(57)【要約】【課題】画像欠陥をより確実に検知でき、かつ画像検出装置の小型化と軽量化を実現することができる技術を提供する。【解決手段】画像検出装置が、撮像対象物の表面に対して４５度以下の角度で光を照射するライン状の照明と、前記ライン状の照明と平行に配置されるライン状のイメージセンサと、前記撮像対象物の表面で反射又は散乱した光を前記イメージセンサに導く正立等倍光学系と、を備えることを特徴とする。【選択図】図１
2018048895.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
撮像対象物の表面に対して４５度以下の角度で光を照射するライン状の照明と、
前記ライン状の照明と平行に配置されるライン状のイメージセンサと、
前記撮像対象物の表面で反射又は散乱した光を前記イメージセンサに導く正立等倍光学系と、
を備えることを特徴とする画像検出装置。
【請求項２】
前記正立等倍光学系は、セルフォックレンズアレイを有し、前記撮像対象物の表面で反射又は散乱した光が前記イメージセンサに等倍で結像するように配置される
ことを特徴とする請求項１の画像検出装置。
【請求項３】
前記撮像対象物は、担持体上に担持された、粒子状の材料からなる材料画像である
ことを特徴とする請求項１または２に記載の画像検出装置。
【請求項４】
前記照明、前記イメージセンサ及び前記正立等倍光学系が、前記撮像対象物に対して相対移動することにより、前記撮像対象物を２次元の画像として検出する
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の画像検出装置。
【請求項５】
立体モデルの３次元形状データに基づいて造形材料からなる材料画像を積層することによって立体物を作製する造形装置であって、
前記３次元形状データから生成されるスライスデータに基づき前記材料画像を形成する画像形成部と、
前記材料画像を検出する請求項１乃至４のいずれか１項に記載の画像検出装置と、
を有することを特徴とする造形装置。
【請求項６】
前記イメージセンサにより検出されたデータと、前記スライスデータとを比較する比較手段と、
前記比較手段による比較結果に基づき、前記材料画像が積層可能な材料画像か否かを判断する判断手段と、
を有することを特徴とする請求項５に記載の造形装置。
【請求項７】
前記画像検出装置を複数有し、
複数の前記画像検出装置は、前記材料画像の表面に対する各照明の照射角度がそれぞれ異なるように配置される
ことを特徴とする請求項５または６に記載の造形装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画像検出装置及び造形装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
多数の層を積み上げることで３次元造形物を形成する造形装置が注目を集めている。この種の積層造形技術は、アディティブマニファクチャリング（ＡＭ）、３次元プリンタ、ラピッドプロトタイピング（ＲＰ）などと呼ばれる。積層造形技術にはさまざまな造形方式が提案されている。特許文献１には、画像データをシート化してシートを積層する電子写真プロセスを応用した造形方式が開示されている。特許文献２には、フィルムの欠陥検知方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−０５３８４６号公報
【特許文献２】特開２０１４−２１１４１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１のような、スライス像を樹脂材料により粒子像に変換しシート単位の材料画像として積層する造形方式では、粒子像形成時及び材料画像を転写体に転写する時に転写不良により材料画像に欠陥部分が生じるおそれがある。欠陥部分が生じた場合には、次層の材料画像と良好に接触することができず、積層が継続できなくなることが懸念される。特許文献１においては、画像欠陥に対する記載は無く、また画像欠陥が生じたときの補正についても記載が無い。また、積層方向の精度向上に伴って薄層を形成すると、材料画像の光の透過率が高くなり転写体の反射光が透過するためコントラストが低下し、一般的な光センサでの画像取得が困難となることが懸念される。
特許文献２では照明手段と、撮像手段と、照明光路変更手段と、照明光強度制御手段を備える欠陥検知手段により、フィルムの欠陥を検知している。照明手段は、フィルムの幅方向を均一に照明するもので、撮像手段は、フィルムに対して照明手段の反対側に設けられ、照明されたフィルム面を撮像するものである。また、照明光路変更手段は、複数のミラーを組み合わせて構成されており、照明手段から発せられた照明光の光路を変更して撮像手段に入射させるものである。特許文献２のように、縮小光学系を用いた欠陥検知手段は、読み取り幅が大きくなると、複数のカメラが必要になり、隣接カメラ間の出力画像の結合処理や重複画素の連結処理等の複雑な処理が必要となる。さらに、全体的に光路長を稼ぐために、広い光学エリアを必要とし、欠陥検知手段の重量も増すことも合わせると、コストが高くなることが懸念される。
【０００５】
本発明は上記したような事情に鑑みてなされたものであり、画像欠陥をより確実に検知でき、かつ画像検出装置の小型化と軽量化を実現することができる技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１態様は、
撮像対象物の表面に対して４５度以下の角度で光を照射するライン状の照明と、
前記ライン状の照明と平行に配置されるライン状のイメージセンサと、
前記撮像対象物の表面で反射又は散乱した光を前記イメージセンサに導く正立等倍光学系と、
を備えることを特徴とする画像検出装置を提供する。
【０００７】
本発明の第２態様は、
立体モデルの３次元形状データに基づいて造形材料からなる材料画像を積層することによって立体物を作製する造形装置であって、
前記３次元形状データから生成されるスライスデータに基づき前記材料画像を形成する画像形成部と、
前記材料画像を検出する上記記載の画像検出装置と、
を有することを特徴とする造形装置を提供する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、画像欠陥をより確実に検知でき、かつ画像検出装置の小型化と軽量化を実現することができる技術を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１実施形態に係る造形装置の構成を模式的に示す図。
【図２】材料画像の溶融積層を模式的に示す図。
【図３】材料画像の欠陥画像生成を模式的に示す図。
【図４】明視野と暗視野を説明するための図。
【図５】材料画像の取得のための照明光学系を示す模式図。
【図６】縮小光学系と等倍密着光学系の差異を説明するための図。
【図７】造形コントローラのブロック図。
【図８】画像欠陥取得及びリカバリの制御ブロック図。
【図９】制御ブロック図の欠陥画像比較アルゴリズムを説明する図。
【図１０】制御ブロック図の欠陥画像取得及びリカバリ処理のフローチャート１。
【図１１】制御ブロック図の欠陥画像取得及びリカバリ処理のフローチャート２。
【図１２】第２実施形態に係るセンサユニットの構成を模式的に示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、この発明を実施するための形態を図面を参照して例示的に説明する。ただし、以下の実施形態に記載されている各部材の寸法、材質、形状、その相対配置など、各種制御の手順、制御パラメータ、目標値などは、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
本発明は、積層造形技術（ＡＭ技術）、すなわち、造形材料を２次元に配置して層状に積層することによって３次元物体（立体物）を作製する技術を採用した造形装置への組み込みに好適な画像検出装置に関する。
造形材料としては、作製する立体物の用途・機能・目的などに応じてさまざまな材料を選択することができる。本明細書では、造形目的の３次元物体を構成する材料を「構造材料」と呼び、構造材料で形成される部分を構造体と呼ぶ。作製途中の構造体を支持するためのサポート体（例えばオーバーハング部を下から支える柱）を構成する材料を「サポート材料」と呼ぶ。また両者を特に区別する必要がない場合には、単に「造形材料」という用語を用いる。構造材料としては、例えば、ＰＥ（ポリエチレン）、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＡＢＳ、ＰＳ（ポリスチレン）、ＰＣ（ポリカーボネート）など、熱可塑性の樹脂を用いることができる。また、サポート材料としては、構造体からの除去を簡単にするため、熱可塑性と水溶性を有する材料を好ましく用いることができる。サポート材料としては、例えば、糖質、ポリ乳酸（ＰＬＡ）、ＰＶＡ（ポリビニルアルコール）、ＰＥＧ（ポリエチレングリコール）などを例示できる。
【００１１】
また、本明細書では、作製目的とする立体モデルの３次元形状データを積層方向に沿って複数層にスライスして得られるデジタルデータを「スライスデータ」と呼ぶ。スライス
データは、必要に応じて、サポート材料のデータなどの情報を付加して生成される。スライスデータに基づき造形材料で形成される層（１層分の画像）を「材料画像」と呼ぶ。「材料画像」は、用いる造形材料の種類に応じて、一又は複数の材料画像を組み合わせて形成される粒子の層である。なお、スライスデータに基づき造形材料で形成される粒子単位の像を「粒子像」と呼ぶ場合がある。
また、造形装置を用いて作製しようとする立体モデル（つまり造形装置に与えられる３次元形状データが表す３次元物体）を「造形対象物」と呼ぶ。また、造形装置で作製された（出力された）３次元物体（立体物）を「造形物」と呼ぶ。造形物がサポート体を含む場合において、サポート体を除いた部分が造形対象物を構成する「構造体」となる。また、後述するステージ４９の積層面４９ａと直交する方向を「上下方向」と呼ぶ。また、上下方向において、図１Ａにおける紙面の上部へ向かう方向を上方向、図１における紙面の下部へ向かう方向を下方向とする。
【００１２】
＜第１実施形態＞
（造形装置の構成）
図１Ａ，１Ｂを参照して、第１実施形態に係る造形装置１の構成を説明する。図１Ａは、本実施形態に係る造形装置１の構成を模式的に示す図である。図１Ｂは、材料画像検出部分を拡大した構成を模式的に示す図である。
【００１３】
本実施形態の造形装置１は、概略、制御部、画像形成部、及び、積層部を有する。制御部は、造形対象物の３次元形状データから複数層のスライスデータを生成する処理、造形装置１の各部の制御、などを担う構成部分である。制御部は、制御ユニット６０、画像生成コントローラ１０、造形コントローラ７０、複数のモータ４７〜４８、画像検出装置としてのセンサユニット９０などで構成される。画像形成部は、各層のスライスデータに基づき、造形材料からなる１層分の材料画像５０を形成する構成部分である。画像形成部は、レーザスキャナ（露光装置）２０、カートリッジ（プロセスカートリッジ）３０、転写ローラ４１などで構成される。積層部は、画像形成部で形成された複数層の材料画像５０を順に積層し固着することによって、３次元構造をもつ立体物を形成する構成部分である。積層部は、転写体４２、ヒータ板４３、ステージ４９、クリーナ（廃棄部）４６などで構成される。
【００１４】
（制御部）
制御ユニット６０は、造形対象物の３次元形状データを造形用のスライスデータへ変換する機能、各層のスライスデータを画像生成コントローラ１０へ出力する機能、積層造形工程を管理する機能、などを有する。制御ユニット６０は、例えばパーソナルコンピュータや組み込み型コンピュータにこれらの機能を有するプログラムを実装することにより構成することができる。３次元形状データとしては、３次元ＣＡＤ、３次元モデラー、３次元スキャナなどで作成されたデータを用いることができる。３次元形状データのフォーマットは問わないが、例えば、ＳＴＬ（ＳｔｅｒｅｏＬｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）などのポリゴンデータを好ましく用いることができる。また、スライスデータのフォーマットとしては、例えば、多値の画像データ（各値が材料の種類を表す）やマルチプレーンの画像データ（各プレーンが材料の種類に対応する）を用いることができる。
【００１５】
画像生成コントローラ１０は、制御ユニット６０から入力されるスライスデータ及び造形コントローラ７０から入力される制御信号などに基づき、画像形成部における画像形成プロセスを制御する機能を有する。具体的には、画像生成コントローラ１０は、スライスデータの解像度変換や復号処理、レーザスキャナ２０による画像書き出し位置及びタイミングの制御などを行う。その他にも、画像生成コントローラ１０は、一般的なレーザプリンタ（２Ｄプリンタ）に内蔵されるプリンタコントローラと同じような機能を有していてもよい。
【００１６】
造形コントローラ７０は、造形装置のメカトロ制御を行う機能を有している。駆動系は、転写ローラ４１を回転駆動する転写ローラモータ４７、ステージ４９の移動を行うステージ駆動モータ４８を含む。センシング系は、材料画像５０を検出するセンサユニット９０を含む。なお、これらのセンサの役割の詳細については後述する。
【００１７】
図７に、造形コントローラ７０の回路ブロックの一例を示す。造形コントローラ７０は、ＣＰＵ７１、メモリ７２、インタフェース７３、ＵＩ手段７４、モータ駆動回路７５、モータドライバ７６、センサ検知回路７７、センサインタフェース７８、その他のＩＯ回路７９、ヒータ回路８０、ＩＯインタフェース８１を有する。モータドライバ７６には、転写ローラモータ４７、ステージ駆動モータ４８が接続される。センサインタフェース７８には、図示しないロータリーエンコーダ検知センサや造形装置のカバーオープン検知スイッチ、ステージ４９のホームポジションセンサなどが接続される。ヒータ回路８０には、ヒータ板４３内のヒータ及び熱電対が接続される。ＩＯインタフェース８１には、密着ラインセンサ９１や照明光源９５及びクリーナ４６などの駆動信号が接続される。ここで、照明光源９５は、撮像対象物（本実施形態では材料画像５０）の表面に対して４５度以下の角度で光を照射するライン状の照明に相当する。密着ラインセンサ９１は、ライン状の照明と平行に配置されるライン状のイメージセンサに相当する。ここで、密着ラインセンサ９１、照明光源９５は、転写体４２の表面で転写体４２の進行方向に対して直交する方向に関して、線状となるように設けられている。
なお、本実施形態では、制御ユニット６０と造形コントローラ７０と画像生成コントローラ１０を別々のコントローラにて構成したが、これらの機能を１つのコントローラにより構成しても構わない。
【００１８】
（画像形成部）
画像形成部は、例えば電子写真プロセスを利用して造形材料からなる１層分の材料画像を形成するユニットである。電子写真プロセスとは、感光体を帯電し、露光によって潜像を形成し、現像剤粒子を潜像に付着させて画像を形成するという一連のプロセスによって、所望の画像を形成する手法である。造形装置では、現像剤の代わりに、造形材料からなる粒子を用いるが、電子写真プロセスの基本原理は２Ｄプリンタのものとほぼ同じである。
【００１９】
図１Ａにおいて感光ドラム３４は、有機感光体やアモルファスシリコン感光体などの感光体層を有する像担持体である。一次帯電ローラ３３は、感光ドラム３４の感光体層を一様に帯電するための帯電装置である。レーザスキャナ２０は、画像生成コントローラ１０から与えられる画像信号にしたがい、レーザ光で感光ドラム３４上をスキャンし、潜像を描画する露光装置である。造形材料供給部３１は、造形材料３５を収容・供給する装置である。現像ローラ３２は、感光ドラム３４上の静電潜像に造形材料３５を供給する現像装置である。転写ローラ４１は、感光ドラム３４上に形成された造形材料３５の像を転写体（転写ベルト）４２に転写する転写装置である。図示しないが、感光ドラム３４と転写ローラ４１のあいだの転写ニップの下流に、感光ドラム３４の表面をクリーニングするためのクリーニング装置を設けてもよい。本実施形態では、感光ドラム３４、一次帯電ローラ３３、造形材料供給部３１、現像ローラ３２が、ドラムカートリッジ３０として一体化され、造形装置本体に対して着脱可能に構成されることで、交換が容易になっている。一方、造形材料の大容量化に対応するため、露光・現像装置部と材料供給部を別体にした補給構成にしても良い。
【００２０】
（積層部）
図１Ａにおいて転写体４２は、画像形成部で形成された材料画像５０を担持し、ステージ４９（積層ニップ）まで搬送する搬送部材である。転写体４２は、例えば、樹脂、ポリ
イミドなどの無端状のベルト部材で構成される。ヒータ板４３は、ヒータを内蔵しており、転写体４２上の材料画像５０を溶融し、ステージ４９の積層面４９ａ上、または、ステージ４９上（積層面４９ａ上）の造形物５１の上面に積層する加熱積層機能を有する。ステージ４９は、積層中の造形物５１を保持する部材であり、ステージ駆動モータ４８により上下方向（積層方向）に移動可能である。
【００２１】
（造形装置の動作）
次に、造形装置による造形物作製の基本動作について説明する。
図１Ａにおいて制御ユニット６０は、造形対象物の３次元形状データに基づき、当該造形対象物を所定のピッチ（例えば数ミクロンから数十ミクロンの厚さ）でスライスして各層の断面形状を計算し、各層のスライスデータを生成する。最下層のスライスデータから順に画像生成コントローラ１０に入力される。画像生成コントローラ１０は、入力されたスライスデータにしたがって、レーザスキャナ２０のレーザ発光及びスキャンを制御する。
【００２２】
画像形成部では、一次帯電ローラ３３によって感光ドラム３４の表面が均一に帯電される。レーザスキャナ２０からのレーザ光により感光ドラム３４の表面が露光されると、その露光部分が除電される。現像バイアスで帯電された造形材料が現像ローラ３２によって除電部分に供給され、造形材料からなる材料画像が感光ドラム３４の表面に形成される。この材料画像５０は、転写ローラ４１により転写体４２上に転写される。
転写体４２は材料画像５０を担持しつつ回転移動し、材料画像５０を積層位置へと搬送する。ヒータ板４３により熱を与えることで、材料画像５０がステージ４９上の造形物５１の上面に熱溶着される。材料画像５０が積層されるたび、造形コントローラ７０はステージ４９を上下方向に一層の厚み分だけ下降させ、次の層の積層に備える。
以上の材料画像５０を形成する画像形成工程、及び材料画像５０を積層する積層工程を含む造形動作を、スライスデータの枚数分繰り返すことで、ステージ４９上に造形物５１が形成される。
【００２３】
（材料画像の溶融積層の説明）
図２Ａ〜２Ｄを用いて、材料画像５０が、造形物５１の上面に熱溶着され積層されてゆく工程を模式的に説明する。
図２Ａは、材料画像５０を構成する粒子が敷き詰められた状態を示している。一般的に平面上で最密の状態とは六方最密状態をいう。
図２Ｂは、粒子が造形物５１上に密着して並び、粒子上面から転写体４２を介してヒータ板４３が接触した状態を示している。図２Ｂに示す粒子は、図２ＡのＡ―Ａ’断面に相当する。本実施形態では、粒子の半径を「ｒ」として表す。したがって、直径は２ｒとなる。なお、実際は「ｒ」はある粒度分布範囲を有する長さであり、ここでは平均値を「ｒ」として扱う。
図２Ｃは、粒子が溶融を開始して粒子間の隙間を相互に満たし始め、且つ、造形物５１の位置が上昇を始めた状態を示している。図２Ｄは、溶融が完了し、粒子間の隙間が充填された状態を示している。このとき、粒子全体の体積の変化はないため、溶融が完了した材料画像５０は、図２Ｄに示すように板状になる。材料画像５０の板厚は、単純計算で１.６ｒとなる。
【００２４】
（積層造形の課題）
本実施形態のように、材料画像を積層して造形物を形成するタイプの造形装置では、材料画像の部分的な欠陥が、造形物の品質を左右する。例えば、現像器の不良等により現像工程において部分的に現像コートが一様に生成できない場合には、スジやコート抜けが発生するおそれがある。また、感光ドラム３４から転写体４２に造形材料３５の像を転写する際に、転写バイアスが適切に設定されていないか又は、造形材料３５の帯電が不充分で
あった場合には、転写不良を起こし、材料画像５０に欠陥が生じるおそれがある。材料画像５０に欠陥が生ずると、該当箇所は溶融時に平面度が著しく低下し、次層の材料画像５０を、ステージ４９上の造形物５１に積層し固着することが困難となる。このような画像欠陥が、造形装置に特有の課題といえる。
【００２５】
（材料画像の欠陥生成の説明）
図３Ａ〜３Ｅを用いて、材料画像５０に部分的な欠陥画像が生成されてゆく工程を模式的に説明する。
図３Ａ，３Ｂは、材料画像５０を構成する造形材料の１粒子が欠陥した場合について説明するための模式図であり、図３Ａは溶融前の状態、図３Ｂは溶融後の状態を示している。図３Ａ，３Ｂにおいては、上部に平面図を示し、下部に平面図のＡ−Ａ’断面、ａ−ａ’断面を示している。図３Ｂでは、溶融時に、欠陥部周辺の粒子の一部の上面が一律に下降し、欠陥部が充填されたと仮定した状態を模式的に示している。このとき、図３Ｂにおける、欠陥部と欠陥部周辺の粒子の一部における積層厚は、計算上、１．２８ｒとなる。この場合、図３Ａに示す状態と図３Ｂに示す状態とで、粒子全体の合計体積に変化はない。なお、実際には分子の流動が発生するため、欠陥部及び欠陥部周辺の粒子の一部を加えた部分と、欠陥部周辺の粒子の欠陥の影響を受けない部分と、の境界は、図示するように垂直とはならず、なだらかに傾斜すると思われる。
【００２６】
次に、図３Ｂに示した境界５３の断面形状が、なだらかに傾斜した場合を図３Ｃに示す。図３Ｃでは、下部に、Ｎ層目に１粒子の欠陥があった場合に、欠陥部と欠陥部周辺の粒子の一部が流動し欠陥中心に向かって傾斜する様子を示している。そして上部には、Ｎ層目に対して、次層であるＮ＋１層目が接触した場合、及び次次層であるＮ＋２層目がほぼ正常に積層される様子を示している。
材料が、例えば完全な液状（例えば牛乳）であれば、全層に亘って一律に上面が均一平面状態になるが、固体（例えばプロセスチーズ）のままであれば、欠陥部はそのまま維持される。樹脂が溶融する場合、その中間の状態（例えばヨーグルト）のため、図３Ｃでは、欠陥部近傍のみ欠陥部に向かって傾斜することで補完される様子を模式化している。
このように、単に１粒子の欠陥の場合は、欠陥部周辺の粒子の一部が流動することにより、欠陥部が自然修復されて３層目から正常な積層が可能となる。
【００２７】
上記では、欠陥部を正常に修復可能な形態について説明したが、欠陥範囲が大きくなると、修復が困難となる場合がある。この点について図３Ｄ，３Ｅを用いて説明する。
図３Ｄ，３Ｅは、７粒子の欠陥時の模式的配列を示している。図３Ｄは溶融前の状態、図３Ｅは溶融後の状態を示している。図３Ｄ，３Ｅにおいては、上部に平面図を示し、下部に平面図のＡ−Ａ’断面、ａ−ａ’断面を示している。
図３Ｄに示す粒子が溶融する際に、欠陥部の周辺粒子が中央に流動していくことで図３Ｅに示す状態となる。図３Ｅでは、粒子が溶融しても完全な液状には至らず、材料が流動しても欠陥部は埋まり切らないため、傾斜状のくぼみが形成されていることを示している。図３Ｅに示すように、欠陥部が存在するＮ層目には、欠陥部が埋まり切らず、材料が無い部分が生じる。そして、Ｎ＋１層目が積層されることで、Ｎ層目の欠陥部が多少補完されるが充分ではなく、Ｎ＋２層目が積層されたときにＮ＋２層目の粒子を密接させることができない。このため、積層の継続が困難となる。
【００２８】
以上、積層の継続が困難となる欠陥の一例を説明したが、この現象は上記例以外にも、造形材料の粘弾性特性や溶融温度条件によってさまざまなケースが考えられる。
ここでは、欠陥かどうかを判定する際の判定基準（後述する積層可能基準）となる粒子数には言及しないが、積層の継続が困難となる形状や粒子数は、造形材料毎に検証して決定すれば良い。また、材料画像の検出のために決定された形状や面積の判定基準に従いセンサ解像度の仕様を決めればよい。
【００２９】
次に、各層の材料画像の検出方法について説明する。
まず、照明光源の詳細を説明する。
（暗視野と明視野）
図４Ａ〜４Ｃに、転写体４２上に薄層の材料画像５０を転写した状態を示す。材料画像５０は積層に用いるために、造形装置の仕様により積層厚が設定される。ここで例えば、材料画像５０の積層厚の範囲を、高精度積層用を１０μｍ以上、高速積層用を１００μｍ以下とする。いずれの積層厚の材料画像５０も薄層状態なので、造形材料が樹脂の場合は、透過率が高くなってしまい、転写体４２とのコントラストがとりにくくなる。
図４Ａでは、通常の可視光を、材料面に垂直に近い角度で照射し、センサへは反射光が入射される状態を示している。これを明視野照明と呼ぶ。図示するように透過光による転写体４２からの反射光成分が大きいため、材料画像５０と転写体４２とのコントラストはかなり小さい。造形材料に黒系の着色をした場合には、コントラストはより小さくなってしまう。コントラストを良好な状態にするためには、材料画像５０の厚みを増すことが必要となるが、造形精度を高くするために材料画像５０の厚みを増大することは矛盾を生ずる。
【００３０】
（暗視野照明による材料画像のセンシング）
上記課題に対して、転写体４２とのコントラストを大きくする対策について、図４Ｂ，４Ｃを用いて説明する。
本実施形態では、図４Ｂ，４Ｃに示すように、照明光源を材料面に対して浅い角度で照射することで、センサへは散乱光が入射されるように構成している。これを暗視野照明と呼ぶ。この照射角度は４５度以下が望ましい。これは、ブリュースター角と言われている。一般的に、暗視野照明は顕微鏡等で薄層片の微小物の検出に用いられている。また、光源の波長は白色が用いられることが多いが、散乱特性を向上するために青色光源がより効果的となる。波長は４７０〜４０５ｎｍなどで使用される。
図４Ｂでは、材料画像５０の表面が平滑の状態で、照明を行ったときの反射光の向きを示している。図４Ｂの形態では、転写体４２の表面が、材料画像５０の表面が平滑となるように平滑に構成されているので、散乱光はセンサに入射しないが、材料画像５０のエッジ部においては、散乱光としてセンサに入射する。
一方、図４Ｃでは、材料画像５０の表面が粗表面の状態で、照明を行ったときの反射光の向きを示している。図４Ｃの形態では、材料画像５０の表面全面での反射光が散乱光となり、センサに入射する。
この照明方法を用いることで、本実施形態で用いる薄層樹脂や濃着色樹脂で構成される材料画像の検出も容易に行うことが可能となる。
【００３１】
（照明光学系）
次に、上記暗視野照明を用いた照明光学系とセンサ配置について説明する。
図５Ａは、転写体４２上に材料画像５０が転写され、この材料画像５０の表面に、照明光源４５が、材料画像５０の表面に対して４５度以下の角度で照射する形態を示す模式図である。
照明光源４５は、例えばＬＥＤアレイにシリンドリカルレンズと拡散板を介することにより均一な平行光照射が可能に構成されている。そして、照明光源４５が材料画像５０の表面を照射したときの散乱光が、レンズ４４ｂを介してラインセンサ４４ａに入射するように構成されている。このようにして、材料画像５０の検出が行われる。
照明光源４５およびラインセンサ４４ａは、転写体４２に対して相対的に移動することにより、転写体４２上の材料画像５０を、２次元の画像として取得することができる。本実施形態では、例えば１粒子が解像度６００ｄｐｉ（ｄｏｔｓ  ｐｅｒ  ｉｎｃｈ）とすれば、粒子径「２ｒ」は４２μｍとなる。従って、１粒子の欠陥を判別するためには、最低でも２１μｍのセンサ解像度が望ましい。縮小光学系では２１μｍの画素をレンズにて
３倍ズームで取り込めれば受光部７μｍ角のＣＭＯＳセンサチップが利用できる。これは、１２００ｄｐｉ相当のセンサチップと同等であり産業用（スキャナや複写機）に使用されているセンサと同じ仕様であるので入手は容易である。
【００３２】
(等倍光学系)
図５Ｂは、上記縮小光学系から等倍光学系に置き換えた状態を示す図であり、図５Ａ同様に、転写体４２上に材料画像５０が転写され、この材料画像５０の表面に、照明光源９５が材料画像５０の表面に対して４５度以下の角度で照射する形態を示す模式図である。照明光源９５は、例えばＬＥＤアレイにシリンドリカルレンズと拡散板を介することにより均一な平行光照射が可能に構成されている。そして、照明光源９５が材料画像５０の表面を照射したときの散乱光が、セルフォック（登録商標）レンズ９３を介して密着ラインセンサ９１に入射するように構成されている。このようにして、材料画像５０の検出が行われる。ここで、セルフォックレンズ９３は材料画像５０の表面で反射又は散乱した光が密着ラインセンサ９１に等倍で結像するように配置されている。セルフォックレンズ（セルフォックレンズアレイ）９３は、撮像対象物（本実施形態では材料画像５０）の表面で反射又は散乱した光をイメージセンサ（本実施形態では密着ラインセンサ９１）に導く正立等倍光学系に相当する。
本実施形態では、センサユニット９０として、これらの光学系を全て一体に構成している。このことで、センサユニット９０の小型化及び軽量化が可能となり、造形装置１においても小型化及び軽量化が可能となる。また、光学系を一体化することで、光学調整が不要となる。また、センサユニット９０を一体で駆動することが可能となり、光学系を部材ごとに駆動させる必要がなくなる。なお、光源のみを別体にしても良く、この場合でも上記した効果と同様の効果が得られる。
【００３３】
(縮小光学系と等倍密着光学系の差異)
次に、縮小光学系と等倍密着光学系の差異を説明する。図６Ａ，６Ｂは、縮小光学系について説明するための模式図であり、図６Ｃ，６Ｄは、等倍密着光学系について説明するための模式図である。なお、図６Ａ，６Ｂでは、縮小光学系を、転写体４２の進行方向で下流側から見たときの模式図を示しており、光路を見やすくするため、照明光源（４５、４５ａ、４５ｂ）は便宜的な位置に示している。また、図６Ｃ，６Ｄでは、センサユニット９０に対して転写体４２が相対移動する方向を矢印で示している。
図６Ａには、縮小光学系のラインセンサ１個とレンズ１個の構成を示す。縮小光学系では、センサチップ画素サイズと検出画像幅と検出解像度の関係から縮小率が決定される。従って、検出画像幅を大きくしていく場合、縮小率を上げれば良いが検出解像度が低下する。この対応策として、検出解像度を保持しつつ検出画像幅を大きくするために、センサチップの個数を増加させるか、光学系を増して連結する方法が考えられるが、汎用センサチップを使用する方が設計の自由度が増すため、光学系を連結する方法を選ぶものとする。図６Ｂに、図６Ａに対して光学系を連結した構成を示す。図６Ｂでは、照明光源４５ａ，４５ｂが材料画像５０の表面を照射したときの散乱光がそれぞれレンズ４４ｂ，４４ｄを介してラインセンサ４４ａ，４４ｃに入射するように構成されている。しかし、この構成の場合には、光学系のスペースが大きくなることと、センサチップ間の光学調整（検出ラインの位置合わせやセンサ出力信号の端部光量補正や重複画素の連結処理）が必要で、センサチップ１個に比して設計工数と調整工数が増大する懸念がある。
【００３４】
一方、図６Ｃには、等倍密着光学系のセンサユニット９０を示す。図６Ｃに示すように、照明光源９５，９６や密着ラインセンサ９１、セルフォックレンズ９３を一体化したセンサユニット９０を用いることで、光学調整は不要となり、検出画像幅の対応も数種類の長さのセンサユニットを用意することで容易に可能となる。また、密着センサのメリットである光量の均一性により端部光量補正（シェーディング補正）等の画像処理が不要あるいは簡易な構成で実現できる。さらに、小型軽量のメリットを活かせば、検出画像に対し
て相対移動する場合に、センサユニット側の移動も可能となる。このようにしてセンサユニット９０が、転写体４２に対して相対的に移動することにより、転写体４２上の材料画像５０を、２次元の画像として取得することができる。
図６Ｄに示す等倍密着光学系のセンサユニット９０の構成においては、図６Ｃの構成に対して、以下の点が異なる。すなわち、図６Ｃでは照明光源９５，９６がＬＥＤアレイであることに対して、図６Ｄでは照明光源の構成が、照明光源９５，９６に代えて、ＬＥＤ片側照射にライン導光体９７，９８を加えた構成とした点が異なる。すなわち、図６Ｄでは、ライン導光体９７，９８が、転写体４２の表面で転写体４２の進行方向に対して直交する直交方向にライン状に配設され、この直交方向の一端側からＬＥＤ照射が行われる。図６Ｄの構成においては、照射面での必要照度が満たしていれば、低コスト化、かつ小型化を図ることができる。
【００３５】
（欠陥画像取得及びリカバリ制御）
上記材料画像の各欠陥形態を検出し、リカバリする仕組みについて説明する。
図７は、上述した造形コントローラ７０を示している。密着ラインセンサ９１、照明光源９５、及びクリーナ４６は、ＩＯインタフェース８１に接続されて駆動信号が出力されている。ここではさらに、密着ラインセンサ９１の出力信号の取り扱い等について詳細に説明する。
図８は、欠陥画像取得及びリカバリ制御の構成ブロック図である。
図８に示すように、制御ユニット６０は、スライスデータの生成に関わる機能として、３Ｄデータスライサ６１、プリンタドライバ６２を有する。３ＤＣＡＤなどにより３次元形状データとしてＳＴＬなどの形状データが３Ｄデータスライサ６１に入力される。入力されたデータに従って、一層毎のスライスデータが３Ｄデータスライサ６１により生成される。スライスデータは、プリンタドライバ６２から画像生成コントローラ１０に出力される。制御ユニット６０と画像制御ユニット１１は、制御信号及び画像データをインタフェース信号線で接続される。
画像制御ユニット１１は、ストレージ機能を有し、スライスデータを蓄積しつつ、積層タイミングに従って、スライスデータに基づいてスライス画像生成ユニット１２で材料画像を形成させ、積層部へ転送する。積層部には、レーザスキャナ２０、ドラムカートリッジ３０、転写積層ユニット４０、などが含まれる。さらに、画像生成コントローラ１０内には、比較ユニット１３が画像制御ユニット１１と接続されている。比較ユニット１３は、密着ラインセンサ９１により取得された画像とスライスデータを比較する。
【００３６】
（画像比較アルゴリズム）
図９は、比較ユニット１３の機能を説明するための模式図である。
図９では、立体モデルとしてハート型の化粧箱様形状を用いている。図９において、左側の碁盤目状の画像は、上部がスライスデータを示し、下部が密着ラインセンサ９１により取得した材料画像の取得データを示す。また、図９において、右側に比較ユニット１３による比較結果を示す。各データのうちラインＮの一元データが比較ユニット１３に入力される。
ここで、図９に模式的に黒色画素で示す材料画像の取得データを欠陥部とする。比較ユニット１３の下段のラインデータが比較結果を示しており、×の部分が不一致であることを示している。比較結果が不一致判定の場合には、欠陥か非欠陥かの判定を行う。積層継続が不可能なら欠陥と判定する。以上は生データの比較で実施した例であるが、１次元２値比較であれば、ランレングスによる比較も容易に実施できる。また、ライン単位に限定するものではなく、数ラインをまとめてブロック単位の比較を行ってもよい。以下に、欠陥検出アルゴリズムの一例をフローチャートに従って説明する。
【００３７】
（欠陥画像取得及びリカバリ処理のフローチャート１）
図１０に示すフローチャートに沿って、層単位での欠陥検出アルゴリズムを説明する。
ステップ１０１では、画像生成コントローラ１０にスライスデータを入力し蓄積する。ステップ１０２では、スライスデータをラスタ画像に展開し、粒子像から材料画像（注目材料画像）を形成する。ステップ１０３では、材料画像をラインセンサ４４で検出し取得する。ステップ１０４では、ラインセンサ４４で取得した画像と蓄積されたスライスデータを比較する。ステップ１０５では、比較結果が一致したか不一致であったかを判断する。ステップ１０５で一致したと判断した場合、ステップ１０６に進み積層工程に移行し、ステップ１０５で不一致であったと判断した場合（判断結果が否定判断）、ステップ１０７に進む。
【００３８】
(画像欠陥判定１)
ステップ１０７では、不一致部が積層可能基準内であったかどうかを判断する。ステップ１０７で、不一致部が積層可能基準内であったと判断した場合は、ステップ１０６に進み積層工程に移行する。ステップ１０７で、不一致部が積層可能基準内でなかったと判断した場合は、ステップ１０８に進み該当材料画像を廃棄する。
その後、ステップ１０２に戻り、以上の工程を繰り返すことにより造形を行う。
【００３９】
以上のように、一層の材料画像をライン単位で繰返しセンシングし、元のスライスデータと比較することにより、不一致部の形状を取得することができ、これにより、形状や大きさを判定基準と比較することで、欠陥ありか無しかを判定できる。そして、欠陥判定の場合には、該当層の材料画像（注目材料画像）を廃棄し、該当スライスデータ（注目スライスデータ）を再形成することで、欠陥判定された材料画像を再生することができる。
本実施形態では、材料画像を廃棄する廃棄部としてクリーナ４６を配置し、欠陥判定時には造形コントローラ７０からの指示により転写体４２上の材料画像を除去する。クリーナ４６には、平面上の材料をはぎ取るスクレーパや粘着転写除去ローラなどを用いるとよく、転写体４２と造形材料の特性に応じて、適宜、取捨選択を行えばよい。
【００４０】
これまでの説明では、廃棄する材料画像を一層分として説明した。これに対して、高速積層が行われる場合には、材料画像の欠陥判定が行われたときに、次層の材料画像の形成が行われている場合がある。
このような場合において、次層目の材料画像が、欠陥と判定した層の材料画像と異なる画像の場合には、欠陥と判定した層の材料画像とともに、次層目の材料画像も廃棄する必要がある。そして、廃棄する材料画像に対応して、材料画像の再形成を行う必要がある。
【００４１】
一方、次層の材料画像が廃棄材料画像と同じ画像である場合には、欠陥と判定した層の材料画像のみを廃棄し、形成済みの次層の材料画像は廃棄せず、欠陥と判定した層の材料画像の代わりに、次層の材料画像を再形成して追加するとよい。また例えば、造形対象物が円柱の場合であれば、欠陥と判定した層の材料画像のみを廃棄し、形成済みの次層の材料画像は廃棄せず、層番号を廃棄分マイナスし、材料画像の再生は続く層番号から行うことにより、積層を継続するとよい。これにより、積層速度、積層時間を損なう程度を緩和できる。
【００４２】
（欠陥画像取得及びリカバリ処理のフローチャート２）
次に、図１１を用いて、フローチャート２について説明する。図１０に示したフローチャート１では、層単位での欠陥検出アルゴリズムを説明したが、フローチャート２では、ライン単位での欠陥検出アルゴリズムを説明する。
ステップ２０１からステップ２０５までは、フローチャート１のステップ１０１からステップ１０５とほぼ同じである。ステップ２０２では、スライスデータをラスタ画像に展開し粒子像を形成する。ステップ２０３では、粒子像をセンサで検出し取得する。ステップ２０６では、材料画像の最終ラインまで検出が完了したどうかを判定し、最終ラインで無ければステップ２０３に戻る。 最終ラインまで検出が完了したら、ステップ２０７に
進み、ステップ２０７で積層工程に移行する。
【００４３】
(画像欠陥判定２)
ステップ２０５では、不一致であった場合はステップ２０８に進み、ステップ２０８では、不一致ラインデータを保存する。その後、ステップ２１０では、検出ラインの不一致部の合成画像が積層可能基準内かどうか判定する。検出ラインの不一致部の合成画像が積層可能基準内であった場合はステップ２０９に進み、ステップ２１０で、否定判定の場合には、ステップ２１１に進み、ステップ２１１で該当材料画像を廃棄した後、ステップ２０２に戻る。ステップ２０９で、材料画像の最終ラインまで検出が完了したどうかを判定し、最終ラインで無ければステップ２０３に戻り、最終ラインまで検出が完了したと判定したら、ステップ２０７で積層工程に移行する。
【００４４】
以上述べた本実施形態の画像検出装置の構成によれば、画像欠陥をより確実に検知でき、かつ画像検出装置の小型化と軽量化を実現することができる。また、画像欠陥をより確実に検知できるので、造形物の品質を向上することができる。
ここで、本実施形態では、スライスデータから材料画像を形成したときの画像欠陥について説明したが、これに限るものではない。材料画像の先端位置（側端位置、後端位置も含む）に形成されるマーカや、目的に応じたマーカを材料画像で形成する場合においても、各目的を達成するための材料画像の検出に本発明を適用することができる。マーカは、その目的に応じて、造形に先立ち形成される場合や、造形対象物の３次元形状データから生成されるスライスデータにマーカのデータが付加されることで、造形物の造形時に形成される場合がある。このようなマーカは、制御ユニット６０に含まれるマーカ処理部が、画像形成部によって形成させ、転写体４２に転写して搬送させる処理を行うものであるとよい。
また、上述したように材料画像は用いる造形材料の種類に応じて、一又は複数の材料画像を組み合わせて形成されるものである。すなわち、造形装置が造形材料を複数種類用いて造形を行う場合においても、本発明を好適に適用できる。
また、本実施形態では、転写体に光を照射する暗視野照明、及び、転写体上の造形材料による光の散乱光を撮影するイメージセンサを有する画像取得部を備えている。このことで、各層の材料画像が薄層で透過率が高くても、またはコントラストが低くても、材料画像または粒子像の形状認識が可能である。このため、本発明は、層状の材料画像を造形する装置全般に応用することができ、材料画像の欠陥検出以外にも多くの用途で利用することが可能である。例えば、転写体４２上に残留した造形材料等の残留物の検出時や、転写体４２上をクリーニングした後のクリーニング不良の検出時においても、本発明を利用できる。
また、本実施形態では、造形装置１において転写体４２に転写されて搬送される材料画像５０が、撮像対象物に相当するものとして説明したが、これに限るものではない。撮像対象物が、担持体上に担持された、粒子状の材料からなる材料画像であれば、本発明を好適に適用することができ、当該材料画像の画像欠陥をより確実に検知することができる。
【００４５】
＜第２実施形態＞
（造形装置の構成）
図１２を参照して、第２実施形態に係るセンサユニットの構成を説明する。図１２は、本実施形態に係るセンサユニットを示す模式図である。なお、本実施形態では、第１実施形態と異なる構成や処理について説明し、第１実施形態と同様の構成や処理についての説明は省略する。
第１実施形態における図６Ｃ，６Ｄに示すセンサユニットでは、照明光源が、転写体４２上の材料画像５０表面の被照射部に対して、転写体４２の進行方向の上流と下流の両側から照射する構成であった。
これに対して本実施形態では、図１２に示すように、被照射部に対して、転写体４２の
進行方向の下流から照明光源９５が照射するセンサユニット９０ａと、上流から照明光源９６が照射するセンサユニット９０ｂを有することを特徴とする。ここで、図１２においては、材料画像５０の欠陥部の断面を示し、欠陥部として、転写体４２の進行方向に対して傾斜（セルフォックレンズ９３を通る光路に対して傾斜）して形成された微細欠陥の一例を示している。
【００４６】
欠陥検出においては、欠陥部の傾斜形状に依存しない画像欠陥検出を行う目的から、図６Ｃ，６Ｄに示すような両側照射を選択するのが一般的である。しかし、両側照射の光学系を用いた場合であっても、図１２に示すように微細欠陥が傾斜している場合には検知することができずに、見逃してしまうことが懸念される。
本実施形態では、センサユニットを複数有し、各照明光源の照射角度がそれぞれ異なるように構成している。すなわち、照射角度の異なる照明光源を複数配置し、各照明光源の照射により被照射部で反射又は散乱した光を、各照明光源に対応して配置された各ラインセンサにより検出する構成としている。これにより、上記のように微細欠陥が傾斜している場合であっても、いずれかのラインセンサでの検出が可能となる。
図１２では、センサユニット９０ａとセンサユニット９０ｂにより、それぞれ一定の距離を離れて材料画像５０と相対移動することで画像の検出を行う様子が示されている。この場合には、２つのラインデータの不一致部の論理和を、図９の比較ユニット１３に入力すればよい。
【００４７】
なお、図６Ｃのように、照明光源９５と照明光源９６を照射方向が互いに異なるように同一のセンサユニット９０内に配置し、点灯タイミングを排他的に時分割にする方法が考えられる。しかし、このような方式は、低速時は簡易であり低コスト化が可能であるが、高速時に同時に同一位置の画像欠陥を検知する目的には不向きである。
また、図６Ａ，６Ｂに示した縮小光学系において、照射方向が互いに異なるように照明光源を複数設け、各照明光源に対応するレンズ及びラインセンサをそれぞれ配設する場合には、より広い設置空間が必要となり、設置空間の確保が困難となることが懸念される。
【００４８】
本実施形態においても、画像欠陥をより確実に検知でき、かつ画像検出装置の小型化と軽量化を実現することができる。また、画像欠陥をより確実に検知できるので、造形物の品質を向上することができる。
【符号の説明】
【００４９】
９０…センサユニット、９１…密着ラインセンサ、９３…セルフォックレンズ、９５…照明光源
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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