三次元レリーフ作成装置
【課題】レリーフ材料を用いて三次元レリーフを作成するに当たり、レリーフ材料の取り付け取り外しの作業を軽減し、高精度の三次元レリーフを作成すること。
【解決手段】基台１１と、基台１１によって支持されており、レリーフ材料ＲＺをその上に載置するための材料載置台１２と、材料載置台１２に載置されたレリーフ材料の表面上をスキャン可能に配置された彫刻装置ＴＳと、材料載置台１２に載置されたレリーフ材料の表面上をスキャン可能に配置された印刷装置ＰＳとを有し、材料載置台１２の上に載置されたレリーフ材料ＲＺに対して、彫刻装置ＴＳによる彫刻と印刷装置ＰＳによる印刷とを、当該レリーフ材料ＲＺを取り外すことなく行えるように構成される。
【解決手段】基台１１と、基台１１によって支持されており、レリーフ材料ＲＺをその上に載置するための材料載置台１２と、材料載置台１２に載置されたレリーフ材料の表面上をスキャン可能に配置された彫刻装置ＴＳと、材料載置台１２に載置されたレリーフ材料の表面上をスキャン可能に配置された印刷装置ＰＳとを有し、材料載置台１２の上に載置されたレリーフ材料ＲＺに対して、彫刻装置ＴＳによる彫刻と印刷装置ＰＳによる印刷とを、当該レリーフ材料ＲＺを取り外すことなく行えるように構成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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作成する三次元レリーフ作成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
このような三次元レリーフを自動的に製造する加工装置が提案されている（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。
【０００４】
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乃至明るさのインクを噴霧して印刷を行う。
【０００５】
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）。
【特許文献１】特開平９−３１１７０７
【特許文献２】特開平９−１９３３６８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上に述べた従来の装置においては、レリーフ材料である被加工物をＮＣ加工機などにより加工した後、印刷装置に移して印刷を行うようになっている。そのため、ＮＣ加工機（彫刻装置）において一旦位置決めして固定した被加工物を印刷装置に移すために取り外し、印刷装置において再度レリーフ材料をＺ位置決めして固定しなければならず、取り付け取り外しの作業が容易ではない。
【０００７】
しかも、レリーフ材料の位置決めに際して彫刻と印刷との間で僅かではあっても位置ずれが生じるので、それによって出来上がった三次元レリーフの精度が低下することとなる。
【０００８】
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたもので、レリーフ材料を用いて三次元レリーフを作成するに当たり、レリーフ材料の取り付け取り外しの作業を軽減し、高精度の三次元レリーフを作成することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る装置は、三次元レリーフを作成する装置であって、基台と、前記基台によって支持されており、レリーフ材料をその上に載置するための材料載置台と、前記材料載置台に載置されたレリーフ材料の表面上をスキャン可能に配置された彫刻装置と、前記材料載置台に載置されたレリーフ材料の表面上をスキャン可能に配置された印刷装置と、を有し、前記材料載置台の上に載置されたレリーフ材料に対して、前記彫刻装置による彫刻と、前記印刷装置による印刷とを、当該レリーフ材料を取り外すことなく行えるように構成される。
【００１０】
好ましくは、前記材料載置台には、載置された前記レリーフ材料を負圧により吸着して固定するための多数の穴が設けられてなる。
【００１１】
また、前記材料載置台の両辺の外側にはガイドが設けられており、前記彫刻装置は、前記ガイドに沿って第１の方向に走行する彫刻走行フレーム、および前記彫刻走行フレームに沿って前記第１の方向と直交する第２の方向に走行する彫刻ヘッドを有しており、前記印刷装置は、前記ガイドに沿って第１の方向に走行するプリンタ走行フレーム、および前記プリンタ走行フレームに沿って前記第１の方向と直交する第２の方向に走行するプリンタヘッドを有しており、前記基台上には、前記彫刻装置または前記印刷装置の一方がスキャンを行っているときに他方が待機するための待機スペースが設けられている。
【００１２】
また、前記印刷装置に設けられたプリンタヘッドはインクジェット方式のプリンタヘッドであり、前記プリンタヘッドによる前記レリーフ材料への印刷に際して、前記彫刻装置において前記レリーフ材料の彫刻に用いた距離データを用いて前記プリンタヘッドの制御を行うための制御装置が設けられている。
【００１３】
また、前記制御装置は、前記プリンタヘッドから前記レリーフ材料に印刷を施す表面である印刷表面までの距離を複数の高さレベルに区分し、それぞれの高さレベルごとに前記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前記高さレベルに含まれる前記印刷表面の領域に対して前記プリンタヘッドによる画像の印刷を行うように制御する。
【００１４】
また、前記制御装置は、前記スキャンごとに、前記プリンタヘッドによる印刷条件をそのスキャンの前記高さレベルに対して最適となるように設定して印刷を行う。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によると、レリーフ材料を用いて三次元レリーフを作成するに当たり、レリーフ材料の取り付け取り外しの作業が軽減され、高精度の三次元レリーフを作成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１は本発明に係る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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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ＡＮ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ＡＮ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。
【００２０】
また、負圧による吸着に代えて、またはそれとともに、ネジなどを締めつけることによってレリーフ材料を挟み込んで固定するためのクランプ装置を設けてもよい。
【００２１】
なお、レリーフ材料ＲＺは、合成樹脂材料、石膏、大理石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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
プリンタヘッド１７は、ＹＭＣＫの各色に対応する複数のノズルを備え、ノズルからそれぞれの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。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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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、さらにその表面に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を作成することができる。
【００３３】
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。また、距離データまたはそれを生成するためのデータの入力が容易である。
【００３４】
また、同様に、レリーフ材料ＲＺが同じ位置に固定された状態で彫刻と印刷とを行うことができるので、上のように同じ距離データを用いることが可能であるとともに、彫刻装置ＴＳおよび印刷装置ＰＳを制御するプログラムまたはソフトウエアなどについても一部共通に用いることが可能である。
【００３５】
図４に示すように、制御装置１８は、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。
【００３６】
制御装置１８により制御されるスキャン機構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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
また、制御装置１８は、プリンタヘッド１７によるレリーフ材料ＲＺへの印刷に際して、彫刻装置ＴＳにおいてレリーフ材料ＲＺの彫刻に用いた距離データを用いて、プリンタヘッド１７による印刷条件の設定およびプリンタヘッド１７の制御を行う。つまり、彫刻装置ＴＳにおいて、工具または刃物の奥行き方向の位置（Ｚ方向の位置）を決めるために、距離データ（Ｚ軸データ）が用いられるが、その距離データを、印刷装置ＰＳによって印刷を行う際にプリンタヘッド１７の印刷条件の設定および制御のために用いるのである。
【００４１】
なお、彫刻ヘッド１６またはプリンタヘッド１７のそれぞれの部分に制御部またはコンソールボックスを設け、それぞれの制御部などに制御装置１８の機能を設けるように構成してもよい。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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、印刷表面ＰＨ上においてマスクのためのシートを覆い被せる方法などがある。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
なお、原画像ＧＦは、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からなる２次元画像である。各画素は色情報を持つ。色情報は濃度情報を含む。例えば、各画素が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の色、つまり、色相、彩度、および明度が決定される。画素は他の表色系のデータによって表現されていてもよい。
【００６４】
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。
【００６５】
なお、原画像ＧＦは、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。
【００６６】
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までの距離を示す高さデータは、種々の方法で測定しまたは決定することができる。例えば、原画像ＧＦに基づいて、ユーザがその距離を決定してもよい。つまり、この場合には、原画像ＧＦに基づいて、その凹凸の状態をユーザが決定することになる。
【００６７】
また、モデルとなる実物がある場合には、その実物を三次元測定機などによって測定し、距離データを取得して高さデータとすればよい。通常、距離データとともに二次元画像データが得られるので、これらのデータを用いて彫刻と印刷を行うことができる。
【００６８】
高さデータは、例えば、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方向のデータを記録したものである。高さデータの画素のピッチまたは個数は、原画像ＧＦの画素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の画素を間引いたものであってもよい。
【００６９】
高さデータとして、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。高さデータは、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。高さデータは、各部の高さをグレースケールを用いて示す濃淡画像とすることも可能である。
【００７０】
高さデータに基づいて、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。
【００７１】
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または機能のもの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。
【００７２】
印刷装置ＰＳは、三次元レリーフ原形に対して三次元レリーフ原形の表面に、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。
【００７３】
次に、三次元レリーフ作成装置１の全体的な動作の例について、フローチャートを参照して説明する。
【００７４】
図１０は三次元レリーフ作成装置１の全体の動作の流れを示すフローチャート、図１１は高さデータ作成処理の手順を示すフローチャート、図１２は加工処理の手順を示すフローチャート、図１３は印刷処理の手順を示すフローチャートである。
【００７５】
図１０において、原画像ＧＦを取得し（＃１）、原画像ＧＦに基づいて高さデータを生成する（＃２）。高さデータ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を作成する（＃３）。高さデータまたはそれに基づく高さ変化データを用いて印刷装置ＰＳを制御し、三次元レリーフ原形に印刷を行って着色する（＃４）。
【００７６】
図１１において、高さデータ作成処理においては、原画像ＧＦを領域に区画し、区画されたそれぞれの領域に対して高さレベルＴＬを付与する（＃１１）。このとき、それぞれの領域について適用すべきパターンを指定する。それぞれの領域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、高さデータを示すことになる。または、得られた濃淡画像を階調データに変換して高さデータとする（＃１４）。
【００７７】
図１２において、高さデータを制御用データとして出力する（＃２１）。高さデータに基づいて、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を作成する（＃２３）。
【００７８】
図１３において、プリンタヘッド１７から印刷表面ＰＨまでの距離を高さデータから取得し、これ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が完成する。
【００７９】
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。
【００８０】
その他、印刷装置ＰＳ、彫刻装置ＴＳ、制御装置１８、または三次元レリーフ作成装置１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。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】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。
【図２】三次元レリーフ作成装置の正面図である。
【図３】三次元レリーフ作成装置の側面図である。
【図４】制御装置の機能を示すブロック図である。
【図５】彫刻が施された後のレリーフ材料の上面図である。
【図６】図５のレリーフ材料の正面図である。
【図７】図６を拡大して示す図である。
【図８】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。
【図９】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。
【図１０】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。
【図１１】高さデータ作成処理の手順を示すフローチャートである。
【図１２】加工処理の手順を示すフローチャートである。
【図１３】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】
【００８２】
１ 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
１１ 基台
１２ 材料載置台
１３ 走行ガイド
１４ 彫刻走行フレーム
１５ プリンタ走行フレーム
１６ 彫刻ヘッド
１７ プリンタヘッド
１８ 制御装置
２１ スキャン制御部
２２ 領域画像制御部
２３ 印刷条件制御部
ＴＬ 高さレベル
ＰＨ 印刷表面
ＡＮ 穴
ＲＺ レリーフ材料
【技術分野】
【０００１】
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作成する三次元レリーフ作成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
このような三次元レリーフを自動的に製造する加工装置が提案されている（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。
【０００４】
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乃至明るさのインクを噴霧して印刷を行う。
【０００５】
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）。
【特許文献１】特開平９−３１１７０７
【特許文献２】特開平９−１９３３６８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上に述べた従来の装置においては、レリーフ材料である被加工物をＮＣ加工機などにより加工した後、印刷装置に移して印刷を行うようになっている。そのため、ＮＣ加工機（彫刻装置）において一旦位置決めして固定した被加工物を印刷装置に移すために取り外し、印刷装置において再度レリーフ材料をＺ位置決めして固定しなければならず、取り付け取り外しの作業が容易ではない。
【０００７】
しかも、レリーフ材料の位置決めに際して彫刻と印刷との間で僅かではあっても位置ずれが生じるので、それによって出来上がった三次元レリーフの精度が低下することとなる。
【０００８】
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたもので、レリーフ材料を用いて三次元レリーフを作成するに当たり、レリーフ材料の取り付け取り外しの作業を軽減し、高精度の三次元レリーフを作成することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る装置は、三次元レリーフを作成する装置であって、基台と、前記基台によって支持されており、レリーフ材料をその上に載置するための材料載置台と、前記材料載置台に載置されたレリーフ材料の表面上をスキャン可能に配置された彫刻装置と、前記材料載置台に載置されたレリーフ材料の表面上をスキャン可能に配置された印刷装置と、を有し、前記材料載置台の上に載置されたレリーフ材料に対して、前記彫刻装置による彫刻と、前記印刷装置による印刷とを、当該レリーフ材料を取り外すことなく行えるように構成される。
【００１０】
好ましくは、前記材料載置台には、載置された前記レリーフ材料を負圧により吸着して固定するための多数の穴が設けられてなる。
【００１１】
また、前記材料載置台の両辺の外側にはガイドが設けられており、前記彫刻装置は、前記ガイドに沿って第１の方向に走行する彫刻走行フレーム、および前記彫刻走行フレームに沿って前記第１の方向と直交する第２の方向に走行する彫刻ヘッドを有しており、前記印刷装置は、前記ガイドに沿って第１の方向に走行するプリンタ走行フレーム、および前記プリンタ走行フレームに沿って前記第１の方向と直交する第２の方向に走行するプリンタヘッドを有しており、前記基台上には、前記彫刻装置または前記印刷装置の一方がスキャンを行っているときに他方が待機するための待機スペースが設けられている。
【００１２】
また、前記印刷装置に設けられたプリンタヘッドはインクジェット方式のプリンタヘッドであり、前記プリンタヘッドによる前記レリーフ材料への印刷に際して、前記彫刻装置において前記レリーフ材料の彫刻に用いた距離データを用いて前記プリンタヘッドの制御を行うための制御装置が設けられている。
【００１３】
また、前記制御装置は、前記プリンタヘッドから前記レリーフ材料に印刷を施す表面である印刷表面までの距離を複数の高さレベルに区分し、それぞれの高さレベルごとに前記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前記高さレベルに含まれる前記印刷表面の領域に対して前記プリンタヘッドによる画像の印刷を行うように制御する。
【００１４】
また、前記制御装置は、前記スキャンごとに、前記プリンタヘッドによる印刷条件をそのスキャンの前記高さレベルに対して最適となるように設定して印刷を行う。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によると、レリーフ材料を用いて三次元レリーフを作成するに当たり、レリーフ材料の取り付け取り外しの作業が軽減され、高精度の三次元レリーフを作成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１は本発明に係る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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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ＡＮ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ＡＮ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。
【００２０】
また、負圧による吸着に代えて、またはそれとともに、ネジなどを締めつけることによってレリーフ材料を挟み込んで固定するためのクランプ装置を設けてもよい。
【００２１】
なお、レリーフ材料ＲＺは、合成樹脂材料、石膏、大理石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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
プリンタヘッド１７は、ＹＭＣＫの各色に対応する複数のノズルを備え、ノズルからそれぞれの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。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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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、さらにその表面に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を作成することができる。
【００３３】
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。また、距離データまたはそれを生成するためのデータの入力が容易である。
【００３４】
また、同様に、レリーフ材料ＲＺが同じ位置に固定された状態で彫刻と印刷とを行うことができるので、上のように同じ距離データを用いることが可能であるとともに、彫刻装置ＴＳおよび印刷装置ＰＳを制御するプログラムまたはソフトウエアなどについても一部共通に用いることが可能である。
【００３５】
図４に示すように、制御装置１８は、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。
【００３６】
制御装置１８により制御されるスキャン機構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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
また、制御装置１８は、プリンタヘッド１７によるレリーフ材料ＲＺへの印刷に際して、彫刻装置ＴＳにおいてレリーフ材料ＲＺの彫刻に用いた距離データを用いて、プリンタヘッド１７による印刷条件の設定およびプリンタヘッド１７の制御を行う。つまり、彫刻装置ＴＳにおいて、工具または刃物の奥行き方向の位置（Ｚ方向の位置）を決めるために、距離データ（Ｚ軸データ）が用いられるが、その距離データを、印刷装置ＰＳによって印刷を行う際にプリンタヘッド１７の印刷条件の設定および制御のために用いるのである。
【００４１】
なお、彫刻ヘッド１６またはプリンタヘッド１７のそれぞれの部分に制御部またはコンソールボックスを設け、それぞれの制御部などに制御装置１８の機能を設けるように構成してもよい。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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、印刷表面ＰＨ上においてマスクのためのシートを覆い被せる方法などがある。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
なお、原画像ＧＦは、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からなる２次元画像である。各画素は色情報を持つ。色情報は濃度情報を含む。例えば、各画素が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の色、つまり、色相、彩度、および明度が決定される。画素は他の表色系のデータによって表現されていてもよい。
【００６４】
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。
【００６５】
なお、原画像ＧＦは、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。
【００６６】
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までの距離を示す高さデータは、種々の方法で測定しまたは決定することができる。例えば、原画像ＧＦに基づいて、ユーザがその距離を決定してもよい。つまり、この場合には、原画像ＧＦに基づいて、その凹凸の状態をユーザが決定することになる。
【００６７】
また、モデルとなる実物がある場合には、その実物を三次元測定機などによって測定し、距離データを取得して高さデータとすればよい。通常、距離データとともに二次元画像データが得られるので、これらのデータを用いて彫刻と印刷を行うことができる。
【００６８】
高さデータは、例えば、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方向のデータを記録したものである。高さデータの画素のピッチまたは個数は、原画像ＧＦの画素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の画素を間引いたものであってもよい。
【００６９】
高さデータとして、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。高さデータは、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。高さデータは、各部の高さをグレースケールを用いて示す濃淡画像とすることも可能である。
【００７０】
高さデータに基づいて、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。
【００７１】
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または機能のもの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。
【００７２】
印刷装置ＰＳは、三次元レリーフ原形に対して三次元レリーフ原形の表面に、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。
【００７３】
次に、三次元レリーフ作成装置１の全体的な動作の例について、フローチャートを参照して説明する。
【００７４】
図１０は三次元レリーフ作成装置１の全体の動作の流れを示すフローチャート、図１１は高さデータ作成処理の手順を示すフローチャート、図１２は加工処理の手順を示すフローチャート、図１３は印刷処理の手順を示すフローチャートである。
【００７５】
図１０において、原画像ＧＦを取得し（＃１）、原画像ＧＦに基づいて高さデータを生成する（＃２）。高さデータ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を作成する（＃３）。高さデータまたはそれに基づく高さ変化データを用いて印刷装置ＰＳを制御し、三次元レリーフ原形に印刷を行って着色する（＃４）。
【００７６】
図１１において、高さデータ作成処理においては、原画像ＧＦを領域に区画し、区画されたそれぞれの領域に対して高さレベルＴＬを付与する（＃１１）。このとき、それぞれの領域について適用すべきパターンを指定する。それぞれの領域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、高さデータを示すことになる。または、得られた濃淡画像を階調データに変換して高さデータとする（＃１４）。
【００７７】
図１２において、高さデータを制御用データとして出力する（＃２１）。高さデータに基づいて、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を作成する（＃２３）。
【００７８】
図１３において、プリンタヘッド１７から印刷表面ＰＨまでの距離を高さデータから取得し、これ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が完成する。
【００７９】
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。
【００８０】
その他、印刷装置ＰＳ、彫刻装置ＴＳ、制御装置１８、または三次元レリーフ作成装置１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。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】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。
【図２】三次元レリーフ作成装置の正面図である。
【図３】三次元レリーフ作成装置の側面図である。
【図４】制御装置の機能を示すブロック図である。
【図５】彫刻が施された後のレリーフ材料の上面図である。
【図６】図５のレリーフ材料の正面図である。
【図７】図６を拡大して示す図である。
【図８】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。
【図９】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。
【図１０】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。
【図１１】高さデータ作成処理の手順を示すフローチャートである。
【図１２】加工処理の手順を示すフローチャートである。
【図１３】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】
【００８２】
１ 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
１１ 基台
１２ 材料載置台
１３ 走行ガイド
１４ 彫刻走行フレーム
１５ プリンタ走行フレーム
１６ 彫刻ヘッド
１７ プリンタヘッド
１８ 制御装置
２１ スキャン制御部
２２ 領域画像制御部
２３ 印刷条件制御部
ＴＬ 高さレベル
ＰＨ 印刷表面
ＡＮ 穴
ＲＺ レリーフ材料
【特許請求の範囲】
【請求項１】
三次元レリーフを作成する装置であって、
基台と、
前記基台によって支持されており、レリーフ材料をその上に載置するための材料載置台と、
前記材料載置台に載置されたレリーフ材料の表面上をスキャン可能に配置された彫刻装置と、
前記材料載置台に載置されたレリーフ材料の表面上をスキャン可能に配置された印刷装置と、を有し、
前記材料載置台の上に載置されたレリーフ材料に対して、前記彫刻装置による彫刻と、前記印刷装置による印刷とを、当該レリーフ材料を取り外すことなく行えるように構成された、
ことを特徴とする三次元レリーフ作成装置。
【請求項２】
前記材料載置台には、載置された前記レリーフ材料を負圧により吸着して固定するための多数の穴が設けられてなる、
請求項１記載の三次元レリーフ作成装置。
【請求項３】
前記材料載置台の両辺の外側にはガイドが設けられており、
前記彫刻装置は、前記ガイドに沿って第１の方向に走行する彫刻走行フレーム、および前記彫刻走行フレームに沿って前記第１の方向と直交する第２の方向に走行する彫刻ヘッドを有しており、
前記印刷装置は、前記ガイドに沿って第１の方向に走行するプリンタ走行フレーム、および前記プリンタ走行フレームに沿って前記第１の方向と直交する第２の方向に走行するプリンタヘッドを有しており、
前記基台上には、前記彫刻装置または前記印刷装置の一方がスキャンを行っているときに他方が待機するための待機スペースが設けられている、
請求項１または２記載の三次元レリーフ作成装置。
【請求項４】
前記印刷装置に設けられたプリンタヘッドはインクジェット方式のプリンタヘッドであり、
前記プリンタヘッドによる前記レリーフ材料への印刷に際して、前記彫刻装置において前記レリーフ材料の彫刻に用いた距離データを用いて前記プリンタヘッドの制御を行うための制御装置が設けられている、
請求項１ないし３のいずれかに記載の三次元レリーフ作成装置。
【請求項５】
前記制御装置は、
前記プリンタヘッドから前記レリーフ材料に印刷を施す表面である印刷表面までの距離を複数の高さレベルに区分し、
それぞれの高さレベルごとに前記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前記高さレベルに含まれる前記印刷表面の領域に対して前記プリンタヘッドによる画像の印刷を行うように制御する、
請求項４記載の三次元レリーフ作成装置。
【請求項６】
前記制御装置は、
前記スキャンごとに、前記プリンタヘッドによる印刷条件をそのスキャンの前記高さレベルに対して最適となるように設定して印刷を行う、
請求項５記載の三次元レリーフ作成装置。
【請求項１】
三次元レリーフを作成する装置であって、
基台と、
前記基台によって支持されており、レリーフ材料をその上に載置するための材料載置台と、
前記材料載置台に載置されたレリーフ材料の表面上をスキャン可能に配置された彫刻装置と、
前記材料載置台に載置されたレリーフ材料の表面上をスキャン可能に配置された印刷装置と、を有し、
前記材料載置台の上に載置されたレリーフ材料に対して、前記彫刻装置による彫刻と、前記印刷装置による印刷とを、当該レリーフ材料を取り外すことなく行えるように構成された、
ことを特徴とする三次元レリーフ作成装置。
【請求項２】
前記材料載置台には、載置された前記レリーフ材料を負圧により吸着して固定するための多数の穴が設けられてなる、
請求項１記載の三次元レリーフ作成装置。
【請求項３】
前記材料載置台の両辺の外側にはガイドが設けられており、
前記彫刻装置は、前記ガイドに沿って第１の方向に走行する彫刻走行フレーム、および前記彫刻走行フレームに沿って前記第１の方向と直交する第２の方向に走行する彫刻ヘッドを有しており、
前記印刷装置は、前記ガイドに沿って第１の方向に走行するプリンタ走行フレーム、および前記プリンタ走行フレームに沿って前記第１の方向と直交する第２の方向に走行するプリンタヘッドを有しており、
前記基台上には、前記彫刻装置または前記印刷装置の一方がスキャンを行っているときに他方が待機するための待機スペースが設けられている、
請求項１または２記載の三次元レリーフ作成装置。
【請求項４】
前記印刷装置に設けられたプリンタヘッドはインクジェット方式のプリンタヘッドであり、
前記プリンタヘッドによる前記レリーフ材料への印刷に際して、前記彫刻装置において前記レリーフ材料の彫刻に用いた距離データを用いて前記プリンタヘッドの制御を行うための制御装置が設けられている、
請求項１ないし３のいずれかに記載の三次元レリーフ作成装置。
【請求項５】
前記制御装置は、
前記プリンタヘッドから前記レリーフ材料に印刷を施す表面である印刷表面までの距離を複数の高さレベルに区分し、
それぞれの高さレベルごとに前記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前記高さレベルに含まれる前記印刷表面の領域に対して前記プリンタヘッドによる画像の印刷を行うように制御する、
請求項４記載の三次元レリーフ作成装置。
【請求項６】
前記制御装置は、
前記スキャンごとに、前記プリンタヘッドによる印刷条件をそのスキャンの前記高さレベルに対して最適となるように設定して印刷を行う、
請求項５記載の三次元レリーフ作成装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２００８−１１９８４２（Ｐ２００８−１１９８４２Ａ）
【公開日】平成２０年５月２９日（２００８．５．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３０２９２７（Ｐ２００６−３０２９２７）
【出願日】平成１８年１１月８日（２００６．１１．８）
【出願人】（５９１２４３８９３）株式会社フオトクラフト社 (26)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年５月２９日（２００８．５．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１１月８日（２００６．１１．８）
【出願人】（５９１２４３８９３）株式会社フオトクラフト社 (26)
【Ｆターム（参考）】
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