JP5902859B1 - 光学的情報読取装置の制御回路 - Google Patents

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Abstract

【課題】制御回路の構成を簡単にして部品点数を少なくすると共に、高性能なアンプを使用しなくても光学的情報を精度よく読み取れるようにする。【解決手段】レーザダイオード25の発光によるレーザビームを走査ミラー16によって反射させて、バーコード等の光学的情報を走査し、その反射光をフォトダイオード17で受光して電気信号に変換し、その信号を処理して光学的情報を読み取る。その光学的情報読取装置の制御回路は、入力信号の周波数に応じてゲインが変化する特性を有するメインアンプ13によって上記電気信号を増幅し、その増幅したアナログ信号を検波回路14で検波し、その検波出力によって、MPU10(点滅周波数制御回路)が上記アナログ信号のレベルを検出し、そのレベルに応じてAPC回路20(点滅発光回路)によるレーザダイオード25の点滅周波数を変化させて、メインアンプ13のゲインを調整する。【選択図】 図1

Description

本発明は、バーコード等の光学的情報を読み取るための光学的情報読取装置の制御回路に関する。
光学的情報読取装置として、商品の品名や価格等の情報を示すバーコードや二次元コード等の光学的情報を読み取るバーコードリーダが、流通業界や小売業界で広く使用されている。
このバーコードリーダは、片手で持って使用するハンド式と定置式に大別され、ハンド式にはさらに、ペン方式、タッチ方式、光ビーム走査方式(レーザ方式)がある。
光ビーム走査方式のバーコードリーダは、レーザダイオード(LD)等の光源によって発光される光をビーム状にして、その光ビームをバーコードに当たるようにミラーで偏向させ、そのミラーを回転あるいは振動(揺動)させて、光ビームがバーコードを横切るように走査する。
そして、バーコードからの反射光を集光し、フォトダイオード(PD)等の受光センサで受光して電気信号に変換する。その電気信号を増幅した後コード化し、バーコード読取情報として出力する。このような光ビーム走査方式による光学的情報読取装置は、例えば特許文献1に開示されている従来例では、図7に示すように構成されている。
この図7に示す光学的情報読取装置は、レーザダイオードLDとフォトダイオードPDを有する走査・検出部50と、走査ミラー60と、信号処理部70を含む。
走査・検出部50における発振器51とパルス化レーザドライバ52によってレーザダイオードLDを所定の周波数で発光させ、そのレーザ光を図示していないコリメートレンズとアパーチャを通してレーザビームにして射出させる。そのレーザビームを、図示していない駆動回路及び駆動機構によって往復振動される走査ミラー60に反射させて、商品等に印刷されたバーコード80を走査させる。
そのバーコード80からの反射光を再び走査ミラー60に反射させて、図示していない集光ミラー又は集光レンズで集光して、走査・検出部50のフォトダイオードPDに受光させる。フォトダイオードPDには、バーコード80の縞状の明部と暗部からの反射光の受光量(光強度)に応じた電流が流れ、その電流出力をプリアンプ53で電圧信号に変換する。
その電圧信号をハイパスフィルタ(HPF)54を通し、所定周波数以上の帯域成分のみを、AGC回路55で自動ゲイン調整して増幅し、同期検波回路56によって発振器51の発振周期に同期して検波する。
その検波出力信号を信号処理部70へ送り、ハイパスフィルタ(HPF)又は微分回路
71を通して高域成分のみを、AGC回路72で再び自動ゲイン調整して増幅し、アナログ出力とする。このAGC回路72は、その出力信号をローパスフィルタ(LPF)73を通して制御信号としている。
また、そのアナログ出力をコンパレータ74によって、同じアナログ出力をローパスフィルタ(LPF)75を通して平滑化した信号と比較して2値化し、2値化信号として出力する。さらに、同じアナログ出力をエッジデジタイザ76によって2値化して、2値化信号として出力する。
これらの各出力信号をマイクロコンピュータ(CPU)へ送って、バーコードの解読(読み取り)を行う。
国際公開第2013/116467号パンフレット
このような従来の光学的情報読取装置の制御回路は、回路構成が複雑で部品点数が多くなると共に、高性能なアンプが必要なためコスト高になっていた。
本発明は、このような技術背景に鑑みてなされたものであり、光学的情報読取装置の制御回路の構成を簡単にして部品点数を少なくすると共に、高性能なアンプを使用しなくても光学的情報を精度よく読み取れるようにすることを目的とする。
本発明による光学的情報読取装置の制御回路は、レーザダイオードの発光によるレーザビームを走査ミラーによって反射させて光学的情報を走査し、その光学的情報からの反射光をフォトダイオードで受光して電気信号に変換し、その電気信号を処理して上記光学的情報を読み取る光学的情報読取装置の制御回路であって、上記の目的を達成するため、次のように構成したことを特徴とする。
上記レーザダイオードを点滅発光させる点滅発光回路と、上記電気信号を増幅するアンプと、そのアンプによって増幅されたアナログ信号の振幅のレベルを検出し、そのレベルに応じて上記点滅発光回路による上記レーザダイオードの点滅周波数を変化させる点滅周波数制御回路とを備え、上記アンプが、入力信号の周波数に応じてゲインが変化する特性を有するアンプである。
上記アンプが入力信号の周波数の増加に応じてゲインが低下する特性を有し、上記点滅周波数制御回路は、上記アナログ信号の振幅のレベルが低い方の規定値より低い場合は、上記レーザダイオードの点滅周波数を下げ、上記アナログ信号の振幅のレベルが高い方の規定値より高く、上記アナログ信号が飽和していない場合は、上記レーザダイオードの点滅周波数を上げ、上記アナログ信号が飽和する場合は、上記レーザダイオードの点滅周波数を上げると共に、その発光パワーを減少させるように制御するとよい。
上記アンプがゲインピーキングのあるゲイン特性を有し、入力信号の周波数の増加に応じてゲインが低下する特性範囲で、上記点滅周波数制御回路が上記レーザダイオードの点滅周波数を変化させるようにするとなおよい。
上記点滅周波数制御回路は、上記アンプによって増幅されたアナログ信号の振幅のレベルに応じて、上記点滅発光回路を制御するパルス幅変調信号の周波数を変更して、上記レーザダイオードを点滅させるパルス信号の周波数を変化させることができる。
これらの光学的情報読取装置の制御回路において、上記アンプによって増幅されたアナログ信号を検波する検波回路を設け、上記点滅周波数制御回路が、上記検波回路の検波出力から上記アンプによって増幅されたアナログ信号の振幅のレベルを検出するのが望ましい。上記検波回路は、包絡線検波回路又は同期検波回路であるとよい。
レーザダイオードの点滅周波数を、光学的情報の検出信号波形の周波数の2倍以上にすることによって、LED照明によるノイズの影響を除去することができる。
本発明による光学的情報読取装置の制御回路は、回路構成が簡単で部品点数を少なくて済み、高性能なアンプを使用しなくてもバーコード等の光学的情報を精度よく読み取ることが可能になる。
本発明による光学的情報読取装置の制御回路の一実施形態を示す回路図である。 理想的なハイパスアンプのゲイン特性を示す線図である。 本発明の制御回路に使用するハイパスアンプの望ましいゲイン特性を示す線図である。 バーコードが標準距離、遠距離、および近距離にある場合にそれぞれレーザダイオードを点滅させるパルス信号のデューティの例を示す波形図である。 図1におけるMPUによる発光パワー調整の処理例を示すフローチャートである。 本発明の実施形態によるLED照明環境で使用する際のノイズ除去効果の説明図である。 従来の光学的情報読取装置の制御回路を含む構成例を示すブロック回路図である。
以下、本発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。
図1は、本発明による光学的情報読取装置の制御回路の一実施形態を示す回路図である。この制御回路は、マイクロ・プロセッサ・ユニット(MPU)10、自動パワー調整(APC)回路20、駆動回路11、プリアンプ12、メインアンプ13、および検波回路14によって構成されている。
自動パワー調整(APC)回路20は、バッファアンプ21と、スイッチング用のFET(電界効果トランジスタ)22、抵抗23、ダイオード24、レーザダイオード(LD)25とその発光モニタ用のフォトダイオード(PD)26を備えている。
MPU10は、中央演算装置とプログラムメモリ及びデータメモリと、A/D変換回路及びD/A変換回路を含み、この制御回路全体を制御するプログラム処理機能を有する。
自動パワー調整(APC)回路20は、MPU10からレーザダイオード25を発光させるパルスの波高値を決めるアナログ信号(DA出力)をバッファアンプ21に入力する。そして、バッファアンプ21の出力信号を、MPU10からのPWM(Pulse Width Modulation)出力、すなわちパルス幅変調信号によってON/OFF制御されるFET22とダイオード24を通したパルス信号をレーザダイオード25に印加して、レーザダイオード25を点滅発光させる。したがって、APC回路20が、レーザダイオード25を点滅発光させる点滅発光回路の機能を果たしている。
そのレーザダイオード25の発光強度をフォトダイオード26がモニタし、その検出信号をMPU10へフィードバックする。MPU10はその検出信号によって、レーザダイオード25の発光強度すなわちパワーを一定に保つように、DA出力を変更してレーザダイオード25を点滅させるパルス信号の波高値(振幅)を制御する。これが、APC回路20とMPU10とによる自動パワー調整機能である。
また、後述する検波回路14の検波出力から、MPU10がメインアンプ13によって増幅されたアナログ信号の振幅のレベル(大きさを示す)に応じて、PWM出力であるパルス幅変調信号の周波数を変更して、APC回路20がレーザダイオード25を点滅発光させるパルス信号の周波数を変更する。
したがって、この実施形態ではMPU10が点滅周波数制御回路の機能を果たし、アンプによって増幅されたアナログ信号の振幅のレベルを検出し、そのレベルに応じて点滅発光回路であるAPC回路20によるレーザダイオード25の点滅周波数を変化させる。
なお、この実施形態では、メインアンプ13によって増幅されたアナログ信号を、検波回路14によって検波した検波出力によって、MPU10が上記アナログ信号の振幅のレベルを検出している。そのため、検波出力は、上記アナログ信号におけるレーザダイオード25の点滅発光による周波数の高いキャリア成分が除去され、バーコード検出信号のみの低い周波数の半波波形のアナログ信号になるので、MPU10が容易にその振幅のレベルを検出することができる。
しかし、点滅周波数制御回路の役目をなすMPU10が、高速応答が可能な多値のA/D変換回路を備えるなどしていれば、検波回路14を設けずに、メインアンプ13によって増幅されたアナログ信号を直接MPU10に入力して、その振幅のレベルを検出させるようにしてもよい。
また、この実施形態ではアンプとして、プリアンプ12とメインアンプ13とを直列に設けているが、一つのアンプで両方を兼ねてもよい。
MPU10はまた、駆動回路11を制御してソレノイド15を駆動させて、走査ミラー16を往復振動させる。それにより、レーザダイオード25の発光によるレーザ光が、図示していないコリメートレンズとアパーチャを通過したレーザビームを、この走査ミラー16によって反射させて、商品等に印刷されたバーコードを走査させる。
そのバーコードからの反射光を再び走査ミラー16によって反射させて、図示していない集光ミラー又は集光レンズで集光して、フォトダイオード17に受光させる。フォトダイオード17は、バーコードの縞状の明部と暗部からの反射光の受光量(光強度)に応じた電流が流れ、その電流出力をプリアンプ12で電圧信号に変換する。
その電圧信号をメインアンプ13によって増幅する。このメインアンプ13によって増幅されたアナログ信号を、検波回路14によって検波して、その検波出力のアナログ信号をMPU10に入力させる。MPU10は、そのアナログ信号及び又はそれを2値化した2値化信号を出力し、それを後段のマイクロコンピュータ(CPU)に送ってバーコードの解読(読み取り)を行わせる。しかし、このMPU10でバーコードの解読(デコード)を実施してもよい。
プリアンプ12はトランス・インピーダンス・アンプなどの電流出力を電圧信号に変換するアンプである。メインアンプ13は入力信号の周波数に応じてゲインが変化する特性を有するアンプであり、その詳細は後述する。これらのプリアンプ12とメインアンプ13は、MPU10からのゲイン選択信号によって、例えば粗動調整の際にゲインが複数段階に切り替えられる。このプリアンプ12とメインアンプ13を、前述したように一つのアンプで兼ねてもよい。
検波回路14は、同調回路とダイオード及びローパスフィルタによる同調・包絡線検波回路又はその同調回路を省略した包絡線検波回路(以下それらをいずれも「包絡線検波回路」と称し、その機能を「包絡線検波」と称す)、あるいは同期検波回路等を使用することができる。同期検波回路の場合は、図1に矢印付き破線で示すMPU10からのPWM出力(パルス幅変調信号)に同期して検波を行う。
図2は、理想的なハイパスアンプのゲイン特性を示す線図である。このゲイン特性では、入力信号の周波数がfaからfb(fa<fb)までは、周波数の増加に応じてゲインが直線的に増加し、fb以上の周波数帯域では一定のゲインになる。
図3は、本発明の制御回路に使用するハイパスアンプの望ましいゲイン特性を示す線図である。このゲイン特性では、入力信号の周波数がf0からf1(f0<f1)までは、周波数の増加に応じてゲインが急激に増加してf1でピークになり、f1からf2(f1<f2)では周波数の増加に応じてゲインが低下し、f2以上の周波数帯域では一定のゲインになる。したがって、このアンプは周波数f1にゲインピーキングがあるゲイン特性を有する。
この実施形態では、図1に示したメインアンプ13として、図3に示したようなゲイン特性を持つハイパスアンプを使用する。このメインアンプ13に入力する電圧信号の周波数(キャリア周波数)は、レーザダイオード25の点滅周波数、すなわちMPU10がFET22をON/OFF制御するPWM出力(パルス幅変調信号)の周波数に対応する。
そこで、MPU10は、検波回路14から入力する検波出力であるアナログ信号を多値A/D変換するなどして、メインアンプ13によって増幅されたアナログ信号の振幅のレベルを検出する。そして、その振幅のレベルに応じて、PWM出力(パルス幅変調信号)の周波数を変化させて、レーザダイオード25を点滅発光させるパルス信号を次のように制御する。この場合、メインアンプ13が図3に示したようなゲインピーキングがあるゲイン特性を有し、入力信号の周波数の増加に応じてゲインが低下する特性範囲である周波数f1〜f2の範囲で、レーザダイオード25の点滅周波数を変化させるものとする。
(1)バーコードが遠距離にある(メインアンプ13によって増幅されたアナログ信号のレベルが低い方の規定値より低い)場合
PWM出力の周波数を下げてレーザダイオード25の点滅周波数を下げ、キャリア周波数を下げる(図3のf1に近づける)ことによって、メインアンプ13のゲインを上げる。
(2)バーコードが近距離にあり(メインアンプ13によって増幅されたアナログ信号のレベルが高い方の規定値より高く)、且つそのアナログ信号が飽和していない場合
PWM出力の周波数を上げてレーザダイオード25の点滅周波数を上げ、キャリア周波数を上げる(図3のf2に近づける)ことによって、メインアンプ13のゲインを下げる。
(3)バーコードが近距離にあり、メインアンプ13によって増幅されたアナログ信号が飽和する場合
上記(2)の場合と同様にキャリア周波数を上げてメインアンプ13のゲインを下げるとともに、検波回路14が包絡線検波の場合は、レーザダイオード25を点滅させるパルス信号のデューティを小さくしてON幅を減らす。それによって、レーザダイオード25の発光による1秒当たりの熱量(レーザパワー×発光時間)である発光パワーを減少させる。それによって包絡線検波出力が低下する。
検波回路14が同期検波の場合は、図1におけるMPU10からバッファアンプ21へ入力するDA出力を下げ、レーザダイオード25を点滅させるパルス信号の波高値を低くして、発光パワーを減少させる。
これとは逆に、アンプが入力信号の周波数の増加に応じてゲインが上昇するゲイン特性を有する場合、例えば、図2に示したゲイン特性を有し、その周波数fa〜fbの範囲で、あるいは図3に示したゲイン特性を有し、その周波数f0〜f1の範囲で、レーザダイオード25の点滅周波数を変化させるような場合には、上述の場合と逆に制御する。
すなわち、上記(1)の場合には、PWM出力の周波数を上げてレーザダイオード25の点滅周波数を上げ、キャリア周波数を上げることによって、メインアンプ13のゲインを上げる。
上記(2)の場合には、PWM出力の周波数を下げてレーザダイオード25の点滅周波数を下げ、キャリア周波数を下げることによって、メインアンプ13のゲインを下げる。
上記(3)の場合には、上記(2)の場合と同様にキャリア周波数を下げてメインアンプ13のゲインを下げるとともに、上記と同様にしてレーザダイオード25の発光パワーを減少させるように制御する。
ところで、レーザダイオード25の点滅周波数であるキャリア周波数を変更すると、レーザダイオード25を点滅させるFET22やレーザダイオード25の応答性能により、レーザダイオード25の出力値が変化するので、そのレーザ出力をフォトダイオード26でモニタした信号をMPU10にフィードバックして、一定の出力値になるようにMPU10がDA出力の値を調整する。
図4は、バーコードが標準距離、遠距離、および近距離にある場合にそれぞれレーザダイオード25を点滅させるパルス信号のデューティ(Duty)の例を示す波形図である。
(a)は示すデューティが50%、(b)は70%、(c)は30%の3種類のパルス信号を示す。そのパルス信号の波高値はいずれも同じである。
レーザダイオード25の発光による熱量に相当する発光パワーは、発光輝度×発光期間であるから、この各パルス信号の波形の面積に相当する。波高値が一定であれば発光輝度は一定であり、発光パワーはデューティによって変化する。すなわち、デューティが大きい(ONのパルス幅が広い)ほど発光パワーが増加する。
また、このパルス信号の波高値を変化させると、レーザダイオード25の発光輝度が変化するので、デューティが同じでも発光パワーが変化する。その波高値は、図1におけるMPU10が出力してバッファアンプ21に入力させるDA出力によって変化する。
次に、図1におけるMPU10による、レーザダイオード25の発光パワー調整の処理例を、図5のフローチャートによって説明する。
MPU10がこの処理を開始すると、ステップS1でバーコードを1スキャンしたときの検波出力の波形を取得する。そして、ステップS2でノイズ成分を取り除き、ステップS3でピークを測定する。このピーク値が、メインアンプによって増幅されたアナログ信号のレベル(大きさ)に対応する。
その後、測定したピーク値をステップS4で、上の規定値及び下の規定値と比較判断し、上の規定値以上であればステップS5へ進んで、ピーク値のレベルによりPWM出力(パルス幅変調信号)の周波数を計算する。次いで、ステップS6でPWM出力のデューティを計算し、ステップS7でDAの値を計算する。それらの結果に基づいて、ステップS8でMPU10がPWM出力の周波数及びデューティと波高値を変更してAPC回路20を調整した後、ステップS1へ戻り、上述の動作を繰り返す。検波回路14が同期検波回路の場合は、MPU10がDA出力を下げてレーザダイオード25の発光輝度を下げ、発光パワーを低下させる。
ステップS4で、ピーク値が下の規定値以下であると判断した場合は、ステップS9へ進んで、PWM出力の周波数を最大ゲイン周波数(図3のf1)にする。次いで、ステップS10でPWM出力のデューティを図4に示した標準にし、ステップS11でDAの値を規定の最大にする。それらの結果に基づいて、ステップS12でMPU10がPWM出力の周波数及びデューティと波高値を変更してAPC回路20を調整した後、ステップS1へ戻り、上述の動作を繰り返す。
ステップS4で、ピーク値が上下の規定値内であると判断した場合は、現在の調整を維持してステップS1へ戻り、上述の動作を繰り返す。
次に、この光学的情報読取装置をLED(発光ダイオード)照明がなされている環境で使用する際のノイズ除去効果について、図6によって説明する。
LED照明の環境では次のような問題が発生する。
LED照明は50〜200kHzで点滅しており、フォトダイオードが受け取るバーコード検出信号波形の周波数は、100スキャン/sec程度の通常のスキャン速度の場合、0〜200kHzである。この周波数は、バーコードの黒白のバーの太さとスキャン速度によって変わる。
そのため、LED照明の周波数とバーコードの周波数が重なりやすく、LED照明下でフォトダイオードが受け取る波形は、図6の(a)に示すように、LED照明の波形とバーコードの波形が合計された波形になるため、正しく認識できなくなる。
しかし、本発明による制御回路を搭載した光学的情報読取装置では、レーザダイオード25を、バーコード検出信号波形の周波数の2倍以上(例えば500KHz)の周波数で点滅発光させ、バーコードの周波数の波形を変調させることができる。
それによって、図6の(b)に示すように、バーコードからの反射光による受信周波数を変調周波数(レーザダイオード25の点滅周波数:例えば500KHz)を中心とした両側波帯域にすることができる。したがって、その1/2以下の低い周波数のLEDの点滅周波数の波形を取り除くことができる。
そして、一方の側波帯、例えば上側波帯の信号を検波することによって、図6の(c)に示すように、元のバーコードの周波数の波形をLEDの点滅周波数の成分を除いて再生することができる。
本発明による制御回路を搭載した光学的情報読取装置で読み取る光学的情報は、バーコードに限らず、スタック型のPDF417等の二次元コードでもよい。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限るものではなく、その構成を適宜追加、変更、あるいは一部の構成を省略して実施してもよいことは勿論である。上述した実施形態及び変形例の構成は、相互に矛盾しない限り任意に組み合わせて実施可能であることも勿論である。
この発明による光学的情報読取装置の制御回路は、バーコードリーダ等の各種の光学的情報読取装置に適用することができる。
10:マイクロ・プロセッサ・ユニット(MPU:点滅周波数制御回路)
11:駆動回路 12:プリアンプ 13:メインアンプ 14:検波回路
15:ソレノイド 16:走査ミラー 17:フォトダイオード
20:自動パワー調整(APC)回路(点滅発光回路) 21:バッファアンプ
22:FET(電界効果トランジスタ) 23:抵抗 24:ダイオード
25レーザダイオード 26:フォトダイオード(モニタ用)

Claims (7)

  1. レーザダイオードの発光によるレーザビームを走査ミラーによって反射させて光学的情報を走査し、該光学的情報からの反射光をフォトダイオードで受光して電気信号に変換し、該電気信号を処理して前記光学的情報を読み取る光学的情報読取装置の制御回路であって、
    前記レーザダイオードを点滅発光させる点滅発光回路と、前記電気信号を増幅するアンプと、該アンプによって増幅されたアナログ信号の振幅のレベルを検出し、そのレベルに応じて前記点滅発光回路による前記レーザダイオードの点滅周波数を変化させる点滅周波数制御回路とを備え、
    前記アンプが、入力信号の周波数に応じてゲインが変化する特性を有するアンプであることを特徴とする光学的情報読取装置の制御回路。
  2. 前記アンプが入力信号の周波数の増加に応じてゲインが低下する特性を有し、
    前記点滅周波数制御回路は、前記アナログ信号の振幅のレベルが低い方の規定値より低い場合は、前記レーザダイオードの点滅周波数を下げ、前記アナログ信号の振幅のレベルが高い方の規定値より高く、前記アナログ信号が飽和していない場合は、前記レーザダイオードの点滅周波数を上げ、前記アナログ信号が飽和する場合は、前記レーザダイオードの点滅周波数を上げると共に、その発光パワーを減少させるように制御することを特徴とする請求項1に記載の光学的情報読取装置の制御回路。
  3. 前記アンプがゲインピーキングのあるゲイン特性を有し、入力信号の周波数の増加に応じてゲインが低下する特性範囲で、前記点滅周波数制御回路が前記レーザダイオードの点滅周波数を変化させることを特徴とする請求項2に記載の光学的情報読取装置の制御回路。
  4. 前記点滅周波数制御回路は、前記アンプによって増幅されたアナログ信号の振幅のレベルに応じて、前記点滅発光回路を制御するパルス幅変調信号の周波数を変更して、前記レーザダイオードを点滅させるパルス信号の周波数を変化させることを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の光学的情報読取装置の制御回路。
  5. 請求項1から4のいずれか一項に記載の光学的情報読取装置の制御回路において、
    前記アンプによって増幅されたアナログ信号を検波する検波回路を設け、前記点滅周波数制御回路が、前記検波回路の検波出力から前記アンプによって増幅されたアナログ信号の振幅のレベルを検出することを特徴とする光学的情報読取装置の制御回路。
  6. 前記検波回路が、包絡線検波回路又は同期検波回路であることを特徴とする請求項5に記載の光学的情報読取装置の制御回路。
  7. レーザダイオードの点滅周波数が、光学的情報の検出信号波形の周波数の2倍以上であることを特徴とする請求項1から6のいずれか一項に記載の光学的情報読取装置の制御回路。
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