単な構成とすることができる。

このような光造形を行う光造形装置１１の各部は、例えば、光造形装置１１に内蔵されるコンピュータにより制御される。

即ち、図１１は、光造形装置１１の各部を制御するコンピュータの一実施の形態の構成例を示すブロック図である。

図１１のコンピュータにおいて、CPU（Central Processing Unit）１０１，ROM（Read Only Memory）１０２，RAM（Random Access Memory）１０３は、バス１０４により相互に接続されている。

バス１０４には、さらに、入出力インタフェース１０５が接続されている。入出力インタフェース１０５には、キーボード、マウス、マイクロホンなどよりなる入力部１０６、ディスプレイ、スピーカなどよりなる出力部１０７、ハードディスクや不揮発性のメモリなどよりなる記憶部１０８、ネットワークインタフェースなどよりなる通信部１０９、磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、或いは半導体メモリなどのリムーバブルメディア１１１を駆動するドライブ１１０が接続されている。

記憶部１０８には、例えば、ＣＡＤで作成された立体モデルの３次元形状データをＳＴＬに変換するプログラムや、ＳＴＬに変換された３次元形状データから立体モデルの断面形状データを作成するプログラム、立体モデルの断面形状データに基づいて、一括露光光学系１２およびビームスキャン光学系１３を制御するプログラムが記憶されている。

このようなコンピュータは、CPU１０１が、例えば、記憶部１０８に記憶されているプログラムを、入出力インタフェース１０５及びバス１０４を介して、RAM１０３にロードして実行し、通信部１０９を介して、光造形装置１１の各部を制御することで、光造形装置１１に光造形を実行させる。

例えば、反射光モニタ部４１が出力するフォーカス誤差信号が、通信部１０９を介してCPU１０１に供給されると、CPU１０１は、そのフォーカス誤差信号に基づいて、一括露光光学系１２からの光のフォーカスをあわせるために必要な空間光変調器２６の移動距離を算出し、その結果得られる移動距離を、駆動部２８に供給する。駆動部２８は、CPU１０１から供給される移動距離に基づいて、空間光変調器２６を移動させ、これにより、紫外線硬化樹脂５１の表面に照射される光のフォーカスが調整される。

また、駆動部２８と同様に、CPU１０１は、駆動部１５Ａおよび駆動部５４に対しても、必要に応じて制御を行い、紫外線硬化樹脂５１の表面に照射される光および光ビームのフォーカスを調整する。

次に、図１２は、光造形装置１１による光造形を行う処理を説明するフローチャートである。

例えば、光造形装置１１に、ＣＡＤで作成された立体モデルの３次元形状データが入力され、光造形を開始する操作が行われると、ステップＳ１１において、図１１のCPU１０１は、記憶部１０８に記憶されているプログラムを読み出して実行し、立体モデルの３次元形状データをＳＴＬに変換する。

ステップＳ１１の処理後、処理はステップＳ１２に進み、CPU１０１は、ＳＴＬに変換された３次元形状データから立体モデルの断面形状データを作成し、処理はステップＳ１３に進む。また、立体モデルの断面形状データを作成する際に、例えば、立体モデルの姿勢および向きが決定され、造形中における立体モデルの転倒を防止するための部材を造形するためのデータなどが作成される。

ステップＳ１３において、CPU１０１は、ステップＳ１２で作成された断面形状データのうちの、第１層目のデータに基づいて、露光すべき単位領域に応じて空間変調するように空間光変調器２６を制御し、所定の露光時間だけシャッタ２２を開放して、紫外線硬化樹脂５１を露光させる。ここで、光造形装置１１では、光造形の作業が行われる全領域を複数の小領域に分割して、小領域ごとに一括露光を行うタイリング方式により光造形が行われており、ステップＳ１３では、全ての小領域に対して、順次、一括露光が行われる。

ステップＳ１３の処理後、処理はステップＳ１４に進み、CPU１０１は、所定のビーム径で光ビームが照射されるようにビームエキスパンダ３４を制御し、シャッタ３６を開放して、断面形状データの第１層目のデータに基づいたビームスキャンが行われるように、ガルバノミラー３７および３８を制御する。ステップＳ１４の処理後、処理はステップＳ１５に進む。

ステップＳ１５において、反射光モニタ部４１は、ステップＳ１４で照射された光ビームの戻り光を検出し、その戻り光に基づいたフォーカス誤差信号をフォーカス調整レンズ４２に供給すると共に、図１１のコンピュータに供給し、処理はステップＳ１６に進む。

ステップＳ１６において、フォーカス調整レンズ４２は、反射光モニタ部４１からのフォーカス誤差信号に基づいて光ビームの平行度を調整し、これにより、ビームスキャン光学系１３から照射される光ビームの紫外線硬化樹脂５１の表面でのフォーカスを調整する。また、図１１のコンピュータのCPU１０１は、フォーカス誤差信号に基づいて、空間光変調器２６の移動距離を算出して駆動部２８に供給し、駆動部２８が空間光変調器２６を移動させることで、一括露光光学系１２から照射される光の紫外線硬化樹脂５１の表面でのフォーカスを調整する。

ステップＳ１６の処理後、処理はステップＳ１７に進み、CPU１０１は、ステップＳ１２で作成された全ての断面形状データに基づいた露光（一括露光およびビームスキャン露光）が行われたか否かを判定する。

ステップＳ１７において、CPU１０１が、全ての断面形状データに基づいた露光が行われていないと判定した場合、処理はステップＳ１３に戻り、直前のステップＳ１３乃至Ｓ１６で露光が行われた層の次の層の断面形状データを処理の対象として、以下、同様の処理が繰り返される。

一方、ステップＳ１７において、CPU１０１が、全ての断面形状データに基づいた露光が行われたと判定した場合、立体モデルが完成しており、処理は終了する。

このような光造形装置１１を用いて、マイクロチップや、コネクタ、マイクロカプセルなど、または、各種の微細な部品の試作品を造形することができる。

なお、本実施の形態においては、対物レンズ１５としてｆθレンズが用いられているが、対物レンズ１５としては、通常の集光機能を有するレンズを用いることができる。この場合、ガルバノミラー３７および３８の回転速度を制御することにより、光ビームを均一な走査線速度で走査させるようにビームスキャン光学系１３が構成される。また、光ビームをスキャンさせる手段としては、ガルバノミラー３７および３８以外に、ポリゴンミラー等を用いてもよい。

さらに、空間光変調器２６としては、透過型の液晶パネルの他、入力信号に応じて傾き角度が変化する微小な反射ミラーを複数配列してなるデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ：Digital Micromirror Device）や、反射型液晶素子（ＬＣＯＳ：Liquid Crystal On Silicon）等を用いてもよい。デジタルマイクロミラーデバイスを用いる場合、各マイクロミラーが１単位領域に対応し、偏光版２３を設けずに一括露光光学系１２を構成することができる。

また、図１１のコンピュータ（CPU１０１）が実行するプログラムは、例えば、磁気ディスク（フレキシブルディスクを含む）、光ディスク（CD-ROM(Compact Disc-Read Only Memory),DVD(Digital Versatile Disc)等）、光磁気ディスク、もしくは半導体メモリなどよりなるパッケージメディアであるリムーバブルメディア１１１に記録して、あるいは、ローカルエリアネットワーク、インタネット、デジタル衛星放送といった、有線または無線の伝送媒体を介して提供される。

そして、プログラムは、リムーバブルメディア１１１をドライブ１１０に装着することにより、入出力インタフェース１０５を介して、記憶部１０８にインストールすることができる。また、プログラムは、有線または無線の伝送媒体を介して、通信部１０９で受信し、記憶部１０８にインストールすることができる。その他、プログラムは、ROM１０２や記憶部１０８に、あらかじめインストールしておくことができる。

また、上述のフローチャートを参照して説明した各処理は、必ずしもフローチャートとして記載された順序に沿って時系列に処理する必要はなく、並列的あるいは個別に実行される処理（例えば、並列処理あるいはオブジェクトによる処理）も含むものである。また、プログラムは、１のCPUにより処理されるものであっても良いし、複数のCPUによって分散処理されるものであっても良い。

なお、本発明の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。

ビームスキャン方式について説明する図である。 本発明を適用した光造形装置の一実施の形態の構成例を示すブロック図である。 反射光モニタ部４１が出力するフォーカス誤差信号について説明する図である。 紫外線硬化樹脂５１の表面でのフォーカスの状態を表す図である。 対物レンズ１５を光軸方向に移動させることにより、フォーカスを調整する方法を説明する図である。 紫外線硬化樹脂５１の表面を光軸方向に移動させることにより、フォーカスを調整する方法を説明する図である。 フォーカス調整レンズ４２により光ビームの平行度を調整することにより、フォーカスを調整する方法を説明する図である。 フォーカス調整レンズ４２について説明する図である。 両側テレセントリックな光学系について説明する図である。 両側テレセントリックな光学系について説明する図である。 光造形装置１１の各部を制御するコンピュータの一実施の形態の構成例を示すブロック図である。 光造形装置１１による光造形を行う処理を説明するフローチャートである。

符号の説明

１１ 光造形装置， １２ 一括露光光学系， １３ ビームスキャン光学系， １４ 偏光ビームスプリッタ， １５ 対物レンズ， １５Ａ 駆動部， １６ ワーク部， ２１ 光源， ２２ シャッタ， ２３ 偏光版， ２４ ビームインテグレータ， ２５ ミラー， ２６ 空間光変調器， ２７ 集光レンズ， ２８ 駆動部， ３１ 光源， ３２ コリメータレンズ， ３３ アナモルフィックレンズ， ３４ ビームエキスパンダ， ３４Ａ 駆動部， ３５ ビームスプリッタ， ３６ シャッタ， ３７および３８ ガルバノミラー， ３９および４０ リレーレンズ， ４１ 反射光モニタ部， ４２ フォーカス調整レンズ， ５１ 紫外線硬化樹脂， ５２ 収容容器， ５３ 駆動部

Claims (9)

1. 立体モデルの断面形状データに応じた光を光硬化性樹脂の表面に照射して硬化層を形成し、前記硬化層を積層することにより前記立体モデルを造形する光造形装置において、
   前記光硬化性樹脂の表面への光の照射を所定の単位領域ごとにオン／オフし、前記光の照射がオンとされる複数の前記単位領域に一括して光を照射する一括露光手段と、
   前記一括露光手段から放射される光の前記光硬化性樹脂の表面でのフォーカスを調整する一括露光フォーカス調整手段と、
   所定の直径の光ビームを放射し、前記光硬化性樹脂の表面で前記光ビームを走査させる走査露光手段と、
   前記一括露光手段からの光を前記光硬化性樹脂の表面に結像させるとともに、前記走査露光手段からの光ビームを前記光硬化性樹脂の表面に集光させる対物レンズと
   を備え、
   前記一括露光手段が有する集光レンズと前記対物レンズとが、両側テレセントリックな光学系を形成している
   光造形装置。
2. 前記走査露光手段は、
   前記光硬化性樹脂の表面で反射する前記光ビームの戻り光を検出する検出手段と、
   前記検出手段により検出された戻り光に基づいて、前記走査露光手段から放射される光ビームの前記光硬化性樹脂の表面でのフォーカスを調整する光ビームフォーカス調整手段と
   を有する
   請求項１に記載の光造形装置。
3. 前記一括露光フォーカス調整手段は、前記検出手段により検出された戻り光に基づいて、前記一括露光手段から放射される光の前記光硬化性樹脂の表面でのフォーカスを調整する
   請求項２に記載の光造形装置。
4. 前記一括露光手段は、光源から放射された光を空間変調する空間光変調手段
   を有し、
   前記一括露光フォーカス調整手段は、前記空間光変調手段を通過する光の光軸方向に、前記空間光変調手段を移動させることにより、前記光のフォーカスを調整する
   請求項３に記載の光造形装置。
5. 前記一括露光フォーカス調整手段は、前記対物レンズを光軸方向に移動させることにより、前記光のフォーカスを調整する
   請求項３に記載の光造形装置。
6. 前記一括露光フォーカス調整手段は、前記光硬化性樹脂の表面を、前記一括露光手段から照射される光の光軸方向に移動させることにより、前記光のフォーカスを調整する
   請求項３に記載の光造形装置。
7. 前記光ビームフォーカス調整手段は、前記光ビームの平行度を調節することにより、前記光ビームのフォーカスを調整する
   請求項２に記載の光造形装置。
8. 前記光ビームフォーカス調整手段は、前記対物レンズを光軸方向に移動させることにより、前記光ビームのフォーカスを調整する
   請求項２に記載の光造形装置。
9. 前記光ビームフォーカス調整手段は、前記光硬化性樹脂の表面を、前記走査露光手段から照射される光ビームの光軸方向に移動させることにより、前記光ビームのフォーカスを調整する
   請求項２に記載の光造形装置。

Images