(57)【要約】【課題】本発明の課題は、光硬化性樹脂液層内の所望点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位置決めを精度よく行なうことができる装置を提供することにある。【解決手段】本発明の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光硬化性樹脂層１６内部にスポット照射するレーザ光学系において、カバーガラス１５および／またはガラス基板１７の表面に位置合わせの基準となる標識を二次元的に分布させて配置するようにし、その位置を基準としてマイクロ光造形フォーカスポイントの位置決めをするようにした。【選択図】    図２
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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光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、光硬化性樹脂と接するカバーガラスおよび／またはガラス基板の表面に焦点位置決めの基準点となる指標が配置されたことを特徴とするマイクロ光造形装置。
【請求項２】
指標は粒子径が１μｍ程度の微粒子をガラス面に分散付着した構造をとったものである請求項１に記載のマイクロ光造形装置。
【請求項３】
指標は微粒子が化学修飾の手法によりガラス面に分散付着された構造をとったものである請求項２に記載のマイクロ光造形装置。
【請求項４】
指標は微粒子が分散混入された樹脂溶液をガラス面に塗布して固化させた構造をとったものである請求項２に記載のマイクロ光造形装置。
【請求項５】
指標はカバーガラスおよび／またはガラス基板の表面に細い線状の溝を１０〜２００μｍ程度の間隔で形成したものである請求項１に記載の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に要部拡大図を示す。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、光により硬化する光硬化性樹脂液を容器内に収容したり、或いはカバーガラスとガラス基板間に光硬化性樹脂層を形成して、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光造形法では、光を正確に所定の位置で焦点に絞りその１点で光硬化を起こさせることが、設計通りの三次元構造体の形成や基板とのコンタクトをとる上で重要となる。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起因して、特に該焦点位置が樹脂層のどの深さにあるかは重要な問題である。しかし、実際に樹脂層内の指定された位置に正確に焦点を結ばせて光造形を行なわせることは必ずしも容易ではなく、焦点の位置決め作業は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、光硬化性樹脂液層内の所望点に、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位置決めを精度よく行なうことができ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光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、カバーガラスおよび／またはガラス基板の表面に位置合わせの基準となる標識を二次元的に分布させて配置するようにし、その位置を基準としてマイクロ光造形フォーカスポイントの位置決めをするようにした。
標識を二次元的に分布配置する具体化手段は、以下のようである。
（１）粒子径が１μｍ程度の微粒子を化学修飾や微粒子を樹脂溶液に分散させてガラス面に塗布し固化させるなどしてカバーガラスおよび／またはガラス基板の表面に分散付着し、焦点位置決めの基準点とする。
（２）カバーガラスおよび／またはガラス基板の表面に細い線状の溝を１０〜２００μｍ程度の幅で彫り込み、焦点位置決めの基準点とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明は、液状の光硬化性樹脂の内部にレーザスポットを走査照射し任意の３次元構造を形成する光造形法において、マイクロ光造形フォーカスポイントの位置決めが正確な三次元形状の形成や基板とのコンタクトのために、また、光ビームの光量が樹脂内を通過する過程で吸収されるため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起因して、安定した光造形を行なわせる上で焦点の深さ位置が極めて重要であることに鑑み、マイクロ光造形フォーカスポイント位置を把握する基準点を領域近傍に配置することに想到したものである。そして光硬化性樹脂層の上下面に存在するカバーガラスとガラス基板にその基準点を示す指標を上下面のいずれかまたは両面に配置することにした。
両面に配置した場合には、光硬化性樹脂層の上面に接するカバーガラスの下面にある指標と光硬化性樹脂層の下面に接するガラス基板の上面にある指標とからそれぞれの位置を把握すればそのときの光硬化性樹脂層の厚さが正確に把握でき、その間のＺ方向位置情報も補間法によって精度よく割り出せることになる。したがって、マイクロ光造形フォーカスポイントの深さを正確に決めることができる。また、カバーガラスまたはガラス基板面上に二次元的に分散配置した指標により、ＸＹ方向の位置情報も正確に把握することができる。これを用いて光ビームのＸＹ方向走査機構の駆動量と焦点走査位置との対応を精度よくとることができる。
【０００９】
本発明の光造形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制限する機能を有する。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Ｚ位置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でガラス基板１７の位置をＺ方向に下げて樹脂層の厚み変えて、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その作動である。
【００１０】
本発明ではカバーガラス１５の下面とガラス基板１７の上面に指標をつけ、その指標の一方に焦点を結ばせることでその位置を確認する点に特徴がある。その際の焦点の移動はＺ方向については対物レンズ１４のＺ方向変位で、Ｘ方向についてはガルバノミラー９（又は８）の駆動で行ない、Ｙ方向についてはガルバノミラー８（又は９）の駆動で行なう。焦点が当該指標位置にきたことは観察画像から判断する。すなわち、ビームスプリッタ１１の分岐路にはＣＣＤカメラ２０が配置されており、指標と焦点位置が一致した状態を図示していないモニターの画面で確認する。この観察手段は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点検観察することもできる。
【００１１】
【実施例１】
図２のＡに示した例はカバーガラス１５の下面とガラス基板１７の上面に直径１μｍ程度の微粒子を分散配置し指標とした本発明の１実施例である。微粒子を分散配置させる手法としてはポリスチレンの微粒子を化学修飾を用いたイオン的な結合でカバーガラス１５面やガラス基板１７面に付着させたり、図２のＢに示したようにポリビニルアルコールなどの水溶性樹脂溶液に微粒子を分散し、カバーガラス１５面やガラス基板１７面に塗布乾燥させるなどの方法で実施できる。一方、アルミナ粒子を用いる場合には、ポリメタクリル酸メチルなどの有機溶媒溶液に分散し、カバーガラス１５面やガラス基板１７面に塗布乾燥させるなどの方法で実施できる。微粒子のサイズは、０．１から５μｍ程度が可能で、望ましくは１μｍ程度である。
【００１２】
【実施例２】
図３に示したものはカバーガラス１５の下面とガラス基板１７の上面に所定間隔の溝を形成して指標とした例である。０．５μｍ程度の深さの細い線状の溝を１０〜２００μｍ程度の間隔でガラス表面に形成したもので、位置合わせの指標としては溝を図示したように三角溝とし頂点で正確な位置が出せるようにした。溝の幅は、０．１から５μｍ程度が可能で、望ましくは０．５μｍ程度である。
【００１３】
【実施例３】この他指標としてはガラス面上に円錐穴や十字形状を二次元的な所定位置に複数形成したものであってもよい。要は光ビームの障害とならず位置が特定できるものであれば本発明の指標として用いることができる。
【００１４】
【発明の効果】
本発明の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光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、カバーガラスおよび／またはガラス基板の表面に焦点位置決めの基準点となる指標を配置したものであるから、指標のある位置を基準位置としてその近傍の位置を精度よく割り出すことが出来る。光硬化性樹脂層の上面に接するカバーガラスの下面にある指標と光硬化性樹脂層の下面に接するガラス基板の上面にある指標とからそれぞれの位置を把握すればそのときの光硬化性樹脂層の厚さが正確に把握できると共に、その間のＺ方向位置情報も補間法によって精度よく割り出すことができる。また、カバーガラスまたはガラス基板面上に二次元的に分散配置した指標により、ＸＹ方向の位置情報も正確に把握することができる。これを用いて光ビームのＸＹ方向走査機構の駆動量と焦点走査位置との対応を精度よくとることができる。
【００１５】
指標として１μｍ程度の微粒子をカバーガラスまたはガラス基板面上に分散付着させた本発明のマイクロ光造形装置は、レーザビームの焦点位置を点と点の関係で位置合わせが出来、正確な位置決め情報を得ることができる。また、この微粒子の指標は化学修飾によりガラス面に分散付着させたり、樹脂溶液に分散させてガラス面に塗布させることにより、容易にガラス面上に分散配置することができる。
また、指標としてカバーガラスおよび／またはガラス基板の表面に０．５μｍ程度の深さの溝を１０〜２００μｍ程度の幅で彫り込んだ本発明のマイクロ光造形装置は、等間隔の基準位置情報が得られるので、光ビームのＸＹ方向走査機構の駆動量と焦点走査位置との対応が取り易い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のマイクロ光造形装置の全体構成を示す図である。
【図２】直径１μｍ程度の微粒子を分散配置し指標とした本発明の１実施例を説明する図である。
【図３】０．５μｍ程度の深さの溝を１０〜２００μｍ程度の幅でガラス表面に形成して指標とした本発明の異なる実施例を説明する図である。
【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                １５  カバーガラス
２  シャッター                １６  光硬化性樹脂
３  フィルター                １７  ガラス基板
４，５  ミラー                １８  ＸＹＺ移動機構
６，７，１０  レンズ          １９  照明
８，９  ガルバノミラー        ２０  撮像カメラ
１１  ビームスプリッタ        Ｐ  微粒子
１２  結像レンズ              Ｃ  溝
１３  絞り                    Ｆ  樹脂膜
１４  対物レンズ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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