JP4192722B2 - ホログラム画像投影装置及びそれを用いた情報コード読取装置 - Google Patents

Description

本発明は、ホログラムに記録された特定画像を被写体上に投影するホログラム画像投影装置及びそれを用いた情報コード読取装置に関する。

従来より、一次元バーコードリーダや二次元バーコードリーダなどの情報コード読取装置では、ラベルや商品に印刷された白黒の情報コードをＬＥＤ（発光ダイオード）やレーザを光源とする読み取り光で照射し、その反射光を受光素子が配列された光学センサに結像して情報コードの画像を読み取っている。このような情報コード読取装置では、近年、使い勝手を良くするために情報コードを、記録された面より遠く離れた位置から読み取ることのできる大深度読取型が製品化されている。

このような大深度読取型では、情報コードを確実に捉えるために、反射光を読み取る光学センサの視野がどこにあるかを確認することが重要になる。このため、現在の情報コード読取装置では、殆どの機種に読み取り視野を示すためのマーカ投影装置が搭載されている。
このマーカ投影装置の光源としては、ＬＥＤも使用できるが、非コヒーレントな発光をするＬＥＤの光は指向性が低く、周囲が明るいと投影されたマーカが見づらい問題がある。このため、指向性の高い光で視認性のよいマーカを投影できるレーザダイオードが用いられることが多い。

図６は、このようなレーザダイオードを光源としたマーカ投影装置２を搭載した従来の情報コード読取装置１の一構成を概念的に表わしたものである。マーカ投影装置２の光源であるレーザダイオード３で発生された光は、集光レンズ４で集光されホログラムプレート５に入射する。ホログラムプレート５の表面には、様々にデザインされたマーカを投影することのできるホログラム回折格子６が形成されており、入射した光はこのホログラム回折格子６で回折して、情報コード２２が印刷されたラベル２１上に読み取り視野を示すマーカ２３を写し出す。

一方、非コヒーレントな光を発する照明用ＬＥＤ７で発生された光は、照明用レンズ８を通ってラベル２１上に印刷された情報コード２２を照明する。情報コード２２で反射した反射光は、結像レンズ９で集光され受光素子（光学センサ）１０であるＣＣＤの上に結像して電気信号に変換される。そして、図示しないデータ処理回路により情報コード２２が意味する情報が解読される。

図７は、図６中のマーカ投影装置２の光学系のみを拡大して描いたものである。図のマーカ投影装置２は、ホログラム回折格子６を使用してマーカを投影させる（例えば、特許文献１参照）ことを特徴とするものである。レーザダイオード３から放射されるレーザ光は、集光された光ではなく楕円状に拡がった光である。従って、ホログラム回折格子６に記録されたマーカを被写体に鮮明に投影するために、図に示すように、発光源であるレーザダイオード３とホログラムプレート５との間に集光レンズ４が挿入される。

しかしながら、ホログラムプレート５の素材は石英やアクリルで、その表面にホログラム回折格子６を形成したホログラムは高価なものである。また、集光レンズ４も樹脂成形すると型費用が発生する。更に、ホログラムプレート５、集光レンズ４、レーザダイオード３の３点を固定する手段も複雑である。このため、従来のマーカ投影装置２には、製作費用が高く、寸法も大きいといった問題があった。

近年、集光レンズ内蔵型のレーザダイオードも世の中に出回り始めたが、まだ価格が集光レンズとレーザダイオードの各単体価格を併せた値以上に高く、外観も依然として大きいという問題がある。また、別々に形成した集光レンズとホログラムプレートとを、一つの鏡筒の中に熱カシメ等により一体のユニットに形成する構成も提案されているが（例えば、特許文献２参照）、製作費用の点は依然として解決されていない。
ＵＳ６，３４７，１６３ Ｂ２号公報 特開２００２−２３６２５１号公報

本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、その課題は、ホログラムに記録された特定画像を被写体上に鮮明に投影することのできるシンプルな構造で安価なホログラム画像投影装置を提供すること、及びそのようなホログラム画像投影装置をマーカ投影装置として内蔵した情報コード読取装置を提供することにある。

前記課題を解決するための請求項１に記載の発明は、レーザ光を集光してホログラムに照射し、該ホログラムに記録された特定画像を再生して被写体に投影するホログラム画像投影装置であって、前記レーザ光を集光する凸レンズの片面を平面形状とし、該平面上に前記特定画像を記録したホログラム回折格子を形成したことを特徴とするホログラム画像投影装置である。

このような構成によれば、構成がシンプルになり、ホログラム回折格子と凸レンズを一体成形することで製造コストを低減することができる。また、部品点数が減少するため、その固定方法も簡単になる利点がある。

また、請求項１に記載の発明は、前記凸レンズの凸面側の中心軸上にレーザ光源を配置し、レーザ光源と凸レンズの凸表面中心との距離をａ、凸レンズの最肉厚部の厚さをｂ、凸レンズの材質の屈折率をｎ、凸レンズの凸面の曲率半径をｒとするとき、ａ、ｂ、ｒ、ｎの間に、
ｒ＝（ｎ−１）・ａ・ｂ／（ｂ＋ａ・ｎ）
の関係が成立するように構成されていることを特徴とするホログラム画像投影装置である。

このような構成によれば、レーザ光源から放射されたレーザ光は、凸レンズの平面側中心付近の狭い範囲に収束する。従って、ホログラム回折格子が小サイズのもので済み、鮮明な画像が投影される利点がある。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のホログラム画像投影装置であって、前記片面にホログラム回折格子を形成した凸レンズの、凸面側の焦点位置にレーザ光源を配置したことを特徴とするホログラム画像投影装置である。
このような構成によれば，ホログラム回折格子には平行レーザ光が入射することとなり、鮮明な画像が投影される利点がある。

また、請求項３に記載の発明は、特定情報を記録した情報コードを光学的に読み取って解読する情報コード読取装置であって、情報コードを光学的に読み取る光学センサの視野を示すマーカを情報コードが記録された被写体に投影するマーカ投影装置を備え、該マーカ投影装置として請求項１または２に記載のホログラム画像投影装置を使用したことを特徴とする情報コード読取装置である。
このような構成によれば、マーカ投影装置として透過型位相格子ホログラムを使用したホログラム画像投影装置を使用するので、鮮明なマーカを被写体に投影することができる。

以下、図面を参照して本発明のホログラム画像投影装置、及びこれをマーカ投影装置として内蔵した情報コード読取装置について説明する。図１は、そのホログラム画像投影装置の一実施形態の構成を示した図である。なお、従来の図７と同じ構成要素には同じ符号が付してある。このホログラム画像投影装置２は、片面にホログラム回折格子６を形成した凸レンズ３０、レーザダイオード３、それらを固定して収納する鏡筒３１、レーザダイオード３を駆動する駆動回路３２とにより構成される。

凸レンズ３０は、片面が平面形状の凸レンズで、その平面側に、投影する特定画像を記録したホログラム回折格子６が形成されている。凸レンズ３０は、アクリル樹脂、石英ガラスなどの材質で製作される。ホログラム回折格子６は、レジストマスク等を用いたフォトリソグラフィ、ワイヤ放電、電子ビーム加工などにより形成される。材質としてアクリル樹脂などのモールド可能な樹脂を使用する場合には、平面となる側にホログラム回折格子６の転写パターンを形成した凸レンズ成形型を用いて、ホログラム回折格子６と凸レンズ３０とを一体成形で製作することができる。

凸レンズ３０は、ホログラム回折格子６が形成された平面側を被写体側に向けて鏡筒３１に固定されている。レーザダイオード３は、その発光面が凸レンズ３０の凸面側の中心軸上に位置するように鏡筒３１に固定されており、駆動回路３２により駆動される。
図２、図３は、凸レンズ３０とレーザダイオード３との位置関係を例示したものである。図２は、レーザダイオード３の発光面を、凸レンズ３０の焦点位置Ｆに一致させて配置した場合を示した図である。この場合、レーザダイオード３は点光源に近いため、放射されたレーザ光は、凸レンズ３０によって平行レーザ光に変換されてホログラム回折格子６に入射し、回折してホログラム回折格子６に記録された画像を被写体上に投影させる。

図３は、レーザダイオード３を、凸レンズ３０の焦点位置Ｆより更に遠ざけ、レーザダイオード３から放射され、凸レンズ３０に入射したレーザ光が、凸レンズ３０の中心軸３３とレンズ平面との交点Ｑ付近に集光されるように配置した構成である。レーザダイオード３を点光源と考え、その発光位置を凸レンズ３０の中心軸３３上のＰ点とし、Ｐ点から中心軸３３と小さな角度θで放射されたレーザ光が球面である凸面上の点Ｒに入射し、屈折してＱ点に達するようにＰ点の位置を定めた場合を考える。線ＰＱと凸面との交点をＳ、凸面を表面とする球体の中心点をＣと、ＰＳ間の距離をａ、ＳＱ間の距離をｂ、凸面の曲率（ＣＲ間の距離）をｒ、凸レンズ３０の屈折率をｎとすると、θの値が小さい場合には、スネルの法則より次の関係式が成り立つ。

ｒ＝（ｎ−１）・ａ・ｂ／（ｂ＋ａ・ｎ） （１）式
即ち、ａ、ｂ、ｒ、ｎが（１）式を満たすように凸レンズ３０の形状、及び凸レンズ３０とレーザダイオード３の位置関係が定められていると、Ｐ点から中心軸３３と小さな角度θで放射されたレーザ光は、全て凸レンズ３０の平面側の中心点Ｑに集まる。
しかし、実際にはレーザダイオード３は点光源ではなく、小さいながら広がりを持つ。従って、レーザダイオード３から放射された光は全てＱ点に収束する訳ではなく、Ｑ点を中心とした平面上の狭い面積に収束する。また、上記（１）式は、中心軸３３となす角度θが小さい光に対してのみ成立する式であって、角度θが大きい光については誤差が生ずる。従って、角度θが大きい値で放射された光も、Ｑ点ではなくＱ点から少し離れた平面上の位置に入射する。

このように、（１）式を満足するようにホログラム画像投影装置２を構成した場合には、レーザダイオード３から放射されたレーザ光は、凸レンズ３０の平面側のＱ点を中心とした小さい面積内に収束する。従って、その範囲に希望する画像を記録した小サイズの精密ホログラム回折格子６を形成しておけば、記録された画像を被写体上に鮮明に投影させることができる。
なお、レーザ光がＱ点に集中しすぎる場合には、（１）式が近似的に成立するように、何れかの変数の値を調整すれば、Ｑ点を中心とするレーザ光の集光面積を拡げることができる。

図４は、情報コードを読み取って解読するハンディタイプの情報コード読取装置の構成例である。この情報コード読取装置４０は、離れた位置に置かれた図５のようなラベル６１上に印刷された情報コード６２を読み取る大深度読取型の装置である。図中に例示した情報コード６２は、二次元バーコードである。

情報コード読取装置４０は、受光部（光学センサ）４１、照明部４２、マーカ投影部（マーカ投影装置）４３、制御回路４４、電源としての電池４５、表示部４６、キー入力部４７、トリガスイッチ４８等から構成され、これらがケース４９内に収納、固定されている。
照明部４２は、情報コード６２を照射する読取用の光を発生する部分であり、非コヒーレントな光を発生する照明用ＬＥＤ５０と、発生した光を情報コード６２に方向づける照明用レンズ５１とにより構成され、制御回路４４により発光が制御される。

受光部４１は、照明部４２により照明された情報コード６２からの反射光を受光するためのもので、結像レンズ５２と受光素子５３とにより構成される。情報コード６２が二次元バーコードの場合には、受光素子５３には受光セルを二次元配置したＣＣＤが用いられる。情報コード６２からの反射光は、結像レンズ５２によって受光素子５３であるＣＣＤ上に結像される。そして、制御回路４４の制御によりＣＣＤの各セルの受光量が電気信号に変換され、情報コード６２の意味する情報が解読される。

情報コード６２の読み取りは、トリガスイッチ４８のＯＮ操作により開始される。解読された情報は表示部４６に表示される。キー入力部４７は読み取りに先立って、実装するプログラムを選択したり、読み取る情報コードの種類を指定したりするために使用される。
マーカ投影部（マーカ投影装置）４３は、受光部（光学センサ）４１の読み取り視野をラベル６１上に投影するためのもので、本情報コード読取装置４０のように、離れた位置に置かれたラベル６１上の情報コード６２を読み取る大深度読取型の装置には、欠かすことのできない構成要素である。このマーカ投影部４３には、図１に示したようなホログラム画像投影装置２を用いる。

即ち、マーカ投影部４３は、図１に示したように片面にホログラム回折格子６を形成した凸レンズ３０、レーザダイオード３と鏡筒３１とにより構成され、制御回路４４により制御される。レーザダイオード３から放射されたレーザ光は、凸レンズ３０で屈折してホログラム回折格子６に入射する。ホログラム回折格子６は、マーカ画像を記録した回折格子であり、入射したレーザ光は回折してラベル６１上の情報コード６２の周囲に、視野範囲を示すマーカ６３を投影する。このホログラム画像投影装置２で用いているホログラムは透過型位相格子ホログラムであるので、投影されるマーカは明るく、視認性の良いものとなる利点がある。

ホログラム画像投影装置の構成図である。 凸レンズとレーザダイオードとの位置関係の一例である。 凸レンズとレーザダイオードとの位置関係の他の例である。 ホログラム画像投影装置をマーカ投影部に採用した情報コード読取装置の構成例である。 情報コードが印刷されたラベルの例である。 従来技術による図４相当図である。 従来技術による図１相当図である。

符号の説明

図面中、２はホログラム画像投影装置、３はレーザダイオード（レーザ光源）、６はホログラム回折格子、３０は凸レンズ、３１は鏡筒、４０は情報コード読取装置、４１は受光部（光学センサ）、４２は照明部、４３はマーカ投影部（マーカ投影装置）、５２は結像レンズ、５３は受光素子、６２は情報コード、６３はマーカ、６１はラベル（被写体）、Ｆは焦点位置を示す。

Claims (3)

1. レーザ光を集光してホログラムに照射し、該ホログラムに記録された特定画像を再生して被写体に投影するホログラム画像投影装置であって、前記レーザ光を集光する凸レンズの片面を平面形状とし、該平面上に前記特定画像を記録したホログラム回折格子を形成し、
   前記凸レンズの凸面側の中心軸上にレーザ光源を配置し、レーザ光源と凸レンズの凸表面中心との距離をａ、凸レンズの最肉厚部の厚さをｂ、凸レンズの材質の屈折率をｎ、凸レンズの凸面の曲率半径をｒとするとき、ａ、ｂ、ｒ、ｎの間に、
   ｒ＝（ｎ−１）・ａ・ｂ／（ｂ＋ａ・ｎ）
   の関係が成立するように構成されていることを特徴とするホログラム画像投影装置。
2. 請求項１に記載のホログラム画像投影装置であって、前記片面にホログラム回折格子を形成した凸レンズの、凸面側の焦点位置にレーザ光源を配置したことを特徴とするホログラム画像投影装置。
3. 特定情報を記録した情報コードを光学的に読み取って解読する情報コード読取装置であって、情報コードを光学的に読み取る光学センサの視野を示すマーカを情報コードが記録された被写体に投影するマーカ投影装置を備え、該マーカ投影装置として請求項１または２に記載のホログラム画像投影装置を使用したことを特徴とする情報コード読取装置。

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