WO2022137640A1 - 光造形装置、及び、構造物の製造方法 - Google Patents

光造形装置、及び、構造物の製造方法 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a stereolithography apparatus that performs stereolithography.
  • the present invention also relates to a method for manufacturing a structure using stereolithography.
  • the stereolithography method (also called the liquid tank polymerization method) is known as one of the methods for modeling a resin structure.
  • a container in which the photocurable resin before curing is stored and a holder immersed in the photocurable resin before curing are used.
  • the bottom plate of the container is made of a light-transmitting material so that the reaction light that promotes the curing of the photocurable resin is transmitted.
  • a structure made of a cured photocurable resin by repeating a step of irradiating the photocurable resin before curing existing between the bottom plate of the container and the bottom of the holder with reaction light and a step of pulling up the holder. Things are modeled layer by layer. The modeled structure is pulled up together with the holder while being attached to the bottom surface of the holder.
  • Patent Document 1 As a technique for preventing a structure made of a cured photocurable resin from adhering to the bottom plate of a container, a method of introducing oxygen into the vicinity of the bottom plate of the container to cause curing inhibition is known (Patent Document). 1, 2).
  • Patent Document 1 a method of introducing oxygen into the vicinity of the bottom plate of the container to cause curing inhibition.
  • this method has the following problems. First, an oxygen permeable membrane is required to carry out this method.
  • the oxygen permeable membrane has a thin film thickness and low rigidity and strength. Therefore, unevenness and wrinkles are likely to occur in the oxygen permeable film, and as a result, it becomes difficult to stably perform stereolithography.
  • the concentration of oxygen introduced in the vicinity of the bottom plate of the container is the highest on the surface of the oxygen permeable membrane, and has a broad distribution that gradually decreases as the distance from the oxygen permeable membrane increases. Therefore, curing inhibition occurs even at a distance from the bottom plate of the container.
  • oxygen gas is used to cause curing inhibition, it is difficult to locally cause curing inhibition.
  • Patent Document 3 Another technique for preventing a structure made of a cured photocurable resin from adhering to the bottom plate of a container is an inhibition that inhibits the curing of the photocurable resin together with a reaction light that promotes the curing of the photocurable resin.
  • a method of irradiating light is known (Patent Document 3).
  • both reaction light and inhibitory light are irradiated so as to pass through the interface between the bottom plate of the container and the photocurable resin before curing. Therefore, the inhibitory light enters the entire region where the reaction light enters. That is, both the reaction light and the inhibitory light are irradiated to the entire photocurable resin between the bottom plate of the container and the bottom surface of the holder. Therefore, if the reaction light is too strong, the structure made of the cured photocurable resin adheres to the bottom plate of the container, and if the inhibitory light is too strong, the photocurable property is formed between the bottom plate of the container and the bottom plate of the holder. There was a problem that the curing of the resin did not proceed.
  • One aspect of the present invention has been made in view of the above problems, and is composed of a photocurable resin that has been cured while reliably curing the photocurable resin between the bottom plate of the container and the bottom surface of the holder.
  • the purpose is to realize a technique for reducing the possibility that the structure adheres to the bottom plate of the container.
  • the optical modeling apparatus is a container for storing a photocurable resin before curing, and includes a container having a light-transmitting bottom plate, a holder immersed in the photocurable resin, and a holder.
  • a reaction light irradiation unit that irradiates the reaction light having an action of promoting the curing of the photocurable resin so that the reaction light passes through the interface between the bottom plate and the photocurable resin, and the photocurable. It is provided with an inhibitory light irradiation unit that irradiates the inhibitory light having an action of inhibiting the curing of the resin so that the inhibitory light is totally reflected at the boundary surface.
  • the method for producing a structure according to one aspect of the present invention includes a pretreatment step of storing a photocurable resin before curing in a container having a light-transmitting bottom plate and immersing a holder in the photocurable resin.
  • the reaction light having an action of promoting the curing of the photocurable resin is irradiated so that the reaction light passes through the interface between the bottom plate and the photocurable resin, and the photocurable resin is cured. It includes an irradiation step of irradiating the inhibitory light having an action of inhibiting the above so that the inhibitory light is totally reflected at the boundary surface.
  • the structure made of the cured photocurable resin can adhere to the bottom plate of the container while reliably curing the photocurable resin between the bottom plate of the container and the bottom surface of the holder.
  • the sex can be reduced.
  • FIG. 1A is a cross-sectional view of the stereolithography apparatus 1.
  • FIG. 1B is a schematic diagram showing how evanescent light is generated when total internal reflection of inhibitory light is performed in the stereolithography apparatus 1.
  • the optical modeling device 1 is a device for manufacturing a resin structure, and as shown in FIG. 1, the container 11, the holder 12, the reaction light irradiation unit 13, and the inhibition light irradiation unit 14 are provided. I have. Further, the stereolithography apparatus 1 includes a pulling mechanism (not shown) for pulling up the holder 12.
  • the container 11 is configured to store the photocurable resin before curing (hereinafter, also referred to as "photocurable resin RL").
  • the container 11 is, for example, in the shape of a box or a tub.
  • the bottom plate 111 of the container 11 is made of a translucent material that transmits at least the reaction light and the inhibitory light described later.
  • the holder 12 is configured to support the cured photocurable resin (hereinafter, also referred to as “photocurable resin RS”).
  • the shape of the holder 12 is, for example, a square pillar or a cylinder.
  • the holder 12 is immersed in the photocurable resin RL so that the bottom surface 121 thereof faces the bottom plate 111 of the container 11.
  • the reaction light irradiation unit 13 is configured to irradiate the reaction light so that the reaction light passes through the boundary surface BS between the bottom plate 111 of the container 11 and the photocurable resin RL.
  • the reaction light refers to light having an action of promoting the curing of the photocurable resin RL.
  • the reaction light irradiation unit 13 may be (A1) a light source that generates reaction light (for example, LD, LED, lamp, etc.), or (A2) reaction light generated by a separately provided light source. It may be a reflector (for example, a mirror, a prism, etc.) that reflects the light, or (A3) a lens that collects or collimates the reaction light generated by a separately provided light source, or (A3). A4) It may be an optical waveguide (for example, an optical fiber) that waveguides the reaction light generated by a separately provided light source. When the configuration (A2), the configuration (A3), or the configuration (A4) is adopted, a separately provided light source can also be a component of the stereolithography apparatus 1.
  • reaction light irradiation unit 13 may be configured to irradiate the entire photocurable resin RL existing between the bottom plate 111 of the container 11 and the bottom surface 121 of the holder 12 with the reaction light.
  • (B2) It may be configured to irradiate a part of the photocurable resin RL existing between the bottom plate 111 of the container 11 and the bottom surface 121 of the holder 12 with the reaction light.
  • FIG. 1 illustrates the configuration (B1).
  • the inhibitory light irradiation unit 14 is configured to irradiate the inhibitory light so that the inhibitory light is totally reflected at the interface BS between the bottom plate 111 of the container 11 and the photocurable resin RL.
  • the inhibitory light refers to light that acts to inhibit the curing of the photocurable resin RL.
  • the inhibitory light enters the photocurable resin RL from the boundary BS as evanescent light.
  • ⁇ is the wavelength of the blocking light
  • ⁇ is the angle of incidence of the blocking light on the boundary surface BS.
  • n1 is the refractive index of the bottom plate 111 of the container 11
  • n2 is the refractive index of the photocurable resin RL.
  • the blocking light irradiation unit 14 may be (C1) a light source that generates blocking light (for example, LD, LED, lamp, etc.), or (C2) blocking light generated by a separately provided light source. It may be a reflector (for example, a mirror, a prism, etc.) that reflects the light, or (C3) a lens that collects or collimates the inhibitory light generated by a separately provided light source, or (C3). C4) It may be an optical waveguide (for example, an optical fiber) that waveguides the inhibitory light generated by a separately provided light source. When the configuration (C2), the configuration (C3), or the configuration (C4) is adopted, a separately provided light source can also be a component of the stereolithography apparatus 1.
  • a separately provided light source can also be a component of the stereolithography apparatus 1.
  • the inhibitory light irradiation unit 14 may be configured to irradiate the entire region of the bottom plate 111 of the container 11 (D1) facing the bottom surface 121 of the holder 12 with the inhibitory light (D2). Of the bottom plate 111 of the container 11, a part of the region facing the bottom surface 121 of the holder 12 may be configured to irradiate the blocking light.
  • the configuration (B1) is adopted in the reaction light irradiation unit 13
  • the configuration (D1) may be adopted or the configuration (D2) may be adopted in the inhibition light irradiation unit 14.
  • the configuration (D2) it is preferable to move the irradiation point of the inhibition light so that the irradiation point of the inhibition light always includes the irradiation point of the reaction light.
  • reaction light and the inhibitory light for example, light having a wavelength of 100 nm or more and 500 nm or less can be used. However, it is preferable that the wavelength of the reaction light and the wavelength of the inhibition light are different. As an example, a combination of a reaction light having a wavelength of 470 nm and an inhibitory light having a wavelength of 375 nm can be considered.
  • FIG. 2 is a flowchart showing the flow of the manufacturing method S1.
  • the manufacturing method S1 includes a pretreatment step S11, an irradiation step S12, a pulling step S13, and a posttreatment step S14.
  • the irradiation step S12 and the pulling step S13 are repeated a predetermined number of times. For example, when the structure is divided into n layers (n is an arbitrary natural number) and one layer is formed, the irradiation step S12 and the pulling step S13 are repeated n times.
  • the pretreatment step S11 is a step of storing the photocurable resin RL in the container 11 and immersing the holder 12 in the photocurable resin RL.
  • the holder 12 is immersed in the photocurable resin RL so that the bottom surface 121 is separated from the bottom plate 111 of the container 11 and the reaction light reaches the bottom surface 121 in the irradiation step S12 described later.
  • the storage of the photocurable resin RL and the immersion of the holder 12 may be performed manually by the operator, or may be performed automatically by the stereolithography device 1 or another device.
  • the irradiation step S12 is a step in which the reaction light irradiation unit 13 irradiates the reaction light and the inhibition light irradiation unit 14 irradiates the inhibition light.
  • the irradiation of the reaction light is performed so that the reaction light passes through the boundary surface BS between the bottom plate 111 of the container 11 and the photocurable resin RL.
  • the irradiation of the inhibitory light is performed so that the inhibitory light is totally reflected at the interface BS between the bottom plate 111 of the container 11 and the photocurable resin RL.
  • the control of the reaction light irradiation unit 13 and the control of the inhibition light irradiation unit 14 may be manually performed by the operator, or may be automatically performed by the stereolithography device 1 or another device.
  • the reaction light passes through the boundary surface BS, the curing of the photocurable resin RL existing between the bottom plate 111 of the container 11 and the bottom surface 121 of the holder 12 is promoted.
  • the inhibitory light since the inhibitory light is totally reflected at the boundary surface BS, the inhibitory light enters the photocurable resin RL from the boundary surface BS as evanescent light. Therefore, in the vicinity of the bottom plate 111 of the container 11 in which the evanescent light penetrates, the photocurable resin RL does not cure even if it is irradiated with the reaction light, or even if it does occur, it is insufficient. Therefore, the possibility that the photocurable resin RS constituting the structure adheres to the bottom plate 111 of the container 11 is reduced.
  • the pulling process S13 is a step in which the pulling mechanism pulls up the holder 12.
  • the direction in which the holder 12 is pulled up is the direction in which the holder 12 moves away from the bottom plate 111 of the container 11, and the amount of pulling up the holder 12 is about the same as the thickness of one layer of the structure.
  • the pulling mechanism may be controlled manually by the operator, or may be automatically controlled by the stereolithography device 1 or other devices.
  • the structure composed of the photocurable resin RS is pulled up together with the holder 12, and the photocurable resin RL to be cured in the next irradiation step S12 is the structure and the bottom plate 111 of the container 11. It is replenished between and.
  • the post-treatment step S14 is a step of taking out the structure for which stereolithography has been completed from the container 11 and performing treatments such as exposure and / or cleaning on the structure taken out from the container 11. In the post-treatment step S14, further treatment such as complete exposure and / or firing of the unexposed resin may be performed.
  • the optical modeling apparatus 1 is a container 11 for storing the photocurable resin RL before curing, and is immersed in the container 11 having the bottom plate 111 having light transmission and the photocurable resin RL.
  • Reaction light irradiation unit 13 that irradiates the holder 12 with reaction light having an action of promoting the curing of the photocurable resin RL so that the reaction light passes through the interface BS between the bottom plate 111 and the photocurable resin RL.
  • an inhibitory light irradiation unit 14 that irradiates the inhibitory light having an action of inhibiting the curing of the photocurable resin RL so that the inhibitory light is totally reflected at the boundary surface BS.
  • the stereolithography apparatus 1 when manufacturing a structure made of a photocurable resin RS, it is possible to reduce the possibility that the structure adheres to the bottom plate 111 of the container 11.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing the configuration of the stereolithography apparatus 1A according to the present modification.
  • the stereolithography device 1 shown in FIG. 1 is provided with one obstructive light irradiation unit 14, whereas the stereolithography device 1A shown in FIG. 3 is provided with two obstructive light irradiation units 141 and 142. Since the configuration of the stereolithography device 1A other than the obstruction light irradiation units 141 and 142 is the same as the configuration of the stereolithography device 1 other than the obstruction light irradiation unit 14, the description thereof is omitted here.
  • Each of the blocking light irradiation units 141 and 142 is configured to irradiate the bottom plate 111 of the container 11 with the blocking light so that the blocking light is totally reflected at the interface BS between the bottom plate 111 of the container 11 and the photocurable resin RL. Is. However, in the boundary surface BS, the region BS1 where the inhibitory light irradiated by the first inhibitory light irradiation unit 141 is incident and the region BS2 where the inhibitory light irradiated by the second inhibitory light irradiation unit 142 is incident on the boundary surface BS are , Different from each other.
  • the incident angle ⁇ 1 of the inhibitory light irradiated by the first inhibitory light irradiation unit 141 on the boundary surface BS and the incident angle ⁇ 2 of the inhibitory light irradiated by the second inhibitory light irradiation unit 142 on the boundary surface BS Different from each other. Therefore, the thickness d1 of the region where the inhibitory light enters the photocurable resin RL as evanescent light through the region BS1 and the thickness of the region where the inhibitory light enters the photocurable resin RL as evanescent light via the region BS2. It is different from d2. Therefore, if the stereolithography apparatus 1A is used, a structure having a step on the surface can be manufactured.
  • the refractive index n1 of the bottom plate 111 is 1.52
  • the refractive index n2 of the photocurable resin RL is 1.33
  • the wavelength ⁇ of the inhibitory light is 405 nm.
  • the incident angle ⁇ 1 of the inhibitory light emitted from the first inhibitory light irradiation unit 141 to the boundary surface BS is 75 °
  • d1 is about 52 nm.
  • the incident angle ⁇ 2 of the inhibitory light emitted from the second inhibitory light irradiation unit 142 to the boundary surface BS is 63 °
  • the thickness d2 of is about 126 nm. Therefore, if the stereolithography apparatus 1A is used, it is possible to manufacture a structure having a step of about 74 nm on the surface.
  • the optical modeling apparatus 1A includes a plurality of inhibitory light irradiation units 141 and 142 that irradiate inhibitory light incident on different regions BS1 and BS2 of the boundary surface BS at different incident angles ⁇ 1 and ⁇ 2. Therefore, if the stereolithography apparatus 1A is used, a structure having a step on the surface can be manufactured.
  • the stereolithography apparatus 1A By using a stereolithography apparatus such as the stereolithography apparatus 1A, it is possible to manufacture a planar optical diffraction element having an optical calculation function, which is composed of a plurality of microcells whose thicknesses or refractive indexes are set independently of each other.
  • the signal light When the signal light is incident on such a planar light diffractometer, the signal lights having different phases transmitted through the microcells interfere with each other, so that a predetermined optical calculation is performed.
  • the “microcell” refers to a cell having a cell size of, for example, less than 10 ⁇ m.
  • the "cell size" refers to the square root of the area of the cell. For example, when the plan view shape of the microcell is square, the cell size is the length of one side of the cell.
  • the lower limit of the cell size is not particularly limited, but is, for example, 1 nm.
  • FIG. 4 shows a specific example of such a planar optical diffraction element.
  • FIG. 4 is a perspective view of the planar optical diffraction element 100 according to this specific example.
  • the planar optical diffraction element 100 has a square effective region with a side of 1.0 mm.
  • This effective region is composed of 1000 ⁇ 1000 microcells arranged in a matrix.
  • Each microcell is composed of a square columnar pillar having a bottom surface of a square having a side of 1 ⁇ m formed on a base having a thickness of 100 ⁇ m.
  • the height of each pillar is 0 nm, 100 nm, 200 nm, ... It is decided to be a value.
  • the blocking light may be incident on the region corresponding to each microcell at an incident angle corresponding to the pillar constituting the microcell.
  • a DMD Digital Mirror Device
  • the inhibitory light irradiation unit 1411 It may be used as 142.
  • FIG. 5 is a schematic view of the reaction light irradiation unit 13 according to this modification.
  • the reaction light irradiation unit 13 is composed of a condenser lens L and a mirror M.
  • the condenser lens L is configured to collect the reaction light emitted from a light source (not shown).
  • the mirror M is configured to reflect the reaction light collected by the condenser lens L.
  • the mirror M is configured to be able to control the orientation of the reflecting surface. Therefore, if the reaction light irradiation unit 13 according to this specific example is used, the irradiation point P of the reaction light can be moved so as to scan the bottom surface 121 of the holder 12.
  • FIG. 6 is a schematic view of the reaction light irradiation unit 13 according to this modification.
  • the reaction light irradiation unit 13 is composed of a DMD provided with a plurality of mirrors M1 to Mn (n is a natural number of 2 or more), a collimating lens L1, and a condenser lens L2.
  • Each mirror Mi (i is a natural number of 1 or more and n or less) constituting the DMD is configured to reflect the reaction light emitted from a light source (not shown).
  • the collimating lens L1 is configured to collimate the reflected light reflected by each mirror Mi constituting the DMD.
  • the condenser lens L2 is configured to collect the reaction light reflected by each mirror Mi and collimated by the collimating lens L1.
  • Each mirror Mi constituting the DMD is configured to be able to control the orientation of the reflecting surface. For example, if the orientation of the reflective surface of the mirror Ma is controlled so that the reflected light is incident on the collimating lens L1, the reaction light can be applied to the point Pa, and the reflected light can be directed to the reflective surface of the mirror Ma. If the collimating lens L1 is controlled so as not to be incident on the collimating lens L1, it is possible to avoid irradiating the point Pa with the reaction light. Therefore, by using the reaction light irradiation unit 13 according to this specific example, it is possible to switch whether or not to irradiate the bottom surface 121 of the holder 12 with the reaction light for each point. This makes it possible to form a microstructure using a photocurable resin.
  • the optical modeling apparatus is a container for storing a photocurable resin before curing, and has a container having a light-transmitting bottom plate and a holder immersed in the photocurable resin.
  • the reaction light irradiation unit which irradiates the reaction light having an action of accelerating the curing of the photocurable resin so that the reaction light passes through the interface between the bottom plate and the photocurable resin, and the light. It is provided with an inhibitory light irradiation unit that irradiates the inhibitory light having an action of inhibiting the curing of the curable resin so that the inhibitory light is totally reflected at the boundary surface.
  • the inhibition light irradiation unit in addition to the configuration of the stereolithography apparatus according to the first aspect, as the inhibition light irradiation unit, the inhibition light incident on different regions of the boundary surface at different incident angles. It is provided with a plurality of inhibition light irradiation units for irradiating light.
  • the stereolithography apparatus has different incidents on different regions of the boundary surface as the inhibition light irradiation unit. It is equipped with a DMD (DigitalMirrorDevice) having a plurality of mirrors that irradiate the blocking light incident at the corner.
  • DMD DigitalMirrorDevice
  • the method for producing a structure according to a fourth aspect of the present invention is a pretreatment in which a photocurable resin before curing is stored in a container having a light-transmitting bottom plate and a holder is immersed in the photocurable resin.
  • the step and the reaction light having an action of accelerating the curing of the photocurable resin are irradiated so that the reaction light passes through the interface between the bottom plate and the photocurable resin, and the photocurable resin is irradiated. It includes an irradiation step of irradiating the inhibitory light having an action of inhibiting the curing of the above so that the inhibitory light is totally reflected at the boundary surface.
  • the method for manufacturing a structure according to a fifth aspect of the present invention is a planar optical diffraction element having an optical calculation function composed of a plurality of microcells among the methods for manufacturing a structure according to the fourth aspect.
  • This is a manufacturing method for manufacturing a planar optical diffraction element in which each microcell is composed of pillars.

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Abstract

容器の底板とホルダの底面との間で光硬化性樹脂の硬化を確実に進めながら、硬化した光硬化性樹脂からなる構造物が容器の底板に付着する可能性を低減する。光造形装置（１）は、硬化前の光硬化性樹脂（ＲＬ）を貯留する容器であって、光透過性を有する底板（１１１）を有する容器（１１）と、光硬化性樹脂（ＲＬ）に浸漬されるホルダ（１２）と、光硬化性樹脂（ＲＬ）の硬化を促進する作用を有する反応光を、該反応光が底板（１１１）と光硬化性樹脂（ＲＬ）との境界面（ＢＳ）を透過するように照射する反応光照射部（１３）と、光硬化性樹脂（ＲＬ）の硬化を阻害する作用を有する阻害光を、該阻害光が境界面（ＢＳ）において全反射するように照射する阻害光照射部（１４）と、を備えている。

Description

光造形装置、及び、構造物の製造方法
　本発明は、光造形を行う光造形装置に関する。また、本発明は、光造形を用いた構造物の製造方法に関する。
　樹脂製の構造物を造形する方法のひとつとして、光造形法（液槽重合法とも呼ばれる）が知られている。光造形法においては、硬化前の光硬化性樹脂が貯留された容器と、硬化前の光硬化性樹脂に浸漬されたホルダと、が用いられる。容器の底板は、光硬化性樹脂の硬化を促進する反応光が透過するよう、光透過性を有する材料により構成される。そして、容器の底板とホルダの底面との間に存在する硬化前の光硬化性樹脂に反応光を照射する工程と、ホルダを引き上げる工程とを繰り返すことによって、硬化した光硬化性樹脂からなる構造物が一層ずつ造形される。造形された構造物は、ホルダの底面に付着した状態で、ホルダと共に引き上げられる。
　光造形法を用いて微細構造を有する構造物を造形するためには、各サイクルにおけるホルダの引き上げ量を、微細構造のスケールと同程度に小さくする必要がある。しかしながら、造形法においては、硬化した光硬化性樹脂からなる構造物が容器の底板に付着してしまい、このようなホルダの微小な引き上げが困難になることがある。
　硬化した光硬化性樹脂からなる構造物が容器の底板に付着することを防止する技術としては、容器の底板近傍に酸素を導入することによって硬化阻害を生じさせる方法が知られている（特許文献１，２）。しかしながら、この方法には、以下の問題がある。第１に、この方法を実施するためには、酸素透過膜が必要になる。酸素透過膜は、膜厚が薄く、剛性及び強度が低い。このため、酸素透過膜に凹凸や皺などが生じ易く、その結果、光造形を安定的に実施することが困難になる。第２に、容器の底板近傍に導入される酸素の濃度は、酸素透過膜の表面において最も高く、酸素透過膜から遠ざかるに従って緩やかに低下するブロードな分布になる。このため、容器の底板から離れたところでも硬化阻害が生じることになる。硬化阻害が生じる領域を容器の底板直近に制限するためには、酸素透過膜の酸素透過率、酸素濃度、流量等を精密に制御する必要があるが、造形速度が変化するなかでこのような制御を行うことは困難である。第３に、硬化阻害を生じさせるために利用するのが酸素気体であるため、硬化阻害を局所的に生じさせることが困難である。
　硬化した光硬化性樹脂からなる構造物が容器の底板に付着することを防止する別の技術としては、光硬化性樹脂の硬化を促進する反応光と共に、光硬化性樹脂の硬化を阻害する阻害光を照射する方法が知られている（特許文献３）。
米国特許第９４５３１４２号明細書 米国特許第１０４７１６９９号明細書 米国特許第８６９７３４６号明細書
　しかしながら、特許文献３に記載の技術においては、反応光及び阻害光の両方を、容器の底板と硬化前の光硬化性樹脂との境界面を透過するように照射する。このため、反応光が進入する領域全体に阻害光が進入することになる。すなわち、容器の底板とホルダの底面との間の光硬化性樹脂全体に、反応光及び阻害光の両方が照射される。したがって、反応光が強すぎれば、硬化した光硬化性樹脂からなる構造物が容器の底板に付着してしまい、阻害光が強すぎれば、容器の底板とホルダの底板との間で光硬化性樹脂の硬化が進まなくなるという問題があった。
　本発明の一態様は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、容器の底板とホルダの底面との間で光硬化性樹脂の硬化を確実に進めながら、硬化した光硬化性樹脂からなる構造物が容器の底板に付着する可能性を低減する技術を実現することを目的とする。
　本発明の一態様に係る光造形装置は、硬化前の光硬化性樹脂を貯留する容器であって、光透過性を有する底板を有する容器と、前記光硬化性樹脂に浸漬されるホルダと、前記光硬化性樹脂の硬化を促進する作用を有する反応光を、該反応光が前記底板と前記光硬化性樹脂との境界面を透過するように照射する反応光照射部と、前記光硬化性樹脂の硬化を阻害する作用を有する阻害光を、該阻害光が前記境界面において全反射するように照射する阻害光照射部と、を備えている。
　本発明の一態様に係る構造物の製造方法は、光透過性を有する底板を有する容器に硬化前の光硬化性樹脂を貯留すると共に、ホルダを前記光硬化性樹脂に浸漬する前処理工程と、前記光硬化性樹脂の硬化を促進する作用を有する反応光を、該反応光が前記底板と前記光硬化性樹脂との境界面を透過するように照射すると共に、前記光硬化性樹脂の硬化を阻害する作用を有する阻害光を、該阻害光が前記境界面において全反射するように照射する照射工程と、を含んでいる。
　本発明の一態様によれば、容器の底板とホルダの底面との間で光硬化性樹脂の硬化を確実に進めながら、硬化した光硬化性樹脂からなる構造物が容器の底板に付着する可能性を低減することができる。
本発明の一実施形態に係る光造形装置の構成を示す断面図である。 図１に示す光造形装置を用いた構造物の製造方法の流れを示すフローチャートである。 図１に示す光造形装置の変形例を示す断面図である。 図３に示す光造形装置のごとき光造形装置を用いて製造することが可能な平面状光回折素子の一具体例を示す斜視図である。 図１に示す光造形装置が備える反応光照射部の第１の変形例を示す模式図である。 図１に示す光造形装置が備える反応光照射部の第２の変形例を示す模式図である。
　（造形装置の構成）
　本発明の一実施形態に係る光造形装置１の構成について、図１を参照して説明する。図１の（ａ）は、光造形装置１の断面図である。図１の（ｂ）は、光造形装置１において阻害光を全反射する際にエバネッセント光が生じる様子を示す模式図である。
　光造形装置１は、樹脂製の構造物を製造するための装置であり、図１に示すように、容器１１と、ホルダ１２と、反応光照射部１３と、阻害光照射部１４と、を備えている。また、光造形装置１は、ホルダ１２を引き上げる不図示の引上機構を備えている。
　容器１１は、硬化前の光硬化性樹脂（以下、「光硬化性樹脂ＲＬ」とも記載する）を貯留するための構成である。容器１１は、例えば、升状又は桶状である。容器１１の底板１１１は、少なくとも後述する反応光及び阻害光を透過する透光性材料により構成されている。ホルダ１２は、硬化後の光硬化性樹脂（以下、「光硬化性樹脂ＲＳ」とも記載する）を支持するための構成である。ホルダ１２の形状は、例えば、四角柱状又は円柱状である。ホルダ１２は、その底面１２１が容器１１の底板１１１に対向するように、光硬化性樹脂ＲＬに浸漬される。
　反応光照射部１３は、反応光が容器１１の底板１１１と光硬化性樹脂ＲＬとの境界面ＢＳを透過するように、反応光を照射するための構成である。ここで、反応光とは、光硬化性樹脂ＲＬの硬化を促進する作用を有する光のことを指す。反応光照射部１３によって反応光が照射されると、容器１１の底板１１１とホルダ１２の底面１２１との間に存在する光硬化性樹脂ＲＬの硬化が促進される。
　なお、反応光照射部１３は、（Ａ１）反応光を生成する光源（例えば、ＬＤ、ＬＥＤ、ランプなど）であってもよいし、（Ａ２）別途設けられた光源にて生成された反応光を反射する反射体（例えば、ミラー、プリズムなど）であってもよいし、（Ａ３）別途設けられた光源にて生成された反応光を集光又はコリメートするレンズであってもよいし、（Ａ４）別途設けられた光源にて生成された反応光を導波する光導波路（例えば、光ファイバなど）であってもよい。構成（Ａ２）、構成（Ａ３）、又は構成（Ａ４）を採用する場合、別途設けられた光源も、光造形装置１の構成要素とし得る。
　また、反応光照射部１３は、（Ｂ１）容器１１の底板１１１とホルダ１２の底面１２１との間に存在する光硬化性樹脂ＲＬの全体に反応光を照射するように構成されていてもよいし、（Ｂ２）容器１１の底板１１１とホルダ１２の底面１２１との間に存在する光硬化性樹脂ＲＬの一部分に反応光を照射するように構成されていてもよい。構成（Ｂ１）を採用する場合、構造物の各層について、該層を構成する各点の造形が一括実施される。一方、構成（Ｂ２）を採用する場合、構造物の各層について、ホルダ１２の底面１２１をスキャンするように反応光の照射点を移動させることで、該層を構成する各点の造形が順次実施される。なお、図１においては、構成（Ｂ１）を例示している。
　阻害光照射部１４は、阻害光が容器１１の底板１１１と光硬化性樹脂ＲＬとの境界面ＢＳにおいて阻害光が全反射するよう、阻害光を照射するための構成である。ここで、阻害光とは、光硬化性樹脂ＲＬの硬化を阻害する作用をする光のことを指す。阻害光照射部１４によって阻害光が照射されると、阻害光がエバネッセント光として境界ＢＳから光硬化性樹脂ＲＬに進入する。エバネッセント光の強度が境界面ＢＳにおける強度の１／ｅ以上になる領域をエバネッセント光が侵入する領域と見做すと、その領域の厚みｄは、ｄ＝λ／｛４π（ｎ１ ２×ｓｉｎ２θ－ｎ２ ２）１／２｝により与えられる。ここで、λは、阻害光の波長であり、θは、境界面ＢＳに対する阻害光の入射角である。また、ｎ１は、容器１１の底板１１１の屈折率であり、ｎ２は、光硬化性樹脂ＲＬの屈折率である。エバネッセント光が進入する領域においては、反応光を照射しても光硬化性樹脂ＲＬの硬化が起こらないか、又は、起こったとしても不十分になる。
　なお、阻害光照射部１４は、（Ｃ１）阻害光を生成する光源（例えば、ＬＤ、ＬＥＤ、ランプなど）であってもよいし、（Ｃ２）別途設けられた光源にて生成された阻害光を反射する反射体（例えば、ミラー、プリズムなど）であってもよいし、（Ｃ３）別途設けられた光源にて生成された阻害光を集光又はコリメートするレンズであってもよいし、（Ｃ４）別途設けられた光源にて生成された阻害光を導波する光導波路（例えば、光ファイバ）であってもよい。構成（Ｃ２）、構成（Ｃ３）、又は構成（Ｃ４）を採用する場合、別途設けられた光源も、光造形装置１の構成要素とし得る。
　また、阻害光照射部１４は、（Ｄ１）容器１１の底板１１１のうち、ホルダ１２の底面１２１と対向する領域の全体に阻害光を照射するように構成されていてもよいし、（Ｄ２）容器１１の底板１１１のうち、ホルダ１２の底面１２１と対向する領域の一部分に阻害光を照射するように構成されていてもよい。反応光照射部１３において構成（Ｂ１）を採用する場合、阻害光照射部１４においては構成（Ｄ１）を採用することが好ましい。一方、反応光照射部１３において構成（Ｂ２）を採用する場合、阻害光照射部１４においては構成（Ｄ１）を採用してもよいし構成（Ｄ２）を採用してもよい。ただし、構成（Ｄ２）を採用する場合、阻害光の照射点が常に反応光の照射点を包含するよう、阻害光の照射点を移動させることが好ましい。
　なお、反応光及び阻害光としては、例えば、波長が１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下の光を用いることができる。ただし、反応光の波長と阻害光の波長とは、異なっていることが好ましい。一例として、波長４７０ｎｍの反応光と波長３７５ｎｍの阻害光との組み合わせが考えられる。
　（光造形装置を用いた構造物の製造方法）
　光造形装置１を用いた構造物の製造方法Ｓ１の流れについて、図２を参照して説明する。図２は、製造方法Ｓ１の流れを示すフローチャートである。
　製造方法Ｓ１は、前処理工程Ｓ１１と、照射工程Ｓ１２と、引上工程Ｓ１３と、後処理工程Ｓ１４と、を含んでいる。照射工程Ｓ１２及び引上工程Ｓ１３は、予め定められた回数だけ繰り返される。例えば、構造物をｎ層（ｎは任意の自然数）に分けて１層ずつ造形する場合、照射工程Ｓ１２及び引上工程Ｓ１３は、ｎ回繰り返される。
　前処理工程Ｓ１１は、容器１１に光硬化性樹脂ＲＬを貯留すると共に、光硬化性樹脂ＲＬにホルダ１２を浸漬する工程である。ここで、ホルダ１２は、底面１２１が容器１１の底板１１１から離間するように、且つ、後述する照射工程Ｓ１２において底面１２１に反応光が到達するように、光硬化性樹脂ＲＬに浸漬される。光硬化性樹脂ＲＬの貯留、及び、ホルダ１２の浸漬は、それぞれ、作業者が手動で行ってもよいし、光造形装置１又はその他の装置が自動で行ってもよい。
　照射工程Ｓ１２は、反応光照射部１３が反応光を照射すると共に、阻害光照射部１４が阻害光を照射する工程である。ここで、反応光の照射は、反応光が容器１１の底板１１１と光硬化性樹脂ＲＬとの境界面ＢＳを透過するように行われる。また、阻害光の照射は、阻害光が容器１１の底板１１１と光硬化性樹脂ＲＬとの境界面ＢＳにおいて全反射するように行われる。反応光照射部１３の制御、及び、阻害光照射部１４の制御は、それぞれ、作業者が手動で行ってもよいし、光造形装置１又はその他の装置が自動で行ってもよい。
　照射工程Ｓ１２においては、反応光が境界面ＢＳを透過するので、容器１１の底板１１１とホルダ１２の底面１２１との間に存在する光硬化性樹脂ＲＬの硬化が促進される。ただし、阻害光が境界面ＢＳにおいて阻害光が全反射するので、阻害光がエバネッセント光として境界面ＢＳから光硬化性樹脂ＲＬに進入する。このため、エバネッセント光が侵入する容器１１の底板１１１の近傍においては、反応光を照射しても光硬化性樹脂ＲＬの硬化が起こらないか、又は、起こったとしても不十分である。このため、構造物を構成する光硬化性樹脂ＲＳが容器１１の底板１１１に付着する可能性が低くなる。
　引上工程Ｓ１３は、引上機構がホルダ１２を引き上げる工程である。ここで、ホルダ１２を引き上げる方向は、ホルダ１２が容器１１の底板１１１から遠ざかる方向であり、ホルダ１２を引き上げる量は、構造物一層分の厚みと同程度である。引上機構の制御は、作業者が手動で行ってもよいし、光造形装置１又はその他の装置が自動で行ってもよい。
　引上工程Ｓ１３においては、光硬化性樹脂ＲＳにより構成された構造物がホルダ１２と共に引き上げられ、次の照射工程Ｓ１２における硬化の対象となる光硬化性樹脂ＲＬが構造物と容器１１の底板１１１との間に補充される。
　照射工程Ｓ１２と引上工程Ｓ１３とを繰り返すことによって構造物の光造形が完了すると、後処理工程Ｓ１４が実施される。後処理工程Ｓ１４は、光造形が完了した構造物を容器１１から取り出すと共に、容器１１から取り出した構造物に対して露光及び／又は洗浄などの処理を行う工程である。後処理工程Ｓ１４においては、更に、未露光樹脂の完全露光及び／又は焼成などの処理を行ってもよい。
　（光造形装置の効果）
　以上のように、光造形装置１は、硬化前の光硬化性樹脂ＲＬを貯留する容器１１であって、光透過性を有する底板１１１を有する容器１１と、光硬化性樹脂ＲＬに浸漬されるホルダ１２と、光硬化性樹脂ＲＬの硬化を促進する作用を有する反応光を、その反応光が底板１１１と光硬化性樹脂ＲＬとの境界面ＢＳを透過するように照射する反応光照射部１３と、光硬化性樹脂ＲＬの硬化を阻害する作用を有する阻害光を、その阻害光が境界面ＢＳにおいて全反射するように照射する阻害光照射部１４と、を備えている。
　このため、光造形装置１によれば、光硬化性樹脂ＲＳからなる構造物を製造する際に、その構造物が容器１１の底板１１１に付着する可能性を低減することができる。
　（光造形装置の変形例）
　光造形装置１の一変形例について、図３を参照して説明する。図３は、本変形例に係る光造形装置１Ａの構成を示す断面図である。
　図１に示す光造形装置１が１つの阻害光照射部１４を備えているのに対して、図３に示す光造形装置１Ａは２つの阻害光照射部１４１，１４２を備えている。阻害光照射部１４１，１４２以外の光造形装置１Ａの構成は、阻害光照射部１４以外の光造形装置１の構成と同様であるので、ここではその説明を割愛する。
　阻害光照射部１４１，１４２は、それぞれ、容器１１の底板１１１と光硬化性樹脂ＲＬとの境界面ＢＳにおいて阻害光が全反射するよう、容器１１の底板１１１に阻害光を照射するための構成である。ただし、境界面ＢＳにおいて第１の阻害光照射部１４１が照射する阻害光が入射する領域ＢＳ１と、境界面ＢＳにおいて第２の阻害光照射部１４２が照射する阻害光が入射する領域ＢＳ２とは、互いに異なる。また、第１の阻害光照射部１４１が照射する阻害光の境界面ＢＳへの入射角θ１と、第２の阻害光照射部１４２が照射する阻害光の境界面ＢＳへの入射角θ２とは、互いに異なる。このため、領域ＢＳ１を介して阻害光がエバネッセント光として光硬化性樹脂ＲＬに進入する領域の厚みｄ１と、領域ＢＳ２を介して阻害光がエバネッセント光として光硬化性樹脂ＲＬに進入する領域の厚みｄ２とは、互いに異なる。このため、光造形装置１Ａを用いれば、表面に段差を有する構造物を製造することができる。
　一例として、底板１１１の屈折率ｎ１が１．５２、光硬化性樹脂ＲＬの屈折率ｎ２が１．３３、阻害光の波長λが４０５ｎｍであるケースを考える。第１の阻害光照射部１４１から照射される阻害光の境界面ＢＳへの入射角θ１が７５°であるとすると、領域ＢＳ１を介してエバネッセント光が光硬化性樹脂ＲＬに進入する領域の厚みｄ１は、約５２ｎｍとなる。一方、第２の阻害光照射部１４２から照射される阻害光の境界面ＢＳへの入射角θ２が６３°であるとすると、領域ＢＳ１を介してエバネッセント光が光硬化性樹脂ＲＬに進入する領域の厚みｄ２は、約１２６ｎｍとなる。このため、光造形装置１Ａを用いれば、表面に７４ｎｍ程度の段差を有する構造物を製造することができる。
　以上のように、光造形装置１Ａは、境界面ＢＳの異なる領域ＢＳ１，ＢＳ２に異なる入射角θ１，θ２で入射する阻害光を照射する複数の阻害光照射部１４１，１４２を備えている。このため、光造形装置１Ａを用いれば、表面に段差を有する構造物を製造することができる。
　（構造物の具体例）
　光造形装置１Ａのごとき光造形装置を用いれば、厚み又は屈折率が互いに独立に設定された複数のマイクロセルにより構成された、光演算機能を有する平面状光回折素子を製造することができる。このような平面状光回折素子に信号光が入射すると、各マイクロセルを透過した位相の異なる信号光が相互に干渉することによって、予め定められた光演算が行われる。なお、本明細書において、「マイクロセル」とは、セルサイズが例えば、１０μｍ未満のセルのことを指す。また、本明細書において、「セルサイズ」とは、セルの面積の平方根のことを指す。例えば、マイクロセルの平面視形状が正方形である場合、セルサイズとは、セルの一辺の長さである。セルサイズの下限は、特に限定されないが、例えば１ｎｍである。
　このような平面状光回折素子の一具体例を図４に示す。図４は、本具体例に係る平面状光回折素子１００の斜視図である。
　本具体例に係る平面状光回折素子１００は、一辺１．０ｍｍの正方形の有効領域を有している。この有効領域は、マトリックス状に配置された１０００×１０００個のマイクロセルにより構成されている。各マイクロセルは、厚さ１００μｍのベース上に形成された、１辺１μｍの正方形の底面底辺を有する四角柱状のピラーにより構成されている。各ピラーの高さは、０ｎｍ、１００ｎｍ、２００ｎｍ、…、１１００ｎｍ、１２００ｎｍ（１００ｎｍステップ１３段階）の何れかであり、そのピラーにより構成されるマイクロセルを透過する光の位相変化量が所期の値になるように決められている。
　このような平面状光回折素子を製造するには、各マイクロセルに相当にする領域に、阻害光をそのマイクロセルを構成するピラーに応じた入射角で入射させればよい。この場合、境界面ＢＳの異なる領域に異なる入射角で入射する阻害光を照射する複数（マイクロセルと同数又はそれ以上）のミラーを備えたＤＭＤ（Digital Mirror Device）を、阻害光照射部１４１，１４２として用いればよい。
　（反応光照射部の変形例１）
　反応光照射部１３の第１の変形例について、図５を参照して説明する。図５は、本変形例に係る反応光照射部１３の模式図である。
　本変形例に係る反応光照射部１３は、集光レンズＬと、ミラーＭと、により構成されている。集光レンズＬは、不図示の光源から出射された反応光を集光するための構成である。ミラーＭは、集光レンズＬにより集光された反応光を反射するための構成である。ミラーＭは、反射面の向きを制御可能に構成されている。このため、本具体例に係る反応光照射部１３を用いれば、ホルダ１２の底面１２１をスキャンするように反応光の照射点Ｐを移動させることができる。
　（反応光照射部の変形例２）
　反応光照射部１３の第２の変形例について、図６を参照して説明する。図６は、本変形例に係る反応光照射部１３の模式図である。
　本変形例に係る反応光照射部１３は、複数のミラーＭ１～Ｍｎ（ｎは２以上の自然数）を備えたＤＭＤと、コリメートレンズＬ１と、集光レンズＬ２と、により構成されている。ＤＭＤを構成する各ミラーＭｉ（ｉは１以上ｎ以下の自然数）は、不図示の光源から出射された反応光を反射するための構成である。コリメートレンズＬ１は、ＤＭＤを構成する各ミラーＭｉにより反射された反射光をコリメートするための構成である。集光レンズＬ２は、各ミラーＭｉにより反射され、コリメートレンズＬ１にてコリメートされた反応光を集光するための構成である。ＤＭＤを構成する各ミラーＭｉは、反射面の向きを制御可能に構成されている。例えば、ミラーＭａの反射面の向きを、反射光がコリメートレンズＬ１に入射するように制御すれば、点Ｐａに反応光が照射することができ、ミラーＭａの反射面の向きを、反射光がコリメートレンズＬ１に入射しないように制御すれば、点Ｐａへの反応光の照射を避けることができる。このため、本具体例に係る反応光照射部１３を用いれば、ホルダ１２の底面１２１に反応光を照射するか否かを各点毎に切り替えることができる。これにより、光硬化樹脂を用いて微細構造を造形することが可能になる。
　（まとめ）
　本発明の第１の態様に係る光造形装置は、硬化前の光硬化性樹脂を貯留する容器であって、光透過性を有する底板を有する容器と、前記光硬化性樹脂に浸漬されるホルダと、前記光硬化性樹脂の硬化を促進する作用を有する反応光を、該反応光が前記底板と前記光硬化性樹脂との境界面を透過するように照射する反応光照射部と、前記光硬化性樹脂の硬化を阻害する作用を有する阻害光を、該阻害光が前記境界面において全反射するように照射する阻害光照射部と、を備えている。
　本発明の第２の態様に係る光造形装置は、第１の態様に係る光造形装置の構成に加えて、前記阻害光照射部として、前記境界面の異なる領域に異なる入射角で入射する阻害光を照射する複数の阻害光照射部を備えている。
　本発明の第３の態様に係る光造形装置は、第１の態様又は第２の態様に係る光造形装置の構成に加えて、前記阻害光照射部として、前記境界面の異なる領域に異なる入射角で入射する阻害光を照射する複数のミラーを有するＤＭＤ（Digital Mirror Device）を備えている。
　本発明の第４の態様に係る構造物の製造方法は、光透過性を有する底板を有する容器に硬化前の光硬化性樹脂を貯留すると共に、ホルダを前記光硬化性樹脂に浸漬する前処理工程と、前記光硬化性樹脂の硬化を促進する作用を有する反応光を、該反応光が前記底板と前記光硬化性樹脂との境界面を透過するように照射すると共に、前記光硬化性樹脂の硬化を阻害する作用を有する阻害光を、該阻害光が前記境界面において全反射するように照射する照射工程と、を含んでいる。
　本発明の第５の態様に係る構造物の製造方法は、第４の態様に係る構造物の製造方法のうち、複数のマイクロセルにより構成された光演算機能を有する平面状光回折素子であって、各マイクロセルがピラーからなる平面状光回折素子を製造する製造方法である。
　（付記事項）
　本発明は、上述した実施形態に限定されるものでなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、上述した実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても、本発明の技術的範囲に含まれる。
　　１　　　　　　　光造形装置
　　１１　　　　　　容器
　　１１１　　　　　底板
　　１２　　　　　　ホルダ
　　１２１　　　　　底面
　　１３　　　　　　反応光照射部
　　１４　　　　　　阻害光照射部

Claims (5)

  1. 　硬化前の光硬化性樹脂を貯留する容器であって、光透過性を有する底板を有する容器と、
    　前記光硬化性樹脂に浸漬されるホルダと、
    　前記光硬化性樹脂の硬化を促進する作用を有する反応光を、該反応光が前記底板と前記光硬化性樹脂との境界面を透過するように照射する反応光照射部と、
    　前記光硬化性樹脂の硬化を阻害する作用を有する阻害光を、該阻害光が前記境界面において全反射するように照射する阻害光照射部と、を備えている、
    ことを特徴とする光造形装置。
  2. 　前記阻害光照射部として、前記境界面の異なる領域に異なる入射角で入射する阻害光を照射する複数の阻害光照射部を備えている、
    ことを特徴とする請求項１に記載の光造形装置。
  3. 　前記阻害光照射部として、前記境界面の異なる領域に異なる入射角で入射する阻害光を照射する複数のミラーを有するＤＭＤ（Digital Mirror Device）を備えている、
    ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光造形装置。
  4. 　光透過性を有する底板を有する容器に硬化前の光硬化性樹脂を貯留すると共に、ホルダを前記光硬化性樹脂に浸漬する前処理工程と、
    　前記光硬化性樹脂の硬化を促進する作用を有する反応光を、該反応光が前記底板と前記光硬化性樹脂との境界面を透過するように照射すると共に、前記光硬化性樹脂の硬化を阻害する作用を有する阻害光を、該阻害光が前記境界面において全反射するように照射する照射工程と、を含んでいる、
    ことを特徴とする構造物の製造方法。
  5. 　前記構造物は、複数のマイクロセルにより構成された光演算機能を有する平面状光回折素子であって、各マイクロセルがピラーからなる平面状光回折素子である、
    ことを特徴とする請求項４に記載の構造物の製造方法。
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