JP6114140B2 - 三次元造形装置および三次元造形方法 - Google Patents

Description

本発明は、三次元造形装置および三次元造形方法に関し、さらに詳細には、光を照射すると硬化する光硬化性樹脂を用いて三次元造形物を作製する三次元造形装置および三次元造形方法に関する。

従来より、可視光または紫外光などの光の照射により硬化する特性を備えた液体状態の光硬化性樹脂を用いて三次元造形物を作製する三次元造形装置が知られている。

こうした三次元造形装置としては、例えば、所定の形状に硬化させた光硬化性樹脂を積層して立体造形を行う吊り上げ積層構造方式が用いられる。

この吊り上げ積層構造方式は、液体状態の光硬化性樹脂を貯留する容器の底面に透光板を用い、まず、当該透光板の下側にプロジェクタなどにより所定の画像を照射し、この容器内に配置された三次元造形物の土台となる造形物保持板の下面において所定の液層厚さ分だけ光硬化性樹脂を硬化させて、造形物保持板の下面に所定の液層厚さの硬化層を形成する。

次に、造形物保持板の下面と容器の底面たる透光板との間で硬化した硬化層を、造形物保持板に保持した状態で透光板から剥離し、所定の液層厚さ分だけ造形物保持板を上昇させる。

その後、透光板の下側から所定の画像を照射し、造形物保持板の下面に保持された硬化層に、さらに所定の液層厚さ分だけの光硬化性樹脂を硬化させて、硬化層を積層させる。

そして、こうした動作を順次繰り返し行うことにより、光硬化性樹脂の硬化層を積層させて立体造形を行って三次元造形物を作製することとなる。

こうした吊り上げ積層構造方式による三次元造形装置によれば、上記した動作を順次繰り返し行うことにより、所定の液層厚さ分だけの硬化層が順次積層されていくので、所望の形状の硬化層を作製することで、所望の形状の三次元造形物を作製することができるものである。

ここで、こうした吊り上げ積層構造方式の三次元造形装置においては、プロジェクタから容器底面と容器に貯留された光硬化性樹脂との界面たる画像投影面の所定の領域に画像が投影される。なお、以下の説明において、画像投影面の画像が投影される所定の領域を、画像投影領域と称することとする。

このため、プロジェクタからの画像が画像投影領域に適正な状態で投影されるように、プロジェクタを正確に位置決めする必要があった。

なお、「適正な状態」とは、プロジェクタから投影される画像が画像投影領域内において、形状が歪むことなく投影される状態のことである。

しかしながら、プロジェクタを正確に位置決めするには、プロジェクタを正確に位置決めするための機構を必要とするとともに、プロジェクタの正確な位置決めのための様々な調整が必要であり、コスト高を招来するとともに、作業者の作業工程が増え、作業が繁雑になってしまっていた。

こうした問題点を解決するための手法として、プロジェクタから投影される画像を補正して、画像投影領域に適正な状態で画像を投影するようにする方法が知られている。

即ち、投影される画像が画像投影領域上に位置するようにプロジェクタを固定し、プロジェクタから画像投影領域に投影される画像を表す画像データに対して、台形補正や投影サイズ補正と言った補正を行うことにより、適正な状態で画像投影領域内に画像を投影するようにしたものである。

しかしながら、この方法では、プロジェクタの光学系が持つ収差を考慮しておらず、画像データの補正を行った際に、投影した画像の画質を劣化させることがあった。

これにより、三次元造形装置においては、装置間においてプロジェクタから投影される画像における画質のバラツキが大きくなり、その結果、装置間において作製する三次元造形物の造形精度にバラツキが生じてしまっていた。

このため、投影した画像の画質の劣化を抑えることにより、装置間において、作製する三次元造形物の造形精度のバラツキを抑制した三次元造形装置および三次元造形方法の提案が望まれていた。

なお、本願出願人が特許出願のときに知っている先行技術は、文献公知発明に係る発明ではないため、本願明細書に記載すべき先行技術文献情報はない。

本発明は、従来の技術の有する上記したような要望に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、投影する画像の画質の劣化を抑えることにより、装置間において、作製する三次元造形物の造形精度のバラツキを抑制することができる三次元造形装置および三次元造形方法を提供しようとするものである。

上記目的を達成するために、本発明は、プロジェクタの光学系が持つ収差を考慮して、当該光学系が持つ収差による影響が少ない領域で台形補正や投影サイズ補正と言った補正を行った画像データに基づく画像を投影するようにしたものである。

ここで、台形補正や投影サイズ補正といった補正をした画像データに基づく画像においては、プロジェクタにおいて画像を形成する領域において、投影される画像が形成されていない領域たるデッドスペースが生じる（図１を参照する。）。

また、プロジェクタの光学特性では、プロジェクタの中心位置から遠くなるほど収差による影響が大きくなる。

したがって、本発明は、画像データを補正する際に、デッドスペースに光学系による収差の大きくなる箇所を位置させるように、プロジェクタを配設するようにしたものである。

即ち、本発明による三次元造形装置は、容器に貯留された光硬化性樹脂の画像投影領域に対して画像を投影し、上記容器内に配置された三次元造形物の土台となる造形物保持手段の下面に所定の液層厚さ分だけの硬化層を形成した後に、該所定の液層厚さ分だけ造形物保持手段を上昇させて上記画像投影領域に対して画像を投影して新たな硬化層を形成する動作を順次繰り返し行うことにより、該光硬化性樹脂の硬化層を積層して三次元造形物を作製する三次元造形装置において、上記画像投影領域に画像データに基づく画像を投影し、画像を形成する領域全体から出力された所定の画像を、対向する平行な２辺のうち、レンズの中心付近から投影された点が位置する一方の辺を他方の辺より短くした台形状とし、該台形状内に上記画像投影領域が収まるように上記所定の画像を投影する位置に配設された投影手段と、上記所定の画像を上記画像投影領域に適正な状態で投影するための補正値を算出するとともに、算出した補正値により、上記画像投影領域に投影する画像を表す画像データを補正する補正手段とを有するようにしたものである。

また、本発明による三次元造形方法は、容器に貯留された光硬化性樹脂の画像投影領域に対して画像を投影し、上記容器内に配置された三次元造形物の土台となる造形物保持手段の下面に所定の液層厚さ分だけの硬化層を形成した後に、該所定の液層厚さ分だけ造形物保持手段を上昇させて上記画像投影領域に対して画像を投影して新たな硬化層を形成する動作を順次繰り返し行うことにより、該光硬化性樹脂の硬化層を積層して三次元造形物を作製する三次元造形装置における三次元造形方法において、上記画像投影領域に画像データに基づいて画像を投影する投影手段が、画像を形成する領域全体から出力された所定の画像を、対向する平行な２辺のうち、レンズの中心付近から投影された点が位置する一方の辺を他方の辺より短くした台形状とし、該台形状内に上記画像投影領域が収まるように上記所定の画像を投影する位置に配設された状態で、上記所定の画像を上記画像投影領域に適正な状態で投影するための補正値を算出する工程と、算出した補正値により、入力された上記画像投影領域に投影する画像を表す画像データを補正する工程とを上記三次元造形装置が実行するようにしたものである。

本発明は、以上説明したように構成されているので、投影する画像の画質の劣化を抑えて、三次元造形装置間において、作製する三次元造形物の造形精度のバラツキを抑制することができるという優れた効果を奏するものである。

図１は、プロジェクタの画像を形成する領域で画像が形成されていないスペースたるデッドスペースを説明する説明図である。 図２は、本発明による三次元造形装置の一部を破断した状態の概略構成説明図である。 図３（ａ）は、プロジェクタの正面に配置された投影面に、画像がレンズの中心より前方側の領域から投影された状態を示す説明図であり、また、図３（ｂ）は、図３（ａ）の状態で投影面に投影された画像を示す説明図であり、また、図３（ｃ）は、プロジェクタの正面に配置された投影面に、画像がレンズの中心より後方側の領域から投影された状態を示す説明図であり、また、図３（ｄ）は、図３（ｃ）の状態で投影面に投影された画像を示す説明図である。 図４は、プロジェクタの配置位置から画像投影領域に投影した補正前の画像データによる単色画像の形状を示す説明図であり、図４（ａ）は、画像がレンズの中心より前方側の領域から投影された場合の説明図であり、また、図４（ｂ）は、画像がレンズの中心より後方側の領域から投影された場合の説明図である。 図５は、プロジェクタにおいて画像を作成する領域における補正後の画像データによる単色画像の形状を示す説明図であり、図５（ａ）は、画像がレンズの中心より前方側の領域から投影された場合の説明図であり、また、図５（ｂ）は、画像がレンズの中心より後方側の領域から投影された場合の説明図である。

以下、添付の図面を参照しながら、本発明による三次元造形装置および三次元造形方法の一例を詳細に説明することとする。

まず、図２には、本発明による三次元造形装置の一部を破断した状態の概略構成説明図が示されている。

この図２に示す三次元造形装置１０は、底面１２ａが透光板により形成されるとともに、可視光または紫外光などの光の照射により硬化する液体状態の光硬化性樹脂を貯留する容器１２と、容器１２の底面１２ａへ画像を投影するプロジェクタ１６と、駆動部（図示せず。）の駆動により上下方向に移動し、容器１２内で硬化された光硬化性樹脂を保持する造形物保持部１８とを有して構成されている。

なお、この三次元造形装置１０の全体の動作は、マイクロコンピューター２０により制御されている。

より詳細には、容器１２は、ベース部材２２の上面２２ａに配設され、底面１２ａたる透光板の上面には、硬化した光硬化性樹脂の剥離性を向上させるために、底面１２ａを透過した光を透過可能なコーティング材（例えば、シリコン樹脂である。）によりコーティングがなされている。

そして、ベース部材２２内に配設されたプロジェクタ１６から投影される画像が、底面１２ａと容器１２内に貯留された光硬化性樹脂との界面たる画像投影面の画像投影領域に投影されるようになされている。

プロジェクタ１６は、ベース部材２２内に配設されるとともに、マイクロコンピューター２０から出力された画像データに基づく画像を画像投影領域に投影するようになされている。

なお、プロジェクタ１６から投影する画像は、作製する三次元造形物の形状を水平方向に分割して複数の層に分けた複数の画像である。

そして、プロジェクタ１６は、この複数の画像を順番に、一定時間毎に１層分ずつ投影するようにマイクロコンピューター２０により制御されている。

また、プロジェクタ１６は、画像投影領域に対して画像が台形状となるように投影する位置に配設される。

このとき、台形状の画像は、対向する平行な２本の辺のうち、プロジェクタ１６のレンズ中心付近から投影された点が位置する一方の辺を短くし、他方の辺を当該一方の辺より長くなるようにする。

ここで、図２に示すように、プロジェクタ１６を立てた状態で上方側に画像を投影するように配置した際には、プロジェクタ１６から投影される画像は、プロジェクタ１６のレンズの中心より前方側の領域から投影される場合と、当該レンズの中心より後方側の領域から投影される場合とがある。

以下、図３を参照しながら、プロジェクタ１６より画像が、レンズの中心より前方側の領域から投影される場合と、レンズの中心より後方側の領域に投影される場合とにおいて、それぞれプロジェクタ１６をどのように配設するのかについて説明する。

図３（ａ）には、プロジェクタ１６の正面に配置された投影面に、画像がレンズの中心より前方側の領域から投影された状態を示す説明図が示されており、また、図３（ｂ）には、図３（ａ）に示す状態で投影面に投影された画像を示す説明図が示されており、また、図３（ｃ）には、プロジェクタ１６の正面に配置された投影面に、画像がレンズの中心より後方側の領域から投影された状態を示す説明図が示されており、また、図３（ｄ）には、図３（ｃ）に示す状態で投影面に投影された画像を示す説明図が示されている。なお、プロジェクタ１６の正面に配置された投影面とは、プロジェクタ１６からの画像投影方向と直交する面であり、プロジェクタ１６から投影された画像が歪むことなく投影することが可能な面である。

プロジェクタ１６において画像が、レンズの中心より前方側の領域から投影される場合には、投影された画像において、レンズ中心付近より投影された点Ｐ１、点Ｐ１が位置する辺の左方側端部の点Ｐ２、点Ｐ１が位置する辺と対向する辺の中点Ｐ３、点Ｐ１が位置する辺と対向する辺の左方側端部の点Ｐ４の各点のうち、点Ｐ１はレンズ中心付近から投影されており、最も解像度が高く、点Ｐ４はレンズ中心から最も離れた位置から投影されており、収差が大きく最も解像度が低くなる。

また、点Ｐ１が位置する辺と対向する辺の右方側端部の点Ｐ５についても、点Ｐ４と同様に、レンズ中心から最も離れた位置から投影されており、収差が大きく最も解像度が低くなる。

したがって、この場合には、点４および点Ｐ５の近傍に、補正後の画像データに基づく画像におけるデッドスペースが形成するようにすれば、プロジェクタ１６において解像度のよい領域から画像が投影されることとなる。

即ち、プロジェクタ１６において画像が、レンズの中心より前方側の領域から投影される場合には、画像投影面の画像投影領域に対して、例えば、プロジェクタ１６において画像を形成する領域全体から出力される単色の画像（以下、「プロジェクタ１６において画像を形成する領域全体から出力される単色の画像」を、「単色画像」と適宜に称することとする。）が、対向する平行な２辺のうち、点Ｐ１が位置する一方の辺を短く、点Ｐ４、点Ｐ５が位置する他方の辺を長くした台形状（図４（ａ）を参照する。）として投影される位置にプロジェクタ１６を配設するようにする。

なお、このときには、投影された単色画像内に画像投影領域が収まるようになされる。

また、プロジェクタ１６において画像が、レンズの中心より後方側の領域から投影される場合には、投影された画像において、レンズ中心付近より投影された点Ｐ１、点Ｐ１が位置する辺の左方側端部の点Ｐ２、点Ｐ１が位置する辺と対向する辺の中点Ｐ６、点Ｐ１が位置する辺と対向する辺の左方側端部の点Ｐ７の各点のうち、点Ｐ１はレンズ中心付近から投影されており、最も解像度が高く、点Ｐ７はレンズ中心から最も離れた位置から投影されており、収差が大きく最も解像度が低くなる。

さらに、点Ｐ１が位置する辺と対向する辺の右方側端部の点Ｐ８についても、点Ｐ７と同様に、レンズ中心から最も離れた位置から投影されており、収差が大きく最も解像度が低くなる。

したがって、この場合には、点７および点８の近傍に、補正後の画像データに基づく画像におけるデッドスペースが形成されるようにすれば、プロジェクタ１６において解像度のよい領域から画像が投影されることとなる。

即ち、プロジェクタ１６において画像が、レンズの中心より後方側の領域から投影される場合には、画像投影面の画像投影領域に対して、例えば、単色画像が、対向する平行な２辺のうち、点Ｐ１が位置する一方の辺を短く、点Ｐ７、点Ｐ８が位置する他方の辺を長くした台形状の画像（図４（ｂ）を参照する。）を投影する位置にプロジェクタ１６を配設するようにする。

なお、このときには、投影された単色画像内に画像投影領域が収まるようになされる。

造形物保持部１８は、ベース部材２２の上面２２ａの後端部２２ａａに立設した立設部材２４において、上下方向に昇降自在に設けられている。

そして、造形物保持部１８は、モーターなどの駆動部（図示せず。）の駆動により、立設部材２４の前面２４ａにおいて上方側および下方側に移動することとなる。

また、造形物保持部１８は、下面１８ａにおいて、容器１２内で硬化する光硬化性樹脂と密着して三次元造形物を保持する土台となる。

また、マイクロコンピューター２０は、プロジェクタ１６から投影される画像が、画像投影領域において適正な状態で投影されるように、プロジェクタ１６に出力する画像データを補正するとともに、この補正に必要となる数値や行列など（以下、「補正に必要となる数値や行列など」を、単に、「補正値」と称することとする。）の算出を行う。

具体的には、マイクロコンピューター２０は、プロジェクタ１６から投影される画像が、画像投影領域内に適正な状態で投影されるよう、台形補正や投影サイズ補正など補正を行うための補正値を算出する。

ここで、図４（ａ）に示すような画像が投影されるようにプロジェクタ１６がベース部材２２内に配設された場合には、図４（ａ）に示す画像が画像投影領域内で適正な状態で投影されるような補正値を算出することとなる。

こうして算出された補正値により補正された単色画像の画像データは、図５（ａ）に示すような画像を投影する画像データとなる。

即ち、この画像データに基づく画像では、プロジェクタ１６において画像を形成する領域内において、収差が大きくなる点Ｐ４に相当する点Ｑ４および収差が大きくなる点Ｐ５に相当する点Ｑ５の近傍では、画像を形成しないこととなる。

これにより、算出された補正値により補正された画像データにおいては、プロジェクタ１６において収差の小さい領域を使用することとなり、プロジェクタ１６から投影される画像に劣化することがなくなる。

また、図４（ｂ）に示すような画像が投影されるようにプロジェクタ１６がベース部材２２内に配設された場合には、図４（ｂ）に示す画像が画像投影領域内で適正な状態で投影されるような補正値を算出することとなる。

こうして算出された補正値により補正された単色画像の画像データは、図５（ｂ）に示すような画像を投影する画像データとなる。

即ち、この画像データに基づく画像では、プロジェクタ１６において画像を形成する領域内において、収差が大きくなる点Ｐ７に相当する点Ｒ７および収差が大きくなる点Ｐ８に相当する点Ｒ８の近傍では、画像を形成しないこととなる。

これにより、算出された補正値により補正された画像データにおいては、プロジェクタ１６において収差の小さい領域を使用することとなり、プロジェクタ１６から投影される画像が劣化することがなくなる。

また、マイクロコンピューター２０は、こうして算出された補正値を用いて、入力された画像、つまり、作製する三次元造形物を水平方向に分割して複数の層に分けた各層の画像を表す画像データを補正する。

以上の構成において、三次元造形装置１０により三次元造形物を作製する場合について説明する。

まず、三次元造形装置１０の組み立て時やプロジェクタ１６の調整および交換などの所定のタイミングで、ベース部材２２内でのプロジェクタ１６の位置決めを行う。

即ち、プロジェクタ１６がレンズの中心より前方側の領域から画像を投影する場合には、図４（ａ）に示すように、単色画像が、対向する平行な２辺のうち、レンズの中心付近から投影された点が位置する一方の辺を他方の辺より短くした台形状の画像となる位置にプロジェクタ１６を配設する。このとき、この台形状内に画像投影領域が収まるように当該単色画像が投影されるようにする。

また、プロジェクタ１６がレンズの中心より後方側の領域から画像を投影する場合には、図４（ｂ）に示すように、単色画像が、対向する平行な２辺のうち、レンズの中心付近から投影された点が位置する一方の辺を他方の辺より短くした台形状の画像となる位置にプロジェクタ１６を配設する。このとき、この台形状内に画像投影領域が収まるように当該単色画像が投影されるようにする。

プロジェクタ１６の位置決めが終了したら、マイクロコンピューター２０において、台形補正および投影サイズ補正などの補正を行う際に用いる補正値を算出する。

その後、作業者により作製する三次元造形物を水平方向に分割して複数の層に分けた複数の画像をマイクロコンピューター２０に入力し、三次元造形物の作製を指示する操作を行う。

三次元造形物の作製が開始されると、マイクロコンピューター２０において、予め算出した補正値に基づいて入力された画像データを補正し、決められた順番で一定時間毎に１層分の補正された画像データがプロジェクタ１６に出力される。

そして、プロジェクタ１６から画像投影面の画像投影領域に１層分の画像が投影されて、造形物保持部１８の下面１８ａに当該画像に基づく硬化層が形成される。

その後、マイクロコンピューター２０により所定の液層厚さ分だけ造形物保持部１８を上昇し、マイクロコンピューター２０から当該硬化層の次の１層分の補正後の画像データがプロジェクタ１６に出力され、プロジェクタ１６から当該画像データに基づく画像を画像投影領域に投影される。

こうした動作を順次繰り返し行うことにより、硬化層の下方側に新たな硬化層を形成して、三次元造形物を形成する。

以上において説明したように、本発明による三次元造形装置１０においては、プロジェクタ１６において画像を形成する領域全体から出力された単色の画像が、対向する平行な２辺のうち、レンズ中心付近から投影された点が位置する一方の辺を、画像投影領域より長く、かつ、他方の辺より短くした台形状となるように、プロジェクタ１６を配設するようにした。

そして、マイクロコンピューター２０において、単色画像を画像投影領域内に適正な状態で投影するための補正値を算出し、算出した補正値を用いて実際に三次元造形物を作製する際に用いる画像データを補正するようにした。

これにより、本発明による三次元造形装置１０においては、補正された画像データに基づいて投影される画像は、プロジェクタ１６において画像を形成する領域における、プロジェクタ１６の光学系の収差による影響が少ない領域において画像が形成されることとなる。

このため、本発明による三次元造形装置１０によれば、画質に劣化のない画像により硬化層が形成されるため、装置間においてプロジェクタ１６から投影される画像の画質のバラツキがなくなり、その結果、装置間において作製する三次元造形物の造形精度の一定とすることができる。

なお、上記した実施の形態は、以下の（１）乃至（３）に示すように変形するようにしてもよい。

（１）上記した実施の形態においては、プロジェクタ１６は、容器１２の底面１２ａと容器１２に貯留された光硬化性樹脂の界面たる画像投影面の画像投影領域に直接画像を投影するようにしたが、これに限られるものではないことは勿論であり、ミラーを介して画像投影領域に画像を投影するようにしてもよい。

（２）上記した実施の形態においては、プロジェクタ１６の位置決めを行う際に、プロジェクタ１６から投影する画像として、プロジェクタ１６において画像を形成する領域全体から出力された単色の画像を投影するようにしたが、これに限られるものではないことは勿論である。

即ち、プロジェクタ１６において画像を形成する領域全体から出力する画像は単色の画像に変えて、所定の模様の形成された画像とするようにしてもよく、要は、プロジェクタ１６において画像を形成する領域全体の形状が分かる画像であればどのような画像であってもよい。

（３）上記した実施の形態ならびに上記した（１）および（２）に示す変形例は、適宜に組み合わせるようにしてもよい。

本発明は、吊り上げ積層構造方式の三次元造形装置に用いることができる。

１０ 三次元造形装置、１２ 容器、１６ プロジェクタ、１８ 造形物保持部、２０ マイクロコンピューター、２２ ベース部材、２４ 立設部材

Claims (2)

1. 容器に貯留された光硬化性樹脂の画像投影領域に対して画像を投影し、前記容器内に配置された三次元造形物の土台となる造形物保持手段の下面に所定の液層厚さ分だけの硬化層を形成した後に、該所定の液層厚さ分だけ造形物保持手段を上昇させて前記画像投影領域に対して画像を投影して新たな硬化層を形成する動作を順次繰り返し行うことにより、該光硬化性樹脂の硬化層を積層して三次元造形物を作製する三次元造形装置において、
   前記画像投影領域に画像データに基づく画像を投影し、画像を形成する領域全体から出力された所定の画像を、対向する平行な２辺のうち、レンズの中心付近から投影された点が位置する一方の辺を他方の辺より短くした台形状とし、該台形状内に前記画像投影領域が収まるように前記所定の画像を投影する位置に配設された投影手段と、
   前記所定の画像を前記画像投影領域に適正な状態で投影するための補正値を算出するとともに、算出した補正値により、前記画像投影領域に投影する画像を表す画像データを補正する補正手段と
   を有することを特徴とする三次元造形装置。
2. 容器に貯留された光硬化性樹脂の画像投影領域に対して画像を投影し、前記容器内に配置された三次元造形物の土台となる造形物保持手段の下面に所定の液層厚さ分だけの硬化層を形成した後に、該所定の液層厚さ分だけ造形物保持手段を上昇させて前記画像投影領域に対して画像を投影して新たな硬化層を形成する動作を順次繰り返し行うことにより、該光硬化性樹脂の硬化層を積層して三次元造形物を作製する三次元造形装置における三次元造形方法において、
   前記画像投影領域に画像データに基づいて画像を投影する投影手段が、画像を形成する領域全体から出力された所定の画像を、対向する平行な２辺のうち、レンズの中心付近から投影された点が位置する一方の辺を他方の辺より短くした台形状とし、該台形状内に前記画像投影領域が収まるように前記所定の画像を投影する位置に配設された状態で、前記所定の画像を前記画像投影領域に適正な状態で投影するための補正値を算出する工程と、
   算出した補正値により、入力された前記画像投影領域に投影する画像を表す画像データを補正する工程とを
   前記三次元造形装置が実行する
   ことを特徴とする三次元造形方法。

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