JPH06208642A

JPH06208642A - 光学的走査装置

Info

Publication number: JPH06208642A
Application number: JP5214406A
Authority: JP
Inventors: Maaron Emaniyueru; マーロンエマニュエル; Katsutsu Jiyosefu; カッツジョセフ
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1992-08-28
Filing date: 1993-08-30
Publication date: 1994-07-26
Anticipated expiration: 2019-12-15
Also published as: EP0584830B1; DE69330175D1; EP0584830A3; DE69330175T2; KR940004482A; US5331143A; TW248594B; EP0584830A2; CN1083609A; CN1038790C; JP3602860B2; ATE200830T1; ES2157910T3

Abstract

(57)【要約】【目的】走査用、例えばバーコード走査に用いること
のできる焦点深度の深いビームを形成すること。【構成】バーコードスキャナに線形アキシコンまたは
同様な光学素子を用いることは、全体として走査された
情報の特性の大きさに相関した大きさの走査スポットを
発生させる。この場合、スキャナとシンボルの間の距離
を、実質的にかなりの範囲の間変動させても、スポット
サイズはほぼ一定のまま維持される。この型の光学素子
は、中心部分と中心部分の囲む多数のリングからなる回
折パターンを発生する。ビームを制限するための開口絞
りが備えられ、この開口絞りにより制限されたビーム範
囲および光学素子によって生じた前方位相傾斜は、スキ
ャナが読み取るべきシンボルの密度に関連する所望の解
像を生ずるために、そして所望の作業読取り範囲を形成
するために選択される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、バーコードスキャナの
ような光学的走査装置に関し、特に焦点深度または作業
読取り範囲の広いレーザビーム走査パターンを発生させ
るためのレーザ結像系に関する。

【０００２】

【従来の技術】バーコードのような光学的に符号化され
た情報は、ごく一般的なものになってきている。バーコ
ードシンボルは、一般に矩形で明暗領域の連続からな
る。暗部、すなわちバーの幅、および／またはバーの間
の明るいスペースの幅は符号化された情報を示す。これ
らのエレメントの特定の数と配置で文字を表わす。標準
化された符号化方式では、各文字のための配置、エレメ
ントの許容幅および間隔、１つのシンボルが包含し得る
文字の数、あるいはシンボルの長さが可変であるか等を
特定する。公知の記号論としては、例えばＵＰＣ／ＥＡ
Ｎ、コード１２８、コーダバー、インターリーブ２オブ
５等がある。

【０００３】リーダおよび走査システムは、各シンボル
を電気光学的に解読し、一般的に、シンボルが貼付され
ている物品の説明、またはその若干の特徴を表す多重の
英数字を提供する。このような文字は、一般に、販売時
点管理、在庫管理等での適用のためのデータ処理システ
ムの入力としてディジタル形式で表される。このような
一般的なタイプの走査システムは、例えば米国特許第4,
251,798号明細書、同第4,360,798号明細書、同第4,369,
361号明細書、同第4,387,297号明細書、同第4,409,470
号明細書、同第4,460,120号明細書等に開示されてい
る。

【０００４】このような光学スキャナを用いて、バーコ
ードシンボルを解読して正しいメッセージを抽出するた
めに、バーコードリーダは、シンボルを走査し、走査さ
れたシンボルを表わすアナログ電気信号を生成する。各
種の走査装置が知られている。スキャナは、発光器およ
び検出器を固定内蔵するワンドタイプのリーダであって
もよく、この場合、ユーザーは手でワンドを、シンボル
を横断するように動かす。あるいは、光学スキャナはレ
ーザビームのような光ビームをシンボルを横切って走査
し、検出器がシンボルから反射された光を検知する。い
ずれの場合でも検出器はシンボルを横断して走査したス
ポットからの反射光を検知し、符号化された情報を表わ
すアナログ走査信号を提供する。

【０００５】ディジタイザは、アナログ信号を処理して
パルス信号を生成し、そのパルス幅とパルス間の間隔は
バーの幅とバーの間のスペースに対応する。ディジタイ
ザは、エッジ検出器または波形成形回路として働き、デ
ィジタイザによって設定されたしきい値は、バーのエッ
ジを表わすアナログ信号の点を決定する。しきい値によ
って、リーダがバーまたはスペースを認識する信号の部
分が有効に決定される。

【０００６】ディジタイザからのパルス信号は、デコー
ダに適応される。デコーダはまず、ディジタイザからの
信号のパルス幅と間隔を決定する。デコーダは次に、幅
と間隔とを解析して正しいバーコードメッセージを見い
出し、解読する。この解読は、適当なコード標準によっ
て定められた正しい文字とその連続を認識するための解
析を含む。この解読は、走査されたシンボルが適合する
特別な標準の初期認識を含んでもよい。この標準の認識
は、一般的に、自動認識と呼ばれるものである。

【０００７】異なるバーコードは、異なる情報密度を有
し、符号化データの異なる量を表わす所定の面積内に異
なる数のエレメントを含む。コードが密になるほど、エ
レメントとスペースは小さくなる。密なシンボルを適当
な媒質に印刷することが必要とされ、したがって、低解
像のシンボルの印刷より高価である。バーコードシンボ
ルの密度は、コードの最小バー／スペース幅、「モジュ
ールサイズ」またはバー／スペース幅の逆数である「空
間周波数」とも称される。

【０００８】バーコードリーダは、一般に、その有効な
検知スポットによって検出可能なモジュールサイズによ
って、しばしば表わされる特定の解像度を有する。例え
ば、光学スキャナについては、ビームスポットサイズ
は、光反射率の異なる領域、すなわち、シンボルのバー
とスペースの間の最小幅よりも大きくすることができ
る。リーダの解像度は、発光装置または検出器のパラメ
ータ、入射ビームの角度によって発光装置または検出器
の何れかに関連する開口絞り、ディジタイザのしきい
値、あるいは、これらの要素を２つまたはそれ以上の組
合せによって決定される。

【０００９】レーザビームスキャナでは、有効な検知ス
ポットは、一般に、バーコード上に入射する地点におけ
るビームの大きさに密接に対応する。光検出器は検知ス
ポットの面積にわたって検出された光を有効に平均化す
る。バーコード・スキャナがバーコードを解読できる領
域は、スキャナの有効作業読取り範囲と称される。この
範囲内で、スポットサイズは、所定のバーコード線密度
についてバーコードの正確な読み取りを生ずる。作業読
取り範囲は、バーコードのモジュールサイズおよび走査
要素の焦点特性に直接関係する。

【００１０】一般に、光学スキャナは、光ビームを発生
するガスレーザまたは半導体レーザのような光源を含
む。スキャナシステムに光源として半導体レーザを用い
ることは、その小型、低コスト、電力要求の少ないこと
から特に望ましい。光ビームは、特にレンズによって光
学的に修正され、所定の距離における所定の大きさのス
ポットを形成する。光学スキャナは、さらに走査要素お
よび光検出器を含む。走査要素は、シンボルを横断して
ビームスポットを掃引して、シンボルを横断して通過す
る走査線を通るか、またはスキャナの視野を走査する
か、あるいはその両方を行なう。光検出器は、シンボル
を横断して延び、シンボルをわずかに通過する視野を有
し、シンボルから反射された光を検出するように働く。
光検出器からのシンボル電気信号は、パルス幅変調ディ
ジタル信号に変換され、その後、シンボルに符号化され
たデータの２値化表示に変換され、それから前述のよう
に表示されている英数字に変換する。

【００１１】多くの公知の走査システムは、所定距離に
所定の直径のビームスポットを作るためにレンズ系を用
いてレーザビームを集束し、焦点を合わせる。ビームに
垂直な面内（すなわちシンボルに平行な）の、この地点
におけるレーザビームの強度は、高い中心ピークを有す
る「ガウス分布」によって特徴付けられるのが普通であ
る。作業読取り範囲は、バーコードシンボルを走査した
後、明るさの強いビームスポットがコードを解読できる
範囲として定義される。しかし、スキャナとシンボルの
間の距離が、長さで僅か数インチだけであるが、スキャ
ナの作業読取り範囲から外れると、ビームスポットのガ
ウス分布は大きく広がり、バーコードの正確な読み取り
を妨げる。したがって、現在の走査システムは、シンボ
ルを正しく読み取るために、シンボルからの距離が比較
的狭い範囲内に配置しなければならない。

【００１２】Ｋａｔｚ他の米国特許第5,080,458号明細
書は、大きく拡大した作業読取り範囲または焦点深度を
有するレーザビーム走査系に用いるバーコードリーダを
提供した。この走査系は、一般に、レーザ光源、所定の
直径の拡大した中心ビームスポットを有する回折パター
ンを発生するための光学手段、シンボルを横断して修正
レーザビームを走査するための走査手段を含む。好適実
施例では、レーザ光源は、アキシコンのような光学素子
によって修正された規則的な「ガウスタイプ」の光学ビ
ームを発生した。この光学素子は、バーコードパターン
に平行な方向に遥かに少なく回折するビームを発生す
る。特にアキシコンは、軸の実質的な部分に沿った点の
連続線に沿って軸を横断するように光軸の点光源からの
光を曲げ、それによって作られるビームスポットの強度
と直径は、この線の距離に沿ってかなり変動する。アキ
シコンは、また中心スポットと同心の光の回折リングを
発生する。走査線に平行で走査すべきバーコードのシン
ボルのバーおよびスペースに垂直な光路の中に、スリッ
トを置いてもよい。スリットは走査方向に垂直、すなわ
ちシンボルのバーおよびスペースに平行な回折の一部を
除去する。しかし、スリットは走査方向に平行な、また
はバーおよびスペースに垂直な面積内に位置するリング
の一部は除去しない。

【００１３】Ｋａｔｚ他のシステムは、従来用いられて
いた通常のレンズに対する改良を提供しているが、バー
コード走査の応用に機能を適合させるためには、さらに
洗練されたアキシコンの設計が必要とされる。例えばＫ
ａｔｚ他では、最大作業読取り範囲内で最適に検出する
ためには、どれだけの数の回折リングが残るべきかとい
う点については考慮していない。付随的な問題は、所
望のビームの焦点合わせを設定し、維持するためにスキ
ャナ内のレーザとレンズの位置決めに関するものであ
る。１つの試みは、レーザ光源とレンズを、必要なビー
ム焦点合わせを形成するための寸法に定められたモジュ
ールに組み込むことである。レーザダイオードと、この
タイプの発生モジュールは、一般に、レーザダイオー
ド、レーザダイオードからの光を発生させるための少な
くとも１つのレンズ要素、ダイオードからの光をモジュ
ールの前の所定の距離の地点に焦点合わせをするよう
に、レンズ要素を固定するための手段を有する。

【００１４】Ｋｒｉｃｈｅｖｅｒ他の、例えば米国特許
第4,923,281号明細書は、モジュールから放射される光
の焦点合わせを調整するためにレーザダイオードとレン
ズアセンブリの間に位置するバイアススプリングの力に
抗して、放射および合焦モジュールの２つの保持部材を
入れ子式にはめこむことを開示している。１つの保持部
材はレーザダイオードに取り付けられ、他の保持部材は
レーザダイオードからの光を焦点合わせするためにレン
ズアセンブリに取り付けられる。第２の保持部材はま
た、レンズを通過する光のため楕円形開口絞りを備えて
いる。実際の焦点調節の間、合焦モジュールアセンブリ
はレーザビームの方向を決定するノッチまたはキー通路
と係合するキーまたはチャック要素を含む振動部材内に
保持され、レンズおよび開口絞りは２つの保持部材と共
に徐々に入れ子式に移動する。所望の焦点に達成する
と、２つの保持部材は膠またはエポキシのような接着剤
か、焼付け、スポット溶接、超音波溶接等の固定方法に
よって互いに永久的に固定される。このような焦点合わ
せは、熟練した技術者による、かなりの労働を必要とす
る。

【００１５】異なった走査応用装置に対して必要な焦点
合わせは、変化し、モジュールから異なった距離に異な
ったビームスポットを形成する。このことにより、異な
った作業読取り範囲と感度および／またはスキャナが位
置すべき好適な作業読取り範囲とを決定するには、スキ
ャナが読み取るべきシンボル濃度に対応して選択されな
ければならない。メーカーが各種の作業読取り範囲と各
種のスポットサイズ感度とを有するスキャナを作る場
合、メーカーは各スキャナが役に立つことを期待して、
特定のスキャナの応用について適当な焦点合わせを予め
設定する、前述のようなレーザダイオードと合焦モジュ
ールの製造を維持しなければならない。このような製品
は、特に各モジュールごとに焦点合わせを行なう労働集
約的な方法のために、製造コストが高い。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の１つの目的
は、走査用、例えばバーコード走査に用いることのでき
る焦点深度の深いビームを形成することである。本発明
の他の目的は、レンズ基本のスキャナによって達成され
るものよりも優れた機能を有し、作業距離を延長し、解
読できるバーコード情報の範囲を広げる手段を提供する
ことである。

【００１７】さらに詳細な目的は、バーコードの走査に
最適機能を発生するアキシコンまたは同様なものを用い
るスキャナの設計ルールを確立することである。本発明
の他の目的は、広い範囲、例えば作業読取り範囲および
／または情報密度の走査の応用に容易に適用できる発光
装置および関連する光学的パッケージを作ることであ
る。

【００１８】

【課題を解決するための手段及び作用】ある観点から
は、本発明は光反射率の変動する光学的に符号化された
情報を走査する最適機能に選択された光学要素を有する
スキャナに関する。このスキャナは、平行光ビームを走
査すべき情報に向けられた光路に指向する光源を有す
る。好適実施例では、光源はレーザであり、振動ミラー
が走査運動を発生させる。光路内に備えられた光学手段
は、走査すべき情報の特有の大きさに関係する大きさを
有するビームによって決定される光スポットを発生す
る。また、光ビームはビームの軸に沿った実質的な距離
にわたって、このスポットサイズを示す。光検出器は、
走査された情報から反射された光を受光し、後で解読し
て処理するために、情報の反射率の変動を表わす信号を
発生する。

【００１９】この本発明の第１の観点においては、光学
手段は、光学手段の軸に垂直なほぼ平らな面と、光学手
段の軸の周りに回転する、第１の面に対してある角度で
回転する図形で形成される第２の面を有する光学素子を
含み、このタイプの光学素子は光学手段の軸の方向に向
かって内側に平行光ビームの位相傾斜を生じる。本発明
の好適実施例は、この光学素子としてアキシコンを用い
る（回転図形が直線である）。この光学手段は、開口絞
りを形成するための手段を含む。開口絞りは、光学素子
を通過する平行光ビームの大きさおよび／または形を限
定する。光学素子を通過する平行光ビームの限定された
範囲は、特別な位相傾斜を作るために設計された光学素
子のために、スキャナの所望の作業読取り範囲を確立す
る。好適実施例では、光学素子を通過する光の半径を制
限する円形開口絞りを用いるものもある。しかし、他の
形の開口絞りを用いることもできる。

【００２０】本発明は、光学素子の最適パラメータと開
口絞りの大きさを選択するための一連の特別な設計ルー
ルを提供する。例えば、比Ｒｏβ／λの値は、３よりも
小さく、好ましくは１よりも大きくあるべきである。こ
の比におけるβの値は、光学素子によって生じる位相傾
斜であり、Ｒｏは開口絞りによって制限される光学素子
を通過する平行光ビームの半径であり、λは光源によっ
て発生された光ビームの波長である。

【００２１】他の観点では、本発明はシンボルを走査す
る方法を考慮するものである。この方法は、集束ビーム
を発生すること、読み取るべきシンボルを横断して走査
線を発生するように光ビームを移動させること、および
光ビームをシンボルのに向かって光路内で修正するステ
ップを含む。特に、この修正は光軸に沿った距離のかな
りの範囲にわたって、シンボルからの距離を変動して
も、シンボルの特徴的なサイズと全体的に関連する、ほ
ぼ一定の大きさに維持される光スポットを発生する。こ
の特徴は、ビームがアキシコン要素および制御開口絞り
を通過するときに導入される位相傾斜の結果である。結
果としてのビームはベッセル関数分布で説明されるよう
なリングで囲まれた中心部分を有する特徴を持つ強度分
布となる。開口絞りの直径はまた、光の走査ビームの中
心部分を囲むリングの数を制限する。

【００２２】本発明の好適実施例においては、位相傾斜
を発生するステップは、平行光ビームを固体光学素子を
通過するように指向することによって得られる。光学素
子は、また、ほぼ平らな第１面と光軸の周りに回転する
回転図形によって形成された第２面とを有する。この回
転図形は、シンボルからの距離が変わっても、ほぼ一定
の大きさを示すために必要な光スポットを発生する非球
面光学素子を提供するように選択される。回転図形が２
次元（円形、楕円形）の場合、その結果としての物体は
レンズとなり、シンボルからの距離の変動に対してほぼ
一定のスポットサイズを作ることはできないであろう。
回転図形は、直線であってもよく、この場合、光学素子
は線形アキシコンである。回転図形はまた、直線と２次
元図形の間の範囲内にあることもできる。本発明に用い
られる非線形光学素子は、ベッセルリングを含むビーム
スポットを発生する。

【００２３】本発明による第２の方法は、ほぼ単色光の
集束光を発生し、ビームの光路に沿った所定の距離に延
びるほぼ一定の直径のビームスポットを発生するため
に、ビームを修正することを含む。また、ビームスポッ
トは、中心部分と、中心部分を囲む多数のリングを有す
る所定の回折パターンを示す。このような回折パターン
は、前述のように、ベッセル関数に相当することもあ
る。この方法は、さらに中心部分を囲むリングの数を減
少させるために、ビーム回折パターンの範囲を制限する
ステップを含む。制限されたビームは、読み取られるべ
きシンボルの方に指向され、シンボルを横断して移動さ
れる。

【００２４】この第２の方法の好適実施例においては、
光ビームを修正するステップは平行光ビームを光学素子
の軸の方向に内側に向ける位相傾斜を発生させる光学素
子に、平行光ビームを通過させることからなる。また、
ビーム回折パターンの範囲を制限するステップは、例え
ばビームを所定の半径に制限する円形開口絞りを通過さ
せるような、光学素子を通る平行光ビームの半径を制御
することからなる。

【００２５】他の観点において、本発明は、光学的に符
号化された情報を読み取るためのシステム内に用いるた
めの、一般的な発光モジュールおよび特別な走査の応用
の要求を満足させるために、モジュールからの光の光学
的特性を適合させるためにモジュール上に取り付けられ
た光学アセンブリからなるモジュール発光装置を提供す
るものである。一般的なモジュールは、特別な焦点距離
調節を必要としない。その結果として、このようなモジ
ュールは、製造プロセスの間に、手動焦点調節を必要と
しないため、低コストで大量に製造し、保持することが
できる。光学素子および開口絞りは、時別な応用の要求
に合致させ、一般的なモジュールの上に取り付けること
ができる。取り付け装置の取り外しが容易であれば、製
造者は光学素子と開口絞りを取り外して、置き換えて異
なる走査の応用に合うようにモジュール装置を再構築す
ることができる。

【００２６】さらに、特に発光モジュールは、光が放射
される前端部分を有する。発光モジュールは、発光モジ
ュールの前端部に向かう方向に光を放射するレーザのよ
うな発光要素を含む。第１の光学素子は、第１の発光要
素からの光を集束してほぼ無限遠に焦点を合わせる。第
１の取り付け手段は、第１の光学素子を発光素子から放
射される光の軸に沿って、発光モジュールの前端部に隣
接する地点に位置決めする。光学アセンブリは、そこか
ら光が放射される発光モジュールの前端部の上方に支持
されてもよい。アセンブリは、軸の実質的な範囲に沿っ
て点の連続線に沿って軸を横断するように、第１の光学
素子からの平行光を曲げる第２の光学素子を含む。好適
実施例では、第２の光学素子は、線形アキシコンであ
る。開口絞りは、第２光学素子を通過する光ビームの範
囲を制限する。

【００２７】第２光学素子と開口絞りが協同して走査さ
れるべき情報の特徴の大きさに、全体的に相関する大き
さの光スポットを発生するように、第２光学素子の形状
と、開口絞りの大きさが決定される。これらの大きさは
また、光軸上の距離の実質的な範囲にわたって、装置と
シンボルとの間の距離を変えても、スポットをほぼ一定
の大きさに維持する。

【００２８】他の観点では、本発明は、前述のモジュー
ル発光装置と協同する光学スキャナからなる。モジュー
ル発光装置の好適実施例では、光学素子はほぼ平らな面
と、第１面に垂直な軸の周りに回転する回転図形で決定
される第２面を有する固体光学素子である。回転図形の
形は受光面に対して角度をなす。線形アキシコンは、こ
の型の光学素子は中心部分および中心部分を囲むいくつ
かのリングからなる回折パターンを発生する。開口絞り
は、走査の間、シンボルに実際に達するパターン内のリ
ングの数を制限する。開口絞りは、第１および第２光学
素子の間に置くことができる。あるいは、第２光学素子
は第１光学素子と開口絞りとの間に置くことができ、開
口絞りは、光が放射される第２光学素子の表面に隣接し
て位置する。

【００２９】

【実施例】本明細書および特許請求の範囲に用いられて
いる「シンボル」という語は、一般にバーコードシンボ
ルと称されているような、各種の幅のバーとスペースが
交互に並んだシンボルパターンのみならず、他の１次元
または２次元のグラフィックパターンならびに英数字を
広く包含する。一般に、「シンボル」の語は、光ビーム
の走査により、パターンまたはマークの様々な点の光反
射率の変化の表示として、反射光または散乱光を検出す
ることにより、認識され、または識別されることのでき
る如何なるタイプのパターンまたはマークにも適用する
ことができる。図１は、本発明が走査することのできる
「シンボル」の１例として、バーコード１５を示してい
る。

【００３０】図１は、シンボルを読み取るためのハンド
ヘルド型レーザスキャナ装置１０を表わす。レーザスキ
ャナ装置１０は、全体として円筒部分１１とハンドル１
２を有する前述の特許に示されたタイプのハウジングを
含む。図面はハンドヘルド型のピストル形ハウジングを
表わしているが、本発明は、デスクトップ型ワークステ
ーションまたは定置型スキャナのような、他の型のスキ
ャナハウジングにも用いることができる。図示された実
施例では、ハウジングの円筒部分１１は出射レーザビー
ム１４が通過して、ハウジングから若干の距離の所に位
置するバーコードシンボル１５を横断して走査する出射
口すなわち窓１３を有する。

【００３１】レーザビーム１４は、シンボル１５を横断
して移動して走査パターンを発生する。一般に、走査パ
ターンは、ライン１６で示されるように１次元、すなわ
ち線形である。このレーザビーム１４の線形走査運動
は、ステッピングモータによって駆動される振動ミラー
１７によって発生される。所望であれば、ビーム１４を
２次元走査パターンで走査して、２次元的に光学的に符
号化されたシンボルを読み取れるような手段を備えても
よい。また、振動ミラーの代わりにレーザ光源２０およ
び／またはアキシコン２２を動かして所望のビーム走査
パターンを発生する手段を備えてもよい。

【００３２】手動で作用できるトリガスイッチ１９また
は同様な手段は、オペレータが装置１０をシンボル１５
に狙いを定めるときに、オペレータが走査作用を開始さ
せることを可能にする。トリガスイッチの使用は、レー
ザ光源、走査モータ１８、光検出器およびデコーダのよ
うな要素を常時動作させる代わりに、シンボルの実際の
走査の限られた時間だけ作動させることができるため、
電力の消耗を減少させる。

【００３３】走査装置１０は、ハウジング内に支持され
た、例えばガスレーザ管または半導体レーザダイオード
等のレーザ光源２０を有する。レーザ光源２０は、レー
ザビーム１４を発生する。光検出器２１は、バーコード
シンボル１５から反射された光の少なくとも一部を受け
るためにハウジング内に位置する。光検出器２１は、窓
１３に面していてもよい。あるいは走査ミラー１７の凸
面部が反射光を光検出器２１に焦点を合わせてもよく、
この場合には、光検出器は走査ミラーと向き合ってい
る。レーザビームがシンボル１５を掃引すると、光検出
器２１はシンボル１５から反射された光を検出し、反射
光に比例するアナログ電気信号を発生する。ディジタイ
ザ（図示せず）は、一般にアナログ信号を、そのパルス
幅および／または間隔が、走査されたシンボル１５のバ
ーおよびスペースの物理的な幅に対応するパルス幅変調
デジタル信号に変換する。デコーダ（図示せず）は、一
般に、関連するＲＡＭおよびＲＯＭを備えたプログラム
されたマイクロプロセサからなり、特定のシンボル論に
したがってパルス幅変調デジタル信号を解読し、シンボ
ルに符号化されたデータの２値化表示と、シンボルに表
わされた英数字を得る。

【００３４】レーザ光源２０は、レーザビームを修正し
て回転ミラー１７の方に指向させるアキシコン２２と開
口絞り２３からなる光学手段を通って、レーザビームを
指向する。垂直軸上に取り付けられ、モータ駆動部１８
によって垂直軸の周りに回転されるミラー１７は、ビー
ムを反射し、出射口１３を通してシンボル１５の方に指
向する。図示された開口絞り２３は楕円形であるが、他
の形の開口絞りを用いることもできる。開口絞りはアキ
シコンを通るビームの広がりを制限し、以下に詳細に説
明するように、結果としての回折光に表われるリングの
数を減少させる。

【００３５】スキャナ装置１０を作動させるために、オ
ペレータはレーザ光源２０およびステッパーモータ１８
等を作動させるトリガスイッチ１９を押す。レーザ光源
２０は、アキシコン２２と開口絞り２３の組合せを通る
レーザビームを発生する。アキシコン２２と開口絞り２
３は、ビームを変形して、引例として挙げられている、
Ｋａｔｚ他の米国特許第5,080,456号明細書に詳細に説
明されているように、距離２４にわたって連続して延
び、ほぼ不変の、所定の直径を持つ強いビームスポット
を発生させる。アキシコン２２と開口絞り２３の組合せ
は、ビームを回転ミラー１７の方に指向し、これは修正
されたレーザビームをスキャナハウジング１１から外側
に掃引パターン、即ち走査線１６に沿ってバーコードシ
ンボル１５の方に指向する。距離２４内の任意の地点に
おいて、レーザビーム１４にほぼ垂直に置かれたバーコ
ードシンボル１５は、レーザ光の一部を反射する。スキ
ャナハウジング１１内に取り付けられた光検出器２１
は、この反射光を検出して、受光した入射光をアナログ
電気信号に変換する。次に、システム回路はアナログ信
号をパルス幅変調ディジタル信号に変換し、デコーダか
らなるマイクロプロセッサが、このディジタル信号をバ
ーコードシンボル論の規則の特徴に従って解読する。

【００３６】アキシコンは反射、屈折またはこれらの両
方によって回転図形の軸上の点光源からの光を曲げ、軸
の実質的な範囲に沿った点の連続線に沿って軸と交差さ
せる。このようにアキシコンは、レンズの場合のよう
に、光を一点に集めたり、軸に沿った狭い範囲に集めた
りはしない。平行ビームによって照明されたアキシコン
は、アキシコンの軸の方へ内側に向かった、このような
ビームの波面の傾斜を生じさせる。結果としてのビーム
は中心スポットと同心の回折リングを含む。光路に置か
れた開口絞り２３は、このような回折リングの数を制限
する。開口絞り２３は、走査方向に平行な、その面積内
のこれらのリングの一部と、走査方向に垂直な、その面
積内のこれらのリングの一部の両方を除去する。

【００３７】アキシコンが図に示されているように分離
した光学素子である場合には、アキシコンはほぼ平らな
第１面を有する。アキシコンの第２面は、第１面に対し
て角度を有し、アキシコンの中心軸の周りに回転する回
転図形で決定される形を有する。線形アキシコンを用い
る好適実施例では、回転図形は直線であり、したがって
第２面は円錐形である。線形アキシコンは、その円錐面
を通る光を受光し、平面から光を放射するような方向に
向けることができる。あるいは図３および図５に示され
ているように、アキシコンは平面を通る入射光を受光
し、円錐面から光を放射することもできる。光学素子が
以下に詳細に説明する位相傾斜と回折パターンを作る限
りにおいて、光学素子は別の形をとることもでき、およ
び／または反射素子で置き換えることもできる。図２
（Ａ）、図２（Ｂ）および図３は、図１のレーザ走査装
置１０の中のレーザ光源２０およびアキシコンと置き換
えることのできるレーザ発光装置および合焦モジュール
を示す。図２（Ａ）は、「一般的な」レーザおよび光学
モジュール４０を示す。一般的なモジュール４０は小型
のレーザダイオード４１、ホルダー４３および合焦レン
ズ４５を有する。レーザダイオードモジュール４１は、
スペクトルの可視部分の光ビームを放射するタイプのも
のでもよい。電気接続導線がレーザダイオード４１の基
板の裏面から延びている。レーザダイオード４１の円筒
形前端部は、一般に真鍮で形成されているホルダー４３
の後部内に位置する。レーザホルダー４３の真鍮はレー
ザダイオード４１によって発生される熱を消散させるヒ
ートシンクとして役立つであろう。ホルダー４３は、レ
ーザダイオード４１の円筒形前端部の上に圧入するよう
に寸法決めされてもよく、あるいはホルダー４３はレー
ザダイオード４１の前端部および／または基板に、例え
ば溶接や接着剤によって接合することもできる。

【００３８】ホルダー４３の前端部は、レンズ４５の受
け座として役立つ。レンズはいくつかの手段によって、
その位置を保持してもよい。例えば、レンズ４５は、ホ
ルダー４３に接着されるか、またはスナップリングの適
当な形によって保持されてもよい。あるいは、一般的な
モジュール４０は、レーザダイオード４１とレンズ４５
の間に圧縮されたスプリングを有してもよい。このよう
なスプリングによって提供される拡張力は、レンズ４５
をホルダー４３の前端部上に形成された前片部に対して
押しつけるであろう。ホルダー４３はレーザダイオード
４１から放射される光ビームの軸に沿って、レーザダイ
オード４１の光放射前面から距離を置いて合焦レンズ４
５を位置決めする。ホルダー４３の前端部上に形成され
た前片部は、モジュール４０が放射する光ビームを通す
大きい開口部４７を形成する。

【００３９】一般的なモジュール４０は、多くの異なっ
た形をとることができる。例えば図２（Ａ）に示されて
いるホルダー４３の代わりにモジュールは、Ｋｒｉｃｈ
ｅｖｅｒ他の米国特許第4,923,281号明細書に開示され
ているものと同様な構造のハウジングを用いることもで
きる。モジュール４０は、レンズ４５と開口絞り４７が
レーザダイオード４１からのビームを無限遠に焦点を合
わせるように選択され、位置決めされるため「一般的な
モジュール」として役立つ。モジュールの前の所望の距
離に所望のビームスポットサイズを提供する、このよう
なユニットに適合させるために、ビームを再焦点合わせ
するのに必要な寸法のアキシコンと開口絞りがホルダー
４３の前端部に取り付けられる。図２（Ｂ）は、アキシ
コンと開口絞りキャップ装置の好適実施例を示す。

【００４０】キャップ４２は、アキシコン要素４４を囲
む。キャップ４２の前片部は、開口絞り４７よりは小さ
い円形開口絞り４６を形成する。図３は、一般的なモジ
ュール４０、キャップ４２およびアキシコン４４を有す
る、完全なレーザ発光装置および合焦モジュール５０を
示す。図示されているようにキャップ４２は一般的なモ
ジュール４０の前端部に圧入する大きさである。このよ
うな取り付け構成では、キャップ４２は取り外して異な
ったスポットサイズおよび作動距離のモジュールを提供
するために、異なった開口絞りの大きさおよび／または
アキシコンの角度を有する他のアセンブリで置き換える
ことができる。あるいはキャップ４２は、例えば溶接や
接着によってホルダー４３の前端部に接合することがで
きる。また、キャップ４２のために示された構造は、特
徴を例示するためのものである。キャップ４２は、幅広
い変化形をとることができる。特に注目すべきことは、
キャップ４２はアキシコン４４の後面と一般的なモジュ
ールの前面との間に開口絞り４６を置くために再設計す
ることができることである。

【００４１】開口絞り４６は、モジュール５０によって
放射される光ビームの半径を制限する。開口絞り４６
は、線形アキシコン要素４４の円錐形前面の角度と共
に、結果としての光ビームの非拡大の断面分布を決定す
る。所定の走査の応用のために、適当な開口絞りの半径
とアキシコン角を選ぶための設計ルールについては、図
５に関連させて、以下で説明する。開口絞りとアキシコ
ンは分離した装置の要素として形成されているため（図
２（Ａ））、ビーム半径とアキシコン角は、各々期待さ
れた応用（バーコード密度、作業読取り範囲等）に対応
する所定のビームスポットサイズおよび非拡大の分布範
囲を形成するために選択されることができる。一般的な
モジュールの焦点合わせは、異なる応用の間で変える必
要はない。製造者は各走査の応用について異なったキャ
ップとアキシコンのアセンブリを単に使用するだけでよ
い。

【００４２】図４（Ａ）および図４（Ｂ）は、線形アキ
シコン型の光学素子を断面図と正面図の各々を示す。こ
れらの図面におけるアキシコンは図１の実施例における
アキシコン２２および図３のモジュールの実施例におけ
るアキシコン４４に対応する。図４（Ａ）および図４
（Ｂ）に示されているように、アキシコン２２（４４）
は半径Ｒを有する円形要素である。第１面はほぼ平面で
ある。第２面はアキシコンの中心軸の周りに回転する直
線によって決定される。この直線はアキシコンの後部に
示される平面に対して角度αを形成する。図５は開口絞
り４６および線形アキシコン２２または４４を通過する
平行光ビームによって形成される光分布を示す。

【００４３】本発明の光学素子および開口絞りの配列
は、例えばバーコードを走査するための光学走査に特に
適した深い焦点深度を有する光ビームを形成する。アキ
シコンは、このようなビームを形成するのに用いること
ができるがρ^K（Ｋ＜２、ρは半径方向の距離）ととも
に変化する他の非球面断面も同様に用いることができ
る。開口絞り（ビーム直径）と傾斜角が作業読取り範囲
を決定することがわかっており、最適な走査機能のため
に、これらのパラメータについての値を選択することが
可能になる。

【００４４】次の数学的解析は、線形アキシコンを非球
面要素の非公式の分類として取り扱っているが、結果
は、アキシコンによって提供される非線形から極めて僅
かしか異ならない非球面断面について実質上変化しな
い。アキシコンは、かなりの距離にわたって集束してい
て、伝幡軸の周りに広がることを制限されているビーム
を発生するような構造であることが認識されている。

【００４５】Ｋａｔｚ他の米国特許第5,080,456号明細
書は、アキシコン要素の半径である半径Ｒに対する幾何
学的活性領域（視野の深度）について、以下の関係を開
示している。ここで、ｎはアキシコンの屈折率、αはアキシコンの円
錐形の傾斜角である。しかし、Ｋａｔｚ他は作業読取り
範囲を調整するために、開口絞りを備えたアキシコンを
通る平行ビームのビーム半径を制限することを特別に示
唆してはいない。アキシコンの角の選択と共に適当な大
きさの開口絞りを用いれば、所望する視野の深度と、対
応する光学スキャナの作業読取り範囲を形成することが
できることが見い出されている。所定のシンボル密度に
最適スキャナ機能を確定するための特別な幾何学的手法
と対応する数学的解析を以下に説明する。解析を簡単に
するために、開口絞り４６が円形であり、平行ビームが
光学素子を通過するときの平行ビームの有効半径を制限
すると仮定する。異なる形の開口絞りに対しても同様な
原理が適用されるものとする。また、図５は、その平面
から光を受光し、円錐面から光を放射するアキシコンを
示しているが、アキシコンの方向が反対であったとして
も、すなわち、入射光が円錐面に入射し、平面から放射
するとしても、以下の解析が適用される。

【００４６】図５の開口絞りとアキシコンの配列に対す
る視野の深度は、以下のように表わここで、ｎはアキシコンの屈折率、αはアキシコンの傾
斜面の傾斜角、βは結果としての位相の傾斜である。し
かし、この式は実際にアキシコンを通過する平行ビーム
の半径Ｒｏを用いている。本発明では、ビーム半径Ｒｏ
は、開口絞り４６のような手段によって制限されてい
る。このような装置においては、ビーム半径Ｒｏは、開
口絞り半径に相当する。

【００４７】開口絞り４６は、図５のように、開口絞り
がレーザ光源とアキシコンの間にあるか、図３のよう
に、開口絞りがアキシコンの傾斜面に隣接してある場合
に、アキシコンを通過する光の有効半径を制限する。開
口絞りがレーザ光源とアキシコンの間にある場合は、開
口絞りがアキシコンの後部平面を照明するために実際に
入射されるビームの半径を制限する。開口絞りがアキシ
コンの傾斜面に隣接してある場合には、開口絞りがアキ
シコン化らの放射光の半径を制限する。しかし、結果と
してのビームの幾何学的形状は、開口絞りがどちらの位
置にあってもほぼ同じである。

【００４８】図５のハッチングされた領域内では、ビー
ムは次の地点で最小拡がりに達する。スポットサイズは、ビーム傾斜によって決定され、この
ビーム傾斜は装置によって得られた位相シフトによって
決まる。従って、米国特許第5,080,456号明細書に示さ
れているように、中心スポット直径は、以下の式で表わ
される。ここで、λはレーザ光源によって放射された光ビームの
波長である。そして、バー／スペース幅「ｍ」は、コン
トラストレベルが合理的であるためには（すなわち、＞
１５％）、ｄ／２よりも小さくてはならず、その結果、または、である。空間周波数の定義を用いると、ｆｘ＝１／２ｍ
であるから、結果は次のようになる。

【００４９】アキシコン角に関して、傾斜角βを決定するために式
（１．１）を用いると、式（４）および（５）は次のよ
うになる。およびバーコードの検出は、いくつかのバーおよびスペースか
ら反射される集束光に依存する。このようなものとして
重要な特性は、任意の目標物を走査するときに用いられ
る点像強度分布関数の反対の「線像分布関数」である。
ベッセル状ビームの線像分布関数（アキシコンまたは同
様な非球面要素によって提供される）は、例えば図６に
示されるように、空間周波数（バーコード密度）の広い
範囲にわたって、低い値を示す変調伝達関数（ＭＴＦ）
を発生する。特に図６は、βが０．６２５ｍＲａｄの位
相面傾斜を発生するアキシコンを用いた結果としてのＭ
ＴＦを示す。線像分布関数のＭＴＦは、距離Ｚ＝１．４
ｍにおいて測定されたものである。この測定は、半径Ｒ
ｏ＝２ｍｍの均一な入力照明光、および波長λ＝６７０
ｎｍの入力光ビームを提供するレーザ光源を用いて行な
われた。電子回路は、低コントラストの信号でも処理で
きるように設計されるべきである。このことは、変調伝
達関数ＭＴＦが、ある低い値、例えば１５％（図６にお
ける０．１５）を越える場合、全範囲にわたる動作の拡
張を可能にする。図６のグラフは、本発明のスキャナが
有効に読み取ることのできるコード密度の拡張された範
囲を示す。

【００５０】（４）式および（５）式は、バー／スペー
ス幅および光波長が所定の位相前面傾斜（β）を発生す
るのに必要なアキシコンを決定することを示す。また、
（１）式および（２）式は、照明ビームの半径（また
は、それを決定する開口絞り）が作業読取り範囲とビー
ムの最も狭い位置（２Ｚｄ／３）の両方を決定すること
を示す。

【００５１】ガウス分布のビームがアキシコンを照明す
るために用いられる場合、入力ビームの腰部（１／ｅ²
強度の点）がビームサイズとして作用する。異なる空間
周波数パターン（即ちバーコード）についての照明光の
腰部の関数としての作業読取り範囲（ＷＲ）を示すいく
つかの代表的なカーブが、図７および図８の上部に示さ
れている。各図の下の線グラフは、異なる開口絞りの大
きさに対して、ガウス分布の照明ビームの腰部の異なっ
た値を用いた、１３ミルのバーコードを読み取るための
光軸に沿った異なる作業読取り範囲の位置を示す。

【００５２】前述のようなアキシコンの派生的な応用
は、それから若干の解析的な表現が得られるかも知れな
いが、アキシコンによって提供される線形位相シフトと
やや異なった光学的特性を有する非球面についても広い
関係を有し、厳密な形の解は現在の所得られない。例え
ば、位相傾斜を作るための光学素子に近接しているか、
または他の光学素子に固着している場合には、受光面は
他の要素の発光面の形と一致するだろう。他の要素がレ
ンズであれば、受光面はレンズの形に相当する形を有す
るであろう。次に、位相傾斜を作るための光学素子の第
２面は、その要素の２つの面の間の差が、上記に説明し
た線形アキシコンの表面の間の差に対応するように選択
された非球面輪郭を有するであろう。

【００５３】アキシコンは、一定のビーム広がりで「延
長された距離」を提供することが示されている。アキシ
コンの円錐角および光学開口絞りは、作業読取り範囲、
非作用領域および所定の密度のバーコードを検出できる
ビーム能力を独特の方法で決定する。走査の目的のため
の最適の形は、１と３の間のＲｏβ／λの値を示すこと
が分かっている。この要求は、点像強度分布関数が走査
の目的のために適用できるように、回折パターンの許容
できるリングの数が、限定されるべきであるということ
を立証するものである。この値について最適走査機能が
達せられるということを示す、多くの理論的評価、コン
ピュータ・シミュレーションおよび実験的な結果につい
ては、後に詳細に論じる。βは所望の点像強度分布関数
（高密度バーコードについては狭く、従ってβは大き
い、低密度バーコードについては広く、従ってβは小さ
い）に基づいて選択されているので、０．３Ｒ／βによ
って近似的に与えられる。非作用領域を独立に制御する
ことはできないということに注意すべきである。しか
し、全てのパラメータの許容できる機能を提供する値の
範囲、例えばβ＝０．０００２ラジアンおよびＲ＝１
（図１０）は、非常に満足すべき値を提供することを見
い出すことができる。

【００５４】アキシコンは、その入射平面波面を装置の
後の位置の若干の領域で、ベッセル関数的な横断分布を
生み出す円錐形波面に変換する能力から見ても、「回折
を生じない」ビームを発生するための最も簡単な手段で
ある。円錐面に沿って伝搬するＫベクトルを有する１組
の制限されない平面波は、実際にベッセルＪｏ分布を生
じる。Ｊｏ（ｋρｓｉｎβ）（６）ｋ＝２π／λ、ここでλは波長、ρは半径方向の距離で
ある。

【００５５】あるアキシコンは、このような円錐光学面
の頭を切った変形であり、「不完全な」ベッセル分布を
提供する。それにもかかわらず、スキャナの望ましい特
性であるサイドローブの数を制限するため、この特性は
有益である。アキシコンは、図５で示されているように
領域Ｚｄにおいて延長された合焦ビームを提供する能力
を有する。これによってここで、上記で説明したように、Ｒｏは照明ビームの半
径、βはｋベクトルの縦軸（ｚ）方向に対する傾斜であ
る。

【００５６】さらに、（４）式により、βとアキシコン
から発生されたビームの空間周波数応答との間に、近似
的に次式で表わされる直接の関係があることが示され
る。ここで、ｍはバーコードの最も狭い要素の幅である。

【００５７】アキシコンから発生されたビームは、距離
２Ｚｄ／３において、その最大集中度、すなわち「最良
スポット」を有する。従って上記の式は、自由パラメー
タＲｏがあり、これによって最良スポットは任意の位置
に変位することができる。親指の法則のように、バーコ
ード解読のための作業読取り範囲は、Ｚｄ／３±Ｚｄ／
４の間に広がり、ＺｄはＲｏを増加（または減少）する
ことにより拡大（または縮小）できる。

【００５８】しかし、以下に示すようにＲｏは完全に独
立なパラメータではないということを理解することが非
常に重要である。余りに多くのベッセルリングがパター
ン内に含まれている場合には、ベッセル分布点像強度分
布関数の振動的な性質は、走査の目的のためには、全く
不適当である。実際に、ベッセル分布点像強度分布関数
の線形積分から得られた像分布関数（ＬＳＰ）は、「ベ
ッセル無回折ビーム」の半径が増加したときに変調伝達
関数の重要な減少を示す。

【００５９】Ｒｏ／３の半径を有する（図５参照）幾何
学的な「最良スポット」内に収容されているベッセルリ
ングの数を計算することができる。ベッセル関数（６
式）は、ベッセル関数の零値によって境界付けられるリ
ングを有することが知られている。ｚ＝２．４、５．
６、８．７・・・または近似的にｚ＝２．４＋πｔ＝
（０．７６＋ｔ）πにおいてＪｏ（ｚ）＝０であるか
ら、（６）式から次の関係が得られる。したがって、ρは最狭点位置における照明光半径の１／
３に等しいから、が、「最良スポット」に含まれている中心部分の周りの
ベッセルリングの数、「ｔ」の値を与える。したがっ
て、Ｒｏβ／λに等しいと定められている量Ｍが１．１
４（＝３／２・０．７６）以下ならば、「最良スポッ
ト」は単に中心ベッセル領域（ｔ≦０）を含むだけであ
る。Ｍが２．６４のときは、唯１本のリングが「最良ス
ポット」（ｔ＝１）を囲み、Ｍが４．１４のときは、２
本のリングが「最良スポット」（ｔ＝２）を囲む等であ
る。いくつかの傾斜角（β＝０．６２５、１、２、５
ｍＲａｄ）、およびいくつかの半径（Ｒ＝２、１、０．
５、０．２５）のコンピュータ・シミュレーションは、
図９〜図１２に示された表に要約されている。これらの
シミュレーションから、以下に述べるいくつかの結論を
導き出すことができる。

【００６０】シミュレーションの結果からの最も重要な
結論は、ファクターＭが３よりも小さい場合に、最良の
結果（最大の作業読取り範囲）が得られるということで
ある。例として、変調率、すなわちコントラストＣが
０．１２に等しい図１０の表を参照する。表の下部に示
されているように、４ミルのバーコードおよび５ミルの
バーコードのＭＴＦは、Ｍ＝Ｒｏβ／λ の値が６のと
き（データの第１欄）、このようなコードの正確な読み
を得るために必要であると仮定された値、０．１２より
も下である。結果として、このようなバーコード密度に
ついては、作業読取り範囲が全くない。また、Ｍ＝６の
場合については、１０、１５および２０ミルの低密度コ
ードについて得られる作業読取り範囲は比較的短く、ま
たアキシコン素子から遥かに離れている。アキシコンと
開口絞りが３または１．５のＲｏβ／λすなわちＭの値
（中間欄）を作るために選択された場合は、作業読取り
範囲は遥かに長くなり、ＭＴＦが０．１２のカットオフ
以下に落ちることはなく、スキャナは全てのサイズのバ
ーコードを有効に読み取ることができる。また、作業読
取り範囲はアキシコンに近い点で発生し、走査されるコ
ードは装置の前面に比較的近くにあるので、スキャナの
位置合わせが容易になる。右側の欄は、Ｍが０．７５の
値の場合を示すが、スキャナはリストに挙げられたコー
ドの全てを読み取ることができ、達成された作業読取り
範囲は、実際にＭが３または１．５のときの状態よりも
小さい。図９、図１１および図１２に示されている他の
表は、Ｍが１と３の間にあるときの同様に有利な結果を
示す。

【００６１】図１１に示されている実験的結果は、コン
ピュータ・シミュレーションから導き出された結論と合
致する。１ｍｍの開口絞りに対する実験的結果は、Ｍが
１．５の値のときに相当する。これらの結果は、４つの
バーコード密度の全てについて長い作業読取り範囲を示
す。又、これらの作業読取り範囲の全ては、１４または
１５インチにほぼ等しい距離からスタートする。０．５
ｍｍの開口絞り（Ｍ≡０．７５）を用いるとアキシコン
素子に近い作業読取り範囲を作った。しかし、作業読取
り範囲の若干のものは、特に１０ミルのバーコードにつ
いての範囲は、図１１において１ｍｍの開口絞りを用い
て作られた範囲よりも短い。

【００６２】（７）式からのβの値を、ＷＲおよびＭの
式に代入すると、以下の式が得られる。コンピュータ・シミュレーションから示されるように、
Ｍは１と３の間にあるべきであり、その結果は以下のよ
うになる。または（１０）式からのＲｏを（９）式に代入すると、次の式
が得られる。最良の「ガウス分布ビーム」として、次式が得られるこ
とは、注目すべきことである。

【００６３】

【数１】

【００６４】その結果、作業読取り範囲は、ここで、Ｃは検出されたパターンのコントラストまたは
「変調率」である。

【００６５】「最良ガウスタイプ」と比較すると、アキ
シコン構造によって提供される改良は、（１１）式を
（１２）式によって割り算することによって計算でき
る。これは図１３に示すようにＭとＣのいくつかの値につい
て計算できる。

【００６６】ｍ²／λの係数はアキシコンの場合は、
（３．５÷１０．５）であり、ガウスタイプの場合は約
（５．４÷６．４）である（Ｃ＝０．１２または０．０
８と仮定）。したがって、公称設計密度について、Ｍ＝
２÷３とすれば、アキシコンファクタ１．３÷１．６５
（３０〜６５％）によって作業読取り範囲を理論的に増
加することができることを示す。Ｍ＜２ならば、ガウス
分布ビームは同等の性質であろうことも示される。

【００６７】コンピュータ・シミュレーションにおいて
行なわれる実際の作業読取り範囲は図９〜図１２に示さ
れるように要約されている。したがって、開口絞り４６
の半径によって確定される半径Ｒｏを有する照明ビーム
が、βラジアンの位相前面傾斜を有する円錐波面を提供
するアキシコンに入射した場合、結果としてのビーム
は、ほぼ０．３〜０．９Ｒｏ／βにわたる距離を越えて
断面分布を拡大せずに維持することができる。しかし、
走査の目的には、広い断面のビームは望ましくないので
入射ビームは、以下の条件を満足しなければならない。

【００６８】図３の実施例は、いくつかの交換可能のアキシコンおよ
び各々傾斜角β（（ｎー１）αによって定められる）の
アキシコンと平行レーザアセンブリと結合して用いるこ
とのできる半径Ｒｏの開口絞りを含む開口絞りキャップ
ユニットを用いる。各キャップについてのβとＲｏの選
択は、意図した応用（バーコード密度、作業読取り範囲
等）に依存する。また、アセンブリ５０は、スキャナが
異なるバーコード密度シンボルについて用いられた場
合、（アキシコンを取り替えることによって）再構成す
ることができる。

【００６９】前述の好適実施例は、光学素子として屈折
型アキシコン、すなわち要素を通過して修正される光ビ
ームが必要な位相傾斜を作るようなアキシコンを用いて
いる。適当な輪郭を有する反射型の光学素子を用いるこ
とも可能である。例えば、光学素子は円錐形の形をした
ミラーの形をとることもできる。このようなミラーは、
ミラーの中心軸の周りに回転する直線または同様な形状
の回転によって決定される反射面からなる。

【００７０】また、本発明に用られる開口絞りは、各種
の形を持つことができる。図１に示されるように、開口
絞り２３は楕円形であり、図２（Ａ）〜図５の開口絞り
４６は、特定の半径の円形開口絞りとして説明されてい
る。開口絞りは、また正方形でも矩形であってもよい。
何れの場合にも、開口絞りは光学素子によって修正され
た平行ビームの範囲を制限し、それによって回折パター
ンの範囲を制限して、回折パターンに表れるリングの数
を減少させる。

【００７１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
走査用、例えばバーコード走査に用いることのできる焦
点深度の深いビームを形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるハンドヘルド型光学スキャナの
部分的な断面等角図である。

【図２】図２（Ａ）は、レーザ発光装置および光学モ
ジュールの断面図、図２（Ｂ）は、開口絞りおよびアキ
シコンアセンブリの断面図である。

【図３】図２（Ｂ）の開口絞りおよびアキシコンアセ
ンブリを備えた図２（Ａ）のレーザ発光装置および光学
モジュールの組合せによって形成された発光装置および
合焦モジュールの断面図である。

【図４】図４（Ａ）および図４（Ｂ）は、本発明に用
いる線形アキシコン型の屈折光学素子の断面図および正
面図である。

【図５】線形アキシコンおよび円形制限開口絞りを通
過する平行光ビームによって生じた光分布の図式的表示
である。

【図６】アキシコンを用いるスキャナについて、走査
されたシンボルの空間周波数に関する変調伝達関数のグ
ラフである。

【図７】本発明を用いて走査されたコードの異なる空
間周波数で照明された幅の関数としての作業読取り範囲
を示すグラフである。

【図８】本発明を用いて走査されたコードの異なる空
間周波数で照明された幅の関数としての作業読取り範囲
を示すグラフである。

【図９】本発明を用いるスキャナのコンピュータシミ
ュレーションで得られた実際の作業読取り範囲を示す表
である。

【図１０】本発明を用いるスキャナのコンピュータシ
ミュレーションで得られた実際の作業読取り範囲を示す
表である。

【図１１】本発明を用いるスキャナのコンピュータシ
ミュレーションで得られた実際の作業読取り範囲と実験
的な結果を示す表である。

【図１２】本発明を用いるスキャナのコンピュータシ
ミュレーションで得られた実際の作業読取り範囲を示す
表である。

【図１３】べき数Ｍとコントラストｃとの計算結果を
示す図である。

【符号の説明】

１０スキャナ１１ハウジング１２ハンドル１３窓１４レーザビーム１５バーコードシンボル１６ライン１７振動ミラー１８走査ミラー１９トリガスイッチ２０レーザ光源２１光検出器２２アキシコン２３開口絞り２４作業読取範囲

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光反射率を変化させる光学的に符号化さ
れた情報を走査するための光学的走査装置において、（ａ）走査すべき情報に向けられた光路内に、平行光ビ
ームを指向するための光源、および光ビームを走査線に
沿って移動させるための手段と、（ｂ）平行光ビームの軸に垂直なほぼ平らな第１面と、
前記軸の周りに回転する回転図形によって決定される第
２面とを有する光学素子であって、前記回転図形は前記
第１面に対して角度をなしており、前記光学素子が前記
平行光ビームを前記軸に向けて内側に位相傾斜させる前
記光学素子と、（ｃ）光学素子を通過する平行光ビームの範囲を制限す
るための開口絞りを形成するための手段であって、前記
光学素子を通過する平行光の範囲は、光学素子によって
得られた特定の位相傾斜に対して、スキャナの予め定め
られた作業読取り範囲を確定する前記手段と、（ｄ）前記情報から反射された光を受け取るように配置
された光検出器とからなることを特徴とする光学的走査
装置。
【請求項２】前記光源がレーザであることを特徴とす
る請求項１記載の光学的走査装置。
【請求項３】開口絞りを形成する手段が、円形または
楕円形の開口絞り、またはスリットあるいは他の任意の
形であることを特徴とする請求項１記載の光学的走査装
置。
【請求項４】光学素子によって作られる位相傾斜は、
次式のように走査すべき情報の最小シンボル幅ｍに関連
し、ここで、βは光学素子によって発生される位相傾斜であ
り、λは光源によって放射されるビームの波長であるこ
とを特徴とする請求項１記載の光学的走査装置。
【請求項５】光学素子が次の関係に従って位相傾斜β
を決定し、 β ＝（ｎー１）α ここで、αは光学素子の回転図形と第１面との間の角度
で、ｎは光学素子の屈折率であることを特徴とする請求
項４記載の光学的走査装置。
【請求項６】前記光学素子が屈折型線形アキシコンで
あることを特徴とする請求項４記載の光学的走査装置。
【請求項７】光学素子によって発生される位相傾斜
が、次式によって走査すべき情報の空間周波数ｆｘに関
連し、ここで、βは光学素子によって得られる位相傾斜であ
り、λは光源によって放射されるビームの波長であるこ
とを特徴とする請求項１記載の光学的走査装置。
【請求項８】光学素子が次の関係に従って位相傾斜β
を決定し、 β ＝（ｎー１）α ここで、αは光学素子の回転図形と第２面との間の角度
で、ｎは光学素子の屈折率であることを特徴とする請求
項７記載の光学的走査装置。
【請求項９】前記図形が屈折型線形アキシコンである
ことを特徴とする請求項７記載の光学的走査装置。
【請求項１０】光学素子と開口絞りが次の関係に従う
寸法を有し、ここで、βは光学素子によって得られる位相傾斜であ
り、開口絞りは前記光学素子を通過する光を半径Ｒｏに
まで制限し、λはレーザ光源から放射されるビームの波
長であることを特徴とする請求項１記載の光学的走査装
置。
【請求項１１】光学素子が次の関係に従って位相傾斜
βを決定し、 β ＝（ｎー１）α ここで、αは光学素子の回転図形と第２面との間の角度
で、ｎは光学素子の屈折率であることを特徴とする請求
項１０記載の光学的走査装置。
【請求項１２】光学素子および開口絞りは、さらに次
の関係に従って寸法が決められることを特徴とする請求項１０
記載の光学的走査装置。
【請求項１３】開口絞りは、半径Ｒｏの円形の開口絞
りであることを特徴とする請求項１０記載の光学的走査
装置。
【請求項１４】シンボルの走査方法において、（ａ）平行光ビームを発生し、前記光ビームを読み取る
べきシンボルの方向に向かった光路に沿って指向するス
テップと、（ｂ）読み取るべき前記シンボルを横断して走査を行な
うために前記光ビームを移動させるステップと、（ｃ）前記シンボルの特性としてのサイズと全体的に相
関するサイズの光スポットを発生するために、前記シン
ボルの方向に向かって光路内の前記光ビームを修正する
ステップ、ここで、前記光スポットは、光軸上の前記距
離の実質的な範囲にわたって、前記シンボルへの距離の
変化に対して、ほぼ一定のサイズを有し、（ｉ）
光軸の方向に向けて内側に平行光ビームの位相傾斜を発
生させるステップ、および（ｉｉ）位相傾斜した光ビー
ムの中心部分を囲むベッセルリングの数を制限するステ
ップとを含む前記修正ステップとからなることを特徴と
する走査方法。
【請求項１５】前記光ビームがレーザ光ビームである
ことを特徴とする請求項１４記載の走査方法。
【請求項１６】位相傾斜を発生させる前記ステップ
が、ほぼ平らな第１面と、光軸の周りに回転する回転図
形によって決定される第２面とを有する固体光学素子を
通って、前記平行光ビームを指向させることを含み、前
記回転図形が前記第１面に対して角度を有することを特
徴とする請求項１４記載の走査方法。
【請求項１７】前記光学素子が、屈折型線形アキシコ
ンであることを特徴とする請求項１６記載の走査方法。
【請求項１８】前記ベッセルリングの数を制限するス
テップが、固体光学素子を通る前記平行光ビームの半径
を制限することからなることを特徴とする請求項１６記
載の走査方法。
【請求項１９】シンボルを走査する方法において、（ａ）ほぼ単色光の平行光ビームを発生するステップ
と、（ｂ）前記ビームの光路に沿った所定の距離に沿って延
びるほぼ一定の直径で、中心部分と前記中心部分を囲む
複数のリングを有する所定の回折パターンを示すビーム
スポットを発生させるために、光ビームを修正するステ
ップと、（ｃ）前記中心部分を囲む前記リングの数を減少させる
ために、ビーム回折パターンを制限するステップと、（ｄ）読み取るべきシンボルに、回折パターンを減少さ
せたビームを指向させるステップ、および（ｅ）回折パターンを減少させたビームを、読み取るべ
きシンボルを横断して移動させるステップとからなるこ
とを特徴とする走査方法。。
【請求項２０】光ビームを修正するステップが、光学
素子の軸の方向に内側に向かった平行光ビームの位相傾
斜を発生させる光学素子を通って光ビームを通過させる
ことからなり、ビーム回折パターンを制限するステップ
が、前記光学素子を通過する平行光ビームの半径を制限
することからなることを特徴とする請求項１９記載の走
査方法。
【請求項２１】前記光学素子が、ほぼ平らな第１面
と、前記第１面に垂直な軸の周りに回転する回転図形に
よって決定される第２面とを有する固体光学素子からな
り、前記図形は前記第１面に対して角度を有し、前記光
学素子を通過する平行光ビームの半径を制限するステッ
プが、ビームを所定の半径に制限するために、開口絞り
を通過させることを特徴とする請求項２０記載の走査方
法。
【請求項２２】光学的に符号化された情報を読み取る
ためのシステム内に用いる装置において、（Ａ）光が放射される前端部を有する発光モジュール、
および（Ｂ）光を放射する発光モジュールの前端部の上に取り
付けるためのアセンブリモジュールとからなり、前記発
光モジュールは、（ｉ）発光モジュールの前端部に向け
て光を放射する発光素子と、（ｉｉ）発光素子からの光
を集束し、ほぼ無限遠に焦点合わせするための第１の光
学素子、および（ｉｉｉ）発光素子から放射される光軸
に沿って、発光モジュールの前端部に隣接した点に第１
の光学素子を取り付けるための第１の取り付け手段から
なり、前記アセンブリは、（ｉ）軸の実質的な範囲に沿
って点の連続線に沿って軸を横断するように、第１の光
学素子からの平行光の位相傾斜を発生させる第２の光学
素子と、（ｉｉ）第２の光学素子を通過する光を制限す
る開口絞りを形成するための手段、および（ｉｉｉ）光
を放射する発光モジュールの前端部の上方に、第２の光
学素子と開口絞りを取り付けるための第２の取り付け手
段とからなることを特徴とする装置。
【請求項２３】発光素子がレーザであることを特徴と
する請求項２２記載の装置。
【請求項２４】前記第２の光学素子はほぼ平らな面
と、前記ほぼ平らな面に垂直な軸の周りに回転する回転
図形によって決定される面とを有する固体屈折光学素子
であり、前記図形は前記ほぼ平らな面に対して角度を有
することを特徴とする請求項２２記載の装置。
【請求項２５】前記固体屈折光学素子が線形アキシコ
ンであることを特徴とする請求項２２記載の装置。
【請求項２６】第２取り付け手段が、開口絞りを第１
光学素子と発光モジュールの前端部の間に配置すること
を特徴とする請求項２２記載の装置。
【請求項２７】第２取り付け手段が、第２光学素子を
第１光学素子と開口絞りの間に配置し、開口絞りを光を
放射する第２光学素子の面に隣接して配置することを特
徴とする請求項２２記載の装置。
【請求項２８】取り付けるための第２手段は、第２光
学素子を除去可能に支持するための取り外し可能な取り
付け機構と、発光モジュールの前部の上方に開口絞りを
形成するための手段からなり、前記取り外し可能な取り
付け機構は、前記アセンブリの取り外しと置き換えを容
易にすることを特徴とする請求項２２記載の装置。
【請求項２９】光反射率を変化させる光学的に符号化
された情報を読み取るための装置において、（Ａ）光を放射する前端部を有する発光モジュールと、
ここで前記発光モジュールは、（ｉ）発光モジュールの
前端部に向かった方向に光を放射する発光素子、（ｉ
ｉ）発光素子からの光を平行光に集束し、ほぼ無限遠に
焦点合わせするための第１の光学素子、および（ｉｉ
ｉ）発光素子から放射される光の軸に沿って、発光モジ
ュールの前端部に隣接した点に、第１の光学素子を取り
付けるための第１の取り付け手段とからなり、（Ｂ）光を放射する発光モジュールの前端部の上方に取
り付けられるアセンブリと、ここで、前記アセンブリ
は、（ｉ）軸の実質的な範囲に沿って点の連続線に沿っ
て軸を横断するように、第１の光学素子からの平行光の
位相傾斜を発生させる第２の光学素子、（ｉｉ）第２の
光学素子を通過する光を制限する開口絞りを形成するた
めの手段、および（ｉｉｉ）光を放射する発光モジュー
ルの前端部の上方に開口絞り形成するための手段を取り
付けるための第２の取り付け手段とからなり、情報の一
部を横断して前記光ビームの走査運動を発生させる手
段、および光学的に符号化された情報から反射された光
を受光し、光反射の変動に対応する電気信号を発生する
手段とからなることを特徴とする読取り装置。