JP6310366B2 - 情報読取装置 - Google Patents

Description

本発明は情報読取装置に関する。

本発明者等は、波面符号化法（Wavefront Coding）を用いた焦点深度の拡大により、コードリーダの読取距離範囲の拡大に取り組んできた（特許文献１を参照）。汎用されているコードには、二次元コードと一次元コードとがある。二次元コードとして汎用されているＱＲコード（登録商標）は正方形に近い形状である。一方、一次元コードとして汎用されているバーコードは縦横比が大きい長方形である。

商品管理の現場では二次元コードと一次元コードとが混在している。従って、正方形の二次元コード及び長方形の一次元コードの両方を読取ることができるコードリーダが必要とされている。

特願２０１３-３７９２９号

しかしながら、１つの撮像系で二次元コード及び一次元コードの両方を読取る場合には、縦横比が大きい長方形の一次元コードを画面内に収めるために、コードリーダを遠ざける等して広視野で撮像することになる。この結果、撮像倍率が低下して二次元コードが読取り難くなるという問題があった。

また、波面符号化法では、画像処理の過程でフーリエ変換を行うため、一辺の画素数が２のｎ乗（例えば、２^８＝２５６、２^９＝５１２、２^１０＝１０２４）となる正方形画像が画像処理の対象となる。通常の撮像素子では、受光素子が配列された撮像面が長方形である。このため、波面符号化法を用いた場合には、正方形画像が結像された撮像領域の情報しか活用されず、他の撮像領域の情報は無駄になっていた。

本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、本発明の目的は、撮像素子の撮像領域を無駄にすることなく、一次元コード及び二次元コードの両方を広い読取距離範囲で読取ることができる情報読取装置を提供することにある。

本発明の情報読取装置は、長方形の撮像面を備え、前記撮像面に結像された光像を撮像する撮像素子と、前記撮像面の予め定めた第１領域に第１被写体像を第１倍率で結像する第１光学系と、前記撮像面の長さ方向において前記第１領域に隣接する第２領域に第２被写体像を前記第１倍率より低い第２倍率で結像する第２光学系と、前記第１被写体像及び前記第２被写体像を含む撮像画像から一次元コード及び二次元コードの何れか一方を読み取り、前記一方のコードが読み取れない場合に、前記撮像画像から他方のコードの読み取りを行うコード読取処理部と、を備えている。

本発明の情報読取装置によれば、１つの撮像素子の撮像領域に異なる倍率で結像された２種類の被写体像の何れかを読み取ればよいので、一次元コード及び二次元コードの両方を広い読取距離範囲で読取ることができる。

本実施の形態に係る情報読取装置の電気的構成の一例を示すブロック図である。 （Ａ）は本実施の形態の撮像部の構成の一例を示す模式図である。（Ｂ）は（Ａ）に示す光学系の視野を示す模式図である。 本実施の形態の撮像部の光学系の設計例を示す光軸に沿った断面図である。 本実施の形態の撮像部による撮像例を示す図である。 コード読取処理のルーチンの一例を示すフローチャートである。 波面符号化法による画像復元の原理を説明する説明図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態の一例を詳細に説明する。

＜情報読取装置＞
まず、情報読取装置について説明する。
図１は本実施の形態に係る情報読取装置の電気的構成の一例を示すブロック図である。本実施の形態に係る情報読取装置は、一次元コード及び二次元コードの両方を読み取ることができるコードリーダである。図１に示すように、情報読取装置１０は、撮像部１２、Ａ／Ｄ変換部１４、画像メモリ部１６、ガイド光照射部１８、制御装置２０、操作部２２、表示部２４、及び通信部２６を備えている。撮像部１２、画像メモリ部１６、ガイド光照射部１８、操作部２２、表示部２４、及び通信部２６の各々は、制御装置２０に接続されて制御装置２０により制御されている。

撮像部１２は、被写体の画像（撮像面に結像された光像）を撮像し、画像信号（アナログ信号）をＡ／Ｄ変換部１４に出力する。Ａ／Ｄ変換部１４は、撮像部１２から出力されたアナログ信号をディジタル信号に変換する。画像メモリ部１６は、ディジタル化された画像信号を画像情報として記憶する。ガイド光照射部１８は、コードの読み取り範囲を示すガイド光ＭＡ（又はＭＢ）を照射する。

制御装置２０は、装置全体の制御及び各種演算を行うコンピュータとして構成されている。具体的には、制御装置２０は、ＣＰＵ（中央処理装置; Central Processing Unit）、各種プログラムを記憶したＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、各種情報を記憶する不揮発性メモリ、及び入出力インターフェース（Ｉ／Ｏ）を備えている。ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性メモリ、及びＩ／Ｏの各々は、バスを介して接続されている。

本実施の形態では、後述する「コード読取処理」の制御プログラムが予めＲＯＭに記憶されている。ＣＰＵはＲＯＭに記憶された制御プログラムを読み出し、ＲＡＭをワークエリアとして使用して、読み出したプログラムを実行する。「コード読取処理」では、画像メモリ部１６に記憶された画像情報を取り込み、コードの読み取りを開始し、読取結果を出力する。具体的な処理ルーチンについては後述する。

操作部２２は、コードの撮像の開始を指示するスイッチ等、ユーザの操作による各種の指示を受け付ける。表示部２４は、撮像部１２で撮像する前の被写体の画像、撮像部１２で撮像された被写体の画像、読取結果等をユーザに表示する。通信部２６は、有線又は無線により外部装置（図示せず）と通信を行うためのインターフェイスである。通信部２６は、例えば、制御装置２０から出力された読取結果を外部装置（図示せず）に送信する。

＜結像光学系＞
次に、撮像部１２の結像光学系について説明する。
図２（Ａ）は本実施の形態の撮像部の構成の一例を示す模式図である。図２（Ｂ）は図２（Ａ）に示す光学系の視野を示す模式図である。図２（Ａ）に示すように、撮像部１２は、ガイド光照射部１８、第１光学系３０、第２光学系３２、及び撮像素子３４を備えている。ガイド光照射部１８、第１光学系３０、第２光学系３２、及び撮像素子３４の各々は、筐体２８内に収納されている。ここでは、被写体を物品に付された二次元コードＱとする。図示した例では、二次元コードＱは正方形のＱＲコード（登録商標）である。

本実施の形態では、撮像部１２及びガイド光照射部１８以外の情報読取装置１０の各部（Ａ／Ｄ変換部１４、画像メモリ部１６、制御装置２０、操作部２２、表示部２４、及び通信部２６）も、筐体２８内に収納又は筐体２８に設置されている。なお、本実施の形態では、制御装置２０で「コード読取処理」を実行するが、撮像された画像の画像情報を外部装置に送信して、外部装置で「コード読取処理」を実行するようにしてもよい。

撮像素子３４は、長方形の撮像面３４Ａを備えている。撮像面３４Ａには、複数の受光素子が配列されている。例えば、幅方向にｎ個の受光素子が並べられ、長さ方向に（ｎ＋ｍ）個の受光素子が並べられて、合計でｎ×（ｎ＋ｍ）個の受光素子がマトリクス状に配列されている。１つの受光素子が撮像された画像の１画素に相当する。ここで、ｎは２以上の整数であり、ｍは１以上の整数であり、ｎ＞ｍという関係を有する。また、本実施の形態では、個々の受光素子は、縦横比が等しい正方形の受光面を有する正方画素である。

上記の撮像素子３４としては、光電変換により光学像を撮像するイメージセンサが用いられる。イメージセンサとしては、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサ、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサ等が挙げられる。また、上記のガイド光照射部１８には、ＬＥＤ等の発光素子が用いられる。

第１光学系３０と第２光学系３２とは、長方形の撮像素子３４の長さ方向（図面では上下方向）に並べて配置される。図２（Ｂ）に示すように、第１光学系３０は視野（粗い点線で囲んだ略正方形の領域）を有し、第２光学系３２は視野（細かい点線で囲んだ長方形の領域）を有する。第１光学系３０の視野と第２光学系３２の視野とは、代表的な読取距離で中心が一致することが好ましい。なお、図示した例では、第１光学系３０の視野と第２光学系３２の視野とが上下にずれているが、２種類のコードの読取に支障が無ければ、中心が一致していなくてもよい。

第１光学系３０は、長方形の撮像面３４Ａの予め定めた第１領域３６に第１被写体像３６Ｑを結像する。第２光学系は、撮像面３４Ａの長さ方向において第１領域３６に隣接する第２領域３８に第２被写体像３８Ｑを結像する。例えば、第１領域３６は、（ｎ×ｎ）個の受光素子がマトリクス状に配列された正方形状の領域とすることができる。また、第２領域３８は、（ｎ×ｍ）個の受光素子がマトリクス状に配列された長方形状の領域とすることができる。即ち、第１領域３６と二次元コードＱとは相似形であり、第２領域３８と一次元コードＢとは相似形とすることができる。なお、第２領域３８は、（ｎ×１）個の受光素子がライン状に配列された長方形状の領域としてもよい。

また、第１光学系３０は、第１領域３６に第１被写体像３６Ｑを第１倍率で結像する。第２光学系は、第２領域３８に第２被写体像３８Ｑを第１倍率より低い第２倍率で結像する。即ち、被写体が同じでも、第１光学系３０により形成される第１被写体像３６Ｑは結像倍率が高く、第２光学系３２により形成される第２被写体像３８Ｑは結像倍率が低い。

ガイド光照射部１８は、被写体を含む物品にガイド光を照射する。ガイド光により、コードの読み取り範囲がユーザにより認識される。第１光学系３０と第２光学系３２とでは視野が異なるので、ガイド光照射部１８は、第１光学系３０用のガイド光照射部１８Ａと第２光学系３２用のガイド光照射部１８Ｂとで構成されていてもよい。ガイド光照射部１８Ａは、第１光学系３０の視野を示す正方形のガイド光ＭＡを照射し、ガイド光照射部１８Ｂは、第２光学系３２の視野を示す長方形のガイド光ＭＢを照射する。ユーザは、読み取りたいコードの形状に応じた何れかのガイド光を用いて照準を合わせばよい。例えば、ユーザは、表示部２４に撮像前の被写体の画像を表示し、照準の合った時点で操作部２２を操作してコードの撮像の開始を指示する。

なお、図示はしていないが、撮像素子３４で撮像する際に被写体を含む物品に照明光を照射する照明部を備えていてもよい。照明光により、コードの読み取り範囲が照明される。第１光学系３０と第２光学系３２とでは視野が異なるので、照明部は、第１照明部と第２照明部とで構成されていてもよい。第１照明部は、第１光学系３０の視野を示す正方形の領域を照明し、第２照明部は、第２光学系３２の視野を示す長方形の領域を照明する。

図３は本実施の形態の撮像部１２の光学系の設計例を示す光軸に沿った断面図である。第１光学系３０及び第２光学系３２の各々は、複数のレンズを組み合わせて構成することができる。本実施に形態では、波面符号化法を用いた画像復元処理を行うために、第１光学系３０には位相変調素子４０が含まれている。位相変調素子４０は、第１光学系３０の撮像素子３４側に配置されている。なお、波面符号化法を用いた画像復元処理を行わない場合は、位相変調素子４０を省略してもよい。

位相変調素子４０は、入射光の波面を変換する機能（位相変調機能）を有する光学素子である。位相変調素子４０としては、光軸方向での厚みが変化する光学素子（例えば、３次の位相板）の他、屈折率が変化する光学素子（例えば、屈折率分布型の位相変調素子）、位相変調が可能な液晶素子（例えば、液晶空間位相変調素子）等を用いてもよい。また、レンズ表面へのコーティングにより厚みや屈折率が変化する光学素子（例えば、位相変調ハイブリッドレンズ）等を用いてもよい。

位相変調素子４０により第１光学系３０に入射した光の波面が変換されて、被写体までの距離が変化しても同じボケ方の画像が撮像される。また、後述する「画像復元処理」により、撮像画像に対して逆変換を施すような画像処理を行うことで合焦画像（ボケが除去された画像）が復元される。予め定めた距離範囲（読取り距離範囲）では、上記の距離に依存しない撮像と復元とが可能となり読取距離範囲が拡大する。画像復元の原理については後述する。

第１光学系３０は、第２光学系３２より結像倍率が高い。従って、第１光学系３０は、第２光学系３２より焦点距離ｆが長く、画角が狭くなる。例えば、第１光学系３０は、焦点距離ｆ＝２２．８、画角＝１０°×１０°とし、第２光学系３２は、焦点距離ｆ＝４．６、画角＝７°×３０°とする。ここでの画角は、被写体が付加された物品に対し、垂直方向の画角と水平方向の画角との積で表される。なお、画角が大きいほど、光学系の視野が広い。

図４（Ａ）及び（Ｂ）は本実施の形態の撮像部１２による撮像例を示す図である。被写体を物品に付加された二次元コードＱとすると、図４（Ａ）に示すように、撮像面３４Ａの第１領域３６に第１被写体像３６Ｑが第１倍率で結像される。また、撮像面３４Ａの第２領域３８には第２被写体像３８Ｑが第１倍率より低い第２倍率で結像される。結像倍率の高い第１被写体像３６Ｑの方が、第２被写体像３８Ｑより二次元コードＱの最小単位セルに割り当てられる画素数が多く（即ち、画素分解能が高く）、二次元コードＱの読み取りが容易になる。

一方、被写体を物品に付加された一次元コードＢとすると、図４（Ｂ）に示すように、撮像面３４Ａの第１領域３６に第１被写体像３６Ｂが第１倍率で結像される。また、撮像面３４Ａの第２領域３８には第２被写体像３８Ｂが第１倍率より低い第２倍率で結像される。図示した例では、一次元コードＢは長方形のバーコードである。結像倍率の低い第２被写体像３８Ｂでは一次元コードＢ全体が第２領域３８内に収まるので、一次元コードＢを読み取ることができる。これに対して、結像倍率の高い第１被写体像３６Ｂでは一次元コードＢ全体が第１領域３６内には収まらないこともある。

上記の通り、二次元コードＱの場合は、正方形の第１領域３６に高い倍率で結像された第１被写体像３６Ｑの方が読み取りが容易であり、一次元コードＢの場合は、長方形の第２領域３８に低い倍率で結像された第２被写体像３８Ｂの方が読み取りが容易である。従って、情報読取装置１０の読取距離範囲に応じて、第１倍率及び第２倍率を設定することにより、１つの撮像部で一次元コード及び二次元コードの両方を読取ることができる。換言すれば、１つの撮像部に対する第１倍率及び第２倍率の設定により、一次元コード及び二次元コードの両方を読取ることができる読取距離範囲が拡大する。

＜コード読取処理＞
次に、コード読取処理について説明する。
図５は「コード読取処理」のルーチンの一例を示すフローチャートである。ユーザの操作によりコードの撮像開始の指示を受け付けると、制御装置２０のＣＰＵが「コード読取処理」の実行を開始する。制御装置２０は、コード読取処理部として機能する。

まず、ステップ１００で、画像メモリ部１６から撮像された画像の画像情報（以下、「撮像画像」という。）を取得する。次に、ステップ１０２で、取得された撮像画像から一次元コードを読み取る「一次元コード読取処理」を実行する。即ち、一次元コードを抽出し、抽出された一次元コードを復号して復号情報を取得する。次に、ステップ１０４で、一次元コードが読み取られたか否かを判定する。一次元コードが読み取られた場合は、ステップ１１４に進む。そしてステップ１１４で、一次元コードの読取結果（復号情報）を出力して、ルーチンを終了する。

一方、ステップ１０４で一次元コードが読み取られていない場合は、ステップ１０６に進む。そしてステップ１０６で、撮像画像に対して波面符号化法を用いた「画像復元処理」を実行する。続いて、ステップ１０８で、「画像復元処理」で得られた復元画像から二次元コードを読み取る「二次元コード読取処理」を実行する。即ち、二次元コードを抽出し、抽出された二次元コードを復号して復号情報を取得する。波面符号化法を用いた「画像復元処理」については後述する。

次に、ステップ１１０で、二次元コードが読み取られたか否かを判定する。二次元コードが読み取られた場合は、ステップ１１６に進む。そしてステップ１１６で、二次元コードの読取結果（復号情報）を出力して、ルーチンを終了する。一方、ステップ１１０で二次元コードが読み取られていない場合は、ステップ１１６に進む。そしてステップ１１６で、コード未検出である旨を報知して、ルーチンを終了する。

上記の通り、撮像画像には、正方形の第１領域に高い倍率で結像された第１被写体像と、長方形の第２領域に低い倍率で結像された第２被写体像とが含まれている。まず撮像画像から一次元コード及び二次元コードの何れか一方を読み取り、一方のコードが読み取れない場合に、撮像画像から他方のコードの読み取りを行うことで、被写体が一次元コード及び二次元コードの何れであっても、コードを読み取ることができる。

上記の通り、二次元コードの読み取りを行う前に撮像画像の復元処理を行う場合には、二次元コードの読み取りに要する時間は、一次元コードの読み取りに要する時間よりも長くなる。この場合は、まず撮像画像から一次元コードを読み取り、一次元コードが読み取れない場合に、撮像画像から二次元コードの読み取りを行うことで、コード読取処理に要する時間を短縮することができる。

＜波面符号化法による画像復元処理＞
ここで、波面符号化法を用いた画像復元処理について説明する。
図６は波面符号化法による画像復元の原理を説明する説明図である。図６に示すように、被写体画像Ｆが位相変調素子４０を含む第１光学系３０により撮像画像Ｇに光学変換され、画像処理により復元画像Ｆ_Ｒが復元される場合について説明する（図２及び図３を参照）。

第１光学系３０は固有の点拡がり関数（ＰＳＦ：Point Spread Function）を有する。波面符号化法では、光学系の変換特性を表現するのにＰＳＦを用いる。ＰＳＦは、光学系の点光源に対する拡散度合いを表す関数である。即ち、点光源のボケ方を表現する関数である。

本実施の形態では、ＰＳＦは距離に依存しない関数として取り扱う。なお、厳密にはＰＳＦは点光源までの距離に応じて変化するが、読取り距離範囲内では距離に依存しない関数として取り扱うことができる。第１光学系３０の固有のＰＳＦは、予め取得されて制御装置２０の記憶装置に予め記憶されている。

被写体画像Ｆから撮像画像Ｇへの光学変換は、下記式で表すように、ＰＳＦによる畳み込み（コンボリューション）で近似される。
Ｇ＝ＰＳＦ＊Ｆ （＊は畳み込みを表す）

また、撮像画像Ｇから復元画像Ｆ_Ｒを復元する画像処理は、下記式で表すように、ＰＳＦの逆関数（ＰＳＦ）^−１による畳み込み（デコンボリューション）で近似される。換言すれば、第１光学系３０により行われた光伝達関数（ＯＴＦ）の変更の逆変換に相当するフィルタ処理が実行される。
ＦＲ＝（ＰＳＦ）^−１＊Ｇ （＊は畳み込みを表す）

コードＣが付加された対象物を撮像する場合、対象物が遠くに在るとき（遠場）には撮像領域Ｒの一部をコードＣが占有し、対象物が近くに在るとき（近場）には撮像領域Ｒの略全面をコードＣが占有する。以下では、撮像領域Ｒを画面と称する。波面符号化法を用いない場合には、遠場でも近場でも、対象物が合焦位置から離れるとボケた画像が撮像される。そのボケ方は合焦位置から対象物までの距離（ずれ量）に応じて変化する。

しかしながら、波面符号化法を用いた場合には、予め定めた読取り距離範囲内では、上記の光学変換により対象物までの距離によらず同じボケ方の撮像画像Ｇが撮像される。また、本実施の形態では、第１光学系３０のＰＳＦは距離に依存しない関数である。従って、予め定めた読取り距離範囲内では、上記の画像処理により対象物までの距離によらず撮像画像Ｇから合焦した復元画像Ｆ_Ｒが復元される。

なお、上記実施の形態で説明した情報読取装置の構成は一例であり、本発明の主旨を逸脱しない範囲内においてその構成を変更してもよいことは言うまでもない。例えば、コード読取処理において、まず撮像画像から二次元コードを読み取り、二次元コードが読み取れない場合に、撮像画像から一次元コードの読み取りを行ってもよい。また、一次元コードを読み取る一次元コードモードと二次元コードを読み取る二次元コードモードの２種類のモードを設け、ユーザが何れかのモードを選択できるようにしてもよい。

１０ 情報読取装置
１２ 撮像部
１４ Ａ/Ｄ変換部
１６ 画像メモリ部
１８ ガイド光照射部
２０ 制御装置
２２ 操作部
２４ 表示部
２６ 通信部
２８ 筐体
３０ 第１光学系
３２ 第２光学系
３４ 撮像素子
３４Ａ 撮像面
３６ 第１領域
３６Ｑ 第１被写体像
３６Ｂ 第１被写体像
３８ 第２領域
３８Ｑ 第２被写体像
３８Ｂ 第２被写体像
４０ 位相変調素子
Ｑ 二次元コード
Ｂ 一次元コード
Ｃ コード
ｆ 焦点距離
Ｆ 被写体画像
Ｆ_Ｒ 復元画像
Ｇ 撮像画像
ＭＡ、ＭＢ ガイド光
Ｒ 撮像領域

Claims (6)

1. 長方形の撮像面を備え、前記撮像面に結像された光像を撮像する撮像素子と、
   前記撮像面の予め定めた第１領域に第１被写体像を第１倍率で結像する第１光学系と、
   前記撮像面の長さ方向において前記第１領域に隣接する第２領域に第２被写体像を前記第１倍率より低い第２倍率で結像する第２光学系と、
   前記第１被写体像及び前記第２被写体像を含む撮像画像から一次元コード及び二次元コードの何れか一方を読み取り、前記一方のコードが読み取れない場合に、前記撮像画像から他方のコードの読み取りを行うコード読取処理部と、
   を備えた情報読取装置。
2. 前記コード読取処理部が、
   前記撮像画像から一次元コードが読み取れない場合に、前記撮像画像から二次元コードの読み取りを行う、
   請求項１に記載の情報読取装置。
3. 前記第１領域が前記二次元コードと相似した形状であり、前記第２領域が前記一次元コードと相似した形状である、請求項１又は請求項２に記載の情報読取装置。
4. 前記第１領域と前記二次元コードとが正方形状であり、前記第２領域と前記一次元コードとが長方形である、請求項１から請求項３までの何れか１項に記載の情報読取装置。
5. 前記撮像素子が、ｎ×（ｎ＋ｍ）個の受光素子がマトリクス状に配列された撮像面を有し（ｎは２以上の整数であり、ｍは１以上の整数であり、ｎ＞ｍという関係を有する。）、
   前記第１領域が、（ｎ×ｎ）個の受光素子がマトリクス状に配列された正方形状の領域であり、
   前記第２領域が、（ｎ×ｍ）個の受光素子がマトリクス状に配列された長方形状の領域である、
   請求項１から請求項４までの何れか１項に記載の情報読取装置。
6. 前記第１光学系が、入射光の波面を変換する位相変調素子を備えることで固有の点拡がり関数を有し、
   前記コード読取処理部が、二次元コードの読み取りを行う前に、前記固有の点拡がり関数の逆関数を用いて前記撮像画像の復元処理を行い、復元された復元画像から二次元コードの読み取りを行う、
   請求項１から請求項５までの何れか１項に記載の情報読取装置。