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JP2000238137A - Apparatus and method for conducting stereolithography - Google Patents

Apparatus and method for conducting stereolithography

Info

Publication number
JP2000238137A
JP2000238137A JP11038760A JP3876099A JP2000238137A JP 2000238137 A JP2000238137 A JP 2000238137A JP 11038760 A JP11038760 A JP 11038760A JP 3876099 A JP3876099 A JP 3876099A JP 2000238137 A JP2000238137 A JP 2000238137A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
light beam
light
resin
laser
scanning
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
JP11038760A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Shin Asano
伸 浅野
Tatsunori Hayashi
辰憲 林
Ryosuke Hoshina
良祐 保科
Takayuki Goto
崇之 後藤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Original Assignee
Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mitsubishi Heavy Industries Ltd filed Critical Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority to JP11038760A priority Critical patent/JP2000238137A/en
Publication of JP2000238137A publication Critical patent/JP2000238137A/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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  • Heating, Cooling, Or Curing Plastics Or The Like In General (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To accurately conduct a stereolithography of a three-dimensional article. SOLUTION: The apparatus 1 for conducting a stereolithography comprises a resin storage tank 21 for storing liquid-like photo-setting resin 23, a light source 11 for emitting a luminous flux 12, a luminous flux scanning means 30 for scanning a luminous flux 14, and a lens 51 for focusing the resin 23 with the luminous flux 14b, and conducts the stereolithography of a desire stereoscopic shape by laminating a resin cured layer by repeating the step of forming the resin cured layer of a predetermined surface-like pattern by scanning the flux 14b by the means 30. In this case, the apparatus comprises a luminous flux power control means 40 for suppressing a change of power of the flux 14b, a focus position detecting means for detecting a focal position of the flux 14b, a focus position control means 50 for moving the focus of the flux to a predetermined position, and a luminous flux scanning speed control means for suppressing a change of the speed, thereby individually controlling the means 40, 50 and the scanning speed control means.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、樹脂貯溜槽内の液
状光硬化性樹脂に、レンズで絞った光束を照射しこれを
走査させて、所定の面状パターンを有する樹脂硬化層を
形成する工程を繰り返して、樹脂硬化層を積層していく
ことにより三次元の立体形状を造形する、光造形装置及
び光造形方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for forming a resin cured layer having a predetermined planar pattern by irradiating a liquid light curable resin in a resin storage tank with a light beam focused by a lens and scanning the light beam. The present invention relates to an optical shaping apparatus and an optical shaping method for forming a three-dimensional three-dimensional shape by repeating a process and stacking resin cured layers.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来より、任意に設計された立体形状を
容易且つ安価に造形して設計仕様の確認を迅速に行なえ
るように、また、従来の金型を用いた造形手法では造形
が困難もしくは不可能であった複雑な立体形状にも対応
して製品の開発作業が迅速且つ安価に行なうことができ
るように、液状光硬化性樹脂に光束を照射しながら走査
することにより所望の立体形状を造形する光造形装置が
開発されている。
2. Description of the Related Art Conventionally, it is possible to easily and inexpensively mold a three-dimensional shape designed arbitrarily, and to quickly confirm design specifications. Also, it is difficult to mold using a conventional molding method using a mold. Or, by scanning the liquid photocurable resin while irradiating it with a light beam, the product can be developed quickly and inexpensively in response to complicated three-dimensional shapes that were impossible. An optical shaping device for shaping has been developed.

【0003】このような光造形装置としては、例えば図
10に示すような構成のものがあり、図示するように、
紫外光が照射されると硬化する液状光硬化性樹脂102
が溜められた樹脂貯溜槽101と、樹脂貯溜槽101内
に配置される水平板状のステージ104と、このステー
ジ104を昇降駆動するエレベータ103と、紫外域の
波長を有するレーザ光107を液状光硬化性樹脂102
に照射するビームスキャナー106と、ビームスキャナ
ー106及びエレベータ103の動作を制御する造形コ
ントローラ108とから構成されている。
[0003] Such an optical shaping apparatus has, for example, a structure as shown in FIG. 10.
Liquid photocurable resin 102 that cures when irradiated with ultraviolet light
, A horizontal plate-shaped stage 104 disposed in the resin storage tank 101, an elevator 103 for driving the stage 104 up and down, and a laser beam 107 having a wavelength in the ultraviolet region. Curable resin 102
, And a modeling controller 108 for controlling the operations of the beam scanner 106 and the elevator 103.

【0004】ここで、造形コントローラ108には、所
望の三次元立体を所定の厚みで複数層にスライスして得
られる各断面の形状データ(断面スライスデータ)が入
力されており、エレベータ103とビームスキャナー1
06の動作は、この断面スライスデータに基づいて造形
コントローラ108により制御されるようになってい
る。
Here, shape data (cross-sectional slice data) of each cross section obtained by slicing a desired three-dimensional solid into a plurality of layers with a predetermined thickness is input to the shaping controller 108. Scanner 1
The operation 06 is controlled by the modeling controller 108 based on the slice data.

【0005】そして、この光造形装置により、所望の三
次元立体を造形するには、まず、エレベータ103によ
り、ステージ104を図10中に実線で示す初期位置に
移動させる。ここで、ステージ104の初期位置は、液
状光硬化性樹脂102の液面102aよりも所定の厚
み、即ち、単位樹脂層厚みだけ低い位置に設定されてお
り、ビームスキャナー106から照射されたレーザ光1
07は、ステージ104によって規制され、液面102
a,ステージ104間の領域の液状光硬化性樹脂102
を硬化させ、所定の厚みで第1の硬化層が形成される。
[0005] In order to form a desired three-dimensional solid by the optical shaping apparatus, first, the stage 104 is moved to an initial position indicated by a solid line in FIG. Here, the initial position of the stage 104 is set at a position lower than the liquid surface 102a of the liquid photocurable resin 102 by a predetermined thickness, that is, a position lower by the unit resin layer thickness, and the laser beam irradiated from the beam scanner 106 is used. 1
07 is regulated by the stage 104 and the liquid level 102
a, the liquid photocurable resin 102 in the region between the stages 104
Is cured to form a first cured layer having a predetermined thickness.

【0006】このとき、造形コントローラ108により
ビームスキャナー106が制御されて、レーザ光107
が第1層目の断面スライスデータにしたがって走査さ
れ、第1の樹脂硬化層(以降、単に硬化層ともいう)が
所定の形状に形成される。次に、エレベータ103によ
り、ステージ104を所定の厚み分下方へ移動させる。
このとき、第1の硬化層は、ステージ104とともに所
定の厚み分下方へ移動するので、液状光硬化性樹脂10
2が第1の硬化層上に流れ込み、液面102aと第1の
硬化層の上面に挟まれた領域が、所定の厚みで第2の硬
化層として形成される。
At this time, the beam scanner 106 is controlled by the molding controller 108 to
Is scanned according to the slice data of the first layer, and a first cured resin layer (hereinafter, also simply referred to as a cured layer) is formed in a predetermined shape. Next, the stage 104 is moved downward by a predetermined thickness by the elevator 103.
At this time, the first cured layer moves downward by a predetermined thickness together with the stage 104, so that the liquid photocurable resin 10
2 flows into the first hardened layer, and a region sandwiched between the liquid surface 102a and the upper surface of the first hardened layer is formed as a second hardened layer with a predetermined thickness.

【0007】このとき、第1層目と同様にビームスキャ
ナー106によりレーザ光107を第2層目の断面スラ
イスデータにしたがって走査し、第2の硬化層が所定の
形状に形成される。なお、この際、第2の硬化層は第1
の硬化層の上面に接合する。そして、これ以降、上述し
た手順により断面スライスデータに基づいて各層が形成
されていき、図中に二点鎖線で示す最終位置にまでステ
ージ104が移動して最上層の硬化層が形成されて立体
形状の造形が完了するのである。
At this time, similarly to the first layer, the laser beam 107 is scanned by the beam scanner 106 in accordance with the slice data of the second layer to form a second hardened layer into a predetermined shape. In this case, the second hardened layer is the first hardened layer.
To the upper surface of the cured layer. Thereafter, each layer is formed based on the cross-sectional slice data in accordance with the above-described procedure, and the stage 104 moves to the final position indicated by the two-dot chain line in the figure to form the uppermost hardened layer and form a three-dimensional structure. The shaping of the shape is completed.

【0008】なお、このように、樹脂貯溜槽101に溜
められた液状光硬化性樹脂102に、上方からレーザ光
107を照射しながら硬化層を一層ずつ造形していく方
式は、一般に自由液面方式と呼ばれる。また、従来の光
造形装置には、このような自由液面方式の他に、底部に
レーザ光を透過する透過窓を有する樹脂貯溜槽内の液状
光硬化性樹脂に、下方より透過窓を介してレーザ光を照
射して造形を行なう規制液面方式と呼ばれるものがあ
る。規制液面方式の装置としては、例えば、図11に示
す装置があり、この装置は、図示するように、液状光硬
化性樹脂112を貯溜した樹脂貯溜槽111と、樹脂貯
溜槽111内に配置される水平板状のステージ114
と、移動手段113aを有してステージ114を昇降さ
せるエレベータ113と、レーザ光117を照射する光
源119と、樹脂貯溜槽111の下方に配設されたビー
ムスキャナー116とをそなえて構成されている。
[0008] As described above, a method of forming a hardened layer one by one while irradiating a laser beam 107 from above to the liquid photo-curable resin 102 stored in the resin storage tank 101 is generally a free liquid surface. Called the scheme. In addition, in addition to such a free liquid surface type, a conventional stereolithography apparatus includes a liquid photocurable resin in a resin storage tank having a transmission window through which laser light is transmitted at a bottom portion, through a transmission window from below. There is a method called a regulated liquid level method in which a laser beam is irradiated to perform modeling. As an apparatus of the regulated liquid level system, for example, there is an apparatus shown in FIG. 11, and this apparatus is provided with a resin storage tank 111 storing a liquid photo-curable resin 112 and a resin storage tank 111 disposed in the resin storage tank 111 as shown in the figure. Horizontal stage 114
, An elevator 113 having a moving means 113 a to move up and down the stage 114, a light source 119 for irradiating a laser beam 117, and a beam scanner 116 disposed below the resin storage tank 111. .

【0009】ここで、樹脂貯溜槽111の底部には開口
部が設けられており、この開口部には、レーザ光117
が透過できる例えば石英ガラス板のような透過窓118
が設置されている。また、ビームスキャナー116は、
偏向器116aとレンズ116bとをそなえており、レ
ーザ光117を、偏向器116aによりレンズ116b
に入射させ、このレンズ116bにより、透過窓118
を介して液状光硬化性樹脂112に集束させる。そし
て、偏向器116aとレンズ116bとは、左右方向に
一体に移動可能となっており、偏向器116a,レンズ
116bを移動させることにより、レーザ光117を走
査することができる。
Here, an opening is provided at the bottom of the resin storage tank 111, and the laser light 117
Window 118 such as a quartz glass plate through which light can pass.
Is installed. Also, the beam scanner 116 is
The deflector 116a is provided with a deflector 116a and a lens 116b.
Through the transmission window 118 by the lens 116b.
Is focused on the liquid photocurable resin 112 via The deflector 116a and the lens 116b can move integrally in the left-right direction, and the laser beam 117 can be scanned by moving the deflector 116a and the lens 116b.

【0010】また、この光造形装置には、図示しない造
形コントローラがそなえられており、この造形コントロ
ーラには、所望の三次元立体を所定の厚みで複数層にス
ライスして得られる各断面の形状データ(断面スライス
データ)が入力されている。そして、この断面スライス
データに基づいて、造形コントローラによりビームスキ
ャナー116及びエレベータ113の動作が制御され
る。
The stereolithography apparatus is provided with a modeling controller (not shown). The modeling controller has a shape of each cross section obtained by slicing a desired three-dimensional solid into a plurality of layers with a predetermined thickness. Data (section slice data) has been input. The operations of the beam scanner 116 and the elevator 113 are controlled by the modeling controller based on the slice data.

【0011】したがって、造形コントローラの制御によ
り、レーザ光117がビームスキャナー116に走査さ
れ、所定の形状を有する硬化層が1層づつ造形されてい
く。このとき、レーザ光117はステージ114に規制
されるので、ステージ114と透過窓118との隙間1
20により、硬化層の厚みが決定される。そして、硬化
層の造形が終了する毎にステージ114をエレベータ1
13によって所定の厚み分だけ上昇させ、ステージ11
4の下面にこの硬化層を積層させていくことにより、最
終的に所望の三次元立体形状が造形されるのである。
Therefore, under the control of the shaping controller, the laser beam 117 is scanned by the beam scanner 116, and a hardened layer having a predetermined shape is formed one by one. At this time, since the laser beam 117 is regulated by the stage 114, the gap 1 between the stage 114 and the transmission window 118 is
20 determines the thickness of the cured layer. Each time the shaping of the hardened layer is completed, the stage 114 is moved to the elevator 1
13 to move the stage 11 up by a predetermined thickness.
By laminating this hardened layer on the lower surface of 4, a desired three-dimensional three-dimensional shape is finally formed.

【0012】さて、上述したように、従来の自由液面方
式及び規制液面方式による何れの光造形装置において
も、複数の硬化層を重ねて三次元立体形状を造形するの
で、高精度に三次元立体を造形するためには、硬化層一
層分の厚みを薄くするとともにこの厚みの精度を向上さ
せる必要がある。ここで、レーザ光を液状光硬化性樹脂
に照射しながら一定速度で走査した時に造形される単位
樹脂層厚みの最大高さZmax は光束のパワー(レーザパ
ワー)P(W),レーザ走査速度(以降、単に走査速度
ともいう)v(m/s),液状光硬化性樹脂の液面にお
けるレーザ光のスポット径w(m),液状硬化性樹脂の
吸収係数α(m-1),臨界硬化エネルギー密度uC (J
/m2 )から、以下の式(1)により解析的に求められ
る。
As described above, in any of the conventional stereolithography apparatuses using the free liquid level system and the regulated liquid level system, a plurality of cured layers are superimposed to form a three-dimensional three-dimensional shape. In order to form an original solid, it is necessary to reduce the thickness of one cured layer and to improve the accuracy of this thickness. Here, the maximum height Zmax of the unit resin layer thickness formed when the liquid photocurable resin is scanned at a constant speed while irradiating the liquid photocurable resin with the power (laser power) P (W) of the light beam and the laser scanning speed ( Hereinafter, it is simply referred to as a scanning speed) v (m / s), the spot diameter w (m) of the laser beam on the liquid surface of the liquid photo-curable resin, the absorption coefficient α (m -1 ) of the liquid curable resin, and the critical curing. Energy density u C (J
/ M 2 ) can be analytically determined by the following equation (1).

【0013】 Zmax =α-1{ln〔(2/π)0.5P/(v・w)〕・ln(uC)}・・(1) ここで、式(1)における各パラメータα,P,v,
w,uC が互いに独立であり、また、液状光硬化性樹脂
の特性を表わす吸収係数α及び臨界硬化エネルギー密度
C が一定であるとすれば、単位樹脂層厚みの最大高さ
Zmax はレーザパワーP,レーザ走査速度v,レーザス
ポット径wのみに依存することになる。
Zmax = α −1 {ln [(2 / π) 0.5 P / (v · w)] · ln (u C )} (1) Here, each parameter α, P in equation (1) , V,
Assuming that w and u C are independent of each other, and that the absorption coefficient α and the critical curing energy density u C that represent the characteristics of the liquid photocurable resin are constant, the maximum height Zmax of the unit resin layer thickness is equal to that of the laser. It depends only on the power P, the laser scanning speed v, and the laser spot diameter w.

【0014】そこで、上式(1)の両辺を微分すること
によって、上記パラメータP,v,wと、単位樹脂層厚
み最大高さZmax の変動量δZmax との関係を示す式
(2)が得られる。 δZmax ≦α-1(|δP/P|+|δv/v|+|δw/w|)・・(2) そして、この式(2)からも分かるように、変動量δZ
max を減少させて高精度に三次元立体を造形するために
は、液状光硬化性樹脂の特性を表わす吸収係数αを大き
くするか、または、レーザパワーP,レーザ走査速度
v,レーザスポット径wを高精度に制御すればよく、従
来より、このような観点から高精度に三次元立体を造形
する技術が種々開発されている。
Then, by differentiating both sides of the above equation (1), an equation (2) showing the relationship between the parameters P, v, w and the variation δZmax of the unit resin layer thickness maximum height Zmax is obtained. Can be δZmax ≦ α −1 (| δP / P | + | δv / v | + | δw / w |) (2) As can be seen from the equation (2), the variation δZ
In order to form a three-dimensional solid with high accuracy by reducing max, the absorption coefficient α representing the characteristics of the liquid photocurable resin is increased, or the laser power P, the laser scanning speed v, and the laser spot diameter w. In this case, various techniques for forming a three-dimensional solid with high precision have been developed from this point of view.

【0015】例えば、液状光硬化性樹脂に、インクのよ
うなレーザ光を吸収しうる媒体(以降、単に吸収媒体と
いう)を混ぜることで吸収係数αを大きくして、単位樹
脂層厚みの最大高さZmax を小さくするとともに、その
変動量δZmax を抑制するようにした技術がある(従来
技術1)。このように吸収係数αを大きくすることによ
り、単位樹脂層厚みの最大高さZmax 及びその変動量δ
Zmax を、共に吸収係数αに反比例して抑制することが
できる。
For example, by mixing a liquid photocurable resin with a medium capable of absorbing laser light such as ink (hereinafter simply referred to as an absorption medium), the absorption coefficient α is increased, and the maximum height of the unit resin layer thickness is increased. There is a technique for reducing the variation Zmax and suppressing the variation δZmax (prior art 1). By increasing the absorption coefficient α in this manner, the maximum height Zmax of the unit resin layer thickness and its variation δ
Zmax can be suppressed in inverse proportion to the absorption coefficient α.

【0016】また、特許2676838号公報には、レ
ーザ光を走査するための偏向器と、液状光硬化性樹脂の
液面にレーザ光の焦点を合わせるための焦点補正器と、
レーザ光のレーザパワーPを調整するためのAOM(音
響光学変調素子)と、これらを制御するための制御手段
とをそなえた光造形装置が開示されている(従来技術
2)。
Japanese Patent No. 2676838 discloses a deflector for scanning a laser beam, a focus corrector for focusing a laser beam on a liquid surface of a liquid photocurable resin,
There is disclosed an optical shaping apparatus including an AOM (acoustic optical modulation element) for adjusting a laser power P of a laser beam and control means for controlling the AOM (Prior Art 2).

【0017】ここで、偏向器は例えばガルバノミラーに
より構成され、偏向器の角度を動かしてレーザ光の照射
方向を偏向させることによりレーザ光を任意の方向に走
査するようになっている。したがって、偏向器の角度の
変更速度がレーザ光の走査速度vを決定することにな
る。また、焦点補正器は、偏向器の角度変更に伴い、液
状光硬化性樹脂の液面に焦点を合わせるためにレーザ光
のフォーカシングを行なう。即ち、液状光硬化性樹脂の
液面におけるレーザ光の径(スポット径)wを調整する
ようになっている。
Here, the deflector is composed of, for example, a galvanometer mirror, and scans the laser beam in an arbitrary direction by moving the angle of the deflector to deflect the irradiation direction of the laser beam. Therefore, the changing speed of the angle of the deflector determines the scanning speed v of the laser beam. Further, the focus corrector performs laser beam focusing to focus on the liquid surface of the liquid photocurable resin in accordance with the change in the angle of the deflector. That is, the diameter (spot diameter) w of the laser light on the liquid surface of the liquid photocurable resin is adjusted.

【0018】また、走査速度vの制御(偏向器の角度制
御),レーザ光のフォーカシング(スポット径wの制
御),レーザパワーPの制御は、制御手段によりそれぞ
れフィードバック制御されるようになっている。つま
り、偏向器の角度制御に関しては、予め制御手段に入力
された三次元立体の断面スライスデータに基づいた走査
ライン上を、レーザ光が、所定の走査速度で走査するよ
うに、偏向器の角度を逐次感知してレーザ光の現在位置
(位置情報)を確認するとともに、このレーザ光の現在
位置と予定の走査ラインとを比較して、偏向器の角度が
フィードバック制御されるようになっている。
The control of the scanning speed v (the angle control of the deflector), the focusing of the laser beam (the control of the spot diameter w), and the control of the laser power P are respectively feedback-controlled by the control means. . That is, regarding the angle control of the deflector, the angle of the deflector is adjusted so that the laser beam scans at a predetermined scanning speed on a scanning line based on the three-dimensional solid cross-sectional slice data input to the control means in advance. Are sequentially detected to confirm the current position (position information) of the laser light, and the current position of the laser light is compared with a predetermined scanning line, so that the angle of the deflector is feedback-controlled. .

【0019】また、レーザ光のフォーカシングは、偏向
器の角度情報からレーザ光のX−Y座標値(液状光硬化
性樹脂の液面状の位置)が逐次算出され、これと予め作
成されたX−Y座標の各点における焦点補正値に関する
データとが比較され、これに基づいて焦点補正器が駆動
されることによりフィードバック制御されるようになっ
ている。
In focusing of the laser beam, the XY coordinate values (the liquid surface position of the liquid photocurable resin) of the laser beam are sequentially calculated from the angle information of the deflector, The data on the focus correction value at each point of the -Y coordinate is compared, and the feedback control is performed by driving the focus corrector based on the data.

【0020】さらに、レーザパワーPは、レーザパワー
Pと走査速度vとの積が常に一定になるようにAOMに
より制御されるようになっている。ここで、走査速度v
は、偏向器の角度情報からレーザ光のX−Y座標値を算
出し、このX−Y座標値の所定時間における変化量から
逐次算出されるようになっている。
Further, the laser power P is controlled by the AOM so that the product of the laser power P and the scanning speed v is always constant. Here, the scanning speed v
Calculates the XY coordinate value of the laser beam from the angle information of the deflector, and sequentially calculates the XY coordinate value from the change amount of the XY coordinate value in a predetermined time.

【0021】[0021]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
従来技術1及び従来技術2には、それぞれ以下のような
課題がある。つまり、従来技術1では、上述したように
単位樹脂層厚みの最大高さZmax 及びその変動量δZma
x を小さくするために、液状光硬化性樹脂に吸収媒体を
混ぜてその吸収係数αを大きくしているが、これによれ
ば、最大高さZmax とその変動量δZmax とは、上述の
式(1),(2)に示すように共に吸収係数αに反比例
して小さくなり、このため、最大高さZmax とその変動
量δZmax との比(δZmax /Zmax )は変化しない。
つまり、変動量δZmax が抑制されたとしても、最大高
さZmax も薄くなって、所望の三次元立体形状をより多
くの層に分けて造形することになる。したがって、各層
の精度向上は、層数の増加により相殺されてしまい、三
次元立体形状を形成する層数と変動量δZmax とを乗じ
た値で導かれる三次元立体全体としての変動量は変化せ
ずに精度は向上しないという課題がある。
However, the above-mentioned prior art 1 and prior art 2 have the following problems, respectively. That is, in the prior art 1, as described above, the maximum height Zmax of the unit resin layer thickness and the variation δZma
In order to reduce x, the absorption coefficient α is increased by mixing an absorbing medium with the liquid photocurable resin. According to this, the maximum height Zmax and the variation δZmax are calculated by the above-mentioned equation ( As shown in (1) and (2), both decrease in inverse proportion to the absorption coefficient α, so that the ratio (δZmax / Zmax) between the maximum height Zmax and the variation δZmax does not change.
That is, even if the fluctuation amount δZmax is suppressed, the maximum height Zmax is also reduced, and the desired three-dimensional three-dimensional shape is formed by being divided into more layers. Therefore, the improvement in the accuracy of each layer is offset by the increase in the number of layers, and the fluctuation amount of the entire three-dimensional solid derived by multiplying the number of layers forming the three-dimensional three-dimensional shape by the fluctuation amount δZmax does not change. There is a problem that the accuracy does not improve without the need.

【0022】さらに、液状光硬化性樹脂は一般的に粘性
が高いことが多く、吸収媒体が液状光硬化性樹脂に均一
に混合されにくい。このため、吸収媒体の濃度にむらが
生じて液状光硬化性樹脂の吸収係数にばらつきが発生し
てしまうという課題もある。また、従来技術2では、従
来技術1とは異なり、レーザ光のレーザパワーP,レー
ザ走査速度v,レーザスポット径wを制御することで、
単位樹脂層厚みの最大高さZmax と変動量δZmax とを
独立して制御することが可能である。したがって、最大
高さZmax とその変動量δZmax との比(δZmax /Z
max )を抑制して、三次元立体の実質的な精度向上がは
かれる。
Further, the liquid photocurable resin generally has a high viscosity in general, and it is difficult to uniformly mix the absorbing medium with the liquid photocurable resin. For this reason, there is also a problem that unevenness occurs in the concentration of the absorbing medium and the absorption coefficient of the liquid photocurable resin varies. Further, in the prior art 2, unlike the prior art 1, by controlling the laser power P of the laser beam, the laser scanning speed v, and the laser spot diameter w,
It is possible to independently control the maximum height Zmax and the variation δZmax of the unit resin layer thickness. Therefore, the ratio (δZmax / Z) between the maximum height Zmax and the variation δZmax
max), thereby substantially improving the accuracy of the three-dimensional solid.

【0023】しかしながら、この従来技術2では、AO
Mと焦点補正器とのフィードバック制御に要する演算時
間に多大な時間を要するために制御遅れが生じて、立体
形状の造形精度が悪くなってしまうという課題がある。
つまり、レーザスポット径wの制御は、上述のように偏
向器の角度情報からレーザ光が照射されているX−Y座
標値を演算し、この結果に基づいて予め作成した補正値
にしたがって焦点補正器を駆動するようになっているた
め、偏向器の角度が検出されてから焦点補正器を駆動す
るまでに多大な時間を要する。このため、焦点補正器に
より焦点の補正が行なわれた時点では、既にレーザ光
は、この補正のための演算に使用されたX−Y座標値か
ら大きく移動している。したがって、この補正と、実際
に焦点補正器が駆動されてレーザ光のフォーカシングが
行なわれる時点で本来行なわれるべき補正とでは、少な
からず差異が生じてしまうのである。
However, in the prior art 2, AO
There is a problem that a large amount of time is required for the calculation time required for the feedback control between the M and the focus corrector, which causes a control delay and deteriorates the modeling accuracy of the three-dimensional shape.
That is, the control of the laser spot diameter w is performed by calculating the X-Y coordinate value of the laser beam being irradiated from the angle information of the deflector as described above, and performing focus correction according to a correction value created in advance based on the result. Since the deflector is driven, it takes a long time from when the angle of the deflector is detected to when the focus corrector is driven. Therefore, when the focus is corrected by the focus corrector, the laser light has already moved largely from the XY coordinate values used for the calculation for this correction. Therefore, there is a considerable difference between this correction and the correction that should be performed when the focus corrector is actually driven and the laser beam is focused.

【0024】また、レーザパワーPの制御は、上述のよ
うにレーザパワーPとレーザ光走査速度vとの積が常に
一定になるように行なわれる。したがって、まず偏向器
の位置(角度)情報に基づきレーザ光のX−Y座標値が
算出されて、このX−Y座標値の所定時間における変位
量からレーザ光走査速度vが算出され、さらに、このレ
ーザ光走査速度vからレーザパワーPを演算した上で、
AOMにより制御が行なわれる。このため、焦点補正器
と同様に、偏向器の角度が検出されてからレーザパワー
Pの補正が行なわれるまでに多大な時間を要して、この
補正と、実際にAOMにより制御が行なわれる時点で本
来行なわれるべき補正とでは、やはり差異が生じてしま
うのである。
The control of the laser power P is performed so that the product of the laser power P and the laser beam scanning speed v is always constant as described above. Therefore, first, the XY coordinate value of the laser light is calculated based on the position (angle) information of the deflector, and the laser light scanning speed v is calculated from the displacement amount of the XY coordinate value in a predetermined time. After calculating the laser power P from the laser beam scanning speed v,
Control is performed by the AOM. Therefore, as in the case of the focus corrector, a great amount of time is required from when the angle of the deflector is detected to when the laser power P is corrected, and this correction and the time when the control is actually performed by the AOM are performed. Therefore, there is still a difference from the correction that should be performed.

【0025】このような従来技術2の課題を解決すべ
く、特開平9−99490号公報には、断面スライスデ
ータから、任意の中間点でのレーザ光走査速度vのデー
タを予め計算しておき、このレーザ光走査速度vのデー
タに基づいて各制御対象(焦点補正器,AOM)を予測
的に制御して制御遅れを防止するようにした技術(従来
技術3)が開示されている。しかし、このように各制御
対象を予測的に制御しても、三次元立体を造形中に振動
や温度変化等の環境的な外乱が発生した場合には、こう
した突発的な外乱に対する補正を行なうことができず造
形精度が低下してしまう虞がある。
In order to solve such a problem of the prior art 2, Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-99490 discloses that data of a laser beam scanning speed v at an arbitrary intermediate point is calculated in advance from cross-sectional slice data. There is disclosed a technology (prior art 3) for predictively controlling each control target (focus corrector, AOM) based on the data of the laser beam scanning speed v to prevent a control delay. However, even if each control target is predictively controlled in this way, when an environmental disturbance such as a vibration or a temperature change occurs during the formation of a three-dimensional solid, correction for such a sudden disturbance is performed. And the modeling accuracy may be reduced.

【0026】本発明は、このような課題に鑑み創案され
たもので、三次元立体を高精度に造形することができる
ようにした、光造形装置及び光造形方法を提供すること
を目的とする。
The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide an optical shaping apparatus and an optical shaping method capable of forming a three-dimensional solid with high accuracy. .

【0027】[0027]

【課題を解決するための手段】このため、請求項1記載
の本発明の光造形装置は、液状光硬化性樹脂を貯溜した
樹脂貯溜槽と、光束を出射する光源と、該光束を走査す
る光束走査手段と、該光束を該樹脂貯溜槽内の該液状光
硬化性樹脂に集束させるレンズとをそなえ、該レンズに
より集束され該液状光硬化性樹脂に照射された該光束
を、該光束走査手段により走査させて所定の面状パター
ンを有する樹脂硬化層を形成する工程を繰り返して、該
樹脂硬化層を積層していくことにより、所望の立体形状
を造形する光造形装置において、該光束のパワーの検出
情報に基づき該光束のパワーの変動を抑制する光束パワ
ー制御手段と、該レンズで集束された該光束の焦点位置
を検出する焦点位置検出手段と、該焦点位置検出手段に
よって検出された該焦点位置の情報に基づき、該光束の
焦点を所定の位置に移動させる焦点位置制御手段と、該
光束の走査速度の検出情報に基づき該走査速度の変動を
抑制するための光束走査速度制御手段とをそなえ、該光
束パワー制御手段と該焦点位置制御手段と該光束走査速
度制御手段とがそれぞれ個別に制御を行なうように構成
されていることを特徴としている。
According to the first aspect of the present invention, there is provided an optical forming apparatus according to the present invention, wherein a resin storage tank storing a liquid photocurable resin, a light source for emitting a light beam, and the light beam are scanned. A light beam scanning unit; and a lens for focusing the light beam on the liquid photocurable resin in the resin storage tank. The light beam converged by the lens and irradiated on the liquid photocurable resin is scanned with the light beam. The step of forming a resin cured layer having a predetermined planar pattern by scanning by means is repeated, and by laminating the resin cured layers, in an optical shaping apparatus for forming a desired three-dimensional shape, A light beam power control unit that suppresses fluctuations in the power of the light beam based on power detection information; a focus position detection unit that detects a focal position of the light beam focused by the lens; The Focus position control means for moving the focal point of the light beam to a predetermined position based on the information on the point position, and light beam scanning speed control means for suppressing fluctuation in the scanning speed based on detection information of the scanning speed of the light beam. The light beam power control means, the focus position control means, and the light beam scanning speed control means are individually controlled.

【0028】請求項2記載の本発明の光造形装置は、請
求項1記載の光造形装置において、該光束パワー制御手
段が音響光学素子により構成されていることを特徴とし
ている。請求項3記載の本発明の光造形装置は、請求項
1又は2記載の光造形装置において、該焦点位置検出手
段が、該液状光硬化性樹脂の液面から反射する該光束の
反射光の形状を検出する反射光形状検出手段をそなえ
て、該反射光形状検出手段からの検出結果に基づき非点
収差法により該焦点位置を検出することを特徴としてい
る。
According to a second aspect of the present invention, there is provided an optical shaping apparatus according to the first aspect, wherein the light flux power control means is constituted by an acousto-optic element. According to a third aspect of the present invention, there is provided the stereolithography apparatus according to the first or second aspect, wherein the focal position detecting means detects the reflected light of the light flux reflected from the liquid surface of the liquid photocurable resin. A reflected light shape detecting means for detecting a shape is provided, and the focal position is detected by an astigmatism method based on a detection result from the reflected light shape detecting means.

【0029】請求項4記載の本発明の光造形方法は、樹
脂貯溜槽内の液状光硬化性樹脂に、レンズにより光束を
集束させて照射し、該光束を走査して所定の面状パター
ンを有する樹脂硬化層を形成する工程を繰り返して、該
樹脂硬化層を積層することにより、所望の立体形状を造
形する光造形方法において、該光束の照射時に、該光束
のパワーの検出情報に基づき該光束のパワーの変動を抑
制する光束パワー制御と、該光束の焦点位置の検出情報
に基づき該レンズで集束された該光束の焦点を所定の位
置に移動させる焦点位置制御と、該光束の走査速度の検
出情報に基づき該光束の走査速度の変動を抑制する光束
走査速度制御とをそれぞれ個別に行なうことを特徴とし
ている。
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided an optical shaping method according to the present invention, wherein a light beam is focused on a liquid photo-curable resin in a resin storage tank by a lens and irradiated, and the light beam is scanned to form a predetermined planar pattern. By repeating the step of forming a cured resin layer having, by laminating the cured resin layer, in a stereolithography method of molding a desired three-dimensional shape, at the time of irradiation of the light beam, based on detection information of the power of the light beam, Light beam power control for suppressing fluctuations in the light beam power, focus position control for moving the focal point of the light beam focused by the lens to a predetermined position based on detection information of the focus position of the light beam, and scanning speed of the light beam And light beam scanning speed control for suppressing fluctuations in the scanning speed of the light beam based on the detection information.

【0030】[0030]

【発明の実施の形態】以下、図面により、本発明の実施
の形態について説明する。まず、第1実施形態について
説明すると、図1〜図8は本発明の第1実施形態として
の光造形装置及び光造形方法について示すもので、図1
はその装置の全体構成を示す模式図、図2はそのホスト
コンピュータから出力される制御信号を示す図、図3は
そのレーザ強度安定化部の構成及び制御ブロックを示す
模式図、図4はそのレーザ走査部の構成及び制御ブロッ
クを示す模式図、図5はそのオートフォーカス部及び造
形部の構成を示す上面視からの模式図、図6はそのオー
トフォーカス部及び造形部の構成とともにオートフォー
カス部の制御ブロックを示す側面視からの模式図、図7
はその4分割フォトディテクタで検出されるビーム断面
形状を示す図、図8はその4分割フォトディテクタによ
り検出される強度信号と透過窓に対する焦点の相対的な
位置との関係を示す図である。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. First, a first embodiment will be described. FIGS. 1 to 8 show a stereolithography apparatus and a stereolithography method as a first embodiment of the present invention.
Is a schematic diagram showing the overall configuration of the device, FIG. 2 is a diagram showing control signals output from the host computer, FIG. 3 is a schematic diagram showing the configuration and control blocks of the laser intensity stabilizing section, and FIG. FIG. 5 is a schematic view showing a configuration of a laser scanning unit and a control block, FIG. 5 is a schematic view from a top view showing a configuration of an autofocus unit and a modeling unit, and FIG. 6 is an autofocus unit together with a configuration of the autofocus unit and the modeling unit. FIG. 7 is a schematic diagram showing the control block of FIG.
FIG. 8 is a diagram showing a beam cross-sectional shape detected by the four-segmented photodetector, and FIG. 8 is a diagram showing a relationship between an intensity signal detected by the four-segmented photodetector and a relative position of a focal point with respect to a transmission window.

【0031】本実施形態における光造形装置1は、図1
に示すように、液状光硬化性樹脂23を貯溜した樹脂貯
溜槽21をそなえて三次元立体が造形される造形部20
と、レーザ光(光束)12を出射するレーザ光源(光
源)11と、このレーザ光12を反射させてレーザ強度
安定化部(光束パワー制御手段)40へ入射させるフォ
ールドミラー13と、レーザ光12から所定のレーザパ
ワー(光束のパワー)の一次回折光14aを取り出す
(即ち、レーザパワーを安定化させる)レーザ強度安定
化部40と、レーザ強度安定化部40からの一次回折光
14aのビーム径を拡大するビームエキスパンダ15
と、ビームエキスパンダ15によりビーム径の拡大され
た一次回折光14bを反射させてオートフォーカス部
(焦点位置制御手段)50へ入射させるフォールドミラ
ー16と、一次回折光14bを樹脂貯溜槽21内の液状
光硬化性樹脂23に集束させる(即ち、レーザ光の焦点
位置を調整する)オートフォーカス部50と、オートフ
ォーカス部50の上部に配設された対物レンズ(レン
ズ)51と、オートフォーカス部50及び対物レンズ5
1を搭載するレーザ走査部(光束走査手段)30とをそ
なえて構成される。
The stereolithography apparatus 1 according to the present embodiment is shown in FIG.
As shown in FIG. 1, a modeling part 20 having a resin storage tank 21 storing a liquid photo-curable resin 23 and a three-dimensional solid is formed.
A laser light source (light source) 11 that emits a laser beam (light beam) 12; a fold mirror 13 that reflects the laser beam 12 to be incident on a laser intensity stabilizing unit (light beam power control unit) 40; A first-order diffracted light 14a of a predetermined laser power (light flux power) from the laser beam (that is, to stabilize the laser power); and a beam diameter of the first-order diffracted light 14a from the laser intensity stabilizer 40 Beam expander 15
A fold mirror 16 that reflects the first-order diffracted light 14b whose beam diameter has been enlarged by the beam expander 15 and makes the first-order diffracted light 14b incident on an autofocus unit (focal position control means) 50; An autofocus unit 50 that focuses on the liquid photocurable resin 23 (that is, adjusts the focal position of the laser beam); an objective lens (lens) 51 disposed above the autofocus unit 50; And objective lens 5
1 is provided with a laser scanning unit (light beam scanning means) 30 on which the light emitting device 1 is mounted.

【0032】なお、対物レンズ51は、レンズの収差を
極限まで取り除いた高精度な凸レンズであり、これによ
り、入射してくる平行な光束である一次回折光14b
を、一点(焦点)に高精度に集光する(液状光硬化性樹
脂23に集束させる)ことができるようになっている。
また、ビームエキスパンダ15を設けて、一次回折光1
4aのビーム径を拡大するようにしているが、これは、
後段の対物レンズ51により樹脂貯溜槽21内の液状光
硬化性樹脂23に一次回折光14bを集束させる際、こ
の一次回折光14bのビーム径が大きいほど、対物レン
ズ51により一次回折光14bをより細く絞り込むこと
ができるためである。
The objective lens 51 is a high-precision convex lens which removes the aberration of the lens to the utmost.
Can be condensed at one point (focal point) with high precision (to be focused on the liquid photo-curable resin 23).
Further, a beam expander 15 is provided, and the first-order diffracted light 1
The beam diameter of 4a is enlarged.
When the first-order diffracted light 14b is focused on the liquid photocurable resin 23 in the resin storage tank 21 by the objective lens 51 at the subsequent stage, the larger the beam diameter of the first-order diffracted light 14b, the more the first-order diffracted light 14b is converted by the objective lens 51. This is because it can be narrowed down.

【0033】なお、図1中に示すように、X軸,Y軸及
びZ軸の各軸方向を、それぞれ、図の左右方向,紙面の
直交方向,上下方向に規定しており、以降、X軸,Y軸
及びZ軸と言った場合は、この軸方向を示す。また、本
実施形態における光造形装置1には、図2に示すよう
に、ホストコンピュータ67が接続されており、このホ
ストコンピュータ67には、任意に設定された三次元立
体の断面スライスデータ(面状パターン)が記憶される
ようになっている。そして、ホストコンピュータ67か
ら、レーザ走査部30,レーザ強度安定化部40,オー
トフォーカス部50に、断面スライスデータに基づく制
御信号Rx,Ry,Sp0,S0が入力されるようにな
っている。
As shown in FIG. 1, the X-axis, Y-axis and Z-axis directions are defined in the horizontal direction of the drawing, the direction perpendicular to the plane of the drawing, and the vertical direction, respectively. The axis, the Y axis, and the Z axis indicate this axial direction. As shown in FIG. 2, a host computer 67 is connected to the optical shaping apparatus 1 according to the present embodiment, and the host computer 67 has an arbitrarily set three-dimensional solid cross-sectional slice data (plane). Shape pattern) is stored. Then, control signals Rx, Ry, Sp0, and S0 based on the slice data are input from the host computer 67 to the laser scanning unit 30, the laser intensity stabilizing unit 40, and the autofocus unit 50.

【0034】レーザ走査部30には、レーザ走査速度v
の変動を抑制するためのステージ制御装置(光束走査速
度制御手段)63X,63Yが(図4参照)がそなえら
れており、このステージ制御装置63X,63Yは、ホ
ストコンピュータ67からの位置指令信号Rx,Ryに
基づきレーザ光走査速度vを制御するようになってい
る。
The laser scanning unit 30 has a laser scanning speed v
Stage control devices (light beam scanning speed control means) 63X and 63Y (see FIG. 4) for suppressing the fluctuation of the position are provided with a position command signal Rx from the host computer 67. , Ry, the laser beam scanning speed v is controlled.

【0035】レーザ強度安定化部40には、レーザパワ
ーPを制御するレーザパワー制御装置61が(図3参
照)がそなえられており、このレーザパワー制御装置6
1は、ホストコンピュータ67からの基準パワー信号S
p0に基づきレーザパワーPを制御するようになってい
る。オートフォーカス部50には、レーザ光の焦点位置
を制御する(即ち、レーザスポット径wを制御する)比
較器66(図6参照)がそなえられており、この比較器
66は、ホストコンピュータ67からの基準焦点位置信
号S0に基づき1次回折光14bの焦点位置を制御する
ようになっている。
The laser intensity stabilizing section 40 is provided with a laser power control device 61 for controlling the laser power P (see FIG. 3).
1 is a reference power signal S from the host computer 67.
The laser power P is controlled based on p0. The autofocus unit 50 is provided with a comparator 66 (see FIG. 6) for controlling the focal position of the laser light (that is, for controlling the laser spot diameter w). The focal position of the first-order diffracted light 14b is controlled based on the reference focal position signal S0.

【0036】また、造形部20は、図1に示すように、
その樹脂貯溜槽21内にターゲットプレート24をそな
えており、このターゲットプレート24は、ホストコン
ピュータ67からの制御信号に基づき制御され、所定の
位置に昇降するようになっている。また、樹脂貯溜槽2
1の底部には、一次回折光14bの透過できる透過窓2
2をそなえており、この透過窓22の上面とターゲット
プレート24の下面とに挟まれた領域に存在する液状光
硬化性樹脂23に一次回折光14bを照射して硬化させ
るようになっている。したがって、ターゲットプレート
24を所定の位置に移動させることにより、所定の厚み
の硬化層を形成することができるようになっているので
ある。
Further, as shown in FIG.
A target plate 24 is provided in the resin storage tank 21. The target plate 24 is controlled based on a control signal from a host computer 67, and moves up and down to a predetermined position. In addition, resin storage tank 2
1 has a transmission window 2 through which the first-order diffracted light 14b can pass.
The liquid photocurable resin 23 existing in a region sandwiched between the upper surface of the transmission window 22 and the lower surface of the target plate 24 is irradiated with the first-order diffracted light 14b to be cured. Therefore, by moving the target plate 24 to a predetermined position, a hardened layer having a predetermined thickness can be formed.

【0037】したがって、本実施形態における光造形装
置1は、ホストコンピュータ67からの制御信号に基づ
き、一次回折光14bを、オートフォーカス部50によ
り樹脂貯溜槽21内の液状光硬化性樹脂23に集束させ
るとともにレーザ走査部30により所定の速度で走査さ
せて、透過窓22の上面とターゲットプレート24の下
面とに挟まれた領域に、所定の樹脂層厚み且つ所定の面
状パターンの樹脂硬化層を形成するようになっている。
そして、樹脂硬化層を形成する毎に、ターゲットプレー
ト24を、所定の樹脂層厚み上方に移動して、所定の樹
脂層厚み且つ所定の面状パターンの樹脂硬化層を積層し
ていくことにより、所望の立体形状を造形するようにな
っているのである。
Therefore, the optical shaping apparatus 1 according to the present embodiment focuses the first-order diffracted light 14b on the liquid photocurable resin 23 in the resin storage tank 21 by the autofocus unit 50 based on the control signal from the host computer 67. At the same time, the laser beam is scanned by the laser scanning unit 30 at a predetermined speed. Is formed.
Then, each time the cured resin layer is formed, the target plate 24 is moved upward by a predetermined thickness of the resin layer, and the cured resin layer having a predetermined resin layer thickness and a predetermined planar pattern is laminated. The desired three-dimensional shape is formed.

【0038】以下、造形部20,レーザ強度安定化部4
0,オートフォーカス部50,レーザ走査部30につい
て、さらに詳細に説明する。まず、図1,図5,図6に
より、造形部20について説明すると、造形部20は、
上述したように、液状光硬化性樹脂23を貯溜した樹脂
貯溜槽21をそなえ、さらに、引き上げロッド25と、
引き上げロッド25を昇降させるエレベータ26と、樹
脂貯溜槽21の内部に配置されて引き上げロッド25の
下端に固定されたターゲットプレート24とをそなえて
構成されており、エレベータ26は、例えばステッピン
グモータのようなアクチュエータ(図示略)により駆動
されて、ホストコンピュータ67からの制御信号に基づ
き、ターゲットプレート24を所定の位置に昇降させる
ようになっている。
Hereinafter, the modeling section 20, the laser intensity stabilizing section 4
0, the autofocus unit 50, and the laser scanning unit 30 will be described in more detail. First, the modeling part 20 will be described with reference to FIGS. 1, 5, and 6.
As described above, a resin storage tank 21 storing the liquid photocurable resin 23 is provided, and further, a lifting rod 25,
The elevator 26 includes an elevator 26 for raising and lowering the lifting rod 25 and a target plate 24 disposed inside the resin storage tank 21 and fixed to a lower end of the lifting rod 25. The elevator 26 is, for example, a stepping motor. The target plate 24 is moved up and down to a predetermined position based on a control signal from the host computer 67 by being driven by a simple actuator (not shown).

【0039】また、樹脂貯溜槽21の底部には開口部が
設けられており、この開口部には一次回折光14bが透
過できる透過窓22が設置されている。そして、対物レ
ンズ51からの一次回折光14bは、この透過窓22を
通過し、透過窓22の上面とターゲットプレート24の
下面とに挟まれた領域に存在する液状光硬化性樹脂23
を照射して硬化させるようになっている。
An opening is provided at the bottom of the resin storage tank 21, and a transmission window 22 through which the first-order diffracted light 14b can pass is provided in this opening. Then, the first-order diffracted light 14b from the objective lens 51 passes through the transmission window 22, and the liquid photocurable resin 23 existing in the region between the upper surface of the transmission window 22 and the lower surface of the target plate 24.
Is irradiated to cure.

【0040】次に、レーザ強度安定化部40について説
明すると、レーザ強度安定化部40は、図3に示すよう
に、入射したレーザ光12から高次にわたる回折光14
を発生させるAOM(音響光学変調素子)41と、AO
M41からの高次にわたる回折光14のうち所定のレー
ザパワーを有する回折光(ここでは、最もレーザパワー
の大きい一次回折光14a)を取り出す空間フィルタ4
4と、一次回折光14aからパワー参照光線14cをサ
ンプリングするハーフミラー42と、パワー参照光線1
4cからパワー信号Spを検出するフォトディテクタ4
3と、レーザパワー制御装置61と、AOM駆動アンプ
62とから構成され、ここでは、フォトディテクタ43
は接地して使用されている。
Next, the laser intensity stabilizing unit 40 will be described. The laser intensity stabilizing unit 40, as shown in FIG.
AOM (acousto-optic modulation element) 41 for generating
Spatial filter 4 for extracting a diffracted light having a predetermined laser power (here, a first-order diffracted light 14a having the largest laser power) from higher-order diffracted lights 14 from M41
4, a half mirror 42 for sampling the power reference beam 14c from the first-order diffracted beam 14a, and a power reference beam 1
Photodetector 4 for detecting power signal Sp from 4c
3, a laser power control device 61, and an AOM drive amplifier 62.
Is used with grounding.

【0041】なお、AOM41で発生した高次にわたる
回折光14は、いずれもAOM41によってその強度
(レーザパワー)を変調させることができるが、ここで
は、回折光14のうち、レーザパワーの最も大きい1次
回折光14aを、空間フィルタ44により取り出すよう
にしている。必要とされるレーザパワーが小さい場合に
は、AOM41で発生した高次にわたる回折光14のう
ち、1次回折光14aよりもレーザパワーの小さな高次
の回折光を取り出すような構成にしてもよい。
The intensity (laser power) of the high-order diffracted light 14 generated by the AOM 41 can be modulated by the AOM 41. Here, among the diffracted lights 14, one having the largest laser power is used. The next-order diffracted light 14a is extracted by the spatial filter 44. When the required laser power is small, a high-order diffracted light having a smaller laser power than the first-order diffracted light 14a may be extracted from the high-order diffracted light 14 generated by the AOM 41.

【0042】レーザパワー制御装置61には、フォトデ
ィテクタ43からパワー信号Spが入力されるととも
に、上述したようにホストコンピュータ67から基準パ
ワー信号Sp0が入力されるようになっている。そし
て、レーザパワー制御装置61は、これらの信号Sp,
Sp0の差を示すパワー変動信号δSpをAOM駆動ア
ンプ62に出力するようになっている。
The laser power controller 61 receives the power signal Sp from the photodetector 43 and receives the reference power signal Sp0 from the host computer 67 as described above. Then, the laser power control device 61 outputs these signals Sp,
A power fluctuation signal δSp indicating the difference of Sp0 is output to the AOM drive amplifier 62.

【0043】AOM駆動アンプ62は、パワー変動信号
δSpを増幅してAOM41に出力し、AOM41は、
この信号に基づいてフィードバック制御されるようにな
っている。つまり、パワー信号Spと基準パワー信号S
p0とが等しくなってパワー変動信号δSpが0となる
ように制御されて、レーザ強度安定化部40から出力さ
れる一次回折光14aが常に所定のレーザパワーで安定
したものとなるようにしているのである。
The AOM drive amplifier 62 amplifies the power fluctuation signal δSp and outputs it to the AOM 41.
Feedback control is performed based on this signal. That is, the power signal Sp and the reference power signal S
The power fluctuation signal δSp is controlled to be equal to p0 and the power fluctuation signal δSp becomes 0, so that the first-order diffracted light 14a output from the laser intensity stabilizing unit 40 is always stabilized at a predetermined laser power. It is.

【0044】また、基準パワー信号Sp0をゼロに設定
することにより、AOM41からの回折光14の出力を
瞬時にOFFとすることができるようになっている。こ
れにより、ナノ(10-9)秒オーダでのレーザパワーの
ON/OFFタイミング制御(ON/OFFの切り変え
制御)が可能となって、高精度に造形を行なえるように
なっている。
Further, by setting the reference power signal Sp0 to zero, the output of the diffracted light 14 from the AOM 41 can be instantaneously turned off. Accordingly, it is possible to perform ON / OFF timing control (switching ON / OFF switching) of the laser power on the order of nano (10 −9 ) seconds, and to perform modeling with high accuracy.

【0045】なお、AOM41は、電気信号を弾性表面
波へ容易に変換できる結晶(ニオブ酸リチウムや水晶)
をそなえ、この結晶の一端には電極が取り付けられてい
る。そして、この電極に数百kHz程度の電気信号を印
加することにより、結晶内部には定在波が発生し、この
定在波が結晶内部の密度を空間的に変化させる。これに
よりAOM41は透過型回折格子として利用することが
できるようになっており、レーザ光12がAOM41を
通過すると、高次にわたる回折光14が発生するのであ
る。そして、電極に印加する電気信号の振幅を変化させ
ることによって、結晶内部における密度変化のコントラ
ストを調整できるので、AOM41から出射される回折
光14のレーザパワーを電気的に且つ容易に制御できる
ようになっているのである。
AOM 41 is a crystal (lithium niobate or quartz) that can easily convert an electric signal into a surface acoustic wave.
An electrode is attached to one end of the crystal. When an electric signal of about several hundred kHz is applied to this electrode, a standing wave is generated inside the crystal, and this standing wave spatially changes the density inside the crystal. As a result, the AOM 41 can be used as a transmission type diffraction grating, and when the laser beam 12 passes through the AOM 41, a high-order diffracted light 14 is generated. By changing the amplitude of the electric signal applied to the electrode, the contrast of the density change inside the crystal can be adjusted, so that the laser power of the diffracted light 14 emitted from the AOM 41 can be electrically and easily controlled. It is becoming.

【0046】次に、レーザ走査部30について説明する
と、レーザ走査部30は上述したように、対物レンズ5
1を搭載しており、レーザ走査部30が任意の平面位置
に移動することにより、対物レンズ51から照射される
一次回折光14bを任意に走査することができるように
なっている。ここで、レーザ走査部30は、図4に示す
ように、送り機構にボールねじ、案内機構に転がり案内
を用いて互いに直交する方向に移動可能なステージ本体
31X,31Yをそなえて、X軸及びY軸の2軸方向に
移動可能なステージ(X−Yステージ)として構成され
る。そして、ステージ本体31X,31Yには、それぞ
れ、ステージ本体31X,31Yを駆動するDCサーボ
モータ32X,32Yと、ステージ本体31X,31Y
の位置を検出するための例えばリニアエンコーダのよう
な位置検出器33X,33Yが付設されている。
Next, the laser scanning unit 30 will be described. As described above, the laser scanning unit 30
1 is mounted, and the first-order diffracted light 14b emitted from the objective lens 51 can be arbitrarily scanned by moving the laser scanning unit 30 to an arbitrary plane position. Here, as shown in FIG. 4, the laser scanning unit 30 includes stage bodies 31X and 31Y movable in directions orthogonal to each other using a ball screw as a feed mechanism and a rolling guide as a guide mechanism. It is configured as a stage (XY stage) that can move in two Y-axis directions. The stage main bodies 31X and 31Y include DC servo motors 32X and 32Y for driving the stage main bodies 31X and 31Y, respectively, and the stage main bodies 31X and 31Y.
Position detectors 33X and 33Y such as, for example, linear encoders for detecting the position are provided.

【0047】なお、このようなボールねじ及び転がり案
内を用いたステージ本体31X,31Yは、例えば、現
状で100mm程度のストロークに対して1μm程度の
真直度のものが作製可能であり、極めて高精度な運動性
能を有する。したがって、対物レンズ51から照射され
る一次回折光14bを高精度に走査することができるも
のを容易に入手することができる。
The stage bodies 31X and 31Y using such ball screws and rolling guides can be manufactured, for example, with a straightness of about 1 μm for a stroke of about 100 mm at present, and have extremely high precision. Has excellent athletic performance. Therefore, it is possible to easily obtain one that can scan the primary diffraction light 14b emitted from the objective lens 51 with high accuracy.

【0048】また、ステージ本体31X,31Yを駆動
するDCサーボモータ32X,32Yは、印加電圧に比
例した回転数で回転可能な等速制御性に優れるアクチュ
エータであり、したがって、搭載した対物レンズ51を
等速運動のもとで移動させて、対物レンズ51から照射
される一次回折光14bの走査速度を高精度に制御でき
るようになっているのである。
Further, the DC servo motors 32X and 32Y for driving the stage bodies 31X and 31Y are actuators excellent in constant speed controllability that can be rotated at a rotational speed proportional to the applied voltage. The scanning speed of the primary diffracted light 14b emitted from the objective lens 51 can be controlled with high accuracy by moving the object under constant velocity motion.

【0049】そして、レーザ走査部30には、さらにス
テージ制御装置(光束走査速度制御手段)63X,63
Y及びモータアンプ64X,64Yがそなえられてい
る。ここで、ステージ制御装置63X,63Yには、そ
れぞれ、位置検出器33X,33Yからの位置信号P
x,Pyが入力されるとともに、ホストコンピュータ6
7から位置指令信号Rx,Ryが入力されるようになっ
ている。
The laser scanning unit 30 further includes a stage control device (light beam scanning speed control means) 63X, 63
Y and motor amplifiers 64X and 64Y are provided. Here, the position signals P from the position detectors 33X and 33Y are supplied to the stage controllers 63X and 63Y, respectively.
x and Py are input and the host computer 6
7, position command signals Rx and Ry are input.

【0050】ステージ制御装置63Xは、位置信号Px
と位置指令信号Rxとを比較して、これらの信号Px,
Rxの差を示す位置誤差信号δPxをモータアンプ64
Xに出力するようになっている。同様に、ステージ制御
装置63Yは、位置信号Pyと位置指令信号Ryとの差
を示す位置誤差信号δPyをモータアンプ64Yに出力
するようになっている。
The stage controller 63X receives the position signal Px
And the position command signal Rx, and these signals Px,
The position error signal δPx indicating the difference between Rx is
X. Similarly, the stage control device 63Y outputs a position error signal δPy indicating the difference between the position signal Py and the position command signal Ry to the motor amplifier 64Y.

【0051】各モータアンプ64X,64Yは、位置誤
差信号δPx,δPyを増幅してDCサーボモータ32
X,32Yに印加し、DCサーボモータ32X,32Y
は、この位置誤差信号δPx,δPyに応じた回転数速
度で回転してステージ本体31X,31Yを駆動するよ
うになっている。したがって、ステージ本体31X,3
1Yの位置が高精度にフィードバック制御され、また、
これにより、ステージ本体31X,31Yの移動速度、
即ち、レーザ光走査速度vが高精度に制御されるように
なっているのである。
The motor amplifiers 64X and 64Y amplify the position error signals δPx and δPy and
X, 32Y to apply DC servo motors 32X, 32Y
Rotates at a rotational speed corresponding to the position error signals δPx and δPy to drive the stage bodies 31X and 31Y. Therefore, the stage bodies 31X, 3
The position of 1Y is feedback-controlled with high accuracy.
Thereby, the moving speed of the stage main bodies 31X and 31Y,
That is, the laser beam scanning speed v is controlled with high accuracy.

【0052】次に、オートフォーカス部50について図
5〜図8により説明する。オートフォーカス部50は、
図5及び図6に示すように、対物レンズ駆動装置60を
そなえる対物レンズ51を搭載し、フォールドミラー1
6(図1参照)から入射する一次回折光14bをλ/2
波長板53へ反射するフォールドミラー52と、後段の
偏光ビームスプリッタ54の反射偏光面に一致するよう
に一次回折光14bの偏光面を回転させるλ/2波長板
53と、偏光ビームスプリッタ54と、λ/4波長板5
5と、フォールドミラー56と、集光レンズ57と、円
筒面レンズ58と、4分割フォトディテクタ(反射光形
状検出手段)59とから構成される。なお、図示しない
が、レーザ強度安定化部40のフォトディテクタ43
(図3参照)と同様に、4分割フォトディテクタ59は
接地して使用されている。
Next, the autofocus section 50 will be described with reference to FIGS. The auto focus unit 50
As shown in FIGS. 5 and 6, an objective lens 51 having an objective lens driving device 60 is mounted, and a fold mirror 1 is provided.
6 (see FIG. 1), the first-order diffracted light 14b
A fold mirror 52 that reflects light to the wave plate 53, a λ / 2 wave plate 53 that rotates the polarization plane of the first-order diffracted light 14 b so as to match the reflection polarization plane of the subsequent polarization beam splitter 54, and a polarization beam splitter 54. λ / 4 wavelength plate 5
5, a fold mirror 56, a condenser lens 57, a cylindrical lens 58, and a four-divided photodetector (reflected light shape detecting means) 59. Although not shown, the photodetector 43 of the laser intensity stabilizing unit 40
Similarly to (see FIG. 3), the four-divided photodetector 59 is used by grounding.

【0053】ここで、図5に示すように、偏光ビームス
プリッタ54に入射した一次回折光14bは、後段のλ
/4波長板55に入射するが、このλ/4波長板55で
は、入射した一次回折光14bの偏光面を直線偏光の状
態から円偏光の状態に変化させるようになっている。そ
して、図6に示すように、偏光ビームスプリッタ54に
より円偏光に変えられた一次回折光14bは、フォール
ドミラー56に反射されて、フォールドミラー56の上
方に位置する対物レンズ51へ入射し、そして対物レン
ズ51により、樹脂貯溜槽21内の液状光硬化性樹脂2
3に集束されるようになっている。
Here, as shown in FIG. 5, the first-order diffracted light 14b incident on the polarization beam splitter 54 is
The λ / 4 wavelength plate 55 changes the polarization plane of the incident first-order diffracted light 14b from linearly polarized light to circularly polarized light. Then, as shown in FIG. 6, the first-order diffracted light 14b converted into circularly polarized light by the polarization beam splitter 54 is reflected by the fold mirror 56, and enters the objective lens 51 located above the fold mirror 56, and The liquid photocurable resin 2 in the resin storage tank 21 is
3 is focused.

【0054】ここで、液状光硬化性樹脂23に集束され
た一次回折光14bの一部は、透過窓22と液状光硬化
性樹脂23の界面において反射され、この反射光14e
は、対物レンズ51,フォールドミラー56を経てλ/
4波長板55を再び通過し、この際に円偏光から直線偏
光に戻されるようになっている。この直線偏光の偏光面
は偏光ビームスプリッタ54の透過方向の偏光面と一致
した方向となっているため、偏光ビームスプリッタ54
に入射した反射光14eは偏光ビームスプリッタ54を
透過し、集光レンズ57,円筒面レンズ58を通過して
4分割フォトディテクタ59へと入射するようになって
いる。このとき、反射光14eは、集光レンズ57によ
り4分割フォトディテクタ59の光電面上に集光される
ようになっている。また、円筒面レンズ58は、集光特
性が光軸に対して非対称であるため、円筒面レンズ58
から4分割フォトディテクタ59へ入射する反射光14
eのビーム断面形状(反射光の形状)は、樹脂貯溜槽2
1に入射した1次回折光14bの焦点位置と透過窓22
の上面との相対的な位置関係に対して、例えば、図7に
示すように変化するようになっている。
Here, a part of the first-order diffracted light 14b focused on the liquid photocurable resin 23 is reflected at the interface between the transmission window 22 and the liquid photocurable resin 23, and the reflected light 14e
Is λ / through the objective lens 51 and the fold mirror 56.
The light passes through the four-wavelength plate 55 again, and is converted from circularly polarized light into linearly polarized light. Since the plane of polarization of the linearly polarized light coincides with the plane of polarization of the transmission direction of the polarization beam splitter 54, the polarization beam splitter 54
Is transmitted through the polarizing beam splitter 54, passes through the condenser lens 57 and the cylindrical lens 58, and enters the four-divided photodetector 59. At this time, the reflected light 14e is condensed on the photoelectric surface of the four-divided photodetector 59 by the condenser lens 57. The cylindrical lens 58 has a light collecting characteristic that is asymmetrical with respect to the optical axis.
Light 14 incident on the four-divided photodetector 59 from
The beam cross-sectional shape (shape of the reflected light) of the resin storage tank 2
1 and the focal position of the first-order diffracted light 14b and the transmission window 22
For example, as shown in FIG. 7, the relative positional relationship with the upper surface changes.

【0055】すなわち、反射光14eのビーム断面形状
は、対物レンズ51が透過窓22に比較的近接した位置
にあって、1次回折光14bの焦点位置が透過窓22の
上面に対して上方に位置するような場合には、図7
(a)に示すように縦長の楕円形状となり、対物レンズ
51が透過窓22から所定の位置にあって、1次回折光
14bの焦点位置が透過窓22の上面に合焦した場合に
は、図7(b)に示すように略真円となり、対物レンズ
51が透過窓22に比較的離隔した位置にあって、1次
回折光14bの焦点位置が透過窓22の上面に対して下
方に位置するような場合には、図7(c)に示すように
横長の楕円形状となるのである。
That is, the beam sectional shape of the reflected light 14e is such that the objective lens 51 is located relatively close to the transmission window 22, and the focal position of the first-order diffracted light 14b is positioned above the upper surface of the transmission window 22. Figure 7
FIG. 4A shows a case where the objective lens 51 is located at a predetermined position from the transmission window 22 and the focal position of the first-order diffracted light 14b is focused on the upper surface of the transmission window 22 as shown in FIG. 7 (b), the objective lens 51 is located at a position relatively separated from the transmission window 22, and the focal position of the first-order diffracted light 14b is located below the upper surface of the transmission window 22. In such a case, the shape becomes a horizontally long elliptical shape as shown in FIG.

【0056】ここで、4分割フォトディテクタ59は、
4分割フォトディテクタ59の中心C1が反射光14e
のビーム断面の中心C2と略一致するように配設される
とともに、この中心C1において、光電面59A,59
B,59C,59Dの4光電面に分割されている。この
ような4分割フォトディテクタ59の構成により、反射
光14eのビーム断面形状が縦長になると、縦方向に並
ぶ光電面59A,59Bの反射光14eに照射される面
積が、横方向に並ぶ光電面59C,59Dの反射光14
eに照射される面積よりも大きくなり、一方、反射光1
4eのビーム断面形状が横長になると、反射光14eに
照射される光電面59C,59Dの面積が反射光14e
に照射される光電面59A,59Bの面積よりも大きく
なるようになっている。
Here, the four-split photodetector 59
The center C1 of the quadrant photodetector 59 is reflected light 14e.
Are arranged so as to substantially coincide with the center C2 of the beam cross-section, and at the center C1, the photocathodes 59A, 59
B, 59C and 59D. With such a configuration of the four-segment photodetector 59, when the beam cross-sectional shape of the reflected light 14e becomes vertically long, the area irradiated with the reflected light 14e of the photoelectric surfaces 59A and 59B arranged in the vertical direction becomes larger than the photoelectric surface 59C arranged in the lateral direction. , 59D reflected light 14
e is larger than the area irradiated with the reflected light 1
When the beam cross-sectional shape of 4e becomes horizontal, the areas of the photocathodes 59C and 59D irradiated with the reflected light 14e become larger than the reflected light 14e.
Is larger than the area of the photocathodes 59A and 59B.

【0057】また、各光電面59A,59B,59C,
59Dからは、反射光14eに照射される面積の大きさ
に応じて、光の強度(レーザパワー)を示す強度信号S
A ,SB ,SC ,SDが検出されるようになっている。
そして、オートフォーカス部50には、図6に示すよう
に、さらに、演算器(焦点位置検出手段)65と比較器
66とがそなえられており、これらの演算器65と比較
器66により、強度信号SA ,SB ,SC ,SD に基づ
いて、オートフォーカス部50の制御が行なわれるよう
になっている。
Each of the photoelectric surfaces 59A, 59B, 59C,
From 59D, an intensity signal S indicating the intensity of light (laser power) according to the size of the area irradiated with the reflected light 14e.
A , S B , S C , and S D are detected.
As shown in FIG. 6, the autofocus unit 50 further includes a calculator (focus position detecting means) 65 and a comparator 66. The control of the autofocus unit 50 is performed based on the signals S A , S B , S C , and S D.

【0058】演算器65と比較器66とによる制御を説
明すると、まず、強度信号SA ,S B ,SC ,SD は、
図6に示すように演算器65へと送信され、演算器65
は、以下に示す式(3)により強度信号Sを演算して、
この強度信号Sを比較器66に出力するようになってい
る。 S=(SA +SB )−(SC +SD ) ・・・(3) そして、対物レンズ51が透過窓22に比較的近接した
位置にあって1次回折光14bの焦点位置が透過窓22
の上面に対して上方に位置する場合には、図7(a)に
示すように反射光14eのビーム断面形状が縦長の楕円
形状となって、反射光14eに照射される光電面59
A,59Bの面積が反射光14eに照射される光電面5
9C,59Dの面積よりも大きくなる。従って、強度信
号SA ,S Bが強度信号SC ,SDよりも大きくなって、
強度信号Sは正の数となるようになっている。
The control by the arithmetic unit 65 and the comparator 66 will be described.
First, the intensity signal SA , S B , SC , SD Is
As shown in FIG.
Calculates the intensity signal S by the following equation (3),
The intensity signal S is output to the comparator 66.
You. S = (SA + SB )-(SC + SD(3) Then, the objective lens 51 is relatively close to the transmission window 22.
And the focal position of the first-order diffracted light 14b is
7 (a) is located above the upper surface of
As shown, the beam cross-sectional shape of the reflected light 14e is a vertically long ellipse.
The photocathode 59 is shaped and irradiated with the reflected light 14e.
A, the photocathode 5 on which the area of 59B is irradiated with the reflected light 14e
9C and 59D. Therefore,
No. SA , S BIs the intensity signal SC , SDLarger than
The intensity signal S is a positive number.

【0059】また、対物レンズ51が透過窓22から所
定の位置にあって1次回折光14bの焦点位置が透過窓
22の上面に合焦した場合には、図7(b)に示すよう
に反射光14eのビーム断面形状が略真円となって、強
度信号SA ,SBと強度信号SC ,SDとが略等しくなる
ので強度信号Sは略ゼロになるようになっている。ま
た、対物レンズ51が透過窓22から比較的離隔した位
置にあって1次回折光14bの焦点位置が透過窓22の
上面に対して下方に位置するような場合には、図7
(c)に示すように反射光14eのビーム断面形状が横
長の楕円形状となって、強度信号SC ,SDが強度信号
A ,SBよりも大きくなって、強度信号Sは負の数と
なるようになっている。
When the objective lens 51 is located at a predetermined position from the transmission window 22 and the focal position of the first-order diffracted light 14b is focused on the upper surface of the transmission window 22, the light is reflected as shown in FIG. Since the beam cross-sectional shape of the light 14e is substantially a perfect circle, and the intensity signals S A and S B and the intensity signals S C and S D are approximately equal, the intensity signal S is substantially zero. When the objective lens 51 is located at a relatively distant position from the transmission window 22 and the focal position of the first-order diffracted light 14b is located below the upper surface of the transmission window 22, FIG.
As shown in (c), the beam cross section of the reflected light 14e becomes a horizontally long elliptical shape, the intensity signals S C and S D become larger than the intensity signals S A and S B , and the intensity signal S becomes negative. It is supposed to be a number.

【0060】そして、透過窓22に対する1次回折光1
4bの焦点の相対的な位置と、強度信号Sとの関係は、
例えば、図8に示すようなS字曲線として予想され、ホ
ストコンピュータ67は、所定の1次回折光14bの焦
点位置に対応した強度信号を、このS字曲線より読み取
り、この強度信号を基準焦点位置信号S0として比較器
66に出力するようになっている。そして、この基準焦
点位置信号S0と強度信号Sとを比較して、1次回折光
14bの焦点が、常に透過窓22に対して一定の位置と
なるように制御されるようになっている。
The first-order diffracted light 1 with respect to the transmission window 22
The relationship between the relative position of the focal point of 4b and the intensity signal S is
For example, the host computer 67 reads an intensity signal corresponding to the focal position of the predetermined first-order diffracted light 14b from the S-shaped curve, and predicts the intensity signal as a reference focal position as shown in FIG. The signal is output to the comparator 66 as a signal S0. The reference focus position signal S0 is compared with the intensity signal S so that the focal point of the first-order diffracted light 14b is controlled to be always at a fixed position with respect to the transmission window 22.

【0061】つまり、比較器66には、上述したように
ホストコンピュータ67から基準焦点位置信号S0が、
演算器65から強度信号Sが、それぞれ入力されてお
り、比較器66では、強度信号Sと基準焦点位置信号S
0との差を示す偏差信号δSを算出するようになってい
る。そして、この偏差信号δSは、対物レンズ51を搭
載した対物レンズ駆動装置60に印加され、対物レンズ
駆動装置60は、この偏差信号δSに見合った分だけ、
上下方向に対物レンズ51を駆動して、1次回折光14
bの焦点位置が一定の位置に制御されるようになってい
る。
That is, the comparator 66 receives the reference focus position signal S0 from the host computer 67 as described above.
The intensity signal S is input from the arithmetic unit 65, and the intensity signal S and the reference focus position signal S
A deviation signal δS indicating a difference from 0 is calculated. The deviation signal δS is applied to an objective lens driving device 60 equipped with the objective lens 51, and the objective lens driving device 60 adjusts the deviation signal δS by an amount corresponding to the deviation signal δS.
The first-order diffracted light 14 is driven by driving the objective lens 51 in the vertical direction.
The focal position of b is controlled to a fixed position.

【0062】したがって、基準焦点位置信号S0をゼロ
に設定すれば、1次回折光14bは透過窓22の上面に
常に合焦するように定位置に制御され、基準焦点位置信
号S0を所定の正の数に設定すれば、1次回折光14b
の焦点の位置は透過窓22の上面の所定の位置に、基準
焦点位置信号S0を所定の負の数に設定すれば、1次回
折光14bの焦点の位置は透過窓22の下面の所定の位
置に、それぞれ定位置に制御されるようになっている。
Therefore, if the reference focus position signal S0 is set to zero, the first-order diffracted light 14b is controlled to a fixed position so as to always focus on the upper surface of the transmission window 22, and the reference focus position signal S0 is set to a predetermined positive value. If set to a number, the first-order diffracted light 14b
Is set at a predetermined position on the upper surface of the transmission window 22, and if the reference focus position signal S0 is set to a predetermined negative number, the position of the focal point of the first-order diffracted light 14b becomes a predetermined position on the lower surface of the transmission window 22. Each is controlled to a fixed position.

【0063】なお、このように、4分割フォトディテク
タ59に入射した反射光14eの形状から1次回折光1
4bの焦点の位置を検出するような方法を、非点収差法
という。本発明の第1実施形態にかかる光造形装置1
は、上述のように構成されているので、以下のような手
順(本実施形態にかかる光造形方法)で所望の三次元立
体の造形が行なわれる。
As described above, from the shape of the reflected light 14e incident on the four-divided photodetector 59, the first-order diffracted light 1
A method of detecting the position of the focal point of 4b is called an astigmatism method. Stereolithography apparatus 1 according to a first embodiment of the present invention
Is configured as described above, a desired three-dimensional solid is formed by the following procedure (the stereolithography method according to the present embodiment).

【0064】まず、図1により説明すると、レーザ光源
11からレーザ光12を出射し、このレーザ光12は、
フォールドミラー13により直角に曲げられてレーザ強
度安定化部40に入射する。そして、レーザ強度安定化
部40内において、図3に示すように、レーザ光12が
AOM41を通過すると、高次にわたる回折光14が発
生し、これらの複数の回折光14のうち、所定のレーザ
パワーを有する一次回折光14aが空間フィルタ44に
より取り出されて、ハーフミラー42を経て後段のビー
ムエキスパンダ15に入射する。このとき、ハーフミラ
ー42に入射した一次回折光14aの一部は、パワー参
照光線14cとしてフォトディテクタ43へ入射する。
そして、フォトディテクタ43では、このパワー参照光
線14cからパワー信号Spを検出し、これをレーザパ
ワー制御装置61へ送る。レーザパワー制御装置61に
は、パワー信号Spとともに、ホストコンピュータ67
から断面スライスデータに基づいて基準パワー信号Sp
0が入力されており、レーザパワー制御装置61は、こ
れらのパワー信号Spと基準パワー信号Sp0との差を
示すパワー変動信号δSpをAOM駆動アンプ62に出
力する。そして、このパワー変動信号δSpは、AOM
駆動アンプ62により増幅されてからAOM41に入力
され、AOM41は、この増幅されたパワー変動信号δ
Spに基づいて、レーザ強度安定化部40から出力され
る一次回折光14aが、所定のレーザパワーとなるよう
に制御(光束パワー制御)されるのである。
First, referring to FIG. 1, laser light 12 is emitted from a laser light source 11, and this laser light 12
The light is bent at a right angle by the fold mirror 13 and enters the laser intensity stabilizing unit 40. Then, as shown in FIG. 3, when the laser light 12 passes through the AOM 41 in the laser intensity stabilizing unit 40, a high-order diffracted light 14 is generated. The first-order diffracted light 14 a having power is extracted by the spatial filter 44, and enters the subsequent beam expander 15 via the half mirror 42. At this time, a part of the first-order diffracted light 14a incident on the half mirror 42 is incident on the photodetector 43 as the power reference light 14c.
Then, the photodetector 43 detects the power signal Sp from the power reference light beam 14c and sends it to the laser power control device 61. The laser power control device 61 has a host computer 67 along with the power signal Sp.
From the reference power signal Sp based on the cross-sectional slice data.
0 is input, and the laser power control device 61 outputs to the AOM drive amplifier 62 a power fluctuation signal δSp indicating the difference between these power signals Sp and the reference power signal Sp0. Then, the power fluctuation signal δSp is AOM
After being amplified by the driving amplifier 62, the amplified power fluctuation signal δ is input to the AOM 41.
Based on Sp, the first-order diffracted light 14a output from the laser intensity stabilizing unit 40 is controlled (light beam power control) so as to have a predetermined laser power.

【0065】そして、レーザ強度安定化部40から出力
された一次回折光14aは、図1に示すようにビームエ
キスパンダ15に入射して所定のビーム径に拡大され、
この所定のビーム径の一次回折光14bは、フォールド
ミラー16により反射されてオートフォーカス部50へ
入射する。次に、オートフォーカス部50へ入射した一
次回折光14bは、図5,図6に示すように、フォール
ドミラー52により、λ/2波長板53へ反射される。
そして、一次回折光14bの偏向面は、λ/2波長板5
3により回転されて、偏光ビームスプリッタ54の反射
偏光面に一致する。そして、この偏向面の回転した一次
回折光14bは、偏光ビームスプリッタ54により反射
されて、λ/4波長板55へと入射するのである。そし
て、一次回折光14bの偏光面はλ/4波長板55の作
用により直線偏光の状態から円偏光の状態に変化する。
その後、この一次回折光14bは、フォールドミラー5
6により直角上方に反射し、フォールドミラー56の上
方に位置する対物レンズ51により、透過窓22を介し
て樹脂貯溜槽21内の液状光硬化性樹脂23に集束す
る。
Then, the first-order diffracted light 14a output from the laser intensity stabilizing section 40 enters the beam expander 15 as shown in FIG. 1, and is expanded to a predetermined beam diameter.
The first-order diffracted light 14b having a predetermined beam diameter is reflected by the fold mirror 16 and enters the autofocus unit 50. Next, the first-order diffracted light 14b incident on the autofocus unit 50 is reflected by the fold mirror 52 to the λ / 2 wavelength plate 53, as shown in FIGS.
The deflecting surface of the first-order diffracted light 14b is a λ / 2 wavelength plate 5
3 and coincides with the reflected polarization plane of the polarization beam splitter 54. Then, the rotated first-order diffracted light 14 b on the deflecting surface is reflected by the polarization beam splitter 54 and enters the λ / 4 wavelength plate 55. Then, the polarization plane of the first-order diffracted light 14b changes from a state of linear polarization to a state of circular polarization by the action of the λ / 4 wavelength plate 55.
Thereafter, the first-order diffracted light 14b is transmitted to the fold mirror 5
The light is reflected upward at a right angle by 6 and is focused on the liquid photocurable resin 23 in the resin storage tank 21 through the transmission window 22 by the objective lens 51 positioned above the fold mirror 56.

【0066】また、液状光硬化性樹脂23に入射した一
次回折光14bの一部は、透過窓22と液状光硬化性樹
脂23の界面において反射され、この反射光14eは、
対物レンズ51,フォールドミラー56,λ/4波長板
55の順に進み、λ/4波長板55を通過するときに、
その偏向面は、円偏光から直線偏光の状態に変化する。
次に、この反射光14eは、偏光ビームスプリッタ54
に入射するが、この反射光14eの偏向面は、偏光ビー
ムスプリッタ54の透過方向の偏光面と一致した方向と
なっているので、偏光ビームスプリッタ54を透過し
て、集光レンズ57,円筒面レンズ58を経て、4分割
フォトディテクタ59へと入射するのである。
A part of the first-order diffracted light 14b incident on the liquid photocurable resin 23 is reflected at the interface between the transmission window 22 and the liquid photocurable resin 23, and the reflected light 14e is
The objective lens 51, the fold mirror 56, and the λ / 4 wavelength plate 55 proceed in this order, and when passing through the λ / 4 wavelength plate 55,
The deflecting surface changes from circularly polarized light to linearly polarized light.
Next, the reflected light 14e is transmitted to the polarization beam splitter 54.
However, since the deflecting surface of the reflected light 14e is in the same direction as the polarizing surface in the transmission direction of the polarizing beam splitter 54, the reflected light 14e is transmitted through the polarizing beam splitter 54 and condensed by the condenser lens 57 and the cylindrical surface. The light enters the four-divided photodetector 59 via the lens 58.

【0067】そして、4分割フォトディテクタ59は、
上述のように4つの光電面59A,59B,59C,5
9Dにより構成されており、これらの各光電面59A,
59B,59C,59Dからは、反射光14eの照射面
積の大きさに応じて、レーザパワーを示す強度信号
A ,SB ,SC ,SD が検出される。そして、これら
の強度信号SA ,SB ,SC ,SDを演算器65に出力
し、演算器65は、上述の式(3)により強度信号Sを
演算し、そして、この強度信号Sを比較器66へ出力す
る。また、比較器66には、強度信号Sとともに、ホス
トコンピュータ67から所定の1次回折光14bの焦点
位置を示す基準焦点位置信号S0が入力されている。そ
して、比較器66は、強度信号Sと基準焦点位置信号S
0との差を示す偏差信号δSを対物レンズ駆動装置60
に出力し、これにより、対物レンズ駆動装置60は、偏
差信号δSに基づいて対物レンズ51を所定の位置に駆
動して、1次回折光14bの焦点位置を所定の位置に一
定制御(焦点位置制御)するのである。
Then, the four-division photodetector 59
As described above, the four photoelectric surfaces 59A, 59B, 59C, 5
9D, each of these photoelectric surfaces 59A,
From 59B, 59C, 59D, intensity signals S A , S B , S C , S D indicating laser power are detected according to the size of the irradiation area of the reflected light 14e. Then, these intensity signals S A , S B , S C , and S D are output to the arithmetic unit 65, and the arithmetic unit 65 calculates the intensity signal S by the above equation (3). Is output to the comparator 66. Further, the reference focus position signal S0 indicating the focus position of the predetermined first-order diffracted light 14b is input from the host computer 67 to the comparator 66 together with the intensity signal S. Then, the comparator 66 calculates the intensity signal S and the reference focus position signal S
The deviation signal δS indicating the difference from 0 to the objective lens driving device 60
Then, the objective lens driving device 60 drives the objective lens 51 to a predetermined position based on the deviation signal δS, and controls the focal position of the first-order diffracted light beam 14b to a predetermined position (focal position control). ).

【0068】さて、図4に示すように、対物レンズ51
を搭載するレーザ走査部30のステージ制御装置63
X,63Yには、ホストコンピュータ67からレーザ位
置指令信号Rx,Ryが入力され、また、各ステージ本
体31X,31Yに付設された位置検出器33X,33
Yから、ステージ本体31X,31Yの位置を示す位置
信号Px,Pyが入力される。そして、ステージ制御装
置63X,63Yは、信号Px,Rxの差及び信号P
y,Ryの差を示す位置誤差信号δPx,δPyを、モ
ータアンプ64X,64Yに出力し、モータアンプ64
X,64Yは、この位置誤差信号δPx,δPyを増幅
してDCサーボモータ32X,32Yに出力する。そし
て、DCサーボモータ32X,32Yは、この増幅され
た位置誤差信号δPx,δPyに基づいて、ステージ本
体31X,31Yを駆動して、1次回折光14bの走査
速度vを制御(光束走査速度制御)するのである。
Now, as shown in FIG.
Control unit 63 of the laser scanning unit 30 equipped with
X and 63Y receive laser position command signals Rx and Ry from the host computer 67, and position detectors 33X and 33 attached to the stage bodies 31X and 31Y, respectively.
From Y, position signals Px and Py indicating the positions of the stage bodies 31X and 31Y are input. Then, the stage controllers 63X and 63Y determine the difference between the signals Px and Rx and the signal Px.
The position error signals δPx and δPy indicating the difference between y and Ry are output to the motor amplifiers 64X and 64Y.
X and 64Y amplify the position error signals δPx and δPy and output them to the DC servo motors 32X and 32Y. The DC servo motors 32X and 32Y drive the stage bodies 31X and 31Y based on the amplified position error signals δPx and δPy to control the scanning speed v of the first-order diffracted light 14b (light flux scanning speed control). You do it.

【0069】そして、このように所定のレーザパワー
P,走査速度v及び焦点位置(レーザスポット径w)に
制御された1次回折光14bを、図1に示すように、樹
脂貯溜槽21内の液状光硬化性樹脂23に照射させる。
このとき、例えば、第1の樹脂硬化層を形成するときに
は、樹脂貯溜槽21内のターゲットプレート24を、エ
レベータ26により駆動して、樹脂貯溜槽21の底部の
透過窓22の上面よりも所定の樹脂層厚み上方に配置さ
せ、このターゲットプレート24の下面と透過窓22の
上面とに挟まれた領域に存在する液状光硬化性樹脂23
に、1次回折光14bを照射して、所定の面状パターン
を有する第1の樹脂硬化層を形成するのである。その
後、ホストコンピュータ67からの制御信号に基づきエ
レベータ26は、ターゲットプレート24を所定の樹脂
層厚み分だけ上方に移動させるが、このとき、第1の樹
脂硬化層は、ターゲットプレート24に接合してターゲ
ットプレート24とともに上方に移動するため、第1の
樹脂硬化層と透過窓22との間に、未硬化の液状光硬化
性樹脂23が流入する。そして、1次回折光14bを照
射して、第1の樹脂硬化層の下面と透過窓22との間
に、所定の面状パターン且つ所定の樹脂層厚みの第2の
樹脂硬化層を形成するのである。なお、このとき、第2
の樹脂硬化層は、第1の樹脂硬化層に接合する。
The first-order diffracted light 14b controlled to the predetermined laser power P, the scanning speed v, and the focal position (laser spot diameter w) as described above is converted into a liquid in the resin storage tank 21 as shown in FIG. The photocurable resin 23 is irradiated.
At this time, for example, when the first cured resin layer is formed, the target plate 24 in the resin storage tank 21 is driven by the elevator 26 so that the target plate 24 is lower than the upper surface of the transmission window 22 at the bottom of the resin storage tank 21 by a predetermined distance. The liquid photocurable resin 23 is disposed above the thickness of the resin layer and is present in a region between the lower surface of the target plate 24 and the upper surface of the transmission window 22.
Then, the first-order diffracted light 14b is irradiated to form a first cured resin layer having a predetermined planar pattern. Thereafter, based on a control signal from the host computer 67, the elevator 26 moves the target plate 24 upward by a predetermined resin layer thickness. At this time, the first resin cured layer is bonded to the target plate 24 and Since it moves upward together with the target plate 24, the uncured liquid photocurable resin 23 flows between the first resin cured layer and the transmission window 22. Then, by irradiating the first-order diffracted light 14b, a second resin cured layer having a predetermined planar pattern and a predetermined resin layer thickness is formed between the lower surface of the first resin cured layer and the transmission window 22. is there. At this time, the second
Is bonded to the first cured resin layer.

【0070】以降、同様の工程を繰り返して、所定の面
状パターンを有する樹脂硬化層を積載していくことによ
り所望の立体形状を造形するのである。したがって、本
実施形態の光造形装置によれば、以下のような効果が得
られる。つまり、制御対象であるレーザパワーPと走査
速度vとレーザスポット径wに相当する焦点位置とを直
接に検出するとともに、これらの検出結果に基づいて、
レーザ強度安定化部40によりレーザパワーPを、ステ
ージ制御装置63X,63Yにより走査速度vを、オー
トフォーカス部50により焦点位置を、それぞれ個別に
フィードバック制御することにより、高速な制御が可能
となる。したがって、制御遅れによってレーザ光の照射
状態が目標値から外れてしまうことが防止されて、高精
度な三次元立体の造形が可能となるという利点がある。
Thereafter, the same steps are repeated to form a desired three-dimensional shape by stacking the resin cured layers having a predetermined planar pattern. Therefore, according to the optical shaping apparatus of the present embodiment, the following effects can be obtained. That is, the laser power P to be controlled, the scanning speed v, and the focal position corresponding to the laser spot diameter w are directly detected, and based on these detection results,
By individually performing feedback control of the laser power P by the laser intensity stabilizing section 40, the scanning speed v by the stage controllers 63X and 63Y, and the focus position by the autofocus section 50, high-speed control is possible. Therefore, there is an advantage that the irradiation state of the laser beam is prevented from deviating from the target value due to the control delay, and it is possible to form a three-dimensional solid with high accuracy.

【0071】また、レーザパワーP,走査速度v,焦点
位置の検出結果に基づいてフィードバック制御を行なう
ので、三次元立体を造形中に振動や温度変化等の突発的
な外乱が発生した場合にも、このような外乱に対応した
制御を行なって、高精度な三次元立体の造形が可能とな
るという利点もある。また、レーザ強度安定化部40に
は、AOM41がそなえられており、AOM41に印加
する電気信号の振幅を変化させることによって、光束の
パワーを容易に制御できるという利点もある。
Further, since feedback control is performed based on the detection results of the laser power P, the scanning speed v, and the focal position, even when a sudden disturbance such as vibration or temperature change occurs during the formation of a three-dimensional solid, There is also an advantage that a control corresponding to such a disturbance is performed to enable a high-precision three-dimensional solid modeling. Further, the laser intensity stabilizing section 40 is provided with an AOM 41, and has an advantage that the power of the light beam can be easily controlled by changing the amplitude of the electric signal applied to the AOM 41.

【0072】次に、第2実施形態について説明する。図
9は本発明の第2実施形態にかかる光造形装置の全体構
成を示す模式図である。なお、図9において第1実施形
態と同様の構成部については、同じ符号を付し、説明を
省略する。本実施形態にかかる光造形装置1aは、図9
に示すように、第1実施形態の光造形装置1の一部を変
更したもので、光束走査手段としては、レーザ走査部3
0(図1参照)を、ガルバノミラー71,72に置き換
えたものであり、また、対物レンズ(図1参照)をf−
θレンズ73に置き換えたものである。
Next, a second embodiment will be described. FIG. 9 is a schematic view showing the entire configuration of an optical shaping apparatus according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 9, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted. The optical shaping apparatus 1a according to the present embodiment has a structure shown in FIG.
As shown in (1), a part of the optical shaping apparatus 1 of the first embodiment is modified, and a laser beam
0 (see FIG. 1) is replaced by galvanometer mirrors 71 and 72, and the objective lens (see FIG. 1) is replaced by f-
It is replaced with a θ lens 73.

【0073】つまり、本実施形態における光造形装置1
aは、液状光硬化性樹脂23を貯溜した樹脂貯溜槽21
をそなえて三次元立体が造形される造形部20と、レー
ザ光(光束)12を出射するレーザ光源(光源)11
と、このレーザ光12を反射してレーザ強度安定化部
(光束パワー制御手段)40へ入射させるフォールドミ
ラー13と、レーザ光12から所定のレーザパワー(レ
ーザ強度)の一次回折光14aを取り出す(即ち、レー
ザパワーを安定化する)レーザ強度安定化部40と、こ
の一次回折光14aのビーム径を拡大するビームエキス
パンダ15と、一次回折光14bを樹脂貯溜槽21内の
液状光硬化性樹脂23に集束させる(即ち、レーザ光の
焦点位置を調整する)オートフォーカス部(焦点位置制
御手段)50と、一次回折光14bをf−θレンズ73
に入射させるガルバノミラー71,72と、レンズ駆動
装置60の付設されたf−θレンズ(レンズ)73とを
そなえて構成される。
That is, the optical shaping apparatus 1 of this embodiment
a is a resin storage tank 21 in which a liquid photocurable resin 23 is stored.
And a laser light source (light source) 11 for emitting a laser beam (light flux) 12
Then, a fold mirror 13 that reflects the laser light 12 and makes it incident on a laser intensity stabilizing unit (light flux power control unit) 40, and extracts a first-order diffracted light 14a of a predetermined laser power (laser intensity) from the laser light 12 ( That is, a laser intensity stabilizing section 40 for stabilizing the laser power, a beam expander 15 for enlarging the beam diameter of the primary diffracted light 14a, and a liquid photocurable resin in the resin storage tank 21 for the primary diffracted light 14b. An autofocus section (focus position control means) 50 for focusing on the laser beam 23 (that is, adjusting the focal position of the laser beam);
, And an f-θ lens (lens) 73 provided with a lens driving device 60.

【0074】ここで、ガルバノミラー71,72には駆
動装置(図示略)が設けられ、この駆動装置はホストコ
ンピュータ(図示略)によって制御されてガルバノミラ
ー71,72を所定の偏向角度に駆動するようになって
いる。そして、ガルバノミラー71は、その偏向角度を
変えることにより、一次回折光14bをX−Y面内に走
査し、一方、ガルバノミラー72は、その偏向角度を変
えることにより、一次回折光14bをY−Z面内に走査
するようになっている。これにより、ガルバノミラー7
1,72は、一次回折光14bをf−θレンズ73に入
射させるとともに、f−θレンズ73への一次回折光1
4bの入射角θを変化させることができるようになって
いる。
Here, a driving device (not shown) is provided for the galvanometer mirrors 71 and 72, and the driving device is controlled by a host computer (not shown) to drive the galvanometer mirrors 71 and 72 to a predetermined deflection angle. It has become. The galvanomirror 71 scans the first-order diffracted light 14b in the XY plane by changing its deflection angle, while the galvanomirror 72 changes the first-order diffracted light 14b into Y by changing its deflection angle. It scans in the -Z plane. Thereby, the galvanometer mirror 7
The first and second rays make the first-order diffracted light 14b incident on the f-θ lens 73 and the first-order diffracted light 1b on the f-θ lens 73.
4b can be changed.

【0075】ここで、f−θレンズ73は、f―θレン
ズ73の光軸に対して角度を持って入射してくる平行光
束である一次回折光14bの光軸をf−θレンズ73の
光軸に平行となるように屈折させると同時に、その一次
回折光14bを焦点面と呼ばれる一定の平面上に収束さ
せるようになっている。したがって、第1実施形態のよ
うにレーザ走査部30により対物レンズ51を平面上で
移動させる(図1参照)のではなく、上述のようにf−θ
レンズ73に入射する一次回折光14bの入射角度θ
を、ガルバノミラー71,72によって変化させること
により、一次回折光14bの焦点を焦点面の任意の位置
に移動させる(走査する)ことができるようになってい
るのである。
Here, the f-θ lens 73 changes the optical axis of the first-order diffracted light 14 b, which is a parallel light beam incident at an angle to the optical axis of the f-θ lens 73, of the f-θ lens 73. At the same time as being refracted so as to be parallel to the optical axis, the first-order diffracted light 14b is converged on a certain plane called a focal plane. Therefore, instead of moving the objective lens 51 on a plane by the laser scanning unit 30 as in the first embodiment (see FIG. 1), f-θ is used as described above.
Incident angle θ of first-order diffracted light 14b incident on lens 73
Is changed by the galvanometer mirrors 71 and 72, so that the focal point of the first-order diffracted light 14b can be moved (scanned) to an arbitrary position on the focal plane.

【0076】また、本実施形態における光造形装置1a
には、上述したように図示しないホストコンピュータが
そなえられており、このホストコンピュータには、任意
に設定された三次元立体の断面スライスデータ(面状パ
ターン)が記憶されている。そして、このホストコンピ
ュータにより、断面スライスデータに基づいて、ガルバ
ノミラー71,72,レーザ走査部30,レーザ強度安
定化部40,オートフォーカス部50が制御されるよう
になっている。
The optical shaping apparatus 1a according to this embodiment
Is provided with a host computer (not shown) as described above, and the host computer stores arbitrarily set three-dimensional three-dimensional slice data (plane pattern). The host computer controls the galvanometer mirrors 71 and 72, the laser scanning unit 30, the laser intensity stabilizing unit 40, and the autofocus unit 50 based on the slice data.

【0077】ここで、ガルバノミラー71,72には、
その偏向角度を検出する角度検出手段(図示略)と光束
走査速度制御手段(図示略)とが、それぞれ設けられ、
この角度検出手段は、光束走査速度制御手段に各ガルバ
ノミラー71,72の角度情報をおくるようになってい
る。また、光束走査速度制御手段には、ホストコンピュ
ータから、断面スライスデータに基づいて位置指令信号
が入力されるようになっている。そして、光束走査速度
制御手段は、各ガルバノミラー71,72の角度情報よ
り、一次回折光14bの走査位置を演算し、この演算さ
れた走査位置と、ホストコンピュータからの位置指令信
号とを比較して、ガルバノミラー71,72の偏向角度
が所定の角度となるように駆動装置を制御するようにな
っている。つまり、光束走査速度制御手段は、一次回折
光14bの走査速度vの制御を行なうようになっている
のである。
Here, the galvanomirrors 71 and 72 include:
Angle detection means (not shown) for detecting the deflection angle and light beam scanning speed control means (not shown) are provided, respectively.
The angle detecting means sends angle information of each of the galvanometer mirrors 71 and 72 to the light beam scanning speed control means. A position command signal is input to the light beam scanning speed control means from the host computer based on the slice data. The light beam scanning speed control means calculates the scanning position of the primary diffracted light 14b from the angle information of each of the galvanometer mirrors 71 and 72, and compares the calculated scanning position with a position command signal from the host computer. Thus, the driving device is controlled such that the deflection angles of the galvanometer mirrors 71 and 72 become a predetermined angle. That is, the light beam scanning speed control means controls the scanning speed v of the first-order diffracted light 14b.

【0078】また、f−θレンズ73は、コンフォーカ
ルなもので構成されており、f−θレンズ73に入射し
た一次回折光14bは常に樹脂貯溜槽21の底部に設置
された透過窓22に常に垂直に入射するようになってい
る。そして、この一次回折光14bの一部は、透過窓2
2と液状光硬化性樹脂23との界面で反射するが、一次
回折光14bは透過窓22に垂直に入射しているので、
この反射光14eは、入射経路と同一の経路を逆方向に
進んで、オートフォーカス部50に入射するようになっ
ているのである。そして、オートフォーカス部50は、
この反射光14eのビーム断面形状に基づいて、レンズ
駆動装置60によりf−θレンズ73を所定の高さに移
動させて、一次回折光14bの焦点位置(焦点面)が所
定の位置になるように制御しているのである。
The f-θ lens 73 is made of a confocal lens, and the first-order diffracted light 14b incident on the f-θ lens 73 always passes through the transmission window 22 installed at the bottom of the resin storage tank 21. It is always incident vertically. A part of the first-order diffracted light 14b is transmitted to the transmission window 2
2 and the liquid photocurable resin 23, the first-order diffracted light 14b is perpendicularly incident on the transmission window 22,
The reflected light 14e travels in the reverse direction on the same path as the incident path and enters the autofocus unit 50. Then, the auto focus unit 50
The f-θ lens 73 is moved to a predetermined height by the lens driving device 60 based on the beam cross-sectional shape of the reflected light 14e so that the focal position (focal plane) of the first-order diffracted light 14b becomes a predetermined position. Is controlled.

【0079】本発明の第2実施形態にかかる光造形装置
1aは、上述のように構成されているので、以下のよう
な手順(本実施形態にかかる光造形方法)で所望の三次
元立体の造形が行なわれる。まず、レーザ光源11から
レーザ光12を出射させ、このレーザ光12は、フォー
ルドミラー13により直角に曲げられてレーザ強度安定
化部40に入射する。そして、このレーザ光12を、レ
ーザ強度安定化部40により制御(光束パワー制御)し
て、所定のレーザパワーの一次回折光14aとして出力
する。そして、この一次回折光14aを、ビームエキス
パンダ15に入射させてビーム径を拡大し、次に、この
ビーム径の拡大した一次回折光14bを、オートフォー
カス部50,ガルバノミラー71,72,f−θレンズ
73を介して、樹脂貯溜槽21の透過窓22から樹脂貯
溜槽21内の液状光硬化性樹脂23に照射させる。この
とき、所定の断面スライスデータに基づいて、ガルバノ
ミラー71,72の偏向角度を制御し、これにより一次
回折光14bの走査速度vを制御(光束走査速度制御)
する。また、オートフォーカス部50からの制御信号に
基づいてレンズ駆動装置60はf−θレンズ73を所定
の高さに駆動し、これにより、一次回折光14bの焦点
位置(焦点面)を制御(焦点位置制御)するのである。
Since the optical shaping apparatus 1a according to the second embodiment of the present invention is configured as described above, a desired three-dimensional solid is formed by the following procedure (an optical shaping method according to the present embodiment). Modeling is performed. First, laser light 12 is emitted from a laser light source 11, and this laser light 12 is bent at a right angle by a fold mirror 13 and enters a laser intensity stabilizing unit 40. Then, the laser beam 12 is controlled (light beam power control) by the laser intensity stabilizing unit 40, and is output as a first-order diffracted beam 14a of a predetermined laser power. Then, the first-order diffracted light 14a is made incident on the beam expander 15 to expand the beam diameter, and then the first-order diffracted light 14b having the expanded beam diameter is transmitted to the autofocus unit 50, the galvanometer mirrors 71, 72, and f. The liquid photocurable resin 23 in the resin storage tank 21 is irradiated from the transmission window 22 of the resin storage tank 21 through the −θ lens 73. At this time, the deflection angles of the galvanometer mirrors 71 and 72 are controlled based on the predetermined slice data, thereby controlling the scanning speed v of the first-order diffracted light 14b (light beam scanning speed control).
I do. Further, the lens driving device 60 drives the f-θ lens 73 to a predetermined height based on a control signal from the autofocus unit 50, thereby controlling the focal position (focal plane) of the first-order diffracted light 14b. Position control).

【0080】そして、樹脂貯溜槽21の底部の透過窓2
2の上面とターゲットプレート24との間の液状光硬化
性樹脂23に、所定のレーザパワーP,走査速度v,焦
点位置に制御した1次回折光14bを照射させる。この
とき、ターゲットプレート24を、透過窓22の上面よ
りも所定の樹脂層厚み上方に位置させておき、これによ
り所定の面状パターン且つ所定の樹脂層厚みの樹脂硬化
層を形成する。そして、以降、所定の面状パターン且つ
所定の樹脂層厚みの樹脂硬化層を形成するごとに、ター
ゲットプレート24を所定の樹脂層厚みづつ上方に移動
させて、これにより、所定の面状パターンを有する樹脂
硬化層を積載して所望の立体形状を造形するのである。
The transmission window 2 at the bottom of the resin storage tank 21
The liquid photocurable resin 23 between the upper surface of the substrate 2 and the target plate 24 is irradiated with the first-order diffracted light 14b controlled at a predetermined laser power P, a scanning speed v, and a focal position. At this time, the target plate 24 is positioned above the upper surface of the transmission window 22 by a predetermined resin layer thickness, thereby forming a resin cured layer having a predetermined planar pattern and a predetermined resin layer thickness. Then, thereafter, each time a resin cured layer having a predetermined planar pattern and a predetermined resin layer thickness is formed, the target plate 24 is moved upward by a predetermined resin layer thickness, whereby a predetermined planar pattern is formed. The desired three-dimensional shape is formed by stacking the resin cured layers having the same.

【0081】したがって、本実施形態の光造形装置によ
れば、第1実施形態の光造形装置と略同様に以下のよう
な効果が得られる。つまり、第1実施形態の光造形装置
と略同様に、制御対象であるレーザパワーPとレーザス
ポット径wに相当する焦点位置とを直接に検出するとと
もに、レーザ強度安定化部40によりレーザパワーP
を、ガルバノミラー71,72により走査速度vを、オ
ートフォーカス部50により焦点位置(焦点面)を、そ
れぞれ個別にフィードバック制御することにより、高速
な制御が可能となって、制御遅れによってレーザ光の照
射状態が目標値から外れてしまうことが防止されて、高
精度な三次元立体の造形が可能となるという利点があ
る。
Therefore, according to the optical shaping apparatus of the present embodiment, the following effects can be obtained in substantially the same manner as the optical shaping apparatus of the first embodiment. In other words, the laser power P to be controlled and the focal position corresponding to the laser spot diameter w are directly detected, and the laser power
By individually performing feedback control of the scanning speed v by the galvanometer mirrors 71 and 72 and the focal position (focal plane) by the autofocus unit 50, high-speed control becomes possible. There is an advantage that the irradiation state is prevented from deviating from the target value, and high-precision three-dimensional solid modeling becomes possible.

【0082】また、レーザパワーP,焦点位置の検出結
果に基づいてフィードバック制御を行なうので、三次元
立体を造形中に振動や温度変化等の突発的な外乱が発生
した場合にも、このような外乱に対応した制御を行なっ
て、高精度な三次元立体の造形が可能となるという利点
がある。なお、本発明の光造形装置及び光造形方法は、
上述の実施形態に限定されるものではなく、種々変形し
て実施することができる。
Further, since feedback control is performed based on the detection results of the laser power P and the focal position, even when sudden disturbance such as vibration or temperature change occurs during the formation of a three-dimensional solid, such a disturbance can be obtained. There is an advantage that high-precision three-dimensional modeling can be performed by performing control corresponding to disturbance. Incidentally, the stereolithography apparatus and the stereolithography method of the present invention,
The present invention is not limited to the above embodiment, and can be implemented with various modifications.

【0083】例えば、フォトディテクタ43及び4分割
フォトディテクタ59は接地して使用されているが、電
気回路の構成によっては、フォトディテクタ43や4分
割フォトディテクタ59を接地させなくてもよい。ま
た、本実施形態では、下方からレーザ光を照射して硬化
層を形成する規制液面方式を用いているが、上方からレ
ーザ光を照射して硬化層を形成する自由液面方式を使用
してもよい。
For example, the photodetector 43 and the four-divided photodetector 59 are used while grounded, but the photodetector 43 and the four-divided photodetector 59 may not be grounded depending on the configuration of the electric circuit. Further, in the present embodiment, the regulated liquid level method of irradiating laser light from below to form a hardened layer is used, but the free liquid level method of irradiating laser light from above to form a hardened layer is used. You may.

【0084】[0084]

【発明の効果】以上詳述したように、請求項1記載の本
発明の光造形装置及び請求項4記載の光造形方法によれ
ば、光束のパワー,走査速度,焦点位置を、それぞれ個
別に制御することにより、高速な制御が可能となって、
制御遅れによって光束の照射状態が目標値から外れてし
まうことが防止されて、三次元立体を高精度に造形する
ことができるという利点がある。
As described above in detail, according to the optical shaping apparatus of the present invention according to the first aspect and the optical shaping method of the fourth aspect, the power of the light beam, the scanning speed, and the focal position are individually set. By controlling, high-speed control becomes possible,
There is an advantage that the irradiation state of the light beam is prevented from deviating from the target value due to the control delay, and a three-dimensional solid can be formed with high accuracy.

【0085】さらに、光束のパワー,走査速度,焦点位
置の検出結果に基づいて制御を行なうので、三次元立体
を造形中に振動や温度変化等の突発的な外乱が発生した
場合にも、このような外乱に対応した制御を行なって、
三次元立体を高精度に造形することができるという利点
がある。請求項2記載の本発明の光造形装置によれば、
光束パワー制御手段が音響光学素子により構成されてい
るので、音響光学素子に印加する電気信号の振幅を変化
させることによって、光束のパワーを容易に制御できる
という利点がある。
Further, since the control is performed based on the detection results of the power of the light beam, the scanning speed, and the focal position, even when a sudden disturbance such as a vibration or a temperature change occurs during the formation of the three-dimensional solid, this control is performed. By performing control corresponding to such disturbance,
There is an advantage that a three-dimensional solid can be formed with high precision. According to the stereolithography apparatus of the present invention described in claim 2,
Since the light beam power control means is constituted by the acousto-optic device, there is an advantage that the power of the light beam can be easily controlled by changing the amplitude of the electric signal applied to the acousto-optic device.

【0086】請求項3記載の本発明の光造形装置によれ
ば、反射光形状検出手段からの検出結果に基づき非点収
差法により光束の焦点位置を直接に検出することができ
るので、焦点位置を演算する時間が不要となって、焦点
位置制御手段により速やかに焦点位置を制御することが
できるという利点がある。
According to the third aspect of the present invention, the focal position of the light beam can be directly detected by the astigmatism method based on the detection result from the reflected light shape detecting means. There is an advantage that the time required to calculate is unnecessary, and the focus position can be quickly controlled by the focus position control means.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の第1実施形態としての光造形装置の全
体構成を示す模式図である。
FIG. 1 is a schematic diagram showing an overall configuration of an optical shaping apparatus as a first embodiment of the present invention.

【図2】本発明の第1実施形態としての光造形装置のホ
ストコンピュータから出力される制御信号を示す図であ
る。
FIG. 2 is a diagram illustrating control signals output from a host computer of the optical shaping apparatus according to the first embodiment of the present invention.

【図3】本発明の第1実施形態としての光造形装置の光
束パワー制御手段の構成及び制御ブロックを示す模式図
である。
FIG. 3 is a schematic diagram illustrating a configuration and a control block of a light flux power control unit of the optical shaping apparatus according to the first embodiment of the present invention.

【図4】本発明の第1実施形態としての光造形装置の光
束走査手段の構成及び制御ブロックを示す模式図であ
る。
FIG. 4 is a schematic diagram illustrating a configuration and a control block of a light beam scanning unit of the optical shaping apparatus according to the first embodiment of the present invention.

【図5】本発明の第1実施形態としての光造形装置の焦
点位置制御手段及び造形部の構成を示す上面視からの模
式図である。
FIG. 5 is a schematic plan view showing a configuration of a focus position control unit and a molding unit of the optical molding apparatus according to the first embodiment of the present invention.

【図6】本発明の第1実施形態としての光造形装置の焦
点位置制御手段,焦点位置検出手段及び造形部の構成を
一部ブロック図として示す側面視からの模式図である。
FIG. 6 is a schematic side view showing a partial configuration of a focal position control unit, a focal position detection unit, and a molding unit of the optical molding apparatus according to the first embodiment of the present invention;

【図7】本発明の第1実施形態としての光造形装置の反
射光形状検出手段で検出されるビーム断面形状(反射光
の形状)を示す図であり、(a)は光束の焦点位置が透
過窓に対して上方に位置する場合のビーム断面形状を示
す図、(b)は光束の焦点位置が透過窓の上面に合焦し
た場合のビーム断面形状を示す図、(c)は光束の焦点
位置が透過窓の上面に対して下方に位置する場合のビー
ム断面形状を示す図である。
FIGS. 7A and 7B are diagrams illustrating a beam cross-sectional shape (shape of reflected light) detected by a reflected light shape detecting unit of the optical shaping apparatus according to the first embodiment of the present invention, and FIG. FIG. 4B is a diagram illustrating a beam cross-sectional shape when positioned above the transmission window, FIG. 4B is a diagram illustrating a beam cross-sectional shape when the focal position of the light beam is focused on the upper surface of the transmission window, and FIG. FIG. 4 is a diagram illustrating a beam cross-sectional shape when a focal position is located below an upper surface of a transmission window.

【図8】本発明の第1実施形態としての光造形装置の反
射光形状検出手段により検出される強度信号と透過窓に
対する焦点の相対的な位置との関係を示す図である。
FIG. 8 is a diagram illustrating a relationship between an intensity signal detected by a reflected light shape detection unit of the optical shaping apparatus according to the first embodiment of the present invention and a relative position of a focal point with respect to a transmission window.

【図9】本発明の第2実施形態としての光造形装置の全
体構成を示す模式図である。
FIG. 9 is a schematic diagram illustrating an overall configuration of an optical shaping apparatus according to a second embodiment of the invention.

【図10】従来の自由液面方式の光造形装置の全体構成
を示す模式図である。
FIG. 10 is a schematic diagram showing the overall configuration of a conventional free liquid surface type optical shaping apparatus.

【図11】従来の規制液面方式の光造形装置の全体構成
を示す模式図である。
FIG. 11 is a schematic view showing the overall configuration of a conventional regulated liquid level type optical shaping apparatus.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1,1a 光造形装置 11 レーザ光源(光源) 12 レーザ光(光束) 13,16,52,56 フォールドミラー 14 回折光 14a,14b 一次回折光 14c パワー参照光線 14e 反射光 15 ビームエキスパンダ 20 造形部 21 樹脂貯溜槽 22 透過窓 23 液状光硬化性樹脂 24 ターゲットプレート 25 引き上げロッド 26 エレベータ 30 レーザ走査部(光束走査手段) 31X,31Y ステージ本体 32X,32Y DCサーボモータ 33X,33Y 位置検出器 40 レーザ強度安定化部(光束パワー制御手段) 41 AOM(音響光学変調素子) 42 ハーフミラー 43 フォトディテクタ 44 空間フィルタ 50 オートフォーカス部(焦点位置制御手段) 51 対物レンズ(レンズ) 53 λ/2波長板 54 偏光ビームスプリッタ 55 λ/4波長板 57 集光レンズ 58 円筒面レンズ 59 4分割フォトディテクタ(反射光形状検出手段) 59A,59B,59C,59D 光電面 60 対物レンズ駆動装置,レンズ駆動装置 61 レーザパワー制御装置 62 AOM駆動アンプ 63X,63Y ステージ制御装置(光束走査速度制御
手段) 64X,64Y モータアンプ 65 演算器(焦点位置検出手段) 66 比較器 67 ホストコンピュータ 71,72 ガルバノミラー(光束走査手段) 73 f−θレンズ(レンズ) P レーザパワー(光束のパワー) Px,Py 位置信号 Rx,Ry 位置指令信号 S,SA ,SB ,SC ,SD 強度信号 S0 基準焦点位置信号 Sp パワー信号 Sp0 基準パワー信号 δPx,δPy 位置誤差信号 δSp パワー変動信号 v レーザ光走査速度(光束の走査速度) w レーザスポット径
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 1a Stereolithography device 11 Laser light source (light source) 12 Laser beam (light flux) 13, 16, 52, 56 Fold mirror 14 Diffracted beam 14a, 14b Primary diffracted beam 14c Power reference beam 14e Reflected beam 15 Beam expander 20 Modeling unit DESCRIPTION OF SYMBOLS 21 Resin storage tank 22 Transmissive window 23 Liquid photocurable resin 24 Target plate 25 Lifting rod 26 Elevator 30 Laser scanning part (light beam scanning means) 31X, 31Y Stage main body 32X, 32Y DC servomotor 33X, 33Y Position detector 40 Laser intensity Stabilizing unit (beam power control unit) 41 AOM (acousto-optic modulation element) 42 Half mirror 43 Photodetector 44 Spatial filter 50 Autofocus unit (focal position control unit) 51 Objective lens (lens) 53 λ / 2 wavelength plate 54 Polarized beam Pretitter 55 λ / 4 wavelength plate 57 Condenser lens 58 Cylindrical lens 59 Quadrant photodetector (reflected light shape detecting means) 59A, 59B, 59C, 59D Photocathode 60 Objective lens drive device, lens drive device 61 Laser power control device 62 AOM drive amplifier 63X, 63Y Stage control device (light beam scanning speed control means) 64X, 64Y Motor amplifier 65 Computing unit (focal position detecting means) 66 Comparator 67 Host computer 71, 72 Galvano mirror (light beam scanning means) 73 f-θ Lens (lens) P Laser power (power of light beam) Px, Py Position signal Rx, Ry Position command signal S, S A , S B , S C , S D intensity signal S 0 Reference focal position signal Sp power signal Sp 0 Reference power signal δPx, δPy Position error signal δSp Power fluctuation signal v The light scanning speed w laser spot diameter (scanning speed of the light beam)

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 保科 良祐 横浜市金沢区幸浦一丁目8番地1 三菱重 工業株式会社基盤技術研究所内 (72)発明者 後藤 崇之 横浜市金沢区幸浦一丁目8番地1 三菱重 工業株式会社基盤技術研究所内 Fターム(参考) 4F203 AA44 DA12 DB01 DC07 DF01 DF46 DK07 4F213 AA44 WA25 WA53 WA86 WA87 WA97 WB01 WL02 WL12 WL15 WL85 WL92  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Ryosuke Hoshina 1-8-1, Koura, Kanazawa-ku, Yokohama-shi Inside Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. Basic Research Laboratory (72) Inventor Takayuki Goto 1-8-1, Koura, Kanazawa-ku, Yokohama-shi Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. Basic Technology Research Laboratory F-term (reference) 4F203 AA44 DA12 DB01 DC07 DF01 DF46 DK07 4F213 AA44 WA25 WA53 WA86 WA87 WA97 WB01 WL02 WL12 WL15 WL85 WL92

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 液状光硬化性樹脂を貯溜した樹脂貯溜槽
と、光束を出射する光源と、該光束を走査する光束走査
手段と、該光束を該樹脂貯溜槽内の該液状光硬化性樹脂
に集束させるレンズとをそなえ、該レンズにより集束さ
れ該液状光硬化性樹脂に照射された該光束を、該光束走
査手段により走査させて所定の面状パターンを有する樹
脂硬化層を形成する工程を繰り返して、該樹脂硬化層を
積層していくことにより、所望の立体形状を造形する光
造形装置において、 該光束のパワーの検出情報に基づき該パワーの変動を抑
制する光束パワー制御手段と、 該レンズで集束された該光束の焦点位置を検出する焦点
位置検出手段と、 該焦点位置検出手段によって検出された該焦点位置の情
報に基づき、該光束の焦点を所定の位置に移動させる焦
点位置制御手段と、 該光束の走査速度の検出情報に基づき該走査速度の変動
を抑制するための光束走査速度制御手段とをそなえ、 該光束パワー制御手段と該焦点位置制御手段と該光束走
査速度制御手段とがそれぞれ個別に制御を行なうように
構成されていることを特徴とする、光造形装置。
1. A resin storage tank for storing a liquid photocurable resin, a light source for emitting a light beam, a light beam scanning means for scanning the light beam, and the liquid light curable resin in the resin storage tank for transmitting the light beam. A step of forming a resin cured layer having a predetermined planar pattern by scanning the light beam focused by the lens and irradiated to the liquid photocurable resin by the light beam scanning means. By repeatedly stacking the resin cured layer, in an optical shaping apparatus for shaping a desired three-dimensional shape, a light beam power control means for suppressing fluctuation of the power based on detection information of the power of the light beam; A focus position detecting means for detecting a focal position of the light beam focused by the lens; and a focal position for moving the focal point of the light beam to a predetermined position based on information on the focal position detected by the focus position detecting means. Position control means, and light beam scanning speed control means for suppressing fluctuations in the scanning speed based on detection information of the light beam scanning speed, the light beam power control means, the focal position control means, and the light beam scanning speed An optical shaping apparatus, wherein the control means and the control means are configured to perform control individually.
【請求項2】 該光束パワー制御手段が音響光学素子に
より構成されていることを特徴とする、請求項1記載の
光造形装置。
2. An optical shaping apparatus according to claim 1, wherein said light beam power control means comprises an acousto-optic element.
【請求項3】 該焦点位置検出手段が、該液状光硬化性
樹脂の液面から反射する該光束の反射光の形状を検出す
る反射光形状検出手段をそなえて、該反射光形状検出手
段からの検出結果に基づき非点収差法により該焦点位置
を検出することを特徴とする、請求項1又は2記載の光
造形装置。
3. The apparatus according to claim 2, wherein said focus position detecting means includes reflected light shape detecting means for detecting a shape of reflected light of said light beam reflected from a liquid surface of said liquid photocurable resin. The stereolithography apparatus according to claim 1, wherein the focal position is detected by an astigmatism method based on the detection result.
【請求項4】 樹脂貯溜槽内の液状光硬化性樹脂に、レ
ンズにより光束を集束させて照射し、該光束を走査して
所定の面状パターンを有する樹脂硬化層を形成する工程
を繰り返して、該樹脂硬化層を積層することにより、所
望の立体形状を造形する光造形方法において、 該光束の照射時に、 該光束のパワーの検出情報に基づき該光束のパワーの変
動を抑制する光束パワー制御と、 該光束の焦点位置の検出情報に基づき該レンズで集束さ
れた該光束の焦点を所定の位置に移動させる焦点位置制
御と、 該光束の走査速度の検出情報に基づき該光束の走査速度
の変動を抑制する光束走査速度制御とをそれぞれ個別に
行なうことを特徴とする、光造形方法。
4. A process of forming a resin cured layer having a predetermined planar pattern by irradiating a liquid light curable resin in a resin storage tank with a light beam focused and irradiated by a lens and scanning the light beam. In the optical shaping method for forming a desired three-dimensional shape by laminating the resin cured layer, a light beam power control for suppressing a fluctuation of the power of the light beam based on detection information of the power of the light beam when the light beam is irradiated. A focus position control for moving the focal point of the light beam focused by the lens to a predetermined position based on the detection information of the focus position of the light beam; and a scanning speed of the light beam based on the detection information of the scanning speed of the light beam. An optical shaping method, wherein light flux scanning speed control for suppressing fluctuation is individually performed.
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