JP3446741B2 - 光ビームの偏向制御方法及び光造形装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光ビームの偏向制御
方法及び光造形装置に関する。具体的には、例えば被固
形材に光ビームを照射固化して形成した固化層を複数層
積み重ね三次元形状を形成する光造形法などに用いられ
る前記光ビームの偏向を制御する方法及び当該光ビーム
の偏向制御方法を利用した光造形装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】無機質粉末（金属）や有機質粉末（樹
脂）に対して光ビーム（指向性エネルギービーム、レー
ザ）を照射して硬化させ、硬化層を積層して三次元形状
造形物を製造する方法が、例えば特許第２６２０３５３
号公報に示されている。

【０００３】通常、上記方法により製造される部品の設
計は、三次元ＣＡＤによって行われる。設計された三次
元ＣＡＤモデルを所望の層厚みにスライスすることによ
り生成される各層の断面形状データをもとに、各層のレ
ーザの経路が決定され、一層分の粉末が焼結（硬化）さ
れると同時に、直前の層に対しても焼結（接合）され、
連続して積み重ねることにより部品形状を製造する方法
である。

【０００４】その一方で当該方法で作製された造形物の
表面仕上げ方法が、特開２０００−７３１０８号公報に
開示されている。この方法は、金属粉末焼結部品の作製
後あるいは作製中に、金属粉末焼結部品の表面をなす各
焼結層の端縁の突出する段差部分をレーザ照射などによ
って仕上げるものである。

【０００５】しかし、照射されるレーザビーム（光ビー
ム）は通例光学スキャナを用いているため加工面の探索
は歪んでしまい、三次元ＣＡＤによって得られた経路で
レーザビームを探索させるためには探索経路を補正する
必要がある。

【０００６】この補正方法として、補正量を算出するた
めの計測装置を持たない場合には、基本パターンを描画
し、オフラインでのずれ量を計測、手入力による補正項
を加えた状態で再び描画させるといった作業を繰り返
し、所望の位置にレーザビームが照射できるまで行なう
ことが行われていた。しかし、この方法では、基本パタ
ーンの描画とずれ量の計測、手入力による補正を繰り返
さなければならず、その補正に多大な時間と労力を必要
とするものであった。

【０００７】また、補正量を算出するための計測装置を
持つ場合の従来技術が、例えば特許第２９７９４３１号
公報に開示されている。この方法は、位置座標の関数と
しての予め定められた所望の位置において、感光性媒体
をレーザビームに露光することによりテストパターンを
生成するステップと、上記テストパターンの部分のデジ
タル化部分画像を作製するステップと、上記デジタル化
部分画像を上記テストパターン全体画像に組み立てるス
テップと、上記全体画像上の上記レーザビームの実際の
位置を上記位置座標と比較するステップと、上記比較に
基づいて、上記レーザビームの偏向制御部のための補正
データを算出し提供するためのステップとからなるもの
である。

【０００８】当該方法においては、部分画像を得る領域
はテストパターンのどの位置にあってもよく、基準とな
る位置情報（センターコード：図２４中の点Ｒ）と領域
との位置関係さえ把握されていればよい。また、部分画
像を得る領域に、座標を示す位置情報が含まれていなく
とも対応が出来るものである。従って、テストパタ−ン
の偏差が大きな場合でも対応が可能なものである。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来技術においては、部分画像を得る領域とセンターコー
ドとの位置関係が分からないと補正量を算出することが
できない。つまり、全体画像一画面を処理するために
は、部分画像を得る領域の位置情報とセンターコードの
位置情報の二ヶ所の情報が必要となる。

【００１０】また、図２４に示すように、撮像するカメ
ラ移動座標系と更正するレーザ照射座標系とは別の座標
系をなしているのが一般的であり、両座標系にずれがあ
れば全体画像の組立てに非常に手間がかかってしまうと
いう問題点があった。さらに、カメラ取付べースに対す
る取付オフセットがあり、カメラ視野座標軸がずれてし
まうおそれも高く、この場合にも全体画像の組立てに非
常に手間が係るという問題点を有していた。

【００１１】本発明は上記従来技術の問題点に鑑みてな
されたものであって、簡単な方法によって光ビームの探
索経路の補正を行なうことを目的としている。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明に係る光ビームの
偏向制御方法は、対象物に照射して造形又は加工するた
めの光ビームの偏向制御方法であって、所定平面上に配
置された基準パターンをカメラで撮像して基準パターン
の部分画像及びカメラの撮像位置を取得するステップ
と、前記基準パターンの部分画像を取得して得られた基
準画像データの位置に光ビームを照射して前記平面上に
位置合わされた被マーキング体上面に照射パターンを描
画するステップと、前記撮像位置に対応してカメラで撮
像することによって前記描画された照射パターンの部分
画像を取得して照射画像データを得、こうして得られた
同一の撮像位置に対応した部分画像による基準画像デー
タと照射画像データとを比較する画像データ比較ステッ
プと、前記画像データ比較により得られた比較結果に基
づいて光ビームの偏向補正データを算出する補正データ
算出ステップとを有することを特徴としている。

【００１３】

【００１４】このとき、前記部分画像の中心を、カメラ
の撮像中心と一致させるのが好ましい。

【００１５】また、上記各発明においては、前記基準パ
ターンを配置する平面を、前記対象物の加工平面に一致
させるのが望ましい。

【００１６】これらの発明においては、前記基準パター
ンとして、所定の等ピッチで格子状に配列された格子点
を用いるのが好ましく、部分画像を取得する場合には、
取得する前記部分画像に、所定の等ピッチで格子状に配
列された格子点が１つ含まれるようにするのがよい。

【００１７】前記基準パターンとして、例えば、板状体
若しくはフィルム状体に刻印若しくは印刷されたものを
用いることができる。

【００１８】また、前記被マーキング材として、樹脂板
など光ビームの照射によってその表層が彫られえるもの
を用いるのことができ、また、基材層の上面に照射され
た光ビームによって剥離可能である前記基材層の色と異
なる表面層を備えるのが望ましい。あるいは、光ビーム
の照射によって表面色が変化する感熱体を用いることが
できる。

【００１９】さらに、本発明においては、前記照射パタ
ーンと前記基準パターンを同じパターンにするのが好都
合である。

【００２０】また、本発明においては、前記画像データ
に基づいて、前記得られた画像領域の外周に沿って画像
濃淡変化点を捜索した後、前記外周から一定距離内側に
ある線上に沿って画像濃淡変化点を捜索することを繰り
返して、前記画像データ中の格子点座標を求めることが
できる。

【００２１】あるいは、前記画像データに基づいて、前
記得られた画像領域の外周に沿って画像濃淡変化点を捜
索した後、前記外周上の画像濃淡変化点から得られた座
標によって定められる領域の境界線上を捜索することを
繰り返して、前記画像データ中の格子点座標を求めるこ
ともできる。

【００２２】さらに、前記画像データに基づいて、前記
得られた画像領域の外周に沿って画像濃淡変化点を捜索
した後、次に外周上の画像濃淡変化点から得られた対辺
上にある２組の座標からできる線分の交点を算出し、当
該交点を中心として一定距離にある領域の外周線上を捜
索することを繰り返して、前記画像データ中の格子点座
標を求めることもできる。

【００２３】また、前記画像データに基づいて、前記得
られた画像領域の外周に沿って画像濃淡変化点を捜索し
た後、前記外周から一定距離内側にある線上に沿って画
像濃淡変化点を捜索し、これらの変化点から求められる
縦方向線分と横方向線分とから得られる連立方程式か
ら、格子点座標を求めることとしてもよい。

【００２４】このとき、線分幅に相当する２つの画像濃
淡変化点に対して、その２点の中点座標を用いて前記格
子点座標を求めたり、前記画像データに基づいて、前記
画像領域の外周部若しくはそれより一定距離離れた内周
に沿って画像濃淡変化点の捜索を、一定の微小距離の間
隔で複数ラインを捜索して画像濃淡変化点の座標値とす
ることができる。

【００２５】また、本発明においては、前記照射パター
ン若しくは前記基準パターンの画像取得位置に対応させ
て、偏向補正データを変化させるのが好ましい。

【００２６】本発明に係る光造形装置は、被固化材に光
ビームを照射固化して形成した固化層を複数層積み重ね
て所望の三次元形状を形成する光造形装置であって、所
定平面上に配置された基準パターンの部分画像、及び、
前記平面上に配置された被マーキング体上面の前記基準
パターンの部分画像を取得して得られた基準画像データ
の位置に光ビームを照射して描画された照射パターンの
部分画像、を同一の撮像位置で取得して、基準画像デー
タと照射画像データとを得る画像取得手段と、前記画像
取得手段にて得られた同一の撮像位置に対応した部分画
像による基準画像データと照射画像データとを比較し、
当該比較結果に基づいて光ビームの偏向補正データを算
出する補正データ算出手段と、当該補正データ算出手段
によって得られた偏向補正データに基づいて、前記光ビ
ームの偏向制御を行なう偏向制御手段とを備えたことを
特徴としている。

【００２７】

【発明の実施の形態】図１及び図２は本発明の一実施の
形態である光造形装置の概略構成図である。光造形装置
は、造形に用いる粉末材料が収容されたタンク状の供給
部２０と、供給部２０に隣接して造形物の作製を行い、
供給部２０と同様のタンク状をなす造形部１０とを備え
ている。造形部１０と供給部２０は同じ平面形状をして
いる。

【００２８】造形部１０の底面を構成する造形台１１
は、テーブル駆動機構によって昇降自在となっている。
この造形台１１の上に粉末材料を光硬化させてなる硬化
層が順次積み重ねられて造形物が作製される。また、供
給部２０の底面２１もテーブル昇降機構によって昇降自
在となっている。テーブル駆動機構は、例えばサーボモ
ータ１３で回転駆動されるボールねじ１２や、ボールね
じ１２の摺動体の昇降動作を案内する直動ガイドレー
ル、造形台１１となるボールねじ１２の摺動体に支持さ
れたテーブル（造形台１１）及びテーブルを囲むシリン
ダなどで構成されている。このテーブル駆動機構は、造
形台１１及び底面２１をそれぞれ独立して駆動させるこ
とができる。

【００２９】移送ブレード３０は、造形部１０及び供給
部２０の内幅よりも長い細幅の板状をなし、その上部に
備えられた支持板３１の両端部が往復動装置３２に支持
されている。移送ブレード３０は、供給部２０の外側か
ら供給部２０及び造形部１０の上方を通過して造形部１
０の外側まで水平移動する。

【００３０】造形部１０の上方には、レーザ光などの光
ビームＬを照射する光ビーム照射装置４０が配置されて
いる。光ビーム照射装置４０は、光ビームＬの照射器４
２から照射された光ビームＬを、複数の可動鏡４７やレ
ンズを組み合わせた光学系で偏向させたり集束させたり
して、造形部１０の中の粉末材料に照射する。また、光
ビームＬは、例えばガルバノスキャナなどのような光学
スキャナ（Ｚ軸用）４６によって焦点調整がなされ、Ｚ
軸方向の照射位置が調整され、光学スキャナ（ＸＹ軸
用）４３によって造形部１０の平面内での照射位置が調
整される。また、光ビームＬのレーザ径は、集光径可変
テーブル４５によって調整される。これらの焦点調整や
照射位置、レーザ径の調整は、制御コンピュータ４８か
らの探索指令（走査指令）を受け偏向制御装置４１によ
って制御される。

【００３１】造形部１０の上方には、補正用の撮影装
置、例えばＣＣＤカメラなどズーム機構を備えたカメラ
５１や複写機で用いられているようなラインセンサが配
置される。当該カメラ５１は、造形部１０上方に配置さ
れた移動テーブル５２に摺動自在に取付られている。ま
た、移動テーブル５２は、造形部１０及び供給部２０の
両外側に沿って配置された案内駆動部５３に支持されて
おり、案内駆動部５３に沿って摺動する。その結果、カ
メラ５１は、造形部１０の上方でＸＹ両方向に自由に移
動することができる。また、案内駆動部５３は制御コン
ピュータ４８によって制御され、カメラ５１の位置は制
御コンピュータ４８によって把握される。カメラ５１
は、記憶装置を備えたコンピュータからなる画像処理装
置５０に接続され、カメラ５１によって撮影された画像
は画像処理装置５０に送られる。画像処理装置５０では
以下に述べるように撮像された各種画像データから光ビ
ームＬの照射位置を割り出し、制御コンピュータ４８か
ら補正後の探索指令を出す。

【００３２】さらに造形部１０及び供給部２０の上方に
は、図２に示すように粉末供給排出装置が配置される。
粉末供給排出装置は、造形部１０の上方に配置された粉
末除去ノズル６０が、可撓性のあるホース６２を経て、
粉末分離装置６１及び吸引ポンプ６５に接続されてい
る。吸引ポンプ６５を作動させれば、粉末除去ノズル６
０の先端から空気とともに粉末を吸い込む。粉末分離装
置６１で、空気と粉末とを分離し、粉末は粉末分離装置
６１に備えた補助タンク（図示せず）に貯めて置いた
り、粉末分離装置６１の下端から供給部２０に戻したり
する。粉末が分離された空気は吸引ポンプ６５から外部
に放出される。

【００３３】粉末除去ノズル６０は、支持バー６３に摺
動自在に取り付けられている。支持バー６３は、造形部
１０及び供給部２０の両外側に沿って配置された案内駆
動部６４に支持されており、案内駆動部６４に沿って摺
動する。その結果、粉末除去ノズル６０は、造形部１０
の上方でＸＹ両方向に自由に移動する。なお、上記カメ
ラ５１や画像処理装置５０などと粉末分離装置６１とは
別図に描かれているが、１台の光造形装置に設置されて
いるものであって、カメラ５１を駆動する案内駆動部５
３と支持バー６３を駆動する案内駆動部６４は、カメラ
５１及び支持バー６３をそれぞれ独立して駆動できる機
構であれば両者を兼用させることができる。また、この
光造形装置は、そのほとんどが密閉空間を構成する加工
室（図示せず）に収容される。但し、光ビーム照射装置
４０の大部分及び制御コンピュータ４８、画像処理装置
５０は加工室の外部に設置され、光ビームＬは例えば加
工室の壁面に設けられたレンズを通して加工室の内部へ
と照射される。加工室の壁面には給排気口を介して配管
及びバルブが接続されており、加工室に圧力空気を送り
込んだり、排気吸引したり、所望のガス雰囲気を作りだ
したりすることができるようになっている。

【００３４】本造形装置においては光ビームＬの偏向制
御についての補正を行なうことができる。当該補正は、
造形台１１上に配置された基準パターンの画像を取得す
るステップと、当該得られた基準画像データの位置に光
ビームＬを照射して造形台１１に位置合わされた被マー
キング体８０上面に照射パターンを描画するステップ
と、前記照射パターンの画像を取得して得られた前記照
射画像データと前記基準画像データとを比較する画像デ
ータ比較ステップと、前記比較結果に基づいてレーザビ
ームの偏向補正データを算出する補正データ算出ステッ
プとによって行われる。

【００３５】次に当該補正手順について順を追って説明
する。まず、造形台１１上にカメラ計測を行なう位置を
マーキングした基準プレート７０を載置し、カメラ５１
で基準プレート７０に描かれた基準パターンの画像を取
得する。

【００３６】基準プレート７０は、例えばガラス板やア
クリル板あるいはプラスチックシートなど表面が平坦な
板材やフィルム状物から作製されており、その上面には
基準パターンが刻印や印刷などによって描かれている。
この基準パターンは、実際の光ビームＬの探索線に一致
させるための基準となるものであって、例えば図３や図
４に示すように所定の等ピッチで格子状に配列された格
子点７１が用いられる。図３に示す基準プレート７０で
は、基準プレート７０のほぼ全幅にわたる縦線及び横線
が等ピッチで引かれ格子状模様が描かれており、図の例
では９×９＝８１の格子点７１からなる基準パターンが
設けられている。また、図４に示す基準プレート７０で
は、短い縦線及び横線から格子点７１が描かれており、
この格子点７１がマトリックス状に設けられ、図の例で
は９×９＝８１の格子点７１からなる基準パターンが設
けられている。格子点７１の間隔は特に制限されるもの
ではなく任意に設定される。この格子点７１で囲まれた
領域が、補正可能エリアである。

【００３７】当該基準プレート７０は、図５に示すよう
に造形台１１上に載置される。造形台１１上には基準プ
レート７０の位置決め用の位置決め機構が備えられてい
る。当該位置決め機構としては、基準プレート７０の載
置位置を一定に出来るものであればどのようなものでも
よく、例えば図の例では、３つの位置決め用ピン１４か
ら構成されている。このとき、基準プレート７０は、図
６に示すようにテーブル駆動機構により造形台１１を上
昇させて、基準プレート７０の上面（同図（ｂ））を実
際の造形時の加工面高さ（同図（ａ））に高さ調整され
る。この結果、実際の加工平面に補正することが可能に
なり、光ビームＬの探索精度が向上される。

【００３８】次に図７（ａ）に示すようにカメラ５１を
案内駆動部５３等の駆動により所望する位置に移動させ
る。このとき図７（ｂ）に示すようカメラ５１の視野内
の所定位置に少なくとも格子点７１が一つ以上含まれる
ようにカメラ５１を移動させる。このカメラ５１の位置
情報は、制御コンピュータ４８によって把握される。ま
た、カメラ５１の視野内には基準パターンの全領域を含
むようにしてもよいが、カメラ５１のズーム機構によっ
て基準パターンの一部領域、望ましくは図７（ｂ）に示
すように１つの格子点７１のみを含むようにするのが好
ましい。一部領域を含ませる場合には、図８に示すよう
にカメラ５１の視野Ｍの中心（撮像中心）に、部分画像
の中心、すなわち一つの格子点７１の中心に一致させる
のがよい。なぜならば、図９（ａ）に示すように格子点
７１の中心がカメラ５１の撮像中心と一致させることに
より、光ビームＬのずれ方向がどの方向にあっても均等
に対応できる。一方、図９（ｂ）に示すようにカメラ５
１の撮像中心からずれてしまうと、位置ずれの検出可能
距離（図の円内）が小さいところが出来てしまい、補正
することができない場合を生じる恐れがあるからであ
る。

【００３９】こうして、撮像された画像は制御コンピュ
ータ４８に記憶された撮像位置と対応して、画像処理装
置５０に送られ記憶装置内に基準画像データとして記憶
される。また、撮像された画像は基準パターンの一部領
域であるため、全領域を一度に撮像する場合に比べて拡
大され、より精度の高い補正を行なえる。

【００４０】次に実際に光ビームＬを被マーキング材８
０に照射させて補正すべきずれ量（補正量）を求める。
補正量の算出に先立ち、まず被マーキング材８０に照射
パターンを描画する。当該被マーキング材８０には光ビ
ームＬの照射によって照射画像が形成されるものが用い
られる。例えばアクリル板などの樹脂板やガラス板のよ
うに照射熱によって、その表層が彫られえる材質のもの
が挙げられる。この際、図１０（ａ）（ｂ）に示すよう
に光ビームＬの有するエネルギーの大きさやスポット径
の違いにより、被マーキング材８０にできる溝の大きさ
（幅や深さ）が変化する。従って、照射後の被マーキン
グ体８０表面の状態を観察しやすくなる様に光ビームＬ
のエネルギーやスポット径を予め決定しておく。好まし
くは図１０（ｂ）に示すように、光ビームＬを集光させ
るのがよく、溝の傾斜角度が急になり中央線を推定しや
すくなる。こうして、被マーキング材８０に溝を彫るこ
とによって格子点７１の観察を容易にできる。

【００４１】また、被マーキング材８０には図１１に示
すように、基材層８１の上面に光ビームＬの照射によっ
て剥離可能である表面層８２を備えたものも用いること
もできる。この表面層８２は基材層８１の色と異なる着
色が施されている。この表面層８２は、光ビームＬの照
射によって剥離され、光ビームＬの照射によって得られ
た照射画像の把握が容易になる。従って、表面層８２と
基材層８１のコントラストがはっきりするような着色を
施すのがよい。

【００４２】また図１２は別な被マーキング材８０を示
す斜視図であるが、当該被マーキング材８０において
は、表面が十分な平面度が確保された基材層８１の上面
に感熱紙８３が密着されている。当該基材層８１には例
えばガラス板のような板状物が用いられる。感熱紙８３
には光ビームＬによってその色が変化するものが用いら
れ、例えば一般のファクシミリ受信機に適応されるもの
であってもよく、工業用途に用いられ高感度に設定した
特別の感熱紙８３のいずれでもよい。当該感熱紙８３は
粘着剤によって基材層８１に密着されるが、好ましくは
再剥離可能な粘着剤を用いるのがよい。安価な感熱紙８
３を剥がすことによって基材層８１を再利用でき、補正
のためのランニングコストを下げられる。光ビームＬの
照射には、使用する感熱紙８３の感度に合わせ、レーザ
ビームの出力やスピードを調整し、所望する照射画像を
得る。

【００４３】またこの際に描画する照射パターンは、先
に得られた基準パターンと同じパターン、例えば格子点
の大きさや太さなどを同じ形状にするのがよい。この結
果、撮影された基準パターンと照射パターンの格子点検
出方法に同じ方法が使用できる。また、照射パターンの
撮像も、基準パターンの撮像時と同様にカメラ５１の視
野内に照射画像の一部分の画像を得るのが好ましく、ま
た部分画像には格子点が一つのみ得られるようにするの
が望ましい。得られた照射画像も制御コンピュータ４８
に記憶された撮像位置と対応して、画像処理装置５０に
送られ記憶装置内に照射画像データとして記憶される。

【００４４】こうして得られた同一の撮像位置に対応し
た基準画像データと照射画像データとが比較され補正量
が算出される。補正量の具体的な算出は、図１３に示す
ように、光ビームＬを照射して得られた照射画像データ
（図１３（ａ））の格子点と基準画像データの格子点の
位置ずれの画素数及び照射画像データの線幅（図１３
（ｂ）黒塗りで示す。）から行われる。

【００４５】次に、位置ずれの画素数の検出方法につい
て説明する。位置ずれの画素数の検出には、撮像された
基準画像データと照射画像データの格子点の座標が用い
られる。従って、画像取得領域における各格子点の座標
を検出する必要がある。図１４は、格子点座標の検出原
理を示す説明図である。格子点座標の検出には、例えば
図１４に示すように、カメラ５１の視野内を所定幅で順
次横方向に探索し、画像データ中の格子点を示す線幅と
探索線との交点との個数とにより算出することができ
る。線幅は、画像上の濃淡変化点の検出、つまり淡から
濃へ変化した点と濃から淡へ変化した点との画像数によ
って算出できる。図１４に示す例では、最上部の探索線
ａにおいては２個の変化点があり線幅は比較的細く、探
索線ｂにおいても２個の変化点があり線幅は比較的細
い。また探索線ｃにおいては、４個の変化点があって比
較的細い線幅と比較的太い線幅である。次に探索線ｄに
おいては、２個の変化点であるが線幅が太く、探索線ｅ
においては再び４個の変化点があり比較的太い線幅と比
較的細い線幅である。この結果から、探索線ｄ上（座標
Ｘ）に格子点があることが分かる。従って、探索線上の
位置情報が分かれば、探索線上の濃淡変化点及び線幅を
検出することにより、格子点の座標Ｐ（Ｘ，Ｙ）が求め
られる。

【００４６】このとき、光ビームＬを照射した場合には
必ず格子点には一定の線幅ｈを有することになる。この
場合、例えば図１５に示すように、捜索方向に得られた
二つの濃淡変化点ｐ１（淡から濃）と濃淡変化点ｐ２
（濃から淡）の中点Ｐを座標値とすることができる。

【００４７】また、上記座標値ｐは一方向一回の探索に
よって求めることもよいが、格子点の線幅は図１６に示
すように必ずしも一定しているものではなく、濃淡の変
化領域（格子点との境界線）は凹凸を有している。従っ
て、捜索時には、一定の微小間隔Δｄの幅で持って複数
の探索ライン、図の例では３本の探索線によって、３個
の濃淡変化点ｐ１、ｐ２、ｐ３を検出して、その平均の
座標で座標とするのが好ましい。この結果、計測誤差を
少なくでき、境界線が明確でない場合、境界線の凹凸が
大きい場合に特に有効な方法となる。

【００４８】次に実際の格子点の座標Ｐを探索する方法
について説明する。図１７は当該方法の一例を示す説明
図である。当該方法においては、上記方法と異なり探索
を撮像範囲の外周から内周に順次移動することにより格
子点の座標Ｐを求めることにしている。まず、取得され
た画像の外周（探索線ａ）上を探索して、２つの濃淡変
化点があったＡ点のＹ座標、Ｂ点のＸ座標、Ｃ点のＹ座
標、Ｄ点のＸ座標を検出する。次に、この外周から一定
距離ｄ内側に入った第１の内周（探索線ｂ）上を再び探
索して、２つの濃淡変化点があったＥ点のＹ座標、Ｆ点
のＸ座標、Ｇ点のＹ座標、Ｈ点のＸ座標を検出する。さ
らにこの内周から一定距離ｄ´内側に入った第２の内周
（探索線ｃ）上を再び探索する。この手順を繰り返すこ
とにより、濃淡変化点の個数の変化及び幅の広くなる点
まで探索する。この場合においては、外周から順次一定
の距離ｄ、ｄ´だけ内周方向へ探索位置を変化させなが
ら、探索線上のＸ座標若しくはＹ座標を検出することに
よって格子点の座標Ｐ（Ｘ，Ｙ）が求められる。

【００４９】図１８は格子点の座標Ｐを探索する別な方
法を示す説明図である。当該方法においては、まず、撮
像範囲の外周（探索線ａ）上を捜索して、２つの濃淡変
化点があったＡ点のＹ座標、Ｂ点のＸ座標、Ｃ点のＹ座
標、Ｄ点のＸ座標を検出する。次に、Ａ点、Ｂ点、Ｃ
点、Ｄ点で囲まれた範囲の境界線（探索線ｂ）上を捜索
する。こうして捜索範囲を次第に限定していくことによ
り、濃淡変化点の個数の変化及び幅の広くなる点まで捜
索する。このような方法を採用することにより捜索範囲
が上記方法よりも狭まるため、格子点の座標Ｐを求める
時間を短縮できる。

【００５０】図１９は格子点の座標Ｐを探索するさらに
別な方法を示す説明図であって、当該方法においては、
撮像範囲の外周（探索線ａ）上を捜索して、２つの濃淡
変化点があったＡ点のＹ座標、Ｂ点のＸ座標、Ｃ点のＹ
座標、Ｄ点のＸ座標を検出した後、対辺上にある２組の
座標からできる線分、すなわち、Ａ点とＣ点とを結ぶ線
分と、Ｂ点とＤ点とを結ぶ線分との交点Ｐ´を検出す
る。次に、当該交点Ｐ´から一定の距離ｄだけ離れた線
分で囲まれた範囲の境界線（探索線ｂ）上を捜索して、
２つの濃淡変化点があったＥ点のＹ座標、Ｆ点のＸ座
標、Ｇ点のＹ座標、Ｈ点のＸ座標を検出する。そして、
再び対辺上にある２組の座標からできる線分、すなわ
ち、Ｅ点とＧ点とを結ぶ線分と、Ｆ点とＨ点とを結ぶ線
分との交点Ｐ´´（図示せず）を検出する。また、当該
交点Ｐ´´から一定距離ｄ´だけ離れた線分で囲まれた
範囲の境界線上を捜索する。こうして捜索範囲を限定し
ていき、格子点の座標Ｐを捜索する。このとき、撮像範
囲内の内側に移行するに従って捜索範囲を狭める距離を
小さくする（距離ｄ´＜距離ｄ）のがよい。この方法を
採用することにより、極端なずれを生じていない限りよ
り少ない捜索回数で、格子点の座標Ｐを検出できる。

【００５１】また図２０に示す方法では、撮像範囲の外
周（探索線ａ）上を捜索して、２つの濃淡変化点があっ
たＡ点のＹ座標、Ｂ点のＸ座標、Ｃ点のＹ座標、Ｄ点の
Ｘ座標を検出した後、当該外周（探索線ａ）上から一定
距離ｄだけ内側にある内周（探索線ｂ）上を探索し、２
つの濃淡変化点があったＥ点のＹ座標、Ｆ点のＸ座標、
Ｇ点のＹ座標、Ｈ点のＸ座標を検出する。次にこれらの
変化点から求められる縦方向線分と横方向線分、例えば
Ａ点とＥ点とを結ぶ線分と、Ｂ点とＦ点とを結ぶ線分と
からそれぞれ得られる２つの方程式の解（交点）を得る
ことによって近似的に格子点の座標Ｐを得ることができ
る。このような方法では、手順を簡素化できるため、近
似的であるが求めたい格子点の座標Ｐを簡単に求めるこ
とができる。また、方程式を得る線分は上記以外の線
分、例えばＣ点とＧ点とを結ぶ線分と、Ｄ点とＨ点とを
結ぶ線分との解を求めてもよい。

【００５２】このような方法で、図２１に示すように標
準画像データの格子点の座標（Ｘ0，Ｙ0）と照射画像デ
ータの格子点座標（Ｘ，Ｙ）とを算出し、補正量を求め
る。この補正量は、例えば次の手順によって求められ
る。 両座標からずれ画素量を算出する。 δＸ＝Ｘ−Ｘ0，δＹ＝Ｙ−Ｙ0 画素量から実際のずれ量（ｍｍ）へ変換する。 ΔＸ＝Ｋ・δＸ，ΔＹ＝Ｋ・δＹ：但し、Ｋは画素量か
らの補正係数である。 補正角を算出する。 Δθx＝Ｃp,q・ΔＸ，Δθy＝Ｃp,q・ΔＹ：但し、Ｃp,
qは部分画像取得位置におけるずれ量の補正係数であ
る。 偏向制御部への補正量を算出する。 θ´x＝θx＋Δθx，θ´y＝θy＋Δθy

【００５３】上記補正量の算出においては、補正角を用
いてずれ量の補正を併せて行なうようにしている。この
補正角は、各格子点の座標ごとに定められた異なる補正
係数が用いられる。図２２に示す例では、照射パターン
としてｐ軸方向に９個の格子点及びｑ軸方向に９個の格
子点、計８１個の格子点が描かれており、各格子点ごと
に補正係数Ｃp,q、すなわちＣ1,1、Ｃ1,2、・・・Ｃ9,
8、Ｃ9,9まで計８１個の補正係数が各格子点ごとに定め
られている。この補正係数Ｃp,qは、実際に光ビームＬ
を照射して求められる。

【００５４】上記方法においては、すべての格子点にお
いて単一の補正係数を用いることも考えられる。しかし
ながら、図２３（ｂ）に示すように、等しいビーム広が
り角度θ１,θ２を有するように可動鏡４７で光ビーム
Ｌで反射させたとしても、同図（ａ）に示すように可動
鏡４７直下近傍の領域Ｔ２では照射面の広がりが小さ
く、可動鏡４７から離れた領域Ｔ１では照射面の広がり
が大きくなる。従って同一の補正係数Ｃp,qを用いた場
合には誤差を生じてしまう。そこで、可動鏡４７角度の
影響の小さい可動鏡４７直下近傍の領域Ｔ２では補正係
数Ｃp,qを大きくし、可動鏡４７角度の影響の大きい反
射鏡から離れた領域Ｔ１では補正係数Ｃp,qを小さくす
る。このように撮像した格子点（基準パターン若しくは
照射パターン）の撮像位置に対応させて補正係数Ｃp,q
を変化させることにより、より正確に補正データを得る
ことができる。

【００５５】このようにして、光ビームＬの偏向制御量
を補正することにより、所望する加工パターンに一致さ
せてレーザ加工を行なうことができる。特に、本発明に
おいては、基準パターンを撮像した上で実際に光ビーム
Ｌを照射させて補正量を求めているため、撮像処理した
画像ごとに位置情報が含まれており、撮影するカメラ移
動軸と光ビームＬ照射座標軸がずれていたとしても、そ
の影響を受けることなく補正量を正確に求めることがで
きる。また、基準パターンの部分画像から補正量を求め
ることができるため、少ない手順で正確な補正量を求め
ることができる。

【００５６】

【発明の効果】本発明によれば、光ビームの走査経路の
校正作業を自動で行なわせることができる。特に、所定
平面上に配置された基準パターンを予め撮像しておき、
その後当該基準パターンと位置合わせした上で、実際に
光ビームを照射して得られた照射パターンとを比較して
いるため、撮影した画像のみから補正量を求めることが
できる。従って、非常に簡単に補正量が得られ、造形精
度の向上が期待できる。特に、カメラ移動軸と光ビーム
の照射座標軸がずれていたとしても、精度のよい補正量
を問題なく得ることができる。

【００５７】また、カメラで基準パターンを撮像するこ
とにより、その一部を拡大して撮影することができ、そ
の精度を高めることができる。

【００５８】従って、本発明に係る光ビームの偏向制御
方法を用いた光造形装置によれば、精度よく３次元造形
物の表面形状を至極簡単にかつ精度よく仕上げることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態に係る光造形装置の概略
的構成図である。

【図２】本発明の一実施の形態に係る光造形装置の概略
的構成図である。

【図３】本発明の光ビームの偏向制御方法に使用される
基準パターンの一例を示す図である。

【図４】同上における基準パターン他例を示す図であ
る。

【図５】同上のレーザビームの偏向制御方法における基
準プレートの設置方法を示す説明図であって、同図
（ａ）はその側面説明図、同図（ｂ）はその平面説明図
である。

【図６】同上の造形台の高さ調整を示す説明図であっ
て、同図（ａ）は造形時の造形台高さを、同図（ｂ）は
光ビームの補正時の造形台高さを示す図である。

【図７】基準パターン撮像方法を示す説明図であって、
同図（ａ）はその側面説明図、同図（ｂ）はその平面説
明図である。

【図８】撮像中心の調整方法を示す図である。

【図９】撮像中心についての問題点を示す説明図であっ
て、同図（ａ）は好ましい状態を示す図、同図（ｂ）は
悪い状態を示す図である。

【図１０】被マーキング体へのレーザ照射方法を示す説
明図であって、同図（ａ）はビーム径が太い場合を、同
図（ｂ）はビーム径が細い場合を示す図である。

【図１１】同上のレーザビームの偏向制御方法における
被マーキング体を示す側面図である。

【図１２】被マーキング体の別な例を示す斜視図であ
る。

【図１３】本発明の補正方法を示す概略的説明図であっ
て、同図（ａ）は得られた照射パターンを示す図、同図
（ｂ）は基準画像データと照射画像データとから補正量
を求める図である。

【図１４】格子点座標の検出原理を示す説明図である。

【図１５】座標値の検出方法を示す説明図である。

【図１６】座標値の他の検出方法を示す説明図である。

【図１７】同上のレーザビームの偏向制御方法における
格子点座標の探索方法の一例を示す説明図である。

【図１８】同上のレーザビームの偏向制御方法における
格子点座標の探索方法の他例を示す説明図である。

【図１９】同上のレーザビームの偏向制御方法における
格子点座標の探索方法のさらに他例を示す説明図であ
る。

【図２０】同上のレーザビームの偏向制御方法における
格子点座標の探索方法のさらに他例を示す説明図であ
る。

【図２１】同上のレーザビームの偏向制御方法における
補正量を求めるための説明図である。

【図２２】格子点と補正係数との関係を示す図である。

【図２３】補正係数の必要性を示す説明図であって、同
図（ａ）は撮像範囲と補正係数との関係を示す説明図、
同図（ｂ）は補正係数と可動鏡との関係を示す説明図で
ある。

【図２４】従来のレーザビームの偏向制御方法における
問題点を示す説明図である。

【符号の説明】

１０ 造形部 １１ 造形台 １４ 位置決め用ピン ２０ 供給部 ３０ 移送ブレード ３２ 往復動装置 ４０ 光ビーム照射装置 ４１ 偏向制御装置 ４２ 照射器 ４３ 光学スキャナ（ＸＹ軸用） ４５ 集光径可変テーブル ４６ 光学スキャナ（Ｚ軸用） ４７ 可動鏡 ４８ 制御コンピュータ ５０ 画像処理装置 ５１ カメラ ５２ 移動テーブル ５３ 案内駆動部３ ６０ 粉末除去ノズル ６１ 粉末分離装置 ６２ ホース ６３ 支持バー ６４ 案内駆動部 ７０ 基準プレート ７１ 格子点 ８０ 被マーキング材 ８１ 基材層 ８２ 表面層 ８３ 感熱紙

フロントページの続き (72)発明者 吉田 徳雄 大阪府門真市大字門真1048番地松下電工 株式会社内 (56)参考文献 特開2000−326416（ＪＰ，Ａ) 特開2002−103459（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−318574（ＪＰ，Ａ) 特許2979431（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02B 26/10 B22F 3/105 B23K 26/00 - 26/18 B29C 67/00

Claims (19)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 対象物に照射して造形又は加工するため
   の光ビームの偏向制御方法であって、 所定平面上に配置された基準パターンをカメラで撮像し
   て基準パターンの部分画像及びカメラの撮像位置を取得
   するステップと、 前記基準パターンの部分画像を取得して得られた基準画
   像データの位置に光ビームを照射して前記平面上に位置
   合わされた被マーキング体上面に照射パターンを描画す
   るステップと、 前記撮像位置に対応してカメラで撮像することによって
   前記描画された照射パターンの部分画像を取得して照射
   画像データを得、こうして得られた同一の撮像位置に対
   応した部分画像による基準画像データと照射画像データ
   とを比較する画像データ比較ステップと、 前記画像データ比較により得られた比較結果に基づいて
   光ビームの偏向補正データを算出する補正データ算出ス
   テップとを有することを特徴とする光ビームの偏向制御
   方法。
2. 【請求項２】 前記部分画像の中心が、カメラの撮像中
   心と一致させたことを特徴とする請求項１記載の光ビー
   ムの偏向制御方法。
3. 【請求項３】 前記基準パターンを配置する平面を、前
   記対象物の加工平面に一致させたことを特徴とする請求
   項１又は２のいずれかに記載の光ビームの偏向制御方
   法。
4. 【請求項４】 前記基準パターンは、所定の等ピッチで
   格子状に配列された格子点であることを特徴とする請求
   項１、２又は３のいずれかに記載の光ビームの偏向制御
   方法。
5. 【請求項５】 前記部分画像に、所定の等ピッチで格子
   状に配列された格子点が１つ含まれることを特徴とする
   請求項１、２、３又は４のいずれかに記載の光ビームの
   偏向制御方法。
6. 【請求項６】 前記基準パターンは、板状体若しくはフ
   ィルム状体に刻印若しくは印刷されたことを特徴とする
   請求項１、２、３、４又は５のいずれかに記載の光ビー
   ムの偏向制御方法。
7. 【請求項７】 前記被マーキング材は、光ビームの照射
   によってその表層が彫られえることを特徴とする請求項
   １、２、３、４、５又は６のいずれかに記載の光ビーム
   の偏向制御方法。
8. 【請求項８】 前記被マーキング材は、樹脂板であるこ
   とを特徴とする請求項７記載の光ビームの偏向制御方
   法。
9. 【請求項９】 前記マーキング材は、基材層の上面に照
   射された光ビームによって剥離可能である前記基材層の
   色と異なる表面層を備えたことを特徴とする請求項７又
   は８のいずれかに記載の光ビームの偏向制御方法。
10. 【請求項１０】 前記被マーキング材は、光ビームの照
    射によって表面色が変化する感熱体であることを特徴と
    する請求項１、２、３、４、５又は６のいずれかに記載
    の光ビームの偏向制御方法。
11. 【請求項１１】 前記照射パターンと前記基準パターン
    が同じパターンであることを特徴とする請求項１乃至１
    ０の何れかに記載の光ビームの偏向制御方法。
12. 【請求項１２】 前記画像データに基づいて、前記得ら
    れた画像領域の外周に沿って画像濃淡変化点を捜索した
    後、前記外周から一定距離内側にある線上に沿って画像
    濃淡変化点を捜索することを繰り返して、前記画像デー
    タ中の格子点座標を求めることを特徴とする請求項１乃
    至１１のいずれかに記載の光ビームの偏向制御方法。
13. 【請求項１３】 前記画像データに基づいて、前記得ら
    れた画像領域の外周に沿って画像濃淡変化点を捜索した
    後、前記外周上の画像濃淡変化点から得られた座標によ
    って定められる領域の境界線上を捜索することを繰り返
    して、前記画像データ中の格子点座標を求めることを特
    徴とする請求項１乃至１１のいずれかに記載の光ビーム
    の偏向制御方法。
14. 【請求項１４】 前記画像データに基づいて、前記得ら
    れた画像領域の外周に沿って画像濃淡変化点を捜索した
    後、次に外周上の画像濃淡変化点から得られた対辺上に
    ある２組の座標からできる線分の交点を算出し、当該交
    点を中心として一定距離にある領域の外周線上を捜索す
    ることを繰り返して、前記画像データ中の格子点座標を
    求めることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれかに
    記載の光ビームの偏向制御方法。
15. 【請求項１５】 前記画像データに基づいて、前記得ら
    れた画像領域の外周に沿って画像濃淡変化点を捜索した
    後、前記外周から一定距離内側にある線上に沿って画像
    濃淡変化点を捜索し、これらの変化点から求められる縦
    方向線分と横方向線分とから得られる連立方程式から、
    格子点座標を求めることを特徴とする請求項１乃至１１
    のいずれかに記載の光ビームの偏向制御方法。
16. 【請求項１６】 線分幅に相当する２つの画像濃淡変化
    点に対して、その２点の中点座標を用いて前記格子点座
    標を求めることを特徴とする請求項１２、１３、１４又
    は１５のいずれかに記載の光ビームの偏向制御方法。
17. 【請求項１７】 前記画像データに基づいて、前記画像
    領域の外周部若しくはそれより一定距離離れた内周に沿
    って画像濃淡変化点の捜索を、一定の微小距離の間隔で
    複数ラインを捜索して画像濃淡変化点の座標値とするこ
    とを特徴とする請求項１２、１３、１４又は１５のいず
    れかに記載の光ビームの偏向制御方法。
18. 【請求項１８】 前記照射パターン若しくは前記基準パ
    ターンの画像取得位置に対応させて、偏向補正データを
    変化させることを特徴とする請求項１乃至１７のいずれ
    かに記載の光ビームの偏向制御方法。
19. 【請求項１９】 被固化材に光ビームを照射固化して形
    成した固化層を複数層積み重ねて所望の三次元形状を形
    成する光造形装置であって、 所定平面上に配置された基準パターンの部分画像、及
    び、前記平面上に配置された被マーキング体上面の前記
    基準パターンの部分画像を取得して得られた基準画像デ
    ータの位置に光ビームを照射して描画された照射パター
    ンの部分画像、を同一の撮像位置で取得して、基準画像
    データと照射画像データとを得る画像取得手段と、 前記画像取得手段にて得られた同一の撮像位置に対応し
    た部分画像による基準画像データと照射画像データとを
    比較し、当該比較結果に基づいて光ビームの偏向補正デ
    ータを算出する補正データ算出手段と、 当該補正データ算出手段によって得られた偏向補正デー
    タに基づいて、前記光ビームの偏向制御を行なう偏向制
    御手段とを備えたことを特徴とする光造形装置。