JP2008257697A

JP2008257697A - バーコード・シンボルの像を形成するための半導体デバイス

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Publication number: JP2008257697A
Application number: JP2008035513A
Authority: JP
Inventors: Bradley Carlson; カールソンブラッドリー; Duanfeng He; ヒデュアンフェン; Joseph Katz; カッツジョセフ; Mark Krichever; クリチェヴァーマーク; Mehul Patel; パテルメウル; Shi David Tsi; ツィシディヴィッド; Thomas D Bianculli; ディービアンカリトマス; Joseph Eugene; ジョセフユージン
Original assignee: Symbol Technologies LLC
Current assignee: Symbol Technologies LLC
Priority date: 2001-10-26
Filing date: 2008-02-18
Publication date: 2008-10-23
Also published as: US7040538B2; US20030080188A1; US6811085B2; US20030080189A1

Abstract

【目的】光学的コード・シンボルの像を形成するための半導体デバイス又は小型像形成器を提供すること。
【解決手段】光学的コード・シンボルの像を形成するための半導体デバイス又は小型像形成器が、１０２４を超えない画素を備え、各々の画素は、短寸法が４μｍより大きくなく２μｍより小さくなく、２対１より大きいアスペクト比を有しており、画素が単一の行に配置されるのが好ましい。小型像形成器の光学的及び電気的システムは、像形成器の一次元又はそれ以上の次元の体積を減少させるように最適化される。上述のような単一の半導体デバイスを備える読取装置の視野の像を形成するためのセンサを含むバーコード読取装置がさらに提供される。像形成器によるターゲットの照明への必要性を減少及び／又は排除する装置及び技術が提供され、これにより像形成器により消費される全体のパワー及び／又は全体の寸法が減少される。
【選択図】図２Ｂ

Description

本発明は、一般に光学的コード・シンボル、特にバーコード・シンボルの像を形成するようになった半導体デバイス及びそのような半導体デバイスを含むバーコード読取装置に関する。本発明は、より具体的には、光学的コード・像形成器及びカメラを含む、多数の画像素子を検出するためのソリッド・ステート・センサを用いる像形成システムに関する。本発明の特徴は、線形配列センサをベースとし、２次元センサをベースとし、手持ち式の読み取り器に特に有用である。本発明は、フォームファクタが減少させられた像形成器に関する。

光学的コードは、異なる光反射性又は光放射特性を有する画像領域からなるパターンであり、一般にアプリオリ規則に従って組み立てられる。「バーコード」という用語は、ある種の光学的コードを説明するために用いられることが多い。光学的コードの光学的特性及びパターンは、それらが使用される背景環境からそれらを外見上区別するために選択される。光学的コードからデータを識別し、又は取り出すための装置は、「光学的コード読取装置」とも呼ばれ、バーコードスキャナはその一つの型である。光学的コード読取装置は、店舗における精算サービス、工業立地における作業の流れ及び在庫管理、及び輸送機関における荷物追跡作業のような、多くの様々な環境において固定型又は携帯型装置の両方において用いられる。例えば、多くのバーコードが印刷されたリスト項目から目標とするバーコードを読み取ることによって、データ入力項目の迅速で一般化された手段として光学的コードを用いることができる。幾つかの用途において、光学的コード読取装置は、携帯型データ処理装置又はデータ収集及び送信装置に接続される。光学的コード読取装置は、手作業で目標とするコードに指向される手持ち式センサを含むことが多い。

大多数の従来のコード読取装置は、一次元のバーコード・シンボルを読み取るように設計されている。バーコードは、一定幅又は可変幅のスペースによって分離される可変幅の矩形のバーのパターンである。バーとスペースは、異なる光反射特性を有する。一次元のバーコードの一例は、例えば、製品在庫を識別するのに用いられるＵＰＣ／ＥＡＮコードである。

ソリッド・ステート像形成デバイスを用いてバーコードを読み取ることができる。例えば、二次元配列のセル又は光センサをデバイスの視野内にある画像要素すなわち画素に対応させたイメージセンサを用いることができる。このようなイメージ・センサは、二次元すなわち面配置の電荷結合デバイス（ＣＣＤ）と、これに関連させられて視野についての画素情報の二次元配列に対応する電気信号を生成する回路とにより構成することができる。例えば、Ｄａｎｉｅｌｓｏｎ等に付与された米国特許第６，１３８，９１５号のような一次元線形配列の光ダイオードはまた、バーコード反射画像を検出するのに使用するものとして公知であり、これを引用によりここに明示的に組み入れる。

光学的コード読取装置においてＣＣＤイメージ・センサと対物レンズとの組立体を用いることは、当該技術分野においては周知である。過去において、このようなシステムには、もともと比較的高価なビデオ撮像システム用として設計された複雑な対物レンズ組立体が用いられていた。このようなシステムは、シャープな単一焦点距離と限られた視野深度を有するものであり、従来の照準、照明、信号処理、及び復号アルゴリズムと相俟って、該システムの融通性及び動作範囲を制限するものである。

他の公知の像形成システムは、主に光学的コードを読み取るために設計される。このような読み取りシステムは、幾つかの小さな部品の組立てと位置合わせを必要とする。これらの部品には、レンズ、開口絞り、及びＣＣＤチップのような２Ｄイメージ・センサ配列が含まれる。このような構造体は、例えば、ＷＯ第９９／６４，９８０号において示されており、これは引用によりここに組み入れる。手に取付ける形式のコード読取装置において使用するようになった小型像形成器が、２０００年１０月１０日にＰａｔｅｌ等により出願された米国特許出願番号第０９／６８４，５１４号に開示されており、この出願は引用によりここに明示的に組み入れる。

像形成システムの設計は、該像形成システムが内部に作られることになるパッケージの寸法に左右される。既成部品を利用する従来の像形成システムは、既成部品の選択が限られているため、小型化するのが難しい。更に、小型像形成器の設計における種々の光学現象のため、部品の寸法と走査された画像の質との間の種々の妥協を、部品の選択の際に検討しなければならない。更に、光学現象のために、像形成器についての特定部品の選択が、小型像形成器についての他の部品の選択を制限することがある。

従って、本発明の目的は、光学的コード・シンボルの像を形成するための半導体デバイス及び小型像形成器と、そのような半導体デバイスを含むバーコード読取装置とを提供することである。
本発明の更に別の目的は、デバイスの物理的寸法と形状、すなわちフォームファクタを最小にしながら、適切な走査画像を提供する半導体デバイス又は小型像形成器を提供することである。
光学的コード・シンボルの像を形成するための半導体デバイス又は小型像形成器は、一般的には、該半導体デバイスが手持ち式装置内に組み込まれた携帯型用途において用いられる。一般に、これらの手持ち式装置のバッテリー体積は限られている。
本発明の目的は、画像を捕捉及び処理するのに最小量の電力しか使用しない、バーコード・シンボルの像を形成するための半導体デバイス又は小型像形成器を提供することである。
本発明の目的は、像形成システムの動作範囲を増加させることである。

ソリッド・ステート像形成器を用いる従来の像形成システムは、ターゲット画像の正確な復号を得るために、該ターゲット画像が像形成器のレンズから離れることができる距離に制限がある。具体的には、従来の像形成システムにおいて、ソリッド・ステート像形成器の画素列の面が、合焦レンズの光軸に垂直に配置される。従って、ソリッド・ステート像形成器の画素は、全てターゲット画像の同じ空間平面に合焦される。
全ての画素が同じ空間平面に合焦されることにより、像形成システムの動作範囲、すなわち該像形成システムとターゲット画像との間の距離が厳しく制限される。従来の像形成システムが単一焦点レンズを有する場合、ターゲット画像を適切に受け取り、復号するために、該像形成システムと該ターゲット画像との間の調整を行わねばならない。

照明を与え、照準を助けるために、像形成システムは、レーザーか又は発光ダイオード（ＬＥＤ）のいずれかを用いることができる。ＬＥＤ光源の非干渉性の性質が、レーザーによって発生するスペックル雑音衝撃を生成しないので、ＬＥＤはレーザーよりも好ましい。更に、ＬＥＤの製造及びパッキングが容易であるので、ＬＥＤは、レーザーより費用対効果が大きい。また、ＬＥＤをレーザーよりもコンパクトに作ることができ、かつ表面実装がより簡単である。しかしながら、レーザーと比較すると、ＬＥＤは理想的な点光源ではない。具体的には、ＬＥＤにより発した光は、十分に合焦せず、投射された光の線幅が大きくなる。ＬＥＤにより発した光の線幅を減少させるために、多くの設計者はＬＥＤの前に機械的スリットを配置する。しかしながら、この機械的スリットは、ＬＥＤにより対象物上に投射される光の量を減少させる。
従って、本発明の目的は、ＬＥＤにより投射される光の量を大幅に減少させることなく、投射される光の線幅を減少させるＬＥＤを提供することである。

本発明と共に用いることができる小型像形成器において、各々の画素の瞬間視野及び開口絞り領域を大きな寸法の像形成器と同等に維持しながら、大きな寸法の像形成器と比べて、像の列における画素幅又はピッチが減少される。この実施形態によると、画素幅又はピッチを４μｍとし、検出器列の長さを２ｍｎより少ないか又は等しくなるようにした像形成器を生成することができる。この実施形態の一態様によると、画素の交互の行を互いに対して１／２画素だけ互い違いに配置することによって、一次元の像形成器を、およそ３μｍの画素幅又はピッチでおよそ０．７５ｍｍの検出器列の長さを有するように形成することができる。

別の実施形態において、非常に小さいフォームファクタを有し、像形成器によってもたらされるわずかな人工照明で、或いは人工照明なしで作動することができ、これにより非常に低出力で作動する像形成器が提供される。本実施形態によると、像形成器チップは、像形成器ハウジング内の像形成器基板にマウントされる。像形成器ハウジングは、像形成器チップの周りに暗室を形成し、これにより該像形成器が外部シールなしに作動できるようになる。本実施形態の一態様によると、開口絞りの寸法を増加させ、これにより人工照明を提供するための像形成エンジンへの必要性を最小限にし、及び／又は排除することができる。本実施形態の別の態様によると、利得を有する低ノイズ・像形成器が提供され、人工照明を提供するための像形成エンジンへの必要性を減少させ、及び／又は排除する。本実施形態の更に別の態様によると、対数像形成器のような非線形の反応をもたらす像形成器を提供して人工照明を提供するための像形成エンジンへの必要性を減少させ、及び／又は排除することができる。

更に別の実施形態によると、像形成器は、イメージ・センサと合焦レンズとを含む。この像形成器センサは、第１面内に画素列を有し、合焦レンズは第２面内に光軸を有する。第１及び第２面は、互いに垂直にならないように配置され、これにより像形成器の動作範囲が増加する。

別の実施形態によると、デバイスが、正方形部分と、高さと幅が該正方形部分の高さと等しくない矩形部分を有する発光ダイオードを含む。このデバイスはまた、正方形部分に配置されたボンディングパッドを含む。本実施形態の一態様によると、発光ダイオードはまた第２正方形部分も含み、矩形部分は、高さの寸法である第１及び第２側面を有し、正方形部分は該矩形部分の第１側面に配置され、第２正方形部分は該矩形部分の第２側面に配置される。第２ボンディングパッドが、第２正方形部分上に配置される。別の実施形態によると、発光ダイオード・ダイが、発光ダイオードを囲むボンディングパッドを有する矩形形状の発光ダイオードを含む。

上述の内容を更に次のように定めることができる。
像形成器が、ターゲット画像に対応する電気信号を生成するためのソリッド・ステート・イメージ・センサを備え、該ソリッド・ステート・イメージ・センサは、１０２４画素より少ないか又は等しい画素数を有し、各々の画素の幅又はピッチが４μｍより少ないか又は等しい列を含む。像形成器はまた、ターゲットから反射された光を受け取り、該反射光をイメージ・センサに通させるための開口絞りを備える。このイメージ・センサは、一次元のイメージ・センサであるのが好ましく、画素数が１０２４画素より少ないか又は等しく、各々の画素の幅が３μｍに等しく、よって列の全長が１．５ミリメートルより少ないか又は等しくなるか、或いは、画素数が約５００画素より少ないか又は等しく、各々の画素の幅が３μｍに等しく、一方の行が他方の行より１／２画素だけオフセットして画素が２つの隣接した行に配置され、よって列の全長が０．７５ミリメートルより少ないか又は等しくなる。上述のイメージ・センサは、二次元のイメージ・センサであるのが好ましく、これにより列の最長の長さが２ミリメートルより少なくなる。特に、上述のイメージ・センサをＣＭＯＳ検出器列とすることができる。上述のイメージ・センサは、リフローはんだ付け技術を用いてプリント回路基板に取り付けるようにするのが好ましい。上述のイメージ・センサは、照明／照準発光ダイオードと、照明／照準レンズと、開口絞り内に配置される撮像レンズとを更に含むことができ、この装置は、成形されたパッケージ内に含ませられる。像形成器の寸法は、５ミリメートル×３ミリメートル×２．２５ミリメートルより少ないか又は等しいのが好ましい。

別の態様において、像形成器ハウジングを備え、該像形成器ハウジングは、像形成器チップと、像形成器ハウジング内において該像形成器チップの反対側に組み込まれたレンズとを含み、体積が３．３ｃｍ³（０．２０立方インチ）より少ないか又は等しくされた像形成器が提供される。像形成器チップは、暗室内に囲まれるのが好ましく、これにより像形成器が外部シールなしで作動することができるようになる。有利な態様は、像形成器の最大寸法が、２０．６×１４．２×１１．４ｍｍ³のものである。好ましい実施形態において、像形成・ハウジングは、ターゲット画像を照らすための発光デバイスを更に含み、及び／又は、像形成器ハウジングは、開口絞りを含み、像形成器による照明なしにターゲット画像を走査することができるように開口絞りの寸法が選択される。上述の像形成器チップは、利得を有する低ノイズ・像形成器であるのが好ましく、これにより像形成器による照明なしにターゲット画像を走査することができるようになる。上述の像形成器チップを対数反応式像形成器としてもよく、これによりターゲット画像の暗い部分と明るい部分の間のコントラストが増強され、像形成器による照明なしにターゲット画像を走査することができるようになる。

別の態様によると、像形成器チップと、像形成器ハウジング内において該像形成器チップの反対側に組み込まれたレンズとを含む像形成器ハウジングを備える像形成器が提供される。この像形成器チップは、画像信号を増幅する低ノイズ・像形成器であり、これにより像形成器による照明なしにターゲット画像を走査することができるようになる。像形成器ハウジングの体積は、３．３ｃｍ³（０．２０立方インチ）より少ないか又は等しいことが好ましい。

更に、像形成器チップと、像形成器ハウジング内において該像形成器チップの反対側に組み込まれたレンズとを含む像形成器ハウジングを備える像形成器が提供される。この像形成器チップは、ターゲット画像による該チップへの光反射に非線形の輝度反応をもたらし、これにより像形成器による照明なしにターゲット画像を走査することができるようになる。また、非線形の表示がターゲット画像の対数表示であることが好ましい。ここではまた、像形成器ハウジングの体積が、３．３ｃｍ³（０．２０立方インチ）より少ないか又は等しいことが好ましい。

更に別の態様によると、プリント回路基板に取り付けられた像形成・センサと開口絞りとを備え、体積が３．３ｃｍ³（０．２０立方インチ）より少ないか又は等しい像形成器が提供される。この像形成器の寸法は、２０．６×１４．２×１１．４ミリメートルであることが好ましい。この像形成器は、ターゲット画像の照明を提供するための発光ダイオード、及び／又はターゲット画像上のターゲットを照らし、像形成器に照準をあてるのを助けるための発光ダイオードを更に備えることが好ましい。

更に、第１面に水平方向の行の画像素子を有する部分と、光軸を有する合焦光学系とを含む二次元のイメージ・センサを備える像形成器が提供され、ここでは、イメージ・センサは、第１面が該光軸と垂直にならないように、かつ異なる行の画像素子に対して異なる焦点距離が与えられるように配向される。合焦光学系は、第１面と実質的に平行でない面を対称に含む対物レンズを含むことが好ましい。像形成器は、ターゲット画像の照明を提供するための発光ダイオードを更に含むことができる。

別の態様によると、正方形部分と、高さと幅が該正方形部分の高さと等しくない矩形部分とを有する発光ダイオードと、該正方形部分上に配置されたボンディングパッドとを備えるデバイスが提供される。特定の実施形態において、矩形部分は高さの寸法である第１及び第２側面を有し、発光ダイオードは第２正方形部分を更に備え、正方形部分は矩形部分の第１側面に配置され、該第２正方形部分は該矩形部分の第２側面に配置され、第２ボンディングパッドが該第２正方形部分上に配置される。

また、矩形の発光ダイオードと、該発光ダイオードを囲むボンディングパッドとを備えるデバイスが提供され、これにより該発光ダイオードから発した均一の光パワーが提供される。
本発明によると、１０２４を超えない画素を備え、各々の画素のアスペクト比が２対１より大きく、短寸法が４μｍより大きくなく２μｍより少なくない、光学的コード・シンボルの像を形成するための半導体デバイスが提供される。ここでは画素が単一の行に配置されるのが好ましい。更に、半導体デバイスは、２５６より少なくなく１０２４を超えない画素の組として構成された集光面を有することができる。

本発明の別の態様によると、上述の単一の半導体デバイスを備える読取装置の視野の像を形成するためのセンサを含むバーコード読取装置が提供される。
また、ここで記載されるのは、ターゲット画像を読み取るための小型像形成器である。小型像形成器の光学的及び電気システムは、一次元又はそれ以上の次元、或いは像形成器の体積を減少させるように最適化される。一実施形態によると、画素幅又はピッチ及び焦点距離は、各々の画素に対して大きい像形成器に匹敵する視野を維持するために、大きい像形成器のものより小さくされる。像形成器全体の寸法は減少するが、画素幅又はピッチが減少されることにより、開口絞り領域及び画素の瞬間視野を一定に保つことが可能になる。他の実施形態において、像形成器によるターゲットの照明への必要性を減少させ、及び／又は排除し、これにより該像形成器により消費される全体のパワー及び／又は全体の寸法を減少させる装置及び技術が提供される。線幅が減少された光を発する発光ダイオードのように、動作範囲が増大された像形成器が提供される。

本発明の目的と利点は、図面に関連して次の詳細な説明を読むことによって理解されるであろう。
以下の説明において、制限するためではなく説明するために、本発明が十分に理解されるように特定の詳細について述べる。しかしながら、当業者には、これらの特定の詳細から離れた他の実施形態において本発明を実行することができることが明らかであろう。他の例においては、本発明の説明を分かりにくくしないために、公知の方法、装置、及び回路の詳細な説明は省かれる。

図１Ａ及び図１Ｂは、それぞれ小型像形成器の平面図及び側面図を示す。この像形成器は、成形された光学パッケージ１１０内に組み込まれている。そうするための構造及び技術が、「成形された像形成器の光学パッケージ及び線形検出器に基づく走査エンジン」という名称の、Ｍａｚｚ等により２００１年６月１５日に出願された米国特許出願番号第０９／８８０，９０６号に開示されており、この出願は、引用により明示的にここに組み入れる。成形された光学パッケージは、像形成／復号器集積回路（ＩＣ）１２０と、照明／照準発光ダイオード（ＬＥＤ）１３０と、撮像レンズ１４０と、照明／照準レンズ１５０とを含む。本発明の好ましい実施形態によると、像形成／復号器ＩＣ１２０は、周知の相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）技術によって製造される。或いは、像形成／復号器ＩＣ１２０は、関連した復号回路を有するＣＣＤ像形成器を備えることができる。

作動において、像形成／復号器ＩＣ１２０は、撮像レンズ１４０を介して画像を受け取る。ターゲット画像の復号を助けるために、照明ＬＥＤ１３０が、照明／照準レンズ１５０を介してターゲット画像上に光を投射する。像形成／復号器ＩＣの適切な視野におけるターゲット画像の位置決めは、照明／照準ＬＥＤ１３０を用いてターゲット画像上に照準パターンを投射することにより助けられる。照明／照準ＬＥＤは、照明／照準レンズ１５０を通じてターゲット画像上に合焦される。照明／照準ＬＥＤからの光が、ターゲット画像上において既知のターゲットパターンのいずれかで散乱されるように、照明／照準レンズ１５０を設計することができる。

像形成システムの体積は、像形成／復号器ＩＣ１２０の検出器列の画素幅又はピッチを拡大縮小することによって拡大縮小される。画素幅又はピッチは、イメージ・センサ上の画像素子すなわち画素間の間隔を基準とする。画素幅又はピッチが減少する場合には、匹敵する視野を維持するように焦点距離が減少させられる。開口絞りの寸法が一定に保たれる場合には、画素当たり同じ量の光が集光され、像形成器の感度に損失はない。開口絞りの寸法が像形成器の寸法を制限しない場合には、２Ｄの像形成システムにおいて、３方向の寸法全てを画素の倍率によって拡大縮小する。１Ｄ像形成システムにおいては、２方向の寸法を画素の倍率によって拡大縮小する。

像形成エンジンは、各々の画素に対して同様の焦点深度及び同様の光処理能力を提供するように設計される。このことにより、画素のダイナミック・レンジ及び画素の量子効率が犠牲になる。画素のダイナミック・レンジの影響は一次的であるが、バーコード・像形成のような用途には、ダイナミック・レンジはあまり重要でない。例えば、５λより大きい比較的大きな画素に対して、画素の量子効率は二次的である。点光源から光学システムにより集光される光は、方程式

により与えられる。
この方程式において、Ａ_apertureは、開口絞りの面積であり、ｓは、光源までの距離である。単一の画素の瞬間視野を積分することによって、該画素により集光される光の量は、方程式

により与えられる。

像形成システムの画素ピッチ又は幅が減少されると、焦点深度を維持しながら開口絞りの面積（Ａ_aperture）及び画素の瞬間視野（Ａ_pixelFOV）を一定に保持することができる。このことは、センサの寸法が減少されたときに、物体空間において、全て、すなわち開口絞りの寸法、公称焦点距離、視野、及び各画素の瞬間視野が同じになることを保証する。従って、バーコードの読み取り性能に実質的影響を与えずに像形成エンジンの寸法を拡大縮小することができる。

上述の図において、図１Ａ及び図１Ｂに示される小型像形成器は、４μｍのピッチ及び５１２画素をもつＣＭＯＳ検出器列を有する。これは、およそ２ｍｍの長さの有利な小型検出器になる。このシステムの焦点距離は、およそ３ｍｍである。従って、図１Ａ及び図１Ｂに示される走査エンジンの全体の寸法は、およそ５×３×２．２５ｍｍ³とすることができる。

画素幅又はピッチの実質的な限界は、およそ３μｍである。１Ｄシステムにおいて、２つ又はそれ以上の行の画素をオフセットさせること、例えば、交互配置させることによって、検出器の設置面積を更に小型化することができる。例えば、３μｍのピッチを有する５００画素の列の長さは、１．５ｍｍである。この列を１／２画素だけオフセットした２つの隣接する行として配置することにより、画素幅又はピッチは３μｍに維持されるが、結果として得られる検出器列の長さは、０．７５ｍｍとなる。この列は１／２画素だけオフセットするので、画素値を合算して１．５μｍ画素に相当する解像度を得ることができる。画素幅又はピッチは、フォトンを吸収するために適正な水準に維持されるが、検出器の設置面積、及びシステムの全体の体積を劇的に減少させることができる。

像形成検出器列、読み取り用電子機器、アナログ・デジタル変換器、及び復号論理を全て単一のチップに組み込むことができる。像形成／復号チップは、２つのＬＥＤダイ又は小さいレーザーを有する担体上にマウントされる。この担体は、ＦＲ４基板、業界認知された有機基板であってもよく、より大きい回路基板に取り付けるためのリードフレーム又ははんだバンプを含んでもよい。この担体は、成形されたプラスチックの断片で覆われており、内部に光学面が成形されている。この成形されたプラスチックのカバーは、光学品質であり、自動回路基板アセンブリに生じる温度に耐えることができる。このデバイスは、光学機械及び電子機器を含む完全なスキャナであり、これを表面実装の集積回路のように取り扱うことができ、リフローはんだ付技術に適合する。図１Ａ及び図１Ｂに示されるようなデバイスは、はんだ接合のみにより回路基板に機械的に取り付けられた完全な像形成器である。従って、図１Ａ及び図１Ｂに示される小型像形成器は、ねじ又はいずれかの同様の機械的支持を必要とせず、よってこの像形成エンジンを組み込むデバイスの寸法と複雑さを減少させる。

図２Ａから図２Ｃまでは、それぞれ別の小型像形成器の平面図、正面図、及び側面図を示す。図２Ａから図２Ｃまでに示される小型像形成器は、非常に小さなフォームファクタを有し、超低電力で作動するためのほんのわずかな人工照明か、又は人工照明なしで作動することができる。小型像形成器は、当業者には公知の、いくつもの使用可能な金属又はプラスチック材料から作ることができる像形成器ハウジング２１０を含む。像形成器ハウジング２１０の内部に、利用可能な結合及び取り付け技術のいずれか一つを用いて、像形成器チップ２２０が像形成器基板２３０に取り付けられる。更に、チップ・オン・ボード技術を用いて、像形成器チップ２２０を像形成器基板２３０に取り付けることができる。像形成器チップ２２０は、像形成器ハウジング２１０内においてレンズ２４０の真後ろに配置される。レンズ２４０は、いずれの適切な透明材料から作ってもよい。像形成器チップは、像形成器ハウジング２１０内に形成された暗室２５０内に囲まれ、該像形成器チップ２２０が外部シールなしに作動できるようになり、例えば、カメラ、端末装置又はマイクロコンピュータのようなホスト装置の設計が簡単になる。

像形成器チップ２２０によって捉えられた場面のコントラストを達成するために、ＬＥＤ２６０を設けることができる。ＬＥＤ２６０は、個別又は一体型の列のいずれにしてもよい。更に、必要であれば、光を分散するための光学系を像形成器ハウジング２１０内に配置して場面を照らすことができる。或いは、像形成器チップ２２０によって捉えられた場面のコントラストを達成するために、開口絞りの寸法を増大させることができる。開口絞りの寸法を増加させることは、動作範囲の減少をもたらすが、ターゲット画像を照らす必要性を最小化、又は排除することによって電力消費を減少させること可能になる。

像形成器チップ２２０によって捉えられた場面のコントラストを達成する更に別の選択肢は、利得を有する低ノイズ・像形成器、又は対数反応式像形成器を用いることである。像形成器のノイズの下限がアナログ・デジタル変換器の量子化水準より下である場合には、アナログ信号を増幅して少量の光を用いて捉えられた画像のコントラストを増大させることができる。ほとんど明るい部分への影響なく画像の暗い部分の間のコントラストを増大させるために、対数変換のような非線形の変換を用いることができる。更に、コントラストを達成するための上記技術のいずれかを結合させて像形成器の反応を改善することができる。広い場面内ダイナミック・レンジを達成するために、自動利得制御を用いることができる。

図２Ａから図２Ｃまでに示された像形成器を図に示したものから更に変更できることを認識すべきである。レンズ２４０は不可欠の部品ではなく、これを省くことができ、及び／又は、他の光学部品を、レンズ２４０と共に、或いは、該レンズ２４０の代わりに用いることができる。例えば、光学ハウジングは、像形成器チップ上に光を指向させるために一つ又はそれ以上のミラーを含むことができ、場面のコントラストを改善するのを助ける。更に、光学ハウジングは、光を像形成器チップ２２０に指向させるために、プリズム又は他の回折素子を含むことができる。更に、像形成器は、プラスチック又はガラスの透明な断片をレンズと像形成器との間の光路に挿入するためのモータを含むことができ、その結果、レンズは２つの異なる位置で合焦するようになる。像形成器ハウジング及びレンズのコストを減少させるために、これらの部品を成形されたプラスチックで作ることができる。更に、金型内で使用されるスクリーンが暗室及びレンズ・開口絞りを形成することも可能である。

従って、図２Ａから図２Ｃまでに示される小型像形成器を、例えば、ＳＥ９００フォームファクタのような、最大寸法がおよそ２０．６×１４．２×１１．４ｍｍ³（０．８１１×０．５５９×０．４４９インチ）で像形成器の体積が３．３ｃｍ³（０．２０立方インチ）となる小さなフォームファクタのものとすることができる。このＳＥ９００フォームファクタは、像形成システムの製造に関する像形成器産業において用いられるフォームファクタである。像形成器は、接続されたマイクロコンピュータ又は表示装置への、アナログ又はデジタルのいずれかの信号の流れを生成するのに十分な光学系及び電子機器を含む。像形成チップ２２０の像形成器をＣＣＤ又はＣＭＯＳのいずれかにすることもできる。

図３は、別の小型像形成器を示す。図３に示される小型像形成器は、像形成器ハウジング３１０を含む。像形成器ハウジング３１０の内部には、プリント回路基板３３０に取り付けられたイメージ・センサ３２０がある。イメージセンサ３２０は、ＣＭＯＳイメージ・センサであってもよい。プリント回路基板は、像形成器ハウジング３１０の近く又は後部に設けられる。開口絞り３４０は、イメージ・センサ３２０が場面を捉えることができるように像形成器ハウジング３１０内に組み込まれる。像形成器ハウジング３１０の前面には、場面の照明及び照準のために複数のＬＥＤ３５０が含まれる。像形成器ハウジングの前面にあるＬＥＤ３５０の配置は、ターゲットを照らし、ユーザが図３の像形成器を組み込むデバイスに照準を定めるのを助けるように意図されたいずれの周知の設計としてもよいことが理解されるであろう。図３の像形成器の寸法は、およそ２０．６×１４．２×１１．４ｍｍ³（幅／深さ／高さ）であり、像形成器の体積は、およそ３．３ｍｍ³（０．２０立方インチ）となる。もちろん、例えば、より小さな画素数又は画素幅が用いられる場合には、より小さな寸法にすることもできる。

図４は、小型像形成器の電子機器回路を示す。図４の像形成器は、クロック駆動装置及びチャージ・ポンプ４２０を介して制御される２Ｄ領域センサ４１０を含む。クロック駆動装置及びチャージ・ポンプ４２０は、タイミング発生器４３０から受け取った信号によって制御される。２Ｄ領域センサ４１０によって捉えられた画像は、相関二回抽出区画（ＣＤＳ）４４０に与えられる。画素は、リセットされた時に必ずしも同じ値に戻るとは限らないので、標準リセット値に戻されなかった画素により発生したオフセットを取り除くために、相関二回抽出法が用いられる。従って、相関二回抽出法は、２つの画素値を捉えることを必要とする。第１の値は、例えばバーコードのような、所望の画像を有する画素値であり、第２の値は、リセットされた後の画素値である。各画素の２つの値が比較されて、標準リセット値に戻されなかった画素により発生したオフセットを取り除く。相関二回抽出法を実行した後、画像は弱い交流結合の中を通され、相関二回抽出された画像の直流成分を遮断する。弱い交流結合の後、自動利得制御（ＡＧＣ）が信号を増幅し、次にアナログ・デジタル変換器４４４に送られる。本発明の好ましい実施形態によると、アナログ・デジタル変換器４４４は、９ビットのアナログ・デジタル変換器である。

デジタル・データは、アナログ・デジタル変換器４４４により、グルーロジックのユーザー自身が書き換え可能なゲートアレイ（ＦＰＧＡ）区画４５０に送られる。このグルーロジック／ＦＰＧＡ４５０は、マイクロプロセッサ４６０がデジタルデータを読み取ることができるように該デジタルデータをパックし、該マイクロプロセッサ４６０に接続して全てのカメラ制御を行えるようにする。マイクロプロセッサ４６０は、該マイクロプロセッサと同じＩＣに組み込まれたＤＲＡＭを含み、結果物としての像形成器についての寸法とコストを減少させることを可能にしながらシステムの速度を増加させる。マイクロプロセッサ４６０は、フラッシュメモリ内に格納されたプログラムの制御のもとで、外部データ及びアドレスバスを介して作動する。

本発明の好ましい実施形態において、６５０ｎｍの赤色ＬＥＤにより提供される照明モジュール４７５を用いて、ターゲット画像を照らすことができる。このＬＥＤは、ターゲット画像が均一に照らされるように配置される。像形成器のユーザを手助けするため、独自の照準パターンを提供するように照準モジュール４８０を用いることができる。照準モジュール４８０は、レーザーダイオードと、回折光学素子（ＤＯＥ）とを含むことができ、独自の照準パターンを提供する。ホストインターフェース４９０を用いて、小型像形成器を組み込むホスト装置と該小型像形成器との間の対話がもたらされる。ここに記載される像形成器は小型、すなわち小さいフォームファクタであるので、ホスト装置を携帯型無線電話（携帯電話）、個人用携帯型情報端末（ＰＤＡ）、又は同種のものとすることができる。図４に関連して説明された素子を用いて、ＳＥ１２２３フォームファクタで製造することができる小型像形成器を達成することができる。このＳＥ１２２３フォームファクタは、像形成デバイスの製造に関する像形成器産業において用いられるフォームファクタである。

イメージ・センサの面を合焦レンズの光軸に垂直でない角度で配置することによって、像形成器の動作範囲を増加させることができる。図５は、動作範囲が増加された像形成器を示す。具体的には、像形成器は、イメージ・センサ５１０と合焦レンズ５２０とを含む。イメージ・センサは、レンズ５２０に面する複数の水平方向の画素行を備える。図５に示されていないが、中に示される像形成器は、図１から図４までに関して上述されたものと同様の付加的な部品を有することができることが理解されるであろう。

図５に示されるように、像形成器５１０の画素の前部に平行な面は、合焦レンズ５２０の光軸に対して角度θだけ傾けられている。従って、例えば、像形成器５１０の一つの水平方向画素行ＰＲ１は、第１空間面１’に合焦され、別の水平方向画素行ＰＲ２は、該第１空間面１’とは異なる第２空間面２’に合焦される。像形成器５１０のイメージ・センサを合焦レンズ５２０の光軸ＯＡに対して直角ではない角度θで配置することによって、像形成器は、異なる空間面に合焦される水平方向画素行の各々に問い合わせすることで該像形成器から様々な距離にあるターゲット画像を読み取り、復号することができる。様々な距離にあるターゲット画像を読み取り、復号する能力により、該ターゲット画像をうまく読み取り、復号するために像形成器とターゲット画像との間の距離を手作業で調整しなければならないユーザのもどかしさが軽減される。図５に示される像形成器を、手動又は自動モードのいずれかにおいて一次元又は二次元のバーコードを読み取るために用いることができる。

図６Ａは、従来のＬＥＤの平面図を示す。ＬＥＤ６００は、該ＬＥＤ６００に電力を供給するボンディングパッド６１０を含む。図６Ａに示されるもののような従来のＬＥＤの形状は、およそ３５０μｍ×３５０μｍの寸法の正方形である。図６Ａに示されるように、一般にボンディングパッド６１０は、ＬＥＤ６００の中心に位置する。このボンディングパッド６１０の配置は、ＬＥＤ６００から発する光パワーのおよそ３０％を遮断する。更に、上述のように、従来のＬＥＤが生成する光はレーザーほど合焦されず、その結果、線幅が増した光が投射されることになる。

図６Ｂから図６Ｅは、新規なＬＥＤの３つの異なる実施形態を示す。一般に、新規なＬＥＤは、従来のＬＥＤのダイ面積とほぼ同じダイ面積を有し、これにより従来のＬＥＤとほぼ同じ発光パワーを維持する。しかしながら、新規なＬＥＤのダイは、合焦方向、すなわち線幅を生成する方向に細くなり、別の方向に長くなっている。ここで図６Ｂを参照すると、ＬＥＤ６１５は、正方形部分６２０と、長い矩形部分６２５とを有する。より一般に、言い換えれば、新規なＬＥＤは、ボンディングパッドを有する少なくとも一つの主要部分と、該主要部から延びる長い部分とを有する。この主要部が正方形形状であり、長い部分が矩形である必要はなく、例えば、図６Ｂの実施形態のかど部を丸くすることもできる。再び図６Ｂを参照すると、正方形部分６２０は、ボンディングパッド６３０を有する。図６Ｂに示されるように、ＬＥＤ６２０の寸法は、Ｄ_x×Ｄ_yであり、ここでＤ_yは、長い部分６２５の幅である。ＬＥＤを駆動する電圧がボンディングパッドを介して供給されるので、ＬＥＤから発する光パワーの量は、ＬＥＤの部分が該ボンディングパッドから遠ざかるにつれて減少する。従って、図６Ｂにおいて、長い部分６２５から発した光パワーの量は、ボンディングパッド６３０の右へ遠ざかる部分に向けて減少する。

図６Ｃは、別の新規なＬＥＤの平面図を示す。具体的には、ＬＥＤ６３５は、矩形部分６４２によって接合された２つの正方形部分６４０及び６４７を有する。正方形部分６４０の上にはボンディングパッド６４５が配置され、正方形部分６４７の上にはボンディングパッド６５０が配置される。ボンディングパッド６４５及び６５０を矩形部分６４２の両側に配置することによって、図６Ｂに示されるＬＥＤ６１５と比べて、該矩形部分から発したより均一な量の光パワーを得ることができる。

図６Ｄは、更に別の新規なＬＥＤを示す。ボンディングパッド６７０は、ＬＥＤ６５５の矩形部分６６０に隣接して配置される。
従って、ボンディングパッド６７０は、長い部分から発するいかなる光も遮断しない。更に、図６Ｃのボンディングパッドの配置が、矩形部分の中心の光の量を減少させることになるのに対して、図６Ｄのボンディングパッド６７０の配置は、ＬＥＤダイ６５５の矩形部分６６０の中心から発する光をより均一に分布することを保証する。

図６Ｅは、更に別の新規なＬＥＤの平面図を示す。ＬＥＤダイ６７５の矩形部分６８０は、ボンディングパッド６８５により全ての面が囲まれている。ボンディングパッド６８５でＬＥＤダイ６７５の矩形部分６８０を囲むことによって、図６Ｂから図６Ｄまでに示されるＬＥＤダイに比べて、ＬＥＤ６７５の矩形部分全体から発する光が均一に分布される。本発明の一実施形態によると、図６Ｂから図６ＤまでのＤ_yを５０μｍより少ないか又は等しくすることができる。従来のＬＥＤと同じ発光パワーを維持するために、ＬＥＤのダイ面積が従来のＬＥＤのダイ面積と同じになるように図６Ｂから図６ＥまでのＤ_yが選択される。

図７は、本発明による、光学的コード・シンボル、具体的にはバーコード・シンボルの像を形成するための半導体デバイス１の高度に概略的な図である。この半導体デバイスは、バーコード読取装置の視野の像を形成するためのセンサとして好ましい用途を見出すことができ、これを小型像形成器のような上述した素子の幾つか又は全て、上述したＬＥＤなどと共に用いることができる。

半導体デバイス１は、１０２４を超えない画素２を備える。画素数は、２５６と１０２４の間であることが好ましい。好ましい実施形態は、例えば、５１２画素を備えることができる。この画素２の各々のアスペクト比は２対１より大きく、短寸法は４μｍより大きくなく２μｍより少なくない。一般に、例えば、上述のように、画素を、互いに１／２画素だけ互い違いになった交互の行に配置して形成することができるが、ここでは、図７に示すように画素を単一の行に配置することが好ましいものとする。図７から明らかように、画素は、長寸法が行に垂直になるように、かつ行が互いに隣接して配置された画素の短寸法で形成されるように配置される。半導体デバイスが小さな寸法であるにもかかわらず、バーとバーコード・シンボルの中間スペースを十分に識別することができるので、２対１より大きい画素のアスペクト比は、バーコード・シンボルを読み取る際に半導体デバイスに優れた結果をもたらす。

上述したこの種の半導体デバイスは、バーコード読取装置における視野の像を形成するためのセンサを形成することができる。このようなセンサは、特に小さいが、依然としてバーコード・シンボルの像を確実に形成することができる。本発明の単一の半導体デバイスは、バーコード・シンボルの像を形成するのに十分であるので、携帯型及び又はバーコード読取装置の小型の用途に特に有用なセンサ（及び、バーコード読取装置）を非常に小さいものにすることができる。

小型像形成器の平面図を示す。小型像形成器の側面図を示す。別の小型像形成器の平面図を示す。別の小型像形成器の正面図を示す。別の小型像形成器の側面図を示す。更に別の小型像形成器を示す。小型像形成器の電気部品を示す。動作範囲が増大された像形成器を示す。従来のＬＥＤを示す。本発明と共に用いることができるＬＥＤを示す。本発明と共に用いることができる別のＬＥＤを示す。本発明と共に用いることができる更に別のＬＥＤを示す。本発明と共に用いることができる更に別のＬＥＤを示す。本発明による半導体デバイスを示す。

符号の説明

１１０光学パッケージ
１２０像形成／復号器集積回路
１３０照明ＬＥＤ
１４０撮像レンズ
１５０照明／照準
２１０像形成器ハウジング
２２０像形成器チップ
２３０像形成器基板
２４０レンズ
２５０暗室
２６０ＬＥＤ
３１０ハウジング
３２０イメージ・センサ
３３０プリント回路基板
３４０開口絞り
３５０ＬＥＤ
６００、６１５、６３５、６５５、６７５ＬＥＤ
６２０、６４０、６４７正方形部分
６２５、６４２、６６０、６８０矩形部分
６１０、６３０、６４５、６５０、６７０、６８５ボンディングパッド

Claims

モジュールと、視野にわたりターゲットを像形成し、交互に直交する列と行に配置された画素アレイを有する、前記モジュール内のソリッド・ステート・イメージセンサと、該イメージセンサのターゲットの像に焦点をあてる、前記モジュール内の焦点レンズと、を含む像形成システムであって、
前記モジュール内の開口絞りの大きさは、前記モジュール上の光源によって照射されることなく前記ターゲットを像形成できるような大きさであることを特徴とする像形成システム。
前記焦点レンズは光学軸を有しており、前記アレイは該光学軸に対して９０度以外の角度である像形成面内にあることを特徴とする請求項１に記載の像形成システム。
前記アレイは、５１２ピクセルを有するものであることを特徴とする請求項１に記載の像形成システム。
前記イメージセンサを包み込む、前記モジュール内の暗室を有することを特徴とする請求項１に記載の像形成システム。
前記列の各々は、長手方向に沿った２ｍｍを越えない長さを有し、前期ピクセルの各々は、長寸法と短寸法と、２対１より大きいアスペクト比を有しており、前記各ピクセルの短寸法は４μｍよりも小さくて、２μｍより大きく、各列のピクセルは、ピッチ空間ずつ離間しており、連続する前記列の前記ピクセルは前記ピッチ空間の１/２だけ互いにオフセットしていることを特徴とする請求項１に記載の像形成システム。
前記ピッチ空間は４μｍであることを特徴とする請求項１に記載の像形成システム。
前記モジュールは３．３立法センチメートルより小さい容積を占めることを特徴とする請求項１に記載の像形成システム。
前記容積は、約２０．６ｍｍ×１４．２ｍｍ×１１.４ｍｍであることを特徴とする請求項７に記載の像形成システム。