JP2005049712A

JP2005049712A - 読取レンズ

Info

Publication number: JP2005049712A
Application number: JP2003283188A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Hirokawa; 武志廣川
Original assignee: Nidec Copal Corp
Current assignee: Nidec Copal Corp
Priority date: 2003-07-30
Filing date: 2003-07-30
Publication date: 2005-02-24

Abstract

【課題】貨幣計数機等に内蔵される撮像カメラに適した読取レンズを提供する。
【解決手段】物体側から像面側に向けて順に、所定の口径をもつ開口絞り１と、正の屈折力をもち像面側に非球面を有する両凸レンズ２と配置し、次の条件式、（１）２．５＜ｄ１／ＦＬ＜２．７、（２）２．２０＜ｄ２／ＦＬ＜２．２５、（３）０．８５＜ｄ３／ＦＬ＜０．９５、但し、ｄ１：光軸上での開口絞りから像面までの距離、ｄ２：光軸上での両凸レンズの物体側の面から像面までの距離、ｄ３：光軸上での両凸レンズの像面側の面から像面までの距離、ＦＬ：両凸レンズの焦点距離、を満足するよう読取レンズを構成する。これにより、単レンズからなる簡単な構成であるにも拘わらず、至近距離で良好な光学性能を発揮し、歪曲収差等の諸収差が良好に補正された読取レンズが得られる。
【選択図】図１

Description

本発明は、貨幣計数機等に内蔵された撮像カメラにおいて、硬貨を撮像してその認識及び判別を行う際に用いられる読取用レンズに関する。

従来の貨幣計数機では、投入された硬貨の種類やその真偽を判別するために、読取用レンズ及びＣＣＤ等の撮像素子を含む撮像カメラを通して、貨幣画像を撮影し、この撮影情報をソフトウエアで処理する手法が用いられている。
この手法に用いられる読取用レンズにおいては、撮影画面全体に亘って必要十分な解像力を有し、鮮明で歪みの少ない画像が得られ、必要な明るさを有し周辺光量の低下が少ない等の性能が要求され、又、コスト的な観点から、できるだけレンズ枚数が少なく、製造及び組立等の工程が簡単であることが求められる。

このような観点から、３枚のレンズで構成されたトリプレット型の読取レンズ、メニスカスレンズを対向させて組み合わせた２枚のレンズで構成される読取レンズ等が開発されてきた（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４参照）。

一方、監視カメラ、テレビ電話用のカメラ、パソコン接続用のカメラ等において、非球面レンズを使用することによって、３枚あるいは２枚構成のレンズよりもさらにレンズ枚数を少なくした撮像レンズが知られている。これらの撮像レンズは、非球面をもつ単レンズの前方に開口絞りを配置し、像側テレセントリック性を比較的良好に保ちつつ、所定の光学性能を満たすべく考案されたものである（例えば、特許文献５、特許文献６、特許文献７、特許文献８参照）。
特開平１−２４５２１２号公報特開平３−１１６１０９号公報特開平６−２３０２７８号公報特開平７−２８７１６４号公報特開昭６４−４９０１４号公報特開平６−８８９３９号公報特開２０００−２４９９１１号公報特開２００２−９８８８５号公報

ところで、上記のような従来の撮像レンズを、相似的に拡大あるいは縮小して、硬貨等の読取用に適用することができれば非常に簡便である。しかしながら、上記の撮像レンズは、いずれも被写体が無限遠あるいは比較的遠距離にあることを前提して設計されているため、硬貨等を至近距離で撮影するような場合には、諸収差が悪化し、必要な光学性能を得ることができない。

また、上記撮像レンズでは、歪曲収差が−１０パーセント近く残存しているため、監視カメラ等に適用するには問題ないものの、硬貨等を撮像してその認識及び判別を行なうには、必要とされる±１．５パーセント程度の歪曲収差から大きく逸脱しており、この用途に使用することはできない。

本発明は、上記の事情に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、一つのレンズにより構成されるにも拘わらず、至近距離で良好な光学性能を発揮し、歪曲収差も良好に補正された読取レンズを提供することにあり、特に、撮像倍率が０．０８８８程度、物体から像面までの距離（共役長）が４２ｍｍ程度、歪曲収差が±１．５パーセント程度の範囲内で、硬貨等を至近距離にて撮像しても認識及び判別を容易に行なえ、良好な画像を得ることができる読取レンズを提供することにある。

本発明の読取レンズは、物体側から像面側に向けて順に、所定の口径をもつ開口絞りと、正の屈折力をもち像面側に非球面を有する両凸レンズと、を備え、
次の条件式（１），（２），（３）を満足することを特徴としている。
（１）２．５＜ｄ１／ＦＬ＜２．７、
（２）２．２０＜ｄ２／ＦＬ＜２．２５、
（３）０．８５＜ｄ３／ＦＬ＜０．９５、
但し、ｄ１：光軸上での開口絞りから像面までの距離、
ｄ２：光軸上での両凸レンズの物体側の面から像面までの距離、
ｄ３：光軸上での両凸レンズの像面側の面から像面までの距離、
ＦＬ：両凸レンズの焦点距離である。
この構成によれば、被写体（物体）から発せられた被写体光は、先ず開口絞りにより光束が制限され、両凸レンズにより屈折させられて、像面（例えば、撮像素子の結像面）に到達する。ここで、開口絞りが両凸レンズよりも物体側（前方）にあるため、開口絞りと像面との距離が長くなり、像側テレセントリック性が向上し、ＣＣＤ等の撮像素子への光入射効率が良好になる。また、両凸レンズの像面側の面（後面）を非球面とすることで、両凸レンズを通過した光軸外の光線が、その後面（非球面）を屈折する際に光軸から適度に離れた位置を通過し、収差が良好に補正される。これにより、単レンズからなる簡単な構成であるにも拘わらず、至近距離で良好な光学性能を発揮し、歪曲収差等の諸収差が良好に補正された読取レンズが得られる。

上記構成において、両凸レンズはガラス材料により形成され、
次の条件式（４）を満足する構成を採用することができる。
（４）Ｎ＞１．８、
但し、Ｎ：両凸レンズのｄ線における屈折率である。
この構成によれば、条件式（４）を満たすことにより、両凸レンズの前面及び後面での曲率半径を製造し易い大きさに保ちつつ、諸収差を良好に補正することができる。

以上の構成をなす読取レンズによれば、一つのレンズにより安価に構成されるにも拘わらず、極めて短い至近距離において、十分な明るさを有し、歪曲収差等も良好に補正された良好な撮影画像を得ることができ、特に、撮像倍率が０．０８８８程度、物体から像面までの距離（共役長）が４２ｍｍ程度、歪曲収差が±１．５パーセント程度の範囲内で、硬貨等を至近距離にて撮像するのに適した読取レンズが得られる。これにより、貨幣計数機等に内蔵された撮像カメラにおいて、硬貨等の認識及び判別を高精度に行なうことができる。

以下、本発明の最良の実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。
図１は本発明に係る読取レンズの基本構成図、図２は図１に示す読取レンズの光路図である。
この実施形態に係る読取レンズは、図１に示すように、物体側から像面側に向けて、所定の口径をもつ開口絞り１と、正の屈折力をもつ両凸レンズ２とが、順次に配列されている。尚、この配列構成において、開口絞り１の前方（物体側）には、防塵用の平行平板からなるガラスプレート３が配置され、両凸レンズ２の後方（像面側）には、ＣＣＤ等の撮像素子を防護するための平行平板からなるガラスプレート４が配置され、ガラスプレート４の後方に撮像素子としてのＣＣＤの撮像面（像面）Ｐが配置される。
両凸レンズ２は、ガラス材料により形成され、物体側の凸面が球面に形成され、像面側の凸面が非球面に形成されている。

ここで、開口絞り１と両凸レンズ２とにおいては、図１に示すように、各々の面をＳｉ（ｉ＝１〜３）、それぞれの面Ｓｉの曲率半径をＲｉ（ｉ＝１〜３）、ｄ線に対する両凸レンズ２の屈折率をＮ及びアッベ数をνで表す。また、開口絞り１から撮像面Ｐまでの光軸Ｌ上におけるそれぞれの面間隔（厚さ、空気間隔）をＤｉ（ｉ＝１〜３）で表す。
さらに、光軸Ｌ上において、開口絞り１から撮像面Ｐまでの距離をｄ１、両凸レンズ２の物体側の面（前面）Ｓ２から撮像面Ｐまでの距離をｄ２、両凸レンズ２の像面側の面（後面）Ｓ３から撮像面Ｐまでの距離をｄ３で表す。また、両凸レンズ２の焦点距離をＦＬで表す。

上記構成の読取レンズにおいては、図２に示すように、物体（ＯＢＪ）から発せられた光線（被写体光）は、防塵用のガラスプレート３を通過した後、開口絞り１により所定の光束に制限され、その後両凸レンズ２を通過するとき、その前面Ｓ２及び後面Ｓ３にて屈折し、ガラスプレート４を通過した後、ＣＣＤの撮像面Ｐに到達する。
ここで、開口絞り１が両凸レンズ２よりも物体側（前方）に配置されるため、開口絞り１と撮像面Ｐとの距離ｄ１が長くなり、像側テレセントリック性が向上し、ＣＣＤ等の撮像素子への光入射効率が良好になる。

また、両凸レンズ２の像面側の面（後面）Ｓ３を非球面とすることで、両凸レンズ２を通過した光軸外の光線が、面Ｓ３（非球面）を屈折する際に光軸Ｌから適度に離れた位置を通過し、収差が良好に補正される。これにより、一つのレンズからなる簡単な構成であるにも拘わらず、至近距離において良好な光学性能を発揮し、歪曲収差等の諸収差が良好に補正される。

さらに、上記構成の読取レンズは、次の条件式（１），（２），（３）を満足するように形成されている。
（１）２．５＜ｄ１／ＦＬ＜２．７、
（２）２．２０＜ｄ２／ＦＬ＜２．２５、
（３）０．８５＜ｄ３／ＦＬ＜０．９５、
すなわち、これらの条件式（１），（２），（３）を満たすことにより、像側テレセントリック性が向上し、歪曲収差を始めとした諸収差が良好に補正される。

また、上記構成の読取レンズは、好ましくは次の条件式（４）を満たすように形成される。
（４）Ｎ＞１．８、
この条件式（４）を満たすことにより、両凸レンズ２の前面Ｓ２及び後面Ｓ３での曲率半径を製作し易い大きさに保ちつつ、諸収差を良好に補正することができる。尚、この読取レンズは、単一のレンズ（両凸レンズ２）により形成されるため、色収差が懸念されるが、照明として単色ＬＥＤを使用するため、特に問題にならない。

また、両凸レンズ２の像面側の面（後面）Ｓ３は、非球面として形成されるが、この非球面の形状は、次式（５）で規定される。
（５）Ｚ＝（Ｘ^２／ｒ）／［１＋（１−（κ＋１）Ｘ^２／ｒ^２）^１／２］＋ａＸ^４＋ｂＸ^６、
ただし、Ｚ：非球面Ｓ３の頂点における接平面から、光軸Ｌからの高さがＸの非球面上の点までの距離、Ｘ：光軸Ｌからの高さ、ｒ：非球面Ｓ３の頂点における曲率半径、κ：円錐定数、ａ，ｂ：４次，５次の非球面係数である。

以上の構成からなる読取レンズの具体的な数値による実施例を、実施例１、実施例２として以下に示す。

実施例１における主な仕様諸元は表１に、種々の数値データ（設定値）は表２に、非球面に関する数値データは表３にそれぞれ示される。また、実施例１における球面収差、非点収差、歪曲収差に関する収差線図は、図３に示す結果となる。尚、図３の非点収差において、Ｓはサジタル平面での収差、Ｍはメリジオナル平面での収差を示す。

以上の実施例１においては、撮像倍率が０．０８８８、物体から像面までの距離（共役長）が４２．０ｍｍ、歪曲収差が±１．５パーセントの範囲内となり、硬貨等を至近距離にて撮像しても、認識及び判別を容易に行なえる歪みの少ない良好な画像を撮像できる読取レンズが得られる。

実施例２における主な仕様諸元は表４に、種々の数値データ（設定値）は表５に、非球面に関する数値データは表６にそれぞれ示される。また、実施例２における球面収差、非点収差、歪曲収差に関する収差線図は、図４に示す結果となる。尚、図４の非点収差において、Ｓはサジタル平面での収差、Ｍはメリジオナル平面での収差を示す。

以上の実施例２においては、撮像倍率が０．０８８８、物体から像面までの距離（共役長）が４２．０ｍｍ、歪曲収差が±１．５パーセントの範囲内となり、硬貨等を至近距離にて撮像しても、認識及び判別を容易に行なえる歪みの少ない良好な画像を撮像できる読取レンズが得られる。

以上述べたように、本発明の読取レンズは、貨幣計数機等に内蔵された撮像カメラにおいて、硬貨を撮像してその認識及び判別を行う際に用いられる読取用レンズとして好適であり、又、被写体が硬貨等の貨幣計数機に限定されるものではなく、短い共役長（物体から像面までの距離）下で歪曲の少ない画像を供するのに適していれば、その他の物体を至近距離にて撮像して、観察、認識、判別等を行なうカメラシステムのレンズ光学系としても好適に使用することができる。

本発明に係る読取レンズの一実施形態を示す基本構成図である。図１に示す読取レンズにおける光路図である。実施例１に係る読取レンズでの球面収差、非点収差、歪曲収差の各収差線図である。実施例２に係る読取レンズでの球面収差、非点収差、歪曲収差の各収差線図である。

符号の説明

１開口絞り
２両凸レンズ
３，４ガラスプレート
Ｐ撮像面
Ｌ光軸

Claims

物体側から像面側に向けて順に、
所定の口径をもつ開口絞りと、
正の屈折力をもち像面側に非球面を有する両凸レンズと、を備え、
次の条件式（１），（２），（３）を満足することを特徴とする読取レンズ。
（１）２．５＜ｄ１／ＦＬ＜２．７、
（２）２．２０＜ｄ２／ＦＬ＜２．２５、
（３）０．８５＜ｄ３／ＦＬ＜０．９５、
但し、ｄ１：光軸上での前記開口絞りから像面までの距離、
ｄ２：光軸上での前記両凸レンズの物体側の面から像面までの距離、
ｄ３：光軸上での前記両凸レンズの像面側の面から像面までの距離、
ＦＬ：前記両凸レンズの焦点距離。
前記両凸レンズはガラス材料により形成され、
次の条件式（４）を満足することを特徴とする請求項１記載の読取レンズ。
（４）Ｎ＞１．８、
但し、Ｎ：前記両凸レンズのｄ線における屈折率。