JPH1114922A - 光源装置及びそれを用いた光走査装置並びに情報読み取り装置 - Google Patents

光源装置及びそれを用いた光走査装置並びに情報読み取り装置

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JPH1114922A
JPH1114922A JP9178964A JP17896497A JPH1114922A JP H1114922 A JPH1114922 A JP H1114922A JP 9178964 A JP9178964 A JP 9178964A JP 17896497 A JP17896497 A JP 17896497A JP H1114922 A JPH1114922 A JP H1114922A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 光源からの光束を所望のビーム強度分布の
光束として射出でき、特に直交方向で強度分布が異なる
光束を生成して深度方向でビーム径変化が小さい光源装
置を小型で安価に提供すること。 【解決手段】光源1と、各方向で異なる屈折力を持つ異
方屈折力単レンズ2とで光源装置を構成する。光源装置
から発せられた光束のビーム径の小さい方向をx方向、
x方向に直交しビーム径の大きな方向をy方向として、
異方屈折力単レンズ2は、x方向の焦点距離をfx、y
方向の焦点距離をfy、y方向における光源1からの光
束の放射強度の半値全角をθyとしたとき、以下の条件
式を満足する構成を備える。 0.3<2・fy・tan(θy/2)<0.7 fy>fx

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体レーザなど
の光源からの光束を所望のビーム強度分布の光束として
射出する光源装置に係り、特に深度方向でビーム径変化
が小さいことを要求される光源装置、光走査装置、情報
読み取り装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】近年、バーコード情報の読み取り装置で
あるレーザバーコードリーダは物流における商品管理な
どに広く用いられている。現状のハンディタイプのレー
ザバーコードに要求されるのは、走査面におけるビーム
強度分布の1/e2径が走査する方向(以下、主走査方
向)よりも、走査する方向に直交する方向(以下、副走
査方向)に大きく、深度方向にビーム径の変化が少ない
光学系である。これにより、副走査方向に長い線で記録
されたバーコードを深度方向に広い範囲において低ノイ
ズで読みとることができる。
【0003】レーザバーコードリーダ用の光源の多くは
安価な半導体レーザが用いられいるが、半導体レーザの
方向による非点隔差、放射拡がり角の違いが問題とな
る。従来、この非点隔差、放射拡がり角の補正を行った
光源装置が幾つかの技術文献に開示されている。
【0004】米国特許4,253,735、米国特許
5,081,639等にはシリンドリカルレンズ、特開
平6−110009号公報にはプリズム、特開平8−5
5178号公報には屈折力のある走査ミラーを用いて非
点隔差を補正することが開示されている。
【0005】また、レーザの放射拡がり角を単レンズで
調整する技術に関しては、特開昭61−254915号
公報、特開平1−109317号公報、特開平4−30
5615号公報に開示されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、シリン
ドリカルレンズやプリズムを用いた方法では部品点数が
増加してコストアップとなると共に小型化が困難であ
る、しかも、屈折力を持つ走査ミラーは加工が困難であ
りコストアップとなるという問題点を有していた。
【0007】また、放射角を調整する従来の単レンズは
いずれも光利用効率を向上することを目的とするため深
度方向にビーム径変化を小さくすることができないもの
であった。
【0008】本発明は、以上のような実情に鑑みてなさ
れたものであり、光源からの光束を所望のビーム強度分
布の光束として射出し、直交方向で強度分布が異なる光
束を生成し、深度方向でビーム径変化を小さくすること
で、小型化及びコストダウンを実現した上で、副走査方
向に長い線で記録されたバーコード等の読み取り情報を
深度方向に広い範囲において低ノイズで読みとることが
でき光源装置、光走査装置及び情報読み取り装置を提供
することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに、請求項1記載の発明は、光源と、各方向で異なる
屈折力を持つ異方屈折力単レンズとで構成される光源装
置であって、光源装置から発せられた光束のビーム径の
小さい方向をx方向、x方向に直交しビーム径の大きな
方向をy方向として、異方屈折力単レンズは、x方向の
焦点距離をfx、y方向の焦点距離をfy、y方向にお
ける光源からの光束の放射強度の半値全角をθyとした
とき、以下の条件式を満足する構成を備えたものであ
る。
【0010】 0.3<2・fy・tan(θy/2)<0.7 fy>fx 条件式の下限を下回ると深度方向のy方向ビーム径の変
化が大きくなり、上限を上回るとビーム径変化を小さく
することはできるが全体にビーム径が大きくなる。
【0011】本発明によれば、深度方向のy方向ビーム
径の変化が大き過ぎたり、全体のビーム径が大きくなる
などの不具合を防止できるといった作用を奏することが
できる。
【0012】異方屈折力単レンズを、光源からの発散光
束をy方向には平行光束あるいは発散光束、x方向には
収束光束に変換するように配置し、およびまたは所望の
ビーム強度分布を得るための絞りを配置する構成にする
ことにより、要求される深度範囲でx方向よりy方向が
ビーム径が大きい、所望のビーム強度分布を得ることが
できる。
【0013】また、異方屈折力単レンズの面形状とし
て、片面をx方向にのみ正の屈折力を持つシリンドリカ
ル面あるいはy方向にのみ負の屈折力を持つシリンドリ
カル面、もう一方の面を軸対称非球面とすることによ
り、比較的安価に要求されるビーム径を満足した光源装
置を実現できる。
【0014】さらに、入射面をシリンドリカル面、射出
面を軸対称非球面とし射出面に大きな屈折力をもたせる
ことにより、軸外性能をよくすることができる。
【0015】また、光源は、x方向とy方向で異なる放
射角を有し、x方向の放射強度の半値全角をθx(de
g)、y方向の放射強度の半値全角をθy(deg)としたと
き、θy<θxの条件を満足することにより、光利用効
率を向上することができる。
【0016】請求項11記載の発明は、互いに直交する
x、y方向で異なる放射角を有する光源と、直交する各
方向で異なる屈折力を持ち光源から光束が入射する異方
屈折力単レンズとで構成される光源装置であって、前記
光源が、x方向の放射強度の半値全角をθx、y方向の
放射強度の半値全角をθyとした場合、θy<θxの条
件式を満足し、前記異方屈折力単レンズが、入射面がy
方向に負の屈折力を持ち、x方向に正の屈折力を持つト
ーリック面であり、x方向の焦点距離をfx、y方向の
焦点距離をfyとした場合、以下の条件式を満足する。
【0017】 0.3<2・fy・tan(θy/2)<0.7 fy>fx 本発明によれば、x方向焦点距離fxをy方向とは独立
に設計できるので、ビーム径を満足しながら、シリンド
リカル面と軸対称非球面とで構成されたレンズと比較し
て光利用効率を向上させることができる。
【0018】異方屈折力単レンズの面形状を、入射面が
y方向に負の屈折力を持ち、x方向に正の屈折力を持つ
トーリック面、射出面がy方向に正の屈折力を持つトー
リック面、あるいは軸対称非球面とする構成であり、x
方向焦点距離fxをy方向とは独立に設計できるので、
ビーム径を満足しながら、シリンドリカル面と軸対称非
球面とで構成されたレンズと比較して光利用効率を向上
させることができる。
【0019】また、半導体レーザを用いれば安価で小型
な光源装置となる。
【0020】請求項14記載の発明は、上記の光源装置
と、光源装置からの光束を走査するための走査手段とで
光走査装置を構成する。
【0021】本発明によれば、走査面上で直交方向に強
度分布が異なり、走査面の位置が深度方向で変化した場
合でもビーム径変化が小さくなる。
【0022】請求項15記載の発明は、情報記録面に光
束を走査する光走査装置と、その反射光を検出する検出
手段とからなる情報読み取り装置であって、光走査装置
は、光源と、直交する各方向で異なる屈折力を持つ異方
屈折力単レンズとからなる光源装置と、光束を走査する
走査手段とで構成される。
【0023】本発明によれば、例えばバーコードなどの
情報記録面の情報を読みとるために最適である各方向に
異なる強度分布の光束で走査することができる。
【0024】また、光源装置に上記光源装置を使用する
ことにより、情報記録面の位置が深度方向に変化しても
ビーム径変化が少ないので、誤差を少なく情報を読みと
ることができる。
【0025】さらに、光源の波長が、可視域であると、
不用意に人の眼に入射することを防ぐことができる。
【0026】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照して具体的に説明する。
【0027】(実施の形態1)図1は本発明の実施の形
態1に係る光源装置の構成図である。本実施の形態は、
深度方向に約170mmの範囲で、x方向のビーム径
(1/e2強度)が0.4mm以下、y方向のビーム径
が0.4mmから1.2mmを満足することを目標とし
た設計例である。
【0028】図1において、1は半導体レーザ、2は入
射面がx方向にのみ屈折力のあるシリンドリカル面で射
出面が軸対称非球面である異方屈折力単レンズ、3はx
方向のビーム径が要求性能を満足するように配置された
円形絞りである。半導体レーザ1は波長λ=670n
m、非点隔差As=5μm、水平放射角θy(半値全
角)=6〜8deg、垂直放射角θx(半値全角)=2
5〜35degであり、x方向が放射角の大きい方向と
なるように配置している。
【0029】次に、異方屈折力単レンズの具体的な数値
例と配置を表1から表3に示す。表中、fxはx方向焦
点距離(mm)、fyはy方向焦点距離(mm)、RDx1は入
射面のx方向曲率半径(mm)、RDy1は入射面のy方向
曲率半径(mm)、RD2は射出面の曲率半径(mm)、CCは
射出面の円錐定数、THは中心肉厚(mm)、WDは0.2
5mm厚、屈折率1.49のカバーガラスを含む作動距
離、Dはレンズ射出面から絞りまでの距離(mm)、APw
は絞り径(mm)、λは設計波長(nm)、Asは非点隔差(m
m)、nは硝材屈折率、Lは絞りから像面の距離(mm)の範
囲である。なお、軸対称非球面形状は、対称軸からの距
離p(mm)における面の頂点からのサグ量を光束の進行方
向を正とするz(mm)として下式で示されるものである。
【数1】 (数値例1)
【表1】
【0030】(数値例2)
【表2】
【0031】(数値例3)
【表3】
【0032】いずれの数値例においても、x方向の射出
光束は収束光、y方向の射出光束はわずかに発散光であ
る。
【0033】次に、各方向のビーム径(1/e2強度)
の深度方向変化を放射角のばらつきを含めてシミュレー
ションした結果を示す。なお、フレネル回折を考慮し、
レンズは無収差としてにシミュレーションを行った。
【0034】図2(a)は数値例1のx方向ビーム径、
図2(b)は数値例1のy方向ビーム径、図3(a)は
数値例2のx方向ビーム径、図3(b)は数値例2のy
方向ビーム径、図4(a)は数値例3のx方向ビーム
径、図4(b)は数値例3のy方向ビーム径である。絞
りを通過する光束の光利用効率は放射角のばらつきを考
慮すると、数値例1が25〜42%、数値例2が23〜
40%、数値例3が20〜35%である。なお、入射面
の形状はx方向に正の屈折力をもつシリンドリカル面と
したが、y方向に負の屈折力をもつシリンドリカル面で
もよい。
【0035】このような実施の形態1によれば、半導体
レーザと異方屈折力単レンズとで光源装置を構成し、前
述した条件式を満足する異方屈折力単レンズが光源から
の発散光束をy方向には平行光束あるいは発散光束、x
方向には収束光束に変換するように配置し、さらに所望
のビーム強度分布を得るための絞りを配置したので、深
度方向に約170mmの範囲でx方向のビーム径(1/
2強度)が0.4mm以下、y方向のビーム径が0.
4mmから1.2mmを満足することができる。
【0036】また、異方屈折力単レンズの面形状とし
て、入射面をx方向にのみ正の屈折力を持つシリンドリ
カル面あるいはy方向にのみ負の屈折力を持つシリンド
リカル面、射出面が軸対称非球面としたので、上記した
優れた性能を有する光源装置を比較的安価に製造でき
る。
【0037】また、光源は半導体レーザであるので、x
方向とy方向で異なる放射角を有し、x方向の放射強度
の半値全角をθx(deg)、y方向の放射強度の半値全角
をθy(deg)としたとき、θy<θxを満足しているの
で、光利用効率を向上することができる。
【0038】(実施の形態2)図5は本発明の第2の実
施の形態に係る光源装置の構成図である。本実施の形態
は、深度方向に約170mmの範囲でx方向のビーム径
(1/e2強度)が0.4mm以下、y方向のビーム径
が0.4mmから1.2mmを満足することを目標とし
た設計例である。図5において、11は半導体レーザ、
12は入射面がx方向に正、y方向に負の屈折力のある
トーリック面、射出面がx方向に正、y方向に正の屈折
力のあるトーリック面である異方屈折力単レンズ、13
はx方向のビーム径が要求性能を満足するように配置さ
れた円形絞りである。半導体レーザ11は波長λ=67
0nm、非点隔差As=5μm、水平放射角θy(半値
全角)=6〜8deg、垂直放射角θx(半値全角)=
25〜35degであり、x方向が放射角の大きい方向
となるように配置している。次に、異方屈折力単レンズ
の具体数値例と配置を表4から表5に示す。表中、fx
はx方向焦点距離(mm)、fyはy方向焦点距離(mm)、R
Dx1は入射面のx方向曲率半径(mm)、RDy1は入射
面のy方向曲率半径(mm)、CC1は入射面x方向曲率の
円錐定数、RDx2は射出面のx方向曲率半径(mm)、R
Dy2は射出面のy方向曲率半径(mm)、CC2は射出面
y方向の円錐定数、THは中心肉厚(mm)、WDは0.2
5mm厚、屈折率1.49のカバーガラスを含む作動距
離、Dはレンズ射出面から絞りまでの距離(mm)、APw
は絞り径(mm)、λは設計波長(nm)、Asは非点隔差(m
m)、nは硝材屈折率、Lは絞りから像面の距離(mm)の範
囲である。なお、入射面のトーリック形状は、面の頂点
を原点とするx、y座標における頂点からのサグ量を光
束の進行方向を正とするz(mm)として下式で示される鞍
型トーリック面である。
【数2】 また、射出面のトーリック形状は同様に下式で示される
樽型トーリック面である。
【数3】 (数値例4)
【表4】
【0039】(数値例5)
【表5】
【0040】いずれの数値例においても、x方向の射出
光束は収束光、y方向の射出光束はわずかに発散光であ
る。次に各方向のビーム径(1/e2強度)の深度方向
変化を放射角のばらつきを含めてシミュレーションした
結果を示す。なお、フレネル回折を考慮し、レンズは無
収差としてシミュレーションを行った。図6は数値例4
のx方向ビーム径、y方向ビーム径である。絞りを通過
する光束の光利用効率は放射角のばらつきを考慮する
と、数値例4が31〜50%、数値例5が38〜60%
である。実施の形態1と比較して光利用効率が高い。な
お、射出面の形状はトーリック面としたが、軸対称非球
面でも仕様によっては良い。
【0041】このような実施の形態2によれば、異方屈
折力単レンズの面形状を、入射面がy方向に負の屈折力
を持ち、x方向に正の屈折力を持つトーリック面、射出
面がy方向に正の屈折力を持つトーリック面としたの
で、x方向焦点距離fxをy方向とは独立に設計できる
ので、ビーム径を満足しながら、シリンドリカル面と軸
対称非球面とで構成されたレンズと比較して、上述の数
値例の場合で光利用効率を10〜30%向上させること
ができる。
【0042】(実施の形態3)図7は本発明の実施の形
態3に係る光走査装置の構成図である。図7において、
21は実施の形態1で示した光源装置、22は光束をx
方向に走査するための走査ミラーである。走査面での強
度分布は深度方向に約170mmの範囲でx方向のビー
ム径(1/e2強度)が0.4mm以下、y方向のビー
ム径が0.4mmから1.2mmを満足する光走査装置
となる。
【0043】このような実施の形態3によれば、光走査
装置に上記実施の形態1の光源装置を用いたことによ
り、走査面上で直交方向に強度分布が異なり、走査面の
位置が深度方向で変化した場合でもビーム径変化が小さ
くなる効果を奏する。
【0044】(実施の形態4)図8は本発明の実施の形
態4に係る情報読み取り装置の構成図である。図8にお
いて、31は実施の形態3で示した光走査装置、32は
記録されたバーコード、33は集光光学系と光検出器で
構成される検出装置である。バーコードの長手方向とy
方向を一致させて光束をx方向に走査させ読みとると、
x方向のビーム径(1/e2強度)が0.4mm以下、
y方向のビーム径が0.4mmから1.2mmを満足す
る範囲が広いので、容易に情報を読みとることができ
る。
【0045】このような実施の形態4によれば、例えば
バーコードなどの情報記録面の情報を読みとるために最
適である各方向に異なる強度分布の光束を走査すること
ができ、さらに情報記録面の位置が深度方向に変化して
もビーム径変化が少ないので、誤差を少なく情報を読み
とることができる。
【0046】
【発明の効果】以上詳記したように本発明によれば、光
源からの光束を所望のビーム強度分布の光束として射出
し、直交方向で強度分布が異なる光束を生成し、深度方
向でビーム径変化を小さくすることで、小型化及びコス
トダウンを実現した上で、副走査方向に長い線で記録さ
れたバーコード等の読み取り情報を深度方向に広い範囲
において低ノイズで読みとることができ光源装置、光走
査装置及び情報読み取り装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態1にかかる光源装置の構成
図。
【図2】数値例1のビーム径変化を示すグラフ図。
【図3】数値例2のビーム径変化を示すグラフ図。
【図4】数値例3のビーム径変化を示すグラフ図。
【図5】本発明の実施の形態2にかかる光源装置の構成
図。
【図6】数値例4のビーム径変化を示すグラフ図。
【図7】本発明の実施の形態3にかかる光走査装置の構
成図。
【図8】本発明の実施の形態4にかかる情報読み取り装
置の構成図。
【符号の説明】
1 半導体レーザ 2 異方屈折力単レンズ 3、13 絞り 11 半導体レーザ 12 異方屈折力単レンズ 21 光源装置 22 走査ミラー 31 光走査装置 32 バーコード 33 検出装置
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 吉岡 稔弘 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内

Claims (26)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 光源と、互いに直交するx、y方向で異
    なる屈折力を持ち光源から光束が入射する異方屈折力単
    レンズとで構成される光源装置であって、前記異方屈折
    力単レンズは、x方向の焦点距離をfx、y方向の焦点
    距離をfy、y方向における光源からの光束の放射強度
    の半値全角をθyとしたとき、以下の条件式を満足する
    ことを特徴とする光源装置。 0.3<2・fy・tan(θy/2)<0.7 fy>fx
  2. 【請求項2】 所望のビーム強度分布を得るための絞り
    を有することを特徴とする請求項1記載の光源装置。
  3. 【請求項3】 異方屈折力単レンズは、光源からの発散
    光束をy方向には平行光束又は発散光束、x方向には収
    束光束に変換するように配置されたことを特徴とする請
    求項1又は請求項2記載の光源装置。
  4. 【請求項4】 異方屈折力単レンズは、すくなくとも一
    面がx方向にのみ正の屈折力を持つシリンドリカル面で
    あることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか
    に記載の光源装置。
  5. 【請求項5】 異方屈折力単レンズは、入射面がx方向
    にのみ正の屈折力を持つシリンドリカル面であることを
    特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の光
    源装置。
  6. 【請求項6】 異方屈折力単レンズは、すくなくとも一
    面がy方向にのみ負の屈折力を持つシリンドリカル面で
    あることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか
    に記載の光源装置。
  7. 【請求項7】 異方屈折力単レンズは、入射面がy方向
    にのみ負の屈折力を持つシリンドリカル面であることを
    特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の光
    源装置。
  8. 【請求項8】 異方屈折力単レンズは、すくなくとも一
    面が軸対称非球面であることを特徴とする請求項1乃至
    請求項3のいずれかに記載の光源装置。
  9. 【請求項9】 異方屈折力単レンズは、射出面が軸対称
    非球面であることを特徴とする請求項1乃至請求項3の
    いずれかに記載の光源装置。
  10. 【請求項10】 光源は、x方向とy方向とで異なる放
    射角を有し、x方向の放射強度の半値全角をθx、y方
    向の放射強度の半値全角をθyとしたとき、θy<θx
    であることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれ
    かに記載の光源装置。
  11. 【請求項11】 互いに直交するx、y方向で異なる放
    射角を有する光源と、直交する各方向で異なる屈折力を
    持ち光源から光束が入射する異方屈折力単レンズとで構
    成される光源装置であって、 前記光源は、x方向の放射強度の半値全角をθx、y方
    向の放射強度の半値全角をθyとした場合、θy<θx
    の条件式を満足し、 前記異方屈折力単レンズは、入射面がy方向に負の屈折
    力を持ち、x方向に正の屈折力を持つトーリック面であ
    り、x方向の焦点距離をfx、y方向の焦点距離をfy
    とした場合、以下の条件式を満足することを特徴とする
    光源装置。 0.3<2・fy・tan(θy/2)<0.7 fy>fx
  12. 【請求項12】 異方屈折力単レンズは、射出面がy方
    向に正の屈折力を持つトーリック面又は軸対称非球面で
    あることを特徴とする請求項11記載の光源装置。
  13. 【請求項13】 光源は、半導体レーザであることを特
    徴とする請求項1乃至請求項12のいずれかに記載の光
    源装置。
  14. 【請求項14】 請求項1乃至請求項13のいずれかに
    記載の光源装置と、前記光源装置からの光束を走査する
    走査手段とを備えた光走査装置。
  15. 【請求項15】 情報記録面に光束を走査する光走査装
    置と、その反射光を検出する検出手段とを備えた情報読
    み取り装置であって、 前記光走査装置は、光源と、互いに直交する各方向で異
    なる屈折力を持つ異方屈折力単レンズとを備えた光源装
    置と、光束を走査する走査手段とで構成されることを特
    徴とする情報読み取り装置。
  16. 【請求項16】 光源装置は、請求項1乃至請求項13
    のいずれかに記載の光源装置であることを特徴とする請
    求項15記載の情報読み取り装置。
  17. 【請求項17】 異方屈折力単レンズは、光源からの発
    散光束を走査する方向と垂直な副走査方向には平行光束
    又は発散光束、走査方向となる主走査方向には収束光束
    に変換するように配置されたことを特徴とする請求項1
    5又は請求項16記載の情報読み取り装置。
  18. 【請求項18】 異方屈折力単レンズは、すくなくとも
    一面がx方向にのみ正の屈折力を持つシリンドリカル面
    であることを特徴とする請求項15記載の情報読み取り
    装置。
  19. 【請求項19】 異方屈折力単レンズは、入射面がx方
    向にのみ正の屈折力を持つシリンドリカル面であること
    を特徴とする請求項15記載の情報読み取り装置。
  20. 【請求項20】 異方屈折力単レンズは、すくなくとも
    一面がy方向にのみ負の屈折力を持つシリンドリカル面
    であることを特徴とする請求項15記載の情報読み取り
    装置。
  21. 【請求項21】 異方屈折力単レンズは、入射面がy方
    向にのみ負の屈折力を持つシリンドリカル面であること
    を特徴とする請求項15記載の情報読み取り装置。
  22. 【請求項22】 異方屈折力単レンズは、すくなくとも
    一面が軸対称非球面であることを特徴とする請求項15
    記載の情報読み取り装置。
  23. 【請求項23】 異方屈折力単レンズは、射出面が軸対
    称非球面であることを特徴とする請求項15記載の情報
    読み取り装置。
  24. 【請求項24】 光源は、x方向とy方向とで異なる放
    射角を有し、x方向の放射強度の半値全角をθx、y方
    向の放射強度の半値全角をθyとした場合、θy<θx
    の条件式を満足することを特徴とする請求項15記載の
    情報読み取り装置。
  25. 【請求項25】 情報記録面に記録された情報がバーコ
    ードであることを特徴とする請求項15記載の情報読み
    取り装置。
  26. 【請求項26】 光源の波長は、可視域であることを特
    徴とする請求項15記載の情報読み取り装置。
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