(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液状の光硬化性樹脂に光を照射して硬化層を順次形成することにより所望の形状の造形物を形成する光造形装置において、
上記光硬化性樹脂を貯留する樹脂貯留槽と、
上記硬化層を保持するとともに少なくとも上記光硬化性樹脂の液面に対して直交する方向に移動される移動架台と、
上記移動架台の上面若しくは下面、又は上記移動架台の上面若しくは下面に形成された硬化層との間に形成される所定の厚みの硬化層形成面の上記光硬化性樹脂の揺動を規制する液面規制板と、
上記液面規制板を介して上記硬化層形成面上の上記光硬化性樹脂を描画することにより硬化層を形成するための所定の波長の光ビームを放射する描画用光源と、
上記描画用光源から放射された光ビームを上記光硬化性樹脂に走査させる走査手段とを備え、
上記液面規制板には、上記描画用光源から放射される光ビームの一部を反射する反射コーティング膜が形成され、
上記反射コーティング膜で反射された光ビームを検出することにより上記走査手段により走査される光ビームのフォーカス状態を調整する光造形装置。
【請求項２】
上記反射コーティング膜は、多層積層膜である請求項１記載の光造形装置。
【請求項３】
さらに、上記硬化層形成面の面内における一定領域毎に照射される光を放射する一括露光用光源と、
上記一括露光用光源から放射された光を空間変調して上記光硬化性樹脂上の所定領域を一括露光させる空間光変調手段とを備え、
上記走査手段により走査される光ビームと、上記空間光変調手段により空間変調される光とにより、上記造形物の各硬化層を形成する請求項１又は請求項２記載の光造形装置。
【請求項４】
液状の光硬化性樹脂を貯留する樹脂貯留槽と、上記光硬化性樹脂に光が照射されることにより形成される硬化層を保持するとともに少なくとも上記光硬化性樹脂の液面に対して直交する方向に移動される移動架台と、上記移動架台の上面若しくは下面、又は上記移動架台の上面若しくは下面に形成された硬化層との間に形成される所定の厚みの硬化層形成面の上記光硬化性樹脂の揺動を規制する液面規制板とを備える光造形装置を用い、上記液面規制板を介して上記光硬化性樹脂に光を照射して硬化層を順次形成することにより所望の形状の造形物を形成する光造形方法において、
上記硬化層形成面上の上記光硬化性樹脂を描画することにより硬化層を形成するための所定の波長の光ビームを放射する描画用光源から光ビームを放射し、
上記液面規制板に形成され上記描画用光源から放射される光ビームの一部を反射する反射コーティング膜により反射された光ビームを検出することにより、上記描画用光源から放射された光ビームを上記光硬化性樹脂に走査させる走査手段により上記描画用光源から放射され上記反射コーティング膜を透過された光ビームのフォーカス状態を調整するとともに上記硬化層形成面上を走査させる光造形方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、紫外線硬化樹脂等の光硬化性樹脂に光を照射することにより硬化層を形成し、これを積層して所望の形状の樹脂造形物を形成する光造形装置及び光造形方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＣＡＤ装置により入力された３次元形状データを用いて、機械加工等をすることなく目標造形物である立体モデルを生成する、所謂ラピッドプロトタイピング（ＲＰ）と呼ばれる手法が多くの製造現場で注目を集めている。
【０００３】
従来より、このラピッドプロトタイピングの手法として、紫外線硬化樹脂を用いた光造形、熱可塑性樹脂を押し出しこれを積層する方法（ＦＤＭ）、粉末の溶融接着積層方式（ＳＬＳ）、紙を薄膜積層する方式（ＬＯＭ）、粉末や効果触媒を吐出させ積層する方式（Ｉｎｋ−Ｊｅｔ方式）等が知られている。
【０００４】
従来の３次元造形では、以下のような流れにより、所望の立体形状の造形物を形成する。具体的には、まず、コンピュータ等により、立体デザインシステムであるＣＡＤ装置によって、目標とする立体形状（３次元形状データ）を入力及び設計する。
【０００５】
次に、入力されたＣＡＤデータをＳＴＬフォーマット等の所定の３次元形状データに変換し、造形物の配置する向き及び積層方向（正立、倒立、横転等）を決定し、積層方向に厚さを０．１〜０．２ｍｍ程度とした輪切り状にスライスして、各層毎の断面データを生成する。
【０００６】
そして、その各層毎の断面データに基づいて、最下層から一層毎に液状光硬化性樹脂、粉末樹脂、金属粉やワックス等の材料の性状を変化させて積み上げていくことで３次元立体モデルを得ることができる。
【０００７】
具体的に、例えば、液状光硬化性樹脂の場合には、図２４に示すように、樹脂貯留槽２０３に貯留された液状光硬化性樹脂２０２に、上方から光ビームＢ２０１を照射しながら硬化層を一層ずつ造形していく所謂自由液面法といった形式や、図２５に示すように、樹脂硬化用の光ビームを透過させる透明板をさらに設け、この透明板により紫外線硬化樹脂の液面の振動、揺動等を抑制する所謂液面規制法といった形式の光造形方法がある。
【０００８】
この液状光硬化性樹脂と自由液面法を用いた場合について図２４を用いて説明すると、まず、液面２０２ｂに対して垂直方向に移動される移動架台２０４上に一層目となる所定の厚みの硬化層２０２ａを形成し、次に、移動架台２０４を下方に移動させた後にこの一層目の硬化層上に、所定の厚みの硬化層を形成し、さらに、積層を進めてｎ−１層目の硬化層の上に、ｎ層目の硬化層を形成することで、３次元形状モデルを得ることができる。
【０００９】
一方、液面規制法を用いた場合には、図２５（ａ）に示すように、上述の図２４を用いて説明した自由液面方式の液面２０２ｂに透明板２０５を追加して、液面の揺動等を規制するとともに上方側から光ビームＢ２０１を照射して移動架台２０４の上面に造形するタイプのものと、図２５（ｂ）に示すように、樹脂貯留槽２１３の底面部にガラス等の透明板により形成した底部透過部２１３ａを設け、移動架台２１４と底部透過部２１３ａとの間の液状光硬化性樹脂の揺動等を規制するとともに、下方側からこの底部透明板を介して照射して移動架台２１４の下面に造形するタイプのものとがある。上方側から光ビームを照射するタイプのものは上述の自由液面方式と光ビームを透明板を介して光硬化性樹脂に照射させることを除いて同様であるのでここでは説明を省略する。
【００１０】
そして、液状光硬化性樹脂と液面規制法（下方側から光ビームを照射するタイプのもの）を用いた場合について図２５（ｂ）を用いて説明すると、まず、垂直方向に移動される移動架台２１４の下面と、樹脂貯留槽２１３の底部透過部２１３ａとの間の紫外線硬化樹脂２１２に底部透過部２１３ａ側から光Ｂ２１１を照射することにより一層目となる所定の厚みの硬化層を形成し、次に、移動架台を上方に移動させた後にこの一層目の硬化層上に、すなわち、下方側に所定の厚みの硬化層を形成し、さらに、下方側に積層を進めてｎ−１層目の硬化層上に、ｎ層目の硬化層を形成することで、３次元形状モデルを得ることができる。
【００１１】
以上のような３次元造形方法及びこの３次元造形を実現する造形装置は、機械加工による立体物製作法では切削加工が困難であった自由曲面や複雑な構造を有する立体形状を簡単に製作することが可能であり、機械加工に要する工具の摩耗、騒音、振動、切削屑等の発生することなく、完全自動化されたプロセスにより所望の立体形状（モデル）を得ることができる。
【００１２】
このような有用な３次元造形技術を、精度が数μｍ程度の高精細な樹脂成型物の製造等といった多種多様な分野に適用するためには、さらに高精細及び高速な造形が望まれる。
【００１３】
しかしながら、従来の立体造形方法及び立体造形装置では、正確なフォーカス検出を行うものがなかっため、光造形の精細度を高めるには限界があった。すなわち、光造形の精細度を向上させていくには、光ビームの焦点を絞る必要がある。そのためには、オートフォーカスのような機構が必要である。
【００１４】
具体的に、ビームスポット径が５０μｍ（ミクロン）程度までなら、あらかじめ計算された光ビーム描画位置と各位置に対応したフォーカス状態との関係から焦点合わせを行うことが可能である。従来の光造形装置では、このような方法により焦点合わせを行っていた。ところが、さらに高精細な精度を要求する場合に、光ビームのスポット径が数ミクロンレベルにする必要がある場合には、リアルタイムに光ビームのフォーカス状態を調べながらフォーカス合わせを行う必要がある。
【００１５】
光造形においてリアルタイムにフォーカス検出を行う方法としては、例えば、光ディスク等の技術で用いられる非点収差法等を応用することが考えられる。すなわち、光造形の際の光硬化性樹脂を硬化させるために描画される露光用の光ビームの光硬化性樹脂の硬化層形成面での反射光を受光して検出する検出器等を設け、この検出器により反射光を受光することでフォーカス状態を検出するといった方法が考えられる。
【００１６】
従来の多くの光造形は、上述の自由液面法を用いて行われており、すなわち、光硬化性樹脂の液面が空中に露出しており、この自由液面法を用いた光造形装置においては、描画用の光ビームがこの空気と樹脂との界面にフォーカスを合わせることにより、フォーカス状態を検出することが考えられる。
【００１７】
しかしながら、このような自由液面法を用いた光造形では、造形時の積層精度が液面の表面精度により制限されることとなり、上述のような高精度化に限界があった。
【００１８】
このような高精度化の観点から、提案されているのが、上述した液面規制法を用いた光造形である。液面規制法を用いた光造形装置では、空中に樹脂液面を露出させる代わりに、硬化層形成面にガラス等により形成された液面規制板として機能する透過部を設けることにより、液面の揺動を規制し、ここで形成される硬化層の平滑度を向上させることで、積層精度を向上させることができる。
【００１９】
このような液面規制法を用いた光造形は、高精細を要求する場合に優れたものであるが、液面規制法を用いた光造形装置において、フォーカス検出を行う場合には、以下のような問題がある。すなわち、液面規制法を用いた光造形装置において、図２６に示すように、描画用の光ビームＢ２１１を、上述したようなガラス等で形成される底部透過部２１３ａから入射させたときに、底部透過部２１３ａの入射側である下面２１３ｂから反射される第１の反射光Ｂ２２１と、底部透過部２１３ａと光硬化性樹脂２１２との界面である底部透過部２１３ａの上面２１３ｃから反射される第２の反射光Ｂ２２２との、少なくとも２箇所で反射される２つの反射光が発生する。第１の反射光Ｂ２２１は、例えばガラスと空気の屈折率差によって、無反射コーティング等を施さなければ数％の反射率で発生することとなるが、実際にフォーカスを合わせるために検出したいガラス（底部透過部２１３ａ）と光硬化性樹脂２１２の界面からの第２の反射光Ｂ２２２は、例えばガラスと紫外線硬化樹脂の屈折率差が少ないために、検出が困難な程少ない反射率で発生することとなる。このように、液面規制法の場合に、単に光硬化性樹脂で反射することにより発生する戻り光によりフォーカス検出を行おうとする際には、戻り光の強度に関して問題があり、これにより、正確なフォーカス状態を検出できないおそれがあるといった問題がある。
【００２０】
以上のように、光造形の精細度を向上させるために、液面規制法とフォーカス調整とを行うことが望まれるが、液面規制法を用いた光造形装置において正確なフォーカス検出を行うことが困難であり、これにより、描画用の光ビームを光硬化性樹脂の硬化層形成面上に適切なスポット径で集光することができず、高精度な光造形が困難であった。
【００２１】
【特許文献１】特開平５−７７３２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
本発明の目的は、正確なフォーカス状態を検出して、描画用の光ビームを光硬化性樹脂の硬化層形成面上に適切なスポット径で集光することにより、高精度な光造形を行うことができる光造形装置及び光造形方法を提供することにある。
【００２３】
また、本発明の目的は、フォーカス検出信号を確実に検出することができる光造形装置及び光造形方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
この目的を達成するため、本発明に係る光造形装置は、液状の光硬化性樹脂に光を照射して硬化層を順次形成することにより所望の形状の造形物を形成する光造形装置において、上記光硬化性樹脂を貯留する樹脂貯留槽と、上記硬化層を保持するとともに少なくとも上記光硬化性樹脂の液面に対して直交する方向に移動される移動架台と、上記移動架台の上面若しくは下面、又は上記移動架台の上面若しくは下面に形成された硬化層との間に形成される所定の厚みの硬化層形成面の上記光硬化性樹脂の揺動を規制する液面規制板と、上記液面規制板を介して上記硬化層形成面上の上記光硬化性樹脂を描画することにより硬化層を形成するための所定の波長の光ビームを放射する描画用光源と、上記描画用光源から放射された光ビームを上記光硬化性樹脂に走査させる走査手段とを備え、上記液面規制板には、上記描画用光源から放射される光ビームの一部を反射する反射コーティング膜が形成され、上記反射コーティング膜で反射された光ビームを検出することにより上記走査手段により走査される光ビームのフォーカス状態を調整する。
【００２５】
また、この目的を達成するため、本発明に係る光造形方法は、液状の光硬化性樹脂を貯留する樹脂貯留槽と、上記光硬化性樹脂に光が照射されることにより形成される硬化層を保持するとともに少なくとも上記光硬化性樹脂の液面に対して直交する方向に移動される移動架台と、上記移動架台の上面若しくは下面、又は上記移動架台の上面若しくは下面に形成された硬化層との間に形成される所定の厚みの硬化層形成面の上記光硬化性樹脂の揺動を規制する液面規制板とを備える光造形装置を用い、上記液面規制板を介して上記光硬化性樹脂に光を照射して硬化層を順次形成することにより所望の形状の造形物を形成する光造形方法において、上記硬化層形成面上の上記光硬化性樹脂を描画することにより硬化層を形成するための所定の波長の光ビームを放射する描画用光源から光ビームを放射し、上記液面規制板に形成され上記描画用光源から放射される光ビームの一部を反射する反射コーティング膜により反射された光ビームを検出することにより、上記描画用光源から放射された光ビームを上記光硬化性樹脂に走査させる走査手段により上記描画用光源から放射され上記反射コーティング膜を透過された光ビームのフォーカス状態を調整するとともに上記硬化層形成面上を走査させる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明は、光が照射されることにより形成される硬化層を保持するとともに少なくとも光硬化性樹脂の液面に対して直交する方向に移動される移動架台と、上記移動架台との間に所定の厚みの硬化層形成面を形成するとともに、硬化層形成面の上記光硬化性樹脂の揺動を規制する液面規制板とを備え、この液面規制板に光ビームの一部を反射する反射コーティング膜が形成され、反射コーティング膜で反射された光ビームを検出することにより正確にフォーカス検出を行うとともに液面規制板を介して硬化層形成面上の光硬化性樹脂の露光を行うことにより、光ビームを光硬化性樹脂の硬化層形成面上に適切なスポット径で集光させることができ、造形精度を向上させ高精細な光造形を行うことを実現する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明を適用した光造形装置について、図面を参照して説明する。
【００２８】
本発明を適用した光造形装置１は、図１に示すように、光硬化性樹脂上に光を照射して硬化層を順次形成して積層することにより所望の形状の造形物を形成する光造形装置である。尚、以下では、光硬化性樹脂として液状の紫外線硬化樹脂を用いるものとして説明するが、これに限られるものではなく、すなわち、光が照射されることにより硬化層が形成されるものであればよい。
【００２９】
光造形装置１は、具体的に、図１に示すように、光硬化性樹脂として液状の紫外線硬化樹脂２を貯留する樹脂貯留槽３と、この樹脂貯留槽３内に浸漬され形成される硬化層２ａを下面側に保持するとともに少なくともこの紫外線硬化樹脂２の表面である液面に対して直交する垂直方向Ｚに移動可能とされる移動架台４と、この紫外線硬化樹脂２上に光を照射するための後述するビームスキャン光学系１０及びフォーカス検出光学系３０を有する光学系５とを有する。
【００３０】
樹脂貯留槽３の底部には、光学系５からの硬化用の光を透過するための透過部３ａが設けられており、光造形装置１は、光学系５からの光を透過部３ａを介して紫外線硬化樹脂２の硬化層を形成する領域である硬化層形成面に照射させることで硬化層を形成する。換言すると、移動架台４の下面と、透過部３ａの上面との間には、各硬化層の厚さ分の所定の隙間が形成されており、この所定の隙間に存在する紫外線硬化樹脂２が光学系５からの光により露光され硬化層が形成される硬化層形成面となる。
【００３１】
そして、光造形装置１は、光学系５により光を照射し移動架台４の下面に硬化層を形成する動作と、この移動架台４を垂直方向Ｚに上方に移動する動作とを順次繰り返すことにより立体造形を行う。尚、上述の硬化層が形成された後には、移動架台４の下面に形成された硬化層と、透過部３ａの上面との間の所定の隙間が形成された領域が、硬化層形成面となる。
【００３２】
上述の樹脂貯留槽３の透過部３ａは、移動架台４の下面、又は移動架台４の下面に形成された硬化層との間に硬化層形成面としての隙間を形成し、その間の紫外線硬化樹脂２の振動、揺動等を発生させないように規制又は抑制する液面規制板として機能する。液面規制板としての透過部３ａを有する光造形装置１は、硬化層形成面の紫外線硬化樹脂２の振動、揺動等を規制することにより形成される硬化層及び最終的に形成される立体造形物の精度を高め、すなわち高精細の立体造形を可能とする。
【００３３】
尚、光造形装置１において、移動架台４を垂直方向Ｚにのみ移動可能な構成として説明をするが、後述の光造形装置５１の移動手段５６のような移動手段をさらに追加して設け、移動架台４と光学系５との水平面内における相対的な位置を変化させる構成としてもよく、その場合には、移動架台４及び光学系５を固定した状態で硬化層を形成可能な領域より大面積の硬化層を形成することを可能とし、すなわち、大きな造形物を形成することを可能とすることができる。
【００３４】
この光造形装置１は、図２に示すように、ビームスキャン光学系１０用として、紫外線硬化樹脂２上に光を描画するための光ビームを放射する描画用光源（ビームスキャン用光源）として第１の光源１１と、第１の光源１１から放射された光ビームを紫外線硬化樹脂２上に走査させる走査手段１２とを備え、また、走査手段１２により走査される光ビームを紫外線硬化樹脂２の硬化層形成面に導く反射手段として反射ミラー４１を備える。
【００３５】
また、光造形装置１は、上述した第１の光源１１と走査手段１２とともに、ビームスキャン光学系１０を構成するために、第１の光源１１から放射された光ビームの発散角を変換して略平行光とするコリメータレンズ１３と、コリメータレンズ１３から出射された略楕円形状の光ビームを整形して略円形状にするアナモルフィックレンズ１４と、アナモルフィックレンズ１４から出射された光ビームのビーム径を後述する対物レンズ４２の開口、ＮＡ（開口数）等に適した所望のビーム径に変換してビーム径のサイズ調整を行うビームエキスパンダ１５と、ビームエキスパンダ１５から出射された光ビームの発散角度を調整して収束光、平行光、又は発散光の状態として出射させることで後述する対物レンズ４２により紫外線硬化樹脂２上に集光される光ビームのフォーカス状態を調整するフォーカス調整レンズ１６と、紫外線硬化樹脂２に照射する光ビームの通過・遮蔽を制御し、すなわちビームスキャン光学系１０による描画のオン・オフ制御をするためのシャッタ１７とを備える。
【００３６】
ここで、フォーカス調整レンズ１６と、シャッタ１７との間には、第１の光源１１から放射された光ビームを透過させるとともに、紫外線硬化樹脂２で反射された戻り光を検出するための後述する反射光検出手段としての光検出器３２に導くためのビームスプリッタ３１が設けられている。このビームスプリッタ３１は、後述のようにフォーカス検出光学系３０を構成する。
【００３７】
ビームスキャン用光学系に用いられるビームスキャン用光源としての第１の光源１１は、硬化層形成面上の紫外線硬化樹脂２を描画することにより硬化層を形成するための光ビームを放射するものであり、例えば、発振波長３７５ｎｍ程度のレーザ光を放射する半導体レーザである。尚、ここでは、波長３７５ｎｍとしたが、これに限られるものではなく、使用する光硬化性樹脂を硬化し得る程度、例えば、青〜紫外域程度の比較的波長の短いレーザ光を放射するものであればよい。尚、ここでは、半導体レーザを用いるものとしたが、これに限られるものではなく、ガスレーザー等を用いてもよい。ここでは、第１の光源１１として半導体レーザーを用いたので、レーザー出射後に略平行な光ビームにするためのコリメータレンズ１３と、楕円形とされた光ビームを円形の光ビームにするためのアナモルフィックレンズ１４が設けられている。また、ここでは、シャッタ１７を設けるように構成したが、第１の光源１１として半導体レーザを用いていることから、これを直接変調することにより光ビームのオン・オフ制御をするように構成してもよい。
【００３８】
光造形装置１の走査手段１２は、例えば、ビームエキスパンダ１５からの入射した光ビームを偏向して紫外線硬化樹脂２の表面である液面に平行な面内の第１の方向としてＸ方向に走査させる第１のガルバノミラー２１と、第１のガルバノミラー２１からの光ビームを偏向してＸ方向に略直交し紫外線硬化樹脂２の液面に平行な面内の第２の方向としてＹ方向に走査させる第２のガルバノミラー２２と、反射ミラー４１と紫外線硬化樹脂２との間に設けられ、第２のガルバノミラー２２からの光ビームを集光するとともに、第１及び第２のガルバノミラー２１，２２で偏向された光ビームを紫外線硬化樹脂２上に等速度で走査させる対物レンズ４２とからなる。
【００３９】
また、走査手段１２は、第１のガルバノミラー２１と第２のガルバノミラー２２との間に設けられる第１のリレーレンズ２３と、第２のガルバノミラー２２と反射ミラー４１との間に設けられる第２のリレーレンズ２４とを有する。
【００４０】
第１及び第２のガルバノミラー２１，２２は、所定の方向に回転可能とされたミラー等の反射手段と、電気信号に応じて反射手段の回転方向の角度を調整する調整手段とを有し、光ビームを所定の方向に走査させるため、入射した光ビームを所定の角度で反射して、すなわち所望の方向に偏向することにより、移動架台４上の走査すべき面内（以下、「ワーク領域」ともいう。）に光ビームを走査させる。このように、第１及び第２のガルバノミラー２１，２２は、光ビームを偏向するビーム偏向手段として機能する。尚、ここでは、第１のガルバノミラー２１により光ビームをＸ方向に走査させ、第２のガルバノミラー２２により光ビームをＹ方向に走査させるように構成したが、これに限られるものではなく、紫外線硬化樹脂２の液面に平行な面内、すなわち、移動架台４上の走査すべき面内において、略直交する任意の二軸の一方及び他方を走査できるように構成すればよい。また、走査手段１２に設けられ光ビームを所定の二軸方向にそれぞれ偏向させるビーム偏向手段としては、上述のガルバノミラーに限られるものではなく、ポリゴンミラー等を用いるように構成してもよい。
【００４１】
第１及び第２のガルバノミラー２１，２２で偏向された光ビームを紫外線硬化樹脂２上に等速度で走査させる対物レンズ４２は、一又は複数のレンズを有するレンズ群からなり、第１及び第２のガルバノミラー２１，２２によりＸ方向及びＹ方向に走査され、反射ミラー４１で反射されて入射された光ビームを紫外線硬化樹脂２上に集光して結像させることで、第１及び第２のガルバノミラー２１，２２で偏向された光ビームを紫外線硬化樹脂２上に均一な走査線速度で走査させる。
【００４２】
ここでは、この対物レンズ４２として、図３に示すように、入射角θに比例した像高Ｙをもち、焦点距離ｆと入射角θとの積が像高Ｙとなるような関係（Ｙ＝ｆ×θ）を有する所謂ｆθレンズが用いられる。換言すると、ｆθレンズは、走査される光ビームの走査速度が、レンズへの入射位置によらず、常に一定となるように設計されたレンズである。
【００４３】
すなわち、対物レンズ４２としてのｆθレンズは、例えば、第１及び第２のガルバノミラー２１，２２の回転速度を等速度とした状態で、この第１及び第２のガルバノミラー２１，２２で走査され対物レンズ４２により結像されるワーク領域内における走査線速度を等速度とすることを可能とし、走査線速度がばらつくことによる設計形状と実際の硬化層の形状とに違いが発生することを防止する。すなわち、例えば、ＸＹ方向に対して傾斜した所望の直線上を結像される光ビームを走査しようとした場合に、Ｘ方向の走査線速度成分と、Ｙ方向の走査線速度成分との何れか一方又は両方がばらついたときには、走査される光ビームが所望の直線を描くことができなくなることを、上述の対物レンズ４２及び第１及び第２のガルバノミラー２１，２２は、解消することができる。このように、対物レンズ４２は、第１及び第２のガルバノミラー２１，２２とともに、ワーク領域上の走査線速度を等速度に走査させることを可能とし、微細描画による高精細な造形を実現する。
【００４４】
尚、ここで用いられる対物レンズ４２は、ｆθレンズに限られるものではなく、通常の集光機能を有するレンズを用いるとともに第１及び第２のガルバノミラー２１，２２を制御する駆動制御部側でその回転速度を電気的に調整制御し、第１及び第２のガルバノミラー２１，２２で偏向された光ビームを対物レンズで集光して均一な走査線速度で走査させるように構成してもよい。
【００４５】
ここで、第１及び第２のガルバノミラー２１，２２と対物レンズ４２とにより、第１の光源１１から放射された光ビームを走査する動作について図４を用いて説明する。尚、図４中においては、第１のガルバノミラー２１と対物レンズ４２との動作を示すために第２のガルバノミラー２２、第１及び第２のリレーレンズ２３，２４並びに反射ミラー４１を省略して示す。また、第２のガルバノミラー２２と対物レンズ４２との動作についても同様であるので詳細は省略する。
【００４６】
第１のガルバノミラー２１には、コリメータレンズ１３で平行光とされ、ビームエキスパンダ１５で均一化された光ビームが入射され、その角度に応じてＸ方向に走査されて、対物レンズ４２によりワーク領域上に集光される。
【００４７】
このように、対物レンズ４２は、第１のガルバノミラー２１によりＸ方向に走査された光ビームが所定の状態で入射させることで、ワーク領域上をＸ方向に走査させるとともにワーク領域の紫外線硬化樹脂２上に垂直方向に入射させテレセントリックに結像させる。また、対物レンズ４２は、同様に、第２のガルバノミラー２２によりＹ方向に走査された光ビームが所定の状態で入射させることで、ワーク領域上をＹ方向に走査させるとともにワーク領域の紫外線硬化樹脂２上に垂直方向に入射させテレセントリックに結像させる。
【００４８】
ところで、第１及び第２のガルバノミラー２１，２２による走査方向のスキャン角度と、対物レンズ４２の焦点距離には、一定の関係がある。上述のように、対物レンズ４２をｆθレンズとした場合には、例えば、ワーク領域のＸ方向及びＹ方向の寸法がそれぞれ１ｃｍ、すなわちワーク領域を１ｃｍ×１ｃｍ程度とし、第１及び第２のガルバノミラー２１，２２のスキャン角度を±１０度程度とすると、焦点距離は約２８．６５ｍｍ程度となる。尚、第１及び第２のガルバノミラー２１，２２のスキャン角度及び対物レンズ４２の構成を変えることによりワーク領域の大きさを変更することも可能である。
【００４９】
このように、ワーク領域の大きさは、第１及び第２のガルバノミラー２１，２２の回転角度、対物レンズ４２の径及び構成、その他の光学部品の構成及び配置等により決定される。また、ワーク領域とは、光学系５と移動架台４との液面と平行な平面内、すなわち水平な平面内での位置関係が変化しない状態における硬化層を形成可能な領域であって、且つ、垂直方向Ｚにおいては移動架台４又は移動架台４上に既に形成された硬化層上の領域である。換言すると、ワーク領域は、これから硬化層を形成しようとする領域を意味するものである。
【００５０】
また、対物レンズ４２は、前側焦点位置である物側焦点位置が反射ミラー４１の反射面４１ａに一致され、後側焦点位置である像側焦点位置が移動架台４上のワーク領域の紫外線硬化樹脂２に一致されて配置されている。ここで、ワーク領域の紫外線硬化樹脂２とは、移動架台４上の光ビームを走査可能な面内で且つ紫外線硬化樹脂２の硬化層を形成すべき高さの位置の紫外線硬化樹脂２をいい、多くの場合は表面、すなわち液面付近の位置を意味するものである。尚、ここでは、対物レンズの物側焦点位置を反射面４１ａに一致して配置されるように構成したが、厳密に一致させる必要はなく、反射ミラー４１自体が大きくなりすぎない程度に、反射面４１ａの近傍に物側焦点位置が位置するように配置されていればよい。すなわち、ビームスキャン光学系１０からの光ビームが全て反射面４１ａを通過（反射）させる必要性があることから反射ミラー４１が大きくなりすぎない程度に、反射面４１ａの近傍に対物レンズ４２の物側焦点位置が位置するようにすればよい。
【００５１】
第１及び第２のリレーレンズ２３，２４は、第１及び第２のガルバノミラー２１，２２による必要なスキャン角度にわたり、平行入射光ビームを平行に出射することができるとともに、物体面としての第１又は第２のガルバノミラー２１，２２上で反射させる光ビームを、次のガルバノミラー２２又は、反射ミラー４１の反射面４１ａ上に結像することができる。
【００５２】
すなわち、第１のリレーレンズ２３は、一又は複数のレンズを有するレンズ群からなり、第１のガルバノミラー２１で反射された光ビームを第２のガルバノミラー２２上の反射面に結像し、第２のリレーレンズ２４は、一又は複数のレンズを有するレンズ群からなり、第２のガルバノミラー２２で反射された光ビームを反射ミラー４１の反射面４１ａ上に結像する。
【００５３】
このような機能を有する第１及び第２のリレーレンズ２３，２４は、両側テレセントリック結像光学系となるように構成されている。尚、図５に両側テレセントリック結像光学系となるような光学系の代表例であって所謂「４ｆ光学系」とも呼ばれる光学系について示す。図５に示すようなテレセントリック結像光学系は、例えば、最も前方側の位置に配置されたレンズの前焦点位置に第１及び第２のガルバノミラー２１，２２に相当する物体面Ｐｏが配置され、最も後方側の位置に配置されたレンズの後焦点位置に第２のガルバノミラー２２又は反射ミラー４１に相当する像面Ｐｉが配置されることで、物体面Ｐｏ上の任意の位置で集光された光ビームが発散して入射されたとき、像面Ｐｉ側の対応する位置に収束されることとなる。そして、物体面Ｐｏ上の任意の位置から平行光として入射した光ビームは、像面Ｐｉ側の対応する位置に平行光として入射することとなる。このように、両側テレセントリック結像光学系は、像面側から所定の位置、所定の方向で入射した平行光を、像面側の対応する位置に、対応する方向で平行光を出射させることとなる。
【００５４】
そして、第２のリレーレンズ２４は、第２のガルバノミラー２２で偏向された光ビームが、対物レンズ４２の物側焦点位置を通過、すなわち、反射面４１ａの中心を通過するように導くともに、対物レンズ４２の所定の位置に入射するような所定の角度でこの物側焦点位置を通過するようにできる。すなわち、第２のリレーレンズ２４は、第２のガルバノミラー２２で偏向された光ビームの光軸が対物レンズ４２の前側焦点を、ワーク領域内を走査される位置に応じた角度で通過して対物レンズ４２に入射するように導くことができる。
【００５５】
第１のリレーレンズ２３は、第１のガルバノミラー２１で偏向され、第２のガルバノミラー２２及び第２のリレーレンズ２４を経由した後の光ビームが、対物レンズ４２の物側焦点位置を通過、すなわち、反射面４１ａの中心を通過するように導くとともに、対物レンズ４２の所定の位置に入射するような所定の角度でこの物側焦点位置を通過するようにできる。すなわち、第１のリレーレンズ２３は、第１のガルバノミラー２１で偏向された光ビームの光軸が対物レンズ４２の前側焦点を、ワーク領域内を走査される位置に応じた角度で通過して対物レンズ４２に入射するように導くことができる。
【００５６】
すなわち、第１及び第２のリレーレンズ２３，２４は、異なる位置に配置された第１及び第２のガルバノミラー２１，２２によりＸ方向及びＹ方向に偏向され走査される光ビームを一旦対物レンズ４２の前側焦点位置を通過させることができる。
【００５７】
第１及び第２のリレーレンズ２３，２４は、異なる位置に配置された第１及び第２のガルバノミラー２１，２２によりＸ方向及びＹ方向に偏向され走査される光ビームの、Ｘ方向及びＹ方向の通過位置を調整して、ｆθレンズ等の対物レンズ４２の前側焦点位置を一旦通過するようにしたことから、すなわち、二次元で変調された光ビームをｆθレンズの物側焦点を走査される位置に応じた角度で通過させ、これをｆθレンズで投影するようにしたことから、走査される位置に拘わらず対物レンズ４２により集光される光ビームを紫外線硬化樹脂２の液面に対して垂直にすることができ、光ビームが斜めに集光されることにより各硬化層に傾斜面が形成されてしまうことを防止して高精細な造形を可能とする。
【００５８】
また、第１及び第２のリレーレンズ２３，２４は、このように、変調された光ビームを紫外線硬化樹脂２の液面に対して垂直に入射させることができるので、反射された戻りの光ビームの光路を往路の光ビームの光路と一致させて、後述する反射光検出手段としての光検出器３２に導くことを可能とする。
【００５９】
また、第１及び第２のリレーレンズ２３，２４は、例えば各構成部品の配置の都合上の理由、又は他の光学系の追加等したい等の理由から反射ミラー４１を配置し、この反射ミラー４１より紫外線硬化樹脂２側に対物レンズ４２を配置する必要、及びこの反射ミラー４１より第１の光源１１側に第１及び第２のガルバノミラー２１，２２を配置する必要から、この第１及び第２のガルバノミラー２１，２２及び反射ミラー４１とがガルバノミラーの反射手段の回転により物理的に衝突してしまうことを防止することができる、すなわち、衝突してしまう範囲より距離を離間させることを可能とする。
【００６０】
尚、このように反射ミラー４１を配置することにより、ワーク領域に対してビームスキャン光学系１０において垂直方向から光ビームを照射して、垂直方向から傾斜した斜め方向から照射されることにより各硬化層に傾斜面が形成されてしまうことを防止して、高精細な造形を実現できる。また、フォーカス検出光学系３０においても往路光とフォーカス検出用の（反射光）とを所定の光路にすることができ、正確なフォーカス検出を行うことを可能とする。
【００６１】
また、反射ミラー４１より紫外線硬化樹脂２側に対物レンズ４２を配置する必要があるのは、対物レンズ４２を反射ミラー４１より手前に配置してしまうと、反射ミラー４１が大きくなってしまうからであり、また、反射ミラー４１より紫外線硬化樹脂２側に対物レンズ４２を配置することにより、対物レンズ４２から紫外線硬化樹脂２までの距離が大きくなることによる走査される光ビームの照射位置の誤差等の問題が発生するおそれを防止できるからである。
【００６２】
以上のような、第１の光源１１と、第１及び第２のガルバノミラー２１，２２、第１及び第２のリレーレンズ２３，２４、対物レンズ４２からなる走査手段１２と、コリメータレンズ１３と、アナモルフィックレンズ１４と、ビームエキスパンダ１５と、フォーカス調整レンズ１６と、シャッタ１７とは、ビームスキャン光学系１０を構成し、この光造形装置１のビームスキャン光学系１０は、第１の光源１１から放射された光ビームを、コリメータレンズ１３で略平行とし、アナモルフィックレンズ１４でビーム整形し、ビームエキスパンダ１５でビーム径を調整し、フォーカス調整レンズ１６によりフォーカス状態を調整し、第１及び第２のリレーレンズ２３，２４で対物レンズ４２の前側焦点位置を通過するようにされた状態で第１及び第２のガルバノミラー２１，２２によりＸ方向及びＹ方向に走査されるように偏向して、反射ミラー４１により対物レンズ４２側に導かれて、対物レンズ４２により紫外線硬化樹脂２上の所望の位置に走査されるとともに集光されて微細領域を照射するとともに描画して硬化層を形成する。
【００６３】
この際、従来の一般的なビームスキャン方式の光造形装置ではＸ方向のガルバノミラーとＹ方向のガルバノミラーとを互いに近接して配置し、２次元スキャンを行うものが多いが、上述の光造形装置１は、例えば各構成部品の配置の都合上等の様々な理由から、第１のリレーレンズ２３でＸ方向に第１のガルバノミラー２１で偏向された光ビームを第２のガルバノミラー２２上に結像し、さらにＹ方向に第２のガルバノミラー２２で偏向された光ビームを第２のリレーレンズ２４で対物レンズ４２の物側焦点上に結像する構成としている。
【００６４】
換言すると、対物レンズ４２は、第１及び第２のガルバノミラー２１，２２とワーク位置との間に、様々な理由から反射ミラー４１を設ける必要がある場合にも対応できるよう、反射ミラー４１とワーク位置との間に設けられており、第１及び第２のリレーレンズ２３，２４は、この第１及び第２のガルバノミラー２１，２２とワーク位置との距離が遠くなった場合にも第１及び第２のガルバノミラー２１，２２並びにワーク領域上の所定の位置に高精度に光ビームを結像させ、且つテレセントリックに結像させることができる。ここで、ワーク位置とは、ワーク領域すなわち、移動架台４上の紫外線硬化樹脂２が設けられた位置をいう。
【００６５】
以上のように、光造形装置１は、上述のような走査手段１２等からなるビームスキャン光学系１０により、紫外線硬化樹脂２上の所望の微細な描画を可能とし、これにより高精度に所望の形状の硬化層を得ることができ、よって、高精細な造形を実現する。
【００６６】
尚、このビームスキャン光学系１０は、所望の断面形状データに応じて、図６（ａ）に示すように、断面形状を所定の一方向に往復して直線状にスキャンするラスタースキャンと、図６（ｂ）に示すように、境界部（エッジ部）等をスムーズに曲線状にスキャンするベクタースキャンとを適宜切り換えて、図６（ｃ）に示すように併用してラスター・ベクター併用スキャンを行うことが可能である。
【００６７】
また、光造形装置１は、上述したビームスプリッタ３１とともに、フォーカス検出光学系３０を構成するために、紫外線硬化樹脂２の硬化層形成面に照射され反射された光ビーム（以下、「反射光」ともいう。）を検出するための反射光検出手段として光検出器３２と、このビームスプリッタ３１と光検出器３２と間に設けられ、入射した光ビームに非点収差を付与するためのシリンドリカルレンズ３３とを有している。
【００６８】
ところで、上述したように、樹脂貯留槽３は、例えば、１．２ｍｍ程度の厚みの石英ガラスにより形成されることにより、その底部のワーク領域に対応する部分が透過部３ａとして機能することとなり、描画用の第１の光源１１から出射された光ビームを透過させて、上述したビームスキャン光学系１０による硬化層の形成を可能とするとともに、上述したように液面規制板として機能して、すなわち移動架台４等との間の紫外線硬化樹脂２の硬化層形成面の揺動等を規制する。
【００６９】
尚、ここでは、樹脂貯留槽３の全部を石英ガラスにより形成するように構成したが、これに限られるものではなく、例えば、その底部全面若しくは底部のうち少なくともワーク領域に対応する部分が、石英ガラス、ガラス等のある程度の強度を有するとともに描画用（露光用）の光ビームに対して高い透過率を有する材料により形成されていればよい。また、樹脂貯留槽３の底部の厚みは、上述した１．２ｍｍに限られるものではないが、紫外線硬化樹脂２を貯留するのに足りる強度を有するとともに描画用の光ビームに対して十分な透過率を有する程度に設定する必要がある。
【００７０】
また、この液面規制板としての透過部３ａには、図７に示すように、その紫外線硬化樹脂２側、すなわち上面側に、描画用光源としての第１の光源１１から放射され導かれた光ビームの一部を反射し、残りの大部分を透過させる反射コーティング膜７が形成されている。
【００７１】
この反射コーティング膜７は、例えば、石英ガラス基板３ｂの上面に、クロムメッキを所定の厚さで施すことにより形成されている。尚、ここで、この反射コーティング膜７は、密着性が優れるクロムメッキにより形成するように構成したが、これに限られるものではなく、例えば、窒化シリコン（ＳｉＮ）等を膜厚１５０ｎｍ以下程度により形成するように構成してもよく、また、誘電体多層膜コーティング等の複数種類の層を積層して形成するように構成してもよく、上述したように描画用の光ビームを一部をフォーカス検出用として反射し、残りの大部分を露光用として透過させるような構成であればよい。尚、この反射コーティング膜７によるフォーカス検出用の光ビームに対する反射率としては０．５％程度以上あれば確実且つ正確にフォーカス検出を行うことが可能である。
【００７２】
このように液面規制板としての透過部３ａは、上述のような反射コーティング膜７を有することにより、描画用の光ビームの一部を透過部３ａと紫外線硬化樹脂２との界面においてフォーカス検出用として反射させることができ、以下で説明するように紫外線硬化樹脂２の硬化層形成面の位置を正確に検出して、すなわち、フォーカス状態を検出することができるとともに、残りの大部分を露光用としてを透過して紫外線硬化樹脂の硬化層形成面に導くことができる。
【００７３】
すなわち、樹脂貯留槽３の底部に設けられた透過部３ａにおいて、反射コーティング膜７を設けなかった場合には、フォーカス検出用の光ビームの透過部３ａと紫外線硬化樹脂２との界面からの反射光が、透過部３ａと紫外線硬化樹脂２との屈折率差が小さいことから小さくなってしまい、フォーカス検出を行うことができないおそれがあるとともに、透過部３ａの下面である空気との界面からの反射光の方が本来検出すべき透過部３ａの上面である紫外線硬化樹脂２との界面からの反射光よりも大きくなりフォーカス検出を正確に行うことができないおそれがあった。ここで、透過部３ａを十分な均一な厚さで形成することにより、透過部３ａの下面である空気との界面からの反射光をモニターすることでフォーカス検出を行うという方法も考えられるが透過部３ａの厚さが十分均一といえない場合も多い。
【００７４】
その一方で、上述したような本発明を適用した光造形装置１を構成する透過部３ａは、反射コーティング膜７を有することにより、確実に、その紫外線硬化樹脂２との界面においてフォーカス検出用の光ビームを所定の強度で反射させることができ、確実で正確なフォーカス検出を可能とする。
【００７５】
尚、ここで説明した樹脂貯留槽３の透過部３ａは、上述したものに限られるものではなく、例えば図８に示すように、反射コーティング膜７の上面にさらに、剥離コーティング膜７Ｃを設けるように構成してもよく、また、光ビームの入射側である下面側に減反射コーティング膜７Ｄを設けるように構成してもよい。ここで設けられる剥離コーティング膜７Ｃは、例えばフッ素コーティング等であり、この剥離コーティング膜７Ｃを設けることにより、任意の硬化層の造形が終了したときに、その底部である透過部３ａから形成された硬化層の剥離が容易となる。また、減反射コーティング膜７Ｄは、描画用の光ビームの透過部３ａの入射側の面である下面での反射を防止することができるものであり、この減反射コーティングを設けることにより、描画用の光ビームの光利用効率を高めることができ、及び／又は透過部３ａと紫外線硬化樹脂２の界面からの反射光に透過部３ａと空気との界面からの反射光が混じってしまうことを防止して正確なフォーカス検出を行うことができる。尚、図８では、剥離コーティング膜７Ｃ及び減反射コーティング膜７Ｄを同時に設ける例について説明したが、いずれか一方を設けるように構成してもよい。
【００７６】
また、フォーカス検出光学系３０の反射光検出手段としての光検出器３２は、透過部３ａと紫外線硬化樹脂２の界面で反射され、対物レンズ４２、反射ミラー４１、第２のリレーレンズ２４、第２のガルバノミラー２２、第１のリレーレンズ２３及び第１のガルバノミラー２１を経由して、ビームスプリッタ３１で反射されシリンドリカルレンズ３３により非点収差を付与された反射光を受光することにより、フォーカス状態を検出して、上述したフォーカス調整レンズ１６によりフォーカス状態を調整することによりフォーカス補正を行うことができる。
【００７７】
具体的に、ビームスプリッタ３１、シリンドリカルレンズ３３及び光検出器３２からなるフォーカス検出光学系３０は、以下に説明する非点収差法によりフォーカス補正用の信号を検出する。フォーカス検出光学系３０において、図９に示すように、シリンドリカルレンズ３３により非点収差を付与された反射光は、ジャストフォーカスの位置よりも手前側で焦線Ｂを形成するとともに、ジャストフォーカスの位置よりも奥側で焦線Ａを形成する。尚、図９は、ビームスプリッタ３１によりフォーカス検出光学系３０に導かれた光ビームがシリンドリカルレンズ３３を通過した後の状態を説明するための模式図であり、図９中ｘ０ｙ０平面がジャストフォーカスの位置を示し、焦線Ｂは、シリンドリカルレンズ３３により付与される非点収差の方向であるｘ０方向に結像した位置を示し、焦線Ａは、ｘ０方向に直交するｙ０方向に結像した位置を示すものとする。
【００７８】
その一方で、上述した光検出器３２は、図１０（ａ）及び図１０（ｂ）に示すように、ｘ０方向及びｙ０方向に対してそれぞれ略４５度傾斜した分割線により４分割された受光領域Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４を有する受光部３２ａと、この受光部３２ａにより受光された光量に基づいて検出信号を生成するための加算器３２ｂ，３２ｃ及び減算器３２ｄとを有している。加算器３２ｂは、受光領域Ｄ１，Ｄ３からの検出信号を加算して減算器３２ｄに出力し、加算器３２ｃは、受光領域Ｄ２，Ｄ４からの検出信号を加算して減算器３２ｄに出力し、減算器３２ｄは、加算器３２ｂからの信号から加算器３２ｄからの信号を減算してフォーカス検出信号として出力する。このように、光検出器３２は、各受光領域Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４により検出した信号強度をＤ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４とすると、非点収差方式のフォーカス検出信号ＦＥは、加算器３２ｂ，３２ｃ及び減算器３２ｄにより、ＦＥ＝（Ｄ１＋Ｄ３）−（Ｄ２＋Ｄ４）として算出される。
【００７９】
そして、図１１（ａ）及び図１１（ｂ）に示すように、戻り光が前焦線Ｂと後焦線Ａの中間位置であるジャストフォーカスの位置Ｊで検出される場合には、受光部３２ａ上のスポット形状が略円形であるため、ＦＥ＝０となる。また、図１１（ａ）及び図１１（ｃ）に示すように、戻り光が前焦線Ｂとジャストフォーカス位置Ｊとの間の位置Ｎで検出される場合には、受光部３２ａ上のスポット形状が図１１（ｃ）に示すような楕円形状とされ、ＦＥ＜０となり、対物レンズ４２が硬化層形成面に対して近すぎる状態であること、すなわちジャストフォーカスの状態に対して手前側の位置で反射していることが検出できる。また、図１１（ａ）及び図１１（ｄ）に示すように、戻り光がジャストフォーカス位置Ｊと後焦線Ａとの間の位置Ｆで検出される場合には、受光部３２ａ上のスポット形状が図１１（ｄ）に示すような楕円形状とされ、ＦＥ＞０となり、対物レンズ４２が硬化層形成面に対して遠すぎる状態、すなわちジャストフォーカスの状態に対して奥側の位置で反射していることが検出できる。光検出器３２は、上述のような反射光の状態に応じてフォーカス状態を検出できる。以上のようにフォーカス検出光学系３０は、光検出器３２に入射する光ビームの状態を検出することで透過部３ａと紫外線硬化樹脂２との界面、すなわち硬化層形成面の垂直方向の位置を正確に検出することができる。
【００８０】
尚、ここでは、非点収差法を用いてフォーカス検出を行うように構成したが、三角法等によりフォーカス検出を行うように構成してもよい。三角法等を用いる場合には、ポジションセンシングデバイス（ＰＳＤ）等を設けるとともに、戻りの光ビーム（反射光）が往路の光ビームに対して僅かに角度を有するように形成し、この往路の光ビームから戻りの光ビームへの距離をＰＳＤ等により検出することにより、フォーカス補正用の信号を検出するようにしてもよい。
【００８１】
このように、光造形装置１は、移動架台４との間に所定の厚みの硬化層形成面を形成するとともに硬化層形成面の光硬化性樹脂の揺動を規制する液面規制板として機能する透過部３ａに反射コーティング膜７が設けられ、この硬化層形成面に対して透過部３ａ側から描画用の光ビームを入射させ、この反射コーティング膜７によりその一部をフォーカス検出用として反射させ、残りの大部分を露光用として透過させて硬化層形成面の紫外線硬化樹脂２に導く構成と、フォーカス検出光学系３０として光検出器３２等の反射光検出手段、ビームスプリッタ３１及びシリンドリカルレンズ３３を備える構成により、硬化層形成面の位置を正確且つ確実に検出することができ、すなわち、例えば樹脂貯留槽３の底部である透過部３ａの厚みが均一でない場合や、樹脂貯留槽３に貯留される紫外線硬化樹脂２の量に対応して透過部３ａが撓んだ場合や、この撓みにより水平面内における透過部３ａの垂直方向の位置が異なる場合にも、正確且つ確実に界面の位置を検出して硬化層形成面の位置を検出することを可能とする。
【００８２】
ここで、このフォーカス検出光学系３０により得られたフォーカス検出信号に基づいて、上述したビームスキャン光学系１０のフォーカス調整レンズ１６によるフォーカス調整について詳細に説明する。
【００８３】
ビームスキャン光学系１０に設けられたフォーカス調整レンズ１６は、例えば、所謂ガリレオタイプビームエキスパンダからなり、具体的には、入射側に配置され固定された第１のレンズ１６ａと、出射側に配置され光軸方向に移動可能に設けられた第２のレンズ１６ｂとからなる。このフォーカス調整レンズ１６には、検出されたフォーカス状態に基づいて第２のレンズ１６ｂを移動させるフォーカス調整用駆動部２５が設けられている。
【００８４】
フォーカス調整レンズ１６は、光検出器３２により得られたフォーカス検出信号に基づいて後述する制御部１０１で生成されたフォーカス補正信号に基づいてフォーカス調整用駆動部２５により駆動されることによりフォーカス状態を調整する。
【００８５】
すなわち、フォーカス調整レンズ１６は、第１のレンズ１６ａに入射した入射光ビームＢ０を第１のレンズ１６ａにより一旦集光した後に第２のレンズ１６ｂを通過することにより図１２（ｂ）に示すような平行光Ｂ１の状態で出射させる状態から、フォーカス調整用駆動部２５により、図１２（ａ）に示すように、第２のレンズ１６ｂを第１のレンズ１６ａから離間させる方向に移動させることにより、このフォーカス調整レンズ１６から出射される光ビームを収束光Ｂ２の状態とすることができる。また、フォーカス調整レンズ１６は、図１２（ｂ）に示す状態から、図１２（ｃ）に示すように、第２のレンズ１６ｂを第１のレンズ１６ａに近接させる方向に移動させることにより、このフォーカス調整レンズ１６から出射される光ビームを発散光Ｂ３の状態とすることができる。
【００８６】
そして、フォーカス調整レンズ１６は、対物レンズ４２に収束光を入射させることにより平行光を入射させた状態に比べて合焦位置（フォーカス）を対物レンズ４２に近接させることができ、対物レンズ４２に発散光を入射させることにより平行光を入射させた状態に比べて合焦位置を対物レンズ４２から離間させることができる。このように、フォーカス調整レンズ１６は、通過する光ビームを所定の角度の収束光、平行光及び発散光に調整することにより対物レンズ４２により紫外線硬化樹脂２に結像される光ビームのフォーカス状態を調整することができる。
【００８７】
このように、光造形装置１は、フォーカス検出光学系３０により硬化層形成面の位置を正確に検出するとともに、この得られた検出信号に基づいてビームスキャン光学系１０のフォーカス調整レンズ１６によりフォーカス調整を行うことで、描画用の光ビームを紫外線硬化樹脂２の硬化層形成面上に適切なスポット径で集光させることができ、高精度な光造形を行うことができる。
【００８８】
また、光造形装置１は、フォーカス検出光学系３０により正確なフォーカス状態をリアルタイムに検出することができるので、形成する硬化層の形状に応じてスポット径を変化させるように構成することを可能とする。すなわち、光造形装置１は、後述の制御部１０１により例えば、目標となる造形物の輪郭部分等の精細な露光が必要な部分についてはスポット径を小さくさせて描画することにより精細な造形を行うようにし、目標となる造形物の中心部分等の露光についてはスポット径を大きくさせて描画することにより高速な造形を行うように構成してもよく、これにより、高速且つ高精細な光造形を可能とする。
【００８９】
尚、この反射光検出手段である光検出器３２によるフォーカス検出及びフォーカス調整レンズ１６によるフォーカス補正は、常時行うように構成してもよく、また、少なくとも各硬化層を形成する毎、すなわち、移動架台４を垂直方向Ｚに移動させる毎に行うように構成してもよい。
【００９０】
ところで、本発明を適用した光造形装置１は、データベース、プログラム等が格納されたハードディスク、データがロードされるＲＡＭ（Random Access Memory）、演算を行うＣＰＵ（Central ProcessingUnit）等を有した制御装置１００を備えている。
【００９１】
この制御装置１００は、図１３に示すように、各種データの処理や、各光学部品等を制御する制御部１０１と、制御部１０１に３次元形状データ等を入力するための入力部１０２と、制御部１０１を操作するための操作部１０３とを備えている。
【００９２】
制御部１０１は、図１３に示すように、第１の光源１１に対してレーザー制御を行い、シャッタ１７に対して光ビームの透過・遮蔽の制御を行い、第１及び第２のガルバノミラー２１，２２の反射手段の回転駆動制御を行うことにより、ビームスキャン光学系１０の微細描画の制御を行う。
【００９３】
また、制御部１０１は、所定の高さの硬化層の積層が完了したら、移動架台４を制御して、移動架台４を所定量だけ垂直方向Ｚに上昇させてワーク領域のＺ方向の位置を変更して、形成層を変更する。
【００９４】
さらに、制御部１０１は、光検出器３２で検出されたフォーカス検出信号を受け、このフォーカス検出信号に基づいてジャストフォーカスの状態からずれたときのずれ量を補正するためのフォーカス補正信号を生成して、フォーカス調整用駆動部２５に出力することで、フォーカス調整レンズ１６を光軸方向に移動させてフォーカス補正を行いフォーカス状態の調整を行うことができ、より一層の高精細な造形を実現する。
【００９５】
本発明を適用した光造形装置１は、紫外線硬化樹脂２を貯留する樹脂貯留槽３と、硬化層を保持するとともに少なくとも紫外線硬化樹脂２の液面に対して直交する方向に移動される移動架台４と、移動架台４の下面、又はこの下面に形成された硬化層との間に所定の厚みの硬化層形成面を形成するとともに、硬化層形成面の紫外線硬化樹脂２の揺動を規制する液面規制板としての透過部３ａと、透過部３ａを介して硬化層形成面上の紫外線硬化樹脂２を描画することにより硬化層を形成するための所定の波長の光ビームを放射する描画用光源として第１の光源１１と、第１の光源１１から放射された光ビームを紫外線硬化樹脂２に走査させる走査手段１２とを備え、透過部３ａには、第１の光源１１から放射される光ビームの一部を反射する反射コーティング膜７が形成され、反射コーティング膜７で反射された光ビームを光検出器３２等の反射光検出手段で検出することにより走査手段１２により走査される光ビームのフォーカス状態を調整することにより、描画用の光ビームを紫外線硬化樹脂２の硬化層形成面上に適切なスポット径で集光させることができ、造形精度を向上させ高精細な光造形を行うことを実現する。すなわち、本発明を適用した光造形装置１は、描画用の光ビームの一部を硬化層形成面である透過部３ａと紫外線硬化樹脂２の界面で一部反射させてこの反射光を用いて正確にフォーカス検出を行うとともにこの検出結果に応じて描画用の光ビームにより適切なスポット径で光硬化性樹脂の露光を行うことにより高精細な立体造形を実現する。
【００９６】
また、本発明を適用した光造形装置１は、描画用の光ビームの一部をフォーカス検出に用いることにより、実際に描画を行う際に実際に描画を行う場所におけるフォーカス検出をリアルタイムに行うことを可能とし、すなわち、より正確なフォーカス検出を行うことができるので、より高精細な立体造形を実現する。
【００９７】
また、本発明を適用した光造形装置１は、硬化層形成面の紫外線硬化樹脂の揺動を抑制するとともに、第１の光源１１から放射された光ビームを透過させる液面規制板としての透過部３ａを有する所謂液面規制法を用いた光造形装置であり、紫外線硬化樹脂の液面が空中に露出した所謂自由液面法を用いた光造形装置が造形時の硬化層の精度が液面の表面精度で決まっていることから高精度化に限界があったのに比べて、空中に樹脂液面を露出する代わりに、樹脂の硬化層形成面に液面規制板を配置することにより液面の平滑度を向上させることで硬化層の精度を向上させ、すなわち高精細な立体造形を実現する。さらに、本発明を適用した光造形装置１は、上述の液面規制法を用いたものであるとともに、第１の光源１１から放射される光ビームが、紫外線硬化樹脂に対して液面規制板としての透過部３ａ側から導かれ、この透過部３ａの紫外線硬化樹脂２側である上面側に、描画用の光ビームの一部を反射し、残りの大部分を透過させる反射コーティング膜７が形成されていることにより、液面規制法を用いた場合に問題となり得る液面規制板の紫外線硬化樹脂２との界面（上面）からの反射光よりも、液面規制板の光入射側である空気側の面（下面）からの反射光が大きいことにより正確なフォーカス検出を行えないといった問題を解消し、すなわち、正確に紫外線硬化樹脂２との界面、すなわち硬化層形成面の位置を検出して、正確なフォーカス状態を検出することを実現する。
【００９８】
さらに、本発明を適用した光造形装置１は、この反射コーティング膜７を、クロムメッキ、窒化シリコン（ＳｉＮ）又は、誘電体多層膜により形成されていることにより、例えば波長３７５ｎｍ程度の描画用の光ビームに対して一部をフォーカス検出用として反射し、残りの大部分を露光用として透過させることにより、簡易な構成で正確にフォーカス検出を行うとともに硬化層を形成することができ、高精細な立体造形を実現する。
【００９９】
さらにまた、本発明を適用した光造形装置１は、ワーク領域上をＸ方向及びＹ方向に走査させるための第１及び第２のガルバノミラー２１，２２と、対物レンズ４２と、第１のガルバノミラー２１と第２のガルバノミラー２２との間に設けられる第１のリレーレンズ２３と、第２のガルバノミラー２２と対物レンズ４２との間の光路上に設けられる第２のリレーレンズ２４とを備え、ワーク領域の紫外線硬化樹脂２上に垂直方向に入射させテレセントリックに結像させる構成としていることにより、形成される硬化層の積層断面が斜めになることなく垂直に積層させることができ、高精細な立体造形を行うことを実現するとともに、テレセントリックに結像させる構成によりワーク領域の全域における反射光を用いたフォーカス検出・フォーカス制御を正確且つ確実に行うことができ、さらに高精細な立体造形を実現する。
【０１００】
尚、上述の光造形装置１は、光ビームを紫外線硬化樹脂２上に走査して硬化層を形成するビームスキャン光学系１０を備えるとともに、紫外線硬化樹脂２の硬化層形成面におけるフォーカス状態を検出するフォーカス検出光学系３０を有することにより高精細な光造形を行うものとして説明したが、本発明を適用する光造形装置はこれに限られるものではなく、例えば、フォーカス検出光学系を有するとともに、光造形を高精細且つ光束に行うための上述のようなビームスキャン光学系に加えて、造形時間を短縮化するために空間光変調器（ＳＬＭ（Spatial Light Modulator））を有したＳＬＭ投影光学系を備え各層のパターンを紫外線硬化樹脂に投影して各硬化層を形成する所謂一括露光光学系を有するものとして構成してもよい。
【０１０１】
次に、図１４に示すように、ビームスキャン光学系及び一括露光光学系を有する光造形装置５１について説明する。尚、以下の説明において、上述した光造形装置１と共通する部分については、共通の符号を付すとともに詳細な説明は省略する。
【０１０２】
尚、以下で説明するビームスキャン光学系及び一括露光光学系を有する光造形装置５１は、ビームスキャン光学系の、使用波長やレンズ系の構成を変更しスポット径を小さくすることにより高精細の造形を可能とする一方で、光源の強度に限界があり且つ基本的には１本の光ビームを走査して描画を行うので、比較的大きな領域に光ビームを照射し面積の広い硬化層を形成するには非常に多大な時間を必要とするため、大きな領域の硬化層を形成するには不向きであるという特徴と、一括露光光学系の、１本の光ビームをビームスキャンで描画するのではないので、光源として例えばアレイ状のものを使用することが可能となり、光源を強くすることができるので露光時間を短くすることを可能とする一方で、空間光変調器の画素数等により精度が決定されるため精度に限界があり、各硬化層のエッジ部をきれいに形成することができず、すなわち、高精細の造形には不向きであるという特徴とに鑑み、後述のように、その長所を兼ね備え、互いの短所を補うことで、比較的大きな造形物を高精細に造形することを実現するものである。
【０１０３】
具体的に、光造形装置５１は、図１に示すように、紫外線硬化樹脂２を貯留する樹脂貯留槽３と、この樹脂貯留槽３内に浸漬され形成される硬化層２ａを下面側に保持するとともに少なくとも垂直方向Ｚに移動可能とされる移動架台４と、この紫外線硬化樹脂２上に光を照射するためのビームスキャン光学系１０、後述する一括露光光学系６０及びフォーカス検出光学系３０を有する光学系５５とを有する。
【０１０４】
そして、光造形装置５１は、光学系５５により光を照射し移動架台４の下面に硬化層を形成する動作と、この移動架台４を垂直方向Ｚに上方に移動する動作とを順次繰り返すことにより立体造形を行う。尚、一層目の硬化層が形成される場合には、移動架台４の下面と、透過部３ａの上面との間の所定の隙間が形成された領域が、硬化層形成面となり、上述の硬化層が形成された後には、移動架台４の下面に形成された硬化層と、透過部３ａの上面との間の所定の隙間が形成された領域が、硬化層形成面となる。
【０１０５】
樹脂貯留槽３の透過部３ａは、上述したように、液面規制板として機能し、この液面規制板としての透過部３ａを有する光造形装置５１は、硬化層形成面の紫外線硬化樹脂２の振動、揺動等を規制することにより形成される硬化層及び最終的に形成される立体造形物の精度を高め、すなわち高精細の立体造形を可能とする。
【０１０６】
また、光造形装置５１は、後述の移動手段５６により移動架台４と光学系５５との水平面内における相対的な位置を変化させることにより、移動架台４及び光学系５５を固定した状態で硬化層を形成可能な領域より大面積の硬化層を形成することが可能であり、すなわち、大きな造形物を形成することが可能である。
【０１０７】
この光造形装置５１は、図１４に示すように、ビームスキャン光学系１０用として、紫外線硬化樹脂２上に光を描画するための光ビームを放射する描画用光源（ビームスキャン用光源）として第１の光源１１と、第１の光源１１から放射された光ビームを紫外線硬化樹脂２上に走査させる走査手段１２とを備え、また、一括露光光学系６０用として、紫外線硬化樹脂２上の一定領域毎に照射される光を放射する一括露光用光源として第２の光源６１と、第２の光源から放射された光ビームを紫外線硬化樹脂２上の所定領域を一括露光させる空間光変調手段（ＳＬＭ（Spatial Light Modulator））６２とを備え、さらに、走査手段１２により走査される光ビームと、空間光変調手段６２により空間変調される光とを合成して紫外線硬化樹脂２上に導く光路合成手段としてビームスプリッタ４３を備える。
【０１０８】
また、光造形装置５１は、上述した光造形装置１と同様に、第１の光源１１と走査手段１２とともに、ビームスキャン光学系１０を構成するために、コリメータレンズ１３と、アナモルフィックレンズ１４と、ビームエキスパンダ１５と、フォーカス調整レンズ１６と、シャッタ１７とを備える。
【０１０９】
ここで、上述と同様に、フォーカス調整レンズ１６と、シャッタ１７との間には、第１の光源１１から放射された光ビームを透過させるとともに、紫外線硬化樹脂２で反射された戻り光を検出するための後述する反射光検出手段としての光検出器３２に導くためのビームスプリッタ３１が設けられている。このビームスプリッタ３１は、上述したのと同様にフォーカス検出光学系３０を構成する。
【０１１０】
尚、ここで用いられる走査手段１２の構成は、上述した光造形装置１の場合と同様であり、また、この走査手段１２に設けられる各構成部品の機能は、上述した光造形装置１の場合に比べて、第２のリレーレンズ２４と対物レンズ４２との間に設けられた反射ミラー４１に換えてビームスプリッタ４３が設けられていることを除いて同様であり、すなわち、第２のリレーレンズ２４からの光ビームをビームスプリッタ４３を介して対物レンズ４２に導くことを除いて同様であるのでここでは詳細な説明を省略する。また、このビームスプリッタ４３は、上述した反射ミラー４１と同様に、第１の光源１１から放射された描画用の光ビームを対物レンズ４２側に導くとともに、この光ビームが硬化層形成面で一部反射されて得られるフォーカス検出用の反射光を反射して光検出器３２に導くという機能も有する。
【０１１１】
尚、光造形装置５１において、対物レンズ４２は、後述の一括露光光学系６０からの空間変調された光を紫外線硬化樹脂２上に結像させる。また、光造形装置５１におけるワーク領域の大きさは、後述の一括露光光学系６０の空間光変調手段６２等によっても決定される。
【０１１２】
また、光造形装置５１においても、上述の光造形装置１の場合と同様に、対物レンズ４２の物側焦点位置をビームスプリッタ４３の反射透過面４３ａに一致して配置されるように構成したが、厳密に一致させる必要はなく、ビームスプリッタ４３自体が大きくなりすぎない程度に、反射透過面４３ａの近傍に物側焦点位置が位置するように配置されていればよい。すなわち、ビームスキャン光学系１０及び一括露光光学系６０からの光ビーム及び光が全て反射透過面４３ａを通過（透過又は反射）させる必要性があることからビームスプリッタ４３が大きくなりすぎない程度に、反射透過面４３ａの近傍に対物レンズ４２の物側焦点位置が位置するようにすればよい。
【０１１３】
また、光造形装置５１において、第１及び第２のリレーレンズ２３，２４は、後述の一括露光光学系６０との光路の合成が必要なことから、ビームスプリッタ４３を配置し、このビームスプリッタ４３より紫外線硬化樹脂２側に対物レンズ４２を配置する必要、及びこのビームスプリッタ４３より第１の光源１１側に第１及び第２のガルバノミラー２１，２２を配置する必要から、この第１及び第２のガルバノミラー２１，２２及びビームスプリッタ４３とがガルバノミラーの反射手段の回転により物理的に衝突してしまうことを防止することができる、すなわち、衝突してしまう範囲より距離を離間させることを可能とする。
【０１１４】
尚、ここで、ビームスプリッタ４３を配置するのは、ビームスキャン光学系１０と後述の一括露光光学系６０の照射光路を一致させるためであり、このようなビームスプリッタ４３により光路合成することにより、ワーク領域に対して両光学系ともに垂直方向から光ビーム及び光を照射して、垂直方向から傾斜した斜め方向から照射されることにより各硬化層に傾斜面が形成されてしまうことを防止して、高精細な造形を実現するためである。尚、ここで、上述したのと同様に、フォーカス検出光学系３０においてもフォーカス検出用の光ビームを所定の位置、方向から照射して、正確なフォーカス検出を行うことを可能とする。
【０１１５】
また、ビームスプリッタ４３より紫外線硬化樹脂２側に対物レンズ４２を配置する必要があるのは、対物レンズ４２をビームスプリッタ４３より手前に配置してしまうと、ビームスプリッタ４３が大きくなってしまうからであり、また、ビームスプリッタ４３より紫外線硬化樹脂２側に対物レンズ４２を配置することにより、対物レンズ４２から紫外線硬化樹脂２までの距離が大きくなることによる走査される光ビームの照射位置の誤差等の問題が発生するおそれを防止できるからである。
【０１１６】
光造形装置５１のビームスキャン光学系１０は、第１の光源１１から放射された光ビームを、コリメータレンズ１３で略平行とし、アナモルフィックレンズ１４でビーム整形し、ビームエキスパンダ１５でビーム径を調整し、フォーカス調整レンズ１６によりフォーカス状態を調整し、第１及び第２のリレーレンズ２３，２４で対物レンズ４２の前側焦点位置を通過するようにされた状態で第１及び第２のガルバノミラー２１，２２によりＸ方向及びＹ方向に走査されるように偏向して、ビームスプリッタ４３により対物レンズ４２側に導かれて、対物レンズ４２により紫外線硬化樹脂２上の所望の位置に走査されるとともに集光されて微細領域を照射するとともに描画して硬化層を形成する。
【０１１７】
この際、従来の一般的なビームスキャン方式の光造形装置ではＸ方向のガルバノミラーとＹ方向のガルバノミラーとを互いに近接して配置し、２次元スキャンを行うものが多いが、上述の光造形装置５１は、後述の一括露光光学系６０と合成する必要があるので、第１のリレーレンズ２３でＸ方向に第１のガルバノミラー２１で偏向された光ビームを第２のガルバノミラー２２上に結像し、さらにＹ方向に第２のガルバノミラー２２で偏向された光ビームを第２のリレーレンズ２４で対物レンズ４２の物側焦点上に結像する構成としている。
【０１１８】
換言すると、対物レンズ４２は、第１及び第２のガルバノミラー２１，２２とワーク位置との間に、後述する一括露光光学系６０と合成するためのビームスプリッタ４３を設ける必要があることから、ビームスプリッタ４３とワーク位置との間に設けられており、第１及び第２のリレーレンズ２３，２４は、この第１及び第２のガルバノミラー２１，２２とワーク位置との距離が遠くなった場合にも第１及び第２のガルバノミラー２１，２２並びにワーク領域上の所定の位置に高精度に光ビームを結像させ、且つテレセントリックに結像させることができる。ここで、ワーク位置とは、ワーク領域すなわち、移動架台４上の紫外線硬化樹脂２が設けられた位置をいう。
【０１１９】
以上のように、光造形装置１は、上述のような走査手段１２等からなるビームスキャン光学系１０により、紫外線硬化樹脂２上の所望の微細な描画を可能とし、これにより高精度に所望の形状の硬化層を得ることができ、よって、高精細な造形を実現する。尚、このビームスキャン光学系１０は、上述したのと同様に、ラスタースキャン、ベクタースキャン又はラスター・ベクター併用スキャンを行うことが可能である。
【０１２０】
また、光造形装置５１は、光造形装置１と同様に、上述したビームスプリッタ３１とともに、フォーカス検出光学系３０を構成するために、紫外線硬化樹脂２の硬化層形成面に照射され反射された光ビームを検出するための反射光検出手段として光検出器３２と、このビームスプリッタ３１と光検出器３２と間に設けられ、入射した光ビームに非点収差を付与するためのシリンドリカルレンズ３３とを有している。
【０１２１】
尚、この光造形装置５１に設けられるフォーカス検出光学系３０を構成するビームスプリッタ３１、光検出器３２及びシリンドリカルレンズ３３の構成、及び各構成部品の機能及び効果は、上述した光造形装置１の場合と同様であるので、詳細な説明は省略する。また、光造形装置５１において、樹脂貯留槽３の底部に設けられた透過部３ａについても、図７及び図８を用いて説明した光造形装置１と同様の構成とされ、すなわち、この透過部３ａは、液面規制板として機能するとともに、この透過部３ａには、反射コーティング膜７が設けられている。
【０１２２】
このようなフォーカス検出光学系３０を備える光造形装置５１は、液面規制板として機能する透過部３ａに反射コーティング膜７が設けられ、硬化層形成面に対して透過部３ａ側から描画用の光ビームを入射させ、この反射コーティング膜７によりその一部をフォーカス検出用として反射させ、残りの大部分を露光用として透過させて硬化層形成面の紫外線硬化樹脂２に導く構成と、フォーカス検出光学系３０として光検出器３２等の反射光検出手段、ビームスプリッタ３１及びシリンドリカルレンズ３３を備える構成により、硬化層形成面の位置を正確且つ確実に検出することができる。
【０１２３】
また、光造形装置５１において、このフォーカス検出光学系３０により得られたフォーカス検出信号に基づく、ビームスキャン光学系１０のフォーカス調整レンズ１６によるフォーカス調整については、上述した光造形装置１の場合と同様であるので詳細な説明は省略する。
【０１２４】
光造形装置５１は、フォーカス検出光学系３０により硬化層形成面の位置を正確に検出するとともに、この得られた検出信号に基づいてビームスキャン光学系１０のフォーカス調整レンズ１６によりフォーカス調整を行うことで、描画用の光ビームを紫外線硬化樹脂２の硬化層形成面上に適切なスポット径で集光させることができ、高精度な光造形を行うことができる。
【０１２５】
また、光造形装置５１は、フォーカス検出光学系３０により正確なフォーカス状態をリアルタイムに検出することができるので、形成する硬化層の形状に応じてスポット径を変化させるように構成することを可能とする。すなわち、光造形装置１は、後述の制御部１０１により例えば、目標となる造形物の輪郭部分等の精細な露光が必要な部分についてはスポット径を小さくさせて描画することにより精細な造形を行うようにし、目標となる造形物の中心部分等の部分についてはスポット径を大きくさせて描画することにより高速な造形を行うように構成してもよく、これにより、高速且つ高精細な光造形を可能とする。
【０１２６】
尚、光造形装置５１におけるこの反射光検出手段である光検出器３２によるフォーカス検出及びフォーカス調整レンズ１６によるフォーカス補正は、常時行うように構成してもよく、また、少なくとも各硬化層を形成する毎、すなわち、移動架台４を垂直方向Ｚに移動させる毎に行うように構成してもよく、さらに、後述のステップ＆リピート動作の際の所定の分割領域毎、すなわち、移動架台４を水平方向Ｘ，Ｙ及び／又は垂直方向Ｚに移動させる毎に行うように構成してもよい。
【０１２７】
また、光造形装置５１は、上述した第２の光源６１と空間光変調手段６２とともに、一括露光光学系６０を構成するために、所定の偏光光とするための偏光板６３と、通過する光を均一化するためのビームインテグレータ６４と、ビームインテグレータ６４からの光を空間光変調手段６２に導く反射手段６５と、空間光変調手段６２で空間光変調された光を対物レンズ４２の前焦点に集光するための集光レンズ６６とを備える。
【０１２８】
ここで、第２の光源６１と、偏光板６３との間には、紫外線硬化樹脂２に照射する光の通過・遮蔽を制御し、すなわち、一括露光光学系６０による露光のオン・オフ制御をするためのシャッタ６７が設けられている。
【０１２９】
一括露光光学系６０に用いられる一括露光用光源としての第２の光源６１は、紫外線硬化樹脂２の硬化層形成面の面内における一定領域毎に照射される光を放射するものであり、例えば、高出力な青色ＬＥＤ（Light Emitting Diode）のアレーである。尚、一括露光用光源は、ビームスキャン用光源とは、異なりコヒーレントなレーザ光源を用いる必要はない。この第２の光源６１であるＬＥＤアレーから放射された光は、ビームインテグレータ６４で均一化される。
【０１３０】
ビームインテグレータ６４としては、複数のレンズエレメントを配列してなるフライアイタイプや、四角柱等の柱状のロッドレンズの内部を全反射させる構成としてライトロッドタイプ等の一般的なものを用いることが可能である。このようなビームインテグレータ６４を通過した光は、後述する透過型液晶素子６８を均一に照射する。
【０１３１】
光造形装置１の空間光変調手段６２として、例えば、重ね合わされた２枚の透明基板と、この透明基板間に封入された液晶からなる液晶層と、透明電極とを有する透過型液晶素子６８が用いられる。この透過型液晶素子６８は、各画素毎に駆動信号に基づいて投影しようとする画像に対応して液晶の分子の配列を変えて透過する偏光方向を変化させることで通過する光を空間変調し、所望の投影光を紫外線硬化樹脂２上に投影することができる。ここで、投影しようとする画像とは、一括露光をしようとする形状に対応した光となるような投影光をいう。尚、ここでは、空間光変調手段６２として、透過型液晶素子を用いるものとして説明したが、これに限られるものではなく、入力信号に応じて傾き角度が変化する微小な反射ミラーを複数配列してなるデジタルミラーマイクロデバイス（ＤＭＤ）や、反射型液晶素子（ＬＣＯＳ）等を用いて構成してもよい。デジタルミラーマイクロデバイス（ＤＭＤ）を用いる場合には、各マイクロミラーが後述する１画素に対応する。
【０１３２】
ここでは、透過型液晶素子６８の画素数として、縦横１０００×１０００からなる１００万画素のものを用い、集光レンズ６６及び対物レンズ４２を通過したワーク領域上での１画素毎に対応する大きさを約１０μｍ×１０μｍ程度とするようにすることで、この透過型液晶素子６８を有する一括露光光学系６０は、１画素毎に対応した一定領域毎（１０μｍ×１０μｍ）に１ｃｍ×１ｃｍの領域内の一括して露光すべき所定領域を一括露光することが可能となる。このように、この空間光変調手段としての透過型液晶素子６８により一括して露光可能な１ｃｍ×１ｃｍの領域が上述したワーク領域となる。尚、画素数を増加させることで、上述した１画素に対応した一定領域を小さくして一括露光の精度を高めることも可能であり、また、集光レンズ６６及び対物レンズ４２の構成を変えることでワーク領域の大きさを変更することも可能である。さらに、空間光変調手段６２は、形成すべき所望の形状データに応じて各層毎又は後述の各分割領域毎に、使用画素数を変化させたり、投影サイズを変化させるように構成してもよい。
【０１３３】
また、この光造形装置１では、空間光変調手段６２として透過型液晶素子６８を用い、この透過型液晶素子６８に所定の偏光光で入射するために上述の偏光板６３を用いるように構成したが、他の方法により所定の偏光光で入射するように構成してもよい。
【０１３４】
集光レンズ６６は、空間光変調手段６２と、ビームスプリッタ４３との間に設けられ、対物レンズ４２とともに、空間光変調手段６２で変調された光を紫外線硬化樹脂２上に結像するための投影光学系として機能する。また、集光レンズ６６は、空間光変調手段６２により空間変調された光が対物レンズ４２を通過する際のディストーションを補正するレンズ群により構成され、上述の投影光学系として機能するのみならず、ディストーションを最大限低減させることができる。換言すると、集光レンズ６６は、後述のようにビームスキャン光学系１０と一括露光光学系６０とを合成する必要があることから、一括露光光学系６０による光がビームスキャン光学系１０のｆθレンズ等の対物レンズ４２を通過してしまうことにより発生してしまうディストーションを防止することができる。
【０１３５】
以上のような、第２の光源６１と、透過型液晶素子等の空間光変調手段６２と、偏光板６３と、ビームインテグレータ６４と、反射手段６５と、集光レンズ６６と、対物レンズ４２とは、一括露光光学系６０を構成し、この光造形装置１の一括露光光学系６０は、第２の光源６１から放射された光ビームを、偏光板６３で所定の偏光光とし、ビームインテグレータ６４で均一化し、空間光変調手段６２である透過型液晶素子６８で所定の露光を行うような投影光となるように空間変調し、集光レンズ６６により対物レンズ４２の前焦点位置に集光されて、対物レンズ４２により紫外線硬化樹脂２上に所望の露光を行うように照射される。
【０１３６】
この際、一括露光光学系６０において、空間光変調手段６２で空間変調された光は、集光レンズ６６でビームスプリッタ４３上に、すなわち、対物レンズ４２の前焦点位置で集光され、上述したビームスキャン光学系１０を経由した走査される光ビームと合成され、対物レンズ４２により紫外線硬化樹脂２上に結像されて所定領域に照射される。このとき、集光レンズ６６により、ディストーションは最大限に低減されている。
【０１３７】
また、空間光変調手段６２は、第２の光源６１としてＬＥＤのアレーを用いることができることから放射される光の光強度を大きくすることができるので、この空間光変調手段６２で空間変調され、集光レンズ６６、対物レンズ４２により結像される範囲を、光強度に応じた所定の時間で硬化層を形成することができ、高速造形を可能とする。
【０１３８】
以上のように、光造形装置５１は、上述のような空間光変調手段６２等からなる一括露光光学系６０により、所望の造形物を得るための各層毎の所望の形状に含まれる領域の紫外線硬化樹脂２上への１画素に対応した一定領域毎からなる所定範囲への大まかな描画すなわち粗描画を行うことを可能とし、これにより一定の範囲の硬化層の形成を一括、すなわち短時間で行うことができ、よって、このような一括描画により高速度な造形を実現する。
【０１３９】
また、光造形装置５１の一括露光光学系６０においても、上述したフォーカス検出光学系３０により検出されたフォーカス検出結果に応じて、フォーカス調整可能な構成とされており、以下に一括露光光学系６０におけるフォーカス調整について説明する。
【０１４０】
上述した空間光変調手段６２には、フォーカス調整用の駆動部６９が設けられており、具体的にこのフォーカス調整用の駆動部６９は、光検出器３２により得られたフォーカス検出信号に基づいて後述する制御部１０１で生成されたフォーカス補正信号に基づいて空間光変調手段６２としての透過型液晶素子６８を光軸方向に移動させる。
【０１４１】
このように、駆動部６９及び透過型液晶素子６８とは、一括露光光学系６０により紫外線硬化樹脂２上に投影される光のフォーカス状態、すなわち、この光の投影サイズを調整するフォーカス調整手段として機能する。すなわち、制御部１０１からのフォーカス補正信号に基づいて、駆動部６９により所定の位置移動された透過型液晶素子６８は、対物レンズ４２により紫外線硬化樹脂２に投影される光の投影サイズを調整することができる。
【０１４２】
このように、光造形装置５１は、フォーカス検出光学系３０により硬化層形成面の位置を正確に検出するとともに、この得られた検出信号に基づいて一括露光光学系６０の駆動部６９及び空間光変調手段６２からなるフォーカス調整手段によりフォーカス調整、すなわち、投影サイズの調整を行うことで、一括露光用の露光光を紫外線硬化樹脂２の硬化層形成面上に適切な投影サイズで露光することができ、高精度な光造形を行うことができる。
【０１４３】
光造形装置５１は、ビームスキャン光学系１０の走査手段１２により走査される光ビームと、一括露光光学系６０の空間光変調手段６２により空間変調される光とをビームスプリッタ４３で光路合成し、対物レンズ４２を経由して移動架台４上の紫外線硬化樹脂２に照射することで、高速且つ高精細な造形を実現する。
【０１４４】
すなわち、上述のような構成とされた光造形装置５１は、走査手段１２により走査される光ビームと、空間光変調手段６２により空間変調される光とを同時に照射し、又は一方を照射することの双方を可能とし、より高速度な造形を可能とする。
【０１４５】
この際、ビームスキャン光学系１０及び一括露光光学系６０からの光ビーム及び光をビームスプリッタ４３で合成していることから、両光学系のいずれを用いる場合にも紫外線硬化樹脂２に対して垂直方向から照射することができるので、硬化層及び造形物が水平方向に対して斜め方向に傾斜してしまうことがなく、高精細な造形を可能とする。
【０１４６】
また、光造形装置５１は、高速度を実現する一括露光光学系６０により、目標とする立体造形物の各層の形状に応じて、大部分一括して露光できる部分に関しては、空間光変調手段６２により空間変調される光を照射して高速造形を可能とするとともに、境界部等の高精細な造形を要求される部分に関しては、走査手段１２により走査される光ビームを照射して高精細な微細造形を可能とする。
【０１４７】
例えば、図１５に示すような、目標とする立体造形物の各層の形状である目標二次元形状ｆ１がワーク領域内にあった場合、光造形装置１は、空間光変調手段６２により空間変調された光により一括露光（一括描画）して、所望の形状の造形物を得るための各層毎の所望の形状より内側の部分であって上述の１画素に対応した各一定領域を組み合わせた部分（以下、「一括描画領域」ともいう。）の粗描画（以下、「一括描画」ともいう。）を行うことで各画素に対応して硬化された部分ａ１１が一又は複数組み合わされてなる光硬化性樹脂の硬化層の大部分ａ１（以下、「一括描画部分」ともいう。）を形成し、走査手段１２により走査された光ビームにより、各層毎の所望の形状の境界部分ａ２１と、粗描画された部分と境界部との間の隙間部分ａ２２と（以下、この境界部分と隙間部分とを合わせて「微細描画領域」ともいう。）の微細描画を行うことで光硬化性樹脂の硬化層の微細部分ａ２（以下、「微細描画部分」ともいう。）を形成することができる。
【０１４８】
尚、走査手段１２等からなるビームスキャン光学系１０により微細描画に際しては、図１６に示すように、境界部ａ２１及び隙間部分ａ２２をベクタースキャンを繰り返し行うことによって硬化層の微細部分ａ２を形成してもよく、また、図１７に示すように、境界部ａ２１をベクタースキャンにより行い、隙間部分ａ２２をラスタースキャンにより行うことで硬化層の微細部分ａ２を形成してもよい。
【０１４９】
このように、光造形装置５１は、図１５に示すような目標二次元形状をビームスキャン方式の従来の光造形装置により形成するよりも短時間で硬化層を形成することができ、一括露光方式の従来の光造形装置により形成するよりも高精度に硬化層を形成することができる。また、光造形装置１は、上述したように、移動架台４を垂直方向Ｚの下方側に移動させて次に硬化層を形成するための位置にワーク領域が位置するように移動させて、すなわち、形成層を変更する動作を繰り返すことにより立体造形物を形成でき、上述したような高精度な硬化層を短時間で形成することにより、高精度な造形物を短時間で造形することが可能となる。
【０１５０】
また、本発明を適用した光造形装置５１は、図１に示すように、移動架台４と、上述した走査手段１２、空間光変調手段６２、ビームスプリッタ４３等からなる光学系５５との何れか一方を紫外線硬化樹脂２の液面に平行な平面内でＸ方向及びＹ方向に移動させる移動手段５６を備えている。尚、ここでは、移動手段５６は、移動架台４を紫外線硬化樹脂２の液面に平行な平面内で略直交する二軸方向Ｘ，Ｙに駆動させる移動手段とするが、これに限られるものではなく、移動架台４及び光学系５５の少なくとも一方を移動させることで相対的な位置を変化させるものであればよい。また、ここでは、移動架台４を樹脂貯留槽３に対しても液面に平行な平面内で移動させるように構成したが、この平面内での移動は、移動架台４と樹脂貯留槽３とを同時に移動させるように構成してもよい。
【０１５１】
移動手段５６は、例えば移動架台４をＸ方向及び／又はＹ方向に移動させ、移動架台４及び光学系５５の水平面内における相対的な位置を変化させることにより、光学系５５により移動架台４上及びこれに積層された硬化層上に、硬化層を形成可能な領域を液面に平行な面内で変えることができ、このように、ワーク領域を変更することができる。
【０１５２】
このように、光造形装置５１は、後述の制御部１０１に駆動制御されることにより、移動架台４及び移動手段５６により、光学系５５と移動架台４との相対的な位置関係をＸ，Ｙ，Ｚ方向に変化させることが可能である。尚、ここでは、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向への相対位置の関係の変化を可能とするように構成したが、例えば、移動架台４をＺ方向の軸回り方向にも変化させるように構成してもよく、このように構成することで、さらに、造形物を高速且つ高精細に形成することも可能である。
【０１５３】
光造形装置５１は、この移動手段５６により移動架台４と光学系５５との相対的な位置を変化させる動作と、光学系５５の光及び光ビームにより硬化層を形成する動作とを順次繰り返す動作（以下、「ステップ＆リピート動作」ともいう。）によりさらに広範囲な造形を行うことを実現し、すなわち、より大きな造形物を高精細に造形することが可能となる。
【０１５４】
ここで、このステップ＆リピート動作について詳細に説明する。尚、以下の説明においては、この光造形装置１により紫外線硬化樹脂２の液面に平行な平面内の大きさが例えば１０ｃｍ×１０ｃｍ以内の寸法とされる造形物を作成するものとして説明する。また、造形物の液面に直交する所謂高さ方向の寸法は、移動架台４のＺ方向の移動可能な範囲により決定される。
【０１５５】
ステップ＆リピート動作を可能とする光造形装置５１は、例えば図１８に示すように、この１０ｃｍ×１０ｃｍの領域を造形物の各層を形成することができる最大の領域を示すワーク全体領域Ｗａｌｌとして、これを例えば１ｃｍ×１ｃｍの個別の分割領域からなる各ワーク領域Ｗｘｙに分割し、この各ワーク領域Ｗｘｙ毎に光学系５５から光及び光ビームを照射して移動架台４上に硬化層を形成するとともに、順次、上述した移動手段５６により移動架台４と光学系５５との相対的な位置を変化することにより所望の造形物の各硬化層を形成する。
【０１５６】
具体的に図１８中ｆａｌｌで示されるような目標二次元形状がワーク全体領域Ｗａｌｌ内にあった場合に、まず、図１８及び図１９に示すように、移動架台４上の一のワーク領域Ｗ３２に対向する位置に光学系５５が位置する状態とされた場合の一のワーク領域Ｗ３２において、一括露光光学系６０の空間光変調手段６２により空間変調された光による粗描画を行うことでこのワーク領域内の硬化層の大部分である一括描画部分ａ３２１を形成するとともに、ビームスキャン光学系１０の走査手段１２により走査された光ビームによる微細描画を行うことでこのワーク領域内の硬化層の微細部分である微細描画部分ａ３２２を形成する。これにより、一のワーク領域Ｗ３２内の所定の形状ｆ３２の硬化層を形成することができる。
【０１５７】
そして、移動手段５６により移動架台４と光学系５５との相対的な位置を変化することにより、移動架台４上の他のワーク領域Ｗｘｙに対向する位置に光学系５５が位置する状態とする。このワーク領域Ｗｘｙにおいても、上述したワーク領域Ｗ３２と同様に硬化層を形成し、このステップ＆リピート動作を繰り返すことにより、造形物の各硬化層の一層を形成することができる。そして、上述のように、移動架台４をＺ方向に移動させた後に、上述のステップ＆リピート動作を行うことを順次繰り返して各硬化層を積層することで造形物を形成することができる。
【０１５８】
以上のように、移動架台４と光学系５５との相対位置を変化させる移動手段５６を有しステップ＆リピート動作を行う光造形装置５１は、比較的大きな範囲の領域を、高精細且つ短時間で硬化させることができ、これにより比較的大きな立体造形物を形成することを可能とする。
【０１５９】
尚、上述では、１ｃｍ×１ｃｍ程度の所定の小領域において、一括露光光学系６０により１０μｍ程度のオーダで粗描画を行い、ビームスキャン光学系１０により１μｍ程度のオーダで微細描画を行うとともに、ステップ＆リピート動作を行うことにより１０ｃｍ×１０ｃｍ程度の比較的大きな造形物を実現するものとしたが、移動手段５６により移動架台４等をさらに広範囲に移動させることでさらに大きな造形物の造形を実現できるとともに、一括露光光学系６０の空間光変調手段６２の画素数を変化させたり、ビームスキャン光学系１０によりさらに小さなビームスポットを形成する構成に変えることでさらに微細な描画も実現できる。
【０１６０】
ところで、本発明を適用した光造形装置５１は、上述した光造形装置１と同様に、制御装置１００を備えており、この制御装置１００は、図２０に示すように、制御部１０１と、入力部１０２と、操作部１０３とを備えている。
【０１６１】
制御部１０１は、図２０に示すように、第１の光源１１に対してレーザー制御を行い、シャッタ１７に対して光ビームの透過・遮蔽の制御を行い、第１及び第２のガルバノミラー２１，２２の反射手段の回転駆動制御を行うことにより、ビームスキャン光学系１０の微細描画の制御を行う。
【０１６２】
また、光造形装置５１において、制御部１０１は、第２の光源６１に対して光強度等の制御を行い、シャッタ６７に対して光の透過・遮蔽の制御を行い、空間光変調手段６２の制御を行うことにより、一括露光光学系６０の一括描画の制御を行う。
【０１６３】
また、制御部１０１は、移動手段５６を制御して、所定の分割領域に対応した移動架台４の所定に位置にワーク領域が位置するようにＸ，Ｙ方向に移動架台４を移動させるとともに、所定の位置での分割領域の積層が完了したら次の所定の分割領域に対応した移動架台４の所定の位置にワーク領域が位置するようにＸ，Ｙ方向に移動架台４を移動させる。また、制御部１０１は、所定の高さの硬化層の積層が完了したら、移動架台４を制御して、移動架台４を所定量だけ垂直方向Ｚに上昇させてワーク領域のＺ方向の位置を変更して、形成層を変更する。
【０１６４】
さらに、制御部１０１は、光検出器３２で検出されたフォーカス検出信号を受け、このフォーカス検出信号に基づいてフォーカス補正信号を生成して、フォーカス調整用駆動部２５に出力することで、フォーカス調整レンズ１６を制御してフォーカス補正を行いフォーカス状態の調整を行うことができ、より一層の高精細な造形を実現する。
【０１６５】
さらにまた、制御部１０１は、光検出器３２で検出されたフォーカス検出信号を受け、このフォーカス検出信号に基づいてフォーカス補正信号を生成して、フォーカス調整用駆動部６９に出力することで、空間光変調手段６２を光軸方向に駆動制御して、フォーカス補正を行いフォーカス状態の調整を行うことができ、すなわち、一括露光光学系６０による露光光の硬化層形成面上の投影サイズの調整を行うことができ、より一層の高精細な造形を実現する。
【０１６６】
本発明を適用した光造形装置５１は、紫外線硬化樹脂２を貯留する樹脂貯留槽３と、硬化層を保持するとともに少なくとも紫外線硬化樹脂２の液面に対して直交する方向に移動される移動架台４と、移動架台４の下面、又はこの下面に形成された硬化層との間に所定の厚みの硬化層形成面を形成するとともに、硬化層形成面の紫外線硬化樹脂２の揺動を規制する液面規制板としての透過部３ａと、透過部３ａを介して硬化層形成面上の紫外線硬化樹脂２を描画することにより硬化層を形成するための所定の波長の光ビームを放射する描画用光源として第１の光源１１と、第１の光源１１から放射された光ビームを紫外線硬化樹脂２に走査させる走査手段１２とを備え、透過部３ａには、第１の光源１１から放射される光ビームの一部を反射する反射コーティング膜７が形成され、反射コーティング膜７で反射された光ビームを光検出器３２等の反射光検出手段で検出することにより走査手段１２により走査される光ビームのフォーカス状態を調整することにより、描画用の光ビームを紫外線硬化樹脂２の硬化層形成面上に適切なスポット径で集光させることができ、造形精度を向上させ高精細な光造形を行うことを実現する。すなわち、本発明を適用した光造形装置１は、描画用の光ビームの一部を硬化層形成面である透過部３ａと紫外線硬化樹脂２の界面で一部反射させてこの反射光を用いて正確にフォーカス検出を行うとともにこの検出結果に応じて描画用の光ビームにより適切なスポット径で光硬化性樹脂の露光を行うことにより高精細な立体造形を実現する。また、光造形装置５１は、その他の上述した光造形装置１の効果と同様の効果を有している。
【０１６７】
さらに、本発明を適用した光造形装置５１は、第１の光源１１と、走査手段１２とを備え、さらに、紫外線硬化樹脂２の一定領域毎に照射される光を放射する一括露光用光源として第２の光源６１と、第２の光源６１から放射された光を空間変調して紫外線硬化樹脂２上の所定領域を一括露光させる空間光変調手段６２とを備え、走査手段１２により走査される光ビームと、空間光変調手段６２により空間変調される光とにより、紫外線硬化樹脂２を硬化して各硬化層を形成することにより、すなわち、所望の各硬化層を形成する際に大部分一括して露光できる部分については、空間光変調手段６２により空間変調される光を用いて短時間に硬化層を形成し、境界部及び境界部付近の微細な精度を要求される部分については、走査手段１２により走査される光ビームにより高精度に硬化層を形成することにより、造形物の各硬化層を高速且つ高精度に形成することができ、これを積層することにより高精細な立体造形物を短時間で形成することを実現する。さらに、光造形装置５１は、上述の正確なフォーカス検出を行うことにより、ビームスキャン光学系１０の走査手段１２により走査される光ビームの精度を向上させることができ、より高精細な立体造形物を短時間で形成することを実現する。
【０１６８】
また、本発明を適用した光造形装置５１は、第１の光源１１、走査手段１２、第２の光源６１、空間光変調手段６２に加えて、これらの光学系５５と移動架台４との何れか一方を液面に平行な平面内で移動させることで移動架台４と光学系５５との相対的な位置を変化させる移動手段５６とを備えることにより、走査手段１２により走査される光ビームと、空間光変調手段６２により空間変調される光とにより、所望の２次元形状を分割した分割形状を各ワーク領域に形成する動作と、移動手段５６により移動架台４と光学系５５との相対的な位置を変化する動作とを順次繰り返す所謂ステップ＆リピート動作を行うことにより、走査手段１２及び空間光変調手段６２の性能により決定されるワーク領域より大きな各硬化層を高速且つ高精度に形成することができ、これを積層することにより、比較的大きな立体造形物を高精細且つ短時間で形成することを実現する。
【０１６９】
さらに、本発明を適用した光造形装置５１は、液面規制板としての透過部３ａに設けられた反射コーティング膜７により硬化層形成面で反射された光ビームを光検出器３２等の反射光検出手段で検出する光により空間光変調手段６２により空間変調される光のフォーカス状態を調整することにより、一括露光用の光を紫外線硬化樹脂２の硬化層形成面上に適切な投影サイズで光硬化性樹脂の露光を行うことにより一括露光光学系６０により硬化層が形成される部分についても精度を高めることができ、より高精細な立体造形物をより短時間で形成することを実現する。
【０１７０】
尚、上述の光造形装置１，５１では、所謂液面規制法を用いたものであり、樹脂貯留槽３の底部に設けた透過部３ａに液面規制板としての機能を発揮させ、樹脂貯留槽３の底部側から露光用の光ビーム又は光を入射させることにより、移動架台４とこの底部の透過部３ａとの間に、すなわち、移動架台４の下面に硬化層を形成するような形式のものであるが、本発明を適用した光造形装置は、これに限られるものではなく、例えば、図２１に示すように、同様に液面規制法を用い、移動架台４の上方であって、樹脂貯留槽３の液面付近に、液面規制板を設け、この液面規制板の上方側から露光用の光ビーム及び／又は光を入射させることにより、移動架台４の上面に硬化層を形成するような構成としてもよい。
【０１７１】
すなわち、図２１に示す光造形装置７１は、紫外線硬化樹脂２を貯留する樹脂貯留槽３と、この樹脂貯留槽３内に浸漬され形成される硬化層２ａを上面側に保持するとともに少なくともこの紫外線硬化樹脂２の表面である液面に対して直交する垂直方向Ｚに移動可能とされる移動架台４と、この紫外線硬化樹脂２上に光を照射するための上述の光学系５又は光学系５５とを有する。この光造形装置７１において用いられる光学系は、上述した光学系５，５５のいずれでもよく、光学系の構成及び機能については上述と同様であるので詳細な説明は省略する。
【０１７２】
この光造形装置７１は、移動架台４の上方側であって樹脂貯留槽３の液面付近に、光学系５，５５からの硬化用の光を透過させるとともに、液面規制板として機能する透明板７２を有しており、光学系５，５５からの光を透明板７２を介して紫外線硬化樹脂２の硬化層を形成する領域である硬化層形成面に照射させることで硬化層を形成する。換言すると、移動架台４の上面、又は移動架台４の上面に形成された硬化層と、透明板７２の下面との間には、所定の隙間が形成されており、この所定の隙間に存在する紫外線硬化樹脂２が光学系５，５５からの光により露光され硬化層が形成される硬化層形成面となる。また、透明板７２は、移動架台４の上面、又は移動架台４の上面に形成された硬化層との間に硬化層形成面としての隙間を形成し、その間の紫外線硬化樹脂２の振動、揺動等を発生させないように規制する液面規制板として機能する。
【０１７３】
そして、光造形装置７１は、光学系により光を照射し移動架台４の上面に硬化層を形成する動作と、この移動架台４を垂直方向Ｚに下方に移動する動作とを順次繰り返すことにより立体造形を行う。
【０１７４】
本発明を適用した光造形装置７１は、上述した光造形装置１，５１と同様に、描画用光源として第１の光源１１と、走査手段１２と、反射コーティング膜７を有する透過部３ａと、フォーカス検出光学系３０とを備え、液面規制板として透過部３ａに設けられた反射コーティング膜７により硬化層形成面で反射された光ビームを光検出器３２等の反射光検出手段で検出する光により走査手段１２により走査される光ビームのフォーカス状態を調整することにより、描画用の光ビームを紫外線硬化樹脂２の硬化層形成面上に適切なスポット径で集光させることができ、造形精度を向上させ高精細な光造形を行うことを実現する。尚、この光造形装置７１においても、上述した光造形装置５１の移動手段５６のような移動手段をさらに追加して設けるように構成してもよい。
【０１７５】
次に、上述のような光造形装置を用いた光造形方法について説明する。尚、以下では、図１４を用いて説明した光造形装置５１を用いた光造形方法について説明し、図２を用いて説明した光造形装置１を用いた光造形方法については、以下に説明する光造形装置５１の場合と、一括露光光学系６０及び移動手段５６を用いることを除いて同様であるので、詳細な説明は省略する。
【０１７６】
本発明を適用した光造形方法は、入力手段により入力された３次元形状データに基づいて、液状の光硬化性樹脂としての紫外線硬化樹脂２上に光を照射して硬化層を順次形成することにより所望の形状の造形物を形成するものである。
【０１７７】
この光造形方法は、図２２に示すように、入力部１０２により３次元形状データを入力するステップＳ１と、入力された３次元形状データに基づいて、各層毎の２次元形状データを生成するステップＳ２と、生成された２次元形状データに基づいて、各層を液面に平行な平面内で分割した複数の分割領域毎の分割領域形状データを生成するステップＳ３と、生成された各分割領域形状データに基づいて、一括露光光学系６０により一括露光させて所定領域を形成するための第１のデータと、ビームスキャン光学系１０により微細描画させて残りの領域を形成するための第２のデータとを生成するステップＳ４と、フォーカス検出光学系３０により得られるフォーカス検出情報に基づいてフォーカス調整を行いながら、第１のデータに基づいて、一括露光光学系６０により一括露光するとともに、第２のデータに基づいて、ビームスキャン光学系１０により微細描画して各分割領域Ｗｘｙを形成することにより硬化層を順次形成するステップＳ５とを有する。
【０１７８】
ステップＳ１では、入力部１０２により目標とする所望の形状の立体造形物のＣＡＤデータ等の３次元形状データを制御装置１００の制御部１０１内に入力する。
【０１７９】
ステップＳ２では、入力された３次元形状データを、例えばＳＴＬフォーマット等の３次元形状データに変換するとともに、この３次元形状データを積層方向であるＺ方向に輪切り状にスライスして、各層毎の２次元形状データを生成する。尚、この際に、操作部１０３により立体造形物の配置姿勢・向き及び積層方向を選択し、又は積層方向の厚さを選択できるように構成してもよい。
【０１８０】
ステップＳ３では、生成された２次元形状データに基づいて、これを上述した１ｃｍ×１ｃｍの所定の各ワーク領域Ｗｘｙに対応した分割領域に分割して、各ワーク領域Ｗｘｙ毎の２次元形状データｆｘｙである分割領域形状データを生成する。
【０１８１】
ステップＳ４では、得られた各ワーク領域Ｗｘｙ毎の分割領域形状データに基づいて、一括露光させて所定領域を形成するための、すなわち、空間光変調手段６２により紫外線硬化樹脂２上の一定領域毎に一括露光させて硬化層の所定領域である一括描画部分を形成するための第１のデータと、ビームスキャン光学系１０により微細描画させて残りの領域を形成するための、すなわち、走査手段１２により硬化性樹脂上に光ビームを走査することにより硬化層の残りの領域である微細描画部分を形成するための第２のデータとを生成する。
【０１８２】
尚、ここで説明したステップＳ３，Ｓ４では、２次元形状データから分割領域形状データを生成した後に、この分割領域形状データに基づいて第１のデータ及び第２のデータを生成するようにしたが、これに限られるものではなく、２次元形状データに基づいて、一括露光光学系により一括露光させて所定領域である一括描画部分を形成するための第１のデータと、ビームスキャン光学系により微細描画させて残りの領域を形成するための微細描画部分を形成するための第２のデータとを生成し、その後に、それぞれ第１及び第２のデータの分割領域形状データを生成するように構成してもよい。
【０１８３】
ステップＳ５は、図２３に示すように、各ワーク領域Ｗｘｙにおいて、第１の光源１１から放射された光ビームを硬化層形成面に照射し、反射コーティング膜７により硬化層形成面で反射された光ビームを検出し、第１のデータ及びこのフォーカス結果に基づいて、空間光変調手段６２により光を空間変調して紫外線硬化樹脂２上の所定領域をフォーカス状態（投影サイズ）を調整しながら一括露光するとともに、第２のデータ及びこのフォーカス検出結果に基づいて、走査手段１２により光ビームをフォーカス状態を調整しながら紫外線硬化樹脂２上に走査することにより硬化層の分割部分を形成するステップＳ５−１と、移動手段５６により、光学系５５と移動架台４との相対的な位置を変化させてワーク領域Ｗｘｙを変更するステップＳ５−２と、同一層における各分割領域の積層が完了したことを確認するステップＳ５−３と、所定の高さの同一層の硬化層が形成されたら移動架台４をＺ方向の位置を上方に移動させて形成層を変更するステップＳ５−４と、全ての硬化層の積層が完了したことを確認するステップＳ５−５とを有する。
【０１８４】
ステップＳ５−１では、第１の光源１１から紫外線硬化樹脂２上に描画するために光ビームを放射し、反射コーティング膜７により第１の光源１１から放射され紫外線硬化樹脂２の硬化層形成面で反射されたフォーカス検出用の反射光を光検出器３２で検出してフォーカス検出信号を生成し、第１の光源１１から放射された光ビームを走査手段１２によりフォーカス検出信号に基づいてフォーカス状態を調整するとともに走査させ、第２の光源６１から紫外線硬化樹脂２上の一定領域毎に照射させる光を放射し、第２の光源６１から放射された光を空間光変調手段６２によりフォーカス検出信号に基づいて投影サイズ（フォーカス状態）を調整するとともに空間変調させ、走査手段１２により走査された光ビームにより紫外線硬化樹脂２上を走査させ、空間光変調手段６２により空間変調された光により紫外線硬化樹脂２上の所定領域を一括露光させることにより、各分割領域の紫外線硬化樹脂２を硬化させて、造形物の各硬化層の分割領域を形成する。
【０１８５】
ステップＳ５−２では、移動手段５６により移動架台４をＸ方向及び／又はＹ方向に移動させてワーク領域Ｗｘｙが分割領域形状データに対応した位置となるようにする。
【０１８６】
ステップＳ５−３では、同一層において全ての分割領域の積層が完了したか否かを確認する。分割領域の積層が完了していない場合には、ステップＳ５−１に戻り、ステップＳ５−１、ステップＳ５−２を繰り返すようにする。同一層における全ての分割領域の積層が完了している場合には、ステップＳ５−４に進む。
【０１８７】
ステップＳ５−４では、移動架台４を垂直方向Ｚの上方側に移動させて次に硬化層を形成するための位置にワーク領域Ｗｘｙが位置するように移動させて、形成層を変更する。
【０１８８】
ステップＳ５−５では、立体造形物の全ての硬化層の積層が完了したか否かを確認する。立体造形物の全ての硬化層の積層が完了していない場合には、ステップＳ５−１に戻り、ステップＳ５−１〜Ｓ５−４を繰り返すようにする。
【０１８９】
このように、ステップＳ５では、上述のステップＳ５−１〜ステップＳ５−３で説明したように、所定の高さの同一層における各ワーク領域Ｗｘｙ毎に第１のデータに基づいて一括露光光学系６０により一括露光するとともに、第２のデータに基づいてビームスキャン光学系１０により微細描画して硬化層の分割領域を形成するとともに、順次ワーク領域を変更することで２次元形状データに基づいた同一層内の分割領域が全て形成されて一層の硬化層が得られたら、垂直方向Ｚの高さを変えて順次これを繰り返すことにより立体造形物が形成される。
【０１９０】
尚、上述の光造形方法において、光造形装置１に移動手段５６を設けない場合や、造形すべき立体造形物の平面方向の大きさが所定のワーク領域内に含まれてしまう程度に小さい場合にはステップＳ３を設けなくてもよく、この場合には、ステップＳ２で生成された「２次元形状データ」がＳ４以降の「分割領域形状データ」となるとともに、ステップＳ５におけるステップＳ５−２及びＳ５−３を行わない。
【０１９１】
以上のように、本発明を適用した光造形方法は、液状の紫外線硬化樹脂２を貯留する樹脂貯留槽３と、この紫外線硬化樹脂２に光が照射されることにより形成される硬化層を保持するとともに少なくとも紫外線硬化樹脂２の液面に対して直交する方向に移動される移動架台４と、移動架台４の下面、又はこの下面に形成された硬化層との間に所定の厚みの硬化層形成面を形成するとともに、硬化層形成面の紫外線硬化樹脂２の揺動を規制する液面規制板としての透過部３ａとを備える光造形装置１，５１を用い、透過部３ａを介して紫外線硬化樹脂２に光を照射して硬化層を順次形成することにより所望の形状の造形物を形成する光造形方法であって、硬化層形成面上の紫外線硬化樹脂２を描画することにより硬化層を形成するための所定の波長の光ビームを放射する描画用光源としての第１の光源１１から光ビームを放射し、透過部３ａに形成され第１の光源１１から放射される光ビームの一部を反射する反射コーティング膜７により反射された光ビームを検出することにより、第１の光源１１から放射された光ビームを紫外線硬化樹脂２に走査させる走査手段１２により第１の光源１１から放射され反射コーティング膜７を透過された光ビームのフォーカス状態を調整するとともに硬化層形成面上を走査させることにより、描画用の光ビームを紫外線硬化樹脂２の硬化層形成面上に適切なスポット径で集光させることができ、造形精度を向上させ高精細な光造形を行うことを実現する。すなわち、本発明を適用した光造形方法は、フォーカス検出用の光ビームを用いて正確にフォーカス検出を行うとともにこの検出結果に応じて描画用の光ビームにより適切なスポット径で光硬化性樹脂の露光を行うことにより高精細な立体造形を実現する。
【０１９２】
また、本発明を適用した光造形方法は、第１の光源１１から紫外線硬化樹脂２上に描画するために光ビームを放射し、第１の光源１１から放射された光ビームを走査手段１２により走査させ、第２の光源６１から紫外線硬化樹脂２上の一定領域毎に照射させる光を放射し、第２の光源６１から放射された光を空間光変調手段６２により空間変調させ、走査手段１２により走査された光ビームにより紫外線硬化樹脂２上を描画させ、空間光変調手段６２により空間変調された光により紫外線硬化樹脂２上の所定領域を一括露光させることにより、造形物の各硬化層を形成することにより、所望の各硬化層を形成する際に大部分一括して露光できる部分については、空間光変調手段６２により空間変調される光を用いて短時間に硬化層を形成し、境界部及び境界部付近の微細な精度を要求される部分については、走査手段１２により走査される光ビームにより高精度に硬化層を形成することにより、造形物の各硬化層を高速且つ高精度に形成することができ、これを積層することにより高精細な立体造形物を短時間で形成することを実現する。
【０１９３】
また、本発明を適用した光造形方法は、硬化層形成面上の紫外線硬化樹脂２を一定領域毎に照射することにより硬化層を形成するための一括露光用の光を放射する一括露光用光源として第２の光源６１と、上述した第１の光源１１との、それぞれから光ビームを放射し、第１の光源１１から放射され液面規制板としての透過部３ａに設けられた反射コーティング膜７により紫外線硬化樹脂２の硬化層形成面で反射された反射光をフォーカス検出光学系３０により検出することにより、第２の光源６１から放射された光を紫外線硬化樹脂２に空間変調して一括露光する空間光変調手段６２によりフォーカス状態を調整するとともに硬化層形成面上を走査させることにより、一括露光用の光を紫外線硬化樹脂２の硬化層形成面上に適切な投影サイズで光硬化性樹脂の露光を行うことにより一括露光光学系６０により硬化層が形成される部分についても精度を高めることができ、より高精細な立体造形物をより短時間で形成することを実現する。
【０１９４】
また、本発明を適用した光造形方法は、入力部１０２により入力された３次元形状データに基づいて、紫外線硬化樹脂２上に光を照射して硬化層を順次形成することにより所望の形状の造形物を形成する光造形方法であって、入力部１０２により３次元形状データを入力するステップＳ１と、入力された３次元形状データに基づいて、各層毎の２次元形状データを生成するステップＳ２と、この２次元形状データに基づいて、空間光変調手段６２により紫外線硬化樹脂２上に一定領域毎に一括露光させて硬化層の所定領域を形成するための第１のデータと、走査手段１２により紫外線硬化樹脂２上に光ビームを走査することにより硬化層の残りの領域を形成するための第２のデータとを生成するステップＳ４と、フォーカス検出光学系３０により得られるフォーカス検出情報に基づいてフォーカス調整を行いながら、第１のデータに基づいて、空間光変調手段６２により光を空間変調して紫外線硬化樹脂２上の所定の領域を一括露光するとともに、第２のデータに基づいて、走査手段１２により光ビームを紫外線硬化樹脂２上に走査することにより硬化層を順次形成するステップＳ５とを有することにより、造形物の各硬化層を高速且つ高精度に形成することができ、これを順次積層することにより、高精細な立体造形物を短時間で形成することを実現する。
【０１９５】
また、本発明を適用した光造形方法は、入力部１０２により入力された３次元形状データに基づいて、紫外線硬化樹脂２上に光を照射して硬化層を順次形成することにより、紫外線硬化樹脂２に浸漬され少なくとも光硬化性樹脂の液面に対して直交する方向に移動される移動架台４上に所望の形状の造形物を形成する光造形方法において、入力部１０２により３次元形状データを入力するステップＳ１と、入力された３次元形状データに基づいて、各層毎の２次元形状データを生成するステップＳ２と、各層毎の２次元形状データに基づいて、各層を液面に平行な平面内で分割した複数の分割領域毎の分割領域形状データを生成するステップＳ３と、分割領域形状データに基づいて、空間光変調手段６２により紫外線硬化樹脂２上に一定領域毎に一括露光させて硬化層の分割領域の所定領域を形成するための第１のデータと、走査手段１２により紫外線硬化樹脂２上に光ビームを走査することにより硬化層の分割領域の残りの領域を形成するための第２のデータとを生成するステップＳ４と、フォーカス検出光学系３０により得られるフォーカス検出情報に基づいてフォーカス調整を行いながら、第１のデータに基づいて、空間光変調手段６２により光を空間変調して紫外線硬化樹脂２上の所定の領域を一括露光し、第２のデータに基づいて、走査手段１２により光ビームを紫外線硬化樹脂２上に走査することにより各分割領域を形成するとともに、順次空間光変調手段６２及び走査手段１２と、移動架台４との液面に平行な平面内での位置関係を変化させることによりワーク領域を変更して得られる硬化層を順次形成・積層するステップＳ５とを有することにより、造形物の各硬化層の各分割領域を高速且つ高精度に形成することができ、これにより造形物を高速且つ高精度に形成することができ、これを順次積層することにより、比較的大きな立体造形物を高精細且つ短時間で形成することを実現する。
【図面の簡単な説明】
【０１９６】
【図１】本発明を適用した光造形装置の概略を示す断面図である。
【図２】本発明を適用した光造形装置の光学系を示す図である。
【図３】本発明を適用した光造形装置を構成する対物レンズの機能を説明するための図であり、対物レンズとしてｆθレンズを用いた場合の模式図である。
【図４】本発明を適用した光造形装置を構成する第１及び第２のガルバノミラーと対物レンズとの機能を説明するための図であり、第１のガルバノミラーと対物レンズとの模式図である。
【図５】本発明を適用した光造形装置を構成する第１及び第２のリレーレンズの機能を説明するための図であり、両側テレセントリック結像光学系の一例を示す模式図である。
【図６】本発明を適用した光造形装置のビームスキャン光学系等における、ビームスキャン方式について説明する図であり、（ａ）は、ラスタースキャンを示す平面図であり、（ｂ）は、ベクタースキャンを示す平面図であり、（ｃ）は、ラスター・ベクター併用スキャンを示す平面図である。
【図７】光造形装置を構成する樹脂貯留槽の底部の透過部の構成について説明するための図であり、紫外線硬化樹脂側に反射コーティング膜が形成されたことを示す拡大断面図である。
【図８】光造形装置を構成する樹脂貯留槽の底部の透過部の構成についての他の例を示す図であり、上述の反射コーティング膜に加えて、剥離コーティング膜及び減反射コーティング膜を形成した例の拡大断面図である。
【図９】光造形装置を構成するフォーカス検出光学系に導かれた反射光がシリンドリカルレンズにより非点収差を付与された状態を示す模式図である。
【図１０】光造形装置を構成するフォーカス検出光学系の光検出器の構成について説明するための図であり、（ａ）は、光検出器の受光部の構成を示す平面図であり、（ｂ）は、光検出器のフォーカス検出信号を生成するための回路構成を示す図である。
【図１１】光造形装置を構成するフォーカス検出光学系による非点収差法を用いたフォーカス検出について説明するための図であり、（ａ）は、ｙ０方向を含む平面における光ビームの集光状態、すなわち、後焦線Ａに結像する光ビームの状態を示す図であり、（ｂ）は、（ａ）に示すジャストフォーカス位置Ｊにおけるスポット形状を示す平面図であり、（ｃ）は、（ａ）に示すジャストフォーカス位置Ｊより手前の位置Ｎにおけるスポット形状を示す平面図であり、（ｄ）は、（ａ）に示すジャストフォーカス位置Ｊより奥の位置Ｆにおけるスポット形状を示す平面図である。
【図１２】光造形装置を構成するフォーカス調整レンズについて説明する図であり、（ａ）は、入射された光ビームをフォーカス調整レンズにより収束光として出射させる状態の平面図であり、（ｂ）は、入射された光ビームをフォーカス調整レンズにより平行光として出射させる状態の平面図であり、（ｃ）は、入射された光ビームをフォーカス調整レンズにより発散光として出射させる状態の平面図である。
【図１３】本発明を適用した光造形装置の光学系の制御やデータ処理を行う制御装置について説明するための図である。
【図１４】本発明を適用した光造形装置の光学系の他の例として、ビームスキャン光学系と一括露光光学系を備える例を示す図である。
【図１５】本発明を適用した光造形装置により目標とする立体造形物の各硬化層を形成するときの一括描画と微細描画とについて説明するための図であり、各層の形状である目標二次元形状と、一括描画部分及び微細描画部分とを示す平面図である。
【図１６】本発明を適用した光造形装置により目標とする立体造形物の各硬化層を形成するときの一括描画と微細描画とについて説明するための図であり、一括露光により一括描画を行うとともに、ベクタースキャン方式のビームスキャンにより微細描画を行うことを示す平面図である。
【図１７】本発明を適用した光造形装置により目標とする立体造形物の各硬化層を形成するときの一括描画と微細描画とについて説明するための図であり、一括露光により一括描画を行うとともに、ベクター・ラスター併用方式のビームスキャンにより微細描画を行うことを示す平面図である。
【図１８】本発明を適用した光造形装置によるステップ＆リピート動作について説明するための図であり、ワーク全体領域を所定の各ワーク領域毎に分割することを説明するための平面図である。
【図１９】図１８に示すワーク全体領域を分割された各ワーク領域のうち一のワーク領域Ｗ３２を示す平面図である。
【図２０】図１４に示す光造形装置の光学系の制御やデータ処理を行う制御装置について説明するための図である。
【図２１】本発明を適用した光造形装置の光学系の他の例を示す図であり、樹脂貯留槽に貯留された光硬化性樹脂の液面付近に液面規制板を設け、液面規制板の上方側から露光用の光を入射させる例の光造形装置の概略を示す図である。
【図２２】本発明を適用した光造形方法について説明するフローチャートである。
【図２３】図２２に示す硬化層を形成するステップＳ５についてさらに詳細に説明するためのフローチャートである。
【図２４】従来の自由液面法を用いた光造形装置の概略を示す断面図である。
【図２５】従来の液面規制法を用いた光造形装置の概略を示す断面図である。
【図２６】従来の液面規制法を用いた光造形装置でフォーカス検出を行う場合の問題点について説明するための図である。
【符号の説明】
【０１９７】
１  光造形装置、  ２  紫外線硬化樹脂、  ３  樹脂貯留槽、  ３ａ  透過部、  ４  移動架台、  ５  光学系、  １０  ビームスキャン光学系、  １１  第１の光源、  １２  走査手段、  １３  コリメータレンズ、  １４  アナモルフィックレンズ、  １５  ビームエキスパンダ、  １６  フォーカス調整レンズ、  １７  シャッタ、  ２１  第１のガルバノミラー、  ２２  第２のガルバノミラー、  ２３  第１のリレーレンズ、  ２４  第２のリレーレンズ、  ３０  フォーカス検出光学系、  ３１  ビームスプリッタ、  ３２  光検出器、  ３３  シリンドリカルレンズ、  ４１  反射ミラー、  ４２  対物レンズ、  ４３  ビームスプリッタ、  ５５  光学系、  ５６  移動手段、  ６０  一括露光光学系、  ６１  第２の光源、  ６２  空間光変調手段、  ６３  偏光板、  ６４  ビームインテグレータ、  ６５  反射手段、  ６６  集光レンズ、  ６７  シャッタ  
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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