JP4183119B2

JP4183119B2 - 光造形装置

Info

Publication number: JP4183119B2
Application number: JP2003040459A
Authority: JP
Inventors: 康幸小八木; 央子下妻
Original assignee: Screen Holdings Co Ltd; Dainippon Screen Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Screen Holdings Co Ltd; Dainippon Screen Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2003-02-19
Filing date: 2003-02-19
Publication date: 2008-11-19
Anticipated expiration: 2023-02-19
Also published as: US7083405B2; JP2004249508A; EP1449636A1; EP1449636B1; US20040160590A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、感光材料に光を照射して３次元の造形を行う光造形装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
造形物の３次元形状データをスライスして複数の断面データ（すなわち、２次元形状データ）を作成し、光硬化性材料を積層しながら各層に対応する断面データに基づいて光を照射（すなわち、露光）して所望の３次元造形物を製作する光造形が、従来より実施されている。
【０００３】
また、特許文献１では、液晶マスクにより空間変調された光を光硬化性材料上に照射し、光硬化性材料を積層することなく３次元造形物を製作する技術が開示されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−２５２９８６号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来の光造形では、光硬化性材料の積層と光の照射とを繰り返し行う必要があるため、造形物の製作に長時間を要するとともに製作コストが増大してしまう。また、特許文献１に記載の技術では、液晶マスクの画素間の筋の影響により造形物の形状精度が低下してしまい、画素数が限定されるために比較的大きな造形物を製作する場合にも造形物の形状精度が低下してしまう。さらに、液晶により光の照射効率が低下するという問題も有している。
【０００６】
本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、短時間に、あるいは、高い形状精度にて３次元の造形を行うことを主たる目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、感光材料に光を照射して造形を行う光造形装置であって、空間変調された光を生成する空間光変調デバイスと、前記空間光変調デバイスにより空間変調された光が照射される感光材料を保持する保持部と、それぞれが変調の単位に対応する感光材料上の照射領域群を前記感光材料に対して相対的に移動する移動機構と、前記照射領域群の相対移動に同期して前記空間光変調デバイスを制御することにより、前記感光材料上の露光の単位となる各露光領域を通過する複数の照射領域から前記各露光領域に照射される光の累積量を多階調に制御する制御部とを備える。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の光造形装置であって、前記照射領域群が２次元に配列され、前記照射領域群の相対移動方向が一の配列方向にほぼ沿う。
【０００９】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の光造形装置であって、前記照射領域群が互いに垂直な２方向に対して等間隔に配列されており、前記一の配列方向に関する列の両端の照射領域の前記相対移動方向に垂直な方向の距離が、前記照射領域群の他の配列方向のピッチよりも小さい。
【００１０】
請求項４に記載の発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載の光造形装置であって、前記空間光変調デバイスが複数の微小ミラーを有し、前記複数の微小ミラーの姿勢を個別に変更して光源からの光を空間変調する。
【００１１】
請求項５に記載の発明は、請求項１ないし４のいずれかに記載の光造形装置であって、照射領域に対応する光束が集束する位置と感光材料の表面との間の距離を変更する機構をさらに備える。
【００１２】
請求項６に記載の発明は、請求項１ないし５のいずれかに記載の光造形装置であって、前記制御部が、造形物の形状に関する形状データ、および、一の露光領域に照射される光の量と感光材料の感光される深さとの関係を実質的に示すテーブルを記憶する記憶部と、前記形状データおよび前記テーブルに基づいて感光材料上の露光の単位となる各露光領域に照射される光の量を求める演算部とを有する。
【００１３】
請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の光造形装置であって、複数の露光領域に互いに異なる量の光が照射された後に現像された感光材料の前記複数の露光領域における高さを測定する測定器をさらに備え、前記制御部が、前記複数の露光領域における露光量と感光材料の高さとに基づいて、前記テーブルを作成する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の関連技術に係る光造形装置１の概略構成を示す図である。光造形装置１は、所定の基板上にポジ型の感光材料である感光性レジストを所定の膜厚だけ塗布し、乾燥させたもの（以下、単に「感光部材」と呼ぶ。）に向けて所望の造形物の３次元形状に応じた光を照射する装置であり、露光された感光部材はその後の工程において現像されることにより、所望の３次元造形物が製作される。
【００１５】
光造形装置１は、感光部材９を保持するステージ２、感光部材９に向けて空間変調された光を出射するユニットであるヘッド部３、ステージ２をヘッド部３に対して相対的に移動するステージ移動機構４１、および、ステージ２を昇降するステージ昇降機構４４を有する。
【００１６】
ヘッド部３は、光（例えば、波長が４００ｎｍ近傍の光）を出射する半導体レーザが設けられた光源３１、および、複数の微小ミラーが２次元配列されたマイクロミラーアレイ３２（例えば、ＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）であり、以下、「ＤＭＤ３２」という。）を有し、光源３１からの光がＤＭＤ３２により空間変調され、感光部材９上に照射される。
【００１７】
具体的には、光源３１に接続された光ファイバ３１１から出射された光は、図示省略の光学系によりＤＭＤ３２へと導かれる。ＤＭＤ３２では、各微小ミラーのうち所定の姿勢（後述するＤＭＤ３２による光照射の説明において、ＯＮ状態に対応する姿勢）にある微小ミラーからの反射光のみにより形成される光が導出される。ＤＭＤ３２からの光はレンズ群３３を介してハーフミラー３４へと導かれ、反射された光が対物レンズ３５により感光部材９の表面へと導かれる。
【００１８】
また、ヘッド部３は、対物レンズ３５と感光部材９の表面との間の距離を検出するオートフォーカス用の検出ユニット（以下、「ＡＦ検出ユニット」という。）３６を有する。ＡＦ検出ユニット３６は、レーザ光を出射する半導体レーザ３６１、および、感光部材９からの反射光を受光する受光部３６２を有し、半導体レーザ３６１から出射されたレーザ光はミラー３７にて反射され、ハーフミラー３４および対物レンズ３５を介して感光部材９の表面へと照射される。感光部材９からのレーザ光の反射光は、対物レンズ３５、ハーフミラー３４およびミラー３７を介してＡＦ検出ユニット３６へと導かれ、受光部３６２が反射光を受光する位置により対物レンズ３５と感光部材９の表面との間の距離が検出される。
【００１９】
ステージ移動機構４１は、ステージ２を図１中のＸ方向に移動するＸ方向移動機構４２、および、Ｙ方向に移動するＹ方向移動機構４３を有する。Ｘ方向移動機構４２はモータ４２１にボールねじ（図示省略）が接続され、モータ４２１が回転することにより、Ｙ方向移動機構４３がガイドレール４２２に沿って図１中のＸ方向に移動する。Ｙ方向移動機構４３もＸ方向移動機構４２と同様の構成となっており、モータ４３１が回転するとボールねじ（図示省略）によりステージ２がガイドレール４３２に沿ってＹ方向に移動する。また、ステージ移動機構４１はモータを有するステージ昇降機構４４により支持されており、ステージ昇降機構４４が駆動されることにより、対物レンズ３５とステージ２との間の距離が変更される。
【００２０】
光造形装置１は、各種情報処理を行うＣＰＵや各種情報を記憶するメモリ等により構成されるコンピュータ５をさらに有し、ＣＰＵ等により演算部５１としての機能が実現され、記憶部５２に各種情報が記憶される。また、コンピュータ５は、ヘッド部３、ステージ移動機構４１およびステージ昇降機構４４に接続され、コンピュータ５が制御部としての役割を果たすことにより、光造形装置１による３次元造形用の光の照射（すなわち、露光）が行われる。
【００２１】
図２は、ＤＭＤ３２を模式的に示す図である。ＤＭＤ３２は、多数の微小ミラーが互いに垂直な２方向（行方向および列方向）に等間隔に配列された複数のブロック３２１を有し、各ブロック３２１は一方向（例えば、列方向）に配列される。なお、実際には１つのブロック３２１には行および列方向に図２に例示するよりも多数の微小ミラーが配列される。ＤＭＤ３２では、各微小ミラーに対応するメモリセルへのデータの書き込みがブロック３２１毎に行われ、リセットパルスの入力により一部の微小ミラーが所定の角度だけ一斉に傾く。
【００２２】
具体的には、ＤＭＤ３２には各微小ミラーに対するＯＮまたはＯＦＦを示すデータ（以下、「ＤＭＤセルデータ」という。）が図１のコンピュータ５から送信されてメモリセルに書き込まれ、リセットパルスに同期してＤＭＤセルデータに従って各微小ミラーがＯＮ状態またはＯＦＦ状態の姿勢に変更される。これにより、ＤＭＤ３２に照射された光は、各微小ミラーの傾く方向に応じて反射され、各微小ミラーに対応する感光部材９上の光の照射領域への光照射のＯＮ／ＯＦＦが行われる。ＯＮ状態とされた微小ミラーに入射する光はレンズ群３３へと反射され、対応する感光部材９上の照射領域に光が照射される。ＯＦＦ状態とされた微小ミラーに入射する光はレンズ群３３とは異なる所定の位置へと反射し、対応する照射領域に光が導かれない。
【００２３】
コンピュータ５からＤＭＤ３２へのリセットパルスの送信は一定時間の間に所定回数だけ繰り返され、各微小ミラーのＯＮ状態の回数（すなわち、各微小ミラーのＯＮ状態の累積時間）を正確に制御することにより、各照射領域に照射される光の量の制御（「階調制御」とも呼ぶ。）が実現される。なお、リセットパルスは一定の間隔で発生される必要はなく、例えば、単位時間を１：２：４：８：１６の時間枠に分割して各時間枠の最初に１回だけリセットパルスが送信されることにより、階調制御（上記例の場合、３２階調となる。）が行われてもよい。
【００２４】
図３は、感光部材９上の照射領域群の一部の照射領域６１を示す図である。１つの照射領域６１は、ＤＭＤ３２の各微小ミラーの形状に対応する矩形の領域となっており、図３中のＸ方向およびＹ方向にそれぞれ所定のピッチにて等間隔に配列されている。なお、本関連技術では、照射領域は感光部材９上に固定され、１つの照射領域６１が感光部材９上の露光の単位となる１つの露光領域とされている。
【００２５】
図４は、光造形装置１が３次元造形用の光を感光部材９に照射する動作（以下、「露光動作」という。）の流れを示す図である。まず、所望の造形物の３次元形状を示すデータ（以下、「形状データ」と呼ぶ。）が準備される（ステップＳ１１）。形状データは、感光部材９上の１つの露光領域であるセルに高さ情報が関連付けられることにより造形物の３次元形状を示すデータであり、例えば、３次元ＣＡＤデータ等の３次元情報から予め生成され、光造形装置１の記憶部５２に記憶される。なお、３次元情報に基づいて演算部５１により形状データが生成されてもよい。
【００２６】
光造形装置１では、感光部材９上の一の露光領域に照射される光の量と、光が照射された露光領域の感光性レジストが現像により除去される深さ（以下、「加工深さ」という。）との関係を示す変換テーブル５２１が、後述する変換テーブル作成動作において予め作成されて記憶部５２に記憶されており（図１参照）、演算部５１では形状データおよび変換テーブル５２１に基づいて各露光領域に必要な光の照射量（以下の説明において、「光の照射量」を「露光量」と呼ぶ。）が求められる（ステップＳ１２）。
【００２７】
図５は、変換テーブル５２１をグラフ化して連続的に示したものであり、縦軸は加工深さを示し、横軸は単位面積当たりの露光量を示している。図５より、露光量が増加するにつれて加工深さが大きくなることが判る。演算部５１では、形状データに含まれる各セルの高さ情報から各露光領域の加工深さを決定し、変換テーブル５２１に基づいて各露光領域の加工深さに対応する露光量が求められる。そして、各露光領域の露光量から一定時間内の各リセットパルスに対応するＤＭＤセルデータのセットが生成される。
【００２８】
また、形状データには造形物において最も形状精度が要求される高さ（例えば、基板からの高さであり、以下、「基準高さ」という。）を示す情報が含まれており、光造形装置１では、ＯＮ状態の各微小ミラーからの光束が感光部材９内において集束する位置（いわゆる、合焦位置であり、以下、「集束位置」という。）が、感光部材９の基準高さに一致するようにステージ昇降機構４４が制御され、対物レンズ３５と感光部材９との間の距離が調整される（ステップＳ１３）。このとき、ＡＦ検出ユニット３６により対物レンズ３５と感光部材９の表面との間の距離が検出されることにより、対物レンズ３５と感光部材９との間の距離が正確に調整される。
【００２９】
続いて、コンピュータ５の制御により光源３１からの光の出射が開始されるとともに、ＤＭＤ３２が制御される（ステップＳ１４）。ＤＭＤ３２の制御では、まず、コンピュータ５からＤＭＤ３２の各微小ミラーのメモリセルに最初のＤＭＤセルデータの書き込みが行われる。そして、コンピュータ５がＤＭＤ３２にリセットパルスを送信することにより各微小ミラーがメモリセルのデータに応じた姿勢となり、各露光領域への最初の露光が行われる。
【００３０】
リセットパルスが送信された後、すぐに次のＤＭＤセルデータが各微小ミラーのメモリセルに書き込まれる。そして、コンピュータ５からの２回目のリセットパルスの送信により各微小ミラーがメモリセルのデータに従った姿勢となる。光造形装置１では、ＤＭＤセルデータの書き込み、および、リセットパルスの送信を繰り返し行うことにより、各微小ミラーのＯＮ状態の累積時間が正確に制御され、各露光領域に照射される光の累積光量がステップＳ１２において求められた露光量とされる。
【００３１】
所定回数のリセットパルスの送信が終了すると、光源３１からの光の出射が停止される（ステップＳ１５）。以上の動作により露光された感光部材９は、光造形装置１外の他の装置において現像され、各露光領域への累積光量に応じた深さの感光性レジストが除去される。これにより、所望の３次元形状を有する造形物が完成する。
【００３２】
次に、変換テーブル５２１を作成する動作について説明を行う。変換テーブル５２１の作成では、テーブル作成用の感光部材９上に予め複数の矩形領域が設定されており、矩形領域毎に、属する露光領域への露光量が異なるＤＭＤセルデータのセットが生成される。そして、上述のステップＳ１４と同様に、ＤＭＤセルデータに従って感光部材９への露光が行われる。これにより、各矩形領域には単位面積当たりに互いに異なる量の光が照射される。このとき、感光部材９に対して集束位置が所定の位置となるようにステージ２が予め昇降され、露光時の対物レンズ３５と感光部材９の表面との間の距離（以下、「露光時の距離」という。）が記憶部５２に記憶される。
【００３３】
露光後の感光部材９の感光性レジストは外部の現像装置において現像され、現像後の感光部材９が光造形装置１に戻される。光造形装置１では、ステージ２の高さが露光時と同じ高さとされる。そして、複数の矩形領域のうちの１つの矩形領域がＡＦ検出ユニット３６によるレーザ光の照射位置へと移動され、対物レンズ３５との間の距離（以下、「現像後の距離」という。）が検出される。他の矩形領域についても同様に現像後の距離が検出される。
【００３４】
演算部５１では、各矩形領域の現像後の距離と露光時の距離との差（すなわち、各矩形領域の現像前後の高さの差）が加工深さとして算出され、各矩形領域に対する単位面積当たりの露光量と加工深さとが関連付けられて変換テーブル５２１が精度よく作成される。これにより、光造形装置１における３次元造形用の光の照射を精度よく行うことができる。なお、互いに異なる量の光が照射された後に現像された矩形領域の高さを測定する測定器は、必ずしもＡＦ検出ユニット３６である必要はなく、例えば、触針式の測定器等が別途設けられてもよい。
【００３５】
以上のように、光造形装置１では、コンピュータ５が複数の微小ミラーを有するＤＭＤ３２を制御することにより、各微小ミラーの姿勢が個別に変更され、各微小ミラーに対応する照射領域６１に照射される光の量が制御される。これにより、光造形装置１では各露光領域に対する多階調の露光が実現され、感光材料を積層することなく実質的に３次元造形が行われる。その結果、所望の３次元形状を有する造形物を短時間かつ容易に製作することができ、製作コストを削減することができる。また、光造形装置１では、空間変調された光の集束位置を感光部材９（の感光性レジスト内）の基準位置に合わせることにより、高い形状精度が要求される高さにおいて光の照射を特に精度よく行うことができる。
【００３６】
図６は、光造形装置１の露光動作および現像により製作された造形物の一例を示す図である。図６に示すように、光造形装置１では、微小な３次元造形物の製作が可能である。
【００３７】
次に、本発明の一の実施の形態に係る光造形装置１について説明を行う。光造形装置１は、上記関連技術に係る光造形装置１においてＤＭＤ３２をヘッド部３内で傾斜して設けたものであり、以下の説明では、上記関連技術の説明にて用いた符号を参照して説明を行う。ＤＭＤ３２が傾斜して設けられることにより、図７（ａ）に示すように感光部材９上の照射領域群６１０（図２中の１つのブロック３２１に対応する。）の配列方向が相対移動方向（すなわち、図７（ａ）中のＹ方向）に対して傾斜している。なお、図７（ａ）では照射領域群６１０が４行で配列されるように示されているが、実際には行および列方向に対して多数の照射領域が配列されている。
【００３８】
照射領域群６１０の相対移動方向に対する傾斜は、照射領域群６１０の２つの配列方向のうち相対移動方向にほぼ沿う方向（すなわち、ＤＭＤ３２の列方向に対応する方向であり、以下、同様に「列方向」と呼ぶ。）と相対移動方向とのなす角が所定の角度θとなるように傾けられる。このとき、１つの列において両端に位置する照射領域（図７（ａ）中に符号６１１，６１２を付す照射領域）の相対移動方向に垂直な方向（すなわち、Ｘ方向）の距離Ｌ１が、照射領域群６１０の列方向に垂直な行方向のピッチＰ１よりも小さくされる。
【００３９】
図８は光造形装置１による露光動作の流れを示す図であり、図４中のステップＳ１３以降の動作の流れを示している。なお、説明の便宜上、以下、微小ミラーが４行ｍ列に配列された１つのブロック３２１のみにより露光が行われるものとして説明を行う。また、本実施の形態では照射領域群６１０が感光部材９に対して移動するため、以下の説明における露光領域は、感光部材９上に固定された領域である。
【００４０】
光造形装置１では、上記関連技術と同様に、ステップＳ１１〜Ｓ１３が行われた後、コンピュータ５の制御によりステージ２が（＋Ｙ）方向に移動を開始し、照射領域群６１０が感光部材９に対して（−Ｙ）方向に相対的に連続的に移動する（ステップＳ２１）。そして、光源３１から光の出射が開始されるとともに、照射領域群６１０の相対移動に同期してＤＭＤ３２が制御され、露光動作が行われる（ステップＳ２２）。
【００４１】
図９（ａ）〜（ｆ）は照射領域群６１０の相対移動に同期してＤＭＤ３２が制御される様子を説明するための図である。図９（ａ）〜（ｅ）では１列の照射領域群６１０のみを示し、ＯＮ状態とされる照射領域を実線で示し、ＯＦＦ状態とされる照射領域を破線にて示している。また、図９（ａ）〜（ｅ）では（＋Ｙ）側に位置する照射領域から順に符号６１ａ，６１ｂ，６１ｃ，６１ｄを付すとともに感光部材９上の露光領域群６２０を二点鎖線にて示している。
【００４２】
コンピュータ５から１回目のＤＭＤセルデータが各微小ミラーのメモリセルに書き込まれ、照射領域群６１０が感光部材９上の所定の露光開始位置へと到達すると、コンピュータ５より最初のリセットパルスが送信される。これにより、ＤＭＤ３２の各微小ミラーがメモリセルのデータに従った姿勢とされ、対応する照射領域への光の照射のＯＮ／ＯＦＦが行われる。例えば、図９（ａ）に示すように、照射領域６１ｄのみがＯＮ状態とされ、他の照射領域６１ａ〜６１ｃはＯＦＦ状態とされる。
【００４３】
リセットパルス送信後、すぐに２回目のＤＭＤセルデータが各微小ミラーのメモリセルに書き込まれる。リセットパルスのＤＭＤ３２への送信は、ステージ移動機構４１がステージ２を移動させる動作に同期して行われる。すなわち、１回目のリセットパルスから照射領域群６１０が露光領域群６２０の相対移動方向に関するピッチＰ２の距離だけ移動した時点で２回目のリセットパルスがＤＭＤ３２へと送信され、図９（ｂ）に示すように、照射領域６１ｃ，６１ｄがＯＮ状態とされ、他の照射領域６１ａ，６１ｂはＯＦＦ状態とされる。
【００４４】
続いて、３回目のリセットパルスの送信では、図９（ｃ）に示すように照射領域６１ｂ〜６１ｄがＯＮ状態とされ、図９（ｄ）に示すように４回目のリセットパルスの送信では、全ての照射領域６１ａ〜６１ｄがＯＮ状態とされる。そして、５回目のリセットパルスの送信では、図９（ｅ）に示すように全ての照射領域６１ａ〜６１ｄがＯＦＦ状態とされる。これにより、一の露光領域に対して複数の照射領域から光の照射が重ねて行われ（すなわち、多重露光が行われ）、図９（ｆ）に示すように５階調の露光が可能となる。なお、照射領域群６１０は相対移動しているため、図９（ｆ）に示す光量は正確には緩やかに変化する。
【００４５】
このとき、照射領域群６１０の列方向が相対移動方向に平行な方向に配列され、かつ、ＤＭＤ３２の各微小ミラー間に構造上の微小な間隙が存在する場合には、各照射領域の列間に光が照射されない領域が存在することとなる。しかしながら、光造形装置１では、図７（ａ）に示すように照射領域群６１０が傾いた状態で連続的に相対移動することから、図７（ｂ）に示すように累積光量はＸ方向に関してほぼ一定に分布することとなる。したがって、Ｘ方向に関して隣接する露光領域間においても、光を適切に照射することが実現される。
【００４６】
照射領域群６１０が（−Ｙ）側の最後の露光領域を通過すると光源３１からの光の出射が停止され（ステップＳ２３）、ステージ２の移動が停止される（ステップＳ２４）。なお、露光領域群のＸ方向の幅が大きい場合には照射領域群６１０をＸ方向にステップ移動（すなわち、副走査）して露光動作が繰り返され、その後、ステップＳ２３，Ｓ２４が実行される。露光が終了すると、上記関連技術と同様に感光部材９の感光性レジストが現像され、３次元の造形物が完成する。
【００４７】
以上のように、光造形装置１では、それぞれが変調の単位に対応する照射領域群６１０の感光部材９に対する相対移動に伴い、感光部材９上の１つの露光領域を通過する複数の照射領域からこの露光領域に照射される光の累積量が制御される。これにより、１つの露光領域に対して複数の照射領域による重ね合わせの露光が可能となり、多階調の露光が実現される。また、必要最小限の行数の微小ミラーのみを露光に利用することにより、使用されるブロック３２１を少なくすることができ、メモリセルへのデータの書き込み時間を短縮することも可能となる。その結果、感光部材９上の広範囲に亘る露光を短時間に高精度にて行うことができる。
【００４８】
さらに、光造形装置１では、照射領域群６１０の列の両端に位置する照射領域の相対移動方向に垂直な方向の距離が照射領域群６１０の行方向のピッチよりも小さくなるようにＤＭＤ３２が傾斜して設けられるため、ＤＭＤ３２を傾斜しない場合と同様にＤＭＤ３２を容易に制御でき、かつ、造形物の形状に微小ミラー間の間隙の影響が生じることを抑制することができる。
【００４９】
図１０は、上記実施の形態に係る光造形装置１の露光動作および現像により製作された造形物の一例を示す図である。図１０に示すように、光造形装置１により、非常に高精度で滑らかな３次元造形物の製作が実現される。
【００５０】
なお、ＤＭＤ３２の列間の隙間が感光に影響を与えない程度に微小である場合には、照射領域群６１０は走査方向に対して傾けられなくてもよい。一方で、互いに隣接する露光領域間にて高精度に加工深さが制御される必要がない（あるいは、加工深さが大きく変化しない）場合には、照射領域群６１０の列の両端に位置する照射領域の相対移動方向に垂直な方向の距離が照射領域群６１０の行方向のピッチよりも大きくなるようにＤＭＤ３２が傾斜して設けられてもよい。
【００５１】
光造形装置１では、上記関連技術において説明した多階調の露光と多重露光とを組み合わせることにより、より高度な３次元造形用の露光を行うこともできる。図１１（ａ）〜（ｆ）は露光動作の他の例を説明するための図であり、図１１（ａ）〜（ｅ）は、図９（ａ）〜（ｅ）と同様に照射領域群６１０が感光部材９に対して相対的に移動する様子を示している。また、各照射領域に付す平行斜線の種類により各照射領域による露光の階調（５通り）を示しており、平行斜線の密度が高いほど露光量が多く、ＯＦＦ状態が維持される照射領域を破線にて示している。
【００５２】
図１１（ａ）〜（ｅ）に示す露光動作では、１回目のリセットパルスから照射領域群６１０がピッチＰ２の距離だけ移動する間に、所定回数のリセットパルスの送信が繰り返され、各リセットパルスに対応するＤＭＤセルデータに応じて各微小ミラーの姿勢が高速に変更される。これにより、照射領域群６１０がピッチＰ２だけ移動する間に、各照射領域において多階調の光の照射が実現される。なお、各微小ミラーがＯＮ状態となる瞬間を適度に分散させることで、照射領域群６１０が相対移動しながらであっても露光むらが抑えられる。
【００５３】
図１１（ａ）〜（ｅ）に示すように、照射領域群６１０の相対移動に同期して各照射領域の階調を制御して多階調の光の照射と多重露光とを組み合わせることにより、図１１（ｆ）に示すようにＤＭＤ３２の各微小ミラーに設定する階調数以上の多階調の露光を行うことができる。
【００５４】
図１２は他の関連技術に係る光造形装置１ａを示す図である。光造形装置１ａは変調された光を出射しつつ、照射位置を移動させるユニットであるヘッド部３ａを有し、光造形装置１ａではヘッド部３ａのみが図１の光造形装置１と異なっている。他の構成は図１と同様であり、同符号を付している。
【００５５】
光造形装置１ａのヘッド部３ａでは、半導体レーザを有する光源３１から出射された光が光変調素子３２ａにより変調され（すなわち、光の強度が変更され）、変調された光はポリゴンミラー３８へと導かれる。ポリゴンミラー３８はエンコーダを有するモータ（図示省略）により回転し、エンコーダからの出力がコンピュータ５に入力される。回転するポリゴンミラー３８により反射された光は図１２中のＸ方向に移動しつつハーフミラー３４ａおよび走査レンズ群３５ａを介して感光部材９へと導かれる。
【００５６】
光造形装置１ａが３次元造形用の露光を行う際には、図１の光造形装置１と同様に、予め準備された造形物の形状データおよび記憶部５２に記憶された変換テーブル５２１に基づいて各露光領域への露光量が演算部５１により求められ、さらに、ヘッド部３ａと感光部材９との間の距離が調整される（図４中のステップＳ１１〜Ｓ１３）。続いて、ステージ２の移動が開始され、感光部材９がステージ移動機構４１によりＹ方向へと移動する（図８中のステップＳ２１）。そして、コンピュータ５がポリゴンミラー３８のモータ、光変調素子３２ａおよびステージ移動機構４１を同期させて制御することにより、感光部材９上の光の照射領域がＸおよびＹ方向に移動するとともに光変調素子３２ａにより光の強度が変更される。これにより、感光部材９上の露光領域群に高速に多階調の露光が行われる（ステップＳ２２）。その後、光の出射およびステージの移動が停止され（ステップＳ２３，Ｓ２４）、感光部材９の感光性レジストが現像されて３次元の造形物が完成する。
【００５７】
以上のように、光造形装置１ａでは光源３１および光変調素子３２ａにより構成される光源ユニットから出射された光の照射領域が感光部材９に対して相対的に移動するとともに、照射領域の相対移動に同期して光源ユニットの制御が行われる。これにより、光造形装置１ａでは感光部材９上の広範囲に亘って３次元造形用の露光を高速かつ高精度に行うことができ、その結果、高精度な３次元造形物を短時間に製作することができる。なお、光源３１の半導体レーザの出力が制御される等により光源ユニットから変調された光が出射されてもよく、照射領域の走査もガルバノミラーや偏向素子等の他の手法により行われてもい。
【００５８】
以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく様々な変形が可能である。
【００５９】
感光性レジストは必ずしもポジ型である必要はなく、ネガ型の感光性レジストが利用されてもよい。ネガ型の感光性レジストが利用される場合には、ガラス基板上に感光性レジストが塗布された感光部材９が準備され、図１３に示すように、ガラスにより形成されたステージ２上に感光部材９が感光性レジストを上にして載置される。そして、ヘッド部３からの空間変調された光がステージ２およびガラス基板を透過して感光性レジストに導かれ、３次元造形の露光が行われる。そして、現像により露光量に応じた凹凸を有する感光性レジストがガラス基板上に残留する。
【００６０】
また、感光部材９の感光材料は必ずしも基板上に塗布された感光性レジストである必要はなく、他の感光性樹脂等であってもよい。
【００６１】
光造形装置に設けられる空間光変調デバイスは、ＤＭＤ３２には限定されず、例えば、回折格子型の空間光変調デバイス（いわゆる、ＧＬＶ）であってもよい。また、光源として複数の発光ダイオード等を２次元配列し、発光ダイオード群に対応する光照射領域群の配列方向が相対移動方向に対して傾斜された状態で、各発光ダイオードのＯＮ／ＯＦＦを照射領域の相対移動に同期して制御することにより露光が行われてもよい。
【００６２】
変換テーブル５２１は、必ずしも露光領域に照射される光の量と加工深さとの関係を示すテーブルである必要はなく、一の露光領域に照射される光の量と感光材料の感光される深さとの関係を実質的に示すテーブルであればよい。
【００６３】
ステージ２とヘッド部３との相対移動は（すなわち、感光部材９と照射領域群との相対移動は）、ヘッド部３に設けられた移動機構により行われてもよい。また、照射領域に対応する光束が集束する位置と感光部材９の表面との間の距離を変更する機構は、必ずしも、ステージ２を昇降するステージ昇降機構４４である必要はなく、例えば、ヘッド部３に設けられた集束位置を変更する機構であってもよい。
【００６４】
なお、上記実施の形態における光造形装置は、様々な形状の造形物の製作に用いることができるが、微小な周期的凹凸を有する形状の製作に特に適している。
【００６５】
【発明の効果】
請求項１ないし７の発明では、感光材料上の広範囲に亘って造形用の露光を短時間に高精度にて行うことができる。
【００６６】
また、請求項３の発明では、空間光変調デバイスを容易に制御することができるとともに精度よく露光を行うことができる。
【００６７】
また、請求項４の発明では、微小ミラーにより効率よく感光材料に造形用の露光を行うことができる。
【００６８】
また、請求項５の発明では、現像後の造形物の形状精度を向上することができる。
【００６９】
また、請求項７の発明では、テーブルを精度よく作成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】関連技術に係る光造形装置の構成を示す図である。
【図２】ＤＭＤを模式的に示す図である。
【図３】照射領域群を示す図である。
【図４】３次元造形の露光動作の流れを示す図である。
【図５】加工深さと露光量との関係を示す図である。
【図６】製作された造形物の一例を示す図である。
【図７】（ａ）は一の実施の形態における感光部材上の照射領域群を示す図であり、（ｂ）はＸ方向に関する累積光量を示す図である。
【図８】一の実施の形態における露光動作の流れを示す図である。
【図９】（ａ）ないし（ｅ）は感光部材上の照射領域群を示す図であり、（ｆ）はＹ方向に関する累積光量を示す図である。
【図１０】製作された造形物の一例を示す図である。
【図１１】（ａ）ないし（ｅ）は感光部材上の照射領域群を示す図であり、（ｆ）はＹ方向に関する累積光量を示す図である。
【図１２】他の関連技術に係る光造形装置の構成を示す図である。
【図１３】ステージを介して感光部材を露光する様子を示す図である。
【符号の説明】
１，１ａ光造形装置
２ステージ
５コンピュータ
９感光部材
３１光源
３２ＤＭＤ
３２ａ光変調素子
３６ＡＦ検出機構
３８ポリゴンミラー
４１ステージ移動機構
４４ステージ昇降機構
５１演算部
５２記憶部
６１，６１１，６１２，６１ａ〜６１ｄ照射領域
３２１ブロック
５２１変換テーブル
６１０照射領域群
６２０露光領域群
Ｌ１距離
Ｐ１，Ｐ２ピッチ

Claims

感光材料に光を照射して造形を行う光造形装置であって、
空間変調された光を生成する空間光変調デバイスと、
前記空間光変調デバイスにより空間変調された光が照射される感光材料を保持する保持部と、
それぞれが変調の単位に対応する感光材料上の照射領域群を前記感光材料に対して相対的に移動する移動機構と、
前記照射領域群の相対移動に同期して前記空間光変調デバイスを制御することにより、前記感光材料上の露光の単位となる各露光領域を通過する複数の照射領域から前記各露光領域に照射される光の累積量を多階調に制御する制御部と、
を備えることを特徴とする光造形装置。
請求項１に記載の光造形装置であって、
前記照射領域群が２次元に配列され、前記照射領域群の相対移動方向が一の配列方向にほぼ沿うことを特徴とする光造形装置。
請求項２に記載の光造形装置であって、
前記照射領域群が互いに垂直な２方向に対して等間隔に配列されており、前記一の配列方向に関する列の両端の照射領域の前記相対移動方向に垂直な方向の距離が、前記照射領域群の他の配列方向のピッチよりも小さいことを特徴とする光造形装置。
請求項１ないし３のいずれかに記載の光造形装置であって、
前記空間光変調デバイスが複数の微小ミラーを有し、前記複数の微小ミラーの姿勢を個別に変更して光源からの光を空間変調することを特徴とする光造形装置。
請求項１ないし４のいずれかに記載の光造形装置であって、
照射領域に対応する光束が集束する位置と感光材料の表面との間の距離を変更する機構をさらに備えることを特徴とする光造形装置。
請求項１ないし５のいずれかに記載の光造形装置であって、
前記制御部が、
造形物の形状に関する形状データ、および、一の露光領域に照射される光の量と感光材料の感光される深さとの関係を実質的に示すテーブルを記憶する記憶部と、
前記形状データおよび前記テーブルに基づいて感光材料上の露光の単位となる各露光領域に照射される光の量を求める演算部と、
を有することを特徴とする光造形装置。
請求項６に記載の光造形装置であって、
複数の露光領域に互いに異なる量の光が照射された後に現像された感光材料の前記複数の露光領域における高さを測定する測定器をさらに備え、
前記制御部が、前記複数の露光領域における露光量と感光材料の高さとに基づいて、前記テーブルを作成することを特徴とする光造形装置。