(57)【要約】【課題】光変調素子からの光を光硬化性樹脂に一括照射しつつ、高い分解能で三次元造形を行う。【解決手段】三次元造形装置１００は、光硬化性樹脂ＲＡを保持する容器２０１と、第１の光源２５１からの光を画素ごとに変調する光変調素子２５３を含み、変調光を容器の透光部２１２を通して光硬化性樹脂に照射する第１の光学ユニット２５０と、第２の光源４０１からの光を偏向する走査部材４０４を含み、該走査部材からの走査光を透光部を通して光硬化性樹脂に照射する第２の光学ユニット４００と、三次元形状データから生成された複数の二次元形状データのそれぞれに基づいて光変調素子および走査部材を制御する制御部３００を有する。光硬化性樹脂のうち第１の樹脂領域に変調光を照射するとともに第２の樹脂領域に走査光を照射することで硬化部を形成する。【選択図】図１
2018051970.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
透光部を有し、液状の光硬化性樹脂を保持する容器と、
複数の画素を有して第１の光源からの光を前記画素ごとに変調する光変調素子を含み、該光変調素子からの変調光を前記透光部を通して前記光硬化性樹脂に照射する第１の光学ユニットと、
第２の光源からの光を偏向する走査部材を含み、該走査部材からの走査光を前記透光部を通して前記光硬化性樹脂に照射する第２の光学ユニットと、
三次元形状データから生成された複数の二次元形状データのそれぞれに基づいて前記光変調素子および前記走査部材を制御する制御部と、
前記光硬化性樹脂のうち硬化した硬化部を前記透光部から離れる方向に移動させる移動部材とを有し、
前記制御部は、前記光硬化性樹脂のうち第１の樹脂領域に前記変調光を照射するとともに第２の樹脂領域に前記走査光を照射することで前記硬化部を形成するように前記光変調素子および前記走査部材を制御することを特徴とする三次元造形装置。
【請求項２】
前記制御部は、前記三次元形状データに基づいて、前記第１および第２の樹脂領域を設定することを特徴とする請求項１に記載の三次元造形装置。
【請求項３】
前記第２の樹脂領域の少なくとも一部が前記第１の樹脂領域と異なることを特徴とする請求項１または２に記載の三次元造形装置。
【請求項４】
前記第２の樹脂領域は、前記第１の樹脂領域に接する又は少なくとも一部が重なることを特徴とする請求項３に記載の三次元造形装置。
【請求項５】
前記第２の樹脂領域は、前記第１の樹脂領域のエッジに沿った部分であることを特徴とする請求項３または４に記載の三次元造形装置。
【請求項６】
前記第２の光学ユニットは、前記第１の光学ユニットから前記光硬化性樹脂への前記変調光の照射光路に対して傾いた方向から前記走査光を前記光硬化性樹脂に照射することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の三次元造形装置。
【請求項７】
前記第２の光学ユニットは、前記走査光を前記光硬化性樹脂における互いに異なる位置に結像させるピント調整手段を含むことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の三次元造形装置。
【請求項８】
１つの前記第１の光学ユニットに対して複数の前記第２の光学ユニットを有することを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の三次元造形装置。
【請求項９】
前記光硬化性樹脂において複数の前記第２の樹脂領域がある場合に、
前記制御部は、前記複数の第２の樹脂領域のそれぞれに対して前記複数の第２の光学ユニットのうちいずれからの前記走査光を照射するかを判定することを特徴とする請求項８に記載の三次元造形装置。
【請求項１０】
前記第２の光源は、前記第１の光源とは異なる波長の光を発することを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の三次元造形装置。
【請求項１１】
前記第２の光源は、前記第１の光源より短い波長の光を発することを特徴とする請求項１０に記載の三次元造形装置。
【請求項１２】
前記光硬化性樹脂に対する前記走査光の照射面積が、前記変調光の照射面積よりも小さいことを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載の三次元造形装置。
【請求項１３】
透光部を有する容器に液状の光硬化性樹脂を保持し、
複数の画素を有して第１の光源からの光を前記画素ごとに変調する光変調素子および第２の光源からの光を偏向する走査部材を、三次元形状データから生成された複数の二次元形状データのそれぞれに基づいて制御して、前記光変調素子からの変調光および前記走査部材からの走査光を前記透光部を通して前記光硬化性樹脂に照射し、
前記光硬化性樹脂のうち硬化した硬化部を前記透光部から離れる方向に移動させて三次元物体を製造する三次元物体製造方法であって、
前記光硬化性樹脂のうち第１の樹脂領域に前記変調光を照射するとともに第２の樹脂領域に前記走査光を照射することで前記硬化部を形成するように前記光変調素子および前記走査部材を制御することを特徴とする三次元物体製造方法。
【請求項１４】
透光部を有して液状の光硬化性樹脂を保持する容器と、複数の画素を有して光源からの光を前記画素ごとに変調する光変調素子を含み、該光変調素子からの変調光を前記透光部を通して前記光硬化性樹脂に照射する第１の光学ユニットと、第２の光源からの光を偏向する走査部材を含み、該走査部材からの走査光を前記透光部を通して前記光硬化性樹脂に照射する第２の光学ユニットとを有する三次元造形装置のコンピュータに三次元造形プロセスを実行させるコンピュータプログラムであって、
前記コンピュータに、
前記光変調素子および前記走査部材を三次元形状データから生成された複数の二次元形状データのそれぞれに基づいて制御させ、前記光硬化性樹脂のうち前記変調光を受けて硬化した硬化部を前記透光部から離れる方向に移動させる処理を行わせ、
さらに前記コンピュータに、前記光硬化性樹脂のうち第１の樹脂領域に前記変調光を照射するとともに第２の樹脂領域に前記走査光を照射することで前記硬化部を形成するように前記光変調素子および前記走査部材を制御させることを特徴とする三次元造形プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光硬化性樹脂を硬化させて三次元物体を造形する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
三次元造形では、三次元物体の形状を示す三次元形状データから高さ方向の位置ごとの二次元形状データ（画像データ）を生成し、該断面形状データのそれぞれに対応する形状を有する造形層を順次形成して積層していくことで三次元物体（造形物）を得る。このような三次元造形方法の一つとして、特許文献１には、光硬化性樹脂を用いる方法が開示されている。
【０００３】
具体的には、液状の光硬化性樹脂を保持する容器の底面を透光板で構成し、該透光板の下側から透光板を通して照射された光で光硬化性樹脂を硬化させる。この際、二次元配列された複数の画素を有する光変調素子によって上記断面形状データに応じて変調した光を光硬化性樹脂に一括投射（照射）することで１つの造形層の全体を同時に硬化させる。そして、硬化した造形層を上方に移動させて次の造形層を形成する工程を繰り返すことで三次元物体を造形することができる。
【０００４】
この方法によれば、造形層ごとにレーザ光（スポット）で走査して光硬化性樹脂を順次硬化させる方法に比べて、造形に要する時間を短縮することが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１５−０１６６１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１にて開示されたように光変調素子からの変調光を光硬化性樹脂に一括投射する三次元造形方法では、光変調素子の画素数が限られているために、造形分解能あるいは造形サイズに限界がある。
【０００７】
本発明は、光変調素子からの変調光を光硬化性樹脂に一括照射するとともに、より高い分解能で三次元造形を行うことができるようにした三次元造形装置等を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一側面としての三次元造形装置は、透光部を有し、液状の光硬化性樹脂を保持する容器と、複数の画素を有して第１の光源からの光を画素ごとに変調する光変調素子を含み、該光変調素子からの変調光を透光部を通して光硬化性樹脂に照射する第１の光学ユニットと、第２の光源からの光を偏向する走査部材を含み、該走査部材からの走査光を透光部を通して光硬化性樹脂に照射する第２の光学ユニットと、三次元形状データから生成された複数の二次元形状データのそれぞれに基づいて光変調素子および走査部材を制御する制御部と、光硬化性樹脂のうち硬化した硬化部を透光部から離れる方向に移動させる移動部材とを有する。そして、制御部は、光硬化性樹脂のうち第１の樹脂領域に変調光を照射するとともに第２の樹脂領域に走査光を照射することで硬化部を形成するように光変調素子および走査部材を制御することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の一側面としての三次元物体製造方法は、透光部を有する容器に液状の光硬化性樹脂を保持し、複数の画素を有して第１の光源からの光を画素ごとに変調する光変調素子および第２の光源からの光を偏向する走査部材を、三次元形状データから生成された複数の二次元形状データのそれぞれに基づいて制御して、光変調素子からの変調光および走査部材からの走査光を透光部を通して光硬化性樹脂に照射し、光硬化性樹脂のうち硬化した硬化部を透光部から離れる方向に移動させて三次元物体を製造する方法である。該製造方法は、光硬化性樹脂のうち第１の樹脂領域に変調光を照射するとともに第２の樹脂領域に走査光を照射することで硬化部を形成するように光変調素子および走査部材を制御することを特徴とする。
【００１０】
なお、上記三次元造形装置のコンピュータに上記三次元物体製造方法に従う三次元造形プロセスを実行させるコンピュータプログラムとしての三次元造形プログラムも、本発明の他の側面を構成する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、光硬化性樹脂に対して、光変調素子からの変調光を一括照射しつつ走査部材からの走査光を照射するので、短い時間で、かつ高い分解能で三次元造形を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施例１である三次元造形装置の構成を示す図。
【図２】実施例１の三次元造形装置に用いられる画像形成素子と造形ユニットを示す図。
【図３】実施例１の三次元造形装置に用いられるレーザ走査ユニットの構成を示す図。
【図４】実施例１における三次元造形プロセスを示すフローチャート。
【図５】実施例１で用いられる三次元形状データ、画像光および走査光の走査軌跡を示す図。
【図６】本発明の実施例２である三次元造形装置の構成を示す。
【図７】実施例２における三次元造形プロセスを示すフローチャート。
【図８】本発明の実施例３である三次元造形装置の構成を示す。
【図９】実施例３における三次元造形プロセスを示すフローチャート。
【図１０】本発明の実施例４である三次元造形装置の造形ユニットを示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００１４】
図１（Ａ）には、本発明の実施例１である三次元造形装置の構成を示す。三次元造形装置１００は、液状の光硬化性樹脂に後述する画像光を照射して硬化させることで形成した造形層を順次積層することで三次元造形物を形成する。本実施例では、画像光が紫外線（以下、ＵＶ光という）であり、光硬化性樹脂として紫外線硬化性樹脂（以下、ＵＶ硬化性樹脂という）を用いる場合を例として説明する。ただし、ＵＶ光以外の画像光およびＵＶ硬化性樹脂以外の光硬化性樹脂を用いてもよい。
【００１５】
三次元造形装置１００は、造形ユニット２００と、造形ユニット２００を制御する制御部３００とを有する。制御部３００には、外部コンピュータである画像処理装置５００が接続されている。
【００１６】
造形ユニット２００は、容器２０１と、移動部材としての保持板２０２と、移動機構２０３と、投射ユニット２５０とを有する。容器２０１は、液状のＵＶ硬化性樹脂ＲＡを保持する液槽であり、その上部には開口が形成されている。容器２０１は、容器本体２１１と、該容器本体２０１の底面に形成された開口を塞ぐように設けられた透光性を有する透光板（透光部）２１２とにより構成されている。ＵＶ硬化性樹脂ＲＡは、所定光量以上のＵＶ光が照射されたときに硬化する特性を有する。このため、硬化させる領域にのみ所定光量以上の光量のＵＶ光を照射することで、目的とする形状を有する造形物ＷＢを形成することができる。
【００１７】
透光板２１２は、ＵＶ光を透過し、かつ酸素を透過するＵＶ／酸素透過性を有する。このような透光板２１２としては、薄いフッ素樹脂板、例えばテフロン（登録商標）ＡＦ２４００を用いることができる。透光板２１２は、空気中の酸素を透過してＵＶ硬化性樹脂ＲＡとの界面に酸素豊富な雰囲気を形成することでＵＶ硬化性樹脂ＲＡのＵＶ光による硬化（ラジカル重合反応）を妨げる。すなわち、ＵＶ硬化性樹脂ＲＡは、ＵＶ光により硬化する一方、酸素豊富な環境では硬化が妨げられる特性を有する。
【００１８】
このため、図２（Ｂ）に示すように、透光板２１２の近傍には、ＵＶ硬化性樹脂ＲＡがＵＶ光を受けても硬化しないデッドゾーン（不感帯）ＤＺが層状に形成される。そして、ＵＶ硬化性樹脂ＲＡのうちデッドゾーンＤＺの直上に位置する層状の部分（以下、造形樹脂液層という）ＰＡがＵＶ光（画像光）を受けることで硬化して、硬化部としての造形層（造形途中の中間物）ＷＡを形成する。これにより、造形層ＷＡが透光板２１２に付着することはない。
【００１９】
なお、透光板２１２を透過する酸素は、上述した空気中の酸素を用いてもよいし、不図示の酸素供給装置（ノズル）を透光板２１２の近傍に配置して透光板２１２に向けて酸素を供給するようにしてもよい。造形ユニット２００または三次元造形装置１００全体を高圧酸素雰囲気中に配置してもよい。
【００２０】
移動機構２０３は、容器２０１の上部開口を通して保持板２０２を上下方向に移動させる。移動機構２０３は、パルスモータとボールねじ等により構成され、制御部３００からの制御によって任意の速度または任意のピッチで保持板２０２を移動させる。以下の説明では、図１中の移動機構２０３による保持板２０２の移動方向（図の上下方向）をＺ方向（厚み方向）とし、該Ｚ方向に直交する方向（図の左右方向）をＸ方向とする。さらに、Ｚ方向およびＸ方向に直交する方向（図中の奥行き方向）をＹ方向とする。
【００２１】
移動機構２０３は、Ｚ方向において、保持板２０２を透光板２１２から離れる方向（上方）および透光板２１２に近づける方向（下方）に移動させる。造形中は、保持板２０２を上記デッドゾーンＤＺに近づいて対向した下端位置から上方に移動させる。保持板２０２が下端位置にある状態で透光板２１２を通して画像光をＵＶ硬化性樹脂ＲＡに照射することで最初の造形層が保持板２０２に付着した状態で形成される。そして、最初の造形層が下端位置から所定量だけ引き上げられた状態で透光板２１２を通して画像光をＵＶ硬化性樹脂ＲＡに照射することで、最初の造形層とデッドゾーンＤＺとの間で次の造形層が最初の造形層に積層されて形成される。この工程を繰り返すことで、順次形成される複数の造形層ＷＡが積層された造形物ＷＢを形成することができる。
【００２２】
容器２０１の下側には投射ユニット（第１の光学ユニット）２５０が配置されている。投射ユニット２５０は、ＵＶ光源（第１の光源）２５１と、ビームスプリッタ２５２と、光変調素子としての画像形成素子２５３と、駆動機構２５４と、投射光学系２５５とを有する。必要に応じて、投射ユニット２５０に投射光路を変更する別の光学素子を追加してもよい。
【００２３】
ＵＶ光源２５１、ビームスプリッタ２５２および光変調素子２５３は水平方向であるＸ方向に直列に配置されている。ビームスプリッタ２５２の上方（Ｚ方向）には、投射光学系２５５が配置されている。投射光学系２５５は、その光出射面が透光板２１２に対向するように配置されている。
【００２４】
ＵＶ光源２５１は、ＵＶ光（第１の光）を発するＬＥＤや高圧水銀ランプ等により構成されている。ＵＶ光源２５１から発せられたＵＶ光は、ビームスプリッタ２５２を透過して画像形成素子２５３にＵＶ光を照射する。
【００２５】
画像形成素子２５３は、複数の画素を有し、照射されたＵＶ光を画素ごとに変調して変調光としての画像光を生成する。本実施例では、画像形成素子２５３として、ＤＭＤ（Digital Micro mirror Device）を用いる。ＤＭＤとしての画像形成素子２５３は、図２（Ａ）に示すように、二次元配列された複数の画素２６１のそれぞれが、２つの角度位置（オン位置とオフ位置）の間で移動（回動）する微細な反射ミラーで構成されている。各画素２６１は、反射ミラーがオン位置にあるオン状態と反射ミラーがオフ位置にあるオフ状態とで明暗を表現する２値制御が可能である。
【００２６】
画像処理装置５００は、三次元物体の形状データとして予め用意された三次元形状データからＺ方向での複数の断面の二次元形状データとしての複数の画像データを生成する。各画像データは、二次元の複数の画素位置に対して造形画素位置であることを示す１または非造形画素位置であることを示す０を含む２値化データである。画像処理装置５００は、複数の画像データが時系列に配列された動画像データを制御部３００に出力する。
【００２７】
制御部３００は、動画像データ内の複数の画像データのそれぞれに基づいて、順次、画像形成素子２５３の画素２６１ごとの２値制御を行うことで、上述したようにＵＶ光を画素２６１ごとに変調して画像光を生成する。なお、制御部３００は、各画素２６１のオン状態とオフ状態との切り替えを高速で行うデューティ制御を行って中間調を表現することもできる。
【００２８】
また、本実施例では、画像形成素子２５３としてＤＭＤを用いる場合について説明するが、画像形成素子２５３として反射型液晶パネルを用いてもよいし、透過型液晶パネルを用いてもよい。この場合も、画素の反射率または透過率の２値制御による明暗表現だけでなく、反射率または透過率の高速スイッチングによる中間調表現も可能である。その他、明暗や中間調を有する画像光を形成できる素子であれば、画像形成素子２５３として用いることができる。
【００２９】
ビームスプリッタ２５２は、前述したようにＵＶ光源２５１からのＵＶ光を透過させ、画像形成素子２５３からの画像光を投射光学系２５５に向けて反射する。投射光学系２５５は、１つまたは複数のレンズにより構成されており、画像形成素子２５３（ビームスプリッタ２５２）からの画像光を、容器２０１内において画像形成素子２５３と光学的に共役な位置に結像させるように投射（照射）する。本実施例では、この画像光の結像位置を造形位置とする。造形位置は、容器２０１内における上述したデッドゾーンＤＺの直上の位置であり、ＵＶ硬化性樹脂ＲＡのうち造形位置にある造形樹脂液層ＰＡが画像光を受けることで造形層ＷＡが形成される。画像形成素子２５３の各画素からの画像光を造形位置に結像させる、すなわち最も絞った状態とすることにより、良好な解像度の造形層ＷＡを形成することができる。
【００３０】
制御部３００は、ＵＶ光源２５１、移動機構２０３、画像形成素子２５３および駆動機構２５４を制御し、上述した動画像データに応じた造形層ＷＡの形成（硬化）と同期した速度で連続的または断続的に移動機構２０３に保持板２０２を引き上げさせる。これにより、保持板２０２によって上端が保持された造形物ＷＢが成長するように三次元造形が行われる。
【００３１】
このように本実施例の三次元造形装置１００は、順次積層される複数の造形層ＷＡのそれぞれを形成する際に、投射ユニット２５０から画像光を造形位置に一括投射して造形樹脂液層ＰＡを一度に硬化させる。このため、各造形層をレーザ光の走査により形成したり、ＵＶ硬化性樹脂を塗布してから光を照射して形成したりする他の装置に比べて、造形物ＷＢの造形に要する時間を短くすることができる。
【００３２】
制御部３００は、ＣＰＵ３０１と、ＣＰＵ３０１の演算に用いられる作業領域を有するＲＡＭ３０２と、ＲＯＭ３０３とを有するコンピュータとして構成されている。ＲＯＭ３０３は、プログラム３０４が記録された記録媒体であり、ＥＥＰＲＯＭ等の書き換え可能な不揮発性のメモリである。ＣＰＵ３０１は、ＲＯＭ３０３に記録されたコンピュータプログラムとしての三次元造形プログラム３０４を読み出して造形ユニット２００を制御する後述する三次元造形プロセス（三次元物体製造方法）を実行する。
【００３３】
なお、三次元造形プログラム３０４は、コンピュータ読み取り可能な記録媒体、例えば不揮発性メモリ（半導体メモリ等）、記録ディスク（光ディスクや磁気ディスク）、外部記憶装置（ハードディスク）等に記録されていてもよい。
【００３４】
さらに本実施例の三次元造形装置１００は、レーザ走査ユニット（第２の光学ユニット）４００を有する。レーザ走査ユニット４００は、図１（Ａ）に示したＸＺ面をＹ方向から見て図である図１（Ｂ）にも示すように、レーザ光源ユニット４０６と、第１の走査部材４０４と、第２の走査部材４０５とを有する。レーザ光源ユニット４０６は、図３に示すように、ＵＶレーザ光源（第２の光源：以下、単にレーザ光源という）４０１と、絞り４０２と、結像レンズ４０３とを有する。レーザ光源４０６は、ＵＶ光源２５１とは異なる波長、ここではＵＶ光源２５１より短い波長のレーザ光（第２の光）を発する。例えば、ＵＶ光源２５１の波長が３８５ｎｍである場合に、レーザ光源４０６の波長を３５５ｎｍとする。レーザ光源４０６の波長をＵＶ光源２５１の波長より短くする理由については後述する。
【００３５】
第１の走査部材４０４および第２の走査部材４０５は、ガルバノミラーにより構成され、入射した光を高精度に偏向させることができる。第１の走査部材４０４は、Ｚ方向に延びる軸回りで角度Ａで揺動することにより、レーザ光源４０６から発せられて絞り４０２および結像レンズ４０３を通過したレーザ光を幅Ａ′のＹ方向範囲に照射する。また、第２の走査部材４０５は、Ｙ方向に延びる軸回りで角度Ｂで揺動することにより、第１の走査部材４０４により走査されるレーザ光を幅Ｂ′のＸ方向範囲に照射する。第１および第２の走査部材４０４，４０５の揺動を制御することで、レーザ走査ユニット４００から出射するレーザ光（以下、走査光という）をＸＹ面内の２次元方向に偏向することができる。これら第１および第２の走査部材４０４，４０５の揺動は、制御部３００により制御される。
【００３６】
本実施例では、レーザ走査ユニット４００は、投射ユニット２５０（投射光学系２５５）から透光板２１２を通したＵＶ硬化性樹脂ＲＡへの画像光の照射光路（Ｚ方向）に対して傾いた方向から、走査光を透光板２１２を通してＵＶ硬化性樹脂ＲＡに照射する。より詳しくは、投射ユニット２５０は透光板２１２に正対する方向から画像光をＵＶ硬化性樹脂ＲＡに照射する。一方、レーザ走査ユニット４００は透光板２１２に正対する方向に対して傾いた方向から、透光板２１２と投射ユニット２５０との間の空間を通して走査光をＵＶ硬化性樹脂ＲＡに照射する。これにより、レーザ走査ユニット４００からの走査光を、投射ユニット２５０との干渉を避けつつ透光板２１２を通してＵＶ硬化性樹脂ＲＡに照射することができる。また、投射ユニット２５０が用いる投射光学系２５５は回転対称な光学系であり、その像面を傾けるのが困難である。一方、レーザ走査ユニット４００はピント調整手段として光軸方向に移動可能な結像レンズ４０３を有するので、その可動範囲の全域で像面を造形樹脂液層ＰＡに合わせることができる。これも、レーザ走査ユニット４００を透光板２１２に正対する方向に対して傾いた方向から照射する理由である。
【００３７】
ただし、レーザ走査ユニット４００からの走査光を透光板２１２に正対する方向に対して傾いた方向から狭い空間を通して照射すると、レーザ走査ユニット４００のレンズバックが長くなり、射出側Ｆナンバーを明るくするのが困難である。しかも、ＵＶ硬化性樹脂ＲＡに対して斜めに入射することで、走査光のスポット径を絞り難い。このため、本実施例では、前述したように、レーザ光源４０６の波長をＵＶ光源２５１の波長より短くすることで、走査光のスポット径を絞り易くしている。
【００３８】
本実施例では、同一断面の画像データに基づいて、ＵＶ硬化性樹脂ＲＡ（造形樹脂液層ＰＡ）に投射ユニット２５０からの画像光とレーザ走査ユニット４００からの走査光とを同時に照射する。この際、投射ユニット２５０からの画像光を造形樹脂液層ＰＡのうち第１の樹脂領域に照射するとともに、レーザ走査ユニット４００からの走査光を第２の樹脂領域に照射する。第２の樹脂領域は、第１の樹脂領域に含まれていてもよいし、その少なくとも一部か第１の樹脂領域と異なることが望ましい。第２の樹脂領域が第１の樹脂領域と少なくとも一部が異なるとは、第２の樹脂領域が第１の樹脂領域に接する又は少なくとも一部が重なることを含む。このような画像光と走査光のＵＶ硬化性樹脂ＲＡへの同時照射により、同一断面の画像データに対応する１つの造形層ＷＡを形成する。このように投射ユニット２５０からの画像光とレーザ走査ユニット４００からの走査光とを組み合わせて用いることで、画像光を用いることによる造形速度の向上と走査光を用いることによる造形分解能の向上とを図ることができる。
【００３９】
ここで、図１（Ｂ）に示すように、ＵＶ硬化性樹脂ＲＡの造形樹脂液層ＰＡに対して投射ユニット２５０からの画像光を照射可能な最大範囲（画像光照射可能範囲）をＲＰとする。このとき、レーザ走査ユニット４００からの走査光を照射可能な最大範囲（走査光照射可能範囲）ＲＳは、画像光照射可能範囲ＲＰを包含して画像光照射可能範囲ＲＰよりやや広く設定されている。これにより、造形樹脂液層ＰＡにおいて画像光が画像光照射可能範囲ＲＰ以下の第１の樹脂領域に照射される限り、該第１の樹脂領域のエッジに沿った第２の樹脂領域Ｅに走査光を照射することができる。
【００４０】
例えば、図５（Ａ）に一点鎖線で示す目標形状の造形を行いたい場合に、画像光の照射のみでは画像形成素子２５３（画像データ）の画素の単位までの分解能しか得られず、二点鎖線で示すように目標形状に対して凹凸のある形状しか造形することができない。これに対して、図５（Ｂ）に示すように、画像光が照射される第１の樹脂領域Ｒ１のエッジに沿う第２の樹脂領域Ｒ２に走査光を照射することで、目標形状またはこれに近い形状を造形することができる。
【００４１】
また、投射ユニット２５０内の投射光学系２５５において軸外像高の収差を完全に補正することが難しい場合には、軸外像高を走査光により造形することで、全像高において良好な造形精度を得ることができる。
【００４２】
さらに、制御部３００は、造形中におけるレーザ走査ユニット４００による走査光の偏向照射に伴って、図３に示すように結像レンズ４０３を光軸方向に移動させて走査光のピント位置を調整する。第１および第２の走査部材４０４，４０５からＸＹ面内の様々な走査光の走査位置までの距離はそれぞれ異なるため、走査位置ごとに走査光のピント位置を調整することで、各走査位置で良好な造形精度を得ることができる。
【００４３】
図４のフローチャートには、本実施例において制御部３００内のＣＰＵ３０１が前述した三次元造形プログラムに従って実行する三次元造形プロセスの流れを示している。
【００４４】
ステップＳ１において、ＣＰＵ３０１は、画像処理装置５００から複数の画像データが時系列に配列された動画像データ（つまりは三次元形状データ）を取得する。
【００４５】
次にステップＳ２において、ＣＰＵ３０１は、ステップＳ１で取得した各画像データうち、造形したときにエッジ部となるデータ領域をエッジデータ領域として検出する。そして、ＣＰＵ３０１は、各画像データをエッジデータ領域とそれ以外のデータ領域（以下、コアデータ領域という）とに分ける。コアデータ領域は造形樹脂液層ＰＡ内において第１の樹脂領域に対応し、エッジデータ領域は第２の樹脂領域に対応する。本ステップの処理が、三次元形状データに基づいて、第１および第２の樹脂領域Ｒ１，Ｒ２を設定することに相当する。
【００４６】
次にステップＳ３では、ＣＰＵ３０１は、各画像データのうちコアデータ領域のデータに基づいて画像形成素子２５３を制御して画像光を造形樹脂液層ＰＡの第１の樹脂領域に照射する。また、これと同時に、エッジデータ領域のデータに基づいて第１および第２の走査部材４０４，４０５を制御して、走査光を第２の樹脂領域に対して照射する。また、ＣＰＵ３０１は、画像データに対応する画像光および走査光の照射に同期して保持板２０２が上方に移動するように移動機構２０３を制御する。これにより、画像データごとに、第１の樹脂領域が硬化して形成されたコア部と第２の樹脂領域が硬化して形成されたエッジ部とを有する造形層ＷＡが順次形成されていく。
【００４７】
そして、ステップＳ４では、ＣＰＵ３０１は、動画像データに含まれる複数の画像データの全てについて画像光および走査光の照射が終了したか否かを判断する。残りの画像データがあればステップＳ３に戻って全画像データについての画像光および走査光の照射が終了するまでステップＳ２からステップＳ５までの処理を繰り返す。
【実施例２】
【００４８】
次に、図６（Ａ），（Ｂ）を用いて、本発明の実施例２である三次元処理装置１００′について説明する。本実施例の三次元処理装置１００′における基本的な構成は実施例１と同じであり、共通する構成要素には実施例１と同符号を付して説明に代える。
【００４９】
本実施例の三次元造形装置１００′は、それぞれ実施例１で説明したレーザ走査ユニット４００に相当する２つのレーザ走査ユニット４００Ａ，４００Ｂを有する。すなわち、１つの投射ユニット２５０に対して複数（２つ）のレーザ光走査ユニット４００Ａ，４００Ｂを組み合わせている。
【００５０】
より大きいＸＹ断面積を有する造形物ＷＢを造形する際に実施例１のように１つのレーザ走査ユニット４００からの走査光をＵＶ硬化性樹脂ＲＡのうち投射ユニット２５０を挟んで反対側の樹脂領域に照射しようとすると、走査光が投射ユニット２５０に干渉する。また、ＵＶ硬化性樹脂ＲＡのうち広い樹脂領域に走査光を照射しようとすると、特に投射ユニット２５０を挟んで反対側の樹脂領域で走査光の入射角度が大きくなり、走査光のスポット径が大きくなるために良好な分解能が得られなくなる。さらに、広い樹脂領域に走査光を照射する場合に、必要なピント調整量が大きくなり、ピント調整に要する時間が長くなる。これにより、造形速度が遅くなる。
【００５１】
このため、本実施例では、１つの投射ユニット２５０に対して２つのレーザ光走査ユニット４００Ａ，４００Ｂを設けている。そして、ＵＶ硬化性樹脂ＲＡにおいて２つのレーザ走査ユニット４００Ａ，４００Ｂからの走査光を照射する樹脂領域（第２の樹脂領域）を分担することで、造形速度を向上させることができる。
【００５２】
レーザ走査ユニット４００Ａ，４００Ｂのそれぞれの構成は実施例１で説明したレーザ走査ユニット４００と同じである。レーザ走査ユニット４００Ａにおいて、第１の走査部材４０４は、Ｚ方向に延びる軸回りで角度Ａ１で揺動することにより、レーザ光源４０６から発せられた（絞り４０２と結像レンズ４０３を通過した）レーザ光を幅Ａ１′のＹ方向範囲に照射する。また、第２の走査部材４０５は、Ｙ方向に延びる軸回りで角度Ｂ１で揺動することにより、第１の走査部材４０４により走査されるレーザ光を幅Ｂ１′のＸ方向範囲に照射する。レーザ走査ユニット４００Ａの走査光照射可能範囲ＲＳ１の幅Ｂ１′は、実施例１の走査光照射可能範囲ＲＳのほぼ半分に相当する。
【００５３】
一方、レーザ走査ユニット４００Ｂにおいて、第１の走査部材４０４は、Ｚ方向に延びる軸回りで角度Ａ２で揺動することにより、レーザ光源４０６から発せられたレーザ光を幅Ａ２′のＹ方向範囲に照射する。また、第２の走査部材４０５は、Ｙ方向に延びる軸回りで角度Ｂ２で揺動することにより、第１の走査部材４０４により走査されるレーザ光を幅Ｂ２′のＸ方向範囲に照射する。レーザ走査ユニット４００Ｂの走査光照射可能範囲ＲＳ２の幅Ｂ２′は、実施例１の走査光照射可能範囲ＲＳのほぼ半分に相当する。そして、２つのレーザ走査ユニット４００Ａ，４００Ｂの走査光照射可能範囲ＲＳ１，ＲＳ２は、１つの投射ユニット２５０の画像光照射可能範囲ＲＰを包含する。
【００５４】
図７のフローチャートには、本実施例においてＣＰＵ３０１が三次元造形プログラムに従って実行する三次元造形プロセスの流れを示している。図７のフローチャートのうちステップＳ１，Ｓ２およびステップＳ３，Ｓ４は実施例１で図３に示したフローチャートと同じである。
【００５５】
図７のステップＳ１０では、ＣＰＵ３０１は、ステップＳ２において画像データごとに検出したエッジデータ領域に対する造形をレーザ走査ユニット４００Ａ，４００Ｂのうちいずれからの走査光により行うかを判定する。つまりは、２つの走査光照射可能範囲（第２の樹脂領域）ＲＳ１，ＲＳ２のそれぞれに対してレーザ走査ユニット４００Ａ，４００Ｂのいずれからの走査光を照射するかを判定する。具体的には、レーザ走査ユニット４００Ａに対しては該ユニット４００Ａｉ近い走査光照射可能範囲（第２の樹脂領域）ＲＳ１を選択し、レーザ走査ユニット４００Ｂに対しては該ユニット４００Ｂに近い走査光照射可能範囲（第２の樹脂領域）ＲＳ２を選択する。これにより、走査光の投射ユニット２５０に対する干渉を回避でき、走査光の入射角度を浅くしてそのスポット径を小さくすることができ、さらに造形中にピント調整に要する時間を短くすることができる。この後、ＣＰＵ３０１はステップＳ３に進む。
【実施例３】
【００５６】
次に、図８を用いて、本発明の実施例３である三次元処理装置について説明する。本実施例の三次元処理装置における基本的な構成は実施例１と同じであり、共通する構成要素には実施例１と同符号を付して説明に代える。
【００５７】
本実施例の三次元造形装置は、それぞれ実施例１で説明したレーザ走査ユニット４００に相当する４つのレーザ走査ユニット４００Ａ，４００Ｂ，４００Ｃ，４００Ｄを有する。すなわち、１つの投射ユニット２５０に対して複数（４つ）のレーザ光走査ユニット４００Ａ〜４００Ｄを組み合わせている。
【００５８】
より大きいＸＹ断面積を有する造形物ＷＢを造形する際に、投射光学系２５５の結像性能は、その収差によってＵＶ硬化性樹脂ＲＡの中央部より周辺部において低くなる。このため本実施例では、ＵＶ硬化性樹脂ＲＡの４つの周辺部のそれぞれに対して走査光を照射可能なレーザ走査ユニット４００Ａ〜４００Ｄを設けて、中央部だけでなく全ての周辺部において光硬化に用いられる照射光（画像光および走査光）を良好に結像させる。これにより、サイズが大きい造形物に対して、より高い造形精度と高い造形速度とを実現する。
【００５９】
レーザ走査ユニット４００Ａ〜４００Ｄのそれぞれの構成は実施例１で説明したレーザ走査ユニット４００と同じである。また、レーザ走査ユニット４００Ａ，４００Ｂは実施例２と同じである。ただし、レーザ走査ユニット４００Ａ，４００Ｂの走査光照射可能範囲ＲＳ１，ＲＳ２はそれぞれ、画像光照射可能範囲ＲＰよりレーザ走査ユニット４００Ａ，４００Ｂに近い側に限定されている。
【００６０】
レーザ走査ユニット４００Ｃ，４００Ｄのそれぞれにおいて、第１の走査部材４０４は、Ｚ方向に延びる軸回りで角度Ａ３，Ａ４で揺動して、レーザ光源４０６から発せられたレーザ光をＸ方向範囲に照射する。また、第２の走査部材４０５は、Ｘ方向に延びる軸回りで角度Ｂ３，Ｂ４で揺動することにより、第１の走査部材４０４により偏向されるレーザ光を画像光照射可能範囲ＲＰよりレーザ走査ユニット４００Ｃ，４００Ｄに近いＹ方向範囲に照射する。同じ面積に対して光を照射する場合に、投射ユニット２５０より各レーザ走査ユニットの方が時間を要する。このため、造形速度を低下させないために、各レーザ走査ユニットからの走査光の照射面積を投射ユニット２５０からの画像光の照射面積より小さくしている。
【００６１】
また、本実施例では、画像光（ＵＶ光源２５１）の波長を４０５ｎｍとし、走査光（レーザ光源４０１）の波長を３５５ｎｍに設定している。
【００６２】
図９のフローチャートには、本実施例においてＣＰＵ３０１が三次元造形プログラムに従って実行する三次元造形プロセスの流れを示している。図９のフローチャートのうちステップＳ１およびステップＳ４は実施例１で図３に示したフローチャートと同じである。
【００６３】
図９のステップＳ２０では、ＣＰＵ３０１は、ステップＳ１にて取得した各画像データに含まれる複数のデータ領域に対する造形を、投射ユニット２５０とレーザ走査ユニット４００Ａ〜４００Ｄのうちいずれからの画像光または走査光により行うかを判定する。図８に示した例では、画像光照射可能範囲ＲＰに対応するデータ領域の造形は投射ユニット２５０からの画像光により行い、走査光照射可能範囲ＲＳ１〜ＲＳ４に対応するデータ領域の造形はそれぞれレーザ走査ユニット４００Ａ〜４００Ｄからの走査光で行う。なお、走査光照射可能範囲ＲＳ１〜ＲＳ４に対応するデータ領域は、実施例１，２のようなエッジデータ領域である必要はない。
【００６４】
そして、ステップＳ２１では、ＣＰＵ３０１は、ステップＳ２０で判定した結果に基づいてＵＶ硬化性樹脂ＲＡに対して画像光および走査光を照射して造形を行う。この後、ＣＰＵ３０１はステップＳ４に進む。
【実施例４】
【００６５】
実施例１〜３では、造形ユニット２００において、容器２０１の底部に設けられた透光板２１２を通して画像光を容器２０１内のＵＶ硬化性樹脂ＲＡに照射する場合について説明した。しかし、図１０（Ａ）に示す本発明の実施例３の造形ユニット２００′のように、投射ユニット２５０からの画像光を容器２０１′の天井部に設けた透光板２１２を通してＵＶ硬化性樹脂ＲＡに照射してもよい。この場合、移動機構２０３′により保持板２０２′を下方に移動させながら造形層ＷＡを順次形成していけばよい。
【００６６】
また、図１０（Ｂ）に示す造形ユニット２００″のように、投射ユニット２５０からの画像光を容器２０１″の側面部に設けた透光板２１２を通してＵＶ硬化性樹脂ＲＡに照射してもよい。この場合、移動機構２０３″により保持板２０２″を透光板２１２から離れる水平方向に移動させながら造形層ＷＡを順次形成していけばよい。
【００６７】
図１０（Ａ），（Ｂ）に示す構成においても、図示はしていないが、１または複数のレーザ走査ユニットを設け、投射ユニットからの画像光とレーザ走査ユニットからの走査光とを用いて三次元造形を行うことができる。
【００６８】
また、上述した各実施例では、透光板２１２を透過した酸素によってデッドゾーンが形成される場合について説明した。しかし、ＵＶ硬化性樹脂ＲＡと透光板２１２との間にＵＶ硬化性樹脂ＲＡとは異なる離形剤（離形層）を設けてもよいし、容器２０１（２０１′，２０１″）を微細振動させることで造形層が透光板２１２に付着しないようにしてもよい。
（その他の実施例）
本発明は、上述の実施形態の１以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける１つ以上のプロセッサーがプログラムを読出し実行する処理でも実現可能である。また、１以上の機能を実現する回路（例えば、ＡＳＩＣ）によっても実現可能である。
【００６９】
以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。
【符号の説明】
【００７０】
１００，１００′三次元造形装置
２０１  容器
２０２  保持板（移動部材）
２１２  透光板（透光部）
２５１  ＵＶ光源
２５３  画像形成素子（光変調素子）
２６１  画素
３００  制御部
４００，４００Ａ〜４００Ｄ  レーザ走査ユニット
【図１】
2018051970.tif 000003
【図２】
2018051970.tif 000004
【図３】
2018051970.tif 000005
【図４】
2018051970.tif 000006
【図５】
2018051970.tif 000007
【図６】
2018051970.tif 000008
【図７】
2018051970.tif 000009
【図８】
2018051970.tif 000010
【図９】
2018051970.tif 000011
【図１０】
2018051970.tif 000012