JP2005140869A - 読取用レンズ - Google Patents

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用レンズを提供する。
【解決手段】物体側から像面側に向けて順に、正の屈折力をもち物体側に凸面Ｓ１を向けた平凸形状の第１レンズ１と、所定の口径をもつ開口絞り３と、負の屈折力をもち物体側に凹面Ｓ４を向けたメニスカス形状の第２レンズ２とにより読取用レンズを構成する。これによれば、主レンズをなす第２レンズにより、適度なバックフォーカス（第２レンズの後面から撮像素子の撮像面までの距離）を確保でき、像側テレセントリックを向上させることができ、又、シェーディング現象も軽減され、さらに、歪曲収差を始め諸収差が良好に補正されて、十分な明るさを有し、良好な撮影画像を得ることができる。
【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、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。

このような要件を満たすレンズ系として、物体側に凸面を向けたメニスカスレンズと、像面側に凸面を向けたメニスカスレンズとを、主光軸方向においてお互いに対向させて組み合わせた２枚構成からなる対称型のレンズ系等が開発されている。このレンズ系は、対称型レンズの特徴である低歪曲性に着目して考案されたものであり、貨幣計数機等に内蔵された撮像カメラの読取用レンズに適用することも可能である（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）。

特開平３−１１６１０９号公報 特開平６−２３０２７８号公報 特開平７−２８７１６４号公報 特開平９−２０３８５８号公報

ところで、最近では、貨幣計数機の小型化が進み、撮像カメラも一層の小型化が求められている。これに対処するべく、物体側（硬貨等）から像面（ＣＣＤの撮像面）までの距離すなわち共役長を短くして、画角を広くすることが考えられる。
そこで、上記のような従来のレンズ系を、適当な大きさに相似的に縮小して、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、上記のレンズ系を単に相似的に縮小して、貨幣計数機等に適した読取レンズを得ようとしても、レンズ系の最前面と最後面の曲率半径の絶対値が非常に小さくなり（１．５ｍｍを下回るため）、レンズの曲面を製作するのが困難であり、例え製作できたとしても非常にコスト高になり、商品として実現的ではない。
また、共役長が短くなると同時に、レンズ系の最後面とＣＣＤ等の撮像素子（撮像面）との間隔（バックフォーカス）が短くなり、撮像素子を保護するためのガラスプレートを配置することが困難になる。

さらに、視野の周辺において、その光軸と主光軸とのなす角度が非常に大きくなり、像側テレセントリック性が損なわれ、撮像素子の各々の画素に対して光が有効に到達しないいわゆるシェーディング現象が顕著になる。
したがって、上記従来のレンズ系を単に相似縮小しただけでは、貨幣計数機の読取用レンズとして使用することができない。

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、２枚のレンズにより構成されるにも拘わらず、低コスト化、撮像素子を保護するガラスプレートを配置できるための間隔（バックフォーカス）の確保、像側テレセントリック性の向上、シェーディング現象の解消等を図りつつ、諸収差特に歪曲収差を良好に補正でき、短い共役長（物体から像面までの距離）に対応した読取用レンズを提供することにあり、具体的には、撮像倍率が０．１２程度、共役長が２９ｍｍ〜３１ｍｍ程度、画角が５９度程度、歪曲収差が±１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用レンズを提供することにある。

本発明の読取用レンズは、物体側から像面側に向けて順に、正の屈折力をもち物体側に凸面を向けた平凸形状の第１レンズと、所定の口径をもつ開口絞りと、負の屈折力をもち物体側に凹面を向けたメニスカス形状の第２レンズと、からなることを特徴としている。
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、屈折率（パワー）の小さい第１レンズを通過し、開口絞りにより所定の光束に絞られ、続いて屈折率（パワー）の大きい第２レンズを通過し、撮像面に入射する。
すなわち、主レンズをなす第２レンズにより、適度なバックフォーカス（第２レンズの後面から撮像素子の撮像面までの距離）を確保でき、像側テレセントリックを向上させることができ、又、シェーディング現象も軽減され、さらに、第１レンズにより歪曲収差が良好に補正されて、十分な明るさを有し、全体として諸収差が良好に補正された良好な撮影画像を得ることができる。

上記構成において、第１レンズの物体側を向く凸面の曲率半径をＲ１とし、第２レンズの像面側を向く凸面の曲率半径をＲ５としたとき、次式（１），（２）、
（１）Ｒ１＞│Ｒ５│、
（２）２．０ｍｍ≧│Ｒ５│≧１．６ｍｍ、
を満足する、構成を採用することができる。
この構成によれば、大きな屈折力が得られて、短い共役長（物体から撮像面までの距離）で焦点を結ぶことができる。
ここで、第２レンズの像面側を向く凸面の曲率半径Ｒ５の絶対値が１．６ｍｍ以上であるため、曲率半径Ｒ５がこの値未満の場合と比較して、レンズの加工費用をさらに抑えることができ、レンズの低コスト化を達成できる。また、曲率半径Ｒ５の絶対値が２．０ｍｍを超える数値では目的とする光学的諸性能を達成するのが困難であるが、２．０ｍｍ以下であるため目的とする光学的諸性能を容易に達成することができる。

上記構成において、物体から撮像素子の撮像面までの距離は、２９ｍｍ〜３１ｍｍである、構成を採用することができる。
この構成によれば、短い共役長を達成して、至近距離にて良好な撮影が行える読取用レンズを提供することができる。

以上の構成をなす読取用レンズによれば、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る。特に、撮像倍率が０．１２程度、共役長（物体から像面までの距離）が２９ｍｍ〜３１ｍｍ程度、画角が５９度程度、歪曲収差が±１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用レンズが得られる。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用レンズの基本構成図、図２は図１に示す読取用レンズの光路図である。
この実施形態に係る読取用レンズは、図１に示すように、物体側から像面側に向けて、正の屈折力をもち物体側に凸面を向けた平凸形状の第１レンズ１と、負の屈折力をもち物体側に凹面を向けたメニスカス形状の第２レンズと、が順次に配列されている。また、第１レンズ１と第２レンズ２との間でかつ第２レンズ２寄りに所定の口径をもつ開口絞り３が配置されている。

尚、この配列構成において、第１レンズ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４が配置され、第２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５が配置され、ガラスプレート５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。

ここで、第１レンズ１〜開口絞り３〜第２レンズ２においては、図１に示すように、各々の面をＳｉ（ｉ＝１〜５）、それぞれの面Ｓｉの曲率半径をＲｉ（ｉ＝１〜５）、ｄ線に対する第１レンズ１及び第２レンズ２の屈折率をＮ１，Ｎ２及びアッベ数をν１，ν２で表す。また、第１レンズ１〜撮像面Ｐまでの主光軸Ｌ上におけるそれぞれの面間隔（厚さ、空気間隔）をＤｉ（ｉ＝１〜５）で表す。

上記構成の読取用レンズにおいては、図２に示すように、物体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４を通過した後、第１レンズ１を通過するときその前面（凸面）Ｓ１及び後面（平面）Ｓ２にて屈折し、開口絞り３により所定の光束に制限され、第２レンズ２を通過するときその前面（凹面）Ｓ４及び後面（凸面）Ｓ５にて屈折し、ガラスプレート５を通過した後、ＣＣＤの撮像面Ｐに到達する。

第１レンズ１は、ガラス材料により形成されて、物体側に凸面Ｓ１を向けかつ像面側に平面Ｓ２を向けた平凸形状で、屈折率の小さい小パワーのレンズである。ここで、第１レンズ１は、第２レンズ２で生じる大きな負の歪曲収差を補正することを主目的としている。その為、第１レンズ１と開口絞り３との間隔Ｄ２は、第２レンズ２と開口絞り３との間隔Ｄ３よりも大きく設定されており、第１レンズ１の前面（凸面）Ｓ１の曲率半径Ｒ１を比較的大きく設定しつつも、大きな正の歪曲収差を発生させて、第２レンズ２で生じる負の歪曲収差とバランスさせている。また、第１レンズ１の後面Ｓ２を平面に形成することで、第１レンズ１の製作コストを低減することができる。

第２レンズ２は、ガラス材料により形成されて、物体側に凹面Ｓ４を向けかつ像面側に凸面Ｓ５を向けたメニスカス形状のレンズで、このレンズ系の主レンズをなすものである。すなわち、短い共役長（物体から撮像面Ｐまでの距離）で焦点を結ぶために、後面（像面側の凸面）Ｓ５の曲率半径Ｒ５を小さく設定して、大きな屈折力を得ている。具体的には、Ｒ１＞│Ｒ５│、２．０ｍｍ≧│Ｒ５│≧１．６ｍｍ、に設定されるのが好ましい。これによれば、Ｒ５の絶対値が１．６ｍｍ以上であるため、レンズの加工費用をさらに抑えて、レンズのコストを低減でき、又、Ｒ５の絶対値が２．０ｍｍ以下であるため、目的とする光学的諸性能を容易に達成できる。
また、第２レンズ２の前面（物体側の面）Ｓ４を凹面とすることにより、ガラスプレート５を配置するための適度なバックフォーカス（第２レンズ２の後面Ｓ５から撮像面Ｐまでの距離Ｄ５）を確保でき、像側テレセントリックを向上させることができ、又、シェーディング現象も軽減される。

尚、第２レンズ２の前面Ｓ４を凹面とすることにより、レンズ系全体の焦点距離と歪曲収差が変化するが、第１レンズ１の前面Ｓ１の曲率半径Ｒ１を適宜選定することにより、焦点距離を一定に保ちつつ、歪曲収差の変動を最小限に抑えることができる。
以上の構成からなる読取用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０．１２、共役長（物体から像面までの距離）が２９．９ｍｍ、画角２ωが５９．０°、歪曲収差が±１パーセント程度の範囲内となり、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用レンズが得られる。

実施例２における主な仕様諸元は表３に、種々の数値データ（設定値）は表４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０．１２、共役長（物体から像面までの距離）が３０．０ｍｍ、画角２ωが５９．１°、歪曲収差が±１パーセント程度の範囲内となり、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用レンズが得られる。

以上述べたように、本発明の読取用レンズは、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。

本発明に係る読取用レンズの一実施形態を示す基本構成図である。 図１に示す読取用レンズにおける光路図である。 実施例１に係る読取用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に係る読取用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 第１レンズ
２ 第２レンズ
３ 開口絞り
４，５ ガラスプレート
Ｐ 撮像面
Ｌ 主光軸

Claims (3)

1. 物体側から像面側に向けて順に、
   正の屈折力をもち物体側に凸面を向けた平凸形状の第１レンズと、
   所定の口径をもつ開口絞りと、
   負の屈折力をもち物体側に凹面を向けたメニスカス形状の第２レンズと、
   からなる、ことを特徴とする読取用レンズ。
2. 前記第１レンズの物体側を向く凸面の曲率半径をＲ１とし、前記第２レンズの像面側を向く凸面の曲率半径をＲ５としたとき、次の式（１）、（２）を満足することを特徴とする請求項１記載の読取用レンズ。
   （１） Ｒ１＞│Ｒ５│、
   （２）２．０ｍｍ≧│Ｒ５│≧１．６ｍｍ
3. 物体から撮像素子の撮像面までの距離は、２９ｍｍ〜３１ｍｍである、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の読取用レンズ。
   
   
   

Images