(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステレオグラフィシステムにおいて使用するための光学システムにおいて：
光ビームを受け取り、前記光ビームの横方向広がりを調節し、前記光ビームを出力するスポット寸法制御光学系であって、前記光ビームは第１の横方向における第１の広がり及び前記第１の方向に垂直な第２の横方向における第２の広がりを有し、前記スポット寸法制御光学系はアクチュエータに結合され、かつ前記ビームの楕円率を調節するための電気信号に応答し、前記アクチュエータの動きが前記光ビームの前記第１の横方向広がりを前記第２の横方向広がりより大きく変えるものであるスポット寸法制御光学系、及び
前記スポット寸法制御光学系から光ビームを受け取り、前記光ビームの焦点位置を光軸の方向で変え、前記光ビームを出力する焦点制御光学系；
を備えており、
前記焦点制御光学系が前記光ビームの全体の焦点位置を調節するための電気信号に応答するアクチュエータを備え、
前記光ビームは前記光ビームの第１の横方向成分に対する第１の焦点位置及び前記光ビームの第２の横方向成分に対する第２の焦点位置を有し、前記第１の横方向成分は前記第２の横方向成分に垂直であり、前記焦点制御光学系は前記焦点アクチュエータに与えられる前記電気信号に応答して、前記第１の焦点位置を前記第２の焦点位置より大きな範囲で調節することを特徴とする、光学システム。
【請求項２】
前記スポット寸法制御光学系及び前記焦点制御光学系を囲む筐体をさらに備え、前記筐体は前記光ビームに対して不透明な壁体を有し、前記光ビームを出力するための出力ポートを少なくとも１つ有することを特徴とする請求項１記載の光学システム。
【請求項３】
前記スポット寸法制御光学系が、前記光ビームの前記第１及び第２の横方向広がりを実質的に等しく調節するための電気信号に応答する第２のアクチュエータに結合されていることを特徴とする請求項２記載の光学システム。
【請求項４】
前記スポット寸法制御光学系が、前記ビームのスポット全体の寸法を調節するための電気信号に応答する第２のアクチュエータを備えることを特徴とする請求項２記載の光学システム。
【請求項５】
前記第２のアクチュエータが前記楕円率に実質的に無関係に前記スポット寸法全体を調節することを特徴とする請求項４記載の光学システム。
【請求項６】
前記スポット寸法制御光学系が前記電気信号に応答する第２のアクチュエータに結合され、前記第２のアクチュエータが前記光ビームの前記第１の横方向広がり及び前記第２の横方向広がりの両者を調節することを特徴とする請求項５記載の光学システム。
【請求項７】
前記スポット寸法制御光学系が、ピボット上に取り付けられた第１のレンズ及び直進並進ステージ、前記レンズを前記ピボット上で回転させるために結合された第１のアクチュエータ、並びに前記レンズを前記直進並進ステージに沿って平行移動させるために結合された第２のアクチュエータを備え、前記第１及び第２のアクチュエータが電気信号に応答することを特徴とする請求項１記載の光学システム。
【請求項８】
前記電気信号が、前記光ビームが第１のビーム位置において第１の選択可能な横方向広がりをもつ第１の状態、及び前記光ビームが前記第１のビーム位置において前記第１の選択可能な横方向広がりとは異なる第２の選択可能な横方向広がりをもつ第２の状態を選択的に定め、前記電気信号が制御信号に応答して前記第１の状態または前記第２の状態のいずれかを自動的に確立することを特徴とする請求項５から７いずれか１項記載の光学システム。
【請求項９】
前記スポット寸法制御光学系、前記第１及び第２のアクチュエータ、並びに前記焦点制御光学系を囲む筐体をさらに備え、前記制御信号は前記筐体の外部で発生され、
前記筐体内に前記光ビームを出力する固体レーザをさらに備えることを特徴とする請求項８記載の光学システム。
【請求項１０】
前記光ビームは、該光ビームの第１の横方向成分に対する第１の焦点位置、および前記光ビームの第２の横方向成分に対する第２の焦点位置を有し、前記第１の横方向成分は、前記第２の横方向成分に垂直となるように選ばれ；
前記アクチュエータ内のレンズが、前記第１の焦点位置と前記第２の焦点位置との間隔を縮小するための電気信号に応答して前記光ビームの非点収差を調節することを特徴とする請求項７記載の光学システム。
【請求項１１】
前記スポット寸法制御光学系が前記光ビームの前記第２の横方向広がりを調節することなく前記光ビームの前記第１の横方向広がりを調節するための電気信号に応答する第１のアクチュエータに結合され、前記焦点制御光学系が前記光ビームの前記第２の焦点位置を調節することなく前記光ビームの前記第１の焦点距離を調節するための電気信号に応答する第２のアクチュエータに結合されていることを特徴とする請求項１記載の光学システム。
【請求項１２】
前記焦点制御光学系が、ピボット上に取り付けられた第２のレンズ及び直進並進ステージ、前記第２のレンズを前記ピボット上で回転させるために結合された第３のアクチュエータ、並びに前記第２のレンズを前記直進並進ステージに沿って平行移動させるために結合された第４のアクチュエータを備え、前記第３及び第４のアクチュエータが電気信号に応答することを特徴とする請求項１０記載の光学システム。
【請求項１３】
前記第１のレンズが正レンズであり、前記第２のレンズが負レンズであることを特徴とする請求項１２記載の光学システム。
【請求項１４】
固体レーザを備えるレーザシステムであって、光ビームを出力するレーザシステムを有することを特徴とする請求項７記載の光学システム。
【請求項１５】
前記焦点制御光学系で焦点位置が変えられた前記光ビームを受け取るビーム位置決め光学系であって、前記光ビームを横方向に位置決めするビーム位置決め光学系；
を備えることを特徴とする請求項１４記載の光学システム。
【請求項１６】
前記ビーム位置決め光学系が前記光ビームを受光面上でｘ方向及びｙ方向に走査することを特徴とする請求項１５記載の光学システム。
【請求項１７】
前記第１のレンズが正レンズであることを特徴とする請求項１６記載の光学システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は照明システムのビーム調整に関し、特にステレオリソグラフィシステムに用いるためのビーム調整システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、高速試作及び製造(ＲＰ＆Ｍ)技術が、工業用途のための３次元モデルの高速製作において発展してきている。一般に、ＲＰ＆Ｍ技術は３次元物体を、形成されるべき物体のデータを表現するスライスデータセットを利用して、加工材料から一層ずつ積み上げてつくる。一般に物体の表現は初めコンピュータ支援設計／製図(ＣＡＤ)システムにより与えられ、この表現が多くのスライスデータセットに変換され、続いて加工材料の連続層に転換される。
【０００３】
現在最も有力なＲＰ＆Ｍ法であるステレオリソグラフィは、物体の連続する層(すなわち複数の単層)を形成し互いに接着させるために、液状材料の薄層の加工面における選択的硬化を利用する、液状材料から３次元物体を自動製作するための手法と定義できる。ステレオリソグラフィにおいては、３次元物体を表現するデータが、形成されるべき物体の断面を表現する２次元層データとして入力されるか、あるいは２次元層データに変換される。薄い材料層が連続的に形成され、２次元層データにしたがう連続する単層に選択的に転換(すなわち硬化)される。転換中に、連続する単層は直前に形成された単層と結合され、３次元物体を一体成形することができる。
【０００４】
ステレオリソグラフィ装置(ＳＬＡ)に用いられる好ましい材料は、液体感光性高分子樹脂である。代表的な樹脂は、選ばれた波長の電磁波(すなわち選ばれた波長の紫外(ＵＶ)光または可視光)への露光により硬化する。この選ばれた波長の光は“硬化光”と称されることがある。電磁波は一般に、樹脂のターゲット面を直交方向に沿って走査する２つのコンピュータ制御走査ミラーによりターゲット面に向けられる、レーザビームの形態にある。液面上のビームの走査速度、パルス繰返し周波数及び光スポットの大きさは、所望の露光量、硬化深さ及び硬化特性が得られるように制御される。
【０００５】
ステレオリソグラフィ並びにフォトリソグラフィを実施するための方法及び装置のより詳細な説明は以下の特許：
ハル(Hull)への米国特許第４，５７５，３３０号：ステレオリソグラフィの基礎を記述；
スペンス(Spence)等への米国特許第５，０５８，９８８号：ステレオリソグラフィにおけるビーム整形法の使用を記述；
スペンス(Spence)等への米国特許第５，０５９，０２１号：ターゲット面上で位置合わせされた露光位置を維持するための走査システムドリフト補正法の使用を記述；
ハル(Hull)等への米国特許第５，１０４，５９２号：ステレオリソグラフィにより形成される物体のカール形歪を低減するための様々な走査法の使用を記述；
スペンス(Spence)等への米国特許第５，１２３，７３４号：ステレオリソグラフィ装置の走査システムを較正するための方法を記述；
スペンス(Spence)等への米国特許第５，１３３，９８７号：走査ミラーとターゲット面との間のビーム経路における大形静止ミラーの使用を記述；
スペンス(Spence)等への米国特許第５，１８２，０５６号：樹脂を露光するための多重波長の同時使用を記述；
ハル(Hull)等への米国特許第５，１８４，３０７号：ターゲット面を適切な露光条件で露光する際に使用するための断面データに３次元ＣＡＤデータを変換するためのスライス法の使用を記述；
スニード(Snead)等への米国特許第５，３２１，６２２号：３次元物体データから断面データを導く際におけるブール代数操作の使用を記述；
ギグル(Gigl)等への米国特許第５，９６５，０７９号：ステレオリソグラフィに使用するための様々な走査法を記述；
スモーレイ(Smalley)等への米国特許第５，９９９，１８４号：複数の層を同時に硬化させるための硬化法の使用を記述；
ビーアス(Beers)等への米国特許第６，１２９，８８４号：所望の硬化特性を得るためのパルス照明源の制御を記述；
に見られる。これらの特許は参照として本明細書に含まれる。
【０００６】
ステレオリソグラフィに用いるための市販の感光性高分子材は一般に、アクリル系、エポキシ系または複合化学物質である。一般に、樹脂は複数の成分を含む。これらの成分には、１種またはそれ以上の光重合開始剤、モノマー、オリゴマー、不活性吸収剤及びその他の添加剤を含めることができる。ステレオリソグラフィ用樹脂の有用性は、樹脂の光重合速度及び樹脂が適切な厚さの十分に凝集性がある単層を形成する能力によってある程度決定される。光重合速度は、利用できるパワーレベルの硬化光により断面を迅速に硬化できるのに十分に高いことが望ましい。さらに、樹脂の重合深さは光子が吸収される位置に関連しているから、適切な薄層を形成するのに十分な光子が樹脂により吸収されるべきである。好ましい感光性高分子材の例には、(米国カリフォルニア州ヴァレンシア(Valencia)のヴァンティコ社(Vantico, Inc.)で製造され、３Ｄシステムズ社(3D Systems, Inc.)から販売される)ＳＬ７５４０，ＳＬ７５２０，ＳＬ７５１０，ＳＬ５５３０，ＳＬ５５２０，ＳＬ５５１０及びＳＬ５１９５，(米国デラウエア州ニューキャッスル(New Castle)のＤＳＭソモス(DSM Somos)社で製造される)ＳＯＭＯＳ９１２０，９１００，８１２０，７１２０及び７１２０があるが、これらには限定されない。
【０００７】
光重合開始剤は、指定された波長における樹脂の光感度を決定する樹脂成分である。光重合開始剤による光吸収が、モノマー及びオリゴマーを重合させることができる化学変化を光重合開始剤に生じさせる。すなわち、光重合開始剤により吸収されるべき適切な波長の光が、硬化光として知られている。モノマー／オリゴマーは特定の波長の電磁波を吸収できる。モノマー／オリゴマーによる吸収では一般に効率的な重合反応が得られないので、モノマー／オリゴマーによる硬化光の吸収は一般に望ましくない。よって、ステレオリソグラフィに用いるための最も有効な波長は、光重合開始剤に強く吸収され(吸収係数が高い)、モノマー及びオリゴマーには弱くしか吸収されない(吸収係数が低い)波長である。好ましい光重合剤の例には、トリアリールスルホニウム塩，トリアリールスルホニウム塩のリン酸塩またはアンチモン酸塩との混合物；２，２−ジメトキシ−２−フェニルアセトフェノン(ＢＤＫ)，Ｃ１６Ｈ１６Ｏ１６；２，４，６−トリメチルベンゾイルジフェニルホスフィンオキシド(ＴＰＯ)；及び１−ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン(ＨＣＰＫ)，Ｃ１３Ｈ１６Ｏ２があるが、これらには限定されない。
【０００８】
利用可能な波長範囲は、モノマー／オリゴマーの吸収特性による短波長端及び光重合開始剤の吸収による長波長端を境界とする。すなわち、感光性高分子樹脂の反応性(光化学作用のある)スペクトル感度は、図１に示されるように、光重合開始剤の吸収スペクトルとモノマー／オリゴマーの透過スペクトルとの積として表すことができる。図１は特定の感光性高分子材系に関する図であることに注意されたい。その他の系も存在し、異なる最適照明源を必要とする、異なる曲線を有するであろう。図１は光重合開始剤吸収１１，モノマー／オリゴマー透過１３及び樹脂の反応感度すなわち反応応答１５のプロットを示す。吸収及び透過係数はそれぞれの成分の特定の化学組成に依存するだけでなく、樹脂内のそれぞれの成分の濃度にも依存する。光の波長に依存するモノマー／オリゴマーによる吸収は、モノマー／オリゴマー吸収が光重合開始剤吸収と競合することがあるので、感光性高分子材の活性化に影響する。したがって、組成または濃度の変化により反応応答のピークに対する波長のシフトがおこり得る。当業者であれば、指定された樹脂組成に対して上記ピークを容易に決定できる。組成の異なる樹脂の使用には別々の光源が必要とされることは、当業者には当然である。
【０００９】
図１の例において、反応応答のピークは約３２８ｎｍから３３７ｎｍの範囲内に生じ、応答の半値幅は約３２０ｎｍから約３４５ｎｍの範囲内に入る。すなわち、本例においては３２０〜３４５ｎｍの範囲内の電磁波が好ましく、３２８〜３３７ｎｍの範囲の電磁波がさらに一層好ましい。一層好ましい範囲には、反応応答のピークの１０％以内にある波長が含まれる。好ましい範囲には、反応応答のピークの５０％以内にある波長が含まれる。異なる樹脂系及び応答曲線に対しては、異なる好ましい範囲を同様にして確立することができる。
【００１０】
最近まで、市販のステレオリソグラフィシステムは、３２５ｎｍで発光するヘリウムーカドミウム(ＨｅＣｄ)レーザか、または主として３５１ｎｍで発光するアルゴンイオンレーザを用いていた。ヘリウムーカドミウムレーザは、ステレオリソグラフィに適し、また許容できる、波長、入力パワー及び出力を有する。ＨｅＣｄレーザからの出力パワーは、大形物体の造形のためまたはより高速な造形が必要とされる場合には望ましくない限界があり、適してはいない。すなわち、ＨｅＣｄレーザはステレオリソグラフィに有用であるが、ステレオリソグラフィの要求の全ては達成しない。
【００１１】
アルゴンイオンレーザは、より高速なパーツ及び／またはより大形のパーツのステレオリソグラフィ造形に適した出力パワーレベル及び出力モードを有する。他方で、入力パワーが大きすぎ、水冷を必要とする。
【００１２】
現在のダイオードポンピング固体(ＤＰＳＳ)レーザは、ステレオリソグラフィに適する入力パワー及び出力パワーのいずれをも有する。そのような固体レーザはパルス化され、一方従来のガスレーザ(例えばＨｅＣｄ及びＡｒ＋)では連続波(ＣＷ)レーザビームが得られる。そのような固体レーザを有効に利用するには、感光性高分子材の連続硬化線が確実に形成されるように、十分高いパルス繰返しレートが必要である。
【００１３】
最近の市販ステレオリソグラフィシステムでは、材料を選択的に硬化させるためにパルス固体レーザが用いられている。そのような市販システムでは、紫外出力光を発生するために、Ｎｄ:ＹＶＯ４パルス固体レーザの１０６４ｎｍ基本赤外光の周波数が３逓倍されている。周波数の３逓倍により３５５ｎｍの出力波長が発生する。３５５ｎｍ光源とともに使用するのに適した樹脂は知られており、市販されている。
【００１４】
ステレオリソグラフィシステムに固体レーザを使用することにより、より大きな照明レベルが得られ、また少なくとも理論的には、実装及び保守がより容易なシステムが得られるはずである。この可能性は完全な形では実現されていない。固体レーザを用いるステレオリソグラフィシステムの難点の内いくつかは、ウー(Wu)等への米国特許第６，１５７，６６３号に説明されるような、より耐久性が高く、効率が良く、長寿命のレーザシステムを利用することにより対処される。ウー特許は、周波数３逓倍Ｎｄ:ＹＶＯ４固体レーザを備えた光源を記述し、本発明にしたがう照明システムの好ましいコンポーネントとして、本明細書に参照として含まれる。ウー特許が開示するレーザシステムは十分最適化されるとしても、そのレーザによるビーム出力がステレオリソグラフィに使用されるためには、ビーム調整が必要である。以下の２つの特許は、ある種のビーム調整態様を含む、ステレオリソグラフィ装置への固体レーザの実装態様を記述し、本明細書に参照として含まれる：
ビーアス等への米国特許第６，１２９，８８４号：所望の硬化特性を得るためのパルス照明源の制御を記述；
パーテネン(Partenen)等への米国特許第６，１７２，９９６号：ステレオリソグラフィ用光源として周波数逓倍固体レーザの使用を記述。
【００１５】
ウー特許のレーザに関してなされなければならないビーム調整の一部は従来通りであり、ステレオリソグラフィシステムに使用するためには一般に、レーザでつくられるビームの寸法を調節する必要があるという事実に関係する。レーザビームのスポット寸法を調節することは、上で挙げられ、参照として本明細書の一部に含められた、ビーアス等への米国特許第６，１２９，８８４号に記述されている。ビーアス特許は、レーザビームのスポット寸法がビームの焦点位置を変えることにより変更されるシステムを記述している。この戦略はビームのスポット寸法を変えるが、ビームの焦点面がターゲット面から離れ、よってビームとターゲット面との間隔の小さな変化に対してさえも、ビームのスポット寸法が相当に変化するので望ましくない。この状態で材料を確実に露光することは困難である。ビームの焦点をターゲット面近くに維持したままでスポット寸法を変えることが望ましい。
【００１６】
ステレオリソグラフィのための第２のタイプのビーム調整では、ステレオリソグラフィ材料の表面に与えられる照明システムの出力の焦点位置が調節される。ビーアス特許には焦点合せモジュールが記述されているが、上で論じたように、このモジュールは光スポット寸法を変えるために用いられ、焦点位置の独立自動制御は提供しない。従来の照明システムでは、焦点が照明システムの組立て時に固定される手動焦点調節が備えられる。このようなビーム調整態様は十分ではあり得るが、ウー特許の周波数３逓倍固体レーザに対しては全面的に最適であるとはいえない。例えば、ビーアス特許に記述されるようなほとんどの照明システムは、システムからシステム筐体をはずした状態で焦点に関して調節される。筐体が光源及び付帯光学系の周りに配置されると、光学系の温度環境が変わり、光学系の特性が望ましくない程度まで変化する。
【００１７】
ウー特許の周波数３逓倍Ｎｄ:ＹＶＯ４レーザによる光出力ビームは一般に、ビームの断面が楕円であるという点で非対称であり、レーザビームの別々の軸が別々の距離に集束するという点で非点収差をもつ。非対称性は、周波数３逓倍固体レーザの出力の断面を１／ｅ２の強度レベルで示す図２に簡略に示され、ここで断面の平面はレーザの伝搬経路に対して垂直である。多くの場合、レーザ出力ビームの楕円率の値は制御できるが、代表的な固体レーザシステムの出力は一般に楕円形である。ほとんどのステレオリソグラフィシステムに対しては、照明システムが、図３に示される円形断面のような、より理想的な断面を有するビームを出力として与えることが好ましい。このことにより、ウー特許のレーザに対しては余分のビーム調整が一般に必要となる。
【００１８】
理想レンズ２２で集束された固体レーザシステムの出力ビーム２０を概略的に示す図４に、非点収差が示されている。図４は、レーザビーム内の互いに垂直なｘ平面及びｙ平面に沿うビームの集束挙動を示し、ｘ軸ビームとｙ軸ビームのプロファイルは図上で重ね合わせて示すために回転させてある。ｘ軸平面に沿うビームの集束挙動は実線２４で示され、焦点位置すなわちビームウエストはｆｘにある。ｙ軸平面に沿うビームの集束挙動は破線２６で示され、焦点位置すなわちビームウエストはｆｙにある。図示されるように、ビームは一平面で一様に集束しない。この非点収差は焦点位置におけるビーム品位を低下させるので望ましくない。
【００１９】
上に論じた、非対称性及び非点収差というビーム不完全性は、ステレオリソグラフィに用いられるビームの品質を低下させるから、照明システムの好ましい実施形態におけるビーム調整により修正されることが好ましい。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
ステレオリソグラフィ装置への実装が容易であり、特性最適化のための調節をステレオリソグラフィ装置内で容易に行える、ステレオリソグラフィ用固体レーザ照明システムを提供する。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明の一態様はスポットの寸法制御光学系及び焦点制御光学系を備える光学システムを提供する。スポット寸法制御光学系は、光ビームを受け取り、光ビームの横方向広がりを調節して、光ビームを出力する。光ビームは第１の横方向及び第１の横方向に垂直な第２の横方向への広がりを有する。スポット寸法制御光学系は、ビームの楕円率を調節するための電気信号に応答するアクチュエータに結合され、アクチュエータの動きは光ビームの第１の横方向広がりを第２の横方向広がりよりも大きく変える。焦点制御光学系は、光ビームを受け取り、光ビームの焦点位置を変えて、光ビームを出力する。
【００２２】
本発明の別の態様は、スポット寸法制御光学系及び焦点制御光学系を備える光学システムを提供する。スポット寸法制御光学系は、光ビームを受け取り、光ビームの横方向広がりを調節して、光ビームを出力する。本システムは電気信号に応答するアクチュエータに結合された焦点制御光学系を備える。焦点制御光学系は、光ビームを受け取り、光ビームの焦点位置を変えて、光ビームを出力する。光ビームは、光ビームの第１の横方向成分に対する第１の焦点位置を有し、光ビームの第２の横方向成分に対する第２の焦点位置を有する。第１の横方向成分は第２の横方向成分に垂直となるように選ばれる。焦点制御光学系は、アクチュエータに与えられる電気信号に応答して、第１の焦点位置を第２の焦点位置より大きな範囲で調節する。
【００２３】
本発明のまた別の態様は、スポット寸法制御光学系及び焦点制御光学系を備える光学システムを提供する。スポット寸法制御光学系は、光ビームを受け取り、光ビームの横方向広がりを調節して、光ビームを出力する。光ビームは第１の横方向及び第１の横方向に垂直な第２の横方向への広がりを有する。スポット寸法制御光学系は、ビームの楕円率を調節するための電気信号に応答するスポット寸法アクチュエータに結合され、スポット寸法アクチュエータの動きは光ビームの第１の横方向広がりを第２の横方向広がりよりも大きく変える。本システムは、電気信号に応答する焦点アクチュエータに結合された焦点制御光学系を備える。焦点制御光学系は光ビームを受け取り、光ビームの焦点位置を変えて、光ビームを出力する。光ビームは、光ビームの第１の横方向成分に対する第１の焦点位置を有し、光ビームの第２の横方向成分に対する第２の焦点位置を有する。第１の横方向成分は第２の横方向成分に垂直となるように選ばれる。焦点制御光学系は焦点アクチュエータに与えられる電気信号に応答して、第１の焦点位置を第２の焦点位置より大きな範囲で調節する。
【００２４】
本発明のさらに別の態様は、レーザシステム、スポット寸法制御光学系、焦点制御光学系及びビーム位置決め光学系を備える光学システムを提供する。レーザシステムは固体レーザを備え、光ビームの横方向広がりを調節して光ビームを出力するスポット制御光学系に光ビームを出力する。スポット制御光学系はピボット上に取り付けられた第１のレンズ及び直進並進ステージを備える。第１のアクチュエータがピボット上で第１のレンズを回転させるために結合され、第２のアクチュエータが直進並進ステージに沿ってレンズを平行移動させるために結合される。第１及び第２のアクチュエータは電気信号に応答する。焦点制御光学系はスポット寸法制御光学系で調節された光ビームを受け取り、光ビームの焦点位置を変えて、光ビームを出力する。ビーム位置決め光学系は、焦点制御光学系で焦点位置が変えられた光ビームを受け取り、光ビームを横方向で位置決めする。
【００２５】
本発明のさらにまた別の態様は、光ビームを受け取り、光ビームの横方向広がりを調節して、光ビームを出力するスポット寸法制御光学系に光ビームを出力するレーザシステムを有する光学システムを提供する。焦点制御光学系が、スポット寸法制御光学系で調節された光ビームを受け取り、光ビームの焦点位置を変えて、光ビームを出力する。焦点制御光学系は、ピボット上に取り付けられた第１のレンズ及び直進並進ステージを備え、第１のレンズをピボット上で回転させるために結合された第１のアクチュエータ及び第１のレンズを直進並進ステージに沿って平行移動させるために結合された第２のアクチュエータを備える。第１及び第２のアクチュエータは電気信号に応答する。ビーム位置決め光学系が、焦点制御光学系で焦点位置が変えられた光ビームを受け取り、光ビームを横方向で位置決めする。
【００２６】
【発明の実施の形態】
本発明は、本開示の一部をなす図面を参照する、以下の説明からより良く理解することができる。
【００２７】
本発明の好ましい実施形態は、ステレオリソグラフィでの使用に適する照明システムを提供する。本照明システムの好ましい実装態様は、ステレオリソグラフィに用いられる材料の露光に対し、高品質の光ビームを提供する。さらに、本照明システムはステレオリソグラフィ装置内への実装がより容易であり、ステレオリソグラフィ装置内での照明システムの特性の最適化のための調節をより容易にする。
【００２８】
照明システムの好ましい実施形態は、光ビームのスポット寸法を調節するため及び光ビームの焦点を調節するための光学系を備える。本光学系は、ビームのスポット全体の寸法を調節することが望ましく、ビームに沿う１つのビーム軸線内でビームの焦点位置を実質的に独立に調節することも望ましい。上記の好ましい機器構成の下で、照明システムは光ビームの寸法を調節するだけでなく、光ビームからある種の非対称性及び非点収差も除去する。
【００２９】
“実質的に独立”とは、ビームスポット面内で互いに垂直な軸に沿う調節を、多くの光学素子について完全に独立に行うことはできないという事実を指す。例えば、ｘ軸を通る平面に沿う光屈折力に最大限に影響するように円形レンズを傾けることができる。そのように傾ければ、ｙ軸を通る平面に沿うレンズの光屈折力が、程度はより小さいが、必然的に変化する。実際問題として、好ましいビーム調整システムは、ビームの楕円率または非点収差を変えるための伝搬経路に垂直な軸に沿う第１の調節及びスポット全体の寸法または全体の焦点位置を変える第２の調節を提供する。一般には、ビームの第１の軸に沿う調節により第２の軸に沿う調節が変わるから、所望の焦点位置及びスポット寸法を得るためのスポット寸法及び焦点位置の調節を一般には、少なくとも初期セットアップ時に、繰返して行わなければならない。
【００３０】
照明システムの実施形態は、照明システムによりつくられるビームのスポット寸法を調節するための第１の一組の光学系及び前記ビームの焦点位置を調節するための第２の一組の光学系を備えることができる。スポット寸法調節光学系は、アクチュエータに制御されるピボット上に取り付けられたレンズを備えて、アクチュエータがレンズをピボット軸の周りで動かし、よってあらかじめ定められた光路に沿ってレンズを通過するビームに作用するレンズの光学特性を変えることができる。スポット寸法調節レンズは、光ビームの伝搬経路に沿ってレンズを平行移動させるために、アクチュエータに制御される並進ステージ上に取り付けることもできる。並進ステージは一般にビームの局所的伝搬経路に平行に揃えられた直進並進ステージであり、局所的伝搬経路に垂直な平面における互い垂直な軸に沿って測定されるビームのスポット全体の寸法を調節するために用いることができる。実際問題として、照明システムの性能に重要なビームのスポット寸法は、照明システムからの出力の焦点面における、あるいは焦点面近くでの、スポット寸法である。すなわち、本論が光スポットをより大きくまたはより小さくすることに関するものである場合は、照明システムの焦点面近くでのスポット寸法に関する。ビームスポットをより大きくすることは、多くの場合、もちろん光学システムの特定の構成上に依存して、照明システムの別の部分におけるスポット寸法を縮小することにより達成されることは、当業者には当然であろう。
【００３１】
焦点調節光学系はアクチュエータに制御されるピボット上に取り付けられたレンズを同様に備え、アクチュエータがレンズをピボット軸の周りで動かし、よってあらかじめ定められた光路に沿ってレンズを通過するビームに作用するレンズの集束特性を変えることができる。傾けられたレンズ、すなわちビームの伝搬経路に垂直な平面から傾けられたレンズは非対称な集束特性を有する。そのような焦点調節レンズは、光ビームの伝搬経路に沿ってレンズを平行移動させるためにアクチュエータに制御される並進ステージ上に取り付けることもできる。並進ステージは一般にビームの局所的伝搬経路に平行に揃えられた直進並進ステージであり、平行移動させられると、ビームの全体の焦点位置を調節する。
【００３２】
照明システムの好ましい実施形態は、スポット寸法調節光学系に自由度２を与え、焦点調節光学系に自由度２を与える。このことは、スポット寸法調節のための１つの単純なレンズ、及び焦点制御調節のための１つの単純なレンズより達成され、これらのレンズのそれぞれは２つの少なくともある程度は互いに独立な方向に制御された態様で動かすことができる。ここで、互いに独立な方向は直進並進及び回転からなる。光学素子の別の組合せ及び上記レンズの別の移動様式により同じ結果を得ることができる。所望の調節レベルが、図示される２枚のレンズを用いるシステムにより達成される。そのようなシステムは、単純であること及び小型であることから望ましい。他方で、それぞれが自由度２をもつ２枚のレンズで達成されることを、それぞれが自由度１をもつ４枚のレンズで容易に達成することができる。
【００３３】
レンズの回転は一般にレンズの実効焦点距離を短くするだけであるから、それぞれのレンズに対する回転の鉛直軸及び水平軸との間の選択はビームの特定の特性に依存し、例えば、パラキシア(ＰＡＲＡＸＩＡ)のような適当なレイトレーシングプログラムを用いて決定されなければならない。照明システム用ビーム調整システムは、固体レーザのような光源によりつくられるビームを初めに解析し、別々の光学素子の光屈折力がどこで及びどれだけ調節されなければならないかを知るためにビームラインをトレースすることにより設計されることが好ましい。
【００３４】
本明細書で“ビーム”は一般用語として用いられる。“スポット寸法”は一般に、実質的にビームの伝搬方向に垂直な平面における、ビームの断面の横方向にかけて測定される寸法を指す。本明細書に記述されるビームは断面内でガウス強度分布を有し、よって“光スポット寸法”は前記分布内の閾値レベルにより一般に定義される。その他のビーム形状も既知であり、可能である。いくつかの場合には閾値レベルが分布上の１／ｅ２レベルとして定義されるが、その他の慣用レベルも適用可能である。さらに、スポット寸法調節光学系及び焦点調節光学系が、それ自体では、スポット寸法または焦点位置のいずれも決定できないことは、当業者には当然であろう。一般的なシステムは追加の光学素子を備え、そのような光学素子のそれぞれがビームの最終的なスポット寸法及び焦点位置に作用することができる。
【００３５】
照明システムの特に好ましい実施形態の利点は、スポット寸法調節及び焦点調節が電気信号を用いて離れたところから行われることである。すなわち、照明システムの最終調節を、システムを動作させる予定の温度環境内で、レーザ、ビーム位置決め光学系及びその他の光学系により行うことができる。例えば、レーザ及びビーム位置決め光学系は単一の筐体内にある。レーザは相当な熱源であり、ビームの焦点は照明システムの出力からかなりの距離に(想定されるいくつかのシステムでは７００ｍｍ程度に)あるから、一定の温度環境を確立することが重要である。ビーム位置決め光学系の調節は、照明システムの筐体を閉じて行われる。これにより、ビームの強度プロファイル及び焦点の予測精度及び信頼度が大きく向上する。さらに、ビームのスポット寸法及び焦点のいずれをも、照明システム出力とステレオリソグラフィ材料表面との様々な間隔に適応させるために、動作中に変えることができる。
【００３６】
ビーム調整システムの好ましい実施形態は照明システムの変化にも適応する。光学素子の特性には緩慢なドリフトがあり得るし、光学素子は時間とともに劣化し得る。そのようなドリフト及び劣化は照明システム内のビームプロファイラーで検出できるか、あるいは経験的に予測でき、そのようなドリフトまたは劣化を補正するために照明システムを調節することができる。
【００３７】
図５はステレオリソグラフィ装置を簡略に示す。初めに、ウー等への米国特許第６，１５７，６６３号に記述されているような固体レーザシステム３０により、光が発生される。さらに詳しくは、固体レーザシステム３０は、固体レーザからパルス出力を供給するためにレーザキャビティ内にＱスイッチをもつ、Ｎｄ:ＹＶＯ４増幅媒体を利用するダイオードポンピングレーザを備える。固体レーザシステム３０は、固体レーザシステム３０から周波数３逓倍出力ビーム３２を得るための周波数２逓倍結晶及び周波数３逓倍結晶も備える。固体レーザシステムの出力ビームの強度は、固体レーザと２逓倍結晶との間のレーザ光路にある音響光学変調器(ＡＯＭ)により所望のレベルに調節されることが好ましい。レーザシステム３０により出力されるビーム３２はビーム調整光学系３４に与えられる。レーザシステム３０及びビーム調整光学系３４はともに筐体３６内に配置される。筐体の特徴は第１に安全性及び清浄性であり、レーザ光を閉じ込めるために不透明な壁体も有し、出力ビーム３８をステレオリソグラフィ装置の別のパーツに通すための出力ポートをもつ。
【００３８】
ビーム調整光学系３４はビームのスポット寸法及び焦点位置を調節し、好ましくは、ビームの非対称性及び非点収差の低減を含むその他のビーム調整機能も果たす。ビーム調整光学系は以下でさらに詳細に説明される。ビーム調整後、光ビーム３８は筐体３６からビーム操作／走査光学系４０に渡される。ビーム操作／走査光学系４０は、ステレオリソグラフィシステムの材料上のｘ−ｙ平面において制御された態様で出力ビーム４２を動かすための２つのコンピュータ制御走査ミラーを備える。
【００３９】
ステレオリソグラフィ材料４４はバット４６内に保持され、ビーム走査光学系４０がステレオリソグラフィ材料４４の表面上でビーム４２を動かす。本システムで成形された物体は一般に、バット４６内のステレオリソグラフィ材料内に沈められたプラットフォーム上に支持される。連続する層が媒体の表面に形成されて、物体はコンピュータの制御の下で動くエレベータによりバット内にさらに沈められる。バット及び並進エレベータの動作は、上で挙げられ、参照として本明細書に含められた様々な特許に記述され、図示されている。
【００４０】
本リソグラフィ装置は、バット４６から位置を外れたビーム５０を受け取り、その特性を決定する、上で挙げられ、参照として本明細書に含められたスペンス等への米国特許第５，０５８，９８８号に開示されているような、ビームプロファイラー４８も備える。このビームプロファイラー４８はコンピュータ５２の制御の下でコンピュータ５２と協同して動作する。照明システムの、レーザシステム３０，ビーム調整光学系３４及びビーム操作光学系４０を含むその他の要素も、制御コンピュータ５２に接続されて制御される。これにより、ビームの形状、焦点及び寸法をステレオリソグラフィ用に最適化するために、ビームプロファイラー４８をビーム調整光学系５２と協同して用いることが可能になる。制御コンピュータ５２により最適化プロセスを容易にすることができるか、あるいはコンピュータ５２により完全に自動化することができる。このようにすれば、照明システムはステレオリソグラフィ用にビームを最適化するために、２つの相異なるスポット寸法の内の１つを選択的につくることができ、スポット形状及び焦点位置を自動的に調節することができる。
【００４１】
図６はビーム調整光学系の詳細を示す。レンズ筐体５６にとり付けられた第１のレンズがビーム調整光学系内で光ビーム５４を受け取る。レンズ筐体５６は、ミラーを回転させるアクチュエータ６０により制御されるピボット５８にレンズを保持する。アクチュエータ６０は、光ビームの伝搬経路に対する法線から離れる方向にレンズを精確に回転させるために、コンピュータ５２の制御の下で動作するステップモーターを備えることが好ましい。前記法線から離れる方向にレンズを回転させることにより、レンズの集束特性が変化して、レンズにビームの楕円率を調節させる。この楕円率調節能力により、レンズは、ビームプロファイラーの決定にしたがって、入力ビームスポット形状をより円形のビームに変えることができる。軸旋回する筐体をもつ集成スポット寸法調節光学系は、やはりコンピュータ制御の下にあるステップモーターにより作動する直進並進ステージ６２上に取り付けられる。ステージ６２の平行移動によりスポット寸法制御レンズは伝搬経路に関して直進移動し、よってビーム調整光学系の全光学システムによるビームスポットの倍率が変化する。スポット寸法調節光学系により出力されるビーム６４は、ビーム形状の非対称性がある程度または完全に除かれていることが好ましい。
【００４２】
焦点調節光学系は同様に、アクチュエータ７０により制御されるピボット６８上の筐体６６に取り付けられた第２のレンズを備える。アクチュエータ７０は、レンズを旋回軸のまわりで精確に回転させ、よって伝搬経路に沿ってレンズを通過するビームに作用するレンズの集束特性を変化させるために、コンピュータ５２の制御の下で動作するステップモーターを備える。傾けられたレンズ、すなわちビームの伝搬経路に垂直な平面から傾けられたレンズは、ビームの非点収差を変える非対称な集束特性を有する。この焦点調節レンズは、レンズを光ビームの伝搬経路に沿って平行移動させるためにアクチュエータにより制御される直進並進ステージ７２の上に取り付けられる。並進ステージはビームの局所的伝搬経路に平行に揃えられ、平行移動させると、ビーム調整光学系のこの部分から出力されるビーム７４の全体的な焦点位置が調節される。焦点調節光学系により出力されるビーム７４は、焦点の非点収差がある程度または完全に除かれていることが好ましい。
【００４３】
図７は、回転可能なスポット寸法調節レンズ７６及び回転可能な焦点調節レンズ７８を備える別の集成ビーム調整光学系を、より簡略に示す。これらのレンズはそれぞれ、図６の筐体５６及び６６内に取り付けられたレンズに対応する。図示される現在好ましい実施形態において、スポット寸法調節レンズ７６は正レンズであり、焦点調節レンズ７８は負レンズである。図示されるように、これらのレンズは、ビームに所望の調節を施すためにビーム経路に対する法線から調節可能な量だけ傾けることができる。上で論じたように、レンズ７６及び７８のそれぞれは、ビームの伝搬経路に沿って直進平行移動させることもできる。別の光学系においては、これらのレンズの機能を別のタイプのレンズで達成することができるであろうし、これらのレンズの機能の少なくともいくらかはミラーまたはミラーとミラーの組合せにより得ることができるであろう。スポット寸法調節光学系及び焦点位置調節光学系に適するその他の素子には、プリズム及び円柱レンズがある。例えば、本明細書で論じられる調節は、別の態様で並べられ、並進ステージ上で直進平行移動する４つの円柱レンズを用いて達成することができる。
【００４４】
図７に示されるビーム位置決めシステムにおいては、さらに集束レンズ８０が備えられる。図に示される全てのレンズが協同して、照明システムのターゲット焦点面におけるビームの寸法を決める。集束レンズ８０は、図示される例では、ビーム調整光学系の最終集束素子である。集束レンズ８０は他のレンズ７６及び７８と協同して、照明システムのターゲット焦点面におけるビームの焦点位置を決める。図示されるシステムのレンズ、レンズ特性、間隔及びその他の光学特性の精確な選択は、照明システムの特定の実施形態に大きく依存する。当業者であれば、このような光学システムを選択し設計することができるし、設計及びレイアウト作業をさらに容易にする市販のコンピュータプログラムがある。
【００４５】
ビーム調節位システムの特定の図示例において、第１のレンズ７６の焦点距離は約１００ｍｍであり、好ましい固体レーザシステムの３逓倍器(トリプラー)から約１００ｍｍ離れた位置に配されることになろう。よって、第１のレンズ７６はコリメータレンズとある程度同様の機能を果たす位置に配されるが、主要な機能は第２のレンズ７８におけるビームのスポット寸法を定めることである。第２のレンズ７８と第１のレンズ７６との間隔は約３００ｍｍである。略図に示されるように、第２のレンズ７８は負レンズであり、焦点距離を−２５ｍｍとして、第３の、焦点距離が１００ｍｍの正レンズ８０から７５ｍｍ離して配置することができる。第２のレンズ７８及び第３のレンズ８０は拡大率が一定のビーム拡大器を形成する。集束レンズ８０からでる光は、集束レンズ８０から約７００ｍｍの距離に徐々に集束する。
【００４６】
本発明を現在好ましい実施形態だけを参照して詳細に説明したが、当業者には本発明を逸脱することなく様々な改変がなされ得ることは当然であろう。例えば上の議論は固体レーザシステムに対するビーム調整に関してなされているが、上述したビーム調整システムの態様はガスレーザ源に適用できる。したがって、本発明は特定的に説明した好ましい実施形態に制限されるべきではない。本発明の範囲はあくまでも特許請求の範囲で定められるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】ステレオリソグラフィ材料の例示的組合せの、ある光学特性を示す
【図２】楕円形のビーム断面を示す
【図３】円形のビーム断面を示す
【図４】ある固体レーザシステムの非点収差のあるビーム集束特性を示す
【図５】本発明の態様にしたがうステレオリソグラフィ装置の態様を簡略に示す
【図６】図５のステレオリソグラフィ装置内部のビーム調整光学系の態様をさらに詳細に示す
【図７】別のビーム調整光学系の略図を示す
【符号の説明】
３０    固体レーザシステム
３２    周波数３逓倍出力ビーム
３４    ビーム調整光学系
３６    筐体
３８，４２    出力ビーム
４０    ビーム操作／走査光学系
４４    ステレオリソグラフィ材料
４６    バット
４８    ビームプロファイラー
５２    制御コンピュータ
５４，６４，７４    光ビーム
５６，６６    レンズ筐体
５８，６８    ピボット
６０，７０    アクチュエータ
６２，７２    直進並進ステージ
７６，７８，８０    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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【図５】
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【図６】
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【図７】
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