JP2008162188A - 光造形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 高精度な光造形を高速に行うことができる光造形装置を提供する。
【解決手段】 光硬化性樹脂上に光を照射して硬化層を順次形成することにより所望の形状の造形物を形成する光造形装置１において、光硬化性樹脂２上を描画するための光ビームを放射する第１の光源１１と、第１の光源１１から放射された光ビームを光硬化性樹脂２上に走査させる走査手段１２と、光硬化性樹脂２上の一定領域毎に照射される光を放射する第２の光源３１と、第２の光源３１から放射された光を空間変調して光硬化性樹脂２上の所定領域を一括露光させる空間光変調手段３２と、空間光変調手段３２により露光される光を少なくとも一方向に移動させる露光位置調整手段３９とを備え、走査手段１２により走査される光ビームと、空間光変調手段３２により空間変調され露光位置調整手段３９により一定領域分以下の所定の距離だけ移動される光とにより、造形物の各硬化層を形成する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、紫外線硬化樹脂等の光硬化性樹脂に光を照射することにより硬化層を形成し、これを積層して所望の形状の樹脂造形物を形成する光造形装置に関する。

近年、ＣＡＤ装置により入力された３次元形状データを用いて、機械加工等をすることなく目標造形物である立体モデルを生成する、所謂ラピッドプロトタイピング（ＲＰ）と呼ばれる手法が多くの製造現場で注目を集めている。

従来より、このラピッドプロトタイピングの手法として、紫外線硬化樹脂を用いた光造形、熱可塑性樹脂を押し出しこれを積層する方法（ＦＤＭ）、粉末の溶融接着積層方式（ＳＬＳ）、紙を薄膜積層する方式（ＬＯＭ）、粉末や効果触媒を吐出させ積層する方式（Ｉｎｋ−Ｊｅｔ方式）等が知られている。

従来の３次元造形では、以下のような流れにより、所望の立体形状の造形物を形成する。具体的には、まず、コンピュータ等により、立体デザインシステムであるＣＡＤ装置によって、目標とする立体形状（３次元形状データ）を入力及び設計する。

次に、入力されたＣＡＤデータをＳＴＬフォーマット等の所定の３次元形状データに変換し、造形物の配置する向き及び積層方向（正立、倒立、横転等）を決定し、積層方向に厚さを０．１〜０．２ｍｍ程度とした輪切り状にスライスして、各層毎の断面データを生成する。

そして、その各層毎の断面データに基づいて、最下層から一層毎に液状光硬化性樹脂、粉末樹脂、金属粉やワックス等の材料の性状を変化させて積み上げていくことで３次元立体モデルを得ることができる。

具体的に、例えば、液状光硬化性樹脂の場合について説明すると、まず、液面に対して垂直方向に移動される移動架台上に一層目となる所定の厚みの硬化層を形成し、次に、移動架台を下方に移動させた後にこの一層目の硬化層上に、所定の厚みの硬化層を形成し、さらに、積層を進めてｎ−１層目の硬化層の上に、ｎ層目の硬化層を形成することで、３次元形状モデルを得ることができる。

以上のような３次元造形方法及びこの３次元造形を実現する造形装置は、機械加工による立体物製作法では切削加工が困難であった自由曲面や複雑な構造を有する立体形状を簡単に製作することが可能であり、機械加工に要する工具の摩耗、騒音、振動、切削屑等の発生することなく、完全自動化されたプロセスにより所望の立体形状（モデル）を得ることができる。

このような有用な３次元造形技術を、例えば、外形が数ｍｍ〜数ｃｍ程度で且つ精度が数μｍ程度の高精細な樹脂成型物の製造等といった多種多様な分野に適用するためには、さらに高精細及び高速な造形が望まれる。

しかしながら、従来の立体造形方法及び立体造形装置では、当初の使用目的から５０μｍ程度の精度が一般的に限界であり、これを例えば数μｍ程度の精度まで高めようとしたときには、多大な造形時間を必要とするとともに、大きな領域の造形が困難となり、すなわち、比較的大きな造形物を高精細に造形することが非常に困難であった。

例えば、従来の紫外線硬化樹脂等の光硬化性樹脂を用いた光造形装置には、所謂ビームスキャン方式のものと、一括露光方式のものとがあった。

ビームスキャン方式の光造形装置は、光源から放射されたレーザービーム等の光ビームを走査するビームスキャン光学系を有し、上述のスライスされた断面形状データに基づいて、紫外線硬化樹脂を一層ずつスキャンしながら描画することにより各硬化層を形成し、それを積層することにより立体造形を行う。尚、ビームスキャン方式としては、図６（ａ）に示すように、断面形状を一方向に往復して直線状にスキャンするラスタースキャンを行うものと、ラスタースキャンの短所であるエッジ部（境界部）のスムーズさが困難であることを解消するための図６（ｂ）に示すような曲線状にスキャンするベクタースキャンを行うものと、両者の長所を活かして図６（ｃ）に示すようにエッジ部のみをベクタースキャンで描画するラスター・ベクター併用スキャンを行うものとがある。

以上のようなビームスキャン方式の光造形装置は、使用波長やレンズ系の構成を変更しスポット径を小さくすることにより高精細の造形を可能とする一方で、光源の強度に限界があり且つ基本的には１本の光ビームを走査して描画を行うので、比較的大きな領域に光ビームを照射し面積の広い硬化層を形成するには非常に多大な時間を必要とするのみならず、従来の形式では、光学系の構成から光ビームの走査範囲に限界があり大きな領域の硬化層を形成することには限界があった。

また、一括露光方式の光造形装置は、液晶パネルやＤＭＤ等の空間光変調器（ＳＬＭ（Spatial Light Modulator））を有したＳＬＭ投影光学系を有し、上述のスライスされた断面形状データにしたがって、空間光変調器に表示された各層のパターンを紫外線硬化樹脂に投影して各硬化層を形成し、それを積層することにより立体造形を行う。

以上のような一括露光方式の光造形装置は、１本の光ビームをビームスキャンで描画するのではないので、光源として例えばアレイ状のものを使用することが可能となり、光源を強くすることができるので露光時間を短くするを可能とする一方で、空間光変調器の画素数等により精度が決定されるため精度に限界があり、各硬化層のエッジ部をきれいに形成することができず、すなわち、高精細の造形が困難であった。

特開平５−７７３２３号公報

本発明の目的は、高精度な光造形を高速に行うことができるとともに強度の高い立体造形物を得ることができる光造形装置を提供することにある。

この目的を達成するため、本発明に係る光造形装置は、光硬化性樹脂上に光を照射して硬化層を順次形成することにより所望の形状の造形物を形成する光造形装置において、上記光硬化性樹脂上を描画するための光ビームを放射する第１の光源と、上記第１の光源から放射された光ビームを上記光硬化性樹脂上に走査させる走査手段と、上記光硬化性樹脂上の一定領域毎に照射される光を放射する第２の光源と、上記第２の光源から放射された光を空間変調して上記光硬化性樹脂上の所定領域を一括露光させる空間光変調手段と、上記空間光変調手段により露光される光を少なくとも一方向に移動させる露光位置調整手段とを備え、上記走査手段により走査される光ビームと、上記空間光変調手段により空間変調され上記露光位置調整手段により上記一定領域分以下の所定の距離だけ移動される光とにより、上記造形物の各硬化層を形成する。

本発明は、走査手段により走査される光ビームと、空間光変調手段により空間変調される光とにより、光硬化性樹脂を硬化して各硬化層を形成することにより、高精細な立体造形物を短時間で形成するとともに、空間光変調手段により露光される光を露光位置調整手段により移動させることにより未露光部分の影響による強度低下を防止して強度の高い立体造形物を形成することを実現する。

以下、本発明を適用した光造形装置について、図面を参照して説明する。

本発明を適用した光造形装置１は、図１に示すように、光硬化性樹脂上に光を照射して硬化層を順次形成して積層することにより所望の形状の造形物を形成する光造形装置である。尚、以下では、光硬化性樹脂として液状の紫外線硬化樹脂を用いるものとして説明するが、液状のものに限られるものではなく、例えば、フィルム状のものを用いてもよく、さらに、紫外線硬化樹脂に限られるものでもなく、すなわち、光が照射されることにより硬化層が形成されるものであればよい。

光造形装置１は、具体的に、光硬化性樹脂として液状の紫外線硬化樹脂２を収容する収容容器３と、この収容容器３内に浸漬され少なくともこの紫外線硬化樹脂２の表面である液面に対して直交する垂直方向Ｚに移動可能とされる移動架台４と、この紫外線硬化樹脂２上に光を照射するための後述するビームスキャン光学系及び一括露光光学系を有する光学系５とを有する。光造形装置１は、光学系５により光を照射し移動架台４上に硬化層を形成する動作と、この移動架台４を垂直方向Ｚに下方に移動する動作とを順次繰り返すことにより立体造形を行う。また、光造形装置１は、後述の移動手段６により移動架台４と光学系５との水平面内における相対的な位置を変化させることにより、移動架台４及び光学系５を固定した状態で硬化層を形成可能な領域より大面積の硬化層を形成することが可能であり、すなわち、大きな造形物を形成することが可能である。

この光造形装置１は、図２に示すように、ビームスキャン光学系１０用として、紫外線硬化樹脂２上に光を描画するための光ビームを放射するビームスキャン用光源として第１の光源１１と、第１の光源１１から放射された光ビームを紫外線硬化樹脂２上に走査させる走査手段１２とを備え、また、一括露光光学系３０用として、紫外線硬化樹脂２上の一定領域毎に照射される光を放射する一括露光用光源として第２の光源３１と、第２の光源から放射された光ビームを紫外線硬化樹脂２上の所定領域を一括露光させる空間光変調手段（ＳＬＭ（Spatial Light Modulator））３２とを備え、さらに、走査手段１２により走査される光ビームと、空間光変調手段３２により空間変調される光とを合成して紫外線硬化樹脂２上に導く光路合成手段としてビームスプリッタ４１を備える。

また、光造形装置１は、上述した第１の光源１１と走査手段１２とともに、ビームスキャン光学系１０を構成するために、第１の光源１１から放射された光ビームの発散角を変換して略平行光とするコリメータレンズ１３と、コリメータレンズ１３から出射された略楕円形状の光ビームを整形して略円形状にするアナモルフィックレンズ１４と、アナモルフィックレンズ１４から出射された光ビームのビーム径を後述する対物レンズ４２の開口、ＮＡ（開口数）等に適した所望のビーム径に変換してビーム径のサイズ調整を行うビームエキスパンダ１５とを備える。

ここで、ビームエキスパンダ１５と、後述する第１のガルバノミラー２１との間には、第１の光源１１から放射された光ビームを透過させるとともに、紫外線硬化樹脂２で反射された戻り光を検出するために後述する反射光検出手段１８に導くためのビームスプリッタ１６と、紫外線硬化樹脂２に照射する光ビームの通過・遮蔽を制御し、すなわちビームスキャン光学系１０による描画のオン・オフ制御をするためのシャッタ１７とが設けられている。

ビームスキャン用光学系に用いられるビームスキャン用光源としての第１の光源１１は、例えば、青〜紫外域程度の比較的波長の短いレーザ光を放射する半導体レーザである。尚、ここでは、半導体レーザを用いるものとしたが、これに限られるものではなく、ガスレーザー等を用いてもよい。ここでは、第１の光源１１として半導体レーザーを用いたので、レーザー出射後に略平行な光ビームにするためのコリメータレンズ１３と、楕円形とされた光ビームを円形の光ビームにするためのアナモルフィックレンズ１４が設けられている。また、ここでは、シャッタ１７を設けるように構成したが、第１の光源１１として半導体レーザを用いていることから、これを直接変調することにより光ビームのオン・オフ制御をするように構成してもよい。

光造形装置１の走査手段１２は、例えば、ビームエキスパンダ１５からの入射した光ビームを偏向して紫外線硬化樹脂２の表面である液面に平行な面内の第１の方向としてＸ方向に走査させる第１のガルバノミラー２１と、第１のガルバノミラー２１からの光ビームを偏向してＸ方向に略直交し紫外線硬化樹脂２の液面に平行な面内の第２の方向としてＹ方向に走査させる第２のガルバノミラー２２と、ビームスプリッタ４１と紫外線硬化樹脂２との間に設けられ、第２のガルバノミラー２２からの光ビームを集光するとともに、第１及び第２のガルバノミラー２１，２２で偏向された光ビームを紫外線硬化樹脂２上に等速度で走査させる対物レンズ４２とからなる。

また、走査手段１２は、第１のガルバノミラー２１と第２のガルバノミラー２２との間に設けられる第１のリレーレンズ２３と、第２のガルバノミラー２２とビームスプリッタ４１との間に設けられる第２のリレーレンズ２４とを有する。

第１及び第２のガルバノミラー２１，２２は、所定の方向に回転可能とされたミラー等の反射手段と、電気信号に応じて反射手段の回転方向の角度を調整する調整手段とを有し、光ビームを所定の方向に走査させるため、入射した光ビームを所定の角度で反射して、すなわち所望の方向に偏向することにより、移動架台４上の走査すべき面内（以下、「ワーク領域」ともいう。）に光ビームを走査させる。このように、第１及び第２のガルバノミラー２１，２２は、光ビームを偏向するビーム偏向手段として機能する。尚、ここでは、第１のガルバノミラー２１により光ビームをＸ方向に走査させ、第２のガルバノミラー２２により光ビームをＹ方向に走査させるように構成したが、これに限られるものではなく、紫外線硬化樹脂２の液面に平行な面内、すなわち、移動架台４上の走査すべき面内において、略直交する任意の二軸の一方及び他方を走査できるように構成すればよい。また、走査手段１２に設けられ光ビームを所定の二軸方向にそれぞれ偏向させるビーム偏向手段としては、上述のガルバノミラーに限られるものではなく、ポリゴンミラー等を用いるように構成してもよい。

第１及び第２のガルバノミラー２１，２２で偏向された光ビームを紫外線硬化樹脂２上に等速度で走査させる対物レンズ４２は、一又は複数のレンズを有するレンズ群からなり、第１及び第２のガルバノミラー２１，２２によりＸ方向及びＹ方向に走査され、ビームスプリッタ４１で反射されて入射された光ビームを紫外線硬化樹脂２上に集光して結像させることで、第１及び第２のガルバノミラー２１，２２で偏向された光ビームを紫外線硬化樹脂２上に均一な走査線速度で走査させる。また、この対物レンズ４２は、後述の一括露光光学系３０からの空間変調された光を紫外線硬化樹脂２上に結像させる。

ここでは、この対物レンズ４２として、図３に示すように、入射角θに比例した像高Ｙをもち、焦点距離ｆと入射角θとの積が像高Ｙとなるような関係（Ｙ＝ｆ×θ）を有する所謂ｆθレンズが用いられる。換言すると、ｆθレンズは、走査される光ビームの走査速度が、レンズへの入射位置によらず、常に一定となるように設計されたレンズである。

すなわち、対物レンズ４２としてのｆθレンズは、例えば、第１及び第２のガルバノミラー２１，２２の回転速度を等速度とした状態で、この第１及び第２のガルバノミラー２１，２２で走査され対物レンズ４２により結像されるワーク領域内における走査線速度を等速度とすることを可能とし、走査線速度がばらつくことによる設計形状と実際の硬化層の形状とに違いが発生することを防止する。すなわち、例えば、ＸＹ方向に対して傾斜した所望の直線上を結像される光ビームを走査しようとした場合に、Ｘ方向の走査線速度成分と、Ｙ方向の走査線速度成分との何れか一方又は両方がばらついたときには、走査される光ビームが所望の直線を描くことができなくなることを、上述の対物レンズ４２及び第１及び第２のガルバノミラー２１，２２は、解消することができる。このように、対物レンズ４２は、第１及び第２のガルバノミラー２１，２２とともに、ワーク領域上の走査線速度を等速度に走査させることを可能とし、微細描画による高精細な造形を実現する。

尚、ここで用いられる対物レンズ４２は、ｆθレンズに限られるものではなく、通常の集光機能を有するレンズを用いるとともに第１及び第２のガルバノミラー２１，２２を制御する駆動制御部側でその回転速度を電気的に調整制御し、第１及び第２のガルバノミラー２１，２２で偏向された光ビームを対物レンズで集光して均一な走査線速度で走査させるように構成してもよい。

ここで、第１及び第２のガルバノミラー２１，２２と対物レンズ４２とにより、第１の光源１１から放射された光ビームを走査する動作について図４を用いて説明する。尚、図４中においては、第１のガルバノミラー２１と対物レンズ４２との動作を示すために第２のガルバノミラー２２、第１及び第２のリレーレンズ２３，２４並びにビームスプリッタ４１を省略して示す。また、第２のガルバノミラー２２と対物レンズ４２との動作についても同様であるので詳細は省略する。

第１のガルバノミラー２１には、コリメータレンズ１３で平行光とされ、ビームエキスパンダ１５で均一化された光ビームが入射され、その角度に応じてＸ方向に走査されて、対物レンズ４２によりワーク領域上に集光される。

このように、対物レンズ４２は、第１のガルバノミラー２１によりＸ方向に走査された光ビームが所定の状態で入射させることで、ワーク領域上をＸ方向に走査させるとともにワーク領域の紫外線硬化樹脂２上に垂直方向に入射させテレセントリックに結像させる。また、対物レンズ４２は、同様に、第２のガルバノミラー２２によりＹ方向に走査された光ビームが所定の状態で入射させることで、ワーク領域上をＹ方向に走査させるとともにワーク領域の紫外線硬化樹脂２上に垂直方向に入射させテレセントリックに結像させる。

ところで、第１及び第２のガルバノミラー２１，２２による走査方向のスキャン角度と、対物レンズ４２の焦点距離には、一定の関係がある。上述のように、対物レンズ４２をｆθレンズとした場合には、ワーク領域のＸ方向及びＹ方向の寸法がそれぞれ１ｃｍ、すなわちワーク領域を１ｃｍ×１ｃｍ程度とし、第１及び第２のガルバノミラー２１，２２のスキャン角度を±１０度程度とすると、焦点距離は約２８．６５ｍｍ程度となる。尚、第１及び第２のガルバノミラー２１，２２のスキャン角度及び対物レンズ４２の構成を変えることによりワーク領域の大きさを変更することも可能である。

このように、ワーク領域の大きさは、第１及び第２のガルバノミラー２１，２２の回転角度、対物レンズ４２の径及び構成、その他の光学部品の構成及び配置等により決定される。また、ワーク領域の大きさは、後述の一括露光光学系３０の空間光変調手段３２等によっても決定される。また、ワーク領域とは、光学系５と移動架台４との液面と平行な平面内、すなわち水平な平面内での位置関係が変化しない状態における硬化層を形成可能な領域であって、且つ、垂直方向Ｚにおいては移動架台４又は移動架台４上に既に形成された硬化層上の領域である。換言すると、ワーク領域は、これから硬化層を形成しようとする領域を意味するものである。

また、対物レンズ４２は、前側焦点位置である物側焦点位置がビームスプリッタ４１の反射透過面４１ａに一致され、後側焦点位置である像側焦点位置が移動架台４上のワーク領域の紫外線硬化樹脂２に一致されて配置されている。ここで、ワーク領域の紫外線硬化樹脂２とは、移動架台４上の光ビームを走査可能な面内で且つ紫外線硬化樹脂２の硬化層を形成すべき高さの位置の紫外線硬化樹脂２をいい、多くの場合は表面、すなわち液面付近の位置を意味するものである。尚、ここでは、対物レンズの物側焦点位置を反射透過面４１ａに一致して配置されるように構成したが、厳密に一致させる必要はなく、ビームスプリッタ４１自体が大きくなりすぎない程度に、反射透過面４１ａの近傍に物側焦点位置が位置するように配置されていればよい。すなわち、ビームスキャン光学系１０及び一括露光光学系３０からの光ビーム及び光が全て反射透過面４１ａを通過させる必要性があることからビームスプリッタ４１が大きくなりすぎない程度に、反射透過面４１ａの近傍に対物レンズ４２の物側焦点位置が位置するようにすればよい。

第１及び第２のリレーレンズ２３，２４は、第１及び第２のガルバノミラー２１，２２による必要なスキャン角度にわたり、平行入射光ビームを平行に出射することができるとともに、物体面としての第１又は第２のガルバノミラー２１，２２上で反射させる光ビームを、次のガルバノミラー２２又は、ビームスプリッタ４１の反射透過面４１ａ上に結像することができる。

すなわち、第１のリレーレンズ２３は、一又は複数のレンズを有するレンズ群からなり、第１のガルバノミラー２１で反射された光ビームを第２のガルバノミラー２２上の反射面に結像し、第２のリレーレンズ２４は、一又は複数のレンズを有するレンズ群からなり、第２のガルバノミラー２２で反射された光ビームをビームスプリッタ４１の反射透過面４１ａ上に結像する。

このような機能を有する第１及び第２のリレーレンズ２３，２４は、両側テレセントリック結像光学系となるように構成されている。尚、図５に両側テレセントリック結像光学系となるような光学系の代表例であって所謂「４ｆ光学系」とも呼ばれる光学系について示す。図５に示すようなテレセントリック結像光学系は、例えば、最も前方側の位置に配置されたレンズの前焦点位置に第１及び第２のガルバノミラー２１，２２に相当する物体面Ｐｏが配置され、最も後方側の位置に配置されたレンズの後焦点位置に第２のガルバノミラー２２又はビームスプリッタ４１に相当する像面Ｐｉが配置されることで、物体面Ｐｏ上の任意の位置で集光された光ビームが発散して入射されたとき、像面Ｐｉ側の対応する位置に収束されることとなる。そして、物体面Ｐｏ上の任意の位置から平行光として入射した光ビームは、像面Ｐｉ側の対応する位置に平行光として入射することとなる。このように、両側テレセントリック結像光学系は、像面側から所定の位置、所定の方向で入射した平行光を、像面側の対応する位置に、対応する方向で平行光を出射させることとなる。

そして、第２のリレーレンズ２４は、第２のガルバノミラー２２で偏向された光ビームが、対物レンズ４２の物側焦点位置を通過、すなわち、反射透過面４１ａの中心を通過するように導くともに、対物レンズ４２の所定の位置に入射するような所定の角度でこの物側焦点位置を通過するようにできる。すなわち、第２のリレーレンズ２４は、第２のガルバノミラー２２で偏向された光ビームの光軸が対物レンズ４２の前側焦点を、ワーク領域内を走査される位置に応じた角度で通過して対物レンズ４２に入射するように導くことができる。

第１のリレーレンズ２３は、第１のガルバノミラー２１で偏向され、第２のガルバノミラー２２及び第２のリレーレンズ２４を経由した後の光ビームが、対物レンズ４２の物側焦点位置を通過、すなわち、反射透過面４１ａの中心を通過するように導くとともに、対物レンズ４２の所定の位置に入射するような所定の角度でこの物側焦点位置を通過するようにできる。すなわち、第１のリレーレンズ２３は、第１のガルバノミラー２１で偏向された光ビームの光軸が対物レンズ４２の前側焦点を、ワーク領域内を走査される位置に応じた角度で通過して対物レンズ４２に入射するように導くことができる。

すなわち、第１及び第２のリレーレンズ２３，２４は、異なる位置に配置された第１及び第２のガルバノミラー２１，２２によりＸ方向及びＹ方向に偏向され走査される光ビームを一旦対物レンズ４２の前側焦点位置を通過させることができる。

第１及び第２のリレーレンズ２３，２４は、異なる位置に配置された第１及び第２のガルバノミラー２１，２２によりＸ方向及びＹ方向に偏向され走査される光ビームの、Ｘ方向及びＹ方向の通過位置を調整して、ｆθレンズ等の対物レンズ４２の前側焦点位置を一旦通過するようにしたことから、すなわち、二次元で変調された光ビームをｆθレンズの物側焦点を走査される位置に応じた角度で通過させ、これをｆθレンズで投影するようにしたことから、走査される位置に拘わらず対物レンズ４２により集光される光ビームを紫外線硬化樹脂２の液面に対して垂直にすることができ、光ビームが斜めに集光されることにより各硬化層に傾斜面が形成されてしまうことを防止して高精細な造形を可能とする。
また、第１及び第２のリレーレンズ２３，２４は、このように、変調された光ビームを紫外線硬化樹脂２の液面に対して垂直に入射させることができるので、反射された戻りの光ビームの光路を往路の光ビームの光路と一致させて、後述する反射光検出手段１８に導くことを可能とする。

また、第１及び第２のリレーレンズ２３，２４は、後述の一括露光光学系３０との光路の合成が必要なことから、ビームスプリッタ４１を配置し、このビームスプリッタ４１より紫外線硬化樹脂２側に対物レンズ４２を配置する必要、及びこのビームスプリッタ４１より第１の光源１１側に第１及び第２のガルバノミラー２１，２２を配置する必要から、この第１及び第２のガルバノミラー２１，２２及びビームスプリッタ４１とがガルバノミラーの反射手段の回転により物理的に衝突してしまうことを防止することができる、すなわち、衝突してしまう範囲より距離を離間させることを可能とする。

尚、ここで、ビームスプリッタ４１を配置するのは、ビームスキャン光学系１０と後述の一括露光光学系３０の照射光路を一致させるためであり、このようなビームスプリッタ４１により光路合成することにより、ワーク領域に対して両光学系ともに垂直方向から光ビーム及び光を照射して、垂直方向から傾斜した斜め方向から照射されることにより各硬化層に傾斜面が形成されてしまうことを防止して、高精細な造形を実現するためである。

また、ビームスプリッタ４１より紫外線硬化樹脂２側に対物レンズ４２を配置する必要があるのは、対物レンズ４２をビームスプリッタ４１より手前に配置してしまうと、ビームスプリッタ４１が大きくなってしまうからであり、また、ビームスプリッタ４１より紫外線硬化樹脂２側に対物レンズ４２を配置することにより、対物レンズ４２から紫外線硬化樹脂２までの距離が大きくなることによる走査される光ビームの照射位置の誤差等の問題が発生するおそれを防止できるからである。

以上のような、第１の光源１１と、第１及び第２のガルバノミラー２１，２２、第１及び第２のリレーレンズ２３，２４、対物レンズ４２からなる走査手段１２と、コリメータレンズ１３と、アナモルフィックレンズ１４と、ビームエキスパンダ１５とは、ビームスキャン光学系１０を構成し、この光造形装置１のビームスキャン光学系１０は、第１の光源１１から放射された光ビームを、コリメータレンズ１３で略平行とし、アナモルフィックレンズ１４でビーム整形し、ビームエキスパンダ１５でビーム径を調整し、第１及び第２のリレーレンズ２３，２４で対物レンズ４２の前側焦点位置を通過するようにされた状態で第１及び第２のガルバノミラー２１，２２によりＸ方向及びＹ方向に走査されるように偏向して、ビームスプリッタ４１により対物レンズ４２側に導かれて、対物レンズ４２により紫外線硬化樹脂２上の所望の位置に走査されるとともに集光されて微細領域を照射するとともに描画して硬化層を形成する。

この際、従来の一般的なビームスキャン方式の光造形装置ではＸ方向のガルバノミラーとＹ方向のガルバノミラーとを互いに近接して配置し、２次元スキャンを行うものが多いが、上述の光造形装置１は、後述の一括露光光学系３０と合成する必要があるので、第１のリレーレンズ２３でＸ方向に第１のガルバノミラー２１で偏向された光ビームを第２のガルバノミラー２２上に結像し、さらにＹ方向に第２のガルバノミラー２２で偏向された光ビームを第２のリレーレンズ２４で対物レンズ４２の物側焦点上に結像する構成としている。

換言すると、対物レンズ４２は、第１及び第２のガルバノミラー２１，２２とワーク位置との間に、後述する一括露光光学系３０と合成するためのビームスプリッタ４１を設ける必要があることから、ビームスプリッタ４１とワーク位置との間に設けられており、第１及び第２のリレーレンズ２３，２４は、この第１及び第２のガルバノミラー２１，２２とワーク位置との距離が遠くなった場合にも第１及び第２のガルバノミラー２１，２２並びにワーク領域上の所定の位置に高精度に光ビームを結像させ、且つテレセントリックに結像させることができる。ここで、ワーク位置とは、ワーク領域すなわち、移動架台４上の紫外線硬化樹脂２が設けられた位置をいう。

以上のように、光造形装置１は、上述のような走査手段１２等からなるビームスキャン光学系１０により、紫外線硬化樹脂２上の所望の微細な描画を可能とし、これにより高精度に所望の形状の硬化層を得ることができ、よって、高精細な造形を実現する。

尚、このビームスキャン光学系１０は、所望の断面形状データに応じて、図６（ａ）に示すように、断面形状を所定の一方向に往復して直線状にスキャンするラスタースキャンと、図６（ｂ）に示すように、境界部（エッジ部）等をスムーズに曲線状にスキャンするベクタースキャンとを適宜切り換えて、図６（ｃ）に示すように併用してラスター・ベクター併用スキャンを行うことが可能である。

また、このビームスキャン光学系１０は、ラスタースキャンにより硬化層を形成する際に、各硬化層毎、すなわち一層毎に往復走査する方向を略９０度変えて行うことにより造形物の各硬化層を形成することで、造形物の強度を高めることができる。

すなわち、例えば図７（ａ）に示すように、ｎ層目の描画部分をＸ方向に往復走査して描画するラスタースキャンを行ったとすると、（ｎ＋１）層目の描画部分を図７（ｂ）に示すように、Ｘ方向と略直交するＹ方向に往復走査して描画するラスタースキャンを行う。そして、（ｎ＋２）層目の描画部分を図７（ａ）に示すように、Ｙ方向と略直交するＸ方向に往復走査して描画するラスタースキャンを行うというように交互にラスタースキャンの往復方向を交互に切り替えて行う。図７（ａ）及び図７（ｂ）において、部分ａ_２３は、ベクタースキャンが行われる所望の形状の境界部分を示し、部分ａ_２３は、ラスタースキャンが行われる所望の形状の隙間部分を示す。尚、このラスタースキャンの往復方向は、Ｘ方向とＹ方向とに限定されるものではなく、ワーク領域の水平面内における略直交する２方向であればよい。このように、ビームスキャン光学系１０は、一層毎に、ラスタースキャンの往復走査する方向を略９０度変えて行うように後述のデータ処理及び制御部１０１に制御されることにより、一方向にラスタースキャンを行った場合に発生する完成した造形物がひずんだり割れやすかったりする等の問題を解消し、すなわち、造形物の強度を高めることが可能となる。

また、光造形装置１のビームスキャン光学系１０は、上述のように紫外線硬化樹脂２上に走査され照射された光ビームが紫外線硬化樹脂２又は硬化層で反射された光ビーム（以下、「反射光」ともいう。）を検出するための反射光検出手段１８を有している。反射光検出手段１８は、紫外線硬化樹脂２で反射され、各光学部品を経由してビームスプリッタ１６で反射された反射光を検出する。光造形装置１は、反射光検出手段１８で検出することによりフォーカス補正を行うことができる。

反射光検出手段１８によりフォーカス補正用の信号を検出する方法には、例えば、非点収差法を用いたようなものや、三角測量法によるもの等のいずれでもよい。尚、ここで、非点収差法を用いる場合には、シリンドリカルレンズ等の非点収差を付与する素子を設け、ここで発生された非点収差を検出することにより、フォーカス補正用の信号を検出するものであり、三角測量法を用いる場合には、戻り（復路）の光ビームが、往路の光ビームに対して僅かに角度を有するように形成し、この往路の光ビームから戻りの光ビームへの距離を検出することにより、フォーカス補正用の信号を検出するものである。

尚、この反射光検出手段１８によるフォーカス検出及び補正は、常時行うように構成してもよく、また、少なくとも各硬化層を形成する毎、すなわち、移動架台４を垂直方向Ｚに移動させる毎に行うように構成してもよく、さらに、後述のステップ＆リピート動作の際の所定の分割領域毎、すなわち、移動架台４を水平方向Ｘ，Ｙ及び／又は垂直方向Ｚに移動させる毎に行うように構成してもよい。

また、光造形装置１は、上述の反射光検出手段１８により、光ビームを走査している位置の紫外線硬化樹脂２が未硬化部又は硬化部のいずれかであるかを検出することができる。すなわち、この反射光検出手段１８は、紫外線硬化樹脂２の硬化すると反射率が変化する性質を利用するものであり、反射光の強度をモニタリングする反射光モニターとして機能する。

光造形装置１は、反射光モニターとしての反射光検出手段１８に基づき、形成された硬化層の状態を把握し、より一層の高精度の硬化層の形成、及び高精細な立体造形を実現する。例えば、光造形装置１は、ビームスキャン光学系１０により描画を行う際に光学的及び／又は電気的にディストーションが発生した際にも、それを反射光検出手段１８により検出し、このディストーションの電気的な構成に利用することにより、高精度の硬化層の形成、及び高精細な立体造形を実現する。

尚、ここでは、反射光用のビームスプリッタ１６と反射光検出手段１８とにより、フォーカス検出及び反射光モニターの二つの機能を同時に有する構成としたが、ビームスプリッタと検出手段とを各々二つずつ設けるように構成してもよい。

また、光造形装置１は、上述した第２の光源３１と空間光変調手段３２とともに、一括露光光学系３０を構成するために、所定の偏光光とするための偏光板３３と、通過する光を均一化するためのビームインテグレータ３４と、ビームインテグレータ３４からの光を空間光変調手段３２に導く反射手段３５と、空間光変調手段３２で空間光変調された光を対物レンズ４２の前焦点に集光するための集光レンズ３６とを備える。

ここで、第２の光源３１と、偏光板３３との間には、紫外線硬化樹脂２に照射する光の通過・遮蔽を制御し、すなわち、一括露光光学系３０による露光のオン・オフ制御をするためのシャッタ３７が設けられている。

また、光造形装置１は、紫外線硬化樹脂２を露光する際に空間光変調手段３２により露光される光を少なくとも一方向に移動させる露光位置調整手段３９を備える。この露光位置調整手段３９は、空間光変調手段３２により空間変調された光を紫外線硬化樹脂２上に露光する際に、この光を一定領域分以下の所定の距離だけ移動させながら露光するように露光位置を調整することにより、後述のように空間光変調手段３２として用いられる液晶光学素子等の画素間が露光されないことにより完成した造形物が割れやすかったり、強度不足が発生したり、一方向だけにひずみが発生したりする等の問題を解消する。

一括露光光学系３０に用いられる一括露光用光源としての第２の光源３１は、例えば、高出力な青色ＬＥＤ（Light Emitting Diode）のアレーである。尚、一括露光用光源は、ビームスキャン用光源とは、異なりコヒーレントなレーザ光源を用いる必要はない。この第２の光源３１であるＬＥＤアレーから放射された光は、ビームインテグレータ３４で均一化される。

ビームインテグレータ３４としては、複数のレンズエレメントを配列してなるフライアイタイプや、四角柱等の柱状のロッドレンズの内部を全反射させる構成としてライトロッドタイプ等の一般的なものを用いることが可能である。このようなビームインテグレータ３４を通過した光は、後述する透過型液晶素子３８を均一に照射する。

光造形装置１の空間光変調手段３２として、例えば、重ね合わされた２枚の透明基板と、この透明基板間に封入された液晶からなる液晶層と、透明電極とを有する透過型液晶素子３８が用いられる。この透過型液晶素子３８は、各画素毎に駆動信号に基づいて投影しようとする画像に対応して液晶の分子の配列を変えて透過する偏光方向を変化させることで通過する光を空間変調し、所望の投影光を紫外線硬化樹脂２上に投影することができる。ここで、投影しようとする画像とは、一括露光をしようとする形状に対応した光となるような投影光をいう。尚、ここでは、空間光変調手段３２として、透過型液晶素子を用いるものとして説明したが、これに限られるものではなく、入力信号に応じて傾き角度が変化する微小な反射ミラーを複数配列してなるデジタルミラーマイクロデバイス（ＤＭＤ）や、反射型液晶素子（ＬＣＯＳ）等を用いて構成してもよい。デジタルミラーマイクロデバイス（ＤＭＤ）を用いる場合には、各マイクロミラーが後述する１画素に対応する。

このように、空間光変調手段３２は、複数の画素を有して各画素毎に光を変調することで、通過する光を所望の投影光となるように空間変調して、一括露光を可能とする。

ここでは、透過型液晶素子３８の画素数として、縦横１０００×１０００からなる１００万画素のものを用い、集光レンズ３６及び対物レンズ４２を通過したワーク領域上での１画素毎に対応する大きさを約１０μｍ×１０μｍ程度とするようにすることで、この透過型液晶素子３８を有する一括露光光学系３０は、１画素毎に対応した一定領域毎（１０μｍ×１０μｍ）に１ｃｍ×１ｃｍの領域内の一括して露光すべき所定領域を一括露光することが可能となる。このように、この空間光変調手段としての透過型液晶素子３８により一括して露光可能な１ｃｍ×１ｃｍの領域が上述したワーク領域となる。尚、画素数を増加させることで、上述した１画素に対応した一定領域を小さくして一括露光の精度を高めることも可能であり、また、集光レンズ３６及び対物レンズ４２の構成を変えることでワーク領域の大きさを変更することも可能である。さらに、空間光変調手段３２は、形成すべき所望の形状データに応じて各層毎又は後述の各分割領域毎に、使用画素数を変化させたり、投影サイズを変化させるように構成してもよい。

また、この光造形装置１では、空間光変調手段３２として透過型液晶素子３８を用い、この透過型液晶素子３８に所定の偏光光で入射するために上述の偏光板３３を用いるように構成したが、他の方法により所定の偏光光で入射するように構成してもよい。

ところで、上述の透過型液晶素子３８は、画素と画素との間である画素間に配線部等の非開口部が存在してしまうため、この透過型液晶素子３８等の空間光変調手段３２により一括露光された紫外線硬化樹脂２にも、図８に示すように、硬化不十分な部分が形成される可能性がある。尚、図８並びに後述の図９及び図１０において、ａ_１１は、各画素に対応して露光され紫外線硬化樹脂２の硬化が十分に行われる領域を示し、ｇ_ｘ，ｇ_ｙは、各画素間に対応して露光されず紫外線硬化樹脂２の硬化が不十分な可能性がある領域であって、それぞれＸ方向、Ｙ方向の隙間部分となる領域を示す。また、図８及び後述の図９及び図１０は、説明のため、１画素に対して画素間の寸法を大きく示した模式的な図である。尚、各画素間に対応する領域ｇ_ｘ，ｇ_ｙは、隣接する画素に対応する領域が露光されることにより硬化が必ずしも行われないわけではないが、硬化不十分になる可能性がある。

露光位置調整手段３９は、図８で説明したような未露光部分の影響により発生しうる未硬化による硬化層及び立体造形物の強度低下等の問題を解消するものであり、例えば、紫外線硬化樹脂２を露光して硬化層を形成する際に、空間光変調手段３２を所定の方向としてＸ方向又はＹ方向に紫外線硬化樹脂２の液面に対して平行な面内で移動させる。すなわち、露光位置調整手段３９は、空間光変調手段３２をＸ方向に移動させることにより、空間光変調手段３２により露光される光を所定の一方向としてＸ方向に移動させ、また、空間光変調手段３２をＹ方向に移動させることにより、空間光変調手段３２により露光される光を所定の一方向に略直交する方向としてＹ方向に移動させることができる。

ここで、露光位置調整手段３９により露光される光を移動させる方向は、Ｘ方向及びＹ方向に限られるものではなく、ワーク領域の水平面内における略直交する２方向であればよいが、空間光変調手段３２の各画素が並べられる方向であるＸ方向及びＹ方向とすることで、硬化層の形状の制御を行い易く、高精細な造形を可能とする。

具体的には、図９に示すように、露光位置調整手段３９は、空間光変調手段３２により露光される光を、空間光変調手段３２の各画素間に対応する距離以上で１画素に対応する距離以下だけ、Ｘ方向に移動させることで、図８で説明した硬化不十分になる可能性がある画素間に対応した部分のうち、横方向の隙間が埋められたこととなり、すなわち、Ｘ方向の隙間部分ｇ_ｘは、隣接する各画素に対応して露光され紫外線硬化樹脂２の硬化が十分に行われることとなる。尚、厳密には、必ずしも各画素間に対応する距離以上の移動が行わなくても上述したような隣接する画素に対応する領域が露光されることにより硬化が行われるが、各画素間に対応する距離以上移動させることで確実にこの横方向の隙間部分ｇ_ｘの画素間に対応する領域の紫外線硬化樹脂２の硬化を行うことが可能となる。また、１画素に対応する距離以下だけ移動させる構成としたのは、これ以上移動させると、目標とする一括露光する形状より大きな範囲が露光されてしまうこととなるからである。

また、図１０に示すように、露光位置調整手段３９は、空間光変調手段３２により露光される光を、空間光変調手段３２の各画素間に対応する距離以上で１画素に対応する距離以下だけ、Ｙ方向に移動させることで、図８で説明した硬化不十分になる可能性がある画素間に対応した部分のうち、縦方向の隙間が埋められたこととなり、すなわち、Ｙ方向の隙間部分ｇ_ｙは、隣接する各画素に対応して露光され紫外線硬化樹脂２の硬化が十分に行われることとなる。尚、移動させる距離については、上述のＸ方向の場合と同様であるので説明は省略する。

尚、ここでは、露光位置調整手段３９が、空間光変調手段３２を紫外線硬化樹脂２の液面に対して平行な面内で移動させる構成としたが、光造形装置１を構成する露光位置調整手段は、これに限られるものではなく、空間光変調手段３２に対して垂直方向Ｚに離間した一又は複数の支軸を設け、この支軸を中心に空間光変調手段３２を回動させることにより、例えばＸ，Ｙ方向等の液面に平行な面内における所定の方向に移動させるように構成してもよい。また、露光位置調整手段は、空間光変調手段３２自体を移動させるのではなく、空間光変調手段３２により空間変調された光のみを所定の方向に移動させる光学部品であってもよい。

また、露光位置調整手段３９は、一括露光光学系３０により硬化層を形成する際に、各層毎に、すなわち一層毎に上述の空間光変調手段３２により露光される光を移動させる方向を略９０度変えて行うことにより造形物の各硬化層を形成することで、造形物の強度を高めることができる。

すなわち、露光位置調整手段３９は、空間光変調手段３２により空間変調される光により硬化層を形成する際に、各硬化層毎に空間光変調手段３２により露光される光を移動させる方向を一方向であるＸ方向と、Ｘ方向に略直交するＹ方向とに交互に変えて行うことにより造形物の各硬化層を形成する。

例えば、図９に示すように、ｎ層目の一括描画部分を空間光変調手段３２により空間変調される光をＸ方向に移動させながら露光を行ったとすると、（ｎ＋１）層目の一括描画部分を図１０に示すように、空間光変調手段３２により空間変調される光をＹ方向に移動させながら露光を行う。そして、（ｎ＋２）層目の一括描画部分を図９に示すように、空間光変調手段３２により空間変調される光をＸ方向に移動させながら露光を行うというように露光位置調整手段３９により移動させる方向を交互に切り替えて行う。このように、一括露光光学系３０は、一層毎に、空間光変調手段３２により露光される光を移動される方向を一方向と、これに略直交する方向とを変えて行うように後述のデータ処理及び制御部１０１に制御された露光位置調整手段３９により、一層毎の移動では残ってしまう図９で示すように硬化不十分になる可能性がある画素間に対応した部分ｇ_ｙを有する硬化層と、図１０に示すように硬化不十分になる可能性がある画素間に対応した部分ｇ_ｘを有する硬化層と、を略直交した状態で積層することにより、各硬化層毎に各方向に対する強度を補完することができ、これにより、造形物が割れやすかったり、強度不足が発生したりする等の問題を解消し、すなわち、造形物の強度を高めることが可能となる。

集光レンズ３６は、空間光変調手段３２と、ビームスプリッタ４１との間に設けられ、対物レンズ４２とともに、空間光変調手段３２で変調された光を紫外線硬化樹脂２上に結像するための投影光学系として機能する。また、集光レンズ３６は、空間光変調手段３２により空間変調された光が対物レンズ４２を通過する際のディストーションを補正するレンズ群により構成され、上述の投影光学系として機能するのみならず、ディストーションを最大限低減させることができる。換言すると、集光レンズ３６は、後述のようにビームスキャン光学系１０と一括露光光学系３０とを合成する必要があることから、一括露光光学系３０による光がビームスキャン光学系１０のｆθレンズ等の対物レンズ４２を通過してしまうことにより発生してしまうディストーションを防止することができる。

以上のような、第２の光源３１と、透過型液晶素子等の空間光変調手段３２と、偏光板３３と、ビームインテグレータ３４と、反射手段３５と、集光レンズ３６と、対物レンズ４２とは、一括露光光学系３０を構成し、この光造形装置１の一括露光光学系３０は、第２の光源３１から放射された光ビームを、偏光板３３で所定の偏光光とし、ビームインテグレータ３４で均一化し、空間光変調手段３２である透過型液晶素子３８で所定の露光を行うような投影光となるように空間変調し、集光レンズ３６により対物レンズ４２の前焦点位置に集光されて、対物レンズ４２により紫外線硬化樹脂２上に所望の露光を行うように照射される。

この際、一括露光光学系３０において、空間光変調手段３２で空間変調された光は、集光レンズ３６でビームスプリッタ４１上に、すなわち、対物レンズ４２の前焦点位置で集光され、上述したビームスキャン光学系１０を経由した走査される光ビームと合成され、対物レンズ４２により紫外線硬化樹脂２上に結像されて所定領域に照射される。このとき、集光レンズ３６により、ディストーションは最大限に低減されている。

また、空間光変調手段３２は、第２の光源３１としてＬＥＤのアレーを用いることができることから放射される光の光強度を大きくすることができるので、この空間光変調手段３２で空間変調され、集光レンズ３６、対物レンズ４２により結像される範囲を、光強度に応じた所定の時間で硬化層を形成することができ、高速造形を可能とする。

さらに、一括露光光学系３０は、露光位置調整手段３９が空間光変調手段３２により空間変調される光をＸ方向又はＹ方向に各画素間に対応する距離以上で１画素に対応する距離以下だけ移動させながら、紫外線硬化樹脂２を露光するので硬化不十分になる可能性がある画素間に対応した部分のうち、移動方向であるＸ方向又はＹ方向の部分ｇ_ｘ又は部分ｇ_ｙを確実に硬化させることを可能とする。さらにまた、一括露光光学系３０は、各硬化層毎にこの移動方向をＸ方向とＹ方向とを交互に変えて各硬化層の形成を行うことにより、造形物が割れやすかったり、強度不足が発生したりする等の問題を解消し、すなわち、造形物の強度を高めることが可能とする。

以上のように、光造形装置１は、上述のような空間光変調手段３２等からなる一括露光光学系３０により、所望の造形物を得るための各層毎の所望の形状に含まれる領域の紫外線硬化樹脂２上への１画素に対応した一定領域毎からなる所定範囲への大まかな描画すなわち粗描画を行うことを可能とし、これにより一定の範囲の硬化層の形成を一括、すなわち短時間で行うことができ、よって、このような一括描画により高速度な造形を実現する。

光造形装置１は、ビームスキャン光学系１０の走査手段１２により走査される光ビームと、一括露光光学系３０の空間光変調手段３２により空間変調される光とをビームスプリッタ４１で光路合成し、対物レンズ４２を経由して移動架台４上の紫外線硬化樹脂２に照射することで、高速且つ高精細な造形を実現する。

すなわち、上述のような構成とされた光造形装置１は、走査手段１２により走査される光ビームと、空間光変調手段３２により空間変調される光とを同時に照射し、又は一方を照射することの双方を可能とし、より高速度な造形を可能とする。

この際、ビームスキャン光学系１０及び一括露光光学系３０からの光ビーム及び光をビームスプリッタ４１で合成していることから、両光学系のいずれを用いる場合にも紫外線硬化樹脂２に対して垂直方向から照射することができるので、硬化層及び造形物が水平方向に対して斜め方向に傾斜してしまうことがなく、高精細な造形を可能とする。

また、光造形装置１は、高速度を実現する一括露光光学系３０により、目標とする立体造形物の各層の形状に応じて、大部分一括して露光できる部分に関しては、空間光変調手段３２により空間変調される光を照射して高速造形を可能とするとともに、境界部等の高精細な造形を要求される部分に関しては、走査手段１２により走査される光ビームを照射して高精細な微細造形を可能とする。

例えば、図１１に示すような、目標とする立体造形物の各層の形状である目標二次元形状ｆ_１がワーク領域内にあった場合、光造形装置１は、空間光変調手段３２により空間変調された光により一括露光（一括描画）して、所望の形状の造形物を得るための各層毎の所望の形状より内側の部分であって上述の１画素に対応した各一定領域を組み合わせた部分（以下、「一括描画領域」ともいう。）の粗描画（以下、「一括描画」ともいう。）を行うことで各画素に対応して硬化された部分ａ_１１が一又は複数組み合わされてなる光硬化性樹脂の硬化層の大部分ａ_１（以下、「一括描画部分」ともいう。）を形成し、走査手段１２により走査された光ビームにより、各層毎の所望の形状の境界部分ａ_２１と、粗描画された部分と境界部との間の隙間部分ａ_２２と（以下、この境界部分と隙間部分とを合わせて「微細描画領域」ともいう。）の微細描画を行うことで光硬化性樹脂の硬化層の微細部分ａ_２（以下、「微細描画部分」ともいう。）を形成することができる。

尚、走査手段１２等からなるビームスキャン光学系１０により微細描画に際しては、図１２に示すように、境界部ａ_２１及び隙間部分ａ_２２をベクタースキャンを繰り返し行うことによって硬化層の微細部分ａ_２を形成してもよく、また、図１３に示すように、境界部ａ_２１をベクタースキャンにより行い、隙間部分ａ_２２をラスタースキャンにより行うことで硬化層の微細部分ａ_２を形成してもよい。

このように、光造形装置１は、図１１に示すような目標二次元形状をビームスキャン方式の従来の光造形装置により形成するよりも短時間で硬化層を形成することができ、一括露光方式の従来の光造形装置により形成するよりも高精度に硬化層を形成することができる。また、光造形装置１は、上述したように、移動架台４を垂直方向Ｚの下方側に移動させて次に硬化層を形成するための位置にワーク領域が位置するように移動させて、すなわち、形成層を変更する動作を繰り返すことにより立体造形物を形成でき、上述したような高精度な硬化層を短時間で形成することにより、高精度な造形物を短時間で造形することが可能となる。

また、本発明を適用した光造形装置１は、図１に示すように、移動架台４と、上述した走査手段１２、空間光変調手段３２、ビームスプリッタ４１等からなる光学系５との何れか一方を紫外線硬化樹脂２の液面に平行な平面内でＸ方向及びＹ方向に移動させる移動手段６を備えている。尚、ここでは、移動手段６は、移動架台４を紫外線硬化樹脂２の液面に平行な平面内で略直交する二軸方向Ｘ，Ｙに駆動させる移動手段とするが、これに限られるものではなく、移動架台４及び光学系５の少なくとも一方を移動させることで相対的な位置を変化させるものであればよい。また、ここでは、移動架台４を収容容器３に対しても液面に平行な平面内で移動させるように構成したが、この平面内での移動は、移動架台４と収容容器３とを同時に移動させるように構成してもよい。

移動手段６は、例えば移動架台４をＸ方向及び／又はＹ方向に移動させ、移動架台４及び光学系５の水平面内における相対的な位置を変化させることにより、光学系５により移動架台４上及びこれに積層された硬化層上に、硬化層を形成可能な領域を液面に平行な面内で変えることができ、このように、ワーク領域を変更することができる。

このように、光造形装置１は、後述のデータ処理及び制御部１０１に駆動制御されることにより、移動架台４及び移動手段６により、光学系５と移動架台４との相対的な位置関係をＸ，Ｙ，Ｚ方向に変化させることが可能である。尚、ここでは、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向への相対位置の関係の変化を可能とするように構成したが、例えば、移動架台４をＺ方向の軸回り方向にも変化させるように構成してもよく、このように構成することで、さらに、造形物を高速且つ高精細に形成することも可能である。

光造形装置１は、この移動手段６により移動架台４と光学系５との相対的な位置を変化させる動作と、光学系５の光及び光ビームにより硬化層を形成する動作とを順次繰り返す動作「以下、「ステップ＆リピート動作」ともいう。）によりさらに広範囲な造形を行うことを実現し、すなわち、より大きな造形物を高精細に造形することが可能となる。

ここで、このステップ＆リピート動作について詳細に説明する。尚、以下の説明においては、この光造形装置１により紫外線硬化樹脂２の液面に平行な平面内の大きさが例えば１０ｃｍ×１０ｃｍ以内の寸法とされる造形物を作成するものとして説明する。また、造形物の液面に直交する所謂高さ方向の寸法は、移動架台４のＺ方向の移動可能な範囲により決定される。

ステップ＆リピート動作を可能とする光造形装置１は、例えば図１４に示すように、この１０ｃｍ×１０ｃｍの領域を造形物の各層を形成することができる最大の領域を示すワーク全体領域Ｗ_ａｌｌとして、これを例えば１ｃｍ×１ｃｍの個別の分割領域からなる各ワーク領域Ｗ_ｘｙに分割し、この各ワーク領域Ｗ_ｘｙ毎に光学系５から光及び光ビームを照射して移動架台４上に硬化層を形成するとともに、順次、上述した移動手段６により移動架台４と光学系５との相対的な位置を変化することにより所望の造形物の各硬化層を形成する。

具体的に図１４中Ｆ_ａｌｌで示されるような目標二次元形状がワーク全体領域Ｗ_ａｌｌ内にあった場合に、まず、図１４及び図１５に示すように、移動架台４上の一のワーク領域Ｗ_３２に対向する位置に光学系５が位置する状態とされた場合の一のワーク領域Ｗ_３２において、一括露光光学系３０の空間光変調手段３２により空間変調された光による粗描画を行うことでこのワーク領域内の硬化層の大部分である一括描画部分ａ_３２１を形成するとともに、ビームスキャン光学系１０の走査手段１２により走査された光ビームによる微細描画を行うことでこのワーク領域内の硬化層の微細部分である微細描画部分ａ_３２２を形成する。これにより、一のワーク領域Ｗ_３２内の所定の形状ｆ_３２の硬化層を形成することができる。

そして、移動手段６により移動架台４と光学系５との相対的な位置を変化することにより、移動架台４上の他のワーク領域Ｗ_ｘｙに対向する位置に光学系５が位置する状態とする。このワーク領域Ｗ_ｘｙにおいても、上述したワーク領域Ｗ_３２と同様に硬化層を形成し、このステップ＆リピート動作を繰り返すことにより、造形物の各硬化層の一層を形成することができる。そして、上述のように、移動架台４をＺ方向に移動させた後に、上述のステップ＆リピート動作を行うことを順次繰り返して各硬化層を積層することで造形物を形成することができる。

以上のように、移動架台４と光学系５との相対位置を変化させる移動手段６を有しステップ＆リピート動作を行う光造形装置１は、比較的大きな範囲の領域を、高精細且つ短時間で硬化させることができ、これにより比較的大きな立体造形物を形成することを可能とする。

尚、上述では、１ｃｍ×１ｃｍ程度の所定の小領域において、一括露光光学系３０により１０μｍ程度のオーダで粗描画を行い、ビームスキャン光学系１０により１μｍ程度のオーダで微細描画を行うとともに、ステップ＆リピート動作を行うことにより１０ｃｍ×１０ｃｍ程度の比較的大きな造形物を実現するものとしたが、移動手段６により移動架台４等をさらに広範囲に移動させることでさらに大きな造形物の造形を実現できるとともに、一括露光光学系３０の空間光変調手段３２の画素数を変化させたり、ビームスキャン光学系１０によりさらに小さなビームスポットを形成する構成に変えることでさらに微細な描画も実現できる。

ところで、本発明を適用した光造形装置１は、データベース、プログラム等が格納されたハードディスク、データがロードされるＲＡＭ（Random Access Memory）、演算を行うＣＰＵ（Central ProcessingUnit）等を有したデータ処理及び制御装置１００を備えている。

このデータ処理及び制御装置１００は、図１６に示すように、各種データの処理や、各光学部品等を制御するデータ処理及び制御部１０１と、このデータ処理及び制御部１０１に３次元形状データ等を入力するための入力部１０２と、このデータ処理及び制御部１０１を操作するための操作部１０３とを備えている。

データ処理及び制御部１０１は、図１６に示すように、第１の光源１１に対してレーザー制御を行い、シャッタ１７に対して光ビームの透過・遮蔽の制御を行い、第１及び第２のガルバノミラー２１，２２の反射手段の回転駆動制御を行うことにより、ビームスキャン光学系１０の微細描画の制御を行う。

また、データ処理及び制御部１０１は、第２の光源３１に対して光強度等の制御を行い、シャッタ３７に対して光の透過・遮蔽の制御を行い、空間光変調手段３２の制御を行うことにより、露光位置調整手段３９の制御して空間光変調手段３２をＸ方向又はＹ方向に所定の距離だけ移動させながら露光させることにより、一括露光光学系３０の一括描画の制御を行う。

また、データ処理及び制御部１０１は、移動手段６を制御して、所定の分割領域に対応した移動架台４の所定に位置にワーク領域が位置するようにＸ，Ｙ方向に移動架台４を移動させるとともに、所定の位置での分割領域の積層が完了したら次の所定の分割領域に対応した移動架台４の所定の位置にワーク領域が位置するようにＸ，Ｙ方向に移動架台４を移動させる。また、データ処理及び制御部１０１は、所定の高さの硬化層の積層が完了したら、移動架台４を制御して、移動架台４を所定量だけ垂直方向Ｚに下降させてワーク領域のＺ方向の位置を変更して、形成層を変更する。

さらに、データ処理及び制御部１０１は、反射光検出手段１８で検出されたフォーカス信号等のフィードバックを受けることでフォーカス補正や硬化層状の状態を検出することができ、より一層の高精細な造形を実現する。

本発明を適用した光造形装置１は、紫外線硬化樹脂２等の光硬化性樹脂上を描画するための光ビームを放射する第１の光源１１と、第１の光源１１から放射された光ビームを光硬化性樹脂上に走査させる走査手段１２と、光硬化性樹脂上の一定領域毎に照射される光を放射する第２の光源３１と、第２の光源３１から放射された光を空間変調して光硬化性樹脂上の所定領域を一括露光させる空間光変調手段３２と、空間光変調手段３２により露光される光を少なくとも一方向に移動させる露光位置調整手段３９とを備え、走査手段１２により走査される光ビームと、空間光変調手段３２により空間変調され露光位置調整手段３９により一定領域である１画素分以下の所定の距離だけ移動される光とにより、光硬化性樹脂を硬化して各硬化層を形成することにより、すなわち、所望の各硬化層を形成する際に大部分一括して露光できる部分については、空間光変調手段３２により空間変調される光を用いて短時間に硬化層を形成し、境界部及び境界部付近の微細な精度を要求される部分については、走査手段１２により走査される光ビームにより高精度に硬化層を形成することにより、造形物の各硬化層を高速且つ高精度に形成することができ、さらに、空間光変調手段３２により空間変調される光により硬化層の形成層を行う際に、この空間変調される光を露光位置調整手段３９により一定領域分以下の所定の距離として例えば画素間に対応する距離以上で１画素に対応する距離以下だけ所定のＸ方向又はＹ方向に移動させるので、硬化不十分になる可能性がある画素間に対応した部分を確実に硬化させることを可能として各硬化層の強度を高めることができ、よって、この硬化層を積層することにより高精細且つ強度の高い立体造形物を短時間で形成することを実現する。

また、本発明を適用した光造形装置１は、露光位置調整手段３９が、空間光変調手段３２により空間変調される光により硬化層を形成する際に、各硬化層毎に空間光変調手段３２により露光される光を移動させる方向をＸ方向と、Ｙ方向とに交互に変えて行うことにより造形物の各硬化層を積層して形成するようにすることで、造形物が割れやすかったり、強度不足が発生したりする等の問題を解消して、より一層強度の高い立体造形物を高精細且つ短時間で形成することを実現する。

また、本発明を適用した光造形装置１は、ビームスキャン光学系１０によるラスタースキャンにより硬化層を形成する際にも、各硬化層毎にラスタースキャンの往復走査する方向を交互に略９０度変えて行うようにすることで、ビームスキャン光学系１０により形成される微細部分の強度も高めることができ、より一層強度の高い立体造形物を高精細且つ短時間で形成することを実現する。

また、本発明を適用した光造形装置１は、第１の光源１１、走査手段１２、第２の光源３１、空間光変調手段３２に加えて、これらの光学系５と移動架台４との何れか一方を液面に平行な平面内で移動させることで移動架台４と光学系５との相対的な位置を変化させる移動手段６とを備えることにより、走査手段１２により走査される光ビームと、空間光変調手段３２により空間変調される光とにより、所望の２次元形状を分割した分割形状を各ワーク領域に形成する動作と、移動手段６により移動架台４と光学系５との相対的な位置を変化する動作とを順次繰り返す所謂ステップ＆リピート動作を行うことにより、走査手段１２及び空間光変調手段３２の性能により決定されるワーク領域より大きな各硬化層を高速且つ高精度に形成することができ、これを積層することにより、比較的大きな立体造形物を高精細且つ短時間で形成することを実現する。

尚、本発明を適用した光造形装置はこれに限られるものではなく、例えば、ビームスキャン光学系に、通過する光ビームを高速偏向させる高速偏向素子を設けるように構成してもよい。

次に、図１７に示すように、ビームスキャン光学系に高速偏向素子を設けた光造形装置について説明する。尚、以下の説明において、上述した光造形装置１と共通する部分については、共通の符号を付すとともに詳細な説明は省略する。

本発明を適用した光造形装置５１は、図１７に示すように、ビームスキャン光学形用として、第１の光源１１と、第１の光源１１から放射された光ビームを紫外線硬化樹脂２上に走査させる走査手段５２とを備え、一括露光光学系用として、第２の光源３１と、空間光変調手段３２と、露光位置調整手段３９とを備え、さらに、光路合成手段としてビームスプリッタ４１を備える。

また、光造形装置５１は、第１の光源１１と走査手段５２とともに、ビームスキャン光学系５３を構成するために、コリメータレンズ１３と、アナモルフィックレンズ１４と、ビームエキスパンダ１５とを備える。また、ビームエキスパンダ１５と第１のガルバノミラー２１との間には、戻り光を反射光検出手段１８に導くためのビームスプリッタ１６と、シャッタ１７とが設けられている。さらに、ビームスプリッタ１６とシャッタ１７との間には、第１及び第２のガルバノミラー２１，２２、第１及び第２のリレーレンズ２３，２４、並びに対物レンズ４２とともに走査手段５２を構成する素子として、入射して通過する光ビームをＸ方向及び／又はＹ方向に高速偏向する高速偏向素子５４が設けられている。

この高速偏向素子５４としては、例えば、音響光学効果を利用して通過する光ビームの偏向方向を変化させる音響光学偏向素子（ＡＯＤ）や、電気光学効果を利用して通過する光ビームの偏向方向を変化させる電気光学偏向素子（ＥＯＤ）等が用いられる。このような高速偏向素子５４は、第１及び第２のガルバノミラー２１，２２に比べて、上述した図１３に示すような隙間部分ａ_２２を走査するとき等の所謂塗り潰すように走査させる動作に適しており、高速な微細描画を可能とする。

高速偏向素子５４を有する走査手段５２は、例えば、第１及び第２のガルバノミラー２１，２２により上述した図１３に示す境界部分ａ_２１をベクタースキャンするとともに、この高速偏向素子５４により図１３に示す隙間部分ａ_２２をラスタースキャンすることにより硬化層の微細部分を形成する。

このとき、高速偏向素子５４は、第１及び第２のガルバノミラー２１，２２に比べて、紫外線硬化樹脂２上を高速で走査させることができ、一括露光光学系３０に比べて時間がかかるビームスキャン光学系５３の描画速度を高めることができ、この光造形装置５１による造形の短時間化を可能とする。

尚、このビームスキャン光学系５３は、上述したビームスキャン光学系１０で説明したのと同様に、ラスタースキャンにより硬化層を形成する際に、各硬化層毎、すなわち一層毎に往復走査する方向を略９０度変えて行うことにより造形物の各硬化層を形成することで、造形物の強度を高めることができる。

すなわち、高速偏向素子５４によりラスタースキャンを行う際に、一層毎にラスタースキャンの往復走査する方向を略９０度変えて行うようにデータ処理及び制御部１０１に制御されることにより、一方向にラスタースキャンを行った場合に発生する完成した造形物がひずんだり割れやすかったりする等の問題を解消し、すなわち、造形物の強度を高めることが可能となる。

以上のような、第１の光源１１と、第１及び第２のガルバノミラー２１，２２、第１及び第２のリレーレンズ２３，２４、対物レンズ４２、並びに高速偏向素子５４からなる走査手段５２と、コリメータレンズ１３と、アナモルフィックレンズ１４と、ビームエキスパンダ１５とは、ビームスキャン光学系５３を構成する。この光造形装置５１のビームスキャン光学系５３は、上述のビームスキャン光学系１０と同様に第１及び第２のガルバノミラー２１，２２によりＸ方向及びＹ方向に走査されるように偏向するのと、高速偏向素子５４により高速にＸ方向及びＹ方向に走査されるように偏向するのとを切り換えて、紫外線硬化樹脂２上の所望の位置に走査されるとともに集光されて微細領域を照射するとともに描画して硬化層を形成する。

本発明を適用した光造形装置５１は、上述した光造形装置１と同様に、第１の光源１１と、走査手段５２と、第２の光源３１と、空間光変調手段３２と、露光位置調整手段３９とを備え、走査手段５２により走査される光ビームと、空間光変調手段３２により空間変調され露光位置調整手段３９により一定領域である１画素分以下の所定の距離だけ移動される光とにより、光硬化性樹脂を硬化して各硬化層を形成することにより、すなわち、所望の各硬化層を形成する際に大部分一括して露光できる部分については、空間光変調手段３２により空間変調される光を用いて短時間に硬化層を形成し、境界部及び境界部付近の微細な精度を要求される部分については、走査手段５２により走査される光ビームにより高精度の硬化層を形成することにより、造形物の各硬化層を高速且つ高精度に形成することができ、さらに、空間光変調手段３２により空間変調される光により硬化層の形成層を行う際に、この空間変調される光を露光位置調整手段３９により一定領域分以下の所定の距離として例えば画素間に対応する距離以上で１画素に対応する距離以下だけ所定のＸ方向又はＹ方向に移動させるので、硬化不十分になる可能性がある画素間に対応した部分を確実に硬化させることを可能として各硬化層の強度を高めることができ、よって、この硬化層を積層することにより高精細且つ強度の高い立体造形物を短時間で形成することを実現する。また、光造形装置５１は、上述の光造形装置１で説明した露光位置調整手段３９による移動方向を各硬化層毎に交互に変えた場合や、ステップ＆リピート動作等によるさらなる効果についても同様に実現することができる。

さらに、本発明を適用した光造形装置５１は、走査手段５２が第１及び第２のガルバノミラー２１，２２に加えて高速偏向素子５４を有するので、走査手段５２により微細描画を行う部分のうち、例えば、境界部等のベクタースキャンが行われる部分について、第１及び第２のガルバノミラー２１，２２により光ビームを偏向することで走査を行い、境界部付近の隙間部分等のラスタースキャンが行われる部分について、高速偏向素子５４により光ビームを高速偏向することで走査を行うことで、ビームスキャン光学系による硬化層の形成時間を短縮化することができるので、造形物の各硬化層を高精度且つより一層高速に形成することを実現する。

尚、上述の光造形装置１，５１では、例えば、移動架台４を収容容器３内の垂直方向Ｚに移動させることにより、移動架台４又はこの上に既に積層された硬化層のうち最も上方側に位置する硬化層の上面が紫外線硬化樹脂２の液面より硬化層の厚み分程度の距離だけ下方側に位置するようにすることで、ワーク領域に硬化される紫外線硬化樹脂２が存在するように構成するが、本発明の光造形装置はこれに限られるものではなく、例えば、移動架台４又は最も上方側に位置する硬化層の上面から硬化層の厚さだけ離間した位置に配置される透明板をさらに設け、この透明板により紫外線硬化樹脂の液面を抑制する液面抑制機能を発揮させるとともに、この透明板と移動架台４又は最も上方側に位置する硬化層の上面との間をワーク領域として機能させ、すなわち、この間に紫外線硬化樹脂２が存在するように構成してもよい。さらに、本発明の光造形装置は、ローラ等の複数の回転体を設け、この回転体の表面に紫外線硬化樹脂２を付着させ保持して、この回転体により、移動架台４又は最も上方側に位置する硬化層の上面に所定の厚さだけ紫外線硬化樹脂を安定して供給できる所謂リコータ等によりワーク領域に紫外線硬化樹脂２を供給するように構成してもよい。

次に、上述のような光造形装置１を用いた光造形方法について説明する。尚、図１７を用いて説明した光造形装置５１を用いた光造形方法については、以下に説明する光造形装置１と、ビームスキャン光学系による描画の際に高速偏向素子を用いることができることを除いて同様であるので、詳細な説明は省略する。

本発明を適用した光造形装置１を用いた光造形方法は、入力手段により入力された３次元形状データに基づいて、液状の光硬化性樹脂としての紫外線硬化樹脂２上に光を照射して硬化層を順次形成することにより所望の形状の造形物を形成するものである。

この光造形方法は、図１８に示すように、入力部１０２により３次元形状データを入力するステップＳ１と、入力された３次元形状データに基づいて、各層毎の２次元形状データを生成するステップＳ２と、生成された２次元形状データに基づいて、各層を液面に平行な平面内で分割した複数の分割領域毎の分割領域形状データを生成するステップＳ３と、生成された各分割領域形状データに基づいて、一括露光光学系３０により一括露光させて所定領域を形成するための第１のデータと、ビームスキャン光学系１０により微細描画させて残りの領域を形成するための第２のデータとを生成するステップＳ４と、第１のデータに基づいて、一括露光光学系３０により一括露光するとともに、第２のデータに基づいて、ビームスキャン光学系１０により微細描画して各分割領域Ｗ_ｘｙを形成することにより硬化層を順次形成するステップＳ５とを有する。

ステップＳ１では、入力部１０２により目標とする所望の形状の立体造形物のＣＡＤデータ等の３次元形状データをデータ処理・制御装置１００のデータ処理及び制御部１０１内に入力する。

ステップＳ２では、入力された３次元形状データを、例えばＳＴＬフォーマット等の３次元形状データに変換するとともに、この３次元形状データを積層方向であるＺ方向に輪切り状にスライスして、各層毎の２次元形状データを生成する。尚、この際に、操作部１０３により立体造形物の配置姿勢・向き及び積層方向を選択し、又は積層方向の厚さを選択できるように構成してもよい。

ステップＳ３では、生成された２次元形状データに基づいて、これを上述した１ｃｍ×１ｃｍの所定の各ワーク領域Ｗ_ｘｙに対応した分割領域に分割して、各ワーク領域Ｗ_ｘｙ毎の２次元形状データｆ_ｘｙである分割領域形状データを生成する。

ステップＳ４では、得られた各ワーク領域Ｗ_ｘｙ毎の分割領域形状データに基づいて、一括露光させて所定領域を形成するための、すなわち、空間光変調手段３２により紫外線硬化樹脂２上の一定領域毎に一括露光させて硬化層の所定領域である一括描画部分を形成するための第１のデータと、ビームスキャン光学系１０により微細描画させて残りの領域を形成するための、すなわち、走査手段１２により硬化性樹脂上に光ビームを走査することにより硬化層の残りの領域である微細描画部分を形成するための第２のデータとを生成する。

尚、ここで説明したステップＳ３，Ｓ４では、２次元形状データから分割領域形状データを生成した後に、この分割領域形状データに基づいて第１のデータ及び第２のデータを生成するようにしたが、これに限られるものではなく、２次元形状データに基づいて、一括露光光学系により一括露光させて所定領域である一括描画部分を形成するための第１のデータと、ビームスキャン光学系により微細描画させて残りの領域を形成するための微細描画部分を形成するための第２のデータとを生成し、その後に、それぞれ第１及び第２のデータの分割領域形状データを生成するように構成してもよい。

ステップＳ５は、図１９に示すように、各ワーク領域Ｗ_ｘｙにおいて、第１のデータに基づいて、空間光変調手段３２により光を空間変調して紫外線硬化樹脂２上の所定領域を一括露光するとともに、第２のデータに基づいて、走査手段１２により光ビームを紫外線硬化樹脂２上に走査することにより硬化層の分割部分を形成するステップＳ５−１と、移動手段６により、光学系５と移動架台４との相対的な位置を変化させてワーク領域Ｗ_ｘｙを変更するステップＳ５−２と、同一層における各分割領域の積層が完了したことを確認するステップＳ５−３と、所定の高さの同一層の硬化層が形成されたら移動架台４をＺ方向の位置を下方に移動させて形成層を変更するステップＳ５−４と、全ての硬化層の積層が完了したことを確認するステップＳ５−５とを有する。

ステップＳ５−１では、第１の光源１１から紫外線硬化樹脂２上に描画するために光ビームを放射し、第１の光源１１から放射された光ビームを走査手段１２により走査させ、第２の光源３１から紫外線硬化樹脂２上の一定領域毎に照射させる光を放射し、第２の光源３１から放射された光を露光位置調整手段３９によりＸ方向又はＹ方向に移動される空間光変調手段３２により空間変調させ、走査手段１２により走査された光ビームにより紫外線硬化樹脂２上を走査させ、空間光変調手段３２により空間変調されるとともに露光位置調整手段３９により一定領域である１画素分以下の所定の距離だけ移動された光により紫外線硬化樹脂２上の所定領域を一括露光させることにより、各分割領域の紫外線硬化樹脂２を硬化させて、造形物の各硬化層の分割領域を形成する。尚、ここでは、空間光変調手段３２により空間調整する際に、空間光変調手段３２を所定の方向に移動されるようにしたが、これに限られるものではなく、第２の光源３１から放射された光を空間光変調手段３２により空間変調させ、空間光変調手段３２により空間変調された光を光学素子等からなる露光位置調整手段によりＸ方向又はＹ方向に移動させるようにして、空間光変調手段３２により空間変調され光学素子等からなる露光位置調整手段により一定領域である１画素分以下の所定の距離だけ移動された光により紫外線硬化樹脂２上の所定領域を一括露光させるようにしてもよい。

ステップＳ５−２では、移動手段６により移動架台４をＸ方向及び／又はＹ方向に移動させてワーク領域Ｗ_ｘｙが分割領域形状データに対応した位置となるようにする。

ステップＳ５−３では、同一層において全ての分割領域の積層が完了したか否かを確認する。分割領域の積層が完了していない場合には、ステップＳ５−１に戻り、ステップＳ５−１、ステップＳ５−２を繰り返すようにする。同一層における全ての分割領域の積層が完了している場合には、ステップＳ５−４に進む。

ステップＳ５−４では、移動架台４を垂直方向Ｚの下方側に移動させて次に硬化層を形成するための位置にワーク領域Ｗ_ｘｙが位置するように移動させて、形成層を変更する。

ステップＳ５−５では、立体造形物の全ての硬化層の積層が完了したか否かを確認する。立体造形物の全ての硬化層の積層が完了していない場合には、ステップＳ５−１に戻り、ステップＳ５−１〜Ｓ５−４を繰り返すようにする。

このように、ステップＳ５では、上述のステップＳ５−１〜ステップＳ５−３で説明したように、所定の高さの同一層における各ワーク領域Ｗ_ｘｙ毎に第１のデータに基づいて一括露光光学系３０により一括露光するとともに、第２のデータに基づいてビームスキャン光学系１０により微細描画して硬化層の分割領域を形成するとともに、順次ワーク領域を変更することで２次元形状データに基づいた同一層内の分割領域が全て形成されて一層の硬化層が得られたら、垂直方向Ｚの高さを変えて順次これを繰り返すことにより立体造形物が形成される。

尚、上述の光造形方法において、光造形装置１に移動手段６を設けない場合や、造形すべき立体造形物の平面方向の大きさが所定のワーク領域内に含まれてしまう程度に小さい場合にはステップＳ３を設けなくてもよく、この場合には、ステップＳ２で生成された「２次元形状データ」がＳ４以降の「分割領域形状データ」となるとともに、ステップＳ５におけるステップＳ５−２及びＳ５−３を行わない。

以上のように、本発明を適用した光造形装置１を用いた光造形方法は、第１の光源１１から紫外線硬化樹脂２上に描画するために光ビームを放射し、第１の光源１１から放射された光ビームを走査手段１２により走査させ、第２の光源３１から紫外線硬化樹脂２上の一定領域毎に照射させる光を放射し、第２の光源３１から放射された光を露光位置調整手段３９によりＸ方向又はＹ方向に移動される空間光変調手段３２により空間変調させ、走査手段１２により走査された光ビームにより紫外線硬化樹脂２上を描画させ、空間光変調手段３２により空間変調され露光位置調整手段３９により一定領域である１画素分以下の所定の距離だけ移動された光により紫外線硬化樹脂２上の所定領域を一括露光させることにより、造形物の各硬化層を形成することにより、すなわち、所望の各硬化層を形成する際に大部分一括して露光できる部分については、空間光変調手段３２により空間変調される光を用いて短時間に硬化層を形成し、境界部及び境界部付近の微細な精度を要求される部分については、走査手段１２により走査される光ビームにより高精度に硬化層を形成することにより、造形物の各硬化層を高速且つ高精度に形成することができ、さらに、空間光変調手段３２により空間変調される光により硬化層の形成を行う際に、この空間光変調手段３２を露光位置調整手段３９により所定方向に移動させることにより、この空間変調される光を露光位置調整手段３９により一定領域分以下の所定の距離として例えば画素間に対応する距離以上で１画素に対応する距離以下だけ所定のＸ方向又はＹ方向に移動させるので、硬化不十分になる可能性がある画素間に対応した部分を確実に硬化させることを可能として各硬化層の強度を高めることができ、よって、この硬化層を積層することにより高精細且つ強度の高い立体造形物を短時間で形成することを実現する。

また、本発明を適用した光造形装置１を用いた光造形方法は、入力部１０２により入力された３次元形状データに基づいて、紫外線硬化樹脂２上に光を照射して硬化層を順次形成することにより所望の形状の造形物を形成する光造形方法であって、入力部１０２により３次元形状データを入力するステップＳ１と、入力された３次元形状データに基づいて、各層毎の２次元形状データを生成するステップＳ２と、この２次元形状データに基づいて、空間光変調手段３２により紫外線硬化樹脂２上に一定領域毎に一括露光させて硬化層の所定領域を形成するための第１のデータと、走査手段１２により紫外線硬化樹脂２上に光ビームを走査することにより硬化層の残りの領域を形成するための第２のデータとを生成するステップＳ４と、第１のデータに基づいて、露光位置調整手段３９により移動される空間光変調手段３２により光を空間変調して紫外線硬化樹脂２上の所定の領域を一括露光するとともに、第２のデータに基づいて、走査手段１２により光ビームを紫外線硬化樹脂２上に走査することにより硬化層を順次形成するステップＳ５とを有することにより、造形物の各硬化層を高速且つ高精度に形成することができ、これを順次積層することにより、高精細且つ強度の高い立体造形物を短時間で形成することを実現する。

また、本発明を適用した光造形装置１を用いた光造形方法は、入力部１０２により入力された３次元形状データに基づいて、紫外線硬化樹脂２上に光を照射して硬化層を順次形成することにより、紫外線硬化樹脂２に浸漬され少なくとも光硬化性樹脂の液面に対して直交する方向に移動される移動架台４上に所望の形状の造形物を形成する光造形方法において、入力部１０２により３次元形状データを入力するステップＳ１と、入力された３次元形状データに基づいて、各層毎の２次元形状データを生成するステップＳ２と、各層毎の２次元形状データに基づいて、各層を液面に平行な平面内で分割した複数の分割領域毎の分割領域形状データを生成するステップＳ３と、分割領域形状データに基づいて、空間光変調手段３２により紫外線硬化樹脂２上に一定領域毎に一括露光させて硬化層の分割領域の所定領域を形成するための第１のデータと、走査手段１２により紫外線硬化樹脂２上に光ビームを走査することにより硬化層の分割領域の残りの領域を形成するための第２のデータとを生成するステップＳ４と、第１のデータに基づいて、露光位置調整手段３９により移動される空間光変調手段３２により光を空間変調して紫外線硬化樹脂２上の所定の領域を一括露光し、第２のデータに基づいて、走査手段１２により光ビームを紫外線硬化樹脂２上に走査することにより各分割領域を形成するとともに、順次空間光変調手段３２及び走査手段１２と、移動架台４との液面に平行な平面内での位置関係を変化させることによりワーク領域を変更して得られる硬化層を順次形成・積層するステップＳ５とを有することにより、造形物の各硬化層の各分割領域を高速且つ高精度に形成することができ、これにより造形物を高速且つ高精度に形成することができ、これを順次積層することにより、比較的大きな且つ強度の高い立体造形物を高精細且つ短時間で形成することを実現する。

本発明を適用した光造形装置の概略を示す斜視図である。 本発明を適用した光造形装置の光学系を示す図である。 本発明を適用した光造形装置を構成する第１及び第２のガルバノミラーと対物レンズとの機能を説明するための図であり、第１のガルバノミラーと対物レンズとの模式図である。 本発明を適用した光造形装置を構成する対物レンズの機能を説明するための図であり、対物レンズとしてｆθレンズを用いた場合の模式図である。 本発明を適用した光造形装置を構成する第１及び第２のリレーレンズの機能を説明するための図であり、両側テレセントリック結像光学系の一例を示す模式図である。 本発明を適用した光造形装置のビームスキャン光学系等における、ビームスキャン方式について説明する図であり、（ａ）は、ラスタースキャンを示す平面図であり、（ｂ）は、ベクタースキャンを示す平面図であり、（ｃ）は、ラスター・ベクター併用スキャンを示す平面図である。 本発明を適用した光造形装置のビームスキャン光学系による、ラスタースキャンにより硬化層を形成する際に、各硬化層毎に往復走査する方向を交互に略９０度変えて行うことを説明する図であり、（ａ）は、Ｘ方向に往復走査するときの平面図であり、（ｂ）は、Ｙ方向に往復走査するときの平面図である。 透過型液晶素子等の空間光変調手段により紫外線硬化樹脂を一括露光して硬化層を形成した際に、硬化不十分な部分が形成される可能性があることを説明するための図であり、空間光変調手段により露光される光が照射された紫外線硬化樹脂の平面図である。 本発明を適用した光造形装置を構成する露光位置調整手段により空間光変調手段により露光される光を所定の方向に移動させることによりこの方向に形成された隙間部分が露光されることを説明するための図であり、空間光変調手段により露光される光が照射された紫外線硬化樹脂の平面図である。 露光位置調整手段により空間光変調手段により露光される光を図９で移動させた方向と略直交する方向に移動させることによりこの方向に形成された隙間部分が露光されることを説明するための図であり、空間光変調手段により露光される光が照射された紫外線硬化樹脂の平面図である。 本発明を適用した光造形装置により目標とする立体造形物の各硬化層を形成するときの一括描画と微細描画とについて説明するための図であり、各層の形状である目標二次元形状と、一括描画部分及び微細描画部分とを示す平面図である。 本発明を適用した光造形装置により目標とする立体造形物の各硬化層を形成するときの一括描画と微細描画とについて説明するための図であり、一括露光により一括描画を行うとともに、ベクタースキャン方式のビームスキャンにより微細描画を行うことを示す平面図である。 本発明を適用した光造形装置により目標とする立体造形物の各硬化層を形成するときの一括描画と微細描画とについて説明するための図であり、一括露光により一括描画を行うとともに、ベクター・ラスター併用方式のビームスキャンにより微細描画を行うことを示す平面図である。 本発明を適用した光造形装置によるステップ＆リピート動作について説明するための図であり、ワーク全体領域を所定の各ワーク領域毎に分割することを説明するための平面図である。 図１４に示すワーク全体領域を分割された各ワーク領域のうち一のワーク領域Ｗ_３２を示す平面図である。 本発明を適用した光造形装置の光学系の制御やデータ処理を行うデータ処理及び制御装置について説明するための図である。 本発明を適用した光造形装置の光学系の他の例として、高速偏向素子を有する例を示す図である。 本発明を適用した光造形装置を用いた光造形方法について説明するフローチャートである。 図１８に示す硬化層を形成するステップＳ５についてさらに詳細に説明するためのフローチャートである。

符号の説明

１ 光造形装置、 ２ 紫外線硬化樹脂、 ３ 収容容器、 ４ 移動架台、 ５ 光学系、 ６ 移動手段、 １０ ビームスキャン光学系、 １１ 第１の光源、 １２ 走査手段、 １３ コリメータレンズ、 １４ アナモルフィックレンズ、 １５ ビームエキスパンダ、 １７ シャッタ、 １８ 反射光検出手段、 ２１ 第１のガルバノミラー、 ２２ 第２のガルバノミラー、 ２３ 第１のリレーレンズ、 ２４ 第２のリレーレンズ、 ３０ 一括露光光学系、 ３１ 第２の光源、 ３２ 空間光変調手段、 ３３ 偏光板、 ３４ ビームインテグレータ、 ３５ 反射手段、 ３６ 集光レンズ、 ３７ シャッタ、 ３９ 露光位置調整手段、 ４１ ビームスプリッタ、 ４２ 対物レンズ

Claims (16)

1. 光硬化性樹脂上に光を照射して硬化層を順次形成することにより所望の形状の造形物を形成する光造形装置において、
   上記光硬化性樹脂上を描画するための光ビームを放射する第１の光源と、
   上記第１の光源から放射された光ビームを上記光硬化性樹脂上に走査させる走査手段と、
   上記光硬化性樹脂上の一定領域毎に照射される光を放射する第２の光源と、
   上記第２の光源から放射された光を空間変調して上記光硬化性樹脂上の所定領域を一括露光させる空間光変調手段と、
   上記空間光変調手段により露光される光を少なくとも一方向に移動させる露光位置調整手段とを備え、
   上記走査手段により走査される光ビームと、上記空間光変調手段により空間変調され上記露光位置調整手段により上記一定領域分以下の所定の距離だけ移動される光とにより、上記造形物の各硬化層を形成する光造形装置。
2. 上記露光位置調整手段は、さらに、上記空間光変調手段により露光される光を上記一方向に略直交する方向に移動可能とされ、
   上記露光位置調整手段は、上記空間光変調手段により空間変調される光により硬化層を形成する際に、各硬化層毎に上記空間光変調手段により露光される光を移動させる方向を上記一方向と、上記一方向に略直交する方向とに交互に変えて行うことにより上記造形物の各硬化層を形成する請求項１記載の光造形装置。
3. 上記空間光変調手段により空間変調された光により、上記所望の形状の造形物を得るための各層毎の所望の形状より内側の部分の粗描画を行うことで上記光硬化性樹脂の硬化層の一括描画部分を形成し、
   上記走査手段により走査された光ビームにより、上記各層毎の所望の形状の境界部と、上記粗描画された部分と上記境界部との間の隙間部分との微細描画を行うことで上記光硬化性樹脂の硬化層の微細部分を形成する請求項１又は請求項２記載の光造形装置。
4. 上記走査手段は、上記境界部をその形状に沿って描画するベクタースキャンを行うとともに、上記隙間部分を所定の方向に往復走査して描画するラスタースキャンを行うことにより上記硬化層の微細部分を形成し、
   上記走査手段は、上記ラスタースキャンにより硬化層を形成する際に、各硬化層毎に往復走査する方向を交互に略９０度変えて行うことにより上記造形物の各硬化層を形成する請求項３記載の光造形装置。
5. 上記空間光変調手段は、複数の画素を有して各画素毎に光を変調し、
   上記露光位置調整手段は、上記空間光変調手段により露光される光を、上記空間光変調手段の上記各画素間に対応する距離以上で１画素に対応する距離以下だけ、上記各画素が並べられる少なくとも一方向に移動させる請求項１又は請求項２記載の光造形装置。
6. 上記露光位置調整手段は、上記空間光変調手段を上記光硬化性樹脂の表面に対して平行な面内で移動させる請求項１記載の光造形装置。
7. 上記走査手段により走査される光ビームと、上記空間光変調手段により空間変調される光との両方を同時に照射し、又は少なくとも一方を照射することにより、上記造形物の各硬化層を形成する請求項１記載の光造形装置。
8. 上記走査手段により走査される光ビームと、上記空間光変調手段により空間変調される光とを合成して上記光硬化性樹脂上に導く光路合成手段とを備える請求項１記載の光造形装置。
9. 上記走査手段は、入射した光ビームを偏向して、上記第１の光源から放射された光ビームを上記光硬化性樹脂の表面に平行な面内の第１の方向に走査させる第１のガルバノミラーと、
   上記第１のガルバノミラーからの光ビームを偏向して、上記第１の方向に略直交する上記面内の第２の方向に走査させる第２のガルバノミラーと、
   上記第２のガルバノミラーからの光ビームを集光する対物レンズとを有する請求項１記載の光造形装置。
10. 上記対物レンズは、焦点距離と入射角との積が像高となるような関係を有するｆθレンズであり、
    上記対物レンズは、上記第２のガルバノミラーからの光ビームを集光するとともに、上記第１及び第２のガルバノミラーで偏向された光ビームを上記光硬化性樹脂上に等速度で走査させる請求項９記載の光造形装置。
11. 上記走査手段により走査される光ビームと、上記空間光変調手段により空間変調される光とを合成して上記光硬化性樹脂上に導く光路合成手段を備え、
    上記対物レンズは、上記光路合成手段と、上記光硬化性樹脂との間に配置され、
    上記走査手段は、上記第１のガルバノミラーと上記第２のガルバノミラーとの間に設けられる第１のリレーレンズと、
    上記第２のガルバノミラーと上記光路合成手段との間に設けられる第２のリレーレンズとを有し、
    上記第２のリレーレンズは、上記第２のガルバノミラーで偏向された光ビームが上記対物レンズの前焦点位置を通過させるように導き、
    上記第１のリレーレンズは、上記第１のガルバノミラーで偏向された光ビームが上記第２のガルバノミラー及び上記第２のリレーレンズを介して上記対物レンズの前焦点位置を通過させるように導く請求項９記載の光造形装置。
12. 上記走査手段により走査される光ビームと、上記空間光変調手段により空間変調される光とを合成して上記光硬化性樹脂上に導く光路合成手段と、
    上記空間光変調手段と上記光路合成手段との間に設けられ、上記空間光変調手段により空間変調された光を上記対物レンズとともに上記光硬化性樹脂上に結像させる集光レンズとを備える請求項９記載の光造形装置。
13. 上記集光レンズは、上記空間光変調手段からの光が上記対物レンズを通過したときのディストーションを相殺する請求項１２記載の光造形装置。
14. 上記硬化層を載置するとともに少なくとも上記光硬化性樹脂の表面に対して直交する方向に移動される移動架台と、少なくとも上記第１の光源、上記走査手段、上記第２の光源及び上記空間光変調手段からなる光学系との何れか一方を、上記表面に平行な平面内で移動させることで上記移動架台と上記光学系との相対的な位置を変化させる移動手段とを備え、
    上記光ビーム及び上記光を照射することにより所定の領域の硬化層を形成し、上記移動手段により順次上記移動架台と上記光学系との相対的な位置を変化させることにより上記所望の形状の造形物の各硬化層を形成する請求項１記載の光造形装置。
15. 入力された３次元形状データに基づいて、各層毎の２次元形状データを生成するとともに、上記各層毎の２次元形状データに基づいて、上記各層を上記表面に平行な平面内で分割した複数の分割領域毎の分割領域形状データを生成する処理部を備え、
    上記分割領域形状データに基づいて上記光ビーム及び上記光を照射することにより各分割領域の硬化層を形成し、上記移動手段により順次上記移動架台と上記光学系との相対的な位置を変化させることにより上記所望の形状の造形物の各硬化層を形成する請求項１４記載の光造形装置。
16. 上記光硬化性樹脂は、液状の紫外線硬化樹脂である請求項１記載の光造形装置。

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