(57)【要約】本発明は、基材（３）を区切る外面（４）を定義する、基材（３）を含有するコンテナ（２）と；光ビーム（６）の放出に適した発光ユニット（５）と；外面（４）に属する入射領域（８）の方へ光ビーム（６）をそらすことに適した光反射装置（７）と；光ビーム（６）が入射領域（８）に属する動作領域（１０）上に選択的に入射するように光反射装置（７）を制御することに適した論理制御ユニット（１９）と；光ビーム（６）が最小断面（１５）を有する焦点面（１２）上で光ビーム（６）の焦点を合わせることに適した光ユニット（１１）とを備えるステレオリソグラフィ機械（１）である。光ユニット（１１）は、発光ユニット（５）と光反射装置（７）との間に配置され、発光ユニット（５）及び光ユニット（１１）は、光ビーム（６）の動作領域（１０）との交差領域の最大直径と最小断面（１５）の直径（ｗＦ）との比が１．１５を超えないように構成される。【選択図】図２
2017507814.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材（３）を区切る外部表面（４）を定義する、液体またはペースト状態の前記基材を含有するコンテナ（２）と；
光ビーム（６）を放出するように構成される発光ユニット（５）と；
前記光ビーム（６）をそらし、前記光ビーム（６）が前記外部表面（４）に属する入射領域（８）の任意の点に入射するように制御することに適した光反射装置（７）と；
前記光ビーム（６）が前記入射領域（８）に属する動作領域（１０）の任意の点に選択的に入射するように、前記光反射装置（７）を制御するように構成される論理制御ユニット（１９）と；
前記光ビーム（６）が前記光反射装置（７）によって定義される異なる方向に沿って最小断面（１５）を有する点によって定義される焦点面（１２）上で前記光ビーム（６）の焦点を合わせるように構成される光ユニット（１１）と；
を備え、
前記光ユニット（１１）が前記発光ユニット（５）と前記光反射装置（７）との間に配置されること、
前記焦点面（１２）が球面であること、ならびに、
前記発光ユニット（５）及び前記光ユニット（１１）が、前記光ビーム（６）と前記動作領域（１０）との交点の最大直径と、前記最小断面（１５）の直径（ｗＦ）との比が１．１５を超えないように構成されること
を特徴とする、
ステレオリソグラフィ機械（１）。
【請求項２】
前記光ユニット（１１）が固定されている
ことを特徴とする、
請求項１に記載のステレオリソグラフィ機械（１）。
【請求項３】
前記発光ユニット（５）及び前記光ユニット（１１）が、前記比が１．１０〜１．１５に含まれるように構成される
ことを特徴とする、
請求項１または２に記載のステレオリソグラフィ機械（１）。
【請求項４】
前記発光ユニット（５）及び前記光ユニット（１１）が、前記動作領域（１０）の任意の所定の構成及び前記動作領域（１０）と前記光反射装置（７）との間の任意の所定の距離によって、前記最小断面（１５）の前記直径（ｗＦ）を最小化するように構成される
ことを特徴とする、
請求項１〜３のうちいずれか一項に記載のステレオリソグラフィ機械（１）。
【請求項５】
前記焦点面（１２）が、前記焦点面（１２）の第１の部分（１３）が前記基材（３）内側に配置されるように、前記動作領域（１０）と交差するように配置されること、及び、
前記焦点面（１２）の第２の部分（１４）が、前記基材（３）の外側に配置されること
を特徴とする、
請求項１〜４のうちいずれか一項に記載のステレオリソグラフィ機械（１）。
【請求項６】
前記発光ユニット（５）及び前記光ユニット（１１）が、前記光ビーム（６）が前記第１の部分（１３）の方へ向けられるときの前記光ビーム（６）と前記動作領域（１０）との間の最大交差領域が、前記光ビーム（６）が前記第２の部分（１４）の方へ向けられるときの前記光ビーム（６）と前記動作領域（１０）との間の最大交差領域と等しいように構成される
ことを特徴とする、
請求項５に記載のステレオリソグラフィ機械（１）。
【請求項７】
前記光反射装置（７）が、前記焦点面（１２）と前記動作領域（１０）との交点が円周（１６）であるように構成される
ことを特徴とする、
請求項５または６に記載のステレオリソグラフィ機械（１）。
【請求項８】
前記論理制御ユニット（１９）が、前記動作領域（１０）が円形で前記円周（１６）と同心であるように構成される
ことを特徴とする、
請求項７に記載のステレオリソグラフィ機械（１）。
【請求項９】
前記円形動作領域（１０）が前記入射領域（８）に刻まれる
ことを特徴とする、
請求項８に記載のステレオリソグラフィ機械（１）。
【請求項１０】
前記円形動作領域（１０）の直径が１７０ｍｍ〜１９０ｍｍに含まれる
ことを特徴とする、
請求項９に記載のステレオリソグラフィ機械。
【請求項１１】
前記光ユニット（１１）がレンズ、または連続して配置されるレンズセット（１７）である
ことを特徴とする、
請求項１〜１０のうちいずれか一項に記載のステレオリソグラフィ機械（１）。
【請求項１２】
前記発光ユニット（５）が、コリメート光ビーム（６）を放出するように構成される
ことを特徴とする、
請求項１〜１１のうちいずれか一項に記載のステレオリソグラフィ機械（１）。
【請求項１３】
前記発光ユニット（５）がレーザーエミッタを備える
ことを特徴とする、
請求項１２に記載のステレオリソグラフィ機械（１）。
【請求項１４】
前記発光ユニット（５）が、前記コリメート光ビーム（６）の断面が２つの互いに直交する対称軸に対して対称であるように構成される
ことを特徴とする、
請求項１２または１３に記載のステレオリソグラフィ機械（１）。
【請求項１５】
前記動作領域（１０）の構成を定義することと；
前記光反射装置（７）と前記動作領域（１０）との間の距離を定義することと；
前記発光ユニット（５）及び前記光ユニット（１１）のためのいくつかの設計パラメータの値を計算することであって、前記設計パラメータが前記最小断面（１５）の前記直径（ｗＦ）の値を最小化するものであり、前記設計パラメータが、前記光ユニット（１１）に入射する前記光ビーム（６）の少なくとも直径（ｗＬ）及び品質係数（Ｍ２）ならびに前記光ユニット（１１）の焦点距離（ｆ）を備える、計算することと；
前記設計パラメータの前記値に従って前記発光ユニット（５）及び前記光ユニット（１１）を選択することと；
を含む
ことを特徴とする、
請求項１〜１４のうちいずれか一項に記載のステレオリソグラフィ機械（１）を製作する方法。
【請求項１６】
前記設計パラメータが、前記光ユニット（１１）の収差の代表的なパラメータを備える
ことを特徴とする、
請求項１５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ビームへの選択的露光を通して固体化される、液体またはペースト状態の基材の複数の層の重畳を通して三次元物体を製作することに適したステレオリソグラフィ機械に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
既知のタイプのステレオリソグラフィ機械は、基材を含有することに適したコンテナを備える。
【０００３】
前記機械は、形状が略円形で、（略平行な光線を意味する）コリメートな光ビームを放出するように構成される発光ユニットをさらに備える。
【０００４】
三次元物体の各層は、光ビームが入射する、基材の外面に属する所定の平面入射領域のレベルで固体化される。
【０００５】
入射領域は、光ビームがコンテナに対して下からまたは上から到達するかに応じて、基材を含むコンテナの底部、または、基材自体の自由表面に属してもよい。
【０００６】
前記機械はまた、入射領域の任意の点に向けて選択的に光ビームをそらす光反射手段を備える。
【０００７】
一般に、光反射手段は、２つのガルバノメトリックミラーであり、それぞれの互いに直交する平面に従って光ビームをそらすことが可能であるように、それぞれの互いに垂直な軸に従って回転移動可能である。
【０００８】
前記機械はまた、光反射手段と入射領域との間に挿入される、いわゆる「ｆθ」レンズを備える。
【０００９】
前記ｆθレンズは、入射光ビームの方向とは独立して、平面入射領域上に焦点を合わせるように、コリメート光ビームを収束させる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記の機械は、特に高価であり、それゆえに、その使用は主に専門及び工業分野に限定されるという欠点をもたらし、そのため幅広い応用には適さない。
【００１１】
前記欠点の主な原因はｆθレンズの存在であり、それは実質的に機械の全体的なコストに影響を及ぼす。
【００１２】
ｆθレンズのさらなる欠点は、そのサイズが入射領域のサイズ、それゆえに、得ることができる三次元物体の最大サイズに関連するという事実からもたらされる。
【００１３】
前記レンズのコストが、それらによって得ることができる入射領域のサイズへの比例より大きく増加するため、入射領域のサイズの増加は、ｆθレンズのコスト、したがって、機械のコストを大幅に増加させる欠点を含む。
【００１４】
さらにまた、ｆθレンズのコストが高いため、限られた数の標準型のみ市場で利用可能であり、そのそれぞれは、特定のサイズを有する正方形の入射領域を得るように設計されている。
【００１５】
結果的に、ステレオリソグラフィ機械の製造業者は、限られた数の所定のサイズの中で入射領域のサイズを選択しなければならず、すべての可能な応用のために最適化されたステレオリソグラフィ機械を製作することが可能ではないという欠点を有する。
【００１６】
さらにまた、光学的な理由のために、前記ｆθレンズによって焦点を合わせられる光ビームの最小断面は、同じものの焦点距離、それゆえに、入射領域のサイズに実質的に比例する程度まで増加し、したがって、入射領域でトレースできる画像の精細度は悪化し、それゆえに、物体の精細度が悪化する。
【００１７】
結果的に、入射領域のサイズの増加は、機械の大幅なコストの増加及び物体の精細度の減少と引き換えにのみ得ることができるという欠点が存在する。
【００１８】
前記欠点のために、ステレオリソグラフィ機械の製造業者は、焦点距離の短いｆθレンズを使用することを好み、対応して減少したサイズにおける入射領域を受け入れるが、これは、得ることができる精細度のレベルに関して機械のコストを制限することが可能になるためである。
【００１９】
結果的に、これらの機械が、得ることができる物体のサイズに対する制限の原因となるという欠点が存在する。
【００２０】
既知のタイプのステレオリソグラフィ機械の典型的な上記欠点をすべて克服することが、本発明の目的である。
【００２１】
特に、厳密に専門的かつ工業用の部門のみではなく、より幅広い部門での使用に適したステレオリソグラフィ機械を提供することが本発明の第１の目的である。
【００２２】
特に、同一サイズの入射領域及び同一精細度の光ビームを有するが、既知のタイプの機械よりもコストがかなり小さいステレオリソグラフィ機械を提供することが本発明の目的である。
【００２３】
入射領域のサイズの選択において、既知のタイプの機械での選択の柔軟性と比較して、製造業者により多くの柔軟性を提供することも本発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
上記目的は、主請求項に従って構築されるステレオリソグラフィ機械によって実現される。
【００２５】
本発明のさらなる特性及び詳細は、対応する従属請求項に記載される。
【００２６】
有利なことには、本発明の機械の活用の増加により、既知のタイプの機械と比較してステレオリソグラフィモデリングの柔軟性及び拡散を増加させることが可能となる。
【００２７】
さらに有利なことには、本発明の機械のコストの減少により、入射領域のサイズを増加させることが特に好適に可能となり、その結果、既知のタイプのステレオリソグラフィ機械で入手できるものより大きい三次元物体を得ることが可能となる。
【００２８】
さらにまた、有利なことには、入射領域のサイズの選択におけるより高い柔軟性により、その使用目的に基づく機械を最適化することが可能となる。
【００２９】
前記目的及び利点は、以下で強調される他の目的及び利点とともに、添付図面を参照して非限定的な例として提供される本発明の好ましい実施形態の説明において示される。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】図１は、本発明の主題であるステレオリソグラフィ機械の軸測投影図を概略的に示す。
【図２】図２は、動作構成における図１に示されるステレオリソグラフィ機械の側断面図を示す。
【図３】図３は、それぞれの動作構成における図１に示される機械の拡大詳細の側断面図を示す。
【図４】図４は、それぞれの動作構成における図１に示される機械の拡大詳細の側断面図を示す。
【図５】図５は、図１に示される機械の動作領域を概略的に示す。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
図１の参照番号１で全体として示される本発明のステレオリソグラフィ機械は、液体またはペースト状態でコンテナ２に配置される基材３の固体化から得られる複数の層の重畳を通して三次元物体を製作することに好適である。
【００３２】
前記層は、モデリングプレート１８によって支持され、垂直軸Ｚに従って駆動され、連続層の支持として働くような位置への三次元物体の任意の固体化された層の配置に適している。
【００３３】
光ビーム６を放出するように構成される発光ユニット５も設けられる。
【００３４】
好ましくは、前記発光ユニット５は、レーザー源と、光ビーム６のコリメータとを備える。
【００３５】
好ましくは、前記発光ユニット５はまた、コリメートビームのための、２本の互いに直交する対称軸による対称形状を有し、好ましくは円形または実質的に円形である断面を得ることに適した装置を備える。
【００３６】
以降、以下で光ビームの一般的な断面の直径が参照されるとき、これは表面積が前記一般的な断面の表面積と等しい円周の直径を意味することは指摘されなければならない。
【００３７】
ステレオリソグラフィ機械１は、光ビーム６をそらし、光ビーム６を基材３の外部表面４に属する入射領域８の任意の点に入射させるように制御されることに適した光反射装置７をさらに備える。
【００３８】
好ましくは、上記の要件は、それぞれ互いに垂直な回転軸Ｘ１、Ｘ２のまわりを所定の角度振幅で互いに独立に回転する２つのミラー７ａ、７ｂを備える光反射装置７を使用して満たされる。
【００３９】
好ましくは、各ミラー７ａ、７ｂは、対応するガルバノメトリックモータによって、それぞれの回転軸のまわりを回転する。
【００４０】
本明細書に示されない本発明の異なる実施形態によると、光反射装置７は、２本の互いに独立及び直交する軸のまわりで回転する１台のみのミラーを備える。
【００４１】
この場合、前記ミラーは好ましくは、いわゆるＭＯＥＭＳ（「マイクロ光電子機械システム（Ｍｉｃｒｏ−ｏｐｔｏ−ｅｌｅｃｔｒｏ−ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｓｙｓｔｅｍ）」の頭字語）タイプである。
【００４２】
図に示される実施形態において、前記入射領域８は、コンテナ２の底部に隣接する。
【００４３】
この構成は、底部からコンテナ２に入射する光ビーム６によって得られ、前記コンテナは、光ビーム６が基材３に到達することを可能とするように、透明底部を有する。
【００４４】
図面に示されない、本発明の異なる実施形態によると、光ビーム６は、コンテナ２自体の頂部に入射し、したがって、入射領域８は基材３の自由表面に属する。この場合、機械は好ましくは、前記自由表面に平面形状を与えることに適したレベリング装置を備える。
【００４５】
いかなる場合でも、専門用語では「スポット」と定義される、光ビーム６の入射領域８との交点の領域は、固体化される基材３の領域のサイズを決定し、したがって、三次元物体の精細度を決定する。
【００４６】
機械１はまた、図２に概略的に示される、光ビーム６が入射領域８に属する動作領域１０の任意の点に選択的に入射するように光反射装置７を制御するように構成される、論理制御ユニット１９を備える。
【００４７】
入射領域８は光反射装置７の動作限界によって決定されるが、動作領域１０は論理制御ユニット１９によって決定され、それゆえに、入射領域８の一部に制限される可能性があることは強調されなければならない。
【００４８】
ステレオリソグラフィ機械１にはまた、光ビーム６が光反射装置７によって定義される異なる方向に沿って最小断面を有する点によって定義される焦点面１２上で光ビーム６に焦点を合わせるように構成される光ユニット１１が設けられる。
【００４９】
前記焦点面１２が、光ユニット１１の組合せ作用によって定義されることは明らかであり、それは光反射装置７からの光ビーム６の、及び光反射装置７自体の合焦距離を定義し、合焦方向を定義する。
【００５０】
明らかに、光ビーム６の伝搬方向に沿った前記焦点面１２の下流で、光ビーム６の断面の表面積は、最小断面の表面積に対して増加する。
【００５１】
レーザー光ビームに関して、前記ビームの各断面のエネルギー分布はガウシアン型であることが知られている。
【００５２】
以下で、「ガウシアン光ビーム」は上記の特性を有する光ビームを意味する。
【００５３】
周知のように、ガウシアン光ビームの一般的な断面は従来、エネルギーの強度がビーム自体の中心に存在する最大強度の１／ｅ２倍より高いまたは等しい波面領域として定義され、ここで、ｅはネイピア数である。
【００５４】
代替的な定義によると、ガウシアンビームの断面は、エネルギーの強度が最大強度の半分より高いまたは等しい波面の領域である。
【００５５】
以降、本説明は、ビームの断面に提供される定義から独立しており、特に、上記の２つの定義のうちの特定の１つに限定されないことを明示しなければならない。
【００５６】
また、知られていているように、専門用語で「ウェスト」と定義される、収束したガウシアンビームの最小断面は、０より大きい表面積を有する。
【００５７】
それゆえに、ガウシアンビームに関して、「焦点」という用語は、単一点ではなく、前記最小断面を示す。
【００５８】
特に、ガウシアンビームの焦点を合わせることによって得られる光ビーム６の最小断面１５の表面積は、以下の既知の式に従って、さまざまなパラメータ、特に、光ユニット１１の焦点距離及びコリメートレーザービームの断面に依存する。
【００５９】
【数１】
2017507814.tif 000003
【００６０】
ここで、ｗＦはビームの最小断面（「ウェスト」）の直径であり、λは波長であり、ｆは光ユニット１１の焦点距離であり、Ｍ２はガウシアン分布の理想的な場合と比較したエネルギーの実際の分布を表すビームの品質係数であり、ｗＬは、光ユニット１１に入射するコリメートビームの断面の直径である。
【００６１】
最小直径ｗＦを有する断面からの一般的な距離ｚの関数としてのガウシアンビームの直径ｗは、以下の式で表すことができることも知られている。
【００６２】
【数２】
2017507814.tif 000004
【００６３】
前記式（２）から、ガウシアンビームは、最小断面の近傍を除いて、距離ｚに略比例するように最小直径ｗＦを有する断面の方へ収束して、そこから広がることが明らかであり、それらにおいては、ビームの幾何学形状は、砂時計のくびれと同様に丸くなる。
【００６４】
本発明によると、光ビーム６の合焦を行う光ユニット１１は、発光ユニット５と光反射装置７との間で挿入される。
【００６５】
光ユニット１１は光ビーム６の伝搬方向に従って光反射装置７の上流に配置されるため、後者は常に、動作領域１０上のビームの入射点からは独立して、光ユニット１１の同一点に入射する。
【００６６】
それゆえに、連続して配置される、いかなる場合でもｆθレンズより非常に経済的な、たとえば球面、両凸、または平凸タイプの一般的なレンズまたはレンズセット１７に基づく光ユニット１１を使用することが可能である。
【００６７】
ｆθレンズと同様に、前記光ユニット１１も固定式であり、それゆえに、機械の簡単な構築構造に有利なことに、焦点を調節するために、光ユニット１１を移動させるための任意の装置を必要としない。
【００６８】
他方で、光ユニット１１の前記固定構成では、光ビーム６が動作領域１０上で焦点を合わせることが可能ではない。
【００６９】
実際、光ユニット１１は、光反射装置７自体によって決定される光ビーム６の入射方向とは独立して、光反射装置７から一定の距離で光ビーム６の焦点を合わせる。それゆえに、焦点面１２は、動作領域１０の中心を通過する断面によって機械１の断面図を概略的に示す図２で見ることができるように、光反射装置７のレベルに中心がある、平面ではなく球面の形状を有する。
【００７０】
以降、図２において、光反射装置が明瞭さのために概略的に示されていることが強調される。
【００７１】
明らかに、前記球面焦点面１２は、平面である動作領域１０と一致することができない。それゆえに、本発明の機械１において、スポットの表面積は、動作領域１０上の入射点に応じて変化し、固体化する基材３の部分の表面積は、ある点から別の点まで変化する。
【００７２】
特に、光ビーム６の方向に沿って測定される焦点面１２と動作領域１０との間の距離が増加すると、式（２）に従って、スポットのサイズは増加する。
【００７３】
一般に、上記の状況では、三次元物体の十分に均一な、定義された固体化が得られない。
【００７４】
しかし、本発明を出願する出願人は、光ビーム６、焦点面１２、及び動作領域１０を適切に構成することによって、少なくとも厳密に専門的または工業用の部門でない場合に、前記欠点を許容可能なレベルに制限することが可能であることを知見した。
【００７５】
それゆえに、本発明は、発光ユニット５及び光ユニット１１の好適な選択による、光ビーム６、焦点面１２、及び動作領域１０の定義も含み、スポットの最大直径と最小断面１５の直径ｗＦとの比は１．１５を超えない。
【００７６】
このように、すべての動作領域１０におけるスポットの直径の最大変形は、１５％に制限される。
【００７７】
本発明を出願する出願人は、スポットサイズの前記変形は実際的には、動作領域１０上の基材３の固体化における任意のばらつきを無視できるものとし、したがって、性能が厳密に専門的または工業用でない部門での使用に適合する機械１を得ることを可能にすることを確認した。
【００７８】
上記によると、本発明が、コスト及び性能の両方に関して、厳密に専門的または工業用でない部門の使用に特に適したステレオリソグラフィ機械１を提供する目的を実現することが理解できる。
【００７９】
好ましくは、直径間の前記比率は、機械１の性能に関してさらに有利なことに、１．１０〜１．１５に含まれる。本発明を出願している出願人は、前記間隔内の比率の変化は、ｆθ光学ユニットよりかなりコストの小さい光ユニット１１によって得ることができることを確認した。
【００８０】
光反射装置７の上流の光ユニット１１の配置により、既知のタイプの機械と比較して動作領域１０のサイズの選択においてより大きな柔軟性を得る目的を実現することも可能となる。
【００８１】
実際、本発明の機械１において、所定の角度の運動振幅αを有する光反射装置７の動作領域１０のサイズは、入射領域８からの光反射装置７の距離に実質的に依存し、それは容易に修正されてもよく、そして、好適な焦点距離を有するレンズの入手可能性に依存する。
【００８２】
逆に、ｆθレンズを使用している既知のタイプの機械において、動作領域１０のサイズはレンズによって決定され、それは、すでに上で説明されたように、限定された数のバージョンが市場で利用可能である。
【００８３】
発光ユニット５及び光ユニット１１は好ましくは、直径ｗＬ及びコリメートビームの品質Ｍ２、ならびに、光ユニット１１の焦点距離ｆを決定することによって選択され、それは、常にスポットの直径が上述の値の範囲内で維持されるという条件の下で、ビームの最小直径ｗＦを最小化することを可能にする。
【００８４】
最小直径ｗＦを最小化することは、他の条件が同一のままである限り、スポットの最大直径、それゆえに機械１で入手可能な精細度を最小化することを意味する。
【００８５】
光ユニット１１が任意の収差を示さないと仮定すると、ｗＦの前記最小化は、式（１）及び（２）を使用して実行することができ、ここで、式（２）において、ｚは焦点面１２と動作領域１０との間の最大距離ｚｍａｘの値と等しくなければならず、比ｗ（ｚｍａｘ）／ｗＦは上記の最大比率と等しくなければならない。
【００８６】
実際には、光ユニット１１には収差がある。この文脈において関連する収差は、特に、球面収差であり、それは以下で単に「収差」として簡単に示される。
【００８７】
周知のように、収差は、所定のビームの光線の合焦領域を大きくする効果を有する。
【００８８】
収差の影響を受けるガウシアンビームの場合、その形状は、前記式（１）及び（２）と比較してより複雑な式で記載することができ、それは単純化するために本明細書に示されないが、文献で知られている。
【００８９】
ここで、それは、ガウシアンビームに関して、より大きい収差は、他の条件が同一のままであれば、より大きな最小直径ｗＦ、ならびに、上記の直径の変形の条件を満たすビームの部分のより長い長さＬを含むことを示すのに十分である。
【００９０】
それゆえに、一方で、最小直径ｗＦの増加が収差をできる限り制限することを示唆する場合、他方では、より大きい収差は、光ユニット１１の下流で直径ｗＬを減少させることを可能にし、結果的に、最小直径ｗＦも減少させる。
【００９１】
２つの効果のどちらが勝るかは、機械１のために選択される特定の構成に依存し、したがって、事前に知ることはできない。
【００９２】
それゆえに、好ましくは、収差は、最小直径ｗＦの最小化のための計算におけるさらなる未知の因子として使用される、所定の焦点距離ｆのために、互いに異なる収差値を有するいくつかのレンズが一般に市場で利用可能であることが考慮される。
【００９３】
有利なことには、多くの場合における計算の未知の因子としての収差の使用により、所定の収差、たとえば、所定の焦点距離のために市場で利用可能な最小の収差を有する光ユニット１１を考慮して得られる直径より短い最小直径ｗＦを得ることが可能となる。
【００９４】
上記利点は、一般に、その収差が増加するにつれて光ユニット１１のコストは減少するという事実に追加されなければならない。それゆえに、前記計算が所定の局所長さの市場で利用可能な最小のものより大きい収差を提供する場合、対応する光ユニット１１は、機械１の全体的なコストに有利なことに、最小収差を有する光ユニットよりコストは小さくなる。
【００９５】
焦点面１２に関しては、これは好ましくは、基材３の内側に配置される第１の部分１３及び基材３の外側に配置される第２の部分１４を得るために、入射領域８と交差するように定義される。
【００９６】
それゆえに、光ビーム６が焦点面１２の第１の部分１３の方へ向けられると、図４に概略的に示されるように、最小断面１５に到達する前に、動作領域１０に入射する。したがって、光ビーム６の一部は、最小断面１５の上流で利用される。
【００９７】
逆もまた同様に、光ビーム６が焦点面１２の第２の部分１４の方へ向けられると、図３に示されるように、最小断面１５を過ぎて通過した後に、動作領域１０に到達する。したがって、光ビーム６の一部は、最小断面１５の下流に利用される。
【００９８】
有利なことには、他の条件が同一のままであれば、前記構成により、焦点面１２と作業面１０との間の最大距離ｚｍａｘを減少させることが可能となり、最小直径ｗＦを減少させることが可能となる。
【００９９】
好ましくは、光ビーム６が第１の部分１３の方へ向けられるときに得られるスポットの最大表面積が、光ビーム６が第２の部分１４の方へ向けられるときに得られるスポットの最大表面積と等しいように、焦点面１２は配置される。
【０１００】
有利なことには、上記の構成により、所定のサイズの動作領域１０の最小直径ｗＦを最小化することが可能となる。
【０１０１】
上記の要件を満たすことは、動作領域１０に対して焦点面１２を、光ビーム６の伝搬の方向に沿って計測される、第１の部分１３と動作領域１０との間の最大距離と、第２の部分１４と動作領域１０との間の最大距離との合計が、上に示される最大直径の条件を満たす光ビーム６の部分の長さＬと等しいように配置することを意味する。
【０１０２】
実際には、収差のために、光ビーム６の前記部分は、最小断面１５に対して収差がない場合に行われるように対称には配置されないが、最小断面１５に対して上流に移動される。
【０１０３】
好ましくは、光反射装置７は、焦点面１２と動作領域１０との交点が、入射領域８及び動作領域１０とともに図５で概略的に示される円周１６であるように構成される。
【０１０４】
前記円周１６は、２つの軸Ｘ１、Ｘ２のそれぞれ１つのまわりで、光反射装置７の全体的な動作角αの二等分線９と直交するように外面４を配置することによって得られる。
【０１０５】
前記条件により、前記二等分線９のまわりで軸対称であるように可変であるスポットを得ることが可能となる、すなわち、二等分線９と同一の角度を形成する入射のすべての方向に対して同一の形状を有する。
【０１０６】
結果的に、有利には、後者の所定の表面積の動作領域１０におけるスポットの最大サイズを最小化することが可能となる。
【０１０７】
さらに有利なことには、前記軸方向の対称性により、物体自体の実際の構築の間に光ビーム６の経路を計画するために使用される三次元物体の数値表現を簡略化することが可能となる。
【０１０８】
好ましくは、論理制御ユニット１９は、動作領域１０は前記円周１６と同心の円形形状を有するように構成される。
【０１０９】
上記の構成により、動作領域１０と焦点面１２との間の最大距離ｚｍａｘを最小化することが可能となり、したがって、動作領域１０の同一の表面積を有するスポットの最大サイズを減少させることが可能となる。
【０１１０】
明らかに、上記の結果は、スポットが動作領域１０の中心及び周辺のレベルで同時にその最大表面積を有するように焦点面１２を配置することによって得られる。
【０１１１】
形状で正方形である入射領域８を光反射装置７が定義する一般的な場合において、円形動作領域１０を定義することは、頂点のレベルに配置される入射領域８の部分を排除することを意味し、したがって、前記最大距離ｚｍａｘを大きく減少させる。
【０１１２】
結果的に、有利には、すべての正方形の入射領域８と一致する動作領域を使用して得られるサイズと比較して、スポットのサイズを減少させることが可能となる。
【０１１３】
好ましくは、円形動作領域１０は、図５に概略的に示されるように、入射領域８に刻まれるように定義され、したがって、所定の入射領域８の動作領域１０の表面積を最大化し、光反射装置７の解像度を可能な限り利用する。
【０１１４】
一例として、最も一般に使用される既知のタイプの機械には、４０°の角度振幅で動作し、１６０ｍｍの焦点距離を有するｆθレンズを有する光反射装置が設けられる。この組合せは、１１０×１１０ｍｍの動作領域２０、及び直径が約４０μｍの円形スポットを提供する。
【０１１５】
上記の発明概念を使用して、本発明を出願している出願人は、１８０ｍｍの直径を有する円形動作領域１０、及び約６０μｍの直径を有するスポットを得ることができるであろう。
【０１１６】
図５は、上記の内容を定性的に表す。特に、動作領域１０は、入射領域８より小さいが、既知の機械の動作領域２０よりかなり大きいことを見ることができる。
【０１１７】
それゆえに、精細度のわずかな減少を受け入れることで、機械のコストを増加させる必要なく、動作領域１０の表面積を二倍にすることが可能となっており、むしろ、既知のタイプの機械と比較してコストを減少させる。
【０１１８】
本発明の機械の減少したコストは、後者が、既知のタイプの機械が意図されるそれらの厳密に専門的なまたは工業用の部門、正確には、満たすべき主な要件が機械のコストである部門より広い範囲の部門での使用に適するようにし、一方、精細度は２番目の問題と考えられることが理解できる。
【０１１９】
他方で、既知のタイプの機械で、表面積が上述の１８０ｍｍの直径を有するものと比較できる動作領域を得るために、約１６０×１６０ｍｍの正方形の動作領域に対応する、約２５０ｍｍの焦点距離を有するｆθレンズを使用することが必要である。
【０１２０】
しかし、前記ｆθレンズは、その前のｆθレンズより非常に高価であり、さらにまた、本発明の前記機械によって入手可能なものといかなる場合でも比較できるサイズのスポットを得ることを可能にする。
【０１２１】
実際には、動作領域１０の直径は好ましくは、１７０ｍｍ〜１９０ｍｍに含まれる。前記間隔は、さまざまな応用に好適であり、さらにまた、約２５０ｍｍの焦点距離を有する前記ｆθレンズで入手可能なものと比較できる精細度及び動作領域を、非常に低コストで得ることを可能にする。
【０１２２】
上述の内容は、上記のステレオリソグラフィ機械が本発明のすべての目的を実現することを明確に示す。
【０１２３】
特に、光学ユニット及び発光ユニットの特定の構成により、既知のタイプの機械と比較して、機械のコストを大幅に減少させることが可能となり、機械を、専門的または工業用の部門だけでなく、より広い範囲の部門に好適なものとする。
【０１２４】
さらにまた、前記構成により、動作領域のサイズを特定の光学ユニットから独立させることも可能となり、したがって、機械の設計における柔軟性を増加させ、機械のコストを極端に増加させることなく、動作領域を広げることを可能にする。
【図１】
2017507814.tif 000005
【図２】
2017507814.tif 000006
【図３】
2017507814.tif 000007
【図４】
2017507814.tif 000008
【図５】
2017507814.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成28年10月20日(2016.10.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ビームへの選択的露光を通して固体化される、液体またはペースト状態の基材の複数の層の重畳を通して三次元物体を製作することに適したステレオリソグラフィ機械に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
既知のタイプのステレオリソグラフィ機械は、基材を含有することに適したコンテナを備える。
【０００３】
前記機械は、形状が略円形で、（略平行な光線を意味する）コリメートな光ビームを放出するように構成される発光ユニットをさらに備える。
【０００４】
三次元物体の各層は、光ビームが入射する、基材の外面に属する所定の平面入射領域のレベルで固体化される。
【０００５】
入射領域は、光ビームがコンテナに対して下からまたは上から到達するかに応じて、基材を含むコンテナの底部、または、基材自体の自由表面に属してもよい。
【０００６】
前記機械はまた、入射領域の任意の点に向けて選択的に光ビームをそらす光反射手段を備える。
【０００７】
一般に、光反射手段は、２つのガルバノメトリックミラーであり、それぞれの互いに直交する平面に従って光ビームをそらすことが可能であるように、それぞれの互いに垂直な軸に従って回転移動可能である。
【０００８】
前記機械はまた、光反射手段と入射領域との間に挿入される、いわゆる「ｆθ」レンズを備える。
【０００９】
前記ｆθレンズは、入射光ビームの方向とは独立して、平面入射領域上に焦点を合わせるように、コリメート光ビームを収束させる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記の機械は、特に高価であり、それゆえに、その使用は主に専門及び工業分野に限定されるという欠点をもたらし、そのため幅広い応用には適さない。
【００１１】
前記欠点の主な原因はｆθレンズの存在であり、それは実質的に機械の全体的なコストに影響を及ぼす。
【００１２】
ｆθレンズのさらなる欠点は、そのサイズが入射領域のサイズ、それゆえに、得ることができる三次元物体の最大サイズに関連するという事実からもたらされる。
【００１３】
前記レンズのコストが、それらによって得ることができる入射領域のサイズへの比例より大きく増加するため、入射領域のサイズの増加は、ｆθレンズのコスト、したがって、機械のコストを大幅に増加させる欠点を含む。
【００１４】
さらにまた、ｆθレンズのコストが高いため、限られた数の標準型のみ市場で利用可能であり、そのそれぞれは、特定のサイズを有する正方形の入射領域を得るように設計されている。
【００１５】
結果的に、ステレオリソグラフィ機械の製造業者は、限られた数の所定のサイズの中で入射領域のサイズを選択しなければならず、すべての可能な応用のために最適化されたステレオリソグラフィ機械を製作することが可能ではないという欠点を有する。
【００１６】
さらにまた、光学的な理由のために、前記ｆθレンズによって焦点を合わせられる光ビームの最小断面は、同じものの焦点距離、それゆえに、入射領域のサイズに実質的に比例する程度まで増加し、したがって、入射領域でトレースできる画像の精細度は悪化し、それゆえに、物体の精細度が悪化する。
【００１７】
結果的に、入射領域のサイズの増加は、機械の大幅なコストの増加及び物体の精細度の減少と引き換えにのみ得ることができるという欠点が存在する。
【００１８】
前記欠点のために、ステレオリソグラフィ機械の製造業者は、焦点距離の短いｆθレンズを使用することを好み、対応して減少したサイズにおける入射領域を受け入れるが、これは、得ることができる精細度のレベルに関して機械のコストを制限することが可能になるためである。
【００１９】
結果的に、これらの機械が、得ることができる物体のサイズに対する制限の原因となるという欠点が存在する。
【００２０】
請求項１の導入部が基づく米国特許第５，１５１，８１３号明細書で開示される別の先行技術に従って、機械は反射装置の上流に配置される動的レンズを備える。ビームが反射装置で定義される任意の入射方向の入射領域で常に合焦を維持されるように、レンズは合焦方向に移動し、同時に、ビームは入射領域全体で走査される。
【００２１】
既知のタイプのステレオリソグラフィ機械の典型的な上記欠点をすべて克服することが、本発明の目的である。
【００２２】
特に、厳密に専門的かつ工業用の部門のみではなく、より幅広い部門での使用に適したステレオリソグラフィ機械を提供することが本発明の第１の目的である。
【００２３】
特に、同一サイズの入射領域及び同一精細度の光ビームを有するが、既知のタイプの機械よりもコストがかなり小さいステレオリソグラフィ機械を提供することが本発明の目的である。
【００２４】
入射領域のサイズの選択において、既知のタイプの機械での選択の柔軟性と比較して、製造業者により多くの柔軟性を提供することも本発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
上記目的は、主請求項に従って構築されるステレオリソグラフィ機械によって実現される。
【００２６】
本発明のさらなる特性及び詳細は、対応する従属請求項に記載される。
【００２７】
有利なことには、本発明の機械の活用の増加により、既知のタイプの機械と比較してステレオリソグラフィモデリングの柔軟性及び拡散を増加させることが可能となる。
【００２８】
さらに有利なことには、本発明の機械のコストの減少により、入射領域のサイズを増加させることが特に好適に可能となり、その結果、既知のタイプのステレオリソグラフィ機械で入手できるものより大きい三次元物体を得ることが可能となる。
【００２９】
さらにまた、有利なことには、入射領域のサイズの選択におけるより高い柔軟性により、その使用目的に基づく機械を最適化することが可能となる。
【００３０】
前記目的及び利点は、以下で強調される他の目的及び利点とともに、添付図面を参照して非限定的な例として提供される本発明の好ましい実施形態の説明において示される。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】図１は、本発明の主題であるステレオリソグラフィ機械の軸測投影図を概略的に示す。
【図２】図２は、動作構成における図１に示されるステレオリソグラフィ機械の側断面図を示す。
【図３】図３は、それぞれの動作構成における図１に示される機械の拡大詳細の側断面図を示す。
【図４】図４は、それぞれの動作構成における図１に示される機械の拡大詳細の側断面図を示す。
【図５】図５は、図１に示される機械の動作領域を概略的に示す。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
図１の参照番号１で全体として示される本発明のステレオリソグラフィ機械は、液体またはペースト状態でコンテナ２に配置される基材３の固体化から得られる複数の層の重畳を通して三次元物体を製作することに好適である。
【００３３】
前記層は、モデリングプレート１８によって支持され、垂直軸Ｚに従って駆動され、連続層の支持として働くような位置への三次元物体の任意の固体化された層の配置に適している。
【００３４】
光ビーム６を放出するように構成される発光ユニット５も設けられる。
【００３５】
好ましくは、前記発光ユニット５は、レーザー源と、光ビーム６のコリメータとを備える。
【００３６】
好ましくは、前記発光ユニット５はまた、コリメートビームのための、２本の互いに直交する対称軸による対称形状を有し、好ましくは円形または実質的に円形である断面を得ることに適した装置を備える。
【００３７】
以降、以下で光ビームの一般的な断面の直径が参照されるとき、これは表面積が前記一般的な断面の表面積と等しい円周の直径を意味することは指摘されなければならない。
【００３８】
ステレオリソグラフィ機械１は、光ビーム６をそらし、光ビーム６を基材３の外部表面４に属する入射領域８の任意の点に入射させるように制御されることに適した光反射装置７をさらに備える。
【００３９】
好ましくは、上記の要件は、それぞれ互いに垂直な回転軸Ｘ１、Ｘ２のまわりを所定の角度振幅で互いに独立に回転する２つのミラー７ａ、７ｂを備える光反射装置７を使用して満たされる。
【００４０】
好ましくは、各ミラー７ａ、７ｂは、対応するガルバノメトリックモータによって、それぞれの回転軸のまわりを回転する。
【００４１】
本明細書に示されない本発明の異なる実施形態によると、光反射装置７は、２本の互いに独立及び直交する軸のまわりで回転する１台のみのミラーを備える。
【００４２】
この場合、前記ミラーは好ましくは、いわゆるＭＯＥＭＳ（「マイクロ光電子機械システム（Ｍｉｃｒｏ−ｏｐｔｏ−ｅｌｅｃｔｒｏ−ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｓｙｓｔｅｍ）」の頭字語）タイプである。
【００４３】
図に示される実施形態において、前記入射領域８は、コンテナ２の底部に隣接する。
【００４４】
この構成は、底部からコンテナ２に入射する光ビーム６によって得られ、前記コンテナは、光ビーム６が基材３に到達することを可能とするように、透明底部を有する。
【００４５】
図面に示されない、本発明の異なる実施形態によると、光ビーム６は、コンテナ２自体の頂部に入射し、したがって、入射領域８は基材３の自由表面に属する。この場合、機械は好ましくは、前記自由表面に平面形状を与えることに適したレベリング装置を備える。
【００４６】
いかなる場合でも、専門用語では「スポット」と定義される、光ビーム６の入射領域８との交点の領域は、固体化される基材３の領域のサイズを決定し、したがって、三次元物体の精細度を決定する。
【００４７】
機械１はまた、図２に概略的に示される、光ビーム６が入射領域８に属する動作領域１０の任意の点に選択的に入射するように光反射装置７を制御するように構成される、論理制御ユニット１９を備える。
【００４８】
入射領域８は光反射装置７の動作限界によって決定されるが、動作領域１０は論理制御ユニット１９によって決定され、それゆえに、入射領域８の一部に制限される可能性があることは強調されなければならない。
【００４９】
ステレオリソグラフィ機械１にはまた、光ビーム６が光反射装置７によって定義される異なる方向に沿って最小断面を有する点によって定義される焦点面１２上で光ビーム６に焦点を合わせるように構成される光ユニット１１が設けられる。
【００５０】
前記焦点面１２が、光ユニット１１の組合せ作用によって定義されることは明らかであり、それは光反射装置７からの光ビーム６の、及び光反射装置７自体の合焦距離を定義し、合焦方向を定義する。
【００５１】
明らかに、光ビーム６の伝搬方向に沿った前記焦点面１２の下流で、光ビーム６の断面の表面積は、最小断面の表面積に対して増加する。
【００５２】
レーザー光ビームに関して、前記ビームの各断面のエネルギー分布はガウシアン型であることが知られている。
【００５３】
以下で、「ガウシアン光ビーム」は上記の特性を有する光ビームを意味する。
【００５４】
周知のように、ガウシアン光ビームの一般的な断面は従来、エネルギーの強度がビーム自体の中心に存在する最大強度の１／ｅ２倍より高いまたは等しい波面領域として定義され、ここで、ｅはネイピア数である。
【００５５】
代替的な定義によると、ガウシアンビームの断面は、エネルギーの強度が最大強度の半分より高いまたは等しい波面の領域である。
【００５６】
以降、本説明は、ビームの断面に提供される定義から独立しており、特に、上記の２つの定義のうちの特定の１つに限定されないことを明示しなければならない。
【００５７】
また、知られていているように、専門用語で「ウェスト」と定義される、収束したガウシアンビームの最小断面は、０より大きい表面積を有する。
【００５８】
それゆえに、ガウシアンビームに関して、「焦点」という用語は、単一点ではなく、前記最小断面を示す。
【００５９】
特に、ガウシアンビームの焦点を合わせることによって得られる光ビーム６の最小断面１５の表面積は、以下の既知の式に従って、さまざまなパラメータ、特に、光ユニット１１の焦点距離及びコリメートレーザービームの断面に依存する。
【００６０】
【数１】
2017507814.tif 000010
【００６１】
ここで、ｗＦはビームの最小断面（「ウェスト」）の直径であり、λは波長であり、ｆは光ユニット１１の焦点距離であり、Ｍ２はガウシアン分布の理想的な場合と比較したエネルギーの実際の分布を表すビームの品質係数であり、ｗＬは、光ユニット１１に入射するコリメートビームの断面の直径である。
【００６２】
最小直径ｗＦを有する断面からの一般的な距離ｚの関数としてのガウシアンビームの直径ｗは、以下の式で表すことができることも知られている。
【００６３】
【数２】
2017507814.tif 000011
【００６４】
前記式（２）から、ガウシアンビームは、最小断面の近傍を除いて、距離ｚに略比例するように最小直径ｗＦを有する断面の方へ収束して、そこから広がることが明らかであり、それらにおいては、ビームの幾何学形状は、砂時計のくびれと同様に丸くなる。
【００６５】
本発明によると、光ビーム６の合焦を行う光ユニット１１は、発光ユニット５と光反射装置７との間で挿入される。
【００６６】
光ユニット１１は光ビーム６の伝搬方向に従って光反射装置７の上流に配置されるため、後者は常に、動作領域１０上のビームの入射点からは独立して、光ユニット１１の同一点に入射する。
【００６７】
それゆえに、連続して配置される、いかなる場合でもｆθレンズより非常に経済的な、たとえば球面、両凸、または平凸タイプの一般的なレンズまたはレンズセット１７に基づく光ユニット１１を使用することが可能である。
【００６８】
ｆθレンズと同様に、前記光ユニット１１も固定式であり、それゆえに、機械の簡単な構築構造に有利なことに、焦点を調節するために、光ユニット１１を移動させるための任意の装置を必要としない。
【００６９】
他方で、光ユニット１１の前記固定構成では、光ビーム６が動作領域１０上で焦点を合わせることが可能ではない。
【００７０】
実際、光ユニット１１は、光反射装置７自体によって決定される光ビーム６の入射方向とは独立して、光反射装置７から一定の距離で光ビーム６の焦点を合わせる。それゆえに、焦点面１２は、動作領域１０の中心を通過する断面によって機械１の断面図を概略的に示す図２で見ることができるように、光反射装置７のレベルに中心がある、平面ではなく球面の形状を有する。
【００７１】
以降、図２において、光反射装置が明瞭さのために概略的に示されていることが強調される。
【００７２】
明らかに、前記球面焦点面１２は、平面である動作領域１０と一致することができない。それゆえに、本発明の機械１において、スポットの表面積は、動作領域１０上の入射点に応じて変化し、固体化する基材３の部分の表面積は、ある点から別の点まで変化する。
【００７３】
特に、光ビーム６の方向に沿って測定される焦点面１２と動作領域１０との間の距離が増加すると、式（２）に従って、スポットのサイズは増加する。
【００７４】
一般に、上記の状況では、三次元物体の十分に均一な、定義された固体化が得られない。
【００７５】
しかし、本発明を出願する出願人は、光ビーム６、焦点面１２、及び動作領域１０を適切に構成することによって、少なくとも厳密に専門的または工業用の部門でない場合に、前記欠点を許容可能なレベルに制限することが可能であることを知見した。
【００７６】
それゆえに、本発明は、発光ユニット５及び光ユニット１１の好適な選択による、光ビーム６、焦点面１２、及び動作領域１０の定義も含み、スポットの最大直径と最小断面１５の直径ｗＦとの比は１．１５を超えない。
【００７７】
このように、すべての動作領域１０におけるスポットの直径の最大変形は、１５％に制限される。
【００７８】
本発明を出願する出願人は、スポットサイズの前記変形は実際的には、動作領域１０上の基材３の固体化における任意のばらつきを無視できるものとし、したがって、性能が厳密に専門的または工業用でない部門での使用に適合する機械１を得ることを可能にすることを確認した。
【００７９】
上記によると、本発明が、コスト及び性能の両方に関して、厳密に専門的または工業用でない部門の使用に特に適したステレオリソグラフィ機械１を提供する目的を実現することが理解できる。
【００８０】
好ましくは、直径間の前記比率は、機械１の性能に関してさらに有利なことに、１．１０〜１．１５に含まれる。本発明を出願している出願人は、前記間隔内の比率の変化は、ｆθ光学ユニットよりかなりコストの小さい光ユニット１１によって得ることができることを確認した。
【００８１】
光反射装置７の上流の光ユニット１１の配置により、既知のタイプの機械と比較して動作領域１０のサイズの選択においてより大きな柔軟性を得る目的を実現することも可能となる。
【００８２】
実際、本発明の機械１において、所定の角度の運動振幅αを有する光反射装置７の動作領域１０のサイズは、入射領域８からの光反射装置７の距離に実質的に依存し、それは容易に修正されてもよく、そして、好適な焦点距離を有するレンズの入手可能性に依存する。
【００８３】
逆に、ｆθレンズを使用している既知のタイプの機械において、動作領域１０のサイズはレンズによって決定され、それは、すでに上で説明されたように、限定された数のバージョンが市場で利用可能である。
【００８４】
発光ユニット５及び光ユニット１１は好ましくは、直径ｗＬ及びコリメートビームの品質Ｍ２、ならびに、光ユニット１１の焦点距離ｆを決定することによって選択され、それは、常にスポットの直径が上述の値の範囲内で維持されるという条件の下で、ビームの最小直径ｗＦを最小化することを可能にする。
【００８５】
最小直径ｗＦを最小化することは、他の条件が同一のままである限り、スポットの最大直径、それゆえに機械１で入手可能な精細度を最小化することを意味する。
【００８６】
光ユニット１１が任意の収差を示さないと仮定すると、ｗＦの前記最小化は、式（１）及び（２）を使用して実行することができ、ここで、式（２）において、ｚは焦点面１２と動作領域１０との間の最大距離ｚｍａｘの値と等しくなければならず、比ｗ（ｚｍａｘ）／ｗＦは上記の最大比率と等しくなければならない。
【００８７】
実際には、光ユニット１１には収差がある。この文脈において関連する収差は、特に、球面収差であり、それは以下で単に「収差」として簡単に示される。
【００８８】
周知のように、収差は、所定のビームの光線の合焦領域を大きくする効果を有する。
【００８９】
収差の影響を受けるガウシアンビームの場合、その形状は、前記式（１）及び（２）と比較してより複雑な式で記載することができ、それは単純化するために本明細書に示されないが、文献で知られている。
【００９０】
ここで、それは、ガウシアンビームに関して、より大きい収差は、他の条件が同一のままであれば、より大きな最小直径ｗＦ、ならびに、上記の直径の変形の条件を満たすビームの部分のより長い長さＬを含むことを示すのに十分である。
【００９１】
それゆえに、一方で、最小直径ｗＦの増加が収差をできる限り制限することを示唆する場合、他方では、より大きい収差は、光ユニット１１の下流で直径ｗＬを減少させることを可能にし、結果的に、最小直径ｗＦも減少させる。
【００９２】
２つの効果のどちらが勝るかは、機械１のために選択される特定の構成に依存し、したがって、事前に知ることはできない。
【００９３】
それゆえに、好ましくは、収差は、最小直径ｗＦの最小化のための計算におけるさらなる未知の因子として使用される、所定の焦点距離ｆのために、互いに異なる収差値を有するいくつかのレンズが一般に市場で利用可能であることが考慮される。
【００９４】
有利なことには、多くの場合における計算の未知の因子としての収差の使用により、所定の収差、たとえば、所定の焦点距離のために市場で利用可能な最小の収差を有する光ユニット１１を考慮して得られる直径より短い最小直径ｗＦを得ることが可能となる。
【００９５】
上記利点は、一般に、その収差が増加するにつれて光ユニット１１のコストは減少するという事実に追加されなければならない。それゆえに、前記計算が所定の局所長さの市場で利用可能な最小のものより大きい収差を提供する場合、対応する光ユニット１１は、機械１の全体的なコストに有利なことに、最小収差を有する光ユニットよりコストは小さくなる。
【００９６】
焦点面１２に関しては、これは好ましくは、基材３の内側に配置される第１の部分１３及び基材３の外側に配置される第２の部分１４を得るために、入射領域８と交差するように定義される。
【００９７】
それゆえに、光ビーム６が焦点面１２の第１の部分１３の方へ向けられると、図４に概略的に示されるように、最小断面１５に到達する前に、動作領域１０に入射する。したがって、光ビーム６の一部は、最小断面１５の上流で利用される。
【００９８】
逆もまた同様に、光ビーム６が焦点面１２の第２の部分１４の方へ向けられると、図３に示されるように、最小断面１５を過ぎて通過した後に、動作領域１０に到達する。したがって、光ビーム６の一部は、最小断面１５の下流に利用される。
【００９９】
有利なことには、他の条件が同一のままであれば、前記構成により、焦点面１２と作業面１０との間の最大距離ｚｍａｘを減少させることが可能となり、最小直径ｗＦを減少させることが可能となる。
【０１００】
好ましくは、光ビーム６が第１の部分１３の方へ向けられるときに得られるスポットの最大表面積が、光ビーム６が第２の部分１４の方へ向けられるときに得られるスポットの最大表面積と等しいように、焦点面１２は配置される。
【０１０１】
有利なことには、上記の構成により、所定のサイズの動作領域１０の最小直径ｗＦを最小化することが可能となる。
【０１０２】
上記の要件を満たすことは、動作領域１０に対して焦点面１２を、光ビーム６の伝搬の方向に沿って計測される、第１の部分１３と動作領域１０との間の最大距離と、第２の部分１４と動作領域１０との間の最大距離との合計が、上に示される最大直径の条件を満たす光ビーム６の部分の長さＬと等しいように配置することを意味する。
【０１０３】
実際には、収差のために、光ビーム６の前記部分は、最小断面１５に対して収差がない場合に行われるように対称には配置されないが、最小断面１５に対して上流に移動される。
【０１０４】
好ましくは、光反射装置７は、焦点面１２と動作領域１０との交点が、入射領域８及び動作領域１０とともに図５で概略的に示される円周１６であるように構成される。
【０１０５】
前記円周１６は、２つの軸Ｘ１、Ｘ２のそれぞれ１つのまわりで、光反射装置７の全体的な動作角αの二等分線９と直交するように外面４を配置することによって得られる。
【０１０６】
前記条件により、前記二等分線９のまわりで軸対称であるように可変であるスポットを得ることが可能となる、すなわち、二等分線９と同一の角度を形成する入射のすべての方向に対して同一の形状を有する。
【０１０７】
結果的に、有利には、後者の所定の表面積の動作領域１０におけるスポットの最大サイズを最小化することが可能となる。
【０１０８】
さらに有利なことには、前記軸方向の対称性により、物体自体の実際の構築の間に光ビーム６の経路を計画するために使用される三次元物体の数値表現を簡略化することが可能となる。
【０１０９】
好ましくは、論理制御ユニット１９は、動作領域１０は前記円周１６と同心の円形形状を有するように構成される。
【０１１０】
上記の構成により、動作領域１０と焦点面１２との間の最大距離ｚｍａｘを最小化することが可能となり、したがって、動作領域１０の同一の表面積を有するスポットの最大サイズを減少させることが可能となる。
【０１１１】
明らかに、上記の結果は、スポットが動作領域１０の中心及び周辺のレベルで同時にその最大表面積を有するように焦点面１２を配置することによって得られる。
【０１１２】
形状で正方形である入射領域８を光反射装置７が定義する一般的な場合において、円形動作領域１０を定義することは、頂点のレベルに配置される入射領域８の部分を排除することを意味し、したがって、前記最大距離ｚｍａｘを大きく減少させる。
【０１１３】
結果的に、有利には、すべての正方形の入射領域８と一致する動作領域を使用して得られるサイズと比較して、スポットのサイズを減少させることが可能となる。
【０１１４】
好ましくは、円形動作領域１０は、図５に概略的に示されるように、入射領域８に刻まれるように定義され、したがって、所定の入射領域８の動作領域１０の表面積を最大化し、光反射装置７の解像度を可能な限り利用する。
【０１１５】
一例として、最も一般に使用される既知のタイプの機械には、４０°の角度振幅で動作し、１６０ｍｍの焦点距離を有するｆθレンズを有する光反射装置が設けられる。この組合せは、１１０×１１０ｍｍの動作領域２０、及び直径が約４０μｍの円形スポットを提供する。
【０１１６】
上記の発明概念を使用して、本発明を出願している出願人は、１８０ｍｍの直径を有する円形動作領域１０、及び約６０μｍの直径を有するスポットを得ることができるであろう。
【０１１７】
図５は、上記の内容を定性的に表す。特に、動作領域１０は、入射領域８より小さいが、既知の機械の動作領域２０よりかなり大きいことを見ることができる。
【０１１８】
それゆえに、精細度のわずかな減少を受け入れることで、機械のコストを増加させる必要なく、動作領域１０の表面積を二倍にすることが可能となっており、むしろ、既知のタイプの機械と比較してコストを減少させる。
【０１１９】
本発明の機械の減少したコストは、後者が、既知のタイプの機械が意図されるそれらの厳密に専門的なまたは工業用の部門、正確には、満たすべき主な要件が機械のコストである部門より広い範囲の部門での使用に適するようにし、一方、精細度は２番目の問題と考えられることが理解できる。
【０１２０】
他方で、既知のタイプの機械で、表面積が上述の１８０ｍｍの直径を有するものと比較できる動作領域を得るために、約１６０×１６０ｍｍの正方形の動作領域に対応する、約２５０ｍｍの焦点距離を有するｆθレンズを使用することが必要である。
【０１２１】
しかし、前記ｆθレンズは、その前のｆθレンズより非常に高価であり、さらにまた、本発明の前記機械によって入手可能なものといかなる場合でも比較できるサイズのスポットを得ることを可能にする。
【０１２２】
実際には、動作領域１０の直径は好ましくは、１７０ｍｍ〜１９０ｍｍに含まれる。前記間隔は、さまざまな応用に好適であり、さらにまた、約２５０ｍｍの焦点距離を有する前記ｆθレンズで入手可能なものと比較できる精細度及び動作領域を、非常に低コストで得ることを可能にする。
【０１２３】
上述の内容は、上記のステレオリソグラフィ機械が本発明のすべての目的を実現することを明確に示す。
【０１２４】
特に、光学ユニット及び発光ユニットの特定の構成により、既知のタイプの機械と比較して、機械のコストを大幅に減少させることが可能となり、機械を、専門的または工業用の部門だけでなく、より広い範囲の部門に好適なものとする。
【０１２５】
さらにまた、前記構成により、動作領域のサイズを特定の光学ユニットから独立させることも可能となり、したがって、機械の設計における柔軟性を増加させ、機械のコストを極端に増加させることなく、動作領域を広げることを可能にする。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材（３）を区切る外部表面（４）を定義する、液体またはペースト状態の前記基材を含有するコンテナ（２）と；
光ビーム（６）を放出するように構成される発光ユニット（５）と；
前記光ビーム（６）をそらし、前記光ビーム（６）が前記外部表面（４）に属する入射領域（８）の任意の点に入射するように制御することに適した光反射装置（７）と；
前記光ビーム（６）が前記入射領域（８）に属する動作領域（１０）の任意の点に選択的に入射するように、前記光反射装置（７）を制御するように構成される論理制御ユニット（１９）と；
前記光ビーム（６）が前記光反射装置（７）によって定義される異なる方向に沿って最小断面（１５）を有する点によって定義される焦点面（１２）上で前記光ビーム（６）の焦点を合わせるように構成される光ユニット（１１）であって、前記光ユニット（１１）が前記発光ユニット（５）と前記光反射装置（７）との間に配置される、光ユニット（１１）と；
を備え、
前記光ユニット（１１）が、前記焦点面（１２）が球面であるように構成されること、ならびに、
前記発光ユニット（５）及び前記光ユニット（１１）が、一方での、動作領域（１０）全体にわたる記光ビーム（６）と前記動作領域（１０）との交点の最大直径と、他方での、前記最小断面（１５）の直径（ｗＦ）との比が１．１５を超えないように構成されること
を特徴とする、
ステレオリソグラフィ機械（１）。
【請求項２】
前記光ユニット（１１）が固定されている
ことを特徴とする、
請求項１に記載のステレオリソグラフィ機械（１）。
【請求項３】
前記発光ユニット（５）及び前記光ユニット（１１）が、前記比が１．１０〜１．１５に含まれるように構成される
ことを特徴とする、
請求項１または２に記載のステレオリソグラフィ機械（１）。
【請求項４】
前記発光ユニット（５）及び前記光ユニット（１１）が、前記動作領域（１０）の任意の所定の構成及び前記動作領域（１０）と前記光反射装置（７）との間の任意の所定の距離によって、前記最小断面（１５）の前記直径（ｗＦ）を最小化するように構成される
ことを特徴とする、
請求項１〜３のうちいずれか一項に記載のステレオリソグラフィ機械（１）。
【請求項５】
前記焦点面（１２）が、前記焦点面（１２）の第１の部分（１３）が前記基材（３）内側に配置されるように、前記動作領域（１０）と交差するように配置されること、及び、
前記焦点面（１２）の第２の部分（１４）が、前記基材（３）の外側に配置されること
を特徴とする、
請求項１〜４のうちいずれか一項に記載のステレオリソグラフィ機械（１）。
【請求項６】
前記発光ユニット（５）及び前記光ユニット（１１）が、前記光ビーム（６）が前記第１の部分（１３）の方へ向けられるときの前記光ビーム（６）と前記動作領域（１０）との間の最大交差領域が、前記光ビーム（６）が前記第２の部分（１４）の方へ向けられるときの前記光ビーム（６）と前記動作領域（１０）との間の最大交差領域と等しいように構成される
ことを特徴とする、
請求項５に記載のステレオリソグラフィ機械（１）。
【請求項７】
前記光反射装置（７）が、前記焦点面（１２）と前記動作領域（１０）との交点が円周（１６）であるように構成される
ことを特徴とする、
請求項５または６に記載のステレオリソグラフィ機械（１）。
【請求項８】
前記論理制御ユニット（１９）が、前記動作領域（１０）が円形で前記円周（１６）と同心であるように構成される
ことを特徴とする、
請求項７に記載のステレオリソグラフィ機械（１）。
【請求項９】
前記円形動作領域（１０）が前記入射領域（８）に刻まれる
ことを特徴とする、
請求項８に記載のステレオリソグラフィ機械（１）。
【請求項１０】
前記円形動作領域（１０）の直径が１７０ｍｍ〜１９０ｍｍに含まれる
ことを特徴とする、
請求項９に記載のステレオリソグラフィ機械。
【請求項１１】
前記光ユニット（１１）がレンズ、または連続して配置されるレンズセット（１７）である
ことを特徴とする、
請求項１〜１０のうちいずれか一項に記載のステレオリソグラフィ機械（１）。
【請求項１２】
前記発光ユニット（５）が、コリメート光ビーム（６）を放出するように構成される
ことを特徴とする、
請求項１〜１１のうちいずれか一項に記載のステレオリソグラフィ機械（１）。
【請求項１３】
前記発光ユニット（５）がレーザーエミッタを備える
ことを特徴とする、
請求項１２に記載のステレオリソグラフィ機械（１）。
【請求項１４】
前記発光ユニット（５）が、前記コリメート光ビーム（６）の断面が２つの互いに直交する対称軸に対して対称であるように構成される
ことを特徴とする、
請求項１２または１３に記載のステレオリソグラフィ機械（１）。
【請求項１５】
前記動作領域（１０）の構成を定義することと；
前記光反射装置（７）と前記動作領域（１０）との間の距離を定義することと；
一方での、動作領域（１０）全体にわたる、前記光ビーム（６）と前記動作領域（１０）との交点の最大直径と、他方での、前記最小断面（１５）の直径（ｗＦ）との比の値が、１．１５より小さいまたは等しいという条件の下で、前記最小断面（１５）の前記直径（ｗＦ）の値を最小化するように、前記発光ユニット（５）及び前記光ユニット（１１）のためのいくつかの設計パラメータの値を計算することであって、前記設計パラメータが、前記光ユニット（１１）に入射する前記光ビーム（６）の少なくとも直径（ｗＬ）及び品質係数（Ｍ２）ならびに前記光ユニット（１１）の焦点距離（ｆ）を備える、計算することと；
前記設計パラメータの前記値に従って前記発光ユニット（５）及び前記光ユニット（１１）を選択することと
を含む
ことを特徴とする、
請求項１〜１４のうちいずれか一項に記載のステレオリソグラフィ機械（１）を設計する方法。
【請求項１６】
前記設計パラメータが、前記光ユニット（１１）の収差の代表的なパラメータを備える
ことを特徴とする、
請求項１５に記載の方法。
【国際調査報告】
2017507814.tif 000012
2017507814.tif 000013
2017507814.tif 000014