(57)【要約】【課題】  簡易な構成で良好な造形精度を実現することが可能な光造形装置を提供すること。【解決手段】  光造形装置１００は、透光部を有し、液状の光硬化性樹脂ＲＡを保持する容器２０１と、透光部２１２を介して光硬化性樹脂ＲＡに光を照射する投影光学系２５５と、三次元形状データから得られる複数の二次元形状データの夫々に基づいて光の照射を制御する制御部３００と、光硬化性樹脂ＲＡのうち光を受けて硬化した硬化部ＷＡを、透光部２１２から離れる方向に移動させる移動部材２０２とを備え、透光部２１２は、正の屈折力を有する。【選択図】  図１
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【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、
前記透光部を介して前記光硬化性樹脂に光を照射する投影光学系と、
三次元形状データから得られる複数の二次元形状データの夫々に基づいて前記光の照射を制御する制御部と、
前記光硬化性樹脂のうち前記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移動部材とを備え、
前記透光部は、正の屈折力を有することを特徴とする光造形装置。
【請求項２】
前記透光部の入射面に対する最軸外光線の入射角度をθ１、前記透光部の出射面に対する前記最軸外光線の出射角度をθ２とするとき、
０．０≦θ２／θ１≦０．５０
なる条件式を満たすことを特徴とする請求項１に記載の光造形装置。
【請求項３】
前記透光部の出射面に対する最軸外光線の出射角度をθ２（ｄｅｇ）とするとき、
０．０≦θ２≦５．０
なる条件式を満たすことを特徴とする請求項１又は２に記載の光造形装置。
【請求項４】
前記透光部の入射面は、前記投影光学系に向かって凸面であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の光造形装置。
【請求項５】
前記透光部の出射面は、平面であることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の光造形装置。
【請求項６】
前記容器は、前記透光部に接合された壁面部を有すること特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の光造形装置。
【請求項７】
前記透光部の出射面における照射領域の幅をＷ、前記投影光学系及び前記透光部で構成される光学系の焦点距離をｆとするとき、
０．５０≦Ｗ／ｆ≦５．０
なる条件式を満たすことを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載の光造形装置。
【請求項８】
前記投影光学系の光軸上において、前記透光部と前記投影光学系との間隔をＴ１、前記投影光学系及び前記透光部で構成される光学系の全長をＬとするとき、
０．３０≦Ｔ１／Ｌ≦０．８０
なる条件式を満たすことを特徴とする請求項１乃至７の何れか一項に記載の光造形装置。
【請求項９】
前記投影光学系及び前記透光部で構成される光学系の横倍率をβとするとき、
−２０≦β≦−２．０
なる条件式を満たすことを特徴とする請求項１乃至８の何れか一項に記載の光造形装置。
【請求項１０】
前記透光部の入射面の曲率半径をＲ［ｍｍ］とするとき、
３０≦Ｒ≦２００
なる条件式を満たすことを特徴とする請求項１乃至９の何れか一項に記載の光造形装置。
【請求項１１】
複数の画素を有し、光源からの光を前記画素ごとに変調する光変調素子を備え、
前記投影光学系は、前記光変調素子からの変調光を、前記透光部を介して前記光硬化性樹脂に照射し、
前記制御部は、前記複数の二次元形状データの夫々に基づいて前記光変調素子を制御することを特徴とする請求項１乃至１０の何れか一項に記載の光造形装置。
【請求項１２】
光源からの光を偏向して前記光硬化性樹脂を走査する偏向部を備え、
前記投影光学系は、前記偏向部からの走査光を、前記透光部を介して前記光硬化性樹脂に照射し、
前記制御部は、前記複数の二次元形状データの夫々に基づいて前記偏向部を制御することを特徴とする請求項１乃至１０の何れか一項に記載の光造形装置。
【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光造形装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
三次元物体の形状を示す三次元形状データから生成される各断面形状のデータ（二次元形状データ）を取得し、各二次元形状データの夫々に対応する形状の造形層を順次形成することで、三次元物体（造形物）を得ることができる光造形装置が知られている。
【０００３】
特許文献１には、複数の画素を有する光変調素子によって二次元形状データに応じて変調された光を、投影光学系によって液状の光硬化性樹脂に照射することで、一つの造形層の全体を同時に硬化させることができる光造形装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【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】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の光造形装置は、光変調素子及び投影光学系の夫々を複数用いているため、装置全体が大型化及び複雑化してしまう。一方、光変調素子及び投影光学系の夫々を一つしか用いない場合、光硬化性樹脂の広範囲に同時に光を照射しようとすると、光硬化性樹脂に対する軸外光線の入射角が大きくなってしまう。そのため、軸外光線により形成される造形層の端部の位置が設計値からずれてしまい、良好な造形精度を得ることが困難になる。
【０００６】
本発明は、簡易な構成で良好な造形精度を実現することが可能な光造形装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するための、本発明の一側面としての光造形装置は、透光部を有し、液状の光硬化性樹脂を保持する容器と、前記透光部を介して前記光硬化性樹脂に光を照射する投影光学系と、三次元形状データから得られる複数の二次元形状データの夫々に基づいて前記光の照射を制御する制御部と、前記光硬化性樹脂のうち前記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移動部材とを備え、前記透光部は、正の屈折力を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、簡易な構成で良好な造形精度を実現することが可能な光造形装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態に係る光造形装置の要部概略図。
【図２】本発明の実施例１に係る造形ユニットの要部概略図。
【図３】実施例１に係る画像形成素子の要部概略図。
【図４】実施例１及び比較例に係る透光板の近傍を示す図。
【図５】本発明の実施例２に係る造形ユニットの要部概略図。
【図６】実施例２及び比較例に係る透光板の近傍を示す図。
【図７】本発明の変形例に係る造形ユニットの要部概略図。
【図８】従来例に係る透光板の近傍を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、各図面は、便宜的に実際とは異なる縮尺で描かれている場合がある。また、各図面において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明を省略する。
【００１１】
図１は、本発明の実施形態に係る光造形装置１００の要部概略図（ＺＸ断面図）である。光造形装置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とを有し、液状の光硬化性樹脂ＲＡに変調光を照射して造形層を順次形成することで、三次元造形物を形成する。制御部３００には、外部装置である画像処理装置４００（コンピュータ）が接続されている。
【００１２】
本実施形態では、変調光として紫外線（ＵＶ光）を用い、光硬化性樹脂として紫外線硬化性樹脂（ＵＶ硬化性樹脂）を用いている。ただし、ＵＶ光以外の変調光及びＵＶ硬化性樹脂以外の光硬化性樹脂を用いてもよい。なお、図１に示した造形ユニット２００は飽くまで模式図であり、実際の構成とは異なる。造形ユニット２００の詳細な構成については後述する各実施例において説明する。
【００１３】
［実施例１］
以下、本発明の実施例１に係る光造形装置１００について説明する。図２は、本実施例に係る光造形装置１００が有する造形ユニット２００のうち、容器２０１及び投影光学系２５５の近傍を拡大して示したものである。なお、光造形装置１００において図２に示した部分以外については、図１に示した光造形装置１００と同様である。
【００１４】
本実施例に係る造形ユニット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、投影ユニット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（壁面部）２１１と、該容器本体２１１の下部（底面部）に形成された開口を塞ぐように設けられた透光性材料から成る透光板（透光部）２１２とにより構成されている。
【００１５】
ＵＶ硬化性樹脂ＲＡは、所定の光量以上の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、硬化させたい領域にのみ所定の光量以上の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。透光板２１２のＵＶ硬化性樹脂ＲＡの側の面には、硬化した造形層（硬化部）ＷＡが透光板２１２に固着しないようにするための離型剤がコーティングされている。これにより、各造形層ＷＡの造形中に保持板２０２が移動できなくなることや、形成された造形物ＷＢを取り外すことができなくなることを防ぐことができる。
【００１６】
移動機構２０３は、容器２０１の上部の開口を通して保持板２０２を上下方向（±Ｚ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からの制御信号に基づい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、保持板２０２の移動方向（図の上下方向）をＺ方向、該Ｚ方向に直交する方向（図の左右方向）をＸ方向、Ｚ方向及びＸ方向に直交する方向（図の奥行き方向）をＹ方向とする。
【００１７】
移動機構２０３は、各造形層ＷＡの造形中には保持板２０２を上方（＋Ｚ方向）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を通して変調光を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を通して変調光をＵＶ硬化性樹脂ＲＡに照射することで、最初の造形層と透光板２１２との間に次の造形層が形成される。この工程を繰り返すことで、複数の造形層ＷＡが順次積層され、造形物ＷＢを形成することができる。
【００１８】
容器２０１の下側、すなわち透光板２１２と対向する位置には投影ユニット２５０が配置されている。投影ユニット２５０は、光源２５１と、ビームスプリッタ２５２と、画像形成素子（光変調素子）２５３と、駆動機構２５４と、投影光学系２５５とを有する。図２においては、ビームスプリッタ２５２により反射（偏向）された変調光の光路を展開して示している。なお、必要に応じて投影ユニット２５０に光路を偏向する別の光学素子（ビームスプリッタやミラーなど）を追加してもよい。
【００１９】
光源２５１、ビームスプリッタ２５２及び光変調素子２５３はＸ方向において直列に配置されている。投影光学系２５５は、ビームスプリッタ２５２の上側（＋Ｚ側）において、最も拡大側の光学面（最終面）が透光板２１２と対向するように配置されている。光源２５１は、ＵＶ光を発するＬＥＤや高圧水銀ランプ等により構成される。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に入射する。なお、光硬化性樹脂としてＵＶ硬化性樹脂以外を用いる場合は、光源２５１はＵＶ光を発するものでなくてもよい。
【００２０】
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（画像光）を生成する光変調素子である。本実施例では、画像形成素子２５３として、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｍｉｒｒｏｒ  Ｄｅｖｉｃｅ）を用いている。ＤＭＤとしての画像形成素子２５３は、図３に示すように、二次元配列された複数の画素２６１の夫々が、複数の角度位置（オン位置とオフ位置）の間で変化（回動）する微細なミラーで構成されている。各画素２６１は、ミラーがオン位置にあるオン状態とミラーがオフ位置にあるオフ状態とで明暗を表現する二値制御が可能である。
【００２１】
画像処理装置４００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方向に沿った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、二次元配列された複数の画素位置に対して、造形対象となる画素位置（造形画素位置）であることを示す「１」、または造形対象とならない画素位置（非造形画素位置）であることを示す「０」を含む二値化データである。画像処理装置４００は、複数の画像データが時系列として配列された動画像データを制御部３００に出力する。なお、画像処理装置４００が光造形装置１００の内部に搭載されていてもよい。
【００２２】
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メモリである。ＣＰＵ３０１は、ＲＯＭ３０３に記録されたプログラム３０４を読み出して造形ユニット２００を制御する光造形プロセスを実行する。
【００２３】
なお、プログラム３０４は、ＲＯＭ３０３ではなく制御部３００の外部に存在する記録媒体に記録されていてもよい。記録媒体としては、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）、記憶装置（ハードディスク）等のコンピュータで読み取り可能なものが採用される。
【００２４】
制御部３００は、画像処理装置４００から出力された動画像データ内の複数の画像データの夫々に基づいて、画像形成素子２５３の画素２６１ごとに順次二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によって中間調を表現することもできる。
【００２５】
なお、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したが、画像形成素子２５３として反射型液晶パネルや透過型液晶パネルなどを用いてもよい。この場合も、画素の反射率または透過率の二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。これらの素子に限らず、明暗や中間調を有する変調光を形成できる素子であれば、他の素子を画像形成素子２５３として用いてもよい。
【００２６】
ビームスプリッタ２５２は、前述したように光源２５１からのＵＶ光を透過させると共に、画像形成素子２５３からの変調光を投影光学系２５５に向けて反射する。投影光学系２５５は、１以上の光学素子（レンズ）により構成されており、ビームスプリッタ２５２からの変調光をＵＶ硬化性樹脂ＲＡに投影（照射）する。このとき、変調光は、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集光され、画像形成素子２５３の各画素の像を形成する。
【００２７】
本実施例では、この変調光の集光位置（結像位置）を造形位置とする。本実施例における造形位置は、容器２０１内における上述した透光板２１２の直上の位置であり、この位置のＵＶ硬化性樹脂ＲＡが変調光を受けることで造形層ＷＡが形成される。投影光学系２５５における開口絞りを最も絞った状態とすることにより、画像形成素子２５３の各画素からの変調光を造形位置に高精度に集光させることができ、良好な解像度の造形層ＷＡを形成することができる。
【００２８】
制御部３００は、上述した画像形成素子２５３の制御だけでなく、光源２５１、移動機構２０３、及び駆動機構２５４の制御を行う。このとき、制御部３００は、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最初の造形層ＷＡに順次新たな造形層ＷＡが積層されるようにして、造形物ＷＢを形成することができる。
【００２９】
このように、本実施例に係る光造形装置１００は、順次積層される複数の造形層ＷＡの夫々を形成する際に、投影ユニット２５０によって変調光を造形位置の広範囲に一括投影している。これにより、広範囲に存在するＵＶ硬化性樹脂ＲＡを一度に硬化させることができる。よって、レーザ光などで造形位置を光走査することで一つの造形層を部分毎に順次硬化させる装置と比較して、造形物ＷＡの造形に要する時間（造形時間）を短くすることができる。
【００３０】
ここで、上述したように、画像形成素子及び投影光学系の夫々を一つしか備えていない構成においては、光硬化性樹脂の広範囲に同時に光を照射しようとすると、透光板に対する軸外光線の入射角が大きくなってしまう。ただし、ここでの軸外光線とは、造形位置に到達する光線のうち投影光学系の光軸から離れた光線のことを示す。透光板に対する軸外光線の入射角が大きくなってしまうと、軸外光線により形成される造形層の端部の位置が設計値からずれてしまい、良好な造形精度を得ることが困難になる。このことについて、以下で詳細に説明する。
【００３１】
図８は、従来例に係る光造形装置における透光板８１２の近傍の模式図である。ここでは、説明を分かり易くするために、各光線の角度や硬化領域ＰＡなどを実際の寸法から異ならせている。ただし、ここでの硬化領域ＰＡとは、ＵＶ硬化性樹脂ＲＡのうち所定の光量以上の光を受けて（所定の光密度以上となって）硬化する領域である。複数の硬化領域ＰＡが同時に硬化することによって、造形層ＷＡが形成される。図８に示すように、従来例に係る透光板８１２において、投影光学系からの光が入射する入射面及び入射面からの光が出射する出射面は、何れも平面である。
【００３２】
このとき、造形位置における投影光学系の光軸上に到達する軸上光線は、透光板８１２の入射面に対して垂直な方向から入射するため、所望の位置に硬化領域ＰＡが形成される。一方、造形位置における投影光学系の光軸から離れた領域に到達する軸外光線は、透光板８１２の入射面に対して大きな入射角で斜入射するため、透光板８１２の出射面に対する出射角も大きくなる。そのため、図８に示すように、軸外光線に対応する硬化領域ＰＡは光軸方向（Ｚ方向）に対して大きく傾いてしまう。
【００３３】
例えば、一つの造形層の光軸方向の高さが２００μｍ、軸外光線の出射面に対する出射角が２０ｄｅｇである場合、軸外光線に対応する硬化領域ＰＡの上部と下部のＸ方向における位置は、相対的に２００μｍ×ｔａｎ（２０゜）＝７３μｍもずれてしまう。このような造形位置ずれが生じた場合、良好な造形精度を実現することは困難である。特に、光造形装置の小型化のために、投影光学系の外径や全長を低減しつつ投影範囲を広げようとする場合、この課題は顕著になる。
【００３４】
そこで、本実施例に係る光造形装置１００では、透光板２１２に正の屈折力（パワー）を持たせることで、光硬化性樹脂に対する軸外光線の入射角を低減し、良好な造形精度を実現している。本実施例に係る透光板２１２による効果について、比較例を用いて説明する。図４は、光造形装置における透光板の近傍での光線の様子を表したものであり、図４（ａ）は本実施例に係る光造形装置１００を示し、図４（ｂ）は比較例に係る光造形装置を示している。なお、比較例に係る光造形装置について、透光板５１２以外の構成は本実施例と同様であるものとする。
【００３５】
図４（ｂ）に示すように、比較例に係る光造形装置においては、透光板５１２の入射面及び出射面は何れも平面であるため、図８に示した従来例と同様に良好な造形精度を得ることができない。一方、図４（ａ）に示すように、本実施例に係る光造形装置１００では、透光板２１２の入射面を投影光学系２５５に向かって凸面とし、透光板２１２の出射面を平面とすることで、透光板２１２に正の屈折力を持たせている。これにより、透光板２１２の入射面に対して大きな入射角で入射する軸外光線について、出射面からＵＶ硬化性樹脂ＲＡに向かって出射する際の出射角を低減することができるため、造形精度の低下を抑制することができる。
【００３６】
本実施例に係る透光板２１２は、投影光学系２５５からの光を透過させる光学素子としての役割と、ＵＶ硬化性樹脂ＲＡを保持する容器としての役割とを果たしている。すなわち、透光板２１２において、入射面は空気と接しており、出射面はＵＶ硬化性樹脂ＲＡと接している。このとき、ＵＶ硬化性樹脂ＲＡの屈折率は空気の屈折率よりも大きいため、透光板２１２の出射面に曲率を持たせたとしても十分な屈折力が得られにくい。また、透光板２１２の出射面は入射面と比較して造形位置に近接して配置されているため、出射面の形状が造形精度に大きな影響を与える。
【００３７】
そこで本実施例では、透光板２１２の出射面の形状を、高い加工精度を得ることが容易な平面とし、かつ透光板２１２において空気と接する入射面を曲面としている。ただし、ここでの平面とは、厳密な平面に限らず、曲率半径が１０００ｍｍ以上の略平面を含んでいる。これにより、透光板２１２を加工が容易な形状とし、各面に大きな曲率を持たせることなく、十分な屈折力を得ることができる。
【００３８】
なお、本実施例では、透光板２１２の入射面を加工が容易な球面形状としているが、入射面を必要に応じて非球面形状とすることで、投影光学系２５５で生じる収差をより良好に補正できるようにしてもよい。あるいは、透光板２１２の入射面をフレネルレンズとしてもよい。また、必要に応じて出射面も曲面とし、透光板２１２をメニスカス形状や両凸形状とすることで、透光板２１２に正の屈折力を持たせてもよい。すなわち、入射面及び出射面の少なくとも一方を曲面とすることで正の屈折力を持たせることができるのであれば、透光板２１２をどのような形状としてもよい。
【００３９】
また、本実施例では、容器２０１の側面部及び底面部の一部（壁面部）を形成する容器本体２１１と、容器２０１の底面部に配置される透光板２１２とを互いに異なる部材として（別体で）作成し、それらを互いに接合することで容器２０１を得ている。このように、容器本体２１１と透光板２１２とを互いに別の部材とすることにより、透光板２１２に正の屈折力を持たせる際に切削や研磨などの一般的な加工手法を採用することができるため、透光板２１２の製造が容易になる。ただし、ここでの接合とは、接着剤による接着や、溶接、嵌合などを含んでいる。
【００４０】
ここで、透光板２１２の入射面に対する最軸外光線の入射角度をθ１、透光板２１２の出射面に対する最軸外光線の出射角度をθ２とする。ただし、ここでの最軸外光線とは、造形位置に到達する光線のうち投影光学系２５５の光軸から最も離れた光線のことを示す。また、入射角度とは、透光板２１２の入射面に入射するときの光線と光軸との成す角度を示し、出射角度とは、透光板２１２の出射面から出射するときの光線と光軸との成す角度を示す。入射角度θ１及び出射角度θ２の符号は、光線が進むに連れて光軸から離れる方向を正、近づく方向を負と定義する。このとき、以下の条件式（１）を満たすことが望ましい。
０．０≦θ２／θ１≦０．５０      （１）
【００４１】
条件式（１）の上限を上回ると、入射角度θ１に対して出射角度θ２が大きくなり過ぎてしまい、透光板２１２による最軸外光線の角度補正が不十分になるため、良好な造形精度を得ることが難しくなる。一方、条件式（１）の下限を下回ると、入射角度θ１に対して出射角度θ２の符号が反転し、出射面から出射する最軸外光線が光軸に近づく方向に向かうことになるため、透光板２１２により最軸外光線の角度を過補正することになってしまう。よって、透光板２１２の偏心や形状誤差に対する光学性能の変化量（敏感度）が高くなり、かつ収差が発生してしまうため、良好な造形精度を得ることが難しくなる。
【００４２】
図４（ａ）に示した本実施例に係る光造形装置１００及び図４（ｂ）に示した比較例に係る光造形装置の何れにおいても、入射角度θ１は１１ｄｅｇである。しかし、比較例においては、出射角度θ２は７．２ｄｅｇであり、θ２／θ１＝０．６７となるため上記条件式（１）を満たさず、良好な造形精度が得られない。一方、本実施例においては、出射角度θ２は１．４ｄｅｇであり、θ２／θ１＝０．１３となるため上記条件式（１）を満たし、良好な造形精度を得ている。さらに、以下の条件式（１ａ）を満たすことがより好ましい。
０．０≦θ２／θ１≦０．３０      （１ａ）
【００４３】
また、前述した出射角度θ２（ｄｅｇ）が以下の条件式（２）を満たすように、投影光学系２５５及び透光板２１２を設計することが望ましい。
０．０≦θ２≦５．０      （２）
【００４４】
条件式（２）を満たすことで、出射角度θ２が５．０ｄｅｇ以下になり、ｔａｎ（５．０°）＝０．０８７となるため、上述した硬化領域ＰＡの上部と下部のＸ方向における位置ずれ量を造形層ＷＡの高さに対して１割以下に抑えることができる。条件式（２）の上限を上回ると、硬化領域ＰＡの上部と下部の位置ずれが大きくなり、良好な造形精度を得ることが難しくなる。一方、条件式（２）の下限を下回ると、出射角度θ２が負の値となってしまうため、条件式（１）の下限を下回る場合と同様に良好な造形精度を得ることが難しくなる。さらに、以下の条件式（２ａ）を満たすことがより好ましい。
０．０≦θ２≦４．５      （２ａ）
【００４５】
また、透光板２１２の出射面における照射領域の幅（照射領域全幅）をＷ、投影光学系２５２及び透光板２１２で構成される光学系（全系）の焦点距離をｆとするとき、以下の条件式（３）を満たすことが望ましい。ただし、ここでの照射領域とは、透光板２１２の出射面における投影光学系２５５からの光束の通過領域の幅（最軸外光線同士の間隔）を示している。
０．５０≦Ｗ／ｆ≦５．０      （３）
【００４６】
条件式（３）の上限を上回ると、全系の焦点距離が短くなり過ぎてしまい、十分に広い照射領域を確保するためには入射角度θ１を大きくすることが必要になるため、上述したような造形位置ずれが生じ易くなってしまう。一方、条件式（３）の下限を下回ると、全系の焦点距離が長くなり過ぎてしまい、装置全体の小型化が難しくなる。さらに、以下の条件式（３ａ）を満たすことがより好ましい。
０．８０≦Ｗ／ｆ≦３．５      （３ａ）
【００４７】
また、投影光学系２５５の光軸上において、透光板２１２と投影光学系２５５との間隔をＴ１、画像形成素子２５３から透光板２１２の出射面までの距離をＬとするとき、以下の条件式（４）を満たすことが望ましい。ただし、透光板２１２と投影光学系２５５との間隔とは、透光板２１２の入射面から投影光学系２５５の最終面までの間隔を示す。また、距離Ｌは、投影光学系２５２及び透光板２１２で構成される光学系の全長（全系の長さ）に相当する。
０．３０≦Ｔ１／Ｌ≦０．８０      （４）
【００４８】
条件式（４）の上限を上回ると、透光板２１２と投影光学系２５５との間隔が大きくなり過ぎてしまい、光軸に垂直な方向における夫々の相対的な位置ずれに対する光学性能の変化量（相対偏心敏感度）が高くなる。そのため、製造誤差などによって各部材の位置ずれが生じた場合、良好な造形精度を得ることが難しくなる。一方、条件式（４）の下限を下回ると、透光板２１２と投影光学系２５５との間隔が小さくなり過ぎてしまい、十分に広い照射領域を確保するためには投影光学系２５５の外径や全長を大きくすることが必要になり、装置全体の小型化が難しくなる。さらに、以下の条件式（４ａ）を満たすことがより好ましい。
０．４０≦Ｔ１／Ｌ≦０．６５      （４ａ）
【００４９】
また、全系の横倍率をβとするとき、以下の条件式（５）を満たすことが望ましい。ただし、ここでの全系の横倍率とは、物体面である画像形成素子２５３の表面での画角（物体高）に対する、透光板２１２の出射面での画角（像高）の比の値である。なお、ここでは透光板２１２の出射面を像面（造形位置）であるとみなしている。
−２０≦β≦−２．０      （５）
【００５０】
条件式（５）の上限を上回ると、全系の横倍率が小さくなり過ぎてしまい、投影光学系２５５の最終面が透光板２１２に近づいて投影光学系２５５の外径や全長が大きくなってしまうため、装置全体の小型化が難しくなる。一方、条件式（５）の下限を下回ると、入射角度θ１が大きくなり過ぎてしまい、透光板２１２によって出射角度θ２を低減することが難しくなる。この場合、出射角度θ２を十分に低減するためには、透光板２１２の入射面の曲率を著しく大きくすることが必要になり、透光板２１２の偏心などによる光学性能の変化が大きくなるため、良好な造形精度を得ることが難しくなる。さらに、以下の条件式（５ａ）を満たすことがより好ましい。
−１０≦β≦−２．５      （５ａ）
【００５１】
また、透光板２１２の入射面の曲率半径をＲ［ｍｍ］とするとき、以下の条件式（６）を満たすことが望ましい。
３０≦Ｒ≦２００      （６）
【００５２】
条件式（６）の上限を上回ると、透光板２１２の入射面の屈折力が小さくなり過ぎてしまい、透光板２１２によって出射角度θ２を低減することが難しくなる。一方、条件式（６）の下限を下回ると、透光板２１２の入射面の屈折力が大きくなり過ぎてしまい、全系で生じる収差を補正することが難しくなる。さらに、以下の条件式（６ａ）を満たすことがより好ましい。
５０≦Ｒ≦１８０      （６ａ）
【００５３】
表１に、本実施例に係る光造形装置１００の諸元値を示す。表１に示すように、本実施例に係る光造形装置１００は上述した条件式（１）乃至（５）を満たしている。
【００５４】
【表１】
2019077118.tif 000003
【００５５】
表２に、本実施例に係る光学系のレンズデータを示す。表２では、物体面である画像形成素子２５３から像面である透光板２１２の出射面までの各光学面の曲率半径、光学面間の光軸上での面間隔、光学面間の媒質のｄ線に対する屈折率、各光学面の有効径の半径（有効半径）を示している。表２に示すように、本実施例に係る光造形装置１００は上述した条件式（６）を満たしている。
【００５６】
【表２】
2019077118.tif 000004
【００５７】
以上、本実施例に係る光造形装置１００によれば、簡易な構成で良好な造形精度を実現することができる。
【００５８】
［実施例２］
以下、本発明の実施例２に係る光造形装置１００について説明する。本実施例に係る光造形装置１００において、上述した実施例１に係る光造形装置１００と同等の構成については説明を省略する。
【００５９】
図５は、本実施例に係る光造形装置１００における容器２６１及び投影光学系２６５の近傍を拡大して示したものである。本実施例に係る光造形装置１００では、実施例１に係る光造形装置１００と比較して、照射領域の幅をより広く設定しつつ投影光学系２５５の外径及び全長の増大を抑えるために、透光板２２２に対する入射角度をより大きくしている。
【００６０】
図６は、光造形装置における透光板の近傍での光線の様子を表したものであり、図６（ａ）は本実施例に係る光造形装置１００を示し、図６（ｂ）は比較例に係る光造形装置を示している。なお、比較例に係る光造形装置について、透光板５２２以外の構成は本実施例と同様であるものとする。図６から明らかなように、実施例１よりも入射角度θ１を大きくした場合にも、透光板２２２に正の屈折力を持たせることで出射角度θ２を十分に低減できている。
【００６１】
表３に、本実施例に係る光造形装置１００の諸元値を示す。表３に示すように、本実施例に係る光造形装置１００は上述した条件式（１）乃至（５）を満たしている。
【００６２】
【表３】
2019077118.tif 000005
【００６３】
表４に、本実施例に係る光学系のレンズデータを示す。表４に示すように、本実施例に係る光造形装置１００は上述した条件式（６）を満たしている。
【００６４】
【表４】
2019077118.tif 000006
【００６５】
［変形例］
以上、本発明の好ましい実施形態及び実施例について説明したが、本発明はこれらの実施形態及び実施例に限定されず、その要旨の範囲内で種々の組合せ、変形及び変更が可能である。
【００６６】
上述した実施形態に係る光造形装置１００では、容器２０１の底面部に透光板２１２が設けられているが、この構成に限られるものではない。例えば、図７（ａ）に示すように容器２０１の上部に透光板２１２を設けた構成や、図７（ｂ）に示すように容器２０１の側面部に透光板２１２を設けた構成を採用してもよい。図７（ａ）に示す構成においては保持板２０２を−Ｚ方向に移動させ、図７（ｂ）に示す構成においては保持板２０２を−Ｘ方向に移動させることで、造形層ＷＡを順次形成することができる。このような構成においても、透光板２１２に正の屈折力を持たせることで本発明の効果を得ることができる。
【００６７】
また、上述した実施形態に係る光造形装置１００では、透光板２１２に離型剤をコーティングすることで造形層ＷＡの順次形成を可能にしているが、この構成に限られるものではない。例えば、透光板２１２をテフロン（登録商標）などの酸素を透過する材料で構成することで、ＵＶ硬化性樹脂ＲＡにおける透光板２１２の近傍にＵＶ光を受けても硬化しないデッドゾーン（不感帯）を形成してもよい。また、容器２０１を微細振動させることで造形層ＷＡが透光板２１２に固着しないようにしてもよい。あるいは、透光板２１２に造形物ＷＡが固着する度に保持板２０２を上方に引き上げるなどして、透光板２１２に固着した造形層ＷＡを剥離させてもよい。
【００６８】
また、例えば画像形成素子２５３の代わりに偏向器を採用し、光源からの光を偏向器により偏向して造形位置を走査することで造形物を形成する構成を採ってもよい。この構成では、光源として例えばレーザ光源を採用し、偏向器として例えばガルバノミラーを採用することができる。この場合、投影光学系２５５は偏向部からの走査光を透光板２１２を介して造形位置に照射し、制御部３００は、複数の二次元形状データの夫々に基づいて偏向部を制御する。また、必要に応じて、画像形成素子２５３及び偏向器の両方を備える構成を採用してもよい。
【００６９】
また、造形ユニット２００から容器２０１を着脱可能（交換可能）な構成を採ってもよい。例えば、色や性質が互いに異なる光硬化性樹脂を保持する複数の容器２０１を用意し、それらを造形ユニット２００に着脱することで、多色の造形物やより複雑な造形物を形成することができる。ただし、この構成を採用した場合、容器２０１を取り付ける際の透光板２１２の位置調整（偏心調整）が必要になるため、容器２０１の位置を調整するための機構を設けることが望ましい。
【００７０】
あるいは、必要に応じて、正の屈折力を持つ透光板２１２を有する容器２０１と、屈折力を持たない透光板を有する容器とを交換可能な構成を採ってもよい。この場合、容器の交換による光学性能の変化を補正するために、容器２０１の位置や投影光学系２５５を構成するレンズの位置を調整するための機構を設けることが望ましい。
【００７１】
また、必要に応じて透光板２１２を複数の光学部材により構成してもよい。例えば、正のパワーを有する光学部材と負のパワーを有する光学部材とを互いに接合して透光板２１２を構成することで、透光板２１２により色収差の補正を行うことができるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００７２】
１００  光造形装置
２０１  容器
２０２  保持板（移動部材）
２１２  透光板（透光部）
２５１  光源
２５３  画像形成素子（光変調素子）
２５５  投影光学系
３００  制御部
ＲＡ  ＵＶ硬化性樹脂（光硬化性樹脂）
ＷＡ  造形層（硬化部）
【図１】
2019077118.tif 000007
【図２】
2019077118.tif 000008
【図３】
2019077118.tif 000009
【図４】
2019077118.tif 000010
【図５】
2019077118.tif 000011
【図６】
2019077118.tif 000012
【図７】
2019077118.tif 000013
【図８】
2019077118.tif 000014