JP7287124B2 - 光吸収材を飛翔させる装置、立体造形物を造形する装置、光吸収材を飛翔させる方法 - Google Patents

光吸収材を飛翔させる装置、立体造形物を造形する装置、光吸収材を飛翔させる方法 Download PDF

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Description

本発明は光吸収材を飛翔させる装置、立体造形物を造形する装置、光吸収材を飛翔させる方法に関する。
従来、光吸収材の光吸収波長に対応する光渦レーザビームを光吸収材に照射し、光渦レーザビームのエネルギーにより光吸収材を光渦レーザビームの照射方向に飛翔させ、被付着物に付着させるものが知られている（特許文献１）。
特許第６４５５５８８号公報
ところで、レーザビームを光吸収材に照射して光吸収材を飛翔させるとき、光吸収材がレーザビームの照射方向に飛翔しないことがあるという課題がある。
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、光吸収材の飛翔方向の精度を向上することを目的とする。
上記の課題を解決するため、本発明に係る光吸収材を飛翔させる装置は、
光を吸収する光吸収材に対し、前記光吸収材の光吸収波長に対応するレーザビームを照射して、前記光吸収材を飛翔させる手段を有し、
先行するビーム照射領域と後行するビーム照射領域とが重なるとき、前記後行するビーム照射領域に対し、ビーム重心位置が、前記先行するビーム照射領域の外側となるように前記レーザビームを照射し、
複数のドットラインをドットの並び方向と直交する方向に配置したエリアを描画するとき、前記直交する方向で隣り合う２つのドットラインの一方のドットラインのドット位置に対して他方のドットラインのドット位置を前記ドットの並び方向に細密構造的にずらして前記レーザビームを照射する
構成とした。
本発明によれば、光吸収材の飛翔方向の精度が向上する。
本発明の第１実施形態に係る光吸収材を飛翔させる装置の説明図である。 同装置の光吸収材供給手段の一例の説明図である。 入力画像及び担持体上のレーザビームの軌跡と描画結果を説明する説明図である。 同じく後方飛翔の説明に供する説明図である。 光吸収材の後方飛翔の発生メカニズムの説明に供する説明図である。 後方飛翔が生じない場合の説明に供する説明図である。 レーザビームの露光強度分布とビーム重心位置の関係を説明する説明図である。 同実施形態における描画結果の一例の説明に供する入力画像及び担持体上のレーザビームの軌跡と描画結果を説明する説明図である。 描画パターンとビーム外径とドット位置の関係の例の説明に供する説明図である。 本発明の第２実施形態におけるレーザビームの照射方式の説明に供する説明図である。 同じくレーザビームの照射と光吸収材の飛翔の説明に供する説明図である。 １回のレーザビームの照射で光吸収材を飛翔させる例の説明に供する説明図である。 本発明の第３実施形態に係る光吸収材を飛翔させる装置の説明図である。 同じく音響光学変調素子及びその駆動系の説明図である。 同実施形態の作用説明に供する説明図である。 本発明の第４実施形態に係る光吸収材を飛翔させる装置におけるレーザ発生装置の説明に供する説明図である。 同実施形態の作用説明に供する説明図である。 本発明の第５実施形態に説明に供する説明図である。 通常露光とＴＣ露光における画像部画素と非画像部画素の説明に供する説明図である。 同じく光出力と光吸収材の飛翔状態の説明に供する説明図である。 本発明の第６実施形態の説明に供するフロー図である。 同実施形態の処理を文字に適用した例の説明に供する説明図である。 本発明の第７実施形態における折り返し処理を行う場合のレーザビームの生成例の説明に供する説明図である。 本発明の第８実施形態に係る立体造形物を造形する装置の一例の説明図である。
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。本発明の第１実施形態について図１を参照して説明する。図１は同実施形態に係る光吸収材を飛翔させる装置の説明図である。
この光吸収材を飛翔させる装置（飛翔装置という。）１は、光を吸収する光吸収材１１に対し、光吸収材１１の光吸収波長に対応するパルス状レーザビーム２０を照射して、光吸収材１１を飛翔させる手段（以下、「ビーム照射手段」という。）２を備えている。
光吸収材１１は、光吸収材供給手段１０を構成している担持体である透明シート１２に担持されて、ステージ４上に載置される被付着物であるターゲット３に対向して供給される。
ビーム照射手段２は、レーザビーム２０を射出するレーザ発振器２１と、コリメートレンズ２２と、アパーチャー２３と、走査光学系２４とを含む。
レーザ発振器２１は、短パルスレーザであり、固体レーザ方式、ファイバレーザ方式、半導体レーザ方式などでレーザビーム２０を出力する。この場合、高速周波数制御や、パワー変調制御を行うときには、ファイバレーザ方式が適している。
レーザ発振器２１から出力されたレーザビーム２０は、コリメートレンズ２２を透過することで、平行光束に変換される。これにより、後段の光学系に対してレーザビーム２０を効率よく伝搬させることが可能になる。なお、装置全体の光学系に鑑みて、平行光よりも発散光、あるいは、収束光になる、コリメートレンズ２２を使用することもできる。
走査光学系２４は、シリンドリカルレンズ２４１、ポリゴンミラー２４２．走査レンズ２４３などを有している。なお、ポリゴンミラー２４２の後段には必要に応じて長尺レンズを配置することもできる。
走査光学系２４に入射したレーザビーム２０は、シリンドリカルレンズ２４１を透過した後、回転可能な走査ミラーとしてのポリゴンミラー２４２の光反射面に到達する。
ポリゴンミラー２４２は、正六角形の断面形状をしており、正六角形の辺（本実施形態では六辺）のぞれぞれの位置に光反射面を有している。回転するポリゴンミラー２４２の位置に達したレーザビーム２０は、それら六つの光反射面の何れか一つの表面上で反射する。この反射角は、反射の瞬間における光反射面の角度に応じたものになるが、その角度はポリゴンミラー２４２の回転に伴って刻々と変化する（以下、この変化を「反射角変化」という。）。
そして、ポリゴンミラー２４２の六つの光反射面の何れかで反射したレーザビーム２０は、走査レンズ２４３、防塵ガラス２４４を順次透過した後、透明シート１２を通過して、透明シート１２に担持された光吸収材１１（ドナー面）に到達する。
レーザビーム２０が光吸収材１１を照射し、レーザビーム２０のエネルギーを吸収した光吸収材１１が透明シート１２から飛翔して、ターゲット３に付着する。
なお、ビーム照射手段２は、折り返しミラーやビーム整形光学系などを備えることもでき、また、走査光学系２４はガルバノスキャナなどで構成することもできる。
また、飛翔装置１は、ホストコンピュータ３１、露光条件設定手段３２を備えている。
ホストコンピュータ３１は、ＣＡＤなどで作成された画像データ（描画データ）を取得して、取得した描画データに対して所定の処理を施して、露光条件設定手段３２に出力する。また、ホストコンピュータ３１は、ステージ４に対して座標制御信号を出力してステージ４の移動を制御する。
露光条件設定手段３２は、予めユーザーによって入力された露光領域、走査速度、周波数、ビーム径、光出力強度などの露光パラメータと、ホストコンピュータ３１から送られてきた描画データとをレーザ発振器２１に出力する。
光吸収材供給手段１０としては、ビーム照射手段２と被付着物であるターゲット３との間のレーザビーム２０の光路上に、光吸収材１１を供給するものであれば、特に制限はない。例えば、レーザビーム２０の光路上に配置された円筒状の担持体を介して光吸収材１１を供給することもできる。
ここで、光吸収材供給手段１０の一例について図２を参照して説明する。図２は同光吸収材供給手段の説明図である。
光吸収材供給手段１０は、光吸収材１１を貯留する貯留槽１０１と、供給ローラ１０２と、規制ブレード１０３と、光吸収材担持ローラ１０４と、回収ローラ１０５を有している。
供給ローラ１０２は、光吸収材担持ローラ１０４と当接するように配置され、貯留槽１０１の光吸収材１１に一部が浸漬されている。供給ローラ１０２は、回転駆動手段により、又は、光吸収材担持ローラ１０４の回転に従動して、矢印方向に回転しながら光吸収材１１を周面に付着させる。
供給ローラ１０２の周面に付着した光吸収材１１は、規制ブレード１０３により平均厚みを均一にされ、光吸収材担持ローラ１０４側の透明シート１２に転移することにより層として供給される。
透明シート１２に供給された光吸収材１１は、光吸収材担持ローラ１０４が回転することにより、レーザビーム２０が照射される位置に連続的に供給される。レーザビーム照射後に、光吸収材１１は透明シート１２ごと回収ローラ１０５によって回収される。
次に、光吸収材の後方飛翔による描画結果のずれについて図3及び図４を参照して説明する。図３は入力画像及び担持体上のレーザビームの軌跡と描画結果を説明する説明図、図４は同じく後方飛翔の説明に供する説明図である。
ここでは、波長５３２ｎｍでパルス幅８ｎｓの短パルスのレーザビーム２０を、ターゲット３との間に０．５ｍｍの間隔を置いて配置された光吸収材１１に照射して、光吸収材１１をターゲット３に向けて飛翔させた。
この場合、光吸収材１１は、粘度４Ｐａ・ｓ、膜厚２０μｍのインクとした。
また、レーザビーム２０の走査速度ｖ＝３０ｍｍ/ｓ、周波数ｆ＝５０ｋＨｚ、ビーム外径ｄ＝０．０４ｍｍの条件でレーザビーム２０を光吸収材１１に照射した。
図３（ａ）に示すように、一辺が３ｍｍの四角形の入力画像の位置ｓから矢印で示すように右回りにレーザビーム２０を照射して光吸収材１１を飛翔させた。このとき、図３（ｂ）に示すように、ターゲット３上での描画結果にはずれが生じることが認められた。
つまり、図３（ａ）に示すように、担持体である透明シート１２上では、一辺が３ｍｍの四角形が正しく描画されているが、ターゲット３上に描画された画像には各辺間に著しいずれが生じている。
この画像のずれについて究明したところ、図４に示すように、光吸収材１１が、垂直（レーザビーム２０の照射方向に沿う方向ｂ）ではなく、後方（レーザビーム２０の走査方向に対して後方）に向かう方向ｃに飛翔していることに起因していることが判明した。
次に、この光吸収材の後方飛翔の発生メカニズムについて図５及び図６を参照して説明する。図５は後方飛翔が生じる場合の説明に供する説明図、図６は後方飛翔が生じない場合の説明に供する説明図である。
図５（ａ）に示すように、レーザビーム２０によるビーム照射領域ａを重なり率７５％で照射し、１回の走査で１／４ドット進む、すなわち、４回の照射で、１ビーム径分進むモデルとした。
光吸収材１１は、熱膨張した後で飛翔するが、レーザビーム２０の重なり率が高いと、図５（ａ）に示すように、熱膨張がビーム照射領域ａに対して後方側に偏る非対称形状になる。
そうすると、レーザビーム２０が照射されたとき、レーザビーム２０の前方側は初期段階で露光不足であるのに対し、後方側では十分なエネルギーが達しているため、光吸収材１１の熱膨張度合いに対して、レーザビーム２０が非対称に照射される。その結果、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、光吸収材１１は、レーザビーム２０の照射方向に沿う方向ｂではなく、走査方向に対して後方の方向ｃに向かって飛翔する。
これに対し、図６に示すように、孤立したドットであれば、ビーム照射領域ａの重なりによる光吸収材１１の熱膨張の偏りはないので、光吸収材１１は、レーザビーム２０の照射方向に沿う方向ｂに向かって飛翔し、後方飛翔は生じない。
そこで、本実施形態では、パルス状のレーザビームを光吸収材に照射して飛翔させるとき、レーザビームの重心位置が、一つ前のビーム照射領域と重ならないように照射する。つまり、本実施形態では、先行するビーム照射領域と後行するビーム照射領域とが重なるとき、後行するビーム照射領域に対し、ビーム重心位置が、先行するビーム照射領域の外側となるように前記レーザビームを照射する。
ここで、ビーム重心位置について図７を参照して説明する。図７はレーザビームの露光強度分布と重心位置の関係を説明する説明図である。
ビーム重心位置における重心とは、光吸収材１１の面にできるレーザビーム２０の照射領域（ビーム照射領域ａ）の露光強度分布を考慮した中心位置のことである。
理想的なガウシアンビームであれば、図７（ａ）に示すように、ビーム重心位置ｇｘは、中心である最大強度の位置と一致する。一方、リング状のビームであれば、図７（ｂ）に示すように、ビーム重心位置ｇｘは最大強度の位置とは異なる。また、実際のビームプロファイルや設計上、非対称形状であれば、図７（ｃ）に示すように、ビーム重心位置ｇｘは最大強度の位置とは異なってくる。
ここで、強度分布の重心位置について説明する。
一般に、物理分布量Ｂｐ（ｘ）があるとき、重心位置ｇｘは、次の式で表される物理量の総和である。
Figure 0007287124000001
同様に、ｙ座標の重心位置をｇｙとするとき、重心位置ｇｙは、次の式で表される。
Figure 0007287124000002
Ｂｐ（ｘ）及びＢｐ（ｙ）が露光強度分布である場合、上記、（ｇｘ,ｇｙ）は、レーザビーム２０における重心位置と定義することができる。
より具体的には、ポリゴンミラー２４２（あるいはガルバノスキャナ）を用いて走査する場合、ビーム外径と走査周波数の積の１／２より大きな走査速度でレーザビームを走査しなければならない。
つまり、レーザビーム２０の走査速度ｖ（ｍｍ／ｓ）、走査周波数ｆ（Ｈｚ）（周期１／ｆ）、レーザビーム２０の外形寸法（ビーム外径）をｄ（ｍｍ）としたとき、
ｖ＞ｆ×ｄ／２
の関係が成立するように走査する。
なお、ここでは、露光強度分布最大値の１／e２のビーム外径とする。
これを前述した図３の描画例に当てはめると、前述したように、ｖ＝３０ｍｍ／ｓ、ｆ＝５０ｋＨｚ、ｄ＝０．０４ｍｍであるので、ｆ×ｄ／２＝１０００、となる。
したがって、ｖ＝３０＜ｆ×ｄ/２＝１０００、となり、右辺の方が３０倍程度大きいことが分かる。
つまり、図３の描画例では、パルス状のレーザビーム２０を光吸収材１１に照射して飛翔させるとき、レーザビーム２０の重心位置が、一つ前のビーム照射領域ａと重なるように照射している結果、画像のずれが生じていることになる。
次に、本実施形態における描画結果の一例について図８を参照して説明する。図８は同説明に供する入力画像及び担持体上のレーザビームの軌跡と描画結果を説明する説明図である。
この図８の描画例では、前述した図３の描画例と同様な光吸収材１１を使用し、ターゲット３との配置間隔も図３の描画例と同様とした。
そして、レーザビーム２０の走査速度ｖ＝５０ｍｍ/ｓ、周波数ｆ＝２ｋＨｚ、ビーム外径ｄ＝０．０４５ｍｍの条件で、図８（ａ）に示すように、一辺が３ｍｍの四角形の位置ｓから右回りにレーザビーム２０を照射して光吸収材１１を飛翔させた。
この結果、図８（ｂ）に示すように、ターゲット３上で画像の各辺のずれのない描画結果が得られることが確認された。
この図８の描画例では、ｖ＝５０ｍｍ／ｓ、ｆ＝２ｋＨｚ、ｄ＝０．０４５ｍｍとしているので、ｆ×ｄ／２＝４５、となり、ｖ＝５０＞ｆ×ｄ/２＝４５、となる。つまり、前述した条件（ｖ＞ｆ×ｄ／２）を満たしていることで、後方飛翔のない良好な描画パターンを得ることができる。
なお、あまり走査速度が大きすぎると、ラインのはずが、断点になってしまうことがある。飛翔の広がりもあるので、上限について適宜最適化することが好ましい。
次に、描画パターンとビーム外径とドット位置の関係の例について図９を参照して説明する。図９は同説明に供する説明図である。
図９（ａ）は１ドットラインを描画するときのビーム外径とドット位置の関係を示したものである。図９の円形はビーム照射領域ａを示し、ビーム照射領域ａ内の数字は照射の順番を示している。ビーム照射領域ａ内に記載した数字の位置が、ビーム重心位置である。
ここでは、ビーム照射領域ａに一部重複を生じるようにレーザビーム２０を照射しているが、後行するビーム照射領域ａのビーム重心位置は、先行するビーム照射領域ａの外側にある。このとき、重複領域があっても、積分光量的には、全体に占める割合はわずかであるため、後方飛翔は生じない。
図９（ｂ）はエリアを描画するときのビーム外径とドット位置の関係を示したものである。奇数ライン（１回目走査、３回目走査・・・）と偶数ライン（２回目走査・・・）でドット位置（位相）を細密構造的にずらすとさらに良い。
このように、パルス状のレーザビームの重心位置が、一つ前のビーム照射領域と重ならないように照射することで、着弾位置精度が向上し、画像品質や造形品質が向上する。
次に、本発明の第２実施形態について図１０及び図１１を参照して説明する。図１０は同実施形態におけるレーザビームの照射方式の説明に供する説明図、図１１は同じくレーザビームの照射と光吸収材の飛翔の説明に供する説明図である。
本実施形態では、図１０に示すように、光吸収材１１を飛翔させる主たるレーザビーム２０ａを照射する主照射を行う前に、光吸収材１１を飛翔させないで熱膨張させるレーザビーム２０ｂを照射するプレ照射を行っている。
本実施形態では、主照射のレーザビーム２０ａよりも、プレ照射のレーザビーム２０ｂの光量を小さくしている。
つまり、図１１（ａ）に示すように、時刻Ｔ０に１回目のレーザビーム２０ｂの照射（プレ照射）を行う。これにより、光吸収材１１がレーザビーム２０ｂを吸収し、光吸収材１１の温度が上昇する。それに伴い、図１１（ｂ）に示すように、時刻Ｔ１で光吸収材１１の熱膨張が始まる。
光吸収材１１の熱膨張が適切な状態まで達した後に、図１１（ｃ）に示すように、時刻Ｔ２で２回目の主たるレーザビーム２０ａの照射（メイン照射）を行う。これにより、熱膨張された光吸収材１１はターゲット３に向けて飛翔する。
このとき、プレ照射からメイン照射までの時間は短く、実質的に、同じ位置を照射できる条件とする。
例えば、走査速度ｖ＝５０ｍｍ／ｓ、ビーム外径ｄ＝０．０５ｍｍのとき、レーザビーム２０が距離０．０５ｍｍを通過する時間は、ｄ／ｖ＝１ｍｓである。
これを無視できる時間とは、最長でも、１ｍｓの１／１０の１００μｓ、実用的には、１／５０の２０μｓ以下であることが好ましい。この時間を周波数に換算すると５０ｋＨｚ以上となる。
このように、主照射を行う前に、光吸収材１１を飛翔させないで熱膨張させるレーザビーム２０ｂを照射するプレ照射を行うことで、チリ飛散を抑制することができる。
つまり、図１２（ａ）に示すように、１回のレーザビーム２０の照射によるエネルギーで、図１２（ｂ）に示すように、光吸収材１１の熱膨張と飛翔を同時に行う方式もある。この方式では、一度にエネルギーを与えるので、光吸収材１１の膨張からすぐ飛翔となり、着弾位置は正常であっても、チリ飛散は多く発生しやすく、また、材料特性や膜厚の影響を受けやすい。
これに対して、複数回に分けてレーザビームを照射することにより、チリ飛散が抑制され、また、材料特性や膜厚の影響を受けにくくなる。
なお、本実施形態では、プレ照射１回、メイン照射１回の合計２回照射としているが、プレ照射２回、メイン照射１回などもあり、照射回数を限定するものではない。
次に、本発明の第３実施形態について図１３及び図１４を参照して説明する。図１３は同実施形態に係る光吸収材を飛翔させる装置の説明図、図１４は音響光学変調素子及びその駆動系の説明図である。
この光吸収材を飛翔させる装置（飛翔装置という。）１は、前記第１実施形態の構成において、コリメートレンズ２２の直後に音響光学変調素子（ＡＯＭ）４１を配置している。音響光学変調素子２５の射出方向が異なるため、走査光学系２４との間に配置した２枚のミラー２６、２７でレーザビーム２０を折り返す構成としている。
ここでは、音響光学変調素子２５を周波数変調として使用することで、プレ照射とメイン照射を行うようにしている。
音響光学変調素子とは、光学媒体の中に超音波を発生させて、進行する超音波の波面によってレーザ光を回折させる素子で、機械的可動部がないので、高速な走査を実現できる回折光学変調素子である。
例えば、図１２に示すように、二酸化テルル（ＴｅＯ２）やモリブデン酸鉛（ＰｂＭｏＯ４）などの単結晶又はガラスからなる音響光学媒体２５ａに圧電素子などの超音波トランスデューサ２５ｂを接着して構成している。
超音波トランスデューサ２５ｂに対して外部から電気信号を加えて超音波を発生させ，超音波を、音響光学媒体２５ａ中に伝搬させると、音響光学媒体２５ａ内に周期的な屈折率の粗密を形成することができる。これにより、音響光学媒体２５ａ内を通るレーザ光（レーザビーム）はブラッグ回折により回折し、入射光は、０次光の他に±１，２・・・の回折光を生じる。
ここで、０次回折光と１次回折光との角度θは、λ：空気中の光波長、ｆａ：音響波基本周波数、Ｖａ：音響波速度、とするとき、次の式で表される。
Figure 0007287124000003
変調角をΔθだけ変化させるためには、基本周波数ｆａに音響波周波数変調Δｆａ分だけシフトさせると良い。
Figure 0007287124000004
本実施形態では、電圧で発振周波数を制御することができる電圧制御発信器（ＶＣＯ）４１の出力を、ＲＦアンプ４２で増幅して、音響光学変調素子２５の超音波トランスデューサ２５ｂに与えることで、１次回析光を発生させている。
したがって、電圧制御発信器４１に所要の入力電圧信号（ＡＯＭ信号）を与えることで、シード光から必要なパルス光のみを取り出し、残りを間引くことができる。
なお、一般的には、音響光学変調素子は、低周波側に周波数変調することに用いる。
次に、本実施形態の作用について図１５を参照して説明する。図１５は同作用説明に供する説明図である。
例えば、図１５（ａ）に示すシード光パルス出力を音響光学変調素子２５に入射し、音響光学変調素子２５の超音波トランスデューサ２５ｂに対して図１５（ｂ）に示すＡＯＭ信号を与える。
これにより、図１５（ｃ）に示すように、１回に２本の出力ビームとしてのパルス光（レーザビーム２０ｂ、２０ａ）を周期的に取り出すことができる。
同じ強度の２本のレーザビーム２０ａ、２０ｂは、１本目をプレ照射、２本目を飛翔のためのメイン照射に使用することができる。
次に、本発明の第４実施形態について図１６を参照して説明する。図１６は同実施形態に係る光吸収材を飛翔させる装置におけるレーザ発生装置の説明に供する説明図である。
本実施形態は、レーザ発生装置５０として、ＭＯＰＡ方式（Ｍａｓｔｅｒ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ Ｐｏｗｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）のファイバレーザを使用している。ファイバレーザは、シードＬＤ５１から出力されるパルス幅と周波数が設定された種光（シード光）を、第１プリアンプ５２、第２プリアンプ５３、ファイバメインアンプ５４を通過させて、レーザビーム２０を出力する。
ＭＯＰＡ方式のファイバレーザにおける光増幅（アンプ）の基本構成は、励起ＬＤ、コンバイナ、希土類ドープファイバであり、これに戻り光防止のアイソレータ（ＩＳＬ）や波長選択のバンドパスフィルタ（ＢＰＦ)を用いて構成される。
次に、本実施形態の作用について図１７を参照して説明する。図１７は同作用説明に供する説明図である。
ファイバレーザにおいて、プレアンプ５２、５３、あるいはメインアンプ５４への注入電流は、通常一定であるが、本実施形態では、電流変調をかけている。
つまり、図１７（ａ）に示すようにシードＬＤからパルス状のシード光（パルス出力）が出力されるとき、プレアンプ５２、５３、あるいはメインアンプ５４に対し、図１７（ｂ）に示すようなファイバアンプ電流を与える。
これにより、図１７（ｃ）に示すように、メイン照射に使用するレーザビーム２０ａの前に、レーザビーム２０ａよりも光量の小さい２本のレーザビーム２０ｂが出力される。
このように、ファイバアンプでＰＭ＋ＰＷＭ変調（位相変調＋パルス幅変調）をかけることにより、プレ照射を行う１又は複数（ここでは２本）のレーザビームが出力される。
次に、本発明の第５実施形態について図１８を参照して説明する。図１８は同実施形態の説明に供する説明図である。
本実施形態では、描画を行うときにＴＣ露光（Ｔｉｍｅ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ露光）を行っている。ＴＣ露光とは、短い点灯時間に強い光出力で時間的に集中して露光する方式であり、ビームサイズを変えずに、ビームサイズを小径化するのと同等な解像度に向上できる効果がある。
つまり、図１８（ａ）に示すように、描画領域の画像部（露光部）と非画像部（非露光部）の境界となる１以上の露光部画素の光出力を非露光としてレーザビームを照射しない。その代わりに、境界近傍の露光部画素に照射するレーザビームの光出力（光量）に非露光とした画素の光出力を加算して露光する（レーザビームを照射する）。これを「折り返し処理」という。
これにより、高画質な描画を実現することができる。
これに対し、ＴＣ露光を行わない通常露光の場合には、図１８（ｂ）に示すように、画像部（露光部）は非画像部（非露光部）との境界から同じ光出力のレーザビームを照射して露光を行う。
次に、ＴＣ露光と通常露光について縦ラインの描画を例について図１９及び図２０を参照して説明する。図１９は画像部画素と非画像部画素の説明に供する説明図、図２０は光出力と光吸収材の飛翔状態の説明に供する説明図である。
通常露光を行う場合には、図１９（ａ）及び図２０（ａ）に示すように、画像部と非画像部の境界となる１以上（ここでは２画素ｅ分）の露光部画素の光出力を非露光としてレーザビームを照射しない。その代わりに、境界近傍の露光部画素に照射するレーザビームの光出力（光量）に非露光とした画素の光出力を加算した光出力のレーザビームを照射している。
これにより、光吸収材１１の飛翔状態は、図２０（ｃ）に実線で示すように、画像部と非画像部との境界で急峻になり、画像品質が向上する。
次に、本発明の第６実施形態について図２１を参照して説明する。図２１は同実施形態の説明に供するフロー図である。
本実施形態では、画像領域の左右上下の４方向に対して折り返し処理を行うようにしている。
つまり、図２１を参照して、元画像に対して、左折り返し処理を行い（ステップＳ１：以下、単に「Ｓ１」というように表記する。）、データ記憶を行う（データ記憶１、Ｓ２）。
同様に、右折り返し処理を行い（Ｓ３）、データ記憶を行う（データ記憶２、Ｓ４）。上折り返し処理を行い（Ｓ５）、データ記憶を行う（データ記憶３、Ｓ６）。下折り返し処理を行い（Ｓ７）、データ記憶を行う（データ記憶４、Ｓ８）
次に、本実施形態の処理を文字に適用した例について図２２を参照して説明する。図２２は、図２２（ｂ）に示す元画像に対して、左右上下の折り返し処理を適用した結果を図２２（ａ）に示している。
この結果から分かるように、折り返し処理（ＴＣ露光）を行うことで、画像のエッジが鮮明になる。
なお、露光部の両端のカット幅（画素数）は、任意に設定することが可能であり、飛翔距離や材料粘度に応じて変えることができる。
次に、本発明の第７実施形態について図２３を参照して説明する。図２３は同実施形態における折り返し処理を行う場合のレーザビームの生成例の説明に供する説明図である。
本実施形態では、前記第４実施形態（図１６）で説明したファイバレーザを使用し、ファイバレーザのメインアンプでＴＣ露光を行うレーザビームを生成している。
つまり、図２３（ａ）に示すようにシードＬＤからパルス状のシード光（パルス出力）が出力されるとき、プレアンプ５２、５３、あるいはメインアンプ５４に対し、図２３（ｂ）に示すようなファイバアンプ電流を与える。
これにより、図２３（ｃ）に示すように、露光部と非露光部との境界で、露光部側の１又は複数画素分について光量が増加されたレーザビーム２０が出力される。
ＴＣ露光データは、ＣＡＤなど対象となる画像データを取り込み、ホストコンピュータ３１でＴＣ露光への変換を行う。そして、得られた変換データがレーザ発生装置５０のメインアンプ５４やスキャナ等へ駆動信号として送られ、レーザビーム２０を光吸収材１１に照射することができる。
次に、本発明の第８実施形態について図２４を参照して説明する。図２４は同実施形態に係る立体造形物を造形する装置の一例の説明図である。
立体造形物を造形する装置３００は、造形する造形物（造形過程にある造形物）４００を支持する支持部材であるステージ３０４を備えている。ステージ３０４は、矢印Ｙ方向に往復移動可能であり、矢印Ｚ方向に例えば造形厚み０．０５ｍｍピッチで上下動可能である。
ステージ３０４の下側にはステージ加熱ヒータ３０２が配置され、ステージ３０４は造形材としての光吸収材１１に合わせた温度に制御される。
ステージ３０４の上方には、粒子状の光吸収材１１を担持する回転部材からなる担持体３１２が配置されている。担持体３１２は、光吸収材１１を担持して矢印方向（移送方向）に回転する回転ドラムで構成され、ステージ３０４上の造形物４００の上方まで光吸収材１１を移送する。担持体３１２は、透明な部材であり、円筒形のガラス部材で構成しているが、これに限るものではない。
光吸収材１１は、目的とする造形物４００に応じて適宜選択されるべきものであるが、樹脂の場合、例えば、ＰＡ１２（ポリアミド１２）、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）、ＰＳＵ（ポリスルホン）、ＰＡ６６（ポリアミド６６）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＬＣＰ（液晶ポリマー）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、ＰＯＭ（ポリアセタール）、ＰＳＦ（ポリサルホン）、ＰＡ６（ポリアミド６）、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）等である。また、本実施形態の光吸収材１１は、結晶性樹脂のみに限らず、非晶性樹脂であるＰＣ（ポリカーボネート）やABＳ（アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン）、ＰＥＩ（ポリエーテルイミド）、あるいは結晶性と非晶性の混合樹脂であってもよい。
また、光吸収材１１は、樹脂の他、金属、セラミック、液体などの種々の材料を用いることができる。また、光吸収材１１は、１ｐａ・ｓ以上の粘度を有する材料であってもよい。
担持体３１２の周面による光吸収材１１の担持は、本実施形態では、ファンデルワールス力によって行っている。また、光吸収材１１の抵抗値が高い場合、静電的な付着力だけでも担持できる。
担持体３１２の周囲には、担持体３１２の周面（表面）に光吸収材１１を供給する光吸収材供給手段３１０が配置されている。
光吸収材供給手段３１０は、内部に光吸収材１１が供給されて矢印方向に回転するメッシュローラ３２１と、メッシュローラ３２１内で光吸収材１１を摺って擦るブレード３２２とを備えている。この光吸収材供給手段３１２は、ブレード３２２で光吸収材１１を摺って擦りながら凝集を解くことで、メッシュローラ３２１を通過させ、担持体３１２の周面に光吸収材１１の薄層を形成する。
メッシュローラ３２１のメッシュの開目は光吸収材１１の平均粒径より２０～３０％大きいものが好ましい。金属線を編んだものを使用できるが、電鋳などで作製されるフラットなメッシュがより好ましい。
光吸収材供給手段３１２による供給は、メッシュローラに限定されるものではない。例えば、回転体による接触供給、非接触供給、非接触のメッシュ上からの散布、粉体気流撹拌による流動浸漬なども可能である。
担持体３１２の内側には、担持体３１１の周面から光吸収材１１を飛翔させる手段としての光吸収材飛翔装置１が配置されている。
光吸収材飛翔装置１は、前記各実施形態のいずれか同様な構成であり、担持体３１２の内側から光吸収材１１に対してパルス状のレーザビーム２０ａを照射する（照射位置を「造形位置」とする。）。
光吸収材１１は、レーザビーム２０ａを受けることで、担持体３１２の周面からレーザビーム２０ａの照射方向に飛翔する。
また、溶融用レーザ３１６からレーザ光３１６ａを照射して造形物４００の表面のうち光吸収材１１を付着する部分を加熱して溶融する。
その結果、担持体３１２から飛翔する光吸収材１１は溶融状態にある造形物４００の表面に着弾して、造形物４００と一体になり、造形物４００が少なくとも１光吸収材分成長する。
このように、担持体３１２の連続回転によって光吸収材１１を順次ステージ３０４で移送しながら、溶融用レーザ３１６による造形物４００の表面の溶融化、光吸収材飛翔装置１による造形材料としての光吸収材１１の飛翔、着弾を、造形が完了するまで繰り返す。
これによって、造形物４００を所要の形状まで成長させて立体造形物を造形することができる。
１ 光吸収材を飛翔させる装置（光吸収材飛翔装置）
２ レーザ照射手段
３ ターゲット
４ ステージ
１１ 光吸収材
２０ レーザビーム
２１ レーザ発振器
２４ 走査手段
３１ ホストコンピュータ
３２ 露光条件設定手段
５０ レーザ発生装置
３００ 立体造形物を造形する装置
３０１ 飛翔用レーザ
３０４ ステージ（支持部材）
３１２ 担持体
３１６ 溶融用レーザ（溶融する手段）
４００ 造形物

Claims (11)

  1. 光を吸収する光吸収材に対し、前記光吸収材の光吸収波長に対応するレーザビームを照射して、前記光吸収材を飛翔させる手段を有し、
    先行するビーム照射領域と後行するビーム照射領域とが重なるとき、前記後行するビーム照射領域に対し、ビーム重心位置が、前記先行するビーム照射領域の外側となるように前記レーザビームを照射し、
    複数のドットラインをドットの並び方向と直交する方向に配置したエリアを描画するとき、前記直交する方向で隣り合う２つのドットラインの一方のドットラインのドット位置に対して他方のドットラインのドット位置を前記ドットの並び方向に細密構造的にずらして前記レーザビームを照射する
    ことを特徴とする光吸収材を飛翔させる装置。
  2. 前記レーザビームを走査する走査手段を有し、
    前記走査手段による走査速度は、前記レーザビームのビーム外径と走査周波数の積の１／２より大きい
    ことを特徴とする請求項１に記載の光吸収材を飛翔させる装置。
  3. 主たる前記レーザビームを照射させる前に、従たる前記レーザビームを照射するプレ照射を行う
    ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光吸収材を飛翔させる装置。
  4. 音響光学変調素子を有し、
    前記音響光学変調素子で前記プレ照射する前記レーザビームを生成する
    ことを特徴とする請求項３に記載の光吸収材を飛翔させる装置。
  5. 前記レーザビームを出力するファイバレーザを有し、
    前記ファイバレーザのメインアンプの注入電流を変調させて前記プレ照射する前記レーザビームを生成する
    ことを特徴とする請求項３に記載の光吸収材を飛翔させる装置。
  6. 描画領域の露光部と非露光部との境界から１画素以上の露光部の画素領域に照射する前記レーザビームの光量を別の露光部の画素領域に対して照射する前記レーザビームの光量に加算させる折り返し処理をする
    ことを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の光吸収材を飛翔させる装置。
  7. 画像の複数の方向について前記折り返し処理をする
    ことを特徴とする請求項６に記載の光吸収材を飛翔させる装置。
  8. 請求項１ないし７のいずれかに記載の光吸収材を飛翔させる装置を備えている
    ことを特徴とする立体造形物を造形する装置。
  9. 前記光吸収材を担持する担持体と、
    造形物の表面を加熱する手段と、を備え、
    前記光吸収材を飛翔させる装置にて前記加熱されて溶融した前記造形物の表面に対し、前記担持体に対峙されている前記光吸収材を飛翔させる
    ことを特徴とする請求項８に記載の立体造形物を造形する装置。
  10. 造形物の表面を加熱する手段は、加熱用レーザビームを照射する手段であり、
    前記加熱用レーザビームのピークパワーは、前記光吸収材を飛翔させる前記レーザビームよりも小さい
    ことを特徴とする請求項９に記載の立体造形物を造形する装置。
  11. 光を吸収する光吸収材に対し、前記光吸収材の光吸収波長に対応するパルス状レーザビームを照射して、前記光吸収材を飛翔させる方法であって、
    先行するビーム照射領域と後行するビーム照射領域とが重なるとき、前記後行するビーム照射領域に対し、ビーム重心位置が、前記先行するビーム照射領域の外側となるように前記レーザビームを照射させ、
    複数のドットラインをドットの並び方向と直交する方向に配置したエリアを描画するときには、前記直交する方向で隣り合う２つのドットラインの一方のドットラインのドット位置に対して他方のドットラインのドット位置を前記ドットの並び方向に細密構造的にずらして前記レーザビームを照射させる
    ことを特徴とする光吸収材を飛翔させる方法。
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