JP2025099031A - 光学装置および３次元造形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光学装置の構造を簡素化する。
【解決手段】光学装置の第２光学系２３は、短軸側遮光部２３６と、第３レンズ２３３と、長軸側遮光部２３５と、第４レンズ２３４と、走査機構２３７と、を備える。長軸側遮光部２３５は、第３レンズ２３３による変調ビームＬ３３の長軸側の集光位置に配置される。長軸側遮光部２３５は、変調ビームＬ３３の長軸側の非０次回折光を遮る。走査機構２３７は、第３レンズ２３３と第４レンズ２３４との間において長軸側遮光部２３５に隣接して配置される。走査機構２３７は、長軸側遮光部２３５に入射する変調ビームＬ３３、または、長軸側遮光部２３５を通過した変調ビームＬ３３を、長軸方向および短軸方向のうち少なくとも一方において走査する。これにより、光学装置１２の構造を簡素化することができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、対象物上にスポット光アレイを照射して走査する光学装置、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。

例えば、特許文献１の３次元造形物製造装置では、粉末層の上方に設けられたレーザ光照射ユニット６１により、粉末層の上面に単スポットのレーザ光が照射されて走査される。レーザ光照射ユニット６１は、レーザ発振器に接続された光ファイバコネクタ８３と、光ファイバコネクタ８３から出射されたレーザ光を平行光に変換するコリメートレンズ８５と、コリメートレンズ８５を通過したレーザ光を２次元走査する走査機構であるガルバノ光学スキャナ８９と、ガルバノ光学スキャナ８９によって走査されるレーザ光を集光して粉末層に照射するＦθレンズ９９と、を備える。

また、３次元造形装置では、生産性を向上するために、光変調器を用いてライン状のパターン光を形成し、造形材料上に複数の光スポットを同時に照射して（すなわち、スポット光アレイを照射して）走査することが検討されている。

スポット光アレイを照射する３次元造形装置では、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）を増大させるために、ライン状のパターン光を形成する光変調器に、パワー密度の高い光が照射される。このとき、強度分布がガウス分布であるライン状の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２の３次元造形装置では、光変調器に入射するライン状の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２０１１－１２７１９２号公報 特開２０２１－１６５７６９号公報

ところで、特許文献２の３次元造形装置では、上記目的を達成するために、照明光学系および投影光学系はそれぞれ、比較的多くのレンズ等を含む。また、特許文献２では詳述されていないが、当該３次元造形装置の走査部は、投影光学系を通過したライン状のレーザ光を造形材料の上面（すなわち、被走査面）に結像させて走査するために、特許文献１と略同様の複数の光学素子（すなわち、コリメートレンズ、ガルバノスキャナおよびＦθレンズ等）を備える必要がある。このため、当該３次元造形装置では、光源から出射されたレーザ光を造形材料の被走査面へと導いて走査する光学装置について、その構造の簡素化に限界がある。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、光学装置の構造を簡素化することを目的としている。

本発明の態様１は、対象物上にスポット光アレイを照射して走査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第１光学系と、前記整形ビームを変調し、前記長軸方向においてパターンを有する変調ビームを形成する光変調器と、前記変調ビームを対象物の被走査面に導いて前記長軸方向に延びるスポット光アレイを前記被走査面上に形成するとともに、前記スポット光アレイを前記被走査面上にて走査する第２光学系と、を備える。前記第２光学系は、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、前記短軸側遮光部と前記被走査面との間に配置され、前記変調ビームを前記長軸方向において集光する第１投影光学素子と、前記第１投影光学素子と前記被走査面との間において前記第１投影光学素子による前記変調ビームの前記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、前記長軸側遮光部と前記被走査面との間に配置され、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被走査面に集光させることにより、前記被走査面上にスポット光アレイを形成する第２投影光学素子と、前記第１投影光学素子と前記第２投影光学素子との間において前記長軸側遮光部に隣接して配置され、前記長軸側遮光部に入射する前記変調ビームまたは前記長軸側遮光部を通過した前記変調ビームを、前記長軸方向および前記短軸方向のうち少なくとも一方において走査する走査機構と、を備える。前記第２光学系により、前記光変調器の変調面と前記被走査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、前記走査機構は、前記変調ビームの反射方向を変更するガルバノスキャナである。

本発明の態様３は、態様２の光学装置であって、前記ガルバノスキャナは、前記第１投影光学素子と前記長軸側遮光部との間において前記長軸側遮光部に隣接して配置され、回転することによって前記長軸方向および前記短軸方向のうち一の方向における前記変調ビームの反射方向を変更する第１ガルバノミラーと、前記長軸側遮光部と前記第２投影光学素子との間において前記長軸側遮光部に隣接して配置され、回転することによって前記長軸方向および前記短軸方向のうち他の方向における前記変調ビームの反射方向を変更する第２ガルバノミラーと、を備える。

本発明の態様４は、態様３の光学装置であって、前記第１ガルバノミラーは、前記変調ビームの前記短軸方向における反射方向を変更する。

本発明の態様５は、態様１（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、前記第１光学系は、前記レーザ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ビームシェイパを備える。

本発明の態様６は、態様５の光学装置であって、前記ビームシェイパは、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７は、態様１（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、前記走査機構と前記長軸側遮光部との間に光学素子は配置されない。

本発明の態様８は、態様１（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、前記光変調器はＰＬＶである。

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８のいずれか１つの光学装置と、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る造形材料を保持する材料保持部と、を備える。

本発明では、光学装置の構造を簡素化することができる。

第１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。 第２の実施の形態に係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。

図１は、本発明の第１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、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によって材料供給機構１４へと導かれ、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、造形空間１４０内の造形材料９１の上面９２（以下、「被走査面９２」とも呼ぶ。）へと照射する。被走査面９２上では、光学装置１２によって導かれる変調ビームＬ３３により、複数のスポット光が略直線状に並んだスポット光アレイが形成される。光学装置１２は、また、当該スポット光アレイを被走査面９２上において走査する。

光学装置１２は、第１光学系２１と、光変調器２２と、第２光学系２３とを備える。第１光学系２１および第２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。第１光学系２１は、レーザ光源１１からのレーザ光Ｌ３１を光変調器２２へと導く照明光学系である。第２光学系２３は、光変調器２２からの変調ビームＬ３３を造形材料９１の被走査面９２へと導く投影光学系の内部に、変調ビームＬ３３を被走査面９２上にて走査する走査機構を組み込んだ光学系である。

第１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。整形ビームＬ３２は、第１光学系２１を通過してから光変調器２２に入射するまでの光ビームを指す。

上述の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の光軸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、当該光の光軸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２８ｍｍ、短軸方向の長さが約１ｍｍの略矩形である。

光変調器２２は、第１光学系２１からの整形ビームＬ３２を変調することにより、長軸方向においてパターンを有する変調ビームＬ３３を形成して第２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により生成された０次光は、第２光学系２３（図１参照）により造形材料９１の被走査面９２へと導かれる。また、光変調器２２により生成された非０次回折光は、第２光学系２３により遮光されて造形材料９１の被走査面９２には到達しない。上述の非０次回折光は、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。

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。

第２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造形材料９１の被走査面９２へと導かれ、長軸方向に並ぶＮ個のスポット光（すなわち、長軸方向に延びるスポット光アレイ）が被走査面９２上に形成される。これにより、スポット光アレイにおける各スポット光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内に供給されて保持される。造形部１４１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造形材料９１を保持する材料保持部である。造形空間１４０内に保持された造形材料９１の上面である被走査面９２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により形成されたスポット光アレイの走査が行われる。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に対する上記スポット光アレイ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、スポット光アレイの走査が行われる。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に対するスポット光アレイ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および図４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１に例示する光学装置１２では、第１光学系２１と第２光学系２３とは斜めに（すなわち、第１光学系２１の光軸と第２光学系２３の光軸とが交差するように）配置されるが、図３および図４では、図の理解を容易にするために、第１光学系２１の光軸と第２光学系２３の光軸とが一直線となるように、第１光学系２１および第２光学系２３の位置を変更して描いている。後述する図７および図８においても同様である。

図３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３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４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４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。後述する図７および図８においても同様である。

光学装置１２の第１光学系２１は、コリメートレンズ２１１と、ビームシェイパ２１３と、ビームエキスパンダ２１６とを備える。コリメートレンズ２１１、ビームシェイパ２１３およびビームエキスパンダ２１６は、レーザ光源１１から光変調器２２へと向かう光軸方向において、この順番で配列される。コリメートレンズ２１１は、レーザ光Ｌ３１から平行光を生成する。コリメートレンズ２１１のレンズ形状は、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。なお、図３および図４に示す例では、コリメートレンズ２１１は単一のレンズで構成されるが、複数のレンズにより構成されてもよい。

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、単一の光学素子である。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。なお、ビームシェイパ２１３として、非球面凹レンズ以外の様々な光学素子（例えば、フリーフォームレンズ等の屈折光学素子、または、回折光学素子（ＤＯＥ：Diffractive Optical Element））が利用されてもよい。

ビームエキスパンダ２１６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、長軸および短軸のそれぞれの方向に異なる倍率で拡大し、光変調器２２の変調面に結像させる。ビームエキスパンダ２１６は、上記矩形像を長軸方向に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、ビームエキスパンダ２１６は、上記矩形像を短軸方向に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、レーザ光源１１から光変調器２２へと向かう光軸方向において、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が、この順番で配列される。

なお、第１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、ビームエキスパンダ２１６の構成は様々に変更されてよい。第１光学系２１では、ビームエキスパンダ２１６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直接的に形成するビームシェイパ２１３が用いられてもよい。

第１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をコリメートビームに変換して光変調器２２へと導く。第１光学系２１に入射するレーザ光Ｌ３１の断面における長軸方向および短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。

第１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、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となる。コリメートビームは、ビームシェイパ２１３およびビームエキスパンダ２１６を通過して光変調器２２へと導かれる。ビームシェイパ２１３に入射する前のコリメートビームの強度分布は、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。

コリメートビームの長軸方向および短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。また、当該コリメートビームの長軸方向および短軸方向における強度分布は、ビームエキスパンダ２１６を通過する際に、トップハット分布のまま維持される。したがって、第１光学系２１を通過して光変調器２２に入射した整形ビーム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。

第２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、走査機構２３７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２３５０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２３６０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。

本実施の形態では、走査機構２３７はガルバノスキャナである。走査機構２３７は、第１ガルバノミラー３７１と、第２ガルバノミラー３７２と、第１ガルバノモータ（図示省略）と、第２ガルバノモータ（図示省略）と、を備える。第１ガルバノモータは、第１ガルバノミラー３７１を回転させることにより、第１ガルバノミラー３７１による変調ビームＬ３３の反射方向を変更する。第２ガルバノモータは、第２ガルバノミラー３７２を回転させることにより、第２ガルバノミラー３７２による変調ビームＬ３３の反射方向を変更する。

第２レンズ２３２および第３レンズ２３３は、光軸方向において第１レンズ２３１の被走査面９２側（すなわち、光変調器２２とは反対側）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、光軸上において第１レンズ２３１よりも被走査面９２に近い位置に位置する。図３および図４に示す例では、第３レンズ２３３は、光軸方向において第２レンズ２３２の被走査面９２側（すなわち、第１レンズ２３１とは反対側）に位置する。換言すれば、第２レンズ２３２は、第１レンズ２３１と第３レンズ２３３との間に位置する。なお、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、光軸方向において第１レンズ２３１、第２レンズ２３２および第３レンズ２３３の被走査面９２側に位置する。換言すれば、第４レンズ２３４は、光軸上において第１レンズ２３１、第２レンズ２３２および第３レンズ２３３よりも被走査面９２に近い位置に位置する。

図３および図４に例示する第２光学系２３では、光変調器２２から被走査面９２に向かう光軸上において、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が、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の短軸側の集光位置近傍に配置される。具体的には、短軸側遮光部２３６は、第１レンズ２３１の焦点距離をｆ_１、短軸方向における光変調器２２からの１次回折角をθ１、短軸側遮光部２３６に入射して集光する光の角度（ＮＡ）をθ２としたとき、光軸上において当該集光位置から(ｆ_１／２)×（ｔａｎθ１／ｔａｎθ２)以内に配置されることが好ましく、当該集光位置上に配置されることがより好ましい。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。

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の長軸側の集光位置近傍に配置される。具体的には、長軸側遮光部２３５は、第３レンズ２３３の焦点距離をｆ_３、長軸方向における光変調器２２からの１次回折角をθ３、長軸側遮光部２３５に入射して集光する光の角度（ＮＡ）をθ４としたとき、光軸上において当該集光位置(ｆ_３／２)×（ｔａｎθ３／ｔａｎθ４)以内に配置されることが好ましく、当該集光位置上に配置されることがより好ましい。長軸側遮光部２３５が配置される位置は、例えば、第３レンズ２３３の後側焦点位置近傍である。

第２光学系２３では、また、光軸上における第３レンズ２３３と第４レンズ２３４との間に、走査機構２３７が配置される。走査機構２３７は、長軸側遮光部２３５に隣接して長軸側遮光部２３５の近傍に配置される。光軸方向において、走査機構２３７と長軸側遮光部２３５との間の距離は、走査機構２３７と第３レンズ２３３との間の距離、および、走査機構２３７と第４レンズ２３４との間の距離よりも小さい。

具体的には、走査機構２３７の第１ガルバノミラー３７１は、光軸方向において長軸側遮光部２３５の光変調器２２側に配置される。換言すれば、第１ガルバノミラー３７１は、光軸上において第２レンズ２３２および第３レンズ２３３と長軸側遮光部２３５との間に位置する。光軸方向において、第１ガルバノミラー３７１と長軸側遮光部２３５との間の距離は、第１ガルバノミラー３７１と第３レンズ２３３との間の距離、および、第１ガルバノミラー３７１と第２レンズ２３２との間の距離よりも小さい。第２ガルバノミラー３７２は、光軸方向において長軸側遮光部２３５の被走査面９２側に配置される。換言すれば、第２ガルバノミラー３７２は、光軸上において長軸側遮光部２３５と第４レンズ２３４との間に位置する。光軸方向において、第２ガルバノミラー３７２と長軸側遮光部２３５との間の距離は、第２ガルバノミラー３７２と第４レンズ２３４との間の距離よりも小さい。

第１ガルバノミラー３７１および第２ガルバノミラー３７２はそれぞれ、長軸側遮光部２３５に隣接して長軸側遮光部２３５の近傍に配置される。光軸方向における第１ガルバノミラー３７１と長軸側遮光部２３５との間の距離は、例えば、１０ｍｍ～２０ｍｍである。光軸方向における長軸側遮光部２３５と第２ガルバノミラー３７２との間の距離は、例えば、１０ｍｍ～２０ｍｍである。光軸方向における第１ガルバノミラー３７１と長軸側遮光部２３５との間の距離と、光軸方向における長軸側遮光部２３５と第２ガルバノミラー３７２との間の距離は、異なっていてもよいが、略同じであることが好ましい。

図３および図４に例示する光学装置１２では、図示されたもの以外の光学素子は設けられないことが好ましい。例えば、光軸上における第３レンズ２３３と第４レンズ２３４との間には、長軸側遮光部２３５および走査機構２３７以外の光学素子は配置されない。当然に、第３レンズ２３３と第１ガルバノミラー３７１との間、および、第１ガルバノミラー３７１と長軸側遮光部２３５との間には、他の光学素子は配置されない。したがって、第３レンズ２３３を通過した変調ビームＬ３３は、直接的に（すなわち、他の光学素子を通過することなく）第１ガルバノミラー３７１に入射し、第１ガルバノミラー３７１にて反射された変調ビームＬ３３は、直接的に（すなわち、他の光学素子を通過することなく）長軸側遮光部２３５に入射する。

また、長軸側遮光部２３５と第２ガルバノミラー３７２との間、および、第２ガルバノミラー３７２と第４レンズ２３４との間にも、他の光学素子は配置されない。したがって、長軸側遮光部２３５を通過した変調ビームＬ３３は、直接的に（すなわち、他の光学素子を通過することなく）第２ガルバノミラー３７２に入射し、第２ガルバノミラー３７２にて反射された変調ビームＬ３３は、直接的に（すなわち、他の光学素子を通過することなく）第４レンズ２３４に入射する。

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、光軸上における第２レンズ２３２と第４レンズ２３４との間には、長軸側遮光部２３５および走査機構２３７以外の光学素子は配置されないことが好ましい。

第２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。

第２光学系２３では、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、被走査面９２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する。第４レンズ２３４の後側焦点位置は、造形材料９１の被走査面９２と一致する。

第２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の変調面と造形材料９１の被走査面９２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を被走査面９２上に集光させる。被走査面９２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。換言すれば、短軸方向について、第２レンズ２３２、第３レンズ２３３および第４レンズ２３４により、短軸側遮光部２３６と被走査面９２とが光学的に共役とされる。

なお、第２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。

第２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を造形材料９１の被走査面９２へと導き、被走査面９２上にスポット光アレイを形成するとともに、当該スポット光アレイを被走査面９２上にて走査する。

具体的には、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２３６０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２３６０を通過する。また、光変調器２２にて反射された反射光のうち、短軸側の非０次回折光（主として、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２３６０よりも上側および下側（すなわち、開口２３６０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２３６０を通過した変調ビームＬ３３の断面は、光軸方向において短軸側遮光部２３６から離れるに従って、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、短軸方向において、第２レンズ２３２を通過することにより平行光となり、第３レンズ２３３の通過時には屈折しない。なお、短軸側遮光部２３６を通過した変調ビームＬ３３は、短軸方向において、第２レンズ２３２および第３レンズ２３３のそれぞれの通過時に屈折することにより、第３レンズ２３３を通過した時点で平行光となってもよい。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、走査機構２３７の第１ガルバノミラー３７１に入射する。具体的には、変調ビームＬ３３のうち、０次光が第１ガルバノミラー３７１に入射し、長軸側の非０次回折光（主として、１次回折光）は、第１ガルバノミラー３７１には入射しない。第１ガルバノミラー３７１によって反射された変調ビームＬ３３の０次光は、長軸側遮光部２３５の開口２３５０を通過する。走査機構２３７では、第１ガルバノモータによって第１ガルバノミラー３７１が回転されることにより、第１ガルバノミラー３７１による０次光の短軸方向における反射方向が変更される。これにより、変調ビームＬ３３の長軸側の集光位置に配置された長軸側遮光部２３５において、開口２３５０を通過する０次光の短軸方向における位置が変更される。

一方、変調ビームＬ３３のうち長軸側の非０次回折光は、上述のように第１ガルバノミラー３７１には入射せず、長軸側遮光部２３５に直接的に入射して遮られる。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２３５０よりも図中の左側および右側（すなわち、開口２３５０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２３５０を通過した変調ビームＬ３３（すなわち、０次光）の断面は、光軸方向において長軸側遮光部２３５から離れるに従って、長軸方向において広がる。長軸側遮光部２３５の開口２３５０を通過した変調ビームＬ３３は、走査機構２３７の第２ガルバノミラー３７２に入射する。第２ガルバノミラー３７２によって反射された変調ビームＬ３３は、第４レンズ２３４に入射する。走査機構２３７では、第２ガルバノモータによって第２ガルバノミラー３７２が回転されることにより、第２ガルバノミラー３７２による変調ビームＬ３３の長軸方向における反射方向が変更される。これにより、第４レンズ２３４に入射する変調ビームＬ３３の長軸方向における位置が変更される。

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造形材料９１の被走査面９２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被走査面９２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、造形材料９１の被走査面９２とは光学的に共役である。また、光変調器２２の変調面におけるコリメートビーム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、被走査面９２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。換言すれば、変調ビームＬ３３によって被走査面９２上に形成されるスポット光アレイの長軸方向における強度分布が、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の変調面におけるコリメートビーム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、造形材料９１の被走査面９２上の集光点（すなわち、上述のスポット光アレイ）における変調ビームＬ３３の短軸方向の強度分布はｓｉｎｃ関数を二乗した分布となる。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関数を二乗した分布ではなく、ｓｉｎｃ関数関数の二乗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関数を二乗した分布、および、ｓｉｎｃ関数を二乗した分布に近似した分布をまとめて「ｓｉｎｃ関数の二乗分布」と呼ぶ。ｓｉｎｃ関数の二乗分布は、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、被走査面９２上において変調ビームＬ３３を好適に集光することができる。

３次元造形装置１では、光学装置１２の走査機構２３７において第１ガルバノミラー３７１が回転することにより、上述のスポット光アレイが、造形材料９１の被走査面９２上において短軸方向に対応する方向（すなわち、スポット光アレイにおける複数のスポット光の配列方向に垂直な方向）へと走査される。また、走査機構２３７において第２ガルバノミラー３７２が回転することにより、上述のスポット光アレイが、造形材料９１の被走査面９２上において長軸方向に対応する方向（すなわち、スポット光アレイにおける複数のスポット光の配列方向に平行な方向）へと走査される。３次元造形装置１では、造形材料９１上におけるスポット光アレイの走査、および、造形空間１４０への造形材料９１の供給が繰り返されることにより、３次元造形物が形成される。

造形材料９１の被走査面９２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２４０ｍｍ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（すなわち、短軸側遮光部２３６が配置される位置）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の短軸方向の集光幅（すなわち、ｓｉｎｃ関数の二乗分布の第１暗線間幅）ｄ_Ｓ１は、２．０ｘλｘｆ_１／Ｌ_２≒８６μｍ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、造形材料９１の被走査面９２と光学的に共役である。したがって、被走査面９２上における変調ビームＬ３３の短軸方向の集光径は、８６μｍｘｆ_４／ｆ_２３≒１２６μｍ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の長軸方向の集光幅（すなわち、ｓｉｎｃ関数の二乗分布の第１暗線間幅）ｄ_Ｌ３は、２．０ｘλｘｆ_３／Ｌ_１≒１８μｍ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の変調面と造形材料９１の被走査面９２とが光学的に共役である。したがって、被走査面９２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＝２８ｍｍ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２３６０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ｄ_Ｓ１≒８６μｍ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２３５０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ｄ_Ｌ３≒１８μｍ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。）を仮定すると、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、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、比較例の光学装置の遮光部上における１次回折光のパワー密度の１０％以下に低減される。

第１ガルバノミラー３７１および第２ガルバノミラー３７２の大きさは、第１ガルバノミラー３７１および第２ガルバノミラー３７２の位置によって変更される。例えば、第１ガルバノミラー３７１は、長軸側遮光部２３５から２０ｍｍ前側（すなわち、光軸方向における光変調器２２側）に配置され、第２ガルバノミラー３７２は長軸側遮光部２３５から２０ｍｍ後側（すなわち、光軸方向における被走査面９２側）に配置されるものとする。この場合、長軸側遮光部２３５上における変調ビームＬ３３の照射領域は、上述のように、長軸方向が２２μｍ、短軸方向が４ｍｍの略線状であり、当該変調ビームＬ３３を形成するＮＡは、長軸側で約０．０５８、短軸側でほぼ０であるため、第１ガルバノミラー３７１および第２ガルバノミラー３７２上における変調ビームＬ３３の照射領域は、長軸方向が約２．３ｍｍ、短軸方向が約４ｍｍの略矩形状となる。したがって、第１ガルバノミラー３７１および第２ガルバノミラー３７２の大きさは、当該照射領域が収まる大きさ以上とされる。

次に、本発明の第２の実施の形態に係る光学装置１２ａについて、図７および図８を参照しつつ説明する。図７および図８は、光学装置１２ａ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り、上述の図３および図４に対応する。

図７および図８に示す光学装置１２ａでは、図３および図４に示す第１光学系２１および第２光学系２３に代えて、第１光学系２１および第２光学系２３とは構成が異なる第１光学系２１ａおよび第２光学系２３ａが設けられる。具体的には、第１光学系２１ａは、図３および図４に示すビームエキスパンダ２１６（すなわち、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）に代えて、照明光学素子２１６ａを備える。第２光学系２３ａは、図３および図４に示す第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に代えて、第１レンズ２３１ａ、第２レンズ２３２ａおよび第３レンズ２３３ａを備える。光学装置１２ａの他の構成は、光学装置１２の構成と略同様であり、以下の説明では、光学装置１２の対応する構成と同符号を付す。

第１光学系２１ａは、上述の第１光学系２１と略同様に、レーザ光源１１から出射されるレーザ光Ｌ３１を、長軸方向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。第１光学系２１ａでは、コリメートレンズ２１１、ビームシェイパ２１３および照明光学素子２１６ａ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（すなわち、光軸方向）において、この順番で配列される。照明光学素子２１６ａは、例えば、単一のレンズであり、図７および図８に示す例では、１つの球面凸レンズである。照明光学素子２１６ａは、非球面凸レンズであってもよい。また、照明光学素子２１６ａは、複数の光学素子により構成されていてもよい。

図７および図８に例示する第１光学系２１ａでは、ビームシェイパ２１３と光変調器２２との間には、単一のレンズである照明光学素子２１６ａ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は、直接的に（すなわち、他の光学素子を通過することなく）照明光学素子２１６ａに入射する。また、照明光学素子２１６ａを通過した整形ビームＬ３２は、直接的に（すなわち、他の光学素子を通過することなく）光変調器２２に入射する。

第１光学系２１ａでは、第１光学系２１と略同様に、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、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となる。コリメートビームは、ビームシェイパ２１３および照明光学素子２１６ａを通過して光変調器２２へと導かれる。ビームシェイパ２１３に入射する前のコリメートビームの強度分布は、図７および図８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。

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（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。コリメートビームの長軸方向および短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、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。また、当該コリメートビームの長軸方向および短軸方向における強度分布は、照明光学素子２１６ａを通過する際に、トップハット分布のまま維持される。したがって、図７および図８の光路図の下側に矩形枠で囲んで示すように、第１光学系２１ａを通過して光変調器２２に入射した整形ビーム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。

第１光学系２１ａでは、上述のコリメートビームがビームシェイパ２１３および照明光学素子２１６ａ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の変調面に入射する。照明光学素子２１６ａ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を挟んで第１光学系２１ａとは反対側（すなわち、光変調器２２の被走査面９２側）に位置する。このため、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として第２光学系２３ａに入射する。光変調器２２から第２光学系２３ａ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。光変調器２２は、例えばＬＰＬＶである。

第２光学系２３ａは、上述の第２光学系２３と略同様に、光変調器２２からの変調ビームＬ３３を造形材料９１の被走査面９２へと導く投影光学系の内部に、変調ビームＬ３３を被走査面９２上にて走査する走査機構２３７を組み込んだ光学系である。第２光学系２３ａは、第１レンズ２３１ａと、第２レンズ２３２ａと、第３レンズ２３３ａと、長軸側遮光部２３５と、短軸側遮光部２３６と、走査機構２３７とを備える。

第１レンズ２３１ａは、例えば単一のレンズであり、図７および図８に示す例では、単一の球面凸レンズである。第２レンズ２３２ａは、例えば単一のレンズであり、図７および図８に示す例では、単一の球面凸レンズである。第１レンズ２３１ａおよび第２レンズ２３２ａはそれぞれ、非球面凸レンズであってもよい。第３レンズ２３３ａは、例えば単一のレンズであり、図７および図８に示す例では、単一のシリンドリカル凸レンズである。

本実施の形態においても、上記と同様に、走査機構２３７はガルバノスキャナである。走査機構２３７では、第１ガルバノモータ（図示省略）によって第１ガルバノミラー３７１が回転されることにより、第１ガルバノミラー３７１による変調ビームＬ３３の反射方向が変更される。また、第２ガルバノモータ（図示省略）によって第２ガルバノミラー３７２が回転されることにより、第２ガルバノミラー３７２による変調ビームＬ３３の反射方向が変更される。

図７および図８に例示する第２光学系２３ａでは、光変調器２２から被走査面９２に向かう光軸上において、短軸側遮光部２３６、第３レンズ２３３ａ、第１レンズ２３１ａ、長軸側遮光部２３５および第２レンズ２３２ａが、この順番で配列される。

短軸側遮光部２３６は、光変調器２２と第３レンズ２３３ａとの間において、上述の第２光学系２３と同様に、変調ビームＬ３３の短軸側の集光位置近傍に配置される。図７および図８に例示する第２光学系２３ａ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にて変調された変調ビームＬ３３は、直接的に（すなわち、他の光学素子を経由することなく）短軸側遮光部２３６に入射する。また、短軸側遮光部２３６の開口２３６０を通過した変調ビームＬ３３は、直接的に（すなわち、他の光学素子を経由することなく）第３レンズ２３３に入射する。

長軸側遮光部２３５は、第１レンズ２３１ａと第２レンズ２３２ａとの間において、上述の第２光学系２３と同様に、変調ビームＬ３３の長軸側の集光位置近傍に配置される。長軸側遮光部２３５が配置される位置は、例えば、第１レンズ２３１ａの後側焦点位置近傍である。第１レンズ２３１ａの後側焦点位置は、第２レンズ２３２ａの前側焦点位置と一致する。

第２光学系２３ａでは、また、光軸上における第１レンズ２３１ａと第２レンズ２３２ａとの間に、走査機構２３７が配置される。走査機構２３７は、上述の第２光学系２３と同様に、長軸側遮光部２３５に隣接して長軸側遮光部２３５の近傍に配置される。光軸方向において、走査機構２３７と長軸側遮光部２３５との間の距離は、走査機構２３７と第１レンズ２３１ａとの間の距離、および、走査機構２３７と第２レンズ２３２ａとの間の距離よりも小さい。

具体的には、走査機構２３７の第１ガルバノミラー３７１は、光軸方向において長軸側遮光部２３５の光変調器２２側に配置される。換言すれば、第１ガルバノミラー３７１は、光軸上において第１レンズ２３１ａと長軸側遮光部２３５との間に位置する。光軸方向において、第１ガルバノミラー３７１と長軸側遮光部２３５との間の距離は、第１ガルバノミラー３７１と第１レンズ２３１ａとの間の距離よりも小さい。第２ガルバノミラー３７２は、光軸方向において長軸側遮光部２３５の被走査面９２側に配置される。換言すれば、第２ガルバノミラー３７２は、光軸上において長軸側遮光部２３５と第２レンズ２３２ａとの間に位置する。光軸方向において、第２ガルバノミラー３７２と長軸側遮光部２３５との間の距離は、第２ガルバノミラー３７２と第２レンズ２３２ａとの間の距離よりも小さい。第１ガルバノミラー３７１および第２ガルバノミラー３７２と長軸側遮光部２３５等との位置関係は、上述の第２光学系２３におけるものと略同様である。

図７および図８に例示する第２光学系２３ａでは、図示されたもの以外の光学素子は設けられないことが好ましい。例えば、光軸上における第１レンズ２３１ａと第２レンズ２３２ａとの間には、長軸側遮光部２３５および走査機構２３７以外の光学素子は配置されない。当然に、第１レンズ２３１ａと第１ガルバノミラー３７１との間、および、第１ガルバノミラー３７１と長軸側遮光部２３５との間には、他の光学素子は配置されない。したがって、第１レンズ２３１ａを通過した変調ビームＬ３３は、直接的に（すなわち、他の光学素子を通過することなく）第１ガルバノミラー３７１に入射し、第１ガルバノミラー３７１にて反射された変調ビームＬ３３は、直接的に（すなわち、他の光学素子を通過することなく）長軸側遮光部２３５に入射する。

また、長軸側遮光部２３５と第２ガルバノミラー３７２との間、および、第２ガルバノミラー３７２と第２レンズ２３２ａとの間にも、他の光学素子は配置されない。したがって、長軸側遮光部２３５を通過した変調ビームＬ３３は、直接的に（すなわち、他の光学素子を通過することなく）第２ガルバノミラー３７２に入射し、第２ガルバノミラー３７２にて反射された変調ビームＬ３３は、直接的に（すなわち、他の光学素子を通過することなく）第２レンズ２３２ａに入射する。

第２光学系２３ａでは、第１レンズ２３１ａおよび第２レンズ２３２ａにより、光変調器２２の変調面と造形材料９１の被走査面９２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３レンズ２３３ａ、第１レンズ２３１ａおよび第２レンズ２３２ａにより、短軸側遮光部２３６と被走査面９２とが光学的に共役とされる。なお、第２光学系２３ａでは、第１レンズ２３１ａ、第２レンズ２３２ａおよび第３レンズ２３３ａ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。

第２光学系２３ａは、第２光学系２３と同様に、光変調器２２からの変調ビームＬ３３を造形材料９１の被走査面９２へと導き、被走査面９２上にスポット光アレイを形成するとともに、当該スポット光アレイを被走査面９２上にて走査する。

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２３６０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２３６０を通過する。短軸側遮光部２３６の開口２３６０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２３６０を通過する変調ビームＬ３３の強度分布は、図７よび図８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関数の二乗分布である。

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。短軸側の非０次回折光は、図５に示す短軸側遮光部２３６の開口２３６０よりも上側および下側（すなわち、開口２３６０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７および図８に示すように、短軸側遮光部２３６の開口２３６０を通過した変調ビームＬ３３の断面は、光軸方向において短軸側遮光部２３６から離れるに従って、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３レンズ２３３ａおよび第１レンズ２３１ａを通過することにより、短軸方向において平行光となる。例えば、短軸側遮光部２３６を通過した変調ビームＬ３３は、第３レンズ２３３ａを通過することにより短軸方向において平行光となり、第１レンズ２３１ａの通過時には短軸方向において屈折しない。また、変調ビームＬ３３は、長軸方向において、第３レンズ２３３ａの通過時には屈折せず、第１レンズ２３１ａを通過することにより収束されて第１レンズ２３１ａの後側焦点位置（すなわち、第２レンズ２３２ａの前側焦点位置）に集光される。

第３レンズ２３３ａおよび第１レンズ２３１ａを通過した変調ビームＬ３３は、走査機構２３７の第１ガルバノミラー３７１に入射する。具体的には、変調ビームＬ３３のうち、０次光が第１ガルバノミラー３７１に入射し、長軸側の非０次回折光（主として、１次回折光）は、第１ガルバノミラー３７１には入射しない。第１ガルバノミラー３７１によって反射された変調ビームＬ３３の０次光は、長軸側遮光部２３５の開口２３５０を通過する。走査機構２３７では、第１ガルバノモータによって第１ガルバノミラー３７１が回転されることにより、第１ガルバノミラー３７１による０次光の短軸方向における反射方向が変更される。これにより、変調ビームＬ３３の長軸側の集光位置に配置された長軸側遮光部２３５において、開口２３５０を通過する０次光の短軸方向における位置が変更される。

一方、変調ビームＬ３３のうち長軸側の非０次回折光は、上述のように第１ガルバノミラー３７１には入射せず、長軸側遮光部２３５に直接的に入射して遮られる。長軸側の非０次回折光は、図６に示す長軸側遮光部２３５の開口２３５０よりも図中の左側および右側（すなわち、開口２３５０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２３５０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２３５０を通過する変調ビームＬ３３の強度分布は、図７および図８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関数の二乗分布であり、短軸方向においてトップハット分布である。

長軸側遮光部２３５の開口２３５０を通過した変調ビームＬ３３（すなわち、０次光）の断面は、光軸方向において長軸側遮光部２３５から離れるに従って、長軸方向において広がる。長軸側遮光部２３５の開口２３５０を通過した変調ビームＬ３３は、走査機構２３７の第２ガルバノミラー３７２に入射する。第２ガルバノミラー３７２によって反射された変調ビームＬ３３は、第２レンズ２３２ａに入射する。走査機構２３７では、第２ガルバノモータによって第２ガルバノミラー３７２が回転されることにより、第２ガルバノミラー３７２による変調ビームＬ３３の長軸方向における反射方向が変更される。これにより、第２レンズ２３２ａに入射する変調ビームＬ３３の長軸方向における位置が変更される。

変調ビームＬ３３は、第２レンズ２３２ａ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造形材料９１の被走査面９２に入射する。また、短軸方向において平行光として第２レンズ２３２ａに入射した変調ビームＬ３３は、第２レンズ２３２ａを通過することにより、第２レンズ２３２ａの後側焦点位置に位置する被走査面９２上に、短軸方向において集光される。

造形材料９１の被走査面９２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。被走査面９２上における変調ビームＬ３３の強度分布は、図７および図８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関数の二乗分布である。換言すれば、変調ビームＬ３３によって被走査面９２上に形成されるスポット光アレイの長軸方向における強度分布、および、短軸方向における強度分布がそれぞれ、トップハット分布およびｓｉｎｃ関数の二乗分布となる。これにより、被走査面９２上において変調ビームＬ３３を好適に集光することができる。

光学装置１２ａが設けられる３次元造形装置１では、上記と略同様に、光学装置１２ａの走査機構２３７において第１ガルバノミラー３７１が回転することにより、上述のスポット光アレイが、造形材料９１の被走査面９２上において短軸方向に対応する方向（すなわち、スポット光アレイにおける複数のスポット光の配列方向に垂直な方向）へと走査される。また、走査機構２３７において第２ガルバノミラー３７２が回転することにより、上述のスポット光アレイが、造形材料９１の被走査面９２上において長軸方向に対応する方向（すなわち、スポット光アレイにおける複数のスポット光の配列方向に平行な方向）へと走査される。３次元造形装置１では、造形材料９１上におけるスポット光アレイの走査、および、造形空間１４０への造形材料９１の供給が繰り返されることにより、３次元造形物が形成される。

上述の光学装置１２，１２ａにおいて、短軸側遮光部２３６と造形材料９１の被走査面９２との間に配置されて変調ビームＬ３３を長軸方向において集光する光学素子を「第１投影光学素子」と呼ぶと、光学装置１２では第３レンズ２３３が第１投影光学素子であり、光学装置１２ａでは第１レンズ２３１ａが第１投影光学素子である。また、長軸側遮光部２３５と被走査面９２との間に配置されて、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被走査面９２に集光させる光学素子を「第２投影光学素子」と呼ぶと、光学装置１２では、第４レンズ２３４が第２投影光学素子であり、光学装置１２ａでは第２レンズ２３２ａが第２投影光学素子である。

上述の光学装置１２，１２ａでは、第１ガルバノミラー３７１が回転することにより、変調ビームＬ３３の短軸方向における反射方向が変更され、第２ガルバノミラー３７２が回転することにより、変調ビームＬ３３の長軸方向における反射方向が変更されるが、これには限定されない。例えば、第１ガルバノミラー３７１が回転することにより、変調ビームＬ３３の長軸方向における反射方向が変更され、第２ガルバノミラー３７２が回転することにより、変調ビームＬ３３の短軸方向における反射方向が変更されてもよい。すなわち、第１ガルバノミラー３７１は、回転することによって変調ビームＬ３３の長軸方向および短軸方向のうち一の方向における反射方向を変更する。また、第２ガルバノミラー３７２は、回転することによって変調ビームＬ３３の長軸方向および短軸方向のうち他の方向における反射方向を変更する。

上述の光学装置１２，１２ａでは、第１ガルバノミラー３７１は、第１投影光学素子（すなわち、第３レンズ２３３／第１レンズ２３１ａ）と長軸側遮光部２３５との間に配置され、第２ガルバノミラー３７２は、長軸側遮光部２３５と第２投影光学素子（すなわち、第４レンズ２３４／第２レンズ２３２ａ）との間に配置されるが、これには限定されない。例えば、第１ガルバノミラー３７１および第２ガルバノミラー３７２は、長軸側遮光部２３５と上述の第２投影光学素子との間に配置されてもよい。この場合、光軸方向において長軸側遮光部２３５よりも光変調器２２側に変調ビームＬ３３の向きを変更する機構が存在しないため、長軸側遮光部２３５の開口２３５０を小さくすることができる。また、長軸側の非０次回折光がガルバノミラーに入射することがないため、走査機構２３７および長軸側遮光部２３５の設計を容易とすることができる。

あるいは、第１ガルバノミラー３７１および第２ガルバノミラー３７２は、上述の第１投影光学素子と長軸側遮光部２３５との間に配置されてもよい。このように、第１ガルバノミラー３７１および第２ガルバノミラー３７２を、光軸方向において長軸側遮光部２３５のいずれか一方側に配置することにより、第１ガルバノミラー３７１と第２ガルバノミラー３７２との光軸方向における距離を小さくすることができる。その結果、第１ガルバノミラー３７１によって反射方向が変更された変調ビームＬ３３を受光する必要がある第２ガルバノミラー３７２を小型化することができる。

第１ガルバノミラー３７１および第２ガルバノミラー３７２の配置は、当該配置によるディストーション特性、および、上述の第２投影光学素子のディストーション特性等も考慮して、造形材料９１の被走査面９２上における変調ビームＬ３３の照射領域の形状が、所望の形状に近くなるように決定されることが好ましい。

光学装置１２，１２ａでは、走査機構２３７は、第１ガルバノミラー３７１および第２ガルバノミラー３７２のうち、いずれか一方のみを備えていてもよい。当該一方のガルバノミラーは、光軸方向において長軸側遮光部２３５の光変調器２２側に配置されてもよく、長軸側遮光部２３５の被走査面９２側に配置されてもよい。また、当該一方のガルバノミラーが回転することにより変更される変調ビームＬ３３の反射方向は、長軸方向におけるものであってもよく、短軸方向におけるものであってもよい。

すなわち、上記一方のガルバノミラーが光軸方向において長軸側遮光部２３５の光変調器２２側に配置されている場合、当該一方のガルバノミラーが回転することにより、長軸側遮光部２３５に入射する前の変調ビームＬ３３が、長軸方向および短軸方向のうち一の方向において走査される。また、上記一方のガルバノミラーが光軸方向において長軸側遮光部２３５の被走査面９２側に配置されている場合、当該一方のガルバノミラーが回転することにより、長軸側遮光部２３５を通過した変調ビームＬ３３が、長軸方向および短軸方向のうち一の方向において走査される。そして、長軸方向および短軸方向のうち他の方向における変調ビームＬ３３の走査は、例えば、材料供給機構１４に設けられたリニアモータ等の移動機構によって造形空間１４０内の造形材料９１が当該他の方向に対応する方向に移動されることによって実現される。

以上に説明したように、光学装置１２，１２ａは、対象物（上記例では、造形材料９１）上にスポット光アレイを照射して走査する装置である。光学装置１２，１２ａは、第１光学系２１，２１ａと、光変調器２２と、第２光学系２３，２３ａとを備える。第１光学系２１，２１ａ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を変調し、長軸方向においてパターンを有する変調ビームＬ３３を形成する。第２光学系２３，２３ａは、変調ビームＬ３３を対象物の被走査面９２に導いて長軸方向に延びるスポット光アレイを被走査面９２上に形成するとともに、当該スポット光アレイを被走査面９２上にて走査する。

第２光学系２３，２３ａは、短軸側遮光部２３６と、第１投影光学素子（上記例では、第３レンズ２３３または第１レンズ２３１ａ）と、長軸側遮光部２３５と、第２投影光学素子（上記例では、第４レンズ２３４または第２レンズ２３２ａ）と、走査機構２３７と、を備える。

短軸側遮光部２３６は、変調ビームＬ３３の短軸側の集光位置に配置される。短軸側遮光部２３６は、変調ビームＬ３３の短軸側の非０次回折光を遮る。第１投影光学素子は、短軸側遮光部２３６と被走査面９２との間に配置される。第１投影光学素子は、変調ビームＬ３３を長軸方向において集光する。長軸側遮光部２３５は、第１投影光学素子と被走査面９２との間において第１投影光学素子による変調ビームＬ３３の長軸側の集光位置に配置される。長軸側遮光部２３５は、変調ビームＬ３３の長軸側の非０次回折光を遮る。第２投影光学素子は、長軸側遮光部２３５と被走査面９２との間に配置される。第２投影光学素子は、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被走査面９２に集光させることにより、被走査面９２上にスポット光アレイを形成する。

走査機構２３７は、第１投影光学素子と第２投影光学素子との間において長軸側遮光部２３５に隣接して配置される。走査機構２３７は、長軸側遮光部２３５に入射する変調ビームＬ３３、または、長軸側遮光部２３５を通過した変調ビームＬ３３を、長軸方向および短軸方向のうち少なくとも一方において走査する。光学装置１２，１２ａでは、第２光学系２３，２３ａにより、光変調器２２の変調面と被走査面９２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１２，１２ａの第２光学系２３，２３ａでは、光変調器２２からの変調ビームＬ３３を対象物へとリレーして被走査面９２上にスポット光アレイを形成する投影光学系の内部に、当該スポット光アレイを被走査面９２上にて走査する走査機構２３７が組み込まれている。このため、投影光学系と走査部とが別々に設けられる場合に当該走査部において必要とされる走査機構以外の光学素子（例えば、走査部においてガルバノスキャナの前後に設けられるコリメートレンズおよびＦθレンズ等）を省略することができる。その結果、光学装置１２，１２ａの構造を簡素化することができる。また、光学装置１２，１２ａを小型化することができる。さらには、光学装置１２，１２ａの製造コストを低減することもできる。

上述のように、走査機構２３７は、変調ビームＬ３３の反射方向を変更するガルバノスキャナであることが好ましい。これにより、被走査面９２上におけるスポット光アレイの走査を、簡素な構造で実現することができる。その結果、光学装置１２，１２ａの構造をさらに簡素化することができる。

上述のように、ガルバノスキャナは、第１ガルバノミラー３７１と、第２ガルバノミラー３７２とを備えることが好ましい。第１ガルバノミラー３７１は、第１投影光学素子と長軸側遮光部２３５との間において、長軸側遮光部２３５に隣接して配置されることが好ましい。第１ガルバノミラー３７１は、回転することによって長軸方向および短軸方向のうち一の方向における変調ビームＬ３３の反射方向を変更する。また、第２ガルバノミラー３７２は、長軸側遮光部２３５と第２投影光学素子との間において、長軸側遮光部２３５に隣接して配置されることが好ましい。第２ガルバノミラー３７２は、回転することによって長軸方向および短軸方向のうち他の方向における変調ビームＬ３３の反射方向を変更する。

このように、光軸方向において、第１ガルバノミラー３７１および第２ガルバノミラー３７２を長軸側遮光部２３５の前後両側に配置することにより、第１投影光学素子と長軸側遮光部２３５との間の距離と、長軸側遮光部２３５と第２投影光学素子との間の距離とを略同じにすることができる。すなわち、光軸方向において、変調ビームＬ３３の長軸側の集光位置と第１投影光学素子との間の距離と、変調ビームＬ３３の長軸側の集光位置と第２投影光学素子との間の距離とを略同じにすることができる。これにより、光学装置１２，１２ａのディストーション特性を向上することができる。

上述のように、第１ガルバノミラー３７１は、変調ビームＬ３３の短軸方向における反射方向を変更することが好ましい。これにより、長軸側遮光部２３５において、開口２３５０の長軸方向の幅（すなわち、図６中の左右方向の幅）を小さくすることができる。その結果、長軸側の非０次回折光が開口２３５０に入射することを抑制することができ、光変調器２２によるスポット光アレイの変調を精度良く行うことができる。

上述のように、第１光学系２１，２１ａは、ビームシェイパ２１３を備えることが好ましい。ビームシェイパ２１３は、レーザ光Ｌ３１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、変調面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。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、ビームシェイパ２１３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さらに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。

上述のように、走査機構２３７と長軸側遮光部２３５との間に光学素子は配置されないことが好ましい。これにより、光学装置１２，１２ａの構造をさらに簡素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３次元造形装置１は、光学装置１２，１２ａと、レーザ光源１１と、材料保持部（上記例では、造形部１４１）とを備える。レーザ光源１１は、光学装置１２，１２ａへとレーザ光Ｌ３１を出射する。材料保持部は、光学装置１２，１２ａからの変調ビームＬ３３が照射される上記対象物である造形材料９１を保持する。３次元造形装置１では、上述のように、光学装置１２，１２ａの構造を簡素化することができる。したがって、３次元造形装置１の構造を簡素化して小型化することができる。

上述の光学装置１２，１２ａ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。

走査機構２３７は、必ずしもガルバノスキャナである必要はなく、例えば、ポリゴンレーザスキャナ等の他の構造を有する走査機構であってもよい。

光学装置１２，１２ａでは、ビームシェイパ２１３は、必ずしも単一の光学素子である必要はなく、複数の光学素子によって構成されていてもよい。ビームシェイパ２１３は、レーザ光Ｌ３１の短軸方向における強度分布をトップハット分布に変換することなく、長軸方向における強度分布のみをトップハット分布に変換してもよい。あるいは、光学装置１２，１２ａでは、レーザ光Ｌ３１の強度分布をトップハット分布に変換するビームシェイパ２１３は、省略されてもよい。

光学装置１２，１２ａでは、走査機構２３７と長軸側遮光部２３５との間に他の光学素子が配置されてもよい。

光学装置１２，１２ａは、上述の３次元造形装置１とは異なる構造を有する３次元造形装置に設けられてもよい。また、光学装置１２，１２ａは、必ずしも３次元造形装置１に設けられる必要はなく、３次元造形装置以外の様々な装置（例えば、レーザーマーキング装置やレーザドリリ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
１２，１２ａ 光学装置
２１，２１ａ 第１光学系
２２ 光変調器
２３，２３ａ 第２光学系
９１ 造形材料
９２ 被走査面
１４１ 造形部
２１３ ビームシェイパ
２３１，２３１ａ 第１レンズ
２３２，２３２ａ 第２レンズ
２３３，２３３ａ 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
２３７ 走査機構
３７１ 第１ガルバノミラー
３７２ 第２ガルバノミラー
Ｌ３１ レーザ光
Ｌ３２ 整形ビーム
Ｌ３３ 変調ビーム

Claims (9)

1. 対象物上にスポット光アレイを照射して走査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第１光学系と、
   前記整形ビームを変調し、前記長軸方向においてパターンを有する変調ビームを形成する光変調器と、
   前記変調ビームを対象物の被走査面に導いて前記長軸方向に延びるスポット光アレイを前記被走査面上に形成するとともに、前記スポット光アレイを前記被走査面上にて走査する第２光学系と、
   を備え、
   前記第２光学系は、
   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、
   前記短軸側遮光部と前記被走査面との間に配置され、前記変調ビームを前記長軸方向において集光する第１投影光学素子と、
   前記第１投影光学素子と前記被走査面との間において前記第１投影光学素子による前記変調ビームの前記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、
   前記長軸側遮光部と前記被走査面との間に配置され、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被走査面に集光させることにより、前記被走査面上にスポット光アレイを形成する第２投影光学素子と、
   前記第１投影光学素子と前記第２投影光学素子との間において前記長軸側遮光部に隣接して配置され、前記長軸側遮光部に入射する前記変調ビームまたは前記長軸側遮光部を通過した前記変調ビームを、前記長軸方向および前記短軸方向のうち少なくとも一方において走査する走査機構と、
   を備え、
   前記第２光学系により、前記光変調器の変調面と前記被走査面とが前記長軸方向について光学的に共役とされる光学装置。
2. 請求項１に記載の光学装置であって、
   前記走査機構は、前記変調ビームの反射方向を変更するガルバノスキャナである光学装置。
3. 請求項２に記載の光学装置であって、
   前記ガルバノスキャナは、
   前記第１投影光学素子と前記長軸側遮光部との間において前記長軸側遮光部に隣接して配置され、回転することによって前記長軸方向および前記短軸方向のうち一の方向における前記変調ビームの反射方向を変更する第１ガルバノミラーと、
   前記長軸側遮光部と前記第２投影光学素子との間において前記長軸側遮光部に隣接して配置され、回転することによって前記長軸方向および前記短軸方向のうち他の方向における前記変調ビームの反射方向を変更する第２ガルバノミラーと、
   を備える光学装置。
4. 請求項３に記載の光学装置であって、
   前記第１ガルバノミラーは、前記変調ビームの前記短軸方向における反射方向を変更する光学装置。
5. 請求項１に記載の光学装置であって、
   前記第１光学系は、前記レーザ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ビームシェイパを備える光学装置。
6. 請求項５に記載の光学装置であって、
   前記ビームシェイパは、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光学装置。
7. 請求項１に記載の光学装置であって、
   前記走査機構と前記長軸側遮光部との間に光学素子は配置されない光学装置。
8. 請求項１に記載の光学装置であって、
   前記光変調器はＰＬＶである光学装置。
9. ３次元造形装置であって、
   請求項１ないし８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る造形材料を保持する材料保持部と、
   を備える３次元造形装置。

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