(57)【要約】【課題】  エネルギー強度が高く、光強度の分布が均一な光を面状描画マスクを介して所定の形状パターンで光硬化性樹脂組成物よりなる造形面に照射して、寸法精度、外観、強度などに優れる立体造形物を速い造形速度で製造できる光学的立体造形装置の提供。【解決手段】  １層分の光硬化性樹脂組成物よりなる造形面を順次形成するための設備、複数の光源、複数光源から発射された光の集光手段、集光した光の平行光化手段、平行化した光の強度分布の均一化手段及び面状描画マスクを有する光学的立体造形装置。【選択図】      図１
2006044017.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
載置台上または光硬化した樹脂層上に、１層分の光硬化性樹脂組成物を順次供給して光硬化性樹脂組成物よりなる造形面を順次形成するための設備；
・複数の光源；
・複数の光源から発射された光を集光するための集光手段；
・集光した光を平行光にするための平行光化手段；
・平行光化手段を経た光の強度分布を均一にするための光強度均一化手段；および、
・光強度均一化手段を経た光を光硬化性樹脂組成物よりなる造形面に所定の面形状パターンで照射するための面状描画マスク；
を有することを特徴とする光学的立体造形装置。
【請求項２】
集光手段が凸レンズである請求項１に記載の光学的立体造形装置。
【請求項３】
平行光化手段が凹レンズ、偏角プリズムまたは直角プリズムである請求項１または２に記載の光学的立体造形装置。
【請求項４】
光強度均一化手段がロッドレンズである請求項１〜３のいずれか１項に記載の光学的立体造形装置。
【請求項５】
面状描画マスクが液晶シャッターまたはデジタルマイクロミラーシャッターを面状に配置した面状描画マスクである請求項１〜４のいずれか１項に記載の光学的立体造形装置。
【請求項６】
光強度均一化手段と面状描画マスクの間に反射ミラーおよび／またはフレネルレンズを有する請求項１〜５のいずれか１項に記載の光学的立体造形装置。
【請求項７】
面状描画マスクと光硬化性樹脂組成物よりなる造形面の間に投影レンズを有する請求項１〜６のいずれか１項に記載の光学的立体造形装置。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の光学的立体造形装置を使用して光学的立体造形を行って立体造形物を製造する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光硬化性樹脂組成物を用いて立体造形物を光造形するのに使用する光学的立体造形装置および該装置を用いて光造形を行う方法に関する。より詳細には、本発明は、寸法精度、外観、強度、均質性などに優れる高品質の立体造形物を、高い造形精度で且つ速い造形速度で、生産性良く製造するための光学的立体造形装置および方法に関する。本発明による場合は小型から大型に至る各種の立体造形物を円滑に製造することができる。
【背景技術】
【０００２】
近年、三次元ＣＡＤに入力されたデータに基づいて光硬化性樹脂を硬化させて立体造形物を製造する光学造形方法および装置が実用化されている。この光造形技術は、設計の途中で外観デザインを検証するためのモデル、部品の機能性をチェックするためのモデル、鋳型を製作するための樹脂型、金型を製作するためのベースモデルなどのような複雑な三次元物体を容易に造形できることから注目を集めている。
【０００３】
光造形技術によって造形物を製造するに当たっては、造形浴を用いる方法が汎用されており、その手順としては、造形浴に液状の光硬化性樹脂を入れ、液面に所望のパターンが得られるようにコンピューターで制御されたスポット状の紫外線レーザー光を選択的に照射して所定の厚みに光硬化させて硬化樹脂層を形成し、その硬化樹脂層を造形浴内で下方に移動させて造形浴内の光硬化性樹脂液を該硬化樹脂層上に流動させて光硬化性樹脂液の層を形成させ、その光硬化性樹脂液層にスポット状の紫外線レーザー光を照射して硬化樹脂層を形成し、前記の工程を所定の形状および寸法の立体造形物が得られるまで繰り返して行う方法が広く採用されている。
【０００４】
しかしながら、スポット状の紫外線レーザー光を造形面に照射する上記した従来技術による場合は、１個のスポット状レーザー光を光硬化性樹脂の表面に照射しながら移動させて面状の光硬化したパターンを形成するいわゆる点描方式であるため、造形に長い時間を要し、生産性が低いという問題がある。
【０００５】
スポット状レーザー光を用いて点描方式で光造形を行う上記した従来技術の問題点を解消するために、光源の下流に描画マスクを配置し、描画マスクを介して造形しようとする断面形状パターンに応じた光を光硬化性樹脂組成物よりなる造形面に線状または面状で照射して、描画マスクのマスク画像に対応する所定の断面形状パターンを有する硬化樹脂層を形成させる工程を繰り返して立体造形物を製造する光造形技術が開発されている（例えば特許文献１〜５を参照）。
【０００６】
描画マスク、特に面状描画マスクを介して造形面に光を照射する面露光方式による場合は、一度に面状で光硬化が行われるために、スポット状レーザー光を用いる点描方式に比べて光造形速度が向上し、短時間で立体造形物を製造できるという長所がある。しかしながら、面露光方式による場合は、スポット状レーザー光のように光が収束されておらず、光源からの光が面状描画マスクの面積とほぼ同じ面積に拡張した状態で面状描画マスクを介して造形面に照射されるために、光のエネルギー強度が不足し易く、それに伴って造形面での光硬化性樹脂の硬化不良が生じたり、光硬化に長い時間を要するなどの問題が発生し易い。また、面状描画マスクを介して造形面に光を照射する際に、例えば面状描画マスクの中央部を通過する光の強度と面状描画マスクの周縁部を通過する光の強度に差があり、光強度分布の不均一が生じ易く、それによって造形面での露光状態（硬化状態）にバラツキが発生し、硬化斑、硬化した樹脂層の厚み斑、強度斑などを生じ、場合によっては得られる立体造形物に変形や歪みが生ずるという問題がある。
【０００７】
面状描画マスクを介して造形面に照射される光のエネルギー強度を高くすると共に均一化を図るために、面状描画マスクの背面側に複数の光源を並列に配置し、並列状態にある複数の光源から発射された光をそのまま面状描画マスクを通して造形面に照射することが提案されている（例えば特許文献２）。しかしながら、この場合にも、造形面に照射される光の強度分布の均一化は不十分であり、未だ満足のゆくものではない。
【０００８】
【特許文献１】特開昭６２−２８８８４４号公報
【特許文献２】特開平１−２６３０３１号公報
【特許文献３】特開平３−２２７２２２号公報
【特許文献４】特開平７−２９０５７８９号公報
【特許文献５】特開平８−１１２８６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、光硬化性樹脂組成物よりなる造形面に面状描画マスクを介して光を照射して所定の断面形状パターンを有する光硬化した樹脂層を形成する操作を繰り返して立体造形物を製造するに当たって、面状描画マスクを介して、エネルギー強度が高く、しかもエネルギー強度分布が均一で斑のない光を光硬化性樹脂組成物よりなる造形面に照射することのできる光学的立体造形装置および光学的立体造形方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の目的を達成すべく本発明者は鋭意検討を重ねてきた。その結果、背面側に複数の光源を並列に配置し、並列状態にある複数の光源から発射された光をそのまま面状描画マスクを通して造形面に照射する前記した特許文献２などに記載されている従来の方式を採用する代わりに、光学的立体造形装置の構造を、複数の光源から発射された光を集光手段によっていったん集光し、集光した光を次に平行光化手段によって平行光化し、次いで平行光化した光を光強度均一化手段を用いてその光強度分布を均一化し、光強度分布の均一化した光を面状描画マスクを介して光硬化性樹脂組成物よりなる造形面に照射する形式のものに改良すると、エネルギー強度の高い光が造形面に照射されて、硬化が短時間で且つ円滑に行われると共に、造形面に照射される光の強度分布が均一なために硬化斑、生成した光硬化した樹脂層の厚み斑などが生じず、寸法精度、強度、外観などに優れる立体造形物を速い造形速度（より短い造形時間）で製造できることを見出した。
【００１１】
そして、本発明者は、上記した光学的立体造形装置において、複数の光源から発射された光を集光するための上記した集光手段としては凸レンズが好適であること、集光した光を平行光化するための上記した平行光化手段としては凹レンズ、偏角プリズムまたは直角プリズムが適していること、上記した光強度均一化手段としてはロッドレンズが好適であること、また面状描画マスクとしては液晶シャッターまたはデジタルマイクロミラーシャッターを面状に配置した面状描画マスクが好適であることを見出した。さらに、本発明者は、そのような光学的立体造形装置において、光強度均一化手段と面状描画マスクの間に反射ミラーおよび／またはフレネルレンズを配置したり、面状描画マスクと光硬化性樹脂組成物よりなる造形面の間に投影レンズを配置すると、光造形造作がより円滑に行えることなどを見出し、それらの知見に基づいて本発明を完成した。
【００１２】
すなわち、本発明は、
（１）  載置台上または光硬化した樹脂層上に、１層分の光硬化性樹脂組成物を順次供給して光硬化性樹脂組成物よりなる造形面を順次形成するための設備；
・複数の光源；
・複数の光源から発射された光を集光するための集光手段；
・集光した光を平行光にするための平行光化手段；
・平行光化手段を経た光の強度分布を均一にするための光強度均一化手段；および、
・光強度均一化手段を経た光を光硬化性樹脂組成物よりなる造形面に所定の面形状パターンで照射するための面状描画マスク；
を有することを特徴とする光学的立体造形装置である。
【００１３】
そして、本発明は、
（２）  集光手段が凸レンズである前記（１）の光学的立体造形装置；
（３）  平行光化手段が凹レンズ、偏角プリズムまたは直角プリズムである前記（１）または（２）の光学的立体造形装置；
（４）  光強度均一化手段がロッドレンズである前記（１）〜（３）のいずれかの光学的立体造形装置；および、
（５）  面状描画マスクが液晶シャッター又はデジタルマイクロミラーシャッターを面状に配置した面状描画マスクである前記（１）〜（４）のいずれかの光学的立体造形装置；
である。
【００１４】
さらに、本発明は、
（６）  光強度均一化手段と面状描画マスクの間に反射ミラーおよび／またはフレネルレンズを有する前記（１）〜（５）のいずれかの光学的立体造形装置；および、
（７）  面状描画マスクと光硬化性樹脂組成物よりなる造形面の間に投影レンズを有する前記（１）〜（６）のいずれかの光学的立体造形装置；
である。
【００１５】
そして、本発明は、
（８）  前記（１）〜（７）のいずれかの光学的立体造形装置を使用して光学的立体造形を行って立体造形物を製造する方法である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明による場合は、光硬化性樹脂組成物よりなる造形面に、面状描画マスクを介して、エネルギー強度が高くて且つ光強度分布の均一化された光を照射することができるので、造形面の光硬化を短時間で且つ円滑に行うことができると共に、造形面に照射される光の強度分布が均一なため、輪郭の鮮明な光硬化した形状パターンを造形面に形成するこができ、しかも光硬化した樹脂層の厚み斑、硬化斑などが生じず、寸法精度、強度、外観などに優れる立体造形物を速い造形速度（より短い造形時間）で製造することができる。
本発明の光学的立体造形装置では、複数の光源として、紫外線レーザー装置のような高価な光源、高圧水銀ランプ、超高圧水銀ランプ、水銀ランプ、メタルハライドランプ、キセノンランプなどのような安価な光源のいずれもが使用でき、いずれの光源を用いた場合にも、エネルギー強度が高くて且つ光強度分布の均一化した光を面状描画マスクを介して造形面に照射することができる。特に、本発明による場合は、高圧水銀ランプ、超高圧水銀ランプ、水銀ランプ、メタルハライドランプ、キセノンランプなどのような安価な光源を使用して、エネルギー強度が高くて且つ光強度分布の均一化した光を、面状描画マスクを介して造形面に照射して造形を行うことができるため、光学的立体造形装置の大幅なコストダウンを達成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下に本発明について詳細に説明する。
本発明の光学的立体造形装置では、載置台上または光硬化した樹脂層上に、１層分の光硬化性樹脂組成物を順次供給して光硬化性樹脂組成物よりなる造形面を順次形成するための設備（以下「造形面形成用設備」ということがある）は特に制限されず、載置台（造形テーブル）上または光硬化した樹脂層上に１層分の光硬化性樹脂組成物を順次供給して光硬化性樹脂組成物よりなる厚さの均一な造形面を順次形成できる造形面形成用設備のいずれもが使用できる。
【００１８】
本発明で採用し得る造形面形成用設備の代表例としては、（ｉ）液状の光硬化性樹脂組成物を充填した造形浴中に上下動可能な載置台（造形テーブルなど）を配置し、載置台を下降させることによって載置台面または造形途中の造形物の表面（光硬化した樹脂層面）に１層分の液状の光硬化性樹脂組成物層（造形面）を形成させる操作を順次繰り返すようにした設備を挙げることができる。
【００１９】
本発明で採用し得る造形面形成用設備の別の例としては、（ii）気体雰囲気中に載置台（造形テーブルなど）を配置し、その載置台面または造形途中物面（光硬化した樹脂層面）に１層分の液状、ペースト状、粉末状または薄膜状の光硬化性樹脂組成物を施して造形面を形成させる操作を順次繰り返すようにした設備；（iii）載置台（造形テーブルなど）を垂直または斜めに配置しておいて、載置台面またはその上に形成された造形途中物面（光硬化した樹脂層面）に１層分の光硬化性樹脂組成物を施して造形面を形成させる操作を順次繰り返すようにした設備；（iv）載置台（造形テーブルなど）を下向きに配置しておいて、載置台を順次上方に移動させて、載置台面またはそこで形成された造形途中物面（光硬化した樹脂層面）に１層分の光硬化性樹脂組成物を施して造形面を順次下方へと形成させる操作を順次繰り返すようにした設備などを挙げることができる。
前記（ｉ）〜（iv）の造形面形成用設備では、載置台（造形テーブルなど）の面または光硬化した樹脂層面に光硬化性樹脂組成物を施すための手段として、例えば、浸漬塗装手段、ブレード塗装手段、流延塗装手段、ローラー塗装手段、転写塗装手段、ハケ塗り手段、スプレー塗装手段などの適当な手段を採用することができる。
【００２０】
本発明の光学的立体造形装置は複数の光源を備えている。光源の数は２個以上であればいずれでもよく、そのうちでも２〜８個、特に２〜４個であることが、複数の光源から発射される光の集光、集光した光の平行光化および光の強度分布の均一化を容易に且つ円滑に行うことができる点、光学的立体造形装置の設計が容易である点、              などの点から好ましい。
【００２１】
複数の光源の配置形態は、光源の数、種類、大きさ、形状などに応じて適当な配置形態を採用できるが、光源間の距離をできるだけ小さくしてコンパクトに配置すると共に、複数の光源における光発射面が空間的に同じ面かまたはほぼ同じ面に位置するように配置することが好ましい。それによって、複数の光源から発射される光の集光、集光した光の平行光化、光強度分布の均一化などを円滑に行うことができると共に、光学的立体造形装置における光源部分の占める容積を小さくでき、しかも装置を効率的に冷却することができる。
限定されるものではないが、複数の光源の配置形態の具体例としては、複数の光源間の距離をできるだけ小さくしながら、光源が２個の場合は並列配置、光源が３個の場合は三角形状配置、光源が４個の場合は四角形状配置または３個の光源を周囲に三角形状に配置し且つその内側に１個の光源を配置する配置形態、光源が５個の場合は五角形状配置または４個の光源を四角形状または円周上に配置し且つその内側に１個の光源を配置する配置形態などを挙げることができる。
【００２２】
光源の種類は特に制限されず、光学的立体造形で使用し得る光源であればいずれでもよい。本発明の光学的立体造形装置で用い得る光源としては、例えば、超高圧水銀ランプ、高圧水銀ランプ、キセノンランプ、メタルハライドランプなどのような高輝度放電ランプ（ＨＩＤランプ）、水銀灯、蛍光灯、ハロゲンランプ、白熱ランプ、Ａｒレーザー、Ｈｅ−Ｃｄレーザー、ＬＤレーザー（半導体励起固体レーザー）、ＬＥＤなどを挙げることができる。
特に、本発明の光学的立体造形装置は、複数の光源として、レーザー光発射装置のような高価な光源を使用せずに、超高圧水銀ランプ、高圧水銀ランプ、キセノンランプ、メタルハライドランプなどのような高輝度放電ランプ（ＨＩＤランプ）や、水銀灯、蛍光灯、ハロゲンランプ、白熱ランプなどのような安価な汎用の光源を使用する場合に有効であり、これらの安価な汎用の光源を使用して、エネルギー強度が高く且つ光強度分布の均一化された光を、面状描画マスクを介して光硬化性樹脂組成物よりなる造形面に照射することができる。
【００２３】
光源の形状や寸法は特に制限されず、複数の光源から発射された光が光源の下流位置に配置した集光手段によって円滑に集光できる限りはいずれでもよく、例えば、点状、球状、面状、方形状、棒状の光源などを挙げることができる。そのうちでも、光源の形状は点状または球状であることが集光性の点から好ましい。
【００２４】
本発明の光学的立体造形装置が有する複数の光源は、互いに同じ光源であってもよいし、または種類、形状、寸法などが互いに異なっていてもよい。
そのうちでも、同じ光源を複数備えていることが好ましい。複数の光源から発射される光が同じである場合は、複数の光源から発射される光の集光、集光した光の平行光化、平行光化した光強度分布の均一化を容易に且つ円滑に行うことができる。
【００２５】
本発明の光学的立体造形装置は、複数の光源の下流位置（光の進行方向位置）に、複数の光源から発射した光を集光（収束）するための集光手段を有する。集光手段は、光源から離れた位置に配置してもよいが、光源の直下（直下流）に配置することが集光を円滑に行える点から好ましい。
集光手段としては、光源から発射された光を集光（収束）することのできる手段であればいずれも採用でき、具体例としては、凸レンズ、棒状レンズ、ボールレンズなどを挙げることができる。そのうちでも凸レンズが、集光の容易性、入手の容易性、低コスト、構造が簡単で取り付け易い点、光学設計の容易性などの点から好ましく用いられる。
【００２６】
集光手段の配置に当たっては、光源ごとに集光手段を個別に複数配置してもよいし、複数の光源に対して１個の共通した集光手段を配置してもよいし、または複数の光源を幾つかのグループに分けてグループ毎に各１個の集光手段を配置してもよい。
光源ごとに集光手段を個別に複数配置する場合は、一般に、各光源から発射された光がそれぞれの集光手段によって個別に集光されつつ集光手段よりも下流位置で全体的に緩くまとまった（ほぼまとまった）状態になる。また、複数の光源に対して１個の共通した集光手段を配置する場合は、各光源から発射された光が該１個の集光手段によって一つのまとまった光束に集光される。
【００２７】
集光手段によって集光した光を平行光化手段によって平行光にする。平行光化手段によって、集光した光のうちの主光線（エネルギーの強い中心光線の部分）が下流に配置した均一化手段に対して平行光化される。
集光手段によって集光した光を、平行光化手段によって平行光にすることなく、光強度均一化手段にそのまま直接入射させた場合には、光強度均一化手段において光強度の均一化はなされるものの光のエネルギー強度が大幅に低下してしまい、複数の光源を用いてエネルギー強度の高い光を面状描画マスクを介して光硬化性樹脂組成物よりなる造形面に照射するという本発明の効果を得ることができなくなる。
【００２８】
平行光化手段としては、集光手段によって集光した光における主光線を平行光化できる手段であればいずれも使用でき、具体例としては、偏角プリズム、直角プリズム、凹レンズ、ボールレンズ、凸レンズなどを挙げることができる。そのうちでも、平行光化手段としては、偏角プリズム、直角プリズムまたは凹レンズが、平行光化の容易性、入手の容易性、コスト、寸法精度などの点から好ましく用いられる。
複数の光源に対して光源毎に個別に複数の集光手段を設ける場合は、一般に、偏角プリズムよりなる平行光化手段を光源毎に個別に複数設けるか、または直角プリズムよりなる平行光化手段を複数の光源に対して共通して（例えば１個）設けることが、平行光化を円滑に行える点から好ましい。
また、複数の光源に対して１個の共通した集光手段を設ける場合は、一般に、複数の光源に対して１個の共通した平行光化手段を設けるのが平行光化を円滑に行える点から好ましい。その際の平行光化手段としては、全体での平行光化を容易に行える凹レンズを使用することが好ましい。
【００２９】
平行光化手段の配置位置は、光源の数、光源の種類、光源の下流（好ましくは直下流）に設ける集光手段の種類、集光手段の配置形態、平行光化手段の種類などに応じて調節できるが、一般的には、集光された光の横断面のサイズ（径）が、光強度均一化手段の光入射部（入口）のサイズ（径）の１倍以下、好ましくは０．９倍以下、より好ましくは０．８倍以下となる位置に平行光化手段を配置することが、集光した光が良好に平行光化でき、しかも装置をコンパクトにできることから好ましい。
集光手段と平行光化手段の間の距離としては、一般に、０〜２００ｍｍ、特に０〜５０ｍｍであることが好ましい。
さらに、平行光化手段は、以下に説明する光強度均一化手段の入口部分（光入射部）に直接配置することが好ましく、それによって平行光化手段によって平行光化した光の強度分布の均一化を円滑に行うことができる。
【００３０】
１つの光源から発射された光は、その横断面でみたときに、一般に、中央部（中心部）のエネルギー強度が高く、周縁部になるに従ってエネルギー強度が低くなっていて、光強度分布が不均一になっている。そのため、複数の光源から発射された光を集光手段で集光した後、平行光化手段で平行光化して得られる光においても、その横断面での光強度（エネルギー強度）は横断面全体で均一になっておらず、光強度の高い部分と低い部分とが存在し、光強度分布が不均一である。光強度分布が不均一な光を、面状描画マスクを介して光硬化性樹脂組成物よりなる造形面にそのまま照射した場合は、光硬化層において、硬化不足の箇所、硬化過度の箇所などの硬化斑が生じ、光硬化層全体で均一な硬化が行われなくなり、それに伴って最終的に得られる立体造形物の歪み、造形精度の低下、強度不足、外観不良、物性の不均一などの問題が発生し易くなる。
【００３１】
本発明の光学的立体造形装置では、平行光化手段の後に光強度均一化手段を配置しているので、複数の光源から発射した光を集光手段で集光され、さらに平行光化手段で平行光化された光が、光強度均一化手段によって光の横断面全体で光強度分布が均一化される。光強度均一化手段で光の横断面全体での光強度分布が均一化した光は、面状描画マスクを介して光硬化性樹脂組成物よりなる造形面に照射したときに、硬化不足や硬化過度などを生ずることなく造形面全体にわたって均一に硬化された所定の形状パターンを有する１層毎の光硬化層を形成し、最終的に得られる立体造形物の寸法精度、強度、外観、物性などが良好になる。
ここで、本明細書でいう「光強度分布」とは、光（光線）の横断面（光の走行方向に対して直角な面）における光強度（エネルギー強度）の分布状態をいう。
【００３２】
本発明の光学的立体造形装置における光強度均一化手段としては、平行光化手段によって平行化した光の光強度分布を、光エネルギー強度の低下を防止または抑制しながら、均一化できる手段であればいずれも使用できる。そのうちでも、本発明では、光強度均一化手段として、ロッドレンズが好ましく用いられる。
【００３３】
本発明で光強度均一化手段として好適に使用されるロッドレンズとしては、例えば、
・内壁面をミラーやその他の反射面にした筒状体（筒状ロッド）と、その下流位置における１個または複数のレンズ（光の横断面サイズの収縮または拡散用の凸レンズおよび／または凹レンズ）を組み合わせて形成したロッドレンズ（以下これを「ロッドレンズ４Ａ」ということがある）；
・石英やその他の透明な材料からなる中実の透明ロッドとその下流位置における１個または複数のレンズ（光の横断面サイズの収縮または拡散用の凸レンズおよび／または凹レンズ）を組み合わせて形成したロッドレンズ（以下これを「ロッドレンズ４Ｂ」ということがある）；
などを挙げることができる。
【００３４】
上記のロッドレンズ４Ａでは、筒状体（筒状ロッド）の一端から入射した平行光化された光（主光線が平行光化され、主光線以外の光は完全には平行光化されていない光）が、筒状体の内壁面（反射面）で内部反射を繰り返しながら光の横断面における光強度分布が均一化された状態になって筒状体（筒状ロッド）のもう一方の端部から出射する。筒状体から出射した光強度分布の均一化された光は、筒状体（筒状ロッド）の下流位置に配置されているレンズによって所定の横断面サイズに収縮または拡大されて、ロッドレンズ４Ａから出射する。
上記のロッドレンズ４Ｂでは、中実の透明ロッドの一端から入射した平行光化された光（主光線が平行光化され、主光線以外の光は完全には平行光化されていない光）が、透明ロッドの周面を反射面として透明ロッド内で内部反射を繰り返しながら光の横断面における光強度分布が均一化された状態になって透明ロッドのもう一方の端部から出射する。透明ロッドから出射した光強度分布の均一化された光は、透明ロッドの下流位置に配置されたレンズによって所定の横断面サイズに収縮または拡大されて、ロッドレンズ４Ｂから出射する。
【００３５】
ロッドレンズ４Ａにおいて、その筒状体（筒状ロッド）の形状は特に制限されず、例えば、長方形の筒状体、正方形の筒状体、円筒、楕円形の筒状体、多角形の筒状体、三角形の筒状体などのいずれでもよい。筒状体（筒状ロッド）の横断面形状が長方形または正方形である場合は、ロッドレンズ４Ａから出射される光の横断面形状が方形をなし、一般に方形をなす面状描画マスクの形状と一致するため、面状描画マスクを介して所定の形状パターンの光を造形面に無駄なく円滑に照射することができる。
【００３６】
また、ロッドレンズ４Ａにおける筒状体（筒状ロッド）の長さ、中空部の寸法（断面寸法）、壁厚などは制限されず、使用する光源の数、種類、形状、寸法などに応じて決めることができる。一般的には、筒状体（筒状ロッド）の長さ（筒状体の入口側の開口部から出口側の開口部までの長さ）は１ｃｍ〜５ｍ、中空部の内径（中空部が方形の場合は対角線の長さ）が１０μｍ〜３０ｃｍ、壁厚が１０μｍ〜５０ｍｍであることが、取り扱い性、光の反射効率などの点から好ましい。
【００３７】
ロッドレンズ４Ａにおいて、筒状体（筒状ロッド）を光透過率の高い透明な材料［例えば、「パイレックス」（登録商標）、硼珪酸クラウンガラス、合成石英ガラス、「ゼロデュア」（登録商標）、チタン珪酸ガラス、光学クラウンガラス、サファイアガラス、セレン亜鉛ガラスなどのガラスや、メタクリル樹脂など］から形成し、その内壁面に、屈折率の高い非吸収性の誘電体物質（例えばＡｌ2Ｏ3、ＨｆＯ2、ＺｒＯ2など）と屈折率の低い非吸収性の誘電体物質（例えばＭｇＦ2、ＳｉＯ2など）を交互に膜状に多層にコーティングした誘電体多層膜コーティング（例えば光伸光工業社製の「コールドミラー」に使用されている紫外線選別膜層）よりなる反射面を形成したものは、該誘電体多層膜コーティングよりなる反射面が、光硬化性樹脂組成物よりなる造形面の硬化に一般に有効に利用される波長３６５ｎｍまたはその近傍の光（紫外線）のほぼ全量（９０％以上）を該反射面で次々と反射させながら同時に光の横断面での光強度分布を均一化すると共に、その一方で波長３６５ｎｍまたはその近傍以外の波長の紫外線（特に波長３２０ｎｍ以下の紫外線）を筒状体の壁部を通して筒状体の外部に分離・除去するという機能を有する。そのため、ロッドレンズ４Ａにおける筒状体として、透明な筒状体の内壁に前記した誘電体多層膜コーティングよりなる反射面を形成した場合には、光造形に有効な波長３６５ｎｍまたはその近傍の光（紫外線）の光強度分布の均一化と同時に、それ以外の不要な紫外線の分離・除去が可能なため、面状描画マスクとして液晶描画マスクを使用した際に、液晶描画マスクの劣化を引き起こす不要な紫外線（特に波長３２０ｎｍ以下の紫外線）が除かれた液晶描画マスクの長寿命化（耐久性の向上）を同時に達成することができる。
【００３８】
また、ロッドレンズ４Ｂでは、透明ロッドの横断面形状は、面状描画マスクと相似形であることが、光エネルギーの効率などの点から好ましい。透明ロッドの直径（横断面形状が方形の場合は対角線の長さ）は１０μｍ〜３０ｃｍ、長さは１〜５００ｃｍであることが、取り扱い性、光の反射効率などの点から好ましい。ロッドレンズ４Ｂで好適に用いる透明ロッドとしては、例えば、シグマ光機株式会社製のロッドホモジナイザー、有限会社ワイエルテシ製のロッドレンズなどを挙げることができる。
【００３９】
ロッドレンズ４Ａにおいて、筒状体（筒状ロッド）の下流位置に配置されているレンズを外筒内に収容し、その外筒を筒状体（筒状ロッド）に連結して全体を一体にしておくと、取り扱い性などが向上する。
また、ロッドレンズ４Ｂにおいて、透明ロッドおよびその下流位置に配置されているレンズを１つの外筒内に収容して全体を一体にすると、または透明ロッドと下流位置に配置したレンズのそれぞれを別の外筒内に収容し両方の外筒を連結して全体で一体にすると、ロッドレンズ４Ｂの取り扱い性などが向上する。
【００４０】
前記した光強度均一化手段によって光強度分布を均一にした光を、必要に応じて他の光学手段を経てから、最終的に面状描画マスクを介して光硬化性樹脂組成物よりなる造形面に所定の形状パターンで照射して面露光を行って、所定の断面形状パターンを有する光硬化層を形成する。
本発明の光学的立体造形装置を使用して光造形を行うに当たっては、面状描画マスクを静止した状態で面状描画マスクを介して光硬化性樹脂組成物よりなる造形面に光を照射して１層分の光硬化樹脂層を形成してもよいし、１層分の光硬化樹脂層の形成途中に面状描画マスクのマスク画像を断続的に変えると共に面状描画マスクを次の位置に移動させて光硬化樹脂層を形成してもよいし、１層分の光硬化樹脂層の形成時に面状描画マスクのマスク画像をテレビジョン画像や映画のように動画的に連続して変化させるのと同期して面状描画マスクを連続的に移動させて１層分の光硬化樹脂層を形成してもよいし、または前記した方式の２つ以上を採用して光造形を行ってもいずれでもよい。
【００４１】
本発明の光学的立体造形装置では、面状描画マスクとして、微小ドットエリアでの遮光および透光が可能な複数の微小光シャッターを面状に配置した面状描画マスクが好ましく用いられる、そのような面状描画マスクの具体例としては、液晶シャッターまたはデジタルマイクロミラーシャッターを挙げることができる。
本発明において面状描画マスクとして好ましく用いられる液晶シャッターやデジタルマイクロミラーシャッターは、連続的（動画的）な画像形成が可能な手段として、他の分野（例えばテレビジョン、パソコン、プロジェクター、カーナビ、携帯電話など）において既に用いられているので、液晶シャッターやデシタルマイクロミラーシャッターを面状描画マスクとして使用した場合には、前記したように、面状描画マスクのマスク画像を光学装置系の連続移動と連動されてテレビジョンや映画などにおけるように動画的に連続的に変化させながら光造形を行うことができる。
【００４２】
面状描画マスクの形状や寸法は特に制限されず、製造しようとする光造形物の形状や寸法（特に断面形状やその寸法）などに応じて適当な形状や寸法のものを採用することができる。本発明の光学的立体造形装置で好ましく用いられる上記した液晶シャッターやデシタルマイクロミラーシャッターなどからなる面状描画マスクは、微小ドットエリアでの遮光および透光が可能な複数の微小光シャッターを面状（Ｘ−Ｙ方向）に並列配置した方形形状（正方形または長方形）で一般に製作・販売されているので、本発明では方形（正方形または長方形）の面状描画マスクが好ましく採用される。面状描画マスクに配置されている微小光シャッター（画素子）の数は特に制限されず、従来から知られているものなどを使用することができる。液晶シャッター（液晶表示素子）としては、例えば、ＱＶＧＡ（画素数＝３２０ドット×２４０ドット）、ＶＧＡ（画素数＝６４０×４８０ドット）、ＳＶＧＡ（画素数＝８００×６００ドット）、ＵＸＧＡ（画素数＝１０２４×７６８ドット）、ＱＳＸＧＡ（画素数＝２５６０×２６４８ドット）などを用いることができ、これらの液晶シャッターは従来から広く販売されている。
また、デジタルマイクロミラーシャッターとしては、例えば、テキサスインスツルメンツ社製の「ＤＬＰテクノロジー」（登録商標）のＤＭＤ（登録商標）デバイスなどを使用することができる。
【００４３】
本発明の光学的立体造形装置では、造形精度の向上、造形速度の向上、装置の軽量化、保守性の向上、装置コストのダウンなどの目的で、光強度均一化手段から射出した光を面状描画マスクに良好に導くための手段（例えばフレネルレンズ、反射ミラーなど）を光強度均一化手段と面状描画マスクの間に配置してもよいし、また面状描画マスクによって形成されたマスク画像（面状描画マスクを通った光画像）を光硬化性樹脂組成物よりなる造形面の所定位置に高造形精度で照射させるための手段（例えば投影レンズ、プロジェクタレンズなど）を面状描画マスクと造形面との間に配置してもよい。
【００４４】
本発明の光学的立体造形装置を用いて光造形を行うに当たっては、光学的立体造形において従来から用いられている光硬化性樹脂組成物のいずれもが使用できる。また、光硬化性樹脂組成物の形態は、液状、ペースト、粉末状、薄膜状などのいずれのあってもよく、特に液状であることが光造形時の取扱性などの点から好ましい。
【００４５】
本発明の光学的立体造形装置を使用して光造形を行う際に用いる光硬化性樹脂組成物の種類は特に制限されず、光造形に用い得る液状、ペースト、粉末状、薄膜状などの光硬化性樹脂組成物のいずれもが使用できる。
使用し得る光硬化性樹脂組成物としては、例えば、光造形において従来から用いられている、ウレタンアクリレートオリゴマー、エポキシアクリレートオリゴマー、エステルアクリレートオリゴマー、多官能エポキシ樹脂などの各種オリゴマー；イソボルニルアクリレート、イソボルニルメタクリレート、ジシクロペンテニルアクリレート、ジシクロペンテニルメタクリレート、ジシクロペンテニロキシエチルアクリレート、ジシクロペンテニロキシエチルメタクリレート、ジシクロペタニルアクリレート、ジシクロペタニルメタクリレート、ボルニルアクリレート、ボルニルメタクリレート、２−ヒドロキシエチルアクリレート、シクロヘキシルアクリレート、２−ヒドロキシプロピルアクリレート、フェノキシエチルアクリレート、モルホリンアクリルアミド、モルホリンメタクリルアミド、アクリルアミドなどのアクリル系化合物やＮ−ビニルピロリドン、Ｎ−ビニルカプロラクタム、酢酸ビニル、スチレンなどの各種の単官能性ビニル化合物；トリメチロールプロパントリアクリレート、エチレンオキサイド変性トリメチロールプロパントリアクリレート、エチレングリコールジアクリレート、テトラエチレングリコールジアクリレート、ポリエチレングリコールジアクリレート、１，４−ブタンジオールジアクリレート、１，６−ヘキサンジオールジアクリレート、ネオペンチルグリコールジアクリレート、ジシクロペンタニルジアクリレート、ポリエステルジアクリレート、エチレンオキサイド変性ビスフェノールＡジアクリレート、ペンタエリスリトールトリアクリレート、ペンタエリスリトールテトラアクリレート、プロピレンオキサイド変性トリメチロールプロパントリアクリレート、プロピレンオキサイド変性ビスフェノールＡジアクリレート、トリス（アクリロキシエチル）イソシアヌレートなど多官能性ビニル化合物；水素添加ビスフェノールＡジグリシジルエーテル、３，４−エポキシシクロヘキシルメチル−３，４−エポキシシクロヘキサンカルボキシレート、２−（３，４−エポキシシクロヘキシル−５，５−スピロ−３，４−エポキシ）シクロヘキサン−メタ−ジオキサン、ビス（３，４−エポキシシクロヘキシルメチル）アジペートなどの各種エポキシ系化合物などを挙げることができ、これらの１種または２種以上と光重合開始剤および必要に応じて増感剤などを含有する光硬化性樹脂組成物を用いることができる。
【００４６】
また、光硬化性樹脂組成物は、上記した成分以外にも、必要に応じて、レベリング剤、リン酸エステル塩系界面活性剤以外の界面活性剤、有機高分子改質剤、有機可塑剤などを含有していてもよい。
さらに、光硬化性樹脂組成物は、必要に応じて、固体微粒子やウィスカーなどの充填材を含有していてもよい。充填材を含有する光硬化性樹脂組成物を用いると、硬化時の体積収縮の低減による寸法精度の向上、機械的物性や耐熱性の向上などを図ることができる。
【００４７】
充填材として用いる固体微粒子としては、例えば、カーボンブラック微粒子などの無機微粒子、ポリスチレン微粒子、ポリエチレン微粒子、ポリプロピレン微粒子、アクリル樹脂微粒子、合成ゴム微粒子などの有機重合体微粒子などを挙げることができ、これらの１種または２種以上を用いることができる。固体微粒子の粒径は特に制限されないが、一般的には平均粒径が２００μｍ以下、特に１００μｍ以下のものが好ましく用いられる。
【００４８】
また、ウィスカーとしては、径が０．３〜１μｍ、特に０．３〜０．７μｍ、長さが１０〜７０μｍ、特に２０〜５０μｍおよびアスペクト比が１０〜１００、特に２０〜７０μｍのものが好ましく用いられる。なお、ここで言うウイスカーの寸法およびアスペクト比は、レーザー回析／散乱式粒度分布測定装置を用いて測定した寸法およびアスペクト比である。ウイスカーの種類は特に制限されず、例えば、ホウ酸アルミニウム系ウイスカー、酸化アルミニウム系ウイスカー、窒化アルミニウム系ウイスカー水、酸化硫酸マグネシウム系ウイスカー、酸化チタン系ウイスカーなどを挙げることができ、前記したウイスカーの１種または２種以上を用いることができる。
【００４９】
固体微粒子および／またはウィスカーは、シランカップリング剤で表面処理されていても表面処理されていなくてもよいが、表面処理されていることが好ましい。固体微粒子および／またはウイスカーがシランカップリング剤で表面処理されている場合には、熱変形温度、曲げ弾性率、機械的強度の一層高い光硬化物を得ることができる。その場合のシランカップリング剤としては、充填剤の表面処理などに従来から用いられているシランカップリング剤のいずれもが使用でき、好ましいシランカップリング剤としては、アミノシラン、エポキシシラン、ビニルシランおよび（メタ）アクリルシランを挙げることができる。
【実施例】
【００５０】
以下に図を参照して、本発明について具体的に説明するが、本発明は図に示したものに何ら限定されるものではない。
図１は、本発明の光学的立体造形装置の一例についてその全体を模式的に示した図である。図２〜図６は、本発明の光学的立体造形装置における光源から光強度均一化手段までの装置の具体例を示した図である。
図１〜図６において、１ａ、１ｂ、１ｃおよび１ｄは光源、２、２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄおよび２ｅは集光手段（凸レンズ）、３、３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅおよび３ｆは平行光化手段（３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄは偏角プリズム、３ｅは凹レンズ、３ｆは直角プリズム）、４は光強度均一化手段、４Ａおよび４Ｂはロッドレンズ（光強度均一化手段）、５は反射ミラー、６はフレネルレンズ、７は面状描画マスク（液晶描画マスク等）、８は投影レンズ、９は造形浴（光硬化性樹脂組成物を収容する容器）、１０は光硬化性樹脂組成物、１１は造形面、１２は載置台（造形テーブルなど）および１３は造形途中の立体造形物を示す。
【００５１】
図１に示す光学的立体造形装置では、液状の光硬化性樹脂組成物１０が容器（造形浴）９内に収容されると共に、造形浴９内に上下動可能な載置台（造形テーブルなど）１２が配置されている。造形浴９内の載置台（造形テーブル）１２上に載置されている造形途中の造形物１３の表面には１層分の光硬化性樹脂組成物が存在し造形面１１を形成している。その状態で、複数の光源１ａ，１ｂ，・・・から発射された光を集光手段２よって集光し、次いで平行光化手段３によって主光線を平行光にした後、光強度均一化手段４に導入して光強度分布を均一にする。光強度均一化手段４から導出した光は反射ミラー５によって向きを変え、フレネルレンズ６を経て面状描画マスク７に導かれ、面状描画マスク７のマスク画像に対応した所定の形状パターンの光となる。面状描画マスク７によって所定の形状パターンとなって光は投影レンズ８を経て造形面１１に照射されて、所定の断面形状パターンを有する光硬化した樹脂層を形成する。かかる造形工程を繰り返すことによって、目的とする立体造形物が形成される。
【００５２】
図１に例示したような光学的立体造形装置において、例えば、２個の光源を用いた場合の具体例［光源、集光手段、平行光化手段および光強度均一化手段（ロッドレンズ）の具体例］を図２〜図４を参照して説明する。
図２の（ａ）は外側からみた概略図であり、図２の（ｂ）は図２の（ａ）をその中央部分で長さ方向に水平に切断したときの断面図であり、図２の（ｃ）は図２の（ａ）を外筒４１１の部分で長さ方向と直角に切断したときの横断面図である。
図３の（ａ）は外側からみた概略図であり、図３の（ｂ）は図３の（ａ）をその中央部分で長さ方向に沿って切断したときの断面図であり、図３の（ｃ）は図３の（ａ）を外筒４２１の部分で長さ方向と直角に切断したときの横断面図である。
図４の（ａ）は外側からみた概略図であり、図４の（ｂ）は図４の（ａ）をその中央部分で長さ方向に沿って切断したときの断面図であり、図４の（ｃ）は図４の（ａ）を外筒４１１の部分で長さ方向と直角に切断したときの横断面図である。
【００５３】
図２および図３では、２個の光源１ａ，１ｂをできるだけ近い位置にコンパクトに且つ光源１ａ，１ｂの光発射面が同じかまたはほぼ同じ位置になるようにして配置してある。また、図４では２個の光源１ａ，１ｂを対向させて配置してある。
図２〜図４において、２個の光源１ａ，１ｂは上下に配置しても、左右に配置しても、または斜めに配置してもいずれでもよい。
光源１ａ，１ｂから発射される光を集光するための集光手段を設ける。集光手段の設け方としては、図２および図４のように２個の光源１ａ，１ｂに対してそれぞれ別々に集光手段２ａ，２ｂ（凸レンズ）を設けてもよいし、または図３のように２個の光源１ａ，１ｂに対して１個の集光手段２ｅ（凸レンズ）を共通して設けてもよい。集光手段２ａ，２ｂ，２ｅとしては、図２〜図４に示すように凸レンズが好ましく用いられる。集光手段２ａ，２ｂ，２ｅはできるだけ光源１ａ，１ｂの近くに設けることが集光性の点から好ましい。
【００５４】
図２に示す装置では、２個の光源１ａ，１ｂから発射された光は集光手段２ａ，２ｂによって個別に集光され、光の走行路が完全には一つにまとまっていないので、それぞれの光源１ａ，１ｂに対応させて複数の平行光化手段（偏角プリズム）３ａ，３ｂを配置して、光源１ａから発射された後に集光手段２ａによって集光された光を主に平行光化手段（偏角プリズム）３ａにより平行光化し、また光源１ｂから発射された後に集光手段２ｂによって集光された光を平行光化手段（偏角プリズム）３ｂにより平行光化する。偏角プリズム３ａ，３ｂの角度θは、偏角プリズム３ａ，３ｂに入射する光の入射角度、集光状態などに応じて平行光化がより円滑に行われる角度とする必要があり、一般的にはθ＝０゜〜９０゜の範囲から平行光化に好適な偏角プリズムを選択して用いる。θが１°〜６０°である図２に示すような形状の偏角プリズムは従来からも市販されており、本発明ではそのような市販の偏角プリズムのうちから、本発明の光学的立体造形装置に適したものを選択して使用することができる。
【００５５】
図３に示す装置では、２個の光源１ａ，１ｂに対して１個の集光手段２ｅを共通して設けてあるため、光源１ａから発射された光と光源１ｂから発射された光は、集光手段２ｅによって一つのまとまった光に集光されて平行光化手段へと向かう。そのため、この場合は１個の平行光化手段３ｅを配置すればよい。その際の平行光化手段３ｅとしては、図３の（ｂ）に示すように凹レンズが好ましく用いられる。凹レンズ３ｅを用いることにより集光した光の平行光化が円滑に行われる。平行光化手段３として用いる凹レンズ３ｅの種類などは、凹レンズ３ｅ（平行光化手段）に入射する集光された光に応じて適当なものを市販の凹レンズから選択すればよい。
【００５６】
図４に示す装置では、対向配置した２個の光源１ａ，１ｂから発射された光は、集光手段２ａ，２ｂによってそれぞれ集光された後、平行光化手段（直角プリズム）３ｆ（θ＝９０゜）に入射して直角に屈折すると同時に平行光化される。
【００５７】
図２〜図４に示すように、平行光化手段３（３ａ，３ｂ，３ｅ，３ｆ）は、光強度均一化手段４（４Ａ，４Ｂ）の入口側（光入射部分）に直接設けるかまたはその近傍に設けることが好ましい。
集光手段２（２ａ，２ｂ，２ｅ）によって集光された光のうちの主光線（主に内側の光線）が平行光化手段３（３ａ，３ｂ，３ｅ，３ｆ）によって主に平行光化され、集光された光の周縁部の光は一般に平行光化されないので、平行光化手段３（３ａ，３ｂ，３ｅ，３ｆ）によって平行光化した光を、光強度均一化手段４に導入して、光の横断面における光強度分布を均一にする。
光強度均一化手段４としては、ロッドレンズ、特に上記したロッドレンズ４Ａまたはロッドレンズ４Ｂが好ましく用いられる。
図２および図４には光強度均一化手段４としてロッドレンズ４Ａを用いた場合を例示し、また図３には光強度均一化手段４としてロッドレンズ４Ｂを用いた場合を例示する。
【００５８】
図２および図４に記載したロッドレンズ４Ａは、断面円形の外筒４１１の内側に、断面形状が長方形の筒状体（筒状ロッド）４１２が挿入されており、筒状体４１２の内壁面４１４はミラーから構成され反射面になっている。ロッドレンズ４Ａの外筒４１１の下流側には別の外筒４１５が連結されており、外筒４１５内には３個の凸レンズ４１７ａ，４１７ｂ，４１７ｃが図２の（ｂ）および図４の（ｂ）に示す向きで配置されている。
ロッドレンズ４Ａにおける筒状体（筒状ロッド）４１２の入口４１３から入射した平行光化された光（主光線が主に平行光にされ、主光線以外の光は完全には平行光化されていない光）は、筒状体（筒状ロッド）４１２の内壁面４１４を構成しているミラー（反射面）により内部反射を繰り返しながら同時に光の横断面における光強度分布が均一化されつつ筒状体（筒状ロッド）４１２の出口４１６から出射する。筒状体（筒状ロッド）４１２の出口４１６から出射した光強度分布の均一化された光は、筒状体（筒状ロッド）４１２の下流位置に配置されている３個の凸レンズ４１７ａ，４１７ｂ，４１７ｃによって所定距離で結像される状態で、ロッドレンズ４Ａの出口４１８から出射する。
【００５９】
ロッドレンズ４Ａにおいて、その筒状体（筒状ロッド）４１２の横断面形状は長方形に必ずしも限定されず、長方形以外に、例えば、正方形、円形、楕円形、多角形、三角形のなどのいずれでもよい。筒状体（筒状ロッド）４１２の横断面形状は面状描画マスクの形状と相似形であることが光の効率の点から好ましい。筒状体（筒状ロッド）４１２の横断面形状が方形（長方形または正方形）である場合、特に面状描画マスクと相似形をなす方形である場合には、ロッドレンズ４Ａから出射される光の横断面形状が方形をなし、一般に方形の形状をなしている面状描画マスクの形状と一致するため、面状描画マスクを介して所定の形状パターンの光を造形面に無駄なく円滑に照射することができる。
【００６０】
また、ロッドレンズ４Ａにおける筒状体（筒状ロッド）４１２の長さ、中空部の寸法（断面寸法）、壁厚などは制限されず、使用する光源の数、種類、形状、寸法などに応じて決めることができる。一般的には、筒状体（筒状ロッド）４１２の長さ（筒状体４１２の入口４１３から出口４１６までの長さ）は１〜５００ｃｍ、中空部の内径（中空部が方形の場合は対角線の長さ）が１０μｍ〜３０ｃｍ、壁厚が１０μｍ〜５０ｍｍであることが、取り扱い性、光の反射効率などの点から好ましい。
【００６１】
ロッドレンズ４Ａにおいて、筒状体（筒状ロッド）４１２を光透過率の高い透明な材料［例えば、「パイレックス」（登録商標）、硼珪酸クラウンガラス、合成石英ガラス、「ゼロデュア」（登録商標）、チタン珪酸ガラス、光学クラウンガラス、サファイアガラス、セレン亜鉛ガラスなどのガラスや、メタクリル樹脂など］から形成し、その内壁面に反射面として、屈折率の高い非吸収性の誘電体物質（例えばＡｌ2Ｏ3、ＨｆＯ2、ＺｒＯ2など）と屈折率の低い非吸収性の誘電体物質（例えばＭｇＦ2、ＳｉＯ2など）を交互に膜状に多層にコーティングした誘電体多層膜コーティング層（例えば光伸光工業社製の「コールドミラー」に使用されている紫外線選別膜層）を設けたものは、該誘電体多層膜コーティング層よりなる反射面が、光硬化性樹脂組成物よりなる造形面の硬化に一般に有効に利用される波長３６５ｎｍまたはその近傍の光（紫外線）のほぼ全量（９０％以上）を該反射膜で次々と反射させながら同時に光の横断面での光強度分布を均一化すると共に、その一方で波長３６５ｎｍまたはその近傍以外の波長の紫外線（特に波長が３２０ｎｍ以下の紫外線）を筒状体（筒状ロッド）４１２の壁部を通して筒状体（筒状ロッド）４１２の外部に分離・除去するという機能を有する。そのため、ロッドレンズ４Ａにおける筒状体（筒状ロッド）４１２として、透明な筒状体の内壁に前記した誘電体多層膜コーティング層よりなる反射面を形成した場合には、光造形に有効な波長３６５ｎｍまたはその近傍の光（紫外線）の光強度分布の均一化と同時に、それ以外の不要な紫外線の分離・除去が可能なため、面状描画マスクとして液晶描画マスクを使用した際に、液晶描画マスクの劣化を引き起こす不要な紫外線（特に波長３２０ｎｍ以下の紫外線）を除去して、液晶描画マスクの長寿命化（耐久性の向上）を同時に達成することができる。
【００６２】
図２の（ｂ）および図４の（ｂ）には、筒状体（筒状ロッド）４１２の下流位置に３個の凸レンズ４１７ａ，４１７ｂ，４１７ｃを配置したロッドレンズ４Ａを記載しているが、筒状体（筒状ロッド）４１２の下流位置に配置するレンズは必ずしも凸レンズである必要はなく、凹レンズであってもよいし、凸レンズと凹レンズの組み合わせであってもよい。また、レンズの数も３個に限られるものではなく、１個、２個、４個以上などのいずれでもよい。筒状体（筒状ロッド）４１２の出口４１６から出射した光の横断面積を拡大するか又は縮小するかなどの各々の要求状況に応じて、適当なレンズを適当な数で配置すればよい。
【００６３】
図３に例示したロッドレンズ４Ｂは、断面円形の外筒（円筒体）４２１の内側に横断面形状が正方形、長方形、円形、楕円形、多角形、三角形などの透明な中実ロッド４２２（石英やその他の透明材料から形成された中実ロッド）が配置されている（図３では横断面形状が正方形の中実ロッドを配置）。ロッドレンズ４Ｂの外筒４２１の下流側には別の外筒４２４が連結されており、外筒４２４内には２個の凸レンズ４２６ａ，４２６ｂが図３の（ｂ）に示す向きに配置されている。
ロッドレンズ４Ｂにおける中実ロッド４２２の一方の端部４２３から入射した平行光化された光（主光線が主に平行光にされ、主光線以外の光は完全には平行光化されていない光）は、中実ロッド４２２の周面での内部反射を繰り返しながら同時に光の横断面における光強度分布が均一化されつつ中実ロッド４２２のもう一方の端部４２５から出射する。中実ロッド４２２の端部４２５から出射した光強度分布の均一化された光は、中実ロッド４２２の下流位置に配置されている２個の凸レンズ４２６ａ，４２６ｂによって所定距離で結像される状態で、ロッドレンズ４Ｂの出口４２７から出射する。
【００６４】
また、ロッドレンズ４Ｂでは、透明な中実ロッド４２２の横断面形状は、面状描画マスクと相似形であることが、光エネルギーの効率の点から好ましい。中実ロッド４２２の直径（横断面形状が方形の場合は対角線の長さ）は１０μｍ〜３０ｃｍ、長さは１〜５００ｃｍであることが、取り扱い性、光の反射効率などの点から好ましい。ロッドレンズ４Ｂで好適に用いる中実ロッド４２２としては、例えば、シグマ光機株式会社製のロッドホモジナイザー、有限会社ワイエルティー製のロッドレンズなどを挙げることができる。
【００６５】
図３には、中実ロッド４２２の下流位置に２個の凸レンズ４２６ａ，４２６ｂを配置したロッドレンズ４Ｂを記載しているが、中実ロッド４２２の下流位置に配置するレンズは必ずしも凸レンズである必要はなく、凹レンズであってもよいし、凸レンズと凹レンズの組み合わせであってもよい。また、レンズの数も２個に限られるものではなく、１個、３個、４個以上などのいずれでもよい。中実ロッド４２２の端部４２５から出射した光の横断面積を拡大するか又は縮小するかなどの各々の要求状況に応じて、適当なレンズを適当な数で配置すればよい。
【００６６】
図２および図４には光強度均一化手段４としてロッドレンズ４Ａを用いた場合を示し、図３には光強度均一化手段４としてロッドレンズ４Ｂを用いた場合について記載したが、何らそれに限定されるものではなく、図２および／または図４のものにロッドレンズ４Ｂを使用し、図３のものにロッドレンズ４Ａを使用しても何ら構わない。
【００６７】
光強度均一化手段４をなすロッドレンズ４Ａまたはロッドレンズ４Ｂから出射した光は、例えば図１に示すように、必要に応じて、反射ミラー５、フレネルレンズ６を経て、液晶描画マスクなどの面状描画マスク７によって所定の形状パターンの光となり、投影レンズ８などを経て造形面１１に所定の形状パターンで照射されて、所定の形状パターンを有する光硬化した樹脂層を形成する。
その際に、液晶描画マスクなどの面状描画マスク７を介して造形面１１に照射される所定の形状パターンを有する光は、２個の光源１ａ，１ｂから発射された光が合わさったものであるためエネルギー強度が高く、しかも光強度均一化手段４によって光強度分布が均一化されているため、造形面での露光強度にバラツキが生じず、硬化斑、硬化した樹脂層の厚み斑、強度斑などがなく、寸法精度、強度、外観などに優れる立体造形物を速い造形速度で円滑に製造することができる。
【００６８】
図２〜図４には、２個の光源を用いる場合について例示したが、それに限定されるものではなく、例えば図５および図６に示すように２個よりも多い光源を用いることができる。
図５および図６の（ａ）は、本発明の光学的立体造形装置において、４個の光源を配置したときの光源から光強度均一化手段までの構造を例示した概略図であり、図６の（ｂ）は図６の（ａ）において４個の光源を正面からみたときの光源の配置形態を示す図である。
【００６９】
図５および図６に示すように、４個の光源１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄをできるだけ近い位置にコンパクトに且つ光源１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄの光発射面が同じかまたはほぼ同じ位置になるようにして配置する。
図５のものは、図２のものと同様に、４個の光源１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄに対して、集光手段として４個の凸レンズ２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄを個別に設けてあり、それに対応して平行光化手段として４個の偏角プリズム３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄを光強度均一化手段４の入口に設けてある。４個の光源１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄから発射された光は、凸レンズ２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄで集光され、次いで偏角プリズム３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄで平行光化された後、光強度均一化手段４で光強度分布の均一化がなされる。
図６のものは、図３のものと同様に、４個の光源１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄに対して、集光手段として１個の凸レンズ２ｅを共通して設けてあり、それに対応して平行光化手段として１個の凹レンズ３ｅを光強度均一化手段４の入口に設けてある。４個の光源１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄから発射された光は凸レンズ２ｅで集光され、次いで凹レンズ３ｅで平行光化された後、光強度均一化手段４で光強度分布の均一化がなされる。
図５および図６のものにおいても、光強度均一化手段４として、例えば、図２および図３に示したようなロッドレンズ４Ａ、図４に示したようなロッドレンズ４Ｂなどが好ましく用いられる。
【００７０】
図５および図６において、光強度均一化手段４から出射した光は、例えば図１に示すように、必要に応じて、反射ミラー５、フレネルレンズ６を経て、液晶描画マスクなどの面状描画マスク７によって所定の形状パターンの光となり、投影レンズ８などを経て造形面１１に所定の形状パターンで照射されて、所定の形状パターンを有する光硬化した樹脂層を形成する。面状描画マスク７を介して造形面１１に照射される所定の形状パターンを有する光は、４個の光源１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄから発射された光が合わさったものであるためエネルギー強度が高く、しかもロッドレンズ４Ａやロッドレンズ４Ｂなどの光強度均一化手段４によって光強度分布が均一化されているので、造形面での露光強度にバラツキが生じず、硬化斑、硬化した樹脂層の厚み斑、強度斑などがなく、寸法精度、強度、外観などに優れる立体造形物を速い造形速度で円滑に製造することができる。
【００７１】
《実施例１》
（１）  図１に示す光学的立体造形装置を使用した。その際に、光源から光強度均一化手段までの装置として、図２に示す装置を採用した。この装置では、光源１ａ，１ｂとして岩崎電気株式会社製の超高圧水銀ランプ（出力１２０Ｗ）を、集光手段２ａ，２ｂとしてシグマ光機社製の凸レンズ（直径５０ｍｍ）を、平行光化手段３ａ，３ｂｂとして守田光学工業株式会社製の偏角プリズム（角度θ＝３０゜）を使用した。また、ロッドレンズ４Ａとして、外筒４１１（内径＝５５ｍｍ、長さ＝２００ｍｍ）内に、断面が長方形の筒状体（筒状ロッド）４１２（内壁面４１４はミラーからなる反射面、内壁面の断面サイズ＝２０ｍｍ×１５ｍｍ、筒状体４１２の長さ＝２００ｍｍ）を挿入し、外筒４１１の下流側に連結した外筒４１５（内径＝６０ｍｍ、長さ＝１００ｍｍ）内に３個の凸レンズ４１７ａ，４１７ｂ，４１７ｃ（シグマ光機社製、直径５０ｍｍ）を配置したものを使用した。
また、反射ミラー５は光伸光学工業株式会社製「コールドミラー」、フレネルレンズ５は本特殊光学樹脂株式会社製のフレネルレンズ、面状描画マスク７はカシオ計算機株式会社製のＶＧＡ液晶、投影レンズ７は株式会社ニコン製「ＥＬ−Ｎｉｋｋｏｒ」を使用した。
（２）  上記（１）の光学的立体造形装置を使用し、光硬化性樹脂組成物としてシーメット株式会社製「ＣＰＸ−１０００」（硬化感度２．５ｍＪ；紫外線硬化波長３６５ｎｍ）を使用し、光硬化性樹脂組成物よりなる造形面１１への投影サイズ＝４０ｍｍ×３０ｍｍ、照射深度０．１ｍｍの条件下で造形面に光照射して光硬化した樹脂層を形成する操作を繰り返して、縦×横×高さ＝２２ｍｍ×３２ｍｍ×２５ｍｍの立体造形物を製造した（光造形時間２０分）。その際に、造形面１１での光エネルギー強度を５ｍＷ／ｃｍ2にすることできたため、照射時間０．５ｓｅｃにすることができた。
この実施例１で得られた立体造形物は、硬化斑などがなく、寸法精度および外観に優れていた。
【００７２】
《実施例２》
（１）  図１に示す光学的立体造形装置を使用した。その際に、光源から光強度均一化手段までの装置として、図４に示す装置を採用した。この装置では、光源１ａ，１ｂとして岩崎電気株式会社製の超高圧水銀ランプ（出力１２０Ｗ）を、集光手段２ａ，２ｂとしてシグマ光機社製の凸レンズ（直径５０ｍｍ）を、平行光化手段３ｆとして守田光学工業株式会社製の直角プリズムを使用した。また、ロッドレンズ４Ａとして、外筒４１１（内径＝５５ｍｍ、長さ＝２００ｍｍ）内に、断面が長方形の筒状体（筒状ロッド）４１２（内壁面４１４はミラーからなる反射面、内壁面の断面サイズ＝２０ｍｍ×１５ｍｍ、筒状体４１２の長さ＝２００ｍｍ）を挿入し、外筒４１１の下流側に連結した外筒４１５（内径＝６０ｍｍ、長さ＝１００ｍｍ）内に３個の凸レンズ４１７ａ，４１７ｂ，４１７ｃ（シグマ光機社製、直径５０ｍｍ）を配置したものを使用した。
また、反射ミラー５は光伸光学工業株式会社製「コールドミラー」、フレネルレンズ５は本特殊光学樹脂株式会社製のフレネルレンズ、面状描画マスク７はカシオ計算機株式会社製のＶＧＡ液晶、および投影レンズ７は株式会社ニコン製「ＥＬ−Ｎｉｋｋｏｒ」を使用した。
（２）  上記（１）の光学的立体造形装置を使用し、光硬化性樹脂組成物としてシーメット株式会社製「ＣＰＸ−１０００」（硬化感度２．５ｍＪ；紫外線硬化波長３６５ｎｍ）を使用し、光硬化性樹脂組成物よりなる造形面１１への投影サイズ＝４０ｍｍ×３０ｍｍ、照射深度０．１ｍｍの条件下で造形面に光照射して光硬化した樹脂層を形成する操作を繰り返して、縦×横×高さ＝２２ｍｍ×３２ｍｍ×２５ｍｍの立体造形物を製造した（光造形時間２０分）。その際に、造形面１１での光エネルギー強度を５ｍＷ／ｃｍ2にすることできたため、照射時間０．５ｓｅｃにすることができた。
この実施例１で得られた立体造形物は、硬化斑などがなく、寸法精度および外観に優れていた。
【００７３】
《比較例１》
１個の光源１ａのみを使用し、またロッドレンズ４Ａの入口に平行光化手段３ａ，３ｂ（偏角プリズム）を配置しなかった以外は、実施例１の（１）〜（２）と同様にして光造形を行ったところ、造形面１１での光エネルギー強度が３ｍＷ／ｃｍ2であったため、各光硬化樹脂層を形成するのに０．８３ｓｅｃの照射時間を要した。
【００７４】
《比較例２》
１個の光源１ａのみを使用し、集光手段（凸レンズ）、平行光化手段（偏角プリズム）および光強度均一化手段（ロッドレンズ４Ａ）の代りに凸レンズ１個を配置し、それ以外は実施例１の（１）〜（２）と同様にして光造形を行ったところ、造形面１１での光エネルギー強度が０．５〜２ｍＷ／ｃｍ2であったため、各光硬化樹脂層を形成するのに５ｓｅｃの照射時間を要した。この比較例２では面状描画マスク（液晶描画マスク）７を介して造形面１１に照射された光強度分布が十分に均一でなかったために、得られた立体造形物に硬化斑などによる変形が生じており、寸法精度および外観に劣っていた。
【００７５】
《比較例３》
平行光化手段３ａ，３ｂ（偏角プリズム）を使用しなかった以外は、実施例１で使用したのと同じ光学的立体造形装置を用いて実施例１の（１）〜（２）と同様にして光造形を行ったところ、造形面１１での光エネルギー強度が２．５ｍＷ／ｃｍ2であったため、各光硬化樹脂層を形成するのに１ｓｅｃの照射時間を要した。この比較例３の結果から、光のエネルギー強度の低下を防ぎながら複数の光源から発射された光を集光してその光強度分布を均一にするためには、集光した光を平行光化手段で平行光にしてから光強度均一化手段で光強度分布を均一にすることが重要であることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
本発明の光学的立体造形装置を使用して光造形を行うことにより、面状描画マスクを介して、エネルギー強度が高く且つエネルギー強度分布が均一で斑のない光を光硬化性樹脂組成物よりなる造形面に照射することができ、それによって硬化斑、強度斑などがなく、寸法精度、外観、力学的特性などに優れる高品質の光造形物を、高い造形速度で、生産性良く、経済的に製造することができる。
本発明の光学的立体造形装置は、小型から大型に至る各種の立体造形物の製造に有効に使用することができる。
本発明の光学的立体造形装置を用いることにより、精密部品、電気・電子部品、家具、建築構造物、自動車用部品、各種容器類、鋳物、金型、母型などのためのモデルや加工用モデル、複雑な熱媒回路の設計用の部品、複雑な構造の熱媒挙動の解析企画用の部品、その他の複雑な形状や構造を有する各種の立体造形物、リソグラフなどの面状の光硬化した樹脂層を、高い造形速度および寸法精度で円滑に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明の光学的立体造形装置の一例を示す図である。
【図２】本発明の光学的立体造形装置で使用することのできる、光源から光強度均一化手段までの装置の一例を示す図である。
【図３】本発明の光学的立体造形装置で使用することのできる、光源から光強度均一化手段までの装置の別の例を示す図である。
【図４】本発明の光学的立体造形装置で使用することのできる、光源から光強度均一化手段までの装置の更に別の例を示す図である。
【図５】本発明の光学的立体造形装置で使用することのできる、光源から光強度均一化手段までの装置の更に別の例を示す図である。
【図６】本発明の光学的立体造形装置で使用することのできる、光源から光強度均一化手段までの装置の更に別の例を示す図である。
【符号の説明】
【００７８】
１ａ    光源
１ｂ    光源
１ｃ    光源
１ｄ    光源
２      集光手段
２ａ    集光手段（凸レンズ）
２ｂ    集光手段（凸レンズ）
２ｃ    集光手段（凸レンズ）
２ｄ    集光手段（凸レンズ）
２ｅ    集光手段（凸レンズ）
３      平行光化手段
３ａ    平行光化手段（偏角プリズム）
３ｂ    平行光化手段（偏角プリズム）
３ｃ    平行光化手段（偏角プリズム）
３ｄ    平行光化手段（偏角プリズム）
３ｅ    平行光化手段（凹レンズ）
３ｆ    平行光化手段（直角プリズム）
４      光強度均一化手段
４Ａ    光強度均一化手段（ロッドレンズ）
４Ｂ    光強度均一化手段（ロッドレンズ）
５      反射ミラー
６      フレネルレンズ
７      面状描画マスク（液晶描画マスク等）
８      投影レンズ
９      造形浴
１０    光硬化性樹脂組成物
１１    造形面
１２    載置台
１３    立体造形物（造形途中）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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