JP4092091B2 - 光造形装置及び方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光造形装置及び方法にかかり、特に、光の照射により硬化する光硬化性物質へ光を照射することにより構造物を造形する光造形装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光を照射した部分が硬化する性質を有する光硬化性樹脂を用い、光の照射位置を所定のパターンに沿って移動させ、３次元の構造物を作成する光造形法が知られている（特開昭５６−１４４４７８号公報参照）。光硬化性樹脂は、光吸収によって樹脂中のモノマーが重合し、ポリマー化して硬化する。ポリマー化した部分は、固体化するため、未硬化の液状部分を取り除くことによって、３次元の構造物を作成できる。この光造形では、光硬化性樹脂は、紫外線波長（３００ｎｍ〜４００ｎｍ）に大きな吸収を有し、紫外線レーザや紫外線ランプを光源に用いて光造形を行っている。
【０００３】
ところが、従来の紫外線照射による光造形法（以下、紫外線照射光造形法という）では、高速の造形が可能であるが、加工精度が低いことが知られている。すなわち、紫外線照射光造形法では集光点以外での光が照射されている部分においても光を吸収し硬化反応が起こるため、加工精度が低く（１０〜数１０μｍ）、また、積層構造しか作成することができない。
【０００４】
そこで、造形を高精度化するために、近年、紫外線ではなく、吸収波長の２倍の波長（６００ｎｍ〜８００ｎｍ）を有する光を照射し、２光子吸収現象によって光を吸収させ、同様に３次元の構造物を作成する造形法（以下、２光子吸収光造形法という）が提案されている（特公昭６３−４０６５０号公報参照）。
【０００５】
２光子吸収現象は、吸収量が光強度の２乗に比例する非線形吸収特性を有し、高い３次元の空間分解能を有する。この特徴を生かして、通常の光造形に比べて、より微細な構造の作成が実現できる。一般的に２光子吸収光造形は３次元の構造物を作成するため、構造物を点の集合に分解し１点づつ照射位置をずらして硬化させるか、または光を照射したまま、集光スポットを移動させ、線の集まりによって構造物を作成する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、点硬化または線硬化の何れの場合であっても単位体積を硬化させるには、一定以上の光エネルギを吸収させることが必要である。特に、２光子吸収現象は、紫外線照射光造形法による吸収に比較して、吸収確率が小さい。光源の出力を高めれば、時間短縮することが可能であるが、一定の出力以上では、アブレーションの発生などにより、樹脂を破壊する場合があった。
【０００７】
これにより、大きなサイズの構造物を大量に作成するには、２光子吸収現象を利用した２光子吸収光造形法では、スループットが低く、実用的に問題となり、作成時間の短縮化が叫ばれている。
【０００８】
本発明は、上記事実を考慮して、簡単かつ短時間で高精度の構造物を光造形することができる光造形装置及び方法を得ることが目的である。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１の発明は、容器内に収容されかつ光の照射により硬化する光硬化性物質へ、前記光硬化性物質の硬化に必要なエネルギレベルの光を照射することにより構造物を造形する光造形装置において、前記光硬化性物質へ第１の光を照射する第１光源と、多光子吸収現象が生じる第２の光を前記光硬化性物質へ照射する第２光源と、を有する光源手段と、前記第１の光及び第２の光の光エネルギが前記光硬化性物質の硬化に必要なエネルギレベルとなるべく集光する集光手段と、前記容器内において前記集光手段による集光位置を変更する変更手段と、造形されるべき所定形状の構造物について、前記構造物の少なくとも一部のサイズを前記所定形状の構造物のサイズから予め定めた小さなサイズとなるように前記第１の光源による光の照射及び前記集光位置の変更の前処理の後に、前記予め定めた小さなサイズから前記所定形状になるまで前記第２の光源による光の照射及び前記集光位置の変更の本処理を行うように制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１０】
本発明の光造形装置は、容器内に収容されかつ光の照射により硬化する光硬化性物質へ、前記光硬化性物質の硬化に必要なエネルギレベルの光を照射することにより構造物を造形する。光硬化性物質へ照射する光は、光源手段が有する第１光源と第２光源から照射される。第１光源は、光硬化性物質へ第１の光を照射する。第２光源は、多光子吸収現象、例えば２光子吸収現象が生じる第２の光を光硬化性物質へ照射する。光源手段から照射された光は、集光手段によって容器内における光硬化性物質で集光される。この場合、第１の光及び第２の光の光エネルギが光硬化性物質の硬化に必要なエネルギレベルとなるべく集光される。容器内における集光位置は、変更手段によって変更される。その集光位置の変更及び光源手段は、制御手段により制御される。制御手段は、造形されるべき所定形状の構造物について、構造物の少なくとも一部のサイズを所定形状の構造物のサイズから予め定めた小さなサイズとなるように第１の光源による光の照射及び集光位置の変更の前処理を行うように制御する。この後、制御手段は、予め定めた小さなサイズから所定形状になるまで第２の光源による光の照射及び集光位置の変更の本処理を行うように制御する。すなわち、前処理では、粗い造形がなされ、本処理では微細な造形がなされる。これによって、微細な構造物を短時間で造形することができる。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の光造形装置において、前記変更手段は、前記光源手段からの光の集光位置を２次元的に走査する走査手段と、前記走査面と交差する方向に前記集光位置及び前記光硬化性物質の位置の少なくとも一方の位置を移動する移動手段と、から構成したことを特徴とする。
【００１２】
焦点位置は、構造物の形状に併せて変更されることが好ましい。そこで、集光位置を３次元的に変更するため、変更手段が走査手段と移動手段により焦点位置の変更を分離することで、焦点位置の変更が容易となる。すなわち、走査手段は、光源手段からの光の集光位置を２次元的に走査する。移動手段は、走査面と交差する方向に集光位置及び前記光硬化性物質の位置の少なくとも一方の位置を移動する。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の光造形装置において、前記光源手段は、前記第１光源の光と前記第２光源の光との何れか一方の光の照射に切り換える切換手段を含むことを特徴とする。
【００１４】
第１光源の光と第２光源の光が、共に光硬化性物質に照射されたのでは、第１光源の光による作用と第２光源の光による作用が同時に生じ好ましくない。そこで、第１光源の光と第２光源の光との何れか一方の光の照射に切り換える切換手段を光源手段が含むことにより各々の光源の作用を分離することが可能になる。
【００１５】
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の光造形装置において、前記第１光源は、紫外波長域の波長の光を照射することを特徴とする。
【００１６】
第１光源として、紫外波長域の波長の光を照射する光源を用いることで、一般的な光硬化性物質を用いるすることができ、光造形装置の汎用性が向上する。
【００１７】
請求項５に記載の発明は、請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の光造形装置において、前記第２光源は、高調波発生素子を含み、前記第１光源から照射された光を前記多光子吸収現象が生じる第２の光として照射することを特徴とする。
【００１８】
第２光源は、多光子吸収現象が生じる第２の光を照射するが、第１光源と別個の光源を用いたのでは、装置が大型化する。そこで、第２光源として、ＳＨＧなどの高調波発生素子を用い、第１光源から照射された光を、高調波発生素子の作動によって多光子吸収現象が生じる第２の光として照射すれば、光源を兼用することができ、装置を小型化することが可能となる。
【００１９】
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の光造形装置において、前記切換手段は、前記第１光源の光を透過する第１光学フィルタと前記第２光源の光を透過する第２光学フィルタとの何れかの光学フィルタに交換する交換手段であることを特徴とする。
【００２０】
第２光源として、ＳＨＧなどの高調波発生素子を用いた場合、第１光源の光と第２光源の光は接近またはほぼ合波され、分離することが困難な場合がある。そこで、前記切換手段として、前記第１光源の光を透過する第１光学フィルタと前記第２光源の光を透過する第２光学フィルタとの何れかの光学フィルタに交換する交換手段で構成すれば、第１光源の光と第２光源の光を容易に分離して用いることができる。
【００２１】
前記光造形装置の機能は、次の光造形方法により容易に達成できる。詳細には、請求項７にも記載したように、容器内に収容されかつ光の照射により硬化する光硬化性物質へ、前記光硬化性物質の硬化に必要なエネルギレベルの光を照射することにより構造物を造形する光造形方法において、前記光硬化性物質へ照射する第１の光、及び前記光硬化性物質へ照射する多光子吸収現象が生じる第２の光の光エネルギが前記光硬化性物質の硬化に必要なエネルギレベルとなるべく集光し、造形されるべき所定形状の構造物について、前記構造物の少なくとも一部のサイズを前記所定形状の構造物のサイズから予め定めた小さなサイズとなるように前記第１の光を照射した後に、前記予め定めた小さなサイズから前記所定形状になるまで前記第２の光を照射すると共に、前記集光位置を前記容器内において変更することによって、前記所定形状の構造物を造形することを特徴とする。
【００２２】
請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の光造形方法であって、前記集光位置を２次元的に走査すると共に、前記走査面と交差する方向に前記集光位置及び前記光硬化性物質の位置の少なくとも一方の位置を移動することにより、前記集光位置を前記容器内において変更することを特徴とする。
【００２３】
請求項９に記載の発明は、請求項７または請求項８に記載の光造形方法であって、前記光硬化性物質へ照射するときは、前記第１の光と前記第２の光との何れか一方の光の照射に切り換えることを特徴とする。
【００２４】
請求項１０に記載の発明は、請求項７乃至請求項９の何れか１項に記載の光造形方法であって、前記第１の光は、紫外波長域の波長の光であることを特徴とする。
【００２５】
請求項１１に記載の発明は、請求項７乃至請求項１０の何れか１項に記載の光造形方法であって、前記第２の光は、前記第１の光から高調波発生現象により生じた前記多光子吸収現象が生じる光であることを特徴とする。
【００２６】
請求項１２に記載の発明は、請求項１１に記載の光造形方法であって、前記光硬化性物質へ照射するときは、前記第１の光を透過する第１光学フィルタと前記第２の光を透過する第２光学フィルタとの何れかの光学フィルタに交換することを特徴とする。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態の一例を詳細に説明する。本実施の形態は、光造形装置に本発明を適用したものである。
【００２８】
光造形によって、単位体積を硬化させるには、一定以上の光エネルギを吸収させることが必要である。特に、２光子吸収現象は、通常の光吸収にくらべて、吸収確率が小さい。従って、光源の出力を高めることによって、時間短縮することが可能であるが、一定の出力以上では、アブレーションの発生などにより、樹脂を破壊してしまう。本発明者らは、実験により、実用的な光源出力範囲で、２光子吸収光造形法による樹脂の硬化のためには、約０．０１ｓ／μｍ3以上程度の照射時間が必要であることを見いだした。従って、体積Ｖ（μｍ3）の構造物を作成するためには、少なくとも、Ｖ×０．０１（ｓ）の時間が必要である。
【００２９】
この２光子吸収光造形法では、大きなサイズの構造物を大量に作成するには、スループットが低く、実用的に問題となり、作成時間の短縮化が叫ばれている。
【００３０】
一方、紫外線照射光造形法では、２光子吸収と同一のパワーの光を照射した場合に、単位体積あたり、１ｅ-8ｓ／μｍ3の速度で樹脂を硬化させることが可能であり、２光子吸収光造形に比較して、桁違いに高速である。ところが、紫外線照射光造形法では集光点以外での光を照射している部分の至るところで光を吸収し硬化反応が起こるため、２光子吸収光造形に比べて、加工精度が劣る（１０〜数１０μｍ）。
【００３１】
そこで、本実施の形態では、紫外線照射光造形法による粗い光造形を実施した後に、２光子吸収光造形法による光造形を連続して行うことによって、高速かつ高精度の光造形を実現する。
【００３２】
図１には、本発明が適用可能な第１実施の形態にかかる光造形装置１０の概略構成を示した。本実施の形態の光造形装置１０は、第１レーザ光源１２及び第２レーザ光源１４から構成された光源部１６を備えている。なお、これら第１レーザ光源１２及び第２レーザ光源１４から構成された光源部１６は、予め定めたパターンに従って光造形するための過程を制御する制御装置５０に接続されている（図２）。
【００３３】
第１レーザ光源１２は、従来の紫外線照射光造形法による光造形を実施するための光源であり、本実施の形態では、発振波長３２５ｎｍで出力１０ｍＷのＨｅ−Ｃｄレーザを用いている。なお、本実施の形態では紫外線照射光造形法による第１レーザ光源１２に、レーザ光源を用いた場合を説明するが、本発明はこれに限定されるものではなく、紫外線波長域の光を射出する光源であればよい。例えば、Ｎｄ：ＹＡＧ−３倍高調波のレーザや、水銀ランプなどの放電灯を用いても良い。
【００３４】
第２レーザ光源１４は、２光子吸収光造形法による光造形を実施するための光源であり、本実施の形態では、Ｔｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅパルスレーザを用いている。このＴｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅパルスレーザは、発振波長７００ｎｍ、パルス幅１００ｆｓ（フェムト秒）、繰返周波数１００ＭＨｚで発振するパルスレーザであり、平均出力１０ｍＷを得ることができる。なお、本実施の形態では、２光子吸収光造形法による第２レーザ光源１４として、Ｔｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅパルスレーザを用いた場合を説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。第２レーザ光源１４は、２光子吸収光造形法による光造形が生じる光源であればよいが、Ｔｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅパルスレーザを用いれば、短パルスで出力ピークを高くでき、効率的に２光子吸収現象を生じさせることができる。
【００３５】
第１レーザ光源１２の射出側にはダイクロイックミラー１８が設けられており、第２レーザ光源１４の射出側には反射ミラー２２が設けられている。ダイクロイックミラー１８は、第１レーザ光源１２が射出したレーザビームを反射すると共に第２レーザ光源１４が射出したレーザビームを透過するものであり、具体的には、波長が７００ｎｍ近傍の光を透過しかつ波長が３２５ｎｍ希望の光を反射するものである。反射ミラー２２は、少なくとも第２レーザ光源１４から射出されたレーザビームを反射できれば良く、具体的には、波長が７００ｎｍ近傍の光を反射するものである。
【００３６】
ダイクロイックミラー１８には、反射光を光軸と交差する２軸方向に偏向するための第１駆動部２０に取り付けられている。これは、スポット光を２次元的に走査するためである。同様に、反射ミラー２２には、反射光を光軸と交差する２軸方向に偏向するための第２駆動部２４に取り付けられている。
【００３７】
ダイクロイックミラー１８及び反射ミラー２２の反射側には、光変調機構２６及び集光レンズ２８が順に設けられている。
【００３８】
光変調機構２６は、通過するレーザビームを遮光または透光に切換るものであり、本実施の形態では、音響光学変調素子（ＡＯＭ）を用いて説明するが、本発明はこれに限定されるものではなく、通過するレーザビームを遮光または透光に切換可能な機構を有するものであればよい。例えば、機械的に遮光または開放するメカニカルシャッタ、電気光学効果により遮光または透光に切換る電気光学変調素子（ＥＯＭ）、液晶により遮光または透光に切換るＬＣＤシャッタなどを用いることができる。
【００３９】
集光レンズ２８は、入射されたレーザビームをスポット状に集光するためのものであり、集光レンズ２８を光軸に沿う方向に移動調整するための移動機構３０に取り付けられている。本実施の形態では、集光レンズ２８は、Ｎ．Ａ．が０．８のレンズ系を用いている。なお、上記ダイクロイックミラー１８及び反射ミラー２２の反射角度の偏向及び集光レンズ２８の移動調整による集光位置の調整は、集光点移動機構として機能する。
【００４０】
なお、上記では、第１レーザ光源１２及び第２レーザ光源１４からのレーザビームを単一の集光レンズ２８で集光する場合を説明するが、本発明はこれに限定されるものではなく、各々のレーザビームを独立した光学系として構成してもよい。
【００４１】
集光レンズ２８の集光側には、デスク（ベース板４６）上に載置された容器４０が位置している。ベース板４６の所定位置に容器４０が載置される。ベース板４６には、上下動機構４８が設けられている。上下動機構４８は、支柱３８，アーム３６，ポール３４，支持板３２，上下駆動部４４から構成されている。
【００４２】
すなわち、ベース板４６上に、容器４０の上方に位置するアーム３６が取り付けられた支柱３８が固定され、アーム３６の先端部には、造形物を保持するための支持板３２が取り付けられたポール３４が上下動可能に軸支される。ポール３４の上下動は、上下駆動部４４によりなされる。この支持板３２は、容器４０内に収容される光硬化性樹脂４２に埋没可能であり、容器４０の上下動によって、支持板３２と光硬化性樹脂４２の液面との間隔を調整できる。すなわち、上下動機構４８の稼働によって支持板３２が上下動され、これに伴って容器４０が上下動される。なお、支持板３２は、ほぼ透明な平坦な板であればよく、例えば硝子やアクリルなどの平板を用いることができる。
【００４３】
図２に示すように、制御装置５０は、第１レーザ光源１２及び第２レーザ光源１４に接続しており、第１レーザ光源１２及び第２レーザ光源１４の各々のレーザビームの射出を制御する。また、ダイクロイックミラー１８の反射角度を偏向するための第１駆動部２０及び反射ミラー２２の反射角度を偏向するための第２駆動部２４も制御装置５０に接続されている。さらに、光変調機構２６、移動機構３０及び上下駆動部４４も、制御装置５０に接続されている。なお、制御装置５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを含むコンピュータを備えた構成とされ、後述する処理ルーチンによって各部の駆動を制御して造形処理するためのものである。
【００４４】
なお、制御装置５０には、記録媒体としてのフロッピーディスク（ＦＤ）が挿抜可能なフロッピーディスクユニット（ＦＤＵ）を備えることができる。なお、後述する処理ルーチン等は、ＦＤＵを用いてフロッピーディスクＦＤに対して読み書き可能である。従って、後述する処理ルーチンは、予めＦＤに記録しておき、ＦＤＵを介してＦＤに記録された処理プログラムを実行してもよい。また、制御装置５０にハードディスク装置等の大容量記憶装置（図示省略）を接続し、ＦＤに記録された処理プログラムを大容量記憶装置（図示省略）へ格納（インストール）して実行するようにしてもよい。また、記録媒体としては、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ等の光ディスクや、ＭＤ，ＭＯ等の光磁気ディスクなどのディスク、ＤＡＴ等の磁気テープがあり、これらを用いるときには、上記ＦＤＵに代えてまたはさらにＣＤ−ＲＯＭ装置、ＤＶＤ装置、ＭＤ装置、ＭＯ装置、テープデッキ等を用いればよい。
【００４５】
次に、本実施の形態にかかる光造形法による構造物の造形のプロセスを説明する。本実施の形態では、構造物を、紫外線照射光造形法によって粗く造形し、この後に２光子吸収光造形法によって微細に造形する。
【００４６】
図３に示す処理ルーチンが、制御装置５０で実行される。先ず、ステップ１００では、造形する構造物の構造データを読み取る。この構造データは、構造物をを数値解析上の造形モデルに落とし込むために利用されるＣＡＤデータやスキャンデータがあり、ステップ１００では、この構造データから造形モデルを作成する。この造形モデルは、造形モデルを数値的・解析的手法に基づいて作成されたコンピュータプログラムヘのインプットデータ形式に数値化したものをいう。
【００４７】
次のステップ１０２では、造形モデルを格子状に分解する。ここでは、予め定めた大きさの空間（本実施の形態では、容器４０）を、１０μｍを一辺とする立方体の分解ブロックとなるように分割する。この予め定めた大きさの空間は、造形されるべき構造物の造形モデルを完全に含有する体積である。そして、この空間内に造形モデルを設置したときに、造形モデルを格子状に分解したことに相当され、上記の分解ブロックの位置と、造形モデルとの位置の対応関係を求めることができる。次のステップ１０４では、造形モデル内に完全に含まれる分解ブロックを抽出する。
【００４８】
次のステップ１０６では、支持板３２の上面と光硬化性樹脂４２の液面との間隔が１０μｍになるように、上下駆動部４４を駆動させる制御信号を出力する。これは、本実施の形態における紫外線照射光造形法による造形量が１０μｍを一辺とする立方体（１０００μｍ3）であることに起因する。このため、紫外線照射光造形法による造形量に応じて、ステップ１０２の値を変更することが可能である。次のステップ１０８では、紫外線照射光造形法による光造形をするために、第１レーザ光源１２からレーザビームが射出されるように第１レーザ光源１２を駆動させる制御信号を出力する。なお、この時点では、制御装置５０は、レーザビームを遮光するように光変調機構２６へ制御信号を出力する。
【００４９】
次のステップ１１０では、上記ステップ１０４で抽出した分解ブロックのうち、最下層の分解ブロックの光造形を実施する。ここでは、第１駆動部２０及び移動機構３０へ制御信号を出力することで、２次元面内の光硬化性樹脂４２へレーザビームを照射し、硬化させる。また、分解ブロックの位置（パターン）に応じて、制御装置５０は、レーザビームを透光するように光変調機構２６へ制御信号を出力する。
【００５０】
次のステップ１１２では、造形モデルの全ての層について造形が終了したか否かを判断し、否定されると、ステップ１１４へ進む。ステップ１１４では、造形を完了した層を最下層とするべく、造形上面と液面との間隔が１０μｍになるように、上下駆動部４４を駆動させる制御信号を出力した後にステップ１１０へ戻り、上記処理を繰り返す。
【００５１】
一方、紫外線照射光造形法による造形が完了すると、ステップ１１２で肯定され、ステップ１１６へ進み、造形モデルを微細な格子状に分解する。ここでは、予め定めた大きさの空間（本実施の形態では、容器４０）を、１μｍを一辺とする立方体の微細ブロックとなるように分割する。上記と同様に、この空間内に造形モデルを設置したときに、造形モデルを微細な格子状に分解したことに相当され、上記の分解ブロックの位置と、造形モデルとの位置の対応関係を求めることができる。次のステップ１１８では、造形モデル内に完全に含まれかつ上記分解ブロックに含まれない微細ブロックを抽出する。
【００５２】
なお、微細ブロックの抽出は、造形モデル内に完全に含まれることに限定さない。例えば、微細ブロックの一部が造形モデルの外部に存在する場合、微細ブロックの体積に対する突出量の比率が、予め定めた比率以下のものを抽出するようにしてもよい。
【００５３】
次のステップ１２０では、支持板３２の上面と光硬化性樹脂４２の液面との間隔が１μｍになるように、上下駆動部４４を駆動させる制御信号を出力する。これは、本実施の形態における２光子吸収光造形法による造形量すなわち精度が約１μｍ3であることに起因する。このため、２光子吸収光造形法による造形量に応じて、ステップ１２０の値を変更することが可能である。次のステップ１２２では、２光子吸収光造形法による光造形をするために、第２レーザ光源１４からレーザビームが射出されるように第２レーザ光源１４を駆動させる制御信号を出力する。すなわち、第１レーザ光源１２から第２レーザ光源１４へレーザービームの射出を切り換える。なお、この時点では、制御装置５０は、レーザビームを遮光するように光変調機構２６へ制御信号を出力する。
【００５４】
次のステップ１２４では、上記ステップ１１８で抽出した微細ブロックのうち、最下層の微細ブロックの光造形を実施する。ここでは、第２駆動部２４及び移動機構３０へ制御信号を出力することで、２次元面内の光硬化性樹脂４２へレーザビームを照射し、硬化させる。また、分解ブロックの位置（パターン）に応じて、制御装置５０は、レーザビームを透光するように光変調機構２６へ制御信号を出力する。
【００５５】
次のステップ１２６では、造形モデルの全ての層について造形が終了したか否かを判断し、否定されると、ステップ１２８へ進む。ステップ１２８では、造形を完了した層を最下層とするべく、造形上面と液面との間隔が１μｍになるように、上下駆動部４４を駆動させる制御信号を出力した後にステップ１２４へ戻り、上記処理を繰り返す。
【００５６】
一方、２光子吸収光造形法による造形が完了すると、ステップ１２６で肯定され、ステップ１３０へ進み、洗浄処理する。すなわち、硬化した光硬化性樹脂４２を取り出し、未硬化部に可溶でかつ硬化部に不溶な溶剤、例えばメタノールを吹きかけたり埋没させたりして、未硬化の光硬化性樹脂４２を洗い流す。
【００５７】
このように本実施の形態では、紫外線照射光造形法による粗い光造形を実施した後に、２光子吸収光造形法による微細な光造形を連続して行うので、紫外線照射光造形法による高速処理を実現しつつ２光子吸収光造形法による微細構造造形を可能とする光造形を実現することができる。
【００５８】
なお、本実施の形態では、光硬化性樹脂４２の液面から光硬化性樹脂４２を硬化させる場合を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、透明な容器を用いて、その容器を隔てて支持板の底面に最上層から積層するように構成することもできる。
【００５９】
本実施の形態の光造形によって、造形した構造物の作成例を説明する。
【００６０】
図４には、作成した構造物の概要を示した。図４（Ａ）は構造物の外観を示す矢視図であり、図４（Ｂ）は一部拡大図である。この構造物は、一辺が５ｍｍの四角形状で、厚さが１００μｍの基板上に、５μｍピッチで幅１μｍ、高さ１μｍの隆起をストライプ状に形成したものである。この構造は、回折格子として知られる分光などの目的に用いられるものである。
【００６１】
図４に示す構造は、その精度の高さから、紫外線照射光造形法による粗い光造形の実施では、得ることができなかった。一方、２光子吸収光造形法による微細な光造形の実施では、加工精度は充分であるが、実用的な造形時間で構造物を得ることができなかった。
【００６２】
すなわち、図４の構造物の体積は、基板部が２．５ｅ9（μｍ3）＝５０００×５０００×１００であり、ストライプ部が５ｅ6（μｍ3）＝１×１×５０００である。従って、２光子吸収光造形法によって造形すると、基板部の造形時間が支配的となり、２．５ｅ9（μｍ3）×０．０１（ｓ／μｍ3）＝２．５ｅ7（ｓ：秒）＝２８９（ｄａｙ：日）を必要とする。
【００６３】
一方、本実施の形態を適用すると、基板部の造形に紫外線照射光造形法を用い、ストライプ部の造形に２光子吸収光造形法を用いる。その造形時間は、基板部分が２．５ｅ9（μｍ3）×１ｅ-8（ｓ／μｍ3）＝２５（ｓ：秒）で、ストライプ部が５ｅ6（μｍ3）×０．０１（ｓ／μｍ3）＝１４（ｈ：時間）となり、ほぼ１４時間という短時間で必要とする精度の構造物を造形することができる。
【００６４】
次に、第２実施の形態を説明する。なお、本実施の形態は、上記実施の形態とほぼ同様の構成であるため、同一部分には同一符号を付して詳細な説明を省略する。
【００６５】
上記実施の形態では、紫外線照射光造形法による光造形のための光源と、２光子吸収光造形法による光造形のための光源を、各々別途備えて、レーザビームを射出するように構成したが、２種類の光源を備えることはコスト高になり、光造形装置１０全体としては好ましくない。そこで、本実施の形態では、単一光源を利用して紫外線照射光造形法による高速処理を実現しつつ２光子吸収光造形法による微細構造造形を可能とする光造形を実現するものである。
【００６６】
図５及び図６には、本発明が適用可能な第２実施の形態にかかる光造形装置１０の概略構成を示した。本実施の形態の光造形装置１１は、光源部１６として第２レーザ光源１４のみから構成する。すなわち、第２レーザ光源１４は、２光子吸収光造形法による光造形を実施するための光源であり、発振波長７００ｎｍのパルスレーザを用いる。従って、第１レーザ光源１２、ダイクロイックミラー１８及び第１駆動部２０という第１レーザ光源１２に属する構成は全て不要である。
【００６７】
第２レーザ光源１４の射出側には、波長変換部５８が設けられている。波長変換部５８は、第２レーザ光源１４から射出された７００ｎｍのレーザビームの一部を、３５０ｎｍのレーザビームへ変換する光学素子である。この波長変換部５８によって、そのまま通過するＳＨＧ変換されないレーザビームとＳＨＧ変換されたレーザビームとがほぼ同軸上を伝播されることになる。例えば、波長変換部５８には、第２高調波（ＳＨＧ）を発生する非線形光学結晶があり、素子の一例としてはＢＢＯがある。このＢＢＯにより７００ｎｍのレーザビームから３５０ｎｍのレーザビームを発生できる。本実施の形態の第２レーザ光源１４は短パルスで出力パワーのピーク値が高いので、非線形効果が効率よく発揮され、高い変換効率でＳＨＧを発生させることが可能となる。ＢＢＯを用いた場合、平均励起パワー４０ｍＷで、５ｍＷ以上のＳＨＧ変換光を得ることができた。
【００６８】
第２レーザ光源１４の射出側に設けられた反射ミラー２２の反射側で、図２のダイクロイックミラー１８に相当する位置には、フィルタ機構６０が設けられている。フィルタ機構６０は、第１光学フィルタ６２と、第２光学フィルタ６４を備えており、第１光学フィルタ６２及び第２光学フィルタ６４は挿抜部６６に取付られている。挿抜部６６は、制御装置５０に接続されており、制御装置５０からの制御信号によって、第１光学フィルタ６２及び第２光学フィルタ６４の何れかの光学フィルタが光路に挿入されるように、駆動される。
【００６９】
第１光学フィルタ６２は、紫外線照射光造形法による光造形を実現するために紫外線を透過するフィルタであり、具体的には、ＳＨＧ変換光を透過する光学フィルタである。第２光学フィルタ６４は、２光子吸収光造形法による光造形を実現するために紫外線を遮光するフィルタであり、具体的には、ＳＨＧ変換光を遮光する光学フィルタである。
【００７０】
以上の構成で、構造物を造形するプロセスは、図３と同様の流れになる。この場合、制御装置５０では、図３のステップ１０８の第１レーザ光源１２の設定を、第１光学フィルタ６２の挿入に代え、またステップ１２２の第２レーザ光源１４の設定を、第２光学フィルタ６４の挿入に代えて制御する。
【００７１】
このように本実施の形態では、紫外線照射光造形法による粗い光造形及び２光子吸収光造形法による光造形を、単一の光源によって実現できるので、上記実施の形態の効果に加え、次のさらなる効果を有することになる。第１は、光源の単一化によって、低コストで装置を形成することができる。第２は、ＳＨＧによる波長変換により２つの波長を程同軸上に発生させることができるので、光源毎の光学調整などの煩雑な作業を削減できる。
【００７２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、第１の光源による光の照射の前処理を行った後に、第２光源による多光子吸収現象が生じる第２の光を光硬化性物質へ照射する本処理を行って構造物を造形するので、微細な構造物を短時間で造形することができる、という効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施の形態にかかる、光造形装置の外観概略図である。
【図２】 光造形装置の概略構成を示すイメージ図である。
【図３】 本実施形態にかかる、光造形装置の作動を説明するための制御装置の処理の流れを示すフローチャートである。
【図４】 作成した構造物の概要を示し、（Ａ）は構造物の外観矢視図を示し、（Ｂ）は一部拡大を示している。
【図５】 本発明の第２実施の形態にかかる、光造形装置の外観概略図である。
【図６】 本発明の第２実施の形態にかかる、光造形装置の概略構成を示すイメージ図である。
【符号の説明】
１０ 光造形装置
１１ 光造形装置
１２ レーザ光源
１４ レーザ光源
１６ 光源部
１８ ダイクロイックミラー
２０ 駆動部
２２ 反射ミラー
２４ 駆動部
２６ 光変調機構
２８ 集光レンズ
３０ 移動機構
３２ 支持板
４０ 容器
４２ 光硬化性樹脂
４８ 上下動機構
５０ 制御装置
【発明の属する技術分野】
本発明は、光造形装置及び方法にかかり、特に、光の照射により硬化する光硬化性物質へ光を照射することにより構造物を造形する光造形装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光を照射した部分が硬化する性質を有する光硬化性樹脂を用い、光の照射位置を所定のパターンに沿って移動させ、３次元の構造物を作成する光造形法が知られている（特開昭５６−１４４４７８号公報参照）。光硬化性樹脂は、光吸収によって樹脂中のモノマーが重合し、ポリマー化して硬化する。ポリマー化した部分は、固体化するため、未硬化の液状部分を取り除くことによって、３次元の構造物を作成できる。この光造形では、光硬化性樹脂は、紫外線波長（３００ｎｍ〜４００ｎｍ）に大きな吸収を有し、紫外線レーザや紫外線ランプを光源に用いて光造形を行っている。
【０００３】
ところが、従来の紫外線照射による光造形法（以下、紫外線照射光造形法という）では、高速の造形が可能であるが、加工精度が低いことが知られている。すなわち、紫外線照射光造形法では集光点以外での光が照射されている部分においても光を吸収し硬化反応が起こるため、加工精度が低く（１０〜数１０μｍ）、また、積層構造しか作成することができない。
【０００４】
そこで、造形を高精度化するために、近年、紫外線ではなく、吸収波長の２倍の波長（６００ｎｍ〜８００ｎｍ）を有する光を照射し、２光子吸収現象によって光を吸収させ、同様に３次元の構造物を作成する造形法（以下、２光子吸収光造形法という）が提案されている（特公昭６３−４０６５０号公報参照）。
【０００５】
２光子吸収現象は、吸収量が光強度の２乗に比例する非線形吸収特性を有し、高い３次元の空間分解能を有する。この特徴を生かして、通常の光造形に比べて、より微細な構造の作成が実現できる。一般的に２光子吸収光造形は３次元の構造物を作成するため、構造物を点の集合に分解し１点づつ照射位置をずらして硬化させるか、または光を照射したまま、集光スポットを移動させ、線の集まりによって構造物を作成する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、点硬化または線硬化の何れの場合であっても単位体積を硬化させるには、一定以上の光エネルギを吸収させることが必要である。特に、２光子吸収現象は、紫外線照射光造形法による吸収に比較して、吸収確率が小さい。光源の出力を高めれば、時間短縮することが可能であるが、一定の出力以上では、アブレーションの発生などにより、樹脂を破壊する場合があった。
【０００７】
これにより、大きなサイズの構造物を大量に作成するには、２光子吸収現象を利用した２光子吸収光造形法では、スループットが低く、実用的に問題となり、作成時間の短縮化が叫ばれている。
【０００８】
本発明は、上記事実を考慮して、簡単かつ短時間で高精度の構造物を光造形することができる光造形装置及び方法を得ることが目的である。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１の発明は、容器内に収容されかつ光の照射により硬化する光硬化性物質へ、前記光硬化性物質の硬化に必要なエネルギレベルの光を照射することにより構造物を造形する光造形装置において、前記光硬化性物質へ第１の光を照射する第１光源と、多光子吸収現象が生じる第２の光を前記光硬化性物質へ照射する第２光源と、を有する光源手段と、前記第１の光及び第２の光の光エネルギが前記光硬化性物質の硬化に必要なエネルギレベルとなるべく集光する集光手段と、前記容器内において前記集光手段による集光位置を変更する変更手段と、造形されるべき所定形状の構造物について、前記構造物の少なくとも一部のサイズを前記所定形状の構造物のサイズから予め定めた小さなサイズとなるように前記第１の光源による光の照射及び前記集光位置の変更の前処理の後に、前記予め定めた小さなサイズから前記所定形状になるまで前記第２の光源による光の照射及び前記集光位置の変更の本処理を行うように制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１０】
本発明の光造形装置は、容器内に収容されかつ光の照射により硬化する光硬化性物質へ、前記光硬化性物質の硬化に必要なエネルギレベルの光を照射することにより構造物を造形する。光硬化性物質へ照射する光は、光源手段が有する第１光源と第２光源から照射される。第１光源は、光硬化性物質へ第１の光を照射する。第２光源は、多光子吸収現象、例えば２光子吸収現象が生じる第２の光を光硬化性物質へ照射する。光源手段から照射された光は、集光手段によって容器内における光硬化性物質で集光される。この場合、第１の光及び第２の光の光エネルギが光硬化性物質の硬化に必要なエネルギレベルとなるべく集光される。容器内における集光位置は、変更手段によって変更される。その集光位置の変更及び光源手段は、制御手段により制御される。制御手段は、造形されるべき所定形状の構造物について、構造物の少なくとも一部のサイズを所定形状の構造物のサイズから予め定めた小さなサイズとなるように第１の光源による光の照射及び集光位置の変更の前処理を行うように制御する。この後、制御手段は、予め定めた小さなサイズから所定形状になるまで第２の光源による光の照射及び集光位置の変更の本処理を行うように制御する。すなわち、前処理では、粗い造形がなされ、本処理では微細な造形がなされる。これによって、微細な構造物を短時間で造形することができる。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の光造形装置において、前記変更手段は、前記光源手段からの光の集光位置を２次元的に走査する走査手段と、前記走査面と交差する方向に前記集光位置及び前記光硬化性物質の位置の少なくとも一方の位置を移動する移動手段と、から構成したことを特徴とする。
【００１２】
焦点位置は、構造物の形状に併せて変更されることが好ましい。そこで、集光位置を３次元的に変更するため、変更手段が走査手段と移動手段により焦点位置の変更を分離することで、焦点位置の変更が容易となる。すなわち、走査手段は、光源手段からの光の集光位置を２次元的に走査する。移動手段は、走査面と交差する方向に集光位置及び前記光硬化性物質の位置の少なくとも一方の位置を移動する。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の光造形装置において、前記光源手段は、前記第１光源の光と前記第２光源の光との何れか一方の光の照射に切り換える切換手段を含むことを特徴とする。
【００１４】
第１光源の光と第２光源の光が、共に光硬化性物質に照射されたのでは、第１光源の光による作用と第２光源の光による作用が同時に生じ好ましくない。そこで、第１光源の光と第２光源の光との何れか一方の光の照射に切り換える切換手段を光源手段が含むことにより各々の光源の作用を分離することが可能になる。
【００１５】
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の光造形装置において、前記第１光源は、紫外波長域の波長の光を照射することを特徴とする。
【００１６】
第１光源として、紫外波長域の波長の光を照射する光源を用いることで、一般的な光硬化性物質を用いるすることができ、光造形装置の汎用性が向上する。
【００１７】
請求項５に記載の発明は、請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の光造形装置において、前記第２光源は、高調波発生素子を含み、前記第１光源から照射された光を前記多光子吸収現象が生じる第２の光として照射することを特徴とする。
【００１８】
第２光源は、多光子吸収現象が生じる第２の光を照射するが、第１光源と別個の光源を用いたのでは、装置が大型化する。そこで、第２光源として、ＳＨＧなどの高調波発生素子を用い、第１光源から照射された光を、高調波発生素子の作動によって多光子吸収現象が生じる第２の光として照射すれば、光源を兼用することができ、装置を小型化することが可能となる。
【００１９】
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の光造形装置において、前記切換手段は、前記第１光源の光を透過する第１光学フィルタと前記第２光源の光を透過する第２光学フィルタとの何れかの光学フィルタに交換する交換手段であることを特徴とする。
【００２０】
第２光源として、ＳＨＧなどの高調波発生素子を用いた場合、第１光源の光と第２光源の光は接近またはほぼ合波され、分離することが困難な場合がある。そこで、前記切換手段として、前記第１光源の光を透過する第１光学フィルタと前記第２光源の光を透過する第２光学フィルタとの何れかの光学フィルタに交換する交換手段で構成すれば、第１光源の光と第２光源の光を容易に分離して用いることができる。
【００２１】
前記光造形装置の機能は、次の光造形方法により容易に達成できる。詳細には、請求項７にも記載したように、容器内に収容されかつ光の照射により硬化する光硬化性物質へ、前記光硬化性物質の硬化に必要なエネルギレベルの光を照射することにより構造物を造形する光造形方法において、前記光硬化性物質へ照射する第１の光、及び前記光硬化性物質へ照射する多光子吸収現象が生じる第２の光の光エネルギが前記光硬化性物質の硬化に必要なエネルギレベルとなるべく集光し、造形されるべき所定形状の構造物について、前記構造物の少なくとも一部のサイズを前記所定形状の構造物のサイズから予め定めた小さなサイズとなるように前記第１の光を照射した後に、前記予め定めた小さなサイズから前記所定形状になるまで前記第２の光を照射すると共に、前記集光位置を前記容器内において変更することによって、前記所定形状の構造物を造形することを特徴とする。
【００２２】
請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の光造形方法であって、前記集光位置を２次元的に走査すると共に、前記走査面と交差する方向に前記集光位置及び前記光硬化性物質の位置の少なくとも一方の位置を移動することにより、前記集光位置を前記容器内において変更することを特徴とする。
【００２３】
請求項９に記載の発明は、請求項７または請求項８に記載の光造形方法であって、前記光硬化性物質へ照射するときは、前記第１の光と前記第２の光との何れか一方の光の照射に切り換えることを特徴とする。
【００２４】
請求項１０に記載の発明は、請求項７乃至請求項９の何れか１項に記載の光造形方法であって、前記第１の光は、紫外波長域の波長の光であることを特徴とする。
【００２５】
請求項１１に記載の発明は、請求項７乃至請求項１０の何れか１項に記載の光造形方法であって、前記第２の光は、前記第１の光から高調波発生現象により生じた前記多光子吸収現象が生じる光であることを特徴とする。
【００２６】
請求項１２に記載の発明は、請求項１１に記載の光造形方法であって、前記光硬化性物質へ照射するときは、前記第１の光を透過する第１光学フィルタと前記第２の光を透過する第２光学フィルタとの何れかの光学フィルタに交換することを特徴とする。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態の一例を詳細に説明する。本実施の形態は、光造形装置に本発明を適用したものである。
【００２８】
光造形によって、単位体積を硬化させるには、一定以上の光エネルギを吸収させることが必要である。特に、２光子吸収現象は、通常の光吸収にくらべて、吸収確率が小さい。従って、光源の出力を高めることによって、時間短縮することが可能であるが、一定の出力以上では、アブレーションの発生などにより、樹脂を破壊してしまう。本発明者らは、実験により、実用的な光源出力範囲で、２光子吸収光造形法による樹脂の硬化のためには、約０．０１ｓ／μｍ3以上程度の照射時間が必要であることを見いだした。従って、体積Ｖ（μｍ3）の構造物を作成するためには、少なくとも、Ｖ×０．０１（ｓ）の時間が必要である。
【００２９】
この２光子吸収光造形法では、大きなサイズの構造物を大量に作成するには、スループットが低く、実用的に問題となり、作成時間の短縮化が叫ばれている。
【００３０】
一方、紫外線照射光造形法では、２光子吸収と同一のパワーの光を照射した場合に、単位体積あたり、１ｅ-8ｓ／μｍ3の速度で樹脂を硬化させることが可能であり、２光子吸収光造形に比較して、桁違いに高速である。ところが、紫外線照射光造形法では集光点以外での光を照射している部分の至るところで光を吸収し硬化反応が起こるため、２光子吸収光造形に比べて、加工精度が劣る（１０〜数１０μｍ）。
【００３１】
そこで、本実施の形態では、紫外線照射光造形法による粗い光造形を実施した後に、２光子吸収光造形法による光造形を連続して行うことによって、高速かつ高精度の光造形を実現する。
【００３２】
図１には、本発明が適用可能な第１実施の形態にかかる光造形装置１０の概略構成を示した。本実施の形態の光造形装置１０は、第１レーザ光源１２及び第２レーザ光源１４から構成された光源部１６を備えている。なお、これら第１レーザ光源１２及び第２レーザ光源１４から構成された光源部１６は、予め定めたパターンに従って光造形するための過程を制御する制御装置５０に接続されている（図２）。
【００３３】
第１レーザ光源１２は、従来の紫外線照射光造形法による光造形を実施するための光源であり、本実施の形態では、発振波長３２５ｎｍで出力１０ｍＷのＨｅ−Ｃｄレーザを用いている。なお、本実施の形態では紫外線照射光造形法による第１レーザ光源１２に、レーザ光源を用いた場合を説明するが、本発明はこれに限定されるものではなく、紫外線波長域の光を射出する光源であればよい。例えば、Ｎｄ：ＹＡＧ−３倍高調波のレーザや、水銀ランプなどの放電灯を用いても良い。
【００３４】
第２レーザ光源１４は、２光子吸収光造形法による光造形を実施するための光源であり、本実施の形態では、Ｔｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅパルスレーザを用いている。このＴｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅパルスレーザは、発振波長７００ｎｍ、パルス幅１００ｆｓ（フェムト秒）、繰返周波数１００ＭＨｚで発振するパルスレーザであり、平均出力１０ｍＷを得ることができる。なお、本実施の形態では、２光子吸収光造形法による第２レーザ光源１４として、Ｔｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅパルスレーザを用いた場合を説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。第２レーザ光源１４は、２光子吸収光造形法による光造形が生じる光源であればよいが、Ｔｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅパルスレーザを用いれば、短パルスで出力ピークを高くでき、効率的に２光子吸収現象を生じさせることができる。
【００３５】
第１レーザ光源１２の射出側にはダイクロイックミラー１８が設けられており、第２レーザ光源１４の射出側には反射ミラー２２が設けられている。ダイクロイックミラー１８は、第１レーザ光源１２が射出したレーザビームを反射すると共に第２レーザ光源１４が射出したレーザビームを透過するものであり、具体的には、波長が７００ｎｍ近傍の光を透過しかつ波長が３２５ｎｍ希望の光を反射するものである。反射ミラー２２は、少なくとも第２レーザ光源１４から射出されたレーザビームを反射できれば良く、具体的には、波長が７００ｎｍ近傍の光を反射するものである。
【００３６】
ダイクロイックミラー１８には、反射光を光軸と交差する２軸方向に偏向するための第１駆動部２０に取り付けられている。これは、スポット光を２次元的に走査するためである。同様に、反射ミラー２２には、反射光を光軸と交差する２軸方向に偏向するための第２駆動部２４に取り付けられている。
【００３７】
ダイクロイックミラー１８及び反射ミラー２２の反射側には、光変調機構２６及び集光レンズ２８が順に設けられている。
【００３８】
光変調機構２６は、通過するレーザビームを遮光または透光に切換るものであり、本実施の形態では、音響光学変調素子（ＡＯＭ）を用いて説明するが、本発明はこれに限定されるものではなく、通過するレーザビームを遮光または透光に切換可能な機構を有するものであればよい。例えば、機械的に遮光または開放するメカニカルシャッタ、電気光学効果により遮光または透光に切換る電気光学変調素子（ＥＯＭ）、液晶により遮光または透光に切換るＬＣＤシャッタなどを用いることができる。
【００３９】
集光レンズ２８は、入射されたレーザビームをスポット状に集光するためのものであり、集光レンズ２８を光軸に沿う方向に移動調整するための移動機構３０に取り付けられている。本実施の形態では、集光レンズ２８は、Ｎ．Ａ．が０．８のレンズ系を用いている。なお、上記ダイクロイックミラー１８及び反射ミラー２２の反射角度の偏向及び集光レンズ２８の移動調整による集光位置の調整は、集光点移動機構として機能する。
【００４０】
なお、上記では、第１レーザ光源１２及び第２レーザ光源１４からのレーザビームを単一の集光レンズ２８で集光する場合を説明するが、本発明はこれに限定されるものではなく、各々のレーザビームを独立した光学系として構成してもよい。
【００４１】
集光レンズ２８の集光側には、デスク（ベース板４６）上に載置された容器４０が位置している。ベース板４６の所定位置に容器４０が載置される。ベース板４６には、上下動機構４８が設けられている。上下動機構４８は、支柱３８，アーム３６，ポール３４，支持板３２，上下駆動部４４から構成されている。
【００４２】
すなわち、ベース板４６上に、容器４０の上方に位置するアーム３６が取り付けられた支柱３８が固定され、アーム３６の先端部には、造形物を保持するための支持板３２が取り付けられたポール３４が上下動可能に軸支される。ポール３４の上下動は、上下駆動部４４によりなされる。この支持板３２は、容器４０内に収容される光硬化性樹脂４２に埋没可能であり、容器４０の上下動によって、支持板３２と光硬化性樹脂４２の液面との間隔を調整できる。すなわち、上下動機構４８の稼働によって支持板３２が上下動され、これに伴って容器４０が上下動される。なお、支持板３２は、ほぼ透明な平坦な板であればよく、例えば硝子やアクリルなどの平板を用いることができる。
【００４３】
図２に示すように、制御装置５０は、第１レーザ光源１２及び第２レーザ光源１４に接続しており、第１レーザ光源１２及び第２レーザ光源１４の各々のレーザビームの射出を制御する。また、ダイクロイックミラー１８の反射角度を偏向するための第１駆動部２０及び反射ミラー２２の反射角度を偏向するための第２駆動部２４も制御装置５０に接続されている。さらに、光変調機構２６、移動機構３０及び上下駆動部４４も、制御装置５０に接続されている。なお、制御装置５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを含むコンピュータを備えた構成とされ、後述する処理ルーチンによって各部の駆動を制御して造形処理するためのものである。
【００４４】
なお、制御装置５０には、記録媒体としてのフロッピーディスク（ＦＤ）が挿抜可能なフロッピーディスクユニット（ＦＤＵ）を備えることができる。なお、後述する処理ルーチン等は、ＦＤＵを用いてフロッピーディスクＦＤに対して読み書き可能である。従って、後述する処理ルーチンは、予めＦＤに記録しておき、ＦＤＵを介してＦＤに記録された処理プログラムを実行してもよい。また、制御装置５０にハードディスク装置等の大容量記憶装置（図示省略）を接続し、ＦＤに記録された処理プログラムを大容量記憶装置（図示省略）へ格納（インストール）して実行するようにしてもよい。また、記録媒体としては、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ等の光ディスクや、ＭＤ，ＭＯ等の光磁気ディスクなどのディスク、ＤＡＴ等の磁気テープがあり、これらを用いるときには、上記ＦＤＵに代えてまたはさらにＣＤ−ＲＯＭ装置、ＤＶＤ装置、ＭＤ装置、ＭＯ装置、テープデッキ等を用いればよい。
【００４５】
次に、本実施の形態にかかる光造形法による構造物の造形のプロセスを説明する。本実施の形態では、構造物を、紫外線照射光造形法によって粗く造形し、この後に２光子吸収光造形法によって微細に造形する。
【００４６】
図３に示す処理ルーチンが、制御装置５０で実行される。先ず、ステップ１００では、造形する構造物の構造データを読み取る。この構造データは、構造物をを数値解析上の造形モデルに落とし込むために利用されるＣＡＤデータやスキャンデータがあり、ステップ１００では、この構造データから造形モデルを作成する。この造形モデルは、造形モデルを数値的・解析的手法に基づいて作成されたコンピュータプログラムヘのインプットデータ形式に数値化したものをいう。
【００４７】
次のステップ１０２では、造形モデルを格子状に分解する。ここでは、予め定めた大きさの空間（本実施の形態では、容器４０）を、１０μｍを一辺とする立方体の分解ブロックとなるように分割する。この予め定めた大きさの空間は、造形されるべき構造物の造形モデルを完全に含有する体積である。そして、この空間内に造形モデルを設置したときに、造形モデルを格子状に分解したことに相当され、上記の分解ブロックの位置と、造形モデルとの位置の対応関係を求めることができる。次のステップ１０４では、造形モデル内に完全に含まれる分解ブロックを抽出する。
【００４８】
次のステップ１０６では、支持板３２の上面と光硬化性樹脂４２の液面との間隔が１０μｍになるように、上下駆動部４４を駆動させる制御信号を出力する。これは、本実施の形態における紫外線照射光造形法による造形量が１０μｍを一辺とする立方体（１０００μｍ3）であることに起因する。このため、紫外線照射光造形法による造形量に応じて、ステップ１０２の値を変更することが可能である。次のステップ１０８では、紫外線照射光造形法による光造形をするために、第１レーザ光源１２からレーザビームが射出されるように第１レーザ光源１２を駆動させる制御信号を出力する。なお、この時点では、制御装置５０は、レーザビームを遮光するように光変調機構２６へ制御信号を出力する。
【００４９】
次のステップ１１０では、上記ステップ１０４で抽出した分解ブロックのうち、最下層の分解ブロックの光造形を実施する。ここでは、第１駆動部２０及び移動機構３０へ制御信号を出力することで、２次元面内の光硬化性樹脂４２へレーザビームを照射し、硬化させる。また、分解ブロックの位置（パターン）に応じて、制御装置５０は、レーザビームを透光するように光変調機構２６へ制御信号を出力する。
【００５０】
次のステップ１１２では、造形モデルの全ての層について造形が終了したか否かを判断し、否定されると、ステップ１１４へ進む。ステップ１１４では、造形を完了した層を最下層とするべく、造形上面と液面との間隔が１０μｍになるように、上下駆動部４４を駆動させる制御信号を出力した後にステップ１１０へ戻り、上記処理を繰り返す。
【００５１】
一方、紫外線照射光造形法による造形が完了すると、ステップ１１２で肯定され、ステップ１１６へ進み、造形モデルを微細な格子状に分解する。ここでは、予め定めた大きさの空間（本実施の形態では、容器４０）を、１μｍを一辺とする立方体の微細ブロックとなるように分割する。上記と同様に、この空間内に造形モデルを設置したときに、造形モデルを微細な格子状に分解したことに相当され、上記の分解ブロックの位置と、造形モデルとの位置の対応関係を求めることができる。次のステップ１１８では、造形モデル内に完全に含まれかつ上記分解ブロックに含まれない微細ブロックを抽出する。
【００５２】
なお、微細ブロックの抽出は、造形モデル内に完全に含まれることに限定さない。例えば、微細ブロックの一部が造形モデルの外部に存在する場合、微細ブロックの体積に対する突出量の比率が、予め定めた比率以下のものを抽出するようにしてもよい。
【００５３】
次のステップ１２０では、支持板３２の上面と光硬化性樹脂４２の液面との間隔が１μｍになるように、上下駆動部４４を駆動させる制御信号を出力する。これは、本実施の形態における２光子吸収光造形法による造形量すなわち精度が約１μｍ3であることに起因する。このため、２光子吸収光造形法による造形量に応じて、ステップ１２０の値を変更することが可能である。次のステップ１２２では、２光子吸収光造形法による光造形をするために、第２レーザ光源１４からレーザビームが射出されるように第２レーザ光源１４を駆動させる制御信号を出力する。すなわち、第１レーザ光源１２から第２レーザ光源１４へレーザービームの射出を切り換える。なお、この時点では、制御装置５０は、レーザビームを遮光するように光変調機構２６へ制御信号を出力する。
【００５４】
次のステップ１２４では、上記ステップ１１８で抽出した微細ブロックのうち、最下層の微細ブロックの光造形を実施する。ここでは、第２駆動部２４及び移動機構３０へ制御信号を出力することで、２次元面内の光硬化性樹脂４２へレーザビームを照射し、硬化させる。また、分解ブロックの位置（パターン）に応じて、制御装置５０は、レーザビームを透光するように光変調機構２６へ制御信号を出力する。
【００５５】
次のステップ１２６では、造形モデルの全ての層について造形が終了したか否かを判断し、否定されると、ステップ１２８へ進む。ステップ１２８では、造形を完了した層を最下層とするべく、造形上面と液面との間隔が１μｍになるように、上下駆動部４４を駆動させる制御信号を出力した後にステップ１２４へ戻り、上記処理を繰り返す。
【００５６】
一方、２光子吸収光造形法による造形が完了すると、ステップ１２６で肯定され、ステップ１３０へ進み、洗浄処理する。すなわち、硬化した光硬化性樹脂４２を取り出し、未硬化部に可溶でかつ硬化部に不溶な溶剤、例えばメタノールを吹きかけたり埋没させたりして、未硬化の光硬化性樹脂４２を洗い流す。
【００５７】
このように本実施の形態では、紫外線照射光造形法による粗い光造形を実施した後に、２光子吸収光造形法による微細な光造形を連続して行うので、紫外線照射光造形法による高速処理を実現しつつ２光子吸収光造形法による微細構造造形を可能とする光造形を実現することができる。
【００５８】
なお、本実施の形態では、光硬化性樹脂４２の液面から光硬化性樹脂４２を硬化させる場合を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、透明な容器を用いて、その容器を隔てて支持板の底面に最上層から積層するように構成することもできる。
【００５９】
本実施の形態の光造形によって、造形した構造物の作成例を説明する。
【００６０】
図４には、作成した構造物の概要を示した。図４（Ａ）は構造物の外観を示す矢視図であり、図４（Ｂ）は一部拡大図である。この構造物は、一辺が５ｍｍの四角形状で、厚さが１００μｍの基板上に、５μｍピッチで幅１μｍ、高さ１μｍの隆起をストライプ状に形成したものである。この構造は、回折格子として知られる分光などの目的に用いられるものである。
【００６１】
図４に示す構造は、その精度の高さから、紫外線照射光造形法による粗い光造形の実施では、得ることができなかった。一方、２光子吸収光造形法による微細な光造形の実施では、加工精度は充分であるが、実用的な造形時間で構造物を得ることができなかった。
【００６２】
すなわち、図４の構造物の体積は、基板部が２．５ｅ9（μｍ3）＝５０００×５０００×１００であり、ストライプ部が５ｅ6（μｍ3）＝１×１×５０００である。従って、２光子吸収光造形法によって造形すると、基板部の造形時間が支配的となり、２．５ｅ9（μｍ3）×０．０１（ｓ／μｍ3）＝２．５ｅ7（ｓ：秒）＝２８９（ｄａｙ：日）を必要とする。
【００６３】
一方、本実施の形態を適用すると、基板部の造形に紫外線照射光造形法を用い、ストライプ部の造形に２光子吸収光造形法を用いる。その造形時間は、基板部分が２．５ｅ9（μｍ3）×１ｅ-8（ｓ／μｍ3）＝２５（ｓ：秒）で、ストライプ部が５ｅ6（μｍ3）×０．０１（ｓ／μｍ3）＝１４（ｈ：時間）となり、ほぼ１４時間という短時間で必要とする精度の構造物を造形することができる。
【００６４】
次に、第２実施の形態を説明する。なお、本実施の形態は、上記実施の形態とほぼ同様の構成であるため、同一部分には同一符号を付して詳細な説明を省略する。
【００６５】
上記実施の形態では、紫外線照射光造形法による光造形のための光源と、２光子吸収光造形法による光造形のための光源を、各々別途備えて、レーザビームを射出するように構成したが、２種類の光源を備えることはコスト高になり、光造形装置１０全体としては好ましくない。そこで、本実施の形態では、単一光源を利用して紫外線照射光造形法による高速処理を実現しつつ２光子吸収光造形法による微細構造造形を可能とする光造形を実現するものである。
【００６６】
図５及び図６には、本発明が適用可能な第２実施の形態にかかる光造形装置１０の概略構成を示した。本実施の形態の光造形装置１１は、光源部１６として第２レーザ光源１４のみから構成する。すなわち、第２レーザ光源１４は、２光子吸収光造形法による光造形を実施するための光源であり、発振波長７００ｎｍのパルスレーザを用いる。従って、第１レーザ光源１２、ダイクロイックミラー１８及び第１駆動部２０という第１レーザ光源１２に属する構成は全て不要である。
【００６７】
第２レーザ光源１４の射出側には、波長変換部５８が設けられている。波長変換部５８は、第２レーザ光源１４から射出された７００ｎｍのレーザビームの一部を、３５０ｎｍのレーザビームへ変換する光学素子である。この波長変換部５８によって、そのまま通過するＳＨＧ変換されないレーザビームとＳＨＧ変換されたレーザビームとがほぼ同軸上を伝播されることになる。例えば、波長変換部５８には、第２高調波（ＳＨＧ）を発生する非線形光学結晶があり、素子の一例としてはＢＢＯがある。このＢＢＯにより７００ｎｍのレーザビームから３５０ｎｍのレーザビームを発生できる。本実施の形態の第２レーザ光源１４は短パルスで出力パワーのピーク値が高いので、非線形効果が効率よく発揮され、高い変換効率でＳＨＧを発生させることが可能となる。ＢＢＯを用いた場合、平均励起パワー４０ｍＷで、５ｍＷ以上のＳＨＧ変換光を得ることができた。
【００６８】
第２レーザ光源１４の射出側に設けられた反射ミラー２２の反射側で、図２のダイクロイックミラー１８に相当する位置には、フィルタ機構６０が設けられている。フィルタ機構６０は、第１光学フィルタ６２と、第２光学フィルタ６４を備えており、第１光学フィルタ６２及び第２光学フィルタ６４は挿抜部６６に取付られている。挿抜部６６は、制御装置５０に接続されており、制御装置５０からの制御信号によって、第１光学フィルタ６２及び第２光学フィルタ６４の何れかの光学フィルタが光路に挿入されるように、駆動される。
【００６９】
第１光学フィルタ６２は、紫外線照射光造形法による光造形を実現するために紫外線を透過するフィルタであり、具体的には、ＳＨＧ変換光を透過する光学フィルタである。第２光学フィルタ６４は、２光子吸収光造形法による光造形を実現するために紫外線を遮光するフィルタであり、具体的には、ＳＨＧ変換光を遮光する光学フィルタである。
【００７０】
以上の構成で、構造物を造形するプロセスは、図３と同様の流れになる。この場合、制御装置５０では、図３のステップ１０８の第１レーザ光源１２の設定を、第１光学フィルタ６２の挿入に代え、またステップ１２２の第２レーザ光源１４の設定を、第２光学フィルタ６４の挿入に代えて制御する。
【００７１】
このように本実施の形態では、紫外線照射光造形法による粗い光造形及び２光子吸収光造形法による光造形を、単一の光源によって実現できるので、上記実施の形態の効果に加え、次のさらなる効果を有することになる。第１は、光源の単一化によって、低コストで装置を形成することができる。第２は、ＳＨＧによる波長変換により２つの波長を程同軸上に発生させることができるので、光源毎の光学調整などの煩雑な作業を削減できる。
【００７２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、第１の光源による光の照射の前処理を行った後に、第２光源による多光子吸収現象が生じる第２の光を光硬化性物質へ照射する本処理を行って構造物を造形するので、微細な構造物を短時間で造形することができる、という効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施の形態にかかる、光造形装置の外観概略図である。
【図２】 光造形装置の概略構成を示すイメージ図である。
【図３】 本実施形態にかかる、光造形装置の作動を説明するための制御装置の処理の流れを示すフローチャートである。
【図４】 作成した構造物の概要を示し、（Ａ）は構造物の外観矢視図を示し、（Ｂ）は一部拡大を示している。
【図５】 本発明の第２実施の形態にかかる、光造形装置の外観概略図である。
【図６】 本発明の第２実施の形態にかかる、光造形装置の概略構成を示すイメージ図である。
【符号の説明】
１０ 光造形装置
１１ 光造形装置
１２ レーザ光源
１４ レーザ光源
１６ 光源部
１８ ダイクロイックミラー
２０ 駆動部
２２ 反射ミラー
２４ 駆動部
２６ 光変調機構
２８ 集光レンズ
３０ 移動機構
３２ 支持板
４０ 容器
４２ 光硬化性樹脂
４８ 上下動機構
５０ 制御装置
Claims (12)
- 容器内に収容されかつ光の照射により硬化する光硬化性物質へ、前記光硬化性物質の硬化に必要なエネルギレベルの光を照射することにより構造物を造形する光造形装置において、
前記光硬化性物質へ第１の光を照射する第１光源と、多光子吸収現象が生じる第２の光を前記光硬化性物質へ照射する第２光源と、を有する光源手段と、
前記第１の光及び第２の光の光エネルギが前記光硬化性物質の硬化に必要なエネルギレベルとなるべく集光する集光手段と、
前記容器内において前記集光手段による集光位置を変更する変更手段と、
造形されるべき所定形状の構造物について、前記構造物の少なくとも一部のサイズを前記所定形状の構造物のサイズから予め定めた小さなサイズとなるように前記第１の光源による光の照射及び前記集光位置の変更の前処理の後に、前記予め定めた小さなサイズから前記所定形状になるまで前記第２の光源による光の照射及び前記集光位置の変更の本処理を行うように制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とする光造形装置。 - 前記変更手段は、前記光源手段からの光の集光位置を２次元的に走査する走査手段と、前記走査面と交差する方向に前記集光位置及び前記光硬化性物質の位置の少なくとも一方の位置を移動する移動手段と、から構成したことを特徴とする請求項１に記載の光造形装置。
- 前記光源手段は、前記第１光源の光と前記第２光源の光との何れか一方の光の照射に切り換える切換手段を含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光造形装置。
- 前記第１光源は、紫外波長域の波長の光を照射することを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の光造形装置。
- 前記第２光源は、高調波発生素子を含み、前記第１光源から照射された光を前記多光子吸収現象が生じる第２の光として照射することを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の光造形装置。
- 前記切換手段は、前記第１光源の光を透過する第１光学フィルタと前記第２光源の光を透過する第２光学フィルタとの何れかの光学フィルタに交換する交換手段であることを特徴とする請求項５に記載の光造形装置。
- 容器内に収容されかつ光の照射により硬化する光硬化性物質へ、前記光硬化性物質の硬化に必要なエネルギレベルの光を照射することにより構造物を造形する光造形方法において、
前記光硬化性物質へ照射する第１の光、及び前記光硬化性物質へ照射する多光子吸収現象が生じる第２の光の光エネルギが前記光硬化性物質の硬化に必要なエネルギレベルとなるべく集光し、
造形されるべき所定形状の構造物について、前記構造物の少なくとも一部のサイズを前記所定形状の構造物のサイズから予め定めた小さなサイズとなるように前記第１の光を照射した後に、前記予め定めた小さなサイズから前記所定形状になるまで前記第２の光を照射すると共に、前記集光位置を前記容器内において変更することによって、前記所定形状の構造物を造形する
ことを特徴とする光造形方法。 - 前記集光位置を２次元的に走査すると共に、前記走査面と交差する方向に前記集光位置及び前記光硬化性物質の位置の少なくとも一方の位置を移動することにより、前記集光位置を前記容器内において変更することを特徴とする請求項７に記載の光造形方法。
- 前記光硬化性物質へ照射するときは、前記第１の光と前記第２の光との何れか一方の光の照射に切り換えることを特徴とする請求項７または請求項８に記載の光造形方法。
- 前記第１の光は、紫外波長域の波長の光であることを特徴とする請求項７乃至請求項９の何れか１項に記載の光造形方法。
- 前記第２の光は、前記第１の光から高調波発生現象により生じた前記多光子吸収現象が生じる光であることを特徴とする請求項７乃至請求項１０の何れか１項に記載の光造形方法。
- 前記光硬化性物質へ照射するときは、前記第１の光を透過する第１光学フィルタと前記第２の光を透過する第２光学フィルタとの何れかの光学フィルタに交換することを特徴とする請求項１１に記載の光造形方法。
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