JP7425640B2 - ３次元造形装置 - Google Patents

Description

本願は、３次元造形装置に関する。

従来から、金属材料（パウダー）などの造形材料にレーザー光源からの光を照射し、当該光を造形材料上で走査することによって、造形材料を溶融または焼結させる３次元造形装置が、提案されている。また、造形の高速化のため、ライン状の光を造形材料上で走査して３次元造形方法も検討されている（例えば特許文献１）。

特開２００３－８０６０４号公報

しかしながら、造形材料上にライン状の光が照射されると、その照射されたライン状の領域内で造形材料の温度がばらつく。温度がばらつくと、溶融した造形材料はその温度分布および表面張力に応じて流動する。これにより、造形材料の表面が部分的に隆起し、冷却して一体化した造形材料の形状が意図した形状と異なってしまう。つまり、３次元造形物の形状精度が低下するという問題がある。

そこで、本願は、より高い形状精度で３次元造形物を製造できる技術を提供することを目的とする。

３次元造形装置の第１の態様は、３次元造形物を製造する３次元造形装置であって、光ビームを照射するビーム照射部と、前記ビーム照射部によって照射された光ビームを少なくとも第１軸において空間変調する空間光変調器と、前記第１軸に沿って並んだ複数のレンズを有する複数のレンズアレイを有するアフォーカルな縮小光学系を含み、前記空間光変調器によって変調された光ビームを、前記レンズアレイによって複数の光ビームに分離する分離光学系と、前記分離光学系からの複数の光ビームを造形材料上で走査させる走査部とを備える。

３次元造形装置の第２の態様は、第１の態様にかかる３次元造形装置であって、前記レンズアレイの前記レンズの個数をＮ（Ｎは２以上の自然数）とすると、前記３次元造形装置は、前記空間光変調器によって変調された光ビームを前記第１軸において拡大または縮小し、拡大または縮小後の光ビームを前記レンズアレイのＭ（Ｍは可変）個分の前記レンズに入射させる投影光学系と、前記投影光学系の倍率を制御する制御装置とをさらに備え、前記レンズアレイは、Ｍ個分の前記レンズに照射された光ビームをＭ個の光ビームに分離する。

３次元造形装置の第３の態様は、第２の態様にかかる３次元造形装置であって、前記制御装置は、前記造形材料の情報を受け取り、前記情報に基づいて前記造形材料の融点が高いほどＭを小さく設定する。

３次元造形装置の第４の態様は、第２または第３の態様にかかる３次元造形装置であって、Ｎは奇数および偶数の一方であり、前記制御装置は、Ｍを奇数および偶数の前記一方に制限する。

３次元造形装置の第５の態様は、第２または第３の態様にかかる３次元造形装置であって、前記第１軸において前記分離光学系を前記投影光学系に対して相対的に移動させる移動機構をさらに備え、前記制御装置は、前記移動機構を制御して、前記投影光学系からの光ビームが前記レンズアレイのＭ個分の前記レンズに入射するように、前記投影光学系および前記分離光学系の相対的な位置関係を調整する。

３次元造形装置の第６の態様は、第２から第５のいずれか一つの態様にかかる３次元造形装置であって、前記投影光学系は、前記空間光変調器によって変調された光ビームを、前記第１軸と交差する第２軸において、可変の倍率で拡大または縮小する。

３次元造形装置の第７の態様は、第２から第６のいずれか一つの態様にかかる３次元造形装置であって、前記ビーム照射部は、可変の強度で光ビームを出射する光源を含む。

３次元造形装置の第８の態様は、３次元造形物を製造する３次元造形装置であって、光ビームを照射するビーム照射部と、前記ビーム照射部によって照射された光ビームを少なくとも第１軸において空間変調する空間光変調器と、前記第１軸に沿って並んだ複数のレンズを有する少なくとも一つのレンズアレイを含み、前記空間光変調器によって変調された光ビームを、前記レンズアレイによって複数の光ビームに分離する分離光学系と、前記分離光学系からの複数の光ビームを造形材料上で走査させる走査部とを備え、前記レンズアレイの前記レンズの個数をＮ（Ｎは２以上の自然数）とすると、前記３次元造形装置は、前記空間光変調器によって変調された光ビームを前記第１軸において拡大または縮小し、拡大または縮小後の光ビームを前記レンズアレイのＭ（Ｍは可変）個分の前記レンズに入射させる投影光学系と、前記投影光学系の倍率を制御する制御装置とをさらに備え、前記レンズアレイは、Ｍ個分の前記レンズに照射された光ビームをＭ個の光ビームに分離し、Ｍは、Ｍ１と、Ｍ１よりも小さなＭ２とを含み、前記走査部によるＭ１個の光ビームの走査経路において、前記第１軸に沿って並ぶＭ１個の光ビームのうち少なくとも１つが走査不要な不要ラインに位置する際に、前記制御装置は前記投影光学系の倍率を変更することで、前記投影光学系に光ビームをＭ２個分の前記レンズに入射させて、前記レンズアレイにＭ２個の光ビームを出射させ、前記走査部によるＭ２個の光ビームでの走査により前記不要ラインに対する走査を省略する。

３次元造形装置の第９の態様は、第８の態様にかかる３次元造形装置であって、前記走査部は、Ｍ１個の光ビームでの走査速度よりも高い走査速度で、Ｍ２個の光ビームを走査させる。

３次元造形装置の第１０の態様は、第８または第９の態様にかかる３次元造形装置であって、前記制御装置は、前記ビーム照射部による光ビームの照射および前記走査部による走査を中断した状態で、前記投影光学系の倍率を変更する。

３次元造形装置の第１１の態様は、第１から第１０のいずれか一つの態様にかかる３次元造形装置であって、前記分離光学系の前記レンズアレイは直前の光学系の焦点に設けられる。

３次元造形装置の第１２の態様は、第１から第１１のいずれか一つの態様にかかる３次元造形装置であって、前記レンズアレイによって分離された複数の光ビームがそれぞれ通過する複数の開口を有するアパーチャ部をさらに備える。

３次元造形装置の第１３の態様は、３次元造形物を製造する３次元造形装置であって、光ビームを照射するビーム照射部と、前記ビーム照射部によって照射された光ビームを少なくとも第１軸において空間変調する空間光変調器と、前記第１軸に沿って並んだ複数のレンズを有する少なくとも一つのレンズアレイを含み、前記空間光変調器によって変調された光ビームを、前記レンズアレイによって複数の光ビームに分離する分離光学系と、前記分離光学系からの複数の光ビームを造形材料上で走査させる走査部とを備え、前記レンズアレイの前記レンズの個数をＮ（Ｎは２以上の自然数）とすると、前記３次元造形装置は、前記空間光変調器によって変調された光ビームを前記第１軸において拡大または縮小し、拡大または縮小後の光ビームを前記レンズアレイのＭ（Ｍは可変）個分の前記レンズに入射させる投影光学系と、前記投影光学系の倍率を制御する制御装置とをさらに備え、前記レンズアレイは、Ｍ個分の前記レンズに照射された光ビームをＭ個の光ビームに分離し、前記空間光変調器は少なくとも前記第１軸に沿って並ぶ複数の空間変調素子を含み、前記複数の空間変調素子は、Ｍ個のグループで前記光ビームを変調し、前記Ｍ個の光ビームの強度分布は、それぞれ、前記Ｍ個のグループのうちの、対応するグループによって制御される。

３次元造形装置の第１４の態様は、第１から第１２のいずれか一つの態様にかかる３次元造形装置であって、空間光変調器は、２次元配列された複数の空間変調素子を備える。

３次元造形装置の第１５の態様は、第１３の態様にかかる３次元造形装置であって、前記空間光変調器は、前記分離光学系の前記レンズアレイの前記複数のレンズの境界に入射する光ビームの強度が、前記複数のレンズの各々の中央に入射する光ビームの強度よりも小さくなるように、前記ビーム照射部からの光ビームを変調する。

３次元造形装置の第１６の態様は、３次元造形物を製造する３次元造形装置であって、 光ビームを照射するビーム照射部と、前記ビーム照射部によって照射された光ビームを少なくとも第１軸において空間変調する空間光変調器と、前記第１軸に沿って並んだ複数のレンズを有する少なくとも一つのレンズアレイを含み、前記空間光変調器によって変調された光ビームを、前記レンズアレイによって複数の光ビームに分離する分離光学系と、前記分離光学系からの複数の光ビームを造形材料上で走査させる走査部と、前記分離光学系からの複数の光ビームを、光軸に平行な回転軸のまわりで、可変の回転角度で一体に回転させるイメージローテータとを備え、前記走査部はガルバノミラーを含み、前記イメージローテータは前記ガルバノミラーよりも後段に設けられる。

３次元造形装置の第１７の態様は、３次元造形物を製造する３次元造形装置であって、 光ビームを照射するビーム照射部と、前記ビーム照射部によって照射された光ビームを少なくとも第１軸において空間変調する空間光変調器と、前記第１軸に沿って並んだ複数のレンズを有する少なくとも一つのレンズアレイを含み、前記空間光変調器によって変調された光ビームを、前記レンズアレイによって複数の光ビームに分離する分離光学系と、前記分離光学系からの複数の光ビームを造形材料上で走査させる走査部と、前記分離光学系からの複数の光ビームを、光軸に平行な回転軸のまわりで、可変の回転角度で一体に回転させるイメージローテータとを備え、前記走査部はガルバノミラーを含み、前記イメージローテータは前記ガルバノミラーよりも前段に設けられる。

３次元造形装置の第１８の態様は、第１から第１７のいずれか一つの態様にかかる３次元造形装置であって、前記造形材料上の複数の光ビームの配列方向は、前記走査部による当該複数の光ビームの走査方向に対して斜めに交差し、当該複数の光ビームは、連続する複数行の走査ラインにそれぞれ位置する。

３次元造形装置の第１の態様によれば、造形材料上では、複数の光ビームのスポットが形成される。複数のスポットは互いに離れているので、溶融した造形材料が流動可能な範囲は狭い。よって、溶融した造形材料の部分的な隆起を低減することができる。言い換えれば、高い形状精度で３次元造形物を製造することができる。

しかも、造形材料上の各スポットのうち中央領域よりも周縁側の周縁領域の強度を高くすることができる。スポットの中央領域のみの強度が高いと、造形材料のスパッタまたはヒュームを招き得るものの、スポットの周縁領域の強度を高くできるので、スポットの強度分布を均一化することができ、造形材料にスパッタまたはヒュームが生じる可能性を低減できる。

３次元造形装置の第２の態様によれば、Ｍはビーム数に相当する。第４の態様によれば、アレイレンズによって分離されるビーム数Ｍを調整できる。

３次元造形装置の第３の態様によれば、ビーム数Ｍを少なくすることにより、各スポットのパワーを増加することができる。これにより、融点の高い造形材料にも対応できる。一方で、融点が低い場合には、ビーム数Ｍを多くすることにより、一度の走査によって溶融可能な領域を広くすることができる。これによれば、スループットを向上できる。

３次元造形装置の第４の態様によれば、簡易な構成で投影光学系を構成できる。具体的には、第７の態様の移動機構を必要としない。

３次元造形装置の第５の態様によれば、ビーム数Ｍとして、偶数でも奇数でも採用できる。

３次元造形装置の第６の態様によれば、第２軸においてスポットの幅を調整することができ、スポットのパワー（強度の面積積分値）をより細かく調整できる。

３次元造形装置の第７の態様によれば、スポットのパワーを細かく調整できる。

３次元造形装置の第８の態様によれば、ビーム数Ｍを変更することにより、不要ラインに対する走査を省略する。よって、３次元造形に利用されない光の量を低減でき、効率を向上することができる。

３次元造形装置の第９の態様によれば、Ｍ２個の光ビームの走査では、Ｍ１個の光ビームの走査に比べて、各光ビーム（各スポット）の強度の面積積分値が増大する。走査速度が一定であれば、各スポットから造形材料の各位置に与えられる熱量の時間積分は増加するものの、第９の態様では、Ｍ２個の走査では走査速度が高い。よって、ビーム数Ｍの減少に伴う行間の熱量のばらつきを低減できる。しかも、走査速度が高いのでスループットも向上できる。

３次元造形装置の第１０の態様によれば、光ビームを照射しながら倍率を変更すると、想定外の光が造形材料に照射されるものの、光ビームの照射を停止した状態で倍率を変更するので、そのような想定外の光が造形材料に照射されることを回避できる。

３次元造形装置の第１１の態様によれば、光ビームのクロストークを低減できる。

３次元造形装置の第１２の態様によれば、レンズアレイ内のレンズの境界を通過した光は意図しない方向に進行し得るものの、アパーチャ部によってそのような不要な光を遮光することができる。

３次元造形装置の第１３の態様によれば、光ビームの空間強度分布をより精細に調整することが可能である。

３次元造形装置の第１４の態様によれば、光ビームのパワー密度を向上させることができる。

３次元造形装置の第１５の態様によれば、レンズアレイ内のレンズの境界を通過する光ビームの強度を低減できる。よって、レンズの境界を通過して意図しない方向に進行する光ビームを低減することができる。

３次元造形装置の第１６の態様によれば、造形材料上の複数のスポットの配列方向および走査方向を変更できる。

３次元造形装置の第１７の態様によれば、造形材料上の複数のスポットの配列方向を変更することができる。一方で、イメージローテータの回転によっては走査方向は回転しない。よって、複数のスポットに対応する複数の走査ラインの間隔を調整することができる。

３次元造形装置の第１８の態様によれば、複数のスポットを相互に離しつつ、走査方向に沿った複数のスポットの一度の移動により、連続する複数行の走査ラインに対する走査を行うことができる。これによれば、連続する複数行単位で走査を行うことができる。

また、本願明細書に開示される技術に関連する目的と、特徴と、局面と、利点とは、以下に示される詳細な説明と添付図面とによって、さらに明白となる。

３次元造形装置の構成の一例を概略的に示す図である。 空間光変調器の構成の一例を概略的に示す斜視図である。 造形材料層の表面の様子の一例を概略的に示す平面図である。 ３次元造形装置での光路の一例を概略的に示す図である。 制御装置の処理の一例を示すフローチャートである。 変調ビームの強度分布の一例を概略的に示す図である。 分離光学系の構成の他の一例を概略的に示す図である。 ビーム照射装置の構成の一例を概略的に示す図である。 ビーム照射装置の構成の一例を概略的に示す図である。 ビーム照射装置の構成の一例を概略的に示す図である。 投影光学系の構成の一例を概略的に示す斜視図である。 制御装置の内部構成の他の一例を示す機能ブロック図である。 制御装置の処理の他の一例を示すフローチャートである。 変調ビームの強度分布の一例を示すグラフである。 投影光学系の構成の他の一例を概略的に示す斜視図である。 投影光学系のｃ軸のズーム光学系の構成の一例を概略的に示す斜視図である。 変調ビームの強度分布の一例を概略的に示すグラフである。 ビーム数として２を採用したときの光路の一例を概略的に示す図である。 ビーム照射装置の構成の他の一例を概略的に示す図である。 制御装置の内部構成の他の一例を示す機能ブロック図である。 制御装置の処理の他の一例を示すフローチャートである。 スポットの走査態様の一例を概略的に示す図である。 制御装置の処理の一例を示すフローチャートである。 ビーム照射装置の構成の一例を概略的に示す図である。 制御装置の内部構成の他の一例を示す機能ブロック図である。 イメージローテータの回転角度が零度であるときのスポットの一例を概略的に示す図である。 イメージローテータの回転角度が４５度であるときのスポットの一例を概略的に示す図である。 イメージローテータの回転角度が９０度であるときのスポットの一例を概略的に示す図である。 ビーム照射装置の構成の他の一例を概略的に示す図である。 イメージローテータの回転角度が４５度であるときのスポットの一例を概略的に示す図である。 空間光変調器の構成の他の例を概略的に示す図である。

以下、添付の図面を参照しながら、実施の形態について説明する。なお、この実施の形態に記載されている構成要素はあくまでも例示であり、本開示の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。図面においては、理解容易のため、必要に応じて各部の寸法および数が誇張または簡略化して図示されている場合がある。

また、以下に記載される説明において、「第１」または「第２」などの序数が用いられる場合があっても、これらの用語は、実施の形態の内容を理解することを容易にするために便宜上用いられるものであり、これらの序数によって生じ得る順序などに限定されるものではない。

相対的または絶対的な位置関係を示す表現（例えば「一方向に」「一方向に沿って」「平行」「直交」「中心」「同心」「同軸」など）は、特に断らない限り、その位置関係を厳密に表すのみならず、公差もしくは同程度の機能が得られる範囲で相対的に角度または距離に関して変位された状態も表すものとする。等しい状態であることを示す表現（例えば「同一」「等しい」「均質」など）は、特に断らない限り、定量的に厳密に等しい状態を表すのみならず、公差もしくは同程度の機能が得られる差が存在する状態も表すものとする。形状を示す表現（例えば、「四角形状」または「円筒形状」など）は、特に断らない限り、幾何学的に厳密にその形状を表すのみならず、同程度の効果が得られる範囲で、例えば凹凸や面取りなどを有する形状も表すものとする。一の構成要素を「備える」「具える」「具備する」「含む」または「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的表現ではない。「Ａ，ＢおよびＣの少なくともいずれか一つ」という表現は、Ａのみ、Ｂのみ、Ｃのみ、Ａ，ＢおよびＣのうち任意の２つ、ならびに、Ａ，ＢおよびＣのすべてを含む。

＜第１の実施の形態＞
以下の説明において、「造形材料を加熱して溶融させる」ことには、加熱されたすべての造形材料の温度が融点以上になる場合だけでなく、加熱された造形材料の一部が融点よりも低い温度で焼結する場合も含まれるものとする。

また、以下の説明における「層」という用語は、堆積された造形材料に光ビームを照射して溶融させるプロセスを複数回繰り返すことによって、厚み方向に固化物を積み重ねて３次元造形物を形成する場合に、１回のプロセスで形成される部分をいう。なお、３次元造形物の断面観察などによって層と層との境界を確認することができる場合もあるが、溶融の均一性が高い場合などには、層と層との境界が明確には検出されない場合もある。

＜３次元造形装置の構成について＞
図１を参照しつつ、３次元造形装置１００の一例について説明する。図１は、３次元造形装置１００の構成の一例を概略的に示す図である。なお、本実施の形態においては、便宜上、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸を記載することがある。ここでは、Ｘ軸およびＹ軸は水平方向に平行であり、Ｚ軸は鉛直方向に平行である。また、本実施の形態では、光学系の軸として、互いに直交するａ軸、ｂ軸およびｃ軸を記載することがある。ａ軸は光軸である。

３次元造形装置１００は、造形材料に光ビーム（変調ビームＬ３３）を照射して造形材料を溶融させるプロセスを複数回繰り返すことによって、厚み方向に固化物を積み重ねて３次元造形物を製造する。３次元造形装置１００は３次元積層造形装置とも呼ばれる。

図１を参照して、３次元造形装置１００は、ビーム照射装置４０と、制御装置２０とを含む。ビーム照射装置４０は造形材料に変調ビームＬ３３を照射する。制御装置２０はビーム照射装置４０を制御する。

制御装置２０は、例えば、内部または外部の記憶媒体（後述の記憶部３０を含む）に記憶されたプログラムを実行することによって制御対象を制御するものであり、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、マイクロプロセッサまたはマイクロコンピュータなどの処理装置を含む。なお、制御装置２０の機能の一部または全部は、ソフトウェアが不要な論理回路等のハードウェア回路によって実現されてもよい。制御装置２０は制御回路とも呼ばれる。

また、３次元造形装置１００は、供給機構１６と、記憶部３０とをさらに含む。記憶部３０は、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）およびフラッシュメモリ等の、揮発性または不揮発性のメモリおよびＨＤＤ（Hard Disk Drive）などの記憶部を含む。

３次元造形装置１００は、造形空間ＳＰ中に３次元造形物を製造する。ここで、造形空間ＳＰは３次元空間である。

３次元造形物は、所定の造形材料を用いて所望の形状に製造される。造形材料は、粉末またはペースト状であり、例えば、金属粉体、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。金属粉体であれば、例えば、チタン、アルミニウムまたはステンレス等を採用できる。なお、３次元造形に用いられる造形材料には、複数種類の造形材料が含まれていてもよい。

造形材料は、例えば、供給機構１６によって所定の単位空間に供給される。そして、造形材料に変調ビームＬ３３が照射される。造形材料のうち変調ビームＬ３３が照射された部分の温度が上昇し、造形材料の当該部分の表面または全体が溶融する。変調ビームＬ３３を造形材料上で走査することにより、当該造形材料は所望の形状で一体化する。

３次元造形物の形状は、特に限定されない。また、３次元造形物の所望の形状を示す３次元造形データは、例えば、製造者によって記憶部３０に記憶される。３次元造形データは、例えば、ＣＡＤ（Computer Aided Design）データや、ＳＴＬ（Stereolithography）データである。

次に、造形材料に変調ビームＬ３３を照射するビーム照射装置４０の具体的な一例について概説する。図１の例では、ビーム照射装置４０は、ビーム照射部１０と、空間光変調器１４と、投影光学系１５と、分離光学系１８と、走査部１９とを含んでいる。

ビーム照射部１０は、レーザー光源１１と、照明光学系１２とを含んでいる。レーザー光源１１はレーザー光Ｌ３０を照明光学系１２に出射する。レーザー光源１１は例えばファイバーレーザー光源である。レーザー光Ｌ３０の波長は例えば１０６４ｎｍである。レーザー光Ｌ３０の進行方向に対して垂直な面におけるレーザー光Ｌ３０の断面形状は、例えば略円形である。また、レーザー光Ｌ３０の進行方向に対して垂直な面におけるレーザー光Ｌ３０の断面寸法は、レーザー光Ｌ３０が進行方向に進行すればするほど大きくなっていく。

照明光学系１２はレーザー光Ｌ３０を平行な光ビーム（以下、平行ビームＬ３１とも呼ぶ）に整形して、平行ビームＬ３１を空間光変調器１４に導く。平行ビームＬ３１の進行方向に対して垂直な面における平行ビームＬ３１の断面寸法は、理想的には、進行方向に進行しても一定である。また、平行ビームＬ３１は当該垂直な面において略均一な強度を有する。平行ビームＬ３１は当該垂直な面において、例えば一方向（紙面垂直な方向）に長い矩形形状を有する。このような平行ビームＬ３１はラインビームとも呼ばれ得る。

空間光変調器１４は平行ビームＬ３１を変調し、変調後の変調ビームＬ３２を投影光学系１５に導く。空間光変調器１４は例えばＬｉｎｅａｒ－ＰＬＶ（Planar Light Valve）、ＧＬＶ（登録商標：Grating Light Valve）またはＤＭＤ（Digital Micromirror Device）である。

図２は、空間光変調器１４の構成の一例を概略的に示す図である。図２の例では、空間光変調器１４はＧＬＶであり、基板１４Ａと、基板１４Ａ上に平行に配列された、リボン状のマイクロブリッジ１４Ｂおよびリボン状のマイクロブリッジ１４Ｃが一組または複数組み交互に配列される。これらが回折格子型の空間変調器の１画素として機能する。マイクロブリッジ１４Ｂは可動リボンとも呼ばれ、マイクロブリッジ１４Ｃは固定リボンとも呼ばれる。マイクロブリッジ１４Ｂおよびマイクロブリッジ１４Ｃが並ぶ方向は平行ビームＬ３１の長手方向と同じである。

マイクロブリッジ１４Ｂは、その端部以外の部分が基板１４Ａから離間して位置し、基板１４Ａに対向する下面が窒化シリコン（ＳｉＮ_ｘ）などからなる可撓性部材で構成され、下面と反対側の上面がアルミニウムなどの単層金属膜からなる反射電極膜で構成される。

空間光変調器１４は、マイクロブリッジ１４Ｂと基板１４Ａとの間に印加される電圧のオン／オフで駆動制御される。マイクロブリッジ１４Ｂと基板１４Ａとの間に印加する電圧をオンにすると、静電誘導された電荷によってマイクロブリッジ１４Ｂと基板１４Ａとの間に静電吸引力が発生し、マイクロブリッジ１４Ｂが基板１４Ａ側に撓む。マイクロブリッジ１４Ｃに電荷は印加されず、マイクロブリッジ１４Ｃはそのままの状態（形状）を維持するため、マイクロブリッジ１４Ｂとマイクロブリッジ１４Ｃとで回折格子が形成される。空間光変調器１４の一画素に照射された光は、反射または回折され、光の伝搬する方向が変化する。マイクロブリッジ１４Ｂの撓み量が光の波長の４分の１となった場合、正反射光または０次回折光の強度はゼロになる一方で１次回折光の強度が最大となる。一方で、マイクロブリッジ１４Ｂと基板１４Ａとの間に印加する電圧をオフにすると、上記の撓みが解消し、マイクロブリッジ１４Ｂは基板１４Ａから遠ざかり、マイクロブリッジ１４Ｃと同一の高さとなり、空間光変調器１４は正反射ミラーとして振る舞うため、正反射光または０次回折光の強度が最大となる。このようにマイクロブリッジ１４Ｂの電圧のオン、オフを切り替えることで、正反射光または１次回折光の強度をオン、オフする光変調器として機能する。

通常、ＧＬＶ素子の画素は、例えば３組のマイクロブリッジ１４Ｂおよびマイクロブリッジ１４Ｃで構成され、空間光変調器１４は例えば１０００個の画素を含む。１０００個の画素は平行ビームＬ３１の長手方向に沿って並んで配置される。つまり、３組のマイクロブリッジ１４Ｂおよびマイクロブリッジ１４Ｃからなる組が平行ビームＬ３１の長手方向に沿って１０００個配列される。さらに、空間光変調器１４の構成として、１０００個の画素を例えば２００個の画素毎の５つのグループに分割し、平行ビームＬ３１を５つのグループとして変調し、変調ビームＬ３２を出射する。このように各グループは２００個の画素があるため、光強度分布の形状を自由に変形することができる。

投影光学系１５は、空間光変調器１４からの変調ビームＬ３２の不要光を遮光する。例えば投影光学系１５は、変調ビームＬ３２に含まれた高次回折光を遮光し、０次回折光を通過させる。

分離光学系１８は、投影光学系１５を通過した変調ビームＬ３２を複数の変調ビームＬ３３に分離する（図４も参照）。例えば、分離光学系１８は空間光変調器１４の画素のグループごとに変調ビームＬ３２を分離する。ここでは、空間光変調器１４は２００画素からなるグループを５つ含むので、分離光学系１８は変調ビームＬ３２を５つの変調ビームＬ３３に分離する。５つの変調ビームＬ３３は進行方向に垂直な面において間隔を空けて並ぶ。各変調ビームＬ３３は当該面において、例えば矩形形状を有する。

走査部１９は複数の変調ビームＬ３３を造形材料層１２０上にスポット照射する。図３は、造形材料層１２０の表面の様子の一例を概略的に示す平面図である。図３の例では、造形材料層１２０の表面上には、複数の変調ビームＬ３３が照射される。これにより、造形材料層１２０の表面上に複数のスポットＳ３が形成される。スポットＳ３とは、造形材料層１２０の表面のうち変調ビームＬ３３によって照射された領域を示す。造形材料層１２０の表面において複数のスポットＳ３は間隔を空けて並んでいる。以下では、造形材料層１２０上においてスポットＳ３が並ぶ方向を配列方向Ｄ２とも呼ぶ。図３の例では、配列方向Ｄ２はＸ軸に平行である。

走査部１９は、配列方向Ｄ２と交差する走査方向Ｄ１（ここではＹ軸）に沿って複数のスポットＳ３を走査（移動）させる。図１の例では、走査部１９はガルバノミラー１９２を含んでいる。走査部１９はガルバノミラー１９２の回転により、複数のスポットＳ３を造形材料層１２０上で一体的に移動させる。このスポットＳ３の走査態様は任意であるものの、例えばラスタスキャンを採用してもよい。この走査により、造形材料層１２０は、スポットＳ３内の強度分布に応じて溶融および焼結し、所望の形状に一体化する。

次に、造形材料を供給する供給機構１６について説明する。図１に例示するように、供給機構１６は、パートシリンダー１６Ａと、フィードシリンダー１６Ｂと、スキージ１６Ｄとを含む。供給機構１６は、所定の単位空間に順次に造形材料層１２０を積層させる。造形材料層１２０は、造形材料からなる。

フィードシリンダー１６Ｂは、フィードシリンダー１６Ｂの内部に下面１６Ｂａを有する。当該下面１６Ｂａは、フィードシリンダー１６Ｂの内部においてＺ軸方向に移動可能である。フィードシリンダー１６Ｂの内部における下面１６Ｂａの上部には、造形材料が収容されている。

一方、パートシリンダー１６Ａは、パートシリンダー１６Ａの内部に下面１６Ａａを有する。当該下面１６Ａａは、パートシリンダー１６Ａの内部においてＺ軸方向に移動可能である。パートシリンダー１６Ａの内部における下面１６Ａａの上部には、造形空間ＳＰが設定されている。

パートシリンダー１６Ａの内部には、フィードシリンダー１６Ｂから造形材料が供給される。具体的には、パートシリンダー１６Ａの下面１６Ａａを所定距離、下降させる。一方、フィードシリンダー１６Ｂの下面１６Ｂａを所定距離、上昇させる。そして、フィードシリンダー１６Ｂからパートシリンダー１６Ａへ向かって、スキージ１６Ｄを移動させる。その結果、所定量の造形材料がフィードシリンダー１６Ｂの内部からパートシリンダー１６Ａの内部へ移動する。

次に、制御装置２０の一例について説明する。制御装置２０は、ビーム照射装置４０および供給機構１６を制御する。具体的な一例として、制御装置２０は、レーザー制御部２０Ａと、変調制御部２０Ｂと、走査制御部２０Ｃと、データ取得部２０Ｄと、露光データ作成部２０Ｅとを含む。

データ取得部２０Ｄは、例えば、外部装置または記憶媒体から３次元造形データを受信する。データ取得部２０Ｄは当該３次元造形データを記憶部３０に記憶させる。

露光データ作成部２０Ｅは、データ取得部２０Ｄによって取得された３次元造形データに基づいて露光データを作成し、露光データを記憶部３０に記憶させる。露光データとは、空間光変調器１４の各空間変調素子（マイクロブリッジ１４Ｂ）の状態を示すデータであり、例えば各マイクロブリッジ１４Ｂと基板１４Ａとの間に印加する各電圧を示すデータである。露光データは、空間光変調器１４の変調パターンを示すデータである、ともいえる。露光データ作成部２０Ｅは、３次元造形データで示された３次元造形物を製造できるように、各造形材料層１２０の各位置における変調ビームＬ３３の強度を決定し、その強度で変調ビームＬ３３を照射するための空間光変調器１４の変調パターンを決定し、その変調パターンを示す露光データを作成する。

レーザー制御部２０Ａはレーザー光源１１を制御して、レーザー光源１１にレーザー光Ｌ３０を出射させる。

変調制御部２０Ｂは、露光データ作成部２０Ｅによって作成された露光データに基づいて、空間光変調器１４を制御する。これにより、変調ビームＬ３２の光の強度分布が、３次元造形データに示された形状を反映する強度分布となる。

走査制御部２０Ｃは走査部１９および供給機構１６を制御する。走査制御部２０Ｃは、所定の単位空間に順次に変調ビームＬ３３を導くように、走査部１９および供給機構１６を制御する。具体的には、走査制御部２０Ｃは、ガルバノミラー１９２を回転させることによって、変調ビームＬ３３を造形材料層１２０上で走査させる。

また、走査制御部２０Ｃは、パートシリンダー１６Ａとフィードシリンダー１６Ｂとスキージ１６Ｄとを移動させることによって、所定の単位空間に順次、造形材料層１２０を形成する。

＜光路について＞
次に、図４を参照して、３次元造形装置１００での光路の一例について説明する。図４は、３次元造形装置１００での光路の一例を概略的に示す図である。以下では、光学系の直交座標系を導入して説明する。当該直交座標系は、互いに直交するａ軸、ｂ軸およびｃ軸で構成され、ａ軸は光軸に相当する。ｂ軸は平行ビームＬ３１の長手方向に延びる軸であり、ｃ軸は平行ビームＬ３１の短手方向に延びる軸である。

図４に例示されるように、照明光学系１２は、レーザー光源１１から出射されたレーザー光Ｌ３０を平行ビームＬ３１に変換し、平行ビームＬ３１を空間光変調器１４に導く。図１を参照して、照明光学系１２はコリメートレンズ１２１，１２２を含んでもよい。コリメートレンズ１２１，１２２は、例えば、シリンドリカルレンズまたはパウエルレンズである。コリメートレンズ１２１は、ｃ軸に沿って見て、レーザー光Ｌ３０を平行光に変換し、コリメートレンズ１２２は、ｂ軸に沿って見て、レーザー光Ｌ３０を平行光に変換する。なお、照明光学系１２は、単一のコリメートレンズによって構成されてもよく、また、他の光学素子が照明光学系１２に追加されてもよい。

空間光変調器１４は照明光学系１２からの平行ビームＬ３１を変調して、ｂ軸における光の強度分布を調整する。空間光変調器１４は複数（ここでは５つ）の変調素子群１４１を含んでいる。各変調素子群１４１は一グループに相当する。空間光変調器１４はグループ単位で平行ビームＬ３１を変調する。よって、変調ビームＬ３２は、各グループ（変調素子群１４１）によって変調された部分変調ビームＬ３２１がｂ軸において連続することで構成される。

なお、図４の例では、空間光変調器１４からの変調ビームＬ３２の投影像が模式的に示されている。また、図４においては、便宜上、空間光変調器１４の前後で光路が一直線となっているが、空間光変調器１４が反射型の変調器である場合は、空間変調器１４の前後における光路は逆向きとなる（図１も参照）。

投影光学系１５は、空間光変調器１４からの変調ビームＬ３２の不要光を遮光する。例えば投影光学系１５は、レンズ１５Ａと、アパーチャ部１５Ｂと、レンズ１５Ｃとを含む。レンズ１５Ａは例えばフーリエ変換レンズであり、空間光変調器１４からの変調ビームＬ３２のうち０次回折光をアパーチャ部１５Ｂの開口１５ｂに集光させる。アパーチャ部１５Ｂはレンズ１５Ａの焦点位置に設けられており、変調ビームＬ３２に含まれる０次回折光のみを通過させる。言い換えれば、変調ビームＬ３２に含まれる高次回折光（例えば１次回折光）はアパーチャ部１５Ｂの開口１５ｂ以外の部分に集光し、遮光される。レンズ１５Ｃは例えば逆フーリエ変換レンズであり、アパーチャ部１５Ｂを通過した変調ビームＬ３２（０次回折光）を平行光に変換する。なお、投影光学系１５には他の光学素子が追加されてもよい。

分離光学系１８は投影光学系１５からの変調ビームＬ３２を複数の変調ビームＬ３３に分離する。図４の例では、分離光学系１８は、レンズアレイ１８Ａ，１８Ｂを含むアフォーカルな縮小光学系である。レンズアレイ１８Ａは、ｂ軸に沿って配列された複数（図１では５つ）のレンズ１８ａを含んでいる。ｂ軸に沿って配列されるレンズ１８ａの個数は、空間光変調器１４のグループ（変調素子群１４１）の個数と同じである。複数のレンズ１８ａは連続的に配列され得る。言い換えれば、複数のレンズ１８ａは間隔を空けずにｂ軸に沿って配列されて、一体化され得る。

レンズアレイ１８Ｂも、ｂ軸に沿って配列された複数（ここでは５つ）のレンズ１８ｂを含んでいる。ｂ軸に沿って配列されるレンズ１８ｂの個数は、空間光変調器１４のグループ（変調素子群１４１）の個数と同じである。複数のレンズ１８ｂも連続的に配列され得る。複数のレンズ１８ｂが光軸（ａ軸）方向においてレンズアレイ１８Ａの複数のレンズ１８ａとそれぞれ向かい合う位置に、レンズアレイ１８Ｂが設けられる。なお、分離光学系１８には他の光学素子が追加されてもよい。

投影光学系１５からの変調ビームＬ３２はレンズアレイ１８Ａの５つのレンズ１８ａに入射する。具体的には、変調ビームＬ３２は５つのレンズ１８ａの全体に入射する。つまり、理想的には、レンズアレイ１８Ａに入射する変調ビームＬ３２の幅は５つのレンズ１８ａの全体の幅と等しい。空間光変調器１４からの変調ビームＬ３２の幅がレンズ１８ａの全体の幅と一致していない場合、投影光学系１５は、変調ビームＬ３２の幅が５つのレンズ１８ａの全体の幅と一致するように、変調ビームＬ３２の幅を拡大または縮小するとよい。このような拡大および縮小は、レンズ１５Ａ，１５Ｃを適切に選定することにより実現できる。

変調ビームＬ３２は、ｂ軸に沿って連続的に並ぶ５つの部分変調ビームＬ３２１によって構成される。変調ビームＬ３２がレンズアレイ１８Ａに入射することにより、５つの部分変調ビームＬ３２１はそれぞれ５つのレンズ１８ａに入射する。各レンズ１８ａは、対応する部分変調ビームＬ３２１をそれぞれの焦点位置に集光させる。これにより、変調ビームＬ３２が複数（ここでは５つ）の変調ビームＬ３３に分離する。つまり、各変調ビームＬ３３は、各部分変調ビームＬ３２１を縮小したビームに相当する。

分離された複数の変調ビームＬ３３はそれぞれレンズアレイ１８Ｂのレンズ１８ｂに入射する。各レンズ１８ｂは、入射した変調ビームＬ３３を平行光に変換する。レンズアレイ１８Ｂの光源側の焦点距離はレンズアレイ１８Ａの像側の焦点距離よりも短いので、分離光学系１８から出射される各変調ビームＬ３３の幅（ｂ軸に沿う幅）は、部分変調ビームＬ３２１の幅よりも狭くなる。図４の例では、レンズアレイ１８Ｂを通過した複数の変調ビームＬ３３の投影像が模式的に示されている。

レンズアレイ１８Ａはその直前の光学系（投影光学系１５）の像側の焦点位置（合成焦点位置）に設けられるとよい。つまり、レンズアレイ１８Ａは投影光学系１５の投影像が形成される位置に設けられるとよい。これにより、レンズアレイ１８Ａの配置位置での変調ビームＬ３２の強度分布において、隣り合う部分変調ビームＬ３２１の光のクロストークを低減することができる。

図１を参照して、分離光学系１８からの複数の変調ビームＬ３３は、レンズ１９１を介してガルバノミラー１９２に入射し、ガルバノミラー１９２の反射面で反射する。レンズ１９１は複数のレンズによって構成されてもよい。ガルバノミラー１９２で反射された複数の変調ビームＬ３３はレンズ１９３を介して造形材料層１２０の表面上に照射される。レンズ１９３は例えばｆθレンズを含む。レンズ１９３は複数のレンズによって構成されてもよい。複数の変調ビームＬ３３が造形材料層１２０に照射されることにより、造形材料層１２０の表面上に複数のスポットＳ３が形成される（図３も参照）。なお、レンズ１９１、ガルバノミラー１９２およびレンズ１９３は走査部１９に属する。

ガルバノミラー１９２が所定の回転軸で回転することにより、複数のスポットＳ３が走査方向Ｄ１に沿って一体的に移動する。図１の例では、模式的に１つのガルバノミラー１９２のみが示されているものの、実際には、２つのガルバノミラーが設けられる。各ガルバノミラー１９２の回転軸は互いに交差しており、より具体的には直交している。各ガルバノミラー１９２が独立して制御されることにより、複数のスポットＳ３を任意の走査方向に沿って移動させることもできる。ここでは一例として、ガルバノミラーの一方のみを回転させることで、複数のスポットＳ３を走査方向Ｄ１に沿って移動させ、ガルバノミラーの他方のみを回転させることで、複数のスポットＳ３を、走査方向Ｄ１に直交する直交方向（例えば配列方向Ｄ２）に沿って移動させることができる。

＜制御装置の処理について＞
次に、図５を参照して、制御装置２０の処理の一例について説明する。図５は、制御装置２０の処理の一例を示すフローチャートである。

まず、データ取得部２０Ｄは、例えば、外部装置または記憶媒体から３次元造形データを受信することで、当該３次元造形データを記憶部３０に記憶させる（ステップＳＴ１）。また、露光データ作成部２０Ｅは当該３次元造形データに基づいて露光データを作成する。

次に、レーザー制御部２０Ａはレーザー光源１１を制御する（ステップＳＴ２）。具体的には、レーザー制御部２０Ａはレーザー光源１１からレーザー光Ｌ３０を出射させる。レーザー光Ｌ３０は照明光学系１２において平行ビームＬ３１に変換されて、空間光変調器１４に入射する。

変調制御部２０Ｂは空間光変調器１４を制御するとともに、走査制御部２０Ｃは走査部１９を制御する（ステップＳＴ３）。具体的には、変調制御部２０Ｂは露光データに基づいて空間光変調器１４を制御する。この制御により、空間光変調器１４は平行ビームＬ３１を変調し、変調後の変調ビームＬ３２を出射する。変調ビームＬ３２は、３次元造形データに示された形状を反映する強度分布を有する。変調ビームＬ３２は投影光学系１５を経由して分離光学系１８に入射する。分離光学系１８は変調ビームＬ３２を複数の変調ビームＬ３３に分離する。走査部１９は、分離光学系１８からの複数の変調ビームＬ３３を造形材料層１２０に導く。走査制御部２０Ｃは、変調制御部２０Ｂによる変調制御と並行して、走査部１９を制御し、造形材料層１２０上でスポットＳ３を移動させる。

ここで、走査経路の一例について述べる。図３の例では、スポットＳ３の間隔はスポットＳ３の幅と同程度である。つまり、５つのスポットＳ３は初期的には、それぞれ１行目、３行目、５行目、７行目および９行目の走査ラインの先頭に位置している。５つのスポットＳ３の走査方向Ｄ１の移動によって、１行目、３行目、５行目、７行目および９行目の走査ラインに対する走査が終了する。

続いて、走査部１９は５つのスポットＳ３をスポットＳ３の幅と同程度だけ、配列方向Ｄ２に沿って移動させる。これにより、５つのスポットＳ３は、それぞれ２行目、４行目、６行目、８行目および１０行目の走査ライン上に位置する。次に、走査部１９は５つのスポットＳ３を走査方向Ｄ１に沿って走査させる。これにより、２行目、４行目、６行目、８行目および１０行目の走査ラインに対する走査が終了する。以上の動作によって、１行目から１０行目までの走査ラインに対する走査が終了する。

次に、走査部１９は、先頭のスポットＳ３が１１行目の走査ラインに位置するように、５つのスポットＳ３を配列方向Ｄ２に沿って移動させる。これにより、５つのスポットＳ３は、１１行目、１３行目、１５行目、１７行目および１９行目の走査ライン上に位置する。以後、同様にして、５つのスポットＳ３を移動させることにより、造形材料層１２０上の全領域をスポットＳ３で走査することができる。これにより、造形材料層１２０が３次元造形データに応じた位置で溶融および焼結し、３次元造形データに示された形状に整形される。

３次元造形装置１００は造形材料層１２０に対する走査が終了すると、次の造形材料層１２０を積層して再び走査を行う。３次元造形装置１００はこのプロセスを複数回行うことで、３次元造形物を製造する。

以上のようにして、３次元造形装置１００は３次元造形物を製造することができる。しかも、この３次元造形装置１００によれば、造形材料層１２０上で複数のスポットＳ３が互いに離れている（図３参照）。

比較のために、５つのスポットＳ３が互いに連続する場合について考慮する。つまり、ライン状に変調ビームが造形材料層１２０上に照射される場合について考慮する。図３の例では、造形材料層１２０上のライン状の変調ビームをラインＬＳ３で示している。この場合、ラインＬＳ３の全体に亘って造形材料が溶融し得る。よって、例えばラインＬＳ３内の一方の端部で溶融した造形材料は、他方の端部により近い位置まで流動し得る。つまり、溶融した造形材料がより広い範囲で流動する。ラインＬＳ３内の造形材料の温度分布がばらついているほど、より広い範囲から一部分に造形材料が局所的に流入し、これによって、当該一部分での造形材料の隆起が大きくなる。

これに対して、３次元造形装置１００によれば、複数のスポットＳ３が互いに離れている。造形材料は各スポットＳ３で溶融するので、造形材料の流動可能な範囲を狭くすることができる。よって、造形材料の隆起を低減することができる。したがって、３次元造形物をより所望の形状に近い状態で製造することができる。言い換えれば、高い形状精度で３次元造形物を製造することができる。

さらなる比較のために、単一のスポットＳ３で３次元造形物を製造する場合についても考慮する。この場合、スループットを向上するには、スポットＳ３の光の強度を増加させつつ、スポットＳ３の移動速度（走査速度ともいう）を高めることが考えられる。しかしながら、スポットＳ３の強度および移動速度を変更すると、造形材料の現象プロセス（例えば溶融の程度、蒸発など）が変わる。３次元造形物の製造に適した強度範囲および移動速度の範囲は予め決められるので、単一のスポットＳ３での３次元造形では、スループットの向上には限界がある。

これに対して、本実施の形態では、複数のスポットＳ３を造形材料層１２０上に形成できる。これによれば、一度の移動によって、複数行分の領域に対する走査を行うことができるので、スループットを向上させることができる。つまり、造形材料にとって適した強度および走査速度を採用しつつも、スポットＳ３の個数を増やすことで、スループットを向上させることができる。

また、本実施の形態では、単一のレーザー光源１１を用い、分離光学系１８が変調ビームＬ３２を複数の変調ビームＬ３３に分離している。よって、複数のレーザー光源１１から複数の変調ビームを形成する場合に比して、ビーム照射装置４０の装置サイズおよび製造コストを低減することができる。

＜分離光学系＞
図４の例では、分離光学系１８はレンズアレイ１８Ａ，１８Ｂを含んでいる。図６は、分離光学系１８に入射する変調ビームＬ３２および分離光学系１８から出射される複数の変調ビームＬ３３の強度分布の一例を概略的に示す図である。図６の例では、分離光学系１８も示されている。図６の例では、分離光学系１８に入射する変調ビームＬ３２の強度分布は、矩形状の形状を有している。つまり、変調ビームＬ３２の強度はｂ軸上の位置によらず略一定である。

一方で、分離光学系１８から出射される各変調ビームＬ３３の強度分布は、その中央における強度が両側の強度よりも小さい凹状の形状を有している。つまり、各変調ビームＬ３３の強度は中央領域よりも両側領域において高まっている。これは、レンズアレイ１８Ａのレンズ１８ａどうしの境界付近およびレンズアレイ１８Ｂのレンズ１８ｂどうしの境界付近で生じる回折現象に起因する。

以上のように、レンズアレイ１８Ａ，１８Ｂを含む分離光学系１８は、たとえ変調ビームＬ３２の強度が一定であっても、両側で強度が高い変調ビームＬ３３を出射することができる。よって、造形材料層１２０上のスポットＳ３でも、その両側領域での強度が中央領域に比べて高くなる。

比較のために、各変調ビームＬ３３の強度分布が、その中央位置でピーク値をとる凸形状を有している場合について考慮する。このような凸形状の強度分布を有するビームとしては、ガウシアンビームを例示できる。各変調ビームＬ３３の強度は中央位置でピーク値をとり、当該中央位置から離れるにつれて低減する。造形材料層１２０上のスポットＳ３の強度分布も同様である。

スポットＳ３内の全領域に十分な熱量を与えるには、スポットＳ３内の強度の面積積分値を増加させる必要がある。例えば、スポットＳ３の走査速度を向上させる場合、造形材料層１２０上の各位置で十分な熱量を与えるには、スポットＳ３の強度の面積積分値を増加させる必要がある。ガウシアンビームでは強度は中央領域でピーク値を有するので、面積積分値を増加させると、スポットＳ３は、その中央の強度が周縁の強度に比べて非常に高い極端な強度分布を呈する。このようなスポットＳ３では、その中央の微小領域に集中して熱量が与えられるので、当該微小領域は周縁領域に比べて瞬時に高温となる。これにより、中央で溶融した造形材料が周辺に飛散するスパッタ、または、蒸発した造形材料が凝集するヒュームが生じるという問題がある。

これに対して、上述の例では、分離光学系１８にはレンズアレイ１８Ａ，１８Ｂが設けられているので、各変調ビームＬ３３の強度分布において、その両側領域の強度が中央領域の強度よりも高くなる。これによれば、ピーク値が２箇所あるので、変調ビームＬ３３（スポットＳ３）内の強度の面積積分値を高めるために、ガウシアンビームほどピーク値を高める必要がない。したがって、スパッタおよびヒュームが発生する可能性を低減することができる。

また、スポットＳ３内の両ピーク値の近傍で生じた熱は、スポットＳ３の中央側にも移動するので、スポットＳ３における造形材料の温度分布をより均一にすることができ、熱を有効利用することができる。

＜スポットの分離＞
次に、図６を参照して、スポットＳ３の両端の位置について述べる。このスポットＳ３の両端は、スポットＳ３内の光の強度が、そのピーク値ｐの所定割合の強度となる位置で規定される。具体的には、スポットＳ３の両端は、その強度がｐ／ｅ^２をとる位置によって規定される。ｅはネイピア数である。つまり、図６に例示するように、強度がｐ／ｅ^２をとる位置がスポットＳ３のｂ軸における両端となる。スポットＳ３が分離するとは、隣り合うスポットＳ３の端どうしが互いに離れていることを意味する。

＜変調素子群＞
上述の例では、空間光変調器１４のグループ（変調素子群１４１）は複数の空間変調素子（マイクロブリッジ１４Ｂおよびマイクロブリッジ１４Ｃ）によって構成される。よって、各グループ（変調素子群１４１）は部分変調ビームＬ３２１の強度分布を細かく調整することができる。例えば、空間光変調器１４は、各変調ビームＬ３２の強度分布が複数（例えば３つ以上）のピーク値を有するように、各部分変調ビームＬ３２１を制御してもよい。これによっても、スポットＳ３内の強度の面積積分値を高めるために、ガウシアンビームほどピーク値を高める必要がなく、スポットＳ３内の造形材料の温度分布をより均一にできる。

また、上述のように、図６の例では、ｂ軸において均一な強度を有する変調ビームＬ３２（複数の部分変調ビームＬ３２１）がレンズアレイ１８Ａ，１８Ｂを経由することにより、複数の変調ビームＬ３３の各々では、その強度が両側領域よりも中央領域で小さくなる。そこで、空間光変調器１４の各変調素子群１４１は、各部分変調ビームＬ３２１の両側領域の強度が中央領域に比べて低くなるように、部分変調ビームＬ３２１の強度分布を調整してもよい。これによれば、変調ビームＬ３２がレンズアレイ１８Ａ，１８Ｂを経由することにより、各変調ビームＬ３３の強度分布をトップハット形状（つまり、略矩形状）に近づけることができる。言い換えれば、空間光変調器１４は、各変調ビームＬ３２の強度分布が略矩形形状を有するように、各部分変調ビームＬ３２１を制御してもよい。これによって、スポットＳ３内の造形材料の温度分布をさらに均一にすることができる。

空間光変調器１４として、ＧＬＶまたはＰＬＶを採用すれば、各空間変調素子が多階調に強度を調整できるので、変調ビームＬ３３の光の強度分布をより細かく調整することができる。また、空間変調素子が強度を二値（ＯＮ／ＯＦＦ）で調整する場合であっても、変調素子群１４１を構成する空間変調素子の個数を多くすることにより、光の強度分布を細かく調整することが可能である。さらに、空間変調素子のＯＮ／ＯＦＦを時間的に変調することにより、強度の時間平均値を多階調で調整することも可能である。このような変調は、パルス幅変調と同様である。これにより、疑似的に強度を多階調で調整することもできる。

なお、例えばスポットＳ３内の造形材料の温度分布があまり問題にならない場合では、空間光変調器１４の各グループ（変調素子群１４１）を単一の画素によって構成しても構わない。

＜分離光学系の他の例＞
図７は、分離光学系１８の構成の他の一例を概略的に示す図である。図７の例では、分離光学系１８は単一のレンズアレイ１８Ｃを含んでいる。レンズアレイ１８Ｃは、ｂ軸に沿って配列された複数（ここでは５つ）のレンズ１８ｃを含んでいる。ｂ軸に沿って配列されたレンズ１８ｃの個数は、空間光変調器１４のグループ（変調素子群１４１）の個数と同じである。複数のレンズ１８ｃは連続的に配列され得る。言い換えれば、複数のレンズ１８ｃは間隔を空けずにｂ軸に沿って配列されて、一体化され得る。レンズアレイ１８Ｃの像側の焦点距離は例えばレンズアレイ１８Ａよりも長い。

変調ビームＬ３２のうち各部分変調ビームＬ３２１は、対応するレンズ１８ｃに入射する。これにより、変調ビームＬ３２は複数の変調ビームＬ３３に分離される。変調ビームＬ３３はその進行方向に垂直な断面において、例えば矩形形状を有する。

この構成によれば、変調ビームＬ３３の強度分布（ファーフィールド像）は、Ｓｉｎｃ関数のように、その中央で第１ピーク値をとるとともに、その中央よりも離れた両側で第１ピーク値よりも小さな第２ピーク値をとる。したがって、第２ピーク値を有さないガウシアンビームに比べて、スポットＳ３内の造形材料の温度分布をより均一にすることができ、熱を有効利用することができる。また、第２ピーク値を有さないガウシアンビームに比べて、スポットＳ３内における強度の面積積分値は高い。よって、この面積積分値を高めるためにガウシアンビームほどピーク値を増加させる必要がない。したがって、スパッタまたはヒュームが発生する可能性を低減することもできる。

図７の分離光学系１８は単一のレンズアレイ１８Ｃで構成されるので、より簡易に分離光学系１８を構成することができる。よって、ビーム照射装置４０の装置サイズおよび製造コストを低減することができる。一方で、図６の分離光学系１８によれば、変調ビームＬ３３の両側領域の強度をより高くすることができ、強度分布をより均一化できる。よって、スポットＳ３内の造形材料の温度分布をより均一化できる。

＜空間光変調器＞
空間光変調器１４として、位相型の空間光変調器を用いてもよい。例えば位相型のＰＬＶおよび位相型のＧＬＶを採用することができる。この空間光変調器１４は位相差による光の干渉によって、平行ビームＬ３１を変調できる。これによれば、アパーチャ部１５Ｂによる不要光の遮光を必要としないので、光の損失を低減することができる。

また、上述の例では、空間光変調器１４は１次元の空間光変調器であるものの、２次元の空間光変調器であってもよい。つまり、空間変調素子がｂｃ平面において２次元で配列されていてもよい。これによれば、変調ビームＬ３３の強度分布を２次元（ｂｃ平面）で調整することができる。

＜走査態様＞
図３の例では、スポットＳ３の間隔がスポットＳ３の幅と同程度であったが、スポットＳ３の間隔は適宜に変更してもよい。スポットＳ３の間隔は、例えば、分離光学系１８における縮小倍率を調整することで、調整することが可能である。例えば、スポットＳ３の間隔をスポットＳ３の幅の整数倍と同程度に設定してもよい。

また、スポットＳ３で生じた熱はその周囲にも移動するので、当該周囲でも造形材料が溶融または焼結し得る。そこで、スポットＳ３の間隔を非常に狭く設定することにより、スポットＳ３の間でも造形材料層１２０を溶融または焼結させてもよい。この場合、５つのスポットＳ３がそれぞれ１行目から５行目の走査ラインに相当する。これら５つのスポットＳ３を走査方向Ｄ１に沿って移動させることにより、１行目から５行目までの走査ラインに対する走査を行うことができる。続いて、５つのスポットＳ３を５行分だけ配列方向Ｄ２に沿って移動させた上で、再び走査方向Ｄ１に沿って５つのスポットＳ３を移動させることにより、６行目から１０行目までの走査ラインに対する走査を行うことができる。以後、同様にして、５つのスポットＳ３を移動させることにより、造形材料層１２０上の全領域をスポットＳ３で走査することができる。これにより、造形材料層１２０が溶融および焼結して所望の形状で一体化する。

より一般的に説明すると、走査部１９は、Ｎ（Ｎは２以上の自然数）個のスポットＳ３の走査方向Ｄ１に沿う移動によって、連続するＮ行分の走査ラインに対する走査を行う工程と、Ｎ個のスポットＳ３を、走査方向Ｄ１と交差する方向にＮ行分だけ移動させる工程とを繰り返してもよい。

この場合でも、スポットＳ３は互いに離れているので、スポットＳ３の間の造形材料の温度は、スポットＳ３内の造形材料の温度に比べて低い。よって、スポットＳ３の間での造形材料の流動性を低くできる。これにより、走査ライン間での造形材料の混入を抑制することができる。よって、造形材料層１２０の部分的な隆起を低減でき、造形材料層１２０を高い形状精度で所望の形状に造形できる。

＜第２の実施の形態＞
第２の実施の形態にかかる３次元造形装置１００は、ビーム照射装置４０の内部構成を除いて、第１の実施の形態にかかる３次元造形装置１００と同様の構成を有している。以下では、第２の実施の形態にかかるビーム照射装置４０をビーム照射装置４０Ａと呼ぶ。

図８から図１０は、ビーム照射装置４０Ａの構成の一例を概略的に示す図である。ビーム照射装置４０Ａは変調ビームＬ３３のビーム数Ｍを変更することができる。言い換えれば、ビーム照射装置４０Ａは可変のビーム数Ｍで、変調ビームＬ３３を造形材料層１２０に照射することができる。図８の例では、ビーム照射装置４０Ａは５つの変調ビームＬ３３を出射し、図９の例では、ビーム照射装置４０Ａは３つの変調ビームＬ３３を出射し、図１０の例では、ビーム照射装置４０Ａは１つの変調ビームＬ３３を出射している。

以下では、ビーム照射装置４０Ａが出射可能な変調ビームＬ３３のビーム数Ｍの最大値をＮとする。ここでは一例として、Ｎは５である。ビーム数ＭはＮ以下であって可変である。

ビーム照射装置４０Ａは、投影光学系１５の内部構成を除いて、ビーム照射装置４０と同様の構成を有している。以下では、第２の実施の形態にかかる投影光学系１５を投影光学系１５０と呼ぶ。

投影光学系１５０は、変調ビームＬ３２の幅（ｂ軸における幅）を調整する拡大または縮小光学系（ズーム光学系とも呼ばれ得る）である。投影光学系１５０は変調ビームＬ３２の幅を拡大または縮小し、拡大または縮小後の変調ビームＬ３２（以下、変調ビームＬ３２Ａと呼ぶ）をＭ個分のレンズ１８ｃの全体に入射させる。言い換えれば、投影光学系１５０は、変調ビームＬ３２ＡがＭ個分のレンズ１８ｃの全体に入射するように、変調ビームＬ３２の幅を調整する。レンズアレイ１８Ｃは変調ビームＬ３２ＡをＭ個の変調ビームＬ３３に分離する。つまり、投影光学系１５０の倍率を調整して、変調ビームＬ３２Ａのレンズ１８ｃへの入射個数を調整することで、ビーム数Ｍを可変にすることができる。

以下では、変調ビームＬ３２Ａをレンズアレイ１８ＣのＮ個のレンズ１８ｃの全体に入射させるときの、投影光学系１５０のｂ軸の倍率をＤｂ０とする。

投影光学系１５０は、空間光変調器１４からの変調ビームＬ３２の幅を（Ｍ・Ｄｂ０／Ｎ）倍して、変調ビームＬ３２Ａを分離光学系１８に導く。投影光学系１５０はアフォーカルな光学系である。投影光学系１５０の倍率（Ｍ・Ｄｂ０／Ｎ）は制御装置２０によって制御される。

図８を参照して、ビーム数Ｍが５である場合、投影光学系１５０は変調ビームＬ３２をｂ軸においてＤｂ０倍し、変調ビームＬ３２Ａを分離光学系１８に導く。投影光学系１５０からの変調ビームＬ３２Ａはレンズアレイ１８Ｃの５つのレンズ１８ｃの全体に入射する。よって、レンズアレイ１８Ｃは変調ビームＬ３２Ａを５つの変調ビームＬ３３に分離する。したがって、造形材料層１２０上には５つのスポットＳ３が形成される。

一方、ビーム数Ｍが３である場合、投影光学系１５０は変調ビームＬ３２をｂ軸において（３・Ｄｂ０／５）倍し、変調ビームＬ３２Ａを分離光学系１８に導く（図９参照）。投影光学系１５０は光軸（ａ軸）を中心に変調ビームＬ３２の幅を調整するので、変調ビームＬ３２Ａは、レンズアレイ１８Ｃのうち中央側で並ぶ３つのレンズ１８ｃの全体に入射する。よって、レンズアレイ１８Ｃは変調ビームＬ３２Ａを３つの変調ビームＬ３３に分離する。したがって、造形材料層１２０上には３つのスポットＳ３が形成される。

このようにビーム数Ｍが３である場合には、変調ビームＬ３２Ａは３つの変調ビームＬ３３に分離される。各変調ビームＬ３３は一グループに対応しているので、変調ビームＬ３２Ａのｂ軸における強度分布は、３つのグループに対応する強度分布を有する必要がある。したがって、空間光変調器１４における一グループの構成（割り当て）を変更する必要がある。

例えばビーム数Ｍが５である場合には、空間光変調器１４は５つのグループで平行ビームＬ３１を変調して、変調後の変調ビームＬ３２を出射する。以下では、空間光変調器１４の空間変調素子（例えばマイクロブリッジ１４Ｂおよびマイクロブリッジ１４Ｃ）の個数を３０個とする。この場合、空間光変調器１４は、６個の空間変調素子を一グループ（変調素子群１４１）として、平行ビームＬ３１を変調する。

一方で、ビーム数Ｍが３である場合には、空間光変調器１４は３つのグループで平行ビームＬ３１を変調する。つまり、ビーム数Ｍが３である場合には、空間光変調器１４は、１０個の空間変調素子を一グループとして、平行ビームＬ３１を変調する。要するに、ビーム数Ｍが５である場合には、６個の空間変調素子を一グループに割り当てるのに対して、ビーム数Ｍが３である場合には、１０個の空間変調素子を一グループに割り当てる。

このようなグループの割り当ては、露光データ作成部２０Ｅによって実現される。具体的には、露光データ作成部２０Ｅは、ビーム数Ｍが５であるときには、６個の空間変調素子が一グループを構成するように露光データを生成し、ビーム数Ｍが３であるときには、１０個の空間変調素子によって一グループが構成されるように露光データを生成する。変調制御部２０Ｂは当該露光データに基づいて空間光変調器１４を制御する。

これにより、空間光変調器１４は、上述のようにビーム数Ｍに応じたグループ数で平行ビームＬ３１を変調できる。具体的には、ビーム数Ｍが５であるときには、空間光変調器１４は５つのグループで平行ビームＬ３１を変調する。このとき、変調ビームＬ３２は、５つのグループに対応した５つの部分変調ビームＬ３２１がｂ軸において連続することで構成される（図８参照）。５つの部分変調ビームＬ３２１は投影光学系１５を経由し、それぞれ、レンズアレイ１８Ｃの５つのレンズ１８ｃに入射する。各レンズ１８ｃは、入射した部分変調ビームＬ３２１を縮小し、これを変調ビームＬ３３として走査部１９に導く。これにより、空間光変調器１４の５つのグループにそれぞれ対応した５つの変調ビームＬ３３を造形材料層１２０に照射することができる。

一方で、ビーム数Ｍが３であるときには、空間光変調器１４は３つのグループで平行ビームＬ３１を変調する。このとき、変調ビームＬ３２は、３つのグループに対応した３つの部分変調ビームＬ３２１がｂ軸において連続することで構成される（図９参照）。３つの部分変調ビームＬ３２１は投影光学系１５を経由し、それぞれ、レンズアレイ１８Ｃの中央側の３つのレンズ１８ｃに入射する。各レンズ１８ｃは、入射した部分変調ビームＬ３２１を縮小し、これを変調ビームＬ３３として走査部１９に導く。これにより、空間光変調器１４の３つのグループにそれぞれ対応した３つの変調ビームＬ３３を造形材料層１２０に照射することができる。

ビーム数Ｍが１である場合には、投影光学系１５０は変調ビームＬ３２をｂ軸において（Ｄｂ０／５）倍し、変調ビームＬ３２Ａを分離光学系１８に導く（図１０参照）。投影光学系１５０は光軸（ａ軸）を中心に変調ビームＬ３２の幅を調整するので、変調ビームＬ３２Ａはレンズアレイ１８Ｃのうち中央側の１つのレンズ１８ｃの全体に入射する。レンズアレイ１８Ｃはこの１つの変調ビームＬ３２Ａを縮小し、縮小後の変調ビームＬ３２Ａを１つの変調ビームＬ３３として出射する。したがって、造形材料層１２０上には１つのスポットＳ３が形成される。

なお、ビーム数Ｍが１である場合には、空間光変調器１４は１つのグループで平行ビームＬ３１を変調する。上述の例では、空間光変調器１４は３０個の空間変調素子を含んでいるので、その３０個の空間変調素子を一グループとして、平行ビームＬ３１を変調する。言い換えれば、３０個の空間変調素子を一グループに割り当てる。

このようなグループの割り当ては、既述のように露光データ作成部２０Ｅによって実現される。具体的には、露光データ作成部２０Ｅは、３０個の空間変調素子によって一グループが構成されるように、露光データを生成する。変調制御部２０Ｂは当該露光データに基づいて空間光変調器１４を制御する。これにより、空間光変調器１４は一グループで平行ビームＬ３１を変調する。変調ビームＬ３２は１つの部分変調ビームＬ３２１によって構成される。

図１１は、投影光学系１５０のうちｂ軸のズーム光学系のみの構成の一例を概略的に示す斜視図である。投影光学系１５０は、第１レンズ群１５１と、アパーチャ部１５２と、第２レンズ群１５３とを含んでいる。第１レンズ群１５１には、空間光変調器１４からの変調ビームＬ３２が入射する。第１レンズ群１５１は変調ビームＬ３２をｂ軸において集光させて、アパーチャ部１５２のスリット状の開口１５２１に集光させる。

第１レンズ群１５１は、例えば、レンズ１５１１，１５１２を含む。レンズ１５１１は凸レンズであり、レンズ１５１２は凹レンズである。図１１の例では、レンズ１５１１，１５１２はシリンドリカルレンズである。図１１の例では、レンズ１５１１はレンズ１５１２に対して空間光変調器１４側に位置している。

開口１５２１は、ｂ軸を短軸としｃ軸を長軸とした長尺状の形状を有しており、この開口１５２１には、第１レンズ群１５１からの変調ビームＬ３２が通過する。アパーチャ部１５２は、変調ビームＬ３２に含まれる不要光（例えば空間光変調器１４の高次回折光）を遮光する。また、アパーチャ部１５２は絞りとして機能することもできる。

第２レンズ群１５３は、開口１５２１を通過した変調ビームＬ３２をｂ軸において平行な変調ビームＬ３２Ａに変換する。第２レンズ群１５３は、例えば、レンズ１５３１，１５３２を含む。レンズ１５３１は凹レンズであり、レンズ１５３２は凸レンズである。図１１の例では、レンズ１５３１，１５３２はシリンドリカルレンズである。図１１の例では、レンズ１５３１はレンズ１５３２に対して空間光変調器１４側に位置している。

第１レンズ群１５１のレンズ１５１１，１５１２、アパーチャ部１５２および第２レンズ群１５３のレンズ１５３１，１５３２は、互いに独立に、光軸（ａ軸）方向に移動可能に構成されている。言い換えれば、これらの光学素子を独立に移動させる移動機構１５９（図８から図１０も参照）が設けられている。移動機構１５９は例えばボールねじ機構等によって構成され、制御装置２０によって制御される。

投影光学系１５０のｂ軸側はいわゆる両側テレセントリック光学系を構成しており、この倍率は、第１レンズ群１５１の合成焦点距離ｆｂ１と第２レンズ群１５３の合成焦点距離ｆｂ２を用いて、ｆｂ２／ｆｂ１で表される。移動機構１５９は、投影光学系１５０のｂ軸の倍率（ｆｂ２／ｆｂ１）がＭ／Ｎと一致するように、投影光学系１５０内の上記光学素子を適宜に移動させる。これにより、投影光学系１５０は変調ビームＬ３２をｂ軸において（Ｍ／Ｎ）倍し、変調ビームＬ３２Ａを分離光学系１８に導くことができる。なお、空間光変調器１４、アパーチャ部１５２はそれぞれ、第１レンズ群１５１の前側焦点位置、後側焦点位置に一致し、さらに、アパーチャ部１５２およびレンズアレイ１８Ｃはそれぞれ、第２レンズ群１５３の前側焦点位置、後側焦点位置に一致するように、投影光学系１５０の各光学素子の位置が調整される。

以上のように、第２の実施の形態においては、変調ビームＬ３３のビーム数Ｍを変更することができる。変調ビームＬ３３のビーム数Ｍが多いほど、造形材料層１２０上のスポットＳ３の個数も多いので、走査方向Ｄ１に沿った複数のスポットＳ３の一体的な移動によって、より大きな領域に対して走査を行うことができる。よって、ビーム数Ｍが多いほど、スループットを向上できる。

また、投影光学系１５０における光の損失を無視すれば、変調ビームＬ３２Ａのパワー（単位はワット）は変調ビームＬ３２のパワーと等しい。光ビームのパワーは、当該光ビームの強度の面積積分値に相当する。また、分離光学系１８における光の損失を無視すれば、各変調ビームＬ３３のパワーは、変調ビームＬ３２Ａのパワーをビーム数Ｍで除算した値と等しい。つまり、変調ビームＬ３３のパワーは、ビーム数Ｍが少ないほど高くなる。よって、ビーム数Ｍが少ないほど、スポットＳ３において造形材料層１２０に与える単位面積当たりの熱量を大きくすることができる。よって、融点が高い造形材料であっても、ビーム数Ｍを少なくすることにより、当該造形材料を溶融および焼結することができる。

以上のように、３次元造形装置１００によれば、造形材料層１２０に照射する変調ビームＬ３３（スポットＳ３）のビーム数Ｍを変更することで、各変調ビームＬ３３のパワーを変更することができる。例えば制御装置２０は、融点が高い造形材料に対しては変調ビームＬ３３のビーム数Ｍを少なく設定する。これにより、高融点の造形材料を適切に溶融および焼結させることができる。一方で、融点が低い造形材料に対しては変調ビームＬ３３のビーム数Ｍをより多く設定する。これにより、一度の走査でより大きな領域に対して走査を行うことができ、スループットを向上することができる。

図１２は、制御装置２０の内部構成の一例を概略的に示す機能ブロック図である。制御装置２０は、図１の制御装置２０と比べて、投影光学系制御部２０Ｆおよびビーム数決定部２０Ｇをさらに含んでいる。ビーム数決定部２０Ｇは、造形材料層１２０に照射する変調ビームＬ３３のビーム数Ｍ（つまり、スポットＳ３の個数）を決定する。ビーム数決定部２０Ｇは、例えば、造形材料の種類に応じてビーム数Ｍを決定する。造形材料の種類を示す情報は、不図示の入力デバイスに対する使用者の操作によって、制御装置２０に入力されてもよい。あるいは、制御装置２０は当該情報を、不図示の外部装置から受信してもよく、不図示の外部記憶装置から読み出してもよい。造形材料の種類とビーム数Ｍとの対応関係は、例えば予め決定されて記憶部３０に記憶されていてもよい。

露光データ作成部２０Ｅは３次元造形データと、ビーム数決定部２０Ｇによって決定されたビーム数Ｍとに応じて、露光データを生成する。具体的には、露光データ作成部２０Ｅは、ビーム数決定部２０Ｇによって決定されたビーム数Ｍに応じて空間変調素子を一グループ（変調素子群１４１）に割り当る。そして、露光データ作成部２０Ｅは、空間光変調器１４がＭ個のグループで平行ビームＬ３１を変調できるように、３次元造形データに基づいて露光データを生成する。

変調制御部２０Ｂは、露光データ作成部２０Ｅによって作成された露光データに基づいて空間光変調器１４を制御する。これにより、空間光変調器１４はＭ個のグループで平行ビームＬ３１を変調する。

投影光学系制御部２０Ｆは、ビーム数決定部２０Ｇによって決定されたビーム数Ｍに応じて、投影光学系１５０の倍率を制御する。具体的には、投影光学系制御部２０Ｆは、投影光学系１５０の倍率がＭ／Ｎとなるように、移動機構１５９を制御する。

走査制御部２０Ｃは、ビーム数決定部２０Ｇによって決定されたビーム数Ｍに応じて、スポットＳ３の移動経路を決定する。つまり、スポットＳ３のビーム数Ｍが相違すれば、造形材料層１２０上の全域を走査するためのスポットＳ３の移動経路が相違するので、走査制御部２０Ｃはビーム数Ｍに応じてその移動経路を決定する。具体的には、例えば１つのスポットＳ３で走査する場合には、走査部１９は１行の走査が終了するたびにスポットＳ３を配列方向Ｄ２に１行分だけ移動させて、次の行の走査を行う。一方で、例えば図３のように、１行分の間隔を空けたＭ個（５つ）のスポットＳ３を走査させる場合には、Ｍ個（５つ）の行に対する走査が終了するとスポットＳ３を配列方向Ｄ２に１行分だけ移動させて次のＭ個（５つ）の行に対する走査を行い、そのＭ個（５つ）の行に対する走査が終了すると、スポットＳ３を配列方向Ｄ２にＭ（５）行分だけ移動させて、次のＭ個（５つ）の行に対する走査を行う。以後同様に、走査を行う。

＜制御装置の処理について＞
次に、図１３を参照して、制御装置２０の処理の一例について説明する。図１３は、制御装置２０の処理の一例を示すフローチャートである。まず、データ取得部２０Ｄは、例えば、外部装置または記憶媒体から３次元造形データを受信することで、当該３次元造形データを記憶部３０に記憶させる（ステップＳＴ１１）。

次に、ビーム数決定部２０Ｇはビーム数Ｍを決定する（ステップＳＴ１２）。例えば、造形材料の種類を示す情報が制御装置２０に入力され、ビーム数決定部２０Ｇは当該種類に応じてビーム数Ｍを決定する。ビーム数決定部２０Ｇは例えば造形材料の融点が大きいほど、ビーム数Ｍをより少ない値に決定する。

次に、露光データ作成部２０Ｅはビーム数Ｍおよび３次元造形データに基づいて露光データを生成する（ステップＳＴ１３）。露光データ作成部２０Ｅは、空間光変調器１４がＭ個のグループを有する空間光変調器として動作できるように、ビーム数Ｍおよび３次元造形データに基づいて露光データを生成する。

次に、投影光学系制御部２０Ｆは、ビーム数決定部２０Ｇによって決定されたビーム数Ｍに応じて、投影光学系１５０の倍率を制御する（ステップＳＴ１４）。具体的には、投影光学系制御部２０Ｆは、投影光学系１５０の倍率がＭ／Ｎとなるように移動機構１５９の動作を制御し、投影光学系１５０の各光学素子の位置を調整する。

次に、レーザー制御部２０Ａは、レーザー光源１１を制御する（ステップＳＴ１５）。具体的には、レーザー制御部２０Ａは、レーザー光源１１からレーザー光Ｌ３０を出射させる。レーザー光Ｌ３０は、照明光学系１２において平行ビームＬ３１に変換されて、空間光変調器１４に入射する。

次に、変調制御部２０Ｂは空間光変調器１４を制御するとともに、走査制御部２０Ｃは走査部１９を制御する（ステップＳＴ１６）。具体的には、変調制御部２０Ｂは、露光データ作成部２０Ｅによって作成された露光データに基づいて空間光変調器１４を制御する。これにより、空間光変調器１４はＭ個のグループで平行ビームＬ３１を変調する。変調後の変調ビームＬ３２は投影光学系１５０によってｂ軸においてＭ／Ｎ倍されて変調ビームＬ３２Ａとして分離光学系１８に入射する。分離光学系１８は変調ビームＬ３２ＡをＭ個の変調ビームＬ３３に分離する。各変調ビームＬ３３は、造形データに示された形状を反映する強度分布を有する。

Ｍ個の変調ビームＬ３３は走査部１９を経由して、造形材料層１２０上に照射される。走査制御部２０Ｃは、変調制御部２０Ｂによる空間光変調器１４の制御と並行して走査部１９を制御し、ビーム数Ｍに応じた移動経路でＭ個のスポットＳ３を造形材料層１２０上で移動させる（ステップＳＴ１６）。これによって、３次元造形データに示された形状を反映する強度でスポットＳ３が造形材料層１２０上を移動する。これにより、造形材料層１２０が造形データに応じた位置で溶融および焼結し、造形データに示された形状に整形される。

第２の実施の形態にかかる３次元造形装置１００によっても、造形材料層１２０上で複数のスポットＳ３が互いに離れている（図３参照）。よって、第１の実施の形態と同様に、高い形状精度で３次元造形物を製造することができる。

しかも、第２の実施の形態では、ビーム数Ｍを変更することで、各スポットＳ３のパワーを変更することができる。例えば、融点が高い造形材料に対しては、少ないビーム数Ｍを採用することで、スポットＳ３のパワーを増加させることができる。よって、スポットＳ３においてより高い熱量を造形材料に与えることができ、融点が高くても造形材料を溶融および焼結することができる。

一方で、融点が低い造形材料に対しては、より多いビーム数Ｍを採用することで、走査方向Ｄ１の１度の移動によってより大きな領域で走査を行うことができる。これにより、スループットを向上させることができる。

なお、図１３に例示するように、投影光学系１５０の倍率制御（ステップＳＴ１４）は、造形材料層１２０上に変調ビームＬ３３が未だ照射されていない状態で行われるとよい。これによれば、投影光学系１５０における倍率制御中、つまり、投影光学系１５０の各光学素子の移動中に、不要な変調ビームが造形材料層１２０上に照射されることを回避できる。

＜投影光学系１５０の他の構成＞
上述のように、変調ビームＬ３３のビーム数Ｍを少なくするほど、変調ビームＬ３３のパワーが高まる。言い換えれば、変調ビームＬ３３内のｂ軸上の各位置における光の強度が高まる。図１４は、変調ビームＬ３３の強度分布の一例を示すグラフである。図１４の例では、ビーム数Ｍが５である場合の変調ビームＬ３３の強度分布が実線で示され、ビーム数Ｍが３である場合の変調ビームＬ３３の強度分布が破線で示され、ビーム数Ｍが１である場合の変調ビームＬ３３の強度分布が一点鎖線で示されている。図１４に示すように、ビーム数Ｍが少ないほど変調ビームＬ３３の強度は高くなる。これは、ビーム数Ｍが多いほど、投影光学系１５０のｂ軸の倍率（Ｍ・Ｄｂ０／Ｎ）が小さくなるからである。つまり、投影光学系１５０が変調ビームＬ３２をｂ軸において縮小するほど、変調ビームＬ３２Ａの強度が高まり、その結果、変調ビームＬ３２Ａから分離された変調ビームＬ３３の強度も高まるのである。

図１４に示すように、ビーム数Ｍの変更に伴うスポットＳ３の強度の変化量は大きいので、ビーム数Ｍの変更によってスポットＳ３の強度のピーク値を細かく調整することは困難である。そして、強度のピーク値が高すぎると、造形材料層１２０のうちスポットＳ３の中央領域が瞬間的に急峻に加熱されるので、造形材料のスパッタまたはヒュームを招く可能性がある。そこで、投影光学系１５０は変調ビームＬ３２Ａのｃ軸の幅を調整してもよい。

例えば、投影光学系１５０が変調ビームＬ３２Ａのｃ軸の幅を拡大することにより、ビーム数Ｍの減少に伴う変調ビームＬ３２Ａの強度の大幅な増加を緩和することができる。ひいては、変調ビームＬ３３の強度のピーク値の過剰な増加を回避することができる。

逆に、強度が若干足りない場合には、ビーム数Ｍを減少させるよりも、投影光学系１５０が変調ビームＬ３２Ａのｃ軸の幅を縮小する方が望ましい場合もある。ビーム数Ｍを減少させると、スループットが大きく低下するからである。この場合、投影光学系１５は変調ビームＬ３２Ａのｃ軸の幅を縮小することで、変調ビームＬ３３の強度を増加させ、強度不足を解消することができる。

図１５は、投影光学系１５０の構成の一例を概略的に示す斜視図である。投影光学系１５０はｂ軸において変調ビームＬ３２の幅を調整しつつ、ｃ軸においても変調ビームＬ３２の幅を調整する。投影光学系１５０は、図１１の投影光学系１５０と比べて、ｃ軸の拡大または縮小光学系（ズーム光学系）としての、第３レンズ群１５４と、アパーチャ部１５５と、第４レンズ群１５６とをさらに含んでいる。

図１６は、投影光学系１５０のうちｃ軸のズーム光学系のみの構成の一例を概略的に示す斜視図である。第３レンズ群１５４には、空間光変調器１４からの変調ビームＬ３２が入射する。第３レンズ群１５４は変調ビームＬ３２をｃ軸において集光して、アパーチャ部１５５のスリット状の開口１５５１に集光させる。

第３レンズ群１５４は、例えば、レンズ１５４１，１５４２を含む。レンズ１５４１は凸レンズであり、レンズ１５４２は凹レンズである。図１５および図１６の例では、レンズ１５４１，１５４２はシリンドリカルレンズである。図１５および図１６の例では、レンズ１５４１はレンズ１５４２に対して空間光変調器１４側に位置している。また、図１５の例では、レンズ１５４１は第１レンズ群１５１とアパーチャ部１５２との間に位置しており、レンズ１５４２はアパーチャ部１５２と第２レンズ群１５３との間に位置している。

アパーチャ部１５５には開口１５５１が形成されている。開口１５５１は、ｃ軸を短軸としｂ軸を長軸とした長尺状の形状を有しており、開口１５５１には、第３レンズ群１５４からの変調ビームＬ３２が通過する。アパーチャ部１５５は変調ビームＬ３２に含まれる高次回折光などの不要光を遮光する。アパーチャ部１５５は絞りとして機能することができる。図１５の例では、アパーチャ部１５５は、第２レンズ群１５３と第４レンズ群１５６との間に位置している。空間変調器１４にＬｉｎｅａｒ ＰＬＶを採用した場合、回折光は長軸のみならず、短軸にも現れるため、アパーチャ部１５５で高次の回折光を遮光することが必要となる。なお、Ｌｉｎｅａｒ ＰＬＶについては後述する。

第４レンズ群１５６は、開口１５５１を通過した変調ビームＬ３２をｃ軸において平行な変調ビームＬ３２に整形する。第４レンズ群１５６は、例えば、レンズ１５６１，１５６２を含む。レンズ１５６１は凹レンズであり、レンズ１５６２は凸レンズである。図１５および図１６の例では、レンズ１５６１，１５６２はシリンドリカルレンズである。図１５および図１６の例では、レンズ１５６１はレンズ１５６２に対して空間光変調器１４側に位置している。図１５の例では、第４レンズ群１５６はアパーチャ部１５５と分離光学系１８との間に位置している。

第３レンズ群１５４のレンズ１５４１，１５４２、アパーチャ部１５５および第４レンズ群１５６のレンズ１５６１，１５６２は、互いに独立に、光軸（ａ軸）方向に移動可能に構成されている。移動機構１５９はこれらの光学素子も独立に移動させる。

投影光学系１５０のｃ軸側もｂ軸同様、両側テレセントリック光学系を構成しており、この倍率は、第３レンズ群１５４の合成焦点距離ｆｃ１と第４レンズ群１５６の合成焦点距離ｆｃ２を用いて、ｆｃ２／ｆｃ１で表される。なお、空間光変調器１４、アパーチャ部１５５はそれぞれ、第３レンズ群１５４の前側焦点位置、後側焦点位置と一致し、さらに、アパーチャ部１５５およびレンズアレイ１８Ｃは、それぞれ第４レンズ群１５６の前側焦点位置、後側焦点位置に一致するように、投影光学系１５０の各光学素子の位置が調整される。

以上のように、投影光学系１５０は変調ビームＬ３２をｃ軸においても拡大または縮小することができる。これによれば、ビーム数Ｍの変更に伴う変調ビームＬ３３の強度の大幅な変化に対して、より細かく変調ビームＬ３３の強度を調整することができる。言い換えれば、移動機構１５９は、ビーム数Ｍの変化に伴う変調ビームＬ３３の強度の変化量よりも小さい調整量で変調ビームＬ３３の強度を調整できる程度の位置分解能を有する。これにより、造形材料のスパッタまたはヒュームを抑制することができる。あるいは、変調ビームＬ３３の強度不足を補うこともできる。

＜レーザー光源＞
上述の例では、変調ビームＬ３３の強度の細かな調整を、投影光学系１５０によるｃ軸の拡大または縮小によって行っている。しかしながら、必ずしもこれに限らない。ｃ軸の拡大・縮小に替えて、あるいは、これとともに、例えばレーザー光源１１として、可変の強度でレーザー光Ｌ３０を出射できる光源を採用してもよい。レーザー制御部２０Ａは、レーザー光源１１から出射させるレーザー光Ｌ３０の強度を制御する。例えば半導体レーザーであれば、半導体レーザーを流れる電流値を調整することで、強度を調整することができる。これによっても、ビーム数Ｍの変更に伴う変調ビームＬ３３の強度の大幅な変化に対して、より細かく変調ビームＬ３３の強度を調整することができる。言い換えれば、レーザー光源１１は、ビーム数Ｍの変化に伴う変調ビームＬ３３の強度の変化量よりも小さい分解能で、レーザー光Ｌ３０の強度を調整することができる。

＜アパーチャ部＞
図８から図１０に例示するように、分離光学系１８にはアパーチャ部１８Ｄが設けられてもよい。アパーチャ部１８Ｄはレンズアレイ１８Ｃの像側の焦点位置に設けられている。アパーチャ部１８Ｄには、ｂ軸に沿って並ぶ複数（ここでは５つ）の開口１８ｄが形成されている。各開口１８ｄは、各レンズ１８ｃの像側の焦点位置に設けられている。レンズアレイ１８Ｃからの複数の変調ビームＬ３３はそれぞれアパーチャ部１８Ｄの複数の開口１８ｄを通過する。これにより、変調ビームＬ３３に含まれる不要光を遮光することができる。当該不要光は、例えば、レンズアレイ１８Ｃの複数のレンズ１８ｃどうしの境界を通過した光を含む。境界では、中央に比べて、実際のレンズ形状が設計形状から外れやすいと考えられる。その場合、当該境界を通過する光は意図しない方向に進行し得る。アパーチャ部１８Ｄはそのような不要光を遮光することができる。これにより、造形材料層１２０に照射される不要な光を低減することができる。

＜空間光変調器の制御＞
制御装置２０の露光データ作成部２０Ｅは、各部分変調ビームＬ３２１の両端の強度がその中央側の強度よりも小さくなるように、空間光変調器１４の露光データを生成してもよい。変調制御部２０Ｂが当該露光データに基づいて空間光変調器１４を制御することにより、変調ビームＬ３２において、部分変調ビームＬ３２１の両端の強度がその中央側の強度よりも小さくなる。

図１７は、変調ビームＬ３２の強度分布の一例を概略的に示す図である。図１７の例では、変調ビームＬ３２は５個の部分変調ビームＬ３２１によって構成されている。図１７の例では、各部分変調ビームＬ３２１の強度分布はトップハット形状を有しており、その両端の強度は中央側の強度よりも小さい。ただし、３次元造形データに応じて、ｂ軸の上のいずれの位置でも強度がほぼゼロとなる部分変調ビームＬ３２１が存在し得る。つまり、ＯＦＦするグループが存在し得る。この場合、当該部分変調ビームＬ３２１の両端の強度はその中央側の強度と等しくほぼゼロである。

各部分変調ビームＬ３２１の両端の強度が小さくなると、レンズアレイ１８Ｃのレンズ１８ｃどうしの境界に入射する光の強度が、各レンズ１８ｃの中央に入射する光の強度よりも小さくなる。理想的には、当該境界に入射する光の強度はゼロである。よって、レンズ１８ｃどうしの境界を通過することによって生じる不要光を低減あるいは解消することができる。

以上のように、部分変調ビームＬ３２１の端における光の強度を十分に小さくすることにより、たとえアパーチャ部１８Ｄが設けられていなくとも、造形材料層１２０上に照射される不要光を低減することができる。

アパーチャ部１８Ｄが設けられていない場合、装置サイズおよび製造コストを低減することができる。アパーチャ部１８Ｄが設けられている場合、不要光をより高い精度で遮光することができる。もちろん、アパーチャ部１８Ｄを設けつつ、部分変調ビームＬ３２１の両端の強度がその中央側の強度よりも小さくなるように、空間光変調器１４が平行ビームＬ３１を変調してもよい。

＜分離光学系＞
上述の例では、分離光学系１８はレンズアレイ１８Ｃを含んでいるものの、レンズアレイ１８Ｃに替えて、レンズアレイ１８Ａ，１８Ｂを含んでいてもよい。この場合、アパーチャ部１８Ｄはレンズアレイ１８Ａ，１８Ｂの間において、レンズアレイ１８Ａ，１８Ｂの焦点位置に設けられる。

＜レンズアレイの移動機構＞
上述のように、投影光学系１５０からの変調ビームＬ３２Ａは、Ｍ個のレンズ１８ｃの全体に入射する（図８から図１０参照）。これにより、レンズアレイ１８Ｃは変調ビームＬ３２Ａを適切にＭ個の変調ビームＬ３３に分離することができる。そして、このように変調ビームＬ３２ＡをＭ個のレンズ１８ｃに入射させるには、ビーム数Ｍとして奇数を採用する必要がある。つまり、投影光学系制御部２０Ｆはビーム数Ｍを奇数（例えば１，３，５）に制限し、ビーム数Ｍに応じた倍率（Ｍ・Ｄｂ０／Ｎ）で投影光学系１５０を制御する必要がある。以下、その理由について述べる。

ここで、ビーム数Ｍを２にするために、投影光学系１５０が変調ビームＬ３２をｂ軸において（２・Ｄｂ０／５）倍する場合について考慮する。図１８は、ビーム数Ｍとして２を採用したときの光路の一例が概略的に示されている。この場合、空間光変調器１４は２つのグループ（変調素子群１４１）で平行ビームＬ３１を変調するので、変調ビームＬ３２は２つの部分変調ビームＬ３２１で構成される。投影光学系１５０は光軸（ａ軸）を中心に変調ビームＬ３２を（２・Ｄｂ０／５）倍する。この場合、変調ビームＬ３２Ａは、図１８に示すように、中央のレンズ１８ｃと、その両側のレンズ１８ｃの半分とに入射する。この場合、レンズアレイ１８Ｃは変調ビームＬ３２Ａを２つに分離できない。

以上のように、ビーム数Ｍとして偶数を採用すると、分離光学系１８が適切に変調ビームＬ３２Ａを分離できないので、上述の例では、ビーム数Ｍを奇数に制限しているのである。

ところで、レンズアレイ１８Ｃのレンズ１８ｃの個数Ｎが偶数（例えば４）である場合には、ビーム数Ｍを偶数に制限する必要がある。その理由について次に説明する。すなわち、個数Ｎが偶数である場合には、光軸（ａ軸）がレンズアレイ１８Ｃの中心を通るようにレンズアレイ１８Ｃを配置すると、光軸はレンズ１８ｃの中心ではなく、中央側の２つのレンズ１８ｃどうしの境界を通る。そして、投影光学系１５０は光軸を中心に変調ビームＬ３２Ａの幅を調整するので、変調ビームＬ３２Ａは偶数個分のレンズ１８ｃにしか入射できない。よって、ビーム数Ｍを偶数に制限する必要がある。

以上のように、レンズ１８ｃの個数Ｎが奇数である場合には、ビーム数Ｍを奇数に制限し、レンズ１８ｃの個数Ｎが偶数である場合には、ビーム数Ｍを偶数に制限すればよい。言い換えると、光軸（ａ軸が）レンズ１８ｃの中心を通るときには、ビーム数Ｍを奇数に制限し、光軸がレンズ１８ｃどうしの境界を通るときには、ビーム数Ｍを偶数に制限すればよい。

しかしながら、変調ビームＬ３３のビーム数Ｍとして偶数および奇数を任意に選択できることも望ましい。以下では、変調ビームＬ３３のビーム数Ｍとして偶数および奇数のいずれも採用できる３次元造形装置１００について説明する。

図１９は、この３次元造形装置１００の構成の一例を概略的に示す図である。この３次元造形装置１００は、移動機構１８１の有無を除いて、上述の３次元造形装置１００と同様の構成を有している。図１９は、３次元造形装置１００における光路の一例も概略的に示している。移動機構１８１は、ｂ軸において分離光学系１８を投影光学系１５０に対して相対的に移動させる機構である。図１９の例では、分離光学系１８はレンズアレイ１８Ｃおよびアパーチャ部１８Ｄを含んでおり、移動機構１８１はレンズアレイ１８Ｃおよびアパーチャ部１８Ｄを一体に移動させる。移動機構１８１は、例えばボールねじ機構またはシリンダ機構などの移動機構を含む。移動機構１８１は制御装置２０によって制御される。

レンズアレイ１８Ｃおよびアパーチャ部１８Ｄは不図示の連結部材によって相互に連結されていてもよい。移動機構１８１は当該連結部材を移動させることにより、レンズアレイ１８Ｃおよびアパーチャ部１８Ｄを一体で移動させることができる。

図１９の例では、レンズアレイ１８Ｃのレンズ１８ｃの個数Ｎは５（奇数）である。移動機構１８１は、投影光学系１５０からの変調ビームＬ３２ＡがＭ個分のレンズ１８ｃの全体に入射するように、投影光学系１５０および分離光学系１８の相対的な位置関係を調整する。例えば、ビーム数Ｍが、個数Ｎと同じく奇数である場合には、移動機構１８１はレンズアレイ１８Ｃおよびアパーチャ部１８Ｄを、次に説明する第１位置に停止させる。第１位置は、例えば、投影光学系１５０の光軸（ａ軸）がｂ軸におけるレンズアレイ１８Ｃの中心を通るときの位置である（図８から図１０参照）。つまり、第１位置は、投影光学系１５０の光軸がレンズアレイ１８Ｃの中央のレンズ１８ｃの中心を通るときの位置である。これにより、投影光学系１５０からの変調ビームＬ３２Ａを奇数個分のレンズ１８ｃに入射できる。よって、分離光学系１８は変調ビームＬ３２Ａを奇数個の変調ビームＬ３３に分離できる。

一方、ビーム数Ｍが、個数Ｎとは異なる偶数である場合には、移動機構１８１はレンズアレイ１８Ｃおよびアパーチャ部１８Ｄを、次に説明する第２位置に停止させる。第２位置は、例えば、第１位置を、ｂ軸におけるレンズ１８ｃの幅の半分だけｂ軸に沿ってずらした位置である。第２位置では、投影光学系１５０の光軸（ａ軸）が、隣り合う２つのレンズ１８ｃの境界を通る（図１９参照）。これにより、投影光学系１５０からの変調ビームＬ３２Ａを偶数個分のレンズ１８ｃに入射できる。よって、分離光学系１８は変調ビームＬ３２Ａを偶数個の変調ビームＬ３３に分離できる。

図２０は、制御装置２０の構成の一例を示す機能ブロック図である。制御装置２０は図１２の制御装置２０と比べて、分離光学系制御部２０Ｈをさらに含んでいる。分離光学系制御部２０Ｈは、ビーム数決定部２０Ｇによって決定されたビーム数Ｍが奇数であるときには、移動機構１８１を制御して分離光学系１８を第１位置で停止させる。また、ビーム数決定部２０Ｇによって決定されたビーム数Ｍが偶数であるときには、分離光学系制御部２０Ｈは移動機構１８１を制御して、分離光学系１８を第２位置で停止させる。

なお、上述のように、移動機構１８１を設けることにより、ビーム数Ｍとして偶数および奇数の両方を採用できる。逆に言えば、ビーム数Ｍを個数Ｎと同じ偶数または奇数に制限することにより、移動機構１８１を省略することができる。この場合、簡易な構成でビーム照射装置４０Ａを構成できる。

＜制御装置の処理について＞
次に、図２１を参照して、制御装置２０の処理の一例について説明する。図２１は、制御装置２０の処理の一例を示すフローチャートである。まず、データ取得部２０Ｄは、例えば、外部装置または記憶媒体から３次元造形データを受信することで、当該３次元造形データを記憶部３０に記憶させる（ステップＳＴ２１）。

次に、ビーム数決定部２０Ｇはビーム数Ｍを決定する（ステップＳＴ２２）。例えば、造形材料の種類を示す情報が制御装置２０に入力され、ビーム数決定部２０Ｇは当該種類に応じてビーム数Ｍを決定する。ビーム数決定部２０Ｇは例えば造形材料の融点が大きいほど、少ないビーム数Ｍに決定する。

次に、露光データ作成部２０Ｅはビーム数Ｍおよび３次元造形データに基づいて露光データを生成する（ステップＳＴ２３）。露光データ作成部２０Ｅは、空間光変調器１４がＭ個のグループを有する空間光変調器として動作できるように、ビーム数Ｍおよび３次元造形データに基づいて露光データを生成する。

次に、投影光学系制御部２０Ｆは、ビーム数決定部２０Ｇによって決定されたビーム数Ｍに応じて、投影光学系１５０の倍率を制御する（ステップＳＴ２４）。具体的には、投影光学系制御部２０Ｆは、投影光学系１５０のｂ軸の倍率がＭ・Ｄｂ０／Ｎとなるように移動機構１５９の動作を制御する。さらに、投影光学系制御部２０Ｆはｃ軸の倍率を上述のように調整してもよい。

次に、分離光学系制御部２０Ｈは、ビーム数決定部２０Ｇによって決定されたビーム数Ｍに応じて、分離光学系１８の位置を制御する（ステップＳＴ２５）。具体的には、移動機構１８１は、ビーム数Ｍが奇数であるときに分離光学系１８を第１位置に移動させ、ビーム数Ｍが偶数であるときに分離光学系１８を第２位置に移動させる。

次に、レーザー制御部２０Ａはレーザー光源１１を制御する（ステップＳＴ２６）。具体的には、レーザー制御部２０Ａはレーザー光源１１からレーザー光Ｌ３０を出射させる。レーザー光Ｌ３０は照明光学系１２において平行ビームＬ３１に整形されて、空間光変調器１４に入射する。

次に、変調制御部２０Ｂは露光データに基づいて空間光変調器１４を制御して平行ビームＬ３１を変調するとともに、走査制御部２０Ｃは、走査部１９を制御して、ビーム数Ｍに応じた移動経路でＭ個のスポットＳ３を造形材料層１２０上を移動させる（ステップＳＴ２７）。なお、各変調ビームＬ３３は、造形データに示された形状を反映する強度の分布を有する。

この３次元造形装置１００によれば、変調ビームＬ３３のビーム数Ｍとして偶数および奇数の両方を採用することができる。したがって、変調ビームＬ３３のビーム数Ｍをより細かく調整することができる。

＜第３の実施の形態＞
第２の実施の形態では、造形材料の種類に応じて変調ビームＬ３３のビーム数Ｍを決定し、造形材料層１２０の全領域に対して、決定したビーム数Ｍで走査を行った。しかしながら、必ずしもこれに限らず、造形材料層１２０に対する造形領域に応じてビーム数Ｍを変更してもよい。造形領域とは、造形材料を溶融または焼結させる領域である。

図２２は、スポットＳ３の走査態様の一例を概略的に示す図である。図２２の例では、矩形Ｒ１２は造形領域の一例を示している。矩形Ｒ１２内の造形材料は、スポットＳ３で走査されることにより、溶融および焼結される。図２２の例では、最後の走査方向Ｄ１の移動において、紙面下側の１つのスポットＳ３は矩形Ｒ１２外に位置している（図２２の右側かつ下側のスポットＳ３）。この１つのスポットが位置する走査ラインは、走査が不要な不要ラインである。つまり、最後の走査では、５つのスポットＳ３のすべてが必要となるのではなく、４つのスポットＳ３で足りる。この場合、最後の走査を行う直前にビーム数Ｍを減少させてもよい。

ここでは、一例として、ビーム数Ｍを５から３に変更して、残りの４行の走査ラインのうち３行の走査ラインに対する走査を行い、さらにビーム数Ｍを３から１に変更して、残りの１行の走査ラインに対する走査を行う。

ビーム数Ｍを５から３に減少させると、５つの変調ビームＬ３３のうち両端に位置する変調ビームＬ３３が消失する（図８および図９も参照）。つまり、造形材料層１２０の５つのスポットＳ３のうち両端のスポットＳ３が消失して３つのスポットＳ３が形成される。よって、配列方向Ｄ２に沿ったスポットＳ３の移動量も補正する必要がある。つまり、ビーム数Ｍの減少により、５つのスポットＳ３のうち1番目（紙面最上）のスポットＳ３が消失し、２番目のスポットＳ３が最上に位置することになるので、配列方向Ｄ２の移動量もスポットＳ３の消失に応じて補正する必要がある。

図２２では、最後の５行の走査ラインに対する走査の終了後に、ビーム数Ｍを５から３に減少させたうえで、走査部１９が３つのスポットＳ３を例えば１行上に移動させる。これにより、３つのスポットＳ３を残りの３行の走査ラインにそれぞれ位置させることができる。走査部１９は３つのスポットＳ３を走査方向Ｄ１に沿って移動させることにより、３行の走査ラインに対する走査を行う。これによれば、５つのスポットＳ３で走査する場合に比して、３次元造形に利用しない不要な光の量を低減でき、より効果的に３行の走査ラインに対する走査を行うことができる。

次に、ビーム数Ｍを３から１に減少させる。これにより、両側のスポットＳ３が消失し（図９および図１０も参照）、中央の１つのスポットＳ３が残る。走査部１９はこの１つのスポットＳ３を４行分だけ下側に移動させる。これにより、スポットＳ３が最後の１行の走査ラインに位置する。走査部１９は１つのスポットＳ３を走査方向Ｄ１に沿って移動させることにより、最後の１行の走査ラインに対する走査を行う。これによれば、５つのスポットＳ３で走査する場合に比して、光の損失を低減でき、より効果的に３行の走査ラインに対する走査を行うことができる。

以上のように、第３の実施の形態によれば、Ｍ１（例えば５）個の光ビームの走査経路において、Ｍ１個のスポットＳ３のうち少なくとも１つが走査不要な不要ラインに位置する際に、ビーム数ＭをＭ１からＭ２（例えば３または１）に減少させる。具体的には、投影光学系１５０は倍率を変更することで、変調ビームＬ３２をＭ２個分のレンズ１８ｃに入射させ、レンズアレイ１８ＣにＭ２個の変調ビームＬ３３を出射させる。走査部１９はＭ２個のスポットＳ３での走査を行う。これにより、不要ラインに対する走査を省略している。よって、３次元造形に利用しない不要な光の量を低減でき、効率を向上することができる。

＜走査速度＞
ビーム数Ｍの減少に伴って、スポットＳ３のパワー（強度の面積積分値）は増加する。よって、走査方向Ｄ１のスポットＳ３の移動速度（以下、走査速度ともいう）が一定であれば、異なる行の走査ライン間で熱量の差が生じてしまう。上述の例では、３つのスポットＳ３によって３行の走査ラインに与えられる第２熱量は、５つのスポットによって５行の走査ラインに与えられる第１熱量よりも大きく、１つのスポットＳ３によって１行の走査ラインに与えられる第３熱量は、第２熱量よりも大きい。

そこで、走査制御部２０Ｃはビーム数Ｍの減少後の走査速度をビーム数Ｍの減少前の走査速度よりも高く設定してもよい。これにより、スポットＳ３の強度の面積積分値の増加に起因した熱量の時間積分の走査ライン間のばらつきを低減することができる。より具体的な一例として、走査制御部２０Ｃはビーム数Ｍの減少後の走査速度を、ビーム数Ｍの減少前の走査速度の｛（減少前のビーム数Ｍ）／（減少後のビーム数Ｍ）｝倍に設定する。これにより、ビーム数Ｍの減少に伴う走査ライン間の熱量のばらつきを回避することができる。

＜制御装置＞
次に、上述の動作を実現する制御装置２０について説明する。ビーム数決定部２０Ｇは造形材料の種類および造形データに基づいてビーム数Ｍを決定する。具体的な一例として、まずビーム数決定部２０Ｇは造形材料の種類に応じてビーム数Ｍを決定する。このビーム数Ｍは、例えば造形材料の融点が高いほど少なく設定される。

決定されたビーム数Ｍが２以上である場合には、ビーム数決定部２０Ｇは３次元造形データにおいて、スポットＳ３の照射が不要な走査ラインがあるか否かを判断する。例えば最後の走査方向Ｄ１に沿った移動においてＭ個のスポットＳ３の少なくとも１つが造形領域外に位置する場合、当該１つのスポットＳ３は不要である。

そこで、ビーム数決定部２０Ｇは、最後の走査方向Ｄ１に沿った移動の際のビーム数Ｍを、他の移動時のビーム数Ｍよりも少なく設定する。図２２の例では、ビーム数Ｍを５から３に減少させて３個のスポットＳ３で走査を行った後に、ビーム数Ｍを３から１に減少させて１個のスポットＳ３で走査を行う。

制御装置２０の処理の一例は、図２１と同様である。ただし、ステップＳＴ２２では、ビーム数決定部２０Ｇは上述のように３次元造形データにも基づいてビーム数Ｍを決定し、ステップＳＴ２７では、走査部１９は走査中のビーム数Ｍの減少を反映した移動経路でスポットＳ３を移動させる。

これによれば、走査の途中でビーム数Ｍを変更して不要なスポットＳ３を消失させることができる。よって、３次元造形に利用しない不要な光の量を低減でき、高い効率で３次元造形を行うことができる。

また、走査部１９は、ビーム数Ｍの減少後のスポットＳ３の走査速度を、ビーム数Ｍの減少前のスポットＳ３の走査速度よりも高く設定する。したがって、ビーム数Ｍの減少に起因した走査ライン間の熱量のばらつきを低減できるとともに、スループットも向上できる。より具体的には、ビーム数Ｍの減少後のスポットＳ３の走査速度を、ビーム数Ｍの減少前のスポットＳ３の走査速度の｛（減少前のビーム数Ｍ）／（減少後のビーム数Ｍ）｝倍に設定することで、ビーム数Ｍの減少に起因した走査ライン間の熱量のばらつきを解消できる。

なお、図２２の例では、５つのスポットＳ３の走査を行う場合に、最後の５行において不要なスポットＳ３が生じているものの、３次元造形データによっては、走査の途中で不要なスポットＳ３が生じる場合もある。例えば、造形材料層１２０上において、第１の造形領域および第２の造形領域が配列方向Ｄ２で互いに離れている場合、その第1および第２の造形領域間の分離領域ではスポットＳ３の照射が不要となる。そこで、Ｍ１個のスポットのいくつかが第１の造形領域に位置し、残りのスポットが分離領域内に位置する際には、スポットＳ３のビーム数Ｍを減少させて、分離領域内でスポットＳ３を消失させてもよい。そして、第２造形領域に対して走査を行う際には、再びビーム数ＭをＭ１に増加させてもよい。

ビーム数Ｍを増加させる場合も考慮すると、走査速度は次のように設定すればよい。即ち、ビーム数Ｍの変更後のスポットＳ３の走査速度を、ビーム数Ｍの変更前のスポットＳ３の走査速度の｛（変更前のビーム数Ｍ）／（変更後のビーム数Ｍ）｝倍に設定すればよい。これにより、ビーム数Ｍの減少に起因した走査ライン間の熱量のばらつきを解消できる。

また、造形領域は造形材料層１２０ごとに相違し得る。そして、ある造形材料層１２０において、造形領域の幅（配列方向Ｄ２の幅）が５行分の走査ライン未満となる場合もある。この場合も、その造形材料層１２０に対する走査では、ビーム数Ｍを適宜に減少させればよい。

＜照射および走査の中断＞
ビーム数Ｍを変更する際には、光ビームＬ３０の照射および走査を一旦中断することが望ましい。図２３は、制御装置２０の処理の一例を示すフローチャートである。図２３は、スポットＳ３の走査中（ステップＳＴ２７）に実行される。制御装置２０は、ビーム数Ｍを変更させるか否かを判断する（ステップＳＴ２７１）。ビーム数Ｍを未だ変更しない場合には、再びステップＳＴ２７１が実行される。ビーム数Ｍを変更する場合には、レーザー制御部２０Ａはレーザー光源１１にレーザー光Ｌ３０の照射を中断させつつ、走査制御部２０Ｃは走査部１９にスポットＳ３の移動を中断させる（ステップＳＴ２７２）。

次に、投影光学系制御部２０Ｆは、変更後のビーム数Ｍに基づいて投影光学系１５０の倍率を制御する（ステップＳＴ２７３）。例えばビーム数ＭがＭ１からＭ２に減少させる場合、投影光学系制御部２０Ｆは投影光学系１５０の倍率をＭ１／ＮからＭ２／Ｎに変更する。また、必要に応じて、分離光学系制御部２０Ｈは移動機構１８１を制御して、分離光学系１８の位置を調整する。具体的には、ビーム数Ｍの偶奇が変更前後で相違するときには、分離光学系１８の位置調整が必要であるので、移動機構１８１は分離光学系１８の位置を調整する。

次に、レーザー制御部２０Ａはレーザー光源１１にレーザー光Ｌ３０の照射を再開させつつ、走査制御部２０Ｃは走査部１９にスポットＳ３の移動を再開させる（ステップＳＴ２７４）。

これにより、投影光学系１５０の倍率を変更する際に不要な光ビームが造形材料層１２０上に照射されることを回避できる。

＜第４の実施の形態＞
第４の実施の形態にかかる３次元造形装置１００は、イメージローテータの有無を除いて第１から第３の実施の形態にかかる３次元造形装置１００と同様の構成を有している。図２４は、第４の実施の形態にかかる３次元造形装置１００のビーム照射装置４０の構成の一例を概略的に示す図である。以下では、第４の実施の形態にかかるビーム照射装置４０をビーム照射装置４０Ｂと呼ぶ。

ビーム照射装置４０Ｂは、ビーム照射部１０と、空間光変調器１４と、投影光学系１５（または投影光学系１５０）と、分離光学系１８と、イメージローテータ１３と、走査部１９とを含んでいる。図２４の例では、分離光学系１８はレンズアレイ１８Ｃを含んでいるものの、レンズアレイ１８Ｃに替えてレンズアレイ１８Ａ，１８Ｂを含んでいてもよい。また、図２４の例では、分離光学系１８はアパーチャ部１８Ｄを含んでいるものの、アパーチャ部１８Ｄは省略してもよい。

図２４の例では、イメージローテータ１３はガルバノミラー１９２よりも後段に設けられており、より具体的な一例として、ガルバノミラー１９２とレンズ１９３との間に設けられている。イメージローテータ１３には、ガルバノミラー１９２からの複数の変調ビームＬ３３が入射する。イメージローテータ１３は光軸（ａ軸）のまわりで、複数の変調ビームＬ３３を一体に回転させる。これにより、ｂｃ平面における変調ビームＬ３３の配列方向を回転させることができる。イメージローテータ１３は、例えばタブプリズムまたは３面鏡などの光学素子と、当該光学素子を回転軸（ａ軸）のまわりで回転させる回転機構とを含んでいる。

イメージローテータ１３は制御装置２０によって制御される。図２５は、制御装置２０の内部構成の一例を概略的に示す機能ブロック図である。制御装置２０は、図１の制御装置２０と比べて、ローテータ制御部２０Ｊをさらに含んでいる。ローテータ制御部２０Ｊはイメージローテータ１３を制御して、変調ビームＬ３３の配列方向を調整する。

イメージローテータ１３が複数の変調ビームＬ３３を一体で回転させることにより、造形材料層１２０上でのスポットＳ３の配列方向Ｄ２を変更することができる。図２６から図２８は複数のスポットＳ３の一例を概略的に示す図である。

図２６は、イメージローテータ１３の回転角度が初期角度（零度）であるときのスポットＳ３の一例を概略的に示している。図２６の例では、イメージローテータ１３の回転角度が零度であるときには、複数のスポットＳ３はＹ軸方向に沿って配列されている。つまり、配列方向Ｄ２はＹ軸方向である。

走査方向Ｄ１は２つのガルバノミラー１９２を並行して動作させることにより、任意の方向に設定可能であるものの、ここでは、一方のガルバノミラー１９２のみを動作させて、複数のスポットＳ３を走査方向Ｄ１に移動させるものとする。ここでは一例として、走査方向Ｄ１は配列方向Ｄ２に直交している。下では、回転角度が零度であるときの走査方向Ｄ１を走査方向Ｄ１０とも呼ぶ。

図２７は、イメージローテータ１３の回転角度が４５度であるときのスポットＳ３の一例を概略的に示している。図２７の例では、回転角度が４５度であるときに、複数のスポットＳ３は、＋Ｘ側かつ＋Ｙ側の斜め４５度方向に沿って配列されている。よって、配列方向Ｄ２は、＋Ｘ側かつ＋Ｙ側の斜め４５度方向に平行である。

図２４の例では、イメージローテータ１３はガルバノミラー１９２よりも後段に位置しているので、走査方向Ｄ１もイメージローテータ１３によって回転する。走査方向Ｄ１は配列方向Ｄ２に直交するので、走査方向Ｄ１は＋Ｘ側かつ－Ｙ側の斜め４５度方向に平行である。以下では、回転角度が４５度であるときの走査方向Ｄ１を走査方向Ｄ１１とも呼ぶ。

図２８は、イメージローテータ１３の回転角度が９０度であるときのスポットＳ３を示している。図２８の例では、回転角度が９０度であるときに、複数のスポットＳ３は、Ｘ軸方向に沿って配列されている。よって、配列方向Ｄ２はＸ軸方向である。走査方向Ｄ１はスポットＳ３の配列方向Ｄ２に直交しているので、Ｙ軸方向である。以下では、回転角度が９０度であるときの走査方向Ｄ１を走査方向Ｄ１２とも呼ぶ。

制御装置２０は、積層される造形材料層１２０ごとに走査方向Ｄ１を変更してもよい。例えば３次元造形装置１００は、ある第１造形材料層１２０に対して走査方向Ｄ１０でスポットＳ３を走査する。これにより、当該第１造形材料層１２０を造形データに応じて溶融および焼結させる。次に、３次元造形装置１００の供給機構１６は、第１造形材料層１２０の上に第２造形材料層１２０を供給し、ローテータ制御部２０Ｊはイメージローテータ１３を回転させて回転角度を４５度とする。そして、３次元造形装置１００は、当該第２造形材料層１２０に対して走査方向Ｄ１１でスポットＳ３を走査する。これにより、第２造形材料層１２０を造形データに応じて溶融および焼結させる。次に、供給機構１６が第２造形材料層１２０の上に第３造形材料層１２０を供給し、ローテータ制御部２０Ｊがイメージローテータ１３を回転させて回転角度を９０度とする。そして、３次元造形装置１００は当該第３造形材料層１２０に対して走査方向Ｄ１２でスポットＳ３を走査する。なお、積層される造形材料層１２０ごとに走査方向Ｄ１を変更するだけでなく、同一の造形材料層１２０において、走査方向Ｄ１を変更してもよく、また、同一の造形材料層１２０内での走査方向の変更と、造形材料層１２０ごとの走査方向の変更を組み合わせても良い。

以後、造形材料層１２０ごとに走査方向Ｄ１を異ならせて、当該造形材料層１２０上でスポットＳ３を移動させる。なお、必ずしも１層ごとに走査方向Ｄ１を異ならせる必要はなく、複数層ごとに走査方向Ｄ１を異ならせてもよい。

比較のために、複数層において同じ走査方向Ｄ１でスポットＳ３を走査する場合を考慮する。この場合、走査方向Ｄ１に沿って生じる各層の造形歪みが蓄積し得る。また、３次元造形物の表面に、走査方向Ｄ１に沿って延びる筋（凸部または凹部）が形成されたり、あるいは、内部応力が偏ることにより、３次元造形物の強度が一方向に弱くなることもある。

これに対して、造形材料層１２０ごとに走査方向Ｄ１を適宜に変更することで、そのような不具合の発生を低減することができる。

ところで、２つのガルバノミラー１９２を並行して駆動し、その各々の回転速度を調整することで、走査方向Ｄ１を変更することは可能である。しかしながら、ガルバノミラー１９２の両方を常に駆動する必要があるので、駆動機構の消耗が早くなる。

これに対して、上述の例では、一方のガルバノミラー１９２のみによってスポットＳ３を走査方向Ｄ１に沿って移動させ、イメージローテータ１３によって走査方向Ｄ１を変更している。これによれば、走査方向Ｄ１を造形材料層１２０ごとに変更しつつも、走査方向Ｄ１の移動中には、他方のガルバノミラー１９２の駆動を停止できる。よって、ガルバノミラー１９２の駆動機構の消耗を低減できる。

図２９は、第４の実施の形態にかかる３次元造形装置１００のビーム照射装置４０Ｂの構成の他の一例を概略的に示す図である。このビーム照射装置４０Ｂは、イメージローテータ１３の位置という点を除いて、図２５のビーム照射装置４０Ｂと同様の構成を有している。図２９の例では、イメージローテータ１３はガルバノミラー１９２よりも前段に設けられており、より具体的な一例として、分離光学系１８とレンズ１９１との間に設けられている。

イメージローテータ１３は複数の変調ビームＬ３３を一体に回転させるので、そのｂｃ平面における変調ビームＬ３３の配列方向を変更することができる。よって、造形材料層１２０上の複数のスポットＳ３の配列方向Ｄ２も変更することができる。ただし、イメージローテータ１３はガルバノミラー１９２よりも前段に設けられているので、イメージローテータ１３が回転しても走査方向Ｄ１は変わらない。

図３０は、イメージローテータ１３の回転角度が４５度であるときのスポットＳ３の一例を概略的に示す図である。図３０の例では、配列方向Ｄ２は＋Ｘ側かつ＋Ｙ側の斜め４５度方向に平行であり、走査方向Ｄ１はＸ軸方向である。走査方向Ｄ１は配列方向Ｄ２に対して斜めに交差している。図３０の例では、５つのスポットＳ３が形成されており、走査部１９は、この５つのスポットＳ３を一体で走査方向Ｄ１に沿って移動させる。

図３０の例では、領域Ｒ１は、非造形領域である。よって、スポットＳ３が領域Ｒ１内に位置するときには、当該スポットＳ３の強度が零となるように、空間光変調器１４が制御される。領域Ｒ１よりも＋Ｘ側の領域Ｒ２は造形領域である。スポットＳ３が領域Ｒ２内に位置するときに、スポットＳ３が３次元造形データを反映した強度分布を有するように、空間光変調器１４が制御される。なお、領域Ｒ２よりも＋Ｘ側にも、領域Ｒ１に相当する非造形領域が存在し得るものの、図３０では図示を省略している。

図３０の例では、各スポットＳ３に対応する走査ラインが二点鎖線で挟まれて示されている。図３０の例では、走査ラインの間隔は零である。つまり、スポットＳ３は互いに離れているものの、各スポットＳ３に対応する走査ラインはＹ軸方向において連続する。言い換えれば、走査ラインの間隔が零になるように、イメージローテータ１３が配列方向Ｄ２を調整している。

これによれば、一度の走査方向Ｄ１の移動により、連続する５行の走査ラインに対する走査を行うことができる。走査部１９は、走査方向Ｄ１の移動のたびに５行分だけ、走査方向Ｄ１に直交する直交方向に沿って５つのスポットＳ３を移動させ、次の５行分の領域に対する走査を行う。以後、同様にして、連続した５行単位で走査が行われる。この走査経路では、直交方向への移動量を変化させる必要がないので、走査部１９の制御が容易である。

しかも、スポットＳ３は互いに離れているので、第１の実施の形態と同様に、造形材料の流動可能な範囲を狭くすることができる。よって、造形材料の隆起を低減することができる。したがって、高い形状精度で３次元造形物を製造することができる。

なお、必ずしも走査ラインの間隔を零にする必要はない。イメージローテータ１３により配列方向Ｄ２を回転させることで、走査ラインの間隔を調整することが可能である。

以上のように、この３次元造形装置１００は詳細に説明されたが、上記の説明は、すべての局面において、例示であって、この３次元造形装置１００がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、この開示の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。上記各実施の形態および各変形例で説明した各構成は、相互に矛盾しない限り適宜組み合わせたり、省略したりすることができる。

例えば、上述の例では、走査部１９は変調ビームＬ３３の進行方向を変更して、造形材料層１２０上でスポットＳ３を移動させているものの、必ずしもこれに限らない。走査部１９は、供給機構１６をＸＹ平面で移動させる移動機構を含んでてもよい。これによっても、スポットＳ３を造形材料層１２０上で移動させることができる。

また、上述の例では、移動機構１８１は分離光学系１８を移動させているものの、必ずしもこれに限らない。移動機構１８１は、分離光学系１８よりも前段の光学系を一体にｂ軸において移動させてもよい。

また、第２の実施の形態では、投影光学系１５０はｂ軸のズーム光学系とｃ軸のズーム光学系を含んでいるものの、ｃ軸のズーム光学系は必須ではない。ｃ軸のズーム光学系が設けられていない場合には、投影光学系１５０の各種レンズはシリンドリカルレンズではなく、球面で構成される通常のレンズであってもよい。逆に、第１の実施の形態においても、投影光学系１５のレンズ１５Ａ，１５Ｃは通常のレンズであってもよく、シリンドリカルレンズであってもよい。第３および第４の実施の形態も同様である。

分離光学系１８も同様に、レンズアレイ１８Ａ～１８Ｃはシリンドリカルレンズアレイであってもよい。この場合、ｃ軸用のシリンドリカルレンズアレイがさらに設けられてもよい。

また、上述の例では、空間光変調器１４の一例としてＧＬＶを用いて説明してきたが、これに限られるものではなく、空間光変調器１４としてＬｉｎｅａｒ－ＰＬＶを採用しても良い。Ｌｉｎｅａｒ－ＰＬＶについて、図３１を用いて説明する。

図３１は、空間光変調器１４の構成の他の例としてＬｉｎｅａｒ－ＰＬＶ２２を概略的に示す図である。Ｌｉｎｅａｒ－ＰＬＶ２２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）複数の略矩形状の空間変調素子２２１を備える。Ｌｉｎｅａｒ－ＰＬＶ２２では、当該複数の空間変調素子２２１の表面が変調面となる。図３１に示す例では、図中の縦方向にＭ個かつ横方向にＮ個の空間変調素子２２１が配置される。図３１中の横方向は、平行ビームＬ３１（図４参照）の長軸方向に対応し、図３１中の縦方向は、平行ビームＬ３１の短軸方向に対応する。

各空間変調素子２２１は、固定部材２２２と、可動部材２２３とを備える。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３１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３１中の紙面に垂直な方向に移動可能である。

各空間変調素子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、空間変調素子２２１からの反射光が、０次回折光（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、空間変調素子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次回折光は、投影光学系１５（図１参照）により走査部１９へと導かれる。また、空間光変調器１４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１５により走査部１９とは異なる方向へと導かれ、遮光される。

投影光学系１５では、図３１中の縦方向に１列に並ぶＭ個の空間変調素子２２１からの反射光が積算されて、変調された平行ビームＬ３２として走査部１９へと照射される。これにより、走査部１９から造形材料層１２０へと照射される平行ビームＬ３２のパワー密度を増大させることができる。空間光変調器１４では、１つの列のＭ個の空間変調素子２２１（すなわち、Ｍ個の空間変調素子）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。言い換えれば、例えば、縦方向に並ぶＭ個の空間変調素子２２１からなる組が一画素に相当する。空間光変調器１４は、空間光変調器１４上における平行ビームＬ３１の長軸方向（つまり図３１の横方向）に１列に並ぶＮ個の変調要素を備える空間光変調器として機能する。このような空間光変調器を用いることで、縦方向に延びる列単位で積算されたビームとして整形されるため、より大きな光エネルギー（ビーム強度）を造形材料に照射することができる。

１０ ビーム照射部
１１ 光源（レーザー光源）
１３ イメージローテータ
１４ 空間光変調器
１４１ 変調素子群
２２ Ｌｉｎｅａｒ－ＰＬＶ
２２１ 空間変調素子
１５ 投影光学系
１８ 分離光学系
１８１ 移動機構
１８Ａ～１８Ｃ レンズアレイ
１８ａ，１８ｂ レンズ
１８Ｄ アパーチャ部
１８ｄ 開口
１９ 走査部
１９２ ガルバノミラー
２０ 制御装置
３０ 記憶部
４０ ビーム照射部
４１ａ 固定部材
４１ｂ 可動部材
１００ ３次元造形装置
Ｌ３０ 光ビーム（レーザー光）
Ｌ３１ 光ビーム（平行ビーム）
Ｌ３２，Ｌ３２Ａ，Ｌ３３ 光ビーム（変調ビーム）
Ｓ３ スポット

Claims (18)

1. ３次元造形物を製造する３次元造形装置であって、
   光ビームを照射するビーム照射部と、
   前記ビーム照射部によって照射された光ビームを少なくとも第１軸において空間変調する空間光変調器と、
   前記第１軸に沿って並んだ複数のレンズを有する複数のレンズアレイを有するアフォーカルな縮小光学系を含み、前記空間光変調器によって変調された光ビームを、前記レンズアレイによって複数の光ビームに分離する分離光学系と、
   前記分離光学系からの複数の光ビームを造形材料上で走査させる走査部と
   を備える、３次元造形装置。
2. 請求項１に記載の３次元造形装置であって、
   前記レンズアレイの前記レンズの個数をＮ（Ｎは２以上の自然数）とすると、
   前記３次元造形装置は、
   前記空間光変調器によって変調された光ビームを前記第１軸において拡大または縮小し、拡大または縮小後の光ビームを前記レンズアレイのＭ（Ｍは可変）個分の前記レンズに入射させる投影光学系と、
   前記投影光学系の倍率を制御する制御装置と
   をさらに備え、
   前記レンズアレイは、Ｍ個分の前記レンズに照射された光ビームをＭ個の光ビームに分離する、３次元造形装置。
3. 請求項２に記載の３次元造形装置であって、
   前記制御装置は、前記造形材料の情報を受け取り、前記情報に基づいて前記造形材料の融点が高いほどＭを小さく設定する、３次元造形装置。
4. 請求項２または請求項３に記載の３次元造形装置であって、
   Ｎは奇数および偶数の一方であり、
   前記制御装置は、Ｍを奇数および偶数の前記一方に制限する、３次元造形装置。
5. 請求項２または請求項３に記載の３次元造形装置であって、
   前記第１軸において前記分離光学系を前記投影光学系に対して相対的に移動させる移動機構をさらに備え、
   前記制御装置は、前記移動機構を制御して、前記投影光学系からの光ビームが前記レンズアレイのＭ個分の前記レンズに入射するように、前記投影光学系および前記分離光学系の相対的な位置関係を調整する、３次元造形装置。
6. 請求項２から請求項５のいずれか一つに記載の３次元造形装置であって、
   前記投影光学系は、前記空間光変調器によって変調された光ビームを、前記第１軸と交差する第２軸において、可変の倍率で拡大または縮小する、３次元造形装置。
7. 請求項２から請求項６のいずれか一つに記載の３次元造形装置であって、
   前記ビーム照射部は、可変の強度で光ビームを出射する光源を含む、３次元造形装置。
8. ３次元造形物を製造する３次元造形装置であって、
   光ビームを照射するビーム照射部と、
   前記ビーム照射部によって照射された光ビームを少なくとも第１軸において空間変調する空間光変調器と、
   前記第１軸に沿って並んだ複数のレンズを有する少なくとも一つのレンズアレイを含み、前記空間光変調器によって変調された光ビームを、前記レンズアレイによって複数の光ビームに分離する分離光学系と、
   前記分離光学系からの複数の光ビームを造形材料上で走査させる走査部と
   を備え、
   前記レンズアレイの前記レンズの個数をＮ（Ｎは２以上の自然数）とすると、
   前記３次元造形装置は、
   前記空間光変調器によって変調された光ビームを前記第１軸において拡大または縮小し、拡大または縮小後の光ビームを前記レンズアレイのＭ（Ｍは可変）個分の前記レンズに入射させる投影光学系と、
   前記投影光学系の倍率を制御する制御装置と
   をさらに備え、
   前記レンズアレイは、Ｍ個分の前記レンズに照射された光ビームをＭ個の光ビームに分離し、
   Ｍは、Ｍ１と、Ｍ１よりも小さなＭ２とを含み、
   前記走査部によるＭ１個の光ビームの走査経路において、前記第１軸に沿って並ぶＭ１個の光ビームのうち少なくとも１つが走査不要な不要ラインに位置する際に、前記制御装置は前記投影光学系の倍率を変更することで、前記投影光学系に光ビームをＭ２個分の前記レンズに入射させて、前記レンズアレイにＭ２個の光ビームを出射させ、前記走査部によるＭ２個の光ビームでの走査により前記不要ラインに対する走査を省略する、３次元造形装置。
9. 請求項８に記載の３次元造形装置であって、
   前記走査部は、Ｍ１個の光ビームでの走査速度よりも高い走査速度で、Ｍ２個の光ビームを走査させる、３次元造形装置。
10. 請求項８または請求項９に記載の３次元造形装置であって、
    前記制御装置は、前記ビーム照射部による光ビームの照射および前記走査部による走査を中断した状態で、前記投影光学系の倍率を変更する、３次元造形装置。
11. 請求項１から請求項１０のいずれか一つに記載の３次元造形装置であって、
    前記分離光学系の前記レンズアレイは直前の光学系の焦点に設けられる、３次元造形装置。
12. 請求項１から請求項１１のいずれか一つに記載の３次元造形装置であって、
    前記レンズアレイによって分離された複数の光ビームがそれぞれ通過する複数の開口を有するアパーチャ部をさらに備える、３次元造形装置。
13. ３次元造形物を製造する３次元造形装置であって、
    光ビームを照射するビーム照射部と、
    前記ビーム照射部によって照射された光ビームを少なくとも第１軸において空間変調する空間光変調器と、
    前記第１軸に沿って並んだ複数のレンズを有する少なくとも一つのレンズアレイを含み、前記空間光変調器によって変調された光ビームを、前記レンズアレイによって複数の光ビームに分離する分離光学系と、
    前記分離光学系からの複数の光ビームを造形材料上で走査させる走査部と
    を備え、
    前記レンズアレイの前記レンズの個数をＮ（Ｎは２以上の自然数）とすると、
    前記３次元造形装置は、
    前記空間光変調器によって変調された光ビームを前記第１軸において拡大または縮小し、拡大または縮小後の光ビームを前記レンズアレイのＭ（Ｍは可変）個分の前記レンズに入射させる投影光学系と、
    前記投影光学系の倍率を制御する制御装置と
    をさらに備え、
    前記レンズアレイは、Ｍ個分の前記レンズに照射された光ビームをＭ個の光ビームに分離し、
    前記空間光変調器は少なくとも前記第１軸に沿って並ぶ複数の空間変調素子を含み、
    前記複数の空間変調素子は、Ｍ個のグループで前記光ビームを変調し、
    前記Ｍ個の光ビームの強度分布は、それぞれ、前記Ｍ個のグループのうちの、対応するグループによって制御される、３次元造形装置。
14. 請求項１から請求項１２のいずれか一つに記載の３次元造形装置であって、
    前記空間光変調器は、２次元配列された複数の空間変調素子を備える、３次元造形装置。
15. 請求項１３に記載の３次元造形装置であって、
    前記空間光変調器は、前記分離光学系の前記レンズアレイの前記複数のレンズの境界に入射する光ビームの強度が、前記複数のレンズの各々の中央に入射する光ビームの強度よりも小さくなるように、前記ビーム照射部からの光ビームを変調する、３次元造形装置。
16. ３次元造形物を製造する３次元造形装置であって、
    光ビームを照射するビーム照射部と、
    前記ビーム照射部によって照射された光ビームを少なくとも第１軸において空間変調する空間光変調器と、
    前記第１軸に沿って並んだ複数のレンズを有する少なくとも一つのレンズアレイを含み、前記空間光変調器によって変調された光ビームを、前記レンズアレイによって複数の光ビームに分離する分離光学系と、
    前記分離光学系からの複数の光ビームを造形材料上で走査させる走査部と、
    前記分離光学系からの複数の光ビームを、光軸に平行な回転軸のまわりで、可変の回転角度で一体に回転させるイメージローテータと
    を備え、
    前記走査部はガルバノミラーを含み、
    前記イメージローテータは前記ガルバノミラーよりも後段に設けられる、３次元造形装置。
17. ３次元造形物を製造する３次元造形装置であって、
    光ビームを照射するビーム照射部と、
    前記ビーム照射部によって照射された光ビームを少なくとも第１軸において空間変調する空間光変調器と、
    前記第１軸に沿って並んだ複数のレンズを有する少なくとも一つのレンズアレイを含み、前記空間光変調器によって変調された光ビームを、前記レンズアレイによって複数の光ビームに分離する分離光学系と、
    前記分離光学系からの複数の光ビームを造形材料上で走査させる走査部と、
    前記分離光学系からの複数の光ビームを、光軸に平行な回転軸のまわりで、可変の回転角度で一体に回転させるイメージローテータと
    を備え、
    前記走査部はガルバノミラーを含み、
    前記イメージローテータは前記ガルバノミラーよりも前段に設けられる、３次元造形装置。
18. 請求項１から請求項１７のいずれか一つに記載の３次元造形装置であって、
    前記造形材料上の複数の光ビームの配列方向は、前記走査部による当該複数の光ビームの走査方向に対して斜めに交差し、当該複数の光ビームは、連続する複数行の走査ラインにそれぞれ位置する、３次元造形装置。

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