JP3891027B2 - 光学的情報読取装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一次元コード例えばバーコード等を読取る光学的情報読取装置に関する。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
光学的情報読取装置例えば手持ち式のバーコードリーダにおいては、図１１に示すように、ケース１内の先端側に、結像レンズ２及び一次元撮像素子（ラインセンサ）３を有すると共に、前記結像レンズ２の左右に位置して、横方向に並ぶ複数個のＬＥＤ４とその前方に配置された照明用レンズ５とからなる照明部６が設けられている。これにて、照明部６により、ケース１の先端の読取窓１ａから、図示しないバーコードが記録された読取対象（ラベル等）に対して、照明光が射出され、その反射光を結像レンズ２によって結像して一次元撮像素子３に取込むようになっている。
【０００３】
この場合、前記照明用レンズ５は、１個の樹脂レンズからなり、光入射面が、縦方向を軸とした凹面状の円筒面とされ、光射出面が、横方向を軸とした円筒面（シリンドリカル面）とされており、複数個のＬＥＤ４からの光を集光，拡散して横方向に細長い細帯状の照明光とするようになっている。尚、照明光を明るく（必要な光量を確保）し且つ視認性を高めるために、各照明部６の照明光源としては複数個のＬＥＤ４を用いることが一般的である。
【０００４】
しかしながら、上記したような従来の照明部６では、光源となる複数個のＬＥＤ４間に物理的な距離が存在するため、次のような不具合を有していた。即ち、今、図１２に示すように、例えば、照明光源としてＬＥＤ４が左右に２個存在する場合（ＬＥＤ４（Ａ），ＬＥＤ４（Ｂ）と区別する）を考えると、照明用レンズ５を通した照明光において、ＬＥＤ４（Ａ）からの光とＬＥＤ４（Ｂ）からの光とが一部で重なってしまい、その重なり部分で照度が大きくなるといったように、照明光の強度分布にむらが発生していた。
【０００５】
このため、従来の照明部６では、照明光の長手方向（横方向）の照度分布の均一化を図ることが難しかった。あるいは、１個の照明用レンズ５で、複数個のＬＥＤ４からの光を同時に集光，拡散する構成であるため、照明光の任意（所望）の照度分布を得るための照明用レンズ５の設計の自由度が制限され、理想的な照度分布を得ることができないものとなっていた。
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、照明光源を複数個の発光手段を並べて構成するものにあって、照明光の照度分布の均一化を図る、あるいは、目標とする照度分布を得るにあたっての照明用レンズの設計の自由度を高めることができる光学的情報読取装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の第１の光学的情報読取装置は、照明光源を複数個の発光手段を並べて構成するものにあって、照明光源及び照明用レンズにより射出される照明光の光軸を、結像レンズの光軸及び一次元撮像素子を含む光学的平面と同一平面内に配置すると共に、照明用レンズを、複数個の発光手段間に、それら発光手段の虚像を、実質的に同一点に生じさせるように構成したところに特徴を有する（請求項１の発明）。
【０００８】
これによれば、複数個の発光手段の虚像を、実質的に同一点に生じさせるように照明用レンズを構成したことにより、照明光は、実際の発光手段間の物理的距離が離れていても、見掛け上、１点の発光手段から放射された形態となり１点の発光手段から放射された形態となり、各発光手段を光源とした光の重なりをなくすことができる。この結果、請求項１の発明によれば、照明光の照度分布の均一化を図ることができる。
【０００９】
尚、照明光の光軸が結像光学系の光軸と光学的に同一平面内に配置されるので、読取対象と照明光学系との距離に関係なく、常に結像光学系による読取位置に適切に照明光を照射することができる。このとき、光学的に同一平面とは、物理的に同一平面であることは勿論、光路がミラー等により曲折されていて物理的には平面といえない場合でも、読取対象に照明光が照射される直前の照明光の光軸と、その読取対象を反射して結像レンズにより結像される反射光の反射直後の光軸とが同一の平面にあれば、光学的に同一平面内にあるということができる。
【００１０】
本発明の第２の光学的情報読取装置は、照明光源を複数個の発光手段を並べて構成するものにあって、照明光源及び照明用レンズにより射出される照明光の光軸を、結像レンズの光軸及び一次元撮像素子を含む光学的平面と同一平面内に配置すると共に、各発光手段の光軸と照明用レンズの光軸とが同一直線上に存在しない組合せを少なくとも１組設け、照明用レンズを、照明光源を構成する複数個の発光手段の虚像を、実質的に同一点に生じさせるように構成したところに特徴を有する（請求項９の発明）。
【００１１】
これによれば、発光手段の光軸と照明用レンズの光軸とがずれていることにより、複数個の発光手段間の物理的距離よりも小さい距離となる位置に、発光手段の虚像を生じさせることが可能となる。従って、上記と同様に、照明用レンズから射出される照明光を、見掛け上、１点の発光手段から放射された形態とし、各発光手段を光源とした光の重なりをなくすことができる。この結果、請求項９の発明によれば、照明光の照度分布の均一化を図ることができる。
【００１３】
また、本発明に係る照明用レンズは、レンズとしては特殊な形状となるが、合成樹脂の成形により製造することができ（請求項２，１０の発明）、これにより、ガラス製等の場合と比較して、製造しやすくなり、比較的安価に済ませることができる。
【００１４】
そして、本発明においては、上記照明用レンズを、少なくとも対象側及び光源側に配置される複数枚のレンズから構成することができる（請求項３，１１の発明）。これによれば、照明用レンズ全体としての収差を少なくしたり、照射光の光量を大きくすることが可能となり、目標とする照度分布を得るにあたっての照明用レンズの設計の自由度を高めることができる。
【００１５】
この場合、対象側に配置されたレンズと光源側に配置されたレンズとを、屈折率が互いに異なるものとすることができ（請求項４，１２の発明）、これにより、収差の補正を容易に行うことが可能となる。尚、本発明においては、例えば照明光の光量が十分であるような場合には、照明用レンズを１枚のレンズから構成しても良いことは勿論であり、簡単で安価な構成で済ませることができる。
【００１６】
また、照明用レンズのうち光源側に配置されるレンズをアプラナティックレンズから構成することができる（請求項５，１３の発明）。これにより、レンズの球面収差を考慮しなくて良くなり、又、比較的安価に済ませることができる。
【００１７】
あるいは、照明用レンズの照明光源からの光入射面を、非球面形状としても良い（請求項６，１４の発明）。これによっても、レンズの収差を改善することができる。この際、その光入射面を、中央部の曲率半径よりも端部の曲率半径の方が大きくなるように構成することができ（請求項７，１５の発明）、これにより、照明光の照度分布を均一化することができる。
【００１８】
さらには、照明用レンズのうち光源側に配置されるレンズを凸レンズ、対象側に配置されるレンズを凹レンズとすることもでき（請求項８，１６の発明）、これによっても、レンズ群全体で収差を改善することができる。尚、本発明にいう非球面形状とは、例えば、一方向から見た場合、その方向に直角な断面において、その面を構成する縁部が円弧状（直線を含む）をなしているのであるが、その円弧の曲率半径が一方向に漸次変動している面（二次元的な非球面形状）や、曲率半径が一定値でない曲線（例えば放物線等）が一方向に連続した面（一方向に非球面形状）のこと等である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を、手持ち式（ハンディタイプ）のバーコードリーダに適用した第１の実施例について、図１ないし図４を参照しながら説明する。本実施例に係る光学的情報読取装置たるバーコードリーダは、図４に一部示すように、ユーザが片手で持って操作可能な大きさの縦長形状をなすケース１１内の先端側に、後述するように、図示しないラベル等の読取対象に記録されたバーコードを読取るための、結像光学系及び照明光学系からなる光学機構（読取機構）１２を備えて構成されている。このケース１１の先端には、横長な矩形状をなし透光性を有する読取窓１１ａが設けられている。
【００２０】
また、図示はしないが、前記ケース１１内には、全体の制御及びデコード処理等を行う制御回路、外部との通信を行うための通信回路、駆動電源となる二次電池等が設けられている。さらに、これも図示はしないが、ケース１１の上面部には、表示部やキー操作部が設けられ、ケース１１の側面部には、トリガスイッチが設けられている。
【００２１】
ここで、前記光学機構１２について述べる。前記結像光学系は、ケース１１内の中央部に横長に配設された例えばＣＣＤエリアセンサからなる一次元撮像素子１３と、この一次元撮像素子１３の前方に配置された結像レンズ１４とを備えて構成されている。この場合、この結像レンズ１４の読取光軸Ｏは、読取窓１１ａの中心を該読取窓１１ａ面に直交する状態で延びている。また、結像光学系の視野Ｆ（外縁を二点鎖線で示す）は、前記読取窓１１ａの大きさとほぼ同等に設定されている。尚、詳しい図示及び説明は省略するが、前記結像レンズ１４は、鏡筒内に複数枚のレンズを配設して構成される。
【００２２】
そして、前記照明光学系は、前記結像レンズ１４の左右部に配設された一対の照明部１５から構成され、各照明部１５は、図１〜図３にも示すように、照明光源１６の前面側に、横長な形状を有する照明用レンズを配して構成される。本実施例では、照明用レンズは、複数枚この場合、対象側（射出側）の第１の照明用レンズ１７と、光源側（入射側）の第２の照明用レンズ１８との２枚のレンズを組合わせて構成されている。これら照明用レンズ１７，１８の形状については後述する。
【００２３】
また、本実施例では、前記照明光源１６は、図示しない基板上に、発光手段たるＬＥＤ１９を、複数個この場合２個横方向に並んで有して構成されている。この場合、図１に示すように、それら２個のＬＥＤ１９は、所定の物理的距離（間隔）ｔをもって配設されている。尚、以下、２個のＬＥＤ１９（左右）を区別する必要がある場合には、符号の後に夫々（Ａ），（Ｂ）を付して区別することとする。
【００２４】
これにて、照明部１５は、ＬＥＤ１９から発せられた光が、照明用レンズ１７，１８により集光，拡散されて横方向に広がると共に縦方向には細い帯状の照明光として射出され、以て、前記読取窓１１ａから前方に照明光を照射するようになっている。このとき、各照明部１５の照明光軸Ｃ（図２等参照）は、前記読取光軸Ｏに対し互いに内側にやや傾斜されており、これと共に、照明光軸Ｃが、前記結像レンズ１４の読取光軸Ｏ及び一次元撮像素子１３を含む光学的平面と、同一の光学的平面内に位置されるようになっている。尚、各照明部１５の照明光軸Ｃを読取光軸Ｏと平行としても良い。
【００２５】
上記構成により、ユーザが、ケース１１の読取窓１１ａを、横長のバーコードが記録された読取対象に対してほぼ平行となるように近接（例えば基準距離が８０mm）させた状態で、読取操作（トリガスイッチのオン操作）を行うことにより、両照明部１５により読取窓１１ａを通してバーコードに横長な帯状の照明光が照射され、バーコードからの反射光が読取窓１１ａを通して入射されて結像レンズ１４を介して一次元撮像素子１３に結像され、以てバーコードが読取られるようになっているのである。
【００２６】
さて、前記照明用レンズ１７，１８について、図１ないし図３を参照して詳述する。これら照明用レンズ１７，１８は、合成樹脂製とされていてもよく、その材質が相違することにより、屈折率が互いに異なるものとされてもよい。そして、これら照明用レンズ１７，１８は、前記２個のＬＥＤ１９間の物理的距離（間隔ｔ）よりも小さい距離となる位置に、それらＬＥＤ１９の虚像Ｖを生じさせる、この場合２個のＬＥＤ１９の虚像Ｖを実質的に同一点（距離が０）に生じさせるようになっている。
【００２７】
具体的には、これら照明用レンズ１７，１８は、夫々次のような形状に構成されている。即ち、まず、図２に示すように、対象側の第１の照明用レンズ１７は、この場合、前記ＬＥＤ１９の並び方向と同方向（横方向）に長い柱状（いわゆるかまぼこ形）をなし、光入射面が、縦方向を軸とした緩やかな凹面状の円筒面とされ、光射出面が、横方向を軸とした円筒面とされている。
【００２８】
これに対し、図３は、前記第２の照明用レンズ１８の形状及びＬＥＤ１９との位置関係を示すもので、（ａ）は平面図、（ｂ）はその右側面図を示している。図１にも示すように、この第２の照明用レンズ１８は、例えば全体として横長の柱状をなしているのであるが、その光射出面１８ａは照明光軸Ｃに垂直な平面とされており、光入射面１８ｂが、上面から見て、中央部がくびれ、その左右方向に曲率半径が一定値でない曲線状に膨らむ（凸となる）ような非球面形状とされている。また、光入射面１８ｂは、側方から見て上下方向に延びる（光射出面１８ａと平行な）直線状、つまり横方向のどの位置で切った縦断側面も長方形となるようになっている。
【００２９】
またこの場合、図３に示すように、この第２の照明用レンズ１８においては、実質上左右に２本の光軸Ｒ１，Ｒ２を有するものとなるが、これら光軸Ｒ１，Ｒ２と、前記ＬＥＤ１９（Ａ），１９（Ｂ）の光軸とは、左右にずれを生じている、つまり同一直線上に存在しないようになっている。これにて、上述のように、２個のＬＥＤ１９の虚像Ｖが実質的に同一点に位置されるようになっているのである。
【００３０】
上記構成のバーコードリーダにおいては、上述のように、各照明部１５において、図２に示すように、２個のＬＥＤ１９から放射された光を照明用レンズ１７，１８が集光，拡散して横方向に細長く広がる照明光として射出するようになっている。このとき、図１に示すように、２個のＬＥＤ１９の虚像Ｖが実質的に同一点に生じさせるように構成されているので、照明用レンズ１８から射出される照明光が、見掛け上、１点の発光源から放射された形態とすることができる。図１では、実際の光路を実線で示し、見掛け上の光路を二点鎖線で示している。
【００３１】
これにより、ＬＥＤ１９（Ａ）からの光が照明用レンズ１８の左半部から射出され、ＬＥＤ１９（Ｂ）からの光が照明用レンズ１８の右半部から射出される形態となり、図２に示すように、各ＬＥＤ１９（Ａ），１９（Ｂ）から発せられた光の重なりをなくすことができ、読取対象に照射された照明光の照度分布の均一化を図ることができるのである。また、照明用レンズ１７，１８の２枚構成とし、しかもそれらの屈折率を相違させたことにより、レンズ群全体の収差を容易に改善し、照明光の集光性を向上させてより視認性の高い照明光を得ることができる。尚、照明光の光軸Ｃが、結像光学系の光軸Ｏと光学的に同一平面内に配置されるので、常に結像光学系による読取位置に適切に照明光を照射することができる。
【００３２】
このように本実施例によれば、照明光源１６を複数個のＬＥＤ１９を並べて構成したものにあって、光源側の照明用レンズ１８を、それらＬＥＤ１９の虚像Ｖを実質的に同一点に生じさせるように構成したので、従来のような照明光の強度分布にむらが発生していたものと異なり、照明光の照度分布の均一化を図ることができるものである。また、２枚の照明用レンズ１７，１８を用いたことにより、目標とする照度分布を得るにあたっての照明用レンズ１７，１８の設計の自由度を高めることができるものである。
【００３３】
図５〜図１０は、本発明の第２〜第７の実施例を夫々示しており、光源側に配置される照明用レンズの形状のいくつかの変形例を示している。これらは、いずれも、照明用レンズの光入射面が非球面形状をなしており、また、実質上左右に２本の光軸を有するものとなるが、それら光軸と、ＬＥＤ１９（Ａ），１９（Ｂ）の光軸とが同一直線上に存在しないようになっており、もって、２個のＬＥＤ１９の虚像Ｖを実質的に同一点（距離が０）に生じさせるようになっている。これにて、上記第１の実施例における照明用レンズ１８の場合と同様の作用，効果が得られるようになっている。
【００３４】
即ち、図５に示す第２の実施例に係る照明用レンズ２１は、光射出面２１ａが凸状の球面（平面から見ても側面から見ても緩やかな円弧状）とされており、光入射面２１ｂは、上面から見て、中央部がくびれ、その左右方向に曲率半径が一定値でない曲線状に膨らむ（凸となる）ような非球面形状をなすと共に、側面から見て凸状の円弧状をなすような曲面とされている。
【００３５】
図６に示す第３の実施例に係る照明用レンズ２２は、光射出面２２ａが凸状の円筒面（平面から見て緩やかな円弧状であり側面から見て直線状）をなし、光入射面２２ｂが、上記第１の実施例の照明用レンズ１８の光入射面１８ｂと同様の非球面形状をなしている。
【００３６】
図７に示す第４の実施例に係る照明用レンズ２３は、光射出面２３ａが凹状の円筒面（平面から見て緩やかな円弧状であり側面から見て直線状）をなし、光入射面２３ｂが、上記照明用レンズ１８や照明用レンズ２２と同様の非球面形状をなしている。
【００３７】
図８に示す第５の実施例に係る照明用レンズ２４は、光射出面２４ａが凹状の球面（平面から見ても側面から見ても緩やかな円弧状）をなし、光入射面２４ｂが、上記照明用レンズ１８や照明用レンズ２２，２３と同様の非球面形状をなしている。
【００３８】
図９に示す第６の実施例に係る照明用レンズ２５は、光射出面２５ａが凸状の円筒面（平面から見て直線状であり側面から見て緩やかな円弧状）をなし、光入射面２５ｂが、上記照明用レンズ１８や照明用レンズ２２，２３，２４と同様の非球面形状をなしている。
【００３９】
図１０に示す第７の実施例に係る照明用レンズ２６は、光射出面２６ａが凹状の円筒面（平面から見て直線状であり側面から見て緩やかな円弧状）をなし、光入射面２６ｂが、上記照明用レンズ１８や照明用レンズ２２，２３，２４，２５と同様の非球面形状をなしている。
【００４３】
尚、上記実施例では、結像レンズの読取光軸及び一次元撮像素子を含む平面と、照明光軸とを物理的にも同一平面内に配置するようにしたが、光路がミラー等により曲折されていて物理的には平面といえない場合でも、読取対象に照明光が照射される直前の照明光の光軸と、その読取対象を反射して結像レンズにより結像される反射光の反射直後の光軸とが同一の平面にあれば、光学的に同一平面に内あるということができる。
【００４４】
また、上記した各実施例では、照明用レンズを２枚のレンズから構成したが、例えば照明光の光量が十分に得られるような場合には、照明用レンズを１枚のレンズから構成しても良いことは勿論であり、簡単で安価な構成で済ませることができる。３枚以上のレンズから構成しても良いことは勿論である。そして、上記実施例では、照明光の照度分布を均一とするようにしたが、本発明によれば、例えば左右両端部側を中央部よりも明るくするような照度分布とするといったように、所望の照度分布を容易に得ることができる。その他、照明光源を構成する発光手段の数は３個以上であっても良く、また、ＬＥＤ以外の発光手段を採用することもできる等、本発明は要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施し得るものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施例を示すもので、照射光の光路を示す照明部部分の拡大平面図
【図２】 照明光の範囲と強度分布とを示す図
【図３】 照明用レンズの形状及びそれとＬＥＤとの位置関係を示す平面図（ａ）及び側面図（ｂ）
【図４】 バーコードリーダの先端側の光学系の配置を示す概略的な平面図
【図５】 本発明の第２の実施例を示す図３相当図
【図６】 本発明の第３の実施例を示す図３相当図
【図７】 本発明の第４の実施例を示す図３相当図
【図８】 本発明の第５の実施例を示す図３相当図
【図９】 本発明の第６の実施例を示す図３相当図
【図１０】 本発明の第７の実施例を示す図３相当図
【図１１】 従来例を示すもので、図４相当図
【図１２】 図２相当図
【符号の説明】
図面中、１１はケース、１１ａは読取窓、１２は光学機構、１３は一次元撮像素子、１４は結像レンズ、１５は照明部、１６，３１は照明光源、１７は照明用レンズ（第１の照明用レンズ）、１８，２１，２２，２３，２４，２５，２６は照明用レンズ（第２の照明用レンズ）、１８ａ，２１ａ，２２ａ，２３ａ，２４ａ，２５ａ，２６ａは光射出面、１８ｂ，２１ｂ，２２ｂ，２３ｂ，２４ｂ，２５ｂ，２６ｂは光入射面、１９はＬＥＤ（発光手段）、Ｖは虚像を示す。

Claims (16)

1. 複数個の発光手段を並んで有する照明光源と、この照明光源からの入射光を集光及び／又は拡散して照明光として射出する照明用レンズと、読取対象からの反射光を結像するための結像レンズと、この結像レンズによる像を取込む一次元撮像素子とを具備してなる光学的情報読取装置であって、
   前記照明光の光軸が、前記結像レンズの光軸及び一次元撮像素子を含む光学的平面と同一平面内に配置されていると共に、
   前記照明用レンズは、前記複数個の発光手段間に、それら発光手段の虚像を、実質的に同一点に生じさせるように構成されていることを特徴とする光学的情報読取装置。
2. 前記照明用レンズは、合成樹脂製であることを特徴とする請求項１記載の光学的情報読取装置。
3. 前記照明用レンズは、少なくとも対象側及び光源側に配置される複数枚のレンズから構成されることを特徴とする請求項１又は２記載の光学的情報読取装置。
4. 前記対象側に配置されたレンズと光源側に配置されたレンズとは、屈折率が互いに異なることを特徴とする請求項３記載の光学的情報読取装置。
5. 前記照明用レンズのうち光源側に配置されるレンズは、アプラナティックレンズであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の光学的情報読取装置。
6. 前記照明用レンズの前記照明光源からの光入射面は、非球面形状とされていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の光学的情報読取装置。
7. 前記照明用レンズの光入射面は、中央部の曲率半径よりも端部の曲率半径の方が大きく構成されることを特徴とする請求項６記載の光学的情報読取装置。
8. 前記照明用レンズのうち光源側に配置されるレンズは凸レンズ、対象側に配置されるレンズは凹レンズであることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の光学的情報読取装置。
9. 複数個の発光手段を並んで有する照明光源と、この照明光源からの入射光を集光及び／又は拡散して照明光として射出する照明用レンズと、読取対象からの反射光を結像するための結像レンズと、この結像レンズによる像を取込む一次元撮像素子とを具備してなる光学的情報読取装置であって、
   前記照明光の光軸が、前記結像レンズの光軸及び一次元撮像素子を含む光学的平面と同一平面内に配置されていると共に、
   前記発光手段の光軸と前記照明用レンズの光軸とが同一直線上に存在しない組合せを少なくとも１組有しており、前記照明用レンズは、前記照明光源を構成する複数個の発光手段の虚像を、実質的に同一点に生じさせるように構成されていることを特徴とする光学的情報読取装置。
10. 前記照明用レンズは、合成樹脂製であることを特徴とする請求項９記載の光学的情報読取装置。
11. 前記照明用レンズは、少なくとも対象側及び光源側に配置される複数枚のレンズから構成されることを特徴とする請求項９又は１０記載の光学的情報読取装置。
12. 前記対象側に配置されたレンズと光源側に配置されたレンズとは、屈折率が互いに異なることを特徴とする請求項１１記載の光学的情報読取装置。
13. 前記照明用レンズのうち光源側に配置されるレンズは、アプラナティックレンズであることを特徴とする請求項９ないし１２のいずれかに記載の光学的情報読取装置。
14. 前記照明用レンズの前記照明光源からの光入射面は、非球面形状とされていることを特徴とする請求項９ないし１２のいずれかに記載の光学的情報読取装置。
15. 前記照明用レンズの光入射面は、中央部の曲率半径よりも端部の曲率半径の方が大きく構成されることを特徴とする請求項１４記載の光学的情報読取装置。
16. 前記照明用レンズのうち光源側に配置されるレンズは凸レンズ、対象側に配置されるレンズは凹レンズであることを特徴とする請求項９ないし１５のいずれかに記載の光学的情報読取装置。

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