JP2021170050A - 光造形装置用光学系 - Google Patents

Abstract

【課題】光造形装置による高精度な造形を可能とする光造形装置用光学系を提供する。【解決手段】光造形装置用光学系１０は、光源１１と、光源１１から出射した光を反射させて造形面ＩＭに向けて走査する光走査部１６と、光走査部１６と造形面ＩＭとの間に配置され、光走査部１６で反射された光を集光する集光レンズ１７とを備える。集光レンズ１７の焦点距離をｆ、集光レンズ１７の造形面ＩＭ側の面の最大有効径における法線角をＡとしたとき、光造形装置用光学系１０は以下の条件式を満足する。ｆ≦２５ｍｍ、０．３＜ｃｏｓ（Ａ）。【選択図】図２

Description

本発明は、レーザ光源やＬＥＤ光源等の光源から出射された光を用いて光硬化性樹脂を固化させることによって所望の形状に造形する光造形装置に搭載されて好適な光造形装置用光学系に関する。

多品種少量生産、試作期間の短縮、開発コストの削減等を目的として付加製造技術、いわゆる３Ｄプリンターが注目されている。３Ｄプリンターは、ＣＡＤ等で作成された三次元データを設計図とし、その断面形状に基づいて材料を付着することによって３次元の物体を造形するものである。３Ｄプリンターの造形方式としては様々な方式がある。その中でも、光硬化性の樹脂をレーザなどの光で選択的に固体化させて造形する液漕光重合（光造形）は、微細で高精細な造形が可能である。

光造形方式を採用した３Ｄプリンターとしては、例えば特許文献１に記載の光造形装置が知られている。当該光造形装置に搭載の光学系は、光源、光強度変調器、ビームエキスパンダ、集光レンズおよび２個のガルバノミラーを有する。光源から出射した光は、光強度変調器、ビームエキスパンダおよび集光レンズを順次通過し、ガルバノミラーに入射する。ガルバノミラーはそれぞれミラーおよびアクチュエータを備えており、各ミラーは互いに直交する方向に回動する。ガルバノミラーの各ミラーによって順次反射された光は造形面上の光硬化性樹脂に照射され、光の照射された箇所が固化する。なお、この固化した層を積層することによって３次元の物体を造形することができる。

特開２０１７−９４５６３号公報

近年、光造形方式による造形対象の拡大に伴い、従来よりも高精細な造形が要求されている。例えば、回折光学素子（DOE：Diffractive Optical Element）において凹凸構造を忠実に再現するためには、従来以上の高精細な造形が必要となる。光造形においては、造形面に照射される光線の集光径、いわゆるスポット径を小さくすることにより高精細な造形が可能となるものの、その実現のためには様々な技術的課題がある。

特許文献１に記載の光造形装置の光学系では、光源から出射した光線がビームエキスパンダによって拡大され、当該拡大された光線が集光レンズに入射する。光線のビーム径を拡大することによって集光レンズのＮＡ（開口数）が大きくなるため、造形面に照射される光線のスポット径を小さくすることができる。しかしながら、集光レンズから造形面までの間には、光線を走査するためのガルバノミラーが配置されることから、集光レンズから造形面までの距離は必然的に長くなる。このため、特許文献１に記載の光学系では、造形面に照射される光線のスポット径を更に小さくすることが困難であり、造形精度の向上には限界があった。

本発明の目的は、高精細な光造形が可能な光造形装置用光学系を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明の光造形装置用光学系は、光源と、光源から出射した光を反射させて造形面に向けて走査する光走査部と、光走査部と造形面との間に配置され、光走査部で反射された光を集光する集光レンズとを備える。このような構成において本発明の光造形装置用光学系は、集光レンズの焦点距離をｆ、集光レンズの造形面側の面の最大有効径における法線角をＡとしたとき、次の条件式（１）および（２）を満足する。
ｆ≦２５ｍｍ （１）
０．３＜ｃｏｓ（Ａ） （２）

従来の光造形装置用光学系では集光レンズの焦点距離が長いため、造形面に照射される光線のスポット径を小さくすることが困難であった。一方、本発明に係る光造形装置用光学系においては、集光レンズを、光走査部と造形面との間に配置する。これにより、集光レンズを造形面に近づけることが可能となり、集光レンズの焦点距離を短くすることが可能となる。また、集光レンズのＮＡも小さくすることができるため、上記条件式（１）を満足することにより、造形面に照射される光線のスポット径を例えば１０μｍ以下にすることができる。よって、本発明に係る光造形装置用光学系によれば、光造形装置において高精細な造形を行うことができる。

しかしながら、光造形装置においては光硬化性樹脂に光を照射してその部分を固化させることにより造形することから、造形面に照射される光線のスポット径を小さくすることができても、造形面における光照射エネルギーの分布状態によっては高精細な造形を実現できない懸念がある。光照射エネルギーの低い箇所と高い箇所とで造形物の分解能は変わる。一般的にレンズの特性から、造形面の像高が高くなるにしたがって周辺光量比は低下する傾向にある。光照射エネルギーが、光硬化性樹脂の固化に要するエネルギーに達しない場合には造形物の輪郭が不鮮明となり、高精細な造形が困難となる。

そこで、本発明に係る光造形装置用光学系ではさらに上記条件式（２）を満足することにより、造形面に照射される光線の周辺光量比の低下を抑制する構成とした。これにより、造形面における光照射エネルギーの分布の均一化が図られるため、より高精細な造形が可能になる。なお、本明細書において法線角とは、集光レンズの光軸に直交する方向とレンズ面の法線方向との間の角度を意味するものとする。

上記構成の光造形装置用光学系においては、集光レンズが両凸レンズであり、集光レンズの光走査部側の面の曲率半径をＲ１、集光レンズの造形面側の面の曲率半径をＲ２としたとき、次の条件式（３）を満足することが望ましい。
１．０≦｜Ｒ１／Ｒ２｜ （３）

条件式（３）を満足することにより、集光レンズの造形面側の面における最大法線角の狭角化が抑制され、造形面上の周辺光量比の低下を好適に抑制できる。

上記構成の光造形装置用光学系においては、光源と光走査部との間にビーム整形ユニットをさらに備えることが望ましい。この場合、ビーム整形ユニットは、光源から入射する光線の横断面における短軸の長さをＤａ、長軸の長さをＤｂとしたとき、出射側において次の条件式（４）を満足するように短軸方向の光を拡散することが望ましい。
０．９＜Ｄａ／Ｄｂ＜１．２ （４）

ところで、光源から出射される光線の断面形状は円形でないことも多い。特に半導体レーザーはその構造上、光出射面の形状が矩形であることから、出射される光線の断面形状が楕円形になる。楕円形の光線が集光レンズに入射すると、造形面に照射される光線のスポット形状も楕円形となるため、造形効率が低下する。また、スポット形状が楕円形の場合にはスポット径の小径化も難しくなり、精細な造形を行うことが困難になる。上記条件式（４）を満足することにより、光源から出射された光線はビーム整形ユニットによって略円形に整形されるため、高精細な造形が可能となる。

上記構成の光造形装置用光学系においては、光走査部に反射ミラーを備え、ビーム整形ユニットから出射される光線の径と反射ミラーの径とを等しくすることが望ましい。反射ミラーで反射された光線は集光レンズによって造形面に集光される。光走査部に入射される光線の径を反射ミラーの径と等しくすることにより、光走査部の走査によって造形面上に連続的に照射される光スポットの間隔や大きさが適切に保たれ、より精細な造形が可能になる。

ビーム整形ユニットは、光源から出射した光線の入射側において長軸に沿って形成された凹面を有するとともに、出射側においては、長軸に沿って形成された凸面を有することが望ましい。

このような構成によれば、ビーム整形ユニットに入射した光線の短軸側の光は上記凹面によって拡大されるとともに、出射側では上記凸面によって集光される。このため、ビーム整形ユニットに入射した楕円形の光を、略円形の平行光として出射することができる。

本発明の光造形装置用光学系によれば、光造形装置において高精細な造形が可能となる。

一実施の形態に係る光造形装置用光学系を搭載した光造形装置の模式図である。 数値実施例１に係る光造形装置用光学系の概略構成を示す光路図である。 整形ユニットにおいて、入射光の長軸に沿って切断した断面図である。 整形ユニットにおいて、入射光の短軸に沿って切断した断面図である。 法線角を説明するための図である。 数値実施例２に係る光造形装置用光学系の概略構成を示す光路図である。 数値実施例３に係る光造形装置用光学系の概略構成を示す光路図である。 数値実施例４に係る光造形装置用光学系の概略構成を示す光路図である。

以下、本発明を具体化した一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。

本実施の形態に係る光造形装置用光学系は、レーザなどの光で光硬化性の樹脂を選択的に固体化させて造形する液漕光重合（光造形）方式を採用した光造形装置への搭載を想定している。

まず、光造形装置の概略構成について説明する。図１に示すように、光造形装置１は、光造形装置用光学系１０、ステージ２０、ステージ２０上に載置されたバット３０、バット３０に貯留された光硬化性樹脂４０、バット３０の上方に配置されたプラットフォーム５０を有する。ステージ２０において、バット３０の底面を挟んでプラットフォーム５０の造形面ＩＭと対向する位置には、造形面ＩＭと同程度の大きさの開口部が設けられている。光造形装置用光学系１０はステージ２０の開口部の下方に配置される。

造形に当たってプラットフォーム５０はバット３０内の光硬化性樹脂４０に浸漬される。光造形装置用光学系１０の光源１１から出射された光線はプラットフォーム５０の造形面ＩＭに対して走査され、造形面ＩＭにおいては光が照射された箇所が固化する。さらに、プラットフォーム５０を所定のピッチで連続的に引き上げることにより、固化した層が積層されて立体造形物６０を形成する。ここで、光硬化性樹脂４０の固化の状態は照射された光のスポット径、光エネルギーの強度やその分布状態等に左右される。光造形装置用光学系１０から出射される光線の形状等が光造形装置１における造形の精度を決めることになる。

図２および図６〜図８は、本実施の形態の数値実施例１〜４に係る光造形装置用光学系の概略構成を示す光路図である。いずれの数値実施例も基本的な構成は同一であるため、ここでは数値実施例１の光路図を参照しながら本実施の形態に係る光造形装置用光学系について説明する。

図２に示すように、本実施の形態に係る光造形装置用光学系１０は、光源１１から造形面ＩＭ側に向かって順に、コリメートレンズ１２、ビーム整形ユニット１３、第１の誘電体ミラー１４、第２の誘電体ミラー１５、光走査部１６および集光レンズ１７を備えて構成される。

光源１１としては様々な光源を適用することが可能であるが、発光効率の高いレーザ光源やＬＥＤ光源等の半導体光源を使用することが望ましい。その中でもレーザ光源は、単色性および指向性がよく、レンズによる集光によってエネルギー密度を高めることができる。本実施の形態では光源１１として、市場流通量が多くて信頼性も高い、波長４０５ｎｍのレーザ光源を使用している。コリメートレンズ１２は、当該光源１１から入射された光を平行光に変換してビーム整形ユニット１３に向けて出射する。

図３および図４に示すように、本実施の形態におけるビーム整形ユニット１３は、平凹のシリンドリカルレンズと平凸のシリンドリカルレンズとを、凸面と凹面の形成方向が一致するように平面側をそれぞれ接合したような形状を有する。なお、凹凸２枚のシリンドリカルレンズからビーム整形ユニット１３を構成するようにしてもよい。

本実施の形態では光源１１としてレーザ光源を用いているため、コリメートレンズ１２からは略楕円形状の平行光が出射される。ビーム整形ユニット１３は、このコリメートレンズ１２から入射される略楕円形状の光を略円形に整形する。詳しくは、ビーム整形ユニット１３は、入射する光線の横断面における短軸の長さをＤａ、長軸の長さをＤｂとしたとき、出射側において次の条件式を満足するように短軸方向の光を拡大する。
０．９＜Ｄａ／Ｄｂ＜１．２
なお、本実施の形態ではＤａおよびＤｂの値として半値幅を用いている。

ビーム整形ユニット１３について更に詳細に説明する。ビーム整形ユニット１３からは、上記条件式「０．９＜Ｄａ／Ｄｂ＜１．２」を満足する光線が出射される。例えば、ビーム整形ユニット１３に入力される光線の横断面における短軸の長さがＤａ＝０．４７ｍｍ、長軸の長さがＤｂ＝１．０１ｍｍのとき、短軸方向の光線は約２．１３倍に拡大される。この結果、ビーム整形ユニット１３の出射側における短軸の長さはＤａ＝１．００ｍｍ、長軸の長さがＤｂ＝１．０１ｍｍとなり、ビーム整形ユニット１３からは「Ｄａ／Ｄｂ＝１．０」となる光が出射されることになる。

図３に示すように、ビーム整形ユニット１３は、光線が入射する側の面（以下「入射面」という）が、長軸に沿って凹面形状に形成されるとともに、光線が出射する側の面（以下「出射面」という）においては、長軸に沿って凸面形状に形成されている。図３において、ビーム整形ユニット１３の入射側には入射光の概略形状を、出射側には出射光の概略形状をそれぞれ示す（図４においても同じ）。ビーム整形ユニット１３に入射した光のうち短軸方向の光は、凹面形状の入射面によって拡散されるとともに凸形状の出射面を通過することによって平行光として出射される。

一方、図４に示すように、短軸方向に沿ったビーム整形ユニット１３の断面形状を見ると、入射面および出射面ともに曲率半径が無限大、すなわち平面となっている。ビーム整形ユニット１３に入射した光のうち長軸方向の光は集光や拡散されることなく、そのまま平行光として出射される。

以上のように、ビーム整形ユニット１３では、入射した光のうち短軸方向の光のみが拡散されるため、ビーム整形ユニット１３からは略円形の平行光が出射される。

第１の誘電体ミラー１４および第２の誘電体ミラー１５はそれぞれ平面ミラーである。ビーム整形ユニット１３から出射した光は、まず第１の誘電体ミラー１４で反射され、続いて第２の反射ミラー１５で反射される。誘電体ミラー１４および１５によって光路を折り曲げることができるため、光造形装置用光学系１０を小型化することができる。誘電体ミラー１４および１５についてはどちらか一方、或いは両方とも省略することが可能である。数値実施例４は、誘電体ミラー１４および１５の両方とも省略した構成の例である。誘電体ミラー１４および１５を省略することにより、光造形装置用光学系１０の製造コストを抑制できる。

光走査部１６は、誘電体ミラー１５から入射された光線を走査する。光走査部１６は、反射ミラーとしての二次元ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラー１６ａを有する。二次元ＭＥＭＳミラー１６ａは電磁駆動式のミラーであり、二次元方向に動かすことができる。二次元ＭＥＭＳミラー１６ａで反射された光線は、二次元ＭＥＭＳミラー１６ａの動きに従って走査される。

上述した誘電体ミラー１４および１５は平面ミラーであるため、光走査部１６に入射する光の形状はビーム整形ユニット１３から出射された光の形状とほぼ同一となる。本実施の形態では、ビーム整形ユニット１３から出射される光線の径とＭＥＭＳミラー１６ａの径とがほぼ等しくなるように調整することにより、高精細な造形を可能としている。

なお、参考までにＭＥＭＳミラー１６ａの例を挙げる。ＭＥＭＳミラー１６ａの回転角を水平方向±１１．１°、垂直方向±６．８６°としたとき、走査範囲は水平方向４４．４°、垂直方向２７．４４°となる。ＭＥＭＳミラー１６ａの駆動周波数から像の分解能が決まる。例えば、７２０Ｐ（有効垂直解像度７２０本）である。

本実施の形態の集光レンズ１７は両凸レンズである。集光レンズ１７は以下の各条件式を満足する。
ｆ≦２５ｍｍ
０．３＜ｃｏｓ（Ａ）
１．０≦｜Ｒ１／Ｒ２｜
但し、
ｆ：集光レンズ１７の焦点距離、
Ａ：集光レンズ１７の造形面ＩＭ側の面の最大有効径における法線角、
Ｒ１：集光レンズ１７の光走査部１６側の面の曲率半径、
Ｒ２：集光レンズ１７の造形面ＩＭ側の面の曲率半径、
である。

ここで、法線角について説明する。図５に示すように、本実施の形態では、光軸に直交する方向（垂線）と法線の方向との間の角度を法線角Ａと定義する。なお、法線とはレンズ面の接線に垂直な線を言う。

本実施の形態では集光レンズ１７の両面を非球面で形成している。これら非球面の非球
面式を次式に示す。

但し、
Ｚ：光軸方向の距離、
Ｈ：光軸に直交する方向の光軸からの距離、
Ｃ：近軸曲率（＝１／ｒ、ｒ：近軸曲率半径）、
ｋ：円錐定数、
Ａｎ：第ｎ次の非球面係数、
である。

次に、本実施の形態に係る光造形装置用光学系の数値実施例を示す。各数値実施例においてＣｏはコリメートレンズ、Ｂｓはビーム整形ユニット、ＣＬは集光レンズをそれぞれ示し、それぞれにおいてＳ１は光源側の面、Ｓ２は造形面ＩＭ側の面を示す。また、各数値実施例において、ｆは集光レンズの焦点距離、ｒは曲率半径、φは最大有効径、ｔは光軸上の厚さ、ｎは屈折率をそれぞれ示す。

数値実施例１

ｃｏｓ（Ａ）＝０．３７４
Ｒ１＝１６０．７９１ｍｍ
Ｒ２＝−１１．８６５ｍｍ
｜Ｒ１／Ｒ２｜＝１３．５５１
Ｄａ（入射側）＝０．４７ｍｍ、Ｄｂ（入射側）＝１．０１ｍｍ
Ｄａ（出射側）＝０．９２ｍｍ、Ｄｂ（出射側）＝０．９９ｍｍ
Ｄａ／Ｄｂ＝０．９３
数値実施例１に係る光造形装置用光学系は各条件式を満足する。

数値実施例２

ｃｏｓ（Ａ）＝０．６２２
Ｒ１＝２８．８９３ｍｍ
Ｒ２＝−４．１９３ｍｍ
｜Ｒ１／Ｒ２｜＝６．８９１
Ｄａ（入射側）＝０．４７ｍｍ、Ｄｂ（入射側）＝１．０１ｍｍ
Ｄａ（出射側）＝０．９２ｍｍ、Ｄｂ（出射側）＝０．９９ｍｍ
Ｄａ／Ｄｂ＝０．９３
数値実施例２に係る光造形装置用光学系は各条件式を満足する。

数値実施例３

ｃｏｓ（Ａ）＝０．６５０
Ｒ１＝２７．８０１ｍｍ
Ｒ２＝−３．１１２ｍｍ
｜Ｒ１／Ｒ２｜＝８．９３３
Ｄａ（入射側）＝０．４７ｍｍ、Ｄｂ（入射側）＝１．０１ｍｍ
Ｄａ（出射側）＝０．９２ｍｍ、Ｄｂ（出射側）＝０．９９ｍｍ
Ｄａ／Ｄｂ＝０．９３
数値実施例３に係る光造形装置用光学系は各条件式を満足する。

数値実施例４

ｃｏｓ（Ａ）＝０．５４１
Ｒ１＝５．１７０ｍｍ
Ｒ２＝−４．２３３ｍｍ
｜Ｒ１／Ｒ２｜＝１．２２１
Ｄａ（入射側）＝０．４７ｍｍ、Ｄｂ（入射側）＝１．０１ｍｍ
Ｄａ（出射側）＝０．９２ｍｍ、Ｄｂ（出射側）＝０．９９ｍｍ
Ｄａ／Ｄｂ＝０．９３
数値実施例４に係る光造形装置用光学系は各条件式を満足する。

本実施の形態では１枚のシリンドリカルレンズを用いてビーム整形ユニットを構成しているが、シリンドリカルレンズではなく、回折光学素子を用いてビーム整形ユニットを構成するようにしてもよい。このように構成すれば、光路長を短くできるため、光造形装置用光学系を更に小型化することができる。

本実施の形態に係る光造形装置用光学系の搭載先は光造形装置に限定されるものではない。照射される光の形状、強度や分布状態が精度に影響を及ぼすような造形機、加工機、測定機であれば、本発明に係る光造形装置用光学系を適用することができる。

したがって、上記実施の形態に係る光造形装置用光学系を光造形装置に適用した場合、従来にも増して当該光造形装置による高精細な造形が可能となる。

本発明は、高精細な造形を行う光造形装置に搭載される光学系として適用できる。

１ 光造形装置
１０ 光造形装置用光学系
１１ 光源
１２ コリメートレンズ
１３ ビーム整形ユニット
１４ 第１誘電体ミラー
１５ 第２誘電体ミラー
１６ 光走査部
１６ａ ＭＥＭＳミラー
１７ 集光レンズ
２０ ステージ
３０ バット
４０ 光硬化性樹脂
５０ プラットフォーム
６０ 立体造形物

Claims (4)

1. 光源と、
   前記光源から出射した光を反射させて造形面に向けて走査する光走査部と、
   前記光走査部と前記造形面との間に配置され、前記光走査部で反射された光を集光する集光レンズとを備え、
   前記集光レンズの焦点距離をｆ、前記集光レンズの前記造形面側の面の最大有効径における法線角をＡとしたとき、
   ｆ≦２５ｍｍ、
   ０．３＜ｃｏｓ（Ａ）、
   を満足する光造形装置用光学系。
2. 前記集光レンズは両凸レンズであり、
   前記集光レンズの光走査部側の面の曲率半径をＲ１、前記集光レンズの造形面側の面の曲率半径をＲ２としたとき、
   １．０≦｜Ｒ１／Ｒ２｜、
   を満足する請求項１に記載の光造形装置用光学系。
3. 請求項１または２に記載の光造形装置用光学系において、
   前記光源と前記光走査部との間にビーム整形ユニットをさらに備え、
   前記ビーム整形ユニットは、前記光源から入射する光線の横断面における短軸の長さをＤａ、長軸の長さをＤｂとしたとき、
   ０．９＜Ｄａ／Ｄｂ＜１．２、
   を出射側において満足するように前記短軸方向の光を拡散する、
   光造形装置用光学系。
4. 前記ビーム整形ユニットは、前記光源から出射した光線の入射側において前記長軸に沿って形成された凹面を有するとともに、出射側においては前記長軸に沿って形成された凸面を有する、
   請求項３に記載の光造形装置用光学系。

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