KR101665456B1

KR101665456B1 - 코드 판독 장치

Info

Publication number: KR101665456B1
Application number: KR1020140021707A
Authority: KR
Inventors: 지에 도요다; 도시히코 츠카다; 사토루 가토; 요시미 기타즈미; 구니히코 이토
Original assignee: 가부시키가이샤 덴소; 가부시끼가이샤 덴소 웨이브
Priority date: 2013-02-27
Filing date: 2014-02-25
Publication date: 2016-10-24
Also published as: US20140239073A1; CN104008358A; DE102014102458B4; US9129173B2; DE102014102458A1; JP6017347B2; KR20140107132A; JP2014164721A; DE102014102458B8

Abstract

종래의 코드 판독 장치에 비하여 판독 거리 범위가 넓은 코드 판독 장치를 제공한다.
대상물로부터 코드를 판독하는 코드 판독 장치로서, 수광면에 결상된 광학상을 촬상하는 촬상 수단과, 미리 정한 판독 거리 범위 내에서 대상물까지의 거리에 불구하고 초점 맞춤 화상을 취득하는 피사계 심도 확대 수단과, 판독 거리 범위의 최단 거리에서의 초점 맞춤 화상이 코드의 전체 화상을 포함하고, 또한, 판독 거리 범위의 최장 거리에서의 초점 맞춤 화상에 있어서 코드의 단위 화상에 적어도 미리 정한 화소수가 할당되도록, 촬상되는 광학상을 변형시키는 광학 변환 수단을 구비한 코드 판독 장치로 한다.

Description

코드 판독 장치{DEVICE FOR OPTICALLY READING CODES}

본 발명은 코드 판독 장치에 관한 것이다.

종래, 바코드 등의 1차원 코드, QR코드(등록 상표) 등의 2차원 코드를 광학적으로 판독하는 코드 판독 장치가 알려져 있다. 코드 판독 장치의 판독 거리 범위의 확대는 코드 판독 장치의 상품 가치를 현저히 향상시킨다. 판독 거리 범위를 확대하기 위해서는, 피사계 심도를 확대하는 기술이 필요해진다. 피사계 심도란, 초점 맞춤 상태로 보이는 피사계측의 거리 범위이다.

특허 문헌 1에는 위상판 광학계와 주파수 공간에서의 복원 화상 처리를 갖는 것을 특징으로 하는 “확대된 피사계 심도를 갖는 광학 시스템”이 개시되어 있다. 특허 문헌 1에 기재된 광학 시스템에서는, 피사계 심도가 확대되고, 넓은 거리 범위에서 초점이 맞은 화상을 획득하는 것이 가능하게 된다. 그러나 특허 문헌 1에 기재된 광학 시스템과 같이, 단순히 피사계 심도를 확대한 것만으로는, 코드의 판독 거리 범위를 최대한까지 확대할 수는 없다.

여기에서, 같은 사이즈의 코드를 촬상하는 경우의 화소 할당에 대하여 생각한다. 가까운 곳에서는 촬상 소자의 수광면 전체에 투영되는 코드가, 먼 곳에서는 수광면의 일부분에 투영된다. 코드의 1셀에 할당되는 화소수는 먼 곳에서는 가까운 곳보다도 적어진다. 즉, 먼 곳에서는 가까운 곳보다도 높은 분해능이 필요하게 된다.

예를 들면, 판독 거리 범위, 코드 사이즈 및 셀 사이즈가 결정되면, 최단 거리에서의 코드 사이즈로부터 촬상계의 화각이 결정되고, 최장 거리에서의 화소 할당으로부터 필요한 분해능이 결정된다. 그리고 화각과 분해능으로부터 촬상 소자에 필요하게 되는 화소수가 결정된다는 관계가 있다. 실제로는, 비용의 관점에서 먼저 촬상 소자의 화소수가 결정되어 있고, 분해능에 의해 최장 거리가 결정되는 경우가 많다. 이 때문에, 단순히 피사계 심도를 확대한 것만으로는, 코드가 화면으로부터 비어져 나오는 등, 화면의 율칙(律則)에 의하여 가까운 곳에서의 판독 거리가 제한되어 버린다.

또, 비특허 문헌 1에는 오토 포커스 렌즈를 이용하여 코드의 판독 거리 범위를 확대하는 “코드 리더”가 개시되어 있다. 오토 포커스 렌즈 방식은 렌즈의 이동에 의해 렌즈와 촬상 소자 수광면의 거리를 변화시키는 방식이다. 오토 포커스 렌즈 방식의 코드 리더에서는 렌즈를 이동시키는 구동 기구가 필요하다. 또, 특허 문헌 2에는 가변 초점 렌즈를 이용하여 코드의 판독 거리 범위를 확대하는 “코드 리더”가 개시되어 있다. 가변 초점 렌즈 방식은 렌즈의 초점 거리를 변화시키는 방식이다. 가변 초점 렌즈 방식의 코드 리더에서는 렌즈의 초점 거리를 변화시키기 위한 기구가 필요하다.

[특허 문헌 1] 일본국 특허 제 3275010호 공보 [특허 문헌 2] 일본국 특표2012―515359호 공보

[비특허 문헌 1] 인터멕사의 핸드헬드ㆍ코드리스 스캐너(제품명"SR61ex")의 제품 카탈로그

본 발명은 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 본 발명의 목적은 종래의 코드 판독 장치에 비하여 판독 거리 범위가 넓은 코드 판독 장치를 제공하는 것에 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 청구항 1에 기재된 발명은, 대상물로부터 코드를 판독하는 코드 판독 장치로서, 수광면에 결상된 광학상을 촬상하는 촬상 수단과, 미리 정한 판독 거리 범위 내에서 상기 대상물까지의 거리에 불구하고 초점 맞춤 화상을 취득하는 피사계 심도 확대 수단과, 상기 판독 거리 범위의 최단 거리에서의 초점 맞춤 화상이 상기 코드의 전체 화상을 포함하고, 또한, 상기 판독 거리 범위의 최장 거리에서의 초점 맞춤 화상에 있어서 상기 코드의 단위 화상에 적어도 미리 정한 화소수가 할당되도록, 촬상되는 광학상을 변형시키는 광학 변환 수단을 구비한 코드 판독 장치이다.

상기 광학 변환 수단이, 상기 대상물까지의 거리가 미리 정한 거리보다 짧은 경우에는, 상기 촬상 소자의 주변부에서의 초점 위치가 상기 촬상 소자의 중심부에서의 초점 위치보다도 수광면에 접근하도록, 촬상되는 광학상의 상면(像面)을 만곡시키는 것이어도 좋다.

상기 목적을 달성하기 위해 청구항 3에 기재된 발명은, 대상물로부터 코드를 판독하는 코드 판독 장치로서, 수광면에 결상된 광학상을 촬상하는 촬상 수단과, 미리 정한 판독 거리 범위 내에서는 상기 대상물까지의 거리에 의존하지 않는 광학상이 촬상되도록, 고유의 변환 함수에 의해 입사광의 파면(波面)을 변환하는 제 1 광학 변환 수단과, 미리 정한 판독 거리 범위 내에서는 촬상 화상으로부터 상기 대상물의 초점 맞춤 화상이 복원되도록, 상기 변환 함수의 역함수를 이용하여 촬상 화상을 화상 처리하는 화상 처리 수단과, 상기 제 1 광학 변환 수단의 광입사측에 배치되어, 상기 판독 거리 범위의 최단 거리에서의 복원 화상이 상기 코드의 전체 화상을 포함하고, 또한, 상기 판독 거리 범위의 최장 거리에서의 복원 화상에 있어서 상기 코드의 단위 화상에 적어도 미리 정한 화소수가 할당되도록, 촬상되는 광학상을 변형시키는 제 2 광학 변환 수단을 구비한 코드 판독 장치이다.

상기 제 2 광학 변환 수단이, 상기 대상물까지의 거리가 미리 정한 거리보다 짧은 경우에는, 상기 촬상 소자의 주변부에서의 초점 위치가 상기 촬상 소자의 중심부에서의 초점 위치보다도 수광면에 접근하도록, 촬상되는 광학상의 상면을 만곡시키는 것이어도 좋다.

상기 제 2 광학 변환 수단이, 적어도 하나의 렌즈를 갖는 광학계이고, 상기 제 1 광학 변환 수단이, 상기 광학계 내에 형성된 위상 변조면이어도 좋다.

본 발명의 코드 판독 장치에 따르면, 코드의 판독 거리 범위가 넓어져서, 가까운 곳에서 먼 곳까지를 1대의 코드 판독 장치로 판독할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 형태에 관련되는 코드 판독 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2(A)는 본 발명의 실시 형태에 관련되는 코드 판독 장치의 광학계의 일례를 나타내는 광축을 따른 단면도이다. (B)는 위상 변조면을 포함하는 광학계의 일례를 나타내는 광축을 따른 단면도이다.
도 3(A) 및 (B)는 점확산 함수(PSF)의 취득 방법을 나타내는 설명도이다.
도 4(A)는 본 발명의 실시 형태에 관련되는 코드 판독 장치의 제어계의 구성을 나타내는 블록도이다. (B)는 제어 장치의 기능 블록도이다.
도 5는 피사계 심도 확대의 원리를 설명하는 설명도이다.
도 6(A)∼(C)는 변형 부가 광학계의 작용을 설명하는 설명도이다.
도 7은 변형 부가 광학계에 의한 시야 확대를 설명하기 위한 모식도이다.
도 8(A) 및 (B)는 위상 변조 소자의 유무에 의한 MTF의 응답의 차이를 나타내는 그래프이다.
도 9(A) 및 (B)는 상면 만곡을 이용하는 변형 부가 광학계의 설계예를 나타내는 광축을 따른 단면도이다. (A)는 가까운 곳에서의 상면 만곡의 상태를 나타내고, (B)는 먼 곳에서의 상면 만곡의 상태를 나타낸다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시 형태의 일례를 상세히 설명한다.

＜코드 판독 장치의 구성＞

(전체 구성)

우선, 코드 판독 장치의 전체 구성에 대하여 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시 형태에 관련되는 코드 판독 장치의 구성의 일례를 나타내는 블록도이다. 도 1에 나타내는 바와 같이, 코드 판독 장치(10)는 물체(O)의 광학상을 결상하는 광학계(14), 결상된 광학상을 촬상하는 촬상 소자(16) 및 촬상된 화상에 대해 화상 처리를 실시하는 화상 처리부(26)를 구비하고 있다. 광학계(14), 촬상 소자(16) 및 화상 처리부(26)는 창부를 갖는 하우징(도시하지 않음) 내에 배치되어 있다. 물체(O)로 산란된 빛은 창부를 통과하여 광학계(14)에 입사한다. 광학계(14)는 제 1 광학 변환 수단으로서 위상 변조 소자(20)를 구비하는 것과 함께, 제 2 광학 변환 수단으로서 변형 부가 광학계(18)를 구비하고 있다. 여기에서, 물체(O)란, 코드가 부가된 판독 대상물이다.

상기의 코드 판독 장치(10)에서는 위상 변조 소자(20)에 의해 광학계(14)에 입사한 빛의 파면이 변환되어, 물체(O)까지의 거리가 변화해도 같은 흐린 쪽의 화상이 촬상된다. 또, 화상 처리부(26)에 의해 촬상 화상에 대하여 역변환을 주는 화상 처리를 실시하는 것으로 초점 맞춤 화상(흐림이 제거된 화상)이 복원된다. 미리 정한 거리 범위(판독 거리 범위)에서는 상기의 거리에 의존하지 않는 촬상과 복원이 가능하게 되어 피사계 심도가 확대된다. 상기의 피사계 심도의 확대 수법은 파면 부호화법(Wavefront Coding)이라 불린다. 또한, 피사계 심도의 확대 원리에 대해서는 후술한다.

또, 상기의 코드 판독 장치(10)에서는 변형 부가 광학계(18)에 의해 촬상 소자(16)로 촬상되는 광학상에 변형이 부가된다. 변형 부가 광학계(18)는 판독 거리 범위의 최단 거리에서의 복원 화상이 코드의 전체 화상을 포함하도록, 즉, 최단 거리에서 코드 전체가 화면 내에 수렴되도록 광학상을 변형시킨다. 또한, 변형 부가 광학계(18)는 판독 거리 범위의 최장 거리에서의 복원 화상에 있어서 코드의 단위 화상(1셀의 화상)에 적어도 미리 정한 화소수가 할당되도록, 즉, 최장 거리에서도 코드의 1셀이 해상되도록 광학상을 변형시킨다.

변형 부가 광학계(18)에 의해 변형된 화상은 화상 처리부(26)에 있어서의 디지털 처리에 의해 변형이 없는 화상으로 보정된다. 상기의 변형 부가 및 변형 보정에 의해 가까운 곳에서의 시야가 확대되는 것과 함께, 먼 곳에서의 화소 할당이 확보되어 판독 거리 범위가 실질적으로 확대된다. 즉, 위상 변조 소자(20)에 추가하여 변형 부가 광학계(18)를 구비하는 것으로 단순히 피사계 심도를 확대한 것만으로는 해결할 수 없는 과제가 해결된다. 또한, 시야의 확대, 화소 할당의 확보의 상세에 대해서는 후술한다.

(광학계의 구성)

다음으로, 코드 판독 장치의 광학계의 구성에 대하여 설명한다.

도 2(A)는 본 발명의 실시 형태에 관련되는 코드 판독 장치의 광학계의 일례를 나타내는 광축을 따른 단면도이다.

도 2(A)에 나타내는 바와 같이, 변형 부가 광학계(18), 위상 변조 소자(20) 및 촬상 소자(16)의 각각은 광축(L)을 따라서 물체(O)의 측으로부터 기재한 순서로 배치되어 있다. 도시한 예에서는 위상 변조 소자(20)로서, 광축 방향에 고유한 요철(두께 분포)을 갖는 3차의 위상판을 이용하고 있다. 위상판의 고유한 요철은 예를 들면, 곡면상의 위상 변조면(20A)에 의해 실현된다. 위상 변조 소자(20)는 위상 변조면(20A)을 변형 부가 광학계(18)측을 향하여 변형 부가 광학계(18)의 후측(조리개 위치)에 배치되어 있다.

광학계(14)에 입사한 빛은 변형 부가 광학계(18)를 통과하고, 위상 변조 소자(20)를 통과하여 촬상 소자(16)의 수광면(16A)에 결상한다. 상기한 대로, 물체(O)의 촬상 화상은 변형 부가 광학계(18)에 의해 변형이 부가되고, 위상 변조 소자(20)에 의해 초점이 어긋난 악화 화상으로 된다.

촬상 소자(16)로서는, 광전 변환에 의해 광학상을 촬상하는 이미지 센서 등을 이용할 수 있다. 이미지 센서로서는, CCD(Charge Coupled Device) 이미지 센서, CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지 센서 등을 들 수 있다.

변형 부가 광학계(18)는 판독 거리 범위의 최단 거리에서의 복원 화상이 코드의 전체 화상을 포함하고, 또한, 최장 거리에서의 복원 화상에 있어서 코드의 단위 화상(1셀의 화상)에 미리 정한 화소수가 할당되도록 설계되어 있으면 좋다. 변형 부가 광학계(18)는 단일한 광학 소자로 구성해도 좋고, 조합 렌즈 등의 일군의 광학 소자에 의해 구성해도 좋다. 본 실시 형태에서는 변형 부가 광학계(18)로서, 주변부에서 화상을 압축하여 화상을 변형시키는 왜곡 광학계를 이용하고 있다. 왜곡 광학계로서는, 중심부로부터 외측으로 갈수록 화상이 동심원상으로 압축되는 “어안(fisheye) 렌즈” 등의 압축 광학계를 이용할 수 있다.

도 2(A)에 나타내는 광학계에서는 위상 변조 소자(20)로서 위상판을 이용하고 있는데, 위상 변조 소자(20)는 입사광의 파면을 변환하는 기능(위상 변조 기능)을 갖는 광학 소자이면 좋다. 위상 변조 소자(20)로서는, 광축 방향에서의 두께가 변화하는 광학 소자(예를 들면, 3차의 위상판) 외에, 굴절률이 변화하는 광학 소자(예를 들면, 굴절률 분포형의 위상 변조 소자), 위상 변조가 가능한 액정 소자(예를 들면, 액정 공간 위상 변조 소자) 등을 이용해도 좋다. 또, 렌즈 표면으로의 코팅에 의해 두께나 굴절률이 변화하는 광학 소자(예를 들면, 위상 변조 하이브리드 렌즈) 등을 이용해도 좋다.

또, 제 1 광학 변환 수단으로서의 위상 변조면(20A)을 변형 부가 광학계(18)에 일체로 형성해도 좋다. 도 2(B)는 위사 변조면을 포함하는 광학계의 일례를 나타내는 광축을 따른 단면도이다. 도 2(A) 및 (B)에 나타내는 예에서는 변형 부가 광학계(18)는 복수의 렌즈로 구성된 조합 렌즈이다. 변형 부가 광학계(18)의 광출사측의 1개의 렌즈면에 위상 변조면(20A)이 형성되어 있다. 위상 변조면(20A)을 변형 부가 광학계(18)에 일체로 형성하는 것으로 부품수가 줄고, 위상 변조 소자의 광축 맞춤도 불필요하게 된다.

(광학계의 변환 특성)

다음으로, 광학계의 변환 특성에 대하여 설명한다.

도 3(A) 및 (B)는 점확산 함수(PSF: Point Spread Function)의 취득 방법을 나타내는 설명도이다. 파면 부호화법에서는 광학계의 변환 특성을 표현하는 데 점확산 함수(PSF)를 이용한다. PSF는 광학계의 점광원에 대한 확산 정도를 나타내는 함수이다. 바꾸어 말하면, 점광원을 촬상했을 때에 그 점광원이 어떻게 흐려져서 촬상되는 것인지, 즉, 점광원의 흐린 쪽을 표현하는 함수이다.

도 3(A)에 나타내는 바와 같이, 코드 판독 장치(10)의 광학계(14)를 이용하여 촬상 소자(16)에 의해 점광원(P)을 촬상한다. 도 3(B)에 나타내는 바와 같이, 점광원(P)에 대응하는 사상(I)이 촬상 소자(16)의 수광면(16A)에 결상된다. 이 사상(I)으로부터 광학계(14)로 고유한 PSF가 취득된다. 취득된 PSF는 후술하는 제어 장치(24)의 기억부(30)에 제어값으로서 기억된다. 본 실시 형태에서는 PSF는 거리에 의존하지 않는 함수로서 취급한다. 또한, 엄밀하게는, PSF는 점광원까지의 거리에 따라서 변화하는데, 판독 거리 범위 내에서는 거리에 의존하지 않는 함수로서 취급할 수 있다.

(제어계의 구성)

다음으로, 코드 판독 장치의 제어계의 구성에 대하여 설명한다.

도 4(A)는 본 발명의 실시 형태에 관련되는 코드 판독 장치의 제어계의 구성을 나타내는 블록도이다. 도 4(B)는 제어 장치의 기능 블록도이다.

도 4(A)에 나타내는 바와 같이, 코드 판독 장치(10)는 촬상 소자(16)를 구동하는 촬상 소자 구동부(22)와, 촬상 소자 구동부(22)를 제어하는 제어 장치(24)를 구비하고 있다. 예를 들면, 촬상 소자 구동부(22)는 제어 장치(24)로부터의 제어 신호에 기초하여 촬상 소자(16)의 각 부를 구동한다. 또, 촬상 소자 구동부(22)는 촬상 소자(16)로부터 아날로그의 화상 신호를 취득하여 디지털의 화상 신호로 변환(A／D변환)하는 등의 처리를 하여, 촬상된 광학상의 화상 정보를 제어 장치(24)로 출력한다. 제어 장치(24)는 취득한 화상 정보에 기초하여 코드를 복호하고, 복호 정보를 출력한다.

도 4(B)에 나타내는 바와 같이, 제어 장치(24)는 화상 처리부(26), 코드 복호부(28) 및 기억부(30)를 구비하고 있다. 기억부(30)에는 초점 맞춤 화상의 복원에 이용하는 PSF(32), 변형 보정에 이용하는 교정 파라미터(34) 및 코드의 복호에 이용하는 복호 테이블(36)이 기억되어 있다.

화상 처리부(26)는 광학계(14)의 PSF(32)를 기억부(30)로부터 읽어내어 촬상 화상에 대하여 역변환을 주는 화상 처리를 실시하고, 흐림이 제거된 초점 맞춤 화상을 복원한다. 또, 화상 처리부(26)는 변형 보정용의 교정 파라미터(34)를 기억부(30)로부터 읽어내어 촬상 화상에 대하여 변형 보정을 주는 화상 처리를 실시하고, 변형이 없는 화상을 취득한다. 복원 처리와 변형 보정 처리는 어느 순서로 실시해도 좋다. 이들의 처리에 의해 변형이 없는 초점 맞춤 화상에 관련되는 화상 정보가 취득된다.

코드 복호부(28)는 화상 처리 후의 화상으로부터 코드 화상을 추출하고, 코드를 복호하는 복호 처리를 실시한다. 복호 처리는 기억부(30)로부터 읽어낸 복호 테이블(36)에 기초하여 실행된다. 복호 처리에서 취득된 복호 정보가 코드 복호부(28)로부터 출력된다. 예를 들면, 바코드이면, 바코드에 따른 0 및 1로 이루어지는 숫자열이 복호된다. 또는, 숫자열에 대응한 문자열이 복호된다.

＜코드 판독 장치의 기능＞

다음으로, 코드 판독 장치의 기능에 대하여 설명한다. 상기와 같이, 본 실시 형태에 관련되는 코드 판독 장치는 “피사계 심도 확대 기능”, “시야 확대 기능” 및 “화소 할당 확보 기능”을 구비하고 있다. 이하, 각 기능에 대하여 설명한다.

(피사계 심도의 확대 기능)

우선, “피사계 심도 확대 기능”에 대하여 더욱 상세히 설명한다.

도 5는 피사계 심도의 확대 기능을 설명하는 설명도이다. 본 실시 형태에서는 상기한 대로, 파면 부호화법(Wavefront Coding)을 이용하여 피사계 심도를 확대한다.

여기에서, 파면 부호화법의 원리를 간단히 설명한다. 피사체 화상(F)이 광학계(14)에 의해 촬상 화상(G)으로 광학 변환되고, 화상 처리에 의해 복원 화상(F_R)이 복원되는 경우에 대하여 설명한다. 광학계(14)는 PSF를 갖는다. 피사체 화상(F)으로부터 촬상 화상(G)으로의 광학 변환은 하기 식으로 나타내는 바와 같이, PSF에 의한 회선(컨벌루션)으로 근사된다.

G＝PSF＊F(＊는 회선을 나타낸다)

또, 촬상 화상(G)으로부터 복원 화상(F_R)을 복원하는 화상 처리는 하기 식으로 나타내는 바와 같이, PSF의 역함수(PSF)^－1에 의한 회선(컨벌루션)으로 근사된다. 바꾸어 말하면, 광학계(14)에 의해 실시된 광전달 함수(OTF)의 변경의 역변환에 상당하는 필터 처리가 실행된다.

F_R＝(PSF)^－1＊G(＊는 회선을 나타낸다)

도 5에 나타내는 바와 같이, 코드(C)가 부가된 대상물을 촬상하는 경우, 대상물이 멀리 있을 때(먼 곳)에는 촬상 영역(R)의 일부를 코드(C)가 점유하고, 대상물이 가까이에 있을 때(가까운 곳)에는 촬상 영역(R)의 대략 전면을 코드(C)가 점유한다. 이하에서는 촬상 영역(R)을 화면이라 부른다. 파면 부호화법을 이용하지 않는 경우에는, 먼 곳에서도, 가까운 곳에서도 대상물이 초점 맞춤 위치로부터 떨어지면 흐린 화상이 촬상된다. 그 흐린 쪽은 초점 맞춤 위치로부터 대상물까지의 거리(어긋남량)에 따라서 변화한다.

파면 부호화법을 이용한 본 실시 형태에서는 미리 정한 판독 거리 범위 내에서는 상기의 광학 변환에 의해 대상물까지의 거리에 의하지 않고, 같은 흐린 쪽의 촬상 화상(G)이 촬상된다. 또, 본 실시 형태에서는 광학계(14)의 PSF는 거리에 의존하지 않는 함수이다. 따라서, 미리 정한 판독 거리 범위 내에서는 상기의 화상 처리에 의해 대상물까지의 거리에 의하지 않고, 촬상 화상(G)으로부터 초점 맞춤한 복원 화상(F_R)이 복원된다.

(시야 확대 기능)

다음으로, “시야 확대 기능”에 대하여 더욱 상세히 설명한다.

도 6(A)∼(C)는 변형 부가 광학계의 작용을 설명하는 설명도이다. 도 7은 변형 부가 광학계에 의한 시야 확대 기능을 설명하기 위한 모식도이다.

변형 부가 광학계(18)는 판독 거리 범위의 최단 거리에서의 복원 화상이 코드의 전체 화상을 포함하도록 광학상을 변형시킨다. 도 6(A)에 나타내는 피사체 화상(F)은 도 6(B)에 나타내는 바와 같이, 중심부보다 주변부의 화상이 크게 압축된 왜곡 화상(G)으로서 촬상된다. 주변부에서의 변형이 크고, 중심부에서의 변형은 작다. 예를 들면, 가까운 곳에서 QR코드(등록 상표)를 판독한 경우, 도 6(C)에 나타내는 바와 같은 왜곡 화상(G)이 촬상된다.

도 6(C)로부터 알 수 있는 바와 같이, 화상을 변형시키는 것으로 가까운 곳에서도 화면 내에 코드 전체를 수렴할 수 있다. 도 6(A) 및 (B)에 나타내는 바와 같이, 촬상 후의 변형 보정 처리에 의해 왜곡 화상(G)으로부터 변형이 없는 복원 화상(F_R)이 복원된다. 즉, 압축된 주변부의 화상이 복원되어 변형이 없는 화상으로 되돌아간다.

도 7에 나타내는 바와 같이, 피사계 심도가 확대된 결과, 최단 거리(D_N)로부터 최장 거리(D_F)까지의 판독 거리 범위(△D) 내에서 대상물까지의 거리에 불구하고 초점이 맞은 복원 화상을 얻을 수 있다. 여기에서의 “기준점”은 위상 변조 소자(20)의 위상 변조면(20A)이 배치되는 “조리개 위치”로 한다.

최단 거리(D_N)에 있는 최근점(最近点)에서 대상물을 촬상하면, 변형 부가 광학계(18)에 의해 변형이 부가된 결과, 대상물에 부가된 코드(C)가 촬상 영역 내에 수렴되어 코드 화상을 포함하는 복원 화상을 얻을 수 있게 된다. 즉, 변형 부가 광학계(18)에 의한 변형 부가에 의해 최근점에서의 시야가 확대되고, 화각(θ_N(＞θ_F))에서의 광각 촬영이 가능하게 된다. 예를 들면, 시야는 1. 4배로 확대된다. 최근점에서의 시야의 확대는 피사계 심도를 실질적으로 확대시킨다. 또한, 화각(θ_F)은 최장 거리(D_F)에 있는 최원점(最遠点)까지의 화각이다.

(화소 할당의 확보 기능)

다음으로, 도 7을 참조하여 “화소 할당 확보 기능”에 대하여 더욱 상세히 설명한다.

상기와 같이, 변형 부가 광학계(18)에 따르면, 중심부보다 주변부의 화상이 크게 압축된다. 가까운 곳에서는 화면의 대략 전면을 코드(C)가 점유하기 때문에 코드(C)의 단위 화상(1셀)에 대한 화소 할당이 많아진다. 한편, 먼 곳에서는 코드(C)는 화면의 일부밖에 점유할 수 없기 때문에 코드(C)의 1셀에 대한 화소 할당은 적어진다. 코드(C)의 1셀에 대한 화소 할당이 적으면, 변형 부가 광학계(18)의 영향을 받기 쉬워진다. 즉, 주변부에 비하여 변형이 적은 중심부에 있어서도, 변형이 없는 코드 화상을 복원하는 것이 곤란해진다.

상기의 사정을 감안하여, 변형 부가 광학계(18)는 판독 거리 범위의 최장 거리(D_F)에서의 복원 화상에 있어서 코드(C)의 단위 화상(1셀)에 적어도 미리 정한 화소수가 할당되도록 광학상을 변형시킨다. 최장 거리(D_F)에 있는 최원점에 있어서, 코드(C)의 1셀에 대한 화소 할당이 미리 정한 화소수보다도 많아지도록 광학상을 변형시킨다. 예를 들면, 코드(C)의 1셀에 대한 화소 할당을 2화소 이상으로 한다. 이에 따라, 최원점에서도 코드(C)의 1셀이 해상되게 된다.

또한, 먼 곳에서도 코드(C)는 화면의 중심부에 점유한다. 따라서, 변형 부가 광학계(18)는 중심부에서의 분해능이 높고, 주변부에서의 분해능이 낮아지도록 설계해도 좋다. 이와 같은 설계로 하는 것으로 최원점에 있어서, 코드(C)의 1셀에 대한 화소 할당을 미리 정한 화소수보다도 많게 할 수 있다.

또, 도 9(A) 및 (B)에 나타내는 바와 같이, 변형 부가 광학계(18)를 이용하면, 시야의 중심부와 주변부에서 초점 위치가 다르기 때문에 초점면(S_I)(광학상의 상면)이 만곡하는 “상면 만곡”이라는 현상이 발생한다. 이 상면 만곡을 적극적으로 이용하도록 변형 부가 광학계(18)를 설계해도 좋다. 이하, 구체적으로 설명한다.

가까운 곳에서는 도 9(A)에 나타내는 바와 같이, 주변부에서의 초점 위치가 중심부에서의 초점 위치보다도 촬상 소자(16)의 수광면(16A)에 접근하도록 한다. 즉, 중심부에서는 수광면(16A)에서 초점이 맞지 않아서, 주변부에서 초점 맞춤하도록 한다. 변형 부가 광학계(18)에 의해 압축되어 정보량이 저하하는 주변부에 대하여, 수광면(16A) 상에 초점 맞춤하도록 하는 것으로 주변부의 화상의 복원, 나아가서는 코드의 복호가 용이화된다. 또한, 먼 곳에서는 도 9(B)에 나타내는 바와 같이, 초점 위치가 광학계측으로 어긋난다. 만곡한 초점면(S_I)도 광학계측으로 어긋나서 주변부에서는 수광면(16A)에서 초점이 맞지 않아서, 중심부에서 초점 맞춤하게 된다.

(실시예)

범용의 촬상 소자를 이용하여 셀 사이즈 1. 0㎜의 코드를 판독하는 실험을 실시했다. 종래의 광학계를 이용하면, 200㎜ 이상 400㎜ 이하의 범위 코드의 판독이 가능했던 것에 대해, 본 실시 형태의 광학계를 이용하면, 120㎜ 이상 1200㎜ 이하의 범위에서 코드의 판독이 가능해지는 것이 확인되었다. 또한, 판독 거리 범위(조리개 위치로부터의 거리)는 셀 사이즈나 광학계의 설계에 따라 변화한다.

(기능의 양립)

다음으로, “피사계 심도 확대 기능”, “시야 확대 기능” 및 “화소 할당 확보 기능”의 양립에 대하여 설명한다. 도 8(A) 및 (B)는 위상 변조 소자의 유무에 의한 변조 전달 함수(MTF: Modulation Transfer Function)의 응답의 차이를 나타내는 그래프이다. 도 8(A)는 위상 변조 소자가 없는 경우의 MTF의 응답을 나타내는 그래프이고, 도 8(B)는 위상 변조 소자를 삽입한 경우의 MTF의 응답을 나타내는 그래프이다. 세로축은 정규화된 MTF값을 나타내고, 가로축은 공간 주파수(단위: 주기／㎜)를 나타낸다. 또한, 광학계의 구성은 도 2(A)에 나타내는 대로이다.

MTF는 광학계의 결상 성능을 나타내는 지표이다. 실선→굵은 점선→가늘은 점선의 차례로 대상물까지의 거리가 길어지는 것을 나타낸다. 도 8(A)에 나타내는 바와 같이, 변형 부가 광학계(18)의 조리개 위치에 위상 변조 소자(20)를 배치하지 않는 경우에는, 대상물까지의 거리가 길어질수록 MTF의 응답은 저하한다. 이것은 대상물까지의 거리에 따라서 광학계(14)의 결상 성능이 변화하는 것을 나타낸다.

이에 대하여, 도 8(B)에 나타내는 바와 같이, 변형 부가 광학계(18)의 조리개 위치에 위상 변조 소자(20)를 배치한 경우에는, 대상물까지의 거리에 불구하고 MTF의 응답은 대략 일정하다. 이것은 대상물까지의 거리에 불구하고 광학계(14)의 결상 성능이 일정한 것을 나타낸다. 이 결과로부터, 위상 변조 소자(20)에 의해 변형 부가 광학계(18)의 MTF분포가 균등화되어, 같은 흐린 쪽의 화상이 얻어지고, 피사계 심도가 확대되는 것이 확인되었다.

이상 설명한 대로, 본 실시 형태에서는 대상물까지의 거리에 불구하고, 초점이 맞은 복원 화상이 취득된다. 즉, 피사계 심도가 확대되어 판독 거리 범위가 넓어져 있다. 또, 본 실시 형태에서는 판독 거리 범위에 따라서 촬상되는 광학상에 변형이 부가된다. 변형이 부가되는 것으로 최단 거리에서 촬상되고, 또한, 복원된 복원 화상이 코드의 전체 화상을 포함하도록 가까운 곳에서의 시야가 확대된다. 또, 변형이 부가되는 것으로 최장 거리에서 촬상되고, 또한, 복원된 복원 화상에 있어서 코드가 1셀에 대해 미리 정한 화소수가 할당된다. 따라서, 가까운 곳에서 먼 곳까지를 1대의 코드 판독 장치로 판독할 수 있게 된다.

＜변형예＞

또한, 상기 각 실시 형태에서 설명한 코드 판독 장치의 구성은 일례이고, 본 발명의 주요 취지를 일탈하지 않는 범위 내에서 그 구성을 변경해도 좋은 것은 말할 것도 없다.

예를 들면, 상기의 실시 형태에서는 파면 부호화법에 의해 피사계 심도를 확대하는 경우에 대하여 설명하는데, 다른 수법에 의해 피사계 심도를 확대해도 좋다. 피사계 심도의 확대 수법으로서는 예를 들면, 조리개 부호화 방법(Coded Aperture), 초점 부호화 방법(Focus Sweep), 색수차법, 마이크로렌즈법을 들 수 있다. 이들은 공지의 수법으로서, 상세는 여러 문헌에 기재되어 있다. 조리개 부호화 방법, 초점 부호화 방법에 대해서는, 무카이가와 야스히로들의 “광학계ㆍ촬상 과정ㆍ신호 처리의 연구에 의한 광학 센싱 기술”, 정밀 공학 회지, Vol77,No.12,2011을 참조할 수 있다.

조리개 부호화 방법은 촬상계 내의 조리개에 의해 광량을 조절할 뿐만 아니라, 촬상계의 점확산 함수(PSF)를 부호화한다는 수법이다. 이상적인 기하 광학계에서는 조리개의 형상은 화상 상의 PSF의 형상과 등가이기 때문에 조리개 패턴에 의해 촬상계의 PSF를 제어할 수 있다. 화상을 안정되게 복원하기 위해, 제로 교차가 없는 광대역의 주파수 특성을 갖는 조리개 형상이 제안되어 있다. 상세는, Zhou, C., Nayar.: What are good apertures for defocus deblurring? In: International Conference of Computational Photography, San Francisco,U.S.(2009) 등의 문헌에 기재되어 있다.

초점 부호화 방법은 노광 중에 촬상 소자의 위치를 변화시키면서(포커스ㆍ스윕), 각 점에서의 화상을 다중 노광하여 거리에 의존하지 않는 PSF를 얻는 수법이다. 상세는, Hajime Nagahara, Sujit Kuthirummal, Changyin Zhou, Shree k.Nayar, Flexible Depth of Field Photography, Proc. European Conf. Computer Vision, No. LNCS 5305, pp. 60-73, 2008. 10 등의 문헌에 기재되어 있다.

색수차법은 색수차를 크게 한 특수한 광학 렌즈 및 색필터 배열과, 전용의 신호 처리에 의해 피사계 심도를 확대하는 수법이다. 상세는, 에가와들“Depth of Field Expansion Technology Using Chromatic Aberration”, 광학 40(10), 528-533, 2011-10-10, 응용 물리 학회 분과회 일본 광학회 등의 문헌에 기재되어 있다.

마이크로렌즈법은 초점 거리가 다른 복수의 렌즈를 조합한 특수 렌즈를 갖는 촬상계에 의해 피사계 심도를 확대하는 수법이다. 상세는, LEVIN, A., HASINOFF, S., GREEN, P., DuRAND, F., AND FREEMAN, W. 2009. 4D frequency analysis of computational cameras for depth of field extension. MIT CSAIL TR 2009-019. 등의 문헌에 기재되어 있다.

또, 판독 대상물에 부가되는 코드는 바코드 등의 1차원 코드, QR코드(등록 상표) 등의 2차원 코드 중 어느 하나이어도 좋다.

10: 코드 판독 장치
14: 광학계
16: 촬상 소자
16A: 수광면
18: 변형 부가 광학계(제 2 광학 변환 수단)
20: 위상 변조 소자(제 1 광학 변환 수단)
20A: 위상 변조면
22: 촬상 소자 구동부
24: 제어 장치
26: 화상 처리부
28: 코드 복호부
30: 기억부
32: PSF
34: 교정 파라미터
36: 복호 테이블
L: 광축
O: 물체
P: 점광원
I: 사상
C: 코드
R: 촬상 영역(화면)
D_F: 최장 거리
D_N: 최단 거리
θ_F: 화각
θ_N: 화각
S_I: 초점면

Claims

대상물(O)로부터 정보 코드를 판독하는 코드 판독 장치로서,
상기 대상물(O)의 수광면에서 반사되어 빛을 수신하고, 상기 수광면의 광학상을 촬상하는 촬상 소자(16)와,
미리 정한 판독 거리 범위 내에서 상기 대상물까지의 거리에 불구하고 초점 맞춤 화상을, 상기 촬상한 광학상으로부터 취득하는 광학계를 가진 피사계 심도 확대 수단(20, 26)과,
상기 판독 거리 범위의 최단 거리에서의 초점 맞춤 화상이 상기 코드의 전체 화상을 포함하고, 또한, 상기 판독 거리 범위의 최장 거리에서의 초점 맞춤 화상에 있어서 상기 코드의 단위 화상에 적어도 미리 정한 화소수가 할당되도록, 촬상되는 상기 광학상을 변형시키는 광학계를 가진 광학 변환 수단(18)을 구비한
코드 판독 장치.
제1항에 있어서,
상기 광학 변환 수단이, 상기 대상물까지의 거리가 미리 정한 거리보다 짧은 경우에는, 상기 촬상 소자의 주변부에서의 초점 위치가 상기 촬상 소자의 중심부에서의 초점 위치보다도 수광면에 접근하도록, 촬상되는 광학상의 상면을 만곡시키는
코드 판독 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 피사계 심도 확대 수단(20,26)은,
상기 판독 거리 범위내에서는, 상기 촬상되는 광학상이 상기 대상물까지의 상기 거리에 의존하지 않도록, 변환 함수에 의해 상기 광학상을 이루는 입사광의 파면을 광학적으로 변환하는 광학적 파면 변환 수단(20)과,
상기 판독 거리 범위내에서는 상기 촬상되고 파면 변환된 광학 화상으로부터 상기 대상물의 상기 초점 맞춤 화상이 복원되도록, 상기 변환 함수의 역함수에 기초하여 상기 촬상되고 파면 변환된 광학 화상을 복호 처리하는 화상 처리 수단(26)을 구비하고,
상기 광학 변환 수단(18)은 상기 광학 파면 변환 수단(20)의 광 입사 측에 배치되어, (ⅰ) 상기 판독 거리 범위의 최단 거리에서의 상기 복원된 화상이 상기 코드의 전체 화상을 포함하고, (ⅱ) 상기 판독 거리 범위의 최장 거리에서의 상기 복원된 화상에 있어서 상기 코드의 단위 화상에 적어도 미리 정한 화소수가 할당되도록, 상기 화상 처리 수단에 의해 복원되는 화상을 상기 초점 맞춤 화상으로서 변형시키는
코드 판독 장치.
제3항에 있어서,
상기 광학 변환 수단이, 상기 대상물까지의 거리가 미리 정한 거리보다 짧은 경우에는, 상기 촬상 소자의 주변부에서의 초점 위치가 상기 촬상 소자의 중심부에서의 초점 위치보다도 수광면에 접근하도록, 촬상되는 광학상의 상면을 만곡시키는
코드 판독 장치.
제3항 또는 제4항에 있어서,
상기 광학 변환 수단이, 적어도 하나의 렌즈를 갖고, 또한 상기 변환 함수를 갖는 광학계이고,
상기 광학 변환 수단이, 상기 광학계 내에 형성된 광학적 위상 변조 소자이고, 상기 광학적 위상 변조 소자는 위상 변조면을 가지며, 그의 위상 변조면이 상기 광학 변환 수단을 통해 운반된 상기 빛을 수광하는
코드 판독 장치.