JP2798513B2 - 広い作業範囲を有するレーザースキャナ - Google Patents

広い作業範囲を有するレーザースキャナ

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JP2798513B2 JP3030414A JP3041491A JP2798513B2 JP 2798513 B2 JP2798513 B2 JP 2798513B2 JP 3030414 A JP3030414 A JP 3030414A JP 3041491 A JP3041491 A JP 3041491A JP 2798513 B2 JP2798513 B2 JP 2798513B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、バーコードスキャナ、
より詳細には広い作業範囲すなわち焦点深度を有するレ
ーザービーム走査パターンを発生するレーザースキャナ
に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】これまで、ラベルまたは物品の表面に付
けられたバーコード記号を読み取る各種の光学式読取り
装置や光学式走査装置が開発された。バーコード記号自
体は一連のさまざまな幅をもつ隣接するバーとスペース
とから成る表示のコード化パターンである。バーとスペ
ースは異なる光反射特性を有する。
【０００３】現在、多くの異なるバーコード規格が存在
する。これらの規格として、たとえば、UPC/EAN, Code
128, Codabar, Interleaved 2 of 5 などがある。読取
り装置や走査装置は、各記号を電気光学的に復号して、
物品または物品の一定の特徴を表示するために意図され
た多数の英数文字にする。そのような文字は、一般に、
データ処理装置に対する入力としてディジタル形式で表
現され、販売時点情報管理、在庫管理、等に使用され
る。この一般的タイプの走査装置は、たとえば、米国特
許第4,251,798 号、同第4,360,798 号、同第4,369,361
号、同第4,387,297 号、同第4,409,470 号、同第4,460,
120 号に開示されている。
【０００４】上に挙げた特許文献のいくつかに開示され
ているように、そのような走査装置の広く使用されてい
る実例においては、レーザービームが記号を一直線に横
切って走査する。交互に配置されたさまざまな幅の長方
形の反射部分と非反射部分とから成る記号は、このレー
ザー光の一部分を反射する。次に、この反射光を光検出
器が検出して受光した光の強度を表す電気信号を発生す
る。続いて、この電気信号を走査装置の電子回路または
ソフトウェアが復号し、走査した記号が表すデータのデ
ィジタル表現にする。
【０００５】一般に、スキャナはガスレーザーまたは半
導体レーザーなど、光ビームを発生する光源を備えてい
る。特に、半導体レーザーは小型で、安価で、電力消費
が少ないので、走査装置の光源として使用するのに適し
ている。光ビームは、あらかじめ決められた距離で一定
サイズのビームスポットになるように、一般にレンズに
よって光学的に修正される。ビームスポットのサイズ
は、記号の異なる光反射率の領域すなわちバーとスペー
スの間の最小幅以下にすることが好ましい。
【０００６】さらに、スキャナは走査手段と光検出器を
備えている。走査手段は記号を横切ってビームスポット
を掃引し、記号を越えた所まで走査線を描くこともでき
るし、スキャナの視野を走査することもできるし、また
はその両方を行うこともできる。光検出器は記号を横切
って記号を少し越えた所まで伸びた視野を有しており、
記号から反射された光を検出する。最初に、光検出器か
らのアナログ電気信号は、普通、バーおよびスペースの
実際の幅に対応する幅を有するパルス幅変調ディジタル
信号に変換される。次に、この信号は、特定の記号表示
法に従って、記号の符号化されたデータの２進表現に復
号され、そして英数文字にされる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】レーザースキャナが発
生する走査パターンに関して、照明レーザービームを発
生させ、レンズ系を使用してレーザービームを平行光線
にするか、または収束させて、所定の作業範囲にわたっ
て所定の直径のビームスポットを形成する方法は、以前
より知られている。レーザービームに直角な平面（すな
わち、記号と平行な平面）内のレーザービームの強度
は、通例、高い中央ピークを有するガウス分布に特徴が
ある。したがって、一定の作業範囲にあるバーコード記
号の上に、集中的に明るいビームスポットが生じ、記号
を横切って走査される。しかし、スキャナと記号間の距
離が前記作業範囲（一般に、数インチの長さに過ぎな
い）の外へ移ると、レーザービームの回析のため、ビー
ムスポットの強度が急激に低下する。以上のことから、
記号を正しく読み取るには、記号からかなり狭い距離範
囲の中に、走査装置を置かなくてはならない。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明に係るバーコード
読取り装置の一実施例は、非常に広い作業範囲すなわち
焦点深度を有するレーザービーム走査装置を使用してい
る。簡単に述べると、走査装置は、レーザー光源たとえ
ばガスレーザーまたは半導体レーザーダイオードと、所
定の直径の中央ビームスポットを有する回析パターンを
生じさせる光学手段と、変調されたレーザービームを記
号を横切るように走査する走査手段とから成る。
【０００９】本発明の走査装置は、特に、広い作業範囲
を有する走査パターンを発生することができる能力に特
徴がある。第１の実施例の場合、正規ガウス分布形光ビ
ームは、アキシコン(axicon)などの回転体と、光路に配
置されたスリット（一部の実施例）とから成る光学手段
によって修正される。この光学手段は、バーコードパタ
ーンに平行な方向にほとんど回析しないビームを生じさ
せる。光路内のスリットは、走査線に対し平行であり、
そして走査するバーコード記号のバーとスペースに対し
直角である。アキシコンは、回転体軸線上の点光源から
の光を、反射、屈折、あるいはその両方により、レンズ
による場合のように１点でなく、前記軸線の相当な範囲
に沿って連続する一連の点にわたって、前記軸線を横切
るように曲げる回転体と定義される。生じたビームスポ
ットの光強度と直径は、この範囲にわたって少し変化す
るだけである。また、アキシコンは中心スポットと同心
の光の回析リングを生じさせるので、走査方向に平行な
領域（この領域では、回析リングにより反射光信号の転
移のシャープネスが低下する傾向が比較的少ない）を除
き、スリットは回析リングを除去するのに役立つ。
【００１０】また、走査装置は、バーコード記号を横切
って大きなビームスポットを掃引する走査手段を備えて
いる。したがって、走査装置は既存のバーコード読取り
装置とほぼ同じやり方でバーコード記号を走査する。し
かし、読取りの有効性は変わらないが、記号に対するス
キャナの位置は既存の読取り装置とは大きく異なる。言
い換えると、本発明の走査装置は、従来の読取り装置よ
りも広い作業範囲すなわち焦点深度を有する。本発明の
新規な走査装置の利点は、定置式走査装置（デパートの
カウンターに通常見られるスキャナ）にも、スーパーマ
ーケットでの勘定のほか、在庫管理、等に広く使われて
いる手持ち式走査装置にも利用することができる。
【００１１】
【実施例】発明の構成やその使用方法ならびに発明のそ
の他の目的および利点については、添付図面を参照し
て、以下の特定実施例の説明を読まれれば、よく理解で
きるであろう。
【００１２】図１に、本発明の特徴を使用したバーコー
ド記号読取り用の手持ち式レーザースキャナ１０を示
す。「発明の詳細な説明」および「特許請求の範囲」に
おいて使用する用語「記号」は、広義に解釈されるべき
であり、通例、バーコード記号と呼ばれる交互に配置さ
れたさまざまな幅のバーとスペースから成る記号パター
ンのほか、その他の一次元または二次元図形や英数文字
も含むものとする。一般に、用語「記号」は、光ビーム
特にレーザービームで走査することによって認識または
識別可能なあらゆる種類のパターンに用いられる。
【００１３】レーザースキャナ１０は、前に挙げた特許
文献に記載されている形式のものであり、一般に銃身部
１１と銃把部１２から成るハウジングを有する。手持ち
式ガン形ハウジングを示したが、本発明の特徴は、卓上
ワークステーションや定置式スキャナにも具体化するこ
とができる。図示した実施例の場合、ハウジングの銃身
部１１は出口窓１３を有する。レーザービーム１４はそ
の窓１３を通って出ていき、ハウジングの外に置かれた
記号１５に当たり、記号を走査する。レーザービームは
記号を横切るように移動して走査線１６を描く。レーザ
ービーム１４のこの走査運動は、ステップモーター１８
で駆動される揺動ミラー１７によって生じる。引き金形
スイッチ１９または同様な手動操作手段が設けられてお
り、使用者はスキャナ１０を記号１５に向けて引き金形
スイッチを操作することで走査動作を開始させることが
できる。したがって、常時起動ではなく、走査を開始す
るときだけ、レーザー光源２０、走査モーター１８、光
検出器、復号器などの部品を起動させるので、電力消費
が少なくてすむ。レーザー光源２０たとえばガスレーザ
ーまたは半導体レーザーダイオードは、ハウジングの中
に設置されており、電力が供給されると、レーザービー
ム１４を発生する。また、バーコード記号１５から反射
された光に応答する光検出器２１が設置されている。こ
の光検出器は窓１３に面して設置してもよいし、反射光
を収束させるため走査ミラー１７の凸面部分を使用して
もよい。後者の場合、光検出器は走査ミラー１７に向か
い合う。レーザービーム１４が記号１５を掃引すると、
光検出器２１は記号１５から反射された光を検出して、
アナログ電気信号を発生する。このアナログ電気信号
は、一般に、記号１５のバーおよびスペースの実際の幅
に対応する幅を有するパルス幅変調ディジタル信号に変
換される。次に、この信号は、特定の記号表示法に従っ
て、記号内の符号化されたデータの２進表示に復号さ
れ、そして英数字文字にされる。
【００１４】本発明に従って、レーザー光源２０と出口
窓１３間の光路に、アキシコン２２とスリット２３が挿
置される。このアキシコン２２とスリット２３の組合せ
は、走査ビームを修正して、スキャナ１０の広い作業範
囲２４すなわち焦点深度を生じさせる。第１の実施例に
おいて、レーザー光源２０はレーザービーム１４をアキ
シコン２２とスリット２３から成る光学手段に向ける。
レーザービーム１４はその光学手段によって修正された
あと、走査ミラー１７に当たる。垂直軸に取り付けら
れ、駆動モーター１８で垂直軸のまわりに回転される走
査ミラー１７は、レーザービーム１４を反射し、出口窓
１３を通して記号へ送る。
【００１５】図１にアキシコン２２とミラー１７の間に
スリット２３を配置した形態を示したが、図２に示すよ
うにミラー１７の下流にスリット２３を配置してもよい
ことを理解されたい。以下に述べるように、アキシコン
によって生じる特有の光パターンが形成された後、スリ
ット２３を光路内の場所に配置することが好ましいの
で、アキシコン２２とスリット２３間の最適距離はアキ
シコンの形状と特性によって決まる。
【００１６】図３に、アキシコン２２の正面図と断面図
を示す。この実例の場合、円錐形の光学要素は半径Ｒと
図示の角度αを有する。図４に示すように、平行光線に
されたレーザービーム１４′がアキシコン２２を通過す
るとき、アキシコン２２は、レンズを使用する従来のス
キャナの場合のように１点でなく、回転軸上の連続する
一連の点にわたって回転軸Ｚを横切るように光線を曲げ
る。
【００１７】光学材料で作られた、屈折率ｎ、半径Ｒお
よび角度α（α≪１）のアキシコン２２の場合、焦点深
度（図１の作業範囲２４の長さ）は次式で与えられる。 Ｚd ＝Ｒ／（ｎ−１）α アキシコン２２は、回転軸Ｚに沿う作業範囲２４で定義
された領域内で、図５に示すように、強い光強度の中央
円すなわちビームスポット２６と、弱い光強度の周囲リ
ング２７から成る干渉パターンを生じさせる。図５の右
側の図は横位置について光強度を概略的にプロットした
ものである。この光パターンの形状は、回転軸Ｚに沿っ
て焦点深度２４内ではほとんど変わらない。中心スポッ
ト２６の直径ｄは回析理論を用いて計算することができ
る。すなわち、 ｄ＝2.4 λ／π( ｎ−１）α（α≪１） ここで、λはレーザービームの波長である。例えば、λ
＝670 ｎｍ、α＝0.1 °、ｎ＝1.5 、Ｒ＝5 ｍｍの場
合、Ｚd ＝5.7 ｍおよびｄ＝0.6 ｍｍが得られる。これ
に対し、ｄeff ＝0.6 ｍｍのガウス分布形ビームの作業
範囲は約１ｍ以下である。
【００１８】外側リング２７の全エネルギーはビームス
ポット２６に含まれるエネルギーと同程度であるから、
これらの外側リング２７は、バーコードを走査するとき
所望のコントラストをかなり低下させる。これらの外側
リング２７によって生じる上記のコントラストの低下を
できるだけ少なくするため、スリット２３を用いてｙ方
向のビームの空間範囲を制限し、図６に示すような形状
２８にすることが好ましい。スリット２３の幅、したが
って形状２８（ｙ方向）の高さは、効率を過度に犠牲に
せずに、最適な分解能が得られるように選定される。た
とえば、この高さは中央スポット２６の幅ｗのほぼ２倍
にすることができる。一般に、バーコードは一次元記号
であるから、バーに平行に、ｙ方向の分解能を犠牲にし
ても、スキャナの性能を大幅に損なうことない。スリッ
ト２３の幅を狭くすれば、コントラストおよびスキャナ
の性能が向上するが、レーザー光源２０の必要電力が増
大するので、幅を狭くすることができる範囲は制限され
る。たとえば、レーザービームが半径５ｍｍのアキシコ
ン２２と幅0.3 ｍｍのスリット２３を通過すれば、（ｗ
／Ｒ）1/2 ＝（0.3 ／５）1/2 ＝0.25 により、高さの
75％を失う。現在、放射パワー５ｍＷのレーザー光源を
入手することができるし、ほとんどのスキャナの必要パ
ワーは１ｍＷに過ぎないから、一般に、上記の制限は重
要ではない。スリット２３は、所望の幅の透明な開口を
有する固体不透明材料の独立要素として制作してもよい
し、代わりに、アキシコン２２自体に形状を与えてスリ
ット２３の形状にしてもよい。すなわちアキシコン２２
を、上縁および下縁に沿って切頭してもよい。
【００１９】図７に、アキシコン２２とスリット２３の
配置と、作業範囲２４の領域におけるレーザービーム１
４′の成形を斜視図で示す。レーザービーム１４′は、
通例、図１の揺動ミラー１７によりバーコード記号を横
切ってＸ方向に（記号の平面内で）走査される。
【００２０】図８に、スリット２３の幅を変えた効果、
すなわち、異なる幅のスリットを有する図１〜図７のス
キャナによって生じたれた非回析ビームを使用した場合
のステップ応答を示す。ここで、距離ａ（ｍｍ）は、
「ステップ関数」バーコード要素の縁に対するビームの
位置であり、Ｇ(a) は光検出器２１の応答と関係があ
る。スリット２３の幅ｗは０〜５ｍｍの範囲で相違して
いる。より狭いスリットでは、最大の分解能が得られる
ことがわかるが、もちろん光の強度レベルは影響を受け
るし、厳しい回析効果は有害であるので、妥協点が選ば
れる。
【００２１】したがって、レーザービーム１４が記号１
５を横切って走査するとき、中央スポット２６が、実質
上記号１５を横切る光の直線軌跡を描く。中央スポット
２６は、実際には、単一中央スポットではなく、収束し
た中央スポットの連続体から成り、作業範囲２４に沿っ
て伸びる光の薄い円柱である。記号１５が作業範囲２４
で境界が定められた連続体の中にある限り、記号上に生
じたビームスポットはそのシャープネスを維持している
ので、スキャナは正常に機能する。
【００２２】以上、平行光線にされたレーザービームを
使用する場合について発明の特徴を説明した。すなわち
光源２０から放射されるビームすなわち図４のアキシコ
ン２２に入るビームは平行光線にされるので、波頭は平
面である、すなわち図４の光ビーム１４′の光ビームは
平行である。しかし、平行光線にする代わりに、光ビー
ム１４′を、この点で収斂または発散させてもよい。こ
れらの収斂または発散するビームの効果として、作業範
囲２４の位置がずれる。発散するビームは作業範囲２４
を外側へ移動させ、収斂するビームは作業範囲２４を内
側へ移動させる傾向がある。
【００２３】平行光線のビーム１４′でアキシコン２２
などの非球形要素を照明する形式の光学装置は、非球形
要素の形状（アキシコンの場合、角度α）、光の波長、
スリット２３の幅（もし設置すれば）、等を含むさまざ
まな要因で決まる光強度分布を生じさせる。円錐形アキ
シコンの場合、レイリー近似法のフレネル積分に基づく
計算により、たとえば、中央スポット２６の中心からの
距離Ｘの関数として、Ｚのさまざまな値について、光の
強度をプロットした図９のような光分布の量的定義が得
られる。Ｚ＝1000ｍｍからＺ＝4000ｍｍまで、非常に好
ましい光分布が得られること、中央スポット２６のサイ
ズが約0.25ｍｍ以下の半径であること、顕著なピークが
約Ｘ＝６ｍｍの所に現れている図９のＺ＝8000ｍｍにお
いて、ドーナツ形の光分布を示していることに留意され
たい。このドーナツ形分布は、強度の高い光のリングが
中央スポット２６を取り囲んでおり、約Ｘ＝６ｍｍにピ
ークがあるので、不適当である。同様な計算により、ア
キシコンのさまざまなサイズおよび角度αの効果を示す
ことができる。また、このような計算により、中央スト
ップを置いて照明ビームの中央を遮蔽して二次ピーク２
７の振幅を低減させれば、一定の利益が得られることを
証明できる。たとえば、幅４ｍｍのスリット２３を使用
する場合は、直径２ｍｍの不透明スポットをアキシコン
自体の場所に、ビームの中央に配置することができる。
【００２４】直線アキシコンとは異なる形状を有するア
キシコン形式の要素に関する光強度の計算で、光強度が
妥当なレベルにある作業範囲２４がより以上に最適条件
にあることが証明された。直線アキシコンは、直線の回
転によって生じた円錐体である。これに対し、4/3 乗要
素は、4/3 乗曲線の回転によって生じたものである。図
１０に、直線アキシコン２２、4/3 乗アキシコン、およ
び対数アキシコンによって生じた光ビームの軸に沿った
光強度を示す。異なる要素では、光強度の軸方向分布の
形が変わることに留意されたい。4/3 乗要素は、軸上の
光強度が二次関数的に増加するので、より良好な結果が
生じる。また対数要素は、軸上の光強度が作業範囲にわ
たってより均一である点で同様に優れている。直線アキ
シコンと同様に、これらの4/3 乗要素や対数要素は、バ
ーコード走査の目的で、図１１に示すように、スリット
２３と中央遮蔽スポット２９を追加して改良することが
できる。このスリット２３は、図１、図２、または図７
に示すように、ビーム１４の光路内に配置される。
【００２５】特定の実施例について本発明を説明した
が、以上の説明は制限的な意味で解釈すべきではない。
以上の説明から、この分野の専門家は開示した実施例の
さまざまな修正態様や、その他の実施例を容易に思いつ
くであろう。したがって、特許請求の範囲は、発明の範
囲に入るそのようなすべての修正態様または実施例を包
含しているものとする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による光学要素を用いて走査パターンを
発生させる手持ち式レーザースキャナの斜視図である。
【図２】本発明の別の実施例に従って、スリットを別の
場所に配置した、図１のスキャナの一部の斜視図であ
る。
【図３】アキシコンの断面図と正面図である。
【図４】図１または図３のアキシコンを通過したあと、
回転軸に沿う連続する一連の点に沿って、光線が収束す
る様子を示す図である。
【図５】アキシコンによって生じた光パターンの形状と
強度を示す図である。
【図６】レーザービームのｙ方向の空間範囲を制限する
スリットの作用を示す図である。
【図７】スリット付きアキシコンによって生じたビーム
を、光分布の形で示した斜視図である。
【図８】バーコード要素の縁を横切るように走査された
光ビームについて、スリットの幅をさまざまに変えたと
き、検出された光応答を光ビーム位置についてプロット
した図である。
【図９】図１と同じアキシコンを使用して、Ｚ方向の距
離をさまざまに変えたとき、光強度をＸ方向距離につい
てプロットした一連の図である。
【図１０】各種の光学要素について、本発明に従って生
じたビームの光強度を、光ビーム軸に沿う位置の関数と
してプロットした一連の図である。
【図１１】本発明の一実施例に従って、中央遮蔽スポッ
トを有するアキシコンと、スリットの斜視図である。
【符号の説明】
１０ レーザースキャナ １１ 銃身部 １２ 銃把部 １３ 出口窓 １４，１４′ レーザービーム １５ バーコード記号 １６ 走査線 １７ 揺動ミラー １８ ステップモーター １９ 引き金式スイッチ ２０ レーザー光源 ２１ 光検出器 ２２ アキシコン ２３ スリット ２４ 作業範囲 ２５ 干渉パターン ２６ 中央スポット ２７ 周囲リング ２８ スリットにより生じた干渉パターン ２９ 中央遮蔽スポット
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 グレン スピッツ アメリカ合衆国 ニューヨーク州 11691 ファー ロックアウェイ ベイ コート 3347 (72)発明者 ネイム コンフォーティ イスラエル国 ホーロン 58306 ゼー リム 10 (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G06K 7/10

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 バーコード記号を走査するスキャナであ
    って、 （ａ）走査する記号へ光ビームを送る光源、 （ｂ）光路内に配置され、走査する記号の特徴のサイズ
    に関係付けられたサイズを有する光スポットを生じさせ
    る光学手段、および （ｃ）記号から反射された光を受け取るように配置され
    た光検出器、を備え、前記光ビームはその光軸に沿って
    相当な距離にわたって前記スポットサイズを維持するこ
    とを特徴とするスキャナ。
  2. 【請求項２】 前記光学手段は回転体であることを特徴
    とする請求項１に記載のスキャナ。
  3. 【請求項３】 前記回転体は直線アキシコンであること
    を特徴とする請求項２に記載のスキャナ。
  4. 【請求項４】 前記回転体は4/3 乗曲線の回転体または
    対数曲線の回転体であることを特徴とする請求項２に記
    載のスキャナ。
  5. 【請求項５】 前記光路内に、光ビームの走査方向に対
    し平行に伸びるスリットが配置されていることを特徴と
    する請求項１に記載のスキャナ。
  6. 【請求項６】 前記回転体の中心に、中央不透明部分が
    設けられていることを特徴とする請求項２に記載のスキ
    ャナ。
  7. 【請求項７】 記号を走査する方法であって、 （ａ）光ビームを発生させて、読み取る記号に前記光ビ
    ームを向けるステップと、 （ｂ）光路において記号に向かう光ビームを修正して、
    一般に記号の特徴のサイズと相互に関係付けられたサイ
    ズの光スポットを生じさせるステップ、 から成り、前記光スポットは、記号までのさまざまな距
    離について、前記距離の相当な範囲にわたってほぼ一定
    のサイズを維持することを特徴とする方法。
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