(57)【要約】      （修正有）【課題】２光子光造形法において加工線幅を拡張し加工時間を短縮するとともに照射する光のエネルギーを有効に活用できる、樹脂成形体の製造方法を提供する【解決手段】光硬化性樹脂に光照射を行い、樹脂成形体を製造する方法であって、第１次光を第２次光に変調し、該第２次光を光硬化性樹脂に照射することを特徴とする樹脂成形体の製造方法。前記第１次光に与えるトポロジカルチャージを調整し第２次光を変調し、第１次光の光照射強度を調整して、第２次光の光照射強度を調整する樹脂成形体の製造方法。好ましくは、第２次光の加工線幅が０．２〜４．０μｍである樹脂成形体の製造方法。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
光硬化性樹脂に光照射を行い、樹脂成形体を製造する方法であって、
第１次光を第２次光に変調し、該第２次光を光硬化性樹脂に照射することを特徴とする樹脂成形体の製造方法。
【請求項２】
前記第１次光に与えるトポロジカルチャージを調整することにより、前記第２次光に変調する請求項１に記載の樹脂成形体の製造方法。
【請求項３】
前記第１次光の光照射強度を調整することにより、前記第２次光の光照射強度を調整する請求項１又は２に記載の樹脂成形体の製造方法。
【請求項４】
前記第２次光の加工線幅が、０．２μｍ以上４．０μｍ以下である請求項１〜３のいずれか１項に記載の樹脂成形体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は樹脂成形体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
フェムト秒レーザーを用いた２光子マイクロ光造形法は、１００ｎｍ程度の加工線幅で３次元の微小な成形体を作製できるため、フォトニクス、医療及びマイクロマシンなど幅広い応用研究が展開されている。
【０００３】
光硬化性樹脂を用いた光造形法では、まず、所望の成形体の三次元データに基づいて、当該三次元データを１つの軸方向に複数層に分割したスライスデータを作成する。次に、貯留した未硬化の光硬化性樹脂に対し、作成したスライスデータ（例えばｎ番目の層のスライスデータ）に従って、光を走査しながら照射することで、ｎ番目の層を形成する。このように、形成される層を順次積層させることによって、所望の三次元形状の成形体を製造することができる。
【０００４】
例えば特許文献１には、光造形法における硬化物の厚み制御をより簡便に行うことができる成形体の製造方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１５−８５６２６号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】M. Padgett, J. Arlt, N. Simpson, and L. Allen, “An experiment to observe the intensity and phase structure of Laguerre−Gaussian laser modes,” American Journal of Physics, 64, 77 (1996).
【非特許文献２】R. Oron, Y. Danziger, N. Davidson, A. A. Friesem, and E. Hasman, “Discontinuous phase elements for transverse mode selection in laser resonators,” Appl. phys. lett. 74, 1373 (1999).
【非特許文献３】J. F. Bisson, Y. Senatsky, and K. I. Ueda, “Generation of Laguerre-Gaussian modes in Nd: YAG laser using diffractive optical pumping,” Las. Phys. Lett. 2, 327 (2005).
【非特許文献４】Christopher N. LaFratta, Tommaso Baldacchini, Richard A. Farrer, and John T. Fourkas,Malvin C. Teich and Bahaa E. A. Saleh,Michael J. Naughton,Replication of Two-Photon-Polymerized Structures with Extremely High Aspect Ratios and Large OverhangsJ. Phys. Chem. B 2004, 108, 11256-11258
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来の２光子マイクロ光造形では、高い開口数の対物レンズで微小なスポット（スポット径：約６５０ｎｍ（波長７５０ｎｍ、開口数１．４の場合））に集光される。このため、ある硬化閾値以上の光強度をもつ集光スポットの中央部分のみで２光子吸収が励起され光硬化樹脂が硬化するため、加工線幅は約１５０ｎｍであり、大型の成形体を作製する際に造形時間が長くなるという課題があった。また、光照射強度を強くすることにより、加工線幅をある程度は拡張することは可能である。しかし、加工線幅を拡張するために、光硬化性樹脂が硬化するために必要とする光のエネルギー強度の最小値（以下、「樹脂硬化閾値」と称する）を大きく超えるエネルギー強度の光を照射すると、樹脂の焼けや分解が生じるといった問題点がある。さらに、樹脂硬化閾値を大きく超えるエネルギー強度の光照射は、エネルギー効率が悪いという問題点がある。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、２光子光造形法において加工線幅を拡張し加工時間を短縮するとともに照射する光のエネルギーを有効に活用できる、樹脂成形体の製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、光硬化性樹脂に光照射を行い、樹脂成形体を製造する方法であって、第１次光を第２次光に変調し、該第２次光を光硬化性樹脂に照射することを特徴とする樹脂成形体の製造方法である。
本発明においては、前記第１次光に与えるトポロジカルチャージを調整することにより、前記第２次光に変調することが好ましい。トポロジカルチャージに関する説明は後述する。
本発明においては、前記第１次光の光照射強度を調整することにより、前記第２次光の光照射強度を調整することが好ましい。
本発明において、前記第２次光の加工線幅は、０．２μｍ以上４．０μｍ以下であることが好ましい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、大型の成形体を作製する場合に、エネルギー出力を有効に活用して加工時間を短縮できる、樹脂成形体の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の１実施形態の樹脂成形体の製造方法の一例を示す概略工程図である。
【図２】第１次光Ｂ１の中心軸と直交する仮想平面Ｃ１における第１次光Ｂ１の照射領域を示す。
【図３】第２次光Ｂ２の中心軸と直交する仮想平面Ｃ２における第２次光Ｂ２の照射領域を示す。
【図４】照射光Ｌの光線束の光の分布を示す図である。
【図５】第２次光の外径と光強度分布との関係を示す図である。
【図６】ガウシアンビームとドーナツ形状の第２次光との光強度分布を比較する図である。
【図７】第２次光の内径とトポロジカルチャージとの関係を示す図である。
【図８】本発明の１実施形態の成形体の製造方法の第２次光の照射工程の一例を示す概略図である。
【図９】実施例で製造した樹脂成形体を示す写真である。
【図１０】実施例で製造した樹脂成形体を示す写真である。
【図１１】実施例で製造した樹脂成形体を示す写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図を参照しながら、本発明の実施形態に係る成形体の製造方法について説明する。なお、以下の全ての図面においては、図面を見やすくするため、各構成要素の寸法や比率などは適宜異ならせてある。
【００１２】
図１は、本発明の１実施形態の成形体の製造方法を実施するために用いる製造装置の一例を示す模式図である。
【００１３】
製造装置１は、レーザー光源１１、ビーム成形器１２、ミラー１４、対物レンズ１５、保持部２１、及び入力装置２２を備えている。
【００１４】
レーザー光源１１は、第１次光Ｂ１を出力する。
【００１５】
ビーム成形器１２は、空間光位相変調器１３を備えている。レーザー光源１１から出力された第１次光Ｂ１は、空間光位相変調器１３を備えたビーム成形器１２により、第２次光Ｂ２に変調される。以下において、第１次光Ｂ１はレーザー光源１１から射出された光であり、第２次光Ｂ２は第１次光よりも中心軸付近の光強度が減少している光をいう。
【００１６】
ミラー１４は、第２次光Ｂ２の方向を対物レンズの方向に変更し、後述する照射光Ｌを走査する。
【００１７】
対物レンズ１５は、第２次光Ｂ２を光硬化性樹脂表面に収束させ、照射光Ｌにする。
【００１８】
保持部２１は、成形部１８と、ステージ２０とを有している。
【００１９】
成形部１８は、カバーガラス１８ａ及スペーサー１８ｂとからなる。
成形部１８を構成するスペーサー１８ｂの高さは、カバーガラス１８ａと１８ｃとで光硬化性樹脂１６を挟むように調整することが好ましい。
照射光Ｌを光硬化性樹脂１６に照射することにより、樹脂成形体１７を製造することができる。
【００２０】
成形部１８のその他の態様としては、カバーガラス１８ｃの下方から照射光Ｌを照射してもよい。
【００２１】
ｘｙｚ軸自動ステージ１９は、例えば、入力装置２２の指示により、成形体の製造中に載置台１８ａをｘ、ｙ、ｚ軸方向に自動的に動かす。これにより、ｘｙｚ軸自動ステージ１９は、照射光Ｌを光硬化性樹脂１６の所望の硬化位置に移動することができる。
【００２２】
入力装置２２は、上述のレーザー光源１１、ビーム成形器１２、ｘｙｚ軸自動ステージ１９及び保持部２１を制御するための装置である。入力装置２２は、液晶ライトバルブ等の空間光変調素子に対して周方向に位相が異なるデータを入力するソフトウェアを導入したものを好適に用いることができる。
【００２３】
本発明においては、第１次光を、空間光位相変調器１３を備えたビーム成形器１２により第２次光に変調する。
【００２４】
図１に示すとおり、ビーム成形器１２は、空間光位相変調器１３を備えている。空間光位相変調器１３を備えたビーム成形器１２により、第１次光Ｂ１の強度分布を自在に制御し、第２次光Ｂ２に変調することができる。
図２に第１次光Ｂ１の中心軸と直交する仮想平面Ｃ１における第１次光Ｂ１の照射領域を示す。
図３に第２次光Ｂ２の中心軸と直交する仮想平面Ｃ２における第２次光Ｂ２の照射領域を示す。
【００２５】
図３は、点状の第１次光をドーナツ形状の第２次光に変調した場合の照射領域の一例である。照射領域をリング状とすることにより、加工線幅を拡張することができ、さらに、中央部分の光照射量を省略できるため、エネルギーの出力を有効に活用することができる。
図３中、Ｌ１は第２次光の外径を示す。Ｌ１は、加工線幅に相当する。
【００２６】
図１中の空間光位相変調器１３は、反射型の液晶素子を用いた位相変調器である。空間光位相変調器１３では、液晶素子の１画素ごとに設定される電圧に応じて、画素ごとに液晶分子の配向方向が決定する。空間光位相変調素子１３に入射する第１次光Ｂ１は、画素ごとに、液晶分子の配向方向に応じた位相差（リタデーション）を生じる。
空間光位相変調素子１３に入射する第１次光Ｂ１の光線束の中心軸を基準としたとき、入力装置２２は、上述したような空間光位相変調器１３に対し、中心軸の周方向に第１次光Ｂ１の位相がずれるようなデータを入力する。
【００２７】
具体的には、液晶素子の光入射面に基準点を設定し、基準点の周方向において連続的に屈折率が増減するように制御する。これにより、空間光位相変調器１３の液晶素子では、屈折率が周期的に変化する。このような空間光位相変調器１３に対し、第１次光Ｂ１の光線束の中心軸を、光入射面の基準点に合わせて入射することにより、第１次光Ｂ１の反射光には、周期的に変化する位相差を生じる。
空間光位相変調器１３では、基準点の周方向に与える位相遅れの回数（トポロジカルチャージ）を調整することで、第１次光を第２次光に変調することができる。
【００２８】
また、第１次光を第２次光に変調する方法は上記以外にも公知の方法を採用することができる。公知の方法としては、非特許文献１〜３に記載の方法が採用できる。
【００２９】
第１次光を変調した第２次光の形状は、照射領域をドーナツ形状のリングの周上のみに集め、中央部分は未照射領域であるドーナツビーム形状が好ましい。また、照射領域をドーナツ形状のリングの周上に集め、中央部分は光照射強度の弱い照射領域であるビーム形状としてもよい。
【００３０】
図４に、第２次光Ｂ２の光線束の光の分布を示す。図１に示す第２次光Ｂ２は、光渦を形成しており、リング状に光強度が分布している。図４中、基板４１は、図１中の載置台１８ｃに相当する。図４中、符号Ｃ３は、第２次光Ｂ２の光線束の中心軸Ｏを含む仮想平面を示す。また、図４中、符号Ｃ４〜Ｃ６は、それぞれ光線束の中心軸Ｏと直交する仮想平面を示す。
図５（ａ）は、仮想平面Ｃ３と仮想平面Ｃ４〜Ｃ６とが交差する位置において仮想される線分上の、第２次光Ｂ２の光強度分布をそれぞれ示す。
図４の仮想平面Ｃ６のように、光線が収束している場合、光強度分布は狭く、ピーク位置における光エネルギーも強くなる（図５（ａ）Ｃ６参照）。
反対に、図４の仮想平面Ｃ４〜５のように、光線が発散し、大きなリングとした場合、光強度分布は広く、ピーク位置であっても小さい光エネルギーとなる（図５（ａ）Ｃ４〜５参照）。
【００３１】
ここで、図５（ａ）において、αは樹脂硬化閾値を示す。光硬化性樹脂は、樹脂硬化閾値α以上の光エネルギーを吸収した位置において硬化反応を生じる。
図５（ａ）に例示する光強度分布を有する第２次光は、仮想平面Ｃ４〜仮想平面Ｃ６のいずれの位置においても、ピーク位置の光エネルギーが樹脂硬化閾値αを超えている。したがって、図５（ａ）の光強度分布を有する第２次光を光硬化性樹脂に照射した場合、仮想平面Ｃ４の位置まで光硬化性樹脂が硬化し、図５（ｂ）に示すように高さＨ３の硬化体Ｘが得られる。また、図５（ａ）の光強度分布を有する第２次光を光硬化性樹脂に照射すると、図５（ｂ）に示すように、幅Ｌ１の硬化体Ｘが得られる。
【００３２】
また、第２次光の照射領域内であっても光エネルギーが樹脂硬化閾値を超えていない位置では、光硬化性樹脂は硬化しない。したがって、中心軸Ｏの周辺では光硬化性樹脂は硬化せず、得られる硬化体Ｘは円筒状となる。
【００３３】
一方、図１に示すレーザー光源１１の出力を下げ、第２次光の光強度を下げた場合に、例えば、図５（ａ）の仮想平面Ｃ６でのみ第２次光のピーク位置の光エネルギーが樹脂硬化閾値αを超え、仮想平面Ｃ４、Ｃ５ではピーク位置の光エネルギーが樹脂硬化閾値αを下回るとする。そのような第２次光を光硬化性樹脂に照射した場合には、仮想平面Ｃ６の位置まで光硬化性樹脂が硬化し、高さＨ３の硬化体が得られる。また、そのような第２次光を光硬化性樹脂に照射した場合には、図５（ｂ）に示す硬化体Ｘよりも、幅の狭い硬化体が得られる。
【００３４】
図５（ｂ）に、図５（ａ）に示す光強度分布と第２次光の外径及び硬化深さとの関係を示す。
図５（ｂ）は、図４の光線束の中心軸を含む仮想平面Ｃ３における光強度分布に対応し、ドーナツビーム形状の光を照射した場合の光線束の中心軸を含む平面での樹脂の硬化形状を示す。
図５（ｂ）中、Ｌ１はＣ４における第２次光の外径であり、Ｌ２は第２次光の内径であり、Ｈ１〜Ｈ３は載置第１８ａの上面から仮想平面Ｃ４〜Ｃ６までの高さである。
図５（ａ）、Ｃ６に示すように光線が収束している場合、第２次光の外径Ｌ１は縮小し、硬化深さＨ３は浅くなる。
反対に、図５（ａ）、Ｃ４〜５に示すように光線が発散している場合、第２次光の外径Ｌ１は拡張し、硬化深さＨ１〜Ｈ２は深くなる。
【００３５】
図６は、ガウシアンビームＧと、第２次光Ｂ２の波長強度分布を重ねて示した図である。
図６に示すように、第２次光の波長強度分布では、光線束の中心軸近傍の光エネルギーがガウシアンビームＧと比較して大幅に低減している。本発明では、所望の外径を有する円形に光硬化性樹脂を硬化させる場合、当該外径に相当する外径の第２次光を調整し、当該第２次光の光強度を制御して光硬化性樹脂に照射する。これにより、所望の円形の外周近傍に選択的に光を照射し、樹脂を硬化させることができる。つまり、同じ加工線幅Ｌ１を得るために、ガウシアンビームＧの場合にはエネルギー量Ｇ１が無駄となるが、第２次光の波長Ｄの場合には、少ないエネルギー量Ｄ１で加工線幅Ｌ１を得ることができる。
【００３６】
また、ガウシアンビームＧの場合には、例えば樹脂硬化閾値を大きく超えるエネルギー強度βを照射した場合には樹脂の焼けや分解が生じるといった問題点があるが、本発明においては閾値αをわずかに超えるエネルギーで樹脂を硬化することができるため、このような問題は生じない。
【００３７】
図７（ａ）及び（ｂ）にトポロジカルチャージの大きさが異なる場合の光硬化性樹脂の硬化形状を示す。図７（ａ）及び（ｂ）中、Ｌ１は第２次光の外径を示し、Ｌ２は第２次光の内径を示す。図７（ａ）は、トポロジカルチャージが大きい場合である。トポロジカルチャージを大きくすると、基板表面での第２次光の内径Ｌ２を大きくすることができ、外径Ｌ１も大きくなる。
対照的に、図７（ｂ）は、トポロジカルチャージが小さい場合である。トポロジカルチャージを小さくすると、基板表面での第２次光の内径Ｌ２を小さくすることができ、外径Ｌ１も小さくなる。
つまり、トポロジカルチャージを大きい方に調整すると、基板表面で内径の大きく、かつ外径も大きいドーナツ形状のビームとすることができる。つまり、少ない光エネルギー出力で加工線幅を拡張することができる。
【００３８】
本発明において、第２次光の外径Ｌ１は加工線幅に相当する。加工線幅は、光照射強度とトポロジカルチャージとを調整することにより、所望の線幅に変更することができる。
具体的には、第２次光の外径Ｌ１は６μｍまで拡張することができ、０．２μｍ以上４．０μｍ以下の範囲で自在に調整することができる。
本発明においては、第２次光の外径Ｌ１を上記のように拡張できるため、大型の成形体を作製する場合であっても、少ない光エネルギー出力で造形時間を短縮することができる。
【００３９】
図８（ａ）に、ドーナツ形状の第２次光を光硬化性樹脂に照射する場合の例を示す。図８（ａ）に示すように、ドーナツ形状の第２次光を横方向に走査して照射することにより直線を描画することができる。このように、第２次光を走査することにより、微細な構造の樹脂成形体を製造することができる。
図８（ｂ）に点状のビームを照射した場合の例を示す。点状のビームを照射した場合であっても、直線を描画することが可能であるが、図８（ａ）に示すように、ドーナツビーム形状の光を照射した場合のほうが、線幅を広くすることができ、しかも中央部分の光照射量を低減できるため少ないレーザー出力で描画することが可能である。
【００４０】
本発明で用いる光硬化性樹脂１６としては、通常知られたものを用いることができ、エポキシ樹脂、アクリル樹脂およびシリコーン樹脂を例示することができる。
【００４１】
光硬化性樹脂１６には、光重合開始剤、光重合抑制剤やフィラーが含まれていてもよい。
【００４２】
本発明では、光硬化性樹脂１６として紫外線硬化性樹脂を用いることが好ましい。
【００４３】
本発明によれば、超高精細かつ微細な３Ｄモデルの高速造形が可能である。
【実施例】
【００４４】
以下、実施例により本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００４５】
本実施例においては、上述した図１の製造装置を用いた。各構成については、以下の装置を用い確認実験を行った。
空間光位相変調器：空間光位相変調器（ＬＣＯＳ−ＳＬＭ、浜松ホトニクス社製）
レーザー光源：チタンサファイアレーザーＭａｉ  Ｔａｉ  ＨＰ（スペクトラフィジックス社製、発振波長：７８５ｎｍ）
光硬化性樹脂：アクリル系光硬化性樹脂（非特許文献４の記載を参照）
【００４６】
＜実施例１＞
≪実施例１−１≫
本発明の１実施形態で示した方法で、レーザー光源から照射された第１次光（レーザーパワー：３５ｍＷ）を、空間光位相変調器によりドーナツ形状の第２次光にした。
トポロジカルチャージを０〜１０に調整し、走査速度１０μｍ／ｓで第２次光を光硬化性樹脂に照射し、描画した。
図９(ａ)に描画した線の顕微鏡写真を示す。
【００４７】
≪実施例１−２≫
本発明の１実施形態で示した方法で、レーザー光源から照射された第１次光（レーザーパワー：５５ｍＷ）を、空間光位相変調器によりドーナツ形状の第２次光にした。
トポロジカルチャージを０〜１０に調整し、第２次光を光硬化性樹脂に照射し、描画した。
図９(ｂ)に描画した線の顕微鏡写真を示す。
【００４８】
実施例１−１及び実施例１−２のいずれにおいても、トポロジカルチャージを大きくすると、内径の大きいドーナツ形状の第２次光に成形でき、線を描画できた。また、レーザーパワーを大きくした実施例１−２の方が実施例１−１よりも拡張した線幅の線を描画することができた。このとき、描画速度は１０μｍ／ｓであった。
【００４９】
＜実施例２＞
本発明の１実施形態で示した方法で、レーザー光源から照射された第１次光（レーザーパワー：５５ｍＷ）を、空間光位相変調器によりドーナツ形状の第２次光にした。
トポロジカルチャージを０〜１０に調整し、ドーナツ形状の第２次光を光硬化性樹脂に対して垂直方向に照射し、チューブ状の成形体を２つ製造した。
さらに、２つのチューブ状の成形体の上端部を連結するように第２次光を往復させて照射し、樹脂成形体を製造した。製造された樹脂成形体は、２つのチューブ状の成形体の上端部が連結された図１０に示す寸法の鳥居型の樹脂成形体であった。
図１０に製造した鳥居型の樹脂成形体の顕微鏡写真を示す。図１０に示すとおり、本発明の樹脂成形体の製造方法により、超高精細かつ微細な３Ｄモデルを高速造形することができた。このとき、描画速度は１０μｍ／ｓであった。造形時間は鳥居型の樹脂成形品１つあたり５秒間であった。
【００５０】
＜実施例３＞
本発明の１実施形態で示した方法で、レーザー光源から照射された第１次光（レーザーパワー：６０ｍＷ）を、空間光位相変調器によりドーナツ形状の第２次光にした。
トポロジカルチャージを１２に調整し、第２次光を光硬化性樹脂に照射し、走査速度１０μｍ／ｓで高さ５０μｍのウサギ型の樹脂成形体を製造した。このときの造形時間は約１４分間であった。
図１１(ａ)及び(ｂ)に製造したウサギ型の樹脂成形体の顕微鏡写真を示す。
【００５１】
＜比較例１＞
本発明の１実施形態で示した方法で、レーザー光源から照射された第１次光（レーザーパワー：３０ｍＷ）を光硬化性樹脂に照射し、走査速度１００μｍ／ｓで高さ５０μｍのウサギ型の樹脂成形体を製造した。このときの造形時間は約４３分間であった。
【００５２】
上記結果に示したとおり、本発明の樹脂成形体の製造方法を用いて製造した場合、造形時間を約三分の一に短縮することができた。
【符号の説明】
【００５３】
１…製造装置、１１…レーザー光源、１２…ビーム成形器、１４…ミラー、１５…対物レンズ、２１…保持部、２２…入力装置、Ｂ１…第１次光、１３…空間光位相変調器、Ｂ２…第２次光、１８…成形部、１６…光硬化性樹脂、１７…樹脂成形体
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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