JP6328620B2 - カメラと絞りとを含む光学デバイス - Google Patents

Description

本発明は、固定焦点カメラと、前記カメラの被写界深度を改良し当該被写界深度内に配置された被写体について撮影される画質の品質を改良するための絞りと、を含む光学デバイスに関する。本発明による光学デバイスは、具体的には、光学読み取り機での使用に適合し、光学デバイスはカメラにより捕捉された画像の画像認識をする手段に接続される。

自動化されたシステムおよび手順では、光学デバイスは、当該システムおよび手順の特定の要素を監視するために使用することができる。光学デバイスは、当該システムおよび手順の当該要素の画像を捕捉するために使用される。画像認識技術を用いて、当該画像を分析することができ、当該分析の結果を用いて、例えば、前記システムまたは手順の制御を監視し、これらに影響を及ぼすことができる。自動化されたシステムでのこのような光学デバイスの典型的な用途は、製品に添付された光学コードまたはバーコードを読み取って、製品の種類や、例えば前記システムまたは手順で使用された製品のバッチ番号を識別する、光学系の用途である。

経済的側面から、比較的低コストで製造できるカメラ、例えば固定焦点カメラなどを有する光学デバイスを用いることが、有利であり、しばしば要求される。固定焦点カメラを用いて得た画像の品質は、光学デバイスが用いられる特定の目的にしばしば適合する。

しかしながら、固定焦点カメラが使用される際、後続ステップの画像認識が可能な程度に十分な品質でカメラが関心被写体の画像を生成できるように、固定焦点カメラと関心被写体との間の距離を注意深く調整する必要がある。実際には、光学デバイスのカメラと関心被写体との間の距離について少なくともある程度の余裕があり、同時に、取得された画像の品質を後続ステップの画像認識にとって十分正確に保つ光学デバイスを、ユーザに提供することが望まれる。

固定焦点カメラと関心被写体との間の距離に関して、このような柔軟性を可能とするために、利用可能な技術的解決策は、カメラの被写界深度を改良することである。カメラの被写界深度の改良は、光学デバイスの特定の用途および目的に適合すべきである。

特許文献１は、線形光学バーコードリーダーで用いられるカメラの被写界深度を改良する方法を開示する。特許文献１による線形光学バーコードリーダーは、感光性の素子またはセンサーおよび受光デバイスを有し、１以上のレンズを有して、センサーで画像を形成する、カメラを備える。受光デバイスは、受光経路または光軸を有する。当該デバイスは、受光デバイスの光軸内において、被写体の上流または下流に、カメラの被写界深度を改良するための絞りを備える。この絞りは、光通過開口部と共に、光を遮断する不透明スクリーンの形態を有する。使用時、開口部を通過する光線は、センサー上での画像の形成に寄与する。対照的に、遮断された光線は、画像の形成に寄与しないであろう。

特許文献１によると、カメラの光軸内の絞りの存在による効果は、絞りを備えないカメラと比較した場合に、カメラの被写界深度が増大することである。

特許文献１による解決策により、ある特定方向での被写界深度の改良が提供される。これは、光通過開口部の長方形形状による。結果として、従来技術による解決策が線形光学バーコードなどの特定の目的のために使用することができる。しかしながら、この先行技術文献による解決策は、任意の形状、例えば二次元光学コード、を有する被写体を分析するための光学デバイスで使用されるカメラの被写界深度を増大させる、一般的な解決策を提供するのには適合しない。特許文献１による解決策は、一般的な目的、例えば試料のレベル検知、のために使用されるカメラの被写界深度を改良するのには適合しないであろう。

特許文献２は、特定の絞りを用いてカメラの被写界深度を改良するカメラを開示する。特定の絞りは、赤外線のみを透過する中央部と、可視光のみを透過する外側部とを含有する。特許文献２によると、特定の照明条件で特定の絞りを使用することで、自動アイリス制御システムを有する絞りが必要なくなる。しかしながら、この解決策は費用がかかり、動作が複雑である。

本発明の目的は、カメラと、当該カメラの被写界深度を改良する手段と、当該改良された被写界深度内に配置された被写体について撮影される画像の品質を改良する手段と、を有する改良された光学デバイスを提供することであり、当該被写界深度の改良は、光学デバイスの特定方向の使用に限定されない。

米国特許出願第２００７／０１１９９４２号 特願２００３−０９８４２６

本明細書において、「固定焦点カメラ」とは、この種類のカメラを、カメラの焦点距離を調整する機能を有するカメラと区別するために用いられることに留意すべきである。

本明細書において、「カメラ」とは、１以上のレンズと感光性センサーとの組み合わせについて言及し、ここで、レンズはセンサーで画像を形成するために使用される。

「被写界深度」とは、カメラ−被写体間距離の範囲は、カメラを用いて取得された画像の品質が、カメラの特定の用途に対して十分となる範囲内であることを意味する。カメラが画像認識の手段と組み合わせて用いられる場合、「カメラの被写界深度」は、取得された画像の品質がその後の画像認識が可能な程度に十分となるような、カメラ−被写体間距離の範囲を含むであろう。

本明細書の「カメラの被写界深度の改良」とは、カメラ−被写体間距離の範囲の増大は、カメラを用いて取得された画像の品質がカメラの特定の用途に対して十分となる範囲内であることを意味する。「増大された」または「改良された」被写界深度により、この改良された被写界深度を有さないカメラと比較して、カメラと関心被写体との間の距離をより柔軟にすることができる。

本発明の第１の態様によると、本発明は、光軸に所定の被写界深度を有する固定焦点カメラを含有する光学デバイスにおいて、前記光学デバイスは、前記カメラの光軸内に配置され、前記カメラの前記所定の被写界深度を増大させて増大被写界深度を提供する光通過開口部を備える絞りを備え、前記絞りは前記カメラに取り付けられ、前記絞りの前記光通過開口部は、不透明スクリーン内部で円状に形成され、かつ、その中心点が前記カメラの光軸と一致するように配置され、前記光学デバイスは、前記カメラの前記増大被写界深度の範囲内に配置された被写体を一様に照射するように前記光軸の周囲に一様に配置された照明手段をさらに備えることを特徴とする。

絞りの中で円状に形成された開口部を使用することで、カメラの光軸に対する被写体の方向に関わらず、カメラを用いて得られた被写体の画像の品質を改良することができる。この非方向性の改良は、画像が撮影されるべき被写体を一様に照射するのに適合した、特定の照明手段の存在により実施される。

好ましくは、円状に形成された開口部は、所定の被写界深度で、不透明スクリーン内に直径を持ち、光学デバイスの動作中に直径の値は一定を保ってもよい。

好ましくは、円状に形成された開口部は直径を持ち、直径の値が固定である。このように、直径は調整できない。

本発明の好適な態様によると、前記照明手段は、照明源少なくとも１つと、光を放出するための照明部位少なくとも１つとを備える。

本発明の好適な態様によると、前記照明手段は、照明源少なくとも１つと、光を放出するための照明部位少なくとも２つとを備え、前記照明部位は、前記光軸の周囲に配置される。

本発明の好適な態様によると、前記光学デバイスは、前記カメラの前記光軸の周囲に配置された支持部を備え、前記少なくとも１つの照明源は前記支持部に取り付けられている。

本発明の好適な態様によると、前記少なくとも１つの照明源のための前記支持部は、前記カメラの前記光軸の周囲に配置された環形状を有する。

本発明の好適な態様によると、前記照明手段は、前記光軸について対称的に配置された２つの照明源を備える。

本発明の好適な態様によると、前記照明手段は、少なくとも１つの発光ダイオード（ＬＥＤ）を備える。

本発明の好適な態様によると、前記光軸の周囲に一様に配置されて一様な照明を提供する複数のＬＥＤを備える。

本発明の好適な態様によると、前記照明手段は、前記光軸の周囲に配置された少なくとも２つのＬＥＤを備える。

本発明の好適な態様によると、前記照明手段は、前記光軸の周囲に配置された少なくとも４つのＬＥＤを備える。

本発明の好適な態様によると、前記照明手段は、前記光軸の周囲に配置された６つのＬＥＤを備える。

有利には、前記絞りは、光通過開口部のサイズを調整するための調整器を備える。

本発明の更なる態様によると、前記光学デバイスは、前記カメラと接続された、前記カメラにより撮影された画像を保存するための、メモリを備える。

本発明の好適な態様によると、前記光学デバイスは、前記カメラに接続された、前記カメラにより撮影された画像の処理を行うための、マイクロプロセッサを備える。

本発明の更なる態様によると、前記カメラはＣＭＯＳ感光性センサーを備える。

本発明の更なる態様によると、試料の自動分析のための装置において、前記装置は、前記試料の分析のための自動プロセスを実行するのに適合し、前記装置は、前記自動プロセスで用いられる消耗品の受取部を有し、前記装置は、前記消耗品の光学コードを識別するための光学読み取り機を更に備え、前記光学読み取り機は、本発明に係る光学デバイスを備えることを特徴とする。

好ましくは、前記読み取り機は、前記光学デバイスにより撮影された画像を処理して分析するための手段を備え、前記光学読み取り機は、前記画像の処理および分析に基づいて命令を生成するのに適合する命令手段を備える。

有利には、前記装置は、前記装置により実行される前記自動処理を制御する制御手段を備え、前記前記光学読み取り機の命令手段は、制御手段が、前記光学デバイスにより撮影された画像の処理および分析の後に命令を受け取ることを可能とするために、前記装置の制御手段と接続される。

本発明の好適な態様によると、前記装置は、生物学的試料分析のための装置である。

本発明の他の態様によると、本発明に係る光学デバイスを用いて被写体上の光学コードを識別するための方法において、
被写体および光学デバイスを、被写体上の光学コードが光学デバイスの増大被写界深度の範囲内になる位置関係で配置するステップと、
光学デバイスの光軸の周囲に配置された照明手段を用いて光学コードを一様に照射するステップと、
光学デバイスを用いて被写体の光学コードの画像を撮影するステップと、
光学コードを識別するために、画像認識技術を用いて、光学デバイスにより撮影された画像を処理するステップと、
を有することを特徴とする。

本発明は、添付図面を参照した以下の説明の後に、より良く理解されるであろう。

本発明に係る光学デバイスの第１の実施形態を示す図である。 図１に係る光学デバイスを構成する各構成要素を示す図である。 チップ上端の光学二次元バーコードを読み取るための本発明に係る光学デバイスの可能な用途を示す図である。 チップ受取部内のチップの第１回転位置を示す図である。 チップ受取部に対するチップの第２回転位置におけるチップを示す図である。 光学デバイスの光軸内に配置された二次元バーコードを読み取るための発明に係る光学デバイスの基本的な配置を示す図である。 光学デバイスの被写界深度を取得するための計算の図形表現の図である。 像平面と感光性センサーとの距離で配置される第１レンズおよび第２レンズを備える光学システムを表現した図である。 レンズに関する錯乱領域を示す図形表現の図である。 錯乱円を計算するための構成要素を示す図である。 カメラ−被写体距離と、絞りの光通過開口部のサイズとの間の関係を示す図である。 絞りの厚みが、絞りの光通過開口部を通過する光量に与え得る影響を示す図である。 光学デバイスの光軸に対して傾いた表面の画像を作るための、光学デバイスの特定用途についての被写界深度の最小サイズを示す図である。 絞りを用いずにカメラで撮影された画像の例を示す図である。 絞りを用いたカメラにより得られた図１４に係る被写体の画像を示す図である。

図１は、本発明に係る光学デバイス１の第１の実施の形態を示す。光学デバイス１は、カメラと、当該カメラの光軸内になるように配置されて当該カメラに取り付けられた絞り５とを備える。カメラの詳細は図２に示される。絞り５は光通過開口部５３を設け、絞り５はこの光通過開口部５３の中心点がカメラの光軸と一致するように配置される。カメラは支持部２０に接続され、支持部２０は、光学デバイスを、適切な位置に、支持部に対して適切な傾斜で、固定するのに適合する。この支持部は、光学デバイスを、例えば生物学的試験用装置などの装置の内部に、配置するのに使用することができる。

図１で示すように、光学デバイス１は、カメラの光軸の周囲に配置されたリング７を更に設ける。リング７は、その上に取り付けられた照明源７１を備える。リング７は、カメラの光軸の周囲を３６０°以上の角度回転することができる。リング７は、カメラの光軸の周囲に照明源７１を配置するための支持部を設ける。照明源７１は、光軸の周囲に配置され、照明源７１が一様に、即ち均一に、カメラの増大被写界深度の範囲内に配置された被写体を照射し、その中で写真が撮影されることを可能としている。被写体がカメラの増大被写界深度内に配置されているとき、被写体は一様に照射される。一様な照射により、カメラの光軸に関する被写体の撮影画像の均一な品質が提供される。一様な照射により、高品質および低品質の両方を有する領域を含む画像が生成されることが回避される。

リング７が２つの照明源７１を備える場合、照明源はリング７に対称的に配置されてもよい。このことは、両方の照明源７１が互いに１８０°の角度で隔てられることを意味する。

リング７が３つの照明源７１を備える場合、照明源７１は互いに１２０°の角度でそれぞれ隔てられてもよい。照明源７１と、写真が撮影される被写体の位置との間の関係は、図３で、より明確に示す。

図１を参照すると、照明源７１は、照明部位の形態を有し得ることに留意すべきである。照明部位は、照明源７１から放出された光が撮影されるべき画像の被写体の方向に向けて出発する点である。照明部位は、例えば、照明源７１に関連する光ファイバーの末端でもよい。この実施形態では、いくつかの照明部位が１つの照明源７１に関連してもよい。照明部位がカメラの光軸周辺に配置されるので、複数の照明部位から放出された光は、被写体の一様な照射を可能とする。

１つの照明源７１を備える実施形態では、少なくとも１つの照明源７１が、一様な照射を提供するために少なくとも２つの照明位置と関連してもよい。２つの照明部位が用いられる場合、照明部位は、被写体に一様な照射を提供するために、光軸の周囲に対称的に配置されてもよい。２つより多くの照明部位が用いられる場合、照明部位は、画像が撮影されるべき被写体の一様な照射を確保するために、光軸の周囲に一様に分布させてもよい。あるいは、１つの照明源７１が、一様な照射を提供するために光軸から所定距離の近傍に配置される更なる実施形態では、照明源７１は少なくとも１つの照明部位に関連付けられてもよい。

照明源と照明部位との組み合わせは、照明手段に対応する。よって、光学デバイス１は、このような照明手段を備える。

図２は、光学デバイス１の種々の構成要素を組み立て前の位置で示す。光学デバイス１は、光学デバイス１を、適切な位置で、かつ、撮影されるべき画像の被写体に対して適切な方向に、固定するための支持部２０を備える。

光学デバイス１は、カメラ本体２と、レンズホルダー３と、レンズ筐体４と、ロックナット（ｌｏｃｋｉｎｇ ｎｕｔ）６とを更に備える。カメラ本体２は、レンズホルダー３に取り付けられている。レンズ筐体４は、内部に少なくとも１つのレンズを備えるレンズホルダー３に取り付けられている。ロックナット６は、レンズ筐体４をレンズホルダー３内に固定するために使用される。

図２で示すように、光学デバイス１は、例えば、カメラのサイズに適合するように小型化したサイズ、消費コストの増加を回避するための低電力消費、異なる色の照明効果を提供するための様々な色、被写体を照射する集束ビームを提供する狭い開口部などの、特性を有する照明源７１を設けたリング７を更に備える。例えば、照明源はＬＥＤの形態でもよい。ＬＥＤは、光軸の周囲に一様に配置されて、照明源が、前述のとおり、カメラの増大被写界深度の範囲内の被写体を一様に照射することを可能とする。光軸、および照明源７１の具体的な機能については、図３を参照して詳細に説明する。リング７が１つの照明源７１を設ける実施形態では、リング７はある位置から別の位置に回転することができ、例えば被写体の一様な照射を提供するために、これら２つの位置は１８０°の角度で隔てられる。従って、リング上の照明源７１は、リング７の２つの位置に対応する２つの異なる照明部位を提供することができる。

図１および２において、リング７は、カメラの光軸の周囲に一様に散らばった６個のＬＥＤを備える。４個や８個のような別の数のＬＥＤも、ＬＥＤが協働してカメラの増大被写界深度の範囲内の被写体を一様に照射する限り使用できることに留意すべきである。

図１に示す通り、絞り５はカメラのレンズ筐体４に取り付けられ、光がカメラに入るのを妨げる不透明スクリーンを形成する。絞り５は光通過開口部５３を備え、絞りに入射する光線ビームについて、開口部５３を通過してカメラのレンズ筐体４内部の１以上のレンズに到達する光線のみがカメラでの画像の形成に寄与し、絞り５によって遮断された光線はそこから排除される。

照明源７１は、光開口部を通って絞り５を通り抜ける光の密度を最適化するように設計されている。絞り５および照明源７１は、カメラの増大被写界深度内で撮影される画像の改良された品質を提供する。

絞り５は、絞り５をカメラのレンズ筐体４に固定するために、ネジ５１および５２、例えばアレンスクリュー、を設ける。絞り５は、絞りの開口部５３の中心点が、絞りが取り付けられるカメラの光軸と一致するように、カメラに配置されることに留意すべきである。制御ノブを備えた調整器（図示せず）が、絞りの詳細なサイズを調整するために、絞り５に設けることができる。開口部を通過する光の直径は、装置の動作中、一定に保たれる。

図１および２による光学デバイス１で用いられるカメラモジュールは、典型的には、感光性センサー、例えば相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）センサー、を有する回路基板に基づく。これは、画像取得を可能とし、例えばバーコードの、画像がセンサー自体に完全に写像できるようになる。

カメラモジュールは、マイクロプロセッサに基づくインターフェースボードに接続される。マイクロプロセッサは、カメラモジュールを制御し、カメラにより得られた画像を復号する。インターフェースボードは、光学デバイスの目的に特化した組み込みアルゴリズムを有する。例えば、光学デバイスが二次元バーコードの読み取りに使用される場合、組み込みアルゴリズムは二次元バーコードを復号するのに適合するであろう。

インターフェースボードはコミュニケーションボードを更に制御してもよく、このことは、インターフェースボードは、カメラモジュールが使用される装置のオペレーティングシステムにリンクすることを意味する。このコミュニケーションは、テスト、キャリブレーションおよびデバッグの目的で使用することができる。

さらに、インターフェースボードは、フラッシュ、ＲＡＭおよびＥＥＰＲＯＭのようなメモリシステムを設けてもよい。インターフェースボードは、電圧監視プログラムを有する電源、インターフェースコネクタおよび他の信号調整のための簡単な回路を更に設けてもよい。

画像は、ＣＭＯＳセンサーを介して取得され、その後、続く加工のためにＲＡＭメモリに伝送される。インターフェースボードに組み込まれたアルゴリズムは、その後、例えば二次元バーコードを復号し、この処理の結果をメインボードに提供する。マイクロプロセッサに基づくインターフェースボードは、処理される画像を適切に取得するために、カメラモジュールを制御する役割を果たしてもよい。

絞り５は、通過する光量を調整できる光通過開口部５３を設ける。絞り５は、カメラの被写界深度を増大して、画像が合焦する被写体ウィンドウの範囲を拡大する役割を果たしてもよい。

前述したように、レンズ筐体４は、レンズの焦点位置を固定するために、ロックナット６によりレンズホルダー３に固定されてもよい。

本発明に係る光学デバイス１の可能な用途が、図３に示される。光学デバイス１は、チップ受取部４５内に受け止められたチップ４０の上端に存在する二次元バーコード４４を読み取るのに適合した距離および傾斜で、所定位置に固定される。チップ４０は、開口部４２を中心に持つ円形の上面４１を有する。この開口部４２は、チップ４０の下端を介した液体操作に必要である。これは、チップ４０が、所定量の流体を、流体を吸引する第１位置から流体を分注する第２位置まで移動させるのに使用することを可能とする。

チップ４０は、生物学的分析のための装置に使用される任意のチップでよい。もしくは、チップは、その内側に特定のコーティングを設ける種類でもよい。使用時、受取部４５内に配置された特定のチップ４０を識別できることが重要である。この目的で、チップ４０は二次元バーコード４４を保有する。この二次元バーコード４４を用いると、チップの種類だけでなく、チップが属するバッチも識別できる。この情報は、チップが存在するか否かを識別するため、チップが属するバッチ番号を確立する等のために、正しいチップが正しい位置に配置されているか否かを確認するために重要である。

チップ４０の上端に二次元バーコード４４を印刷することが可能な全表面領域は、一方にはチップの円形表面４１の縁が存在し、他方にはチップ上面中心の開口部４２が存在するため、非常に限定される。よって、二次元バーコード４４は、典型的な寸法が２×１ｍｍと相対的に小さくてよい。

現実的な理由として、光学デバイス１の先端とチップ４０の中心との間の距離Ｘ_１は、９０〜１１０ｍｍのオーダーと、相対的に長くてよい。特別な適用なしでは、光学デバイス１で用いられる所定の被写界深度を備えるカメラの固定焦点距離では、バーコード４４の復号を可能とするために十分な品質のバーコード４４の画像を生成できないであろう。この品質欠如に関連する問題は、チップ４０が受取部４５の内部で回転可能であることである。それは、たとえ光学デバイス１がチップ受取部４５に対して固定されていても、バーコード４４の位置は光学デバイス１に対して変化できることを意味する。

図４および５は、受取部４５に対するチップ４０の第１および第２の回転位置、並びにそれによる光学デバイス１に対するチップ４０上端のバーコードの第１および第２の位置を示す。図４および５では、光軸５５の一部のみが図示される。図４の場合、バーコード４４は、光学デバイス１に対して第１の位置に配置される。図５に従う位置では、光学デバイス１とバーコード４４との間の距離は、図４に従う位置の場合よりも長い。

光学デバイス１が、光学デバイス１に対していかなる位置にあるバーコード４４も読み取れるようにするために、光学デバイス１のカメラは、光学デバイス１がバーコードを復号するのに十分な品質でバーコード４４の画像を撮影できる、十分な被写界深度を有する必要がある。

光学コード４４を読み取るために光学デバイス１を使用する場合、第１の可能性としては、光学コード４４を設けた被写体を固定の位置に配置することである。その後、光学デバイス１は、光学デバイス１が被写体上の光学コード４４の画像を撮影できる位置に配置される。これは、光学デバイス１は、光学コード４４が光学デバイス１のカメラの被写界深度の範囲内にあることを確実にするように配置されることを意味する。

あるいは、光学デバイス１は、ある位置に固定され、その後、光学コード４４が光学デバイス１のカメラの増大被写界深度の範囲内となるように、光学コード４４を設けた被写体が光学デバイス１に対してある位置に配置される。

何れの場合においても、光学デバイス１が、被写体上の光学コード４４の画像を撮影できるように、光学デバイス１と光学コード４４との相互位置は、コード４４が光学デバイス１のカメラの増大被写界深度の範囲内となるようにすべきである。

図３によると、光学デバイス１の所定の被写界深度は、中心に光通過開口部５３を有する絞り５を用いることで増大する。光通過開口部５３は円状であり、円の中心点は、光学デバイス１のカメラの光軸５５と一致する。光通過開口部５３は円状であるので、開口部の形状は、光学デバイスが全ての取り得る方向に同様の分解能を有する助けとなる。このように、チップ４０の回転は、例えば、図５に従う位置で撮影された画像と比較して、図４に従う位置で撮影された画像の品質に何も影響を与えない。全ての取り得る位置におけるバーコード４４の画像の十分な品質は、保証される。

画像の良い品質を確保するための、図３に係る光学デバイス１に関する第２の適用は、照明手段７１を有するリング７の存在である。光学デバイス１は、生物学的分析のための装置などの装置の内部での使用に特に適合する。これは、光学デバイス１が暗室で使用されることを意味する。照明手段７１は、画像が撮影されるべき被写体を一様に照射するために、光軸５５の周囲に、この場合はチップ４０の上面４１に、一様に配置される。被写界深度を増大させるための絞り５の存在とリング７上の照明源７１の存在との組み合わせにより、光学デバイス内の固定焦点カメラを用いて得られた画像について均等な画像品質が得られる。この品質は、光学デバイス１に対するバーコード４４の全ての取り得る位置についても得られる。

本発明に係る光学デバイス１は、生物学的分析および試験のための装置で使用される消耗品のバーコードを読み取るのに特に適している。この種のバーコードは、例えば、チップの形態の消耗品に存在する。本発明によれば、光学デバイスは、バーコードが見つかると予想される部位である、チップ表面の画像を撮影するのに使用できる。画像が撮影されると、画像は画像認識技術を用いて処理することができる。

光学デバイス１の第１の使用例は、バーコードの存在または非存在を検査するための手段として、画像認識の結果物を使用することである。バーコードの非存在は、チップが存在しない、またはチップが装置内に適切に配置されていないことを示唆しうる。

バーコードが存在する場合、光学デバイス１は、バーコードを読み取り、それにより装置内に配置された特定のチップを識別するために使用することができる。チップの識別は、装置の適切な動作のための重要な安全過程である。消耗品の識別結果により、第１の例では、操作者または自動制御システムは、装置が特定の分析手順または試験の開始の承認をする前に、正しい消耗品が正しい位置に配置されているか否かを検査することができる。

消耗品の識別は、チップが属する特定の一組の消耗品に関する情報を提供することもまた可能である。手順または試験の結果は、手順または試験で使用される一組の消耗品に関する修正の適用により試験が完了した後、調整が必要な可能性がある。更に、または代わりに、消耗品の識別は、装置または試験に着手する前に、特定の一組の消耗品に関する情報を用いる校正手順の中で用いられてもよい。

光学デバイス１の第２の用途は、装置で用いられる第１の消耗品の識別をすること、およびこの第１の消耗品と同じ装置で用いられる更なる消耗品とを比較することである。この第２の消耗品は、任意の好適な方法で、手動または自動で、例えば更なるバーコードリーダーを用いることで、識別できる。第１の消耗品の識別は、種類およびバッチ番号を含み、第２の消耗品の同様の情報と比較することができる。２つの消耗品が比較されると、装置の動作中に、第１の消耗品の識別により第１の消耗品の識別情報が第２の消耗品の識別情報と一致することが確認された場合にのみ、手順または試験の開始が許されることが可能である。

光学デバイスの各特定の用途のため、光学デバイスのカメラにより撮影された画像の処理に用いられるアルゴリズムは、この特定の用途に適合する必要がある。

特定の実施形態について以下に説明する。以下の実施例では、本発明に係る光学デバイスの用途が、チップ上端の二次元バーコードを読み取るための光学デバイスの用途を参照しながら、説明される。実施例における二次元バーコードは、データマトリックスＥＣＣ−２００バーコードである。この種類のバーコードは、典型的には、８×１８の構成要素からなるマトリックスを有する。

この実施例で用いられるチップ４０の上端に対する光学デバイス１の位置は、図３に示される。異なる要素の寸法およびいくつかの成分間の距離については、更に図６および８において詳述する。

図６によると、光学デバイス１の感光性センサー１００は、センサー平面１０１内に配置される。センサー１００は、光学デバイスの光軸５５内に配置される。画像撮影の目標は二次元バーコード４４である。バーコード４４は、目標平面１１１内に配置される。

αは、光軸５５とバーコード４４の目標平面１１１（図６参照）との間の角度である。実施例では、角度αは３５°〜４０°の間に設定される。

焦点システムは、センサー１００とバーコード４４との間にレンズの形態で存在する。レンズ１０３は、前端レンズ平面１０４を有する。センサー平面１０１と前端レンズ平面１０４との間の距離は、２５．２５ｍｍである。レンズ１０３は、光軸方向に１４．４５ｍｍの厚みを持つ。

前端レンズ平面１０４と目標平面１１１との間の距離は、１０２．４５ｍｍである。

バーコード４４が読み取れる画像を生成するために、バーコード４４が付されたチップ４０の光学デバイス１に対する回転位置（図３参照）に関係なく、２つの条件が満たされるべきである：

１）バーコード４４を作り上げるデータマトリックスの全要素が、被写界深度（ＤＯＦ）と呼ばれる距離で隔たれた２つの境界を有する範囲内に配置されなくてはならない。

２）画像の品質は、データマトリックスのそれぞれの単一要素が取得画像の処理に適合するアルゴリズムを用いて認識できる程度に、十分であるべきである。

「被写界深度」の意味および定義を、図７を参照しながら説明する。以下の定義は、光学デバイスの「被写界深度」について言及するのに用いられる：被写体が光学系を介して確認される場合、被写界深度は、画像が撮影される特定の用途のために、画像の許容可能な鮮明さを与える被写体距離の間隔である。

より良い理解のために、図７は以下を示す、
- Ｕは被写体距離である；
- Ｕ_ｆは被写界深度の遠点限界である；
- Ｕ_ｎは被写界深度の近点限界である；

被写界深度（ＤＯＦ）のサイズについて、以下の式が適用される：
ＤＯＦ＝Ｕ_ｆ−Ｕ_ｎ；
- Ｖは像距離である；
- Ｖ_ｆは遠点限界の像である；
- Ｖ_ｎは近点限界の像である；
- ｄはレンズ開口である；
- ｃは錯乱円の直径である。

Ｆ値Ｎおよび倍率ｍ（両者とも焦点距離ｆに関連する）について、以下の式が適用される：

像（Ｖ）および被写体（Ｕ）の距離は以下の式により関連付けられる：

ＤＯＦ限界を定義する以下の式は、以下のように導出することができる：

バーコードを読み取るために、これらの式が所要のＤＯＦを算出するために用いられる。

図８では、第１レンズ２０１および第２レンズ２０２の２つのレンズを有する光学デバイスの概略的な態様を示す。

等価レンズ２０３の焦点距離ｆは：ｆ＝１６ｍｍである。

第２レンズ２０２から焦点面までの、後側焦点距離ｂｆｌは：ｂｆｌ＝１１．８ｍｍである。

そして、被写体と等価レンズとの間の距離である、被写体距離Ｕは以下になる：
Ｕ＝［被写体；システム］＋７．３５ｍｍ

基準位置は［被写体；システム］＝１０２．４５ｍｍであり、これは以下に相当する
Ｕ＝１０９．８ｍｍかつＶ＝１８．７ｍｍ

総距離の許容範囲は、±１．２ｍｍである。ここで、「総距離」とは、焦点レンズの端、すなわちレンズ２０１と、センサー１００との間の距離である。

錯乱円の寸法は、センサー１００上に投影されたデータマトリックスから算出される。

図９は、光軸１０２に沿うレンズから進行する光線を表す。

図１０は、センサーアレイの側面図を表す。

図９および１０を参照すると、錯乱円３００はｎ−１ピクセルの半径を有するように見える。錯乱領域は、番号３０１で示される。ｐがセンサーアレイ上に投影されたピクセルのサイズとすると、錯乱円の直径は：
c = 2 * (n-1) * pである。

センサーアレイの側面図において、センサーに投影されたデータマトリックスの各単一要素のサイズが、ｎピクセルの寸法を有することが分かる：
n * p = m * L（ここで、Ｌはデータマトリックスの単一要素のサイズである）

そして、最後に：
c = 2 * m * L - 2 * p

絞りの存在の影響について、図１１を参照して説明する。

レンズ開口は、光通過開口部５３を有する絞り５により制御される。絞り５は、第１レンズから所定の距離ｘにあり、これは等価レンズからｘ＋６．５ｍｍの距離に相当し、レンズ開口は図１１で示すように被写体距離に依存する。

基準位置（Ｕ＝１０９．８ｍｍ）において、d = 1.07 * d₀である。

絞りの厚みの影響について、図１２に示す。

幾何学的に、α＝１８０°−９０°−θである。

θは、被写体位置における開口の角度であり、以下で定義される：

α≧８９°のとき、絞りの厚みはレンズ開口の増加には寄与しないが、図１２で示されるように反射した光線が光量を増加させ、光学系に取り込まれる光量は増加する。

以下の式が導出された：

図１３に示すように、バーコード４４を含む平面は、直交面に対して傾いている。ここで、ＤＯＦの最小値は、光軸５５に沿うチップ径の投射として定義される。ＤＯＦの最小値を実際のＤＯＦと比較することは興味深いため、この比較は、図１３で定義される焦点外れの補正値（Offset out of focus）を用いて実行される。

焦点外れの補正値（Offset out of focus）は、２つの同等物を有する：

絞り５および等価レンズ２０３の組み合わせは、レイリーの判断基準に従い、角度θの差分（diff）により評価される回折（直径ｄの円形開口）を引き起こす：

回折の角度は、エアリーディスクの頂角であり、その半径は以下である：
r(Airy) = v * tan θ_diff

錯乱円の直径がエアリーディスクの直径よりも小さい限り、回折現象は全く影響を与えない。

ここで、回折を排除するために、絞り５の最小径ｄ０を算出することができる。

基準位置（U = 109.8mm; V = 18.7mm）において、錯乱円の直径は、
c = 0.032mm（既定の近似）となる。

この結果は、エアリーディスクの直径の上限であり、回折角度の条件として以下を与える：
θ_diff ≦ 0.048°

レンズ開口の条件は以下である：
d ≧ 1.07mm

ここで、要求される絞りの最小径は以下である：
d_0min = 1.00mm

回折に関するあらゆる問題を避けるために、そして絞り５の開口部５３のサイズの機械公差を考慮に入れると、開口部５３は最小2mmの直径を持つべきである。

関連レンズ開口−基準位置における絞りの径は：
d = 1.07*d₀
かつ
回折を排除するために、d₀ ≧ 2mmである。

チップのｚ位置の機械公差（±2.847mm）は、必要とされる被写界深度として以下を導く：
3.717 mm（40° 投影+2.847mm）
+ 6.43 mm（DOFmin）
+ 3.717 mm（40° 投影+2.847mm）
= 13.87 mm

ここで、チップのプラスチック、すなわちバーコードがプリントされたフィルムなどの任意の隠れた公差を考慮に入れると、２％のオーダーの不確実性などの製造公差によるＤＯＦへの任意の効果と同様、最小の被写界深度が１５ｍｍに固定され、この値は製造公差２ｍｍ±０．０５ｍｍの絞りおよびレンズ開口２．１８ｍｍの使用に関係する。

計算結果を検証するために、いくつかの特性について起こり得る誤差を考慮する：
焦点距離：f = 16.0mm 公差±5% (0.80mm)
後側焦点距離：bfl = 11.8mm 公差±5% (0.59mm)
光学的距離：14.45mm 公差±0.4mm

焦点距離についての誤差は最も大きな影響を与える特性である。像距離（Ｖ）が５％の不確実性を持って固定される場合、ＤＯＦに対して２８％、錯乱円に対して４３％、および被写体距離について５２％のオーダーの相対的な誤差を導くことになる。

これらの数値は、不確実性が幾分重要であることを示唆する。像距離（Ｖ）が、被写体距離がf = 16.00mmで得られるように再度調整される場合、結果は以下のとおりである：
像距離の調整：ΔV ≒ 6.8%
被写体距離：ΔU ≒ 2.7%
ＤＯＦ：ΔDOF ≦ 0.1%
錯乱円：Δc≒ 12%

計算されたＤＯＦの変動、０．１％未満、は許容範囲である。

錯乱円が基本的に直径０．０３２ｍｍを持つ基準位置において、１２％の不確実性により直径を０．０２８ｍｍに減少させることができる。２．１９ｍｍのレンズ開口で、回折により生じたエアリーディスクは０．０１３２ｍｍのオーダーの直径を持ち、これは幾何光学を妨げない程度に十分小さい。

焦点距離と後側焦点距離との両者の影響に関して、以下に留意すべきである：
２つの極端な場合について、シミュレーションし、検証した：
１）焦点距離 +5%、後側焦点距離 -5%
２）焦点距離 -5%、後側焦点距離 +5%

両方の場合において、像距離（Ｖ）が期待のＤＯＦを得るための調整が、事前に取得された基準位置において、第１の場合には、１）ＤＯＦを１．２ｍｍ進め、第２の場合には、２）ＤＯＦを１．２ｍｍ戻して、実行される。
結果として、焦点レンズとセンサーとを隔てる距離の公差は、±１．２ｍｍである。

その結果、どのような場合でも、焦点距離の誤差は光学系の位置を調整することで許容可能に埋め合わせることができる。

Claims (19)

1. 被写体の光学コード（４４）を識別するための光学読み取り機であって、前記光学読み取り機は、前記被写体の前記光学コード（４４）の画像を撮影するために、光軸（５５）に所定の被写界深度を有する固定焦点カメラを含有する光学デバイス（１）を備え、
   前記光学デバイス（１）は、
   前記固定焦点カメラの光軸（５５）内に配置され、光通過開口部（５３）を備える絞り（５）を備え、当該絞りは、前記被写体と前記固定焦点カメラのレンズ筐体との間に配置され、前記固定焦点カメラの前記所定の被写界深度を増大させて増大被写界深度を提供し、
   前記絞り（５）は前記固定焦点カメラに取り付けられ、
   前記絞り（５）の前記光通過開口部（５３）は、不透明スクリーン内部で円状に形成され、かつ、その中心点が前記固定焦点カメラの光軸（５５）と一致するように配置され、
   前記光学デバイス（１）は、前記固定焦点カメラの前記増大被写界深度の範囲内に配置された前記被写体を一様に照射するように前記光軸（５５）の周囲に一様に配置された照明手段をさらに備え、
   前記光学デバイス（１）は、前記光学デバイス（１）を、適切な位置で、かつ、前記被写体に対して適切な方向に、固定するための支持部（２０）を備え、前記光学コード（４４）及び前記光学デバイス（１）が、前記光学コード（４４）が前記光学デバイス（１）の前記増大被写界深度の範囲内となるような相互位置をとるように、前記被写体が配置される、
   光学読み取り機。
2. 前記照明手段は、照明源（７１）少なくとも１つと、光を放出するための照明部位少なくとも１つとを備える、
   請求項１に記載の光学読み取り機。
3. 前記照明手段は、照明源（７１）少なくとも１つと、光を放出するための照明部位少なくとも２つとを備え、
   前記照明部位は、前記光軸の周囲に配置される、
   請求項１に記載の光学読み取り機。
4. 前記光学デバイス（１）は、前記固定焦点カメラの前記光軸の周囲に配置された支持部（７）を備え、
   前記少なくとも１つの照明源は前記支持部（７）に取り付けられている、
   請求項２または３に記載の光学読み取り機。
5. 前記少なくとも１つの照明源（７１）のための前記支持部（７）は、前記固定焦点カメラの前記光軸（５５）の周囲に配置された環形状を有する、
   請求項４に記載の光学読み取り機。
6. 前記照明手段は２つの照明源（７１）を備え、
   前記２つの照明源（７１）は、前記光軸（５５）について対称的に配置される、
   請求項１〜５の何れか一項に記載の光学読み取り機。
7. 前記照明手段は、少なくとも１つの発光ダイオード（ＬＥＤ）（７１）を備える、
   請求項１〜６の何れか一項に記載の光学読み取り機。
8. 前記照明手段は、前記光軸（５５）の周囲に一様に配置された複数のＬＥＤ（７１）を備える、
   請求項７に記載の光学読み取り機。
9. 前記照明手段は、前記光軸（５５）の周囲に配置された２つのＬＥＤ（７１）を備える、
   請求項７に記載の光学読み取り機。
10. 前記照明手段は、前記光軸（５５）の周囲に配置された６つのＬＥＤ（７１）を備える請求項７に記載の光学読み取り機。
11. 前記絞り（５）は、光通過開口部（５３）のサイズを調整するための調整器を備える、請求項１〜１０の何れか一項に記載の光学読み取り機。
12. 前記光学デバイス（１）は、前記固定焦点カメラと接続された、前記固定焦点カメラにより撮影された画像を保存するための、メモリを備える、
    請求項１〜１１の何れか一項に記載の光学読み取り機。
13. 前記光学デバイス（１）は、前記固定焦点カメラに接続された、前記固定焦点カメラにより撮影された画像の処理を行うための、マイクロプロセッサを備える、
    請求項１〜１２の何れか一項に記載の光学読み取り機。
14. 前記固定焦点カメラはＣＭＯＳ感光性センサー（１００）を備える、
    請求項１〜１３の何れか一項に記載の光学読み取り機。
15. 試料の自動分析のための装置であって、
    前記装置は、前記試料の分析のための自動処理を実行するのに適合し、
    前記装置は、前記自動処理で用いられる消耗品（４０）の受取部を有し、
    前記装置は、前記消耗品の光学コード（４４）を識別するための、請求項１〜１４の何れか一項に記載の光学読み取り機を更に備える、
    装置。
16. 前記読み取り機は、前記光学デバイス（１）により撮影された画像を処理して分析するための手段を備え、
    前記光学読み取り機は、前記画像の処理および分析に基づいて命令を生成するのに適合する命令手段を備える、
    請求項１５に記載の装置。
17. 前記装置は、前記装置により実行される前記自動処理を制御する制御手段を備え、
    前記光学読み取り機の命令手段は、制御手段が、前記光学デバイス（１）により撮影された画像の処理および分析の後に命令を受け取ることを可能とするために、前記装置の制御手段と接続される、
    請求項１６に記載の装置。
18. 前記装置は、生物学的試料分析のための装置である、
    請求項１５〜１７の何れか一項に記載の装置。
19. 請求項１〜１４の何れか一項に記載の光学デバイス（１）を用いて被写体上の光学コード（４４）を識別するための方法であって、
    被写体および光学デバイス（１）を、被写体上の光学コード（４４）が光学デバイス（１）の増大被写界深度の範囲内になる位置関係で配置するステップと、
    光学デバイス（１）の光軸（５５）の周囲に配置された照明手段を用いて光学コード（４４）を一様に照射するステップと、
    光学デバイス（１）を用いて被写体の光学コード（４４）の画像を撮影するステップと、
    光学コード（４４）を識別するために、画像認識技術を用いて、光学デバイス（４４）により撮影された画像を処理するステップと、
    を有する方法。