JP7538016B2 - 光学装置および3次元造形装置 - Google Patents
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Description
本発明は、対象物上の照射面に変調ビームを照射する光学装置、および、当該光学装置を備える3次元造形装置に関する。
近年、金属粉末等の造形材料に変調されたレーザ光を照射し、造形材料を溶融させることにより3次元造形を行うSLM(Selective Laser Melting)式の3次元造形装置が使用されている。当該3次元造形装置では、例えば、回折型光変調器によってレーザ光を変調させて造形材料に照射する光学装置が用いられる。当該光学装置では、光変調器からの0次回折ビームが造形材料へと導かれ、造形材料に照射されない1次回折ビーム等の高次回折ビームは、光学装置内に設けられた遮光部にて遮光される。当該遮光部は、遮光部および光学装置の大型化を抑制するために、通常、1次回折ビーム等の集束位置近傍に設けられる。
このような光学装置は、基板上にレーザ光を照射してパターンを描画するパターン描画装置にも用いられており、特許文献1のパターン描画装置では、パターンの描画に利用されない回折ビームを吸収する吸収体がヘッド内に設けられている。なお、特許文献1の図3に示されるように、吸収体TRを反射ミラー等の他の光学素子から離して配置すると光学装置が大型化する。
ところで、上述の3次元造形装置では、生産性の向上が求められており、造形材料に照射されるレーザ光のパワー密度(すなわち、単位面積当たりの光強度)を増大させることが検討されている。レーザ光のパワー密度が増大すると、上記遮光部のように回折ビームを遮光または吸収する部位において、レーザ光から変換される熱量が大きくなって排熱が間に合わず、遮光部の温度が局所的に上昇して遮光部が損傷するおそれがある。また、遮光部の温度上昇に伴って周囲の部品の温度も上昇し、レーザ光の照射精度が低下するおそれもある。さらに、遮光部において吸収しきれずに周囲に漏出した散乱光により周囲の部品の温度が上昇し、レーザ光の照射精度が低下するおそれもある。
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、遮光ユニットから外部への光の漏出を抑制するとともに、遮光ユニットの温度上昇を抑制することを目的としている。
請求項1に記載の発明は、対象物に変調光を照射する光学装置であって、レーザ光源から出射されたレーザ光を所定の形状に整形する照明光学系と、
前記照明光学系により整形された前記レーザ光を変調ビームに変調する光変調器と、前記変調ビームを対象物へと導く投影光学系とを備え、前記投影光学系は、前記光変調器からの0次回折ビームを通過させて1次回折ビームを遮る遮光ユニットを備え、前記遮光ユニットは、前記0次回折ビームの光軸上における前記0次回折ビームの集束位置近傍に位置し、前記0次回折ビームを通過させる0次回折ビーム開口と、前記1次回折ビームの光軸上における前記1次回折ビームの集束位置近傍かつ前記0次回折ビーム開口近傍に位置し、前記1次回折ビームの入射方向から逸れる方向であって前記0次回折ビームの光軸から離れる方向へと前記1次回折ビームを反射する導入反射面と、前記導入反射面からの光が入射する導入口を有し、前記導入口から導入された光を導く周囲が遮光部材により囲まれた導光路と、前記導光路により拡散されつつ導かれた光を吸収する吸光部とを備える。
前記照明光学系により整形された前記レーザ光を変調ビームに変調する光変調器と、前記変調ビームを対象物へと導く投影光学系とを備え、前記投影光学系は、前記光変調器からの0次回折ビームを通過させて1次回折ビームを遮る遮光ユニットを備え、前記遮光ユニットは、前記0次回折ビームの光軸上における前記0次回折ビームの集束位置近傍に位置し、前記0次回折ビームを通過させる0次回折ビーム開口と、前記1次回折ビームの光軸上における前記1次回折ビームの集束位置近傍かつ前記0次回折ビーム開口近傍に位置し、前記1次回折ビームの入射方向から逸れる方向であって前記0次回折ビームの光軸から離れる方向へと前記1次回折ビームを反射する導入反射面と、前記導入反射面からの光が入射する導入口を有し、前記導入口から導入された光を導く周囲が遮光部材により囲まれた導光路と、前記導光路により拡散されつつ導かれた光を吸収する吸光部とを備える。
請求項1に記載の光学装置であって、前記導入反射面は鏡面であり、前記導光路は、前記導入反射面からの光を散乱させつつ反射して導く散乱反射面を内部に備える。
請求項2に記載の光学装置であって、前記散乱反射面は、前記導光路における、前記散乱反射面までの奥行き方向および前記散乱反射面からの奥行き方向の両方に平行な面に沿って延びる線状の微細凹凸を有する。
請求項1ないし3のいずれか1つに記載の光学装置であって、前記導入反射面は、前記1次回折ビームの光軸上において前記1次回折ビームの集束位置よりも手前側に配置され、前記導光路において前記導入反射面からの光が直接的に入射する反射面と前記導入反射面との間にて前記1次回折ビームが集束する。
請求項1ないし4のいずれか1つに記載の光学装置であって、前記吸光部は、吸光膜が表面に設けられた凹凸面を備える。
請求項1ないし5のいずれか1つに記載の光学装置であって、前記遮光ユニットは、前記吸光部近傍に配置されて内部を冷媒が流れる冷却流路をさらに備える。
請求項6に記載の光学装置であって、前記導光路近傍にも、内部を冷媒が流れる冷却流路が配置される。
請求項1ないし7のいずれか1つに記載の光学装置であって、前記遮光ユニットでは、前記0次回折ビーム開口および前記導入反射面の周囲にて前記0次回折ビームの光軸に垂直な方向に広がる外面上に、前記光変調器からの2次回折ビームを吸収する2次吸光部が設けられる。
請求項1ないし8のいずれか1つに記載の光学装置であって、前記導光路は前記0次回折ビームの光軸に垂直な面に平行に延びる。
請求項9に記載の光学装置であって、前記導光路は、前記0次回折ビーム開口の周囲にて屈曲しつつ延びて前記0次回折ビーム開口を囲む。
請求項1ないし9のいずれか1つに記載の光学装置であって、前記導入反射面は、前記0次回折ビーム開口の周囲を囲むとともに前記0次回折ビームの光軸方向手前側から奥側に向かうに従って前記0次回折ビームの光軸から離れる周状傾斜面の一部であり、前記導光路は、前記周状傾斜面から外側へと放射状に広がる環状空間の一部である。
請求項1ないし8のいずれか1つに記載の光学装置であって、前記0次回折ビームおよび前記1次回折ビームは、上下方向に広がる面状ビームであり、前記導光路は、前記0次回折ビームの光軸に対して傾斜する方向かつ上下方向に広がる互いに平行な一対の反射面を備え、前記導入反射面は、前記一対の反射面のうち一方の反射面における前記0次回折ビームに近い側の端部であり、前記導入反射面からの光は、前記一対の反射面の間で往復しつつ前記導光路内を導かれる。
請求項1ないし12のいずれか1つに記載の光学装置であって、前記導入反射面および前記導光路は、切削加工により形成された1つの切削ブロックに設けられる。
請求項13に記載の光学装置であって、前記遮光ユニットは、前記光変調器からの複数の1次回折ビームを遮り、前記遮光ユニットは、前記複数の1次回折ビームにそれぞれ対応する複数の遮光部を備え、各遮光部は、前記導入反射面および前記導光路を備え
前記複数の遮光部の前記0次回折ビーム開口に対する相対位置は可変である。
前記複数の遮光部の前記0次回折ビーム開口に対する相対位置は可変である。
3次元造形装置であって、請求項1ないし14のいずれか1つに記載の光学装置と、前記光学装置へと前記レーザ光を出射するレーザ光源と、前記光学装置からの前記変調ビームが照射される前記対象物であり、前記変調ビームを造形材料上で走査する走査部とを備える。
本発明では、遮光ユニットから外部への光の漏出を抑制することができるとともに、遮光ユニットの温度上昇を抑制することができる。
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る光学装置12を備える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、造形材料を溶融させることにより3次元造形を行うSLM(Selective Laser Melting)式の3次元造形装置である。造形材料は、例えば、金属、エンジニアリングプラスチック、セラミックスまたは合成樹脂等である。当該造形材料は、複数種類の材料を含んでいてもよい。
3次元造形装置1は、レーザ光源11と、光学装置12と、走査部13と、材料供給機構14とを備える。3次元造形装置1では、レーザ光源11から出射されたレーザ光L31は、光学装置12により走査部13へと導かれ、走査部13により、材料供給機構14の造形空間140内の造形材料91上にて走査される。これにより、造形材料91のうち、レーザ光が照射された部位が溶融する。そして、造形空間140への造形材料91の供給、および、造形材料91上におけるレーザ光の走査が繰り返されることにより、3次元造形物が形成される。図1では、図の理解を容易にするために、光学装置12の各構成を二点鎖線にて囲む。
3次元造形装置1では、製造される予定の3次元造形物の設計データ(例えば、CADデータ)等に基づいて、レーザ光源11、光学装置12(例えば、後述する光変調器22)、走査部13および材料供給機構14等の構成が、図示省略の制御部により制御される。当該制御部は、例えば、プロセッサと、メモリと、入出力部と、バスとを備える通常のコンピュータである。
レーザ光源11は、光学装置12へとレーザ光L31を出射する。レーザ光源11は、例えば、ファイバレーザ光源である。レーザ光L31の波長は、例えば1.070μmである。
光学装置12は、レーザ光源11からのレーザ光L31を変調ビームL33に変調し、走査部13へと照射する。光学装置12は、照明光学系21と、光変調器22と、投影光学系23とを備える。照明光学系21および投影光学系23はそれぞれ、後述するように、レンズ等の光学素子を複数備える。
照明光学系21は、レーザ光源11からのレーザ光L31を、所定の形状に整形して光変調器22へと導く。本実施の形態では、照明光学系21は、レーザ光L31を一の方向(以下、「長軸方向」と呼ぶ。)に長い略線状の平行ビームL32に整形して光変調器22へと導く。換言すれば、平行ビームL32の断面形状は、長軸方向に長く、長軸方向に垂直な短軸方向に短い略線状である。平行ビームL32の断面形状とは、平行ビームL32の進行方向に対して垂直な面における平行ビームL32の形状である。以下の説明において、光の断面とは、上記と同様に、当該光の進行方向に対して垂直な面における当該光の断面を意味する。平行ビームL32の断面形状は、略矩形状と捉えることもできる。平行ビームL32の断面の大きさは、平行ビームL32の進行方向のいずれの位置においても同じである。光変調器22上における平行ビームL32の照射領域の形状は、例えば、長軸方向の長さが28mm、短軸方向の長さが1mmの略線状(または略矩形状)である。
光変調器22は、照明光学系21からの平行ビームL32を、変調ビームL33に変調して投影光学系23へと導く。光変調器22としては、例えば、1次元空間光変調素子であるGLV(Grating Light Valve)(登録商標)等が利用可能である。
光変調器22は、平行ビームL32の長軸方向に対応する方向に配列された複数の変調要素(図示省略)を備える。各変調要素は、隣接して配置される複数のリボンを備える。光変調器22では、回折格子を利用した光変調が行われ、各変調要素からの反射光が、0次回折ビーム(すなわち、正反射光)と非0次回折ビームとの間で切り替えられる。光変調器22から出射された0次回折ビームは、投影光学系23により走査部13へと導かれる。また、光変調器22から出射された非0次回折ビームは、投影光学系23に設けられた後述の遮光ユニット24により、走査部13よりも手前で遮られて吸収される。
投影光学系23は、光変調器22からの変調ビームL33を集光しつつ走査部13へと導く。換言すれば、走査部13は、光学装置12により変調ビームL33が導かれる対象物である。変調ビームL33は、走査部13の照射面131上に照射される。
走査部13は、光学装置12の投影光学系23からの変調ビームL33を反射し、材料供給機構14の造形空間140内の造形材料91上で走査する。走査部13としては、例えば、ガルバノスキャナまたはポリゴンレーザスキャナ等が利用可能である。本実施の形態では、走査部13は、ガルバノミラー132およびガルバノモータ(図示省略)を備えるガルバノスキャナであり、ガルバノミラー132の反射面が上述の照射面131となる。走査部13では、ガルバノモータによってガルバノミラー132が回転することにより、ガルバノミラー132により反射される変調ビームL33の進行方向が変更される。その結果、造形材料91上に照射された変調ビームL33が、変調ビームL33の短軸方向に対応する走査方向に走査される。
材料供給機構14は、造形部141と、供給部142とを備える。造形部141は、第1シリンダ143と、第1ピストン144とを備える。第1シリンダ143は、上下方向に延びる筒状の部材である。第1シリンダ143の内部空間の平面視における形状は、例えば略矩形である。第1ピストン144は、第1シリンダ143の内部空間に収容される略平板状または略柱状の部材であり、平面視における形状は、第1シリンダ143の内部空間と略同じである。第1ピストン144は、第1シリンダ143の内部空間において、上下方向に移動可能である。造形部141では、第1シリンダ143の内側面と第1ピストン144の上面とにより囲まれる3次元空間が、変調ビームL33による3次元造形が行われる造形空間140となる。
供給部142は、第2シリンダ145と、第2ピストン146と、スキージ147とを備える。第2シリンダ145は、上下方向に延びる筒状の部材であり、第1シリンダ143の側方に隣接して配置される。第2シリンダ145の内部空間の平面視における形状は、例えば略矩形である。第2ピストン146は、第2シリンダ145の内部空間に収容される略平板状または略柱状の部材であり、平面視における形状は、第2シリンダ145の内部空間と略同じである。第2ピストン146は、第2シリンダ145の内部空間において、上下方向に移動可能である。供給部142では、第2シリンダ145の内側面と第2ピストン146の上面とにより囲まれる3次元空間が、造形部141に供給される予定の造形材料91が貯溜される貯溜空間となる。スキージ147は、第2シリンダ145の上部開口を横断して水平方向に延びる棒状(例えば、略円柱状)の部材である。スキージ147は、第2シリンダ145の上端面に沿って水平方向に移動可能である。
供給部142では、第2ピストン146が所定距離だけ上昇し、第2シリンダ145内の造形材料91が上方へと持ち上げられる。そして、スキージ147が第2シリンダ145上から第1シリンダ143上へと移動することにより、第2シリンダ145の上端面よりも上側に突出する造形材料91が、造形部141の造形空間140内に供給される。造形空間140内に保持された造形材料91の上面は、所定の高さ(例えば、第1シリンダ143の上端面と同じ高さ)に位置する。
3次元造形装置1では、造形空間140内の造形材料91に対して、上述の変調ビームL33の走査が行われる。これにより、造形空間140内の造形材料91の表層部において、変調ビームL33が照射された部位が溶融し、3次元造形物を上下方向に積層される複数の層に分割した場合の1つの層に相当する部位が形成される。造形空間140内の造形材料91に対する上述の変調ビームL33の走査が終了すると、第1ピストン144が所定距離だけ下降する。その後、上述のように、供給部142から造形空間140への造形材料91の供給が行われ、変調ビームL33の走査が行われる。3次元造形装置1では、造形空間140に対する造形材料91の供給と、造形空間140内の造形材料91に対する変調ビームL33の走査とが繰り返されることにより、造形空間140内に3次元造形物が形成される。
次に、光学装置12の投影光学系23の構造について、図2および図3を参照しつつ説明する。図2では、変調ビームL33の0次回折ビームL35を実線にて描き、1次回折ビームL36を破線にて描く。図2では、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、変調ビームL33の光路を示す。図2では、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3では、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、変調ビームL33の光路を示す。図3では、変調ビームL33の短軸方向は、図中の上下方向と一致する。図3では、図2中の0次回折ビームL35と1次回折ビームL36とは重なっている。
投影光学系23は、第1レンズ231と、第2レンズ232と、第3レンズ233と、遮光ユニット24とを備える。第1レンズ231および第2レンズ232は、例えば、球面凸レンズである。第3レンズ233は、例えば、シリンドリカル凸レンズである。
第2レンズ232および第3レンズ233は、第1レンズ231よりも変調ビームL33の進行方向(すなわち、光変調器22から走査部13へと向かう変調ビームL33が進行する側)に位置する。換言すれば、第2レンズ232および第3レンズ233は、変調ビームL33の光路上において、第1レンズ231よりも走査部13に近い側に位置する。第3レンズ233は、第2レンズ232よりも変調ビームL33の進行方向に位置する。投影光学系23では、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、走査部13の照射面131とが、長軸方向および短軸方向について光学的に共役とされる。
遮光ユニット24は、変調ビームL33の光路上において、第1レンズ231と第2レンズ232との間に配置される。遮光ユニット24は、光変調器22からの0次回折ビームL35を通過させ、1次回折ビームL36を遮る。遮光ユニット24は、0次回折ビームL35の集束位置近傍に配置され、0次回折ビームL35の長軸方向の両側にて集束する2つの1次回折ビームL36を遮る。遮光ユニット24により遮られる1次回折ビームL36は、長軸方向および短軸方向の双方において集束している。また、遮光ユニット24は、光変調器22からの2次以上の非0次回折ビーム(図示省略)も遮る。
なお、投影光学系23では、第1レンズ231、第2レンズ232および第3レンズ233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、実際の投影光学系23では、各レンズおよび遮光ユニット24は互いに近接して配置されている。
次に、遮光ユニット24について、図4ないし図7を参照しつつ説明する。図4は、遮光ユニット24の外観を示す斜視図である。図5は、遮光ユニット24の内部を示す斜視図である。図6は、遮光ユニット24の正面図である。図7は、遮光ユニット24の内部を示す斜視図である。
遮光ユニット24は、略矩形平板状の構造体である。遮光ユニット24の縦方向および横方向の長さは、例えば数十mmであり、遮光ユニット24の厚さ(すなわち、正面視における奥行き)は、例えば十数mmである。遮光ユニット24の正面視における中央部には、光変調器22(図1参照)からの0次回折ビームが通過する0次回折ビーム開口240が設けられる。0次回折ビーム開口240は、0次回折ビームの光軸J35上における0次回折ビームの集束位置近傍に位置する。
図4および図5では、0次回折ビームの光軸J35を一点鎖線にて示す。また、図4および図5では、1次回折ビームの光軸J36も一点鎖線にて示す。以下の説明では、0次回折ビームの光軸J35が延びる方向を「X方向」とも呼ぶ。また、X方向に垂直な互いに直交する2つの方向を「Y方向」および「Z方向」とも呼ぶ。Z方向は、図4中の上下方向であり、上述の長軸方向に対応する。遮光ユニット24は、Y方向およびZ方向に広がる(すなわち、X方向に略垂直に広がる)略平板状の構造体である。
遮光ユニット24には、2つの1次回折ビームが(-X)側から入射する。遮光ユニット24は、2つの1次回折ビームをそれぞれ遮る2つの遮光部241を備える。なお、投影光学系23では、光変調器22から遮光ユニット24に入射する1次回折ビームの数は2には限定されず、3以上であってもよい。すなわち、投影光学系23では、遮光ユニット24に複数の1次回折ビームが入射し、遮光ユニット24は、複数の1次回折ビームにそれぞれ対応する複数の遮光部241を備える。
各遮光部241は、導入反射面41と、導光路42と、吸光部43とを備える。図5および図7では、吸光部43に平行斜線を付す。導光路42は、遮光ユニット24の内部に設けられた通路(すなわち、空間)である。導光路42の一方の端部である導入口44は、0次回折ビーム開口240の近傍に配置される。導入反射面41は、導光路42の外側において、導入口44および0次回折ビーム開口240の近傍に配置される。図5に示す例では、2つの遮光部241の導入反射面41は、0次回折ビーム開口240の(+Z)側および(-Z)側に配置される。
導入反射面41は、光変調器22からの1次回折ビームの光軸J36上において、1次回折ビームの集束位置近傍に配置される。導入反射面41は、1次回折ビームを反射して導光路42の導入口44へと導く。導入反射面41による1次回折ビームの反射方向は、導入反射面41に対する1次回折ビームの入射方向から逸れる方向であって、かつ、0次回折ビームの光軸J35から離れる方向である。すなわち、導入反射面41は、1次回折ビームを0次回折ビームから大きく離間する方向へと導く。
導入反射面41にて反射された1次回折ビームは、導入口44から導光路42の内部へと入射する。導光路42は、周囲を遮光部材により囲まれた空間であり、YZ平面(すなわち、0次回折ビームの光軸J35に垂直な面)に平行に延びている。導光路42は、導入口44から導入された光(以下、「導入1次光」とも呼ぶ。)を、図6中の矢印361に沿って拡散させつつ、導入口44とは反対側の端部である終端部へと導く。吸光部43は、導光路42の終端部において導光路42により導かれた導入1次光を吸収する。
次に、遮光部241の構造の詳細について説明する。以下では、0次回折ビーム開口240の(-Z)側に位置する導入反射面41を含む一方の遮光部241に注目して説明する。他方の遮光部241の構造は、正面視において、0次回折ビームの光軸J35を中心として上記一方の遮光部241の構造と略点対称である。
当該一方の遮光部241では、導入反射面41は、Z方向に略平行に延びる平面であり、(+Y)側に向かうに従って(+X)側へと向かう傾斜面である。導入反射面41のX方向に対する傾斜角、および、Y方向に対する傾斜角は、それぞれ約45°である。導入反射面41は、例えば鏡面である。ここでは、鏡面とは、入射する1次回折ビームが実質的に散乱することなく全反射される反射面を意味する。後述する遮光ユニット24a,24bにおいても同様である。1次回折ビームは、導入反射面41の略中央部にて(+Y)方向へと反射され、導光路42の導入口44へと向かう。導入反射面41にて反射した1次回折ビームは、実質的に全光量が導入口44へと導かれて導光路42の内部へと導入される。
導光路42は、0次回折ビーム開口240の周囲において、0次回折ビーム開口240を囲むように屈曲しつつ延びる。具体的には、導光路42は、0次回折ビーム開口240の(-Z)側から(+Y)方向へと延び、略直角に屈曲して(+Z)方向へと延び、略直角に屈曲して(-Y)方向へと延び、0次回折ビーム開口240の(+Z)側を通過して、0次回折ビーム開口240よりも(-Y)側まで延びる。遮光ユニット24では、2つの導光路42により、0次回折ビーム開口240の周囲が略全周に亘って囲まれる。
導光路42の内部には、第1内部反射面421、第2内部反射面422および第3内部反射面423が設けられている。第1内部反射面421は、導入反射面41の(+Y)側において、導光路42が屈曲する部位に配置される。第2内部反射面422は、第1内部反射面421の(+Z)側において、導光路42が屈曲する部位に配置される。第3内部反射面423は、第2内部反射面422の(-Y)側において、導光路42の終端部に配置される。導入反射面41により反射されて導光路42に導入された導入1次光は、第1内部反射面421、第2内部反射面422および第3内部反射面423により、この順番で反射されて吸光部43へと導かれる。
第1内部反射面421は、X方向に略平行に延びる平面であり、(+Y)側に向かうに従って(+Z)側へと向かう傾斜面である。第1内部反射面421のY方向に対する傾斜角、および、Z方向に対する傾斜角は、それぞれ約45°である。導入反射面41から(+Y)方向へと進む導入1次光は、他の反射面を経由することなく第1内部反射面421へと直接的に入射する。導入反射面41から第1内部反射面421に入射した導入1次光は、第1内部反射面421により(+Z)方向へと反射され、第2内部反射面422へと向かう。第2内部反射面422は、X方向に略平行に延びる平面であり、(-Y)側に向かうに従って(+Z)側へと向かう傾斜面である。第2内部反射面422のY方向に対する傾斜角、および、Z方向に対する傾斜角は、それぞれ約45°である。第1内部反射面421から第2内部反射面422に入射した導入1次光は、第2内部反射面422により(-Y)方向へと反射され、第3内部反射面423へと向かう。
第3内部反射面423は、Z方向に略平行に延びる平面であり、(-Y)側に向かうに従って(+X)側へと向かう傾斜面である。第3内部反射面423のX方向に対する傾斜角、および、Y方向に対する傾斜角は、それぞれ約45°である。第2内部反射面422から第3内部反射面423に入射した導入1次光は、第3内部反射面423により(+X)方向へと反射され、導光路42の(+X)側の側面である吸光部43へと向かう。上述のように、導光路42は遮光部材により囲まれているため、導入口44から吸光部43へと向かう導入1次光が、導光路42から遮光ユニット24の外部へと漏出することが防止される。
吸光部43は、X方向に略垂直な平面であり、表面に吸光膜が設けられる。当該吸収膜は、光を吸収しやすい材料により形成されたフィルム状またはシート状の部材であってもよく、光を吸収しやすい材料が塗布されることにより形成された塗布膜であってもよい。吸光部43には、第3内部反射面423にて反射された導入1次光が照射される。換言すれば、吸光部43は、導光路42を通過した導入1次光が照射される被照射面を備える。吸光部43では、導光路42からの導入1次光が吸光膜により吸収される。
図8は、上述の一方の遮光部241を拡大して示す正面図である。図8では、導入反射面41に入射する1次回折ビームL36を実線にて描き、1次回折ビームL36の光軸J36を一点鎖線にて描く。また、図8では、第1内部反射面421、第2内部反射面422および第3内部反射面423において散乱等が生じない場合の導入1次光L37を二点鎖線にて描き、導入1次光L37の光軸J37を一点鎖線にて描く。
上述のように、導入反射面41は、1次回折ビームL36の集束位置360近傍に配置されている。図8に示す例では、導入反射面41は、1次回折ビームL36の光軸J36上において、1次回折ビームL36の集束位置360よりも手前側(すなわち、1次回折ビームL36の光軸J36上における光変調器22側)に配置される。そして、導入反射面41により反射された1次回折ビームL36は、導入反射面41と第1内部反射面421との間の集束位置360にて集束する。換言すれば、1次回折ビームL36の集束位置360は、導入反射面41と第1内部反射面421との間に位置する。1次回折ビームL36の集束位置360は、導入反射面41と導光路42の導入口44との間(すなわち、導光路42の外部)に位置していてもよく、導入口44と第1内部反射面421との間(すなわち、導光路42の内部)に位置してもよい。あるいは、1次回折ビームL36の集束位置360は、導入口44上に位置していてもよい。
導入口44から導入されて第1内部反射面421に向かう導入1次光L37は、上述の集束位置360を通過した後、光軸J37に垂直な断面における面積を拡大しつつ(すなわち、拡散しつつ)導光路42の内部を(+Y)方向に進む。そして、第1内部反射面421に反射された後も略同様に拡散しつつ、第2内部反射面422および第3内部反射面423を経由して吸光部43へと導かれる。このため、吸光部43上における導入1次光L37の照射面積が大きくなり、導入1次光L37のパワー密度が低減される。その結果、吸光部43の温度上昇(特に、導入1次光L37が照射される領域における局所的な温度上昇)を抑制することができる。
吸光部43では、導入1次光L37の照射面積をさらに大きくするために、吸光膜が設けられている面(すなわち、(-X)側の面)に、X方向に凸または凹となる凹凸が設けられてもよい。当該凹凸の高さ(すなわち、X方向の高さ)は、例えば数mm程度である。吸光膜は、当該凹凸に沿って設けられる。吸光膜が設けられる面を凹凸面とすることにより、導入1次光L37の照射面積がさらに大きくなり、吸光部43の温度上昇がさらに抑制される。
また、吸光部43における導入1次光L37の照射面積をさらに大きくするために、第1内部反射面421、第2内部反射面422および第3内部反射面423に微細な凹凸が設けられてもよい。この場合、第1内部反射面421、第2内部反射面422および第3内部反射面423に入射した導入1次光L37が散乱しつつ反射され、導光路42の内部を吸光部43に向かって進む導入1次光L37がさらに拡散する。換言すれば、遮光ユニット24では、第1内部反射面421、第2内部反射面422および第3内部反射面423を散乱反射面とすることにより、導光路42の内部を進む導入1次光L37の拡散が促進され、吸光部43における導入1次光L37の照射面積がさらに拡大される。その結果、吸光部43の温度上昇がさらに抑制される。
図9は、微細凹凸424が設けられた第1内部反射面421を拡大して示す斜視図である。図9に示す例では、微細凹凸424は、第1内部反射面421に沿ってY方向およびZ方向に延びる線状凹凸(すなわち、(+Y)側に向かうに従って(+Z)側へと向かうヘアライン)である。換言すれば、微細凹凸424は、第1内部反射面421向かって導光路42が延びる方向(すなわち、Y方向)と、第1内部反射面421から導光路42が延びる方向(すなわち、Z方向)の両方に平行な面に沿って延びる線状凹凸である。さらに換言すれば、微細凹凸424は、導光路42における、第1内部反射面421までの奥行き方向(すなわち、Y方向)および第1内部反射面421からの奥行き方向(すなわち、Z方向)の両方に平行な面に沿って延びる線状凹凸である。第1内部反射面421では、上記線状の微細凹凸424が、長手方向に略垂直な方向に多数配列される。第1内部反射面421上における微細凹凸424の高さ(すなわち、周囲の部位からの突出量または凹み量)は、例えば数μm程度である。
第1内部反射面421に入射した導入1次光L37(図8参照)は、線状の微細凹凸424により、主にX方向に散乱し、導入1次光L37の第1内部反射面421への入射側に戻る方向(すなわち、(-Y)方向)にはほとんど散乱しない。したがって、第1内部反射面421にて反射される導入1次光L37の断面積をさらに拡大しつつ、第1内部反射面421からの反射光が導入口44へと戻って導光路42から漏出することが抑制される。
第2内部反射面422に設けられる微細凹凸は、例えば、第2内部反射面422に沿ってY方向およびZ方向に延びる(すなわち、(-Y)側に向かうに従って(+Z)側へと向かう)線状凹凸である。このため、第2内部反射面422に入射した導入1次光L37は、主にX方向に散乱し、導入1次光L37の第2内部反射面422への入射側に戻る方向(すなわち、(-Z)方向)にはほとんど散乱しない。したがって、第2内部反射面422にて反射される導入1次光L37の断面積をさらに拡大しつつ、第2内部反射面422からの反射光が導入口44へと戻って導光路42から漏出することが抑制される。
第3内部反射面423に設けられる微細凹凸は、例えば、第3内部反射面423に沿ってX方向およびY方向に延びる(すなわち、(-Y)側に向かうに従って(+X)側へと向かう)線状凹凸である。このため、第3内部反射面423に入射した導入1次光L37は、主にZ方向に散乱し、導入1次光L37の第3内部反射面423への入射側に戻る方向(すなわち、(+Y)方向)にはほとんど散乱しない。したがって、第3内部反射面423にて反射される導入1次光L37の断面積をさらに拡大しつつ、第3内部反射面423からの反射光が導入口44へと戻って導光路42から漏出することが抑制される。
なお、第1内部反射面421、第2内部反射面422および第3内部反射面423を散乱反射面とする場合、導入1次光L37の一部が、第3内部反射面423に到達する前に吸光部43に入射して吸収されてもよい。 また、遮光ユニット24では、必ずしも第1内部反射面421、第2内部反射面422および第3内部反射面423の全てが散乱反射面とされる必要はない。第1内部反射面421、第2内部反射面422および第3内部反射面423のうち1つ以上の内部反射面が散乱反射面とされることにより、上述のように、吸光部43の温度上昇をさらに抑制することができる。
また、遮光ユニット24では、導入反射面41が散乱反射面とされてもよい。この場合、導入反射面41にて反射された光のうち、光量ベースで86.5%以上の光が導入口44へと導かれて導光路42の内部へと導入されることが好ましく、実質的に全光量が導入口44へと導かれて導光路42の内部へと導入されることがさらに好ましい。導入反射面41が散乱反射面とされることにより、上記と略同様に、導入1次光L37の断面積を拡大し、吸光部43の温度上昇をさらに抑制することができる。なお、導入反射面41から反射されて拡散した光が第1内部反射面421に入射する際には、入射光の断面全体が第1内部反射面421よりも小さく、入射光の実質的に全光量が第1内部反射面421に入射することが好ましい。
図4に示すように、遮光ユニット24は、第1部材251と、第2部材252と、第3部材253とを備える。図5および図7では、第1部材251の図示を省略している。また、図7では、第2部材252および第3部材253の上端部の図示を省略している。第1部材251および第3部材253は、0次回折ビーム開口240に対応する貫通孔が中央部に設けられた略矩形平板状の部材である。第2部材252は、導光路42を構成する隔壁254が内側に設けられた略矩形枠状の部材である。第1部材251、第2部材252および第3部材253は、0次回折ビームの光軸J35上において、(-X)側(すなわち、0次回折ビームの光軸J35が延びる方向である光軸方向の手前側)からこの順で並べられ、互いに固定されることにより遮光ユニット24が形成される。
第1部材251、第2部材252および第3部材253は、光変調器22からの光が透過不能な遮光部材である。第2部材252の空隙を、X方向の両側から第1部材251および第3部材253で閉塞することにより、遮光部材により囲まれた導光路42が形成される。第1部材251、第2部材252および第3部材253は、光変調器22からの光を反射しやすく、かつ、熱伝導性が比較的高い材料により形成される。第1部材251、第2部材252および第3部材253は、例えば銅(Cu)により形成される。また、上述の導入反射面41等には、金(Au)の薄膜が設けられてもよい。なお、第1部材251、第2部材252および第3部材253の材料は、適宜変更されてよい。
第1部材251は、例えば、Y方向およびZ方向に広がる略平板状の銅板の中央部に貫通孔が設けられた部材である。当該貫通孔は、上述の0次回折ビーム開口240に対応するとともに、各遮光部241の導入反射面41を遮光ユニット24の(-X)側において露出させる。第1部材251の(-X)側の主面は、X方向に略垂直に広がる(すなわち、0次回折ビームの光軸J35に略垂直な方向に広がる)略平面であり、吸光膜が設けられる。当該吸収膜は、光を吸収しやすい材料により形成されたフィルム状またはシート状の部材であってもよく、光を吸収しやすい材料が塗布されることにより形成された塗布膜であってもよい。
第1部材251の(-X)側の主面では、上記貫通孔の(+Z)側および(-Z)側に、光変調器22からの2次回折ビームおよび3次以上の回折ビームが入射し、上記吸光膜により吸収される。このように、第1部材251の(-X)側の主面上(すなわち、遮光ユニット24の(-X)側の外面上)には、0次回折ビーム開口240および導入反射面41の周囲にて、2次回折ビーム等の高次回折ビームを吸収する2次吸光部255が設けられる。
第2部材252は、例えば、Y方向およびZ方向に広がる略平板状の銅板に対して切削加工を施すことにより形成された1つの切削ブロックである。第2部材252には、上述の導光路42となる空隙が形成されている。また、第2部材252には、導入反射面41、第1内部反射面421、第2内部反射面422および第3内部反射面423が形成されている。第1内部反射面421の微細凹凸424(図9参照)は、例えば、第2部材252に対する切削加工時にヘアライン加工を施すことにより形成される。これにより、第2部材252の切削加工終了後に、サンドブラスト等で第1内部反射面421に微細凹凸を形成する場合に比べて、第2部材252の製造に要する時間を短縮することができる。
第3部材253は、例えば、Y方向およびZ方向に広がる略平板状の銅板の中央部に貫通孔が設けられた部材である。当該貫通孔は、上述の0次回折ビーム開口240に対応する。第3部材253の(-X)側の主面(すなわち、導光路42に面する主面)は、上述のように、吸光膜が設けられた吸光部43である。
遮光ユニット24では、第1部材251の(+X)側の主面(すなわち、導光路42に面する主面)にも、吸光膜が設けられてもよい。あるいは、第1部材251の(+X)側の主面は、反射面とされてもよい。第1部材251および第3部材253も、第2部材252と同様、切削加工により形成されてもよい。
図10は、第3部材253を示す正面図である。図10では、上述の導光路42を二点鎖線にて併せて示す。第3部材253の内部には、冷却流路256が設けられる。冷却流路256は、吸光部43(すなわち、第3部材253の(-X)側の主面)近傍に配置される。冷却流路256の内部には、水等の冷媒が流される。これにより、吸光部43の温度上昇をさらに抑制することができる。なお、上述の吸光部43近傍とは、冷却流路256を流れる冷媒により吸光部43を有効に冷却することができる範囲を意味する。
また、冷却流路256は、正面視において、各遮光部241の導光路42と重なっていることが好ましい。このように、導光路42近傍にも冷却流路256が配置されることにより、導光路42において導入1次光の散乱等による温度上昇が生じる場合であっても、当該温度上昇が効率良く抑制される。なお、上述の導光路42近傍とは、冷却流路256を流れる冷媒により導光路42を有効に冷却することができる範囲を意味する。遮光ユニット24では、冷却流路256の近傍に温度センサが配置され、吸光部43および導光路42の温度が測定されてもよい。これにより、遮光ユニット24の異常昇温を容易に検出することができる。
以上に説明したように、光学装置12は、照明光学系21と、光変調器22と、投影光学系23とを備える。照明光学系21は、レーザ光源11から出射されたレーザ光を所定の形状に整形する。光変調器22は、照明光学系21により整形されたレーザ光を変調ビームL33に変調する。投影光学系23は、変調ビームL33を対象物(上記例では、走査部13)へと導く。投影光学系23は、光変調器22からの0次回折ビームL35を通過させて1次回折ビームL36を遮る遮光ユニット24を備える。
遮光ユニット24は、0次回折ビーム開口240と、導入反射面41と、導光路42と、吸光部43とを備える。0次回折ビーム開口240は、0次回折ビームL35の光軸J35上における0次回折ビームL35の集束位置近傍に位置し、0次回折ビームL35を通過させる。導入反射面41は、1次回折ビームL36の光軸J36上における1次回折ビームL36の集束位置360近傍、かつ、0次回折ビーム開口240近傍に位置する。導入反射面41は、1次回折ビームL36の入射方向から逸れる方向であって0次回折ビームL35の光軸J35から離れる方向へと1次回折ビームL36を反射する。導光路42は、導入反射面41からの光が入射する導入口44を有し、導入口44から導入された光(すなわち、導入1次光)を導く。導光路42の周囲は遮光部材により囲まれている。吸光部43は、導光路42により拡散されつつ導かれた光を吸収する。
遮光ユニット24では、遮光部材により囲まれた導光路42によって導入1次光を吸光部43へと導くことにより、遮光ユニット24から外部への光の漏出を抑制することができる。また、導光路42において導入1次光を拡散させつつ吸光部43へと導くことにより、レーザ光源11から出射されるレーザ光のパワー密度が高い場合であっても、吸光部43に照射される導入1次光のパワー密度を低くすることができる。その結果、吸光部43における吸光に起因する遮光ユニット24の温度上昇を抑制することができ、遮光ユニット24の周囲の光学素子等が昇温することを防止または抑制することができる。また、吸光部43に要求される吸光率を低減することができるため、吸光部43にて使用される吸光膜の選択の自由度を向上することができる。したがって、吸光率が非常に高い高価かつ短寿命の吸光膜ではなく、比較的安価で長寿命の吸光膜を使用することにより、遮光ユニット24の製造コスト低減および長寿命化を実現することができる。
上述のように、導入反射面41は鏡面であることが好ましい。これにより、導入反射面41における1次回折ビームL36の散乱が防止されるため、導光路42よりも手前側(すなわち、1次回折ビームL36の光軸J36に沿って光変調器22側)における温度上昇を防止または抑制することができる。また、導入反射面41に入射した1次回折ビームL36の実質的に全光量を、導光路42の内部へと導入することができる。したがって、遮光ユニット24の周囲の光学素子等が昇温することを防止または抑制することができる。また、上述のように、導光路42は、導入反射面41からの光を散乱させつつ反射して導く散乱反射面(例えば、第1内部反射面421)を内部に備えることが好ましい。これにより、導光路42の内部における導入1次光の拡散を促進することができる。
上記散乱反射面(例えば、第1内部反射面421)は、好ましくは、導光路42における、当該散乱反射面までの奥行き方向および当該散乱反射面からの奥行き方向の両方に平行な面に沿って延びる線状の微細凹凸424を有する。これにより、当該散乱反射面にて反射された導入1次光が入射方向へと戻ることを抑制しつつ、導入1次光を当該散乱反射面にて散乱させることができる。その結果、導光路42の内部における導入1次光の拡散を好適に促進することができる。
上述のように、好ましくは、導入反射面41は、1次回折ビームL36の光軸J36上において、1次回折ビームL36の集束位置360よりも手前側に配置される。これにより、導入反射面41が集束位置360に配置される場合に比べて、導入反射面41上における1次回折ビームL36のパワー密度を低減することができる。その結果、導入反射面41の温度上昇や損傷等を抑制することができる。
また、好ましくは、導光路42において、導入反射面41からの光が直接的に入射する反射面(すなわち、第1内部反射面421)と導入反射面41との間にて、1次回折ビームL36は集束する。これにより、集束位置360が第1内部反射面421上に位置する場合に比べて、第1内部反射面421上における導入1次光のパワー密度を低減することができる。その結果、第1内部反射面421の温度上昇や損傷等を抑制することができる。また、集束位置360が第1内部反射面421よりも吸光部43側(例えば、第1内部反射面421と第2内部反射面422との間)に位置する場合に比べて、吸光部43に到達した時点の導入1次光の拡散の程度を大きくすることができる。その結果、吸光部43に照射される導入1次光のパワー密度を低くすることができ、遮光ユニット24の温度上昇を抑制することができる。さらに、導入口44を通過する光の断面積を小さくすることもできる。その結果、導入口44および遮光ユニット24の大型化を抑制することができる。
なお、遮光ユニット24では、導入反射面41は、1次回折ビームL36の集束位置360に配置されてもよい。この場合、導入反射面41の面積を小さくすることができる。また、1次回折ビームL36と0次回折ビームL35との間の間隙が大きくなるため、1次回折ビームL36を0次回折ビームL35から容易に分離させることができる。
導入反射面41は、1次回折ビームL36の光軸J36上において、1次回折ビームL36の集束位置360よりも奥側(すなわち、1次回折ビームL36の光軸J36上において、集束位置360を挟んで光変調器22とは反対側)に配置されてもよい。この場合、導入反射面41上における1次回折ビームL36のパワー密度を低減することができる。その結果、導入反射面41の温度上昇や損傷等を抑制することができる。また、導入反射面41から導光路42に導入された導入1次光が、導光路42内におけるいずれかの反射面上にて集束することを確実に避けることができる。したがって、導光路42内における各反射面の温度上昇や損傷等を抑制することができる。
上述のように、吸光部43は、吸光膜が表面に設けられた凹凸面を備えることが好ましい。これにより、吸光部43上における導入1次光の照射面積を大きくすることができ、吸光部43に照射される導入1次光のパワー密度を低くすることができる。その結果、遮光ユニット24の温度上昇をさらに抑制することができる。
上述のように、遮光ユニット24は、吸光部43近傍に配置されて内部を冷媒が流れる冷却流路256をさらに備えることが好ましい。これにより、吸光部43を冷却することができ、遮光ユニット24の温度上昇をさらに抑制することができる。また、導光路42近傍にも、内部を冷媒が流れる冷却流路256が配置されることが好ましい。これにより、導光路42も冷却することができ、遮光ユニット24の温度上昇をより一層抑制することができる。
上述のように、遮光ユニット24では、0次回折ビーム開口240および導入反射面41の周囲にて0次回折ビームL35の光軸J35に垂直な方向に広がる外面上に、光変調器22からの2次回折ビームを吸収する2次吸光部255が設けられることが好ましい。これにより、遮光ユニット24の大型化を抑制しつつ2次以上の非0次回折ビームを遮光することができる。
上述のように、導光路42は0次回折ビームL35の光軸J35に垂直な面に平行に延びることが好ましい。これにより、光軸J35が延びる方向における遮光ユニット24の小型化を実現することができる。
上述のように、導光路42は、0次回折ビーム開口240の周囲にて屈曲しつつ延びて0次回折ビーム開口240を囲むことが好ましい。これにより、正面視において(すなわち、0次回折ビームL35の光軸J35に沿って見た状態において)遮光ユニット24を小型化することができる。
上述のように、導入反射面41および導光路42(少なくとも、導光路42を囲む周囲の部材の一部)は、切削加工により形成された1つの切削ブロック(上記例では、第2部材252)に設けられることが好ましい。これにより、導入反射面41と導光路42との相対位置を精度良く維持した状態で、遮光ユニット24を製造することができる。
上述の3次元造形装置1は、上記光学装置12と、レーザ光源11と、走査部13とを備える。レーザ光源11は、光学装置12へとレーザ光L31を出射する。走査部13は、光学装置12からの変調ビームL33が照射される上記対象物であり、変調ビームL33を造形材料91上で走査する。光学装置12では、上述のように、遮光ユニット24の温度上昇を抑制することができるため、光学素子の昇温を抑制しつつ対象物(すなわち、走査部13)に照射される変調ビームL33のパワー密度を好適に増大させることができる。したがって、3次元造形装置1において、造形材料91に照射される変調ビームL33のパワー密度も好適に増大させることができる。その結果、3次元造形装置1における造形物の造形速度を増大させることができ、生産性を向上することができる。
次に、本発明の第2の実施の形態に係る光学装置について説明する。第2の実施の形態に係る光学装置では、上述の遮光ユニット24とは異なる構造を有する遮光ユニット24aが設けられる点を除き、図1ないし図3に示す光学装置12と同様の構造を有する。以下の説明では、第2の実施の形態に係る光学装置の構成について、上述の光学装置12と同様の構成には同符号を付す。
図11および図12は、遮光ユニット24aが設けられる投影光学系23aの構造を湿す図であり、上述の図2および図3に対応する。すなわち、図11では、紙面に垂直な方向が変調ビームL33の短軸方向に対応し、図中の上下方向が変調ビームL33の長軸方向に対応する。また、図12では、紙面に垂直な方向が変調ビームL33の長軸方向に対応し、図中の上下方向が変調ビームL33の短軸方向に対応する。
光変調器22は、例えば、2次元空間光変調素子である。光変調器22としては、例えば、PLV(Planar Light Valve)、LPLV(Liner Planar Light Valve)、または、DMD(Digital Micromirror Device)等が利用可能である。
遮光ユニット24aは、変調ビームL33の光路上において、第1レンズ231と第2レンズ232との間に配置される。遮光ユニット24aは、光変調器22からの0次回折ビームL35を通過させ、1次回折ビームL36を遮る。遮光ユニット24aは、0次回折ビームL35の集束位置近傍に配置され、0次回折ビームL35の長軸方向の両側および短軸方向の両側にて集束する4つの1次回折ビームL36を遮る。遮光ユニット24aにより遮られる1次回折ビームL36は、長軸方向および短軸方向の双方において集束している。また、遮光ユニット24aは、光変調器22からの2次以上の非0次回折ビーム(図示省略)も遮る。
次に、遮光ユニット24aについて、図13ないし図15を参照しつつ説明する。図13は、遮光ユニット24aの外観を示す斜視図である。図14は、遮光ユニット24aの内部を示す斜視図である。図15は、光変調器22からの0次回折ビームの光軸J35を通る断面における遮光ユニット24aの縦断面図である。遮光ユニット24aは、0次回折ビームを通過させる0次回折ビーム開口240aを備える。0次回折ビーム開口240aは、上述の0次回折ビーム開口240(図4参照)と同様に、0次回折ビームの光軸J35上における0次回折ビームの集束位置近傍に位置する。
遮光ユニット24aは、第1部材251aと、第2部材252aとを備える。図14では、第1部材251aの図示を省略している。第1部材251aおよび第2部材252aは、中央部に0次回折ビーム開口240aに対応する略円形の貫通孔が設けられた略矩形平板状の部材である。第1部材251aおよび第2部材252aは、0次回折ビームの光軸J35上において、(-X)側(すなわち、0次回折ビームの光軸J35が延びる方向である光軸方向の手前側)からこの順で並べられ、互いに固定されることにより遮光ユニット24aが形成される。
第1部材251aおよび第2部材252aは、光変調器22からの光が透過不能な遮光部材である。第1部材251aおよび第2部材252aの材料は、例えば、上述の遮光ユニット24の第1部材251、第2部材252および第3部材253と同じである。第2部材252aは、例えば、切削加工により形成された1つの切削ブロックである。第1部材251aも切削加工により形成されてよい。
第2部材252aの(-X)側(すなわち、0次回折ビームの光軸J35が延びる方向における光変調器22側)の主面には、環状の内突出部257aと、環状凹部258aとが設けられている。内突出部257aは、第2部材252の中央部の貫通孔(すなわち、0次回折ビーム開口240aに対応する貫通孔)の周縁に沿って設けられる。内突出部257aは、第2部材252の(-X)側の主面から(-X)側へと突出する。
環状凹部258aは、0次回折ビームの光軸J35を中心とする径方向(以下、単に「径方向」とも呼ぶ。)において、内突出部257aの外周縁から連続して径方向外方へと広がる環状の凹部である。環状凹部258aは、内突出部257a、および、環状凹部258aよりも径方向外側の部位に比べて、(+X)側へと凹んでいる。図14に示す例では、内突出部257aおよび環状凹部258aは、正面視において、0次回折ビームの光軸J35を中心として同心円状に配置された略円環状である。
内突出部257aは、光軸J35を中心とする略円錐台の中央部に略円柱状の貫通孔を設けた形状を有する。内突出部257aの径方向外側の側面(すなわち、環状凹部258aの径方向内側の側面である内周面)は、上述の導入反射面41に対応する導入反射面41aである。導入反射面41aは、0次回折ビーム開口240a近傍に位置し、0次回折ビーム開口240aの周囲を囲む。導入反射面41aは、光軸J35を中心とする略円環状の周状傾斜面(すなわち、略円錐台側面形状を有する面)である。導入反射面41aは、径方向外方に向かうに従って(+X)側へと向かう。換言すれば、導入反射面41aは、0次回折ビームの光軸J35が延びる方向(すなわち、光軸方向)の手前側から奥側に向かうに従って光軸J35から離れる。導入反射面41aは、例えば鏡面である。なお、導入反射面41aは散乱反射面とされてもよい。
環状凹部258aは、中央部に貫通孔を有する第1部材251aによって(-X)側から閉塞されることにより、上述の導光路42に対応する導光路42aとなる。導光路42aは、0次回折ビームの光軸J35を中心として径方向外方へと放射状に広がる略円環状の空間であり、遮光部材により囲まれる。第1部材251の上記貫通孔は、正面視において、内突出部257aよりも大きい直径を有する略円形であり、導入反射面41aを遮光ユニット24aの(-X)側において露出させる。導光路42aの導入口44aは、第1部材251aの当該貫通孔の外周縁と、環状凹部258aの(+X)側の面との間にてX方向に延びる略円筒面状の領域である。導入口44aは、導入反射面41aと径方向にて対向する。
環状凹部258aの径方向外側の側面である外周面は、上述の第1内部反射面421、第2内部反射面422および第3内部反射面423に対応する内部反射面421aである。内部反射面421aは、光軸J35を中心とする略円環状の傾斜面である。内部反射面421aは、径方向外方に向かうに従って(-X)側へと向かう略円錐台側面形状を有する。内部反射面421aは、導入口44aおよび導入反射面41aと径方向にて対向する。内部反射面421aのX方向における高さは、導入反射面41aのX方向における高さと略同じである。
内部反射面421aは、第1内部反射面421等と略同様に、微細凹凸が設けられた散乱反射面である。当該微細凹凸は、例えば、内部反射面421aに沿って径方向に延びる線状凹凸(すなわち、ヘアライン)である。換言すれば、当該線状凹凸は、導光路42aにおける、内部反射面421aまでの奥行き方向(すなわち、径方向)、および、内部反射面421aからの奥行き方向(すなわち、X方向)の両方に平行な面に沿って延びる。
第1部材251aの(+X)側の主面のうち、第2部材252aの環状凹部258aとX方向に対向する部位は、上述の吸光部43に対応する吸光部43aである。吸光部43aは、X方向に略垂直な平面であり、表面に吸光部43と同様の吸光膜が設けられる。図15に示す例では、吸光部43aは、吸光膜が表面に設けられた凹凸面である。吸光部43aに設けられる凹凸は、例えば、光軸J35を中心とする同心円状であり、当該凹凸の高さ(すなわち、X方向の高さ)は、例えば数mm程度である。なお、吸光部43aは、実質的に凹凸を有しない平滑面であってもよい。
第1部材251aの(-X)側の主面(すなわち、遮光ユニット24aの(-X)側の主面)は、X方向に略垂直に広がる略平面であり、上述の2次吸光部255に対応する2次吸光部255aを備える。2次吸光部255aは、0次回折ビーム開口240aおよび導入反射面41aの周囲にて、2次回折ビーム等の高次回折ビームを吸収する。
遮光ユニット24aでは、光変調器22からの上記4つの1次回折ビームが、導入反射面41aに入射する。当該4つの1次回折ビームは、導入反射面41a上において、0次回折ビーム開口240aの(+Y)側、(-Y)側、(+Z)側および(-Z)側に入射する。導入反射面41aは、4つの1次回折ビームの光軸J36上において、4つの1次回折ビームの集束位置近傍に配置される。
導入反射面41aは、当該4つの1次回折ビームをそれぞれ反射して導光路42aの導入口44aへと導く。具体的には、0次回折ビーム開口240aの(+Y)側にて導入反射面41aに入射した1次回折ビームは、(+Y)方向へと反射されて導光路42aに導入される。0次回折ビーム開口240aの(-Y)側にて導入反射面41aに入射した1次回折ビームは、(-Y)方向へと反射されて導光路42aに導入される。0次回折ビーム開口240aの(+Z)側にて導入反射面41aに入射した1次回折ビームは、(+Z)方向へと反射されて導光路42aに導入される。0次回折ビーム開口240aの(-Z)側にて導入反射面41aに入射した1次回折ビームは、(-Z)方向へと反射されて導光路42aに導入される。導入反射面41aによる各1次回折ビームの反射方向は、導入反射面41aに対する各1次回折ビームの入射方向から逸れる方向であって、かつ、0次回折ビームの光軸J35から離れる方向である。すなわち、導入反射面41aは、各1次回折ビームを0次回折ビームから大きく離間する方向へと導く。
導光路42aは、周囲を遮光部材により囲まれた空間であり、YZ平面(すなわち、0次回折ビームの光軸J35に垂直な面)に平行に放射状に延びている。導光路42aは、導入口44aから導入された4つの導入1次光を、図15中の矢印362に沿って拡散させつつ、導入口44aとは反対側の端部(すなわち、径方向の外端部である終端部)に位置する内部反射面421aへと導く。
内部反射面421aに入射した4つの導入1次光はそれぞれ、(-X)方向へと反射され、導光路42aの終端部に設けられた被照射面である吸光部43aに照射される。吸光部43aは、導光路42aにより導かれた4つの導入1次光を吸収する。上述の内部反射面421aでは、上述の径方向に沿って延びる線状凹凸により、導入1次光が光軸J35を中心とする周方向(以下、単に「周方向」とも呼ぶ。)に散乱されつつ反射される。このため、吸光部43aに照射される導入1次光の断面積(すなわち、照射面積)が拡大される。内部反射面421aでは、導入1次光は径方向にはほとんど散乱しないため、内部反射面421aからの反射光が導入口44aへと戻って導光路42aから漏出することが抑制される。また、図15に示すように、吸光部43aの表面がZ方向に対してX方向に傾斜した傾斜面からなる凹凸面となっているため、吸光部43aに入射した導入1次光のうち、吸光部43aが吸収しきれず反射される光が、内部反射面421aの方向(すなわち(+X)方向)へ向けて反射されることを抑制することができる。すなわち、吸光部43aの表面をX方向に対して傾斜した傾斜面とすることにより、内部反射面421aから吸光部43aの傾斜面に入射して反射される光を、(+Z)方向もしくは(-Z)方向へと向かわせ、吸光部43aの別の箇所へと入射させることができる。これにより、より多くの光を吸光部43aで吸収することができ、導光路42aから外部へ漏出する光量をさらに低減することができる。
遮光ユニット24aでは、4つの1次回折ビームが入射して4つの導入1次光として吸光部43aへとそれぞれ導かれる4つの領域(すなわち、0次回折ビーム開口240aの(+Y)側、(-Y)側、(+Z)側および(-Z)側の領域)は、4つの遮光部241aと捉えることができる。各遮光部241aは、上述のように、導入反射面41a、導光路42a、内部反射面421aおよび吸光部43aを備える。各遮光部241aの導入反射面41a、導光路42aおよび内部反射面421aは、環状凹部258aの内周面の一部、環状凹部258aの一部、および、環状凹部258aの外周面の一部である。
図16は、1つの遮光部241aを拡大して示す断面図である。図16では、導入反射面41aに入射する1次回折ビームL36を実線にて描き、1次回折ビームL36の光軸J36を一点鎖線にて描く。また、図16では、内部反射面421aにおいて散乱等が生じない場合の導入1次光L37を実線にて描き、導入1次光L37の光軸J37を一点鎖線にて描く。
上述のように、導入反射面41aは、1次回折ビームL36の集束位置360近傍に配置されている。図16に示す例では、導入反射面41aは、1次回折ビームL36の光軸J36上において、1次回折ビームL36の集束位置360よりも奥側(すなわち、1次回折ビームL36の光軸J36に沿って、集束位置360を挟んで光変調器22側とは反対側)に配置される。換言すれば、1次回折ビームL36の集束位置360は、導入反射面41aと光変調器22(図11および図12参照)との間に位置する。
光変調器22から導入反射面41aに向かう1次回折ビームL36は、上述の集束位置360を通過した後、光軸J36に垂直な断面における面積を拡大しつつ(すなわち、拡散しつつ)導入反射面41aに入射する。導入反射面41aにより反射されて導光路42aへと導入された導入1次光L37は、略同様に拡散しつつ導光路42aの内部を内部反射面421aへと進む。導入1次光l37は、内部反射面421aに反射された後も略同様に拡散しつつ、吸光部43aへと導かれる。このため、吸光部43a上における導入1次光L37の照射面積が大きくなり、導入1次光L37のパワー密度が低減される。その結果、吸光部43aの温度上昇(特に、導入1次光L37が照射される領域における局所的な温度上昇)を抑制することができる。
図15に示すように、第1部材251aの内部には、吸光部43aの(-X)側に冷却流路256aが設けられる。冷却流路256aは、吸光部43a(すなわち、第1部材251aの(+X)側の主面)近傍に配置される。冷却流路256aは、例えば、正面視において環状凹部258aと略重なる矩形枠状である。冷却流路256aの内部には、水等の冷媒が流される。これにより、吸光部43aの温度上昇をさらに抑制することができる。
また、第2部材252aの内部には、導光路42aの(+X)側に冷却流路259aが設けられる。冷却流路259aは、導光路42a近傍に配置される。冷却流路259aは、例えば、正面視において環状凹部258aと略重なる矩形枠状である。冷却流路259aの内部には、冷却流路256aと同様に、水等の冷媒が流される。これにより、導光路42aにおいて導入1次光の散乱等による温度上昇が生じる場合であっても、当該温度上昇が効率良く抑制される。遮光ユニット24aでは、冷却流路256a,259aの近傍に温度センサが配置され、吸光部43aおよび導光路42aの温度が測定されてもよい。これにより、遮光ユニット24aの異常昇温を容易に検出することができる。
以上に説明したように、第2の実施の形態に係る光学装置においても、第1の実施の形態と同様に、投影光学系23aは、光変調器22からの0次回折ビームL35を通過させて1次回折ビームL36を遮る遮光ユニット24aを備える。遮光ユニット24aは、0次回折ビーム開口240aと、導入反射面41aと、導光路42aと、吸光部43aとを備える。0次回折ビーム開口240aは、0次回折ビームL35の光軸J35上における0次回折ビームL35の集束位置近傍に位置し、0次回折ビームL35を通過させる。導入反射面41aは、1次回折ビームL36の光軸J36上における1次回折ビームL36の集束位置360近傍、かつ、0次回折ビーム開口240a近傍に位置する。導入反射面41aは、1次回折ビームL36の入射方向から逸れる方向であって0次回折ビームL35の光軸J35から離れる方向へと1次回折ビームL36を反射する。導光路42aは、導入反射面41aからの光が入射する導入口44aを有し、導入口44aから導入された光(すなわち、導入1次光)を導く。導光路42aの周囲は遮光部材により囲まれている。吸光部43aは、導光路42aにより拡散されつつ導かれた光を吸収する。
遮光ユニット24aでは、上述の遮光ユニット24と略同様に、遮光ユニット24aから外部への光の漏出を抑制することができるとともに、遮光ユニット24aの温度上昇を抑制することができる。また、比較的安価で長寿命の吸光膜を使用することができるため、遮光ユニット24aの製造コスト低減および長寿命化を実現することができる。
上述のように、導入反射面41aは鏡面であることが好ましい。また、導光路42aは、導入反射面41aからの光を散乱させつつ反射して導く散乱反射面(すなわち、内部反射面421a)を内部に備えることが好ましい。これにより、導入反射面41aにおける1次回折ビームL36の散乱を防止し、導入反射面41aに入射した1次回折ビームL36の実質的に全光量を、導光路42aの内部へと導入することができる。また、導光路42aの内部における導入1次光の拡散を促進することができる。
内部反射面421aは、好ましくは、導光路42aにおける、内部反射面421aまでの奥行き方向(すなわち、径方向)、および、内部反射面421aからの奥行き方向(すなわち、X方向)の両方に平行な面に沿って延びる線状の微細凹凸を有する。これにより、内部反射面421aに入射する導入1次光が入射方向(すなわち、径方向内方)へと戻ることを抑制しつつ、導入1次光を散乱させることができる。その結果、導光路42aの内部における導入1次光の拡散を好適に促進することができる。
上述のように、好ましくは、導入反射面41aは、1次回折ビームL36の光軸J36上において、1次回折ビームL36の集束位置360よりも奥側に配置される。これにより、導入反射面41a上における1次回折ビームL36のパワー密度を低減することができる。その結果、導入反射面41aの温度上昇や損傷等を抑制することができる。また、導入反射面41aから導光路42aに導入された導入1次光が、導光路42a内における反射面(すなわち、内部反射面421a)上にて集束することを確実に避けることができる。したがって、内部反射面421aの温度上昇や損傷等を抑制することができる。
なお、導入反射面41aは、1次回折ビームL36の光軸J36上において、1次回折ビームL36の集束位置360よりも手前側に配置されてもよい。この場合も、上記と同様に、導入反射面41a上における1次回折ビームL36のパワー密度を低減することができる。その結果、導入反射面41aの温度上昇や損傷等を抑制することができる。また、この場合、導光路42aにおいて、導入反射面41aからの導入1次光が直接的に入射する反射面(すなわち、内部反射面421a)と導入反射面41aとの間にて、1次回折ビームL36が集束することが好ましい。これにより、内部反射面421a上における1次回折ビームL36のパワー密度を低減することができる。その結果、内部反射面421aの温度上昇や損傷等を抑制することができる。
導入反射面41aは、1次回折ビームL36の集束位置360に配置されてもよい。この場合、導入反射面41aの面積を小さくすることができる。また、1次回折ビームL36と0次回折ビームL35との間の間隙が大きくなるため、1次回折ビームL36を0次回折ビームL35から容易に分離させることができる。
上述のように、吸光部43aは、吸光膜が表面に設けられた凹凸面を備えることが好ましい。これにより、吸光部43a上における導入1次光の照射面積を大きくすることができ、吸光部43aに照射される導入1次光のパワー密度を低くすることができる。その結果、遮光ユニット24aの温度上昇をさらに抑制することができる。
上述のように、遮光ユニット24aは、吸光部43a近傍に配置されて内部を冷媒が流れる冷却流路256aをさらに備えることが好ましい。これにより、吸光部43aを冷却することができ、遮光ユニット24aの温度上昇をさらに抑制することができる。また、導光路42a近傍にも、内部を冷媒が流れる冷却流路259aが配置されることが好ましい。これにより、導光路42aも冷却することができ、遮光ユニット24aの温度上昇をより一層抑制することができる。
上述のように、遮光ユニット24aでは、0次回折ビーム開口240aおよび導入反射面41aの周囲にて0次回折ビームL35の光軸J35に垂直な方向に広がる外面上に、光変調器22からの2次回折ビームを吸収する2次吸光部255aが設けられることが好ましい。これにより、遮光ユニット24aの大型化を抑制しつつ2次以上の非0次回折ビームを遮光することができる。
上述のように、導光路42aは0次回折ビームL35の光軸J35に垂直な面に平行に延びることが好ましい。これにより、光軸J35が延びる方向における遮光ユニット24aの小型化を実現することができる。
上述のように、導入反射面41aおよび導光路42a(少なくとも、導光路42aを囲む周囲の部材の一部)は、切削加工により形成された1つの切削ブロック(上記例では、第2部材252a)に設けられることが好ましい。これにより、導入反射面41aと導光路42aとの相対位置を精度良く維持した状態で、遮光ユニット24aを製造することができる。
上述のように、導入反射面41aは、0次回折ビーム開口240aの周囲を囲むとともに、0次回折ビームL35の光軸方向手前側から奥側に向かうに従って0次回折ビームL35の光軸J35から離れる周状傾斜面の一部であることが好ましい。また、導光路42aは、当該周状傾斜面から外側へと放射状に広がる環状空間の一部であることが好ましい。これにより、遮光ユニット24aにて遮光する1次回折ビームL36の数が多い場合であっても、遮光ユニット24aの構造を変更することなく容易に対応することができる。
遮光ユニット24aが設けられる3次元造形装置1(図1参照)でも、上記と同様に、造形材料91に照射される変調ビームL33のパワー密度も好適に増大させることができる。その結果、3次元造形装置1における造形物の造形速度を増大させることができ、生産性を向上することができる。
次に、本発明の第3の実施の形態に係る光学装置について説明する。第3の実施の形態に係る光学装置では、上述の遮光ユニット24,24aとは異なる構造を有する遮光ユニット24bが設けられる。また、当該光学装置では、光変調器22として2次元空間光変調素子(例えば、LPLV)が利用され、照明光学系21および投影光学系23(図1参照)の光学素子が変更されることにより、遮光ユニット24bに入射する0次回折ビーム、1次回折ビームおよび2次以上の非0次回折ビームは、長軸方向および短軸方向のうち、1つの方向においてのみ集束された状態である。
図17は、遮光ユニット24bの外観を示す斜視図である。図18は、遮光ユニット24bの内部を示す斜視図である。図18では、遮光ユニット24bの上部の図示を省略している。図19は、遮光ユニット24bの横断面図である。
遮光ユニット24bは、光変調器22(図1参照)からの0次回折ビームbの集束位置近傍に配置され、0次回折ビームが通過する0次回折ビーム開口240bを備えるとともに、1次回折ビームを遮る。遮光ユニット24bに入射する0次回折ビームおよび1次回折ビームは、短軸方向においてのみ集束しており、長軸方向(すなわち、図17中の上下方向)には集束していない。換言すれば、0次回折ビームおよび1次回折ビームは、長軸方向に広がる面状ビームである。0次回折ビーム開口240bは、長軸方向(すなわち、Z方向)に延びるスリット状である。遮光ユニット24bは、0次回折ビームの短軸方向の両側(すなわち、(+Y)側および(-Y)側)にて集束する2つの1次回折ビームを遮る。
遮光ユニット24bは、第1部材251bと、第2部材252bとを備える。第1部材251bおよび第2部材252bは、中央部に0次回折ビーム開口240bに対応するスリット(すなわち、上下方向に長い貫通孔または溝)が設けられた略直方体状の部材である。第1部材251bおよび第2部材252bは、0次回折ビームの光軸J35上において、(-X)側(すなわち、0次回折ビームの光軸J35が延びる方向である光軸方向の手前側)からこの順で並べられ、互いに固定されることにより遮光ユニット24bが形成される。
第1部材251bおよび第2部材252bは、光変調器22からの光が透過不能な遮光部材である。第1部材251bおよび第2部材252bの材料は、例えば、上述の遮光ユニット24の第1部材251、第2部材252および第3部材253と同じである。第1部材251bは、Y方向にて隣接して配置された2つの第1ブロック261bが接続されることにより形成される。各第1ブロック261bは、後述するように、導入反射面41bおよび導光路42bを備える遮光部241bである。2つの第1ブロック261bはそれぞれ、例えば、切削加工により形成された1つの切削ブロックである。あるいは、各第1ブロック261bは、複数の切削ブロックが互いに固定されたものであってもよい。
第1部材251bでは、Y方向に離間する2つの第1ブロック261bの間のZ方向に延びるスリット状の空間が、0次回折ビーム開口240bに対応する。また、各第1ブロック261bには、(+X)方向に向かうに従って0次回折ビーム開口240bから離れる方向(すなわち、0次回折ビームの光軸J35から離れる方向)へと向かう導光路42bが設けられる。導光路42bは、0次回折ビームの光軸J35に対して傾斜する方向かつZ方向に広がるスリット状の空間である。
導光路42bの両側の側面は、互いに平行な一対の反射面421bである。各反射面421bは、例えば鏡面である。光変調器22からの1次回折ビームは、図19中にて矢印363に示すように、一対の反射面421bのうち(+X)側の反射面421bの(-X)側の端部(すなわち、0次回折ビームの光軸J35に近い側の端部)に入射し、当該端部にて反射して導光路42bへと導かれる。すなわち、当該端部は、導光路42bへと1次回折ビームを導く導入反射面41bである。また、導光路42bの導入反射面41b近傍の空間は、導入口44bである。
導入反射面41bから導光路42bの内部に導入された導入1次光は、矢印363に沿って一対の反射面421bの間で繰り返し反射され、一対の反射面421bの間を往復しつつ、導光路42b内を(+X)方向かつ0次回折ビームの光軸J35から離れる方向へと導かれる。すなわち、一対の反射面421bのうち、導入反射面41b(すなわち、(+X)側の反射面421bの(-X)側の端部)を除く部位は、導光路42bの内部に設けられた内部反射面である。
導入1次光は、上記と同様に拡散しつつ導光路42bの終端部425b(すなわち、(+X)側の端部)へと導かれる。導光路42bの終端部425bでは、一対の反射面421b間の平面視における距離が、(+X)側に向かうに従って漸次増大している。導入1次光は、導光路42bの終端部425bにおいて、一対の反射面421bの間で繰り返し反射されることにより、さらに拡散する。導光路42bの終端部425bを通過した導入1次光は、第2部材252bの(-X)側の主面において終端部425bとX方向に対向する領域に設けられた吸光部43bにより吸収される。導入1次光が上述のように拡散されることにより、吸光部43b上における導入1次光の照射面積が大きくなり、導入1次光のパワー密度が低減される。その結果、吸光部43bの温度上昇(特に、導入1次光が照射される領域における局所的な温度上昇)を抑制することができる。
導光路42bでは、終端部425bにおいて、一対の反射面421bに微細な凹凸が設けられて散乱反射面とされてもよい。これにより、終端部425bにおける導入1次光の拡散が促進され、吸光部43bの温度上昇がさらに抑制される。当該微細凹凸は、例えば、各反射面421bに沿ってX方向に延びる(すなわち、導光路42bの終端部425bにおける、各反射面421bまでの奥行き方向および各反射面421bからの奥行き方向の両方に平行な面に沿って延びる)線状凹凸である。これにより、各反射面421bの終端部425bにおける反射光が導入口44bへと戻って導光路42bから漏出することが抑制される。
吸光部43bは、吸光膜が表面に設けられた凹凸面である。吸光部43bに設けられる凹凸は、例えば、Z方向に略平行に延びる溝状であり、当該凹凸の高さ(すなわち、X方向の高さ)は、例えば数mm程度である。吸光部43bが凹凸面とされることにより、吸光部43b上における導入1次光の照射面積が増大されてパワー密度が低減される。その結果、吸光部43bの温度上昇をさらに抑制することができる。
第2部材252bの内部には、吸光部43bの(+X)側に冷却流路256bが設けられる。冷却流路256bは、吸光部43b近傍に配置される。冷却流路256bは、例えば、Z方向に略直線状に延び、正面視において吸光部43bと略重なる。これにより、吸光部43bが冷却され、遮光ユニット24bの温度上昇がさらに抑制される。
第1部材251bの内部には、導光路42bを挟んで0次回折ビーム開口240bの反対側に冷却流路259bが設けられる。冷却流路259bは、導光路42b近傍に配置される。冷却流路259bは、例えば、Z方向に略直線状に延び、正面視および側面視において導光路42bと略重なる。これにより、導光路42bが冷却され、遮光ユニット24bの温度上昇がさらに抑制される。遮光ユニット24bでは、冷却流路256b,259bの近傍に温度センサが配置され、吸光部43bおよび導光路42bの温度が測定されてもよい。これにより、遮光ユニット24bの異常昇温を容易に検出することができる。
遮光ユニット24bでは、第1部材251bの2つの第1ブロック261bの間のY方向の距離が変更可能とされてもよい。当該距離の変更は、例えば、2つの第1ブロック261bを接続する接続部材のY方向の長さを変更することにより行われる。これにより、0次回折ビーム開口240bと各第1ブロック261bの導入反射面41bとの間のY方向の距離を変更することができるため、光変調器22の変更等による0次回折ビームの光軸J35と1次回折ビームの光軸J36との間のY方向の距離の変化に容易に対応することができる。
遮光ユニット24bでは、第1部材251bの(-X)側の主面(すなわち、遮光ユニット24bの(-X)側の主面)は、X方向に略垂直に広がる略平面であり、上述の2次吸光部255に対応する2次吸光部255bを備える。2次吸光部255bは、0次回折ビーム開口240bおよび導入反射面41bの周囲にて、2次回折ビーム等の高次回折ビームを吸収する。
以上に説明したように、第3の実施の形態に係る光学装置においても、第1の実施の形態と同様に、遮光ユニット24bは、0次回折ビーム開口240bと、導入反射面41bと、導光路42bと、吸光部43bとを備える。0次回折ビーム開口240bは、0次回折ビームの光軸J35上における0次回折ビームの集束位置近傍に位置し、0次回折ビームを通過させる。導入反射面41bは、1次回折ビームの光軸J36上における1次回折ビームの集束位置近傍、かつ、0次回折ビーム開口240b近傍に位置する。導入反射面41bは、1次回折ビームの入射方向から逸れる方向であって0次回折ビームの光軸J35から離れる方向へと1次回折ビームを反射する。導光路42bは、導入反射面41bからの光が入射する導入口44bを有し、導入口44bから導入された光(すなわち、導入1次光)を導く。導光路42bの周囲は遮光部材により囲まれている。吸光部43bは、導光路42bにより拡散されつつ導かれた光を吸収する。
遮光ユニット24bでは、上述の遮光ユニット24と略同様に、遮光ユニット24bから外部への光の漏出を抑制することができるとともに、遮光ユニット24bの温度上昇を抑制することができる。また、比較的安価で長寿命の吸光膜を使用することができるため、遮光ユニット24bの製造コスト低減および長寿命化を実現することができる。
上述のように、導入反射面41bは鏡面であることが好ましい。また、導光路42bは、導入反射面41bからの光を散乱させつつ反射して導く散乱反射面(上述の例では、導光路42bの終端部425bにおける反射面421b)を内部に備えることが好ましい。これにより、導入反射面41bにおける1次回折ビームの散乱を防止し、導入反射面41bに入射した1次回折ビームの実質的に全光量を、導光路42bの内部へと導入することができる。また、導光路42bの内部における導入1次光の拡散を促進することができる。
上記散乱反射面(すなわち、導光路42bの終端部425bにおける反射面421b)は、好ましくは、導光路42bにおける、当該散乱反射面までの奥行き方向および当該散乱反射面からの奥行き方向の両方に平行な面に沿って延びる線状の微細凹凸を有する。これにより、当該散乱反射面にて反射された導入1次光が入射方向へと戻ることを抑制しつつ、導入1次光を散乱させることができる。その結果、導光路42bの内部における導入1次光の拡散を好適に促進することができる。なお、遮光ユニット24bでは、一対の反射面421bのうち終端部425bを除く部位、および/または、導入反射面41bも散乱反射面であってもよい。
遮光ユニット24bでは、遮光ユニット24aと同様に、導入反射面41bは、1次回折ビームの光軸J36上において、1次回折ビームの集束位置よりも奥側に配置されてもよい。これにより、導入反射面41b上における1次回折ビームのパワー密度を低減することができる。その結果、導入反射面41bの温度上昇や損傷等を抑制することができる。また、導入反射面41bから導光路42bに導入された導入1次光が、導光路42b内における反射面421b上にて集束することを確実に避けることができる。したがって、反射面421bの温度上昇や損傷等を抑制することができる。
また、遮光ユニット24bでは、遮光ユニット24と略同様に、導入反射面41bは、1次回折ビームの光軸J36上において、1次回折ビームの集束位置よりも手前側に配置されてもよい。この場合も、上記と同様に、導入反射面41b上における1次回折ビームのパワー密度を低減することができる。その結果、導入反射面41bの温度上昇や損傷等を抑制することができる。また、この場合、導光路42bにおいて、導入反射面41bからの導入1次光が直接的に入射する反射面(すなわち、導入反射面41bと対向する反射面421b)と導入反射面41bとの間にて、1次回折ビームが集束することが好ましい。これにより、導入反射面41bと対向する反射面421b上における1次回折ビームのパワー密度を低減することができる。その結果、反射面421bの温度上昇や損傷等を抑制することができる。
なお、導入反射面41bは、1次回折ビームの集束位置に配置されてもよい。この場合、1次回折ビームと0次回折ビームとの間のY方向における間隙が大きくなるため、1次回折ビームを0次回折ビームから容易に分離させることができる。
上述のように、吸光部43bは、吸光膜が表面に設けられた凹凸面を備えることが好ましい。これにより、吸光部43b上における導入1次光の照射面積を大きくすることができ、吸光部43bに照射される導入1次光のパワー密度を低くすることができる。その結果、遮光ユニット24bの温度上昇をさらに抑制することができる。
上述のように、遮光ユニット24bは、吸光部43b近傍に配置されて内部を冷媒が流れる冷却流路256bをさらに備えることが好ましい。これにより、吸光部43bを冷却することができ、遮光ユニット24bの温度上昇をさらに抑制することができる。また、導光路42b近傍にも、内部を冷媒が流れる冷却流路259bが配置されることが好ましい。これにより、導光路42bも冷却することができ、遮光ユニット24bの温度上昇をより一層抑制することができる。
遮光ユニット24bでは、遮光ユニット24と略同様に、0次回折ビーム開口240bおよび導入反射面41bの周囲にて0次回折ビームの光軸J35に垂直な方向に広がる外面上に、光変調器22からの2次回折ビームを吸収する2次吸光部255bが設けられることが好ましい。これにより、遮光ユニット24bの大型化を抑制しつつ2次以上の非0次回折ビームを遮光することができる。
上述のように、1組の導入反射面41bおよび導光路42b(少なくとも、導光路42bを囲む周囲の部材の一部)は、切削加工により形成された1つの切削ブロック(上記例では、第1部材251bの第1ブロック261b)に設けられることが好ましい。これにより、導入反射面41bと導光路42bとの相対位置を精度良く維持した状態で、遮光ユニット24bを製造することができる。
上述のように、遮光ユニット24bは、光変調器22からの複数(上記例では、2つ)の1次回折ビームを遮り、当該複数の1次回折ビームにそれぞれ対応する複数の遮光部241bを備える。各遮光部241bは、導入反射面41aおよび導光路42bを備える。好ましくは、複数の遮光部241a(上記例では、2つの第1ブロック261b)の0次回折ビーム開口240bに対する相対位置は可変である。これにより、0次回折ビーム開口240bと各第1ブロック261bの導入反射面41bとの間のY方向の距離を変更することができるため、光変調器22の変更等による0次回折ビームの光軸J35と1次回折ビームの光軸J36との間のY方向の距離の変化に容易に対応することができる。
遮光ユニット24bが設けられる3次元造形装置1(図1参照)でも、上記と同様に、造形材料91に照射される変調ビームL33のパワー密度も好適に増大させることができる。その結果、3次元造形装置1における造形物の造形速度を増大させることができ、生産性を向上することができる。
上述の遮光ユニット24,24a,24b、光学装置12、および、3次元造形装置1では、様々な変更が可能である。
例えば、遮光ユニット24の吸光部43の形状および構造は様々に変更されてよい。例えば、吸光部43は凹凸面を備えていてもよく、凹凸面に代えて平滑面が吸光部43に設けられていてもよい。遮光ユニット24aの吸光部43a、および、遮光ユニット24bの吸光部43bについても同様である。
遮光ユニット24の2次吸光部255の形状および構造は様々に変更されてよい。あるいは、遮光ユニット24では、2次吸光部255が省略されてもよい。遮光ユニット24aの2次吸光部255a、および、遮光ユニット24bの2次吸光部255bについても同様である。
遮光ユニット24では、導入反射面41、第1内部反射面421、第2内部反射面422および第3内部反射面423は、鏡面であってもよく、散乱反射面であってもよい。遮光ユニット24aの導入反射面41aおよび内部反射面421a、並びに、遮光ユニット24bの導入反射面41bおよび反射面421bについても同様である。
遮光ユニット24では、第1内部反射面421、第2内部反射面422および第3内部反射面423に微細凹凸424が設けられる場合、微細凹凸424は、必ずしも上述の向きに延びる線状の微細凹凸である必要はなく、例えば梨地状の微細凹凸等、様々に変更されてよい。遮光ユニット24aの内部反射面421a、および、遮光ユニット24bの反射面421bについても同様である。
遮光ユニット24では、冷却流路256の配置は上記例には限定されず、様々に変更されてよい。また、遮光ユニット24では、冷却流路256は省略されてもよい。遮光ユニット24aの冷却流路256a,259a、および、遮光ユニット24bの冷却流路256b,259bについても同様である。
遮光ユニット24では、導光路42は必ずしも0次回折ビームL35の光軸J35に垂直な面に平行に延びる必要はなく、当該面に対して傾斜する方向に延びていてもよい。遮光ユニット24aにおいても同様である。
遮光ユニット24aでは、導入反射面41a、導光路42a、内部反射面421aおよび吸光部43aの正面視における形状は、必ずしも円環状である必要はなく、略矩形環状等、環状であれば様々に変更されてよい。
遮光ユニット24bは、必ずしも、長軸方向または短軸方向の一方のみにおいて集束されている面状ビームの遮光に利用される必要はなく、長軸方向および短軸方向の双方において集束されているビームの遮光に利用されてもよい。また、遮光ユニット24,24aが面状ビームの遮光に利用されてもよい。
遮光ユニット24においても、遮光ユニット24bと同様に、複数の遮光部241の0次回折ビーム開口240に対する相対位置が可変とされてもよい。これにより、上述のように、光変調器22の変更等による0次回折ビームL35の光軸J35と1次回折ビームL36の光軸J36との間の距離の変化に容易に対応することができる。遮光ユニット24aについても同様である。
遮光ユニット24,24a,24bを構成する各部材は、必ずしも切削加工により形成される必要はなく、他の様々な方法により形成されてよい。
光学装置12の光変調器22は、上述のGLV、PLV、LPLVまたはDMDには限定されず、様々に変更されてよい。また、照明光学系21により整形されるレーザ光の形状は、上記例には限定されず、様々に変更されてよい。
3次元造形装置1の走査部13は、必ずしもガルバノミラー132を備える必要はなく、上述のように、ポリゴンレーザスキャナ等、他の構造を有するものであってもよい。あるいは、走査部13は、投影光学系23からの変調ビームL33の進行方向を変更するものには限定されず、例えば、変調ビームL33の照射位置が固定された状態で造形材料91を保持する造形部141を水平方向に移動させるリニアモータ等の移動機構であってもよい。
光学装置12は、必ずしも3次元造形装置1に設けられる必要はなく、例えば、レーザーマーキング装置等のレーザ加工機にて使用されてもよい。
上記実施の形態および各変形例における構成は、相互に矛盾しない限り適宜組み合わされてよい。
1 3次元造形装置
11 レーザ光源
12 光学装置
13 走査部
21 照明光学系
22 光変調器
23,23a 投影光学系
24,24a,24b 遮光ユニット
41,41a,41b 導入反射面
42,42a,42b 導光路
43,43a,43b 吸光部
44,44a,44b 導入口
91 造形材料
240,240a,240b 0次回折ビーム開口
241,241a,241b 遮光部
251,251a,251b 第1部材
252,252a,252b 第2部材
253 第3部材
255,255a,255b 2次吸光部
256,256a,256b,259a,259b 冷却流路
261b 第1ブロック
360 集束位置
421 第1内部反射面
421a 内部反射面
421b 反射面
422 第2内部反射面
423 第3内部反射面
424 微細凹凸
J35,J36,J37 光軸
L31 レーザ光
L32 平行ビーム
L33 変調ビーム
L35 0次回折ビーム
L36 1次回折ビーム
L37 導入1次光
11 レーザ光源
12 光学装置
13 走査部
21 照明光学系
22 光変調器
23,23a 投影光学系
24,24a,24b 遮光ユニット
41,41a,41b 導入反射面
42,42a,42b 導光路
43,43a,43b 吸光部
44,44a,44b 導入口
91 造形材料
240,240a,240b 0次回折ビーム開口
241,241a,241b 遮光部
251,251a,251b 第1部材
252,252a,252b 第2部材
253 第3部材
255,255a,255b 2次吸光部
256,256a,256b,259a,259b 冷却流路
261b 第1ブロック
360 集束位置
421 第1内部反射面
421a 内部反射面
421b 反射面
422 第2内部反射面
423 第3内部反射面
424 微細凹凸
J35,J36,J37 光軸
L31 レーザ光
L32 平行ビーム
L33 変調ビーム
L35 0次回折ビーム
L36 1次回折ビーム
L37 導入1次光
Claims (15)
- 対象物に変調光を照射する光学装置であって、
レーザ光源から出射されたレーザ光を所定の形状に整形する照明光学系と、
前記照明光学系により整形された前記レーザ光を変調ビームに変調する光変調器と、
前記変調ビームを対象物へと導く投影光学系と、
を備え、
前記投影光学系は、前記光変調器からの0次回折ビームを通過させて1次回折ビームを遮る遮光ユニットを備え、
前記遮光ユニットは、
前記0次回折ビームの光軸上における前記0次回折ビームの集束位置近傍に位置し、前記0次回折ビームを通過させる0次回折ビーム開口と、
前記1次回折ビームの光軸上における前記1次回折ビームの集束位置近傍かつ前記0次回折ビーム開口近傍に位置し、前記1次回折ビームの入射方向から逸れる方向であって前記0次回折ビームの光軸から離れる方向へと前記1次回折ビームを反射する導入反射面と、
前記導入反射面からの光が入射する導入口を有し、前記導入口から導入された光を導く周囲が遮光部材により囲まれた導光路と、
前記導光路により拡散されつつ導かれた光を吸収する吸光部と、
を備えることを特徴とする光学装置。 - 請求項1に記載の光学装置であって、
前記導入反射面は鏡面であり、
前記導光路は、前記導入反射面からの光を散乱させつつ反射して導く散乱反射面を内部に備えることを特徴とする光学装置。 - 請求項2に記載の光学装置であって、
前記散乱反射面は、前記導光路における、前記散乱反射面までの奥行き方向および前記散乱反射面からの奥行き方向の両方に平行な面に沿って延びる線状の微細凹凸を有することを特徴とする光学装置。 - 請求項1ないし3のいずれか1つに記載の光学装置であって、
前記導入反射面は、前記1次回折ビームの光軸上において前記1次回折ビームの集束位置よりも手前側に配置され、
前記導光路において前記導入反射面からの光が直接的に入射する反射面と前記導入反射面との間にて前記1次回折ビームが集束することを特徴とする光学装置。 - 請求項1ないし4のいずれか1つに記載の光学装置であって、
前記吸光部は、吸光膜が表面に設けられた凹凸面を備えることを特徴とする光学装置。 - 請求項1ないし5のいずれか1つに記載の光学装置であって、
前記遮光ユニットは、前記吸光部近傍に配置されて内部を冷媒が流れる冷却流路をさらに備えることを特徴とする光学装置。 - 請求項6に記載の光学装置であって、
前記導光路近傍にも、内部を冷媒が流れる冷却流路が配置されることを特徴とする光学装置。 - 請求項1ないし7のいずれか1つに記載の光学装置であって、
前記遮光ユニットでは、前記0次回折ビーム開口および前記導入反射面の周囲にて前記0次回折ビームの光軸に垂直な方向に広がる外面上に、前記光変調器からの2次回折ビームを吸収する2次吸光部が設けられることを特徴とする光学装置。 - 請求項1ないし8のいずれか1つに記載の光学装置であって、
前記導光路は前記0次回折ビームの光軸に垂直な面に平行に延びることを特徴とする光学装置。 - 請求項9に記載の光学装置であって、
前記導光路は、前記0次回折ビーム開口の周囲にて屈曲しつつ延びて前記0次回折ビーム開口を囲むことを特徴とする光学装置。 - 請求項1ないし9のいずれか1つに記載の光学装置であって、
前記導入反射面は、前記0次回折ビーム開口の周囲を囲むとともに前記0次回折ビームの光軸方向手前側から奥側に向かうに従って前記0次回折ビームの光軸から離れる周状傾斜面の一部であり、
前記導光路は、前記周状傾斜面から外側へと放射状に広がる環状空間の一部であることを特徴とする光学装置。 - 請求項1ないし8のいずれか1つに記載の光学装置であって、
前記0次回折ビームおよび前記1次回折ビームは、上下方向に広がる面状ビームであり、
前記導光路は、前記0次回折ビームの光軸に対して傾斜する方向かつ上下方向に広がる互いに平行な一対の反射面を備え、
前記導入反射面は、前記一対の反射面のうち一方の反射面における前記0次回折ビームに近い側の端部であり、
前記導入反射面からの光は、前記一対の反射面の間で往復しつつ前記導光路内を導かれることを特徴とする光学装置。 - 請求項1ないし12のいずれか1つに記載の光学装置であって、
前記導入反射面および前記導光路は、切削加工により形成された1つの切削ブロックに設けられることを特徴とする光学装置。 - 請求項13に記載の光学装置であって、
前記遮光ユニットは、前記光変調器からの複数の1次回折ビームを遮り、
前記遮光ユニットは、前記複数の1次回折ビームにそれぞれ対応する複数の遮光部を備え、
各遮光部は、前記導入反射面および前記導光路を備え、
前記複数の遮光部の前記0次回折ビーム開口に対する相対位置は可変であることを特徴とする光学装置。 - 3次元造形装置であって、
請求項1ないし14のいずれか1つに記載の光学装置と、
前記光学装置へと前記レーザ光を出射するレーザ光源と、
前記光学装置からの前記変調ビームが照射される前記対象物であり、前記変調ビームを造形材料上で走査する走査部と、
を備えることを特徴とする3次元造形装置。
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GB2436871A (en) * | 2006-04-04 | 2007-10-10 | Pcme Ltd | Optical beam dump for particle monitoring system |
JP6435131B2 (ja) * | 2014-08-07 | 2018-12-05 | 株式会社Screenホールディングス | 光照射装置、描画装置および位相差生成器 |
DE102016120244A1 (de) * | 2016-10-24 | 2018-04-26 | Cl Schutzrechtsverwaltungs Gmbh | Vorrichtung zur additiven Herstellung dreidimensionaler Objekte |
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TWI843784B (zh) * | 2019-01-31 | 2024-06-01 | 美商伊雷克托科學工業股份有限公司 | 雷射加工設備、與設備一起使用的控制器及非暫時性電腦可讀取媒體 |
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