特開 2024-44353 ３次元造形装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024044353

(43)【公開日】2024-04-02

(54)【発明の名称】３次元造形装置

(51)【国際特許分類】

   B29C 64/264 20170101AFI20240326BHJP

   B29C 64/153 20170101ALI20240326BHJP

   B33Y 30/00 20150101ALI20240326BHJP

   B22F 10/28 20210101ALI20240326BHJP

   B22F 12/44 20210101ALI20240326BHJP

【ＦＩ】

B29C64/264

B29C64/153

B33Y30/00

B22F10/28

B22F12/44

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022149838

(22)【出願日】2022-09-21

(71)【出願人】

【識別番号】000207551

【氏名又は名称】株式会社ＳＣＲＥＥＮホールディングス

(74)【代理人】

【識別番号】100110847

【弁理士】

【氏名又は名称】松阪 正弘

(74)【代理人】

【識別番号】100136526

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 勉

(74)【代理人】

【識別番号】100136755

【弁理士】

【氏名又は名称】井田 正道

(72)【発明者】

【氏名】水野 博文

(72)【発明者】

【氏名】菱谷 大輔

【テーマコード（参考）】

4F213

4K018

【Ｆターム（参考）】

4F213AC04

4F213WA25

4F213WB01

4F213WL03

4F213WL12

4F213WL43

4F213WL76

4K018CA44

4K018EA51

4K018EA60

(57)【要約】

【課題】回折型の光変調器を利用する３次元造形装置において、加工領域上での光強度の低下を抑制しつつ長いワーキングディスタンスを得る。
【解決手段】３次元造形装置１は、レーザ光源２１と、複数の変調要素を有する回折型の光変調器２３と、照明光学系２２と、光変調器２３の中間像を形成する第１投影光学系２４１と、中間像の投影像を加工領域である造形材料９１の投影面９５上に形成する第２投影光学系２４２と、層形成機構１２とを備える。第２投影光学系２４２は、投影像を投影面９５上にて走査する。層形成機構１２は、投影像が走査された投影面９５上に、新たな材料層９２を形成することにより、新たな投影面９５を形成する。第１投影光学系２４１の投影倍率は、第２投影光学系２４２の投影倍率よりも小さい。これにより、加工領域上での光強度の低下を抑制しつつ長いワーキングディスタンスを得ることができる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

３次元造形装置であって、
光源と、
複数の変調要素を有する回折型の光変調器と、
前記光源からの光を前記光変調器に導く照明光学系と、
前記光変調器の中間像を所定の中間位置に形成する第１投影光学系と、
前記中間像の投影像を造形材料の投影面上に形成する第２投影光学系と、
前記造形材料の層を形成する層形成機構と、
を備え、
前記第２投影光学系が、前記投影像を前記投影面上にて走査する走査機構を含み、
前記層形成機構は、前記投影像が走査された前記投影面上に、前記造形材料の新たな層を形成することにより、新たな投影面を形成し、
前記第１投影光学系の投影倍率が、前記第２投影光学系の投影倍率よりも小さいことを特徴とする３次元造形装置。

【請求項2】

請求項１に記載の３次元造形装置であって、
前記第１投影光学系の投影倍率が縮小倍率であり、
前記第２投影光学系の投影倍率が拡大倍率であることを特徴とする３次元造形装置。

【請求項3】

請求項１に記載の３次元造形装置であって、
前記光変調器が、回折格子光バルブまたは平面光バルブであることを特徴とする３次元造形装置。

【請求項4】

請求項１に記載の３次元造形装置であって、
前記第１投影光学系の投影倍率が、前記第１投影光学系および前記第２投影光学系による全体投影倍率の１／４以上１／２以下であることを特徴とする３次元造形装置。

【請求項5】

請求項４に記載の３次元造形装置であって、
前記光変調器が、回折格子光バルブまたは平面光バルブであり、
前記全体投影倍率が、１以上２以下であることを特徴とする３次元造形装置。

【請求項6】

請求項１ないし５のいずれか１つに記載の３次元造形装置であって、
前記層形成機構が、前記第２投影光学系と前記投影像が走査された前記投影面との間を前記投影面に沿って移動する層形成部材を含むことを特徴とする３次元造形装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、変調された光を用いて３次元の造形物を形成する３次元造形装置に関連する。

【背景技術】

【0002】

近年、金属粉末や樹脂粉末等の造形材料の層に変調されたレーザ光を照射して造形材料を結合させ、層形成と造形材料の結合とを繰り返すことにより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には、回折格子光バルブ（Grating Light Valve）に平面ビームを照射し、ビームエキスパンダ、ガルバノスキャナ、Ｆθレンズを順に介して物体構築領域表面に変調された光を照射する３次元造形装置が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特表２０２１－５０９０９４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、産業用の３次元造形装置では、生産性を向上するために、光の照射領域である加工領域の大型化が求められている。加工領域を大型化するには、加工領域に向けて光を出射するレンズと、加工領域との間の距離（いわゆる、ワーキングディスタンス）を長くする必要がある。長いワーキングディスタンスの確保は、光変調器から導かれるマルチスポットラインビームを走査させつつ拡大光学系に導く構成において、当該拡大光学系の後側焦点距離を長くすることにより容易に実現される。しかし、このような光学系では、加工領域上におけるマルチスポットラインビームの像が大きくなり、加工領域上で大きな光強度（いわゆる、フルエンス）を得ることが難しい。そのため、露光量の確保のために低速走査が必要となることで生産性が低下する虞がある。 また、加工領域上でのマルチスポットのサイズが大きいことで、造形物の形状精度が低下する虞がある。

【0005】

本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、回折型の光変調器を利用する３次元造形装置において、加工領域上での光強度の低下を抑制しつつ長いワーキングディスタンスを得ることを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の態様１は、３次元造形装置であって、光源と、複数の変調要素を有する回折型の光変調器と、前記光源からの光を前記光変調器に導く照明光学系と、前記光変調器の中間像を所定の中間位置に形成する第１投影光学系と、前記中間像の投影像を造形材料の投影面上に形成する第２投影光学系と、前記造形材料の層を形成する層形成機構とを備え、前記第２投影光学系が、前記投影像を前記投影面上にて走査する走査機構を含み、前記層形成機構は、前記投影像が走査された前記投影面上に、前記造形材料の新たな層を形成することにより、新たな投影面を形成し、前記第１投影光学系の投影倍率が、前記第２投影光学系の投影倍率よりも小さい。

【0007】

本発明の態様２は、態様１の３次元造形装置であって、前記第１投影光学系の投影倍率が縮小倍率であり、前記第２投影光学系の投影倍率が拡大倍率である。

【0008】

本発明の態様３は、態様１（態様１または２であってもよい。）の３次元造形装置であって、前記光変調器が、回折格子光バルブまたは平面光バルブである。

【0009】

本発明の態様４は、態様１（態様１ないし３のいずれか１つであってもよい。）の３次元造形装置であって、前記第１投影光学系の投影倍率が、前記第１投影光学系および前記第２投影光学系による全体投影倍率の１／４以上１／２以下である。

【0010】

本発明の態様５は、態様４の３次元造形装置であって、前記光変調器が、回折格子光バルブまたは平面光バルブであり、前記全体投影倍率が、１以上２以下である。

【0011】

本発明の態様６は、態様１ないし５のいずれか１つの３次元造形装置であって、前記層形成機構が、前記第２投影光学系と前記投影像が走査された前記投影面との間を前記投影面に沿って移動する層形成部材を含む。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、回折型の光変調器を利用する３次元造形装置において、加工領域上での光強度の低下を抑制しつつ長いワーキングディスタンスを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】３次元造形装置の構成を示す図である。

【図2】光変調器の構造を簡素化して示す図である。

【図3】投影光学系を簡略化して示す図である。

【図4】材料層の投影面にマルチスポットラインビームが照射される様子を説明するための図である。

【図5】比較例に係る投影光学系を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

図１は、本発明の一の実施の形態に係る３次元造形装置１の構成を示す図である。３次元造形装置１は、粉末状またはペースト状の造形材料に変調されたレーザ光を照射し、造形材料を焼結または溶融結合することにより３次元造形を行うＳＬＳ（Selective Laser Sintering）式の装置である。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、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。

【0015】

３次元造形装置１は、光学ヘッド１１と、層形成機構１２とを備える。層形成機構１２は、造形空間３０に造形材料９１の薄層である材料層９２を形成する。図１では、層形成機構１２を縦断面にて示すが、断面を示す平行斜線を部分的に省略している。造形空間３０には、複数の材料層９２が積層するように順次形成される。光学ヘッド１１は、材料層９２の表面の加工領域上に変調された光を照射する。

【0016】

光学ヘッド１１は、レーザ光源２１と、照明光学系２２と、光変調器２３と、投影光学系２４とを含む。図１では光学ヘッド１１の構造を簡略化して示しており、各構成要素の配置は実際の配置とは異なる。レーザ光源２１は、光学ヘッド１１の外部に設けられてもよく、この場合、レーザ光源２１から出射される光は光学ヘッド１１内に導かれる。投影光学系２４は、第１投影光学系２４１と、第２投影光学系２４２とを含む。第２投影光学系２４２は、図示省略の１対のガルバノスキャナを有し、材料層９２上における光の照射位置を水平なＸおよびＹ方向に２次元に走査する。

【0017】

層形成機構１２は、造形部３１と、供給部３２とを備える。造形部３１は、第１シリンダ３１１と、第１ピストン３１２とを備える。第１シリンダ３１１は、上下方向に延びる筒状の部材である。第１シリンダ３１１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３１２は、第１シリンダ３１１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３１１の内部空間と略同じである。第１ピストン３１２は、第１シリンダ３１１の内部空間において、上下方向に移動可能である。造形部３１では、第１シリンダ３１１の内側面と第１ピストン３１２の上面とにより囲まれる３次元空間が、３次元造形が行われる造形空間３０である。

【0018】

供給部３２は、第２シリンダ３２１と、第２ピストン３２２と、スキージである層形成部材３２３とを備える。第２シリンダ３２１は、上下方向に延びる筒状の部材であり、第１シリンダ３１１の側方に隣接して配置される。第２シリンダ３２１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３２２は、第２シリンダ３２１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３２１の内部空間と略同じである。第２ピストン３２２は、第２シリンダ３２１の内部空間において、上下方向に移動可能である。供給部３２では、第２シリンダ３２１の内側面と第２ピストン３２２の上面とにより囲まれる３次元空間が、造形部３１に供給される予定の造形材料９１が貯溜される貯溜空間である。層形成部材３２３は、第２シリンダ３２１の上部開口を横断してＸ方向に延びる棒状（例えば、略円柱状）の部材である。層形成部材３２３は、第２シリンダ３２１の上端面に沿ってＹ方向に水平に移動可能である。

【0019】

供給部３２では、第２ピストン３２２が所定距離だけ上昇し、第２シリンダ３２１内の造形材料９１が上方へと持ち上げられる。このとき、事前に第１ピストン３１２により造形空間３０内の造形材料９１の表面が材料層９２の１層分だけ下降している。層形成部材３２３が第２シリンダ３２１上から第１シリンダ３１１上へと移動することにより、第２シリンダ３２１の上端面よりも上側に突出する造形材料９１が、造形部３１の造形空間３０内に供給される。造形空間３０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３１１の上端面と同じ高さ）に位置する。これにより、造形空間３０内に１つの材料層９２が形成される。

【0020】

３次元造形装置１では、造形空間３０内の造形材料９１に対して、後述の光変調器２３の中間像の投影像であるマルチスポットラインビーム８の走査が行われる。これにより、造形空間３０内の造形材料９１の表面、すなわち、最新の材料層９２の表面である投影面９５の所定の領域において造形材料が結合する。その結果、３次元造形物の１つの層に相当する部位が形成される。投影面９５である加工領域上でのマルチスポットラインビーム８の走査が終了すると、第１ピストン３１２が材料層９２の１層分の距離だけ下降する。その後、第２投影光学系２４２と投影面９５との間を層形成部材３２３が投影面９５に沿って移動することにより、供給部３２から造形空間３０への造形材料９１の供給が行われ、マルチスポットラインビーム８が走査された投影面９５上に新たな材料層９２が形成される。すなわち、新たな投影面９５が形成される。そして、次のマルチスポットラインビーム８の走査が行われる。３次元造形装置１では、造形空間３０における材料層９２の形成と、材料層９２上におけるマルチスポットラインビーム８の走査とが繰り返されることにより、造形空間３０内に３次元造形物９３が形成される。

【0021】

３次元造形装置１では、作製される予定の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、光学ヘッド１１および層形成機構１２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。

【0022】

次に、光学ヘッド１１の詳細について説明する。レーザ光源２１は、照明光学系２２へとレーザ光８１を出射する。レーザ光源２１は、例えば、ファイバレーザ光源である。レーザ光８１の波長は、例えば１．０７０μｍである。なお、レーザ光源２１の種類、および、レーザ光８１の波長は、様々に変更されてよい。

【0023】

照明光学系２２は、レーザ光８１の光束断面を、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８２に整形して光変調器２３へと導く。換言すれば、整形ビーム８２の断面形状は、長軸方向に長く、光軸および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８２の断面形状とは、光軸に対して垂直な面における整形ビーム８２の形状である。長軸方向および短軸方向は、光軸の方向、すなわち、整形ビーム８２の進行方向に垂直な方向である。以下の説明において、光束（変調されたものを含む。）を「光」または「ビーム」と表現するが、「光」または「ビーム」の「断面」とは、光軸に垂直な面における光束の断面を意味する。整形ビーム８２の断面形状は、長軸方向に延びる直線状と捉えることもできる。整形ビーム８２の光変調器２３上における形状は、例えば、長軸方向の長さが約２７ｍｍ、短軸方向の長さが約１ｍｍの略矩形である。

【0024】

光変調器２３は、照明光学系２２からの整形ビーム８２を１次元の空間変調された変調光８３に変換する。光変調器２３としては、例えば、高速に変調を行うことができ、ｋＷクラスのレーザ光に耐えることができるＰＬＶ（Planar Light Valve）が用いられる。ＰＬＶは２次元の空間光変調器であるが、光学ヘッド１１では、これを１次元の空間変調器として利用する。

【0025】

図２は、ＰＬＶである光変調器２３の構造を簡素化して示す図である。光変調器２３は、図示省略の基板上に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２３１を備える。光変調器２３では、当該複数のピクセル２３１の表面が変調面２３４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２３１が配置される。図２中の横方向は、整形ビーム８２（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８２の短軸方向に対応する。

【0026】

各ピクセル２３１は、固定部材２３２と、可動部材２３３とを備えた変調機構である。固定部材２３２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２３３は、固定部材２３２の当該開口に設けられる略円形の部材である。固定部材２３２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２３３の上面には、可動反射面が設けられる。可動部材２３３は、図２中の紙面に垂直な方向に移動可能である。

【0027】

各ピクセル２３１では、図２中の紙面に垂直な方向における固定部材２３２と可動部材２３３との相対位置が変更されることにより、ピクセル２３１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、ピクセル２３１では、可動部材２３３が固定部材２３２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２３から出射された０次光は、投影光学系２４（図１参照）により造形空間３０へと導かれる。また、光変調器２３から出射された非０次回折光（主として、１次回折光）は、適宜遮光されて造形空間３０には到達しない。

【0028】

光変調器２３では、図２中の縦方向に１列に並ぶＭ個のピクセル２３１（以下、「ピクセル列２３０」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２３１からの反射光が０次光である場合、当該一のピクセル２３１が含まれるピクセル列２３０の他の全てのピクセル２３１（すなわち、Ｍ－１個のピクセル２３１）からの反射光も０次光である。また、一のピクセル２３１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２３１が含まれるピクセル列２３０の他の全てのピクセル２３１からの反射光も非０次回折光である。すなわち、光変調器２３では、整形ビーム８２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。このように、光変調器２３では、１つのピクセル列２３０のＭ個のピクセル２３１（すなわち、Ｍ個の変調機構）が、１つの単位空間に対応する１つの変調要素として機能する。光変調器２３は、整形ビーム８２の長軸方向に１列に並ぶＮ個の変調要素を備える１次元の空間光変調器として機能する。好ましい例では、Ｎは、１０００以上である。

【0029】

次に、投影光学系２４について説明する。既に説明したように、投影光学系２４は、第１投影光学系２４１と第２投影光学系２４２とを含む。第１投影光学系２４１は光変調器２３の中間像を所定の中間位置に形成する。第２投影光学系２４２はこの中間像を走査しつつ材料層９２上、すなわち、投影面９５上に投影する。図３は投影光学系２４を簡略化して示す図である。図３において、縦方向が光変調器２３の変調素子が並ぶ方向（以下、「長軸方向」ともいう。）に対応する。実際には、投影光学系２４において光軸は折れ曲がるが、図３では光軸が直線になるように展開して示している。

【0030】

第１投影光学系２４１は、光変調器２３側から順に、第１レンズ群４１と第２レンズ群４２とを有する。第１レンズ群４１は少なくとも１つのレンズである。第２レンズ群４２も少なくとも１つのレンズである。第２投影光学系２４２は、第１投影光学系２４１側から順に、第３レンズ群４３と、走査機構４４と、第４レンズ群４５とを有する。第３レンズ群４３は少なくとも１つのレンズである。走査機構４４は、本実施の形態では、変調光をＸ方向に走査するガルバノスキャナと、Ｙ方向に走査するガルバノスキャナとを組み合わせたものである。図３では、走査機構４４を２つの長方形にて簡略化して示している。第４レンズ群４５は少なくとも１つのレンズである。

【0031】

第１投影光学系２４１は縮小倍率である。すなわち、第１投影光学系２４１により、縮小された光変調器２３の中間像８４が形成される。第１レンズ群４１および第２レンズ群４２を球面レンズのみで構成して、中間像８４は長軸方向および短軸方向に同じ倍率で縮小された像でもよい。しかし、１次元の変調光を生成する場合、長軸方向の変調が造形物の形状を決定するため、第１投影光学系２４１にシリンドリカルレンズ等を含めて中間像８４を長軸方向よりも短軸方向に大きく縮小してもよい。１次元の変調光の場合、第１投影光学系２４１における倍率とは、光変調器２３の変調要素が並ぶ方向に対応する方向における倍率を指すものとする。

【0032】

一方、第２投影光学系２４２は拡大倍率である。第３レンズ群４３は、好ましくは１枚のレンズ、または、収差を抑制した貼り合わせレンズである。第４レンズ群４５も、好ましくは１枚のレンズ、または、収差を抑制した貼り合わせレンズである。第２投影光学系２４２は、好ましくは球面レンズのみにより構成され、いわゆるｆθレンズである。第２投影光学系２４２は、像側テレセントリックであっても像側非テレセントリックであってもよい。さらに、第２投影光学系２４２は非ｆθレンズであってもよい。第２投影光学系２４２により、中間像８４の投影像８５が材料層９２の表面である投影面９５（すなわち、粉末面）上に拡大されて形成される。第２投影光学系２４２により、中間像８４がマルチスポットラインビーム（図１の符号８参照）となって加工領域である投影面９５上に照射される。また、走査機構４４により、投影像８５が投影面９５上にて走査される。図３では、マルチスポットラインビームが走査される様子を走査機構４４から光路を分岐させることにより簡略化して示している。

【0033】

図４は、材料層９２の投影面９５においてマルチスポットラインビームが照射される様子を説明するための図である。図４においてＹ方向が長軸方向に対応する。すなわち、マルチスポットラインビームのＯＮ（光照射）およびＯＦＦ（光非照射）のスポットがＹ方向に並ぶ。図４中の符号９５０はマルチスポットラインビームのスポット列の長さを示し、走査機構４４によりマルチスポットラインビームがＸ方向に移動することにより、１つの領域９５１に変調光による描画が行われる。以下、領域９５１を「スワス」と呼ぶ。

【0034】

１つのスワス９５１に対する描画が完了すると、走査機構４４により、＋Ｙ方向に隣接するスワス９５１への描画が行われる。隣接するスワス９５１への描画が順次行われることにより、材料層９２の投影面９５への描画、すなわち、変調された光の照射による投影面９５の露光が完了する。

【0035】

図５は、比較例に係る投影光学系７２４を示す図であり、図３に対応する。投影光学系７２４の基本構造は図３と同様であるが、第１投影光学系７２４１は等倍率（または拡大倍率）であり、第２投影光学系７２４２は等倍率（または縮小倍率）である。図３において投影光学系２４全体の倍率が等倍である場合、図５の第４レンズ群７４５の焦点距離は図３の第４レンズ群４５の焦点距離よりも短くなる。その結果、第４レンズ群７４５から投影面９５までの距離、すなわち、ワーキングディスタンスが短くなる。これにより、材料層９２上にてマルチスポットラインビームを走査することができる範囲が狭くなり、作製可能な造形物を大型化することができない。

【0036】

例えば、光変調器２３の変調エリアが、長軸方向に２７ｍｍ、短軸方向に１ｍｍであり、比較例の第２投影光学系７２４２および本実施の形態の第２投影光学系２４２の双方が、物像間距離が１０００ｍｍの両側テレセントリック光学系であるものとする。ここで、比較例の第１投影光学系７２４１の倍率が１．２５、第２投影光学系７２４２の倍率が０．８であり、本実施の形態の第１投影光学系２４１の倍率が０．２５、第２投影光学系２４２の倍率が４であり、比較例においても本実施の形態においても投影面９５でのビームサイズが２７ｍｍ×１ｍｍであるものとすると、比較例の第４レンズ群７４５の焦点距離は２２２ｍｍとなり、本実施の形態の第４レンズ群４５の焦点距離は４００ｍｍとなる。第４レンズ群の焦点距離はワーキングディスタンスに近いため、本実施の形態では比較例と比べて十分に長いワーキングディスタンスが確保できる。

【0037】

図５の比較例において、第４レンズ群７４５の焦点距離を長くしてワーキングディスタンスを確保することも考えられるが、この場合、第２投影光学系７２４２の倍率が大きくなり、加工領域上での光の照射強度（いわゆる、フルエンス）が低下する。その結果、露光量の確保のため走査速度を低下させる必要が生じて生産性が低下することが考えられる。また、スポットサイズの増大により造形分解能が低下する等の問題が生じることも考えられる。第３レンズ群７４３および第４レンズ群７４５の双方の焦点距離を長くするという対策も考えられるが、この場合、第２投影光学系７２４２の光路長が長くなり、光学ヘッドの大型化につながるという問題が生じる。

【0038】

上記課題に対し、図３の投影光学系２４では、第１投影光学系２４１を縮小倍率とし、第２投影光学系２４２を拡大倍率とすることにより、上記の光の照射強度の低下、生産性の低下、造形分解能の低下、光学系の長大化等の問題を回避しつつ、長いワーキングディスタンスを容易に確保することができる。あるいは、第１投影光学系２４１を縮小倍率とすることで、長いワーキングディスタンスを確保するために第２投影光学系２４２が拡大倍率としつつ、投影光学系２４の全体投影倍率が過度に大きくなることを避けることができる。

【0039】

上記説明では、投影光学系２４の全体の投影倍率が１である場合を例として説明したが、もちろん、投影光学系２４の投影倍率は１には限定されない。光変調器２３の変調要素は微細であるため、好ましくは、投影光学系２４の投影倍率は１以上に設計される。好ましくは、投影光学系２４の投影倍率は２以下である。特に、光変調器２３が、回折格子光バルブ（Grating Light Valve：ＧＬＶ（登録商標））または平面光バルブ（（Planar Light Valve：ＰＬＶ）の場合、投影光学系２４の全体投影倍率（すなわち、第１投影光学系２４１および第２投影光学系２４２による投影倍率）は、１未満にする必要はなく、２を超えると造形物の望ましい形状精度が得られないため、全体投影倍率は、１以上２以下であることが好ましい。また、造形材料９１がナイロン、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）の場合においても、全体投影倍率が１以上２以下であることが好ましい。

【0040】

そして、このような投影光学系２４において、第１投影光学系２４１の投影倍率を第２投影光学系２４２の投影倍率よりも小さくすることにより、上記の通り、長いワーキングディスタンスを確保することが実現される。中間像８４と第２投影光学系２４２との間の距離を大きくすることも不要となる。特に、第１投影光学系２４１の投影倍率を、第１投影光学系２４１および第２投影光学系２４２による全体投影倍率の１／２以下とすることにより、第１投影光学系２４１の投影倍率を等倍以上とする場合に比べて顕著に長いワーキングディスタンスを確保することができる。また、第１投影光学系２４１の投影倍率が全体投影倍率の１／２よりも大幅に小さいことは造形において影響は小さいが、集光された光が光学素子に与えるダメージを考慮すると、第１投影光学系２４１の投影倍率は全体投影倍率の１／４以上であることが好ましい。すなわち、第１投影光学系２４１の投影倍率は、好ましくは全体投影倍率の１／４以上１／２以下である。

【0041】

既述の通り、光変調器２３が１次元の空間変調器の場合、投影倍率は、変調要素が並ぶ長軸方向における投影倍率を指す。上記説明では、第１投影光学系２４１は、光変調器２３の中間像８４を所定の中間位置に形成するが、光変調器２３が１次元の空間変調器の場合、「中間像」とは長軸方向における像を意味する。すなわち、第１投影光学系２４１において長軸方向に関して光変調器２３と中間像８４とは共役な位置関係である。もちろん、第１投影光学系２４１が長軸方向および短軸方向に同じの投影倍率を有する場合、第１投影光学系２４１の投影倍率はこれらの投影倍率である。なお、第１投影光学系２４１は１つのレンズのみとすることも可能である。第１投影光学系２４１は、１つのレンズ群でもよく、３以上のレンズ群でもよい。

【0042】

第２投影光学系２４２は、中間像８４の投影像８５を造形材料９１の投影面９５上に形成する。また、第２投影光学系２４２は、走査機構４４により、投影像８５を投影面９５上にて走査する。第２投影光学系２４２は、投影像８５の走査のために設けられることから、好ましくは、長軸方向および短軸方向において投影倍率は同じである。もちろん、第２投影光学系２４２の投影倍率は、長軸方向における投影倍率を指すものとして定められてもよい。走査機構４４では、ガルバノスキャナに代えて、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が設けられてもよい。走査機構４４による走査は、長軸方向に対して交差する方向に行われるであれば、必ずしも２次元的に走査される必要はない。すなわち、１つの材料層９２に対するマルチスポットラインビームの走査は、１方向に１回のみでもよい。第２投影光学系２４２により、中間像８４の投影像８５が投影面９５上に形成されるが、厳密な意味で中間像８４が形成される中間位置と投影面９５とは光学的に共役である必要はない。３次元造形が可能な範囲内で、投影面９５は中間位置と共役な位置から僅かにずれてもよい。

【0043】

複数の変調要素を有する回折型の光変調器２３としては、耐パワー性能が高いＰＬＶが好ましい。光変調器２３としては、１次元の空間変調器には限定されない。２次元の空間光変調器、例えば、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device）であってもよい。光変調器２３としては、投影像中の複数の位置における光の照射および非照射を制御することができるのであれば様々な原理に基づく変調器が採用可能である。

【0044】

光学ヘッド１１の光源は、レーザ光源２１には限定されない。他の公知の様々な光源が採用されてよい。照明光学系２２も光変調器２３の複数の変調要素の領域に光を収束させて導くことができるのであれば様々な光学系が採用されてよい。

【0045】

層形成機構１２の層形成部材３２３は、スキージには限定されない。ローラや造形材料９１を散布する部材が層形成部材として採用されてもよい。層形成部材３２３が第２投影光学系２４２と投影像８５が走査された投影面９５との間を当該投影面９５に沿って移動する場合、長いワーキングディスタンスを得ることができる上記構造の光学ヘッド１１の採用が特に好ましい。層形成機構１２は、層形成部材３２３を有しない機構であってもよい。投影像８５が走査された投影面９５上に、造形材料９１の新たな材料層９２を形成することにより、新たな投影面９５を形成することができるのであれば、層形成機構１２として様々な他の機構が採用されてよい。

【0046】

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。

【符号の説明】

【0047】

１ ３次元造形装置
１２ 層形成機構
２１ 光源
２２ 照明光学系
２３ 光変調器
４４ 走査機構
８４ 中間像
８５ 投影像
９１ 造形材料
９２ 材料層
９５ 投影面
２３０ ピクセル列（変調要素）
２４１ 第１投影光学系
２４２ 第２投影光学系
３２３ 層形成部材

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】