JP2024027223A - 光学装置および３次元造形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】投影光学系の構造を簡素化しつつ光変調器への投入光量を増大させる。【解決手段】照明光学系２１は、入射光の長軸方向における強度分布をガウス分布から変換することにより、光変調器２２の変調面２２４における整形ビームＬ３２の長軸方向の強度分布をトップハット分布とするとともに、当該入射光を長軸方向において平行光とし、短軸方向において収束光として光変調器２２へと導くよう構成されている。短軸側遮光部２３６は、光変調器２２から出射された短軸側が収束光である変調ビームＬ３３の短軸側の集光位置に配置され、変調ビームＬ３３の短軸側の非０次回折光を遮る。第２投影光学素子２３２は、変調ビームＬ３３を短軸方向において収束させて照射面１３４に集光させる。これにより、投影光学系２３の構造を簡素化しつつ、光変調器２２への投入光量を増大させることができる。【選択図】図５

Description

本発明は、対象物上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、金属粉末や樹脂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、その手法として、例えば光変調器を用いてライン状のパターン光を形成することで、複数のスポットを一度に照射可能とすることが検討されている。この際、パターン光を形成するための光変調器には、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）を確保するため、パワー密度の高い光が照射されることがある。この際、強度分布がガウス分布であるレーザ光を光変調器に照射すると、変調器の変調面におけるピーク強度（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。

そこで、特許文献１の３次元造形装置では、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提案されている。

特開２０２１－１６５７６９号公報

ところで、特許文献１の３次元造形装置では、光変調器にて変調されたレーザ光を対象物へと導く投影光学系において、比較的多数の光学素子が設けられる。例えば、当該投影光学系では、光変調器にて変調されたレーザ光のうち非０次回折光を遮って０次光のみを造形材料へと導くために、光変調器に隣接した位置にシリンドリカルレンズが設けられ、当該シリンドリカルレンズの集光位置に遮光部が設けられる。

一方、このようなハイパワーの３次元造形装置では、変調されたレーザ光をより正確に造形材料上に集光するため、投影光学系を構成するレンズ等の光学素子の性能や配置精度を向上させる必要がある。このため、投影光学系を構成する光学素子の数を減少させる等、投影光学系の構造を簡素化することが求められている。また、投影光学系の構造の簡素化、および、光変調器への投入光量の増大は、３次元造形装置以外の装置（例えば、レーザーマーキング装置）に設けられる光学装置においても求められる。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、投影光学系の構造を簡素化しつつ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。

本発明の態様１は、対象物上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整形ビームに整形する照明光学系と、前記整形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、を備える。前記照明光学系は、ビームシェイパと、照明光学素子と、を備える。前記照明光学系は、入射光の前記長軸方向における強度分布をガウス分布から変換することにより、前記光変調器の変調面における前記整形ビームの前記長軸方向の強度分布をトップハット分布とするとともに、前記入射光を前記長軸方向において平行光とし、短軸方向において収束光として前記光変調器へと導くよう構成されている。前記光変調器は、２次元配列された複数の変調要素を備え、前記長軸方向において変調を行うとともに前記短軸方向においては変調を行わない。前記投影光学系は、前記光変調器から出射された短軸側が収束光である前記変調ビームの短軸側の集光位置に配置され、前記変調ビームの短軸側の非０次回折光を遮る短軸側遮光部と、前記短軸側遮光部を通過した前記変調ビームを前記長軸方向において収束させる第１投影光学素子と、前記第１投影光学素子による前記変調ビームの長軸側の集光位置に配置され、前記変調ビームの長軸側の非０次回折光を遮る長軸側遮光部と、前記長軸側遮光部を通過した前記変調ビームを前記短軸方向において収束させて前記照射面に集光させる第２投影光学素子と、を備える。前記投影光学系により、前記変調面と前記照射面とが前記長軸方向について光学的に共役とされる。

本発明の態様２は、態様１の光学装置であって、前記投影光学系は、前記短軸側遮光部と前記第１投影光学素子との間に位置する第３投影光学素子をさらに備える。前記第３投影光学素子および前記第１投影光学素子により、前記短軸側遮光部を通過した前記変調ビームが前記短軸方向において平行光とされる。前記第１投影光学素子は、前記短軸方向について前記長軸方向と同じ焦点位置を有する。前記投影光学系により、前記短軸側遮光部と前記照射面とが前記短軸方向について光学的に共役とされる。

本発明の態様３は、態様１（態様１または２、であってもよい。）の光学装置であって、前記照明光学系は、前記レーザ光の前記短軸方向における強度分布をガウス分布から変換することにより、前記変調面における前記整形ビームの前記短軸方向の強度分布もトップハット分布とする。

本発明の態様４は、態様１ないし３のいずれか１つの光学装置であって、前記照明光学素子は１つのレンズであり、前記照明光学系では、前記ビームシェイパと前記光変調器との間に前記１つのレンズ以外の光学素子は配置されない。

本発明の態様５は、態様１ないし３のいずれか１つ（態様１ないし４のいずれか１つ、であってもよい。）の光学装置であって、前記光変調器から出射された前記変調ビームは、他の光学素子を経由することなく前記短軸側遮光部に直接的に入射する。

本発明の態様６は、態様１ないし３のいずれか１つ（態様１ないし５のいずれか１つ、であってもよい。）の光学装置であって、前記光変調器はＰＬＶである。

本発明の態様７は、態様１ないし３のいずれか１つ（態様１ないし６のいずれか１つ、であってもよい。）の光学装置であって、前記ビームシェイパは、入射光を前記長軸方向および前記短軸方向において互いに異なる発散角にて広げる１つの光学素子である。

本発明の態様８は、態様１ないし３のいずれか１つ（態様１ないし７のいずれか１つ、であってもよい。）の光学装置であって、前記照明光学系から出射された前記整形ビームは前記変調面に所定の入射角にて斜めに入射し、前記変調面にて変調されつつ反射された前記変調ビームが前記投影光学系に入射する。

本発明の態様９は、３次元造形装置であって、態様１ないし３のいずれか１つ（態様１ないし８のいずれか１つ、であってもよい。）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。

本発明の態様１０は、態様９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、投影光学系の構造を簡素化しつつ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。 光変調器を示す図である。 光学装置の構成を示す図である。 光学装置における光路を示す図である。 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。図１では、材料供給機構１４を縦断面にて示す。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、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。なお、制御部の構成は様々に変更されてよい。

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。なお、レーザ光源１１の種類、および、レーザ光Ｌ３１の波長は、様々に変更されてよい。

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。）に長い略矩形状の整形ビームＬ３２に整形して光変調器２２へと導く。換言すれば、整形ビーム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矩形である。長軸方向および短軸方向は、整形ビームＬ３２の進行方向（すなわち、光軸方向）に垂直な方向である。また、整形ビームＬ３２の断面形状とは、整形ビームＬ３２の進行方向に対して垂直な面における整形ビーム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。整形ビームＬ３２の断面形状は、長軸方向に延びる略直線状と捉えることもできる。光変調器２２上における整形ビームＬ３２の照射領域の形状は、例えば、長軸方向の長さが約２７ｍｍ、短軸方向の長さが約１ｍｍの略矩形である。

光変調器２２は、照明光学系２１からの整形ビーム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）の一種であるＬＰＬＶ（Liner Planar Light Valve）が利用される。

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２２４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、整形ビームＬ３２（図１参照）の長軸方向に対応し、図２中の縦方向は、整形ビーム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とを備えた変調要素である。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、図２中の紙面に垂直な方向における固定部材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により遮光されて走査部１３には到達しない。

光変調器２２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。）からの反射光の回折状態は同じである。すなわち、一のピクセル２２１からの反射光が０次光である場合、当該一のピクセル２２１が含まれるピクセル列の他の全てのピクセル２２１（すなわち、Ｍ－１個のピクセル２２１）からの反射光も０次光である。また、一のピクセル２２１からの反射光が非０次回折光である場合、当該一のピクセル２２１が含まれるピクセル列の他の全てのピクセル２２１からの反射光も非０次回折光である。すなわち、光変調器２２では、整形ビームＬ３２の短軸方向において変調は行わず、長軸方向において変調を行う。

投影光学系２３では、光変調器２２上における整形ビームＬ３２の長軸方向に１列に並ぶＮ列のピクセル列について、各ピクセル列に含まれるＭ個のピクセル２２１からの反射光が積算されて走査部１３へと導かれる。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。

なお、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個の変調要素）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上における整形ビーム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からの変調ビームＬ３３が照射される対象物である。変調ビームＬ３３は、走査部１３の照射面１３４上に照射される。図１では、照射面１３４を黒丸にて示す（後述する図３においても同様）。

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は、リレーレンズ１３１と、ガルバノスキャナ１３２とを備える。ガルバノスキャナ１３２は、ガルバノミラー１３３と、ガルバノモータ（図示省略）とを備える走査機構である。上述の照射面１３４は、光学装置の照射方向におけるリレーレンズ１３１の上流側（すなわち、投影光学系２３とリレーレンズ１３１との間）において、投影光学系２３からの変調ビームＬ３３が結像する結像面である。走査部１３では、リレーレンズ１３１により、投影光学系２３からの変調ビームＬ３３の結像面である照射面１３４と、造型材料９１上の表層部とが光学的に共役とされる。また、ガルバノスキャナ１３２において、ガルバノモータによってガルバノミラー１３３が回転することにより、ガルバノミラー１３３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１４４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ないし図５を参照しつつ説明する。図３は、光学装置１２の構成を示す図である。図４および図５は、光学装置１２におけるレーザ光Ｌ３１、整形ビームＬ３２および変調ビームＬ３３の光路を模式的に示す図である。図３に示すように、本実施の形態にかかる光学装置１２では、照明光学系２１と投影光学系２３とは斜めに（すなわち、照明光学系２１の光軸Ｊ２と投影光学系２３の光軸Ｊ３とが交差するように）配置されるが、図４および図５では、図の理解を容易にするために、照明光学系２１の光軸Ｊ２と投影光学系２３の光軸Ｊ３とが一直線となるように、照明光学系２１および投影光学系２３の位置を変更して描いている。

図４では、整形ビーム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、整形ビームＬ３２および変調ビームＬ３３の光路を示す。図４では、整形ビーム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５では、整形ビーム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、整形ビームＬ３２および変調ビームＬ３３の光路を示す。図５では、整形ビーム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、照明光学素子２１４とを備える。コリメートレンズ２１１は、例えば、球面レンズである。なお、図３ないし図５に示す例では、コリメートレンズ２１１は１つのレンズであるが、コリメートレンズ２１１は２つ以上のレンズにより構成されてもよい。また、コリメートレンズ２１１は、球面レンズには限定されず、シリンドリカルレンズであっても、非球面レンズであってもよい。

ビームシェイパ２１３は、ビームシェイパ２１３に入射するガウス分布のコリメートビームＬ３２１（すなわち、入射光）の断面における長軸方向および短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。ビームシェイパ２１３は、例えば、１つの光学素子である。本実施の形態では、ビームシェイパ２１３は非球面凹レンズであるが、非球面凹レンズ以外の様々な光学素子がビームシェイパ２１３として利用されてもよい。

照明光学素子２１４は、例えば、１つのレンズであり、図３ないし図５に示す例では、１つの球面凸レンズである。以下の説明では、照明光学素子２１４を「凸レンズ２１４」とも呼ぶ。凸レンズ２１４は、非球面凸レンズであってもよい。照明光学系２１では、コリメートレンズ２１１、ビームシェイパ２１３および凸レンズ２１４が、レーザ光源１１から光変調器２２へと向かう光の進行方向において、この順番で配列される。また、図３ないし図５に例示する照明光学系２１では、ビームシェイパ２１３と光変調器２２との間には、上述の単一の凸レンズ２１４以外の光学素子は配置されない。換言すれば、ビームシェイパ２１３から出射されたビームＬ３２２は、他の光学素子を経由することなく直接的に凸レンズ２１４に入射し、凸レンズ２１４から整形ビームＬ３２として出射される。凸レンズ２１４から出射された整形ビームＬ３２は、他の光学素子を経由することなく直接的に光変調器２２に入射する。

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を整形ビームＬ３２に整形して光変調器２２へと導く。レーザ光源１１から出射されたレーザ光Ｌ３１は、照明光学系２１のコリメートレンズ２１１、ビームシェイパ２１３および凸レンズ２１４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所望の形状を有する整形ビームＬ３２に整形されて光変調器２２へと導かれる。整形ビームＬ３２は、照明光学系２１を出射してから光変調器２２に入射するまでの光ビームを指す。

照明光学系２１に入射する前のレーザ光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Ｌ３１がコリメートレンズ２１１を通過することにより、長軸方向および短軸方向において平行光であるコリメートビームＬ３２１となってビームシェイパ２１３に入射する。ビームシェイパ２１３に入射するコリメートビームＬ３２１の断面形状は、例えば略円形である。コリメートレンズ２１１とビームシェイパ２１３との間における（すなわち、ビームシェイパ２１３に入射する前の）コリメートビームＬ３２１の強度分布は、図４および図５の光路図の下側に矩形枠で囲んで示すように、長軸方向および短軸方向のそれぞれにおいてガウス分布である。

コリメートビームＬ３２１は、ビームシェイパ２１３を通過することにより、長軸方向において比較的大きく広がるとともに短軸方向において比較的小さく広がりつつ進むビームＬ３２２となって、凸レンズ２１４に入射する。ビームシェイパ２１３は、長軸方向における強度分布がガウス分布である入射光のうち、ガウス分布の中央の強度が高い領域の光線群を、ガウス分布の外周の強度が低い領域の光線群よりも大きい発散角で発散させる。すなわち、ビームシェイパ２１３は、ビームシェイパ２１３に入射するコリメートビームＬ３２１（すなわち、入射光）を長軸方向および短軸方向において互いに異なる発散角にて広げる。コリメートビームＬ３２１の長軸方向および短軸方向における強度分布はそれぞれ、ビームシェイパ２１３および凸レンズ２１４を通過後、光路上を進むにつれて徐々に理想的なトップハット分布（矩形分布とも呼ばれる。）へと整形される。図４および図５の光路図の下側に矩形枠で囲んで示すように、ビームシェイパ２１３および凸レンズ２１４を通過して光変調器２２に到達した整形ビームＬ３２の強度分布は、長軸方向および短軸方向のそれぞれにおいてトップハット分布である。

コリメートビームＬ３２１は、ビームシェイパ２１３および凸レンズ２１４を通過することにより、長軸方向において平行光であって短軸方向において収束光である整形ビームＬ３２となって光変調器２２の変調面２２４に入射する。光変調器２２に入射する整形ビームＬ３２の断面形状は、上述のように、長軸方向に長い略矩形である。光変調器２２に入射する整形ビームＬ３２の断面の長軸方向における長さは、ビームシェイパ２１３に入射するコリメートビームＬ３２１の略円形の断面の直径よりも大きい。また、光変調器２２に入射する整形ビームＬ３２の断面の短軸方向における長さは、ビームシェイパ２１３に入射するコリメートビームＬ３２１の断面の直径よりも小さい。凸レンズ２１４による整形ビームＬ３２の短軸方向における集光位置は、光変調器２２を挟んで照明光学系２１とは反対側（すなわち、光変調器２２の投影光学系２３側）に位置するため、整形ビームＬ３２は、短軸側における集光位置に達するよりも前に光変調器２２に入射する。

光変調器２２に入射する整形ビームＬ３２の強度分布（すなわち、光変調器２２の変調面２２４における整形ビームＬ３２の強度分布）は、図４および図５の光路図の下側に矩形枠で囲んで示すように、長軸方向および短軸方向のそれぞれにおいてトップハット分布である。

光変調器２２に入射した整形ビームＬ３２は、光変調器２２により変調され、変調ビームＬ３３として投影光学系２３に入射する。光変調器２２から出射されて投影光学系２３に入射する変調ビームＬ３３は、長軸方向において平行光であり、短軸方向において収束光である。

投影光学系２３は、第１投影光学素子２３１と、第２投影光学素子２３２と、第３投影光学素子２３３と、長軸側遮光部２３５と、短軸側遮光部２３６とを備える。投影光学系２３では、短軸側遮光部２３６、第３投影光学素子２３３、第１投影光学素子２３１、長軸側遮光部２３５および第２投影光学素子２３２が、光変調器２２から走査部１３へと向かう変調ビームＬ３３の進行方向において、この順番で配列される。

短軸側遮光部２３６は、例えば、長軸方向に平行に延びる略矩形状の開口２３６ａが中央部に設けられた平板部材である。短軸側遮光部２３６の材料は、例えば、ステンレス鋼や銅等の金属、または、セラミックス等である。第３投影光学素子２３３は、例えば、１つのレンズであり、図３ないし図５に示す例では、１つのシリンドリカル凸レンズである。以下の説明では、第３投影光学素子２３３を「第３レンズ２３３」とも呼ぶ。第３投影光学素子２３３は、上述のように、短軸側遮光部２３６と第１投影光学素子２３１との間に位置する。

第１投影光学素子２３１は、例えば、１つのレンズであり、図３ないし図５に示す例では、１つの球面凸レンズである。以下の説明では、第１投影光学素子２３１を「第１レンズ２３１」とも呼ぶ。第１投影光学素子２３１は、短軸方向について長軸方向と同じ焦点位置を有する。なお、第１レンズ２３１は、例えば、非球面凸レンズであってもよい。長軸側遮光部２３５は、例えば、短軸方向に平行に延びる略矩形状の開口２３５ａが中央部に設けられた平板部材である。長軸側遮光部２３５の材料は、例えば、ステンレス鋼や銅等の金属、または、セラミックス等である。第２投影光学素子２３２は、例えば、１つのレンズであり、図３ないし図５に示す例では、１つの球面凸レンズである。以下の説明では、第２投影光学素子２３２を「第２レンズ２３２」とも呼ぶ。第２レンズ２３２は、例えば、非球面凸レンズであってもよい。

短軸側遮光部２３６は、光変調器２２から出射された変調ビームＬ３３の短軸側の集光位置（すなわち、照明光学系２１から出射された整形ビームＬ３２の短軸側の集光位置）に配置される。なお、短軸側遮光部２３６は、実質的に短軸側の当該集光位置に配置されるのであれば、変調ビームＬ３３の進行方向において当該集光位置から僅かにずれた位置に配置されてもよい。

図３ないし図５に例示する投影光学系２３では、光変調器２２と短軸側遮光部２３６との間には、レンズ等の他の光学素子は配置されない。換言すれば、光変調器２２から出射された変調ビームＬ３３は、他の光学素子を経由することなく直接的に短軸側遮光部２３６に入射する。また、短軸側遮光部２３６の開口２３６ａを通過した変調ビームＬ３３は、他の光学素子を経由することなく直接的に第３レンズ２３３に入射する。

長軸側遮光部２３５は、第１レンズ２３１の後側焦点位置に配置される。第１レンズ２３１の後側焦点位置は、第２レンズ２３２の前側焦点位置と一致する。長軸側遮光部２３５が配置される位置は、第３レンズ２３３および第１レンズ２３１を通過した変調ビームＬ３３の長軸側の集光位置である。なお、長軸側遮光部２３５は、実質的に長軸側の当該集光位置に配置されるのであれば、変調ビームＬ３３の進行方向において当該集光位置から僅かにずれた位置に配置されてもよい。

投影光学系２３では、短軸側遮光部２３６と走査部１３の照射面１３４とが短軸方向について光学的に共役とされる。図５に示す例では、短軸側遮光部２３６と走査部１３の照射面１３４とは、第３レンズ２３３、第１レンズ２３１および第２レンズ２３２により、短軸方向について光学的に共役とされる。また、投影光学系２３では、光変調器２２の変調面２２４と走査部１３の照射面１３４とが長軸方向について光学的に共役とされる。図５に示す例では、光変調器２２の変調面２２４と走査部１３の照射面１３４とは、第１レンズ２３１および第２レンズ２３２により、長軸方向について光学的に共役とされる。

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。具体的には、短軸側が収束光である変調ビームＬ３３は、短軸側遮光部２３６が配置されている集光位置にて短軸側において集光され、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である変調ビームＬ３３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の開口２３６ａを通過する。短軸側遮光部２３６の開口２３６ａを通過する変調ビームＬ３３の断面形状は、長軸方向に長い略直線状または略矩形状である。短軸側遮光部２３６の開口２３６ａを通過する変調ビームＬ３３の強度分布は、図４および図５の光路図の下側に矩形枠で囲んで示すように、長軸方向において略トップハット分布であり、短軸方向においてｓｉｎｃ分布である。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。

一方、変調ビームＬ３３のうち、短軸側の非０次回折光は短軸側遮光部２３６により遮られる。非０次回折光とは、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））であり、２次以上の回折光も含む。短軸側の非０次回折光は、図６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、長軸方向に長い略直線状または略矩形状の照射領域８１に照射される。

図４および図５に示すように、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、変調ビームＬ３３の進行方向へと進行するに従って、短軸方向において広がり、第３レンズ２３３および第１レンズ２３１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３レンズ２３３の通過時には屈折せず、第１レンズ２３１を通過することにより収束されて第１レンズ２３１の後側焦点位置（すなわち、第２レンズ２３２の前側焦点位置）に集光される。

第１レンズ２３１による変調ビームＬ３３の長軸側の集光位置（すなわち、第１レンズ２３１の後側焦点位置）には、上述のように、長軸側遮光部２３５が配置されている。第１レンズ２３１を通過した変調ビームＬ３３は、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である変調ビームＬ３３のうち、０次光が長軸側遮光部２３５の開口２３５ａを通過する。長軸側遮光部２３５の開口２３５ａを通過する変調ビームＬ３３の断面形状は、短軸方向に長い略直線状または略矩形状である。長軸側遮光部２３５の開口２３５ａを通過する変調ビームＬ３３の強度分布は、図４および図５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ｓｉｎｃ分布であり、短軸方向においてトップハット分布である。

一方、変調ビームＬ３３のうち、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７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直線状または略矩形状の照射領域８２に照射される。

図４および図５に示すように、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、変調ビームＬ３３の進行方向へと進行するに従って、長軸方向において広がり、第２レンズ２３２を通過することにより、長軸方向において平行光となる。また、短軸方向において平行光として第２レンズ２３２に入射した変調ビームＬ３３は、第２レンズ２３２を通過することにより、短軸方向において収束され、第２レンズ２３２の後側焦点位置に位置する走査部１３の照射面１３４上に短軸方向において集光される。

走査部１３の照射面１３４上における変調ビームＬ３３の断面形状は、長軸方向に長い略矩形である。走査部１３の照射面１３４上における変調ビームＬ３３の強度分布は、図４および図５の光路図の下側に矩形枠で囲んで示すように、長軸方向においてトップハット分布であり、短軸方向においてｓｉｎｃ分布である。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１３４上に変調ビームＬ３３を好適に集光することができる。

図１に示す３次元造形装置１では、上述のように、照射面１３４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。

次に、光学装置１２における整形ビームＬ３２の断面および変調ビームＬ３３の断面の具体的な大きさ等の一例について説明する。当該例では、レーザ光源１１から出射されるレーザ光Ｌ３１の波長λは１．０７０μｍであり、照明光学系２１においてビームシェイパ２１３に入射するコリメートビームＬ３２１の略円形の断面の直径（１／ｅ^２幅）は５ｍｍである。ビームシェイパ２１３の長軸側の近軸焦点距離ｆ_ｘは－４６ｍｍであり、短軸側の近軸焦点距離ｆ_ｙは－１２５０ｍｍである。また、凸レンズ２１４の近軸焦点距離ｆ_０は２５０ｍｍである。ビームシェイパ２１３と凸レンズ２１４との間の距離Ｌ_１は約２０４ｍｍであり、凸レンズ２１４と光変調器２２の変調面２２４との間の距離Ｌ_２はｆ_０に等しい。この場合、当該変調面２２４上における整形ビームＬ３２の照射領域は、長軸方向の長さが約２７ｍｍ、短軸方向の長さが約１ｍｍの略矩形となる。光変調器２２に入射する整形ビームＬ３２は、上述のように、長軸方向において平行光であり、短軸方向において収束光である。

短軸側におけるビームシェイパ２１３と凸レンズ２１４との合成焦点距離（すなわち、ｆ_ｙとｆ_０との合成焦点距離）は約２６０ｍｍであり、光変調器２２に入射する整形ビームＬ３２の短軸側における集光位置（すなわち、短軸側遮光部２３６が配置される位置）は、光変調器２２の変調面２２４から後側（すなわち、投影光学系２３側）に約５２ｍｍ離れた位置である。当該集光位置を形成する開口数ＮＡは０．０１であり、当該集光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）は約１３０μｍである。

投影光学系２３では、第３レンズ２３３の近軸焦点距離ｆ_３は１５８ｍｍであり、第１レンズ２３１の近軸焦点距離ｆ_１は２４０ｍｍであり、第２レンズ２３２の近軸焦点距離ｆ_２は６０ｍｍである。第３レンズ２３３と第１レンズ２３１との間の距離Ｌ_５は約１２０ｍｍである。短軸側における第３レンズ２３３と第１レンズ２３１との合成焦点距離（すなわち、ｆ_３とｆ_１との合成焦点距離）は約１３６ｍｍである。当該合成焦点距離と第２レンズ２３２の近軸焦点距離ｆ_２との比から、走査部１３の照射面１３４上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）は、上述の集光位置における変調ビームＬ３３の短軸方向の集光径（約１３０μｍ）の約０．４４倍である約５７μｍとなる。また、走査部１３の照射面１３４上における変調ビームＬ３３の長軸方向の長さは、第１レンズ２３１の近軸焦点距離ｆ_１と第２レンズ２３２の近軸焦点距離ｆ_２との比から、光変調器２２の変調面２２４上における整形ビームＬ３２の長軸方向の長さの約０．２５倍である約６．７４ｍｍとなる。

なお、光変調器２２におけるピクセル２２１の長軸方向および短軸方向のピッチはそれぞれ２５．５μｍであり、０次光に対する１次回折光の角度は、約４２ｍｒａｄ（ミリラジアン）である。このため、短軸側遮光部２３６では、０次光と１次回折光との短軸方向における距離は約２．２ｍｍとなる。また、長軸側遮光部２３５では、０次光と１次回折光との長軸方向における距離は約１０ｍｍとなる。

図３に示すように、光学装置１２では、照明光学系２１は光変調器２２の変調面２２４に対して斜めに配置され、照明光学系２１の後端部である凸レンズ２１４が光変調器２２の変調面２２４に対向する。照明光学系２１の光軸Ｊ２は、光変調器２２の変調面２２４の法線方向に対して傾斜しており、照明光学系２１から光変調器２２に向かって出射された整形ビームＬ３２は、光変調器２２の変調面２２４に対して０°よりも大きい所定の入射角にて斜めに入射する。

また、光学装置１２では、投影光学系２３も光変調器２２の変調面２２４に対して斜めに配置され、投影光学系２３の前端部である短軸側遮光部２３６が光変調器２２の変調面２２４に対向する。投影光学系２３の光軸Ｊ３は、光変調器２２の変調面２２４の法線方向に対して傾斜しており、光変調器２２の変調面２２４にて変調されつつ反射された変調ビームＬ３３は、投影光学系２３の光軸Ｊ３に沿って投影光学系２３に入射する。なお、光変調器２２の変調面２２４における変調ビームＬ３３の反射角（整形ビームＬ３２の反射角とも捉えることができる。）は、０°よりも大きい。

照明光学系２１の光軸Ｊ２と投影光学系２３の光軸Ｊ３との成す角度（鋭角）をθと呼ぶと、角度θが大きくなるに従って、照明光学系２１の凸レンズ２１４等の各構成と投影光学系２３の短軸側遮光部２３６等の各構成とが図３中の上下方向に離間し、照明光学系２１と投影光学系２３との機械的な干渉が抑制される。このため、凸レンズ２１４等の各構成を光軸Ｊ２方向において光変調器２２に近づけることができるとともに、短軸側遮光部２３６等の各構成を光軸Ｊ３方向において光変調器２２に近づけることができる。これにより、光学装置１２を、図３中の左右方向において小型化することができる。一方、角度θが大きくなるに従って、光学装置１２の上下方向の大きさは大きくなる。

また、角度θが小さくなるに従って、照明光学系２１と投影光学系２３とが図３中の上下方向において接近するため、光学装置１２を当該上下方向において小型化することができる。一方、角度θが小さくなるに従って、照明光学系２１の凸レンズ２１４等の各構成と投影光学系２３の短軸側遮光部２３６等の各構成とが図３中の上下方向において接近する。したがって、照明光学系２１と投影光学系２３との機械的な干渉を抑制するために、凸レンズ２１４等の各構成を光軸Ｊ２方向において光変調器２２から離間させ、短軸側遮光部２３６等の各構成を光軸Ｊ３方向において光変調器２２から離間させる必要がある。このため、光学装置１２の左右方向の大きさは大きくなる。

光学装置１２の図３中の左右方向における小型化、および、上下方向における小型化を両立させるためには、照明光学系２１の光軸Ｊ２と投影光学系２３の光軸Ｊ３との成す角度θは、１０°以上かつ３０°以下であることが好ましく、１０°以上かつ２０°以下であることがさらに好ましい。

以上に説明したように、光学装置１２は、対象物（上記例では、走査部１３）上に変調ビーム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を長軸方向に長い整形ビームＬ３２に整形する。光変調器２２は、整形ビーム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１３４に導く。照明光学系２１は、ビームシェイパ２１３と、照明光学素子２１４（上記例では、凸レンズ２１４）とを備える。照明光学系２１は、入射光の長軸方向における強度分布をガウス分布から変換することにより、光変調器２２の変調面２２４における整形ビームＬ３２の長軸方向の強度分布をトップハット分布とするよう構成されている。また、照明光学系２１は、当該入射光を長軸方向において平行光とし、短軸方向において収束光として光変調器２２へと導くよう構成されている。光変調器２２は、２次元配列された複数の変調要素（上記例では、ピクセル２２１）を備え、長軸方向において変調を行うとともに短軸方向においては変調を行わない。

投影光学系２３は、短軸側遮光部２３６と、第１投影光学素子２３１（上記例では、第１レンズ２３１）と、長軸側遮光部２３５と、第２投影光学素子２３２（上記例では、第２レンズ２３２）とを備える。短軸側遮光部２３６は、光変調器２２から出射された短軸側が収束光である変調ビームＬ３３の短軸側の集光位置に配置され、変調ビームＬ３３の短軸側の非０次回折光を遮る。第１投影光学素子２３１は、短軸側遮光部２３６を通過した変調ビームＬ３３を長軸方向において収束させる。長軸側遮光部２３５は、第１投影光学素子２３１による変調ビームＬ３３の長軸側の集光位置に配置され、変調ビームＬ３３の長軸側の非０次回折光を遮る。第２投影光学素子２３２は、長軸側遮光部２３５を通過した変調ビームＬ３３を短軸方向において収束させて照射面１３４に集光させる。投影光学系２３により、変調面２２４と照射面１３４とが長軸方向について光学的に共役とされる。

このように、光学装置１２では、レーザ光Ｌ３１の長軸方向の強度分布を、ビームシェイパ２１３および照明光学素子２１４を備える照明光学系２１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に入射する整形ビーム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。また、光学装置１２では、光変調器２２にて変調された後の変調ビームＬ３３を短軸側遮光部２３６に向けて集光させる光学素子を投影光学系２３に設ける必要が無いため、投影光学系２３を構成するレンズ等の光学素子の数を減少させることができる。すなわち、光学装置１２では、投影光学系２３の構造を簡素化しつつ、光変調器２２への投入光量を増大させることができる。さらに、光学装置１２では、光変調器２２の変調面２２４と対象物の照射面１３４とが長軸方向について光学的に共役とされるため、変調面２２４における光の変調を照射面１３４に精度良く反映することができる。

上述のように、好ましくは、投影光学系２３は、短軸側遮光部２３６と第１投影光学素子２３１との間に位置する第３投影光学素子２３３をさらに備える。第３投影光学素子２３３および第１投影光学素子２３１により、短軸側遮光部２３６を通過した変調ビームＬ３３が短軸方向において平行光とされる。第１投影光学素子２３１は、短軸方向について長軸方向と同じ焦点位置を有する。そして、投影光学系２３により、短軸側遮光部２３６と対象物の照射面１３４とが短軸方向について光学的に共役とされることが好ましい。これにより、対象物の照射面１３４上において、変調ビームＬ３３を短軸方向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。

上述のように、照明光学系２１は、レーザ光Ｌ３１の短軸方向における強度分布をガウス分布から変換することにより、変調面２２４における整形ビームＬ３２の短軸方向の強度分布もトップハット分布とすることが好ましい。これにより、光変調器２２に入射する整形ビームＬ３２の最大パワー密度を低下させつつ投入総光量をさらに増大させることができる。すなわち、光変調器２２への投入光量をさらに増大させることができる。

上述のように、照明光学素子２１４は１つのレンズ（上記例では、凸レンズ２１４）であることが好ましい。また、照明光学系２１では、ビームシェイパ２１３と光変調器２２との間に当該１つのレンズ以外の光学素子は配置されないことが好ましい。これにより、照明光学系２１の構造を簡素化することができる。その結果、照明光学系２１の配置の自由度を向上することができ、光学装置１２を小型化することができる。

上述のように、光変調器２２から出射された変調ビームＬ３３は、他の光学素子を経由することなく短軸側遮光部２３６に直接的に入射することが好ましい。これにより、投影光学系２３の構造をさらに簡素化することができる。その結果、投影光学系２３の配置の自由度を向上することができ、光学装置１２を小型化することができる。

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。

上述のように、ビームシェイパ２１３は、入射光を長軸方向および短軸方向において互いに異なる発散角にて広げる１つの光学素子であることが好ましい。これにより、長軸方向に長い断面形状を有する整形ビームＬ３２を、照明光学系２１の構造を簡素化しつつ生成することができる。その結果、光学装置１２をさらに小型化することができる。なお、ビームシェイパ２１３は、入射光を短軸方向において収束させてもよい。

光学装置１２では、照明光学系２１から出射された整形ビームＬ３２は変調面２２４に所定の入射角にて斜めに入射し、変調面２２４にて変調されつつ反射された変調ビームＬ３３が投影光学系２３に入射することが好ましい。上述のように、光学装置１２では、投影光学系２３の構造が簡素化されているため、変調面２２４と対向する位置にて照明光学系２１および投影光学系２３が並ぶ上記構造の光学装置１２を、照明光学系２１と投影光学系２３とが並ぶ方向（すなわち、図１および図３中の上下方向）において小型化することができる。

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。また、光学装置１２では、上述のように、投影光学系２３の構造を簡素化して光学装置１２を小型化することができるため、３次元造形装置１を小型化することもできる。

上述のように、走査部１３は、回転することによって変調ビームＬ３３の進行方向を変更するガルバノミラー１３３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、照明光学系２１、光変調器２２および投影光学系２３の配置は図１および図３に示すものには限定されず、様々に変更されてよい。例えば、照明光学系２１から出射された整形ビームＬ３２は、光変調器２２の変調面２２４に対して必ずしも斜めに入射する必要はなく、略垂直に入射してもよい。

光変調器２２は、必ずしもＬＰＬＶには限定されず、ＬＰＬＶ以外のＰＬＶであってもよい。また、光変調器２２として、ＧＬＶ（Grating Light Valve）（登録商標）やＤＭＤ（Digital Micromirror Device）等、ＰＬＶ以外のものも利用可能である。

ビームシェイパ２１３による入射光の発散角は、必ずしも長軸方向および短軸方向において互いに異なる必要はなく、長軸方向および短軸方向において同じであってもよい。また、ビームシェイパ２１３は、必ずしも１つの光学素子のみにより構成される必要はなく、複数の光学素子により構成されていてもよい。ビームシェイパ２１３は、必ずしも非球面凹レンズには限定されず、例えば、フリーフォームレンズ等の屈折光学素子であってもよく、回折光学素子（ＤＯＥ：Diffractive Optical Element）であってもよい。ビームシェイパ２１３では、レーザ光Ｌ３１の短軸方向における強度分布は、必ずしもトップハット分布に変換されなくてもよい。

照明光学系２１では、照明光学素子２１４は、必ずしも凸レンズである必要はなく、他の光学素子であってもよい。また、照明光学素子２１４は、必ずしも１つの光学素子のみにより構成される必要はなく、複数の光学素子により構成されていてもよい。照明光学系２１では、ビームシェイパ２１３と光変調器２２との間に、照明光学素子２１４に加えて他の光学素子も配置されてよい。

投影光学系２３では、光変調器２２と短軸側遮光部２３６との間に光学素子が配置されてもよい。この場合、光変調器２２から出射された変調ビームＬ３３は、当該光学素子を経由して短軸側遮光部２３６に入射する。

投影光学系２３では、第１投影光学素子２３１、第２投影光学素子２３２および第３投影光学素子２３３はそれぞれ、単一のレンズには限定されず、例えば、２つ以上の光学素子により構成されていてもよい。また、投影光学系２３では、第１投影光学素子２３１、第２投影光学素子２３２および第３投影光学素子２３３以外の光学素子が追加されてもよい。投影光学系２３の長軸側遮光部２３５および短軸側遮光部２３６の材料、形状および構造は、上述のものには限定されず、様々に変更されてよい。

光学装置１２では、短軸側遮光部２３６と照射面１３４とは、短軸方向について光学的に共役ではなくてもよい。例えば、照射面１３４は、短軸側遮光部２３６と短軸方向について共役な位置からわずかにずれていてもよい。

３次元造形装置１の走査部１３では、ガルバノスキャナ１３２に代えて、ポリゴンレーザスキャナ等、他の構造を有する走査機構が設けられてもよい。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
１３３ ガルバノミラー
１３４ 照射面
２１３ ビームシェイパ
２１４ 照明光学素子
２２１ ピクセル（変調要素）
２２４ 変調面
２３１ 第１投影光学素子
２３２ 第２投影光学素子
２３５ 長軸側遮光部
２３６ 短軸側遮光部
Ｌ３１ レーザ光
Ｌ３２ 整形ビーム
Ｌ３３ 変調ビーム

Claims (10)

1. 対象物上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整形ビームに整形する照明光学系と、
   前記整形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、
   ビームシェイパと、
   照明光学素子と、
   を備え、
   前記照明光学系は、入射光の前記長軸方向における強度分布をガウス分布から変換することにより、前記光変調器の変調面における前記整形ビームの前記長軸方向の強度分布をトップハット分布とするとともに、前記入射光を前記長軸方向において平行光とし、短軸方向において収束光として前記光変調器へと導くよう構成されており、
   前記光変調器は、２次元配列された複数の変調要素を備え、前記長軸方向において変調を行うとともに前記短軸方向においては変調を行わず、
   前記投影光学系は、
   前記光変調器から出射された短軸側が収束光である前記変調ビームの短軸側の集光位置に配置され、前記変調ビームの短軸側の非０次回折光を遮る短軸側遮光部と、
   前記短軸側遮光部を通過した前記変調ビームを前記長軸方向において収束させる第１投影光学素子と、
   前記第１投影光学素子による前記変調ビームの長軸側の集光位置に配置され、前記変調ビームの長軸側の非０次回折光を遮る長軸側遮光部と、
   前記長軸側遮光部を通過した前記変調ビームを前記短軸方向において収束させて前記照射面に集光させる第２投影光学素子と、
   を備え、
   前記投影光学系により、前記変調面と前記照射面とが前記長軸方向について光学的に共役とされ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、
   前記投影光学系は、前記短軸側遮光部と前記第１投影光学素子との間に位置する第３投影光学素子をさらに備え、
   前記第３投影光学素子および前記第１投影光学素子により、前記短軸側遮光部を通過した前記変調ビームが前記短軸方向において平行光とされ、
   前記第１投影光学素子は、前記短軸方向について前記長軸方向と同じ焦点位置を有し、
   前記投影光学系により、前記短軸側遮光部と前記照射面とが前記短軸方向について光学的に共役とされることを特徴とする光学装置。
3. 請求項１に記載の光学装置であって、
   前記照明光学系は、前記レーザ光の前記短軸方向における強度分布をガウス分布から変換することにより、前記変調面における前記整形ビームの前記短軸方向の強度分布もトップハット分布とす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、
   前記照明光学素子は１つのレンズであり、
   前記照明光学系では、前記ビームシェイパと前記光変調器との間に前記１つのレンズ以外の光学素子は配置されないことを特徴とする光学装置。
5. 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、
   前記光変調器から出射された前記変調ビームは、他の光学素子を経由することなく前記短軸側遮光部に直接的に入射することを特徴とする光学装置。
6. 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ＰＬＶであることを特徴とする光学装置。
7. 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、
   前記ビームシェイパは、入射光を前記長軸方向および前記短軸方向において互いに異なる発散角にて広げる１つの光学素子であることを特徴とする光学装置。
8. 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、
   前記照明光学系から出射された前記整形ビームは前記変調面に所定の入射角にて斜めに入射し、前記変調面にて変調されつつ反射された前記変調ビームが前記投影光学系に入射することを特徴とする光学装置。
9. ３次元造形装置であって、
   請求項１ないし３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。
10. 請求項９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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