JP5234592B2 - 三次元レリーフの製造方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、レリーフ材料に対して彫刻と印刷とを行って三次元レリーフを製造する方法および装置に関する。

従来より、美術品である絵画、彫刻などを三次元レリーフとして複製したものがある。また、人物や風景、または山や谷などの自然の地形の２次元画像に基づいて三次元レリーフを復元したものも知られている。

このような三次元レリーフを自動的に製造する方法が提案されている（特許文献１）。つまり、特許文献１によると、デジタルカメラなどによってレリーフのモチーフとなる画像を入力すると、各画素の色調データに基づいて算出された階調データに基づきレリーフの高さを表すＺ座標データが設定され、各画素の二次元位置データＤ（ｘ，ｙ）に基づきレリーフの平面位置を表すＸ−Ｙ座標データが設定される。そして、これらをＸＹＺ座標とする三次元形状データに基づいて工具のカッターパスが算出され、算出されたカッターパスに基づいて、レリーフ材料である被加工物の表面がＮＣ加工機により研削加工される。

ＮＣ加工機で表面を研削された被加工物をプリンタに移動させた後、その被加工物に対し、画素情報の二次元位置データと対応する位置に、色調データで表された色または明るさのインクを噴霧して印刷を行う。

また、プリントヘッドの走査の間にプリントヘッドから立体物のプリント面までの距離を各吐出地点毎に測定し、この吐出地点間の間隔に対する測定距離の変位量を求め、これに基づいてインク吐出量を変化させる装置が提案されている（特許文献２）。
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しかし、上に述べた三次元レリーフの従来の製造方法において、表面に凹凸が形成された三次元レリーフ原形に対して、その状態のままインクでプリントを行った場合に、三次元レリーフ原形のレリーフ材料の素材の持つ柄とか質感とかが印刷された画像に影響を与えることがある。例えば、印刷された画像が写真である場合に、その写真の微妙な表現がレリーフ材料の素材の柄や質感によって壊されてしまい、写真表現の精度が低下してしまうことがある。

また、三次元レリーフ原形の表面にインクで印刷を行う場合に、三次元レリーフ原形の凹凸の面が底面に対して垂直になっていたりそれ以上の角度でハングオ−バーしていたりすると、プリントヘッドから噴射されたインクが三次元レリーフ原形の表面に到達しなかたり、また到達したとしても適切な付着量とすることが極めて困難な状態となって、適切な印刷が行われない。

本発明は、上述の問題に鑑みてなされたもので、三次元レリーフのレリーフ材料の素材の持つ柄や質感による影響をできるだけ低減し、印刷による表現の精度が低下するのを防止することを目的とする。

本発明の他の目的は、三次元レリーフ原形の表面にインクで印刷を行うときに、プリントヘッドから噴射されたインクが三次元レリーフ原形の表面に適切に付着できるようにすることである。

本発明に係る製造方法は、レリーフ材料の表面を彫刻することにより当該表面に凹凸を形成して三次元レリーフ原形を作成する第１の工程と、前記三次元レリーフ原形の表面にインクジェット方式のプリンタヘッドにより透明または白色の下地塗布を行って前記レリーフ材料の素材による表面の質感を低減するための受像層を形成する第２の工程と、前記下地塗布が行われた三次元レリーフ原形の表面に前記プリンタヘッドにより印刷を行うことによって前記彫刻に応じた画像を形成する第３の工程と、を有し、前記第１の工程において、前記凹凸を構成する面の全てについて、前記レリーフ材料の表面の接線方向に対してなす角度を８７度以下とする。

また、第２の工程において、前記紫外線硬化型インクを用いて下地塗布を行ってもよい。第３の工程において、プリンタヘッドを移動させることなく固定しておき、前記三次元レリーフ原形を移動させることによって、前記プリンタヘッドが前記三次元レリーフ原形の表面を相対的にスキャンするようにして印刷を行ってもよい。

本発明に係る製造装置は、レリーフ材料の表面を彫刻することにより当該表面に凹凸を形成して三次元レリーフ原形を作成する第１の手段と、前記三次元レリーフ原形の表面にインクジェット方式のプリンタヘッドにより透明または白色の下地塗布を行って前記レリーフ材料の素材による表面の質感を低減するための受像層を形成する第２の手段と、前記下地塗布が行われた三次元レリーフ原形の表面にインクジェット方式のプリンタヘッドにより印刷を行うことによって前記彫刻に応じた画像を形成する第３の手段と、を有し、前記第１の手段において、前記凹凸を構成する面の全てについて、前記レリーフ材料の表面の接線方向に対してなす角度を８７度以下とする。

本発明によると、三次元レリーフのレリーフ材料の素材の持つ柄や質感による影響をできるだけ低減し、印刷による表現の精度が低下するのを防止することができる。

そして、三次元レリーフ原形の表面にインクで印刷を行うときに、プリントヘッドから噴射されたインクが三次元レリーフ原形の表面に適切に付着できるようにすることができる。

〔第１の実施形態〕
図１は本発明に係る第１の実施形態のプリンタ３を含む三次元レリーフ作成装置１の平面図、図２には三次元レリーフ作成装置１の正面図、図３は三次元レリーフ作成装置１の側面図、図４は制御装置１８の機能を示すブロック図である。

図１〜図３において、三次元レリーフ作成装置１は、基台１１、材料載置台１２、走行ガイド１３、彫刻走行フレーム１４、プリンタ走行フレーム１５、彫刻ヘッド１６、プリンタヘッド１７、および制御装置１８などからなっている。

基台１１は、４本の脚部および補強ビームなどからなり、三次元レリーフ作成装置１を床面上に安定して設置するとともに、他の部材を十分な剛性で支持するためのものである。また、適当な高さを有することにより、操作者によるレリーフ材料ＲＺの着脱が容易に行える。

材料載置台１２は、その上面の載置面にレリーフ材料ＲＺを載置し、負圧でレリーフ材料ＲＺを吸着することによりレリーフ材料ＲＺを固定するためのものである。レリーフ材料ＲＺの載置面は、平面視で矩形であり、水平に設けられている。載置面には多数の穴が設けられており、図示しない真空ポンプによってそれらの穴から空気が吸引され、レリーフ材料ＲＺが載置された場合にはその裏面に負圧が作用してレリーフ材料ＲＺが材料載置台１２に吸着して固定されるようになっている。

なお、レリーフ材料ＲＺは、合成樹脂材料、石膏、大理石、木材などからなる板状のものであり、材料載置台１２により吸着される面とは反対側の表面が彫刻ヘッド１６によって彫刻される。彫刻によって表面に凹凸が形成されるが、凹凸が形成された後の表面に、プリンタヘッド１７によって印刷が行われ、これによって彫刻に応じた画像が形成される。

走行ガイド１３は、材料載置台１２の両辺の外側に設けられ、彫刻走行フレーム１４およびプリンタ走行フレーム１５がそれぞれＸ方向に直線状に走行するためのガイドである。

彫刻走行フレーム１４は、それ自身が走行ガイド１３に沿ってＸ方向に走行するが、彫刻ヘッド１６は彫刻走行フレーム１４に沿ってＹ方向に走行する。これによって、彫刻ヘッド１６はＸ方向およびＹ方向に走行可能であり、材料載置台１２に載置されたレリーフ材料ＲＺの表面をスキャン可能となっている。

プリンタ走行フレーム１５は、それ自身が走行ガイド１３に沿ってＸ方向に走行するが、プリンタヘッド１７はプリンタ走行フレーム１５に沿ってＹ方向に走行する。これによって、プリンタヘッド１７はＸ方向およびＹ方向に走行可能であり、材料載置台１２に載置されたレリーフ材料ＲＺの表面をスキャン可能となっている。

このように、彫刻ヘッド１６およびプリンタヘッド１７は、レリーフ材料ＲＺの表面を互いに独立してスキャン可能である。なお、それらの一方がレリーフ材料ＲＺの表面をスキャンしている間は、他方は走行フレームとともに待機スペースＴＰ１，２において待機するよう制御される。

なお、彫刻走行フレーム１４、プリンタ走行フレーム１５、彫刻ヘッド１６、およびプリンタヘッド１７の走行のために、図示しないステップモータまたはサーボモータなどを含んだ公知の駆動装置が用いられ、その走行速度、加速度、停止位置などが制御装置１８によって制御される。

彫刻ヘッド１６は、回転ドリルなどの刃物を備えており、刃物は、Ｚ方向つまりレリーフ材料ＲＺの表面に対して垂直方向に移動することが可能である。刃物のＺ方向の位置は彫刻の内容に対応した距離データに基づき、制御装置１８によって制御される。

例えば、彫刻ヘッド１６によって形成される凹凸の面は、全て、レリーフ材料ＲＺの表面の接線方向、つまり材料載置台１２の表面の方向に対してなす角度が、８７度以下とされている。つまり、彫刻が行われた凹凸の面は、材料載置台１２の表面に対して垂直になることはなく、また垂直以上の角度でハングオ−バーすることのないようになっている。したがって、後の工程でコーティングまたは印刷を行う際に、彫刻が行われた凹凸の面に対して、プリントヘッドから噴射されたインクを適切に付着できるように制御することが可能である。これについては後で詳しく説明する。

プリンタヘッド１７は、ＹＭＣＫの各色のインク、および、透明または白色の下地塗布用の紫外線硬化型インクに対応する複数のノズルを備え、ノズルからそれぞれの種類および色のインクを噴射してレリーフ材料ＲＺの表面（印刷表面）に画像形成する。

つまり、プリンタヘッド１７によって、レリーフ材料ＲＺの印刷表面に対し、レリーフ材料ＲＺの素材による表面の質感を低減するために透明または白色の下地塗布を行う下地塗布工程、および、下地塗布が行われたレリーフ材料（三次元レリーフ原形）ＲＺの表面に画像の印刷を行うことによって彫刻に応じた画像を形成する画像形成工程が行われる。

このように、プリンタヘッド１７は、カラー印刷を行うために複数の原色のインクをそれぞれ噴射するためのノズル（噴射口）を有しているが、本実施形態においては、各ノズルから噴射するインクの焦点（着弾点）の位置が、各ノズルから１ないし２センチメートルの範囲内となるように調整されている。これについても後で詳しく説明する。

なお、プリンタヘッド１７それ自体は、Ｚ方向には移動しない。したがって、プリンタヘッド１７と材料載置台１２の表面との間の距離は一定であり、レリーフ材料ＲＺが載置された場合でもプリンタヘッド１７とレリーフ材料ＲＺとが接触することはないが、レリーフ材料ＲＺに彫刻が施された状態では、プリンタヘッド１７と印刷表面との間の距離が彫刻の形状によって変化する。つまり、プリンタヘッド１７のノズルから噴射されたインクがレリーフ材料ＲＺの表面に到達するまでの距離は、印刷表面の彫刻形状に応じて変化する。

したがって、プリンタヘッド１７は、印刷表面までの距離に応じて種々の制御を行うことが可能となっている。例えば、
（１） プリンタヘッド１７から印刷表面までの距離が大きくなるほどスキャンの移動速度が遅くなるように制御する。

つまり、プリンタヘッド１７はスキャンのために走行しているので、ノズルから噴射されたインクは、印刷表面に到達したときは走行方向に沿ってズレたり拡散したりすることになるが、印刷表面までの距離が遠くなるほどそのズレが大きくなる。そこで、印刷表面までの距離が遠い場合にはプリンタヘッド１７のスキャンの速度を遅くしてインクのズレを少なくする。これによって、画像がぼけるのをできるだけ抑える。
（２） プリンタヘッド１７から印刷表面までの距離が大きくなるほど噴射するインクの速度が速くなるように制御する。

これによって、インクのズレを少なくし、画像がぼけるのをできるだけ抑える。
（３） 噴射するインクの速度を速くするために、プリンタヘッド１７に印加される電圧が高くなるように制御する。つまり、プリンタヘッド１７の圧電素子により高い電圧を印加することによって、インクの噴射速度が速くなる。
（４） プリンタヘッド１７から印刷表面までの距離が大きくなるほど噴射するインクの粒子単位の質量が大きくなるように制御する。例えば、ノズルからインクを連続的に噴射することにより、噴射したインクの水滴粒子がつながって大きくなり、粒子の質量が大きくなる。

このように、三次元レリーフ作成装置１は、１つの材料載置台１２に載置されるレリーフ材料ＲＺの表面に対して、彫刻走行フレーム１４および彫刻ヘッド１６からなる彫刻装置ＴＳと、プリンタ走行フレーム１５およびプリンタヘッド１７からなる印刷装置（プリンタ）ＰＳとが、それぞれ独立してスキャンし、彫刻しまたは印刷することが可能である。したがって、材料載置台１２上に板状のレリーフ材料ＲＺをセットすることによって、その表面に彫刻を施し、彫刻された三次元レリーフ原形ＲＧの表面にコーティングや印刷を行って画像を形成することができ、レリーフ材料ＲＺを移動することなく三次元レリーフＳＲを作成することができる。

したがって、レリーフ材料ＲＺの位置決めを最初に１回すればよいので、位置合わせが容易であり作業が簡単であるとともに、彫刻と印刷との間で位置ずれが生じることがなく、高精度の三次元レリーフＳＲを作成することができる。また、彫刻装置ＴＳの刃物の制御に用いた距離データ（彫刻データ）を、そのまま印刷装置ＰＳにおけるプリンタヘッド１７と印刷表面との距離に応じた制御に用いることができ、制御データの生成が容易でありかつ高精度のものとすることができる。

図４に示すように、制御装置１８は、スキャン機構ＳＫ、スキャン制御部２１、領域画像制御部２２、および印刷条件制御部２３などを備える。

スキャン機構ＳＫは、プリンタヘッド１７を、印刷表面ＰＨに接触しない状態で、印刷表面ＰＨに対して相対的に直線的に移動させて印刷表面ＰＨの全体をスキャンさせる。スキャン機構ＳＫは、上に述べた彫刻走行フレーム１４、プリンタ走行フレーム１５、および、彫刻ヘッド１６とプリンタヘッド１７を移動駆動する部分などによって構成される。

スキャン制御部２１は、プリンタヘッド１７から印刷表面ＰＨまでの距離に応じて複数の高さレベルＴＬに区分されたそれぞれの高さレベルＴＬごとにスキャンを実行するように制御する。

領域画像制御部２２は、それぞれのスキャンごとに、そのスキャンにおける高さレベルＴＬに含まれる印刷表面ＰＨの領域に対して、プリンタヘッド１７によって画像の印刷を行う。

印刷条件制御部２３は、スキャンごとに、プリンタヘッド１７による印刷条件をそのスキャンの高さレベルＴＬに対して最適となるように設定する。

さて、三次元レリーフ作成装置１においては、上に述べたように、印刷装置ＰＳによる印刷を行う際に、プリンタヘッド１７を、レリーフ材料ＲＺの印刷表面に接触しない状態で、印刷表面に対して相対的に直線的に移動して印刷表面の全体をスキャンすることが可能である。

そして、本実施形態においては、三次元レリーフ作成装置１は、プリンタヘッド１７から印刷表面までの距離を複数の段階レベルに区分し、それぞれの段階レベルごとにスキャンを実行するとともに、それぞれのスキャンごとに、そのスキャンにおける段階レベルに含まれる印刷表面の領域に対して、プリンタヘッド１７による画像の印刷を行う。つまり、画像の全体を、その高さレベルＴＬに応じて分割し、それぞれの画像を１回ごとのスキャンによって印刷する。

次に、三次元レリーフ作成装置１における印刷装置ＰＳによる印刷方法について説明する。

図５は彫刻が施された後のレリーフ材料ＲＺの上面図、図６は図５のレリーフ材料ＲＺの正面図、図７は図６を拡大して示す図、図８はそれぞれのスキャンにおいて印刷を行う領域ＥＲを示す図、図９は領域ＥＲの境界部分における画像の印刷濃度の変化の例を示す図である。

図５〜図８において、レリーフ材料ＲＺには、その表面の中央に彫刻によって円錐台ＥＤが形成されている。円錐台ＥＤが形成されたレリーフ材料ＲＺの全表面に印刷装置ＰＳによって印刷を行う。

図６および図７に示すように、プリンタヘッド１７のノズルの先端からレリーフ材料ＲＺの印刷表面ＰＨの最遠面までの間が、その距離に応じて、３段階の高さレベル（段階レベル）ＴＬ１〜３に区分されている。

つまり、高さレベルＴＬ１は、プリンタヘッド１７のノズルに最も接近した位置ＫＬ１から所定距離だけ離れた位置ＫＬ２までである。高さレベルＴＬ２は、位置ＫＬ２から所定距離だけ離れた位置ＫＬ３までであり、高さレベルＴＬ３は、位置ＫＬ３から最遠面である位置ＫＬ４までである。

３段階の高さレベルＴＬ１〜３に区分したことにより、印刷表面ＰＨは、それぞれの高さレベルＴＬ１〜３に含まれる３種類の領域ＥＲ１〜３に区分される。それぞれの領域ＥＲ１〜３が、図８（Ａ）〜（Ｃ）に斜線で示されている。

つまり、図８（Ａ）に示す領域ＥＲ１は高さレベルＴＬ１の範囲にある領域であり、図８（Ｂ）に示す領域ＥＲ２は高さレベルＴＬ２の範囲にある領域であり、図８（Ｃ）に示す領域ＥＲ３は高さレベルＴＬ３の範囲にある領域である。

なお、これらＴＬ１〜３のそれぞれの範囲（間隙の幅）は、互いに同じでもよく、また互いに異なるものでもよい。また、プリンタヘッド１７のノズルに最も接近した位置ＫＬ１、および最遠面である位置ＫＬ４は、三次元レリーフ作成装置１の構造および印刷装置ＰＳの仕様に応じて種々設定することが可能である。また、本実施形態では３段階の高さレベルＴＬ１〜３に区分したが、２段階、または４段階以上、例えば、８段階、１０段階、１６段階…などであってもよい。

さて、ここでは３段階の高さレベルＴＬ１〜３に区分したので、印刷時におけるプリンタヘッド１７のスキャンは３回行われることとなる。

スキャンの１回目においては、高さレベルＴＬ１に対応する領域ＥＲ１のみに対して画像の印刷を行う。その結果、図８（Ａ）に斜線を付した領域ＥＲ１について印刷が行われる。スキャンの２回目においては、高さレベルＴＬ２に対応する領域ＥＲ２のみに対して画像の印刷を行う。その結果、図８（Ｂ）に斜線を付した領域ＥＲ２について印刷が行われる。スキャンの３回目においては、高さレベルＴＬ３に対応する領域ＥＲ３のみに対して画像の印刷を行う。その結果、図８（Ｃ）に斜線を付した領域ＥＲ３について印刷が行われる。３回のスキャンによって、印刷表面ＰＨの全面についての画像の印刷が完了する。

なお、それぞれのスキャンにおいて印刷される画像は、それぞれの領域ＥＲ１〜３に対応した画像であり、印刷を３回に分けて行うとしても全体の画像の内容が変更される訳ではない。なお、それぞれのスキャンにおいて画像を印刷する際には、そのスキャンでは印刷しない領域ＥＲの画像をマスクしておけばよい。マスクの方法として、画像データをマスクする方法などがある。

画像としては、例えば、円錐台ＥＤが例えば地形図における山であった場合には、その山の画像、またはその画像をモディファイした画像である。

そして、スキャンごとに、プリンタヘッド１７による印刷条件をそのスキャンの高さレベルＴＬに対して最適となるように設定して印刷を行う。例えば、それぞれのスキャンごとに、高さレベルＴＬ１〜３に応じて、上の（１）〜（４）に記載したように印刷装置ＰＳを制御する。

例えば、高さレベルＴＬ１では通常の設定で印刷を行い、高さレベルＴＬ２では上の（１）の制御、または（１）と（２）と（３）とを組み合わせた制御を行い、高さレベルＴＬ３では上の（１）の制御、または（１）と（２）と（３）とを組み合わせた制御、または（１）〜（４）を組み合わせた制御を行う。

なお、スキャンを行う順番は、距離の近い領域ＥＲ１から順に、または距離の遠い領域ＥＲ３から順に、またはランダムに行うことでもよい。

また、各スキャンにおいてそれぞれの領域ＥＲに対する印刷を行う場合に、それぞれの領域ＥＲの境界の近辺において、当該境界の両側の所定範囲において、それぞれのスキャンにおいて画像の印刷を行って画像を合成するようにしてもよい。その合成に際して、各スキャンにおいて、画像の濃度が領域の外側へいくにしたがって低下するように変化させればよい。

例えば図９に示すように、領域ＥＲ１および領域ＥＲ２のそれぞれの境界の近辺において、ＹＭＣＫの各色についてそれぞれの画像の濃度を１００％から徐々に低下させていき、他の領域ＥＲ２，１に入った後の近辺において画像の濃度が０％となるように制御する。こうすると、境界の近辺における画像が滑らかに合成され、印刷の繋ぎ目が目立たない。

なお、上の説明では、領域ＥＲの境界の近辺において濃度を徐々に低下させてグラデーション（ぼかし）を入れていったが、これに代えて、色彩を徐々に淡いものに低下させてもよい。

また、画像または彫刻の内容によっては、印刷表面ＰＨに高さレベルＴＬに対応した領域ＥＲがない場合がある。そのような場合には、その高さレベルＴＬに対応するスキャンを行わないように制御することによって、印刷に要する時間を短縮することができる。

さて、上に述べたように、本実施形態において、彫刻が行われたレリーフ材料ＲＺの凹凸の面は、材料載置台１２の表面に対してハングオ−バーすることなく８７度以下の角度となっている。また、レリーフ材料ＲＺの印刷表面に印刷を行う前に、透明または白色の下地塗布が行われる。また、プリンタヘッド１７の各ノズルは、噴射するインクの焦点の位置が各ノズルの先端から１ないし２センチメートルの範囲内となるように調整されている。これらについて、以下に順次説明する。

図１０〜図１２は彫刻が行われたレリーフ材料ＲＺの凹凸の面の一部を断面して示す図である。

図１０に示すように、レリーフ材料ＲＺの表面において、面ＳＦ１，ＳＦ２，ＳＦ３によって凹凸が構成されている。面ＳＦ３は、例えば底面であり、材料載置台１２の表面と平行である。なお、本実施形態において、レリーフ材料ＲＺは板状のものであるので、面ＳＦ３は彫刻を行う前のレリーフ材料ＲＺの表面と平行である。これら面ＳＦ３と面ＳＦ１との間に、傾斜した面ＳＦ２が形成されている。傾斜した面ＳＦ２は、面ＳＦ３とのなす角度αが８７度以下とされている。つまり、傾斜した面ＳＦ２はオーバーハングすることがなく、角度αが９０度になることもない。

このように、インクジェットによるインクの付着精度を上げるために、全ての面ＳＦについて、角度αが８７度以下となっている。このように角度αを８７度以下にして傾斜を緩やかにするために、元の面ＳＦ３と面ＳＦ１との両方に対して切り込むようにする。例えば、図１０に破線で示すように、元の彫刻のデータにおいて面ＳＦｊ２が垂直であった場合に、面ＳＦ３の一部と面ＳＦ１の一部とにそれぞれ入り込むように面ＳＦｊ２を傾斜させて面ＳＦ２とする。この場合には、面ＳＦ１のエッジの一部が削り取られ、面ＳＦ３の一部には垂直に彫り込まずに斜面を作って加えることとなる。

また、図１１に示すように、面ＳＦ１の一部に入り込むように面ＳＦｊ２を傾斜させて面ＳＦ２とする。この場合には、面ＳＦ１のエッジの一部が削り取られることとなる。つまり、背景画像に対応する奥側の面ＳＦ３と背景画像以外の画像に対応する手前側の面ＳＦｊ２とによって凹凸が構成される場合に、手前側の面を、奥側の面ＳＦ３との境界部分から傾斜するように立ち上げた傾斜面ＳＦ２に形成する。

このようにすると、彫刻の形状と画像の内容とが一致し易い。例えば、面ＳＦ３に背景画像が印刷され、面ＳＦ２に人物の画像が印刷される場合に、背景画像と人物の画像とが面ＳＦ３と面ＳＦ２との境界線で別れ、それぞれの画像が相手方に入り込んでしまうことがなくなる。

また、図１２に示すように、面ＳＦ３に傾斜の緩やかな部分を設け、これを面ＳＦ２Ｂとしておく。面ＳＦ２Ｂは、断面が下方に凸となる円弧状の曲面である。この場合には、面ＳＦ２Ｂは、面ＳＦ１のエッジの一部を削り取って形成された面ＳＦ２Ａとその下部において連続する。つまり、奥側の面ＳＦ３において、傾斜面ＳＦ２Ａよりも傾斜の緩い第２の傾斜面ＳＦ２Ｂを形成することとなる。面ＳＦ２Ｂの角度は全体として１０〜４０度程度である。このような傾斜が緩やかな面ＳＦ２Ｂを設けると、面ＳＦ２Ｂ内で２つの異なる画像が別れ、それら２つの画像の色ずれなどが分かり難くなる。

なお、面ＳＦ２や面ＳＦ２Ａの角度αを８７度とするか、またはそれ以下、例えば８７〜３０度程度の範囲のどの角度とするかは、原画のグレースケールの濃淡の変化の状態などに応じて決定することが可能である。

また、レリーフ材料ＲＺの厚さには限度があるので、限られた厚さの中で立体効果を上げる必要がある。そのため、元の彫刻のデータと実際に彫刻を行うときのデータとでは、掘る高さ（深さ）を異ならせることがある。つまり、例えば、低い面から高い面に変化する箇所は、低い面を元の彫刻データよりなだらかに切削し、彫刻された表面の凹凸とインクジェットによる描画とのズレをできるだけ解消するようにする。

図１３は完成した三次元レリーフＳＲの一部を断面して示す図である。

図１３に示すように、三次元レリーフＳＲは、レリーフ材料ＲＺを彫刻してできた三次元レリーフ原形ＲＧと、三次元レリーフ原形ＲＧの表面に透明または白色の下地塗布（コーティング、アンカーコーティング）が行われて形成されたコーティング層（受像層）ＲＣと、コーティング層ＲＣの表面に印刷によって形成された画像層ＬＧとからなる。

コーティング層ＲＣは、本実施形態においては、透明または白色の紫外線硬化型インクを印刷により塗布することによって形成される。したがって、プリンタヘッド１７は、本発明における第２の手段および第３の手段の両方に相当する。コーティング層ＲＣは、透明であってもよく、また白く色が付いていてもよい。白色として、青系または黄系などがある。

三次元レリーフ原形ＲＧの表面にコーティング層ＲＣが形成されることによって、レリーフ材料ＲＺの素材の持つ柄や質感による影響が低減し、印刷による表現の精度の低下するのが防止される。例えば、レリーフ材料ＲＺが木材であった場合に、その木目のはっきりした表面に人の顔を彫刻し印刷した場合に、その木目が顔にそのまま出てしまい、顔の皺か木目か分からなくなってしまう。これに対して、白色のコーティング層ＲＣを設けた場合には、コーティング層ＲＣによって木目が消され、木目が顔に出てしまうことが防止される。

また、コーティング層ＲＣの存在によって、画像用のインクの色素の接着度が向上し、画像用のインクが大きく流れて画像の質が低下することが防止される。

図１４はプリンタヘッド１７のノズルからインクが噴射される様子を示す図である。

従来においては、図１４（Ｂ）に示すように、プリンタヘッド１７のノズルから噴射されるインクは、プリンタヘッド１７の先端から約１ｍｍ程度の位置が焦点となるように調整されている。これに対して、本実施形態においては、図１４（Ａ）に示すように、プリンタヘッド１７のノズルから噴射されるインクがプリンタヘッド１７の先端から約１０〜２０ｍｍ程度の位置の範囲で焦点となるように調整されている。本実施形態では、これによって、印刷表面がプリンタヘッド１７から大きく離れている場合であっても、プリンタヘッド１７によって正確な位置に印刷を行うことができる。

すなわち、インクジェット方式のプリンタヘッドでは、近年においてインクの粒子が益々微細になっている。微細になったインクの粒子は、霧のように細かくなり、より繊細な環境が必要となってきている。例えば、プリンタヘッド１７のスキャン速度によって、インクの軌道が影響を受け、そのため軌道の制御が難しくなっている。また、静電気によってインクの粒子の飛行方向が阻害されたり、僅かの温度差があっても微妙な空気の対流が発生してその空気流がインクの焦点（着弾点）に影響を与える。また、色数が増加することによって、プリンタヘッド１７の個数が増え、各色のへッドの焦点の誤差も生じる。従来においては、これらの影響を軽減するために、印刷表面とプリンタヘッド１７との間隔を限りなく小さくしている。例えば、従来において、各色のへッドの焦点位置はプリンタヘッド１７の先端から１ｍｍ程度であり、印刷表面とプリンタヘッド１７との間隔を０．５〜１ｍｍ程度としている。

しかし、三次元レリーフ原形ＲＧの表面には凹凸が多数あり、その印刷表面とプリンタヘッド１７との間隔は従来と比べて極めて大きい。そこで、本実施形態では、プリンタヘッド１７のノズルから噴射されるインクが先端から約５〜１０ｍｍ程度の範囲で焦点となるように調整する。このように、焦点距離を長くしておくことによって、プリンタヘッド１７から離れた位置にも正確にインクを飛ばして印刷の許容範囲を拡げることができ、凹凸の表面に精密な画像を印刷することが可能となる。例えば、印刷表面とプリンタヘッド１７との間隔が２０ｍｍ程度であっても正確な画像を印刷することが可能である。なお、１つのプリンタヘッド１７には多数のノズルがあるので、これらのノズルから噴射されるインクの焦点が遠くになるように、ノズルの加工精度を上げておく。
〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態の三次元レリーフ作成装置１Ｂについて説明する。

第２の実施形態の三次元レリーフ作成装置１Ｂは、基本的には上に述べた第１の実施形態の三次元レリーフ作成装置１と同じ構成と機能を有する。第２の実施形態では、三次元レリーフ作成装置１Ｂによって原画像ＧＦに基づいて彫刻を行って三次元レリーフを作成する方法の例について説明する。

図１５は本発明に係る第２の実施形態の三次元レリーフ作成装置１Ｂの全体の構成を示す図、図１６は原画像ＧＦの構成を示す図、図１７は高さ画像ＴＦの構成を示す図、図１８は高さ変化データＨＦの構成を示す図、図１９は原画像ＧＦを区画した領域ＡＲに高さレベルＴＬを設定した例を示す図、図２０はパターンＰＴの例を示す図、図２１はパターンＰＴについての濃淡画像ＮＦの例を示す図、図２２は三次元レリーフ原形ＲＧとプリンタヘッド１７との関係の例を示す図、図２３は三次元レリーフ原形ＲＧとプリンタヘッド１７との関係の例を示す図、図２４は高さ変化データＨＦを説明する図である。

図１５において、三次元レリーフ作成装置１Ｂは、画像処理のためのコンピュータ１１０、制御データ生成部１２１、数値制御方式の彫刻装置ＴＳ、およびインクジェット方式の印刷装置ＰＳなどからなる。

コンピュータ１１０は、ＣＰＵやＤＳＰなどによる処理装置、半導体メモリや磁気ディスクなどの記憶装置、キーボードやマウスなどの入力装置、表示装置、および種々のインタフェース回路などを含んで構成されている。それらによって、ソフトウエア的にまたはハードウエア的に、コンピュータ１１０内に、原画像格納部１１１、高さ画像生成部１１２、高さ画像格納部１１３、高さ変化データ生成部１１４、高さ変化データ格納部１１５、およびデータ出力部１１６が、機能的に形成されている。

原画像格納部１１１は、原画像ＧＦを格納する。なお、原画像ＧＦは画像データであるが、画像データの元になった画像を指すこともある。また、特に視覚可能な画像と画像データとを区別する際には、「原画像データＧＦ」「原画像ＧＦのデータ」「画像データ」などと記載することがある。他の画像についても同様である。

さて、原画像ＧＦとして、人物、動物、建築物、風景など、また、山や谷などの自然の地形の鳥瞰図や航空写真など、種々の画像が用いられる。

原画像ＧＦは、図１６に示すように、Ｘ方向およびＸ方向に直交するＹ方向にマトリックス状に配列された多数の画素ＧＳからなる２次元画像である。各画素ＧＳは、色情報ＣＤを持つ。色情報ＣＤは濃度情報を含む。例えば、各画素ＧＳが、ＲＧＢまたはＣＭＹＫなどで表現されている場合は、各原色の濃度情報によって各画素ＧＳの色、つまり、色相、彩度、および明度が決定される。画素ＧＳは他の表色系のデータによって表現されていてもよい。

このような原画像ＧＦを得るために、それらの実物をデジタルカメラやビデオカメラなどによって撮影してもよい。また、既に撮影された写真や印刷物などをスキャナなどで読み取ってデジタル化してもよい。また、既にデジタル化されて画像データとなった原画像ＧＦを、ＣＤ−ＲＯＭやメモリチップなどの記憶媒体を介して、またはネットワークからダウンロードして取得することも可能である。また、コンピュータ１１０の内部において、種々のアプリケーションを用いて原画像ＧＦを生成してもよい。

なお、原画像ＧＦは、図１６に示すようなビットマップ状のデータとして格納しておいてもよいが、適当な圧縮方法によって圧縮された圧縮データとして格納しておいてもよい。原画像ＧＦは、通常、フルカラー画像であるが、モノクロ画像でもよい。

高さ画像生成部１１２は、原画像ＧＦに基づいて、原画像ＧＦ内の各部の高さを示す高さ画像ＴＦを生成する。生成された高さ画像ＴＦは、高さ画像格納部１１３に格納される。

高さ画像ＴＦは、図１７に示すように、Ｘ方向およびＹ方向にマトリックス状に配列された多数の各画素ＧＳについて、Ｘ方向およびＹ方向に直交するＺ方向のデータである高さデータＴＤを記録したものである。高さ画像ＴＦの画素ＧＳのピッチまたは個数は、原画像ＧＦの画素ＧＳのピッチまたは個数と同じであってもよく、また原画像ＧＦの画素ＧＳを間引いたものであってもよい。

高さデータＴＤとして、例えば、２５６階調（８ビット）、６４階調（６ビット）などのデータが用いられる。高さデータＴＤは、例えば、最も低い位置（例えば背景位置）から最も高い位置までの間における位置を示す。また、高さデータＴＤが、最も低い位置からの距離を直接的に示すようにしてもよい。図２３において、高さデータＴＤは、ＴＤ２、ＴＤ３、ＴＤ４などで示されている。なお、図２３において、高さデータＴＤを、プリンタヘッド１７からの距離ＰＤ２、ＰＤ３、ＰＤ４で示してもよい。高さデータＴＤは、原画像ＧＦにおいては高さを示すものであるが、プリンタヘッド１７や切削工具からから見れば奥行きまたは深さを示すものとも言えるので、奥行きデータまたは深さデータと言うこともできる。

このような高さ画像ＴＦを得るために、例えば、図１９に示すように、原画像ＧＦを複数の領域ＡＲに区画し、区画された各領域ＡＲに対して高さレベルＴＬを付与する。高さレベルＴＬの付与は、ユーザが手動で行ってもよく、または画像内における領域ＡＲの状態をコンピュータ１１０で認識させることにより自動で行ってもよい。

図１９に示す例では、高さレベルＴＬは、例えば１〜１０の１０段階に設定されており、領域ＡＲ１〜５には、高さレベルＴＬとして、それぞれ「３」「１」「２」「４」「６」が設定されている。この場合に、高さレベルＴＬは、その領域ＡＲにおける最大の高さを規定するものであり、「１」が最も高く、「１０」が最も低い。したがって、例えば、背景領域（背景部、背景位置）は、高さレベルＴＬが「１０」である。

なお、高さレベルＴＬの段階の個数、高さレベルＴＬとして付与する符号または記号、それら符号または記号に与える意味付けなどは、種々のものを採用することができる。

また、領域ＡＲの区画に仕方については、輪郭線を領域ＡＲの境界線として設定し、また濃度や色が大きく変化している部分を領域ＡＲの境界線として設定する。また、ユーザによって手動で区画してもよい。

各領域ＡＲにおいて付与された高さレベルＴＬに応じて、各領域ＡＲ内における各部（各画素ＧＳ）の高さを決定する。

その場合に、例えば、図２０に示すように、高さレベルＴＬが付与された領域ＡＲにおける高さデータＴＤの生成のパターンに関して複数のパターンＰＴ１〜６を予め登録しておく。そして、それぞれの領域ＡＲについて、登録された複数のパターンＰＴ１〜６の中から、ユーザにより手動でまたは自動的に、１つのパターンＰＴを選択する。選択されたパターンＰＴに基づいて、各部（各画素ＧＳ）の高さを決定する。

例えば、図２０のパターンＰＴ１が選択された場合は、その領域ＡＲにおける中央位置を高さレベルＴＬで指定される最大の高さとし、その周辺に向かうにしたがって、パターンＰＴ１で示されるように円弧状に高さが低下していく。また、図２０のパターンＰＴ２が選択された場合は、その領域ＡＲの中央位置から周辺に向かうにしたがってパターンＰＴ２で示されるように直線状に高さが低下していく。また、図２０のパターンＰＴ６が選択された場合は、その領域ＡＲの中央位置は平であり、周辺において直線状に高さが低下していく。

ところで、本実施形態において、高さ画像ＴＦは、各部の高さをグレースケールを用いて示す濃淡画像である。例えば、上に述べた図２０のパターンＰＴ６について、その濃淡画像の例が図２１に示されている。

すなわち、図２１において、パターンＰＴ６（図２１Ｃ）に対応する濃淡画像ＮＦ（図２１Ｂ）およびグレースケールＧＳ（図２１Ａ）が示されている。最も高い位置は白、最も低い位置は黒、その中間の高さは高さに応じたグレーとなっている。つまり、濃淡画像ＮＦは、背景部からの高さが高い部分ほど濃度が低くなっている。図２１のパターンＰＴ６では、１０段階であるが、実際には、例えば６４段階、２５６段階などとすればよい。

図２１において、最も高い位置は高さレベルＴＬが「１」に対応し、最も低い位置は高さレベルＴＬが「１０」に対応する。しかし、パターンＰＴの高さは、相対的なものであり、パターンＰＴの最も高い位置と最も低い位置とが指定された任意の高さ位置となるように合わせられる。つまり、高さレベルＴＬが例えば「３」の領域ＡＲについてパターンＰＴ６を適用する場合に、パターンＰＴ６の最も高い位置の白の部分が高さレベル「３」となり、かつ、パターンＰＴ６の最も低い位置の黒の部分がその領域ＡＲの周縁部の高さレベルとなる。

なお、図２１においては、高さをグレースケールＧＳで示しているが、各部の高さを互いに異なる色相によって示してもよい。例えば、最も高い位置を茶、最も低い位置を青、その中間の高さを緑とし、高さに応じてそれぞれの色の濃淡が変化するようにする。

なお、図２１に示す濃淡画像ＮＦから分かるように、濃淡画像ＮＦのＺ軸に沿った断面はどの位置でも同じではない。つまり、図２０に示す種々のパターンＰＴについて、Ｘ軸方向およびＹ軸方向のサイズの比は種々のものが存在する。

ここで、各領域ＡＲにおいて、高さレベルＴＬとパターンＰＴが設定された後で、各画素ＧＳにどのような高さデータＴＤが割り当てられるかについて、その例を説明する。

すなわち、例えば、高さレベルＴＬが「３」と設定され、パターンＰＴ６が選択された場合には、パターンＰＴ６の最も高い位置が高さレベル「３」となり、最も低い位置がその領域ＡＲの周縁部の高さレベルとなる。パターンＰＴ６の周辺が領域ＡＲの周縁部と一致するように相似変形される。その結果、高さレベルＴＬが例えば１０段階である場合に、パターンＰＴ６の最も高い位置が最大高さの１０分の３の高さとなり、そこから最も低い位置まで、パターンＰＴ６の変化と比例するように、各画素ＧＳに高さデータＴＤが割り当てられる。そして、その領域ＡＲについて、割り当てられた高さデータＴＤが、濃淡画像として、例えば表示装置の画面や印刷された用紙に表示される。ユーザは、その濃淡画像を見て、必要に応じて濃淡画像を修正する。例えば、ある部分と他の部分との遠近の関係、ある部分の凹凸状態、ある部分の立体形状などについて、原画像ＧＦの内容に合うように修正する。

さて次に、高さ変化データ生成部１４は、高さ画像ＴＦに基づいて、各部についての原画像ＧＦの単位長さＬＸ当たりの高さの変化分ＬＺを示す高さ変化データＨＦを生成する（図２４を参照）。生成された高さ変化データＨＦは、高さ変化データ格納部１１５に格納される。

高さ変化データＨＦは、図１８に示すように、Ｘ方向およびＹ方向にマトリックス状に配列された多数の各画素ＧＳについて、Ｘ方向およびＹ方向に直交するＺ方向のデータの変化量である傾斜データＫＤを記録したものである。高さ変化データＨＦの画素ＧＳのピッチまたは個数は、高さ画像ＴＦの画素ＧＳのピッチまたは個数と同じであってもよく、また高さ画像ＴＦの画素ＧＳを間引いたものであってもよい。

傾斜データＫＤとして、例えば、２５６階調（８ビット）、６４階調（６ビット）などのデータが用いられる。傾斜データＫＤは、例えば、水平な面の傾斜角を０度とし、高さ画像ＴＦに基づいて各画素ＧＳの位置において得られる面の水平な面からの傾斜角θの絶対値を示すようにしてもよい。この場合には、傾斜データＫＤは、０〜９０度を示すことになる。図２３において、傾斜データＫＤは、θ１、θ２、θ３、θ４などで示されている。また、傾斜データＫＤとして、どの方向に傾斜しているかを示すデータを付加してもよい。

このような高さ変化データＨＦを得るためには、例えば次のようにすればよい。

すなわち、ある画素ＧＳを注目画素ＧＳＴとし、注目画素ＧＳＴについて、その高さデータＴＤとその周囲の８個の画素ＧＳの高さデータＴＤとの差をそれぞれ求め、差の最大値をその注目画素ＧＳＴの傾斜データＫＤとする。またはそれを必要に応じて規格化する。

また、注目画素ＧＳＴについて、その周囲の８個の画素ＧＳの高さデータＴＤの間における差の最大値を求め、それを注目画素ＧＳＴの傾斜データＫＤとする。必要に応じて規格化する。このようにして全ての画素ＧＳについての傾斜データＫＤを得る。

また、例えば、隣接する３×３個つまり９個の画素ＧＳからなる面の傾斜を求め、それを９個の画素ＧＳについての傾斜データＫＤとする。これを、２×２個、４×４個などとしてもよい。

データ出力部１６は、三次元レリーフ原形において高さ画像ＴＦで示される高さに応じた凹凸を形成するために、高さ画像ＴＦを数値制御加工装置２２の制御のために出力する。データ出力部１６は、データの入出力のための適当なインタフェースであってもよい。また、適当な記録媒体に対してデータの書き込みを行うための媒体ドライブ装置であってもよい。

制御データ生成部１２１は、データ出力部１１６から出力された高さ画像ＴＦに基づいて、彫刻装置ＴＳを制御するための制御データを生成する。なお、そのような制御データを生成するに際して、原画像ＧＦのデータをも用いてもよい。また、制御データの生成をコンピュータ１１０の内部で行い、制御データを適当なインタフェースを介して彫刻装置ＴＳに出力するようにしてもよい。

彫刻装置（ルーター）ＴＳは、制御データに基づいて、レリーフ材料ＲＺに対して加工を施し、原画像ＧＦについての三次元レリーフ原形ＲＧを作成する。彫刻装置ＴＳとして、種々のＮＣ旋盤、マシニングセンター、レーザ加工機、サンドブラスト、ルーターなどと同様の機構を用いることが可能である。なお、レリーフ材料ＲＺには、材木、石膏、合成樹脂、または金属など、種々の材料が用いられ、また、その形状として、直方体状、板状、円柱状、各柱状、球状など、種々の形状のものが用いられる。三次元レリーフ原形ＲＧは、レリーフ材料ＲＺに加工を施したものであるから、加工された表面は、通常、レリーフ材料ＲＺと同じ色である。

印刷装置ＰＳは、三次元レリーフ原形ＲＧの表面に、コーティングを行った後に、原画像ＧＦに基づく画像印刷を行うことによって着色を行う。印刷装置ＰＳは、例えば、Ｙ，Ｍ，Ｃ，Ｋの各色のインクを保持し、原画像ＧＦの色データに応じて、高速でパルス状に微量のそれぞれのインクを噴射し、三次元レリーフ原形ＲＧの凹凸の表面にフルカラーの画像を生成する。印刷装置ＰＳの基本的な機能としては、上に述べた特許文献２の装置を始めとして、従来から存在する種々の公知のインクジェットプリンタの機能を備えることができる。

さて、第２の実施形態の印刷装置ＰＳには、制御装置１８Ｂが設けられている。

制御装置１８Ｂは、印刷装置ＰＳに対して、高さ変化データＨＦに基づいて、原画像ＧＦの濃度が均一であると仮定した場合に三次元レリーフ原形ＲＧの表面における濃度が均一となるようにインクの吐出量の制御を行う。

すなわち、三次元レリーフ原形ＲＧの表面に凹凸があることによって、プリンタヘッド１７の主走査方向（Ｘ方向）の直線移動距離に対して、それに沿った三次元レリーフ原形ＲＧの表面距離の方が長くなる。背景技術の項でも説明したように、インクによる着色ムラまたは印刷ムラを低減して鮮明な画像を得るために、この距離の相違を修正する必要がある。制御装置１８Ｂにおいては、着色ムラがなくなるように濃度制御を行う。しかも、その濃度制御のために、彫刻装置ＴＳの制御に用いた高さ画像ＴＦをここでも用いる。

プリンタヘッド１７の主走査方向の直線移動距離は、印刷装置ＰＳの設計値によって決まる。例えば、図２２に示す距離Ｌ１が直線移動距離である。これに対して、三次元レリーフ原形ＲＧの表面距離は、図２２に示す三次元レリーフ原形ＲＧの表面凹凸ＨＴ（印刷表面ＰＨ）に沿った長さＬ２である。三次元レリーフ原形ＲＧの表面距離は、例えば彫刻装置ＴＳの工具先端の移動距離であり、高さ画像ＴＦから、または高さ画像ＴＦに基づいて生成した制御データから読み取ることができる。また、濃度制御のために、高さ変化データＨＦを用いてもよい。例えば、高さ変化データＨＦの大きさに応じてプリンタヘッド１７による濃度が高くなるように制御すればよい。

さて、濃度制御において、高さ変化データＨＦの大きい部分または画素ＧＳにおいて、より多くのインクが吐出されるように制御する。

そのための方法として、例えば次の方法がある。
（１）プリンタヘッド１７の走行速度は一定とし、高さ変化データＨＦの大きさに応じてインクの噴射一回当たりの吐出量を制御する。その場合に、例えば、プリンタヘッド１７に印加する電圧を制御する。つまり高さ変化データＨＦが大きい場合に、プリンタヘッド１７に印加する電圧を高くして吐出量を多くする。一回当たりの吐出量を多くすると、インクの吐出速度が速くなるので、三次元レリーフ原形ＲＧの表面にインクが速く到達し、そのため印刷位置の誤差が低減して画像の鮮明度の低下が抑えられる。
（２）プリンタヘッド１７の走行速度は一定とし、高さ変化データＨＦの大きさに応じて単位時間当たりのインクの吐出回数を制御する。単位時間当たりのインクの吐出回数をふ増やすと、例えば、複数回のインクの噴射されたインク滴が連続するとともに、僅かな間隔で次のインクが噴射されるので、先に噴射されたインク滴に後で噴射されたインク滴が追いついて合体することが生じる。これによっても、インクの吐出速度が速くなりまたはインク滴の質量が大きくなり、インク的によるスポットの精度が高くなって印刷位置の誤差が低減し、画像の鮮明度の低下が抑えられる。
（３）プリンタヘッド１７によるインクの噴射一回当たりの吐出量および単位時間当たりのインクの吐出回数を一定とし、高さ変化データＨＦの大きさに応じてプリンタヘッド１７の移動速度を制御する。この場合に、プリンタヘッド１７の三次元レリーフ原形ＲＧの表面に沿った移動速度が均一となるように制御する。

このように濃度制御を行うことによって、図２３に示す傾斜角θの大きな部分においてより多くのインクが付着することとなり、その結果、三次元レリーフ原形ＲＧの表面凹凸ＨＴの全体について、画像濃度が同じであると仮定した場合の単位面積当たりのインクの付着量が均一となる。

なお、図２３において、三次元レリーフ原形ＲＧの背景部分については、プリンタヘッドＰＨからの距離が大きくなり、プリンタヘッドＰＨからのインクが周辺に拡がり易いが、インクの初速を速くしたりインク滴の質量を大きくすることによってある程度補うことができる。

なお、印刷装置ＰＳにおいては、制御装置１８Ｂによる制御のために必要な機構および回路が設けられている。また、制御装置１８Ｂにおける制御のための処理はコンピュータ１１０において行い、印刷装置ＰＳにおいてはそれを実行するだけにしてもよい。

次に、三次元レリーフ作成装置１Ｂの全体的な動作について、フローチャートを参照して説明する。

図２５は三次元レリーフ作成装置１Ｂの全体の動作の流れを示すフローチャート、図２６は高さ画像作成処理の手順を示すフローチャート、図２７は加工処理の手順を示すフローチャート、図２８は印刷処理の手順を示すフローチャートである。

図２５において、原画像ＧＦを取得し（＃１）、原画像ＧＦに基づいて高さ画像ＴＦを生成する（＃２）。高さ画像ＴＦに基づく制御データを用いて彫刻装置ＴＳを制御し、レリーフ材料ＲＺを加工して三次元レリーフ原形ＲＧを作成する（＃３）。三次元レリーフ原形ＲＧに対して、その表面にコーティングを行ってコーティング層ＲＣを形成する（＃４）。高さ画像ＴＦに基づくデータである高さ変化データＨＦまたは高さデータＴＤを用いて印刷装置ＰＳを制御し、三次元レリーフ原形ＲＧにコーティング層ＲＣの上から印刷を行って着色する（＃５）。

図２６において、高さ画像作成処理においては、原画像ＧＦを領域ＡＲに区画し、区画されたそれぞれの領域ＡＲに対して高さレベルＴＬを付与する（＃１１）。このとき、それぞれの領域ＡＲについて適用すべきパターンＰＴを指定する。それぞれの領域ＡＲについて濃淡画像を生成し、それを表示する（＃１２）。ユーザは、濃淡画像に対し、必要に応じて修正を行う（＃１３）。そのようにして得られた濃淡画像は、高さ画像ＴＦを示すことになる。または、得られた濃淡画像を階調データに変換して高さ画像ＴＦとする（＃１４）。

図２７において、高さ画像ＴＦを制御用データとして出力する（＃２１）。高さ画像ＴＦに基づいて、制御データを生成する（＃２２）。制御データを用いて彫刻装置ＴＳを運転し、レリーフ材料ＲＺを加工して三次元レリーフ原形ＲＧを作成する（＃２３）。

図２８において、プリンタヘッド１７から印刷表面ＰＨまでの距離を複数の高さレベルＴＬに区分する（＃３１）。１つの高さレベルＴＬについてスキャンを実行し、それに対応する領域ＥＲに対して対応する画像を印刷する（＃３２）。その際に、上に述べたように、プリンタヘッド１７による印刷条件をそのスキャンの高さレベルＴＬに対して最適となるように設定して印刷を行う。印刷表面ＰＨの全ての領域ＥＲに印刷が行われるまでスキャンを行い、印刷表面ＰＨの全ての領域ＥＲに印刷が行われると終了する（＃３３）。これによって三次元レリーフＲＲが完成する。

第２の実施形態の三次元レリーフ作成装置１Ｂによると、高さ画像ＴＦに基づく数値制御を行ってレリーフ材料ＲＺに対して加工を施して三次元レリーフ原形ＲＧを作成するとともに、三次元レリーフ原形ＲＧに対して、高さ画像ＴＦに基づく濃度制御を行いながら、原画像ＧＦに基づく画像印刷を行うことによって着色を行うので、濃度制御が正確に行われ、着色ムラや画像の鮮明さが従来よりも良好である。濃度制御のための制御データを別途作成する必要がない。これらのことから、印刷速度をあげることができて、原画像ＧＦにより忠実な三次元レリーフを早く作成することができる。

上に述べた実施形態の三次元レリーフ作成装置１Ｂにおいて、パターンＰＴ１〜６の個数はもっと多くても少なくてもよい。パターンＰＴを種々変形するようにしてもよい。パターンＰＴを用いることなく各画素ＧＳの高さを決定してもよい。

第２の実施形態の三次元レリーフ作成装置１Ｂにおいては、原画像ＧＦを区画した各領域ＡＲに対して高さレベルＴＬを付与したが、ここで付与した高さレベルＴＬを、印刷装置ＰＳにおける各スキャンの際の高さレベルＴＬとして用いて制御を行ってもよい。

第２の実施形態において、彫刻装置ＴＳと印刷装置ＰＳとを一体化したものを用いてもよい。

第１の実施形態においては、彫刻装置ＴＳと印刷装置ＰＳとが一体化された三次元レリーフ作成装置１を用いたが、それぞれ別体で構成されたものを用いてもよい。

第１の実施形態と第２の実施形態とを任意に組み合わせた構成または制御を行うようにすることが可能である。

上に述べた実施形態では、レリーフ材料ＲＺまたは三次元レリーフ原形ＲＧを固定しておき、プリンタヘッド１７を移動させたが、これとは逆に、プリンタヘッド１７を移動させることなく固定しておき、レリーフ材料ＲＺまたは三次元レリーフ原形ＲＧを移動させることによって、プリンタヘッド１７が三次元レリーフ原形ＲＧの表面を相対的にスキャンするようにして印刷を行ってもよい。

このようにすると、プリンタヘッド１７が移動しないので、プリンタヘッド１７から噴射されたインクが空気流などの影響を受けることなく、印刷表面の正確な位置に付着することになるので、印刷表面とプリンタヘッド１７との間隔が離れていても、画像を正確に綺麗に印刷することができる。

上に述べた実施形態では、スキャン制御部２１が、プリンタヘッド１７から印刷表面ＰＨまでの距離に応じて複数の高さレベルＴＬに区分されたそれぞれの高さレベルＴＬごとにスキャンを実行するように制御したが、高さレベルＴＬごとに区分することなく、１回のスキャンによって画像の全体を印刷するようにしてもよい。特に、彫刻された凹凸の面を垂直ではない角度として柔らかい角度としたり、プリンタヘッド１７のノズルから噴射されるインクの焦点が遠くになるようにしたりすることにより、印刷表面ＰＨの全ての高さに対して１回の印刷で実用上差し支えのない鮮明な印刷を行うことが可能である。
〔その他〕
上に述べた実施形態においては、垂直の面ＳＦｊ２が形成されないように傾斜角度を持たせるようにした。

例えば図１０において、破線で示す垂直の面ＳＦｊ２を、実線で示す傾斜した面ＳＦ２となるように修正した。これによって、高さに段差がある境界部分においても、適当量のインクが付着して画像が連続して形成される。角度αの決定に当たっては、グレースケールの濃淡の変化に応じて、急角度が適切かまたは低角度が適切かを決定すればよい。

因みに、図１０に破線で示すような垂直の面ＳＦｊ２が形成された場合には、その面ＳＦｊ２にはプリンタヘッド１７のノズルから噴射するインクが付着しないか、または定着したとしても極僅かである。特に、奥深く垂直に掘られた部分の垂直な面であってプリンタヘッド１７の進行方向と同じ方向を向く面については、インクが全く付着しない。

これに対して、元の彫刻のデータが垂直の面を形成するものであっても、上に述べた実施形態のように、その垂直な面を傾斜させるように修正することにより、その面にインクがより多く付着することとなる。なお、垂直な面に傾斜を持たせる場合に、その面を境界とする両側の部分またはいずれか一方の部分に傾斜面が入り込んでくるので、そのような傾斜面の勾配用に提供することが許容される限りにおいて傾斜させることとなる。

また、このように面に傾斜を持たせることに代えて、またはそれとともに、プリンタヘッド１７のノズルから噴射するインクの量を制御してもよい。例えば、面の傾斜の角度αが大きい場合に、プリンタヘッド１７の進行方向と同じ方向を向く面に対しては、単位時間当たりでインクを付着させる必要のある面積が大きくなるので、通常よりもより多くのインクを噴射するように制御する。

また、そのような傾斜面に対応する画像上の部分に対して、元の画像よりも濃度を高くするように制御してもよい。これによって、プリンタヘッド１７が傾斜面に対応する位置にきたときには元の画像よりも濃度の高い画像を印刷すべく多くのインクを噴射し、その結果、傾斜面が本来の濃度となるように制御される。プリンタヘッド１７のノズルの噴射するインクの量の制御には、このような制御も含まれる。

その場合に、凹凸の高さを示すグレースケールのデータから、それぞれの面の傾斜角度を読み取って反映させるようにしてもよい。

また、立体形状を検出するためのセンサをプリンタヘッド１７に装着しておき、プリンタヘッド１７の走行とともにセンサによって三次元レリーフ原形ＲＧの表面の凹凸を走査してその立体形状を検出し、得られた傾斜角度に基づいて必要量のインクを噴射するようにしてもよい。

また、そのようなセンサによって立体形状のデータを取得し、その数値から三次元レリーフ原形ＲＧの位置決めを行ってもよい。これによって、位置決めが正確に行われる。

いずれにしても、インクの付着精度を上げるためには、角度αが８７度以下でできるだけ緩くなるようにすることが好ましい。

また、レリーフ材料ＲＺの限られた厚さの範囲内で立体効果を上げるために、原画像ＧＦに示された実体物の奥行き寸法と三次元レリーフＲＲにおける奥行き寸法（高さ寸法）とで、高さの基準となる位置、または縮尺度合いなどを可変することが好ましい。

例えば、高さレベルＴＬや高さデータＴＤなどとして、原画像ＧＦの全体の中での決定される値ではなく、ある限られた部分部分の各内部での相対的な高さに応じて付与することである。つまり、原画像ＧＦの全体の中の適当に区切られた部分部分において、その中での相対的な高さに応じて高さレベルＴＬや高さデータＴＤなどを付与し、これによってその部分における凹凸または立体感を強調する。

その一例として、例えば、低い位置から高い位置に変化する部分について、低い位置の面については実体物よりも低く（深く）彫刻し、高い位置の面については実体物よりも高く（浅く）彫刻する。

これは、隆起した立体物と最も奥側にある平面との境界における違和感を減少させるための手法として用いることも可能である。

なお、角度αについては、８７度以下であると説明したが、場合によっては８８度以下であってもよい。例えば８８〜３０度程度の範囲であってもよい。角度αは、原画のグレースケールの濃淡の変化の状態などに応じて決定すればよい。

ところで、上の実施形態の図１０において、垂直な面ＳＦｊ２を傾斜させた面ＳＦ２を、面ＳＦ３の一部と面ＳＦ１の一部とにそれぞれ入り込むようにした。このようにすると、画像を印刷したときに、面ＳＦ２の中央部が画像の境界となり、面ＳＦ１または面ＳＦ３に画像の境界がくるといったことがない。なお、画像の境界が、面ＳＦ２の中央部にあっても、面ＳＦ２の下方部または上方部にあってもよい。

また、図１１においては、面ＳＦ１の一部に入り込むように面ＳＦｊ２を傾斜させて面ＳＦ２とした。この場合においても、画像の境界が、面ＳＦ２と面ＳＦ３との境界部にあっても、面ＳＦ２の中央部にあっても、または面ＳＦ２の下方部または上方部にあってもよい。

上の実施形態において、彫刻走行フレーム１４、プリンタ走行フレーム１５、彫刻ヘッド１６、およびプリンタヘッド１７の走行のための装置または機構として、上に述べた以外の種々の公知のものを採用することが可能である。

その他、印刷装置ＰＳ、彫刻装置ＴＳ、制御装置１８，１８Ｂ、コンピュータ１１０、または三次元レリーフ作成装置１，１Ｂの全体または各部の構成、形状、寸法、個数、材質、画像の内容、制御装置１８，１８Ｂおよびコンピュータ１１０における処理内容、処理順序などは、本発明の趣旨に沿って適宜変更することができる。

第１の実施形態の三次元レリーフ作成装置の平面図である。 三次元レリーフ作成装置の正面図である。 三次元レリーフ作成装置の側面図である。 制御装置の機能を示すブロック図である。 彫刻が施された後のレリーフ材料の上面図である。 図５のレリーフ材料の正面図である。 図６を拡大して示す図である。 それぞれのスキャンにおいて印刷を行う領域を示す図である。 領域の境界部分における画像濃度の変化を示す図である。 彫刻が行われたレリーフ材料の凹凸の面の一部を断面して示す図である。 彫刻が行われたレリーフ材料の凹凸の面の一部を断面して示す図である。 彫刻が行われたレリーフ材料の凹凸の面の一部を断面して示す図である。 完成した三次元レリーフの一部を断面して示す図である。 プリンタヘッドのノズルからインクが噴射される様子を示す図である。 第２の実施形態の三次元レリーフ作成装置の全体の構成を示す図である。 原画像の構成を示す図である。 高さ画像の構成を示す図である。 高さ変化データの構成を示す図である。 原画像を区画した領域に高さレベルを設定した例を示す図である。 パターンの例を示す図である。 パターンについての濃淡画像の例を示す図である。 三次元レリーフ原形とプリンタヘッドとの関係の例を示す図である。 三次元レリーフ原形とプリンタヘッドとの関係の例を示す図である。 高さ変化データを説明する図である。 三次元レリーフ作成装置の全体の動作の流れを示すフローチャートである。 高さ画像作成処理の手順を示すフローチャートである。 加工処理の手順を示すフローチャートである。 印刷処理の手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１，１Ｂ 三次元レリーフ作成装置
ＰＳ 印刷装置
ＴＳ 彫刻装置
ＳＫ スキャン機構
１７ プリンタヘッド
１８，１８Ｂ 制御装置
ＰＨ 印刷表面
ＲＺ レリーフ材料
ＲＧ 三次元レリーフ原形
ＳＲ 三次元レリーフ
ＳＦ２，ＳＦ２Ａ 傾斜面
ＳＦ２Ｂ 第２の傾斜面
ＲＣ コーティング層（受像層）

Claims (7)

1. 三次元レリーフの製造方法であって、
   レリーフ材料の表面を彫刻することにより当該表面に凹凸を形成して三次元レリーフ原形を作成する第１の工程と、
   前記三次元レリーフ原形の表面にインクジェット方式のプリンタヘッドにより透明または白色の下地塗布を行って前記レリーフ材料の素材による表面の質感を低減するための受像層を形成する第２の工程と、
   前記下地塗布が行われた三次元レリーフ原形の表面に前記プリンタヘッドにより印刷を行うことによって前記彫刻に応じた画像を形成する第３の工程と、
   を有し、
   前記第１の工程において、前記凹凸を構成する面の全てについて、前記レリーフ材料の表面の接線方向に対してなす角度を８７度以下とする、
   ことを特徴とする三次元レリーフの製造方法。
2. 前記第１の工程において、
   背景画像に対応する奥側の面と前記背景画像以外の画像に対応する手前側の面とによって凹凸が構成される場合に、前記手前側の面を、前記奥側の面との境界部分から傾斜するように立ち上げた傾斜面に形成する、
   請求項１記載の三次元レリーフの製造方法。
3. 前記奥側の面において、前記傾斜面よりも傾斜の緩い第２の傾斜面を形成する、
   請求項２記載の三次元レリーフの製造方法。
4. 前記第２の工程において、前記紫外線硬化型インクを用いて下地塗布を行う、
   請求項１ないし３のいずれかに記載の三次元レリーフの製造方法。
5. 前記第３の工程において、プリンタヘッドを移動させることなく固定しておき、前記三次元レリーフ原形を移動させることによって、前記プリンタヘッドが前記三次元レリーフ原形の表面を相対的にスキャンするようにして印刷を行う、
   請求項１ないし４のいずれかに記載の三次元レリーフの製造方法。
6. 前記プリンタヘッドは、カラー印刷を行うために複数の原色のインクをそれぞれ噴射するための噴射口を有しており、
   前記各噴射口から噴射するインクの焦点の位置が、各噴射口から５ないし１０ミリメートルの範囲内となるように調整されている、
   請求項１ないし４のいずれかに記載の三次元レリーフの製造方法。
7. 三次元レリーフの製造装置であって、
   レリーフ材料の表面を彫刻することにより当該表面に凹凸を形成して三次元レリーフ原形を作成する第１の手段と、
   前記三次元レリーフ原形の表面にインクジェット方式のプリンタヘッドにより透明または白色の下地塗布を行って前記レリーフ材料の素材による表面の質感を低減するための受像層を形成する第２の手段と、
   前記下地塗布が行われた三次元レリーフ原形の表面にインクジェット方式のプリンタヘッドにより印刷を行うことによって前記彫刻に応じた画像を形成する第３の手段と、
   を有し、
   前記第１の手段において、前記凹凸を構成する面の全てについて、前記レリーフ材料の表面の接線方向に対してなす角度を８７度以下とする、
   ことを特徴とする三次元レリーフの製造装置。

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