JPH03194673A - 記号読取装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、たとえばバーコードリーダや光学式文字読取
装置ｆ　（ＯＣＲ）などのように物体の表面に形成した
バーコードや文字などの記号を光学的に読み取る記号読
取装置に関する。

〈従来の技術〉 近年、カードや包装パッケージなどに記録された文字や
バーコードを読み取り、即時にその内容を識別する光学
式文字読取装置やバーコード読取装置が広く利用されて
いる。これらの記号読取装置では、文字やバーコードな
どの記号を形成した記号面に対して非接触で読取ができ
る機能が要求されるようになってきている。すなわちベ
ルトコンベア上を搬送される種々の物体に形成したバー
コードの読取を行う場合などには、読取装置から種々の
距離に位置する記号面と非接触の状態で当該記号の読取
を行うことが必要である。また、いわゆるハンドベルト
タイプの読取装置などでも、非接触による記号読取がで
きる機能が要求されるようになってきている。

記号面に対して非接触で読取を行うことができるバーコ
ードリーダは、たとえば半導体レーザ光源から集光レン
ズを介したレーザ光を、ポリゴンミラーやガルバノミラ
−で反射させて記号面に導き、ポリゴンミラーやガルバ
ノミラ−を駆動することによりレーザ光で記号面を走査
させるようにしている。そして、この記号面からの反射
光が光電変換素子で構成したバーコードリーダ内の受光
手段により検出される。すなわち、レーザ光がバーコー
ドを構成するバーに対して交差する方向に当該バーコー
ドを走査するようにしておけば、受光手段では、白バー
に対しては大きな強度の光が検出され、黒バーに対して
は小さな強度の光が検出される。したがって受光手段か
ら出力される電気信号を波形整形などし、適当なスライ
スレベルでレベル弁別して二値化することによって、上
記バーコードの読取が行われることになる。

このようなバーコードリーダでは、バーコードが形成さ
れた記号面とバーコードリーダとの間の読取可能な距離
（以下「読取距離」という。）の下限から上限までの範
囲（以下「読取範囲」という。）が比較的広くとれるこ
とが好ましい。しかし、半導体レーザ光源からの光を集
光する集光レンズを有する装置では、読取範囲を広く設
定することは設計を困難にする要因となる。すなわちた
とえレーザ光であっても、焦点を無限遠に設定して完全
な平行光線に絞り込もうとすればレーザ光の径をあまり
小さくできないので高い解像度を得ることができない。

一方、近距離に焦点を合わせてレーザ光を絞り込むと、
焦点位置から少し離れるとレーザ光の径が急激に広がっ
てしまって解像度が急激に低下することになり、充分な
読取範囲を確保することができない。

一般には、所望の読取範囲の中央あるいはやや近目の位
置に焦点を合わせて光学系が設計されるが、バーコード
リーダを記号面に近接させた場合には、レーザ光による
走査幅が小さくなり読取視野が小さくなるため長いバー
コードの読取が行えない。また読取距離を長くした場合
には、記号面におけるレーザ光の径が比較的大きくなっ
て解像度の低下を招くため、細いバーコードを読み取る
ことができない。しかしバーコードの細さに対応した最
適な読取距離を探す動作（たとえばレンズを動かす動作
などを含む。）を操作者に課すことにすると、ハンドベ
ルトタイプのものでは作業効率が著しく低下し、また固
定して設置されるバーコードリーダではその位置調整作
業が煩雑になる。

この問題を解決するための技術はたとえば特開昭６３−
８３８８６号公報に開示されている。すなわちこの先行
技術では、新たに設けた赤外発・光ダイオードからの光
を記号面に照射し、その反射光をＰＳＤ　（光検出器）
に入射させ、前記反射光の検出位置に基づいていわゆる
三角測量によりバーコードリーダと記号面との間の距離
を測定し、この測定した距離情報に基づいて集光レンズ
（この先行技術において記号面からの反射光を集光して
二次元イメージセンサ上のバーコード像を結像させるレ
ンズ）の光学的位置を変化させるようにして、いわば自
動焦点調整を行うようにしている。

これにより、読取範囲を増大しいる。

さらに他の先行技術はたとえばアメリカ合衆国特許第４
８１８８８６号公報に開示されている。

すなわち、この先行技術では、バーコードの読取を正確
に行うために、光源、受光センサ、絞り部材およびレン
ズなどの光学要素の制御が行われる。

すなわち″たとえば円筒状の圧電素子によって弾性体で
構成した集光レンズの曲率を変化させ、この集光レンズ
の焦点距離を変化させるようにして解像度の向上を図っ
た技術（Ｆｉｇ、４）や、光軸に対して傾斜させて配置
した発光ダイオードアレイのなかから発光駆動させるべ
き発光ダイオードを選択することにより光源の位置を変
化させて読取距離の変化に対応しようとする技術（ＦＩ
ｇ、１２゜ＦＩｇ、１３）などが示されている。

〈発明が解決しようとする課題〉 しかしながら、上記特開昭６３−８３８８６号公報に開
示された先行技術では、赤外発光ダイオードおよびＰＳ
Ｄを含む測距手段が必要であるのでコスト高となる恐れ
がある。また電力消費量が増大するので、特にバッテリ
駆動のバーコードリーダでは不利になる。またアメリカ
合衆国特許第４８１８８８６号公報に開示された先行技
術において、円筒状の圧電素子を用いた技術では、この
特異な形状の圧電素子を用いるためにコスト高となった
りまたその駆動が困難であるなどの問題がある。さらに
集光レンズの光軸に対して傾斜した発光ダイオードアレ
イを用いた技術では、光軸からずれた発光ダイオードが
選択される場合には、受光センサにおける光の結像位置
が光軸上の発光素子が選択された場合の結像位置からず
れることになり、したがって正確な読取を期することが
できないという問題があった。

そこで、本発明は、上述の技術的課題を解決し、広い読
取距離の範囲において記号の読取が自動的にかつ精度良
く行われるとともに、低コスト化にも有利な記号読取装
置を提供することを目的とする。

く課題を解決するための手段〉 上記の目的を達成するための本発明の記号読取装置は、
光源からの光を絞る集光レンズ、この集光レンズからの
光で記号を形成した記号面を走査させる走査ミラー、お
よび前記記号面からの反射光を受光して電気信号に変換
する光電変換素子を備え、前記記号面を光学的に走査し
て前記記号を読み取るようにした記号読取装置において
、前記光電変換素子からの電気信号から、受光光量の微
係数を求める微分手段と、 前記微係数の振幅が最大となるように前記光源および／
または集光レンズをこの集光レンズの光軸に沿って変位
させる制御手段とを備えたものである。

く作用〉 上記の構成によれば、集光レンズで絞った光源光により
記号面を走査し、このときに光電変換素子で検出される
反射光の光量の変化に基づいて前記記号面に形成した記
号が検出される。集光レンズで絞られた光源光が記号面
上に形成するスポットが、この記号面における背景部分
と記号部分との境界を通過する際には、両者の反射率の
差異のために光電変換素子で検出される受光光量が変化
することになるが、この変化は前記スポットが大きいほ
ど緩慢になり、前記スポットが小さいほど急峻になる。

このスポットが小さいほど記号面に形成された記号を詳
細に検出することができ、したがって記号の正確な読取
が可能となる。

本発明では、上記受光光量の変化を光電変換素子が出力
する電気信号の微係数として微分手段において検出する
ようにしており、前記微係数の振幅が最大となるように
、光源および／または集光レンズがその光軸に沿って変
位される。このようにして、記号面に形成される光源光
のスポットの径が常に最小になるようにしている。

〈実施例〉 以下実施例を示す添付図面によって詳細に説明する。

第１図はこの発明の記号読取装置の一実施例であるバー
コードリーグの基本的な構成を示す簡略化した平面図で
ある。半導体レーザ光源１からのレーザ光りは第１集光
レンズ２を介して、走査ミラーであるポリゴンミラー３
の偏向反射面３ａに入射する。このポリゴンミラー３は
、正六角柱の各側面を偏向反射面としたもので、矢印４
の方向に一定角速度で回転駆動される。このポリゴンミ
ラー３の回転により偏向反射面３ａに対するレーザ光り
の入射角が経時的に変化し、これにより反射後のレーザ
光りによりバーコード６が形成された記号面７が矢印８
の方向に一定速度で走査される。レーザ光りはポリゴン
ミラー３の回転により次々と異なる偏向反射面に入射す
るので、記号面７はポリゴンミラー３の回転に同期して
繰り返し走査されることになる。記号面７からの反射光
は第２集光レンズ９を介して光電変換素子１０に結像す
る。

この光電変換素子１０の出力信号は図外の信号処理回路
に与えられてディジタル信号に変換され、このディジタ
ル信号がマイクロコンピュータなどを含む演算手段で処
理されてバーコード６で表現された情報が認識される。

光電変換素子１０の出力信号はまた微分回路・１１にも
与えられ、この微分回路１１で前記出力信号の微係数が
求められ、たとえばその振幅の最大値または平均値が記
憶される。この微分回路１１のからの前記記憶された微
係数はライン１２を介して＃御手段１３に与えられる。

そして、＠御手段１３は前記微係数が最大値をとるよう
に集光レンズ２を矢印１４方向に変位させ、これにより
、記号面７におけるレーザ光りのスポット径が最小とな
る最適な読取状態が達成される。

第２図はレーザ光りが記号面７上に形成するスポットＳ
Ｌと、上記微係数との関係を説明するための図であり、
記号面７におけるスポットＳＬの結像状態が示されてい
る。説明を簡単にするためにレーザ光りの全パワーＰが
半径Ｒの円形のスポットＳＬ内の領域に集中し、しかも
このスポットＳＬ内で一様に分布しているものとする。

また、白バー２１の部分（背景部分）の反射率は１００
％であり、記号部分である黒バー２２（第２図中に斜線
を付して示す。）の部分の反射率は０％であるとする。

この場合に、スポットＳＬの白バー２２の領域にある部
分の面積をＳとすると反射光光量Ｑは、 Ｑ−ＰＸ　（Ｓ／πＲ２） となる。

したがって、パワーＰが一定であるとすると、反射光光
量Ｑの微係数ｄＱ／ｄｔ（単位時間当たりの変ｌ化量）
の振幅ｌｄＱ／ｄｔｌの大小は、白バー２１の部分の面
積Ｓの全面積πＲ２に対する比率ρ−８／πＲ２の微係
数ｄρ／ｄｔの振幅１ｄρ／ｄｔｌにより決定される。

この微係数の振幅１ｄρ／ｄｔｌは半径Ｒに対するスポ
ットＳＬの単位時間当たりの移動量が大きい程大きくな
ることは自明であり、スポットＳＬの移動速度Ｖが一定
であるとすれば半径Ｒが小さいほど微係数の振幅１ｄＱ
／ｄｔｌは大きくなることになる。

第３図はスポットＳＬが比較的大きな半径Ｒ１を有する
場合の動作を説明するための図であり、第３図（ａ）に
は第２図と同様な図示がなされている。また第３図（ｂ
）は受光素子１０で検出される反射光光量Ｑの変化を示
す図であり、第３図（Ｃ）は微分回路１１で検出される
微係数の振幅ＩｄＱ／ｄｔｌの変化を示す図である。ス
ポットＳＬが白バー２１から黒バー２２へと移る際には
、反射光光量Ｑは参照符号ａ１で示すように下降し、こ
のため微係数の振幅１ｄＱ／ｄｔｌはスポットＳＬの中
心が白バー２１と黒バー２２との境界を通過する時刻ｔ
１の近傍の時刻においてピーク値を有するような変化を
示す。

第４図はスポットＳＬが比較的小さな半径Ｒ２を有する
場合の動作を説明するための図であり、第３図と同様の
図示がなされている。この例では、スポットＳＬの径Ｒ
２が充分に小さいために、スポットＳＬが自バー２１か
ら黒バー２２へと移る際に反射光光量Ｑは参照符号ａ２
で示すように急峻に下降し、このため微分回路１１で検
出される微係数の振幅＋ｄＱ／ｄｅｌは、スポットＳＬ
の中心が白バー２１と黒バー２２との境界を通過する時
刻ｔ２の近傍の時刻を中心とした鋭いピークを有するよ
うな変化を示す。このように微係数の振幅１ｄＱ／ｄｔ
ｌは、スポットＳＬの径が小さい程大きくなる。

バーコードの読取が正確に行われるためには、バーコー
ドを構成するバーのうちで最も細いものの幅よりも、ス
ポットＳＬの径（２Ｒ）が小さいことが必要であるが、
記号面７上でスポットＳＬの径が最小となるようにレー
ザ光りが絞り込まれた状態で当該装置の解像度は最大と
なる。

このため、本実施例では１ｌｉｌｌ１手段１３により第
１集光レンズ２をその先軸に沿って矢印１４方向に変位
させ、最大の微係数の振幅１ｄＱ／ｄｔｌが得られる位
置にこの第１集光レンズ２を位置させるようにしている
。この第１集光レンズ２としてたとえば焦点距離が５１
程度のものを用い、読取距離の範囲（読取範囲）を１０
０〜１０１００Ｏ程度に設定する場合には、半導体レー
ザ光源１と第１集光レンズ２との間の距離を０．２３ａ
ｍ程度変化させることによって、前記読取範囲の全域に
対応して充分にレーザ光りを絞ってバーコード６の読取
を正確に行わせることができる。この第１集光レンズ２
の駆動のために、たとえば位置精度０．０２ｍ５、パル
スレート１０ｋＨｚのモータ機構を用いるようにすれば
、１■Ｓｅｅ程度で第１集光レンズ２の全移動を完了さ
せることができる。このような第１集光レンズ２の移動
を、レーザ光りによる記号面７の走査の度ごとに少しず
つ数度に分けて行い、随時検出される微係数を相互比較
しつつ、この微係数の振幅が最大となるように第１集光
レンズ２を駆動すれば、この第１集光レンズ２を最適な
位置に導くことができるようになる。

記号面７における反射率は実際には白バー２１ノ部分で
１００％、黒バー２２の部分で０％というわけではなく
、またスポットＳＬ内におけるレーザ光りのパワーの分
布は一様ではなく一般にガウス分布を基本とする複雑な
分布となっている。

しかしながら、記号面７を複数回にわたって走査し、こ
の複数回の走査で得られる反射光光量の微係数の振幅の
相対比較により、最大の微係数の振幅が得られる第１集
光レンズ２の位置が設定されるので、上記の反射率やパ
ワーの分布が大きな問題となることはない。しかも、た
とえ視野内にバーが存在しない場合であっても反射率の
変化が検出されれば微係数は変化を示すので、バーコー
ドの有無によらずに常に焦点位ｉ！調節が可能である。

ただし、レーザ光りが第１図に示された構成を収納した
筐体（図示せず）外に出射する場合および外部からの光
が前記筐体内部に入り込む場合に生じる反射光光量の変
化による微係数は無視する必要がある。

以上のように本実施例によれば、測距手段を用いること
なく、半導体レーザ光源１からのレーザ光りを記号面７
で絞って、バーコード６を広い読取距離の範囲内で正確
に読み取らせることができる。さらに、第１集光レンズ
２をその光軸に沿って変位させることにより、半導体レ
ーザ光源１から記号面７に至る種々の光路長に対応する
ようにしているので、簡単でかつ安価な構成により、い
わゆる自動焦点調節動作を行わせることが可能となって
いる。しかも、半導体レーザ光源１からのレーザ光りは
常に第１集光レンズ２の光軸上の位置から発生され、ま
たレーザ光りは指向性が良いので、光電変換素子１０に
おける反射光の検出もまた良好に行われるようになる。

なお、本発明は上記の実施例に限定されるものではなく
、たとえば半導体レーザ光源１に代えてＨｅ−Ｎｅレー
ザ装置などのガスレーザ装置や、他の光源装置が用いら
れてもよい。さらに、第１集光レンズ２をモータ機構を
用いて駆動することとしたが、他の任意の駆動機構が適
用されてもよい。

また、第１集光レンズ２の代わりに、または第１集光レ
ンズ２とともに半導体レーザ光源１が第１集光レンズ２
の光軸上で変位されてもよい。

さらに、微分回路１１は、処理速度の向上のためにはハ
ードウェア構成とすることが望ましいが、光電変換素子
１０からの電気信号をディジタル信号に変換して当該デ
ィジタル信号をマイクロコイピユータを用いてソフトウ
ェア的に処理する構成であってもよい。その他車発明の
要旨を変更しない範囲内において、種々の設計変更を施
すことが可能である。さらに上記の実施例では、バーコ
ードリーダを例に採ったが、本発明はたとえば光学式文
字読取装置などのように記号面にコントラストを利用し
た記号を形成した任意の記号読取装置に対して容易に応
用することができるものである。

〈発明の効果〉 以上のように本発明の記号読取装置によれば、集光レン
ズからの光源光が記号面に形成するスポットの径を、光
源から記号面に至る光路長の大小によらずに最小とする
ことができるようになるので、広い読取範囲内において
記号の読取を確実にかつ高い精度を有して行わせること
ができるようになる。しかも、簡単でかつ安価な構成で
、確実な読取動作が可能となるので、低コスト化にも有
利である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の記号読取装置の一実施例であるバーコ
ードリーグの基本的な構成を簡略化して示す平面図、 第２図は記号面へのレーザ光の結像状態を示す図、 第３図および第４図はそれぞれレーザ光が形成するスポ
ットの径が大きい場合および小さい場合の動作を説明す
るための図である。 １・・・半導体レーザ光源、２・・・第１集光レンズ、
３・・・ポリゴンミラー（走査ミラー）、６・・・バー
コード（記号）、７・・・記号面、９・・・第２集光レ
ンズ、１０・・・光電変換素子、１１・・・微分回路（
微分手段）、１３・・・制御手段

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、光源からの光を絞る集光レンズ、この集光レンズか
   らの光で記号を形成した記号面を走査させる走査ミラー
   、および前記記号面からの反射光を受光して電気信号に
   変換する光電変換素子を備え、前記記号面を光学的に走
   査して前記記号を読み取るようにした記号読取装置にお
   いて、 前記光電変換素子からの電気信号から、受 光光量の微係数を求める微分手段と、 前記微係数の振幅が最大となるように前記 光源および／または集光レンズをこの集光レンズの光軸
   に沿って変位させる制御手段とを備えたことを特徴とす
   る記号読取装置。