JP2007114674A

JP2007114674A - 画像形成装置

Info

Publication number: JP2007114674A
Application number: JP2005308542A
Authority: JP
Inventors: Fumio Nakaya; 文雄仲谷; Yuichi Ichikawa; 裕一市川; Norimichi Tsumura; 徳道津村; Yoichi Miyake; 洋一三宅
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 2005-10-24
Filing date: 2005-10-24
Publication date: 2007-05-10
Anticipated expiration: 2025-10-24
Also published as: JP4967308B2

Abstract

【課題】物体の光沢感や凹凸感を読み取り、これらを忠実に再現する。
【解決手段】画像形成装置１００は、画像読取部１０において物体表面のスキャンを行う。画像形成装置１００はスキャン処理を２回実行し、異なる２つの反射角からの受光光に基づいて２つの画像データ（第１画像データおよび第２画像データ）を生成する。制御部３０は、第１画像データから物体表面の法線方向を算出し、物体表面の形状を推定する。その後制御部３０は、この法線方向を考慮した上で第１画像データおよび第２画像データから物体表面の光沢度を推定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、物体表面の質感を良好に読み取り、これを再現する技術に関する。

物体表面はそれぞれ「質感」を有している。例えば、研磨された金属の表面はつややかな「光沢感」を観察者に与え、織物の表面は経糸と緯糸の織りなす独特の織り感や風合い、すなわち「凹凸感」を観察者に与える。スキャナ等の画像読取装置を用いて、物体をより実物らしく、リアルに表現するためには、物体の光沢や凹凸といった質感に関する情報を読み取り、これらを再現することが必要となる。物体の質感のうち、特に光沢については、従来よりこれを検知する技術が知られている（例えば、特許文献１〜３参照）。
特開平６−７００９７号公報特開平５−３１３５３７号公報特開平５−３３３６４３号公報

上述の通り、質感とは、光沢感のみを表す概念ではなく、織り感や風合いといった凹凸感をも含む概念である。上述の特許文献１〜３に記載された技術では、光沢感を読み取ることはできるものの、物体表面の凹凸に関する情報を読み取ることはできない。それゆえ、このような技術を用いただけでは、物体の質感を忠実に再現することができなかった。

本発明は上述の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、物体の光沢感や凹凸感を読み取り、これらを忠実に再現することを可能にする技術を提供することにある。

上述の目的を達成するために、本発明は、各位置について決められた拡散反射率を有する物体の表面に決められた強度の光を決められた入射方向から入射する入射手段と、前記入射手段により前記物体表面に入射された光の反射光であって、当該表面からの反射方向が前記入射方向と異なる第１の方向である反射光を所定の位置に結像させる第１の結像手段と、前記入射手段により前記物体表面に入射された光の反射光であって、当該表面からの反射方向が前記入射方向及び前記第１の方向と異なる第２の方向である反射光を所定の位置に結像させる第２の結像手段と、前記第１の結像手段により結像された反射光を受光した場合に、その強度を表す第１の画像信号を生成し、前記第２の結像手段により結像された反射光を受光した場合に、その強度を表す第２の画像信号を生成する受光手段と、前記受光手段により生成された第１の画像信号が表す強度から前記物体表面の各位置における法線方向を算出し、当該各位置の法線方向と所定の基準方向とがなす角度に基づいて前記物体表面の形状を推定する形状推定手段と、前記物体表面の各位置について、前記入射手段により入射された光の入射方向と前記形状推定手段により算出された法線方向とから当該光の反射光の鏡面反射方向を算出し、前記受光手段により生成された第１の画像信号が表す強度及び前記第１の方向と前記鏡面反射方向のなす角度並びに前記受光手段により生成された第２の画像信号が表す強度及び前記第２の方向と前記鏡面反射方向のなす角度に基づいて当該各位置の光沢度を推定する光沢度推定手段と、形状を表現可能な色材及び光沢を表現可能な色材を少なくとも用いてシートに画像を形成する画像形成手段であって、前記形状推定手段により推定された形状と前記光沢度推定手段により推定された光沢度とに基づいて前記物体表面の形状及び光沢度を表現した画像を形成する画像形成手段とを備える画像形成装置を提供する。
このような画像形成装置によれば、形状推定手段によって物体表面の凹凸感を推定するとともに、光沢度推定手段によって物体表面の光沢感を推定することができる。

また、本発明において、前記光沢度推定手段は、前記物体表面の各位置における鏡面反射率と鏡面指数とを未知数とする連立方程式の解を求めることにより前記光沢度を推定する構成を採用することができる。また、前記入射手段が入射する光の方向は、水平面に対して４５°であり、前記第１の方向は、水平面に対して９０°であり、前記第２の方向は、水平面に対して１２５〜１４５°であると好適である。この場合において、前記第２の方向は、物体の鏡面反射率に応じて定められるものであり、鏡面反射率がそれほど高くない場合には１３０°、すなわち入射光に対する鏡面反射方向であることが望ましい。なお、光を入射する方向や反射光を受光する方向を可変とする構成を採用することも可能である。

また、本発明において、画像形成手段はトナーを色材として用いる構成が望ましい。トナーとしては、シアン、マゼンタ、イエロー、ブラックといった通常のカラートナーに加えて、メタリック色を表現するためのゴールドやシルバー等のトナーや透明トナー、あるいは凹凸感を表現するための発泡性トナーを用いると好適である。そして、画像形成手段は、推定された光沢度や形状に応じてこれらのトナーの量を決定するとよい。なお、メタリック色のトナーとは、画像形成後のシート表面においてメタリック色となるトナーのことである。同様に、透明トナーや発泡性トナーについても、画像形成後のシート表面において、透明であったり、発泡して膨張した状態となるトナーのことである。

なお、光沢度を推定する処理や形状を推定する処理は、物体の全面について行わなくてもよい。例えば、プレスキャンを実行するなどして形状や光沢度の推定を行う領域をあらかじめ特定し、この領域に対してのみ上述の推定処理を実行してもよい。具体的には、前記受光手段により生成された第１の画像信号が表す強度と前記決められた拡散反射率との差違を前記物体の各位置について比較し、当該差違が所定のレベル以上となる領域を特定する領域特定手段を備える構成や、前記受光手段により生成された第２の画像信号が表す強度が所定のレベル以上となる領域を特定する光沢特定手段を備える構成を挙げることができる。このような構成とすれば、画像形成に要する時間を短縮することが可能となる。

以上のように、本発明によれば、物体の光沢感や凹凸感を読み取り、これらを忠実に再現することが可能となる。

以下では、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。ここでは、本発明の実施の一態様として、電子写真方式の画像形成装置を挙げて説明する。なお、本実施形態においては、その構成上、画像の読み取り対象は、紙や織物、あるいは金属板など、主としてシート状の物体を想定している。しかしながら、本発明における読み取り対象はこのような物体に限定されない。

［１．構成］
図１は、本発明の一実施形態である画像形成装置１００の構成を概略的に示したブロック図である。また、図２は、この画像形成装置１００の画像読取部１０および画像形成部２０の構成をより具体的に示した図である。ここではまず、画像読取部１０および画像形成部２０の構成について詳細に説明する。

画像読取部１０はいわゆるスキャナの機能を有し、画像形成部２０はいわゆるプリンタの機能を有する。このうち、画像読取部１０は、プラテンガラス１１と、プラテンカバー１２と、フルレートキャリッジ１３と、ハーフレートキャリッジ１４と、結像レンズ１５と、ラインセンサ１６とを備える。

プラテンガラス１１は読み取るべき物体Ｏを載置するための透明なガラス板である。プラテンガラス１１は、その表面が水平となるように設置されている。また、プラテンガラス１１の表面には、多層誘電体膜等の反射抑制層が形成されており、プラテンガラス１１表面での反射が軽減されるようになっている。これは、本来読み取るべき成分である物体Ｏの表面からの反射光成分と不要な成分であるプラテンガラス１１表面からの反射光成分が合成した状態で読み取られるのを防止するためである。なお、物体Ｏ表面からの反射光成分とプラテンガラス１１表面からの反射光成分を分離することを目的に、例えばスペーサを設けるなどして物体Ｏ表面とプラテンガラス１１表面を所定の間隔だけ離間させるようにしてもよい。なお、説明の便宜上、以下においては「物体Ｏの表面」のことを単に「物体Ｏ」ともいう。

プラテンカバー１２はプラテンガラス１１を覆うように設けられており、外光を遮断してプラテンガラス１１上に載置された物体Ｏの読み取りを容易にする。フルレートキャリッジ１３は、走査時において図２中の矢印ＡまたはＢの方向に移動しながら物体Ｏに光を照射し、後述する２種類の反射光を発生させる。

ここで図３を参照し、フルレートキャリッジ１３の構成をより詳細に説明する。フルレートキャリッジ１３は、光源１３１と、ミラー１３２、１３３および１３４と、回動リフレクタ１３５とを備える。光源１３１はキセノン蛍光ランプ等の高演色性の光源であり、物体Ｏに決められた所定の強度の光を照射する。光源１３１は、水平面であるプラテンガラス１１に対して４５°の角度をなす方向から光を入射する。ミラー１３２、１３３および１３４は物体Ｏからの反射光をさらに反射し、この光をハーフレートキャリッジ１４へと導く。

ミラー１３２に入射する光は、水平面であるプラテンガラス１１に対して９０°の角度をなす方向からの反射光である。また、ミラー１３３に入射する光は、プラテンガラス１１に対して１３５°の角度をなす方向からの反射光である。つまり、ミラー１３３に入射する光は、物体Ｏの表面がプラテンガラス１１の表面と平行であった場合には鏡面反射光（正反射光）となる。

なお、以下においては、説明の便宜上、光源１３１から物体Ｏに入射する光を入射光Ｌ_０、ミラー１３２に入射する反射光を第１反射光Ｌ_１、ミラー１３３に入射する反射光を第２反射光Ｌ_２という。

回動リフレクタ１３５は、その片面は光を反射するミラー１３５ｍであり、もう一方の面では光を吸収する光トラップ１３５ｔである。光トラップ１３５ｔは例えば黒色の多孔質ポリウレタンシートであり、ここに入射した光のほとんどは表面で捕捉（トラップ）されて吸収されるようになっている。

回動リフレクタ１３５は、図３において実線で示した位置（以下「第１の位置」という。）にあるときには、ミラー１３２からの第１反射光Ｌ_１を反射してハーフレートキャリッジ１４へと導く一方、ミラー１３４からの第２反射光Ｌ_２を吸収する。また、回動リフレクタ１３５は図示せぬ駆動機構によって１３５ａを軸として回動され、図中の二点鎖線（１３５’）で示された位置へと移動可能となっている。この位置（以下「第２の位置」という。）にあるときは、回動リフレクタ１３５はミラー１３４からの第２反射光Ｌ_２をハーフレートキャリッジ１４へと導く一方、ミラー１３２に向かう第１反射光Ｌ_１を吸収する。

なお、フルレートキャリッジ１３の各部は、第１反射光Ｌ_１と第２反射光Ｌ_２とがフルレートキャリッジ１３の同一の位置から同一の角度で出射されるように構成されている。このようにすることで、２種類の異なる反射光を同一の受光手段（ラインセンサ１６）で受光することが可能となっている。また、フルレートキャリッジ１３の各部は、第１反射光Ｌ_１の光路長と第２反射光Ｌ_２の光路長とが同一となるように構成されているのが望ましい。このようにすれば、それぞれの反射光の焦点位置が同一となるので、受光する際の焦点位置の調整が不要となる。

ここで参照する図面を図２に戻し、画像形成装置１００のその他の構成要素について説明する。ハーフレートキャリッジ１４はミラー１４１、１４２を備え、フルレートキャリッジ１３からの光を結像レンズ１５へと導く。また、ハーフレートキャリッジ１４は図示せぬ駆動機構によって駆動され、走査時においてフルレートキャリッジ１３の半分の速度でフルレートキャリッジ１３と同じ方向へと移動される。

結像レンズ１５はミラー１４２とラインセンサ１６とを結ぶ光路上に設けられており、物体Ｏからの光をラインセンサ１６の位置で結像する。ラインセンサ１６は反射光を例えばレッド（Ｒ）、グリーン（Ｇ）およびブルー（Ｂ）の３色の光に分光して受光し、それぞれを光電変換する３ラインカラーＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサ等の撮像素子であり、受光した光の強弱に応じた電圧信号を生成する。

続いて、画像形成部２０の構成を説明する。画像形成部２０は、複数の給紙トレイ２１と、複数の搬送ロール２２と、一次転写ユニット２３ａ、２３ｂおよび２３ｃと、中間転写ベルト２４と、二次転写ロール２５と、バックアップロール２６と、一次定着機構２７と、切替機構２８と、二次定着機構２９とを備える。

給紙トレイ２１はそれぞれ所定のサイズのシートを収容し、このシートを画像形成に合わせて供給する。ここでシートとは、いわゆるＰＰＣ（Plain Paper Copier）用紙等の画像形成において通常用いられる用紙であるが、必要に応じて、表面に樹脂等のコーティングがなされた用紙や紙以外の材質のシートを用いることができる。搬送ロール２２は、給紙トレイ２１により供給されたシートを二次転写ロール２５とバックアップロール２６が対向する位置に搬送する搬送経路を形成する。シートの搬送経路とは、図２において破線で示した経路のことである。一次転写ユニット２３ａ、２３ｂおよび２３ｃは供給される画像データに応じたトナー像を形成し、形成したトナー像を中間転写ベルト２４に転写する。

ここで図４を参照し、一次転写ユニット２３ａ、２３ｂおよび２３ｃの構成をより詳細に説明する。なお、一次転写ユニット２３ａ、２３ｂおよび２３ｃは、用いるトナーが異なるのみであって、それぞれの構成は同様である。そこで、ここでは各構成要素に付したａ、ｂ、ｃの符号を省略して説明する。

一次転写ユニット２３は、感光体ドラム２３１と、帯電器２３２と、露光器２３３と、現像ユニット２３４、２３５、２３６および２３７と、一次転写ロール２３８とを備える。感光体ドラム２３１は表面に電荷受容体としてＯＰＣ（Organic Photo Conductor：有機光導電体）からなる光導電層が形成された像担持体であり、図中の矢印Ｃの方向に回転される。帯電器２３２は帯電ローラを備えており、感光体ドラム２３１表面を一様に帯電させる。露光器２３３はレーザダイオードにより感光体ドラム２３１に光を照射し、その表面に所定の電位の静電潜像を形成する。現像ユニット２３４、２３５、２３６および２３７は、それぞれ異なる色のトナーを収容するとともに感光体ドラム２３１表面との間に所定の電位差（現像バイアス）を生じさせ、この電位差により感光体ドラム２３１表面に形成された静電潜像にトナーを付着させることによってトナー像を形成する。現像ユニット２３４〜２３７は、いわゆるロータリー方式の現像装置を構成している。一次転写ロール２３８は、中間転写ベルト２４が感光体ドラム２３１と対向する位置において所定の電位差（一次転写バイアス）を生じさせ、この電位差により中間転写ベルト２４表面にトナー像を転写させる。

現像ユニット２３４、２３５、２３６および２３７に収容されるトナーは、シアン、マゼンタ、イエロー、ブラックの４色に加え、レッド、オレンジ、グリーン、ブルーの４色（以上の８色を「カラートナー」という。）と、ゴールド、シルバーの２色があり、さらに、透明トナーと発泡性トナーも含まれる。ここで、ゴールドとシルバーのトナーはいわゆるメタリック色のトナーである。また、透明トナーとは色材を含まないトナーのことであり、例えば低分子量のポリエステル樹脂にＳｉＯ_２（二酸化シリコン）やＴｉＯ_２（二酸化チタン）を外添したものである。透明トナーにより形成された画像の表面は平滑度を増し、さらに光沢が付与される。また、発泡性トナーとは例えばポリエステル樹脂に重炭酸塩やアゾ化合物等の発泡剤を添加してなるトナーである。発泡性トナーは加熱により発泡して膨張し、凹凸のある立体的な画像を形成する。

なお、これらのトナーが収容される場所は、現像ユニット２３４〜２３７のいずれであってもよいが、発泡性トナーについては、その他のトナーよりも後に転写されるのが望ましい。これは、発泡性トナーが画像の表面に露出するのを防止するためである。また、透明トナーやメタリック色のトナーについては、その他のトナーよりも先に転写されるのが望ましい。これは、透明トナーやメタリック色のトナーがその他のトナーに覆われ、本来表現すべき光沢が失われるのを防止するためである。

ここで、参照する図面を再び図２に戻し、画像形成部２０のその他の構成要素について説明する。中間転写ベルト２４は、図示せぬ駆動機構によって図中の矢印Ｄの方向に移動される無端のベルト部材である。中間転写ベルト２４は、感光体ドラム２３１ａ、２３１ｂおよび２３１ｃと対向する位置においてトナー像を転写（一次転写）され、これを移動させてシートに転写（二次転写）させる。二次転写ロール２５およびバックアップロール２６は、中間転写ベルト２４がシートと対向する位置において所定の電位差（二次転写バイアス）を生じさせ、シートにトナー像を転写させる。一次定着機構２７はシートを加熱および加圧するためのロール部材を備えており、シートの表面に転写されたトナー像を定着させる。切替機構２８は、シートの表面に形成されているトナー像の種類に応じてシートの搬送経路を異ならせる。具体的には、切替機構２８は、トナー像が透明トナーを含んでいるシートを図中の矢印Ｒの方向へと搬送させ、その他のシートを図中の矢印Ｌの方向へと搬送して排出させる。

二次定着機構２９は、定着ベルト２９１と、ヒータ２９２と、ヒートシンク２９３とを備えている。二次定着機構２９は、一次定着機構２７においていったん加熱・加圧定着されたシートにヒータ２９２でさらに熱を加え、トナーを再度溶融状態にする。そして、二次定着機構２９はシートを表面の平滑な定着ベルト２９１に密着させたままヒートシンク２９３で冷却し、トナーを固着させる。このような定着処理を行うことで、表面が平滑で光沢度の高いトナー像を形成することができる。

画像読取部１０と画像形成部２０の構成は、以上の通りである。続いて、画像形成装置１００のその他の構成について、図１のブロック図を参照しながら説明する。画像形成装置１００は、上述の画像読取部１０と画像形成部２０に加え、制御部３０と、記憶部４０と、画像処理部５０と、操作部６０と、通信部７０とを備えている。

制御部３０は図示せぬＣＰＵ（Central Processing Unit）やＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）等を備えた演算装置であり、記憶部４０に記憶されたプログラムを実行することによって画像形成装置１００各部の動作を制御する。記憶部４０はＨＤＤ（Hard Disk Drive）等の大容量の記憶装置であり、上述した画像形成装置１００各部を動作させるためのプログラムをはじめとする各種データを記憶する。

画像処理部５０はＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）やＬＳＩ（Large Scale Integration）等の画像処理回路や、画像データを一時的に記憶するイメージメモリを備えており、所定の画像処理を実行する。ここで画像処理とは、ＡＤ変換やシェーディング補正といった基本的な画像処理に加え、色空間変換や画像回転、画像拡大・縮小、下色除去（ＵＣＲ）処理、スクリーン処理などといった処理を含んでいる。

操作部６０は例えばタッチパネル式のディスプレイや各種のボタンを備えた入力装置であり、操作者による入力指示を受け付ける。この入力指示は制御部３０へと供給される。通信部７０は外部装置とデータをやりとりするためのインターフェース装置である。画像形成装置１００は、必要に応じて、画像形成部２０に供給される画像データをコンピュータ等の外部装置に出力したり、あるいは外部装置から画像データを入力されることも可能となっている。

［２．動作］
以上の構成のもと、画像形成装置１００はプラテンガラス１１に載置された物体Ｏを走査（スキャン）して物体Ｏを示す画像データを生成し、この画像データに基づいた画像をシートに形成する。以下では、画像形成装置１００が物体Ｏのスキャンから画像形成に至るまでに行う一連の動作について説明する。

なお、画像形成装置１００が行う処理内容を容易に理解せしめるために、ここでは物体Ｏの拡散反射率が既知であるか、あるいは推定により求められているとする。具体的な推定の方法は任意であるが、例えば、「金属」や「紙」といった代表的なシートの材質についての拡散反射率を記憶しておき、これを物体Ｏのスキャンを行う前に操作者に選択させるようにする方法が考えられる。

図５は、画像形成装置１００が行う処理を示したフローチャートである。同図に沿って説明すると、はじめに画像形成装置１００の制御部３０は、画像読取部１０に物体Ｏの１回目のスキャンを行わせる（ステップＳ１）。このとき制御部３０は、回動リフレクタ１３５を第１の位置（図２において実線で示した位置）に固定させてラインセンサ１６に第１反射光Ｌ_１を受光させる。そしてラインセンサ１６は、受光光に応じた電圧信号を画像処理部５０に供給する。画像処理部５０は供給された電圧信号にＡＤ変換等の画像処理を施し、物体Ｏからの第１反射光Ｌ_１の強度を示す複数画素の画像データを生成し、記憶する。なお、このとき生成される画像データを、以下では「第１画像データ」という。また、この画像データの各画素は、その値が大きいほど反射光の強度が強い（すなわち明るい）ものであるとする。

続いて制御部３０は、上述のスキャン処理によって生成された第１画像データをもとに、物体Ｏの形状を推定する処理を行う（ステップＳ２）。具体的には、制御部３０はランベルト（Lambert）の法則に基づき次の（１）式に示される演算を実行し、物体Ｏの法線と光源１３１からの入射光のなす角度φを求める。なお、同式において、Ｉ_１は第１画像データの各画素により示される強度を示す値であり、Ｉ_ｓは物体Ｏの表面における照明光の強度を示す値であり、ρは物体Ｏの拡散反射率である。強度Ｉ_１はスキャン処理により求められた測定値であり、強度Ｉ_ｓおよび拡散反射率ρはあらかじめ記憶されている値である。

この式を解くことによって各画素について角度φを求めると、走査方向についての物体Ｏの形状を推定することができる。これを図解したのが図６である。ランベルトの法則から明らかなように、反射面である物体Ｏからの光の強度は入射光Ｌ_０の入射角（すなわちφ）に依存し、入射角が０°のときに最大となり、９０°のときに最小となる。ここにおいて、入射光Ｌ_０の方向と第１反射光Ｌ_１の方向は常に一定であり、物体Ｏの形状に応じて角度φのみが変化する。ゆえに、第１画像データの各画素について角度φを求めることによって、物体Ｏの各画素に対応する位置における法線Ｎの方向が明らかとなり、これによって物体Ｏの形状が明らかとなる。つまり、図６（ａ）および（ｂ）において物体Ｏの拡散反射率が等しいとすれば、測定された強度Ｉ_１の値が小さければ、物体Ｏが図６（ａ）のような形状、すなわち角度φがより０°に近い傾斜を有していることを意味し、強度Ｉ_１の値が大きければ、物体Ｏが図６（ｂ）のような形状、すなわち角度φがより９０°に近い傾斜を有していることを意味しているのである。

各画素についての角度φ、すなわち法線方向を算出したら、制御部３０はこれを第１画像データの各画素に対応付けた状態でＲＡＭに記憶する（ステップＳ３）。このとき記憶される情報のことを、以下では「形状情報」という。この形状情報は、物体Ｏの凹凸を表現するものである。

ここで、形状情報について具体的な例を示して説明する。図７は、物体Ｏの形状と形状情報の対応関係を例示した図である。なお、同図においては、Ｏ_１〜Ｏ_５で示した物体Ｏの各位置がそれぞれ画素Ｐ_１〜Ｐ_５に対応し、入射光Ｌ_０の入射方向は矢印Ｌで示した方向であるとする。このような場合、画素Ｐ_１の形状情報を角度φ_１とすると、この値は「４５°」となる。同様に、画素Ｐ_２、Ｐ_３、Ｐ_４およびＰ_５の形状情報をそれぞれ角度φ_２、φ_３、φ_４およびφ_５とすると、これらの値はそれぞれ「０°」、「４５°」、「９０°」および「４５°」となる。これらの形状情報に基づき、制御部３０は画素Ｐ_１〜Ｐ_５に相当する位置の形状を実線Ｓで示すような凹字型の形状であると推定する。

続いて制御部３０は、画像読取部１０に物体Ｏの２回目のスキャンを行わせる（ステップＳ４）。このとき制御部３０は、回動リフレクタ１３５を第２の位置（図２において破線で示した位置）に移動させてラインセンサ１６に第２反射光Ｌ_２を受光させる。そしてラインセンサ１６は、受光光に応じた電圧信号を画像処理部５０に供給する。画像処理部５０は供給された電圧信号にＡＤ変換等の画像処理を施し、物体Ｏからの第２反射光Ｌ_２の強度を示す複数画素の画像データを生成し、記憶する。なお、このとき生成される画像データを、以下では「第２画像データ」という。また、この画像データの各画素は、その値が大きいほど反射光の強度が強い（すなわち明るい）ものであるとする。

続いて制御部３０は、物体Ｏの光沢度を推定する処理を行う（ステップＳ５）。この処理を具体的なステップ毎に示したのが、図８のフローチャートである。同図に沿って説明すると、まず、制御部３０はＲＡＭに記憶された形状情報を読み出し、各画素の鏡面反射方向を算出する（ステップＳ５１）。ここで鏡面反射方向とは、いわゆる鏡面反射による反射光（鏡面反射光）の方向であり、その反射角が入射光Ｌ_０の入射方向と法線方向がなす角度φと等しくなる方向のことである。例えば、物体Ｏが図６（ａ）および（ｂ）に示した形状である場合、それぞれの鏡面反射方向は、図９（ａ）および（ｂ）において矢印Ｓｒで示した方向となる（なお、同図において、φ_ｒは反射角であり、φ＝φ_ｒとなっている。）。つまり、物体Ｏの各位置における鏡面反射方向は、それぞれの位置に対応する形状情報に応じて異なるものとなる。

鏡面反射方向を計算により求めたら、制御部３０はこの方向と第１反射光Ｌ_１および第２反射光Ｌ_２のなす角度γ_１、γ_２をそれぞれ求め、以下の（２）式に示す連立方程式を解く演算を行う（ステップＳ５２）。なお、同式において、Ｉ_１およびＩ_２はそれぞれ、第１画像データおよび第２画像データの各画素により示される強度を示す値（測定値）であり、Ｉ_ｉは光源１３１の入射光強度を示す値である。強度Ｉ_ｉの値は制御部３０にあらかじめ記憶されているものとする。すなわち、この式における未知数はＲ_ｓとｎである。

ここで、Ｒ_ｓは鏡面反射率であり、物体Ｏの鏡面反射光の反射率である。一般に、鏡面反射率が高い物体ほど拡散反射率は低くなり、その物体の表面は光沢を有する。また、ｎは鏡面反射の指向性を表す指数（以下「鏡面指数」という。）であり、この値が大きいほど、その物体の表面が光沢を有することを意味する。

図１０は、上述の（２）式を説明するための図である。なお、図１０は、図９（ｂ）にて示した状態と同様の状態を示しており、物体Ｏの表面が水平となるように傾けて示した図である。第１画像データおよび第２画像データは、同図の第１反射光Ｌ_１および第２反射光Ｌ_２に基づいて生成される。これらの反射光は鏡面反射光Ｓｒと一致せず（一致する場合もある）、鏡面反射光Ｓｒの方向に対してγ_１およびγ_２の角度をなす。このとき鏡面反射方向からの反射光の強度は、強度Ｉ_ｉと鏡面反射率Ｒ_ｓの積「Ｉ_ｉＲ_ｓ」により表される。ここに、フォン（Phong）のモデルとして知られている反射モデルを適用することで、（２）式で示した方程式が成立する。これを角度γ_１とγ_２のそれぞれについて示すと（２）式の連立方程式となり、ここから鏡面反射率Ｒ_ｓおよび鏡面指数ｎを求めることが可能となる。

各画素についての鏡面反射率Ｒ_ｓおよび鏡面指数ｎを演算により求めたら、制御部３０はこれらの値に基づいて光沢度を求める（ステップＳ５３）。ここでは、演算を容易にするため、以下の（３）式に示す演算により光沢度を算出する。同式において、Ｇは光沢度であり、ｃ_１およびｃ_２は所定の定数である。

各画素についての光沢度を算出したら、制御部３０はこれを第２画像データの各画素に対応付けた状態でＲＡＭに記憶する（ステップＳ５４）。このとき記憶される情報のことを、以下では「光沢情報」という。この光沢情報は、物体Ｏの光沢を表現するものである。

以上の処理が終了したら、制御部３０は上述した各種情報を用いて画像形成部２０に画像形成処理を実行させる（ステップＳ６）。具体的には、制御部３０はあらかじめ記憶された拡散反射率や第１画像データに基づいてカラートナーの量を決定するとともに、ＲＡＭに記憶された光沢情報に基づいてメタリック色のトナーの量を決定する。メタリック色のトナーは、光沢情報、すなわち上述の光沢度Ｇが所定の閾値を上回った領域に付与される。

また、制御部３０は、ＲＡＭに記憶された形状情報に基づいて発泡性トナーの量を決定する。制御部３０は、凹凸を有する領域、例えば図７における画素Ｐ_２、Ｐ_３およびＰ_４に相当する位置に対しては発泡性トナーを付与する。この場合において、例えば画素Ｐ_３に相当する位置に付与する発泡性トナーの量を画素Ｐ_２およびＰ_４に付与する発泡性トナーの量よりも多くするといったように、具体的な形状に応じて発泡性トナーの量を異ならせるのが望ましい。

そして、付与すべきトナーの量を各トナーについて決定したら、制御部３０はそれぞれのトナーに応じた静電潜像を感光体ドラム２３１ａ、２３１ｂおよび２３１ｃに形成させ、中間転写ベルト２４に転写させる。その後、制御部３０は中間転写ベルト２４表面のトナー像をシートに転写させ、このシートを一次定着機構２７および二次定着機構２９において加熱・加圧させる。この結果、シート表面には物体Ｏの表面を表現した画像が形成される。

このような処理によって形成された画像は、物体表面の色に加え、その形状（すなわち凹凸）と光沢とが再現されている。物体表面の形状は発泡性トナーにより表現され、物体表面の光沢はメタリック色のトナーによって表現される。ゆえに、本実施形態の画像形成装置１００によれば、物体表面の色だけでなく、その質感をも豊かに表現した画像を形成することが可能となる。

また、本実施形態の画像形成装置１００は、物体表面の形状、すなわち凹凸を推定し、その推定結果を反映させた上で光沢度の推定を行うことにより、物体表面の光沢領域をより正確に再現することが可能となっている。例えば、上述した特許文献１〜３を代表とする従来の技術においては、光沢度は通常、鏡面反射光の強弱によって推定されていた。鏡面反射光は入射光の入射角と等しい角度の反射角により測定可能であるが、従来は物体表面の形状を考慮せず、プラテンガラス等の決められた水平面を反射面とみなして反射角を定めていたため、受光された反射光は必ずしも鏡面反射光とはならなかった。それゆえ、物体表面が光沢領域を有する場合であっても、その表面にうねりが生じていたり、傾いていたときには、その領域が光沢領域であると正しく判断することが不可能であった。

これに対して、本実施形態の画像形成装置１００は、物体表面の各位置について凹凸を推定し、さらに、この推定結果を用いて各位置における鏡面反射方向を推定することによって、物体表面に水平面と平行でない領域があった場合であっても、その領域の光沢度を正確に予測することが可能となっている。それゆえ、本実施形態の画像形成装置１００は、凹凸感と光沢感の複合概念としての「質感」を、従来よりも極めて忠実に表現することが可能である。

［３．変形例］
なお、本発明は上述した実施形態にのみ限定されるものではなく、種々の態様にて実施することが可能である。具体的には、例えば以下のような変形が挙げられる。なお、これらの変形は、各々を適宜に組み合わせることも可能である。

上述の実施形態においては、物体表面をスキャンし、その全面について形状や光沢度を推定する処理を行っていたが、これらの推定処理を特定の領域にのみ行うとしてもよい。例えば、上述した１回目のスキャン処理により生成される第１画像データを解析し、その強度があらかじめ記憶された拡散反射率から導かれる値と大きく異なる領域がある場合や、本来その色に変化がないはずの領域において大きな強度変化が認められる場合には、これらの領域にのみ形状を推定する処理を行えばよい。このような領域は一様に水平でなく、凹凸を有している可能性が高く、また、その他の領域は一様に水平で凹凸を有していない可能性が高いからである。また、上述した２回目のスキャン処理により生成される第２画像データを解析し、その強度が所定の閾値より大きくなる領域にのみ光沢度を推定する処理を行ってもよい。物体表面がほぼ平坦で、かつ、水平面にほぼ平行であれば、第２画像データはおおよそ鏡面反射方向からの反射光強度を示すからである。

また、上述の実施形態においては、光沢領域にメタリック色のトナーを付与すると説明したが、光沢領域に透明トナーを付与してもよい。メタリック色のトナーと同様に、透明トナーによっても高光沢の画像を形成することができる。また、光沢領域において、さらにその光沢度のレベルに応じて用いるトナーを変化させてもよい。例えば、光沢領域の全面にメタリック色のトナーを付与し、その中でも特に光沢度の高い領域には、その上に透明トナーが付与されるようにしてもよい。

なお、画像形成に用いる色材はトナーに限定されない。例えば、色再現においてはカラートナーを使用し、質感再現においてはトナーとは異なる材料を用いてもよい。さらには、上述した色とは異なるカラートナーを用いたり、用いる色数を増減させることももちろん可能である。

また、画像読取部についても、上述した構成と異なる構成が採用可能である。例えば、上述の実施形態においてはキャリッジが移動する構成としたが、読取対象である物体そのものを移動させる構成であってもよい。また、２種類の反射光を同一のラインセンサで受光する必要はなく、それぞれを受光するラインセンサを別個に設けてもよい。さらに、フルレートキャリッジ内部のミラー等の各部材をプリズムにより構成してもよい。

また、上述の実施形態においては、プラテンガラス１１を反射面とみなしたとき、入射光Ｌ_０の入射角は４５°であり、第１反射光Ｌ_１の反射角は０°であるとしたが、これは単に通常の一般的なスキャナと同様の構成とするためである。よって、これらの入射角および反射角はこの角度に限らず、他の値であってもよい。

同様に、第２反射光Ｌ_２は、プラテンガラス１１に対して１３５°の角度をなす方向からの反射光、すなわち反射角４５°の反射光であるとしたが、この角度に限定されない。例えば、物体表面の光沢度が非常に高く、第２反射光Ｌ_２が高強度となるような場合には、第２反射光Ｌ_２の強度がラインセンサのダイナミックレンジを上回り、出力強度が飽和して値が不正確となるおそれがある。このような不都合を回避するためには、第２反射光Ｌ_２を読み取る反射角を４５°から若干ずらした角度とすればよい。本発明は鏡面反射率を推定により求めるため、第２反射光Ｌ_２を読み取る反射角は必ずしも４５°である必要はないのである。しかしながら、鏡面反射率の推定をより高精度に行うためには、第２反射光Ｌ_２を読み取る反射角は４５°近傍であることが望ましい。具体的には、第２反射光Ｌ_２は、プラテンガラス１１に対して約１２５〜１４５°のいずれかの角度をなす方向からの反射光であると望ましい。

また、上述の画像形成装置１００は、色再現と質感再現とを行って画像を形成するものであると説明したが、質感再現を行わずに、通常の色再現のみを行って画像を形成してもよい。これを実現するには、例えば、これらの動作を切り替えるボタンを操作部６０に備え、操作者の操作に応じて動作を切り替えればよい。色再現と質感再現とを行うときには、画像形成装置１００はカラートナーに加えて発泡性トナーや透明トナーも同時に用い、一次定着機構２７と二次定着機構２９とにより定着処理を行う。この場合、切替機構２８は、一次定着機構２７を通過したシートを図２中の矢印Ｒの方向へと搬送する。一方、色再現のみを行うときには、画像形成装置１００はカラートナーのみを用いて、一次定着機構２７により定着処理を行う。この場合、切替機構２８は、一次定着機構２７を通過したシートを図２中の矢印Ｌの方向へと搬送する。このようにすれば、用いるトナーに応じて定着条件を容易かつ迅速に切り替えることが可能となる。しかしながら、もちろん、このような２段階の定着処理を行わずに、１回の定着処理のみで両方の画像形成を行うことも可能である。

本発明の実施形態に係る画像形成装置の構成を概略的に示したブロック図である。画像形成装置の構成をより具体的に示した図である。画像形成装置のフルレートキャリッジの構成を示した図である。画像形成装置の一次転写ユニットの構成を示した図である。画像形成装置が行う処理を示したフローチャートである。物体の形状を推定する処理を説明するための図である。物体の形状と形状情報の対応関係を例示した図である。画像形成装置が行う処理を示したフローチャートである。物体からの鏡面反射方向を説明するための図である。物体からの光の反射を説明するための図である。

符号の説明

１００…画像形成装置、１０…画像読取部、１１…プラテンガラス、１２…プラテンカバー、１３…フルレートキャリッジ、１４…ハーフレートキャリッジ、１５…結像レンズ、１６…ラインセンサ、２０…画像形成部、２１…給紙トレイ、２２…搬送ロール、２３、２３ａ、２３ｂ、２３ｃ…一次転写ユニット、２４…中間転写ベルト、２５…二次転写ロール、２６…バックアップロール、２７…一次定着機構、２８…切替機構、２９…二次定着機構、３０…制御部、４０…記憶部、５０…画像処理部、６０…操作部、７０…通信部

Claims

各位置について決められた拡散反射率を有する物体の表面に決められた強度の光を決められた入射方向から入射する入射手段と、
前記入射手段により前記物体表面に入射された光の反射光であって、当該表面からの反射方向が前記入射方向と異なる第１の方向である反射光を所定の位置に結像させる第１の結像手段と、
前記入射手段により前記物体表面に入射された光の反射光であって、当該表面からの反射方向が前記入射方向及び前記第１の方向と異なる第２の方向である反射光を所定の位置に結像させる第２の結像手段と、
前記第１の結像手段により結像された反射光を受光した場合に、その強度を表す第１の画像信号を生成し、前記第２の結像手段により結像された反射光を受光した場合に、その強度を表す第２の画像信号を生成する受光手段と、
前記受光手段により生成された第１の画像信号が表す強度から前記物体表面の各位置における法線方向を算出し、当該各位置の法線方向と所定の基準方向とがなす角度に基づいて前記物体表面の形状を推定する形状推定手段と、
前記物体表面の各位置について、前記入射手段により入射された光の入射方向と前記形状推定手段により算出された法線方向とから当該光の反射光の鏡面反射方向を算出し、前記受光手段により生成された第１の画像信号が表す強度及び前記第１の方向と前記鏡面反射方向のなす角度並びに前記受光手段により生成された第２の画像信号が表す強度及び前記第２の方向と前記鏡面反射方向のなす角度に基づいて当該各位置の光沢度を推定する光沢度推定手段と、
形状を表現可能な色材及び光沢を表現可能な色材を少なくとも用いてシートに画像を形成する画像形成手段であって、前記形状推定手段により推定された形状と前記光沢度推定手段により推定された光沢度とに基づいて前記物体表面の形状及び光沢度を表現した画像を形成する画像形成手段と
を備えることを特徴とする画像形成装置。
前記光沢度推定手段は、
前記物体表面の各位置における鏡面反射率と鏡面指数とを未知数とする連立方程式の解を求めることにより前記光沢度を推定する
ことを特徴とする請求項１に記載の画像形成装置。
前記入射手段が入射する光の方向は、水平面に対して４５°であり、
前記第１の方向は、水平面に対して９０°であり、
前記第２の方向は、水平面に対して１２５°ないし１４５°である
ことを特徴とする請求項１に記載の画像形成装置。
前記画像形成手段は、
前記物体を表す画像のうち前記光沢度が所定のレベルを上回る領域に対しては、シート上において透明となる色材を用いる
ことを特徴とする請求項１に記載の画像形成装置。
前記画像形成手段は、
前記物体を表す画像のうち前記光沢度が所定のレベルを上回る領域に対しては、シート上においてメタリック色となる色材を用いる
ことを特徴とする請求項１に記載の画像形成装置。
前記画像形成手段は、
前記物体を表す画像のうち前記形状が一様に水平でない領域に対しては、発泡性の色材を用いる
ことを特徴とする請求項１に記載の画像形成装置。
前記領域に用いる発泡性の色材の量を、当該領域内の各位置における前記法線方向と前記基準方向とがなす角度に基づいて決定する決定手段を備える
ことを特徴とする請求項６に記載の画像形成装置。
前記受光手段により生成された第１の画像信号が表す強度と前記決められた拡散反射率との差違を前記物体の各位置について比較し、当該差違が所定のレベル以上となる領域を特定する領域特定手段を備え、
前記形状推定手段は、前記領域特定手段により特定された領域の形状を推定する
ことを特徴とする請求項１に記載の画像形成装置。
前記受光手段により生成された第２の画像信号が表す強度が所定のレベル以上となる領域を特定する光沢特定手段を備え、
前記光沢度推定手段は、前記領域特定手段により特定された領域の光沢度を推定する
ことを特徴とする請求項１に記載の画像形成装置。