KR100332939B1 - 광조형장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

발명의 목적은 소형이고 염가인 광조형장치를 제공하는 것이다. 다수의 청색 LED를 준비하고, 그 각각에 광 섬유를 접속하며, 이들 광 섬유의 선단의 끝에 GRIN 렌즈를 배치하여 노출헤드(23)를 구성한다. 노출헤드(23)는 광 경화성 수지의 노출영역(24) 상에 각 광 섬유의 선단면의 상을 광점(55)으로서 결상한다. 광점(55)의 직경은, 예컨대 0.5mm이지만 노출영역(24)내의 화소(71)의 사이즈는 훨씬 작은, 예컨대 62.5㎛이다. 각 광점(55)이 주주사(Y축)방향으로 화소(71)의 피치 62.5㎛로 늘어서도록 노출헤드(23)상의 다수의 광 섬유는 지그재그 형상으로 변위한 매트릭스에 배열된다. 노출헤드(23)가 부주사(X축)방향으로 노출영역(24)을 주사하면서 노출영역(24) 내의 경화대상인 각각의 화소(71)에 대하여 이 화소에 빛을 조사할 수 있는 모든 광점을 온하여 다중노출을 한다.

Description

광조형장치 및 방법{OPTICAL FORMATION DEVICE AND METHOD}

광조형장치에 대하여, 예컨대 일본국 특허 제1827006호를 비롯하여 수많은 발명이 공지되어 있다. 종래의 광조형장치는 일반적으로, 자외선 레이저를 출력하는 가스 레이저 발진기를 광원으로서 사용하고 있다.

가스 레이저 발진기의 사이즈는 상당히 크며(예컨대 150cm×30cm×30cm), 결과적으로 광조형장치 본체의 사이즈도 상당히 대형이다. 더욱이, 가스 레이저 발진기는 그 자체가 고가이고, 나아가 발진기의 종류에 따라서는 200V 전원이 필요하거나 수냉장치(chiller)가 필요하거나 하였다. 따라서, 종래의 광조형장치의 가격은 대단히 고액이다(예컨대, 수 1,000만엔).

따라서, 본 발명의 목적은 소형이고 염가인 광조형장치를 제공함에 있다.

본 발명은 광 경화성 수지를 사용하여 3차원 형상 모형을 작성하는 광조형장치에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 한 실시형태에 관한 광조형장치의 전체구성을 나타낸 블록도.

도 2는 노출헤드(23)의 외관을 나타낸 사시도.

도 3은 각각의 LED의 구성을 도시한 측면도.

도 4는 노출헤드(23)에 있어서의 광 섬유(55)의 배열예를 도시한 평면도.

도 5는 노출헤드(23)에 있어서의 광 섬유(55)의 다른 배열예를 도시한 평면도.

도 6은 하나의 광 섬유(55)로부터 수지 액면에 투영된 하나의 광점(59)과, 노출영역의 화소(71)와의 관계를 도시한 평면도.

도 7은 다중노출의 원리를 도시한 평면도.

도 8은 제어컴퓨우터(3)의 처리를 나타내는 플로우챠트.

도 9는 발광패턴을 생성하는 방법을 설명하기 위하여, 배열된 광 섬유의 좌표와 화소의 좌표를 도시한 평면도.

도 10은 LED 광원의 다른 조직 구성을 도시한 사시도.

본 발명에 관한 광조형장치는 광 경화성 수지의 액을 수용하는 액조와, 액조내의 광 경화성 수지의 액조내에 설정된 노출영역과, 이 노출영역에 빛을 조사하는 노출장치와, 노출영역내의 선택된 화소를 경화하도록 노출장치를 제어하는 제어장치를 구비하고 있다. 노출영역은 조형물에 요구되는 치수정밀도를 만족하는 세밀한 다수 화소의 2차원 세트(set)로서 정의할 수 있다. 노출장치는 온ㆍ오프 스위칭이 가능하고 온일때의 광점(light spot)을 노출영역에 조사하는 1개 이상의 광점 발생기를 구비하고 있다. 노출영역에 조사되는 1광점의 사이즈는 노출영역의 1화소보다 크다. 그리고, 노출장치는 그 광점 발생기에 의하여 노출영역을 주사하여, 그 주사 과정에 걸쳐, 제어장치는 선택된 화소에 광점을 조사할 수 있는 위치에 존재하는 총계 복수의 광점 발생기를 온으로 한다.

여기서, 「총계 복수」라 함은 물리적으로 다른 복수개의 광점 발생기로부터 복수의 광점을 동시에 같은 화소를 조사하는 경우 뿐 아니라, 물리적으로 1개의 광점 발생기를 주사하는 동안에 복수회 사용하여 상이한 시각에 몇회라도 광점을 같은 화소에 조사하는 것도 포함한 의미이다.

본 발명의 광조형장치에서는 광점 발생기로부터 노출영역에 조사하는 광점의 사이즈는 노출영역의 화소만큼은 미소하지는 않으며, 화소보다 큰 사이즈이다. 또한, 각 화소의 노출은 총계 복수의 광점을 사용하여 다중으로 하므로, 각각의 광점 발생기의 출력은 비교적 작아도 좋다. 그러므로, 광점 발생기의 광원에는 종래의 대형이고 고가의 가스 레이저 발진기를 사용할 필요가 없고, 소형이고 염가의 LED와 같은 고체발광소자를 사용할 수 있다. 결과적으로 종래보다 대폭적으로 저렴한(예컨대, 종래의 수 1,000만엔에 대하여 수 100만엔 정도의) 광조형장치를 제공할 수 있다.

노출의 효율 면에서 광점 발생기는 복수개 있는 편이 바람직하다. 그 경우, 상술한 다중노출을 하도록 하기 위하여, 복수의 광점 발생기로부터의 광점은 노출영역 상에 주주사방향(主走査方向)으로 광점의 직경보다 작은 제1피치(pitch)(전형적으로는 화소의 피치)로 배열되어 있어, 그것들 복수개의 광점이 노출영역을 부주사방향(副走査方向)으로 주사하도록 구성되어 있음이 바람직하다. 또한, 노출영역의 주주사방향의 전체길이에 걸쳐서 다수의 광점이 배열되어 있다면 한층 바람직하다.

상기와 같이 복수의 광점을 작은 제1피치로 배열할 경우, 2개 이상의 광점 발생기를 광점의 직경 이상의 제2피치로 주주사방향으로 일렬로 늘어 세워 이루어진 광점 발생기 배열(array)을 복수개 준비하여, 그것들의 광점 발생기 배열을 상호간에 주주사방향에 걸쳐서 상기 제1피치에 같은 변위를 갖고 부주사방향으로 배치할 수 있다. 이와 같은 배열방법을 채택함으로써, 제1피치보다 광점 발생기의 사이즈 쪽이 훨씬 커도, 이들 커다란 광점 발생기를 주주사방향으로 제1피치에서 배열할 수 있게 된다.

상기 다중노출을 가능하게 하기 위하여 제어장치는 노출장치를 다음과 같이 제어할 수 있다. 즉, 제어장치는 먼저, 조형물의 단면 형상을 나타내는 데이터를 수신하고, 이 데이터에 소정의 오프셋 량을 적용하여 단면 형상을 팽창시킨다. 이어서, 광점 발생기가 노출영역을 주사하는 동안 제어장치는 그 광점의 중심점이 팽창시킨 단면 형상에 포함되는 각 화소에 위치하고 있는 광점 발생기를 온한다. 이 오프셋 팽창처리를 채택한 방법에 의하면 각 광점 발생기를 광점 중심점의 화소 값에 따라서 온/오프한다고 하는 단순한 광점구동방법을 실행하는 것만으로, 조형물의 단면 형상의 모든 화소에 대하여(특히, 형상 내부의 화소 뿐 아니라 윤곽 근방의 화소에 대하여도) 효과적인 다중노출을 실시할 수 있게 된다.

전술한 바와 같이, 각 광점 발생기의 광원에는 LED와 같은 고체발광소자를 사용할 수 있다. 바람직하기는 각 LED에 광 섬유를 접속하여, 그 광 섬유의 선단부로부터 광점을 노출면에 조사하도록 구성할 수 있다. 보다 바람직하기는 광 섬유 선단부의 끝에 GRIN 렌즈(Gradient Index Lens : 굴절률 분포형 렌즈)를 배치하여, 광 섬유의 선단부의 상을 노출영역에 결상시키도록 구성할 수 있다. 이와 같이 구성하면, 광 섬유의 직경(예컨데 0.5mm)에 상당하는 작은 직경의 광점을 생성할 수 있다. 이 정도로 작은 광점을 사용한다면, 광조형의 일반적인 용도로 충분히 실용가능한 치수정밀도를 가진 조형물을 작성할 수 있다. 더욱이, 종래의 가스 레이저를 사용한 광조형장치에 비교하여 가격이 현격한 차이로 낮고, 또한 장치도 소형화하기 때문에, 본 발명의 광조형장치의 실제 장점은 대단히 크다.

광원으로서의 LED는 가급적 에너지가 높은(즉, 파장의 짧은) 파장 광을 발생하는 것이 바람직하며, 그러한 관점에서 청색 LED를 사용하거나 또는 입수할 수 있다면 자외선 LED를 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 광원으로서의 LED는 노출영역을 주사하는 광점 발생기(노출헤드)와 일체화 되어 있어 노출헤드와 함께 이동하도록 되어 있어도 좋으며, 뒤에 설명하는 실시형태와 같이 노출헤드로부터 떨어진 장소에 고정되어 있어 광 섬유로 노출헤드와 연결되어 있는 구성이여도 좋다.

본 발명은 또한, 광조형방법도 제공한다. 이 방법에서는 광 경화성 수지의 노출영역을 그 화소보다 큰 사이즈의 적어도 1개의 광점으로 주사하면서 선택된 화소에 조사할 수 있는 광점을 온하여, 그에 따라 총계 복수의 광점을 선택된 화소에 조사하여 다중노출을 한다. 이 방법에 의하여, 예컨대 상술한 LED와 광 섬유의 조합과 같이 화소보다 큰 광점밖에 발생할 수 없고, 또한 광점의 출력도 작지만 반면에 소형으로 대단히 염가인 광점 발생기를 사용하여 실용적인 광조형을 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 한 실시형태에 관한 광조형장치의 전체 구성을 나타내고 있다.

이 조형장치(100)는 광조형에 필요한 기계 기구, 광원 또는 그것들의 구동장치를 포함한 장치 본체(1)와, 이 본체(1)의 동작을 제어하기 위한 제어컴퓨터(3)를 구비한다. 제어컴퓨터(3)는 이더넷(Ethernet)과 같은 통신네트워크(9)를 통하여, 3차원 CAD 시스템(5)이나, 제어데이터생성용 워크스테이션(7)등과 접속할 수 있다. 3차원 CAD 시스템(5)은 조형물의 3차원 모델링(modeling)을 하여 조형물의 3차원 형상 데이터를 생성한다. 제어데이터 생성용 워크스테이션(7)은, 그 3차원 형상 데이터를 다수의 얇은 층으로 슬라이스(slice)하여 각 층의 2차원 형상을 생성하고, 그 각 층의 2차원 형상 데이터나 두께 데이터 등을 제어컴퓨터(3)에 공급한다.

장치 본체(1) 내에는 수지 액조(11)가 설치되고, 거기에 광 경화성 수지 액(13)이 소정 액위(液位)까지 충만되어 있다. 액위를 제어하기 위하여, 액면검출센서(31)가 액위를 검출하여, 그 검출신호에 의거하여 제어컴퓨터(3)가 액면조정 구동장치(35)를 제어하고, 그 제어에 따라서 액면조정 구동장치(35)가 액면조정 볼륨(volume)(33)을 기능시킨다.

수지 액조(11)내에는 Z축 엘레베이터(15)가 있으며, 이 엘레베이터(15) 상에 트레이(Tray)(19)가 놓이게 된다. 엘레베이터(15)는 제어컴퓨터(3)에 의하여 제어되는 Z축 엘레베이터 구동장치(21)에 의하여 Z축 방향(상하방향)으로 이동시킬 수 있다. 주지하는 바와 같이, 조형중, 트레이(19) 상에 조형물(17)이 형성되어감에 따라서, 엘레베이터(15)는 서서히 강하한다.

트레이(19) 상방의 액면 상에는 액면에 경화용의 빛을 조사하는 노출헤드(23)가 배치되어 있다. 도 2의 사시도에 도시한 바와 같이 노출헤드(23)는 Y축 방향으로 길게, 그리고 제어컴퓨터(3)에 의하여 제어되는 스캔축 구동장치(25)에 의하여 X축 방향으로 이동시킬 수 있다. 노출헤드(23)가 이동하면서 커버하는 노출영역(24)은 본 실시형태에서는 X축 방향 64mm 및 Y축 방향 64mm이며, 따라서 작성할 수 있는 조형물(17)의 최대 평면 사이즈는 64mm×64mm이다(단, 뒤에 설명하는 오프셋 량의 적용에 의한 팽창때문에, 실제로 작성되는 조형물(17)의 최대평면 사이즈는 약 60mm×60mm이다). 노출헤드(23)는 광 섬유 다발(39)을 통하여, LED 광원(37)에 접속되어 있다. 이 부분의 상세한 구성은 뒤에 설명한다.

조형물(17)의 노출면(액면)에 접하여, 그 노출면(액면)을 평평하게 하기 위한 Y축 방향으로 길다란 리코오터(recoater)(27)가 배치되어 있다. 리코오터(27)는 제어컴퓨터(3)에 의해 제어되는 리코오터 구동장치(29)에 의해서 X축 방향으로 이동시킬 수 있다.

수지 액(13)의 온도를 제어하기 위하여, 복수 개소에서 온도 센서(41, 43)가 수지 액(13)의 온도를 검출하여, 그 검출온도에 의거해서 제어컴퓨터(3)가 온도조절기(45)를 제어하고, 그 제어에 따라서 온도조절기(45)가 히이터(47)를 구동한다.

이상의 구성중에서, 특히 주목하여야 할 것은, 광원 부분(노출헤드(23), 광 섬유 다발(39) 및 LED 광원(37))의 구조와, 그 광원 부분의 제어컴퓨터(3)에 의한 제어이다. 이하, 이 점에 관하여 상세히 설명한다.

3차원 CAD 시스템(5)으로 작성된 3차원 형상 모델은 Z축 방향으로, 예컨대 0.1mm의 폭으로 슬라이스된다. 슬라이스된 각 층의 데이터는 XY평면에 있어서의 2차원 형상 데이터이며, 이것이 광조형장치(100)의 제어컴퓨터(3)에 공급된다. 제어컴퓨터(3)는 먼저, 각 층의 2차원 형상 데이터를 1024비트×1024비트의 비트맵 데이터로 전개한다. 이 비트맵 데이터는 XY평면 상의 상술한 노출영역(24)(64mm×64mm)의 영상을 나타내고 있다. 바꾸어 말하면, 이 비트맵 데이터는 노출영역(24)의 64mm×64mm의 영상을 1024화소×1024화소의 래스터(raster)영상으로서 표현하고 있다. 따라서, 이 비트맵 데이터의 각 1비트는 노출영역(24)내의 62.5㎛×62.5㎛의 각 화소에 대응하고, 각 비트의 값 '1' 및 '0'은 각 화소에서 수지를 경화한다(광원을 온한다) 및 경화하지 않는다(광원을 오프한다)를 각기 의미한다.

LED 광원(37)에는 노출영역(24)의 Y축 방향의 －라인의 화소 수에 상당하는 1024개의 LED가 포함되어 있다. 그것들 1024개의 LED는 제어컴퓨터(3)로부터의 지령으로 개별로 온/오프할 수 있도록 되어 있다. 도 3은 각각의 LED 구성을 나타내고 있다. 도 3에 도시한 바와 같이, 각 LED(51)는 시판되는 LED 램프(53) 헤드부의 렌즈 부분(54)을 커트한 것이며, 이에 광 섬유(55)가 접속되어 있으며, 실질적으로 출력광의 전부가 광 섬유(55)에 입사하도록 구성되어 있다. 각 LED(53)는 가급적 자외선에 가까운 단파장의 고에너지 광을 발하는 것이 바람직하며, 본 실시형태에서는 청색광(파장 470nm, 출력 3mW)을 발하는 것을 사용하고 있다.

LED 광원(37)내의 1024개의 LED(51)에 접속된 1024개의 광 섬유(55)는 도 1에 나타낸 광 섬유 다발(39)로서, 노출헤드(23)로 안내되고 있다. 노출헤드(23)에서는 1024개의 광 섬유(55)의 선단부가 도 4를 참조하여 뒤에 설명하는 바와 같은 형태로 배열되어 있으며, 그 하방에 다수의 원기둥 형상의 GRIN 렌즈(굴절률 분포형 렌즈)를 평면 형상으로 나란히 놓인, 도 3에 도시한 바와 같은 GRIN 렌즈ㆍ판(57)이 배치되어 있다. 이 GRIN 렌즈ㆍ판(57)은 각각의 광 섬유(55)의 선단면의 상(즉, 광 섬유(55)와 같은 지름의 광점)(59)을 그 하방의 수지 액면에 결상한다. 각 광 섬유(55)의 직경은, 예컨대 0.5mm이며, 따라서, GRIN 렌즈(57)에 의하여 결상되는 각 광점(59)의 직경도 0.5mm이다.

도 4는 노출헤드(23)에 있어서의 광 섬유(55) 선단부의 평면 배열의 한 형태를 나타내고 있다.

1024개의 광 섬유(55) 각각은 노출영역(24)의 Y축에 걸친 1024개의 각 화소 위치를 노출하기 위한 것이다. 따라서, 노출헤드(23)에 있어서의 1024개의 광 섬유(55)의 선단부는 노출영역(24)의 화소의 피치와 같은 62.5㎛의 피치로 Y축에 걸쳐서 배열될 필요가 있다. 그러나, 각 광 섬유(55)의 직경은 화소피치 62.5㎛보다 훨씬 큰 0.5mm이므로, 이 피치로써 일렬로 광 섬유(55)를 배열하는 것은 불가능하다.

그리하여, 도 4에 도시한 바와 같은 128개×8행의 섬유배열을 채용한다. 즉, 128개의 광 섬유(55)를 그 직경에 같은 0.5mm피치로 Y축 방향에 일직선으로 나란하게, 길이 64mm의 1개의 광 섬유 배열 63①을 작성한다. 마찬가지로 전부 8개의 광 섬유 배열 63①∼63⑧을 준비한다. 각 광 섬유 배열 63①∼63⑧은 구체적으로는 길이 64mm의 홈을 가진 베이스(65)의 홈에 128개의 광 섬유(55)를 끼워넣음으로써 작성할 수 있다. 이것들의 8개의 광 섬유배열 63①∼63⑧을 각기 Y축 방향에 평행으로, 또한 상호간에 Y축 방향으로 화소피치와 같은 62.5㎛만큼 변위하도록 하여, X축 방향으로 적당한 간격으로 배치한다(따라서, 노출헤드(23)의 외관은 도 2에 도시한 바와 같이 8개의 베이스(65)가 나란하게 된다).

도 4에 도시한 바와 같이 8개의 광 섬유배열 63①∼63⑧이 나란한 노출헤드(23)를 X축 방향으로 주사시켜 나아감으로써, 그 1024개의 광 섬유(55)는 노출영역(24)의 Y축에 걸친 1024개의 화소의 위치를 각기 주사하게 된다. 예컨대. 그 1024개의 화소에 대하여 끝에서부터 0번, 1번, …, 1023번과 같이 번호를 붙였다고 하면, 도 4에 나타낸 1행의 배열 63①의 광 섬유(55)는 0번, 8번, 16번, …과 같이, 0번의 화소에서 8화소 피치 간격의 128개의 화소의 위치를 주사하게 되며, 2행의 배열 63②의 광 섬유(55)는 1번, 9번, 17번, …과 같이 1번의 화소에서 8화소 피치 간격의 128개의 화소의 위치를 주사하게 된다.

또한, 도 4에 도시한 섬유배열은 한 예이며, 다른 배열, 예컨대 도 5에 도시한 바와 같은 배열도 채용할 수 있다. 도 5의 배열에서는 1행의 배열 63①의 이웃에, 도 4에 배열에 있어서의 5행의 배열 63⑤이 배치된 바와 같이 배열간의 Y방향의 변위가 섬유 반지름인 0.25mm와 같은 2개의 배열끼리가 인접하여 배치된다. 이 배치에서는 인접하는 배열의 X방향의 간격을 최소로 할 수 있으므로, 노출헤드(23)의 X축 방향 사이즈가 최소로 된다.

도 6은 하나의 광 섬유(55)로부터 수지 액면에 투영된 하나의 광점(59)과, 그 수지 액면 화소(71)와의 관계를 나타내고 있다.

이미 설명한 바와 같이, GRIN 렌즈ㆍ판(57)에 의하여 수지 액면에 투영된 각 광점(59)의 직경은 각 광 섬유(55)의 직경과 같은 0.5mm이다. 이에 대하여, 각각의 화소(71)의 사이즈는 62.5㎛×62.5㎛이다. 그 때문에, 광점(59)은 그 중심점에 위치하는 화소(73)(도 4를 참조한 섬유배열의 설명에서 「각 광 섬유(55)가 주사하는 화소」와 같이 설명한 화소)뿐만 아니라, 그 주위의 많은 화소에도 조사하게 된다. 이것을 다른 측면에서 보면, 하나의 화소(73)에는 이 화소(73)를 중심으로 하는 직경 0.5mm의 범위 내에 중심점을 가진 다수의 광점이 조사됨을 알 수 있다. 본 실시형태에서는 이것을 이용하여, 하나의 화소를 다수의 광점으로 다중노출함으로써, 광원인 LED의 출력광을 최대한으로 이용하도록 하고 있다.

도 7은 이 다중노출의 원리를 도시한다. 도 7에 도시한 바와 같이, 어떤 화소(73)를 경화시킬 경우, 이 화소(73)를 중심으로 하는 직경 0.5mm의 범위 내의 모든 화소(도면중 「+」표로 나타낸 화소)위치에 중심점을 가진 모든 광점을 점등시키도록 한다. 이 다중노출은 도 4나 도 5에 예시한 바와 같은 화소 피치에서 나란한 광 섬유배열을 사용하는 것과 뒤에 설명하는 조형물의 형상에 대한 오프셋 량의 적용등에 의하여 실현된다.

도 8은 상술한 구성의 광원을 구동하기 위한 제어처리의 흐름을 나타내고 있다.

이미 설명한 바와 같이, 먼저 3차원 CAD 시스템(5)이 조형물의 3차원 형상 데이터를 모델링한다(스텝 S1). 이어서, 워크스테이션(7)이 Z축 방향으로 소정 피치로 3차원 형상을 슬라이스하여 슬라이스한 각 층의 2차원 형상 데이터를 작성하고, 이것을 조형장치(100)의 제어컴퓨터(3)에 보낸다(S2).

이어서, 제어컴퓨터(3)가 각층의 2차원 형상 데이터에 소정의 오프셋 량을 적용하여, 그 2차원 형상을 오프셋 량 만큼 팽창시킨다(S3). 예컨대 도 8에 도시한 바와 같이 원래의 2차원 형상이 원(圓)(81)일 경우, 그 반지름에 오프셋 량(83)을 가하여 보다 큰 지름의 원(85)으로 팽창시킨다. 또한, 도시하지는 않았지만 원래의 2차원 형상이, 예컨대 원형이였을 경우 그 바깥지름은 오프셋 량만큼 확대시키지만, 안지름은 오프셋 량 만큼 축소시킨다. 즉, 윤곽을 오프셋 량만큼 바깥쪽으로 약간 위치이동하게 한다.

이 오프셋 팽창처리를 하는 이유는 다음과 같다. 즉, 뒤에 설명하는 바와 같이 각 LED(51)의 온/오프는 각 광점(59)의 중심점의 화소 값에 의하여 결정된다. 따라서, 워크스테이션(7)으로부터의 2차원 형상 데이터를 그대로 사용하여 LED(51)를 온/오프시키면, 2차원 형상의 윤곽(끝) 근방의 화소를 노출하는 광점 수가 적어지게 되어(왜냐하면, 윤곽선 바깥쪽의 화소를 중심점으로 하는 광점은 오프이므로), 상술한 다중노출의 효과를 충분히 얻을 수 없게 된다. 그리하여, 2차원 형상의 윤곽선 상의 화소에 대하여도, 그 화소를 중심으로 하는 직경 0.5mm범위 내의 화소를 중심점으로 하는 모든 광점이 온되도록, 오프셋 량을 적용하여 윤곽선을 바깥쪽으로 이동시킨다. 따라서, 오프셋 량은 광점의 반지름인 0.25mm가 표준이다. 그러나, 가장 적합한 오프셋 량은 수지의 경화특성이나 광점의 점등시간의 조정 등에 의존하므로, 마이너스값을 포함하여 임의의 오프셋 량을 설정할 수 있도록 되어 있음이 바람직하다.

상기 처리에 의하여 팽창시킨 2차원 형상 데이터는 윤곽데이터라 한다. 제어컴퓨터(3)는 이어서, 이 윤곽데이터를 1024비트×1024비트의 비트맵 영상(87)으로 전개한다. 비트맵 영상(87)의 각 비트값은, 예컨대 '1'이 LED 온(화소를 경화한다), '0'이 LED 오프(화소를 경화하지 않는다)를 의미한다(물론, 역이어도 좋다).

이어서, 제어컴퓨터(3)는 노출헤드(23)의 주사를 개시하고, 주사가 이루어지고 있는 사이, 비트맵 영상(87)으로부터 비트값을 판독하여 발광패턴을 작성하고, 이에 기초하여 LED 광원(37)을 구동한다(S5).

발광패턴은 다음의 방법으로 작성한다. 전제로서, 광 섬유(55)가 도 4에 도시한 128개×8행의 배열로 되어 있다고 한다. 또한, 도 9에 도시한 바와 같이 각 광 섬유(55)를 노출헤드(23) 상에서의 좌표(p, q)로 식별한다. 여기서, 번호 p(p=0∼7)는 각 광 섬유 배열 63①∼63⑧의 행 번호(p=0∼7)이며, 번호 q(q=0∼1023)는 각 광 섬유 배열 내에서의 각 광 섬유(55)의 위치번호이다. 또한, 노출헤드(23) 상에서의 각 광 섬유배열 63①∼63⑧의 X축 방향(주사방향)위치를, 1행의 광 섬유배열 63①과 각 광 섬유배열 63①∼63⑧ 사이의 간격을 화소피치 62.5㎛로 나눈 배수 값(Np)으로 나타낸다. 예컨대 1행의 배열 63①(p=0)에 대하여는 N0=0이며, 2행의 배열 63②(p=1)에 대하여는 N1=8(즉, 1행의 배열과의 간격은 0.5mm), 3행의 배열 63③(p=2)에 대하여는 N2=18(즉, 2행의 배열과의 간격은 0.625mm) 등으로 되어 있다. 또한, 각 화소(71)를 노출영역(24)(비트맵 영상 87)내의 좌표(i, j)로 식별하게 된다. 여기서, 번호 i, j는 각기 비트맵 영상(87) 내의 행번호(X좌표) 및 열번호(Y좌표)이다. 또한, 노출헤드(23)의 1화소 피치 62.5㎛씩 X축 방향으로 이동하여 가는 방법으로 되며, 주사중의 시각(t)은 주사개시 시점에서 t=0, 이후 m 화소 피치만큼 이동한 시점에서 t=m으로 표시한다.

이상의 전제 하에서, 제어컴퓨터(3)는 주사중의 각각의 시각(t)에 있어서, 좌표(p, q)의 광 섬유(55)에 접속된 LED(51)를 다음식,

i＝t－Np

j＝p＋8×q

로 결정되는 좌표(i, j)의 화소 값에 기초하여 온/오프한다(단, j가 마이너스값 또는 1024 이상일 때는 LED(51)는 오프이다).

예컨대, 주사개시시각 t=0에서는 1행의 광 섬유 배열 63①(p=0, Np=0)이 노출개시위치에 위치하고 있다. 이때, 이 1행의 광 섬유 배열 63①에 대하여서만 발광패턴이 부여된다(2행 이후의 배열에 대하여는 i가 마이너스이다). 즉, 이 1행의 위치번호 q=0, 1, 2, …, 127의 각 광 섬유(55)의 LED(51)에 대하여, 상기 식에서 결정한 좌표 (0, 0), (0, 8), (0, 16), …, (0, 1016)의 화소 값의 발광패턴이 부여된다.

이후, t=1, 2, …, 7의 각 시점에서는 1행의 배열 63①에 대하여서만 상기 식에서 결정한 발광패턴이 부여된다.

개시로부터 8화소 피치 만큼 이동한 t=8의 시점에서 2행의 광 섬유배열 63②(p=1, Np=8)이 노출개시위치에 온다. 이 시점으로부터 1행의 배열 63①과 2행의 배열 63②에 대하여 발광패턴이 부여된다(3행 이후의 배열에 대하여는 i가 마이너스이다). 즉, 1행의 위치번호 q=0, 1, 2, …, 127의 각 LED(51)에 대하여, 상기 식에서 결정한 좌표 (8, 0), (8, 8), (8, 16), …, (8, 1016)의 화소 값의 발광패턴이 또한, 2행의 위치번호 q=0, 1, 2, …, 127의 각 LED(51)에 대하여, 상기 식에서 결정한 좌표 (0, 1), (0, 9), (0, 17), …, (0, 1017)의 화소 값의 발광패턴이 부여된다.

이후, t=9, 10, …, 17의 각 시점에서는 1행과 2행의 배열 63①, 63②에 대해서만, 상기 식에서 결정한 발광패턴이 부여된다.

개시로부터 18화소 피치만큼 이동한 t=18의 시점에서 3행의 광 섬유배열 63③(p=2, Np=18)이 노출개시위치에 온다. 이 시점으로부터, 1행의 배열 63①과 2행의 배열 63②과 3행의 배열 63③에 대하여 발광패턴이 부여된다(4행 이후의 배열에 대해서는 i가 마이너스이다). 이 발광패턴도 상기의 식에 따라서 결정된다.

이하, 마찬가지로하여 1화소 피치 만큼 노출헤드(23)가 진행할 때마다. 상기 식에 의하여 발광패턴이 계산되어서 이 LED(51)가 구동된다. 그리고, 8행의 광 섬유 배열 63⑧에 대하여 상기 식으로 계산한 i가 1023으로 되기까지(또는 화소 값 '1'이 존재하는 i의 최대값으로 되기까지), 상기 제어동작이 반복되어, 이것으로 한 층의 노출이 종료한다.

한 층의 노출이 종료하면, 제어컴퓨터(3)는 엘레베이터(15)를 층의 두께분 만큼 강하시켜, 다음의 층에 대하여 재차 같은 제어방법으로 노출을 한다. 이것을 조형물의 상단 층까지 반복한다.

도 10은, 본 실시형태에서 사용할 수 있는 LED 광원(37)의 다른 구성예를 도시한다.

이 구성에서는 도 3에 도시한 바와 같은 LED램프는 사용하지 않고, 반도체 기판(또는, 적당한 재료의 절연기판)(91)상에 예컨대 매트릭스 형상으로, 다수의 고체발광소자, 전형적으로는 LED 칩(92)을 형성(또는, 마운트)한 것을 사용한다. 그리고, 각 LED 소자(92)의 바로 위에 각 광 섬유(93)의 일단이 각 LED 소자(92)에 극히 근접 또는 접촉한 상태로 배치되어 있다. 각 광 섬유(93)의 선단은 노출헤드(23)에 도입된다. 이 구성에 의하면, 도 3의 램프를 사용하는 구성보다 한층 효율이 좋고, LED 소자(92)의 발광을 광 섬유(93)에 집어 넣을 수 있다.

이상 본 발명의 가장 적합한 한 실시형태를 설명하였으나, 이 실시형태는 본 발명의 설명을 위한 예시로서, 본 발명을 이 실시형태에만 한정하는 취지는 아니다. 본 발명은 그 이외의 여러 가지의 형태로도 실시할 수 있다.

Claims (18)

1. 광 경화성 수지의 액을 수용하는 액조와,

   상기 액조 내의 상기 광 경화성 수지의 액 내에 설정되는 다수 화소의 2차원 세트로 된 노출영역과,

   상기 노출영역에 빛을 조사하는 노출장치와,

   상기 노출영역 내의 선택된 화소를 경화하도록 상기 노출장치를 제어하는 제어장치를 구비하고,

   상기 노출장치는 온/오프 스위칭이 가능하여, 온 시에 각 화소보다 큰 사이즈의 각 광점을 상기 노출영역에 조사하는 1개 이상의 광점 발생기를 구비하며, 이 광점 발생기에 의하여 상기 노출영역을 주사하고,

   상기 제어장치는 상기 광점 발생기가 상기 노출영역을 주사하는 동안 상기 선택된 화소에 상기 광점을 조사할 수 있는 위치에 존재하는 총계 복수의 상기 광점 발생기를 온으로 하는 광조형장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 노출장치는 주주사방향으로 상기 광점의 직경보다 작은 제1피치로 배열된 복수개의 광점을 상기 노출영역에 조사하는 복수개의 광점 발생기를 구비하고, 이것들 복수개의 광점 발생기에 의해 상기 노출영역을 부주사방향으로 주사하는 광조형장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 제1피치는 상기 화소의 피치와 같은 광조형장치.
4. 제2항에 있어서, 상기 노출장치가 적어도 2개의 광점 발생기를 상기 제1피치보다 큰 제2피치로 상기 주주사방향으로 1열로 나란하게 된 광점 발생기 배열을 적어도 2개 구비하여, 이 광점 발생기 배열이 상기 주주사방향에 걸쳐서 상기 제1의 피치와 같은 변위를 상호간에 가져 상기 부주사방향으로 배치되어 있는 광조형장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 제어장치는,

   1) 조형물의 단면 형상을 도시한 데이터를 수신하고, 이 데이터에 소정의 오프셋 량을 적용하여 상기 단면 형상을 팽창시키고,

   2) 상기 광점 발생기가 상기 노출영역을 주사하는 동안 상기 광점 발생기로부터의 상기 광점의 중심점이 팽창시킨 상기 단면 형상에 포함되는 각 화소에 위치할 때에 상기 광점 발생기를 온으로 하는 광조형장치.
6. 제1항에 있어서, 상기 각 광점 발생기가 광원으로서 고체발광소자를 구비하고 있는 광조형장치.
7. 제6항에 있어서, 상기 각 고체발광소자가 LED인 광조형장치.
8. 제6항에 있어서, 상기 광조형장치는 상기 고체발광소자에 접속된 광 섬유를 더 구비하고, 상기 광 섬유의 선단부가 상기 광점 발생기에 포함되어 있는 광조형장치.
9. 제6항에 있어서, 상기 광점 발생기는 상기 고체발광소자로부터의 빛을 수신하여 상기 광점을 형성하는 GRIN 렌즈를 더 구비하는 광조형장치.
10. 제7항에 있어서, 상기 LED가 청색 LED인 광조형장치.
11. 광 경화성 수지 액의 노출영역을 적어도 1개의 광점으로 주사하는 스텝으로서, 상기 노출영역은 다수 화소의 2차원 세트로 되고, 상기 광점의 사이즈는 각 화소보다 크며, 상기 광점은 온 오프 스위칭이 가능한 주사스텝과,

    상기 광점이 상기 노출영역을 주사하는 사이 선택된 화소에 조사될 수 있는 위치에 있는 총계 복수의 상기 광점을 온으로 하는 제어스텝을 구비하는 광조형방법.
12. 제11항에 있어서, 상기 주사스텝에서는 복수개의 상기 광점에 의하여 상기 노출영역을 부주사방향으로 주사하고, 상기 복수개의 광점은 상기 노출영역의 주주사방향으로 상기 광점의 직경보다 작은 제1피치로 배열되어 있는 광조형방법.
13. 제12항에 있어서, 상기 제1피치는 상기 화소의 피치와 같은 광조형방법.
14. 제12항에 있어서, 상기 복수개의 광점은 적어도 2개의 상기 광점이 상기 제1피치보다 큰 제2피치로 상기 주주사방향으로 1열로 나란하게 된 광점배열을 적어도 2개 포함하고, 이 광점배열이 상기 주주사방향에 걸쳐서 상기 제1피치와 같은 변위를 상호간에 갖고, 상기 부주사방향으로 배치되어 있는 광조형방법.
15. 제11항에 있어서, 상기 제어스텝은,

    1) 조형물의 단면 형상을 나타내는 데이터를 수신하고, 이 데이터에 소정의 오프셋 량을 적용하여 상기 단면 형상을 팽창시키는 스텝과,

    2) 상기 광점이 상기 노출영역을 주사하는 동안 상기 광점의 중심점이 팽창된 상기 단면 형상에 포함되는 각 화소에 위치할 때에 상기 광점을 온으로 하는 스텝을 포함하는 광조형방법.
16. 제11항에 있어서, 상기 광점의 광원이 고체발광소자인 광조형방법.
17. 제16항에 있어서, 상기 고체발광소자가 LED인 광조형방법.
18. 제17항에 있어서, 상기 LED가 청색 LED인 광조형방법.