JP3200364U - 3dプリンタスキャナー装置 - Google Patents

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宗翰 林
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▲ゲイ▼貞 陳
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Abstract

【課題】3Dスキャン機能と3Dプリント機能を同時に有し、デジタル光処理プロジェクタ又はビームスプリッタを用いて同一装置に3Dスキャンと3Dプリントに関する要素を配置でき、且つ精度増加装置を使用して二つのイメージセンサでの測定精度を限られたスペースによる影響を受けない3Dプリンタスキャナー装置を提供する。【解決手段】物体200を走査と印刷するための3Dプリンタスキャナー装置10であって、物体に関連する特定位置を維持する装置本体30と、装置本体に設置され、3D画像データを捕捉する走査モジュール12と、物体と走査モジュールとの間に設置され、3D画像データの精度を向上させる精度増加装置122と、走査モジュールに連結され、3D画像データを3D運動制御出力信号に変換するコンピュータ装置13と、コンピュータ装置に連結され、3D運動制御出力信号に基づいて、3D構造を出力する印刷モジュール11と、物体と印刷モジュールに光を分配するビームスプリッタ16、とを含む。【選択図】図1

Description

[関連出願の相互参照]
本出願は、2014年8月19日に出願された出願番号103214819号の台湾出願に基づく利益を主張し、その内容は参考として本明細書に取り入れるものとする。
本考案は、多機能装置に関し、特に、3Dスキャン機能と3Dプリント機能を有する多機能装置に関する。
3Dプリントやラピッドプロトタイピング(RP)は、3D物体を迅速に製造するための技術である。物体の3D空間データは、まず、イメージセンサを用いて捕捉され、コンピュータ処理により、材料が点または面の積層から3D物体に形成されている。従来技術では、ラピッドプロトタイピング法を使用して3D物体を製造する時、3Dスキャンと3Dプリントに関する要素は、互いに独立した装置で別々に行われている。二つの独立した装置に対応する、より大きなスペースを必要とするため、従来技術では不便になる。同一装置内に3Dスキャンと3Dプリントを統合すれば、次のような問題を克服する必要がある。(1)3Dスキャンと3Dプリントに必要な要素は全く異なっているので、この方法は、限られたスペース(同じ装置)内にこれらの要素を配置する必要がある。(2)従来技術での二つのイメージセンサを有する3Dスキャン装置の主な目標は、走査範囲を拡大することであるが、走査の測定誤差は、二つのイメージセンサとの間の角度の減少につれて増加し、測定誤差を小さくするように二つのイメージセンサとの間の角度を大きくすると、二つのイメージセンサとの間の距離が長くなり、イメージセンサを収容するために大きなスペースを必要とする。したがって、(2)について、二つのイメージセンサでの測定精度は、限られたスペースによる影響を受けない方法である。このような問題を解決する方策を見出すことは、当業者にとって重要な課題である。
従来技術の欠点を克服するために、多機能3Dプリンタスキャナー装置が開示される。本考案の特別な設計により、上述の課題を解決するだけでなく、実装も容易になる。したがって、本考案は、産業上の利用可能性を有する。
上記課題を解決するために、多機能3Dプリンタスキャナー装置は、本考案に開示されている。本考案は、3Dスキャン機能と3Dプリント機能を同時に有し、デジタル光処理(DLP)プロジェクタ又はビームスプリッタ(例えば半透明鏡又はフリップミラーなど)を用いて同一装置に3Dスキャンと3Dプリントに関する要素を配置でき、且つ精度増加装置(例えば、プリズム、レンチキュラーレンズ、および他の非対称レンズなど)を使用して二つのイメージセンサでの測定精度を限られたスペースによる影響を受けない。
従来技術に鑑み、本考案は、3Dプリンタスキャナー装置を提出する。前記3Dプリンタスキャナー装置は、物体を走査と印刷するための3Dプリンタスキャナー装置であって、前記物体に関連する特定位置を維持する装置本体と、前記装置本体に設置され、3D画像データを捕捉する走査モジュールと、前記物体と前記走査モジュールとの間に設置され、前記3D画像データの精度を向上させる精度増加装置と、前記走査モジュールに連結され、前記3D画像データを3D運動制御出力信号に変換するコンピュータ装置と、前記コンピュータ装置に連結され、前記3D運動制御出力信号に基づいて、3D構造を出力する印刷モジュールと、前記物体と前記印刷モジュールに光を分配するビームスプリッタとを含む。
上記構造の本考案に係る3Dプリンタスキャナー装置において、前記走査モジュールは、電荷結合素子(CCD)又は相補型金属酸化膜半導体(CMOS)である少なくとも一つのイメージセンサを含み、前記走査モジュールは、少なくとも一つの方向に前記物体の表面に対応する前記3D画像データの一部を捕捉するための前記少なくとも一つのイメージセンサに対し、水平方向又は垂直方向に前記物体を回転させる回転可能な機構を備え、前記コンピュータ装置は、前記物体に対応する前記3D画像データを取得するために、前記3D画像データの前記一部を保存及び統合する。
上記構造の本考案に係る3Dプリンタスキャナー装置において、前記印刷モジュールは、フレーム構造を成し、収容空間を有する台座体と、前記台座体と垂直に接続されるフレーム体と、前記収容空間に位置する積載装置と、前記積載装置に接続される移動制御装置であって、前記収容空間において、前記積載装置を第一方向又は第二方向に直線変位運動を行うようになる前記移動制御装置と、を含む。
上記構造の本考案に係る3Dプリンタスキャナー装置において、前記3Dプリンタスキャナー装置は、前記走査モジュール、前記印刷モジュール及び前記物体に関連する特定位置を維持し、前記光を前記物体に投影して、前記台座体に熱源として投影する光投影装置を含み、前記光投影装置は、デジタル光処理(DLP)プロジェクタである。
上記構造の本考案に係る3Dプリンタスキャナー装置において、前記精度増加装置は、非対称レンズであり、前記ビームスプリッタは、半透明鏡又はフリップミラーである。
上述の目的を達成するために、3Dプリンタスキャナー装置を提供する。前記3Dプリンタスキャナー装置は、物体を走査と印刷するための3Dプリンタスキャナー装置であって、前記物体に関連する特定位置を維持する装置本体と、前記装置本体に設置され、3D画像データを捕捉する走査モジュールと、前記物体と前記走査モジュールとの間に設置され、前記3D画像データの精度を向上させる精度増加装置と、前記装置本体に設置され、前記3D画像データに基づいて、前記物体に対応する3D構造を出力する印刷モジュールと、前記走査モジュール、前記印刷モジュール及び前記物体に関連する特定位置を維持し、光を前記物体に投影して、前記台座体に熱源として投影する光投影装置と、を含む。
上述の目的を達成するために、3Dプリンタスキャナー装置を提供する。前記3Dプリンタスキャナー装置は、物体を走査と印刷するための3Dプリンタスキャナー装置であって、前記物体に関連する特定位置を維持する装置本体と、前記装置本体に設置され、3D画像データを捕捉する入力部と、前記物体と前記入力部との間に設置され、前記3D画像データの精度を向上させる精度増加装置と、前記装置本体に設置され、前記3D画像データに基づいて、前記物体に対応する3D構造を出力する出力部と、を含む。
上記構造の本考案に係る3Dプリンタスキャナー装置において、前記3Dプリンタスキャナー装置は、前記物体と前記出力部に光を分配するビームスプリッタを含む。
本考案に係る3Dプリンタスキャナー装置10は、(同じ装置内で)限られたスペースにおいて、3Dスキャンと3Dプリントに関する要素を配置できる。更に、二つのイメージセンサは、精度増加装置からの支援を受けて、測定精度への影響を、二つのイメージセンサとの間の比較的小さな角度によって制限されることから防ぐことができる。従って、本考案では、3Dスキャンと3Dプリントを収める必要なスペースを減少させ、作業効率を向上させることが可能である。
本考案の好ましい第一実施形態に係る3Dプリンタスキャナー装置を示す模式図である。 図1に示すイメージセンサ、プロジェクタ、ビームスプリッタ及び物体との相対的な位置を示す模式図である。 図1に示す印刷モジュール、プロジェクタ及びビームスプリッタを示す模式図である。 図1に示すビームスプリッタからの入射光の反射と貫通を示す模式図である。 図1に示すビームスプリッタからの入射光の反射を示す模式図である。 本考案の好ましい第二実施形態に係る3Dプリンタスキャナー装置を示す模式図である。 図5に示す台座体に入射光を熱源として照射することを示す模式図である。
以下のように、本考案を実施例に基づいて詳述するが、あくまでも例示であって、本考案の範囲はこれらの実施形態に限定されない。本考案の範囲は、実用新案登録請求の範囲に記載されており、さらに実用新案登録請求の範囲の記載と均等な意味及び範囲内での全ての変更を含んでいる。
図1は、本考案の好ましい第一実施形態に係る3Dプリンタスキャナー装置10を示す模式図である。図2は、図1に示すイメージセンサ121、光投影装置14、ビームスプリッタ16及び物体200との相対的な位置を示す模式図である。図1と2によると、3Dプリンタスキャナー装置10の撮像領域と印刷領域は、二つの独立して異なる領域である。3Dプリンタスキャナー装置10は、装置本体30、走査モジュール12、精度増加装置122、コンピュータ装置13、印刷モジュール11及びビームスプリッタ16を含む。3Dプリンタスキャナー装置10は、プロジェクタ14を更に含む。
走査モジュール12及び印刷モジュール11の両方は、装置本体30に配置される。二つのモジュール間の関係は、印刷モジュール11が走査モジュール12の上に配置されていることである。走査モジュール12及び印刷モジュール11は、プロジェクタ(光投影装置)14を共に利用する。プロジェクタ14は、好ましくは、デジタル光処理(DLP)プロジェクタである。走査モジュール12は、傾動及び水平回転可能な機構115及び二つのイメージセンサ121を含む。イメージセンサ121は、好ましくは、高解像度カメラである。プロジェクタ14と二つのイメージセンサ121は、特定距離でホルダ123に固定される。ホルダ123は、好ましくは、金属ホルダであるが、これらに限定されない。プロジェクタ14からラスタを投影し、二つのイメージセンサ121で画像を走査し捕捉する技術と組み合わせて、傾動及び水平回転可能な機構115により、物体200の完全な3D形状の輪郭データを取得するように、物体200を回転させる。
本考案では、構造光技術、位相測定技術及びコンピュータビジョン技術を組み合わせた多機能3D非接触測定方法を利用する。イメージセンサ121は、物体200の表面全体の画像データを捕捉し、測定プロセス中に、プロジェクタ14は、物体に特定コード化されたパターンの構造光を投影する。コード化方法は、以下の三つの方法に分けることができる。(1)黒と白のストライプの投影をコード化する方法としては、異なる密度の黒と白のストライプを利用してコード化する。表面全体を完全に捕捉するために、いくつかの画像を連続で撮ることが必要である。各画像は、異なるストライプ密度を有する。その後、ストライプのオフセットに応じて3D深度を計算する。(2)カラフルなストライプの投影をコード化する方法としては、色を使用してコード化を行うので、各色領域のカラーコードは既知である。(3)ランダムな点の投影をコード化する方法としては、ランダムな点が静止画像データであるため、各領域の点配置既知である。領域を比較することにより、X軸座標方向に沿う差を得る、その後深さを計算する。従って、本実施形態におけるイメージセンサ121は、少なくとも二つのセットを利用して、画像処理方法を使用し、対応する領域を用いて位相差を付ける。そこで、画像をデコードし、位相を計算し、マッチング技術と三角測量原理を用いて、二つのイメージセンサ121の共通可視領域の画素点の3D座標を算出する。また、測定死角を減少させるために、イメージセンサ121の少なくとも二つのセットを使用し、画像を同期捕捉する。
また、本考案の第一実施形態において、装置本体30内の必要なスペースを小さくするために、二つのイメージセンサ121との間の距離を可能な限り減少させ、これに応じて、二つのイメージセンサ121との間の角度を減少させる。二つのイメージセンサ121との間の角度を減少させることによって測定誤差の増大を防止するために、本実施形態における走査モジュール12と物体200との間に、3D画像の精度を高めるための精度増加装置122が設置されている。本考案の第一実施形態において、精度増加装置122は、非対称レンズ(例えば、プリズム、レンチキュラーレンズ等)であるが、これらに限定されない。
本実施形態においては、走査モジュール12は、光測定技術という利点を有する。走査モジュール12は、スキャンされた物体200の複雑な表面の全体または一部を正確に測定することができ、物体200をオンラインで迅速かつ正確に測定し、物体200の3Dデータを取得する。
図3は、図1に示す印刷モジュール11、ビームスプリッタ16及びプロジェクタ14を示す模式図である。印刷モジュール11は、台座体111、フレーム体112(図1参照)、積載装置113、移動制御装置114(図1参照)及び供給装置(図示せず)を更に含む。台座体111は、収容空間15を有するフレーム構造を成す。収容空間15の大きさは、80ミリメートル(長さ)×80ミリメートル(幅)×80ミリメートル(高さ)と同じ大きさであってもよい。前記供給装置から供給された材料は、収容空間15に積載される。フレーム体112は、台座体111の体重を運ぶように台座体111と垂直に接続され、台座体111とプロジェクタ14との間に空間が存在するように距離を有する。積載装置113は、収容空間15に位置し、移動制御装置114に接続される。移動制御装置114は、収容空間15において、積載装置113を第一方向A又は第二方向Bに直線変位運動を行うようになる。第一方向Aと第二方向Bとの間には、180度の角度差がある。本実施形態においては、第一方向Aは、地面に対して垂直な上向きの方向であり、第二方向Bは、地面に垂直な下向きの方向である。本考案の第一実施形態では、移動制御装置114は、少なくとも一つの第一ガイドバーと及び少なくとも一つの第一駆動部を更に含む。好ましくは、前記第一ガイドバーは、二つがあって相互に平行であり、収容空間15の両側に位置している。前記第一駆動部は、前記第一ガイドバー(複数可)に接続され、第一方向A又は第二方向Bに沿って直線変位運動を行う積載装置113の位置及び速度を制御するために使用されるモータである。
前記供給装置は、台座体111に材料を提供し、コンピュータ装置13に接続される。本考案の第一実施形態において、前記材料は、感光性樹脂199であればよく、光照射により硬化された任意の材料であればよいが、これらに限定されない。台座体111の底部は、光透過性を有し、光により硬化された感光性樹脂199である透明材料又は他の材料であればよい。前記材料は、プロジェクタ14からの光照射により硬化し、積載装置113に積載された後、積載装置113が上昇する。このとき、前記供給装置は、再び収容空間15への材料の一定量を入力する。次に、プロジェクタ14からの光照射により材料が硬化して、積載装置113に付着し、積載装置113は再び上昇する。上記のプロセスは、物体200に対応する印刷3D部品を完成するために繰り返される。
本実施形態では、印刷モジュール11のプロジェクタ14は、好ましくは、3D光硬化成形法を利用する高解像度のDLPプロジェクタであり(これに限定されない)、光造形法(Stereo Lithography Appearance、SLA)に比べると、SLAは、レーザ光を使用し、樹脂を硬化させて成形する。レーザ光が細くて長い直線であるため、製造工程が延長され、また、励起光源として使用するレーザ光は、コストがより高い。一方、DLPプロジェクタは、金属ハロゲン化合物からの入射光201(図3における入射光201の一部が反射光202と重ねる)を使用し、その後、デジタルマイクロミラーデバイス((Digital Micromirror Device、DMD)により、感光性樹脂を照射するかどうかを制御する。DLPプロジェクタの製造プロセスで使用される光は、薄い点だけではなく、領域を一度に照射することができるので、処理時間を短縮することができ、DLPプロジェクタの製造プロセスは、DMDを介して精度を制御することができる。
図4Aは、図1に示すビームスプリッタ16からの入射光201(図4Aにおける入射光201の一部が反射光202と重ねる)の反射と貫通を示す模式図である。図4Bは、図1に示すビームスプリッタ16からの入射光201(図4Bにおける入射光201の一部が反射光202と重ねる)の反射を示す模式図である。上述のように、本実施形態では、走査モジュール12が印刷モジュール11の下に配置される。印刷モジュール11と走査モジュール12は、プロジェクタ14を共有する。プロジェクタ14からの入射光201を物体200(撮像領域)と印刷モジュール11の台座体111に投影させるために、本考案における多機能3Dプリンタスキャナー装置10は、好ましくは、ビームスプリッタ16、半透明鏡又はフリップミラーであるが、これらに限定されない。
例えば、本考案の第一実施形態において、スキャン機能を使用する場合には、プロジェクタ14からの入射光201は半透明鏡を貫通して、物体200(撮像領域)に投影する透過光203を生じさせることができ、あるいは、フリップミラーは、地面と平行にし、プロジェクタ14からの入射光201を物体200(撮像領域)に直接投影させ、3Dデータをイメージセンサ121によって捕捉することができる。次に、一方向における表面用3Dモデルは、コンピュータ装置13又は他の計算装置によって計算することができる。また、コード化された画像を使用して物体200全体の3Dモデルデータを取得するために、スキャンされる物体200は、傾動及び水平回転可能な機構115によって回転させることができる。印刷モジュール11を使用する場合、プロジェクタ14からの投影光201は、半透明鏡又はフリップミラーによって印刷モジュール11の台座体111上に反射光202を反射する。その後、各コード化された画像は、コンピュータ装置13の制御によって投影する。積載装置113は、収容空間15における第一方向Aまたは第二方向Bに直線変位運動を行うように徐々に駆動される。最後に、物体200に対応する3Dモデルは、各コード化された画像に応じて層ごとに積層されている。
本考案の第一実施形態において、3Dプリンタスキャナー装置10のオペレーティング・コアとするコンピュータ装置13は、イメージセンサ121、プロジェクタ14、移動制御装置114、傾動及び水平回転可能な機構115及び前記供給装置のそれぞれに電気的に接続されている。特に、コンピュータ装置13は、走査モジュール12によって捕捉された3D画像データを統合及び保存し、前記3D画像データを3D運動制御出力信号に変換して出力する。イメージセンサ121に電気的に接続されたコンピュータ装置13は、スキャンされた物体200の3D画像データを受信、保存及び統合する。プロジェクタ14に電気的に接続されたコンピュータ装置13は、プロジェクタ14からの入射光を物体200に入射し、熱源として台座体111に入射する期間を制御する。移動制御装置114に電気的に接続されたコンピュータ装置13は、積載装置113を収容空間に直線変位運動を行うように制御する。傾動及び水平回転可能な機構115に電気的に接続されたコンピュータ装置13は、スキャンされる物体200の位置を回転及び調整する。前記供給装置に電気的に接続されたコンピュータ装置13は、前記供給装置によって提供された材料の量を制御する。
図5は、本考案の好ましい第二実施形態に係る3Dプリンタスキャナー装置10を示す模式図である。図6は、図5に示す台座体11に入射光201を熱源として照射することを示す模式図である。第二実施形態に係る3Dプリンタスキャナー装置10は、第一実施形態に述べたものと類似しているが、異なる点について、第二実施形態は、ビームスプリッタ16からの支援を必要としなく、撮像領域と印刷領域との「重ねるモード」を利用する。走査モジュール12は、印刷モジュール11の下に配置されている。台座体111の底部は、DLPプロジェクタにより投影される投影光201を貫通する可能にし、且つ投影画像を二つのイメージセンサ121を捕捉可能な透明な材料である。スキャン機能を使用する場合、物体200は、台座体111の底部上に配置される必要がある。傾動及び水平回転可能な機構115は、カンチレバーによって支持されている。一つの方向に物体200の表面からの3Dデータを取得するために、構造光を投影することによって生成された画像を分析し、最終的に物体200を適切な回数でスキャンした後、完全な3Dモデルを取得する。
本考案に係る3Dプリンタスキャナー装置10は、(同じ装置内で)限られたスペースにおいて、3Dスキャンと3Dプリントに関する要素を配置できる。更に、二つのイメージセンサ121は、精度増加装置122からの支援を受けて、測定精度への影響を、二つのイメージセンサ121との間の比較的小さな角度によって制限されることから防ぐことができる。従って、本考案では、3Dスキャンと3Dプリントに対し、必要なスペースを減少させ、作業効率を向上させる。
以上の説明によると、当業者であれば本考案の技術思想を逸脱しない範囲で、多様な変更及び修正が可能であることが分かる。従って、本考案の技術的な範囲は、明細書の詳細な説明に記載された内容に限らず、実用新案登録請求の範囲によって定めなければならない。
本考案によれば、多機能装置、特に、3Dスキャン機能と3Dプリント機能を有する多機能装置に応用され、実装も容易になるので、産業上の利用可能性は大きい。
10 3Dプリンタスキャナー装置
11 印刷モジュール
12 走査モジュール
13 コンピュータ装置
14 プロジェクタ
15 収容空間
16 ビームスプリッタ
30 装置本体
111 台座体
112 フレーム体
113 積載装置
114 移動制御装置
115 傾動及び水平回転可能な機構
121 イメージセンサ
122 精度増加装置
123 ホルダ
200 物体
201 入射光
202 反射光
A 第一方向
B 第二方向

Claims (8)

  1. 物体を走査と印刷するための3Dプリンタスキャナー装置であって、
    前記物体に関連する特定位置を維持する装置本体と、
    前記装置本体に設置され、3D画像データを捕捉する走査モジュールと、
    前記物体と前記走査モジュールとの間に設置され、前記3D画像データの精度を向上させる精度増加装置と、
    前記走査モジュールに連結され、前記3D画像データを3D運動制御出力信号に変換するコンピュータ装置と、
    前記コンピュータ装置に連結され、前記3D運動制御出力信号に基づいて、3D構造を出力する印刷モジュールと、
    前記物体と前記印刷モジュールに光を分配するビームスプリッタと、を含むこと特徴とする3Dプリンタスキャナー装置。
  2. 前記走査モジュールは、電荷結合素子(CCD)又は相補型金属酸化膜半導体(CMOS)である少なくとも一つのイメージセンサを含み、
    前記走査モジュールは、少なくとも一つの方向に前記物体の表面に対応する前記3D画像データの一部を捕捉するための前記少なくとも一つのイメージセンサに対し、水平方向又は垂直方向に前記物体を回転させる回転可能な機構を備え、
    前記コンピュータ装置は、前記物体に対応する前記3D画像データを取得するために、前記3D画像データの前記一部を保存及び統合することを特徴とする、請求項1に記載の3Dプリンタスキャナー装置。
  3. 前記印刷モジュールは、
    フレーム構造を成し、収容空間を有する台座体と、
    前記台座体と垂直に接続されるフレーム体と、
    前記収容空間に位置する積載装置と、
    前記積載装置に接続される移動制御装置であって、前記収容空間において、前記積載装置を第一方向又は第二方向に直線変位運動を行うようになる前記移動制御装置とを含むことを特徴とする、請求項1に記載の3Dプリンタスキャナー装置。
  4. 前記3Dプリンタスキャナー装置は、前記走査モジュール、前記印刷モジュール及び前記物体に関連する特定位置を維持し、前記光を前記物体に投影して、前記台座体に熱源として投影する光投影装置を含み、
    前記光投影装置は、デジタル光処理(DLP)プロジェクタであることを特徴とする、請求項3に記載の3Dプリンタスキャナー装置。
  5. 前記精度増加装置は、非対称レンズであり、
    前記ビームスプリッタは、半透明鏡又はフリップミラーであることを特徴とする、請求項1に記載の3Dプリンタスキャナー装置。
  6. 物体を走査と印刷するための3Dプリンタスキャナー装置であって、
    前記物体に関連する特定位置を維持する装置本体と、
    前記装置本体に設置され、3D画像データを捕捉する走査モジュールと、
    前記物体と前記走査モジュールとの間に設置され、前記3D画像データの精度を向上させる精度増加装置と、
    前記装置本体に設置され、前記3D画像データに基づいて、前記物体に対応する3D構造を出力する印刷モジュールと、
    前記走査モジュール、前記印刷モジュール及び前記物体に関連する特定位置を維持し、光を前記物体に投影して、前記台座体に熱源として投影する光投影装置、とを含むこと特徴とする、3Dプリンタスキャナー装置。
  7. 物体を走査と印刷するための3Dプリンタスキャナー装置であって、
    前記物体に関連する特定位置を維持する装置本体と、
    前記装置本体に設置され、3D画像データを捕捉する入力部と、
    前記物体と前記入力部との間に設置され、前記3D画像データの精度を向上させる精度増加装置と、
    前記装置本体に設置され、前記3D画像データに基づいて、前記物体に対応する3D構造を出力する出力部とを含むこと特徴とする、3Dプリンタスキャナー装置。
  8. 前記3Dプリンタスキャナー装置は、前記物体と前記出力部に光を分配するビームスプリッタを含むこと特徴とする、請求項6または7に記載の3Dプリンタスキャナー装置。
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