(57)【要約】【課題】本発明の課題は、光硬化性樹脂液を容器内に収容し、光エネルギーが前記物質の硬化に必要なエネルギーレベルをもって点状に集中するように光照射を行ないながら、三次元の造形物を得る技術において、マイクロ光造形フォーカスポイントのみにおいて光硬化を起こさせる手法を提示し、それを実行する装置を提供することにある。【解決手段】本発明の層厚可変型マイクロ光造形装置は、対物レンズ１４の面とカバーガラスおよびガラス基板１５の間隔をそれぞれ独立して調整出来る機構を備えるようにし、常に適当光量のマイクロ光造形フォーカスポイントが樹脂層１６表面から所定距離にくるように調整可能にした。【選択図】    図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光源からのレーザビームを硬化性樹脂層内部にスポット照射するレーザ光学系において、対物レンズ面とカバーガラスおよびガラス基板の間隔をそれぞれ独立して調整出来る機構を備えたことを特徴とする層厚可変型マイクロ光造形装置。
【請求項２】
対物レンズのマウント部にはカバーガラスのＺ軸移動機構が備えられている請求項１に記載の層厚可変型マイクロ光造形装置。
【請求項３】
対物レンズのマウント部にはカバーガラスのＸＹ移動機構が備えられている請求項１または２に記載の層厚可変型マイクロ光造形装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、立体形状データを基にして液体状の光硬化性樹脂に対し、形状部分にレーザ光を照射することにより前記樹脂を硬化させて前記立体形状を形成させる所謂光造形の技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ビームスポットを照射して光硬化性樹脂を硬化させ、三次元の形状物に造形する技術は、光造形法として知られている。この三次元光造形法として、樹脂液槽内に垂直方向に上下するテーブルを設け、テーブルを液面下から始め、テーブルと液面との間に所定のレーザーを所定の平面領域照射し、テーブル上に一定厚みの所定形状の硬化層を作り、次に、テーブルを一定深さ沈めて、同様に液面と既硬化層表面レベルとの間に光を照射し、次の硬化層を積層する。その後、テーブルを一定深さ沈め、上記の工程を繰り返して一定厚みの所定形状の硬化層を積み重ねて所要の三次元の造形物を生成する所謂積層法と、光により硬化する光硬化性樹脂液を容器内に収容し、光エネルギーが前記物質の硬化に必要なエネルギーレベルをもって点状に集中するように光照射を行ないながら、前記容器を水平及び垂直に移動させることで、三次元の造形物を得る方法とが知られている。
【０００３】
後者の光造形法としては特許文献１がある。この文献には既に開発されている液状の光硬化性樹脂の内部にレーザスポットを走査し任意の３次元構造を形成する方法（紫外レーザーを光源とした内部硬化型マイクロ造形法：Ｓｕｐｅｒ  ＩＨ  ｐｒｏｃｅｓｓ  略してＳＩＨ）の技術には光照射条件の最適化、光硬化性樹脂の硬化特性の最適化等各種の高度な最適化が必要であることや、深部での内部硬化が困難である等の問題があることを指摘している。その上で、この問題点を解決することを目的とした新規な発明として、透明性を有する近赤外パルスレーザ光に着目し、この近赤外パルスレーザ光を利用して２光子吸収を誘起することによって焦点近傍のみにおいて紫外レーザーと同じエネルギーに高め、ピンポイントで樹脂を硬化できる２光子マイクロ光造形方法およびその装置を提示している。その具体的な構成として、図４のＡに全体構成をＢに要部拡大図で示す。この方法は、近赤外パルスレーザ光源ａからの光をミラースキャナーｄを通した後、レンズを用いて光硬化性樹脂ｈ中に集光させ、２光子吸収を誘起することによって焦点近傍のみにおいて樹脂を硬化させることを特徴とする。装置としては、近赤外パルスレーザ光源ａからの光をミラースキャナーｄを通した後、レンズｆを用いて光硬化性樹脂ｈ中に集光させる手段と、Ｚステージｅとミラースキャナーｄを高速に走査することにより樹脂中の任意の位置に集光スポットＳを移動させることができる集光スポット移動手段とを備えていることを特徴とする。
【０００４】
しかし、ＳＩＨにせよこの２光子マイクロ光造形法にせよ、従来の、光により硬化する光硬化性樹脂液を容器内に収容し、光エネルギーが前記物質の硬化に必要なエネルギーレベルをもって点状に集中するように光照射を行ないながら、三次元の造形物を得る方法は、光を焦点に絞りその１点でのみ光硬化を起こさせることが重要である。しかし、実際にこの要件を満たすことは難しく、マイクロ光造形フォーカスポイント以外の光ビームが通過した部分において光吸収による硬化現象が生じてしまったり、不均一な造形が出来てしまったりする。光硬化を起こさせるか起こさせないかの閾値の許容幅は微妙であり安定した加工を行なうことが困難であるという問題がある。
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−１５８０５０号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、光硬化性樹脂液を容器内に収容し、光エネルギーが前記物質の硬化に必要なエネルギーレベルをもって点状に集中するように光照射を行ないながら、三次元の造形物を得る技術において、効果的にマイクロ光造形フォーカスポイントのみにおいて光硬化を起こさせる手法を提示し、それを実行する装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の層厚可変型マイクロ光造形装置は、対物レンズ面とカバーガラスおよびガラス基板の間隔をそれぞれ独立して調整出来る機構を備えるようにし、常にマイクロ光造形フォーカスポイントが樹脂層表面から所定距離にくるように調整可能にした。その具体例としては対物レンズのマウント部にはカバーガラスのＺ軸移動機構が備えられている構成を採用し、カバーガラスの厚さや光学特性のバラツキ、あるいは対物レンズの作動距離の違いに対してもカバーガラス面からフォーカスポイントまでの距離を所定の距離に保つことができるようにすることで、焦点部に適量の光量が照射されるように調整機能を備えた。
また、本発明の層厚可変型マイクロ光造形装置は、カバーガラスにＸＹ移動機構が備えられる構成を採用することにより、該カバーガラスに樹脂が硬化付着した場合にはその部分を光ビームの光路からシフトできる機能をもたせるようにした。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明は、上記したマイクロ光造形フォーカスポイント以外の光ビームが通過した部分において光吸収による硬化現象が生じてしまったり、不均一な造形が出来てしまったりする主たる原因が、光ビームの光量が樹脂内を通過する過程で吸収され、マイクロ光造形フォーカスポイントの深さによって光強度が変ることにあるとの知見に基いている。例えば、図２のＡに示されるように光造形フォーカスポイントが深い場合と図２のＢに示されるように光造形フォーカスポイントが浅い場合とでは樹脂層を透過する領域に差が生じ、Ａに示されるように光造形フォーカスポイントが深い場合には光吸収も多くなる。そこで、三次元構造物の光造形を行なうフォーカスポイントの深さを所定値に定め常にその深さで光硬化現象を行なわせるようにしようとするものである。
【０００９】
ところで、容器内に液体の光硬化性樹脂が入れられた状態で基板上から三次元構造体であるマイクロ光造形を作成しようとすれば、その光硬化させるポイントは基板表面部から始まり、徐々に浅い領域に移っていくことになる。そこで本発明では常に所定浅さの所で加工が行われるようにするため、ガラス基板とカバーガラスそして対物レンズを独立してＺ軸方向に移動可能な機構を備えるようにした。液体の光硬化性樹脂の表面に置かれるカバーガラスは一般に厚みや屈折率、透過度などの光学特性にバラツキがあり、このカバーガラスを介して樹脂内に焦点を結ばせるにあたり、焦点部分のみに適量の光量が照射されるようにするため、該カバーガラスと対物レンズの距離が調整される。この調整によって、カバーガラスの下面から距離ｌの所にマイクロ光造形フォーカスポイントが設定されたことになる。すると、加工当初はガラス基板上に直接構造物を作ることになるため、ガラス基板のＺ軸移動機構を駆動させて該基板表面をまずカバーガラスの下面から距離ｌの所にもってきて光造形の加工を開始する。その際、ガラス基板とカバーガラス間の樹脂層は薄い状態となっているが、加工が進み造形物がＺ方向に伸びてからの光造形を行なうフォーカスポイントの場合はその基礎となる部分がＺ方向に既に形成されているため、ガラス基板とカバーガラス間の樹脂層は厚い状態となる。一旦焦点位置が決められた後はカバーガラスと対物レンズ間の距離は決められたままであり、構造物の成長に応じてガラス基板がＺ軸方向に下げられていくことになる。このように、本発明のＺ軸方向に移動可能な機構によってカバーガラスと基板の距離を調整することができるのであるが、本発明の実施にはカバーガラスと基板間に介在する液体の光硬化性樹脂の量がその距離に応じて変わってくるため、その供給排出を自在に許容するバッファ機構が必要である。
【００１０】
本発明の装置の全体構成を図１に示し説明する。１はレーザ光源であり、２はレーザビームの通過／遮断機能をもつシャッタ、３はニュートラルデンシティフィルタ（ＮＤフィルタ）で、レーザ光の透過量を調整する機能を有する。４，５はミラー、６，７，１０はレンズ、８，９はビームをＸ方向とＹ方向に走査させるガルバノミラー、１１は光を透過光と反射光に二分するビームスプリッタ、１２は結像レンズであり、１３は絞り、１４は対物レンズ、そして１５はカバーガラス、１６は光硬化性樹脂、１７はガラス基板で１８は該ガラス基板をＸＹＺ方向に移動させる三次元移動機構であり、１９は観察用の照明で、２０がカバーガラス１５上に設置された対物レンズ用のＺ移動機構であり、２１は観察用のＣＣＤ撮像カメラである。レーザ光源１からのレーザ光はＮＤフィルター３で透過量を制限されレンズ６で一旦集光されてから広げられ、レンズ７で平行光線とされる。平行光線とされたレーザ光はガルバノミラー８でＸ（またはＹ）方向に振られ、次いでガルバノミラー９でＹ（またはＸ）方向に振られる。走査偏向されたレーザ光はレンズ１０により集光されてから広げられ結像レンズ１２へ入れられるが、本発明では集光点と結像レンズ１２間の位置にビームスプリッタ１１が配設される。この結像レンズ１２でレーザ光は平行光線にされ、絞り１３を通過したレーザ光が対物レンズ１４で光硬化性樹脂層に集光される。カバーガラス１５を介してこのレーザスポットが照射された部分の樹脂が光硬化する。ここで、光硬化させるパターンはＣＡＤ情報から得られた形状情報に基き前記ガルバノミラー８，９が走査されレーザスポットが断面形状をなぞる。そして該当層の加工が終了したならばシャッタ２がレーザ光を遮断した状態でＸＹＺ方向移動機構１８でＺ方向に層の厚み分変位させ、一つ上の層のパターンを形成する。以上は光造形装置としての一般構成と作動である。
ビームスプリッタ１１の分岐路にはＣＣＤカメラが配置されており光造形の状況をリアルタイムで観察したり、作成された構造物を観察することができる。前者の使い方では加工条件を修正して効果的な光造形を実行することが出来るし、後者の使い方では単に出来上がりを確認するだけでなく、場合によっては修正加工を施すこともできる。
【００１１】
図３のＡに示した例はカバーガラス１５上に対物レンズ用のＺ移動機構２０を設置したものである。このＺ移動機構２０は、前述したようにカバーガラスが一般に厚みや屈折率、透過度などの光学特性にバラツキがある場合、このカバーガラスを介して樹脂内に焦点を結ばせるにあたり、焦点部分のみに適量の光量が照射されるようにするため、該カバーガラスと対物レンズの距離を調整するのに用いられる他、光造形がなされた後にその構造体をＣＣＤカメラ２１によって撮像しモニターで観察する際にも見たい部分のＺ方向位置を設定するためにも用いられる。図３のＢに示した例はカバーガラス１５を平面移動させるＸＹ移動機構を備えたものである。この機構はカバーガラス１５の表面に硬化した樹脂が付着してしまったり、傷がついたような場合にその部分を光ビームの光路から退避させることができるようにするためのものである。
なお、ここに示した例では対物レンズ１４とカバーガラス１５間にオイルを介在させているが、これは対物レンズの開口数が大きいときによく用いられる慣用手段である。
【００１２】
【発明の効果】
本発明の層厚可変型マイクロ光造形装置は、レーザ光源からのレーザビームを硬化性樹脂層内部にスポット照射するレーザ光学系において、対物レンズ面とカバーガラスおよびガラス基板の間隔をそれぞれ独立して調整出来る機構を備えたものであるから、カバーガラスとガラス基板の間隔を造形作業中でも変えることができる。本発明はその間隔を徐々に変化させることによって、マイクロ光造形フォーカスポイントの位置が常に樹脂層表面から所定距離にくるように調整することを可能にし、それによってマイクロ光造形フォーカスポイントのみにおいて光硬化を安定して起こさせることができる装置を提供することができた。
また、対物レンズのマウント部にはカバーガラスのＺ軸移動機構が備えられている構成を採用した本発明は、カバーガラスの厚さや光学特性のバラツキに対しても焦点部に適量の光量が照射されるように調整機能を備えると共に、形成された光造形物について、その構造体をＣＣＤカメラによって撮像しモニターで観察する際にも該Ｚ軸移動機構を作動させて見たい部分のＺ方向位置を選択することができる。
更に、本発明の層厚可変型マイクロ光造形装置は、カバーガラスにＸＹ移動機構が備えられる構成を採用することにより、該カバーガラスに樹脂が硬化付着した場合やカバーガラスに傷がついてような場合にはその部分を光ビームの光路からシフトし、光造形や観察動作に支障がないように対処することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法を実行する層厚可変型マイクロ光造形装置の全体構成を示す図である。
【図２】マイクロ光造形フォーカスポイントで適量の光量が得られない原因を説明する図である。
【図３】本発明の層厚可変型マイクロ光造形装置における二つの実施態様例を示す図である。
【図４】樹脂内部硬化型マイクロ光造形法の従来技術を説明する図で、Ａはその全体図Ｂはその要部拡大図である。
【符号の説明】
１  レーザ光源                  １４  対物レンズ
２  シャッタ                    １５  カバーガラス
３  フィルター                  １６  光硬化性樹脂
４，５  ミラー                  １７  ガラス基板
６，７，１０  レンズ            １８  ＸＹＺ移動機構
８，９  ガルバノミラー          １９  照明
１１  ビームスプリッタ          ２０  Ｚ移動機構
１２  結像レンズ                ２１  撮像カメラ
１３  絞り                      ２２  ＸＹ移動機構
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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