JPH10128854A

JPH10128854A - 光造形方法および装置

Info

Publication number: JPH10128854A
Application number: JP8284261A
Authority: JP
Inventors: Shiro Shichijo; 司朗七条
Original assignee: Mitsui Chemicals Inc
Current assignee: Mitsui Chemicals Inc
Priority date: 1996-10-25
Filing date: 1996-10-25
Publication date: 1998-05-19

Abstract

(57)【要約】【課題】小型で高速変調が可能な短波長光源を使用し
て、短時間で高精度の造形を実現できる光造形方法およ
び装置を提供する。【解決手段】和周波光源は、光共振器２５内に配置さ
れ、基本波光を発振するレーザ媒質２０、および基本波
光およびミキシング光ＬＭに基づいて和周波光ＬＳを発
生する非線形光学素子２１と、レーザ媒質２１を励起す
る励起光を発生する半導体レーザ１０と、ミキシング光
ＬＭを発生する半導体レーザ３０と、半導体レーザ１０
に所定の駆動電流を供給する駆動回路１と、半導体レー
ザ３０にバイアス電流とアナログ変調または多値変調さ
れた変調電流とを重畳させた駆動電流を供給する駆動回
路２とを備え、半導体レーザ３０の駆動電流を変調する
ことによって和周波光の階調出力を発生させ、走査装置
４０によって立体物Ｑの表面に塗布された光硬化性樹脂
を部分的に光照射する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、和周波発生による
短波長光を利用した光造形方法および装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】光造形法とは、光硬化性樹脂等の感光性
材料を層状に塗布した後、所望の領域に光を照射して硬
化させる工程を何回か繰り返すことによって、積層した
立体形状の模型や製品を形成する手法である（レーザ学
会研究会報告、ＲＴＭ−９５−２７、１３頁〜１９頁、
１９９５年１１月１４日）。

【０００３】具体的には、最終の立体形状を３次元ＣＡ
Ｄ（計算器支援設計）で設計し、この設計データに基づ
いて約１００μｍ単位で薄くスライスしたデータを取り
出して、各層の輪郭データを算出しておく。次に昇降テ
ーブルに載置された基板上に第１層目の光硬化性樹脂を
全面に塗布した後、レーザ光を２次元的に走査して第１
層の輪郭データに対応する領域だけに光を照射して、部
分的に硬化させる。次に光を照射しなかった領域の樹脂
を除去する。

【０００４】次に、塗布高さと走査面を毎回一致させる
ためにテーブルを層厚分だけ下降させた後、以下同様
に、第１層の上に第２層目の光硬化性樹脂を塗布し、第
２層の輪郭データに対応する領域をレーザ光で走査して
硬化させ、残りを除去する。こうして層毎に塗布とレー
ザ走査を繰り返すことによって、設計どおり立体形状の
製品が完成する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】こうした光造形法の光
源として、従来は波長３５１ｎｍや３６５ｎｍのアルゴ
ンイオンレーザ、波長３２５ｎｍのヘリウムカドミウム
レーザなどのガスレーザが使用されている。しかし、ガ
スレーザは高圧電源や冷却装置等が不可欠で、一般に大
型で高価あり、しかも寿命が短く、故障率も高い。

【０００６】また、光造形法には、レーザ光を２次元的
に走査する走査機構とレーザ光の強度を制御する光変調
機構とが必要である。従来、走査機構として、１）レー
ザヘッドまたは加工テーブルを２次元的に移動されるＸ
−Ｙ移動機構や、２）ガルバノミラーやポリゴン等の走
査鏡による光学的な走査機構などが利用される。また、
光変調機構として一般にはＡＯＭ（音響光学変調器）や
メカニカルシャッタ等の外部変調器が使用される。

【０００７】こうしたＡＯＭは、立ち上がり速度が速
く、最大繰り返し周波数も大きいという長所があるが、
１）価格が高い、２）光の通過損失が大きい、３）高速
変調の場合にＡＯＭ結晶に微小スポットで集光させるレ
ンズ系が必要になり、長い光路長になる、といった短所
もある。

【０００８】また、メカニカルシャッタは、低価格で光
損失も少ないという長所があるが、１）遅延時間が大き
い、２）立ち上がり速度が遅い、３）最大繰り返し周波
数が低い、などの短所もある。

【０００９】さらに、両者に共通する課題として、光の
変調が「１」または「０」のオンオフ制御に限られ、連
続的に変化する階調出力を得ることが難しい。こうした
変調器を光造形法に利用した場合、光照射領域のエッジ
部分で光強度がステップ的に変化することになり、表面
に階段状の段差が出てしまう。この段差を除去するため
には、サンドブラスタ等の研磨工程が不可欠となる。

【００１０】本発明の目的は、小型で高速変調が可能な
短波長光源を使用して、短時間で高精度の造形を実現で
きる光造形方法および装置を提供することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、共振器内にレ
ーザ媒質および非線形光学素子を配置し、該レーザ媒質
を光励起して共振器内で基本波光を発振させ、共振器内
にミキシング光を導入して、非線形光学素子によって基
本波光およびミキシング光から和周波光を発生させ、和
周波光を用いて感光性材料の表面を走査することによっ
て、光照射部分を硬化させ、感光性材料の塗布および和
周波光の走査を交互に繰り返すことによって、立体物を
形成することを特徴とする光造形方法である。本発明に
従えば、内部共振型固体レーザの和周波発生によって、
大出力の短波長光が得られるため、従来のガスレーザと
比べて外部変調器が不要となり、装置の小型化、長寿命
化が図られる。また、基本波光およびミキシング光に基
づいて和周波光を発生しているため、和周波光の出力は
ミキシング光の出力に対して線形の関係となる。そのた
め、ミキシング光の強度変調によって和周波光の階調出
力を高精度で得ることができる。また、ミキシング光は
レーザ媒質の励起プロセスに関与しないため、高速変調
が可能になる。なお、ミキシング光の光源として、紫外
域より長い波長の光源、たとえば半導体レーザを利用で
きるため、直接変調が可能である。

【００１２】また本発明は、和周波光を用いて感光性材
料の表面を走査する際、立体物の輪郭領域において和周
波光の光量をアナログ変調または多値変調することを特
徴とする。本発明に従えば、和周波光の光量をアナログ
変調または多値変調することによって、階調出力による
露光が可能となるため、立体物の輪郭領域におけるステ
ップ変化を軽減でき、滑らかな曲面を持った表面を形成
できる。

【００１３】また本発明は、和周波光を用いて感光性材
料の表面を走査する際、立体物の輪郭領域において和周
波光のデューティ比を変化させるパルス幅変調を行うこ
とを特徴とする。本発明に従えば、和周波光のデューテ
ィ比を変化させるパルス幅変調を行うことによって、階
調出力による露光が可能となるため、立体物の輪郭領域
におけるステップ変化を軽減でき、滑らかな曲面を持っ
た表面を形成できる。

【００１４】また本発明は、前記非線形光学素子とし
て、ＫＮｂＯ₃ 結晶を使用することを特徴とする。本発
明に従えば、ＫＮｂＯ₃ 結晶はブルー光からグリーン光
の波長領域で高い非線形光学定数を有するため、高効率
の和周波発生を実現できる。

【００１５】また本発明は、前記レーザ媒質として、Ｎ
ｄドープのＮｄ：ＹＶＯ₄ 結晶を使用することを特徴と
する。本発明に従えば、Ｎｄ：ＹＶＯ₄ 結晶は偏光発振
可能で高いゲインを有するため、高出力の基本波発振が
可能となる。

【００１６】また本発明は、共振器内に配置され、基本
波光を発振するレーザ媒質、および該基本波光およびミ
キシング光に基づいて和周波光を発生する非線形光学素
子と、前記レーザ媒質を励起するための励起光を発生す
る第１半導体レーザと、共振器外部に配置され、前記ミ
キシング光を発生するための第２半導体レーザと、前記
和周波光を用いて感光性材料の表面を走査するための走
査手段とを備えることを特徴とする光造形装置である。
本発明に従えば、内部共振型固体レーザの和周波発生に
よって、大出力の短波長光が得られるため、従来のガス
レーザと比べて外部変調器が不要となり、装置の小型
化、長寿命化が図られる。また、基本波光およびミキシ
ング光に基づいて和周波光を発生しているため、和周波
光の出力はミキシング光の出力に対して線形の関係とな
る。そのため、ミキシング光の強度変調によって和周波
光の階調出力を高精度で得ることができる。また、ミキ
シング光はレーザ媒質の励起プロセスに関与しないた
め、高速変調が可能になる。なお、励起光およびミキシ
ング光の光源として、紫外域より長い波長を発生する半
導体レーザを利用できるため、直接変調が可能である。

【００１７】また本発明は、第１半導体レーザまたは第
２半導体レーザを直接変調する変調回路を備え、和周波
光を用いて感光性材料の表面を走査する際、立体物の輪
郭領域において和周波光の光量をアナログ変調または多
値変調することを特徴とする。本発明に従えば、第１ま
たは第２半導体レーザの直接変調によって和周波光の光
量をアナログ変調または多値変調することができ、これ
によって階調出力による露光が可能となるため、立体物
の輪郭領域におけるステップ変化を軽減でき、滑らかな
曲面を持った表面を形成できる。

【００１８】また本発明は、第１半導体レーザまたは第
２半導体レーザを直接変調する変調回路を備え、和周波
光を用いて感光性材料の表面を走査する際、立体物の輪
郭領域において和周波光のデューティ比を変化させるパ
ルス幅変調を行うことを特徴とする。本発明に従えば、
第１または第２半導体レーザの直接変調によって和周波
光の光量をパルス幅変調することができ、これによって
階調出力による露光が可能となるため、立体物の輪郭領
域におけるステップ変化を軽減でき、滑らかな曲面を持
った表面を形成できる。

【００１９】また本発明は、第２半導体レーザと共振器
との間に波長選択素子が配置され、第２半導体レーザか
ら出たミキシング光が波長選択素子より前方の光学素子
で全反射または部分反射し、波長選択素子を経由して第
２半導体レーザに光学的フィードバックされていること
を特徴とする。本発明に従えば、波長選択素子を経由し
て戻り光を光学的フィードバックすることによって、第
２半導体レーザの発振波長が波長選択素子の中心波長に
ロックされ、縦モードジャンプを抑制でき、その結果、
和周波光の波長も安定化される。

【００２０】また本発明は、前記波長選択素子は、複屈
折板と偏光素子との組合せによる複屈折フィルタで構成
されていることを特徴とする。本発明に従えば、複屈折
板と偏光素子との組合せによる複屈折フィルタは、リオ
ット(Lyot)型フィルタとも称され、比較的簡単な構成で
急峻なバンドパス特性が得られるため、第２半導体レー
ザの発振波長の安定度が向上する。

【００２１】また本発明は、前記非線形光学素子は、Ｋ
ＮｂＯ₃ 結晶で形成されていることを特徴とする。本発
明に従えば、ＫＮｂＯ₃ 結晶はブルー光からグリーン光
の波長領域で高い非線形光学定数を有するため、高効率
の和周波発生を実現できる。

【００２２】また本発明は、前記レーザ媒質は、Ｎｄド
ープのＮｄ：ＹＶＯ₄ 結晶で形成されていることを特徴
とする。本発明に従えば、Ｎｄ：ＹＶＯ₄ 結晶は偏光発
振可能で高いゲインを有するため、高出力の基本波発振
が可能となる。

【００２３】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の実施の一形態を
示す構成図である。光造形装置は、短波長光を発生する
和周波光源と、立体物Ｑの表面を光で走査する走査装置
４０などで構成される。

【００２４】和周波光源は、励起用およびミキシング用
の２つの半導体レーザと、レーザ媒質および非線形光学
結晶を含んだ内部共振器型の固体レーザなどで構成さ
れ、ここでは発振波長１０６４ｎｍの基本波光および波
長８６０ｎｍのミキシング光から波長４７５ｎｍの和周
波光の階調出力を発生する例を示す。

【００２５】光源は、レーザ媒質２０を励起する波長８
０９ｎｍの励起光ＬＡを出力する励起用半導体レーザ１
０と、波長８６０ｎｍのミキシング光ＬＭを出力するミ
キシング用半導体レーザ３０と、半導体レーザ３０の波
長安定化を行うための複屈折フィルタ３５と、レーザ媒
質２０、非線形光学素子２１および出力ミラー２２を含
む光共振器２５などで構成される。

【００２６】レーザ媒質２０は、Ｎｄが２ａｔ％ドープ
されたＮｄ：ＹＶＯ₄ で形成され、結晶厚みは１．０ｍ
ｍであり、励起光ＬＡによって励起されると光共振器２
５内で波長１０６４ｎｍの基本波光を発振する。非線形
光学素子２１はＫＮｂＯ₃ で形成され、レーザ媒質２０
と出力ミラー２２との間に配置されており、波長１０６
４ｎｍの基本波光と波長８６０ｎｍのミキシング光とを
非線形光学効果によって波長４７５ｎｍの和周波光ＬＳ
に変換する。

【００２７】レーザ媒質２０の表面２０ａには、レーザ
媒質２０の発振波長１０６４ｎｍに対して反射率が９
９．９％であって、かつ励起光ＬＡの波長８０９ｎｍお
よびミキシング光ＬＭの波長８６０ｎｍに対して透過率
９５％以上となるコーティングが施されている。また、
レーザ媒質２０の表面２０ｂ（非線形光学素子２１側）
には、波長１０６４ｎｍに対して透過率が９９．９％以
上で、波長８６０ｎｍに対して透過率が９５％以上とな
るコーティングが施されている。

【００２８】非線形光学素子２１であるＫＮｂＯ₃ 結晶
は、ｃ軸からの頂角θ＝９０°かつａ−ｂ面内にａ軸か
らの角度φ＝６３°の方向に切り出した、いわゆるａ−
ｂカット結晶で、結晶厚み７ｍｍのものを使用してい
る。この非線形光学素子２１はペルチェ素子（不図示）
に搭載され、温度チューニングにより位相整合を達成し
ている。

【００２９】非線形光学素子２１の入射側表面２１ａお
よび出射側表面２１ｂには、波長１０６４ｎｍに対して
透過率９９．９％となるコーティングが施されている。
レーザ媒質２０の出射側表面２０ｂと非線形光学素子２
１の入射側表面２１ａとは互いに接するように配置され
る。

【００３０】出力ミラー２２は、凹面鏡構成であり、凹
面の表面には波長１０６４ｎｍに対して反射率９９．９
８％であって、和周波光の波長４７５ｎｍに対して透過
率９５％の光学コーティングが施されている。

【００３１】一方、励起用の半導体レーザ１０は、ＡＰ
Ｃ（自動光制御）回路等を搭載した駆動回路１に接続さ
れ、駆動回路１はＤＣ出力の励起光ＬＡを発生するよう
に所定の駆動電流を供給する。また、波長安定化のため
に、半導体レーザ１０はペルチェ素子（不図示）に搭載
され、温度調整回路により所定温度に温度安定化され
る。

【００３２】半導体レーザ１０と光共振器２５との間に
は、コリメート用のレンズ１１、ミキシング光ＬＭを導
入するための偏光ビームスプリッタ１２、および焦点位
置調整用のレンズ１３が配置される。

【００３３】ミキシング光を発生する半導体レーザ３０
は、バイアス電流と、外部からの階調信号に応じてアナ
ログ変調または多値変調された変調電流とを重畳させた
駆動電流を供給する駆動回路２に接続される。また、波
長安定化のために、半導体レーザ３０はペルチェ素子
（不図示）に搭載され、温度調整回路により所定温度に
温度安定化される。

【００３４】半導体レーザ１０と偏光ビームスプリッタ
１２との間には、コリメート用のレンズ３１および複屈
折フィルタ３５が配置される。

【００３５】複屈折フィルタ３５は、ミキシング光ＬＭ
の波長だけを選択的に透過させるバンドパス特性を有す
る波長選択素子として機能し、ノンドープＹＶＯ₄ 結晶
から成る厚み０．５ｍｍの複屈折素子３２と、偏光子３
３と、ノンドープＹＶＯ₄ 結晶から成る厚み４ｍｍの複
屈折素子３４とから成る、いわゆるリヨット(Lyot)のフ
ィルタとして構成される。

【００３６】次にミキシング光ＬＭの光学的フィードバ
ック機構について説明する。基本波光およびミキシング
光ＬＭが非線形光学素子２１中でミキシングされると、
和周波光ＬＳが発生し、出力ミラー２２から放射する。
一方、和周波発生に関与しなかったミキシング光は、出
力ミラー２２によって反射され、同じパスを戻って、偏
光ビームスプリッタ１２および複屈折フィルタ３５を経
由して半導体レーザ３０に入射する。半導体レーザ３０
の発振はこうした戻り光の影響を受けて、発振波長が複
屈折フィルタ３５の中心波長にロックされる。そのた
め、縦モードジャンプが抑制され、ミキシング光ＬＭの
波長が安定化し、その結果、和周波光ＬＳの波長も安定
化される。このような戻り光は出力ミラー２２以外の光
学部品に起因するものでも、同様な効果が得られる。

【００３７】なお、ここではリヨットフィルタを使用す
る例を示したが、縦モードジャンプの原因となる戻り光
をカットするための光アイソレータを代わりに使用する
ことも可能である。

【００３８】以上の構成において、励起光ＬＡによって
励起されたレーザ媒質２０は光共振器２５内で基本波の
レーザ発振を発生するとともに、共振器外部から導入さ
れたミキシング光ＬＭと基本波光とが非線形光学素子２
１において混合され和周波光ＬＳを発生する。発生した
和周波光ＬＳは走査装置４０に入射する。

【００３９】走査装置４０は、レーザヘッドまたは加工
テーブルを２次元的に移動されるＸ−Ｙ移動機構や、ガ
ルバノミラーやポリゴン等の走査鏡による光学的な走査
機構などで構成され、入射した和周波光ＬＳを２次元的
に走査する。

【００４０】立体物Ｑの表面は、和周波光ＬＳの波長で
感光する光硬化性樹脂が層状に塗布されている。和周波
光ＬＳの走査に同期して、駆動回路２が半導体レーザ３
０の電流を変調するとミキシング光ＬＭが変調され、さ
らにミキシング光ＬＭの変調によって和周波光ＬＳのア
ナログ変調、多値変調またはパルス幅変調を行い、所望
の領域だけを露光する。こうした光硬化性樹脂の塗布工
程および和周波光ＬＳの露光工程を交互に繰り返すこと
によって、立体物Ｑを完成する。

【００４１】図２は、和周波光ＬＳの変調波形を示すグ
ラフである。図２（ａ）はオンオフだけの２値変調であ
り、輪郭領域における露光量がステップ的に変化してい
る。図２（ｂ）は多値変調であり、輪郭領域における露
光量が徐々に変化している。なお、アナログ変調は多値
変調の階調数を多数設定することによって近似できる。
図２（ｃ）はデューティ比を変化させたパルス幅変調で
あり、実際のビームスポットは一定の大きさを有するた
め、図２（ｂ）と同様に輪郭領域における露光量が徐々
に変化することになる。

【００４２】図３は立体物Ｑの完成形状を示す側面図で
あり、図３（ａ）は図２（ａ）の２値変調を用いた例で
あり、図３（ｂ）は図２（ｂ）の多値変調または図２
（ｃ）のパルス幅変調を用いた例である。

【００４３】図３（ａ）では、輪郭領域での露光量がス
テップ的に変化しているため、各層の端面がステップ状
に形成され、全体として階段状の段差が多数形成された
曲面となる。したがって、段差を解消する研磨工程が不
可欠となる。

【００４４】一方、図３（ｂ）では、輪郭領域での露光
量が徐々に変化しているため、各層の端面が傾斜してお
り、全体として滑らかな曲面を形成することができる。

【００４５】

【発明の効果】以上詳説したように本発明によれば、内
部共振型固体レーザの和周波発生によって、大出力の短
波長光が得られるため、従来のガスレーザと比べて外部
変調器が不要となり、装置の小型化、長寿命化が図られ
る。

【００４６】また、ミキシング光の強度変調によって和
周波光の階調出力を高精度で得ることができ、しかも高
速な変調が可能になる。

【００４７】また、和周波光の光量をアナログ変調、多
値変調、またはパルス幅変調することによって、階調出
力による露光が可能となるため、立体物の輪郭領域にお
けるステップ変化を軽減でき、滑らかな曲面を持った表
面を形成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の一形態を示す構成図である。

【図２】和周波光ＬＳの変調波形を示すグラフである。

【図３】立体物Ｑの完成形状を示す側面図である。

【符号の説明】

１、２駆動回路１０、３０半導体レーザ１１、１３、３１レンズ１２偏光ビームスプリッタ２０レーザ媒質２１非線形光学素子２２出力ミラー３２、３４複屈折素子３３偏光子３５複屈折フィルタ４０走査装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】共振器内にレーザ媒質および非線形光学
素子を配置し、該レーザ媒質を光励起して共振器内で基本波光を発振さ
せ、共振器内にミキシング光を導入して、非線形光学素子に
よって基本波光およびミキシング光から和周波光を発生
させ、和周波光を用いて感光性材料の表面を走査することによ
って、光照射部分を硬化させ、感光性材料の塗布および和周波光の走査を交互に繰り返
すことによって、立体物を形成することを特徴とする光
造形方法。
【請求項２】和周波光を用いて感光性材料の表面を走
査する際、立体物の輪郭領域において和周波光の光量を
アナログ変調または多値変調することを特徴とする請求
項１記載の光造形方法。
【請求項３】和周波光を用いて感光性材料の表面を走
査する際、立体物の輪郭領域において和周波光のデュー
ティ比を変化させるパルス幅変調を行うことを特徴とす
る請求項１記載の光造形方法。
【請求項４】前記非線形光学素子として、ＫＮｂＯ₃
結晶を使用することを特徴とする請求項１〜３記載の光
造形方法。
【請求項５】前記レーザ媒質として、ＮｄドープのＮ
ｄ：ＹＶＯ₄ 結晶を使用することを特徴とする請求項１
〜４記載の光造形方法。
【請求項６】共振器内に配置され、基本波光を発振す
るレーザ媒質、および該基本波光およびミキシング光に
基づいて和周波光を発生する非線形光学素子と、前記レーザ媒質を励起するための励起光を発生する第１
半導体レーザと、共振器外部に配置され、前記ミキシング光を発生するた
めの第２半導体レーザと、前記和周波光を用いて感光性材料の表面を走査するため
の走査手段とを備えることを特徴とする光造形装置。
【請求項７】第１半導体レーザまたは第２半導体レー
ザを直接変調する変調回路を備え、和周波光を用いて感光性材料の表面を走査する際、立体
物の輪郭領域において和周波光の光量をアナログ変調ま
たは多値変調することを特徴とする請求項６記載の光造
形装置。
【請求項８】第１半導体レーザまたは第２半導体レー
ザを直接変調する変調回路を備え、和周波光を用いて感光性材料の表面を走査する際、立体
物の輪郭領域において和周波光のデューティ比を変化さ
せるパルス幅変調を行うことを特徴とする請求項６記載
の光造形装置。
【請求項９】第２半導体レーザと共振器との間に波長
選択素子が配置され、第２半導体レーザから出たミキシング光が波長選択素子
より前方の光学素子で全反射または部分反射し、波長選
択素子を経由して第２半導体レーザに光学的フィードバ
ックされていることを特徴とする請求項６記載の光造形
装置。
【請求項１０】前記波長選択素子は、複屈折板と偏光
素子との組合せによる複屈折フィルタで構成されている
ことを特徴とする請求項９記載の光造形装置。
【請求項１１】前記非線形光学素子は、ＫＮｂＯ₃ 結
晶で形成されていることを特徴とする請求項６〜１０記
載の光造形装置。
【請求項１２】前記レーザ媒質は、ＮｄドープのＮ
ｄ：ＹＶＯ₄ 結晶で形成されていることを特徴とする請
求項６〜１１記載の光造形装置。