(57)【要約】【課題】造形物の形状精度を向上させる。【解決手段】三次元造形装置１００は、光源２５１と、光硬化性樹脂材ＲＡを貯留する容器２０１と、画像形成素子２５３と、投影光学系２５５と、造形位置で画像光により硬化した造形層を光透過部材２１２から離間するＺ１方向に移動させる保持板２０２と、画像形成素子２５３を制御する制御装置３００と、を備えている。画像形成素子２５３は、投影光学系２５５に出力する光を個別に調光可能な複数の画素を有する。投影光学系２５５を通過した光の結像位置を、造形位置に対してＺ１，Ｚ２方向にずれた状態に設定しておく。制御装置３００は、画像データを画像形成素子２５３の各画素に対応するそれぞれの区画領域に区画する。制御装置３００は、複数の画素のうち、造形部分を示す画素データと造形部分ではない部分を示す画素データとを含む区画領域に対応する画素が出力する光を、中間調に制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
前記光源の光が透過する光透過部を有し、前記光源の光により硬化する光硬化性樹脂材を貯留する容器と、
前記光源から入射した光から、順次切り替わる画像データに対応する画像光を形成する画像形成素子と、
前記画像光を、前記光透過部を通じて前記容器内の造形位置に投影する投影光学系と、
前記造形位置で前記画像光により硬化した造形層を前記光透過部から離間する離間方向に移動させる移動部材と、
前記画像形成素子を制御する制御部と、を備え、
前記画像形成素子は、前記投影光学系に出力する光を個別に調光可能な複数の画素を有し、
前記投影光学系を通過した前記各画素の光のプロファイルは、前記造形位置で結像させた状態のプロファイルに対して、前記造形位置にて投影領域が広がった状態に設定され、
前記制御部は、前記画像形成素子の解像度よりも高い解像度の前記画像データを、前記画像形成素子の各画素に対応するそれぞれの区画領域に区画し、前記各画像光を投影するそれぞれの期間中、前記複数の画素のうち、造形部分を示す画素データと造形部分ではない部分を示す画素データとを含む区画領域に対応する画素が出力する光を、中間調に制御することを特徴とする三次元造形装置。
【請求項２】
前記投影光学系を通過した前記各画素の光のプロファイルが、前記造形位置で結像させた状態のプロファイルに対して、前記造形位置にて投影領域が広がるように、前記投影光学系を通過した光の結像位置が前記造形位置に対して前記離間方向と平行な方向にずれた状態に設定されていることを特徴とする請求項１に記載の三次元造形装置。
【請求項３】
前記画像形成素子の前記各画素は、入射した光を前記投影光学系に出力するオン状態と、入射した光を前記投影光学系に出力しないオフ状態とに個別に切り替え可能であり、
前記制御部は、前記オン状態と前記オフ状態とに交互に切り替える制御により前記中間調に制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の三次元造形装置。
【請求項４】
前記画像形成素子は、ＤＭＤ素子であることを特徴とする請求項３に記載の三次元造形装置。
【請求項５】
前記制御部は、前記中間調に制御する画素に対し、前記オン状態及び前記オフ状態の総時間に対する前記オン状態の時間の割合を示すデューティ比を、対応する前記区画領域内に含まれる造形物を示す画素データの画素数又は画素位置に基づき設定することを特徴とする請求項３又は４に記載の三次元造形装置。
【請求項６】
前記制御部は、前記複数の画素のうち、前記中間調に制御する対象画素に対する前記デューティ比を、前記対象画素の投影領域と重なる他の画素の投影領域の光量分布に応じて設定することを特徴とする請求項５に記載の三次元造形装置。
【請求項７】
前記画像形成素子及び前記投影光学系のうち少なくとも一方を移動させ、前記投影光学系を通過した光の結像位置を前記造形位置に対して前記離間方向と平行な方向にずらす駆動機構を備え、
前記制御部は、前記投影光学系を通過した前記各画素の光のプロファイルが、前記造形位置で結像させた状態のプロファイルに対して、前記造形位置にて投影領域が広がるように、前記駆動機構による前記造形位置に対する前記結像位置のずれ量を制御することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の三次元造形装置。
【請求項８】
前記駆動機構は、前記画像形成素子を移動させることを特徴とする請求項７に記載の三次元造形装置。
【請求項９】
前記駆動機構は、ピエゾ素子を有することを特徴とする請求項７又は８に記載の三次元造形装置。
【請求項１０】
光透過部を有する容器に、光源の光により硬化する光硬化性樹脂材が貯留され、投影光学系に出力する光を個別に調光可能な複数の画素を有する画像形成素子を制御部が制御して、前記光源から入射した光から、順次切り替わる画像データに対応する画像光を形成し、前記投影光学系を介して、前記各画像光を、前記光透過部を通じて前記容器内の造形位置に投影して、移動部材により前記造形位置で硬化した造形層を前記光透過部から離間する離間方向に移動させながら、三次元の造形物を造形する造形物の製造方法であって、
前記投影光学系を通過した前記各画素の光のプロファイルは、前記造形位置で結像させた状態のプロファイルに対して、前記造形位置にて投影領域が広がった状態に設定され、
前記制御部が、前記画像形成素子の解像度よりも高い解像度の前記画像データを、前記画像形成素子の各画素に対応するそれぞれの区画領域に区画する区画工程と、
前記制御部が、前記各画像光を投影するそれぞれの期間中、前記複数の画素のうち、造形物を示す画素データと空間を示す画素データとを含む区画領域に対応する画素が出力する光を、中間調に制御する造形工程と、を備えたことを特徴とする造形物の製造方法。
【請求項１１】
コンピュータに、請求項１０に記載の造形物の製造方法の各工程を実行させるためのプログラム。
【請求項１２】
請求項１１に記載のプログラムが記録された、コンピュータが読み取り可能な記録媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光硬化性樹脂材を硬化させて三次元の造形物を造形する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、製品開発時の製品の試作や製品の少量生産に対応するため、種々の三次元造形技術が提案されている。三次元造形では、３次元形状データに基づき、所定の高さ刻みで造形物の断面形状を示す画像データを作成し、画像データに対応する形状の造形層を積層することで造形物を造形している。このような三次元造形方法の一つとして、光硬化性樹脂材を用いる造形方法が提案されている（特許文献１参照）。
【０００３】
特許文献１では、レーザ光を走査することで、樹脂材を硬化させ、硬化した造形層を積層することで造形物を造形している。しかし、特許文献１に開示されているようなレーザ光を走査する造形方法では、造形物の造形に時間がかかっていた。
【０００４】
そこで、レーザ光を走査する代わりに、アレイ状に配列された複数の画素を有する画像形成素子を用いて一括露光して、造形層全体を硬化させることで、造形に要する時間を短縮することが考えられる。
【０００５】
この種の画像形成素子では、各々の画素を独立して駆動することにより、画素毎に光の出力を制御できるように構成されている。したがって、画像形成素子を用いることにより、画像形成素子の解像度に応じた精度で造形物が形成されることになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１５／００５４１９８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、前述した画像形成素子を用いた三次元造形装置では、造形物の形状精度は、画像形成素子の解像度、即ち画像形成素子の画素間隔によって決まってしまう。したがって、元の画像データの解像度が高くても、画像形成素子の解像度が画像データの解像度よりも低い場合には、造形される造形物の形状精度が低いものとなっていた。
【０００８】
そこで、本発明は、造形物の形状精度を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の三次元造形装置は、光源と、前記光源の光が透過する光透過部を有し、前記光源の光により硬化する光硬化性樹脂材を貯留する容器と、前記光源から入射した光から、順次切り替わる画像データに対応する画像光を形成する画像形成素子と、前記画像光を、前記光透過部を通じて前記容器内の造形位置に投影する投影光学系と、前記造形位置で前記画像光により硬化した造形層を前記光透過部から離間する離間方向に移動させる移動部材と、前記画像形成素子を制御する制御部と、を備え、前記画像形成素子は、前記投影光学系に出力する光を個別に調光可能な複数の画素を有し、前記投影光学系を通過した前記各画素の光のプロファイルは、前記造形位置で結像させた状態のプロファイルに対して、前記造形位置にて投影領域が広がった状態に設定され、前記制御部は、前記画像形成素子の解像度よりも高い解像度の前記画像データを、前記画像形成素子の各画素に対応するそれぞれの区画領域に区画し、前記各画像光を投影するそれぞれの期間中、前記複数の画素のうち、造形部分を示す画素データと造形部分ではない部分を示す画素データとを含む区画領域に対応する画素が出力する光を、中間調に制御することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の造形物の製造方法は、光透過部を有する容器に、光源の光により硬化する光硬化性樹脂材が貯留され、投影光学系に出力する光を個別に調光可能な複数の画素を有する画像形成素子を制御部が制御して、前記光源から入射した光から、順次切り替わる画像データに対応する画像光を形成し、前記投影光学系を介して、前記各画像光を、前記光透過部を通じて前記容器内の造形位置に投影して、移動部材により前記造形位置で硬化した造形層を前記光透過部から離間する離間方向に移動させながら、三次元の造形物を造形する造形物の製造方法であって、前記投影光学系を通過した前記各画素の光のプロファイルは、前記造形位置で結像させた状態のプロファイルに対して、前記造形位置にて投影領域が広がった状態に設定され、前記制御部が、前記画像形成素子の解像度よりも高い解像度の前記画像データを、前記画像形成素子の各画素に対応するそれぞれの区画領域に区画する区画工程と、前記制御部が、前記各画像光を投影するそれぞれの期間中、前記複数の画素のうち、造形物を示す画素データと空間を示す画素データとを含む区画領域に対応する画素が出力する光を、中間調に制御する造形工程と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、画像形成素子の解像度に相当する分解能よりも高い分解能で造形物を造形することができるので、造形物の形状精度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施形態に係る三次元造形装置の構成を示す説明図である。
【図２】（ａ）は実施形態の画像形成素子の平面図である。（ｂ）は実施形態の画像形成素子及び駆動機構を示す平面図である。
【図３】（ａ）は造形位置と結像位置とが一致している状態を示す模式図である。（ｂ）は造形位置と結像位置とがずれている状態を示す模式図である。
【図４】（ａ）は画像形成素子の複数の画素のうち隣接する４つの画素を示す模式図である。（ｂ）は（ａ）の４つの画素に対応する画素データを示す模式図である。
【図５】（ａ）及び（ｂ）は、結像位置を造形位置と一致させた場合に造形位置において各画素により投影される光の光量分布を示すグラフである。
【図６】（ａ）〜（ｃ）は、結像位置を造形位置に対してずらした場合にデューティ比を変化させたときに造形位置において各画素により投影される光の光量分布を示すグラフである。
【図７】（ａ）〜（ｃ）は、造形位置に対する結像位置のずれ量を変化させたときに造形位置において各画素により投影される光の光量分布を示すグラフである。
【図８】実施形態に係る造形物の製造方法を示すフローチャートである。
【図９】（ａ）及び（ｂ）は三次元造形装置の造形ユニットの別の例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明を実施するための形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、実施形態に係る三次元造形装置の構成を示す説明図である。三次元造形装置１００は、画像光により光硬化性樹脂材を硬化させて、硬化した造形層を順次積層して三次元の造形物を造形するものである。以下、三次元の造形物の造形に用いられる光が紫外線であり、光硬化性樹脂材として紫外線で硬化する樹脂材を用いる場合を例に説明する。
【００１４】
三次元造形装置１００は、造形ユニット２００と、造形ユニット２００を制御する制御部としての制御装置３００と、を備えている。制御装置３００には、外部コンピュータである画像処理装置４００が接続されている。
【００１５】
造形ユニット２００は、容器２０１と、移動部材（保持部材）である保持板２０２と、保持板２０２を駆動する移動機構２０３と、投影ユニット２５０と、を備えている。
【００１６】
容器２０１は、液状の光硬化性樹脂材ＲＡを貯留するものであり、上部が開放して形成されている。容器２０１は、容器本体２１１と、光を透過する光透過部である光透過部材２１２とを有する。
【００１７】
光硬化性樹脂材ＲＡは、光量閾値以上の光量の光（紫外線）が照射されたときに硬化する樹脂材である。したがって、光量閾値以上の光量の光が照射された部分だけ硬化させることができるので、光照射により造形物を造形することができる。
【００１８】
光透過部材２１２は、容器２０１内へ画像光を透過させる窓部材である。光透過部材２１２は、容器本体２１１の底部に形成された開口を塞ぐように容器本体２１１に取り付けられている。
【００１９】
本実施形態では、光透過部材２１２は、光（紫外線）及び酸素を透過する光酸素透過部材である。例えば、光透過部材２１２は、紫外線に対してほぼ透明な薄いフッ素樹脂板（例えばテフロン（登録商標）ＡＦ２４００）である。光透過部材２１２は、空気中の酸素を透過して光硬化性樹脂材ＲＡとの界面に酸素豊富な雰囲気を形成し、光硬化性樹脂材ＲＡの紫外線による硬化（ラジカル重合反応）を妨げる。すなわち、光硬化性樹脂材ＲＡは、紫外線により硬化し、酸素豊富な環境では硬化が妨げられる樹脂材である。これにより、造形物（造形途中の中間物）ＷＡと光透過部材２１２との間であって、光透過部材２１２の近傍には、樹脂材ＲＡが紫外線で硬化しないデッドゾーン（不感帯）が形成される。これにより、造形物（中間物）ＷＡは光透過部材２１２に付着することなく上方へ引上げられ、造形物ＷＡの連続した造形が可能である。
【００２０】
なお、光透過部材２１２を透過させる酸素は、空気中の酸素としたが、酸素供給装置（ノズル）を光透過部材２１２の近傍に配置して、光透過部材２１２に酸素を供給するようにしてもよいし、高圧酸素雰囲気の下で造形してもよい。
【００２１】
容器２０１の上方には、光透過部材２１２に対向するように保持板２０２が配置されている。
【００２２】
移動機構２０３は、パルスモータとボールねじ等により構成され、制御装置３００の制御により、任意の速度又は任意のピッチで保持板２０２を駆動する。具体的には、移動機構２０３は、保持板２０２を、光透過部材２１２から離間する離間方向（Ｚ１方向、つまり上方）および保持板２０２を光透過部材２１２に近接する近接方向（Ｚ１方向とは反対のＺ２方向、つまり下方）に駆動する。造形物ＷＡの造形中は、保持板２０２をＺ１方向に駆動する。これにより、保持板２０２は、造形物ＷＡの造形中、移動機構２０３によって上方へ連続的に引上げられる。
【００２３】
容器２０１の下方には、投影ユニット２５０が配置されている。投影ユニット２５０は、光源２５１、ビームスプリッタ２５２、画像形成素子（光変調素子）２５３、駆動機構２５４、及び投影光学系２５５を有して構成されている。なお、投影ユニット２５０は、必要に応じて、光路を変更する別の光学素子を更に有していてもよい。
【００２４】
光源２５１、ビームスプリッタ２５２及び画像形成素子２５３は、水平方向（Ｘ方向）に直列に配置され、ビームスプリッタ２５２の上方（Ｚ１方向）には、投影光学系２５５が配置されている。投影光学系２５５は、光透過部材２１２に対向して配置されている。
【００２５】
光源２５１は、光として紫外線を放射する光源装置（例えばＬＥＤ又は高圧水銀ランプ）と、不図示の照射光学系とを有する光源ユニットであり、ビームスプリッタ２５２を介して画像形成素子２５３に紫外線を放射する。
【００２６】
ビームスプリッタ２５２は、光源２５１から放射された光を透過させ、画像形成素子２５３からの画像光を投影光学系２５５に反射させる。
【００２７】
投影光学系２５５は、１つ又は複数の投影レンズを有して構成されており、画像形成素子から出力された光を、画像形成素子２５３と共役な位置である結像位置へ投影する。つまり、投影光学系２５５は、画像光（光量閾値以上の光量の光）を、光透過部材２１２を通じて容器内の造形位置に投影する。容器２０１に貯留された光硬化性樹脂材ＲＡのうち造形位置において光が照射された部分が硬化して、造形層が形成される。
【００２８】
図２（ａ）は、実施形態の画像形成素子の平面図である。画像形成素子２５３は、投影光学系２５５に出力する光を個別に調光可能な複数の画素２６１を有し、制御装置３００の制御により、光源２５１の照射光から、画像データに応じた画像光を形成する。
【００２９】
複数の画素２６１は、アレイ状に等間隔で配列されている。各画素２６１は、入射した光を投影光学系２５５に出力するオン状態と、入射した光を投影光学系２５５に出力しないオフ状態とに個別に切り替え可能である。制御装置３００は、各画素２６１のオン状態とオフ状態とを個別に制御する。
【００３０】
本実施形態では、画像形成素子２５３は、ＤＭＤ（Digital  Micro  mirror  Device）素子であり、ＤＭＤ素子の各画素２６１が、２つの角度状態に可動する微細な反射ミラーで構成されている。各画素２６１は、オン状態とオフ状態の２値制御が可能であるが、オン状態とオフ状態との切り替えを高速で行うデューティ制御によれば、中間調を表現することも可能である。画像形成素子２５３は、光源２５１から入射した光から、制御装置３００の制御により、順次切り替わる画像データに対応する画像光を形成する。
【００３１】
なお、画像形成素子２５３がＤＭＤ素子である場合について説明するが、これに限定するものではなく、画像形成素子２５３として液晶パネル（例えば、ＬＣＯＳ（登録商標））を用いてもよい。画素を高速スイッチングすることにより、中間調を表現することができる。また、反射型の画像形成素子に限らず、透過型の画像形成素子であってもよい。この場合、各画素が光を透過する状態がオン状態、光を透過しない状態がオフ状態ということになる。また、光の透過量や反射量を調整して中間調を表現できる液晶パネル等の画像形成素子を用いてもよい。
【００３２】
以上のように、各画素２６１は、投影光学系２５５に出力する光を個別に調光可能（階調可能）に構成されている。
【００３３】
駆動機構２５４は、画像形成素子２５３及び投影光学系２５５のうち少なくとも一方、本実施形態では画像形成素子２５３を移動させるよう、画像形成素子２５３を保持している。本実施形態では、駆動機構２５４は、画像形成素子２５３をＸ方向に移動させる。なお、投影光学系２５５を移動させる場合には、投影光学系２５５をＺ１，Ｚ２方向に移動させるように構成すればよい。画像形成素子２５３及び投影光学系２５５のうち少なくとも一方を移動させることにより、投影光学系２５５を通過した光の結像位置を造形位置に対してＺ１，Ｚ２方向にずらすことができる。
【００３４】
図２（ｂ）は、実施形態の画像形成素子及び駆動機構を示す平面図である。駆動機構２５４は、筐体２７１と、筐体２７１に支持された複数のピエゾ素子２７２，２７３と、を有して構成されている。ピエゾ素子２７２，２７３は、画像形成素子２５３を支持固定している。制御装置３００が各ピエゾ素子２７２，２７３を駆動制御することにより、画像形成素子２５３を筐体２７１に対して垂直方向、水平方向、垂直軸まわりの回転方向、あおり方向に移動させることができる。具体的には、ピエゾ素子２７２が、水平方向、垂直軸まわりの回転方向に画像形成素子２５３を移動させることができ、ピエゾ素子２７３が、垂直方向、あおり方向に移動させることができる。
【００３５】
よって、ピエゾ素子２７３の駆動により、画像形成素子２５３を筐体２７１に対して垂直方向（図１中、Ｘ方向）に移動させることで、投影光学系２５５を通過した画像光の結像位置を造形位置に対してＺ１，Ｚ２方向にずらすことができる。
【００３６】
なお、本実施形態では、画像形成素子２５３を筐体２７１に対して垂直方向に移動させることができればよいので、ピエゾ素子２７２を省略してもよい。
【００３７】
画像処理装置４００は、造形物ＷＡの三次元の形状設計データに基づき、造形物ＷＡの所定高さ刻みの造形領域ごとに、光硬化性樹脂材に露光させる複数の画像データを求める。そして、画像処理装置４００は、複数の画像データからなる動画像データを、制御装置３００に出力する。
【００３８】
各画像データは、２値化された画像データであり、造形部分を示す画素データと、造形部分ではない部分、即ち空間部分を示す画素データとの集合である。
【００３９】
制御装置３００は、造形物ＷＡの各造形層の画像データを時系列に配列した動画像データを、画像処理装置４００から入力する。そして、制御装置３００は、光源２５１、移動機構２０３、画像形成素子２５３及び駆動機構２５４を制御し、動画像データに基づく造形層の造形と同期した速度で連続的（又は断続的）に保持板２０２を引き上げる。これにより、保持板２０２に上端が保持された造形物ＷＡが下方へ成長するように三次元造形される。
【００４０】
制御装置３００は、ＣＰＵ３０１と、ＣＰＵ３０１の演算に用いられる作業領域を有するＲＡＭ３０２と、ＲＯＭ３０３と、を有するコンピュータで構成されている。ＲＯＭ３０３は、プログラム３０４が記録された記録媒体であり、例えばＥＥＰＲＯＭ等の書き換え可能な不揮発性のメモリである。ＣＰＵ３０１は、ＲＯＭ３０３に記録されたプログラム３０４を読み出して、造形ユニット２００を統括的に制御し、各種処理を実行する。
【００４１】
なお、プログラム３０４は、コンピュータ読み取り可能な記録媒体であれば、いかなる記録媒体に記録されていてもよい。例えば、プログラム３０４を供給するための記録媒体としては、不揮発性のメモリや記録ディスク、外部記憶装置等を用いてもよい。具体例を挙げて説明すると、記録媒体として、フレキシブルディスク、ハードディスク、光ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ、磁気テープ、ＵＳＢメモリ等を用いることができる。
【００４２】
図３（ａ）は、造形位置と結像位置とが一致している状態を示す模式図、図３（ｂ）は、造形位置と結像位置とがずれている状態を示す模式図である。
【００４３】
図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、造形位置ＰＡは、造形物（中間物）ＷＡの下端の位置であって、デッドゾーンＤＺの上方の位置である。画像光の一括露光により造形位置ＰＡで樹脂材ＲＡが硬化した造形層が形成される。造形物ＷＡ（即ち造形層）をＺ１方向に移動させ、次の画像データに基づく画像光を露光することで次の造形層が形成される。
【００４４】
このとき、図３（ａ）に示すように、造形位置ＰＡと投影光学系２５５を通過した画像光の結像位置ＰＢとを一致させておけば、造形位置ＰＡにて結像した紫外線が照射されることとなる。
【００４５】
そして、駆動機構２５４の駆動により画像形成素子２５３を移動させると、図３（ｂ）に示すように、画像光の結像位置ＰＢが造形位置ＰＡに対してＺ２方向（又はＺ１方向）にずれ、造形位置ＰＡにおいては、ぼやけた画像光となる。つまり、造形位置ＰＡにおいては、ある画素２６１によって形成される投影領域の裾野が広がって、他の画素２６１によって形成される投影領域と重なり合うことになる。
【００４６】
一般に、２値制御で造形物を造形する場合は、図３（ａ）に示すように、結像位置ＰＢが造形位置ＰＡと一致している状態で造形が行われる。
【００４７】
ここで、画像処理装置４００が作成する各画像データの解像度（画素数）は、画像形成素子２５３の解像度（画素数）よりも高い。換言すれば、画像形成素子２５３は、解像度が各画像データの解像度よりも低いものが用いられる。画像形成素子２５３の全ての画素２６１を、通常の２値制御で行う場合、画像データに従って造形される造形層の形状精度は、画像形成素子２５３の解像度に見合った低いものとなる。
【００４８】
そこで、本実施形態では、図３（ｂ）に示すようにデフォーカスした状態とし、造形層の端に相当する画素２６１に対しては、デューティ制御により輝度変調を行い、中間調を表現することで、画素２６１にて形成される造形幅を制御する。以下、その原理について具体的に説明する。
【００４９】
図４（ａ）は、画像形成素子の複数の画素のうち隣接する４つの画素を示す模式図である。図４（ａ）に示すように、４つの画素２６１１，２６１２，２６１３，２６１４が隣接して配置されている。
【００５０】
図４（ｂ）は、１つの造形層を形成する画像データにおいて、図４（ａ）の４つの画素に対応する画素データを示す模式図である。図４（ｂ）に示すように、画像データＩＭの解像度は、画像形成素子２５３の解像度よりも高い。そのため、画像形成素子２５３の各画素２６１１，２６１２，２６１３，２６１４に対応して、画像データＩＭを各区画領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４に区画する。各区画領域内には、複数の画素データが含まれている。ここで、図４（ｂ）中、網掛けされた部分が、造形部分を示す画素データＰＳであり、白抜き部分が、造形部分ではない空間部分を示す画素データＰＯである。
【００５１】
区画領域Ｒ１，Ｒ２内には、画素データＰＳのみが含まれており、区画領域Ｒ４内には、画素データＰＯのみが含まれている。一方、区画領域Ｒ３内には、画素データＰＳと画素データＰＯとが混在しており、この区画領域Ｒ３は、造形層（造形物）の端に相当する。
【００５２】
ここで、制御装置３００は、オン状態に制御するオン制御、オフ状態に制御するオフ制御、及びオン状態とオフ状態とに交互に切り替え制御するデューティ制御（輝度変調制御ともいう）の中から選択して各画素２６１の動作を制御する。オン制御とオフ制御が２値制御である。
【００５３】
したがって、図４（ｂ）の場合、区画領域Ｒ１に対応する画素２６１１はオン制御、区画領域Ｒ２に対応する画素２６１２はオン制御、区画領域Ｒ４に対応する画素２６１４はオフ制御、区画領域Ｒ３に対応する画素２６１３はデューティ制御を行う。
【００５４】
ここで、比較例として、投影光学系２５５を通過した光の結像位置ＰＢが造形位置ＰＡと一致している場合について説明する。
【００５５】
図５（ａ）及び図５（ｂ）は、結像位置を造形位置と一致させた場合に造形位置において各画素により投影される光の光量分布（光強度分布）を示すグラフである。図５（ａ）及び図５（ｂ）では、オン状態及びオフ状態の総時間に対するオン状態の時間の割合を示すデューティ比を異ならせた場合のグラフを図示している。具体的には、図５（ｂ）では、図５（ａ）に対してデューティ比の値を大きくした場合のグラフを図示している。
【００５６】
図５（ａ）及び図５（ｂ）は、各画素２６１の光を造形位置ＰＡで結像させた状態のプロファイルである。投影光学系２５５を通過した光の結像位置ＰＢが造形位置ＰＡと一致している場合に画素２６１１，２６１２をオン制御した場合、各画素２６１１，２６１２が形成する光量分布は、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示す光量分布ＬＸ１，ＬＸ２となる。画素２６１４はオフ制御されているので、光量分布は０である。また、画素２６１３はデューティ制御されており、光量分布ＬＸ１，ＬＸ２よりも光量（光強度）の低い光量分布ＬＸ３となる。そして、光量分布ＬＸ３は、図５（ａ）や図５（ｂ）のように、デューティ比に応じて、光量が調整される。結像位置ＰＢが造形位置ＰＡと一致している場合に画素２６１１，２６１２，２６１３，２６１４をオン制御することで造形位置ＰＡにおいて造形可能な造形範囲（距離）をＤ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４とする。また、光量分布ＬＸ１，ＬＸ２，ＬＸ３を積算した光量分布をＬＸとする。
【００５７】
ここで、上述したように、光硬化性樹脂材ＲＡは、硬化する光量の閾値（光量閾値）ＴＨが存在する。照射される光量が閾値ＴＨに達すると、光硬化性樹脂材ＲＡが硬化する。光量分布ＬＸ１，ＬＸ２の光が造形位置ＰＡに照射された場合、造形範囲Ｄ１，Ｄ２内の光硬化性樹脂材ＲＡを硬化させることができる。
【００５８】
一方、光量分布ＬＸ３の光が造形位置ＰＡに照射された場合、画素２６１３のデューティ比を調整して輝度変調しても、造形範囲Ｄ３全体が硬化するかしないかのいずれか一方となる。即ち造形位置ＰＡでは、積算した光量分布ＬＸとなるが、画素２６１３をデューティ制御しても、光量分布ＬＸの造形範囲Ｄ３の部分が図５（ａ）のように閾値ＴＨを上回るか図５（ｂ）のように閾値ＴＨを下回るかのいずれか一方となる。したがって、画像形成素子の解像度に相当する分解能で造形されることとなる。
【００５９】
図６（ａ）〜図６（ｃ）は、結像位置を造形位置に対してずらした場合にデューティ比を変化させたときに造形位置において各画素により投影される光の光量分布を示すグラフである。図６（ａ）〜図６（ｃ）には、造形位置に対する結像位置のずれ量を一定とした場合のグラフを図示している。また、図６（ａ）〜図６（ｃ）には、オン状態及びオフ状態の総時間に対するオン状態の時間の割合を示すデューティ比を異ならせた場合のグラフを図示している。具体的には、図６（ａ）〜図６（ｃ）には、図６（ａ）、図６（ｂ）、図６（ｃ）の順に、デューティ比の値を漸次大きくした場合のグラフを図示している。
【００６０】
投影光学系２５５を通過した光の結像位置ＰＢが造形位置ＰＡに対してＺ１方向と平行な方向にずれた状態に設定されたときに画素２６１１，２６１２をオン制御した場合、各画素が形成する光量分布は、図６（ａ）〜図６（ｃ）の光量分布Ｌ１，Ｌ２となる。図６（ａ）〜図６（ｃ）に示すように、各画素２６１の光のプロファイル（光量分布）は、造形位置で結像させた状態の図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すプロファイルに対して、造形位置ＰＡにて投影領域が広がった状態となる。造形位置ＰＡにおける各画素２６１の光のプロファイルの傾斜は、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すプロファイルに対して、なだらかに（傾斜角度が小さく）なる。即ち、造形位置ＰＡにおける光量分布Ｌ１となる光の投影領域は、光量分布ＬＸ１となる光の投影領域よりも広がり、裾野が隣の造形範囲Ｄ２にはみ出すことになる。同様に、造形位置ＰＡにおける光量分布Ｌ２となる光の投影領域は、光量分布ＬＸ２となる光の投影領域よりも広がり、裾野が隣の造形範囲Ｄ１，Ｄ３にはみ出すことになる。画素２６１４はオフ制御されているので、光量分布は０である。また、画素２６１３はデューティ制御されており、光量分布Ｌ１，Ｌ２よりも光量の低い光量分布Ｌ３となる。そして、光量分布Ｌ３のピーク値は、図６（ａ）〜図６（ｃ）のように、デューティ比により調整可能である。光量分布Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３を積算した（重ね合わせた）光量分布をＬとする。
【００６１】
本実施形態の光量分布Ｌ２の場合、隣の造形範囲Ｄ３に光がはみ出しながらも、自身の造形範囲Ｄ２の樹脂材ＲＡを硬化させることができる。また、隣の造形範囲Ｄ３にはみ出した光だけでは、閾値ＴＨに達しないため、仮に隣の画素２６１３がオフ制御であっても、隣の造形範囲Ｄ３の樹脂材ＲＡを硬化させることはない。
【００６２】
本実施形態において、画素２６１２の隣の画素２６１３をデューティ制御すると、造形位置ＰＡにおいて、オンの時の階調とオフの時の階調との間の中間調を示す光量分布Ｌ３となる。この光量分布Ｌ３と光量分布Ｌ２（造形範囲Ｄ３にはみ出した部分）とを重ね合わせた光量分布Ｌの光が、造形範囲Ｄ３に照射されることになる。よって、画素２６１３のデューティ制御において、オン状態及びオフ状態の総時間に対するオン状態の時間の割合を示すデューティ比を調整することで、造形範囲Ｄ３において光硬化させる範囲（幅）ＤＬを制御することができる。つまり、画像形成素子２５３の解像度に相当する分解能よりも高い分解能で造形物を造形することが可能となる。
【００６３】
なお、画素２６１１，２６１２についてオン制御する場合を例に説明したが、これに限定するものではなく、造形範囲Ｄ１，Ｄ２における造形に影響のない範囲でデューティ制御を行ってもよい。
【００６４】
ここで、光量分布Ｌ１〜Ｌ３、即ち光量分布Ｌは、造形位置ＰＡに対する結像位置ＰＢのずれ量に応じても変化する。図７（ａ）〜図７（ｃ）は、造形位置に対する結像位置のずれ量を変化させたときに造形位置において各画素により投影される光の光量分布を示すグラフである。図７（ａ）〜図７（ｃ）には、デューティ比を一定とした場合のグラフを図示している。図７（ａ）〜図７（ｃ）には、図７（ａ）、図７（ｂ）、図７（ｃ）の順に、ずれ量を大きくした場合のグラフを図示している。
【００６５】
図７（ａ）〜図７（ｃ）に示すように、造形位置ＰＡに対する結像位置ＰＢのずれ量が大きくなるほど、光量分布Ｌ１〜Ｌ３の範囲が広がり、その結果、造形範囲Ｄ３において光硬化させる範囲（幅）ＤＬが狭くなる。よって、ディーティ比は、結像位置ＰＢのずれ量、即ち駆動機構２５４の制御量に応じて設定すればよい。このように、駆動機構２５４の制御量によっても、造形範囲Ｄ３において光硬化させる範囲（幅）ＤＬを細かく制御することができる。即ち、造形範囲Ｄ３において光硬化させる範囲（幅）ＤＬを、デューティ比で粗調整し、結像位置ＰＢのずれ量で微調整することができる。
【００６６】
結像位置ＰＢのずらす方向は、デッドゾーンＤＺや光透過部材２１２のあるＺ２方向が好ましい。即ち、結像位置ＰＢがデッドゾーンＤＺや光透過部材２１２内であれば、その結像位置ＰＢで樹脂材ＲＡが硬化しないためである。
【００６７】
図８は、実施形態に係る造形物の製造方法を示すフローチャートである。制御装置３００のＣＰＵ３０１は、複数の画像データからなる動画像データを画像処理装置４００から取得する（Ｓ１）。
【００６８】
また、ＣＰＵ３０１は、造形位置ＰＡに対する結像位置ＰＢのずれ量、即ち駆動機構２５４の制御量を決定する（Ｓ２）。
【００６９】
ＣＰＵ３０１は、画像データを、画像形成素子２５３の各画素２６１に対応するそれぞれの区画領域に区画する（Ｓ３）。
【００７０】
ＣＰＵ３０１は、各区画領域内に含まれる画素データに応じて、画像形成素子２５３の各画素２６１を制御する制御モードを、オン制御、オフ制御及びデューティ制御の中から選択して割り当てる（Ｓ４）。具体的には、ＣＰＵ３０１は、区画領域内の画素データが造形部分を示す画素データのみの場合は、オン制御を選択する。また、ＣＰＵ３０１は、区画領域内の画素データが空間部分を示す画素データのみの場合は、オフ制御を選択する。また、ＣＰＵ３０１は、区画領域内の画素データが造形部分を示す画素データと造形部分ではない部分を示す画素データとを含む場合は、デューティ制御を選択する。
【００７１】
このステップＳ４において、ＣＰＵ３０１は、デューティ制御を行う画素２６１に対しては、デューティ比を、対応する区画領域内の造形部分を示す画素データの画素数又は画素位置に基づき、駆動機構２５４の制御量に応じて設定する。より具体的には、ＣＰＵ３０１は、複数の画素２６１のうち、中間調に制御する対象画素（図４（ａ）では画素２６１３）に対するデューティ比を、対象画素の投影領域と重なる他の画素の投影領域の光量分布に応じて設定する。ここで、図７（ａ）〜図７（ｃ）のグラフの説明では、画素２６１３の投影領域の光量分布に影響するのが隣の画素２６１２のみであるが、これ以外にも存在してもよい。即ち、造形範囲Ｄ３にまで広がる全ての画素の光量分布の積算に基づき、デューティ比を設定すればよい。この設定に基づき画素２６１をデューティ制御することで、当該画素２６１が出力する光を、中間調に制御することになる。
【００７２】
次に、ＣＰＵ３０１は、全ての画像データについて制御モードを設定したか否かを判断し（Ｓ５）、残りの画像データがあれば（Ｓ５：Ｎｏ）、ステップＳ３に戻り、全ての画像データについて制御モードの設定が終えるまで（Ｓ５：Ｙｅｓ）繰り返す。
【００７３】
ＣＰＵ３０１は、各画像データに対応するそれぞれの画素２６１の制御モードのデータを、移動機構２０３の制御量のデータと関連付けて、ＲＯＭ３０３に格納する。なお、ステップＳ２にて決定した駆動機構２５４の制御量のデータもＲＯＭ３０３に格納する。
【００７４】
次に、ＣＰＵ３０１は、投影光学系２５５を通過した光の結像位置ＰＢが造形位置ＰＡに対してＺ１方向と平行な方向（具体的にはＺ２方向）にずれた状態となるように設定する（Ｓ６）。即ち、ＣＰＵ３０１は、駆動機構２５４の制御量のデータに基づき、駆動機構２５４を制御して、結像位置ＰＢを造形位置ＰＡに対してずらす。
【００７５】
次に、ＣＰＵ３０１は、ステップＳ１〜Ｓ５で設定したデータに基づき、各部を制御して、造形物ＷＡを製造する（Ｓ７）。即ち、ＣＰＵ３０１は、光源２５１を点灯させるとともに移動機構２０３により保持板２０２をＺ１方向に移動させながら、設定した制御モードで画像形成素子２５３の各画素２６１を制御して、画像光を切り替えて投影させる。ステップＳ７において、ＣＰＵ３０１は、各画像光を投影するそれぞれの期間中、複数の画素２６１のうち、造形部分を示す画素データと空間部分を示す画素データとを含む区画領域に対応する画素２６１が出力する光を、前述のとおり中間調に制御する。
【００７６】
以上、デューティ制御により輝度変調を行うことで造形層の端における造形幅を細かく制御できるので、画像形成素子２５３の解像度に相当する分解能よりも高い分解能で造形物ＷＡを造形することができる。
【００７７】
なお、本発明は、以上説明した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で多くの変形が可能である。また、本発明の実施形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は、本発明の実施形態に記載されたものに限定されない。
【００７８】
上述の実施形態では、容器２０１の底部から画像光を容器２０１内に導く場合について説明したが、これに限定するものではない。図９（ａ）及び図９（ｂ）は、実施形態に係る三次元造形装置の造形ユニットの別の例を示す模式図である。例えば図９（ａ）に示すように、画像光を容器２０１の天部から容器２０１の内部に導くように構成してもよいし、図９（ｂ）に示すように、画像光を容器２０１の側部から容器２０１の内部に導くように構成してもよい。図９（ａ）の場合、容器２０１の天部に光透過部材２１２を配置し、保持板２０２を下方に移動させて造形物ＷＡを造形すればよい。図９（ｂ）の場合、容器２０１の側部に光透過部材２１２を配置し、保持板２０２を保持板２０２がある方向とは反対方向に移動させて造形物ＷＡを造形すればよい。なお、図９（ａ）の場合、光透過部材２１２を省略してもよい。この場合、容器天部の開口が光透過部ということになる。
【００７９】
また、上述の実施形態では、駆動機構２５４により画像形成素子２５３を移動させることで、結像位置を造形位置に対して移動させる場合について説明したが、これに限定するものではない。例えば、投影光学系２５５のみを移動、又は画像形成素子２５３と投影光学系２５５の双方を移動させるようにしてもよい。また、駆動機構２５４を用いて投影光学系２５５及び画像形成素子２５３のいずれか一方を移動させる場合について説明したが、結像位置が造形位置に対してずれた状態となるよう、投影光学系２５５及び画像形成素子２５３を固定して配置してもよい。
【００８０】
また、上述の実施形態では、酸素によりデッドゾーンを形成する場合について説明したが、これに限定するものではなく、光硬化性樹脂材と光透過部との間に、光硬化性樹脂材とは異なる離形剤からなる離形層を配置してもよい。
【００８１】
また、上述の実施形態では、各画素からの光を造形位置においてぼやかす（光の投影領域を広げる）手段として、結像位置を造形位置に対してずらす場合について説明したが、これに限定するものではない。例えば、投影光学系（投影レンズ）を、各画素からの光が造形位置でぼやけるように形成しておいてもよいし、光路中にローパスフィルタ等の光を拡散させる部材を挿入して、造形位置でぼやけるようにしてもよい。いずれの場合であっても、各画素２６１の光のプロファイル（光量分布）は、造形位置で結像させた状態の図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すプロファイルに対して、造形位置ＰＡにて投影領域が広がった状態となる。造形位置ＰＡにおける各画素２６１の光のプロファイルの傾斜は、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すプロファイルに対して、なだらかに（傾斜角度が小さく）なる。
【００８２】
本発明は、上述の実施形態の１以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける１つ以上のプロセッサーがプログラムを読出し実行する処理でも実現可能である。また、１以上の機能を実現する回路（例えば、ＡＳＩＣ）によっても実現可能である。
【符号の説明】
【００８３】
１００…三次元造形装置、２０１…容器、２０２…保持板（移動部材）、２１２…光透過部材（光透過部）、２５１…光源、２５３…画像形成素子、２６１…画素、３００…制御装置（制御部）
【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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