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公開番号2025099031
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-07-03
出願番号2023215365
出願日2023-12-21
発明の名称光学装置および3次元造形装置
出願人株式会社SCREENホールディングス
代理人弁理士法人松阪国際特許事務所,個人,個人,個人
主分類B23K 26/34 20140101AFI20250626BHJP(工作機械;他に分類されない金属加工)
要約【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
特許請求の範囲【請求項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。
続きを表示（約 1,000 文字）【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
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。
続きを表示（約 2,100 文字）【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
特開２０１１－１２７１９２号公報
特開２０２１－１６５７６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
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。
（【００１１】以降は省略されています）

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