JPS6237109A - 立体形状形成装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔概　要〕 本発明は３次元的な立体情報を表示する立体形状を、液
状光硬化型樹脂とレーザビーム光学系を用いて積層状に
形成する装置において、樹脂収容容器に対応して、該樹
脂収容容器内に順次供給形成される液状光硬化型樹脂層
表面に対して、非光硬化波長光を斜め方向より入射する
照射ビーム光源と集光レンズとからなる光学系と、該入
射光が樹脂層面で反射した反射光を受光して前記樹脂面
の位置を測定検出する受光検出部とからなる樹脂面光学
検出機構を付設することにより、供給された液状光硬化
型樹脂層表面位置を測定検出可能とし、この検出信号に
より副走査台の昇降機構や樹脂供給機構を制御して各樹
脂層の層厚及び表面位置を正確に調整し、立体形状を高
精度に形成し得るようにしたものである。

〔産業上の利用分野〕

本発明は順次供給された液状光硬化型樹脂層にレーザビ
ーム光学系を用いて選択的に露光硬化を行い、３次元立
体情報を表示する積層状の立体模型形状を形成する立体
形状形成装置に係り、順次、供給形成された液状光硬化
型樹脂層の表面位置を光学的に検出可能にし、各樹脂層
の表面位置を正確に制御するようにした装置構成に関す
るものである。

３次元的な立体情報を表示する方法として、透視図表示
、投影図表示、等高線表示、或いはホログラフィ−によ
る立体視表示等が開発され、一般に広（用いられている
。しかし、これらの方法は何れも表示した立体形状を直
感的に把握し、充分に理解するには必ずしも満足できる
ものではなく、また実在しない立体仮想物体や立体的な
鳥Ｕ敢図などを形成表示することは容易でない。

このようなことから、近来、立体情報を直感的に把握し
、理解し易く表示するために、模型的な立体形状を比較
的容易に形成する方法として、例えば光硬化型樹脂とレ
ーザビーム光学系を用い、該光硬化型樹脂を立体情報に
基づいて選択的に光硬化せしめて、複雑な立体模型形状
を積層状に形成することが提案されている。

ところでこのような積層状の立体形状を形成する際に、
樹脂収容容器内に順次供給される各層単位の液状光硬化
型樹脂層の表面位置は、その樹脂材供給量の制御と該樹
脂材供給量から予測される樹脂層厚、即ち表面位置増加
分を樹脂収容容器が載置された副走査台の昇降機構によ
り調整することで規定しているため、各樹脂層表面位置
にズレが生じ易く、またこのズレ補正に対処することが
難しい問題があり、かかる問題の解消が望まれている。

〔従来の技術〕

従来、光硬化型樹脂を用い、レーザビーム照射　　。

手段によって３次元的な立体情報を表示する模型形状を
形成するには、先ず第３図（ａｌに示すように昇降可能
な副走査台２に載置された樹脂収容容器１内に、作成す
べき立体模型形状を幾つかの輪切り状に分割した厚さに
対応する第−要分の液状光硬化型樹脂材を供給すると共
に、その供給樹脂層５表面が照射するレーザビーム４の
焦点位置となるように副走査台２を上下方向に微調整す
る。

次に第３図（ｂｌに示すように前記樹脂層５表面に対し
、作成すべき立体模型形状を幾つかの輪切り状に分割し
た立体形状パターン信号に基づいてレーザビーム光学系
から走査反射鏡３を反射したレーザビーム４、または前
記副走査台２をＸ、　Ｙ方向に移動走査してレーザビー
ム照射を行い、選択的に露光硬化させた第一硬化樹脂層
５ａを形成する。

次に第３図（Ｃ１に示すように第二層分の液状光硬化型
樹脂材を供給すると共に、その供給樹脂層６表面が照射
するレーザビーム４の焦点位置となるように再度、副走
査台２を上下方向に微調整した後、第３図ｆｄｌに示す
ように該樹脂層６表面に前記立体形状パターン信号に基
づき、同様にしてレーザビーム照射を行い、選択的に露
光硬化させた第二硬化樹脂層６ａを形成する。

以下同様の工程により第３図（ｅ）に示すように供給さ
れた第二層分の液状光硬化型樹脂層７を選択的に露光硬
化させて第三硬化樹脂層７ａを形成することにより、最
終的にこれら液状光硬化型樹脂材中に積層状の立体硬化
樹脂像が形成される。

この立体硬化樹脂像を該液状光硬化型樹脂材中より取り
出し、洗浄溶液等で液状光硬化型樹脂材を洗い流すこと
によって、第３図（ｆｌに示すように所望とする３次元
的な立体情報を表示する立体模型形状８を作成している
。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところで、上記のような従来の形成方法によって積層状
の立体形状を形成する際において、前記樹脂収容容器Ｉ
内に順次供給される層単位の液状光硬化型樹脂層５．６
．７の表面位置の制御は、層単位の樹脂材供給量の制御
及び該樹脂材供給量から予測される樹脂層厚、即ち表面
位置増加分を樹脂収容容器１が載置された副走査台２の
昇降機構による調整により規定しているため、各樹脂層
表面位置にズレが生じ易く、またその位置ズレの発生に
対する適切な補正処理が出°来ないことから精度の良い
立体形状が得られないという欠点があった。

本発明はこのような従来の欠点に鑑み、液状光硬化型樹
脂材の供給により変位する各供給樹脂層表面位置を光学
的に非接触で検出し、この検出信号により樹脂材供給量
や昇降機構を制御して、該樹脂層表面位置を正確に調整
することにより、高精度な立体形状を形成し得るように
した新規な立体形状形成装置を提供することを目的とす
るものである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は上記目的を達成するため、第１図に示すように
レーザ装置２１、光変調器２２、反射鏡２３、レンズ２
４．２５、回転多面鏡２６、ｆθレンズ２７からなるレ
ーザビーム光学系からのレーザビーム２９を走査反射鏡
２８にて反射せしめて、樹脂収容容器３０内に順次供給
された液状光硬化型樹脂層３２表面に照射して、該樹脂
層３２を選択的に硬化せしめ、積層状の立体形状を形成
する装置に対して、上記レーザビーム光学系とは別に、
前記液状光硬化型樹脂層３２表面にある傾斜角度で入射
した光が反射し、その反射光の反射方向位置が樹脂層表
面位置の変動により変化する特性を利用して、樹脂層表
面に非光硬化波長光３７を斜め方向より投射するための
半導体レーザ素子等の照射ビーム光源３３と集光レンズ
３４．３５とからなる光学系と、該樹脂層表面、で反射
した反射光３９を受光して、樹脂表面位置を検出するア
レイ状の受光素子などからなる受光検出部３６とで構成
された樹脂面光学検出機構が付設されている。

〔作　用〕

しかして、このように樹脂面光学検出機構が付設された
立体形状形成装置にあっては、立体形状を８１ｍ状に形
成するために、樹脂収容容器３０内に順次−要分の液状
光硬化型樹脂材を供給した際に、その供給樹脂層３２表
面が照射するレーザビーム２９の焦点位置となるように
、副走査台３１を該供給樹脂層３２の厚さ寸法だけ降下
させると共に、その供給樹脂層３２表面に対して樹脂面
光学検出機構における半導体レーザ素子等の照射ビーム
光源３３より集光レンズ３４．３５を介して出射された
、非光硬化波長光３７を斜め方向より入射させ、この時
、該樹脂表面で反射した反射光３９をアレイ状受光素子
などからなる受光検出部３６にて受光する。

そうして、規定の樹脂表面位置からの反射光の受光位置
と該供給樹脂表面からの反射光３９の受光位置との位置
ズレを検出することにより、規定の樹脂表面位置に対す
る供給樹脂層表面の位置ズレを非接触で高精度に測定す
ることが可能となる。

従って、この位置ズレの補正信号を副走査台３１の昇降
機構部と樹脂材供給機構にフィードバックすることによ
り、前記供給樹脂層の表面位置を規定の表面位置に正確
に制御することができ、高ｔｉ度な立体形状を形成する
ことが可能となる。

〔実施例〕

以下図面を用いて本発明の実施例について詳細に説明す
る。

第１図は本発明に係る立体形状形成装置の一実施例を示
す概略構成図である。

図において、２１はレーザ装置、２２は電気光学効果等
の機能素子を用いた光変調器、２３は反射鏡、２４、２
５はレンズ、２６は回転多面鏡、２７はｆθレンズ、２
８は走査反射鏡であり、これらによりレーザビーム光学
系が構成されている。

また３０は液状光硬化型樹脂材３２が収容された樹脂収
容容器であり、該収容容器３０は矢印Ａの方向に昇降調
整可能で、かつ矢印Ｂの方向に移動走査可能な副走査台
３１に載置されている。

更に、上記レーザビーム光学系とは別に、前記樹脂収容
容器３０内に順次、供給形成された各液状光硬化型樹脂
層３２表面に対して、該液状光硬化型樹脂層３２が光硬
化しない波長の光を斜め方向から入射するための半導体
レーザ素子等の照射ビーム光源３３及び集光レンズ３４
．３５とからなる照射ビーム光学系と、該樹脂層表面で
反射したその反射光を受光して、樹脂表面位置を検出す
る多数の受光セル３６ａをアレイ状に構成した受光素子
などからなる受光検出部３６とで構成された樹脂面光学
検出機構が付設されている。

しかして、上記樹脂面光学検出機構により樹脂収容容器
３０内に順次、供給形成された液状光硬化型樹脂層３２
の表面位置ズレを検出するには、第２図に示すように液
状光硬化型樹脂層３２の規定の表面位置４１に対する前
記照射ビーム光学系からの入射光３７の入射角をθ、該
規定の樹脂層表面位置４１に対して供給形成された液状
光硬化型樹脂層３２のずれた表面位置４２とのズレをΔ
ｌとすると、該樹脂層３２の規定の表面位置４１での反
射光３８に対する前記Δβ値ずれた供給樹脂層３２の表
面位置４２での反射光３９との反射位置ズレは、規定の
樹脂層３２の表面に平行な方向のズレΔＳａ、同じく垂
直方向のズレΔｓｂとして次式で表される。

Δ５ａ＝２・Δ（１−ｔａｎ　θ・・・（ｌ）Δ５ｂ＝
２・Δｌ　　　　　・・・（２）また、上記関係式より
入射角θとしては、４５度以下では前記規定の樹脂層３
２の表面に平行な方向の反射位置ズレΔＳａ幅が小さく
、逆に入射角θを４５度以上にするとその反射位置ズレ
ΔＳａ幅が大きく拡大される。

従って、上記供給樹脂層３２の表面に対して照射ビーム
光学系からの入射光３７を４５度以上の入射角θにより
入射せしめ、該入射光３７の規定の樹脂層３２表面位置
４１での反射位置に対して供給樹脂層３２表面位置４２
での反射位置の平行方向の位置ズレΔＳａを求めること
により、供給樹脂層表面位置４２の規定樹脂層表面位置
４工からの位置ズレΔｌを光学的に非接触で高精度に測
定することが可能となる。

尚、用いられる液状光硬化型樹脂材として、例えば波長
４００ｎｍ以下の紫外線照射により光硬化し、波長７８
０ｎｍ程度の光照射で硬化しない紫外線硬化型樹脂材を
適用するならば、照射ビーム光源３３に発光波長が７８
０ｎｍ程度の半導体レーザ素子、或いは発光ダイオード
等を用いることができる。これらの光源３３からの光に
、光硬化させる波長成分が含まれる場合には、該光源３
３と光硬化樹脂層表面との間に光硬化波長のみをカプト
する波長帯域フィルタ、またはカットフィルタ等を介在
させるようにすればよい。

また供給樹脂層３２表面での反射光３９の位置ズレΔＳ
ａを測定する受光検出部３６としては、複数の受光セル
をアレイ状に一体構成した受光素子、複数の受光素子を
直線状に列設構成したもの、或いはナイフェツジやスリ
ット等により受光出力を変化させた受光素子構成のもの
などが用いられる。

上記複数の受光セルを所定のピッチＰでアレイ状に一体
構成した受光素子を適用する場合には、照射ビーム光源
３３からの出射ビーム径ｒが次式を満足するように集光
レンズ３４．３５の設定を調節して前記受光セル３６ａ
の配設ピッチＰと等しくする。

ｒ＝Ｐ−ｃｏｓθ　　　　・・・（３）かくすれば、受
光検出部３６の出力は供給樹脂層３２表面からの反射光
３９が入射するｌ受光セル、または２受光セルの出力が
得られる。ここで出力が生じた受光セルの内、最大出力
を生じている受光セルの中心に反射光３９が入射してい
るとした場合、その受光セル上での位置ズレ測定の最大
誤差としては±Ｐ／２となる。

一方、供給樹脂層表面位置４２の規定樹脂層表面位置４
１からの位置ズレΔｌと受光検出部３６上での受光位置
の変化量との比は、（１）式で表されるため、供給樹脂
層表面位置４２の最大測定誤差Δｌｅは、前記照射ビー
ム光学系からの入射光３７の入射角θにより次式によっ
て求められる。

Δｉｅ　＝±Ｐ／４・ｔａｎ　θ・・（４１そこで各受
光セル３６ａの配設ピッチＰが６００μｍの受光検出部
３６を用い、供給樹脂層３２表面に対する照射ビーム光
学系からの入射光３７のビーム径ｒが１５５μｍ１その
入射角θを７５度とすれば、該供給樹脂層３２表面の位
置を±４０μｍの測定精度で検出することが可能となる
。

さて、このような装置構成によって３次元的な立体情報
を表示する立体模型形状を形成するには、前記第１図に
示すように副走査台３１上に載置された樹脂収容容器３
０内に、作成すべき立体模型形状を幾つかの輪切り状に
分割した厚さに対応する第−要分の液状光硬化型樹脂材
３２を供給する。

次に半導体レーザ素子等からなる照射ビーム光源３３か
らのレーザビーム３７の径ｒを集光レンズ３４゜３５に
より受光検出部３６の受光セル３６ａの配設ピッチＰと
同等に調節して該第−要分の液状光硬化型樹脂層３２表
面に所定入射角θで照射する。

該表面で反射した反射光３９は受光検出部３６にて受光
され、上記した測定方法により前記第−要分の液状光硬
化型樹脂層３２の表面位置を検出する。

この時、該樹脂層３２の表面位置が規定の表面位置より
も低位置にあれば、上記検出信号を副走査台３１の昇降
機構、或いは樹脂供給機構にフィードバックして規定の
樹脂層表面位置に制御する。

この表面位置制御により該樹脂層３２の表面に対するｆ
θレンズ２７の焦点位置、即ち露光硬化用レーザビーム
２９の集光位置も設定される。

従って、樹脂収容容器３０が載置された副走査台３１を
矢印Ａの方向に副走査させると共に、前記樹脂層３２表
面に対して、作成すべき立体模型形状を幾つかの輪切り
状に分割した第一層目の立体形状パターン信号に基づい
てレーザビーム２９照射を主走査して選択的に露光硬化
せしめて第一硬化樹脂層を形成する。

以下、同様な工程操作を繰り返して層厚が正確に制御さ
れた露光硬化樹脂層を順次積層形成し、この積層状の立
体硬化樹脂像を従来と同様に液状光硬化型樹脂材中より
取り出して該液状光硬化型樹脂材の除去処理を行うこと
によって、高精度な３次元的な立体情報を表示する３次
元的な立体情報を表示する立体模型形状を容易に得るこ
とが可能となる。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように、本発明に係る立体形状
形成装置によれば、積層状の立体形状を形成するために
、光硬化樹脂層を形成する度毎に樹脂収容容器内に順次
供給される各層単位の液状光硬化型樹脂層の表面位置を
正確に測定検出することが可能となり、該樹脂層の層厚
及び表面位置の調整が容易化され、３次元的な立体情報
を表示する立体模型形状を高精度に形成することができ
る優れた利点を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る立体形状形成装置の一実施例を示
す概略構成図、 第２図は本発明の立体形状形成装置における樹脂面光学
検出機構の原理説明図、 第３図は従来の立体形状の形成方法を説明するための要
部断面図である。 第１図乃至第２図において、 ２１はレーザ装置、２７はｆθレンズ、２８は走査反射
鏡、２９はレーザビーム、３０は樹脂収容容器、３１は
副走査台、３２は液状光硬化型樹脂層、３３は照射ビー
ム光源、３４゜３５は集光レンズ、３６は受光検出部、
３６ａは受光セル、４１は規定の樹脂層表面位置、４２
はずれた樹脂層表面位置をそれぞれ示す。 本発明／ｌ笑絶ｇ′Ｊを零１翫眸掻賎゛凹第　１　図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 順次、供給形成された液状光硬化型樹脂層表面に光照射
   を行って、該樹脂層を選択的に硬化せしめ、積層状の立
   体形状を形成する装置において、上記供給形成された液
   状光硬化型樹脂層表面に対して、非光硬化波長光を斜め
   方向より入射する光学系と、該入射光が樹脂層面で反射
   した反射光を受光することにより、前記樹脂面の位置を
   検出する受光検出部とからなる樹脂面光学検出機構を付
   設して成ることを特徴とする立体形状形成装置。