JP3797216B2 - 光学式情報読み取り装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、情報表示媒体として、例えばバーコードラベルから、このバーコードラベルに表示されている情報を読み取るための光学式情報読み取り装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
情報表示媒体として、例えばバーコードラベルに表示されているコード情報を光学的に読み取るための光学式情報読み取り装置、即ちバーコードリーダは光出射手段と反射光検出手段とを有し、バーコードラベルに表示されている濃淡情報を読み取るものである。従って、その光出射手段は少なくとも光源と集光レンズとを備え、光源から出射された光を集光レンズによりバーコードラベル上に集光させるようにする。また、反射光検出手段は少なくとも受光レンズと受光素子とを含むものであり、バーコードラベルからの反射光を受光レンズを介して受光素子に入射させ、バーコードラベルの濃淡情報を受光素子の受光量の差として検出する。従って、受光素子は光−電気変換素子であり、この受光素子からの出力信号を信号処理装置に取り込んで、この信号処理装置で所定の信号処理を行うことによって、コード情報が読み取られる。
【０００３】
バーコードラベルのようにコード情報がある長さを持って表示されている場合に、このコード情報を読み取るには、媒体をスキャニングする必要がある。このために、従来技術においては、受光素子としてはラインセンサを用いる一方、光源としては発光素子をライン状に配列したり、光源からの光を所定の長さを有するスリットを通すことによって、コード情報表示領域の全長に及ぶライン状の光を出射させるようにしている。また、ポリゴンミラーやガルバノミラー等の可動型の反射ミラーを設けて、光源から出射された光をスキャンさせる構成としたものも従来から知られている。
【０００４】
しかしながら、以上のような構成を採用すると、装置全体が大型化し、かつ重量化する。そこで、ハンドスキャナタイプとすることによって、情報読み取り装置のコンパクト化及び軽量化したものもある。このハンドスキャナタイプの情報読み取り装置は、手動等によりバーコードラベル等の情報表示媒体の表面上をスキャニングするように構成したものである。
【０００５】
このハンドスキャナタイプの光学式情報読み取り装置としては、例えば、特開平１１−３９４２５号公報に示されたものが知られている。この公知の情報読み取り装置は、ペン型筐体の内部に光源及びその導光用光学部材とを含む光出射手段と、受光素子及びその導光用光学部材と受光素子とからなる反射光検出手段とを有し、またペン型筐体の先端にボールレンズを装着する構成としている。光源からの出射光は導光用光学部材を介してバーコードラベル上に集光させ、このバーコードラベルからの反射光を反射光検出側の導光用光学部材を介して受光素子に入射するように構成している。従って、これら出射光及び反射光は共にボールレンズを通過することになる。ここで、反射光検出用の導光用光学部材は光ファイバから構成され、また光源はこの光ファイバの周囲に円環状となるように配列した複数の発光素子から構成されている。さらに、光源から出射される光を導く導光用光学部材は、コリメータレンズと、光ファイバを保持する機能を有する収束レンズとから構成され、この収束レンズの出射側とボールレンズとの間には鏡面仕上げされた鏡筒が配置されている。
【０００６】
ペン型筐体の先端に設けたボールレンズは、バーコードラベルの表面に接触させるか、あるいは適当な間隔を置いて、このバーコードラベルの一端側から他端側に向けてスキャンさせて、バーコードラベルに表示されているコード情報を読み取る。このためには、バーコードラベルに入射される光は、その表面における所定の位置に小さいビーム径となるように集光させなければならない。また、バーコードラベルからの反射光は濃淡情報を含んだ信号光であり、この反射光は導光用光学部材としての光ファイバに確実に取り込まれて、ロスなく受光素子まで伝送させる必要がある。出射光及び反射光は共にボールレンズを通過することから、このボールレンズ内でこれら２つの光路を分離するために、ボールレンズの中心部を反射光の光路として利用し、出射光はこの中心を囲む円環状の光路となる。従って、光源及びこの光源側の導光用光学部材から出た光束は円環状のビームとなし、かつ収束する光束としてボールレンズに入射される。
【０００７】
このようにしてボールレンズに入射した光は近点位置に中実かつ極細のビームパターンとなるように集光させるようになし、この集光位置にバーコードラベルが配置されることになる。そして、バーコードラベル上に集光される光が円環状のパターンとなったり、ぼけたりしないようにする必要がある。光源側の導光用光学部材を構成する鏡面仕上げされた鏡筒は、収束レンズからの出射光のうち、バーコードラベル上に適正に集光するのに貢献しない光を散乱させるためのものである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前述した従来技術によるペン型のハンドスキャナタイプのバーコードリーダにおいては、バーコードラベルに向けての出射光と、このバーコードラベルからの反射光とを同じボールレンズを透過させるように構成しているので、光量ロスが極めて大きくなる。即ち、ボールレンズに対して、円環状の光束を入射させ、この光束をバーコードラベル上で中実かつ極細のパターンとなるように集光させるために、この位置に集光される光以外を散乱させるようにしているのが、この散乱光は光量ロスとなる。従って、光源の光量を大きくしなければならず、このために光学素子が大型化することになる。しかも、光源からは円環状の光束を出射させるために、この光源からの円環状の光束を１点に集光させるために、その導光用光学部材としては、光源とボールレンズとの間との間にコリメータレンズ及び収束レンズを配置し、かつ鏡筒に囲まれた空間を設けなければならないことから、装置構成が極めて複雑かつ大型化し、また光路長も長くなるというう問題点がある。
【０００９】
一方、受光側では、ボールレンズの中心部分を光路として利用することから、受光素子は少なくともコリメータレンズより後側、具体的にはさらに発光素子より後側に配置する必要があり、このためにバーコードラベルからの信号光を受光素子までに導く手段が必要になる。光ファイバを反射光の導光手段として用いたのはこのためである。光ファイバは、特有の開口数（ＮＡ）があることから、必ず伝送ロスが生じることになる。また、光ファイバに鏡筒やボールレンズ等で反射した光源側の散乱光が入り込まれると、それらはノイズ成分となる。従って、ノイズ成分が光ファイバに入射されないようにするために、光ファイバの入射端面を凸面にすることにより、最大受光角を制限して、前述した散乱光が光ファイバに入り込むのを極力抑制している。しかしながら、なおかなりの散乱光が光ファイバに取り込まれることになってＳ／Ｎ比が低下するという問題点もある。
【００１０】
さらに、光源からの光は、ボールレンズの近点に焦点を結ぶように構成しているので、このボールレンズとバーコードラベルとの間の距離が僅かでも変化すると、バーコードラベルへの出射光がぼけたり、円環状のパターンになって、有効に集光できなくなってしまう。従って、非接触型でバーコードラベルのコード情報を読み取る際に、バーコードリーダのバーコードラベルに対する離間距離を厳密に設定しないと、コード情報の読み取り不能になったり、誤作動を起こしたりする等、その読み取り操作の操作性が悪いという問題点もある。
【００１１】
本発明は以上の点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、小型で軽量な構成で、光量の光源から情報表示媒体への出射光の光量を少なくしても、この情報表示媒体からの情報を確実に読み取ることができるようにすることにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前述した目的を達成するために、本発明は、濃淡で所定の情報を表示された情報表示媒体から情報を読み取るために、光源と集光レンズとからなり、前記情報表示媒体に光を出射する光出射手段と、受光レンズと受光素子とからなり、前記情報表示媒体からの反射光を受光して、電気信号に変換する反射光検出手段とを設けたスキャナを有し、このスキャナを前記情報表示媒体の表面に沿ってスキャンさせることにより、この情報表示媒体の表示情報を読み取る装置であって、前記光源は単一の線スペクトルを有する単色光源若しくは発光スペクトル範囲が狭い光源とし、前記集光レンズをボールレンズで構成し、また前記受光レンズは前記光源からの出射光の波長を含む所定の波長域の光束を透過させ、それ以外の波長光をカットする狭波長域受光レンズで構成し、前記光源と前記受光素子とは同一基板に装着され、この基板に前記ボールレンズ及び狭波長域受光レンズを装着した支持部材を連結し、前記出射側の光軸を光路曲折用ミラーにより曲折させ、また前記受光素子を前記受光レンズの光軸に対して入射光量が大きくなる方向に所定間隔だけずらせた位置に配置する構成としたことをその特徴とするものである。
【００１３】
本発明の光学式情報読み取り装置で読み取る情報表示媒体の代表的なものとしてはバーコードラベルがある。ただし、表示される情報としては、バーコード情報だけでなく、文字，図形その他、紙等のシート状の媒体に、光学手段で検出できる濃淡の差として表示される各種の情報を含む。そして、スキャナは手動等により情報表示媒体の表面に沿ってスキャンさせ、情報表示媒体からの反射光量の差を検出することによって、その表示情報を読み取るものである。
【００１４】
情報表示媒体から光学的に情報を読み取るに当って、光出射手段から好ましくは単色の光、つまり単一の線スペクトルを有する光を情報表示媒体に照射し、かつ微細なビーム径となるように集光させる。このようにして入力された光は情報表示媒体表面で反射するが、この反射光には表示情報に応じて反射光量の差が生じる。この表示情報に基づく光量差を有する反射光が信号光として反射光検出手段に取り込まれるが、この反射光を取り込む際に、光源からの出射光の波長成分以外を排除することによって、受光感度を高くして、Ｓ／Ｎ比の向上を図るようにしている。
【００１５】
このために、光源から出射させる光の波長域を狭くし、好ましくは単一の線スペクトルを有する光とする。好ましくは単色光源とするが、単色光源の代表的なものとしてはレーザ光源があり、気体レーザ、固体レーザ、半導体レーザ等があるが、光源を小型化するには半導体レーザを用いるのが望ましい。なお、他の光源、例えば発光ダイオード等のように発光スペクトルが狭い光源を用いることもできる。
【００１６】
光源の出射側に所定の間隔を設けて集光レンズを配置し、光源からの出射光を情報表示媒体の表面に集光させる。集光レンズとしては、高倍率のものを用いることによって、後側焦点位置を短くし、前側焦点距離を後側焦点距離より長くする。小さいレンズで高倍率を得るために、集光レンズとしてボールレンズを用いるようにしている。ボールレンズは研磨加工により極めて小さい直径のものを容易に形成できる。従って、光源と集光レンズを含む光出射手段の構成を小型化でき、かつ光源から集光レンズまでの光路長も短縮できて、光出射手段のコンパクト化が図られる。しかも、前側焦点距離が長いと、集光レンズから情報表示媒体までの距離が多少ばらついても、有効に集光させることができることから、情報を読み取り操作の操作性が向上する。ところで、集光レンズとしてボールレンズを用いると、収差、特に球面収差が大きくなり、集光位置でぼけることになる。この球面収差を抑制するためにはアパーチャが設けられるが、このアパーチャをボールレンズの出射側に配置することによって、その開口径を大きくして、組み付け誤差に起因して生じる光量損失等を防止される。
【００１７】
情報表示媒体からの反射光量の差として表される表示情報を含む信号光を自然光等から分離して選択的に受光素子に入射させるために、受光素子への受光レンズに波長選択性を持たせている。ただし、受光レンズを透過する光の波長を光源から情報表示媒体への入射光と完全に一致させると、受光レンズへの入射光の波長の遷移等に起因して、受光量が著しく制約される。そこで、単色光源を用いる場合であっても、光源からの出射光の波長を含む所定の波長域の光束を透過させる特性を持たせ、この波長域より長波長側及び短波長側をカットする。このために、受光レンズに狭い波長域の光のみを透過させる、所謂バンドパスフィルタを有する狭波長域受光レンズとすることによって、受光レンズ及び受光素子という簡単な構成で反射光検出手段を構成でき、その小型化が図られ、読み取り装置全体の構成を著しく簡略化できる。
【００１８】
ここで、光学フィルタとして機能させるために、ガラス表面に誘電体の多層膜をコーティングしたダイクロイック膜が用いることができる。ダイクロイック膜は真空蒸着等の手段で高屈折率膜Ｈと低屈折率膜Ｌとを交互に数十乃至それ以上の層となるように積層したものであり、その膜構成により所望の分光透過特性を持たせることができる。そして、膜構成によっては、ある波長域の波長成分のみを透過させるバンドパスフィルタとしても機能させることもできる。ただし、このうようにバンドパスフィルタとして機能させるには膜数を極めて多くする必要がある。そこで、この受光レンズを着色ガラスで形成することによって、透過させる波長域より長波長側と、短波長側とのうち、いずれか一方側の波長光を吸収乃至散乱させるようにする。また、この受光レンズの片面に、他方側の波長光を反射させるために、多層膜からなるダイクロイック膜を設けるようにする。これによって、狭波長域を透過させる受光レンズが構成される。そして、着色ガラスによって、受光レンズの透過波長域より短波長側の光を吸収乃至散乱させ、またダイクロイック膜は透過波長域より長波長側の光を反射させる構成とするのがさらに望ましい。
【００１９】
以上のように、少なくとも光源，集光レンズ，受光レンズ及び受光素子で情報読み取り装置が構成されるが、本発明の装置構成により、その構成が簡略化されると共に各部の組み付け性の改良が図られ、かつ組み付け誤差や加工誤差等の影響を極力排除できるようにしている。まず、光出射手段の集光レンズとしてボールレンズを用いている。従って、ボールレンズの中心が光源の発光点の中心の延長線上に配置されておれば良く、集光レンズの光軸の傾きに対する配慮を必要としない。一方、反射光検出手段側では、透過波長域を狭めるために光学フィルタを設ける必要はないことから、受光素子との間の位置合わせが簡略化できる。
【００２０】
情報読み取り装置をさらにコンパクト化し、かつ組み付け性の向上を図るために、光源を半導体レーザで構成し、また受光素子をフォトダイオードで構成して、これら半導体レーザとフォトダイオードとを１つの基板に設けるようにするのが望ましい。前述したように、光源光量を小さくできることから、小型の半導体レーザを用いることができる結果、光源と受光素子とをワンチップ化が達成される。また、光レンズと受光レンズとを同一の支持部材に取り付け、この支持部材を基板に連結する構成とすると、さらに組み付け性が良好になる。即ち、集光レンズと受光レンズとを単一のホルダ部材に設け、このホルダ部材を基板に連結する構成とする。そして、ホルダ部材を集光レンズが装着される第１の装着用開口と、受光レンズが装着される第２の装着用開口とを形成する。このように構成すれば、集光レンズはこの第１の装着用開口のエッジ部に当接させるだけで位置決めすることができ、しかもこの第１の装着用開口をアパーチャとして機能させることができる。
【００２１】
前述したように、光源と受光素子とをワンチップ化し、集光レンズと受光レンズとを単一の支持部材に装着して、光出射手段の出射側光軸と、反射光検出手段における反射側光軸とを概略平行に配置する。集光レンズの出射側に光路曲折用ミラーを配置し、光軸を所定角度折り曲げる。そして、情報表示媒体からの反射光に対して受光レンズは、入射側の光路を曲げた分だけ角度を持つことになる。従って、受光素子はこのように角度を持って入射される光の受光量をできるだけ多くなる位置に配置する。
【００２２】
レーザ光源から出力される光は実質的に単一の線スペクトルを有するものであるが、受光レンズへの入射角によっては波長のシフトが生じる。従って、特に受光レンズに入射される光に角度を持たせるようにした場合等においては、受光レンズは、光源からの出力波長光に対して、この光源からの光束が３５°以下の角度で入射した時に遷移する波長を含む光束を透過させ、それ以外の波長光をカットする分光透過特性を持たせるようにすることによって、確実に反射光を受光素子に取り込むことができる。
【００２３】
情報表示媒体から反射光をさらに効率的に受光させるために、受光レンズを非球面レンズとするのが望ましい。ここで、例えばモールド手段によりレンズを形成すれば、レンズそのものを非球面とすることもできるが、球面レンズの表面にレプリカを積層することによっても非球面化させることができる。つまり、受光レンズ自体は球面レンズであり、その一側面に非球面化するためのレプリカを積層する。ここで、受光レンズにダイクロイック膜が形成されている場合には、それとは反対側の面にレプリカを形成する。そして、受光レンズは平凸または平凸に近い球面を有する凸レンズで構成し、ダイクロイック膜は平面または平面に近い曲率の凸面に形成し、レプリカを他側面に形成すると、ダイクロイック膜の均一化が図られる。そして、レプリカの具体的な構成としては、受光レンズのレンズ面の有効領域のうち、光軸中心を含む中央部分の所定の範囲をこのレンズ面の曲率半径より小さい曲率半径の曲面となし、また有効領域の最外周側は中央部より大きい曲率半径を有する曲面となし、その間の部位は前記最外周側の曲面より大きい曲率半径の曲面とした非球面形状を有するもので構成すれば、反射光の取り込み量をさらに多くすることができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態について説明する。まず、図１に光学式情報読み取り装置の全体構成を示す。ここで、以下の実施の形態においては、その一例として、情報表示媒体としてバーコードラベル１から、その表示情報を読み取るバーコードリーダ２として構成したものを示す。バーコードリーダ２は、スキャナ３と、信号処理装置４とから構成される。ここで、スキャナ３と信号処理装置４とは別部材として構成することもできるが、１つの筐体内にスキャナ３と信号処理装置４とを一体に組み込むようにすることもできる。なお、信号処理装置４は、従来から周知のもので構成することができ、その具体的な説明は省略する。
【００２５】
スキャナ３はバーコードラベル１の一端側から他端側に向けてスキャンするものであり、このスキャンは例えば手動操作により行うことができる。そして、スキャナ３によるスキャニングは、基本的にはバーコードラベル１に対して非接触状態で行われるようになっている。ただし、スキャナ３をバーコードラベル１上を摺動させるようにしてスキャンすることも可能である。
【００２６】
スキャナ３は、光源としてのレーザダイオード１０と集光レンズとしてのボールレンズ１１及び光路を曲折するための反射ミラー１２からなる光出射手段１３と、狭い波長域を透過させる受光レンズ１４及び受光素子としてのフォトダイオード１５とからなる反射光検出手段１６とから大略構成される。レーザダイオード１０は、発光スペクトルが６５０ｎｍの線スペクトルを有するもので構成される。レーザダイオード１０とフォトダイオード１５とは１つの基板１７に設けた所謂ワンチップ構造となっている。また、ボールレンズ１１及び受光レンズ１４は、ホルダ１８に装着されて、このホルダ１８を基板１７に連結するようにしてアセンブルされる。
【００２７】
ホルダ１８は基板１７への嵌合部１８ａと、ボールレンズ１１及び受光レンズ１４を装着する取付部１８ｂとから構成される。嵌合部１８ａは基板１７への連結部として、また基板１７に装着したレーザダイオード１０とボールレンズ１１との間、及び受光レンズ１４との間の位置合わせを行う機能を有するものである。ホルダ１８の取付部１８ｂは基板１７におけるレーザダイオード１０及びフォトダイオード１５の装着部の前方に位置しており、これらレーザダイオード１０及びフォトダイオード１５の光軸上の前方位置には、それぞれ所定の開口径を有する第１，第２の装着用開口１９，２０が開設されている。第１の装着用開口１９にはボールレンズ１１が、また第２の装着用開口２０には受光レンズ１４がそれぞれ装着されている。
【００２８】
第１の装着用開口１９に装着される集光レンズはボールレンズ１１であり、また第２の装着用開口２０に装着される受光レンズ１４は概略平凸レンズ若しくは一面が平面に近い曲率の曲面となった両凸レンズから構成される。受光レンズ１４は、その外周面が第２の装着用開口２０に嵌合させるようにして装着されている。一方、ボールレンズ１１は第１の装着用開口１９に嵌め込むように装着される。ここで、ボールレンズ１１をホルダ１８に装着するに当っては、レーザダイオード１０の発光点の延長線上にボールレンズ１１の中心が位置しておれば良く、光軸の傾きに対する配慮は必要としないので、ホルダ１８における第１の装着用開口１９が正確に形成されておれば、ボールレンズ１１をこの第１の装着用開口１９に嵌合させて接着剤で固着するだけでレーザダイオード１０との位置合わせが完了する。そして、第１の装着用開口１９の開口面積が制限されているから、この第１の装着用開口１９はアパーチャとしての機能も発揮する。
【００２９】
このように、レーザダイオード１０及びフォトダイオード１５は基板１７に装着されてワンチップ化され、またボールレンズ１１及び受光レンズ１４はホルダ１８に装着されて、ホルダ１８を基板１７にアセンブルされるが、レーザダイオード１０とボールレンズ１１とからなる出射側の光軸Ａ１と、受光レンズ１４の光軸Ａ２とが平行に配置されている。このために、光路曲折用ミラーとしての反射ミラー１２が設けられて、出射側の光軸Ａ１を途中で曲折させている。反射ミラー１２は例えばホルダ１８に固定することができ、またスキャナ３の筐体等に固定することもできる。従って、レーザダイオード１０からの出射光の光路は、光軸Ａ１を通り、反射ミラー１２により光路が曲折されて、バーコードラベル２には角度θとなるようにして入射される。バーコードラベル２の表面から反射した信号光は、従って受光レンズ１４の光軸Ａ２に対して角度θを持って受光される。そして、この受光レンズ１４を透過した光を最大限フォトダイオード１５に受光させるために、フォトダイオード１５は受光レンズ１４の光軸Ａ２に対して間隔Δｄだけずらせた位置に配置されている。
【００３０】
以上のように構成することによって、バーコードリーダ２の構成を軽量化、コンパクト化することができ、かつ組み立て性が良好で、安価に製造できるようになる。しかも、バーコードラベル１からの情報を正確に読み取ることができ、高感度で解像度も高く、Ｓ／Ｎ比が極めて良好になることから、信号処理装置４における信号処理も容易になる。
【００３１】
而して、レーザダイオード１０からの出射光はボールレンズ１１の作用によって、図２及び図３に示したようにしてバーコードラベル１上に集光させることができる。なお、光出射手段１３としては、光路を曲折するための反射ミラー１２も含まれるが、この反射ミラー１２は省略している。
【００３２】
図２に示したように、レーザダイオード１０から出射される光はレーザビームであり、発散光である。この出射光がボールレンズ１１を通過させることによりバーコードラベル１上に集光させるが、ボールレンズ１１はレンズの厚みが大きく高倍率となる。そして、レーザダイオード１０の発光点から拡散する光のうちの有効光束分をボールレンズ１１の入射面に入射させるために、レーザダイオード１０とボールレンズ１１との距離をＢＦとしたときに、このボールレンズ１１の出射面から距離ＦＦだけ離れた位置が集光位置であり、この位置で最もビーム径が小さくなる。ここで、例えば、ボールレンズ１１の直径を２ｍｍで、ボールレンズ１１の出射面から距離８０ｍｍ離れた位置で最小のビーム直径が０．２ｍｍとなる収束光を得るためには、レーザダイオード１０とボールレンズ１１との間の距離が０．５ｍｍ程度とすれば良い。従って、その間の光路長を短くできる。しかも、このビーム径が最小となる位置を含み、その前後における間隔Ｔ内であれば、光束は十分に収束しているので、この間隔Ｔ内にバーコードラベル１が位置しておれば、情報の読み取りを行える程度のビーム径が得られる。また、ボールレンズ１１の出射側が当接しているホルダ１８の第１の装着用開口１９の周壁がアパーチャとして機能することから、球面収差等の収差補正が行われるので、バーコードラベル１上での入力光のビームパターンがぼけたりするおそれはない。従って、スキャナ３によるスキャニングを行う際に、このスキャナ３とバーコードラベル１との間隔調整を容易に行うことができ、スキャナ３がバーコードラベル１から多少離れた位置でスキャニングを行っても、有効に情報の読み取りを行うことができる。
【００３３】
ここで、光出射手段１３として、レーザダイオード１０，ボールレンズ１１及び収差補正用のアパーチャとして機能する第１の装着用開口１９が正確にアラインメントされていなければならない。レーザダイオード１０はフォトダイオード１５と共に基板１７に装着されており、また受光レンズ１４を装着した第２の装着用開口２０と共にボールレンズ１１が装着されている第１の装着用開口１９はホルダ１８に設けられているので、ホルダ１８と基板１７との間で正確な位置合わせが行われておれば、第１の装着用開口１９にボールレンズ１１を落とし込んで、その周囲を接着剤等で固定するだけで、前述したアラインメントが行われる。また、これと同時に受光レンズ１４とフォトダイオード１５との位置合わせも行われたことになる。つまり、ホルダ１８と基板１７との間を位置合わせして連結するだけで、光出射手段１３側のアラインメントと、反射光検出手段１６側の位置合わせとが完了する。従って、スキャナ３の組み立てを極めて容易に行うことができる。
【００３４】
光出射手段１３から出射された光は、以上のようにしてバーコードラベル１上に集光されて、このバーコードラベル１から反射するが、この反射光が反射光検出手段１６に受光されるが、この反射光検出手段１６では光源であるレーザダイオード１０に起因する反射光のみを受光し、それ以外波長光はノイズ成分としてカットするようにしている。このために、受光レンズ１４は、図４に示したように構成され、透過させる波長域を選択するようにしている。つまり、受光レンズ１４そのものがバンドパスフィルタとしての機能を発揮する狭波長域受光レンズで構成されている。
【００３５】
受光レンズ１４自体はガラスレンズからなり凸レンズである。しかも、そのレンズ面Ａ側の曲率半径は小さく、つまり大きな曲率を持った球面からなり、反対側のレンズ面Ｂは実質的に平面か、若しくは平面に近い曲率の球面形状となっている。この凸レンズを狭波長域受光レンズとするために、受光レンズ１４は着色ガラスを研磨することにより形成される。着色ガラスを用いたのは、フィルタとして機能させるためである。ここで、着色ガラスとして、例えばSCOTT CORPORATION製の商品名ＲＧ６１０，ＲＧ６３０や、HOYA株式会社製の商品名Ｒ６０を用いることによって、図５に示したような分光透過率特性が得られる。そして、受光レンズ１４におけるレンズ面Ｂにはダイクロイック膜２１が形成されている。このダイクロイック膜２１は、図６に示したように、真空蒸着等の手段で高屈折率膜（屈折率２．０〜２．３）Ｈと低屈折率膜（屈折率１．４〜１．５）Ｌとを交互に２０層積層させたものから構成している。このダイクロイック膜２１の分光透過率特性は図７に示したものとなる。
【００３６】
従って、この受光レンズ１４における全体の分光透過率特性は図８に示したようになる。即ち、６００ｎｍ以下の波長成分及び７５０ｎｍ以上の波長成分の光はほぼ１００％カットされ、この間の波長光のみが透過することになる。これによって、光源として、レーザダイオード１０から出射される６５０ｎｍの波長を有する光束は実質的に１００％透過することになる。
【００３７】
ここで、図１に示したように、バーコードラベル１への入射光は反射ミラー１２の作用によって角度θだけ傾けているので、バーコードラベル１から反射して受光レンズ１４に受光される際に、その主光線は角度θを持って入射される。このように、受光レンズ１４に対して角度のある光が入射すると、レーザダイオード１０の発振波長から波長の遷移が生じる。以上のことから、受光レンズ１４における選択波長域に幅を持たせるようにしている。具体的には、受光レンズ１４への入射角θが３５°である時に遷移する波長光を透過させる図８に示した分光透過率特性を持たせている。この波長域より狭くすると、反射光の採り込みに損失が生じることになり、またこの波長域より広くすると、ノイズ成分が大きくなるので好ましくはない。
【００３８】
このように、受光レンズ１４により透過波長域を限定することによって、レーザダイオード１０から単波長の光を出力することにより、フォトダイオード１５で実質的にレーザダイオード１０からの出力光に起因する光だけが受光され、自然光やその他の外乱ノイズ成分をほぼ完全に遮断される。従って、フォトダイオード１５における感度が向上することになり、Ｓ／Ｎ比が著しく良好となる。その結果、レーザダイオード１０からの出力光量が少ない、つまりパワーの低いもので構成しても、フォトダイオード１５の感度を十分に高くできる。
【００３９】
さらに、受光素子としてのレーザダイオード１５の受光面の面積を小さくし、その受光量をできるだけ多くするために、受光レンズ１４を非球面レンズとしている。ただし、受光レンズ１４自体は球面レンズであり、この受光レンズ１４のレンズ面Ａ側にレプリカ２２を形成することにより非球面化させている。この場合において、レプリカ２２は収差補正というより、むしろ集光効率を高めるための機能を発揮するものである。
【００４０】
このために、図４において、レプリカ２２を大まかに分けると、光軸中心を含むゾーンＺ１においては、受光レンズ１４の曲率より大きい曲面形状とし、また有効領域の最外周側における所定幅のゾーンＺ３の曲率が大きく、その中間における所定幅のゾーンＺ２が最も曲率を小さくなるようにしている。なお、非球面形状としては、同心円状に曲率を３段階で変化させるのではなく、フォトダイオード１５の受光面等に応じた形状とし、また各ゾーンＺ１〜Ｚ３内でさらに曲率を変化させるようにすることもでき、また集光効率の面からは、さらに高次に変化させるようにするのが望ましい。
【００４１】
球面レンズである受光レンズ１４に以上の構成を有するレプリカ２２を設けることによって、狭い受光エリアのフォトダイオード１５における集光効率が高くなる。そこで、図９及び図１０に、受光レンズ１４において、レプリカを形成する前の、つまり球面レンズの状態と、そのレンズ面Ａにレプリカ２２を設けて非球面化させた場合と間でのフォトダイオード１５に対する受光量を比較する。これらの図における（ａ）は入射光線が示されており、Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３はそれぞれ入射光の主光線であり、Ｌ１はレンズの光軸に対して０°、Ｌ２は２４°、Ｌ３は３２°の角度としたものである。また、これらの図における（ｂ）は前述した各入射光線のフォトダイオード１５の受光面への受光パターンをＲ１，Ｒ２，Ｒ３として模式的に示している。
【００４２】
両者を比較すると、図９の球面レンズの場合には、０°の主光線Ｌ１での受光パターンＲ１では集光点Ｐ１が存在するものの、２４°，３２°の主光線Ｌ２，Ｌ３での受光パターンＲ２，Ｒ３では集光点が表れていない。つまり、受光面では焦点を結ばずぼけている。また、これらの受光パターンＲ２，Ｒ３は部分的に受光面から外れており、特に３２°での受光パターンＲ３はその半分以上が受光エリアの外に位置している。これに対して、図１０のレプリカ２２を設けた非球面レンズとした場合には、Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３で示したように、０°の主光線Ｌ１での受光パターンＲ１はもとより、２４°，３２°の主光線Ｌ２，Ｌ３での受光パターンＲ２，Ｒ３でも集光点が存在する。しかも、受光パターンＲ２，Ｒ３が受光面の中心側に偏寄しており、ほぼこの受光面のエリア内となっている。従って、受光レンズ１４にレプリカ２２を設けて非球面化することによって、レーザダイオード１０からの受光量を大きくすることができる。また、非球面化しない場合と同じ光量が得られれば良いとすれば、フォトダイオード１５の受光面の面積を小さくでき、コンパクト化が可能になると共に、受光面のエリアを小さくした分だけＳ／Ｎ比が向上する。
【００４３】
以上により、スキャナ３の構成を著しく小型化、コンパクト化できると共に軽量化も図られる。しかも、組み付けも容易になり、安価に製造できる。従って、例えばテレビジョン受像機のリモートコントロール装置等各種の機器に容易に組み込むことができるようになる。そして、光源であるレーザダイオード１０の光量を小さくできるので、消費電力も少なくて済む。また、バーコードラベル１上をスキャナ３でスキャンさせることによって、このバーコードラベル１の情報を読み取る際に、読み取り不能やエラー等の発生の可能性が極めて低くなり、その操作性が著しく向上する。
【００４４】
【発明の効果】
本発明は以上のように構成したので、情報読み取り装置の構成を小型で軽量ななものとすることができ、少ない光源光量で、極めて高い情報の読み取り精度が得られることになり、また受光素子における感度が著しく向上し、Ｓ／Ｎ比を飛躍的に改善できる等の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態を示す光学式情報読み取り装置の一例としてのバーコードリーダの概略構成図である。
【図２】図１のバーコードリーダの光出射手段の構成を示す説明図である。
【図３】図２の斜視図である。
【図４】受光レンズの縦断面図である。
【図５】図４の受光レンズのガラス素材である着色ガラスの分光透過特性を示す線図である。
【図６】図４の受光レンズに形成されるダイクロイック膜の概念構成図である。
【図７】図６のダイクロイック膜による分光透過特性を示す線図である。
【図８】図４の受光レンズの分光透過特性を示す線図である。
【図９】レプリカを設けないで、球面レンズとして状態での受光レンズの透過光の受光素子による受光量を示す説明図である。
【図１０】レプリカを設けて非球面レンズとした受光レンズの透過光の受光素子による受光量を示す説明図である。
【符号の説明】
１ バーコードラベル
２ バーコードリーダ
３ スキャナ
１０ レーザダイオード
１１ ボールレンズ
１２ 反射ミラー
１３ 光出射手段
１４ 受光レンズ
１５ フォトダイオード
１６ 反射光検出手段
１７ 基板
１８ ホルダ
１９ 第１の装着用開口
２０ 第２の装着用開口
２１ ダイクロイック膜
２２ レプリカ
【発明の属する技術分野】
本発明は、情報表示媒体として、例えばバーコードラベルから、このバーコードラベルに表示されている情報を読み取るための光学式情報読み取り装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
情報表示媒体として、例えばバーコードラベルに表示されているコード情報を光学的に読み取るための光学式情報読み取り装置、即ちバーコードリーダは光出射手段と反射光検出手段とを有し、バーコードラベルに表示されている濃淡情報を読み取るものである。従って、その光出射手段は少なくとも光源と集光レンズとを備え、光源から出射された光を集光レンズによりバーコードラベル上に集光させるようにする。また、反射光検出手段は少なくとも受光レンズと受光素子とを含むものであり、バーコードラベルからの反射光を受光レンズを介して受光素子に入射させ、バーコードラベルの濃淡情報を受光素子の受光量の差として検出する。従って、受光素子は光−電気変換素子であり、この受光素子からの出力信号を信号処理装置に取り込んで、この信号処理装置で所定の信号処理を行うことによって、コード情報が読み取られる。
【０００３】
バーコードラベルのようにコード情報がある長さを持って表示されている場合に、このコード情報を読み取るには、媒体をスキャニングする必要がある。このために、従来技術においては、受光素子としてはラインセンサを用いる一方、光源としては発光素子をライン状に配列したり、光源からの光を所定の長さを有するスリットを通すことによって、コード情報表示領域の全長に及ぶライン状の光を出射させるようにしている。また、ポリゴンミラーやガルバノミラー等の可動型の反射ミラーを設けて、光源から出射された光をスキャンさせる構成としたものも従来から知られている。
【０００４】
しかしながら、以上のような構成を採用すると、装置全体が大型化し、かつ重量化する。そこで、ハンドスキャナタイプとすることによって、情報読み取り装置のコンパクト化及び軽量化したものもある。このハンドスキャナタイプの情報読み取り装置は、手動等によりバーコードラベル等の情報表示媒体の表面上をスキャニングするように構成したものである。
【０００５】
このハンドスキャナタイプの光学式情報読み取り装置としては、例えば、特開平１１−３９４２５号公報に示されたものが知られている。この公知の情報読み取り装置は、ペン型筐体の内部に光源及びその導光用光学部材とを含む光出射手段と、受光素子及びその導光用光学部材と受光素子とからなる反射光検出手段とを有し、またペン型筐体の先端にボールレンズを装着する構成としている。光源からの出射光は導光用光学部材を介してバーコードラベル上に集光させ、このバーコードラベルからの反射光を反射光検出側の導光用光学部材を介して受光素子に入射するように構成している。従って、これら出射光及び反射光は共にボールレンズを通過することになる。ここで、反射光検出用の導光用光学部材は光ファイバから構成され、また光源はこの光ファイバの周囲に円環状となるように配列した複数の発光素子から構成されている。さらに、光源から出射される光を導く導光用光学部材は、コリメータレンズと、光ファイバを保持する機能を有する収束レンズとから構成され、この収束レンズの出射側とボールレンズとの間には鏡面仕上げされた鏡筒が配置されている。
【０００６】
ペン型筐体の先端に設けたボールレンズは、バーコードラベルの表面に接触させるか、あるいは適当な間隔を置いて、このバーコードラベルの一端側から他端側に向けてスキャンさせて、バーコードラベルに表示されているコード情報を読み取る。このためには、バーコードラベルに入射される光は、その表面における所定の位置に小さいビーム径となるように集光させなければならない。また、バーコードラベルからの反射光は濃淡情報を含んだ信号光であり、この反射光は導光用光学部材としての光ファイバに確実に取り込まれて、ロスなく受光素子まで伝送させる必要がある。出射光及び反射光は共にボールレンズを通過することから、このボールレンズ内でこれら２つの光路を分離するために、ボールレンズの中心部を反射光の光路として利用し、出射光はこの中心を囲む円環状の光路となる。従って、光源及びこの光源側の導光用光学部材から出た光束は円環状のビームとなし、かつ収束する光束としてボールレンズに入射される。
【０００７】
このようにしてボールレンズに入射した光は近点位置に中実かつ極細のビームパターンとなるように集光させるようになし、この集光位置にバーコードラベルが配置されることになる。そして、バーコードラベル上に集光される光が円環状のパターンとなったり、ぼけたりしないようにする必要がある。光源側の導光用光学部材を構成する鏡面仕上げされた鏡筒は、収束レンズからの出射光のうち、バーコードラベル上に適正に集光するのに貢献しない光を散乱させるためのものである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前述した従来技術によるペン型のハンドスキャナタイプのバーコードリーダにおいては、バーコードラベルに向けての出射光と、このバーコードラベルからの反射光とを同じボールレンズを透過させるように構成しているので、光量ロスが極めて大きくなる。即ち、ボールレンズに対して、円環状の光束を入射させ、この光束をバーコードラベル上で中実かつ極細のパターンとなるように集光させるために、この位置に集光される光以外を散乱させるようにしているのが、この散乱光は光量ロスとなる。従って、光源の光量を大きくしなければならず、このために光学素子が大型化することになる。しかも、光源からは円環状の光束を出射させるために、この光源からの円環状の光束を１点に集光させるために、その導光用光学部材としては、光源とボールレンズとの間との間にコリメータレンズ及び収束レンズを配置し、かつ鏡筒に囲まれた空間を設けなければならないことから、装置構成が極めて複雑かつ大型化し、また光路長も長くなるというう問題点がある。
【０００９】
一方、受光側では、ボールレンズの中心部分を光路として利用することから、受光素子は少なくともコリメータレンズより後側、具体的にはさらに発光素子より後側に配置する必要があり、このためにバーコードラベルからの信号光を受光素子までに導く手段が必要になる。光ファイバを反射光の導光手段として用いたのはこのためである。光ファイバは、特有の開口数（ＮＡ）があることから、必ず伝送ロスが生じることになる。また、光ファイバに鏡筒やボールレンズ等で反射した光源側の散乱光が入り込まれると、それらはノイズ成分となる。従って、ノイズ成分が光ファイバに入射されないようにするために、光ファイバの入射端面を凸面にすることにより、最大受光角を制限して、前述した散乱光が光ファイバに入り込むのを極力抑制している。しかしながら、なおかなりの散乱光が光ファイバに取り込まれることになってＳ／Ｎ比が低下するという問題点もある。
【００１０】
さらに、光源からの光は、ボールレンズの近点に焦点を結ぶように構成しているので、このボールレンズとバーコードラベルとの間の距離が僅かでも変化すると、バーコードラベルへの出射光がぼけたり、円環状のパターンになって、有効に集光できなくなってしまう。従って、非接触型でバーコードラベルのコード情報を読み取る際に、バーコードリーダのバーコードラベルに対する離間距離を厳密に設定しないと、コード情報の読み取り不能になったり、誤作動を起こしたりする等、その読み取り操作の操作性が悪いという問題点もある。
【００１１】
本発明は以上の点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、小型で軽量な構成で、光量の光源から情報表示媒体への出射光の光量を少なくしても、この情報表示媒体からの情報を確実に読み取ることができるようにすることにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前述した目的を達成するために、本発明は、濃淡で所定の情報を表示された情報表示媒体から情報を読み取るために、光源と集光レンズとからなり、前記情報表示媒体に光を出射する光出射手段と、受光レンズと受光素子とからなり、前記情報表示媒体からの反射光を受光して、電気信号に変換する反射光検出手段とを設けたスキャナを有し、このスキャナを前記情報表示媒体の表面に沿ってスキャンさせることにより、この情報表示媒体の表示情報を読み取る装置であって、前記光源は単一の線スペクトルを有する単色光源若しくは発光スペクトル範囲が狭い光源とし、前記集光レンズをボールレンズで構成し、また前記受光レンズは前記光源からの出射光の波長を含む所定の波長域の光束を透過させ、それ以外の波長光をカットする狭波長域受光レンズで構成し、前記光源と前記受光素子とは同一基板に装着され、この基板に前記ボールレンズ及び狭波長域受光レンズを装着した支持部材を連結し、前記出射側の光軸を光路曲折用ミラーにより曲折させ、また前記受光素子を前記受光レンズの光軸に対して入射光量が大きくなる方向に所定間隔だけずらせた位置に配置する構成としたことをその特徴とするものである。
【００１３】
本発明の光学式情報読み取り装置で読み取る情報表示媒体の代表的なものとしてはバーコードラベルがある。ただし、表示される情報としては、バーコード情報だけでなく、文字，図形その他、紙等のシート状の媒体に、光学手段で検出できる濃淡の差として表示される各種の情報を含む。そして、スキャナは手動等により情報表示媒体の表面に沿ってスキャンさせ、情報表示媒体からの反射光量の差を検出することによって、その表示情報を読み取るものである。
【００１４】
情報表示媒体から光学的に情報を読み取るに当って、光出射手段から好ましくは単色の光、つまり単一の線スペクトルを有する光を情報表示媒体に照射し、かつ微細なビーム径となるように集光させる。このようにして入力された光は情報表示媒体表面で反射するが、この反射光には表示情報に応じて反射光量の差が生じる。この表示情報に基づく光量差を有する反射光が信号光として反射光検出手段に取り込まれるが、この反射光を取り込む際に、光源からの出射光の波長成分以外を排除することによって、受光感度を高くして、Ｓ／Ｎ比の向上を図るようにしている。
【００１５】
このために、光源から出射させる光の波長域を狭くし、好ましくは単一の線スペクトルを有する光とする。好ましくは単色光源とするが、単色光源の代表的なものとしてはレーザ光源があり、気体レーザ、固体レーザ、半導体レーザ等があるが、光源を小型化するには半導体レーザを用いるのが望ましい。なお、他の光源、例えば発光ダイオード等のように発光スペクトルが狭い光源を用いることもできる。
【００１６】
光源の出射側に所定の間隔を設けて集光レンズを配置し、光源からの出射光を情報表示媒体の表面に集光させる。集光レンズとしては、高倍率のものを用いることによって、後側焦点位置を短くし、前側焦点距離を後側焦点距離より長くする。小さいレンズで高倍率を得るために、集光レンズとしてボールレンズを用いるようにしている。ボールレンズは研磨加工により極めて小さい直径のものを容易に形成できる。従って、光源と集光レンズを含む光出射手段の構成を小型化でき、かつ光源から集光レンズまでの光路長も短縮できて、光出射手段のコンパクト化が図られる。しかも、前側焦点距離が長いと、集光レンズから情報表示媒体までの距離が多少ばらついても、有効に集光させることができることから、情報を読み取り操作の操作性が向上する。ところで、集光レンズとしてボールレンズを用いると、収差、特に球面収差が大きくなり、集光位置でぼけることになる。この球面収差を抑制するためにはアパーチャが設けられるが、このアパーチャをボールレンズの出射側に配置することによって、その開口径を大きくして、組み付け誤差に起因して生じる光量損失等を防止される。
【００１７】
情報表示媒体からの反射光量の差として表される表示情報を含む信号光を自然光等から分離して選択的に受光素子に入射させるために、受光素子への受光レンズに波長選択性を持たせている。ただし、受光レンズを透過する光の波長を光源から情報表示媒体への入射光と完全に一致させると、受光レンズへの入射光の波長の遷移等に起因して、受光量が著しく制約される。そこで、単色光源を用いる場合であっても、光源からの出射光の波長を含む所定の波長域の光束を透過させる特性を持たせ、この波長域より長波長側及び短波長側をカットする。このために、受光レンズに狭い波長域の光のみを透過させる、所謂バンドパスフィルタを有する狭波長域受光レンズとすることによって、受光レンズ及び受光素子という簡単な構成で反射光検出手段を構成でき、その小型化が図られ、読み取り装置全体の構成を著しく簡略化できる。
【００１８】
ここで、光学フィルタとして機能させるために、ガラス表面に誘電体の多層膜をコーティングしたダイクロイック膜が用いることができる。ダイクロイック膜は真空蒸着等の手段で高屈折率膜Ｈと低屈折率膜Ｌとを交互に数十乃至それ以上の層となるように積層したものであり、その膜構成により所望の分光透過特性を持たせることができる。そして、膜構成によっては、ある波長域の波長成分のみを透過させるバンドパスフィルタとしても機能させることもできる。ただし、このうようにバンドパスフィルタとして機能させるには膜数を極めて多くする必要がある。そこで、この受光レンズを着色ガラスで形成することによって、透過させる波長域より長波長側と、短波長側とのうち、いずれか一方側の波長光を吸収乃至散乱させるようにする。また、この受光レンズの片面に、他方側の波長光を反射させるために、多層膜からなるダイクロイック膜を設けるようにする。これによって、狭波長域を透過させる受光レンズが構成される。そして、着色ガラスによって、受光レンズの透過波長域より短波長側の光を吸収乃至散乱させ、またダイクロイック膜は透過波長域より長波長側の光を反射させる構成とするのがさらに望ましい。
【００１９】
以上のように、少なくとも光源，集光レンズ，受光レンズ及び受光素子で情報読み取り装置が構成されるが、本発明の装置構成により、その構成が簡略化されると共に各部の組み付け性の改良が図られ、かつ組み付け誤差や加工誤差等の影響を極力排除できるようにしている。まず、光出射手段の集光レンズとしてボールレンズを用いている。従って、ボールレンズの中心が光源の発光点の中心の延長線上に配置されておれば良く、集光レンズの光軸の傾きに対する配慮を必要としない。一方、反射光検出手段側では、透過波長域を狭めるために光学フィルタを設ける必要はないことから、受光素子との間の位置合わせが簡略化できる。
【００２０】
情報読み取り装置をさらにコンパクト化し、かつ組み付け性の向上を図るために、光源を半導体レーザで構成し、また受光素子をフォトダイオードで構成して、これら半導体レーザとフォトダイオードとを１つの基板に設けるようにするのが望ましい。前述したように、光源光量を小さくできることから、小型の半導体レーザを用いることができる結果、光源と受光素子とをワンチップ化が達成される。また、光レンズと受光レンズとを同一の支持部材に取り付け、この支持部材を基板に連結する構成とすると、さらに組み付け性が良好になる。即ち、集光レンズと受光レンズとを単一のホルダ部材に設け、このホルダ部材を基板に連結する構成とする。そして、ホルダ部材を集光レンズが装着される第１の装着用開口と、受光レンズが装着される第２の装着用開口とを形成する。このように構成すれば、集光レンズはこの第１の装着用開口のエッジ部に当接させるだけで位置決めすることができ、しかもこの第１の装着用開口をアパーチャとして機能させることができる。
【００２１】
前述したように、光源と受光素子とをワンチップ化し、集光レンズと受光レンズとを単一の支持部材に装着して、光出射手段の出射側光軸と、反射光検出手段における反射側光軸とを概略平行に配置する。集光レンズの出射側に光路曲折用ミラーを配置し、光軸を所定角度折り曲げる。そして、情報表示媒体からの反射光に対して受光レンズは、入射側の光路を曲げた分だけ角度を持つことになる。従って、受光素子はこのように角度を持って入射される光の受光量をできるだけ多くなる位置に配置する。
【００２２】
レーザ光源から出力される光は実質的に単一の線スペクトルを有するものであるが、受光レンズへの入射角によっては波長のシフトが生じる。従って、特に受光レンズに入射される光に角度を持たせるようにした場合等においては、受光レンズは、光源からの出力波長光に対して、この光源からの光束が３５°以下の角度で入射した時に遷移する波長を含む光束を透過させ、それ以外の波長光をカットする分光透過特性を持たせるようにすることによって、確実に反射光を受光素子に取り込むことができる。
【００２３】
情報表示媒体から反射光をさらに効率的に受光させるために、受光レンズを非球面レンズとするのが望ましい。ここで、例えばモールド手段によりレンズを形成すれば、レンズそのものを非球面とすることもできるが、球面レンズの表面にレプリカを積層することによっても非球面化させることができる。つまり、受光レンズ自体は球面レンズであり、その一側面に非球面化するためのレプリカを積層する。ここで、受光レンズにダイクロイック膜が形成されている場合には、それとは反対側の面にレプリカを形成する。そして、受光レンズは平凸または平凸に近い球面を有する凸レンズで構成し、ダイクロイック膜は平面または平面に近い曲率の凸面に形成し、レプリカを他側面に形成すると、ダイクロイック膜の均一化が図られる。そして、レプリカの具体的な構成としては、受光レンズのレンズ面の有効領域のうち、光軸中心を含む中央部分の所定の範囲をこのレンズ面の曲率半径より小さい曲率半径の曲面となし、また有効領域の最外周側は中央部より大きい曲率半径を有する曲面となし、その間の部位は前記最外周側の曲面より大きい曲率半径の曲面とした非球面形状を有するもので構成すれば、反射光の取り込み量をさらに多くすることができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態について説明する。まず、図１に光学式情報読み取り装置の全体構成を示す。ここで、以下の実施の形態においては、その一例として、情報表示媒体としてバーコードラベル１から、その表示情報を読み取るバーコードリーダ２として構成したものを示す。バーコードリーダ２は、スキャナ３と、信号処理装置４とから構成される。ここで、スキャナ３と信号処理装置４とは別部材として構成することもできるが、１つの筐体内にスキャナ３と信号処理装置４とを一体に組み込むようにすることもできる。なお、信号処理装置４は、従来から周知のもので構成することができ、その具体的な説明は省略する。
【００２５】
スキャナ３はバーコードラベル１の一端側から他端側に向けてスキャンするものであり、このスキャンは例えば手動操作により行うことができる。そして、スキャナ３によるスキャニングは、基本的にはバーコードラベル１に対して非接触状態で行われるようになっている。ただし、スキャナ３をバーコードラベル１上を摺動させるようにしてスキャンすることも可能である。
【００２６】
スキャナ３は、光源としてのレーザダイオード１０と集光レンズとしてのボールレンズ１１及び光路を曲折するための反射ミラー１２からなる光出射手段１３と、狭い波長域を透過させる受光レンズ１４及び受光素子としてのフォトダイオード１５とからなる反射光検出手段１６とから大略構成される。レーザダイオード１０は、発光スペクトルが６５０ｎｍの線スペクトルを有するもので構成される。レーザダイオード１０とフォトダイオード１５とは１つの基板１７に設けた所謂ワンチップ構造となっている。また、ボールレンズ１１及び受光レンズ１４は、ホルダ１８に装着されて、このホルダ１８を基板１７に連結するようにしてアセンブルされる。
【００２７】
ホルダ１８は基板１７への嵌合部１８ａと、ボールレンズ１１及び受光レンズ１４を装着する取付部１８ｂとから構成される。嵌合部１８ａは基板１７への連結部として、また基板１７に装着したレーザダイオード１０とボールレンズ１１との間、及び受光レンズ１４との間の位置合わせを行う機能を有するものである。ホルダ１８の取付部１８ｂは基板１７におけるレーザダイオード１０及びフォトダイオード１５の装着部の前方に位置しており、これらレーザダイオード１０及びフォトダイオード１５の光軸上の前方位置には、それぞれ所定の開口径を有する第１，第２の装着用開口１９，２０が開設されている。第１の装着用開口１９にはボールレンズ１１が、また第２の装着用開口２０には受光レンズ１４がそれぞれ装着されている。
【００２８】
第１の装着用開口１９に装着される集光レンズはボールレンズ１１であり、また第２の装着用開口２０に装着される受光レンズ１４は概略平凸レンズ若しくは一面が平面に近い曲率の曲面となった両凸レンズから構成される。受光レンズ１４は、その外周面が第２の装着用開口２０に嵌合させるようにして装着されている。一方、ボールレンズ１１は第１の装着用開口１９に嵌め込むように装着される。ここで、ボールレンズ１１をホルダ１８に装着するに当っては、レーザダイオード１０の発光点の延長線上にボールレンズ１１の中心が位置しておれば良く、光軸の傾きに対する配慮は必要としないので、ホルダ１８における第１の装着用開口１９が正確に形成されておれば、ボールレンズ１１をこの第１の装着用開口１９に嵌合させて接着剤で固着するだけでレーザダイオード１０との位置合わせが完了する。そして、第１の装着用開口１９の開口面積が制限されているから、この第１の装着用開口１９はアパーチャとしての機能も発揮する。
【００２９】
このように、レーザダイオード１０及びフォトダイオード１５は基板１７に装着されてワンチップ化され、またボールレンズ１１及び受光レンズ１４はホルダ１８に装着されて、ホルダ１８を基板１７にアセンブルされるが、レーザダイオード１０とボールレンズ１１とからなる出射側の光軸Ａ１と、受光レンズ１４の光軸Ａ２とが平行に配置されている。このために、光路曲折用ミラーとしての反射ミラー１２が設けられて、出射側の光軸Ａ１を途中で曲折させている。反射ミラー１２は例えばホルダ１８に固定することができ、またスキャナ３の筐体等に固定することもできる。従って、レーザダイオード１０からの出射光の光路は、光軸Ａ１を通り、反射ミラー１２により光路が曲折されて、バーコードラベル２には角度θとなるようにして入射される。バーコードラベル２の表面から反射した信号光は、従って受光レンズ１４の光軸Ａ２に対して角度θを持って受光される。そして、この受光レンズ１４を透過した光を最大限フォトダイオード１５に受光させるために、フォトダイオード１５は受光レンズ１４の光軸Ａ２に対して間隔Δｄだけずらせた位置に配置されている。
【００３０】
以上のように構成することによって、バーコードリーダ２の構成を軽量化、コンパクト化することができ、かつ組み立て性が良好で、安価に製造できるようになる。しかも、バーコードラベル１からの情報を正確に読み取ることができ、高感度で解像度も高く、Ｓ／Ｎ比が極めて良好になることから、信号処理装置４における信号処理も容易になる。
【００３１】
而して、レーザダイオード１０からの出射光はボールレンズ１１の作用によって、図２及び図３に示したようにしてバーコードラベル１上に集光させることができる。なお、光出射手段１３としては、光路を曲折するための反射ミラー１２も含まれるが、この反射ミラー１２は省略している。
【００３２】
図２に示したように、レーザダイオード１０から出射される光はレーザビームであり、発散光である。この出射光がボールレンズ１１を通過させることによりバーコードラベル１上に集光させるが、ボールレンズ１１はレンズの厚みが大きく高倍率となる。そして、レーザダイオード１０の発光点から拡散する光のうちの有効光束分をボールレンズ１１の入射面に入射させるために、レーザダイオード１０とボールレンズ１１との距離をＢＦとしたときに、このボールレンズ１１の出射面から距離ＦＦだけ離れた位置が集光位置であり、この位置で最もビーム径が小さくなる。ここで、例えば、ボールレンズ１１の直径を２ｍｍで、ボールレンズ１１の出射面から距離８０ｍｍ離れた位置で最小のビーム直径が０．２ｍｍとなる収束光を得るためには、レーザダイオード１０とボールレンズ１１との間の距離が０．５ｍｍ程度とすれば良い。従って、その間の光路長を短くできる。しかも、このビーム径が最小となる位置を含み、その前後における間隔Ｔ内であれば、光束は十分に収束しているので、この間隔Ｔ内にバーコードラベル１が位置しておれば、情報の読み取りを行える程度のビーム径が得られる。また、ボールレンズ１１の出射側が当接しているホルダ１８の第１の装着用開口１９の周壁がアパーチャとして機能することから、球面収差等の収差補正が行われるので、バーコードラベル１上での入力光のビームパターンがぼけたりするおそれはない。従って、スキャナ３によるスキャニングを行う際に、このスキャナ３とバーコードラベル１との間隔調整を容易に行うことができ、スキャナ３がバーコードラベル１から多少離れた位置でスキャニングを行っても、有効に情報の読み取りを行うことができる。
【００３３】
ここで、光出射手段１３として、レーザダイオード１０，ボールレンズ１１及び収差補正用のアパーチャとして機能する第１の装着用開口１９が正確にアラインメントされていなければならない。レーザダイオード１０はフォトダイオード１５と共に基板１７に装着されており、また受光レンズ１４を装着した第２の装着用開口２０と共にボールレンズ１１が装着されている第１の装着用開口１９はホルダ１８に設けられているので、ホルダ１８と基板１７との間で正確な位置合わせが行われておれば、第１の装着用開口１９にボールレンズ１１を落とし込んで、その周囲を接着剤等で固定するだけで、前述したアラインメントが行われる。また、これと同時に受光レンズ１４とフォトダイオード１５との位置合わせも行われたことになる。つまり、ホルダ１８と基板１７との間を位置合わせして連結するだけで、光出射手段１３側のアラインメントと、反射光検出手段１６側の位置合わせとが完了する。従って、スキャナ３の組み立てを極めて容易に行うことができる。
【００３４】
光出射手段１３から出射された光は、以上のようにしてバーコードラベル１上に集光されて、このバーコードラベル１から反射するが、この反射光が反射光検出手段１６に受光されるが、この反射光検出手段１６では光源であるレーザダイオード１０に起因する反射光のみを受光し、それ以外波長光はノイズ成分としてカットするようにしている。このために、受光レンズ１４は、図４に示したように構成され、透過させる波長域を選択するようにしている。つまり、受光レンズ１４そのものがバンドパスフィルタとしての機能を発揮する狭波長域受光レンズで構成されている。
【００３５】
受光レンズ１４自体はガラスレンズからなり凸レンズである。しかも、そのレンズ面Ａ側の曲率半径は小さく、つまり大きな曲率を持った球面からなり、反対側のレンズ面Ｂは実質的に平面か、若しくは平面に近い曲率の球面形状となっている。この凸レンズを狭波長域受光レンズとするために、受光レンズ１４は着色ガラスを研磨することにより形成される。着色ガラスを用いたのは、フィルタとして機能させるためである。ここで、着色ガラスとして、例えばSCOTT CORPORATION製の商品名ＲＧ６１０，ＲＧ６３０や、HOYA株式会社製の商品名Ｒ６０を用いることによって、図５に示したような分光透過率特性が得られる。そして、受光レンズ１４におけるレンズ面Ｂにはダイクロイック膜２１が形成されている。このダイクロイック膜２１は、図６に示したように、真空蒸着等の手段で高屈折率膜（屈折率２．０〜２．３）Ｈと低屈折率膜（屈折率１．４〜１．５）Ｌとを交互に２０層積層させたものから構成している。このダイクロイック膜２１の分光透過率特性は図７に示したものとなる。
【００３６】
従って、この受光レンズ１４における全体の分光透過率特性は図８に示したようになる。即ち、６００ｎｍ以下の波長成分及び７５０ｎｍ以上の波長成分の光はほぼ１００％カットされ、この間の波長光のみが透過することになる。これによって、光源として、レーザダイオード１０から出射される６５０ｎｍの波長を有する光束は実質的に１００％透過することになる。
【００３７】
ここで、図１に示したように、バーコードラベル１への入射光は反射ミラー１２の作用によって角度θだけ傾けているので、バーコードラベル１から反射して受光レンズ１４に受光される際に、その主光線は角度θを持って入射される。このように、受光レンズ１４に対して角度のある光が入射すると、レーザダイオード１０の発振波長から波長の遷移が生じる。以上のことから、受光レンズ１４における選択波長域に幅を持たせるようにしている。具体的には、受光レンズ１４への入射角θが３５°である時に遷移する波長光を透過させる図８に示した分光透過率特性を持たせている。この波長域より狭くすると、反射光の採り込みに損失が生じることになり、またこの波長域より広くすると、ノイズ成分が大きくなるので好ましくはない。
【００３８】
このように、受光レンズ１４により透過波長域を限定することによって、レーザダイオード１０から単波長の光を出力することにより、フォトダイオード１５で実質的にレーザダイオード１０からの出力光に起因する光だけが受光され、自然光やその他の外乱ノイズ成分をほぼ完全に遮断される。従って、フォトダイオード１５における感度が向上することになり、Ｓ／Ｎ比が著しく良好となる。その結果、レーザダイオード１０からの出力光量が少ない、つまりパワーの低いもので構成しても、フォトダイオード１５の感度を十分に高くできる。
【００３９】
さらに、受光素子としてのレーザダイオード１５の受光面の面積を小さくし、その受光量をできるだけ多くするために、受光レンズ１４を非球面レンズとしている。ただし、受光レンズ１４自体は球面レンズであり、この受光レンズ１４のレンズ面Ａ側にレプリカ２２を形成することにより非球面化させている。この場合において、レプリカ２２は収差補正というより、むしろ集光効率を高めるための機能を発揮するものである。
【００４０】
このために、図４において、レプリカ２２を大まかに分けると、光軸中心を含むゾーンＺ１においては、受光レンズ１４の曲率より大きい曲面形状とし、また有効領域の最外周側における所定幅のゾーンＺ３の曲率が大きく、その中間における所定幅のゾーンＺ２が最も曲率を小さくなるようにしている。なお、非球面形状としては、同心円状に曲率を３段階で変化させるのではなく、フォトダイオード１５の受光面等に応じた形状とし、また各ゾーンＺ１〜Ｚ３内でさらに曲率を変化させるようにすることもでき、また集光効率の面からは、さらに高次に変化させるようにするのが望ましい。
【００４１】
球面レンズである受光レンズ１４に以上の構成を有するレプリカ２２を設けることによって、狭い受光エリアのフォトダイオード１５における集光効率が高くなる。そこで、図９及び図１０に、受光レンズ１４において、レプリカを形成する前の、つまり球面レンズの状態と、そのレンズ面Ａにレプリカ２２を設けて非球面化させた場合と間でのフォトダイオード１５に対する受光量を比較する。これらの図における（ａ）は入射光線が示されており、Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３はそれぞれ入射光の主光線であり、Ｌ１はレンズの光軸に対して０°、Ｌ２は２４°、Ｌ３は３２°の角度としたものである。また、これらの図における（ｂ）は前述した各入射光線のフォトダイオード１５の受光面への受光パターンをＲ１，Ｒ２，Ｒ３として模式的に示している。
【００４２】
両者を比較すると、図９の球面レンズの場合には、０°の主光線Ｌ１での受光パターンＲ１では集光点Ｐ１が存在するものの、２４°，３２°の主光線Ｌ２，Ｌ３での受光パターンＲ２，Ｒ３では集光点が表れていない。つまり、受光面では焦点を結ばずぼけている。また、これらの受光パターンＲ２，Ｒ３は部分的に受光面から外れており、特に３２°での受光パターンＲ３はその半分以上が受光エリアの外に位置している。これに対して、図１０のレプリカ２２を設けた非球面レンズとした場合には、Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３で示したように、０°の主光線Ｌ１での受光パターンＲ１はもとより、２４°，３２°の主光線Ｌ２，Ｌ３での受光パターンＲ２，Ｒ３でも集光点が存在する。しかも、受光パターンＲ２，Ｒ３が受光面の中心側に偏寄しており、ほぼこの受光面のエリア内となっている。従って、受光レンズ１４にレプリカ２２を設けて非球面化することによって、レーザダイオード１０からの受光量を大きくすることができる。また、非球面化しない場合と同じ光量が得られれば良いとすれば、フォトダイオード１５の受光面の面積を小さくでき、コンパクト化が可能になると共に、受光面のエリアを小さくした分だけＳ／Ｎ比が向上する。
【００４３】
以上により、スキャナ３の構成を著しく小型化、コンパクト化できると共に軽量化も図られる。しかも、組み付けも容易になり、安価に製造できる。従って、例えばテレビジョン受像機のリモートコントロール装置等各種の機器に容易に組み込むことができるようになる。そして、光源であるレーザダイオード１０の光量を小さくできるので、消費電力も少なくて済む。また、バーコードラベル１上をスキャナ３でスキャンさせることによって、このバーコードラベル１の情報を読み取る際に、読み取り不能やエラー等の発生の可能性が極めて低くなり、その操作性が著しく向上する。
【００４４】
【発明の効果】
本発明は以上のように構成したので、情報読み取り装置の構成を小型で軽量ななものとすることができ、少ない光源光量で、極めて高い情報の読み取り精度が得られることになり、また受光素子における感度が著しく向上し、Ｓ／Ｎ比を飛躍的に改善できる等の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態を示す光学式情報読み取り装置の一例としてのバーコードリーダの概略構成図である。
【図２】図１のバーコードリーダの光出射手段の構成を示す説明図である。
【図３】図２の斜視図である。
【図４】受光レンズの縦断面図である。
【図５】図４の受光レンズのガラス素材である着色ガラスの分光透過特性を示す線図である。
【図６】図４の受光レンズに形成されるダイクロイック膜の概念構成図である。
【図７】図６のダイクロイック膜による分光透過特性を示す線図である。
【図８】図４の受光レンズの分光透過特性を示す線図である。
【図９】レプリカを設けないで、球面レンズとして状態での受光レンズの透過光の受光素子による受光量を示す説明図である。
【図１０】レプリカを設けて非球面レンズとした受光レンズの透過光の受光素子による受光量を示す説明図である。
【符号の説明】
１ バーコードラベル
２ バーコードリーダ
３ スキャナ
１０ レーザダイオード
１１ ボールレンズ
１２ 反射ミラー
１３ 光出射手段
１４ 受光レンズ
１５ フォトダイオード
１６ 反射光検出手段
１７ 基板
１８ ホルダ
１９ 第１の装着用開口
２０ 第２の装着用開口
２１ ダイクロイック膜
２２ レプリカ
Claims (11)
- 濃淡で所定の情報を表示された情報表示媒体から情報を読み取るために、光源と集光レンズとからなり、前記情報表示媒体に光を出射する光出射手段と、受光レンズと受光素子とからなり、前記情報表示媒体からの反射光を受光して、電気信号に変換する反射光検出手段とを設けたスキャナを有し、このスキャナを前記情報表示媒体の表面に沿ってスキャンさせることにより、この情報表示媒体の表示情報を読み取る装置において、
前記光源は単一の線スペクトルを有する単色光源若しくは発光スペクトル範囲が狭い光源とし、
前記集光レンズをボールレンズで構成し、
また前記受光レンズは前記光源からの出射光の波長を含む所定の波長域の光束を透過させ、それ以外の波長光をカットする狭波長域受光レンズで構成し、
前記光源と前記受光素子とは同一基板に装着され、この基板に前記ボールレンズ及び狭波長域受光レンズを装着した支持部材を連結し、
前記出射側の光軸を光路曲折用ミラーにより曲折させ、また前記受光素子を前記受光レンズの光軸に対して入射光量が大きくなる方向に所定間隔だけずらせた位置に配置する構成とした
ことを特徴とする光学式情報読み取り装置。 - 前記光源は半導体レーザであり、また前記受光素子はフォトダイオードで構成したことを特徴とする請求項１記載の光学式情報読み取り装置。
- 前記受光レンズは、この受光レンズを透過させる波長域より長波長側と短波長側とのうち、いずれか一方側の波長光を吸収乃至散乱させるために着色ガラスで構成し、かつこの受光レンズの片面に、他方側の波長光を反射させるためのダイクロイック膜を設けたもので構成したことを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の光学式情報読み取り装置。
- 前記着色ガラスは前記受光レンズの透過波長域より短波長側の光を吸収乃至散乱させるようになし、また前記ダイクロイック膜は透過波長域より長波長側の光を反射させるものであることを特徴とする請求項３記載の光学式情報読み取り装置。
- 前記支持部材は、前記集光レンズが装着される第１の装着用開口と、前記受光レンズが装着される第２の装着用開口とが形成されており、前記集光レンズはこの第１の装着用開口のエッジ部に当接させるようにして位置決めし、この第１の装着用開口をアパーチャとする構成としたことを特徴とする請求項１記載の光学式情報読み取り装置。
- 前記受光レンズは、前記光源からの出力波長光に対して、この光源からの光束が３５°以下の角度で入射した時に遷移する波長域を含む光束を透過させ、それ以外の波長光をカットする分光透過特性を有するものであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の光学式情報読み取り装置。
- 前記受光レンズは非球面レンズとしたことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の光学式情報読み取り装置。
- 前記受光レンズは球面レンズからなり、その一側面に非球面化するためのレプリカを積層する構成としたことを特徴とする請求項７記載の光学式情報読み取り装置。
- 前記受光レンズのダイクロイック膜を形成した面とは反対側の面に前記レプリカを形成する構成としたことを特徴とする請求項８記載の光学式情報読み取り装置。
- 前記受光レンズは平凸または平凸に近い球面を有する凸レンズで構成し、前記ダイクロイック膜は平面または平面に近い曲率の凸面に形成し、前記レプリカは他側面に形成する構成としたことを特徴とする請求項９記載の光学式情報読み取り装置。
- 前記レプリカは前記受光レンズのレンズ面の有効領域のうち、光軸中心を含む中央部分の所定の範囲をこのレンズ面の曲率半径より小さい曲率半径の曲面となし、また有効領域の最外周側は中央部より大きい曲率半径を有する曲面となし、その間の部位は前記最外周側の曲面より大きい曲率半径の曲面とした非球面形状を有するもので構成したことを特徴する請求項９記載の光学式情報読み取り装置。
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