JP2021165769A - 光学装置および３次元造形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光変調器への投入光量を増大させる。
【解決手段】光学装置１２は、照明光学系２１と、光変調器２２と、投影光学系２３とを備える。照明光学系２１は、レーザ光Ｌ３１の短軸方向および長軸方向における強度分布をガウス分布から変換して、光変調器２２の変調面における平行ビームＬ３２の短軸方向および長軸方向の強度分布をトップハット分布とするビームシェイパ２１３を備える。 投影光学系２３では、長軸方向について、第３レンズ２３３および第４レンズ２３４により、上記変調面と照射面１３１とが光学的に共役とされる。また、短軸方向について、第１レンズ２３１、第２レンズ２３２および第３レンズ２３３により、当該変調面と第４レンズ２３４の前側焦点位置とが光学的に共役とされる。第４レンズ２３４は、当該前側焦点位置におけるトップハット分布のビームを照射面１３１に集光させる。これにより、光変調器２２への投入光量を増大させることができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、対象物上の照射面に変調ビームを照射する光学装置、および、当該光学装置を備える３次元造形装置に関する。

近年、金属粉末等の造形材料に変調されたレーザ光を照射し、造形材料を焼結させることにより３次元造形を行うＳＬＳ（Selective Laser Sintering）式の３次元造形装置が使用されている。当該３次元造形装置では、生産性の向上が求められており、造形材料に照射されるレーザ光のパワー密度（すなわち、単位面積当たりの光強度）を増大させることが検討されている。ただし、レーザ光を変調して照射する光学装置において、光変調器に入射するレーザ光のパワー密度を増大させると、強度分布がガウス分布であるレーザ光のピーク強度（すなわち、最大強度）が過大となり、光変調器が損傷するおそれがある。

一方、特許文献１では、ステージ照明やヘッドライト等に使用される発光装置において、レーザダイオードやＬＥＤから出射された第１波長の光（例えば、青色光）を、空間的に平坦な強度分布を有するビームへと再分布させるトップハットビームシェイパを設けることにより、光変換部材において第１波長の光を第２波長の光（例えば、黄色光）に変換する際の効率を向上させる技術が開示されている。

特表２０１８−５２１４７８号公報

ところで、上述の光学装置において、光変調器に入射するレーザ光の強度分布をトップハットビームシェイパによって平坦に整形することにより、光変調器を損傷させることなく、光変調器への投入光量を増大させることが考えられる。

この場合、トップハットビームシェイパにより整形されたレーザ光の強度分布は、光変調器の変調面ではトップハット分布となり、光路上の他の位置では乱れた状態となっている。したがって、対象物上にレーザ光を集光させる集光レンズの前側焦点位置においても、レーザ光の強度分布は乱れているため、後側焦点位置（すなわち、対象物上の照射面）でレーザ光の強度分布に主たるピークが生じず、レーザ光を好適に集光できない、という問題が考えられる。なお、光変調器から出射されるレーザ光の強度分布がガウス分布である場合は、集光レンズの前側焦点位置における強度分布もガウス分布であるため、後焦点位置での強度分布もガウス分布となり、好適に集光が行われる。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、対象物上の照射面に変調ビームを照射する光学装置において、光変調器への投入光量を増大させることを目的としている。

請求項１に記載の発明は、対象物上の照射面に変調ビームを照射する光学装置であって、レーザ光を長軸方向に長い線状の平行ビームに整形する照明光学系と、前記平行ビームを変調ビームに変調する光変調器と、前記変調ビームを対象物の照射面に導く投影光学系とを備え、前記照明光学系は、前記レーザ光の短軸方向および前記長軸方向における強度分布をガウス分布から変換して、前記光変調器の変調面における前記平行ビームの前記短軸方向および前記長軸方向の強度分布をトップハット分布とするビームシェイパを備え、前記投影光学系は、第１レンズと、前記第１レンズよりも前記変調ビームの進行方向に位置する第２レンズと、前記第１レンズよりも前記変調ビームの進行方向に位置する第３レンズと、前記第１レンズ、前記第２レンズおよび前記第３レンズよりも前記変調ビームの進行方向に位置する第４レンズとを備え、前記長軸方向について、前記第３レンズおよび前記第４レンズにより前記変調面と前記照射面とが光学的に共役とされ、前記短軸方向について、前記第１レンズ、前記第２レンズおよび前記第３レンズにより、前記変調面と前記第４レンズの前側焦点位置とが光学的に共役とされ、前記第４レンズは、前記前側焦点位置におけるトップハット分布のビームを前記照射面に集光させる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の光学装置であって、前記第３レンズは前記第２レンズよりも前記変調ビームの進行方向に位置する。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の光学装置であって、前記投影光学系は、前記第３レンズと前記第４レンズとの間に位置し、前記光変調器からの長軸側の非０次回折光を遮る長軸側遮光部と、前記第１レンズと前記第２レンズおよび前記第３レンズとの間に位置し、前記光変調器からの短軸側の非０次回折光を遮る短軸側遮光部とをさらに備える。

請求項４に記載の発明は、請求項１ないし３のいずれか１つに記載の光学装置であって、前記光変調器は、２次元配列された複数の変調素子を備える。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の光学装置であって、前記光変調器はＰＬＶである。

請求項６に記載の発明は、３次元造形装置であって、請求項１ないし５のいずれか１つに記載の光学装置と、前記光学装置へと前記レーザ光を出射するレーザ光源と、前記光学装置からの前記変調ビームが照射される前記対象物であり、前記変調ビームを造形材料上で走査する走査部とを備える。

請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の３次元造形装置であって、前記走査部は、回転することによって前記変調ビームの進行方向を変更するガルバノミラーを備える。

本発明では、光変調器への投入光量を増大させることができる。

一の実施の形態に係る３次元造形装置の構成を示す図である。 光変調器の構造を示す図である。 光学装置の構造および光学装置における光路を示す図である。 光学装置の構造および光学装置における光路を示す図である。 短軸側遮光部を示す斜視図である。 長軸側遮光部を示す斜視図である。

図１は、本発明の一の実施の形態に係る３次元造形装置１の構成を示す図である。３次元造形装置１は、粉末状またはペースト状の造形材料に変調されたレーザ光を照射し、造形材料を焼結または溶融させることにより３次元造形を行うＳＬＳ（Selective Laser Sintering）式の３次元造形装置である。造形材料は、例えば、金属、エンジニアリングプラスチック、セラミックスまたは合成樹脂等である。当該造形材料は、複数種類の材料を含んでいてもよい。

３次元造形装置１は、レーザ光源１１と、光学装置１２と、走査部１３と、材料供給機構１４とを備える。３次元造形装置１では、レーザ光源１１から出射されたレーザ光Ｌ３１は、光学装置１２により走査部１３へと導かれ、走査部１３により、材料供給機構１４の造形空間１４０内の造形材料９１上にて走査される。これにより、造形材料９１のうち、レーザ光が照射された部位が焼結する。そして、造形空間１４０への造形材料９１の供給、および、造形材料９１上におけるレーザ光の走査が繰り返されることにより、３次元造形物が形成される。図１では、図の理解を容易にするために、光学装置１２の各構成を二点鎖線にて囲む。

３次元造形装置１では、製造される予定の３次元造形物の設計データ（例えば、ＣＡＤデータ）等に基づいて、レーザ光源１１、光学装置１２（例えば、後述する光変調器２２）、走査部１３および材料供給機構１４等の構成が、図示省略の制御部により制御される。当該制御部は、例えば、プロセッサと、メモリと、入出力部と、バスとを備える通常のコンピュータである。

レーザ光源１１は、光学装置１２へとレーザ光Ｌ３１を出射する。レーザ光源１１は、例えば、ファイバレーザ光源である。レーザ光Ｌ３１の波長は、例えば１．０７０μｍである。

光学装置１２は、レーザ光源１１からのレーザ光Ｌ３１を変調ビームＬ３３に変調し、走査部１３へと照射する。光学装置１２は、照明光学系２１と、光変調器２２と、投影光学系２３とを備える。照明光学系２１および投影光学系２３はそれぞれ、後述するように、レンズ等の光学素子を複数備える。

照明光学系２１は、レーザ光源１１からのレーザ光Ｌ３１を、一の方向（以下、「長軸方向」と呼ぶ。）に長い略線状の平行ビームＬ３２に整形して光変調器２２へと導く。換言すれば、平行ビームＬ３２の断面形状は、長軸方向に長く、長軸方向に垂直な短軸方向に短い略線状である。平行ビームＬ３２の断面形状とは、平行ビームＬ３２の進行方向に対して垂直な面における平行ビームＬ３２の形状である。以下の説明において、光の断面とは、上記と同様に、当該光の進行方向に対して垂直な面における当該光の断面を意味する。平行ビームＬ３２の断面形状は、略矩形状と捉えることもできる。平行ビームＬ３２の断面の大きさは、平行ビームＬ３２の進行方向のいずれの位置においても同じである。光変調器２２上における平行ビームＬ３２の照射領域の形状は、例えば、長軸方向の長さが２８ｍｍ、短軸方向の長さが１ｍｍの略線状（または略矩形状）である。

光変調器２２は、照明光学系２１からの平行ビームＬ３２を、変調ビームＬ３３に変調して投影光学系２３へと導く。光変調器２２としては、例えば、ＰＬＶ（Planar Light Valve）、ＧＬＶ（Grating Light Valve）（登録商標）またはＤＭＤ（Digital Micromirror Device）等が利用可能である。本実施の形態では、光変調器２２はＰＬＶの一種であるＬＰＬＶ（Liner Planar Light Valve）である。

図２は、光変調器２２（すなわち、ＬＰＬＶ）の構造を簡素化して示す図である。光変調器２２は、図示省略の基板上に隣接してマトリクス状に配置された（すなわち、２次元配列された）複数の略矩形状のピクセル２２１を備える。光変調器２２では、当該複数のピクセル２２１の表面が変調面となる。図２に示す例では、図中の縦方向にＭ個かつ横方向にＮ個のピクセル２２１が配置される。図２中の横方向は、平行ビームＬ３２（図１参照）の長軸方向に対応し、図２中の縦方向は、平行ビームＬ３２の短軸方向に対応する。

各ピクセル２２１は、固定部材２２２と、可動部材２２３とを備えた変調素子である。固定部材２２２は、上記基板に固定された平面状の略矩形の部材であり、中央に略円形の開口が設けられる。可動部材２２３は、固定部材２２２の当該開口に設けられる略円形の部材である。固定部材２２２の上面（すなわち、図２中の紙面に垂直な方向における手前側の面）には、固定反射面が設けられる。可動部材２２３の上面には、可動反射面が設けられる。可動部材２２３は、図２中の紙面に垂直な方向に移動可能である。

各ピクセル２２１では、固定部材２２２と可動部材２２３との相対位置が変更されることにより、ピクセル２２１からの反射光が、０次光（すなわち、正反射光）と非０次回折光との間で切り替えられる。換言すれば、ピクセル２２１では、可動部材２２３が固定部材２２２に対して相対移動することにより、回折格子を利用した光変調が行われる。光変調器２２から出射された０次光は、投影光学系２３（図１参照）により走査部１３へと導かれる。また、光変調器２２から出射された非０次回折光（主として、１次回折光）は、投影光学系２３により走査部１３とは異なる方向へと導かれ、遮光される。

投影光学系２３では、図２中の縦方向に１列に並ぶＭ個のピクセル２２１（以下、「ピクセル列」とも呼ぶ。）からの反射光が積算されて、変調ビームＬ３３として走査部１３へと照射される。これにより、走査部１３から造形材料９１へと照射される変調ビームＬ３３のパワー密度を増大させることができる。光変調器２２では、１つのピクセル列のＭ個のピクセル２２１（すなわち、Ｍ個の変調素子）を、１つの単位空間に対応する１つの変調要素と捉えることもできる。光変調器２２は、光変調器２２上における平行ビームＬ３２の長軸方向に１列に並ぶＮ個の変調要素を備える光変調器として機能する。

図１に示す投影光学系２３は、光変調器２２からの変調ビームＬ３３を集光しつつ走査部１３へと導く。換言すれば、走査部１３は、光学装置１２により変調ビームＬ３３が導かれる対象物である。変調ビームＬ３３は、走査部１３の照射面１３１上に照射される。

走査部１３は、光学装置１２の投影光学系２３からの変調ビームＬ３３を反射し、材料供給機構１４の造形空間１４０内の造形材料９１上で走査する。走査部１３としては、例えば、ガルバノスキャナまたはポリゴンレーザスキャナ等が利用可能である。本実施の形態では、走査部１３は、ガルバノミラー１３２およびガルバノモータ（図示省略）を備えるガルバノスキャナであり、ガルバノミラー１３２の反射面が上述の照射面１３１となる。走査部１３では、ガルバノモータによってガルバノミラー１３２が回転することにより、ガルバノミラー１３２により反射される変調ビームＬ３３の進行方向が変更される。その結果、造形材料９１上に照射された変調ビームＬ３３が、変調ビームＬ３３の短軸方向に対応する走査方向に走査される。

材料供給機構１４は、造形部１４１と、供給部１４２とを備える。造形部１４１は、第１シリンダ１４３と、第１ピストン１４４とを備える。第１シリンダ１４３は、上下方向に延びる筒状の部材である。第１シリンダ１４３の内部空間の平面視における形状は、例えば略矩形である。第１ピストン１４４は、第１シリンダ１４３の内部空間に収容される略平板状または略柱状の部材であり、平面視における形状は、第１シリンダ１４３の内部空間と略同じである。第１ピストン１４４は、第１シリンダ１４３の内部空間において、上下方向に移動可能である。造形部１４１では、第１シリンダ１４３の内側面と第１ピストン１４４の上面とにより囲まれる３次元空間が、変調ビームＬ３３による３次元造形が行われる造形空間１４０となる。

供給部１４２は、第２シリンダ１４５と、第２ピストン１４６と、スキージ１４７とを備える。第２シリンダ１４５は、上下方向に延びる筒状の部材であり、第１シリンダ１４３の側方に隣接して配置される。第２シリンダ１４５の内部空間の平面視における形状は、例えば略矩形である。第２ピストン１４６は、第２シリンダ１４５の内部空間に収容される略平板状または略柱状の部材であり、平面視における形状は、第２シリンダ１４５の内部空間と略同じである。第２ピストン１４６は、第２シリンダ１４５の内部空間において、上下方向に移動可能である。供給部１４２では、第２シリンダ１４５の内側面と第２ピストン１４６の上面とにより囲まれる３次元空間が、造形部１４１に供給される予定の造形材料９１が貯溜される貯溜空間となる。スキージ１４７は、第２シリンダ１４５の上部開口を横断して水平方向に延びる棒状（例えば、略円柱状）の部材である。スキージ１４７は、第２シリンダ１４５の上端面に沿って水平方向に移動可能である。

供給部１４２では、第２ピストン１４６が所定距離だけ上昇し、第２シリンダ１４５内の造形材料９１が上方へと持ち上げられる。そして、スキージ１４７が第２シリンダ１４５上から第１シリンダ１４３上へと移動することにより、第２シリンダ１４５の上端面よりも上側に突出する造形材料９１が、造形部１４１の造形空間１４０内に供給される。造形空間１４０内に保持された造形材料９１の上面は、所定の高さ（例えば、第１シリンダ１４３の上端面と同じ高さ）に位置する。

３次元造形装置１では、造形空間１４０内の造形材料９１に対して、上述の変調ビームＬ３３の走査が行われる。これにより、造形空間１４０内の造形材料９１の表層部において、変調ビームＬ３３が照射された部位が焼結し、３次元造形物を上下方向に積層される複数の層に分割した場合の１つの層に相当する部位が形成される。造形空間１４０内の造形材料９１に対する上述の変調ビームＬ３３の走査が終了すると、第１ピストン１４３が所定距離だけ下降する。その後、上述のように、供給部１４２から造形空間１４０への造形材料９１の供給が行われ、変調ビームＬ３３の走査が行われる。３次元造形装置１では、造形空間１４０に対する造形材料９１の供給と、造形空間１４０内の造形材料９１に対する変調ビームＬ３３の走査とが繰り返されることにより、造形空間１４０内に３次元造形物が形成される。

次に、光学装置１２の詳細な構造について、図３および図４を参照しつつ説明する。図３では、平行ビームＬ３２および変調ビームＬ３３の短軸方向が、紙面に垂直な方向と一致するように、平行ビームＬ３２および変調ビームＬ３３の光路を示す。図３では、平行ビームＬ３２および変調ビームＬ３３の長軸方向は、図中の上下方向と一致する。また、図４では、平行ビームＬ３２および変調ビームＬ３３の長軸方向が、紙面に垂直な方向と一致するように、平行ビームＬ３２および変調ビームＬ３３の光路を示す。図４では、平行ビームＬ３２および変調ビームＬ３３の短軸方向は、図中の上下方向と一致する。

光学装置１２の照明光学系２１は、コリメートレンズ２１１と、ビームシェイパ２１３と、シリンダーレンズ２１４，２１５とを備える。コリメートレンズ２１１、ビームシェイパ２１３およびシリンダーレンズ２１４，２１５は、レーザ光源１１から光変調器２２へと向かう進行方向において、この順番で配列される。コリメートレンズ２１１は、例えば、シリンドリカルレンズである。なお、図３および図４に示す例では、コリメートレンズ２１１は１枚であるが、コリメートレンズ２１１の枚数は２枚以上であってもよい。また、コリメートレンズ２１１は、平行光を生成できればよく、レンズ形状は球面であっても、非球面であっても、シリンドリカルであってもよい。

ビームシェイパ２１３は、平行ビームＬ３２の断面における短軸方向および長軸方向の光強度の分布（以下、単に「強度分布」とも呼ぶ。）を、ガウス分布から、最大強度の領域の幅が広い（すなわち、上部が略平坦な）トップハット分布へと変換するトップハットビームシェイパである。

シリンダーレンズ２１４，２１５は、ビームシェイパ２１３を通過することで生成された矩形像を、短軸および長軸のそれぞれの方向に異なる倍率で、後述する光変調器２２の変調面に結像させる。シリンダーレンズ２１４は、長軸方向にトップハット分布を拡大するためのシリンダーレンズ２１４ａおよびシリンダーレンズ２１４ｂを備える。また、シリンダーレンズ２１５は、短軸方向にトップハット分布を拡大するためのシリンダーレンズ２１５ａおよびシリンダーレンズ２１５ｂを備える。図３および図４に示す例では、シリンダーレンズ２１４ａ、シリンダーレンズ２１５ａ、シリンダーレンズ２１４ｂおよびシリンダーレンズ２１５ｂは、レーザ光源１１から光変調器２２へと向かう進行方向において、この順番で配列される。

なお、照明光学系２１では、上記以外の光学素子が追加されてもよい。また、照明光学系２１では、シリンダーレンズ２１４，２１５は必ずしも設けられる必要はなく、例えば、光変調器２２の変調面に所望の大きさの矩形像を形成するビームシェイパ２１３が用いられてもよい。

照明光学系２１は、上述のように、レーザ光源１１から出射されるレーザ光Ｌ３１を平行ビームＬ３２に変換して光変調器２２へと導く。照明光学系２１に入射するレーザ光Ｌ３１の断面における短軸方向および長軸方向の強度分布は、それぞれガウス分布である。実際には、これらの強度分布は、厳密なガウス分布ではなく、ガウス関数に近似した形状の分布である場合もあるが、以下の説明では、厳密なガウス分布、および、ガウス分布に近似した分布をまとめて「ガウス分布」と呼ぶ。

照明光学系２１では、レーザ光源１１から出射されたレーザ光Ｌ３１は、コリメートレンズ２１１を通過することにより、短軸方向および長軸方向において平行光とされ、平行ビームＬ３２となる。平行ビームＬ３２は、ビームシェイパ２１３およびシリンダーレンズ２１４，２１５を通過して光変調器２２へと導かれる。ビームシェイパ２１３に入射する前の平行ビームＬ３２の強度分布は、図３および図４の光路図の下側に矩形枠で囲んで示すように、長軸方向においてガウス分布であり、短軸方向においてもガウス分布である。

平行ビームＬ３２の短軸方向および長軸方向における強度分布は、ビームシェイパ２１３を通過することにより、図３および図４の光路図の下側に矩形枠で囲んで示すように、ガウス分布からトップハット分布（矩形分布とも呼ばれる。）に変換される。したがって、ビームシェイパ２１３を通過して光変調器２２に入射した平行ビームＬ３２の強度分布（すなわち、光変調器２２の変調面における平行ビームＬ３２の強度分布）は、短軸方向および長軸方向のそれぞれにおいてトップハット分布である。

投影光学系２３は、第１レンズ２３１と、第２レンズ２３２と、第３レンズ２３３と、第４レンズ２３４と、長軸側遮光部２３５と、短軸側遮光部２３６とを備える。第１レンズ２３１および第２レンズ２３２は、例えば、シリンドリカル凸レンズである。第３レンズ２３３および第４レンズ２３４は、例えば、球面凸レンズである。長軸側遮光部２３５は、例えば、短軸方向に平行に延びる矩形状の開口２３５ａが中央部に設けられた平板部材である。短軸側遮光部２３６は、例えば、長軸方向に平行に延びる矩形状の開口２３６ａが中央部に設けられた平板部材である。長軸側遮光部２３５および短軸側遮光部２３６の材料は、例えば、ステンレス鋼等の金属やセラミックス等である。

第２レンズ２３２および第３レンズ２３３は、第１レンズ２３１よりも変調ビームＬ３３の進行方向（すなわち、光変調器２２から走査部１３へと向かう変調ビームＬ３３が進行する側）に位置する。換言すれば、第２レンズ２３２および第３レンズ２３３は、変調ビームＬ３３の光路上において、第１レンズ２３１よりも走査部１３に近い側に位置する。図３および図４に示す例では、第３レンズ２３３は、第２レンズ２３２よりも変調ビームＬ３３の進行方向に位置する。第３レンズ２３３は、第１レンズ２３１と第２レンズ２３２との間に配置されてもよい。第４レンズ２３４は、第１レンズ２３１、第２レンズ２３２および第３レンズ２３３よりも、変調ビームＬ３３の進行方向に位置する。

投影光学系２３では、第１レンズ２３１の短軸側の前側焦点位置（すなわち、光変調器２２側の焦点位置）と、光変調器２２の変調面とが一致していることが好ましい。このように、光変調器２２と第１レンズ２３１との間隔を、第１レンズ２３１の前側焦点距離以下（好ましくは、当該前側焦点距離未満）としておくことで、第１レンズ２３１を通過した後に生じる０次回折光と１次回折光との集光点間隔が広がる。その結果、０次回折光を１次回折光等の非０次回折光から容易に分離することができる。また、第３レンズ２３３の前側焦点位置と、光変調器２２の変調面とが一致している。第１レンズ２３１の短軸側の後側焦点位置（すなわち、走査部１３側の焦点位置）は、第２レンズ２３２および第３レンズ２３３の短軸側の前側合成焦点位置と一致する。第３レンズ２３３の後側焦点位置は、第４レンズ２３４の前側焦点位置と一致しており。第４レンズ２３４の後側焦点位置は、走査部１３の照射面１３１と一致している。

投影光学系２３では、第３レンズ２３３および第４レンズ２３４により、光変調器２２の変調面と、走査部１３の照射面１３１とが、長軸方向について光学的に共役とされる。また、短軸方向について、第１レンズ２３１、第２レンズ２３２および第３レンズ２３３により、光変調器２２の変調面と、第４レンズ２３４の前側焦点位置とが光学的に共役とされる。第４レンズ２３４は、短軸方向について、変調ビームＬ３３を集光して走査部１３の照射面１３１に集光させる。走査部１３の照射面１３１は、第２レンズ２３２、第３レンズ２３３および第４レンズ２３４により、第１レンズ２３１の後側焦点位置と短軸方向について光学的に共役である。

図３および図４に示す例では、第１レンズ２３１、短軸側遮光部２３６、第２レンズ２３２、第３レンズ２３３、長軸側遮光部２３５および第４レンズ２３４は、光変調器２２から走査部１３へと向かう進行方向において、この順番で配列される。短軸側遮光部２３６は、第１レンズ２３１と第２レンズ２３２との間に位置する。なお、第３レンズ２３３が第１レンズ２３１と第２レンズ２３２との間に配置される場合、短軸側遮光部２３６は、第１レンズ２３１と第３レンズ２３３との間に位置する。すなわち、短軸側遮光部２３６は、第１レンズ２３１と、第２レンズ２３２および第３レンズ２３３との間において、変調ビームＬ３３の短軸方向の集光位置近傍に配置される。短軸側遮光部２３６は、例えば、第１レンズ２３１の短軸側の後側焦点位置に配置される。また、長軸側遮光部２３５は、第３レンズ２３３と第４レンズ２３４との間において、変調ビームＬ３３の長軸方向の集光位置近傍に配置される。長軸側遮光部２３５は、例えば、第３レンズ２３３の後側焦点位置に配置される。

なお、投影光学系２３では、第１レンズ２３１、第２レンズ２３２、第３レンズ２３３および第４レンズ２３４の種類は様々に変更されてよく、上記以外の光学素子が追加されてもよい。また、長軸側遮光部２３５および短軸側遮光部２３６の材料、形状および構造も様々に変更されてよい。

投影光学系２３は、上述のように、光変調器２２からの変調ビームＬ３３を走査部１３へと導く。詳細には、光変調器２２にて生成された平行光である変調ビームＬ３３は、第１レンズ２３１を通過することにより、短軸方向において、第１レンズ２３１の後側焦点位置（すなわち、第２レンズ２３２および第３レンズ２３３の前側合成焦点位置）に集光される。変調ビームＬ３３は、長軸方向に関しては、第１レンズ２３１の通過時に屈折しない。

第１レンズ２３１を通過した変調ビームＬ３３は、第１レンズ２３１の短軸側の後側焦点位置に位置する短軸側遮光部２３６の開口２３６ａを通過する。詳細には、光変調器２２にて反射された反射光のうち、０次光および長軸側の非０次回折光が短軸側遮光部２３６の矩形状の開口２３６ａを通過し、短軸側の非０次回折光（主として、１次回折光（すなわち、（＋１）次回折光および（−１）次回折光））は短軸側遮光部２３６により遮られる。短軸側の非０次回折光は、図５に示すように、短軸側遮光部２３６の開口２３６ａよりも上側および下側（すなわち、開口２３６ａの短軸方向両側）の部位において、長軸方向に延びる略線状の照射領域８１に照射される。

短軸側遮光部２３６の開口２３６ａを通過した変調ビームＬ３３の断面は、進行方向に進行するにしたがって、短軸方向において広がる。短軸側遮光部２３６を通過した変調ビームＬ３３は、第２レンズ２３２および第３レンズ２３３を通過することにより、短軸方向において平行光となる。変調ビームＬ３３は、長軸方向において、第２レンズ２３２の通過時には屈折せず、第３レンズ２３３を通過することにより第３レンズ２３３の後側焦点位置（すなわち、第４レンズ２３４の前側焦点位置）に集光される。

第２レンズ２３２および第３レンズ２３３を通過した変調ビームＬ３３は、第３レンズ２３３の後側焦点位置に位置する長軸側遮光部２３５の開口２３５ａを通過する。詳細には、光変調器２２にて反射された反射光のうち、０次光が長軸側遮光部２３５の矩形状の開口２３５ａを通過し、長軸側の非０次回折光（主として、１次回折光）は長軸側遮光部２３５により遮られる。長軸側の非０次回折光は、図６に示すように、長軸側遮光部２３５の開口２３５ａよりも図中の左側および右側（すなわち、開口２３５ａの長軸方向両側）の部位において、短軸方向に延びる略線状の照射領域８２に照射される。

長軸側遮光部２３５の開口２３５ａを通過した変調ビームＬ３３の断面は、進行方向に進行するにしたがって、長軸方向において広がる。長軸側遮光部２３５を通過した変調ビームＬ３３は、第４レンズ２３４を通過することにより、長軸方向において平行光となって走査部１３の照射面１３１に入射する。また、短軸方向において平行光として第４レンズ２３４に入射した変調ビームＬ３３は、第４レンズ２３４を通過することにより、第４レンズ２３４の後側焦点位置に位置する走査部１３の照射面１３１上に、短軸方向において集光される。

上述のように、長軸方向について、光変調器２２の変調面と、走査部１３の照射面１３１とは光学的に共役である。また、光変調器２２の変調面における平行ビームＬ３２の長軸方向の強度分布は、図３の矩形枠中に示すようにトップハット分布である。したがって、走査部１３の照射面１３１上における変調ビームＬ３３の長軸方向の強度分布も、トップハット分布となる。

また、短軸方向について、光変調器２２の変調面と第４レンズ２３４の前側焦点位置（すなわち、第３レンズ２３３の後側焦点位置）とは光学的に共役である。また、光変調器２２の変調面における平行ビームＬ３２の短軸方向の強度分布は、ビームシェイパ２１３により、図４の矩形枠中に示すように、トップハット分布に変換されている。したがって、第３レンズ２３３を通過した変調ビームＬ３３の短軸方向の強度分布は、第４レンズ２３４の前側焦点位置においてトップハット分布となる。このため、第４レンズ２３４によるフーリエ変換作用により、走査部１３の照射面１３１上の集光点における変調ビームＬ３３の短軸方向の強度分布はｓｉｎｃ分布となる。実際には、変調ビームＬ３３の短軸方向における強度分布は、厳密なｓｉｎｃ分布ではなく、ｓｉｎｃ関数に近似した形状の分布である場合もあるが、以下の説明では、厳密なｓｉｎｃ分布、および、ｓｉｎｃ分布に近似した分布をまとめて「ｓｉｎｃ分布」と呼ぶ。ｓｉｎｃ分布は、ガウス分布と略同様に、主たるピークを有する分布であるため、走査部１３の照射面１３１上に変調ビームＬ３３を好適に集光することができる。

走査部１３の照射面１３１上における変調ビームＬ３３の大きさは、以下のように求められる。例えば、レーザ光Ｌ３１の波長λは１．０７０μｍであり、光変調器２２の変調面上における照射領域は、長軸方向の長さＬ_１が２８ｍｍ、短軸方向の長さＬ_２が１ｍｍの略線状（または略矩形状）であるものとする。第１レンズ２３１および第２レンズ２３２の短軸側の焦点距離ｆ_１，ｆ_２はそれぞれ、４０ｍｍおよび４００ｍｍであり、第３レンズ２３３および第４レンズ２３４の焦点距離ｆ_３，ｆ_４はそれぞれ、２４０ｍｍおよび６０ｍｍであるものとする。第２レンズ２３２と第３レンズ２３３との間隔ｄは５０ｍｍであるものとする。この場合、第２レンズ２３２および第３レンズ２３３の短軸側の合成焦点距離ｆ_２３は、約１６３ｍｍとなる。

短軸方向については、上述のように、第１レンズ２３１の後側焦点位置に変調ビームＬ３３が集光される。第１レンズ２３１の後側焦点位置における変調ビームＬ３３の短軸方向の集光径（すなわち、ｓｉｎｃ関数の暗環径）φ_Ｓ１は、２．４４ｘλｘｆ_１／Ｌ_２≒１０４μｍとなる。第１レンズ２３１の後側焦点位置は、短軸方向について、走査部１３の照射面１３１と光学的に共役である。したがって、照射面１３１上における変調ビームＬ３３の短軸方向の集光径は、１０４μｍｘｆ_４／ｆ_２３≒３３μｍとなる。

長軸方向については、上述のように、第３レンズ２３３の後側焦点位置に変調ビームＬ３３が集光される。第３レンズ２３３の後側焦点位置における変調ビームＬ３３の長軸方向の集光径φ_Ｌ３は、２．４４ｘλｘｆ_３／Ｌ_１≒２２μｍとなる。なお、第３レンズ２３３の後側焦点位置における変調ビームＬ３３の短軸方向の長さＬ_３は、Ｌ_２ｘｆ_２３／ｆ_１＝４ｍｍとなる。長軸方向については、光変調器２２の変調面と走査部１３の照射面１３１とが光学的に共役である。したがって、照射面１３１上における変調ビームＬ３３の長軸方向の長さは、Ｌ_１ｘｆ_４／ｆ_３＝７ｍｍとなる。

上述のように、短軸側遮光部２３６は、第１レンズ２３１の後側焦点位置に配置されるため、短軸側遮光部２３６の開口２６３ａの短軸方向両側に照射される１次回折光（すなわち、（＋１）次回折光および（−１）次回折光））の照射領域８１（図５参照）は、長軸方向がＬ_１＝２８ｍｍであり、短軸方向がφ_Ｓ１≒１０４μｍである略線状となる。また、長軸側遮光部２３５は、第３レンズ２３３の後側焦点位置に配置されるため、長軸側遮光部２３５の開口２５３ａの長軸方向両側に照射される１次回折光の照射領域８２（図６参照）は、長軸方向がφ_Ｌ３≒２２μｍであり、短軸方向がＬ_３＝４ｍｍである略線状となる。

一方、変調ビームＬ３３が、長軸方向および短軸方向の双方において、１枚の凸レンズにより光路上の同じ位置（すなわち、当該凸レンズの後側焦点位置）に集光される光学装置（以下、「比較例の光学装置」と呼ぶ。）を想定すると、当該後側焦点位置に配置された遮光部上において、１次回折光が点状の照射領域に照射される。例えば、当該凸レンズの焦点距離を２４０ｍｍとした場合、当該遮光部上における１次回折光の照射領域の直径は約３２６μｍとなる。

したがって、本実施の形態に係る光学装置１２では、比較例の光学装置に比べて、短軸側遮光部２３６上における１次回折光のパワー密度、および、長軸側遮光部２３５上における１次回折光のパワー密度が、１／１０以下まで低減される。

３次元造形装置１では、上述のように、照射面１３１上に好適に集光された変調ビームＬ３３が、走査部１３により造形空間１４０内の造形材料９１上にて走査される。そして、造形空間１４０への造形材料９１の供給、および、造形材料９１上におけるレーザ光の走査が繰り返されることにより、３次元造形物が形成される。

以上に説明したように、光学装置１２は、対象物上の照射面（上述の例では、走査部１３の照射面１３１）に変調ビームＬ３３を照射する装置である。光学装置１２は、照明光学系２１と、光変調器２２と、投影光学系２３とを備える。照明光学系２１は、レーザ光Ｌ３１を長軸方向に長い線状の平行ビームＬ３２に整形する。光変調器２２は、平行ビームＬ３２を変調ビームＬ３３に変調する。投影光学系２３は、変調ビームＬ３３を対象物の照射面に導く。照明光学系２１は、ビームシェイパ２１３を備える。ビームシェイパ２１３は、レーザ光Ｌ３１の短軸方向および長軸方向における強度分布をガウス分布から変換して、光変調器２２の変調面における平行ビームＬ３２の短軸方向および長軸方向の強度分布をトップハット分布とする。

投影光学系２３は、第１レンズ２３１と、第２レンズ２３２と、第３レンズ２３３と、第４レンズ２３４とを備える。第２レンズ２３２は、第１レンズ２３１よりも変調ビームＬ３３の進行方向に位置する。第３レンズ２３３は、第１レンズ２３１よりも変調ビームＬ３３の進行方向に位置する。第４レンズ２３４は、第１レンズ２３１、第２レンズ２３２および第３レンズ２３３よりも変調ビームＬ３３の進行方向に位置する。長軸方向について、第３レンズ２３３および第４レンズ２３４により、上記変調面と上記照射面とが光学的に共役とされる。また、短軸方向について、第１レンズ２３１、第２レンズ２３２および第３レンズ２３３により、当該変調面と第４レンズ２３４の前側焦点位置とが光学的に共役とされる。第４レンズ２３４は、当該前側焦点位置におけるトップハット分布のビームを照射面１３１に集光させる。

このように、レーザ光Ｌ３１の短軸方向および長軸方向の強度分布をビームシェイパ２１３によってトップハット分布とすることにより、光変調器２２に入射する平行ビームＬ３２の最大パワー密度を低下させつつ投入総光量を増大させることができる。したがって、光変調器２２の損傷リスクを低減しつつ、光変調器２２への投入光量を増大させることができる。また、投影光学系２３を上記構成とすることにより、光変調器２２にトップハット分布（短軸方向および長軸方向）にて入射した平行ビームＬ３２を、主たるピークを有するｓｉｎｃ分布（短軸方向）の変調ビームＬ３３として対象物上に好適に集光することができる。その結果、対象物に照射される変調ビームＬ３３のパワー密度を好適に増大させることができる。

投影光学系２３では、第３レンズ２３３は、第２レンズ２３２よりも変調ビームＬ３３の進行方向に位置することが好ましい。換言すれば、第３レンズ２３３は、第２レンズ２３２と第４レンズ２３４との間に配置されることが好ましい。仮に、第２レンズ２３２が第３レンズ２３３よりも変調ビームＬ３３の進行方向に位置すると、長軸方向において光変調器２２の各位置から出射される主光線が、異なる角度で第２レンズ２３２に入射するため、収差が生じる可能性がある。一方、上述のように、第３レンズ２３３を第２レンズ２３２よりも変調ビームＬ３３の進行方向に配置することにより、長軸方向において光変調器２２の各位置から出射される主光線が、第２レンズ２３２に対して略垂直に入射するため、収差の発生を低減することができる。

上述のように、投影光学系２３は、長軸側遮光部２３５と、短軸側遮光部２３６とをさらに備えることが好ましい。長軸側遮光部２３５は、第３レンズ２３３と第４レンズ２３４との間に位置し、光変調器２２からの長軸側の非０次回折光を遮る。短軸側遮光部２３６は、第１レンズ２３１と第２レンズ２３２および第３レンズ２３３との間に位置し、光変調器２２からの短軸側の非０次回折光を遮る。このように、光学装置１２では、投影光学系２３の光路上における変調ビームＬ３３の集光位置を長軸方向と短軸方向とで異ならせ、当該異なる集光位置にて、長軸側および短軸側の非０次回折光をそれぞれ遮光することにより、上述のように、長軸側遮光部２３５および短軸側遮光部２３６上において１次回折光が略線状の照射領域８１，８２に照射される。このため、上記比較例のように１次回折光が点状の照射領域に照射される場合に比べて、長軸側遮光部２３５および短軸側遮光部２３６上における１次回折光のパワー密度を大幅に低減することができる。これにより、長軸側遮光部２３５および短軸側遮光部２３６が１次回折光等の非０次回折光により損傷するリスクを低減することができ、長軸側遮光部２３５および短軸側遮光部２３６の構造を簡素化（例えば、板状部材の薄型化）を実現することができる。

上述のように、長軸側遮光部２３５は、第３レンズ２３３の後側焦点位置に位置することが好ましい。これにより、長軸側遮光部２３５上における１次回折光等の非０次回折光の照射領域を小さくすることができるため、長軸側遮光部２３５による遮光面積を小型化することができる。また、短軸側遮光部２３６は、第１レンズ２３１の後側焦点位置に位置することが好ましい。これにより、短軸側遮光部２３６上における１次回折光等の非０次回折光の照射領域を小さくすることができるため、短軸側遮光部２３６による遮光面積を小型化することができる。

一方、長軸側遮光部２３５は、第３レンズ２３３の後側焦点位置を避けて配置されることも好ましい。これにより、長軸側遮光部２３５上における１次回折光等の非０次回折光のパワー密度を低減することができるため、非０次回折光による長軸側遮光部２３５の損傷リスクをさらに低減することができる。また、短軸側遮光部２３６は、第１レンズ２３１の後側焦点位置を避けて配置されることも好ましい。これにより、短軸側遮光部２３６上における１次回折光等の非０次回折光のパワー密度を低減することができるため、非０次回折光による短軸側遮光部２３６の損傷リスクをさらに低減することができる。

上述のように、光変調器２２は、２次元配列された複数の変調素子（すなわち、ピクセル２２１）を備えることが好ましい。これにより、照明光学系２１からの平行ビームＬ３２を光変調器２２上に面状に照射することができるため、光変調器２２への投入総光量を増大させつつ、光変調器２２上の照射領域における平行ビームＬ３２の最大パワー密度を低減することができる。その結果、光変調器２２の損傷リスクをさらに低減することができる。

上述のように、光変調器２２はＰＬＶであることが好ましい。ＰＬＶは耐パワー性能が高いため、投入光量の増大が求められる光変調器２２に特に適している。

３次元造形装置１は、上述の光学装置１２と、レーザ光源１１と、走査部１３とを備える。レーザ光源１１は、光学装置１２へとレーザ光Ｌ３１を出射する。走査部１３は、光学装置１２からの変調ビームＬ３３が照射される上記対象物であり、変調ビームＬ３３を造形材料９１上で走査する。光学装置１２では、上述のように、対象物（すなわち、走査部１３）に照射される変調ビームＬ３３のパワー密度を好適に増大させることができるため、３次元造形装置１において、造形材料９１に照射される変調ビームＬ３３のパワー密度も好適に増大させることができる。その結果、３次元造形装置１における造形物の造形速度を増大させることができ、生産性を向上することができる。

上述のように、走査部１３は、回転することによって前記変調ビームの進行方向を変更するガルバノミラー１３２を備えることが好ましい。これにより、光学装置１２からの変調ビームＬ３３の走査を高精度かつ高速に行うことができる。

３次元造形装置１では、上述のように、走査部１３による変調ビームＬ３３の走査方向は、変調ビームＬ３３の短軸方向に対応する方向であることが好ましい。造形材料９１上では、変調ビームＬ３３の短軸方向における強度分布は上述のｓｉｎｃ分布であるため、集光点の周囲に明環が存在し、当該集光点よりも走査方向（すなわち、短軸方向）前側の領域が当該明環により予熱される。このため、予熱された当該領域を変調ビームＬ３３で走査した際に、当該領域の加熱時間を短縮することができる。その結果、３次元造形装置１の生産性をさらに向上することができる。

上述の光学装置１２および３次元造形装置１では、様々な変更が可能である。

例えば、光学装置１２の光変調器２２は、上述のＰＬＶ、ＧＬＶまたはＤＭＤには限定されず、様々に変更されてよい。また、光変調器２２は、必ずしも２次元配列された複数の変調素子を備える必要はなく、例えば、直線状に配列された複数の変調素子を備えるものであってもよい。

投影光学系２３では、例えば、上述の収差が許容範囲である場合、あるいは、当該収差を補正する光学素子が追加される場合等、第２レンズ２３２が第３レンズ２３３よりも変調ビームＬ３３の進行方向に配置されてもよい。

３次元造形装置１の走査部１３は、必ずしもガルバノミラー１３２を備える必要はなく、上述のように、ポリゴンレーザスキャナ等、他の構造を有するものであってもよい。あるいは、走査部１３は、投影光学系２３からの変調ビームＬ３３の進行方向を変更するものには限定されず、例えば、変調ビームＬ３３の照射位置が固定された状態で造形材料９１を保持する造形部１４１を水平方向に移動させるリニアモータ等の移動機構であってもよい。

光学装置１２は、必ずしも３次元造形装置１に設けられる必要はなく、例えば、レーザーマーキング装置等のレーザ加工機にて使用されてもよい。

上記実施の形態および各変形例における構成は、相互に矛盾しない限り適宜組み合わされてよい。

１ ３次元造形装置
１１ レーザ光源
１２ 光学装置
１３ 走査部
２１ 照明光学系
２２ 光変調器
２３ 投影光学系
９１ 造形材料
１３１ 照射面
１３２ ガルバノミラー
２１３ ビームシェイパ
２２１ ピクセル
２３１ 第１レンズ
２３２ 第２レンズ
２３３ 第３レンズ
２３４ 第４レンズ
２３５ 長軸側遮光部
２３６ 短軸側遮光部
Ｌ３１ レーザ光
Ｌ３２ 平行ビーム
Ｌ３３ 変調ビーム

Claims (7)

1. 対象物上の照射面に変調ビームを照射する光学装置であって、
   レーザ光を長軸方向に長い線状の平行ビームに整形する照明光学系と、
   前記平行ビームを変調ビームに変調する光変調器と、
   前記変調ビームを対象物の照射面に導く投影光学系と、
   を備え、
   前記照明光学系は、前記レーザ光の短軸方向および前記長軸方向における強度分布をガウス分布から変換して、前記光変調器の変調面における前記平行ビームの前記短軸方向および前記長軸方向の強度分布をトップハット分布とするビームシェイパを備え、
   前記投影光学系は、
   第１レンズと、
   前記第１レンズよりも前記変調ビームの進行方向に位置する第２レンズと、
   前記第１レンズよりも前記変調ビームの進行方向に位置する第３レンズと、
   前記第１レンズ、前記第２レンズおよび前記第３レンズよりも前記変調ビームの進行方向に位置する第４レンズと、
   を備え、
   前記長軸方向について、前記第３レンズおよび前記第４レンズにより前記変調面と前記照射面とが光学的に共役とされ、
   前記短軸方向について、前記第１レンズ、前記第２レンズおよび前記第３レンズにより、前記変調面と前記第４レンズの前側焦点位置とが光学的に共役とされ、前記第４レンズは、前記前側焦点位置におけるトップハット分布のビームを前記照射面に集光させることを特徴とする光学装置。
2. 請求項１に記載の光学装置であって、
   前記第３レンズは前記第２レンズよりも前記変調ビームの進行方向に位置することを特徴とする光学装置。
3. 請求項１または２に記載の光学装置であって、
   前記投影光学系は、
   前記第３レンズと前記第４レンズとの間に位置し、前記光変調器からの長軸側の非０次回折光を遮る長軸側遮光部と、
   前記第１レンズと前記第２レンズおよび前記第３レンズとの間に位置し、前記光変調器からの短軸側の非０次回折光を遮る短軸側遮光部と、
   をさらに備えることを特徴とする光学装置。
4. 請求項１ないし３のいずれか１つに記載の光学装置であって、
   前記光変調器は、２次元配列された複数の変調素子を備えることを特徴とする光学装置。
5. 請求項４に記載の光学装置であって、
   前記光変調器はＰＬＶであることを特徴とする光学装置。
6. ３次元造形装置であって、
   請求項１ないし５のいずれか１つに記載の光学装置と、
   前記光学装置へと前記レーザ光を出射するレーザ光源と、
   前記光学装置からの前記変調ビームが照射される前記対象物であり、前記変調ビームを造形材料上で走査する走査部と、
   を備えることを特徴とする３次元造形装置。
7. 請求項６に記載の３次元造形装置であって、
   前記走査部は、回転することによって前記変調ビームの進行方向を変更するガルバノミラーを備えることを特徴とする３次元造形装置。

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