JP2778530B2 - 光ビーム走査装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、バーコードリーダ
等の光学系に使用される光ビーム走査装置に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】従来より、バーコードリーダ等において
レーザ光を放射して被検体（バーコードラベル）を走査
する光ビーム走査装置がある（例えば、特願平２−２９
４８８８号公報）。図５（ａ）は従来の光ビーム走査装
置のブロック図である。１１は光ビームを発生するビー
ム光源、１２ａ、１２ｂは光源１１から放射された光ビ
ームを集束させる固定焦点レンズ、１３、１４は折り返
しミラー、１５はミラー１４からの光ビームを偏向させ
るポリゴン、２０は光軸、２１は例えばバーコードラベ
ルとなる走査面である。

【０００３】次に、このような光ビーム走査装置の動作
を説明する。ビーム光源１１から放射された光ビーム
は、集束光学系をなすレンズ１２ａ、１２ｂによって走
査面２１上で指定されたビームスポット径を有するよう
に集束され、折り返しミラー１３、１４によって反射さ
れてポリゴン１５に照射される。ポリゴン１５は図示し
ない回転機構によって回転しており、入射ビームを扇型
に偏向する。こうして、光ビームが走査面２１上を直線
走査する（図５（ａ）では上から下へ走査する）。そし
て、走査面２１からの反射光は、図示しない光検出器に
よって検出され、バーコード情報として読み取られるこ
とになる。

【０００４】しかし、このような走査装置は扇型偏向を
行っているため、走査ビームのスポット径が走査面２１
上で同一とならず、ビームスポット径が同一となる点を
連ねると図５（ａ）のような曲線２２となる。したがっ
て、走査面２１上では走査の端に近づくほどビームスポ
ット径が太くなり、一種の収差となっていた。図５
（ｂ）のように、ポリゴン１５へ入射する光ビームとポ
リゴン１５の面との交点Ａから走査面２１までの光軸２
０に沿った距離をｄ０、光ビームの偏向角をθとする
と、点Ａから走査面２１までの光ビームに沿った距離
ｄ、及びビーム径が最も細くなる位置（曲線２２）から
走査面２１までの距離の誤差Δｄは、次式となる。

【０００５】 ｄ＝ｄ０／ｃｏｓθ ・・・（１） Δｄ＝ｄ−ｄ０＝ｄ０（１／ｃｏｓθ−１） ・・・（２） このような収差が発生すると、走査の端に近づくほどビ
ームスポット径が太くなるため、分解能が低下する。こ
れを抑えるためには、許容スポット径の範囲内に収まる
ように狭い偏向角で使用すればよいが、この場合には読
取り範囲が狭くなる。

【０００６】また、このような問題を解決する他の手法
として、図６のようにポリゴン１５の前方にｆθレンズ
１６を配置する方法がある。ｆθレンズ１６は、偏向角
θに応じて焦点距離が変わるものである。これによっ
て、走査面２１上でビームスポット径を一定に保つこと
ができる。ただし、ｆθレンズ１６は個々の光学系で仕
様が一義的に決まり、特性変更が不可能であるため、他
の光学系に転用することができず、高価になる。

【０００７】また、ポリゴン１５の前方に平面反射鏡を
配置して走査ビームの方向転換を行ったり、バーコード
ラベルに対して光ビームが斜めに走査した場合でも読み
取ることができるように、平面反射鏡を図７のように２
枚組の鏡１７で構成して走査線分割を行ったりしている
場合がある。図７では、ポリゴン１５で反射された光ビ
ームは、平面反射鏡１７で紙面の下方に反射され方向転
換が行われる。このような場合には、収差の解決方法と
して上記平面反射鏡を凹面鏡に置き換えて、走査面上で
ビームスポット径が一定となるようにすることもでき
る。ただし、このように凹面鏡を用いて補正する場合、
受光感度を得るために大きな面積の凹面鏡が必要となる
ため、高価になる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】以上のように従来の光
ビーム走査装置には、走査ビーム径が走査面上で一定と
ならない、つまり収差が発生して分解能が低下し、この
収差を抑えるために狭い偏向角で使用すると、読取り範
囲が狭くなるという問題点があった。また、この収差を
ｆθレンズ又は凹面鏡を用いて補正する場合には、コス
トアップになるという問題点があった。本発明は、上記
課題を解決するために、走査面上でビームスポット径を
一定に保つことができる光ビーム走査装置を提供するこ
とを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、光ビームを発
生する光源と、光ビームを集束させる集束光学系と、こ
の集束光学系からの光ビームを偏向させる偏向素子と、
光ビームの偏向角度を検出するセンサと、焦点距離を変
化させる制御信号を可変焦点レンズに出力する制御部と
を有するものである。このような構成により、制御部が
センサで検出された光ビームの偏向角度に基づいて制御
信号を可変焦点レンズに出力する。こうして、光ビーム
の偏向に伴う走査面までの光学距離の変化に応じて、可
変焦点レンズの焦点距離が変化する。また、集束光学系
は、可変焦点レンズの焦点可変範囲を調整するための固
定焦点レンズを有するものである。このような構成によ
り、走査面上における光ビームスポット径と走査面まで
の光学距離の可変範囲を調整することができる。

【００１０】

【発明の実施の形態】図１は本発明の１実施の形態を示
す光ビーム走査装置のブロック図である。１はビーム光
源、２はビーム光源１から放射された光ビームを集束さ
せる集束光学系、２ａ、２ｂは集束光学系２をなす焦点
距離の調整が可能な可変焦点レンズ、３、４は折り返し
ミラー、５は偏向素子となるポリゴン、６はポリゴン５
の回転位置を後述する反射マークからの反射によって検
出する反射型検知センサである。また、７は制御部であ
り、センサ６の検出に応じて、走査面２１上で光ビーム
スポット径が所望の値となるように焦点距離を変化させ
る制御信号を可変焦点レンズ２ａ、２ｂに出力する。

【００１１】次に、このような光ビーム走査装置の動作
を説明する。基本的な動作は図５（ａ）の例と同じであ
り、ビーム光源１から放射されたレーザビームは、集束
光学系２をなす可変焦点レンズ２ａ、２ｂによって集束
され、折り返しミラー３、４によって方向転換されて、
回転しているポリゴン５の面に照射されて偏向される。
こうして、光ビームが走査面２１上を直線走査する。

【００１２】なお、図１では、折り返しミラー４及びこ
のミラー４で反射してポリゴン５へ入射する光と、ポリ
ゴン５で反射する光とが同一平面（すなわち紙面）上に
配置されているように見えるが、実際にはこれらは異な
る平面上に配置され、ポリゴン５への入射光と反射光が
重ならないことは言うまでもない。また、ポリゴン５の
反射面は４面あるので、ポリゴン５の１回転で４回の走
査が行われる。

【００１３】制御部７は、光ビームの偏向角に基づいて
可変焦点レンズ２ａ、２ｂの焦点距離を制御する制御信
号を以下のように出力する。このためには、ポリゴン５
の回転に伴って変化する光ビームの偏向角を検出する必
要があるが、本実施の形態では反射型検知センサ６によ
って上記偏向角に相当するポリゴン５の回転位置を検出
する。

【００１４】図２はポリゴン５と反射型検知センサ６の
位置関係を示す図である。５ａはポリゴン５の回転軸、
５ｂは回転軸５ａに平行なポリゴン５の４面（光ビーム
の入反射面）に対応して、回転軸５ａに垂直なポリゴン
５の面に４枚設けられた反射マークである。

【００１５】この反射型検知センサ６は、回転軸５ａに
垂直なポリゴン５の面に光を照射する。そして、反射マ
ーク５ｂにこの光が入射したとき、マーク５ｂで反射さ
れた光をセンサ６が検出するようになっている。こうし
て、ポリゴン５の１回転に伴う４回の走査のそれぞれに
ついて走査の開始時点、つまり走査面２１上の点Ｓ１に
走査ビームが当たる時点を検出することができるように
なっている。

【００１６】次に、制御部７を説明する前に集束光学系
２について説明する。図３は集束光学系２による結像の
様子を示す図である。集束光学系２の構成は、従来から
知られている２枚の固定焦点レンズからなる光学系と同
じであるが、レンズが可変焦点レンズ２ａ、２ｂである
ことが異なる（集束光学系についての参考文献：龍岡、
杉浦、「ガウスビームの集光特性」、ＮＨＫ技術研究
誌、１０〜１９頁、１９７５年１月号、可変焦点レンズ
についての参考文献：特開昭６３−２２９４０１号公
報）。

【００１７】図３より幾何光学的に関係式を求めると以
下の式が得られる。 １／Ｒ２＝−１／ｆａ＋１／Ｒ１ ・・・（３） Ｚ０＝Ｒ２／［１＋｛λ×Ｒ２／（π×Ｗ１² ）｝² ］ ・・・（４） Ｗ２² ＝｛λ×Ｒ２／（π×Ｗ１）｝² ／［１＋｛λ×Ｒ２／（π×Ｗ１² ）｝² ］ ・・・（５）

【００１８】 Ｒ３＝（Ｄ＋Ｚ０）×［１＋｛π×Ｗ２² ／｛λ×（Ｄ＋Ｚ０）｝｝² ］ ・・・（６） １／Ｒ４＝−１／ｆｂ＋１／Ｒ３ ・・・（７） Ｚ１＝Ｒ４／［１＋｛λ×Ｒ４／（π×Ｗ２² ）｝² ］ ・・・（８） Ｗ３² ＝｛λ×Ｒ４／（π×Ｗ２）｝² ／［１＋｛λ×Ｒ４／（π×Ｗ２² ）｝² ］ ・・・（９）

【００１９】ここで、ｆａ、ｆｂはそれぞれ可変焦点レ
ンズ２ａ、２ｂの焦点距離、λは光ビームの波長、Ｗ１
はビーム光源１から可変焦点レンズ２ａに入射する光ビ
ームの半径、Ｗ２はレンズ２ａによって集束された光ビ
ームの半径、Ｗ３はレンズ２ｂによって集束された光ビ
ームの半径、Ｄはレンズ２ａと２ｂ間の距離、Ｒ１はレ
ンズ２ａへの入射波面の曲率半径、Ｒ２はレンズ２ａの
出射波面の曲率半径、Ｒ３はレンズ２ｂへの入射波面の
曲率半径、Ｒ４はレンズ２ｂの出射波面の曲率半径、Ｚ
０はレンズ２ａからレンズ２ａと２ｂの間のビームウエ
ストまでの距離、Ｚ１はレンズ２ｂからレンズ２ｂの後
方のビームウエストまでの距離である。

【００２０】また、図３において、Ｐ１はレンズ２ａへ
の入射波面の曲率中心、Ｐ２はレンズ２ａの出射波面及
びレンズ２ｂへの入射波面の曲率中心、Ｐ３はレンズ２
ｂの出射波面の曲率中心、３０はレンズ２ａの出射波面
である。可変焦点レンズ２ａの出射部分を拡大すると、
レンズ２ａの出射波面３０は曲率中心Ｐ２を中心とする
曲率円をなし、曲率中心Ｐ２と出射波面３０との距離が
曲率半径Ｒ２である。また、曲率中心Ｐ２の位置が光ビ
ームが最も細くなるビームウエストの位置であり、この
ビームウエストの位置における光ビームの半径がＷ２で
ある。

【００２１】このような波面、曲率中心、曲率半径、ビ
ームウエスト、ビーム半径に関する説明は、レンズ２ａ
の入射側におけるＰ１、Ｒ１、レンズ２ｂの入射側にお
けるＰ２、Ｒ３、Ｗ２、出射側におけるＰ３、Ｒ４、Ｗ
３でも同様に成り立つ。なお、可変焦点レンズ２ａの出
射波とレンズ２ｂの入射波のビームウエストは一致する
ので、Ｐ２、Ｗ２はこれら両者に共通である。

【００２２】ところで、光源１から可変焦点レンズ２ａ
に放射されるビームの特性、すなわち曲率半径Ｒ１及び
ビーム半径Ｗ１は設計によって決定される既知数であ
る。また、可変焦点レンズ２ｂから放射されるビームの
特性、すなわち曲率半径Ｒ４及びビーム半径Ｗ３も以下
のように既知数となる。

【００２３】本実施の形態の光ビーム走査装置は、ビー
ムウエスト（曲率中心Ｐ３）の位置が走査面２１上にく
るようにして、この走査面２１上で所望のビーム半径が
得られるように設計するものであり、つまりビーム半径
Ｗ３は設計によって決定される既知数となる。

【００２４】また、曲率半径Ｒ４は、可変焦点レンズ２
ｂの出射波面から曲率中心Ｐ３（走査面２１）までの距
離である。このＲ４は、図５（ｂ）及び式（１）の関係
を用いて次式のように表すことができる。 Ｒ４＝Ｌ＋ｄ＝Ｌ＋ｄ０／ｃｏｓθ ・・・（１０） Ｌはレンズ２ｂの出射波面からポリゴン５の面（図５
（ｂ）の点Ａ）までの距離である。ただし、このＬは光
軸２０に沿った距離ではなく光ビームに沿った距離であ
ることは言うまでもない。

【００２５】式（１０）において、Ｌ、ｄ０は設計によ
って決定される既知数である。よって、偏向角θを決定
すれば曲率半径Ｒ４が決定できることになる。なお、こ
こでは距離Ｌを一定としているが、厳密にはポリゴン５
の回転に伴って変化する。しかし、この変化は僅かなも
のなので、ここでは一定として扱う。このように曲率半
径Ｒ４を決定して光学系の設計を行なえば、所望のビー
ム半径Ｗ３の光ビームを走査面２１上に照射することが
できる。

【００２６】ただし、式（１０）からも明らかなよう
に、ポリゴン５の回転による偏向角θの変化に伴って曲
率半径Ｒ４も変化する。よって、走査面２１上でビーム
半径を一定値のＷ３にするには、偏向角θを最大値（走
査面２１上の点Ｓ１にビームが当たるときの偏向角）か
ら０まで変化させながら、式（１０）を用いて曲率半径
Ｒ４を求め、このＲ４を用いて式（３）〜（９）を連立
方程式として解くことを各θについて行えばよい。

【００２７】こうして、既知数Ｗ１、Ｒ１、Ｗ３、Ｒ４
を与えれば、未知数ｆａ、Ｒ２、Ｚ０、Ｗ２、Ｒ３、ｆ
ｂ、Ｚ１、Ｄを求めることができる。そして、光学系の
設計に必要なのは、可変焦点レンズ２ａ、２ｂの焦点距
離ｆａ、ｆｂ、レンズ２ａと２ｂ間の距離Ｄである。

【００２８】なお、以上の計算は、図１における走査開
始時点から光軸２０までの走査（すなわち、図１の走査
の上半分）に相当するものであるが、光軸２０から走査
終了時点（走査面２１上の点Ｓ２にビームが当たる時
点）までの下半分については、上半分と逆に偏向角θが
０〜最大値まで変化するだけの違いである。また、距離
Ｄを計算するとしているが、このＤはレンズ２ａと２ｂ
間の距離なので、実際は各計算において全て一定値であ
る。

【００２９】こうして、走査面２１上で光ビームの半径
が一定値Ｗ３となるような焦点距離ｆａ、ｆｂの値を偏
向角θに関して求めることができる。そして、偏向角θ
は時間に伴って変化する関数であるので、１回の走査が
始まってから終わるまでの時間が分かれば、偏向角θの
変化を時間の変化に置き換えることが可能となる。この
時間変化への置き換えにより、偏向角θに応じたレンズ
２ａ、２ｂの焦点距離ｆａ、ｆｂの値を走査が始まって
からの経過時間に応じた値に変換することができる。

【００３０】制御部７は、このような経過時間に応じた
焦点距離ｆａ、ｆｂの値を予め記憶しており、反射型検
知センサ６が走査の開始時点を検出すると、この検出時
点からの経過時間に応じた焦点距離ｆａ、ｆｂとなるよ
うに制御信号を可変焦点レンズ２ａ、２ｂに出力する。
これにより、レンズ２ａ、２ｂの焦点距離ｆａ、ｆｂが
光ビームの偏向角θに応じて変化する。

【００３１】以上のように、偏向角θの変化、つまり光
ビームの偏向に伴う走査面２１までの光学距離（曲率半
径Ｒ４）の変化に応じて、可変焦点レンズ２ａ、２ｂの
焦点距離ｆａ、ｆｂを変化させるので、走査面２１上で
ビーム半径を一定にすることができる。

【００３２】なお、上述した計算における特別な場合と
して、コリメート光が可変焦点レンズ２ａに入射する場
合、つまり曲率半径Ｒ１が無限大となる場合は、式
（３）〜（５）は次式となる。 Ｒ２＝−ｆａ ・・・（１１） Ｚ０＝−ｆａ／［１＋｛−λ×ｆａ／（π×Ｗ１² ）｝² ］ ・・・（１２） Ｗ２² ＝｛−λ×ｆａ／（π×Ｗ１）｝² ／［１＋｛−λ×ｆａ／（π×Ｗ１² ）｝² ］ ・・・（１３） よって、このような場合には式（６）〜（１３）を用い
て計算を行えばよい。

【００３３】また、本実施の形態では、反射型検知セン
サ６を用いて走査の開始時点を検出したが、光ビームの
走査開始点（走査面２１上の点Ｓ１に当たるときの光
路）上に光検知センサを設けて、このセンサに光ビーム
が入射したときを走査の開始時点としてもよい。

【００３４】また、ロータリエンコーダをポリゴン５の
回転軸５ａに取り付けてもよい。これにより、ポリゴン
５の回転位置を連続的に検出することができ、走査開始
時点だけでなく、より連続的に回転位置の変化に応じて
焦点距離ｆａ、ｆｂを変化させることを制御部に行わせ
ることができる。

【００３５】また、本実施の形態では、集束光学系２を
可変焦点レンズ２ａ、２ｂで構成したが、レンズ２ａ、
２ｂの種類によっては所望の焦点可変範囲が得られず、
ビーム半径Ｗ３及び曲率半径Ｒ４が設計値通り得られな
いことがある。このような場合には、例えば図４に示す
ように、可変焦点レンズ２ａの前（ビーム光源１とレン
ズ２ａの間）に固定焦点レンズ８、９を設ければよい。
この固定焦点レンズ８、９により、曲率半径Ｒ１、ビー
ム半径Ｗ１を変えれば、所望のビーム半径Ｗ３及び曲率
半径Ｒ４を得ることができる。

【００３６】

【発明の効果】本発明によれば、制御部が、センサで検
出された光ビームの偏向角度に応じて、走査面上でビー
ムスポット径が所望の値となるように焦点距離を変化さ
せる制御信号を可変焦点レンズに出力することにより、
光ビームの偏向に伴う走査面までの光学距離の変化に応
じて可変焦点レンズの焦点距離が変化するので、走査面
上でビームスポット径を一定に保つことができる。そし
て、走査面までの光学距離や偏向角の範囲等の仕様が変
化しても、それらに応じた可変焦点レンズの焦点距離を
容易に求めることができるので、様々な応用が可能とな
る柔軟性を有し、従来のｆθレンズや凹面鏡のような特
殊な光学部品を使う必要がないため、安価にできる。

【００３７】また、集束光学系が、可変焦点レンズの焦
点可変範囲を調整するための固定焦点レンズを有するこ
とにより、可変焦点レンズにて所望の焦点可変範囲が得
られない場合でも、走査面上で所望の光ビームスポット
径を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の１実施の形態を示す光ビーム走査装
置のブロック図である。

【図２】 偏向素子であるポリゴンと反射型検知センサ
の位置関係を示す図である。

【図３】 図１の集束光学系による結像の様子を示す図
である。

【図４】 本発明の他の実施の形態を示す光ビーム走査
装置において集束光学系に用いる固定焦点レンズの構成
を示す図である。

【図５】 従来の光ビーム走査装置のブロック図及びこ
の光ビーム走査装置で生じる収差を説明するための図で
ある。

【図６】 収差を補正するためにｆθレンズを設けた従
来の光ビーム走査装置のブロック図である。

【図７】 走査パタン形成用反射鏡を設けた従来の光ビ
ーム走査装置のブロック図である。

【符号の説明】

１…ビーム光源、２…集束光学系、２ａ、２ｂ…可変焦
点レンズ、３、４…折り返しミラー、５…ポリゴン、６
…反射型検知センサ、７…制御部、８、９…固定焦点レ
ンズ、２１…走査面。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光ビームを発生する光源と、 焦点距離の調整が可能な２枚の可変焦点レンズからな
   り、光源から放射された光ビームを集束させる集束光学
   系と、 この集束光学系からの光ビームを偏向させて走査面上に
   照射する偏向素子と、偏向素子による光ビームの偏向角
   度を検出するセンサと、 このセンサで検出された光ビームの偏向角度に応じて、
   走査面上で光ビームスポット径が一定の値となるように
   焦点距離を変化させる制御信号を可変焦点レンズに出力
   する制御部とを有することを特徴とする光ビーム走査装
   置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の光ビーム走査装置におい
   て、 前記集束光学系は、前記可変焦点レンズの他に、この可
   変焦点レンズの焦点可変範囲を調整するための固定焦点
   レンズを有するものであることを特徴とする光ビーム走
   査装置。