光造型装置用光学系统
阅读说明：本技术 光造型装置用光学系统 (Optical system for optical modeling apparatus ) 是由 大岛英司 铃木久则 于 2021-02-26 设计创作，主要内容包括：提供一种能够通过光造型装置进行高精度的造型的光造型装置用光学系统。光造型装置用光学系统(10)具有：光源(11),光扫描部(16),使从光源(11)出射的光反射并朝向造型面(IM)扫描,以及聚光透镜(17),配置在光扫描部(16)与造型面(IM)之间,将由光扫描部(16)反射的光聚光。在将聚光透镜(17)的焦点距离设为f,将聚光透镜(17)的造型面(IM)侧的面的最大有效直径上的法线角设为A时,光造型装置用光学系统(10)满足以下的条件式：f≤25mm,0.3＜cos(A)。(Provided is an optical system for an optical modeling device, which can perform modeling with high precision by the optical modeling device. An optical system (10) for an optical modeling device comprises: the light source (11), the light scanning unit (16), make the light that is sent out from the light source (11) reflect and scan towards the moulding surface (IM), and the condenser lens (17), dispose between light scanning unit (16) and moulding surface (IM), condense the light reflected by the light scanning unit (16). When the focal length of a condenser lens (17) is f and a normal angle on the maximum effective diameter of a surface on the modeling surface (IM) side of the condenser lens (17) is A, an optical system (10) for an optical modeling device satisfies the following conditional expression: f is less than or equal to 25mm, and cos (A) is more than 0.3.)
技术领域
本发明涉及一种适合搭载于光造型装置中的光造型装置用光学系统，该光造型装置使用从激光光源或LED光源等光源出射的光将光固化性树脂固化来造型成期望的形状。
背景技术
以多品种少量生产、缩短试制期间、削减开发成本等为目的的增材制造技术即所谓的3D打印机备受瞩目。3D打印机将由CAD等制成的三维数据作为设计图，基于其剖面形状来附着材料，由此能够对三维的物体进行造型。3D打印机的造型方式有各种方式。其中，利用激光等光使光固化性的树脂选择性地固化来进行造型的液槽光聚合(VatPhotopolymerization)(光造型)能够实现微小且高精细的造型。
作为采用了光造型方式的3D打印机，公知有例如专利文献1中记载的光造型装置。搭载在该光造型装置中的光学系统具有光源、光强度调制器、扩束镜、聚光透镜以及2个电流计镜(Galvanometer mirror)。从光源出射的光依次穿过光强度调制器、扩束镜以及聚光透镜，入射到电流计镜。电流计镜分别具有镜片和致动器，各镜片在相互正交的方向上转动。由电流计镜的各镜片依次反射的光照射到造型面上的光固化性树脂上，被光照射的部位固化。此外，通过层叠该固化的层来对三维的物体进行造型。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2017-94563号公报
发明内容
发明要解决的问题
近年来，随着光造型方式的造型对象的扩大，要求比以往更高精细的造型。例如，在衍射光学元件(DOE：Diffractive Optical Element)中，为了忠实地再现凹凸结构，需要比以往更高精细的造型。在光造型中，虽然能够通过使照射到造型面的光线的聚光直径即所谓的光斑直径变小来进行高精细的造型，但为了将其实现，存在各种技术课题。
在专利文献1所记载的光造型装置的光学系统中，从光源出射的光线被扩束镜放大，该放大的光线入射到聚光透镜上。由于通过放大光线的光束直径而使聚光透镜的NA(数值孔径)变大，所以能够使照射到造型面的光线的光斑直径变小。但是，在从聚光透镜到造型面之间，配置有用于扫描光线的电流计镜，所以从聚光透镜到造型面之间的距离必然变长。因此，在专利文献1所记载的光学系统中，难以进一步减小照射到造型面的光线的光斑直径，在提高造型精度方面存在限制。
本发明的目的在于，提供一种能够进行高精细的光造型的光造型装置用光学系统。
用于解决问题的手段
为了解决上述课题，本发明的光造型装置用光学系统，具有：光源，光扫描部，使从光源出射的光反射并朝向造型面扫描，以及聚光透镜，配置在光扫描部与造型面之间，将被光扫描部反射的光聚光。在这样的结构中，在将聚光透镜的焦点距离设为f，将聚光透镜的造型面侧的面的最大有效直径上的法线角设为A时，本发明的光造型装置用光学系统满足以下条件式(1)以及条件式(2)。
f≤25mm(1)
0.3＜cos(A)(2)
由于在以往的光造型装置用光学系统中，聚光透镜的焦点距离长，所以难以减小照射在造型面上的光线的光斑直径。另一方面，在本发明的光造型装置用光学系统中，将聚光透镜配置在光扫描部与造型面之间。由此，能够使聚光透镜靠近造型面，能够缩短聚光透镜的焦点距离。另外，由于也能够减小聚光透镜的NA，所以通过满足上述条件式(1)，能够使照射到造型面的光线的光斑直径变为例如10μm以下。因此，根据本发明的光造型装置用光学系统，能够在光造型装置中进行高精细的造型。
但是，在光造型装置中，通过对光固化性树脂照射光并使该部分固化来进行造型，因此即使能够减小照射到造型面的光线的光斑直径，也有可能无法通过造型面中的光照射能的分布状态实现高精细的造型。在光照射能低的部位和高的部位，造型物的分辨率会发生变化。一般来说，由于透镜的特性，随着造型面的像高变高，周边光量比有降低的倾向。在光照射能没有达到光固化性树脂的固化所需的能量的情况下，造型物的轮廓不鲜明，难以进行高精细的造型。
因此，本发明的光造型装置用光学系统通过进一步满足上述条件式(2)，抑制了照射到造型面的光线的周边光量比的降低。由此，能够实现造型面中的光照射能的分布的均匀化，因此能够进行更高精细的造型。此外，在本说明书中，法线角是指，与聚光透镜的光轴正交的方向与透镜面的法线方向之间的角度。
在上述结构的光造型装置用光学系统中，优选聚光透镜为双凸透镜，在将聚光透镜的光扫描部侧的面的曲率半径设为R1，将聚光透镜的造型面侧的面的曲率半径设为R2时，满足以下的条件式(3)。
1.0≤|R1/R2|(3)
通过满足条件式(3)，能够抑制在聚光透镜的造型面侧的面中的最大法线角变小，能够适当地抑制造型面上的周边光量比的降低。
在上述结构的光造型装置用光学系统中，优选在光源与光扫描部之间还具有光束整形单元。在该情况下，优选在将从光源入射的光线的横截面中的短轴的长度设为Da，将长轴的长度设为Db时，光束整形单元在出射侧以满足以下的条件式(4)的方式使短轴方向的光扩散。
0.9＜Da/Db＜1.2(4)
另外，从光源出射的光线的剖面形状不是圆形的情况较多。尤其是半导体激光，在其结构上，光出射面的形状是矩形，因而出射的光线的剖面形状为椭圆形。若椭圆形的光线入射到聚光透镜，则照射到造型面的光线的光斑形状也形成为椭圆形，因此造型效率降低。另外，在光斑形状为椭圆形的情况下，也难以使光斑直径变小，难以进行精细的造型。通过满足上述条件式(4)，从光源出射的光线被光束整形单元整形为大致圆形，因此能够进行高精细的造型。
在上述结构的光造型装置用光学系统中，优选光扫描部具有反射镜，使从光束整形单元出射的光线的直径与反射镜的直径相等。由反射镜反射的光线被聚光透镜聚光到造型面上。通过使入射到光扫描部的光线的直径与反射镜的直径相等，来适当地保持由光扫描部的扫描而连续地照射到造型面上的光斑的间隔和大小，能够进行更精细的造型。
优选光束整形单元在从光源出射的光线的入射侧具有沿着长轴形成的凹面，在出射侧具有沿着长轴形成的凸面。
根据这种结构，入射到光束整形单元的光线的短轴侧的光被上述凹面放大，且在出射侧被上述凸面聚光。因此，能够使入射到光束整形单元的椭圆形的光作为大致圆形的平行光而出射。
发明的效果
根据本发明的光造型装置用光学系统，能够在光造型装置中进行高精细的造型。
附图说明
图1是搭载有一实施方式的光造型装置用光学系统的光造型装置的示意图。
图2是示出第一数值实施例的光造型装置用光学系统的概略结构的光路图。
图3是在整形单元中沿着入射光的长轴切断的剖面图。
图4是在整形单元中沿着入射光的短轴切断的剖面图。
图5是用于说明法线角的图。
图6是示出第二数值实施例的光造型装置用光学系统的概略结构的光路图。
图7是示出第三数值实施例的光造型装置用光学系统的概略结构的光路图。
图8是示出第四数值实施例的光造型装置用光学系统的概略结构的光路图。
附图标记说明
1：光造型装置、
10：光造型装置用光学系统、
11：光源、
12：准直透镜、
13：光束整形单元、
14：第一介质镜、
15：第二介质镜、
16：光扫描部、
16a：MEMS镜、
17：聚光透镜、
20：工作台、
30：槽、
40：光固化性树脂、
50：平台、
60：立体造型物。
具体实施方式
以下，参照附图，详细说明将本发明具体化的一实施方式。
本实施方式的光造型装置用光学系统设想搭载在光造型装置中，该光造型装置采用了利用激光等光使光固化性的树脂选择性地固化来进行造型的液槽光聚合(光造型)方式。
首先，说明光造型装置的概略结构。如图1所示，光造型装置1具有光造型装置用光学系统10、工作台20、载置在工作台20上的槽30、积存在槽30中的光固化性树脂40以及配置在槽30的上方的平台50。在工作台20中，在隔着槽30的底面而与平台50的造型面IM相向的位置，设置有与造型面IM相同程度的大小的开口部。光造型装置用光学系统10配置在工作台20的开口部的下方。
在进行造型时，平台50浸泡在槽30内的光固化性树脂40中。从光造型装置用光学系统10的光源11出射的光线对平台50的造型面IM进行扫描，在造型面IM中，被光照射的部位固化。而且，通过以规定的间距连续地抬高平台50，固化的层被层叠，从而形成立体造型物60。其中，光固化性树脂40的固化的状态受到照射的光的光斑直径、光能的强度及其分布状态等左右。从光造型装置用光学系统10出射的光线的形状等决定光造型装置1中的造型的精度。
图2以及图6～图8是示出本实施方式的第一数值实施例～第四数值实施例的光造型装置用光学系统的概略结构的光路图。由于所有的数值实施例的基本结构都相同，所以在此参照第一数值实施例的光路图来说明本实施方式的光造型装置用光学系统。
如图2所示，本实施方式的光造型装置用光学系统10从光源11朝向造型面IM侧依次具有准直透镜12、光束整形单元13、第一介质镜14、第二介质镜15、光扫描部16以及聚光透镜17。
作为光源11，能够适用各种光源，但优选使用发光效率高的激光光源和LED光源等半导体光源。其中，激光光源的单色性以及指向性良好，通过透镜的聚光，能够提高能量密度。在本实施方式中，作为光源11，使用市场流通量大且可靠性也高的波长为405nm的激光光源。准直透镜12将从该光源11入射的光转换为平行光，并朝向光束整形单元13出射。
如图3以及图4所示，本实施方式中的光束整形单元13具有如下形状，即，使平凹的柱面透镜和平凸的柱面透镜以凸面和凹面的形成方向一致的方式将平面侧分别接合的形状。此外，也可以由凹凸的2片柱面透镜构成光束整形单元13。
在本实施方式中，使用激光光源作为光源11，所以从准直透镜12出射大致椭圆形状的平行光。光束整形单元13将从该准直透镜12入射的大致椭圆形状的光整形为大致圆形。详细地，在将入射的光线的横截面中的短轴的长度设为Da，将长轴的长度设为Db时，光束整形单元13在出射侧以满足以下条件式的方式放大短轴方向上的光，
0.9＜Da/Db＜1.2。
此外，在本实施方式中，使用半值宽度作为Da以及Db的值。
进一步详细说明光束整形单元13。从光束整形单元13出射满足上述条件式“0.9＜Da/Db＜1.2”的光线。例如，在输入光束整形单元13的光线的横截面中的短轴的长度为Da＝0.47mm，长轴的长度为Db＝1.01mm时，短轴方向的光线被放大为约2.13倍。其结果是，光束整形单元13的出射侧的短轴的长度为Da＝1.00mm，长轴的长度为Db＝1.01mm，从光束整形单元13出射“Da/Db＝1.0”的光。
如图3所示，在光束整形单元13中，光线入射的一侧的面(以下称为“入射面”)形成为沿着长轴的凹面形状，且在光线出射的一侧的面(以下称为“出射面”)形成为沿着长轴的凸面形状。在图3中，分别示出在光束整形单元13的入射侧的入射光的概略形状以及在出射侧的出射光的概略形状(图4也同样)。入射到光束整形单元13的光中的短轴方向的光通过凹面形状的入射面而扩散，且通过穿过凸形状的出射面而作为平行光出射。
另一方面，如图4所示，若沿着短轴方向观察光束整形单元13的剖面形状，则入射面以及出射面的曲率半径都是无穷大，即形成为平面。入射到光束整形单元13的光中的长轴方向的光不会被聚光或扩散，而是直接作为平行光出射。
如上所述，在光束整形单元13中，由于仅入射的光中的短轴方向的光被扩散，所以从光束整形单元13出射大致圆形的平行光。
第一介质镜14以及第二介质镜15均是平面镜。从光束整形单元13出射的光首先被第一介质镜14反射，接着被第二反射镜15反射。由于能够通过介质镜14以及介质镜15使光路弯曲，所以能够使光造型装置用光学系统10小型化。对于介质镜14以及介质镜15，能够省略其中一方或双方。第四数值实施例是省略了介质镜14以及介质镜15双方的结构的例子。通过省略介质镜14以及介质镜15，能够抑制光造型装置用光学系统10的制造成本。
光扫描部16扫描从介质镜15入射的光线。光扫描部16具有作为反射镜的二维MEMS(Micro Electro Mechanical System：微机电系统)镜16a。二维MEMS镜16a是电磁驱动式的镜片，能够在二维方向上移动。被二维MEMS镜16a反射的光线随着二维MEMS镜16a的移动而被扫描。
由于上述介质镜14以及介质镜15是平面镜，所以入射到光扫描部16的光的形状与从光束整形单元13出射的光的形状大致相同。在本实施方式中，通过以使从光束整形单元13出射的光线的直径与MEMS镜16a的直径大致相等的方式进行调整，能够实现高精细的造型。
此外，作为参考，列举MEMS镜16a的例子。在将MEMS镜16a的旋转角设为水平方向±11.1°、垂直方向±6.86°时，扫描范围为水平方向44.4°、垂直方向27.44°。根据MEMS镜16a的驱动频率决定像的分辨率。例如720P(有效垂直分辨率720个)。
本实施方式的聚光透镜17是双凸透镜。聚光透镜17满足以下的各条件式。
f≤25mm，
0.3＜cos(A)，
1.0≤|R1/R2|，
其中，
f：聚光透镜17的焦点距离，
A：聚光透镜17的造型面IM侧的面的最大有效直径上的法线角，
R1：聚光透镜17的光扫描部16侧的面的曲率半径，
R2：聚光透镜17的造型面IM侧的面的曲率半径。
在此，说明法线角。如图5所示，在本实施方式中，将与光轴正交的方向(垂线)与法线的方向之间的角度定义为法线角A。此外，法线是指与透镜面的切线垂直的线。
在本实施方式中，聚光透镜17的两面形成为非球面。以如下公式表示这些非球面的非球面式。
【式1】
其中，
Z：光轴方向的距离，
H：在与光轴正交的方向上的距光轴的距离，
C：近轴曲率(＝1/r，r：近轴曲率半径)，
k：圆锥常数，
An：第n阶的非球面系数。
接着，示出本实施方式的光造型装置用光学系统的数值实施例。在各数值实施例中，Co表示准直透镜，Bs表示光束整形单元，CL表示聚光透镜，其中，S1表示光源侧的面，S2表示造型面IM侧的面。另外，在各数值实施例中，f表示聚光透镜的焦点距离，r表示曲率半径，Φ表示最大有效直径，t表示光轴上的厚度，n表示折射率。
第一数值实施例
【表1】
f＝21.35mm
cos(A)＝0.374，
R1＝160.791mm，
R2＝-11.865mm，
|R1/R2|＝13.551，
Da(入射侧)＝0.47mm，Db(入射侧)＝1.01mm，
Da(出射侧)＝0.92mm，Db(出射侧)＝0.99mm，
Da/Db＝0.93。
第一数值实施例的光造型装置用光学系统满足各条件式。
第二数值实施例
【表2】
f＝7.39mm
cos(A)＝0.622，
R1＝28.893mm，
R2＝-4.193mm，
|R1/R2|＝6.891，
Da(入射侧)＝0.47mm，Db(入射侧)＝1.01mm，
Da(出射侧)＝0.92mm，Db(出射侧)＝0.99mm，
Da/Db＝0.93。
第二数值实施例的光造型装置用光学系统满足各条件式。
第三数值实施例
【表3】
f＝5.70mm
cos(A)＝0.650，
R1＝27.801mm，
R2＝-3.112mm，
|R1/R2|＝8.933，
Da(入射侧)＝0.47mm，Db(入射侧)＝1.01mm，
Da(出射侧)＝0.92mm，Db(出射侧)＝0.99mm，
Da/Db＝0.93。
第三数值实施例的光造型装置用光学系统满足各条件式。
第四数值实施例
【表4】
f＝5.84mm
cos(A)＝0.541，
R1＝5.170mm，
R2＝-4.233mm，
|R1/R2|＝1.221，
Da(入射侧)＝0.47mm，Db(入射侧)＝1.01mm，
Da(出射侧)＝0.92mm，Db(出射侧)＝0.99mm，
Da/Db＝0.93。
第四数值实施例的光造型装置用光学系统满足各条件式。
在本实施方式中，使用1片柱面透镜构成光束整形单元，但是也可以不使用柱面透镜而使用衍射光学元件来构成光束整形单元。如果这样构成，则能够缩短光路长度，因此能够使光造型装置用光学系统进一步小型化。
本实施方式的光造型装置用光学系统的搭载对象不限定于光造型装置。只要是照射的光的形状、强度和分布状态对精度产生影响的造型机、加工机、测量机，则能够适用本发明的光造型装置用光学系统。
因此，在将上述实施方式的光造型装置用光学系统适用于光造型装置的情况下，能够通过该光造型装置进行比以往更加高精细的造型。
产业上的可利用性
本发明能够用作搭载在进行高精细的造型的光造型装置中的光学系统。
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