JP2006277481A

JP2006277481A - 光学情報読取装置

Info

Publication number: JP2006277481A
Application number: JP2005097428A
Authority: JP
Inventors: Yuki Kitaoka; 佑輝北岡
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-03-30
Filing date: 2005-03-30
Publication date: 2006-10-12

Abstract

【課題】従来の、読取可能な領域を示すガイド光照射機能を有する光学情報読取装置では、ガイド光の照射方向や拡がり角を調整するための機構を有しないため、焦点位置を変更した場合やオートフォーカス機能を有する光学情報読取装置に適用した場合、照射位置と照射領域サイズ共に読取可能範囲との間にずれを発生するという問題が生じていた。
【解決手段】そこで本発明では、光学情報からの反射光をＣＭＯＳセンサーに適切に取り込むために照射するガイド光において、光源であるＬＤ７からの照射光を光学素子８により所望のパターンへと成形するとともに、ガイド光の照射方向を調整する角度調整つまみ１４と、前記光学素子８と集光レンズ９との距離調整を行ってガイド光の拡がり角を調整するピニオンギア１３とにより、略焦点位置におけるＣＭＯＳセンサー４ａの読取可能範囲とガイド光照射エリアを略一致させることを可能とする、光学情報読取装置を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えばバーコードや２次元コードなどの光学情報の記載された読取対象から光学情報を読み取る光学情報読取装置に関し、特に読取口から離れた位置の読取対象も読取可能なノンコンタクト方式の光学情報読取装置に関する。

近年、バーコードよりも高密度に大量の情報を収納できる白黒交互のます目で縦横モザイク状に表示したマトリックスタイプの２次元コードが工場内の生産管理などを中心に活用されているが、今後さらに運輸、流通などの分野においてもその活用が広がりつつあり、倉庫内で荷物に貼られた２次元コードを読み取る時などでは、１０ｃｍ程度の近くにあるものから５０ｃｍ程度の遠く離れたものまで読み取りできることが望まれる。

このように、離れた位置の２次元コードを読み取るノンコンタクト方式の光学情報読取装置においては、コンタクト方式では容易であった２次元コードの読取範囲上への位置合わせが困難になるため、読取可能な範囲を示すガイド光を照射することが考えられており、LD（半導体レーザー）を光源として読取可能範囲に準じた形状のガイド光を照射し、利用者に対して読取可能範囲を示す光学情報読取装置が多く開発されている。

図８はLDを光源としたガイド光とLED（発光ダイオード）を照明光とした光学情報読取装置の構成図であり、２６はLED、３０はLD、３２はミラーである。LED２６より照射された光はミラー３２で反射され読取対象に照射され、照明光としての機能を果たす。LD３０から照射されたビームは光学素子などを介してライン状やスポット状に成形された後ミラーに反射され、読取可能領域のエッジ付近やコーナー付近に照射されガイド光としての役割を果たす（例えば特許文献１参照）。
特許第３５６２３９５号公報（第７頁）

しかしながら、前記公報記載の光学情報読取装置は、撮像光学系のレンズ位置を調整して焦点位置を変更した場合や、オートフォーカス機能を有する光学情報読取装置に適用した場合、照射位置と照射領域サイズ共に読取可能範囲との間にずれを発生するという問題が生じる。

そこで本発明は、撮像光学系の焦点変更に対応可能なガイド光照射手段を有する光学情報読取装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の光学情報読取装置は、結像部を介し光学情報からの反射光を取り込む撮像素子と、前記光学情報にガイド光を照射するガイド光照射部と、前記反射光と前記ガイド光との各光軸が前記光学情報を含む面上で交差するように前記ガイド光の照射方向を調整する角度調整部と、焦点位置を前記撮像素子に近づけ前記反射光と前記ガイド光の各光軸が交わる角度が大きくなると、前記ガイド光の拡がり角を小さくする拡がり角調整部とを有する。

そして、以上の構成により、撮像光学系の略合焦位置において、撮像光学系とガイド光光学系の光軸が略交わるように角度調整するともに、ガイド光の拡がり角を調整して、読取可能な領域とガイド光の照射領域が略一致するようにすることとなる。

以上のように、本発明は、ガイド光の照射方向と拡がり角を調整するための機構を有することにより、読取可能な領域とガイド光の照射領域が略一致することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。

（実施の形態１）
図１は、２次元コード等の光学情報を読み取るための光学系とその周辺装置からなる光学モジュールの斜視図で、図２は、ガイド光モジュールのうちリード線やフレキケーブルを省略して示した分解斜視図である。

光学モジュール１は樹脂成形部品である結像レンズホルダー２と、結像レンズ３と、ＣＭＯＳ基板４と、ガイド光モジュール５ａにより構成される。結像部である結像レンズ３は、被投光体である光学情報からの反射光を結像レンズホルダー２に固定されたＣＭＯＳ基板４上の撮像素子であるＣＭＯＳセンサーに結像させる。

結像レンズ３の鏡筒部分の外周面ならびに結像レンズホルダー２の結像レンズ収納部分の内周面にはねじ加工が施されており、結像レンズ３の回転によって焦点調整可能な構造となっている。

ガイド光モジュール５ａは光源と光学素子とそれらを保持するホルダー類および位置、角度の調整機構用の部品から構成される。ＬＤ固定用ホルダー６に固定されたガイド光照射部であるＬＤ７から照射されたレーザー光は、たとえばコリメート機能を有した回折格子などのガイド光成形素子である光学素子８によって所望のビーム形状へと成形され、ガイド光集光部である集光レンズ９により集光される。

集光レンズ９が取り付けられている集光レンズホルダー１０にはラック加工１０ａが施されており、ＬＤ固定用ホルダー６および集光レンズホルダー１０を保持するガイド光光学系ホルダー１１に取り付けられたシャフト１２に固定されたピニオンギア１３を回転させることにより、スライド運動させることが可能な構造になっていて、拡がり角調整部となる。

ガイド光光学系ホルダー１１の上下には穴が設けられており、結像レンズホルダー２の内部に納められた後、結像レンズホルダー２の上下に設けられた穴から挿入される角度調整つまみ１４と回転用シャフト１５との間でしまりばめされる。

このとき結像レンズホルダー２と角度調整つまみ１４および回転用シャフトとの間はすきまばめで回転運動可能であり、角度調整つまみを回すことにより、ガイド光モジュールの向きを調整することができ、角度調整部としてはたらく。

以上のように構成された光学情報読取装置についてその動作と作用を説明する。図３（ａ）は光学情報を遠距離で読み取る場合、図３（ｂ）は光学情報を近距離で読み取る場合におけるガイド光の照射方向と照射領域を示す図である。

まず、ユーザー要望により近距離にある光学情報を読み取るように光学系のセッティングを行う場合、結像レンズ３を回転させて結像レンズ３をＣＭＯＳ基板４から離す方向へと移動させる。撮像光学系とガイド光光学系の光軸がなす角度θは、焦点位置付近において両者の光軸が交わるように設定することが好ましいが、上記のように焦点位置を近くした場合においてはθをより大きくする必要がある。

また結像レンズ３の鏡筒内部にアパーチャーが内蔵されていれば、ＣＭＯＳセンサー４ａとアパーチャーの間の距離が大きくなることにより、撮像系の視野角はもとのセッティングに比べて小さくなるため、ガイド光拡がり角αをより小さくする必要がある。

図３（ａ）は結像レンズ３をＣＭＯＳ基板４側に近づけて焦点距離を近距離に設定した場合において、ガイド光の調整を行う前の状態を示しており、図３（ｂ）はガイド光の調整を行った後の状態を示している。

図３（ａ）で、変更前焦点位置１６付近において撮像光学系とガイド光光学系の光軸は略交差しており、読取可能な領域とガイド光照射領域も略一致している。しかし、変更後焦点位置１７においては撮像光学系とガイド光光学系の光軸のずれが大きく、かつ読取可能な領域とガイド光照射領域の大きさにも差異を生じるため、ユーザーに読取可能な領域を正しく示すことができなくなる。

これを補正するためには、先述のように角度調整つまみ１４によりガイド光光学系全体を回転させて撮像光学系とガイド光光学系の光軸のなす角θを大きくして変更後焦点位置１６付近で撮像光学系とガイド光光学系の光軸が略交差するようにし、さらにピニオンギア１３を回転させることにより、光学素子８と集光レンズ９との間の距離を大きくしガイド光拡がり角αを小さくして読取可能な領域とガイド光照射領域が略一致するようにすればよい。（図３（ｂ）参照）
逆に、ユーザー要望により遠距離にある光学情報を読み取るように光学系のセッティングを行う場合は、結像レンズ３を回転させて結像レンズ３をＣＭＯＳ基板４に近づける方向へと移動させたうえで、角度調整つまみ１４によりガイド光光学系全体を回転させて撮像光学系とガイド光光学系の光軸のなす角θを小さくして変更後焦点位置付近で撮像光学系とガイド光光学系の光軸が略交差するようにし、さらにピニオンギア１３を回転させることにより、光学素子８と集光レンズ９との間の距離を小さくしガイド光拡がり角αを大きくして読取可能な領域とガイド光照射領域が略一致するようにすればよい。

以上のようにして、撮像光学系とガイド光光学系の光軸のなす角θおよびガイド光拡がり角αを調整後、回転軸を接着剤で固定するなどしてセッティングを完了する。

焦点位置および読取可能領域については、撮像レンズ３の仕様、アパーチャー径、撮像レンズ３とＣＭＯＳ基板４間の距離の情報から、計算で求めることが可能である。

撮像光学系とガイド光光学系の光軸のなす角θの設定値に関しては、角度調整つまみ１４と回転用シャフト１５によって定められるガイド光モジュール５ａの回転軸が固定されていることから、この回転軸の位置情報と上記焦点位置情報とから計算によって容易に求めることができる。

またガイド光拡がり角αは焦点位置付近においてガイド光照射領域の幅が読取可能領域と同等の幅となるように設定する必要があるが、これは実際には光学素子８と集光レンズ９の間の距離を調整することにより実現でき、この設定距離も光学素子８の仕様と集光レンズ９の仕様と焦点位置情報および上記の回転軸位置情報から計算で求めることが可能である。

上記、実施例では撮像レンズ３が１枚の単焦点レンズとしたが、この代わりに複数のレンズからなるズームレンズユニットを用いてもよい。ズーム機能により視野を狭くする場合はガイド光拡がり角αが小さくなるように光学素子８と集光レンズ９の間の距離を大きくすればよく、逆に視野を狭くする場合はビーム拡がり角αが大きくなるように光学素子８と集光レンズ９の距離を小さくすればよい。

さらに、集光レンズ９に関しても、この代わりに複数枚のレンズから構成されるレンズユニットを用いてもよく、これによってより大きな、あるいはより小さな拡がり角を実現することが可能となる。

（実施の形態２）
図４は、２次元コード等の光学情報を読み取るための光学系とその周辺装置からなる光学モジュールの斜視図で、図５は、ガイド光モジュールのうちリード線やフレキケーブルを省略して示した分解斜視図である。

実施の形態１との相違点は撮像光学系にオートフォーカス機能が搭載され、ガイド光モジュールに自動調整機構が搭載されている点であり、結像レンズ３がオートフォーカスモジュール１８に、角度調整つまみ１４が回転用ステッピングモーター１９に、シャフト１２がスライド用ステッピングモーター２０に、それぞれ変更されており、スライド用ステッピングモーター２０はモーター固定バンド２１によりガイド光光学系ホルダー１１に取り付けられている。

光学モジュール１は樹脂成形部品である結像レンズホルダー２と、オートフォーカスモジュール１８と、ＣＭＯＳ基板４と、ガイド光モジュール５ｂにより構成される。結像部であるオートフォーカスモジュール１８は、被投光体である光学情報からの反射光を結像レンズホルダー２に固定されたＣＭＯＳ基板４上の撮像素子であるＣＭＯＳセンサーに結像させる。

ガイド光モジュール５ｂは光源と光学素子とそれらを保持するホルダー類および位置、角度の調整機構用の部品から構成される。ＬＤ固定用ホルダー６に固定されたガイド光照射部であるＬＤ７から照射されたレーザー光は、たとえばコリメート機能を有した回折格子などのガイド光成形素子である光学素子８によって所望のビーム形状へと成形され、ガイド光集光部である集光レンズ９により集光される。

集光レンズ９が取り付けられている集光レンズホルダー１０にはラック加工１０ａが施されており、ＬＤ固定用ホルダー６および集光レンズホルダー１０を保持するガイド光光学系ホルダー１１にモーター固定バンド２１により取り付けられたスライド用ステッピングモーター２０のシャフトに固定されたピニオンギア１３を、スライド用ステッピングモーター２０の駆動によって回転させることにより、スライド運動させることが可能な構造になっていて、拡がり角調整部となる。

ガイド光光学系ホルダー１１の上下には穴が設けられており、結像レンズホルダー２の内部に納められた後、結像レンズホルダー２の上下に設けられた穴から挿入される回転用ステッピングモーター１９のシャフトと回転用シャフト１５との間でしまりばめされる。

このとき結像レンズホルダー２と回転用ステッピングモーター１９のシャフトおよび回転用シャフトとの間はすきまばめで回転運動可能であり、回転用ステッピングモーター１９を駆動することにより、ガイド光モジュールの向きを調整することができ、角度調整部としてはたらく。

そして、回転用ステッピングモーター１９は結像レンズホルダー２あるいは光学情報読取装置の筐体などの移動や回転を行わない部品に対して固定されている。

以上のように構成された光学情報読取装置についてその動作と作用を説明する。図６は本発明による光学情報読取装置の光学系制御に関わる部分の構成例をブロック図で表したものであり、図７は読取動作の流れを表すフローチャートである。

ＣＭＯＳセンサー４ａに入力された画像情報は信号処理部２２へと送られる（ステップＳ１）。信号処理部２２内部のフォーカス情報検出部２２ａはＣＭＯＳセンサー４ａに結像される２次元コード像の信号レベルを検出し、制御部２３内部の中央演算部２３ａへと出力する（ステップＳ２）。

中央演算部２３ａは、フォーカス情報検出部２２ａから送られてきた信号レベルの情報をもとに合焦状態にあるか否かを判定する（ステップＳ３）。この判定には、たとえば信号レベル情報から求められるコントラスト情報を用いることができる。すなわち、合焦状態においては２次元コードを構成するマトリックスの黒色の部分と白色の部分とで高いコントラストが得られるが、非合焦状態においては高いコントラストは得られない。よってあるしきい値を設定しておいて、その値よりも高いコントラストが得られたときは合焦状態にあると判定し、その値よりも低いコントラストしか得られないときは合焦状態にないと判定する（ここで実際にはコントラストは電圧値の差として検出されるため、以下の文章においてコントラスト値はすなわち電圧値の差と同義とする）。

合焦状態にない場合、中央演算部２３ａは焦点位置を近づける方向か、あるいは遠ざける方向に動かすようにオートフォーカスモジュール１８を制御し、新たな焦点位置を設定する（ステップＳ４）。

そして新たに得られた画像情報は信号処理部２２に送られ、フォーカス情報検出部２２ａにより信号レベル情報が検出され、中央演算部２３へと出力される。中央演算部２３では先述の手順に従ってコントラスト情報から合焦判定が行われ、合焦状態にないと判定された場合は前回のコントラスト値と今回のコントラスト値との差分をとり、その符号から前回に比べて合焦状態に近づいたのか、あるいは遠のいたのかを判定し、次回の焦点位置変更の方向を決定する。

以降、この動作を合焦状態になるまで繰り返し、合焦状態と判定された時点で光学情報検出部２２ｂによって２次元コードデータを検出し（ステップＳ６）、中央演算部２３ａへと出力してデコード処理を行う（ステップＳ７）。

次に、上記のオートフォーカスモジュールの焦点位置変更動作に伴う、ガイド光モジュールの動作について説明する（ステップＳ５に対応）。

まず、オートフォーカス機能により焦点位置が近くなる場合、実施の形態１と同様にガイド光光学系全体を回転させて、撮像光学系とガイド光光学系の光軸がなす角度θをより大きくする必要がある。

またオートフォーカスモジュール１８の鏡筒内部にアパーチャーが内蔵されていれば、ＣＭＯＳセンサーとアパーチャーの間の距離が大きくなることにより、撮像系の視野角はもとのセッティングに比べて小さくなるため、ガイド光拡がり角αをより小さくする必要がある。

逆に、オートフォーカス機能により焦点位置が遠くなる場合においても、実施の形態１と同様にガイド光光学系全体を回転させて撮像光学系とガイド光光学系の光軸のなす角θを小さくし、さらに光学素子８と集光レンズ９との間の距離を小さくしガイド光拡がり角αを大きくする必要がある。

焦点位置および読取可能領域については、オートフォーカスモジュール１８内のレンズの屈折率や幾何形状のデータ、アパーチャー径などを予め制御部２３内部のメモリ２３ｂに記憶させておき、あわせて中央演算部２３ａから出力されるオートフォーカスモジュールの制御情報から、アパーチャーとレンズならびにＣＭＯＳセンサーの位置関係を都度算出しておき、これらのデータをもとに中央演算部２３ａで演算を行わせることにより求めることが可能である。

撮像光学系とガイド光光学系の光軸のなす角θの設定値に関しては、回転用ステッピングモーター１９のシャフトと回転用シャフト１５によって定められるガイド光モジュール５ｂの回転軸が固定されていることから、この回転軸の位置情報と上記焦点位置情報とから中央演算部２３ａでの演算により容易に求めることができる。

またガイド光拡がり角αは焦点位置付近においてガイド光照射領域の幅が読取可能領域と同等の幅となるように設定する必要があるが、これは実際には光学素子８と集光レンズ９の間の距離を調整することにより実現でき、この設定距離も光学素子８の拡がり角のデータと集光レンズ９の屈折率や幾何形状のデータを予めメモリ２３ｂに記憶させておけば、このデータと上記の焦点位置情報および回転軸位置情報とにより、中央演算部２３ａで演算を行わせることにより求めることが可能である。

このような手順により求めた値をもとに中央演算部２３ａによって回転用ステッピングモーター１９およびスライド用ステッピングモーター２０の回転量を制御することで、所望のθ、αを実現することが可能である。

上記、実施例に示すオートフォーカスモジュールはズーム機能を有するものであってもよい。ズーム機能により視野を狭くする場合はガイド光拡がり角αが小さくなるように光学素子８と集光レンズ９の間の距離を大きくすればよく、逆に視野を狭くする場合はガイド光拡がり角αが大きくなるように光学素子８と集光レンズ９の距離を小さくすればよい。

また焦点位置調整において、たとえば超音波センサーなどの距離検出手段を用いて、装置と光学情報との距離を直接的に計測し、この距離情報を用いてオートフォーカスモジュールを制御してもよい。

本発明の光学情報読取装置は、焦点位置に対応してガイド光の照射方向と拡がり角を調整し適切な位置や領域にガイド光を照射することができ、読取口から離れた位置の読取対象も読取可能なノンコンタクト方式の光学情報読取装置などに有用である。

本発明の実施の形態１における光学モジュールの斜視図同実施の形態１におけるガイド光モジュールの分解斜視図（ａ）同実施の形態１におけるガイド光調整前の照射領域の相違を表す図（ｂ）同実施の形態１におけるガイド光調整後の照射領域の相違を表す図本発明の実施の形態２における光学モジュールの斜視図同実施の形態２におけるガイド光モジュールの分解斜視図同実施の形態２における光学情報読取装置の構成例を表すブロック図同実施の形態２における光学情報読取装置の読取動作を表すフローチャート（ａ）従来のガイド光照射機能を有する光学情報読取装置の一部を上面から見た図（ｂ）従来のガイド光照射機能を有する光学情報読取装置の一部を側面から見た図

符号の説明

３結像レンズ
４ａＣＭＯＳセンサー
７ＬＤ
８光学素子
９集光レンズ
１０ａラック加工
１３ピニオンギア
１４角度調整つまみ
１８オートフォーカスモジュール
１９回転用ステッピングモーター
２０スライド用ステッピングモーター
２２信号処理部
２２ａフォーカス情報検出部
２２ｂ光学情報検出部
２３制御部
２３ａ中央演算部
２３ｂメモリ

Claims

結像部を介し光学情報からの反射光を取り込む撮像素子と、前記光学情報にガイド光を照射するガイド光照射部と、前記反射光と前記ガイド光との各光軸が前記光学情報を含む面上で交差するように前記ガイド光の照射方向を調整する角度調整部と、焦点位置を前記撮像素子に近づけ前記反射光と前記ガイド光の各光軸が交わる角度が大きくなると、前記ガイド光の拡がり角を小さくする拡がり角調整部とを有する光学情報読取装置。
結像部を介し光学情報からの反射光を取り込む撮像素子と、前記光学情報にガイド光を照射するガイド光照射部と、前記反射光と前記ガイド光との各光軸が前記光学情報を含む面上で交差するように前記ガイド光の照射方向を調整する角度調整部と、焦点位置を前記撮像素子から遠ざけ前記反射光と前記ガイド光の各光軸が交わる角度が小さくなると、前記ガイド光の拡がり角を大きくする拡がり角調整部とを有する光学情報読取装置。
拡がり角調整部は、ガイド光照射部から照射されたガイド光を所望のビーム形状へ成形するガイド光成形素子と、前記ビーム形状に成形された前記ガイド光を集光するガイド光集光部とを備え、前記ガイド光成形素子と前記集光部との距離を変更することで光学情報に照射する前記ガイド光の拡がり角を調整する請求項１または２に記載の光学情報読取装置。
ガイド光集光部は、複数枚のレンズから構成される請求項３記載の光学情報読取装置。
ガイド光照射部と拡がり角調整部とが一体で固定軸を中心に回転しガイド光の照射方向を調整するとともに、前記固定軸と撮像素子との距離が一定である請求項１から４のいずれかに記載の光学情報読取装置。
結像部は焦点位置を自動的に調整し、角度調整部は自動調整された前記焦点位置に対応してガイド光の照射方向を自動的に調整し、拡がり角調整部はそれぞれ自動調整された前記焦点位置と前記ガイド光の照射方向に基づき前記ガイド光の拡がり角を調整する請求項１から５のいずれかに記載の光学情報読取装置。