JP2001506019A - レリーフパターンの非接触読取り方法と装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 レリーフパターン上に符号化された情報を有する表面（８）を非接触で読取るための装置と方法を開示する。この装置は表面の垂線に対して第１の角度でレリーフパターン上に光（６）をライン状に投射する投光装置（２）と、表面の垂線に対して第２の角度で投射された光のラインを観測し、かつレリーフパターからの反射光の像を示す信号を発生する受光装置（３）と、を備える。受光装置によって観測される像は、レリーフパターン（２８）の盛上がった部分と窪んだ部分の間にある遷移部分で生じる照明ラインの視差変位（２０）を有している。この視差変位（２０）は受光装置（３）に結合するパターン検出器（４）によって検出され、デコーダ（５）に送られる。受光装置（３）は、直線配列或いは二次元配列をなす複数の光センサ（２２、２６）と、適切に焦点を合わせるための光学系（２１、２４）とから構成することが出来る。投光装置（２）は表面を横切る光の扇形ビームを形成するか、或いは光のスポットを掃引することが出来る。

Description

【発明の詳細な説明】 レリーフパターンの非接触読取り方法と装置 発明の背景 １．発明の属する技術分野 本発明は全体としてパターン認識に関し、特に製品又は部品の認識標示パター ン、特に浮彫り状パターンの非接触読取り方法及び装置に関する。 ２．従来の技術 部品及び製品の認識にバーコードを使用することは広く行われている。対象物 にバーコードを付与する際に最も一般的に行われているのは、バーコードを印刷 したラベルを対象物に添付するか、部品又は製品に直接バーコードを印刷する方 法である。バーコードを適切に読取る従来のバーコードスキャナーの多くは、バ ーとその背景との間に非常に高いコントラストがあることが要求される。しかし 、このことはある場合には、バーコードラベルの添付や、塗布を実際的でないも のにしたり、或いは非常に経費のかかるものにしている。例えば、製品或いは部 品の表面によっては、そこにラベルを適切に貼ることが許さなれかったり、また ラベルの存在がその部分の適正動作を妨げる場合もある。 こうしたバーコードラベルや塗布されたバーコードに関する制限を克服する一 方法は、対象物（製品又は部品）の表面上にコードをレリーフ（浮彫り細工）状 に配置することである。このことは、スタンピング加工、彫刻、エッチング加工 、フライス削り加工、モールド加工、その他の加工法によって可能である。これ 等の方法によれば、コードは製品又は部品の表面から浮き出した状態で（持ち上 げて）形成することも出来るし、また表面から窪んだ状態で（押し下げて）形成 することも可能である。しかし、こうしたレリーフバーコードが抱える根本的な 問題は、現在利用し得る非接触走査技術によっては、それを読取ることが出来な いと言う点にある。その理由は、バーコードパターンの高い部分と低い部分との 間のコントラストが一般的に非常に低いからである。 発明の概要 それ故、本発明の主たる目的は、非接触技術を用いてレリーフパターンを効果 的に読取り、且つ復号化する改良された方法及び装置を提供することにある。 本発明のこれらの目的及びその他の目的は、相対的に盛上がった部分と窪んだ 部分を備えたレリーフパターンに符号化された情報を有する表面を非接触に読取 る装置によって達成される。この装置は、表面の垂線に対して第１の角度で前記 レリーフパターン上に光をライン上に投射する投光装置と、表面の垂線に対して 第２の角度で前記投射された光のラインを観測し、レリーフパターンからの反射 光の像を示す信号を発生する受光装置と、を備える。この像には、レリーフパタ ーンの盛上がり部分と窪んだ部分との間にある遷移部分で生ずる照明ラインの明 らかな変位が含まれている。この変位は受光装置に結合するパターン検出器によ って検出される。このパターン検出器の出力はデコーダに送られる。 本発明の一つの形態によれば、受光装置と投光装置は実質的に表面に平行な平 面内で離間されて配置される。 本発明のもう一つの形態によれば、デコーダとパターン検出器はディジタイザ と、適当なプログラムを内蔵したマイクロプロセッサとによって実現される。 受光装置は二次元に配列され、入射光のエネルギーに応答する出力を有する複 数の光センサとして実現することが可能であり、センサ上に反射光の焦点を合わ せた像を投射する光学手段を含む。 その他に二次元配列の光センサは、直線配列に配置でき、投光装置はレリーフ パターン上に実質的長方形を定めるようにレリーフパターンを横切って光のスポ ットを掃引するよう構成することも可能である。この場合、望ましい解像度を達 成するために、光スポットの断面寸法はレリーフパターンの最小部分の幅より小 さくする。表面上の照明ラインの明らかな変位は、直線配列に沿って焦点を合わ せた像の変位によって表される。 図面の簡単な説明 本発明のこれら及びその他の目的のより良い理解のために、本発明の詳細な説 明を以下の図面と関連させて記述した。 第１図は、本発明によるレリーフパターン読取り装置のブロック図を示し、 第２図は、平坦な表面を照射する光の掃引コラムビームを示し、 第３図は、平坦な表面を照射する光の扇形ビームを示し、 第４図は、レリーフパターンを備えた表面を照射する掃引式又は扇形照明を示 し、 第５図は、照明ラインの視差変位を明瞭に示すために拡大したレリーフパター ンを有する表面の拡大斜視図であり、 第５ａ図は、第５図の５ａ−５ａ線に沿って取った拡大部分斜視図であり、 第６図は、第５図に示す表面上照明ラインの受光装置における二次元配列の光 検出器上への写像を示す図である。 第７図は、第５図に示す表面を横切って光ビームを掃引すること によって生じた照明ラインの直線配列の光検出器上への写像を示し、そして 第８図は、第６図及び第７図に図示の光検出器の配列上に写像するための他の 光学装置を概略的に示す。 好適実施例の詳細な説明 添付図面、特に第１図には、レリーフパターンを含む対象表面８の近傍に位置 した本発明の好適実施例によるレリーフパターン読取り装置１のブロック図が示 されている。レリーフパターン読取り装置１は投光装置２、受光装置３、パター ン検出器４、及びデコーダ５を含んでいる。本発明による好適実施例は上記構成 要素２、３、４、５が単一ユニットとして実施されても良く、また構成要素２、 ３、４、５の何れか、又は全てが分離された状態で実施されても良い。 投光装置２は、レリーフパターンを含む対象表面８を照射する光ビーム６を放 射する。投光装置２から放射された光ビーム６は、掃引又は走査されるスポット ビーム、或いは固定ビーム（stationary beam）の何れでも良い。何れの場合も 、平坦面に投射されたビームは光のラインとして現れる。表面を照射する他の方 法を第２図及び第３図に示す。これらの図では、光ビームは投光装置２の光源か ら発するものとして図示されている。投光装置の構造の詳細は、図を分かり易く するために省略してある。 第２図には、平坦面１２上に投射された時に、光のライン１１が形成されるよ うに掃引又は走査される光のスポットビーム１０が図示されている。スポットビ ームが平坦面を横切って移動する際の代表的なビーム１０の位置は、一連の点線 によって第２図に示されている。 第３図には、平坦面１５上に投射された際に光のライン１４を形成する光の扇 形ビーム１３が示されている。 再び第１図に立ち戻る。図中、受光装置３は、その視野７が表面８上に光ビー ム６によって生ずる照明ラインの投影像を含むように配置される。受光装置３は 、その視野に入った像をパターン検出器４によって処理可能な電気信号に変換す る。パターン検出器４は、像の電気的表示から符号化されたパターンを抽出し、 それを復号化処理のためにデコーダ５に送出する。この表示は復号化技術で知ら れているディジタル信号、又は良く知られているその他のフォーマットのデジタ ル信号であればよい。デコーダ５は符号化されたパターンを復号し、レリーフパ ターンにコード化された文字列又はその他の情報を抽出する。デコーダ５は良く 知られたコード化パターンの復号化技術を利用しているが、このことは本発明の 主題ではないのでここでの説明を省略する。デコーダ５は復号化した文字列又は 情報を通信ポート９を介して表示装置又は同種の従来技術による装置に出力する 。この通信ポート９には種々の形態があるが、これも本発明の主題ではないので ここでの説明を省略する。 第１図に図示の構成要素をレリーフパターンの読取りに活用するために、投光 装置２は受光装置３から或る距離を置いて離間する必要がある。第４図に示すよ うに、投光装置２が発生した掃引スポット照明或いは扇形照明１６はレリーフパ ターン８を投光装置２の視点から見たときに一直線となるように照射する。受光 装置３はその視野方向が第４図の１７に示さた方向になるように配置される。 第５図は、受光装置３の視点から見たときのレリーフパターンの表面８の像を 示している。投光装置２と受光装置３は離れているため、パターンの盛上がった 部分の照明されている表面部分１８は、パターンの窪んだ部分の照明されている 部分１９からの視差変位２ ０を示す。パターン検出器４によって検出されるのがこの視差変位２０である。 レリーフパターンに沿って生ずるこの明らかな照明ラインの変位を更に良く理 解するために第５ａ図を参照する。この図が示す通り、その全体を参照番号４０ で示されている照明ラインは、レリーフパターンの相対的に盛上がった領域２８ を横切る線分１８と、この盛上がり領域２８と相対的に窪んだ領域２９との間に ある遷移領域を示す実質的に垂直な線分４１とを有している。ライン４０は線分 １９と同様に窪んだ領域２９に沿って水平に連続する。第１図の受光装置３のよ うに角度的に変位した視点に立つ観察者はライン４２に沿った方向からレリーフ パターンを見ることになる。こうした観察者は、観察者の光軸４５からの（第５ ａ図に点線で示すような）線分１８と線分１９’の角度変位αが同じ時、これら 線分は同一直線上にあるものと認識するだろう。勿論、線分１９’は実際には照 明ラインの一部を構成するものではない。この観察者は、視差変位と称する現象 のために、実照明ラインである線分１９は線分１８から距離２０だけ変位してい ると認識する。視差変位の度合は、線分１９の角度変位βと線分１８の角度変位 αとの差の関数であることは明らかである。この角度差はレリーフパターンと観 察者との間の距離、並びに二つの領域２８、２９の高さの相対的差を示す寸法２ ７によって影響を受ける。 上記の説明では、実質的に垂直な照明ビームと角度変位した観察者を想定した が、投光装置と受光装置とを入れ替えることもできる。この場合、ほぼ同じ大き さではあるが方向が反対の角度変位が生ずる。構成要素は垂直型である必要はな い。 受光装置３は光検出器を直線配列して構成しても良く、また光検出器を正方形 に、或いは長方形に二次元配列して構成しても良い。 ＣＣＤ配列のような従来からある光検出器配列が適している。第６図に於いて、 図の鎖線で囲われた受光装置３は結像レンズ２１と二次元配列した光検出器２２ を含んで構成されている。結像レンズ２１は表面８の照明部分から来る光を集光 し、二次元配列した光検出器２２上に像を形成するようにその光の焦点を合わせ る。視差変位２０は集光レンズ２１によって二次元配列の光検出器２２上で矢印 ２３方向の変位に変換される。この変位を含んだ像は二次元配列の光検出器２２ によって像を示す電気信号に変換されてからパターン検出器に送られ、そこで更 に処理を受ける。この受光装置の構成では、投光装置２から送られる掃引スポッ トビーム、或いは固定扇形ビームの何れかを扱うことが出来る。 第７図は本発明による受光装置の他の実施例を示している。この好適実施例で は、受光装置７３はシリンダー状のレンズであるレンズ装置２４と、直線配列の 光検出器２５を含む構成を採っている。この実施例の投光装置２は掃引スポット ビームを発生させるものであることが必要である。レンズ装置２４は、直線配列 した光検出器２５の各要素又はセルが照明ビームの像方向にほぼ平行な表面領域 からの光を集めるようにして、レリーフ表面から来る光を直線配列２５上にその 焦点を合わせる。それ故、視差変位２０はレンズ装置２４によって直線配列の光 検出器２５上に於ける矢印２６方向の変位に変換される。スポットビームの掃引 方向に沿う如何なる点に於いても、最も高い光強度を示す光検出セルはスポット ビームが入射した表面の位置に対応する。受光装置７３はスポットの現在位置を 示す電気的表示を発生し、この電気表示は掃引スポット全体をサンプリングした とき、各サンプリング点に於けるレリーフの相対高さを直接示す。この情報はパ ターン検出器４に送られ、そこで更に処理を受ける。 デコーダ５及びパターン検出器４は公知のものであり、それらは本発明の一部 を構成するものではないので、ここで更に論ずることは避ける。 第８図は、第６図及び第７図に示した構成のものに代わる実施例を示している 。レンズ７４によって示されているレンズ装置は光軸７２を有している。レンズ 装置は単一要素であっても良く、また与えられた応用例に適した結合体であって も良い。像平面７１’は光軸７２に実質的に直交する平面として定義される。こ の装置によって走査される個々の表面はその上にバーコード化された記号を備え ており、その可能な位置はライン７５ａ〜７５ｃによって示されている。バーコ ード記号が設けられている表面の残りの部分は図を分かり易くするために省略し てある。三つの異なる表面からの三つのバーコード記号位置が示されているが、 一度には一つの表面だけが走査されることが理解できる。バーコード記号は第６ 図及び第７図に示したものと同じ記号であって良い。点線７６により二次元投射 で示される光の扇形ビームは、好ましくはレーザによって投射され、表面及びバ ーコード記号を照射する。一般に、走査されるバーコード記号は光軸７２上には ないので、点７５ａ〜７５ｃを照射する光線は光源から等距離では伝達されない 。走査面から反射された光はレンズ７４によって集光される。主光線は点線７９ 、７９、８１、８１、及び実線８３、８３で示され、次いで全体が直線或いは二 次元配列の光検出器７１に向けて投射される。一般に、個々に走査された表面の 位置変化によって、光軸に対して一定の半分の角度で横たわる表面上の点から像 平面７１’に延びる光路はその長さを変化する。走査される表面に於ける位置的 変化のもう一つの結果は、光軸７２に直交し、且つ走査される種々のバーコード を通過し、点７５ａ〜７５ｃとして示される平面が、レンズ７４とは異なる（寸 法“a”,“b”および“c”でそれぞれ示される）距離で横たわることである。従 って、像平面７１’は点７５ａ、７５ｂ、７５ｃのそれぞれの像７６ａ、７６ｂ 、７６ｃ全てを含むことはなく、せいぜいそれらの中の一つ、ここでは点７６ｂ を含むことが出来る。光検出器配列７１は光軸７２への垂線に対し傾斜角度φで 傾斜しているので、点７６ａ〜７６ｃはほぼ全てが配列７１上に来る。傾斜角度 φはレンズ７４の式を用いて、配列７１の実際の位置から点７６ａ〜７６ｃまで の距離を最小にするように容易に計算される。また傾斜角度を経験的に決めるこ とも可能である。図を分かり易くするために、単一の点線７６として表示したが 、レーザ光線は実際には扇形ビームであって、点７５ａ〜７５ｃを含む三次元表 面は図を分かり易くするために省略してある。像表面７１’に対し配列７１を傾 けて配置することによって、システム分野は実質的にその機能を増加する。点７ ５ａと点７５ｃとの中間に横たわる他の三次元表面（図示せず）上の点が配列７ １上の何処かに在る画素上に焦点が合わせられることは明らかである。 ここに開示した構成について本発明を説明してきたが、本発明はここに詳述し たものに限られるものではなく、本願は以下に述べる請求の範囲内で行われる如 何なる修正及び改変をも包括するものである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 バロベージ，エドワード エム. アメリカ合衆国，ニューヨーク 13112, メンフィス，アールアール１，キングダム ロード 7041 (72)発明者 ビジアノ，マーク ジェイ. アメリカ合衆国，ニューヨーク 13104, マンリウス，スタンウッド レーン 113

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．相対的に盛上がった部分と窪んだ部分、並びにその間にある遷移部分を備 えたレリーフパターン上に符号化された情報を有する表面の非接触読取り装置で あって、： 前記表面の垂線に対して第１の角度で前記レリーフパターン上に光をライン状 に投射する投光手段と； 前記表面の垂線に対して第２の角度で前記投射された光のラインを観測し、前 記レリーフパターンの前記盛上り部分と窪んだ部分の間にある遷移部分に投射さ れた光のラインの視差変位を含む該レリーフパターからの反射光の像を示す信号 を発生する受光手段と； 前記受光手段に結合され、前記像における視差変位を示す前記信号の特性を検 出すると共に、この視差変位に応答する出力を有する検出手段と；を備え、 前記検出手段の前記出力は前記レリーフパターンの遷移部分に応答することを 特徴とする前記レリーフパターンに符号化された情報を有する表面の非接触読取 り装置。 ２．前記受光手段及び前記投光手段は、前記表面に対し実質的に平行な平面に 配置される請求の範囲第１項に記載の装置。 ３．前記検出手段に結合され、検出された視差変位のパターンをレリーフパタ ーンに含まれる復号化された情報を示す電気的信号に変換する復号化手段を更に 含む請求の範囲第１項に記載の装置。 ４．前記復号化手段がディジタイザ及びマイクロプロセッサを含む請求の範囲 第３項に記載の装置。 ５．前記受光手段は： 二次元に配列され、且つ入射光のエネルギーに応答する出力を有する複数の光 センサと； 前記センサ上に焦点が合わせられた前記反射光の像を投射する光学手段と、 を含む請求の範囲第１項に記載の装置。 ６．前記受光手段は、光軸を有し、前記直線配列は該光軸に直角な平面に対し 傾斜角度φで配置される請求の範囲第５項に記載の装置。 ７．前記投光手段は、前記表面上に延在する実質的に長方形である領域を照射 する光の扇形ビームを発生する請求の範囲第１項に記載の装置。 ８．前記レリーフパターンは盛上がった部分と窪んだ部分との間に高さの差を 有し、前記投光手段は該レリーフパターン上に実質的に長方形領域を定めるよう に該レリーフパターンを横切って光のスポットを掃引する請求の範囲第１項に記 載の装置。 ９．前記受光手段は： 直線上に配列され、且つ入射光のエネルギーに応答する出力を有する複数の光 センサと； この直線配列上に焦点が合わせられた前記光のスポットの像を投射する光学手 段と、を備え； 前記表面上の視差変位は前記直線配列に沿う前記焦点が合わせられた像の変位 によって示される請求の範囲第８項に記載の装置。 １０．前記受光手段は光軸を有し、前記直線配列は該光軸に垂直な平面に対し 傾斜角度φで配置される請求の範囲第９項に記載の装置。 １１．相対的に盛上がった部分と窪んだ部分、並びにその間に遷移部分を備え たレリーフパターンに符号化された情報を有する表面の読取り方法であって、： 前記表面の垂線に対し第１の角度で光のビームをレリーフパター ンに向けて投射する過程と； 前記表面の垂線に対し第２の角度で前記投射光の表面からの反射光を検出し、 前記反射光の空間パターンを示す第１の信号を発生する過程と； 前記空間パターンに於ける視差変位を示す前記第１の信号の特性を検出すると 共に、この特性に応答する第２の信号を発生する過程とを備え； 前記第２の信号はレリーフパターンの遷移部分を示すことを特徴とするレリー フパターンに符号化された情報を有する表面の読取り方法。 １２．前記第２の信号を復号化する過程を更に含む請求の範囲第１１項に記載 の方法。 １３．前記光を投射する過程は、前記表面を横切って光のスポットを掃引する ことによって行われる請求の範囲第１１項に記載の方法。 １４．前記光を投射する過程は、前記表面上にライン状の照明が生ずるように 扇形の光ビームを該表面に焦点を合わせることによって行われる請求の範囲第１ １項に記載の方法。