(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の形状を有する光パターンを形成するための光パターン形成手段と、
前記光パターンからの光を集光して被加工物の表面に前記光パターンの像を形成するための対物光学系と、
前記被加工物の表面における前記光パターンの像の形成位置を実質的に変化させることなく前記被加工物の表面に対する入射光の角度を変化させるために、前記被加工物の表面に入射する光の光路を切り換えるための光路切換手段とを備え、
前記被加工物の表面に形成された前記光パターンの像の光強度分布に応じて前記被加工物を形状加工することを特徴とする光造形装置。
【請求項２】
前記光路切換手段は、前記光パターンからの入射光が透過する光透過部の位置を変化させることによって前記被加工物の表面に入射する光の光路を切り換えることを特徴とする請求項１に記載の光造形装置。
【請求項３】
前記光パターン形成手段は、前記光パターンの形状を変化させることによって前記被加工物の表面に形成される前記光パターンの像の形状を切り換えることを特徴とする請求項２に記載の光造形装置。
【請求項４】
前記光パターン形成手段は、互いに空間的に分離された複数の光パターンを形成し、
前記光路切換手段は、前記複数の光パターンの各々から互いに空間的に分離された光路に沿って入射した光を選択的に透過させて前記被加工物の表面に導くことによって前記被加工物の表面に入射する光の光路を切り換えることを特徴とする請求項１に記載の光造形装置。
【請求項５】
前記光パターン形成手段は、互いに異なる複数の光パターンを形成し、
前記光路切換手段の作用により、前記被加工物の表面に形成される前記光パターンの像の形状を切り換えることを特徴とする請求項４に記載の光造形装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光造形装置に関し、特に光造形法を用いた被加工物の形状加工に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
紫外線硬化型樹脂に紫外線を照射し、光照射部分を硬化させることによって立体的な造形物を形成する光造形法が知られている。この光造形法では、製造すべき立体造形物の第１層の断面形状データに基づいて、紫外線硬化型樹脂の液面に紫外線の光スポット（走査スポット）または光パターンを照射し、造形物の第１層部分を硬化させる。次いで、紫外線硬化型樹脂の液中に第１層部分を浸漬させ、第２層の断面形状データに基づいて、紫外線硬化型樹脂の液面に紫外線を照射して第２層部分を硬化させる。以下同様に、各層部分を順次硬化させて積層することによって、所定の三次元形状を有する造形物が形成される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、光造形法を利用した従来の光造形装置では、紫外線硬化型樹脂の平面状の液面に対してほぼ垂直な一定の入射角度で光照射を行い、平面状に硬化させた各層部分を積層することによって立体造形物を形成している。
ところで、たとえば人口骨の成形分野において、光造形法などを利用して形成された人口骨の表面形状をさらに微調整するために、微調整が必要な局部領域に紫外線硬化型樹脂を塗布し、その表面に紫外線を照射して微細加工を施す研究が進められている。この場合、たとえば人口骨の局部的に窪んだ領域の表面形状を従来の光造形装置を用いて微調整しようとすると、塗布された紫外線硬化型樹脂の複雑な表面に対して所望の角度（向き）で光照射を行うことができず、その結果所望の形状加工を施すことができない可能性がある。
【０００４】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、複雑な表面形状を有する被加工物に対しても微細な形状加工を効率良く行うことのできる光造形装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明においては、所定の形状を有する光パターンを形成するための光パターン形成手段と、
前記光パターンからの光を集光して被加工物の表面に前記光パターンの像を形成するための対物光学系と、
前記被加工物の表面における前記光パターンの像の形成位置を実質的に変化させることなく前記被加工物の表面に対する入射光の角度を変化させるために、前記被加工物の表面に入射する光の光路を切り換えるための光路切換手段とを備え、
前記被加工物の表面に形成された前記光パターンの像の光強度分布に応じて前記被加工物を形状加工することを特徴とする光造形装置を提供する。
【０００６】
好ましい態様によれば、前記光路切換手段は、前記光パターンからの入射光が透過する光透過部の位置を変化させることによって前記被加工物の表面に入射する光の光路を切り換える。この場合、前記光パターン形成手段は、前記光パターンの形状を変化させることによって前記被加工物の表面に形成される前記光パターンの像の形状を切り換えることが好ましい。
【０００７】
また、別の好ましい態様によれば、前記光パターン形成手段は、互いに空間的に分離された複数の光パターンを形成し、前記光路切換手段は、前記複数の光パターンの各々から互いに空間的に分離された光路に沿って入射した光を選択的に透過させて前記被加工物の表面に導くことによって前記被加工物の表面に入射する光の光路を切り換える。この場合、前記光パターン形成手段は、互いに異なる複数の光パターンを形成し、前記光路切換手段の作用により、前記被加工物の表面に形成される前記光パターンの像の形状を切り換えることが好ましい。
【０００８】
さらに、前記光路切換手段は、前記対物光学系の瞳面の近傍に配置されていることが好ましい。
また、前記被加工物の表面に入射する光の光路とは実質的に異なる光路に沿って前記対物光学系を介した前記被加工物の表面からの光に基づいて、前記光パターンの像が形成された前記被加工物の表面を観察するための観察系をさらに備えていることが好ましい。
さらにまた、前記対物光学系は、光の通過する領域に応じて焦点距離の異なる多重焦点光学系であり、前記光路切換手段の作用により、前記被加工物の表面に形成される前記光パターンの像の光軸方向の結像位置を切り換えることが好ましい。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の光造形装置では、たとえばＬＥＤアレイのような光パターン形成手段によって光パターンを形成し、この光パターンからの光を対物光学系を介して集光し、被加工物の表面に光パターンの像を形成する。そして、光路切換手段によって被加工物の表面に入射する光の光路を切り換え、被加工物の表面における光パターンの像の形成位置を実質的に変化させることなく、被加工物の表面に対する入射光の角度（向き）を変化させることができる。
【００１０】
具体的な例として、光路切換手段は、たとえば対物光学系の瞳面の近傍に配置された液晶表示素子のようなライトバルブからなり、光パターンからの入射光が透過する光透過部の位置を変化させることによって、被加工物の表面に入射する光の光路を切り換える。この場合、光パターン形成手段は、光パターンの形状を変化させることによって、被加工物の表面に形成される光パターンの像の形状を切り換えることもできる。
【００１１】
また、別の具体例によれば、光パターン形成手段は、たとえば複数のＬＥＤアレイを有し、互いに空間的に分離された複数の光パターンを形成する。そして、光路切換手段は、たとえば対物光学系の瞳面の近傍に配置されたライトバルブあるいは複数の開口部を有する開口絞りからなる。こうして、光路切換手段により、複数の光パターンの各々から互いに空間的に分離された光路に沿って入射した光を選択的に透過させて被加工物の表面に導くことによって、被加工物の表面に入射する光の光路を切り換える。この場合、各ＬＥＤアレイが互いに異なる光パターンを形成することによって、被加工物の表面に形成される光パターンの像の形状を切り換えることもできる。
【００１２】
このように、本発明の光造形装置では、被加工物の表面に入射する光の光路を切り換えて、被加工物の表面に対する入射光の角度（向き）を変化させることができる。したがって、たとえば人口骨のような複雑な表面形状を有する被加工物の局部領域に塗布された紫外線硬化型樹脂の表面に所望の角度（向き）で光を照射して所定の光パターンの像を形成することができる。そして、その光パターンの像を必要に応じて走査しながら、光パターンの像の光強度分布に応じた微細な形状加工を効率良く行うことができる。
【００１３】
また、本発明の光造形装置では、被加工物の表面に入射する光の光路とは実質的に異なる光路に沿って対物光学系を介した被加工物の表面からの光に基づいて、光パターンの像が形成された被加工物の表面を観察することができる。さらに、光の通過する領域に応じて焦点距離の異なる多重焦点光学系を対物光学系として用い、光路切換手段の作用により被加工物の表面に形成される光パターンの像の光軸方向の結像位置を切り換えることができる。
したがって、本発明では、被加工物の表面を観察しながら被加工物の表面に対する入射光の角度（向き）、光パターンの像の形状や光軸方向の結像位置などを適宜切り換えることにより、必要に応じて光パターンの像を走査しながら複雑で微細な形状加工をさらに効率良く行うことができる。
【００１４】
本発明の実施例を、添付図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の実施例にかかる光造形装置の構成を概略的に示す斜視図である。
本実施例の装置は、紫外光を射出する光源４１を備えている。光源４１として、たとえばＡｒレーザーのような紫外線発光レーザーなどを用いることができる。光源４１から射出された光は、図示を省略したコリメータレンズおよび拡散板を介して照度むらのない均一な光となってパターンマスク４７ａに入射する。パターンマスク４７ａは透明部と不透明部とからなり、透明部を透過した光は所定の形状を有する光パターンを形成する。
【００１５】
パターンマスク４７ａを透過したパターン光は、六角錐台状のプリズム４３の斜面４３ａに入射する。プリズム４３の斜面４３ａで図中下方に反射された光は、たとえば液晶表示素子からなるライトバルブ４４に入射する。ライトバルブ４４の光透過部４４ａを通過した光は、対物光学系４５を介して集光され、光路４９ａに沿って、たとえば人口骨のような被加工物４６に導かれる。被加工物４６の所定領域には、紫外線硬化型樹脂が塗布されている。こうして、被加工物４６の所定領域に塗布された紫外線硬化型樹脂の表面には、パターンマスク４７ａのパターン像が形成される。ところで、図１では図面の明瞭化のために、対物光学系４５よりも光源側にライトバルブ４４を配置しているが、一般にライトバルブ４４は対物光学系４５の瞳面の近傍に位置決めされることが好ましい。しかしながら、光パターンが１つの小さなスポットパターンであるような場合には、対物光学系４５の瞳面から離れた位置、たとえば対物光学系４５よりも被加工物側に配置することもできる。
【００１６】
なお、被加工物４６は、三次元的に移動可能なステージ５０によって支持されている。ステージ５０は、たとえば対物光学系４５の光軸に垂直な面内において二次元的に移動可能なＸＹステージと、対物光学系４５の光軸方向に移動可能なＺステージとから構成されている。したがって、ステージ５０の駆動により被加工物４６を三次元的に移動させて、被加工物４６の形状加工すべき所定領域を対物光学系４５に対して所望の位置に位置決めすることができる。また、必要に応じて、対物光学系４５の光軸に垂直な面内において被加工物４６を二次元的に移動させることにより、被加工物４６の所定領域の表面上においてパターン像を二次元的に走査することもできる。
【００１７】
本実施例の装置はまた、紫外線からなる二次元状の光パターンを形成することのできる発光素子４７ｂを備えている。発光素子４７ｂとして、たとえばＣＲＴ、ＬＥＤアレイ、ＤＭＤ（ディジタル・マイクロミラー・デバイス）などを用いることができる。発光素子４７ｂに形成された光パターンからの光は、六角錐台状のプリズム４３の斜面４３ｂに入射する。プリズム４３の斜面４３ｂで図中下方に反射された光は、ライトバルブ４４の光透過部４４ｂを通過した後、対物光学系４５を介して集光され、光路４９ａとは異なる光路４９ｂに沿って被加工物４６に導かれる。こうして、被加工物４６の所定領域に塗布された紫外線硬化型樹脂の表面には、発光素子４７ｂのパターン像が形成される。
【００１８】
被加工物４６の所定領域に塗布された紫外線硬化型樹脂の表面に形成されたパターン像およびその周辺からの光は、光路４９ａおよび４９ｂとは異なる別の光路４８に沿って、対物光学系４５およびライトバルブ４４の中央に形成された光透過部４４ｃを介して、プリズム４３に入射する。プリズム４３に入射した光は、その上面４３ｃおよび底面４３ｄを透過し、たとえばＣＣＤのような撮像素子の撮像面４２に像を結ぶ。こうして、ＣＣＤの出力信号に基づいて、パターン像が形成された被加工物４６の形状加工領域の画像が再生される。すなわち、対物光学系４５、ライトバルブ４４、プリズム４３およびＣＣＤからなる観察系を介して、被加工物４６の形状加工領域を随時観察することができる。
【００１９】
本実施例の装置では、パターンマスク４７ａからのパターン光は、ライトバルブ４４の光透過部４４ａを通過し、光路４９ａに沿って被加工物４６に達する。一方、発光素子４７ｂからのパターン光は、ライトバルブ４４の光透過部４４ｂを通過し、光路４９ｂに沿って被加工物４６に達する。
したがって、光パターン形成手段が光源４１およびパターンマスク４７ａにより構成され、パターンマスク４７ａからのパターン光だけを利用する場合、光路切換手段としてのライトバルブ４４の作用により光透過部４４ａの位置を変化させることによって、被加工物４６に入射する光の光路４９ａを切り換えることができる。
【００２０】
また、光パターン形成手段が発光素子４７ｂにより構成され、発光素子４７ｂからのパターン光だけを利用する場合、光路切換手段としてのライトバルブ４４の作用により光透過部４４ｂの位置を変化させることによって、被加工物４６に入射する光の光路４９ｂを切り換えることができる。
すなわち、いずれの場合にも、被加工物４６に入射する光の光路を切り換えて、被加工物４６の表面におけるパターン像の形成位置を実質的に変化させることなく、被加工物４６の表面に対する入射光の角度（向き）を変化させることができる。
【００２１】
さらに、光パターン形成手段が光源４１およびパターンマスク４７ａと発光素子４７ｂとから構成され、パターンマスク４７ａからのパターン光および発光素子４７ｂからのパターン光の双方を利用する場合には、光路切換手段としてのライトバルブ４４の作用により光透過部４４ａおよび光透過部４４ｂのうちのいずれか一方だけを選択することによって、被加工物４６に入射する光の光路を光路４９ａと光路４９ｂとの間で切り換えることができる。すなわち、互いに空間的に分離された２つの光パターンからの光を利用する場合にも、被加工物４６に入射する光の光路を切り換えて、被加工物４６の表面におけるパターン像の形成位置を実質的に変化させることなく、被加工物４６の表面に対する入射光の角度（向き）を変化させることができる。
【００２２】
形状加工に際して本実施例の装置では、被加工物４６の形状加工すべき所定領域に紫外線硬化型樹脂を塗布し、ステージ５０の駆動により被加工物４６の所定領域を対物光学系４５に対して位置決めする。こうして、被加工物４６の所定領域に塗布された紫外線硬化型樹脂の表面には、所定のパターン像が形成される。そして、上述したように、光路切換手段としてのライトバルブ４４の作用により、被加工物４６の表面に入射する光の光路を切り換えて、被加工物４６の表面に対する入射光の角度（向き）を適宜変化させることができる。したがって、たとえば人口骨のような複雑な表面形状を有する被加工物の局部領域に塗布された紫外線硬化型樹脂の表面に所望の角度（向き）で光を照射してパターン像を形成することができる。そして、必要に応じてパターン像を走査しながら、パターン像の光強度分布に応じた微細な形状加工を効率良く行うことができる。
【００２３】
ところで、本実施例の装置では、パターンマスク４７ａからのパターン光だけを利用する場合、パターンマスク４７ａの光パターンの形状を変化させることによって、被加工物４６の表面に形成されるパターン像の形状を切り換えることができる。また、発光素子４７ｂからのパターン光だけを利用する場合、発光素子４７ｂの光パターンの形状を変化させることによって、被加工物４６の表面に形成されるパターン像の形状を切り換えることができる。さらに、パターンマスク４７ａからのパターン光および発光素子４７ｂからのパターン光の双方を利用する場合には、パターンマスク４７ａと発光素子４７ｂとに互いに異なる形状の光パターンを形成し、光路切換手段としてのライトバルブ４４の作用により、被加工物４６の表面に形成されるパターン像の形状を切り換えることができる。
【００２４】
図２は、本実施例のパターンマスク４７ａまたは発光素子４７ｂにおいて形成される光パターンのバリエーションを例示する図であって、各光パターンの右側には対応する光強度分布を示している。
このように、光パターンの形状をひいては被加工物４６の表面に形成されるパターン像の形状を切り換えることによって、さらに複雑で微細な形状加工や様々な表面粗さを有する形状加工が可能になる。
【００２５】
図３は、本実施例のライトバルブ４４に形成される光透過部のバリエーションを例示する図である。
一般に、たとえば液晶表示素子からなるライトバルブを用いる場合、光透過部の形成位置および形状を随時変化させることができる。したがって、光透過部の形成位置を変化させることにより被加工物の表面に対する入射光の角度（向き）を変化させることはもとより、光透過部の形状を変化させることによって被加工物の表面に入射する光束の開口数を、ひいては対物光学系の焦点深度（観察系では被写界深度）を調整することができる。また、光透過部の透過率を変化させることによって、被加工物の表面に入射する光束の強度を調整することもできる。
【００２６】
また、光が通過する領域に応じて焦点距離が僅かに異なる多重焦点光学系を対物光学系として用い、ライトバルブの作用により被加工物の表面に形成されるパターン像の光軸方向の結像位置を切り換えることができるように構成することもできる。この場合、パターン像が形成された被加工物の所定領域を観察系を介して観察しながら、被加工物に入射する光の光路をひいては対物光学系の焦点距離を切り換えることによって、被加工物を移動させることなくパターン像を鮮鋭化することができる。
【００２７】
以上のように、本実施例の装置では、被加工物の所定領域を観察系を介して観察しながら、被加工物の表面に対する入射光の角度（向き）、パターン像の形状や光軸方向の結像位置、入射光束の開口数や強度などを適宜切り換えることにより、被加工物の表面に形成されたパターン像を必要に応じて走査しながら複雑で微細な形状加工をさらに効率良く行うことができる。
なお、上述の実施例では、ステージをＸＹステージとＺステージとで構成しているが、被加工物が対物光学系の光軸に関して全体的に回転対称である場合、ステージが対物光学系の光軸周りに回転可能なθステージを備えていることが好ましい。さらに、必要に応じて別の軸線周りに回転可能なステージ機能を付加することも、複雑で微細な形状加工を行うのに有利である。
【００２８】
また、上述の実施例では、１つの観察像面を備えた装置を例示しているが、複数の互いに異なる光路に沿って複数の観察像面を備えた観察系を構成することができる。
さらに、上述の実施例では、たとえば人口骨のような造形物の局部領域の形状加工に対して本発明の装置を適用している。しかしながら、従来の装置と同様に、本実施例の光造形装置を用いても、紫外線硬化型樹脂の液面にパターン像を照射し、各層部分を順次硬化させて積層することにより所定の三次元形状を有する造形物を形成することができる。
【００２９】
また、上述の実施例では、光路切換手段としてたとえば液晶表示素子からなるライトバルブを用いているが、複数の光パターンを利用する場合にはライトバルブに代えて複数の開口部を有する開口絞りを使用することもできる。
さらに、上述の実施例では、光造形装置を固定とし被加工物を可動としているが、本実施例の構成とは逆に、光造形装置を可動とし被加工物を固定とすることもできる。
【００３０】
【効果】
以上説明したように、本発明では、被加工物の表面に入射する光の光路を切り換えて被加工物の表面に対する入射光の角度（向き）を変化させることができるので、たとえば人口骨のような複雑な表面形状を有する被加工物の局部領域に塗布された紫外線硬化型樹脂の表面に所望の角度（向き）で光を照射して所定の光パターンの像を形成し、その光パターンの像を必要に応じて走査しながら微細な形状加工を効率良く行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例にかかる光造形装置の構成を概略的に示す斜視図である。
【図２】本実施例のパターンマスク４７ａまたは発光素子４７ｂにおいて形成される光パターンのバリエーションを例示する図であって、各光パターンの右側には対応する光強度分布を示している。
【図３】本実施例のライトバルブ４４に形成される光透過部のバリエーションを例示する図である。
【符号の説明】
４１    光源
４２    ＣＣＤの撮像面
４３    六角錐台状のプリズム
４４    ライトバルブ
４５    対物光学系
４６    被加工物
４７ｂ  発光素子
４７ａ  パターンマスク
５０    ステージ
【図１】
0003796882.tif 000002
【図２】
0003796882.tif 000003
【図３】
0003796882.tif 000004