マスク露光により三次元物体を作製する装置及び方法
【課題】三次元物体を作製するための装置及び方法を改良すること。
【解決手段】
所定数の独立した画素（ピクセル）を有するラスターイメージングユニットを用いてエネルギーを入力することにより、電磁放射の作用で硬化性材料を硬化させて、三次元物体を作製する装置及び方法に関する。三次元物体の個々の断面領域に関するエネルギーの入力は、複数の連続したラスターマスク（ビットマップ；例えば、ビットマップ１及びビットマップ２、並びに、もしあれば他のビットマップ）を用いた露光により制御される。イメージング装置は、断面領域をカバーする第１の全体マスク（ビットマップ１）と該全体マスク内部の部分マスク（ビットマップ２）を含む少なくとも２つのマスクを形成することができるように、適切に制御可能である。ボクセルマトリクスが形成されてもよい。ボクセル毎の硬化深度は、硬化性材料中において具体的に且つ正確に調整される。
【解決手段】
所定数の独立した画素（ピクセル）を有するラスターイメージングユニットを用いてエネルギーを入力することにより、電磁放射の作用で硬化性材料を硬化させて、三次元物体を作製する装置及び方法に関する。三次元物体の個々の断面領域に関するエネルギーの入力は、複数の連続したラスターマスク（ビットマップ；例えば、ビットマップ１及びビットマップ２、並びに、もしあれば他のビットマップ）を用いた露光により制御される。イメージング装置は、断面領域をカバーする第１の全体マスク（ビットマップ１）と該全体マスク内部の部分マスク（ビットマップ２）を含む少なくとも２つのマスクを形成することができるように、適切に制御可能である。ボクセルマトリクスが形成されてもよい。ボクセル毎の硬化深度は、硬化性材料中において具体的に且つ正確に調整される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、互いに独立した所定数の画素（ピクセル）を備えたイメージングユニットを通してエネルギーを入力することにより、電磁放射の作用で硬化性材料を硬化させて、三次元物体を作製する装置及び方法に関する。特に、本発明は、空間光変調器（ＳＬＭ：Ｓｐａｔｉａｌ Ｌｉｇｈｔ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）技術とピクセルサイズにより定まるラスターマスクの最小の物理的解像度をイメージングユニットに適用しつつ、当該ラスターマスクを利用して露光することにより硬化させる装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１には、光硬化性の感光性樹脂で三次元物体を構成（ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ）する方法が極めて多岐にわたって開示されている。
【０００３】
実現可能なものとしては、特に、以下のものを利用した露光が知られている。
ａ）マルチメディアプロジェクタ
ｂ）液晶ディスプレイ（反射型、透過型）
ｃ）ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ−Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）ライン又はレーザダイオードライン（これらはライン方向と直交する方向に移動させられる。）
ｄ）ライトバルブ技術（ＭＥＭＳ：Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）
【０００４】
これらの手法は、特許文献１〜特許文献１０に記載されている。特に、特許文献４には、マイクロテクニカルな三次元部品の作製への応用が記載されている。なお、特許文献５と特許文献６は互いに等しいものである。また、特許文献７は、特許文献８と等価なものである。
【０００５】
【非特許文献１】マーシャル・バーンズ（Ｍａｒｓｈａｌｌ Ｂｕｒｎｓ）著、“Ａｕｔｏｍａｔｅｄ Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ − Ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｖｉｔｙ ｉｎ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ”、１９９３年発行（ＩＳＢＮ ０−１３−１１９４６２−３）
【特許文献１】米国特許第５２４７１８０号明細書
【特許文献２】米国特許第５９８０８１３号明細書
【特許文献３】独国実用新案出願公開第Ｇ ９３ １９ ４０５．６号明細書
【特許文献４】独国実用新案出願公開第２９９ １１ １２２号明細書
【特許文献５】欧州特許出願公開第１２５０９９７号明細書
【特許文献６】米国特許出願公開第２００２／１５５１８９号明細書
【特許文献７】独国特許発明第６９９０９１３６号明細書
【特許文献８】欧州特許第１１５６９２２号明細書
【特許文献９】国際公開第０１／００３９０号パンフレット
【特許文献１０】国際公開第０５／１１０７２２号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
レーザを使って光重合させるシステムでは、レーザビームのエネルギーを設定することによって露光点における光の出力レベルを調整し、それにより、感光性樹脂の当該露光点における硬化深度（硬化した材料の深さ方向における厚み）を制御することができる。対象となるレイヤーを選択的に硬化するためには、硬化させたい断面部のみに対してレーザビームを走査する。硬化させたい断面部の輪郭は、レーザビームにより曲線状に走査することができる。
【０００７】
ＳＬＭ技術を備えた投影システムを利用してマスクを投影し、それによって光重合させるシステムには、断面領域全体を一度に露光することができるという利点がある。投影されたラスター像のうち、明るい領域では、ボクセル単位で、感光性樹脂が硬化する。
【０００８】
ＳＬＭ技術を備えた投影システムには、
ａ）使用する光源；
ｂ）ＳＬＭに光エネルギーを結合するための光学系；及び、
ｃ）投影光学系の“けられ”；
に依存して、像表面に亘る光の出力レベルの分布が極めて不均一になる（絶対値で５０％まで）となる欠点がある。
【０００９】
使用期間中における光源の特性変化は種々のエラーをもたらし、従って、均一な分布にも変化が生じることとなる。更に、光源における光強度の変化は、レーザを用いた場合のような選択的な変化には影響を与えないが、投影された像全体には影響を与える。光エネルギーをＳＬＭに結合させる光学系及び投影光学系によって斑（ムラ）が生じた場合には、一定のエラー（誤差）が懸念される。
【００１０】
硬化させたい断面領域の輪郭はラスター内でのみ理解しうる。解像度は、像点／ピクセルの数と投影された像の大きさによって決まる。
【００１１】
更に、光強度は、露光された面構造の大きさに依存して変化する（広く連続した面の場合、光強度は高く；狭く繊細な面構造の場合、光強度は低い）。
【００１２】
特許文献９では、マスクの透過率を制御することによりビームの強度を制御している。ここで、ビームの強度は、透過型ＬＣＤ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）のグレーレベルを選択することにより制御してもよい。
【００１３】
特許文献１０では、作製する物体の断面領域の輪郭の外側及び輪郭の内側に沿って解像度を上げるためにレイヤー毎にサブピクセルレベルでの多重露光を行う。この露光は、像形成面／造形面内においてサブピクセルレベルで相殺される（オフセットされる）一連の複数の画像から構成される。なお、相殺された像（オフセットイメージ）のそれぞれに対しては、別個のマスク／ビットマップが生成される。
【００１４】
特許文献９及び特許文献１０のいずれも、像面における微調整及び解像度をどのようにすれば改善できるかについて開示しておらず、また、光源が素の状態（何らの補償もしない状態）において有している不均一性（ムラ）をどのようにして均すかについても開示していない。
【００１５】
本発明は、互いに独立した所定数の画素（ピクセル）を備えたイメージングユニットを通してエネルギーを入力することにより、電磁放射の作用で硬化性材料を硬化させて、三次元物体を作製する装置及び方法を改良し、システムの高精度、高解像度及び微調整及び／又は高均一性を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明によれば、三次元物体を作製するための装置において：電磁放射の作用で硬化性材料を硬化させることのできるエネルギーを入力するための画素（ピクセル）であって、互いに独立した所定数のピクセルを備えたイメージングユニット；及びコンピュータ装置、ＩＣ及び／又はソフトウェアインプリメンテーション；を備えており、前記コンピュータ装置、前記ＩＣ及び／又は前記ソフトウェアインプリメンテーションは、複数の連続したラスターマスク（ビットマップ）を用いた露光を利用して、作製したい三次元物体の断面領域に対するエネルギーの入力レベルを制御する機能を有する、装置が提供される。
【００１７】
また、本発明によれば、三次元物体を作製するための装置であって、点状、線状又はマトリクス状に配置された所定数の独立した画素（ピクセル）を有するラスターイメージングユニットを備えており、前記イメージングユニットは、前記三次元物体のそれぞれの断面領域に関する像を前記ピクセルにて構成し、ラスターマスク（ビットマップ）を形成するものであり、前記イメージングユニットは、電磁放射の作用で硬化性材料を硬化させるためのエネルギーの入力を供給するように、構成されており、前記イメージング装置は、前記断面領域をカバーする第１の全体マスク（ビットマップ１）と該全体マスク内部の部分マスク（ビットマップ２）を含む少なくとも２つのマスクを形成することができるように制御されるように構成されている、装置が提供される。
【００１８】
また、本発明によれば、三次元物体を作製するための方法であって、所定数の独立した画素（ピクセル）を有するイメージングユニットを用意するステップと；該イメージングユニットを通してエネルギーを入力することにより、電磁放射の作用で硬化性材料を硬化させてボリューム・ピクセル（ボクセル）のマトリクスを形成するステップ；を備え、硬化対象である前記材料中のボリューム・ピクセルを硬化させるためのエネルギーの入力レベルであって作製したい前記三次元物体の断面領域に対するエネルギーの入力レベルを連続した多数のラスタービットマップにより制御して、前記硬化性材料中のボクセル（ボリューム・ピクセル）毎の硬化深度を調整する、方法が提供される。
【００１９】
更に、本発明によれば、三次元物体を作製するための方法であって、所定数の独立した画素（ピクセル）を有するイメージングユニットを用意するステップと；該イメージングユニットを通してエネルギーを入力することにより、電磁放射の作用で硬化性材料を硬化させるステップ；を備え、前記イメージングユニットは、前記三次元物体の個々の断面領域に関する像を前記ピクセルにて構成し、ラスターマスク（ビットマップ）を形成するものであり、前記三次元物体の断面領域毎に、前記断面領域をカバーする第１の全体マスク（ビットマップ１）と該全体マスク内部の部分マスク（ビットマップ２）を含む少なくとも２つのマスクが使用される、方法が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明について、添付した図面を参照し、更なる典型的な実施の形態に基づいて、より詳細に説明する。しかしながら、本発明は、後述する実施の形態及び実施例並びに図面に限定されるものではなく、むしろ、本発明の範囲内において種々の改変、改良を加えることができるものである。
【００２１】
本発明の装置及び方法によれば、像レベルにおける不均一性を除去することができ、より高精度、高解像度、及び、微調整を達成することができる。
【００２２】
本発明によれば、一方では、ピクセルレベルでの光出力の制御により、硬化対象となる材料中のボクセルの硬化深度を制御することができ、他方では、１又は複数の連続したデジタルマスク（ビットマップ）を通して造形面／露光サイクル毎に選択的に露光することにより、光源を含めたイメージング装置の特性・性能を変更することなく、硬化させたい断面領域の選択された部位を断面領域毎に明確に過露光（強露光）とすることができる。ここで、好ましくは、マスク内の黒／白ラスター（又は、明／暗、及び／若しくは、カラーラスター）がマスク毎に異なっていてもよいし、及び／又は、マスク毎の露光時間が異なっていてもよい。
【００２３】
ラスターマスクを使用した露光によって、硬化対象である材料内において所謂ボクセル（ボリューム・ピクセル）のマトリクスが硬化させられる。ここで、ＸＹラスターは、ピクセルの大きさ、数及び配置によって予め定められており、材料内におけるボクセルの高さ（硬化深度）は多重露光によって制御することができる。更に、好ましい実施の形態では、光の強度及び／又はスペクトルは、特に、グレー値及び／又はカラー値によって（後者の場合は電磁放射の波長帯域又は波長を通じて）ピクセル毎に制御することができる。
【００２４】
本発明によれば、必要に応じて、生成したい構造の特定の部位、即ち、硬化させたい断面領域内部のみにある部位が識別され選択されうる。本発明によれば、三次元物体の輪郭によって規定された個々の断面領域に関連して、エネルギーの入力は非常に効率よく調整される。最も適切には、第１のビットマップで規定される断面領域において、第２のビットマップ又は更なるビットマップが生成される。第１及び第２のビットマップは（もしあるのであれば、付加的なビットマップも）、多重露光によって重ね合わされる。第２のビットマップともしあるならば付加的なビットマップは、それぞれ、第１のビットマップにて形成される全体マスクに含まれる部分マスクを形成する。本発明によれば、「部分マスク」及び「全体マスクに含まれる」という表現は、典型的には、全体マスクと比較して断面積が同じか小さいことに関連して、１又は複数の比較的小さな領域が露光されることを意味する。第２のビットマップともしあるならば付加的なビットマップは、同一である必要はなく、第１のビットマップの全体マスク内で必要に応じて異ならせることができる。従って、全体マスクに加えて形成される部分マスク同士を、同一又は異なるものとすることができるし、また、異なるサブ部分マスクを形成することもできる。
【００２５】
本発明によれば、ボクセルマトリックスは、形成面の予め規定された所定の全体像領域内部に、多重露光によって生成することができる。断面領域毎の形成レベルにおける像のオフセッティングは不要である。ボックスマトリックス形成によれば、例えば、支持構造、張出部及び／又はとりわけ小さい／繊細な部位を極めてより繊細かつより正確に形成することができる。
【００２６】
全体マスクと部分マスクの使用順序は、ランダムに選択することができる。即ち、“ビットマップ”を修飾する文言“第１”、“第２”及び“付加的な”は、いかなるタイムシーケンスを特定するものでもなく、多重マスク露光における異なるビットマップであることを単に示すにすぎない。しかしながら、全体マスクを有する第１のビットマップは最初に使用されることが最も適切である。各ビットマップは、対応するソフトウェアアルゴリズムによって形成することができる。加えて、電気機械シャッターを用いて、全体マスクの露光時間及び部分マスク毎の露光時間を互いに独立に制御することができる。
【００２７】
本発明の多重マスク露光を用いれば、各ボクセルの硬化深度をピクセル単位で制御することができ、したがって、全体、作製されたコンポーネントの表面に関する品質、圧粉体硬度、各細部における正確さ、及び、許容度の改善を図り、また、支持構造に必要な条件を最適化することができる。
【００２８】
本発明の多重マスク露光によれば、硬化させたいボクセルマトリクスの選択された領域を過露光とすることができる。なお、グレー値による調整は、原理的に少なくとも部分的に光のエネルギーを制限するものであることから、ビットマップ中における単なるグレー値のスケーリングによるのみでは、上記のように過露光とすることは不可能であり、また基本的に望ましくない。しかし、更なる微調整のためには、第１、第２及び／又は更なるビットマップにおいてグレー値及び／又はカラー値を調整すると特に効果的である。
【００２９】
これにより、グレー値及び／又はカラー値の調整を行うことなく同じ微調整を行うために必要とされるであろう全体マスク内のビットマップの数を同時に制限しながら、更なる微調整を行うことができる。グレー値及び／又はカラー値の調整は、ビットマップ又は部分的なビットマップ毎に個々のピクセル或いは一部のピクセルで、個々のピクセルに対して別個に行うことができる。
【００３０】
例えば、張出部の硬化、繊細な構造及び材料の堆積部の過露光、造形面における材料の収縮の抑制などに関して、断面領域毎の露光サイクルにおける部分的な露光用のマスクの上手な選択及び使用順序の決定が、実現されうる。
【００３１】
更なる露光マスクの形成は、技術的にはソフトウェアによって全体として実現されることが好ましい。かかるマスク形成は非常にフレキシブルであり且つＳＭＬ技術ベースのマスク投影システムのすべてに適用可能である。
【００３２】
本発明のある実施の形態によれば、ピクセルレベルでのビットマップにおける付加的なグレー値及び／又はカラーチャネルをコーディングすることにより、硬化性材料におけるボクセルの硬化深度を調整するような付加的なパラメータを格納し且つ適用することができる。これには、以下のものを調整するものが含まれる。
ａ）明度で表された光の強度（白＝２５５から黒＝０までのグレー値）及び、
ｂ）カラー情報に基づいたスペクトル（開始材及び吸収の性質）
【００３３】
個々のピクセルに対するグレー値及び／又はカラーチャネルのコーディングにより、ビットマップ内における露光パラメータを精度良く補正することができる。
【００３４】
シャッターにより制御可能なビットマップ毎の個々の露光時間により、付加的な制御パラメータが提供される。イメージング装置によってデジタルイメージが完全に形成されたときに限り、シャッターが開かれ、続いて、再び閉じられる。
【００３５】
装置及び方法に関する本発明の原理は、様々なタイプ又は手法による三次元物体の作製に適用することができる。レイヤー単位（レイヤーワイズ）で造形又は構成してもよいが、代替的に、レイヤーとは別の手段で造形又は構成してもよい。他の設計オプションも採用可能である。例えば、硬化プロセスは、レイヤー単位ではなく連続的に実行しても良いし、（同一の或いは異なる層厚又は種々の層厚で）不連続に行ってもよいし、部分的に連続的に実行する一方で他の部分では（同一の又は異なる層厚、種々の層厚で）不連続に行ってもよいし、考えられ得る様々な手法の組み合わせにて行ってもよい。本発明による装置及び方法は、レイヤーとは無関係にボクセルマトリックス内に三次元物体を作製するのに特に適している。
【００３６】
更に、断面領域毎に複数のビットマップを用いること、即ち、第１及び第２又は更なるラスターマスクを適用することは、作製したい三次元構造の１以上の断面領域形成に使用することができる。
【００３７】
適用例
（支持構造の過露光）
図１（Ａ）に模式的に示されているように、概略、支持構造２０を最小化すること、特に、作製されたコンポーネント１０との接点２１を最小化することが重要な目的である。この目的は、造形プロセスにおいて、支持構造２０に対して、より高い重合度に起因したより高い本質的な強度を付与することにより、達成することができる。更に、より高い重合度は、本発明による概念を適用した過露光によって得ることができる。
【００３８】
データ構造に基づいて、コンポーネント全体（斜視図として、図１（Ａ）において上側断面表面により模式的に示される）に含まれる個々の断面領域について、支持構造のデータをコンポーネントのデータと区別することが可能であり、従って、支持構造２０のビットマップ領域に対してのみ及び／又は接点２１に対して選択的に、（断面領域の全体をカバーする）全体ビットマップ１内部において付加的な部分ビットマップ２を形成することも可能である。ビットマップ２は、第１のマスク露光に関連して規定された（即ち、同一の又は異なる）露光時間でもって、第１のビットマップ１と直列に結合され、且つ、その上に重ねられて、支持構造（図１（Ｂ）及び図１（Ｃ））の領域のみにおける過露光又はポスト露光を実現する。
【００３９】
（繊細な断面構造と大きな面構造とにおける硬度深度）
比較的大きな構造面積を有する場合、繊細な構造の場合と比較して、単位面積あたりの利用可能な光の出力レベルをより多くすることができる。この現象により、ｘｙ方向における拡張度合い（輪郭を超えてしまうこと）及びｚ方向における拡張度合い（深さ）において、断面領域毎に、硬化が異なることとなる。
【００４０】
例えば１０ｍｍ×１０ｍｍの広い面が一度に露光されるとき、例えば１３０μｍの厚さまで硬化される。これに対して、２ｍｍ×１０ｍｍの構造では同じ露光時間で１００μｍしか硬化されない。コンポーネントが例えば１００μｍ厚のレイヤー内に作製される場合、繊細な部位に関し、生成されたレイヤーは過露光（深さ１３０μｍで既に形成されたレイヤー中に３０％まで硬化させる）によっても十分に化学結合せず、硬化させられた材料がこの部位で分離して、コンポーネントに欠陥が生じる。この現象は特に繊細な支持構造物において問題となる。
【００４１】
図２（Ａ）は、広い断面領域３１及び繊細な断面領域３２、３３を有する例を模式的に示す。生成したいコンポーネントの断面全体が、斜視図として、図２（Ａ）において上側の断面領域によって模式的に示唆されている。適切なアルゴリズムに基づいて、様々な領域拡張度合いを有する構造３１又は３２及び３３が断面の像内において識別され、繊細な構造を再露光するためのものとして、一又は複数の対応する部分ビットマップ２（全体ビットマップ１（断面全体をカバーするビットマップ）中に位置し且つ全体ビットマップ１と重なるもの）が生成され、それぞれ特有の露光時間を割り当てられる。
【００４２】
加えて、比較的大きい断面領域３１には、正確にピクセル毎に適切なグレー値を割り当てる一方、比較的小さな断面領域３２、３３には、正確にピクセル毎に低いレベルのグレー値及び／又はカラー値を割り当てるかグレー値及び／又はカラー値を割り当てないこととし、それによって露光したい構造領域の全体に亘って均一な硬化深度（Ｚ）及び硬化広がり度合い（ＸＹ）を得る。即ち、比較的大きい構造領域は、その広がり度合いが増すほど暗くなる。
【００４３】
（一つのコンポーネント内部における材料の高堆積、又は大規模な構造の過露光即ち高圧粉体硬度）
コンポーネントによっては、壁の厚さがポスト硬化プロセスにおける最大可能硬化深度を超えているほど材料が堆積されてなるボリューム部や、コンポーネント内部における位置であってポスト硬化プロセスにおいて光エネルギーが到達しない或いは限られた範囲にしか到達しない位置に材料が堆積されてなるボリューム部を備えているものある。
【００４４】
かかるボリューム部は、既に生成プロセス中で具体的には過露光されることによって高圧粉体硬度を達成することができる。これは、断面領域の多重露光によって行われる。これに代えて又は付加的に、後に露光される断面領域へそれぞれ適切なグレー値又はカラー値を割り当てることによって過露光を行ってもよい。ここで、後者のケースにおいては、Ｚ方向における硬化深度は、通常の硬化深度を何倍か超えるべきである。
【００４５】
更に、選択された領域へのポスト露光又は過露光に使用される部分ビットマップに関する露光時間は、所望とする硬化深度に応じて、逐次増加させることができる。
【００４６】
（収縮を減少させる露光手法）
ここで、図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に模式的に描かれている基本的なアイデアは、硬化させたい所定の断面領域（暗く塗りつぶされた断面領域全体の一部である領域６０により示されている部分）が一度に全て露光及び硬化されるのではなく、部分的なステップ（図３（Ａ）及び図３（Ｂ））においてビットマップ１パターン及びビットマップ２パターンを含む補助的且つ連続的なビットマップパターンにより露光及び硬化されることである。図３（Ａ）に示されるように、ビットマップパターン１は、特に、照射領域において、対応する複数のグリッドストランドからなる適切な厚みを有するグリッド構造６１を適切に備えており、一方、図３（Ｂ）によれば、ビットマップパターン２は、照射領域のギャップ６２を満たしている。即ち、照射されたグリッド構造６１’及びギャップ６２’を備えるビットマップ２は、ビットマップ１を反転したパターンを有している。このように、補助的なビットマップパターン２によって後で硬化させるために、第１のビットマップパターン１による第１の部分的な硬化の後、材料の収縮で形成された“隙間”の中においてリフローさせることができる。個々のビットマップパターンはここに示されているものに限られない。更に、ビットマップパターンの照射領域は重なっていてもよい。
【００４７】
（張出部のための露光方法）
図４は、張出部の安定化に関する好ましい実施例を模式的に示す。
【００４８】
張出部４１において、ある部分的な構造４０の張出部の領域において、より安定した硬化を得ることができるようにするために、例えば、まず、最初の３つの造形面に関する露光サイクルでは、張り出し領域への露光を行わないこととし、それにより、メインコンポーネント領域４２のみにおいて材料の硬化が行われるようにする。その後になって初めて、第４の露光サイクルにて多重エネルギーで張出部４１を露光する。本発明によれば、第４の露光サイクルにおいて、まず、全露光領域（即ち、メインコンポーネント領域４２及びその左右への張出部４１）を露光するビットマップ１を用いて所定の露光時間ｔ１だけ露光し；その後、左右の張出部４１のみをカバーする部分ビットマップ２を用いて、例えばビットマップ１の露光時間ｔ１の４倍から５倍の露光時間ｔ２だけ再露光する（図４参照）。参照符号４５は搬送板を示す。
【００４９】
（多重マスク露光とグレー値及び／又はカラー値の調整の組み合わせによる複合的なボクセルマトリックスの形成）
複合的なボクセルマトリクスの形成による好ましい他の実施例が図５（Ａ）〜図５（Ｃ）に示されている。これは、３×３ピクセルの小さな部分的な領域においてのみ模式的に説明されているが、他の領域、特に更に多くのピクセルからなる大きな領域にも同じ原理を適用可能なことは明らかである。３つの異なる硬化深度を有する図５（Ａ）に示されるボクセルマトリクスを得るためには、Ｘ方向及びＹ方向によって規定される断面領域に関して、第１のビットマップ１を用いて生成されたマスクを使用して最初の露光を行う。ここで、最も浅い硬化深度に対応する２つのピクセル（図の正面左に符合５１で示されている）には付加的なグレー値が割り当てられ、他のピクセル（図中では符号５２で示されている）には白（グレー値は割り当てない）が設定される。次いで、Ｘ方向及びＹ方向によって規定される同一断面領域に関して、第２のビットマップ２を用いて生成された部分マスクを利用して第２の露光が行われる。ここで、最も深い硬化深度に対応する２つのピクセル（図の後部右に参照符号５３で示されている）に白（グレー値は割り当てない）が割り当てられる一方、他のピクセル（図中では参照符号５４で示されている）は完全に暗くされる（黒）。
【００５０】
結果として、断面領域に対して２つの露光ステップのみで複合的なボクセルマトリックスが得られる。
【００５１】
上述したすべての適用例に関し、ピクセル単位のカラーチャネルのコーディングにより部分ビットマップにおける微調整が可能である。即ち、ビットマップマスク／露光マスクは、ピクセル毎に、付加的な黒／白、グレー値及び／又はカラー情報を有することができ、それらによって、ビットマップ内部における露光強度はピクセル毎に正確に制御される。更に、全ての適用例において、ビットマップ毎の露光時間は互いに別個独立して調整されてもよく、それによって、ボクセルマトリックスにおける選択的な硬化深度用として付加的なパラメータを提供してもよい。
【００５２】
本発明による多重露光についての全体マスクのそれぞれ及び部分マスクのそれぞれの露光パターンの順番及びデザインに関しては、なんらの制限もない。注意すべき点は、部分的な各露光によって、材料の硬化を開始するために必要なエネルギー又は材料を完全に硬化させるために必要なエネルギーが少なくとも到達するようにすることである。
【００５３】
以上説明した実施例は、互いに適宜結合することができる。更に、これらは単に例示であって、決して限定するものと解釈してはならない。むしろ、これらは他の実施例で本発明による原理を実現するために容易に改変することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】図１（Ａ）〜（Ｃ）は、特定の断面領域に関して複数のビットマップを用いる本発明の原理の例を模式的に示す。このうち、図１（Ａ）は、作製したい支持構造を例示したものである。図１（Ｂ）及び図１（Ｃ）は、それぞれ、支持構造を作製するために使用されるビットマップ１及びビットマップ２を示す。
【図２】図２（Ａ）〜（Ｃ）は、特定の断面領域に関して複数のビットマップを用いる本発明の原理の例を模式的に示す。図２（Ａ）は、作製したい構造であって比較的広い断面領域を有するものを例示したものである。図２（Ｂ）及び図２（Ｃ）は、それぞれ、断面領域毎に用いられるビットマップ１及びビットマップ２を示す。
【図３】図３（Ａ）〜（Ｂ）は、本発明の他の実施の形態に係る基本概念を模式的に示す。ここで、特定且つ所定の断面構造は、一部のステップにおいて、ビットマップパターン１（図３（Ａ））とビットマップパターン２（図３（Ｂ））を含む一連のビットマップパターンを用いて照射される。
【図４】図４は、張出部の安定化関する典型的な実施の形態を模式的に示す。
【図５】図５（Ａ）〜（Ｃ）は、ボクセルマトリクスのＺ方向における硬化深度を異ならせるために、ＸＹ断面領域毎にビットマップ１（図５（Ｂ））とビットマップ２（図５（Ｃ））を含む複数のビットマップを用いて複合的なボクセルマトリックス（図５（Ａ））を作製する典型的な実施の形態を示す。
【符号の説明】
【００５５】
１０ 構成部品
２０ 支持構造
２１ 接点
３１ 広い断面領域
３２，３３ 繊細な断面領域
６０ 領域
６１ グリッド構造
６１’グリッド構造
６２ ギャップ
６２’ギャップ
４０ 部分的な構造
４１ 張出部
４２ メインコンポーネント領域
４５ 搬送板
５１ ピクセル
５２ ピクセル
５３ ピクセル
５４ ピクセル
【技術分野】
【０００１】
本発明は、互いに独立した所定数の画素（ピクセル）を備えたイメージングユニットを通してエネルギーを入力することにより、電磁放射の作用で硬化性材料を硬化させて、三次元物体を作製する装置及び方法に関する。特に、本発明は、空間光変調器（ＳＬＭ：Ｓｐａｔｉａｌ Ｌｉｇｈｔ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）技術とピクセルサイズにより定まるラスターマスクの最小の物理的解像度をイメージングユニットに適用しつつ、当該ラスターマスクを利用して露光することにより硬化させる装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１には、光硬化性の感光性樹脂で三次元物体を構成（ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ）する方法が極めて多岐にわたって開示されている。
【０００３】
実現可能なものとしては、特に、以下のものを利用した露光が知られている。
ａ）マルチメディアプロジェクタ
ｂ）液晶ディスプレイ（反射型、透過型）
ｃ）ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ−Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）ライン又はレーザダイオードライン（これらはライン方向と直交する方向に移動させられる。）
ｄ）ライトバルブ技術（ＭＥＭＳ：Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）
【０００４】
これらの手法は、特許文献１〜特許文献１０に記載されている。特に、特許文献４には、マイクロテクニカルな三次元部品の作製への応用が記載されている。なお、特許文献５と特許文献６は互いに等しいものである。また、特許文献７は、特許文献８と等価なものである。
【０００５】
【非特許文献１】マーシャル・バーンズ（Ｍａｒｓｈａｌｌ Ｂｕｒｎｓ）著、“Ａｕｔｏｍａｔｅｄ Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ − Ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｖｉｔｙ ｉｎ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ”、１９９３年発行（ＩＳＢＮ ０−１３−１１９４６２−３）
【特許文献１】米国特許第５２４７１８０号明細書
【特許文献２】米国特許第５９８０８１３号明細書
【特許文献３】独国実用新案出願公開第Ｇ ９３ １９ ４０５．６号明細書
【特許文献４】独国実用新案出願公開第２９９ １１ １２２号明細書
【特許文献５】欧州特許出願公開第１２５０９９７号明細書
【特許文献６】米国特許出願公開第２００２／１５５１８９号明細書
【特許文献７】独国特許発明第６９９０９１３６号明細書
【特許文献８】欧州特許第１１５６９２２号明細書
【特許文献９】国際公開第０１／００３９０号パンフレット
【特許文献１０】国際公開第０５／１１０７２２号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
レーザを使って光重合させるシステムでは、レーザビームのエネルギーを設定することによって露光点における光の出力レベルを調整し、それにより、感光性樹脂の当該露光点における硬化深度（硬化した材料の深さ方向における厚み）を制御することができる。対象となるレイヤーを選択的に硬化するためには、硬化させたい断面部のみに対してレーザビームを走査する。硬化させたい断面部の輪郭は、レーザビームにより曲線状に走査することができる。
【０００７】
ＳＬＭ技術を備えた投影システムを利用してマスクを投影し、それによって光重合させるシステムには、断面領域全体を一度に露光することができるという利点がある。投影されたラスター像のうち、明るい領域では、ボクセル単位で、感光性樹脂が硬化する。
【０００８】
ＳＬＭ技術を備えた投影システムには、
ａ）使用する光源；
ｂ）ＳＬＭに光エネルギーを結合するための光学系；及び、
ｃ）投影光学系の“けられ”；
に依存して、像表面に亘る光の出力レベルの分布が極めて不均一になる（絶対値で５０％まで）となる欠点がある。
【０００９】
使用期間中における光源の特性変化は種々のエラーをもたらし、従って、均一な分布にも変化が生じることとなる。更に、光源における光強度の変化は、レーザを用いた場合のような選択的な変化には影響を与えないが、投影された像全体には影響を与える。光エネルギーをＳＬＭに結合させる光学系及び投影光学系によって斑（ムラ）が生じた場合には、一定のエラー（誤差）が懸念される。
【００１０】
硬化させたい断面領域の輪郭はラスター内でのみ理解しうる。解像度は、像点／ピクセルの数と投影された像の大きさによって決まる。
【００１１】
更に、光強度は、露光された面構造の大きさに依存して変化する（広く連続した面の場合、光強度は高く；狭く繊細な面構造の場合、光強度は低い）。
【００１２】
特許文献９では、マスクの透過率を制御することによりビームの強度を制御している。ここで、ビームの強度は、透過型ＬＣＤ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）のグレーレベルを選択することにより制御してもよい。
【００１３】
特許文献１０では、作製する物体の断面領域の輪郭の外側及び輪郭の内側に沿って解像度を上げるためにレイヤー毎にサブピクセルレベルでの多重露光を行う。この露光は、像形成面／造形面内においてサブピクセルレベルで相殺される（オフセットされる）一連の複数の画像から構成される。なお、相殺された像（オフセットイメージ）のそれぞれに対しては、別個のマスク／ビットマップが生成される。
【００１４】
特許文献９及び特許文献１０のいずれも、像面における微調整及び解像度をどのようにすれば改善できるかについて開示しておらず、また、光源が素の状態（何らの補償もしない状態）において有している不均一性（ムラ）をどのようにして均すかについても開示していない。
【００１５】
本発明は、互いに独立した所定数の画素（ピクセル）を備えたイメージングユニットを通してエネルギーを入力することにより、電磁放射の作用で硬化性材料を硬化させて、三次元物体を作製する装置及び方法を改良し、システムの高精度、高解像度及び微調整及び／又は高均一性を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明によれば、三次元物体を作製するための装置において：電磁放射の作用で硬化性材料を硬化させることのできるエネルギーを入力するための画素（ピクセル）であって、互いに独立した所定数のピクセルを備えたイメージングユニット；及びコンピュータ装置、ＩＣ及び／又はソフトウェアインプリメンテーション；を備えており、前記コンピュータ装置、前記ＩＣ及び／又は前記ソフトウェアインプリメンテーションは、複数の連続したラスターマスク（ビットマップ）を用いた露光を利用して、作製したい三次元物体の断面領域に対するエネルギーの入力レベルを制御する機能を有する、装置が提供される。
【００１７】
また、本発明によれば、三次元物体を作製するための装置であって、点状、線状又はマトリクス状に配置された所定数の独立した画素（ピクセル）を有するラスターイメージングユニットを備えており、前記イメージングユニットは、前記三次元物体のそれぞれの断面領域に関する像を前記ピクセルにて構成し、ラスターマスク（ビットマップ）を形成するものであり、前記イメージングユニットは、電磁放射の作用で硬化性材料を硬化させるためのエネルギーの入力を供給するように、構成されており、前記イメージング装置は、前記断面領域をカバーする第１の全体マスク（ビットマップ１）と該全体マスク内部の部分マスク（ビットマップ２）を含む少なくとも２つのマスクを形成することができるように制御されるように構成されている、装置が提供される。
【００１８】
また、本発明によれば、三次元物体を作製するための方法であって、所定数の独立した画素（ピクセル）を有するイメージングユニットを用意するステップと；該イメージングユニットを通してエネルギーを入力することにより、電磁放射の作用で硬化性材料を硬化させてボリューム・ピクセル（ボクセル）のマトリクスを形成するステップ；を備え、硬化対象である前記材料中のボリューム・ピクセルを硬化させるためのエネルギーの入力レベルであって作製したい前記三次元物体の断面領域に対するエネルギーの入力レベルを連続した多数のラスタービットマップにより制御して、前記硬化性材料中のボクセル（ボリューム・ピクセル）毎の硬化深度を調整する、方法が提供される。
【００１９】
更に、本発明によれば、三次元物体を作製するための方法であって、所定数の独立した画素（ピクセル）を有するイメージングユニットを用意するステップと；該イメージングユニットを通してエネルギーを入力することにより、電磁放射の作用で硬化性材料を硬化させるステップ；を備え、前記イメージングユニットは、前記三次元物体の個々の断面領域に関する像を前記ピクセルにて構成し、ラスターマスク（ビットマップ）を形成するものであり、前記三次元物体の断面領域毎に、前記断面領域をカバーする第１の全体マスク（ビットマップ１）と該全体マスク内部の部分マスク（ビットマップ２）を含む少なくとも２つのマスクが使用される、方法が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明について、添付した図面を参照し、更なる典型的な実施の形態に基づいて、より詳細に説明する。しかしながら、本発明は、後述する実施の形態及び実施例並びに図面に限定されるものではなく、むしろ、本発明の範囲内において種々の改変、改良を加えることができるものである。
【００２１】
本発明の装置及び方法によれば、像レベルにおける不均一性を除去することができ、より高精度、高解像度、及び、微調整を達成することができる。
【００２２】
本発明によれば、一方では、ピクセルレベルでの光出力の制御により、硬化対象となる材料中のボクセルの硬化深度を制御することができ、他方では、１又は複数の連続したデジタルマスク（ビットマップ）を通して造形面／露光サイクル毎に選択的に露光することにより、光源を含めたイメージング装置の特性・性能を変更することなく、硬化させたい断面領域の選択された部位を断面領域毎に明確に過露光（強露光）とすることができる。ここで、好ましくは、マスク内の黒／白ラスター（又は、明／暗、及び／若しくは、カラーラスター）がマスク毎に異なっていてもよいし、及び／又は、マスク毎の露光時間が異なっていてもよい。
【００２３】
ラスターマスクを使用した露光によって、硬化対象である材料内において所謂ボクセル（ボリューム・ピクセル）のマトリクスが硬化させられる。ここで、ＸＹラスターは、ピクセルの大きさ、数及び配置によって予め定められており、材料内におけるボクセルの高さ（硬化深度）は多重露光によって制御することができる。更に、好ましい実施の形態では、光の強度及び／又はスペクトルは、特に、グレー値及び／又はカラー値によって（後者の場合は電磁放射の波長帯域又は波長を通じて）ピクセル毎に制御することができる。
【００２４】
本発明によれば、必要に応じて、生成したい構造の特定の部位、即ち、硬化させたい断面領域内部のみにある部位が識別され選択されうる。本発明によれば、三次元物体の輪郭によって規定された個々の断面領域に関連して、エネルギーの入力は非常に効率よく調整される。最も適切には、第１のビットマップで規定される断面領域において、第２のビットマップ又は更なるビットマップが生成される。第１及び第２のビットマップは（もしあるのであれば、付加的なビットマップも）、多重露光によって重ね合わされる。第２のビットマップともしあるならば付加的なビットマップは、それぞれ、第１のビットマップにて形成される全体マスクに含まれる部分マスクを形成する。本発明によれば、「部分マスク」及び「全体マスクに含まれる」という表現は、典型的には、全体マスクと比較して断面積が同じか小さいことに関連して、１又は複数の比較的小さな領域が露光されることを意味する。第２のビットマップともしあるならば付加的なビットマップは、同一である必要はなく、第１のビットマップの全体マスク内で必要に応じて異ならせることができる。従って、全体マスクに加えて形成される部分マスク同士を、同一又は異なるものとすることができるし、また、異なるサブ部分マスクを形成することもできる。
【００２５】
本発明によれば、ボクセルマトリックスは、形成面の予め規定された所定の全体像領域内部に、多重露光によって生成することができる。断面領域毎の形成レベルにおける像のオフセッティングは不要である。ボックスマトリックス形成によれば、例えば、支持構造、張出部及び／又はとりわけ小さい／繊細な部位を極めてより繊細かつより正確に形成することができる。
【００２６】
全体マスクと部分マスクの使用順序は、ランダムに選択することができる。即ち、“ビットマップ”を修飾する文言“第１”、“第２”及び“付加的な”は、いかなるタイムシーケンスを特定するものでもなく、多重マスク露光における異なるビットマップであることを単に示すにすぎない。しかしながら、全体マスクを有する第１のビットマップは最初に使用されることが最も適切である。各ビットマップは、対応するソフトウェアアルゴリズムによって形成することができる。加えて、電気機械シャッターを用いて、全体マスクの露光時間及び部分マスク毎の露光時間を互いに独立に制御することができる。
【００２７】
本発明の多重マスク露光を用いれば、各ボクセルの硬化深度をピクセル単位で制御することができ、したがって、全体、作製されたコンポーネントの表面に関する品質、圧粉体硬度、各細部における正確さ、及び、許容度の改善を図り、また、支持構造に必要な条件を最適化することができる。
【００２８】
本発明の多重マスク露光によれば、硬化させたいボクセルマトリクスの選択された領域を過露光とすることができる。なお、グレー値による調整は、原理的に少なくとも部分的に光のエネルギーを制限するものであることから、ビットマップ中における単なるグレー値のスケーリングによるのみでは、上記のように過露光とすることは不可能であり、また基本的に望ましくない。しかし、更なる微調整のためには、第１、第２及び／又は更なるビットマップにおいてグレー値及び／又はカラー値を調整すると特に効果的である。
【００２９】
これにより、グレー値及び／又はカラー値の調整を行うことなく同じ微調整を行うために必要とされるであろう全体マスク内のビットマップの数を同時に制限しながら、更なる微調整を行うことができる。グレー値及び／又はカラー値の調整は、ビットマップ又は部分的なビットマップ毎に個々のピクセル或いは一部のピクセルで、個々のピクセルに対して別個に行うことができる。
【００３０】
例えば、張出部の硬化、繊細な構造及び材料の堆積部の過露光、造形面における材料の収縮の抑制などに関して、断面領域毎の露光サイクルにおける部分的な露光用のマスクの上手な選択及び使用順序の決定が、実現されうる。
【００３１】
更なる露光マスクの形成は、技術的にはソフトウェアによって全体として実現されることが好ましい。かかるマスク形成は非常にフレキシブルであり且つＳＭＬ技術ベースのマスク投影システムのすべてに適用可能である。
【００３２】
本発明のある実施の形態によれば、ピクセルレベルでのビットマップにおける付加的なグレー値及び／又はカラーチャネルをコーディングすることにより、硬化性材料におけるボクセルの硬化深度を調整するような付加的なパラメータを格納し且つ適用することができる。これには、以下のものを調整するものが含まれる。
ａ）明度で表された光の強度（白＝２５５から黒＝０までのグレー値）及び、
ｂ）カラー情報に基づいたスペクトル（開始材及び吸収の性質）
【００３３】
個々のピクセルに対するグレー値及び／又はカラーチャネルのコーディングにより、ビットマップ内における露光パラメータを精度良く補正することができる。
【００３４】
シャッターにより制御可能なビットマップ毎の個々の露光時間により、付加的な制御パラメータが提供される。イメージング装置によってデジタルイメージが完全に形成されたときに限り、シャッターが開かれ、続いて、再び閉じられる。
【００３５】
装置及び方法に関する本発明の原理は、様々なタイプ又は手法による三次元物体の作製に適用することができる。レイヤー単位（レイヤーワイズ）で造形又は構成してもよいが、代替的に、レイヤーとは別の手段で造形又は構成してもよい。他の設計オプションも採用可能である。例えば、硬化プロセスは、レイヤー単位ではなく連続的に実行しても良いし、（同一の或いは異なる層厚又は種々の層厚で）不連続に行ってもよいし、部分的に連続的に実行する一方で他の部分では（同一の又は異なる層厚、種々の層厚で）不連続に行ってもよいし、考えられ得る様々な手法の組み合わせにて行ってもよい。本発明による装置及び方法は、レイヤーとは無関係にボクセルマトリックス内に三次元物体を作製するのに特に適している。
【００３６】
更に、断面領域毎に複数のビットマップを用いること、即ち、第１及び第２又は更なるラスターマスクを適用することは、作製したい三次元構造の１以上の断面領域形成に使用することができる。
【００３７】
適用例
（支持構造の過露光）
図１（Ａ）に模式的に示されているように、概略、支持構造２０を最小化すること、特に、作製されたコンポーネント１０との接点２１を最小化することが重要な目的である。この目的は、造形プロセスにおいて、支持構造２０に対して、より高い重合度に起因したより高い本質的な強度を付与することにより、達成することができる。更に、より高い重合度は、本発明による概念を適用した過露光によって得ることができる。
【００３８】
データ構造に基づいて、コンポーネント全体（斜視図として、図１（Ａ）において上側断面表面により模式的に示される）に含まれる個々の断面領域について、支持構造のデータをコンポーネントのデータと区別することが可能であり、従って、支持構造２０のビットマップ領域に対してのみ及び／又は接点２１に対して選択的に、（断面領域の全体をカバーする）全体ビットマップ１内部において付加的な部分ビットマップ２を形成することも可能である。ビットマップ２は、第１のマスク露光に関連して規定された（即ち、同一の又は異なる）露光時間でもって、第１のビットマップ１と直列に結合され、且つ、その上に重ねられて、支持構造（図１（Ｂ）及び図１（Ｃ））の領域のみにおける過露光又はポスト露光を実現する。
【００３９】
（繊細な断面構造と大きな面構造とにおける硬度深度）
比較的大きな構造面積を有する場合、繊細な構造の場合と比較して、単位面積あたりの利用可能な光の出力レベルをより多くすることができる。この現象により、ｘｙ方向における拡張度合い（輪郭を超えてしまうこと）及びｚ方向における拡張度合い（深さ）において、断面領域毎に、硬化が異なることとなる。
【００４０】
例えば１０ｍｍ×１０ｍｍの広い面が一度に露光されるとき、例えば１３０μｍの厚さまで硬化される。これに対して、２ｍｍ×１０ｍｍの構造では同じ露光時間で１００μｍしか硬化されない。コンポーネントが例えば１００μｍ厚のレイヤー内に作製される場合、繊細な部位に関し、生成されたレイヤーは過露光（深さ１３０μｍで既に形成されたレイヤー中に３０％まで硬化させる）によっても十分に化学結合せず、硬化させられた材料がこの部位で分離して、コンポーネントに欠陥が生じる。この現象は特に繊細な支持構造物において問題となる。
【００４１】
図２（Ａ）は、広い断面領域３１及び繊細な断面領域３２、３３を有する例を模式的に示す。生成したいコンポーネントの断面全体が、斜視図として、図２（Ａ）において上側の断面領域によって模式的に示唆されている。適切なアルゴリズムに基づいて、様々な領域拡張度合いを有する構造３１又は３２及び３３が断面の像内において識別され、繊細な構造を再露光するためのものとして、一又は複数の対応する部分ビットマップ２（全体ビットマップ１（断面全体をカバーするビットマップ）中に位置し且つ全体ビットマップ１と重なるもの）が生成され、それぞれ特有の露光時間を割り当てられる。
【００４２】
加えて、比較的大きい断面領域３１には、正確にピクセル毎に適切なグレー値を割り当てる一方、比較的小さな断面領域３２、３３には、正確にピクセル毎に低いレベルのグレー値及び／又はカラー値を割り当てるかグレー値及び／又はカラー値を割り当てないこととし、それによって露光したい構造領域の全体に亘って均一な硬化深度（Ｚ）及び硬化広がり度合い（ＸＹ）を得る。即ち、比較的大きい構造領域は、その広がり度合いが増すほど暗くなる。
【００４３】
（一つのコンポーネント内部における材料の高堆積、又は大規模な構造の過露光即ち高圧粉体硬度）
コンポーネントによっては、壁の厚さがポスト硬化プロセスにおける最大可能硬化深度を超えているほど材料が堆積されてなるボリューム部や、コンポーネント内部における位置であってポスト硬化プロセスにおいて光エネルギーが到達しない或いは限られた範囲にしか到達しない位置に材料が堆積されてなるボリューム部を備えているものある。
【００４４】
かかるボリューム部は、既に生成プロセス中で具体的には過露光されることによって高圧粉体硬度を達成することができる。これは、断面領域の多重露光によって行われる。これに代えて又は付加的に、後に露光される断面領域へそれぞれ適切なグレー値又はカラー値を割り当てることによって過露光を行ってもよい。ここで、後者のケースにおいては、Ｚ方向における硬化深度は、通常の硬化深度を何倍か超えるべきである。
【００４５】
更に、選択された領域へのポスト露光又は過露光に使用される部分ビットマップに関する露光時間は、所望とする硬化深度に応じて、逐次増加させることができる。
【００４６】
（収縮を減少させる露光手法）
ここで、図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に模式的に描かれている基本的なアイデアは、硬化させたい所定の断面領域（暗く塗りつぶされた断面領域全体の一部である領域６０により示されている部分）が一度に全て露光及び硬化されるのではなく、部分的なステップ（図３（Ａ）及び図３（Ｂ））においてビットマップ１パターン及びビットマップ２パターンを含む補助的且つ連続的なビットマップパターンにより露光及び硬化されることである。図３（Ａ）に示されるように、ビットマップパターン１は、特に、照射領域において、対応する複数のグリッドストランドからなる適切な厚みを有するグリッド構造６１を適切に備えており、一方、図３（Ｂ）によれば、ビットマップパターン２は、照射領域のギャップ６２を満たしている。即ち、照射されたグリッド構造６１’及びギャップ６２’を備えるビットマップ２は、ビットマップ１を反転したパターンを有している。このように、補助的なビットマップパターン２によって後で硬化させるために、第１のビットマップパターン１による第１の部分的な硬化の後、材料の収縮で形成された“隙間”の中においてリフローさせることができる。個々のビットマップパターンはここに示されているものに限られない。更に、ビットマップパターンの照射領域は重なっていてもよい。
【００４７】
（張出部のための露光方法）
図４は、張出部の安定化に関する好ましい実施例を模式的に示す。
【００４８】
張出部４１において、ある部分的な構造４０の張出部の領域において、より安定した硬化を得ることができるようにするために、例えば、まず、最初の３つの造形面に関する露光サイクルでは、張り出し領域への露光を行わないこととし、それにより、メインコンポーネント領域４２のみにおいて材料の硬化が行われるようにする。その後になって初めて、第４の露光サイクルにて多重エネルギーで張出部４１を露光する。本発明によれば、第４の露光サイクルにおいて、まず、全露光領域（即ち、メインコンポーネント領域４２及びその左右への張出部４１）を露光するビットマップ１を用いて所定の露光時間ｔ１だけ露光し；その後、左右の張出部４１のみをカバーする部分ビットマップ２を用いて、例えばビットマップ１の露光時間ｔ１の４倍から５倍の露光時間ｔ２だけ再露光する（図４参照）。参照符号４５は搬送板を示す。
【００４９】
（多重マスク露光とグレー値及び／又はカラー値の調整の組み合わせによる複合的なボクセルマトリックスの形成）
複合的なボクセルマトリクスの形成による好ましい他の実施例が図５（Ａ）〜図５（Ｃ）に示されている。これは、３×３ピクセルの小さな部分的な領域においてのみ模式的に説明されているが、他の領域、特に更に多くのピクセルからなる大きな領域にも同じ原理を適用可能なことは明らかである。３つの異なる硬化深度を有する図５（Ａ）に示されるボクセルマトリクスを得るためには、Ｘ方向及びＹ方向によって規定される断面領域に関して、第１のビットマップ１を用いて生成されたマスクを使用して最初の露光を行う。ここで、最も浅い硬化深度に対応する２つのピクセル（図の正面左に符合５１で示されている）には付加的なグレー値が割り当てられ、他のピクセル（図中では符号５２で示されている）には白（グレー値は割り当てない）が設定される。次いで、Ｘ方向及びＹ方向によって規定される同一断面領域に関して、第２のビットマップ２を用いて生成された部分マスクを利用して第２の露光が行われる。ここで、最も深い硬化深度に対応する２つのピクセル（図の後部右に参照符号５３で示されている）に白（グレー値は割り当てない）が割り当てられる一方、他のピクセル（図中では参照符号５４で示されている）は完全に暗くされる（黒）。
【００５０】
結果として、断面領域に対して２つの露光ステップのみで複合的なボクセルマトリックスが得られる。
【００５１】
上述したすべての適用例に関し、ピクセル単位のカラーチャネルのコーディングにより部分ビットマップにおける微調整が可能である。即ち、ビットマップマスク／露光マスクは、ピクセル毎に、付加的な黒／白、グレー値及び／又はカラー情報を有することができ、それらによって、ビットマップ内部における露光強度はピクセル毎に正確に制御される。更に、全ての適用例において、ビットマップ毎の露光時間は互いに別個独立して調整されてもよく、それによって、ボクセルマトリックスにおける選択的な硬化深度用として付加的なパラメータを提供してもよい。
【００５２】
本発明による多重露光についての全体マスクのそれぞれ及び部分マスクのそれぞれの露光パターンの順番及びデザインに関しては、なんらの制限もない。注意すべき点は、部分的な各露光によって、材料の硬化を開始するために必要なエネルギー又は材料を完全に硬化させるために必要なエネルギーが少なくとも到達するようにすることである。
【００５３】
以上説明した実施例は、互いに適宜結合することができる。更に、これらは単に例示であって、決して限定するものと解釈してはならない。むしろ、これらは他の実施例で本発明による原理を実現するために容易に改変することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】図１（Ａ）〜（Ｃ）は、特定の断面領域に関して複数のビットマップを用いる本発明の原理の例を模式的に示す。このうち、図１（Ａ）は、作製したい支持構造を例示したものである。図１（Ｂ）及び図１（Ｃ）は、それぞれ、支持構造を作製するために使用されるビットマップ１及びビットマップ２を示す。
【図２】図２（Ａ）〜（Ｃ）は、特定の断面領域に関して複数のビットマップを用いる本発明の原理の例を模式的に示す。図２（Ａ）は、作製したい構造であって比較的広い断面領域を有するものを例示したものである。図２（Ｂ）及び図２（Ｃ）は、それぞれ、断面領域毎に用いられるビットマップ１及びビットマップ２を示す。
【図３】図３（Ａ）〜（Ｂ）は、本発明の他の実施の形態に係る基本概念を模式的に示す。ここで、特定且つ所定の断面構造は、一部のステップにおいて、ビットマップパターン１（図３（Ａ））とビットマップパターン２（図３（Ｂ））を含む一連のビットマップパターンを用いて照射される。
【図４】図４は、張出部の安定化関する典型的な実施の形態を模式的に示す。
【図５】図５（Ａ）〜（Ｃ）は、ボクセルマトリクスのＺ方向における硬化深度を異ならせるために、ＸＹ断面領域毎にビットマップ１（図５（Ｂ））とビットマップ２（図５（Ｃ））を含む複数のビットマップを用いて複合的なボクセルマトリックス（図５（Ａ））を作製する典型的な実施の形態を示す。
【符号の説明】
【００５５】
１０ 構成部品
２０ 支持構造
２１ 接点
３１ 広い断面領域
３２，３３ 繊細な断面領域
６０ 領域
６１ グリッド構造
６１’グリッド構造
６２ ギャップ
６２’ギャップ
４０ 部分的な構造
４１ 張出部
４２ メインコンポーネント領域
４５ 搬送板
５１ ピクセル
５２ ピクセル
５３ ピクセル
５４ ピクセル
【特許請求の範囲】
【請求項１】
三次元物体を作製するための装置において：
電磁放射の作用で硬化性材料を硬化させることのできるエネルギーを入力するための画素（ピクセル）であって、互いに独立した所定数のピクセルを備えたイメージングユニット；及びコンピュータ装置、ＩＣ及び／又はソフトウェアインプリメンテーション；を備えており、
前記コンピュータ装置、前記ＩＣ及び／又は前記ソフトウェアインプリメンテーションは、複数の連続したラスターマスク（ビットマップ）を用いた露光を利用して、作製したい三次元物体の断面領域に対するエネルギーの入力レベルを制御する機能を有する、
装置。
【請求項２】
前記エネルギーの入力レベルを制御することにより、ボリューム・ピクセル（ボクセル）のマトリクスを形成する、及び／又は、
エネルギーの強度及び／又は選択された光の波長を供給することにより、前記硬化性材料におけるボクセル（ボリューム・ピクセル）毎の硬化深度を変えることができる、
請求項１記載の装置。
【請求項３】
更に、前記ラスターマスクの少なくとも１つは、グレー値及び／又はカラー値に関して、像点（ピクセル）毎に制御されるように、設けられている
請求項１記載の装置。
【請求項４】
前記ピクセルの少なくとも一部は、エネルギーの入力を可変とするために、３種以上のエネルギーレベルを割り当てられることができ、
前記３種以上のエネルギーレベルは、
ａ）オン及びオフ状態（黒／白）；及び
ｂ１）所定数のグレーレベル、又は
ｂ２）所定数のカラー値；
を備える、請求項１記載の装置。
【請求項５】
前記イメージングユニットは、投影ユニットに含まれている、請求項１記載の装置。
【請求項６】
前記イメージングユニットは、空間光変調器（ＳＬＭ）タイプのものである、請求項１記載の装置。
【請求項７】
前記イメージングユニットは、ＭＥＭＳ技術のライトバルブを備える発光点、発光ライン又は発光マトリクスを備える、請求項１記載の装置。
【請求項８】
前記イメージングユニットは、ＬＥＤを備える発光点、発光ライン又は発光マトリクスを備える、請求項１記載の装置。
【請求項９】
硬化させたい材料とエネルギー源との間に、ラスターマスク毎の露光時間を制御するためのシャッターが更に設けられている、請求項１記載の装置。
【請求項１０】
三次元物体を作製するための装置であって、
点状、線状又はマトリクス状に配置された所定数の独立した画素（ピクセル）を有するラスターイメージングユニットを備えており、
前記イメージングユニットは、前記三次元物体のそれぞれの断面領域に関する像を前記ピクセルにて構成し、ラスターマスク（ビットマップ）を形成するものであり、
前記イメージングユニットは、電磁放射の作用で硬化性材料を硬化させるためのエネルギーの入力を供給するように、構成されており、
前記イメージング装置は、前記断面領域をカバーする第１の全体マスク（ビットマップ１）と該全体マスク内部の部分マスク（ビットマップ２）を含む少なくとも２つのマスクを形成することができるように制御されるように構成されている、
装置。
【請求項１１】
三次元物体を作製するための方法であって、
所定数の独立した画素（ピクセル）を有するイメージングユニットを用意するステップと；該イメージングユニットを通してエネルギーを入力することにより、電磁放射の作用で硬化性材料を硬化させてボリューム・ピクセル（ボクセル）のマトリクスを形成するステップ；を備え、
硬化対象である前記材料中のボリューム・ピクセルを硬化させるためのエネルギーの入力レベルであって作製したい前記三次元物体の断面領域に対するエネルギーの入力レベルを連続した多数のラスタービットマップにより制御して、前記硬化性材料中のボクセル（ボリューム・ピクセル）毎の硬化深度を調整する、
方法。
【請求項１２】
投影ユニットを利用して、前記材料を硬化させるために像を造形面に投影する、請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
硬化させたいボクセルの前記マトリックスにおける何れの領域を露光すべきでないか、又は、更に露光すべきかは、断面領域毎に決定され、
当該決定に関する情報から、対応する複数の部分ビットマップが形成されて露光に用いられる、
請求項１１記載の方法。
【請求項１４】
断面領域毎に生成される断面像において、領域拡張度合いの異なる別個独立した領域が識別され、拡張度合いの小さい領域に対しては、当該小さい拡張度合いを有する構造に対応する一又は複数の付加的なビットマップが生成され且つその後の部分的な露光に用いられる、
請求項１１記載の方法。
【請求項１５】
コンポーネント内部における個々の構造が識別され、当該構造の断面領域に対して、断面領域毎の多重露光を目的として、付加的なビットマップが生成される、
請求項１１記載の方法。
【請求項１６】
断面領域毎に異なる情報を有する一又は複数のビットマップマスクを生成し、それをもって露光することにより、単一露光又は多重露光を通じて、選択された領域をより硬化させる方法であって、
それによって得られる前記ボクセルの（Ｚ方向における）硬化深度は、多重露光された領域において、通常の硬化の厚みの数倍を超えている、
請求項１１記載の方法。
【請求項１７】
硬化対象である前記材料とエネルギー源との間に、マスク毎の露光時間を制御するためのシャッターを更に用いる、
請求項１１記載の方法。
【請求項１８】
像点（ピクセル）毎に、前記グレー値及び／又は前記カラー値に関する情報をラスターイメージ（ビットマップ）中に格納する、
請求項１１記載の方法。
【請求項１９】
像点（ピクセル）毎のグレー値及び／又はカラー値に関する情報は、各ラスターイメージ（ビットマップ）毎に、その都度、オンラインで算出される、
請求項１１記載の方法。
【請求項２０】
三次元物体を作製するための方法であって、
所定数の独立した画素（ピクセル）を有するイメージングユニットを用意するステップと；該イメージングユニットを通してエネルギーを入力することにより、電磁放射の作用で硬化性材料を硬化させるステップ；を備え、
前記イメージングユニットは、前記三次元物体の個々の断面領域に関する像を前記ピクセルにて構成し、ラスターマスク（ビットマップ）を形成するものであり、
前記三次元物体の断面領域毎に、前記断面領域をカバーする第１の全体マスク（ビットマップ１）と該全体マスク内部の部分マスク（ビットマップ２）を含む少なくとも２つのマスクが使用される、
方法。
【請求項１】
三次元物体を作製するための装置において：
電磁放射の作用で硬化性材料を硬化させることのできるエネルギーを入力するための画素（ピクセル）であって、互いに独立した所定数のピクセルを備えたイメージングユニット；及びコンピュータ装置、ＩＣ及び／又はソフトウェアインプリメンテーション；を備えており、
前記コンピュータ装置、前記ＩＣ及び／又は前記ソフトウェアインプリメンテーションは、複数の連続したラスターマスク（ビットマップ）を用いた露光を利用して、作製したい三次元物体の断面領域に対するエネルギーの入力レベルを制御する機能を有する、
装置。
【請求項２】
前記エネルギーの入力レベルを制御することにより、ボリューム・ピクセル（ボクセル）のマトリクスを形成する、及び／又は、
エネルギーの強度及び／又は選択された光の波長を供給することにより、前記硬化性材料におけるボクセル（ボリューム・ピクセル）毎の硬化深度を変えることができる、
請求項１記載の装置。
【請求項３】
更に、前記ラスターマスクの少なくとも１つは、グレー値及び／又はカラー値に関して、像点（ピクセル）毎に制御されるように、設けられている
請求項１記載の装置。
【請求項４】
前記ピクセルの少なくとも一部は、エネルギーの入力を可変とするために、３種以上のエネルギーレベルを割り当てられることができ、
前記３種以上のエネルギーレベルは、
ａ）オン及びオフ状態（黒／白）；及び
ｂ１）所定数のグレーレベル、又は
ｂ２）所定数のカラー値；
を備える、請求項１記載の装置。
【請求項５】
前記イメージングユニットは、投影ユニットに含まれている、請求項１記載の装置。
【請求項６】
前記イメージングユニットは、空間光変調器（ＳＬＭ）タイプのものである、請求項１記載の装置。
【請求項７】
前記イメージングユニットは、ＭＥＭＳ技術のライトバルブを備える発光点、発光ライン又は発光マトリクスを備える、請求項１記載の装置。
【請求項８】
前記イメージングユニットは、ＬＥＤを備える発光点、発光ライン又は発光マトリクスを備える、請求項１記載の装置。
【請求項９】
硬化させたい材料とエネルギー源との間に、ラスターマスク毎の露光時間を制御するためのシャッターが更に設けられている、請求項１記載の装置。
【請求項１０】
三次元物体を作製するための装置であって、
点状、線状又はマトリクス状に配置された所定数の独立した画素（ピクセル）を有するラスターイメージングユニットを備えており、
前記イメージングユニットは、前記三次元物体のそれぞれの断面領域に関する像を前記ピクセルにて構成し、ラスターマスク（ビットマップ）を形成するものであり、
前記イメージングユニットは、電磁放射の作用で硬化性材料を硬化させるためのエネルギーの入力を供給するように、構成されており、
前記イメージング装置は、前記断面領域をカバーする第１の全体マスク（ビットマップ１）と該全体マスク内部の部分マスク（ビットマップ２）を含む少なくとも２つのマスクを形成することができるように制御されるように構成されている、
装置。
【請求項１１】
三次元物体を作製するための方法であって、
所定数の独立した画素（ピクセル）を有するイメージングユニットを用意するステップと；該イメージングユニットを通してエネルギーを入力することにより、電磁放射の作用で硬化性材料を硬化させてボリューム・ピクセル（ボクセル）のマトリクスを形成するステップ；を備え、
硬化対象である前記材料中のボリューム・ピクセルを硬化させるためのエネルギーの入力レベルであって作製したい前記三次元物体の断面領域に対するエネルギーの入力レベルを連続した多数のラスタービットマップにより制御して、前記硬化性材料中のボクセル（ボリューム・ピクセル）毎の硬化深度を調整する、
方法。
【請求項１２】
投影ユニットを利用して、前記材料を硬化させるために像を造形面に投影する、請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
硬化させたいボクセルの前記マトリックスにおける何れの領域を露光すべきでないか、又は、更に露光すべきかは、断面領域毎に決定され、
当該決定に関する情報から、対応する複数の部分ビットマップが形成されて露光に用いられる、
請求項１１記載の方法。
【請求項１４】
断面領域毎に生成される断面像において、領域拡張度合いの異なる別個独立した領域が識別され、拡張度合いの小さい領域に対しては、当該小さい拡張度合いを有する構造に対応する一又は複数の付加的なビットマップが生成され且つその後の部分的な露光に用いられる、
請求項１１記載の方法。
【請求項１５】
コンポーネント内部における個々の構造が識別され、当該構造の断面領域に対して、断面領域毎の多重露光を目的として、付加的なビットマップが生成される、
請求項１１記載の方法。
【請求項１６】
断面領域毎に異なる情報を有する一又は複数のビットマップマスクを生成し、それをもって露光することにより、単一露光又は多重露光を通じて、選択された領域をより硬化させる方法であって、
それによって得られる前記ボクセルの（Ｚ方向における）硬化深度は、多重露光された領域において、通常の硬化の厚みの数倍を超えている、
請求項１１記載の方法。
【請求項１７】
硬化対象である前記材料とエネルギー源との間に、マスク毎の露光時間を制御するためのシャッターを更に用いる、
請求項１１記載の方法。
【請求項１８】
像点（ピクセル）毎に、前記グレー値及び／又は前記カラー値に関する情報をラスターイメージ（ビットマップ）中に格納する、
請求項１１記載の方法。
【請求項１９】
像点（ピクセル）毎のグレー値及び／又はカラー値に関する情報は、各ラスターイメージ（ビットマップ）毎に、その都度、オンラインで算出される、
請求項１１記載の方法。
【請求項２０】
三次元物体を作製するための方法であって、
所定数の独立した画素（ピクセル）を有するイメージングユニットを用意するステップと；該イメージングユニットを通してエネルギーを入力することにより、電磁放射の作用で硬化性材料を硬化させるステップ；を備え、
前記イメージングユニットは、前記三次元物体の個々の断面領域に関する像を前記ピクセルにて構成し、ラスターマスク（ビットマップ）を形成するものであり、
前記三次元物体の断面領域毎に、前記断面領域をカバーする第１の全体マスク（ビットマップ１）と該全体マスク内部の部分マスク（ビットマップ２）を含む少なくとも２つのマスクが使用される、
方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００７−２９８９９０（Ｐ２００７−２９８９９０Ａ）
【公開日】平成１９年１１月１５日（２００７．１１．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１１７８６６（Ｐ２００７−１１７８６６）
【出願日】平成１９年４月２７日（２００７．４．２７）
【出願人】（５０７１４２０４１）エンビジョンテック ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング (2)
【氏名又は名称原語表記】Ｅｎｖｉｓｉｏｎｔｅｃ ＧｍｂＨ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１１月１５日（２００７．１１．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年４月２７日（２００７．４．２７）
【出願人】（５０７１４２０４１）エンビジョンテック ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング (2)
【氏名又は名称原語表記】Ｅｎｖｉｓｉｏｎｔｅｃ ＧｍｂＨ
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]