JP3854320B2 - 光硬化造形装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、光線が通過する状態と光線が遮断される状態とを切り替える光シャッタリング装置を備えた光硬化造形装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光硬化造形装置では、レーザ光等の光線が通過する状態と遮断される状態とを高速で切り替える光シャッタリング装置が必要となる。従来の光シャッタリング装置の一例を、図４を参照して説明する。図４は、従来の光シャッタリング装置の構成を示す平面図である。図４に示されるように、従来の光シャッタリング装置５２では、レーザ光源５４から出射されたレーザ光ビーム５６を音響光学式光変調器（Acousto-Optic Modulator ，以下「ＡＯＭ」と略する）モジュール６０に入射させる。ＡＯＭモジュール６０では、所定の周波数の超音波が印加されることによって、レーザ光ビーム５６の偏向が行われる。すなわち、超音波が印加されていない状態では、レーザ光ビーム５６は直進する０次光５６Ｂとして出射する。また、超音波が印加された状態では、レーザ光ビーム５６は角度θだけ偏向した１次光５６Ａとなって出射する。このうち、０次光５６Ｂはスリット７２によって遮断され、偏向した１次光５６Ａのみがスリット７２の開口部７２ａを通過する。従って、ＡＯＭモジュール６０に超音波を印加した状態と印加しない状態とを高速で切り替えることによって、レーザ光５６が通過する状態と遮断される状態とを高速で切り替えることができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようなＡＯＭモジュール６０等の高速光偏向器による偏向角は極めて小さい。図４においては見易くするため偏向角θを実際よりずっと大きく描いているが、ＡＯＭモジュール６０による偏向角θは、実際には４．２４mrad（約０．２５°）程度と極めて小さいものである。従って、０次光５６Ｂと１次光５６Ａとをスリット７２で完全に分離するためには、ＡＯＭモジュール６０からスリット７２までの距離Ｌ１０は１ｍ近くもの長さをとる必要がある。このため、光シャッタリング装置５２の全長が長くなって、光シャッタリング装置を備えている光硬化造形装置の小型化を妨げる。また、このように光路が長くなることによって、光源，レンズ，ミラー等における光収差の影響も拡大され、光ビームの最小集光径が大きくなってしまう。さらに、光源の温度変化等に起因する光軸のずれも光路が長くなることによって増幅され、光硬化造形装置で造形する立体モデルの精度を劣化させるという問題点があった。
【０００４】
そこで、本発明においては、光路を短くして装置を小型化することができる光硬化造形装置を提供することを目的とする。また、本発明においては、かかる目的を容易かつ確実に達成することができ、かつ、光硬化造形装置に必要とされる最小集光点の深さを変える光学系と光シャッタリング装置が複合している光硬化造形装置を提供する。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、光線を射出する光源と、その光線が通過する状態と遮断される状態とを切り替える光シャッタリング装置と、その光線を反射して進行方向を変えるガルバノミラーと、光硬化性液状樹脂を収容しておく容器を備えている光硬化造形装置に関する。この光硬化造形装置では、ガルバノミラーによって、光線のスポットを容器内に収容されている光硬化性液状樹脂の液面内の任意の位置に向けることができるとともに、光シャッタリング装置によって、容器内に収容されている光硬化性液状樹脂の液面内の位置に応じて、光線のスポットを照射するかしないかを切り替えることができる。すなわち、液面内の任意の位置を光線のスポットで照射することができるとともに、照射しないこともできる。
その光シャッタリング装置は、光線の進行方向を変化させる光偏向器と、該光偏向器から出射した光線を集光する集光レンズと、その集光レンズの焦点面に設けられた空間フィルタを有することを特徴とする。ここで、集光レンズの焦点面とは、集光レンズの焦点を含み、集光レンズの光軸に垂直な面をいう。
【０００６】
また、本発明の光硬化造形装置は、前記集光レンズにビームエクスパンダを構成する集光レンズを用いることを特徴とする。
また、空間フィルタの後方に、第２の集光レンズが配置されていることを特徴とする。すなわち、空間フィルタの前後に一対の集光レンズが配置されていることを特徴とする。一対の集光レンズは、ビームエクスパンダを構成する。空間フィルタの前方に配置されている第１の集光レンズは、光シャッタリング装置とビームエクスパンダの構成部材を兼用している。
本発明の光硬化造形装置は、ビームエクスパンダを構成する第２の集光レンズ（空間フィルタの後方に配置されている集光レンズ）が、光線の光軸に沿って移動可能なことを特徴とする。
【０００７】
【作用】
さて、請求項１に係る光硬化造形装置は、光線が通過する状態と遮断される状態とを切り替える光シャッタリング装置を備えており、その光シャッタリング装置が、光線の進行方向を変化させる光偏向器と、光偏向器から出射した光線を集光する集光レンズと、集光レンズの焦点面に設けられた空間フィルタとを有している。光偏向器から出射した光線は集光レンズに入射し、集光レンズの焦点面上に集光される。ここで、光偏向器から出射した光線が偏向されていない場合と偏向されている（進行方向が変化させられている）場合とでは、集光レンズによって集光される位置が異なる。すなわち、集光レンズはフーリエ変換レンズとして機能し、偏向されていない光線と偏向された光線のフーリエ変換像が、互いに空間周波数の異なる点に結像されると考えることができる。従って、集光レンズの焦点面に置かれた空間フィルタによって、これらのフーリエ変換像のうちいずれかの成分のみを遮断し、他の成分を通過させることが可能となる。すなわち、偏向されていない光線と偏向された光線のうち一方を遮断して、他方を通過させることができる。この結果、光偏向器で光線が偏向されていない状態と偏向された状態とを切り替えることによって、光線が通過する状態と光線が遮断される状態とを切り替えることができる。
【０００８】
この光シャッタリング装置では、光線が偏向されているかいないかによって集光レンズによるフーリエ変換像が互いに空間周波数の異なる点に結像されることを利用している。このため、互いの光線が分離されている必要はなく、僅かな偏向角の差異があれば、空間フィルタによって一方の光線のみを遮断することができる。従って、光偏向器の直後に集光レンズ及び空間フィルタを配置しても光シャッタリングを行うことができる。この結果、従来の装置に比較して光シャッタリング装置内の光路を著しく短くすることができ、装置を小型化することが可能となる。このようにして、光硬化造形装置を小型化することができる。
【０００９】
また、本発明の光硬化造形装置では、上記の第１の集光レンズに、ビームエクスパンダを構成する集光レンズを用いている。このビームエクスパンダには、集光レンズとコリメートレンズを組み合わせて構成したものが用いられる。かかるビームエクスパンダを用いた光学機器において、ビームエクスパンダの前に光偏向器を配置し、ビームエクスパンダを構成する第１の集光レンズの焦点面に空間フィルタを配置することによって、上述の如くにして光シャッタリングを行うことができる。これによって、光学機器における光学要素の追加を極力少なくしつつ、光シャッタリング装置内の光路を著しく短くすることができ、光硬化造形装置を小型化することが可能となる。
さらに、本発明の光硬化造形装置では、空間フィルタの前方に配置されている第１の集光レンズが、光シャッタリング装置とビームエクスパンダの構成部材を兼用している。光学要素の数を少なく抑えることができる。
本発明の光硬化造形装置では、ビームエクスパンダを構成する第２の集光レンズを光軸に沿って移動させることができるために、光線の最小集光点を、液面に対して上下方向に調整することができ、液状樹脂の硬化深さを変化させることができる。
【００１０】
【実施例】
次に、本発明を具現化した一実施例について、図１乃至図３を参照して説明する。まず、本実施例の光シャッタリング装置を用いた光硬化造形装置の構成及び各部の機能について、図１及び図２を参照して説明する。光硬化造形装置とは、液状の光硬化性樹脂（以下、「液状樹脂」とも略する。）にレーザ光等の強力な光線を照射してその一部を硬化させ、任意の三次元形状を造形する装置である。この光硬化造形装置は、ＣＡＤシステムで設計した機械部品等をＣＡＤデータを用いて容易に実体化することができ、設計の確認と直接的な評価を行える。また、近年の多品種少量生産の要請にも適合した極めて有用な装置である。図１は本実施例の光シャッタリング装置を用いた光硬化造形装置の構成を示す平面図であり、図２はその正面図である。なお、図１及び図２は、光硬化造形装置の中心となる光学系の構成のみを示しており、ミラー，レンズ等の支持機構や駆動機構等は省略されている。
【００１１】
図１に示されるように、本実施例における光硬化造形装置２はレーザ光源として He-Cdレーザ４を有している。この He-Cdレーザ４から出射される紫外線レーザ光６が全反射ミラー８で反射され、ＡＯＭモジュール１０に入射される。ＡＯＭモジュール１０に入射した紫外線レーザ光６は、直進する０次光または僅かに偏向した１次光として出射して、全反射ミラー１２で真下方向（図１の紙面に垂直な方向）に反射され、さらに全反射ミラー１４で水平方向に反射される。
従って、このＡＯＭモジュール１０は、本発明における光偏向器として機能する。また、ＡＯＭモジュール１０は、後述する液状樹脂４０に照射される紫外線レーザ光６の強度を変化させる機能をも有する。
すなわち、ＡＯＭモジュール１０に印加される超音波の電力を変化させることによって、０次光と１次光との強度比率が変化する。後述するように、最終的に液状樹脂４０に照射されるのは紫外線レーザ光６の１次光のみであるため、０次光と１次光との強度比率を変えることによって、液状樹脂４０に照射される紫外線レーザ光６の強度が変わることになる。
【００１２】
続いて、紫外線レーザ光６はメカシャッター１６及び虹彩絞り１８を通過して、ビームエクスパンダを構成する凸レンズ２０に入射する。この凸レンズ２０と凸レンズ２４とによって、紫外線レーザ光６のビーム径を拡大するためのビームエクスパンダが構成されている。
凸レンズ２０と凸レンズ２４との間には、空間フィルター２２が設けられている。この空間フィルター２２は凸レンズ２０の焦点に位置しており、本実施例においては空間フィルター２２としてスリットを用いている。
前述のＡＯＭモジュール１０と、これらの凸レンズ２０及び空間フィルター２２によって、本実施例の光シャッタリング装置１が構成されている。
【００１３】
この光シャッタリング装置１による光シャッタリングの機構について、図３を参照して説明する。図３は、本実施例の光シャッタリング装置１の主要部分の構成を示す平面図である。
図１に示されるＡＯＭモジュール１０から出射した０次光レーザビーム６Ｂ及び１次光レーザビーム６Ａは、図３の右方から凸レンズ２０に入射する。ここで、凸レンズ２０は、その光軸が１次光６Ａの光路と一致するように設置されている。従って、０次光６Ｂは凸レンズ２０の光軸に対して偏向角をもって入射することになる。
凸レンズ２０の光軸に沿って入射する１次光６Ａは、凸レンズ２０の光軸上の点６Ｃに集光される。一方、凸レンズ２０の光軸に対して偏向角を有する０次光６Ｂは、点６Ｃから離れた点６Ｄに集光される。すなわち、凸レンズ２０はフーリエ変換レンズとして機能し、１次光６Ａ及び０次光６Ｂのフーリエ変換像が空間周波数の異なる点６Ｃ及び点６Ｄに結像されると考えることができる。
【００１４】
従って、空間フィルターとしてのスリット２２によって、これらのフーリエ変換像のうち空間周波数の異なる点６Ｄの成分（０次光６Ｂ）のみを遮断することができる。一方、点６Ｃに集光された１次光６Ａは、スリット２２の開口部２２ａを通過して、二つ目の凸レンズ２４に入射する。そして、ビーム径が拡大された平行光６Ｅとして出射する。
このようにして、ＡＯＭモジュール１０から出射したレーザ光のうち０次光６Ｂは空間フィルター２２によって遮られ、１次光６Ａのみが空間フィルター２２を通過する。従って、ＡＯＭモジュール１０で紫外線レーザ光６を０次光６Ｂと１次光６Ａとに高速で切り換えることによって、ガルバノミラー２８，３０の走査速度に対応した高速での紫外線レーザ光６のシャッタリングが可能になる。
これによって、紫外線レーザ光６を高速で走査しながら、液状樹脂４０のうち必要な部分にのみ照射することができる。
【００１５】
なお、本実施例においては支持機構等の関係から、図１に示されるように、ＡＯＭモジュール１０と凸レンズ２０の間に全反射ミラー１２，１４，メカシャッター１６及び虹彩絞り１８が配置されており、ＡＯＭモジュール１０と凸レンズ２０とが離れている。
しかし、空間フィルター２２を用いた光シャッタリングのためには、従来の光シャッタリング装置５２におけるように０次光の光路と１次光の光路とが分離されている必要はなく、両者の間に僅かな偏向角が存在すれば良い。従って、ＡＯＭモジュール１０と凸レンズ２０を離す必要はなく、ＡＯＭモジュール１０の直後に凸レンズ２０及び空間フィルター２２を配置しても、同様に機能する光シャッタリング装置を構成することができる。
これによって、光シャッタリング装置としては、従来の光シャッタリング装置５２に比較して、極めて光路長の短い装置とすることができる。
【００１６】
さて、図１，図２に示されるように、凸レンズ２４は、紫外線レーザ光６の光軸方向に沿って移動可能となっている。この凸レンズ２４の移動機構は、凸レンズ２４のレンズホルダーをパルスモータを用いたスライドステージ（いずれも図示省略）に取り付けることによって構成されている。
かかる移動機構で凸レンズ２４を移動させることによって、紫外線レーザ光６の最小集光点が液状樹脂４０の液面から上下にずれ、この結果液状樹脂４０の液面における紫外線レーザ光６のスポット径が変化する。これによって、紫外線レーザ光６による液状樹脂４０の硬化径を変えることなく液状樹脂４０の硬化深さを変化させることができる。
【００１７】
凸レンズ２４から出射したビーム径が拡大された紫外線レーザ光６は、二つ目の虹彩絞り２６を通過して、ガルバノミラー２８及び３０によって反射される。ガルバノミラー２８は、図１の紙面に垂直な回転軸を中心として回転し、ガルバノミラー３０は、図１の紙面内にある回転軸を中心として回転する。これによって、図２に破線で示されるように、紫外線レーザ光６は、ガルバノミラー３０の下方に設けられた樹脂容器３８の全面にわたって走査される。
また、図２に示されるように、ガルバノミラー３０と樹脂容器３８の間には、ｆθレンズ３２が設けられている。このｆθレンズ３２は、数枚のレンズが組み合わされて構成されており、紫外線レーザ光６を樹脂容器３８内の液状樹脂４０の表面において、全面にわたって均一なスポット径で集光する。
なお、二つの虹彩絞り１８，２６は、光硬化造形装置２を組み立てる際に紫外線レーザ光６の光軸合わせをするためにのみ用いられるものであり、光軸合わせが完了した後は全開とされる。また、メカシャッター１６は樹脂容器３８の周辺で作業をする場合等に作業者の安全のために閉じられるものであり、光硬化造形装置２の使用時には全開とされている。
【００１８】
さて、かかる構成を有する本実施例の光硬化造形装置２を用いた光硬化造形の手順について、図２を参照して説明する。
図２に示されるように、光硬化造形装置２においては、液状樹脂４０で満たされた容器３８の中に、図示しない昇降機構によって昇降可能な昇降テーブル４２が設けられている。図のような製品４４を造形するには、まず、昇降テーブル４２を、液状樹脂４０の液面４０ａから製品４４の最下層４４ａの厚さ分だけ下降した高さに位置させる。この状態で、ガルバノミラー２８，３０を回転させることによってレーザ光６を液状樹脂４０の全面にわたって走査しつつ、必要な範囲内のみレーザ光６を照射させる。すなわち、製品４４の範囲内ではＡＯＭモジュール１０によって紫外線レーザ光６を１次光６Ａに切り替えて、スリット２２を通過させて液状樹脂４０に照射させる。それ以外の範囲では、ＡＯＭモジュール１０で紫外線レーザ光６を０次光６Ｂに切り替えてスリット２２によって遮断し、液状樹脂４０が光硬化しないようにする。
このようにして、まず最下層４４ａを光硬化させる。次に昇降テーブル４２を最下層から二番目の層４４ｂの厚さ分だけ下降させ、同様にして二番目の層４４ｂを光硬化させる。以下、同様にして、下から順に一層ずつ光硬化させることによって、図２に示されるような製品４４が造形される。
【００１９】
本実施例においては、本発明の光シャッタリング装置を光硬化造形装置に応用した例について説明したが、本発明の光シャッタリング装置はこれ以外の種々の光学装置にも応用することができる。また、光線として He-Cdレーザ４から出射される紫外線レーザ光６に対して適用しているが、Arレーザ等の他の紫外線レーザ光や、他の波長のレーザ光、さらにはレーザ光以外の光線にも適用することが可能である。
また、本実施例においては、光偏向器としてＡＯＭモジュールを用いているが、ＥＯＭ（Electro-Optic Modulator ，電気光学式光変調器）モジュールを始めとするその他の光偏向器を用いても良い。
さらに、本実施例では、空間フィルター２２としてスリットを用いているが、ピンホールやガラス板上にマスクパターンを描いたもの等を空間フィルターとして用いても良い。
光シャッタリング装置のその他の部分の構成，機能，数，大きさ，接続関係等についても、本実施例に限定されるものではない。
【００２０】
【発明の効果】
請求項１に係る発明では、光偏向器と集光レンズと空間フィルタを組み合わせて構成した光シャッタリング装置を利用する光硬化造形装置を創出したために、従来の光硬化造形装置に比較して光シャッタリング装置内の光路を著しく短くすることができ、光硬化造形装置を小型化することが可能となる。これによって、光収差や光軸のずれの影響を最小限に抑えて光硬化造形装置で造形する立体モデルの精度を向上させることができる。
【００２１】
また、請求項２に係る発明においては、ビームエクスパンダを構成する前側の集光レンズの前後に光偏向器と空間フィルタを配置した光シャッタリング装置を創出したために、光学要素の追加を極力少なくしつつ、光シャッタリング装置内の光路を著しく短くすることができ、光硬化造形装置を小型化できる。
また、請求項３に係る光硬化造形装置では、空間フィルタの前方に配置されている集光レンズが、光シャッタリング装置とビームエクスパンダの構成部材を兼用している。光学要素の数を少なく抑えることができる。
さらに、請求項４に係る光硬化造形装置では、光線の最小集光点を、液面に対して上下方向に調整することができ、液状樹脂の硬化深さを変化させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光シャッタリング装置の一実施例を応用した光硬化造形装置の構成を示す平面図である。
【図２】光シャッタリング装置の一実施例を応用した光硬化造形装置の構成を示す正面図である。
【図３】光シャッタリング装置の一実施例の主要部分の構成を示す平面図である。
【図４】従来例の光シャッタリング装置の構成を示す平面図である。
【符号の説明】
１ 光シャッタリング装置
６ 光線
１０ 光偏向器
２０ 集光レンズ
２２ 空間フィルタ

Claims (1)

1. 光硬化造形装置であり、光線を射出する光源と、その光線が通過する状態と遮断される状態とを切り替える光シャッタリング装置と、その光線を反射して進行方向を変えるガルバノミラーと、光硬化性液状樹脂を収容しておく容器を備え、
   ガルバノミラーによって、光線のスポットを容器内に収容されている光硬化性液状樹脂の液面内の任意の位置に向けることができるとともに、
   光シャッタリング装置によって、容器内に収容されている光硬化性液状樹脂の液面内の位置に応じて、光線のスポットを照射するかしないかを切り替えることができる光硬化造形装置であり、
   その光シャッタリング装置は、前記光線の進行方向を変化させる光偏向器と、該光偏向器から出射した光線を集光する第１集光レンズと、該第１集光レンズの焦点面に設けられた空間フィルタを有し、
   前記空間フィルタの後方に第２集光レンズが配置されており、第１集光レンズと第２集光レンズが対を成してビームエクスパンダを構成しており、
   前記第２集光レンズが、光線の光軸に沿って移動可能であることを特徴とする光硬化造形装置。

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