WO2016031435A1

WO2016031435A1 - 光学情報読み取り装置

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Publication number: WO2016031435A1
Application number: PCT/JP2015/070706
Authority: WO
Inventors: 正佳山之内; 壮平岡本
Original assignee: Idec株式会社
Priority date: 2014-08-28
Filing date: 2015-07-21
Publication date: 2016-03-03
Also published as: JP5968963B2; CN106663180B; JP2016051203A; CN106663180A

Abstract

　光源（３０）からの光を投光レンズ（３１，３２）によってバーコード等に投射する投光系（３）と、その反射光を受光レンズ（４１）によって撮像素子（４０）に受光させる受光系（４）と、を備える。投光系（３）は、受光レンズ（４１）の光軸Ｘに略直交する投光平面（Ｓ）において所定方向に長く、この長手方向に略直交する幅方向には短い帯状の範囲に光（Ｌｆ）を投射する。投光レンズ（３１，３２）の入射面（３１ａ，３２ａ）は、長手方向については一様に凹形状をなし、幅方向については一様に凸形状をなす。一方、出射面（３１ｂ，３２ｂ）は、投光平面（Ｓ）の長手方向について所定の光量分布となるような自由曲面をなす。

Description

光学情報読み取り装置

　本発明は、バーコード等の読取対象に光を投射し、その反射光を受光して情報を読み取る光学情報読み取り装置に関連し、特に小型化に好適な構造の技術分野に属する。

　従来より例えば病院や工場等においてサンプルや試薬、或いは部品や工具などについての情報を、これら対象物の所定箇所に一次元のバーコード（読取対象）として表示させておいて、このバーコードの情報をバーコードリーダ（光学情報読み取り装置）によって読み取ることが行われている。このようなバーコードリーダは、バーコードに帯状の光を投射し、そこからの反射光を受光レンズによって、ＣＣＤラインセンサなど撮像素子の受光面に結像させるようになっている。

　こうしてバーコードからの反射光を受光する受光レンズは、比較的バーコードに近い位置でその長手方向全体を視野に収めなくてはならないので、例えば９０°以上の広い視野角が必要になる。また、バーコードへ投射する帯状の光についても同様にバーコードの長手方向に広角に拡げる必要があり、しかも、できるだけ一様な光量分布とすることが求められる。

　そのために、例えば特許文献１に記載のバーコードリーダでは、ＣＣＤラインセンサの長手方向、即ち投射光を帯状に拡げる方向に複数（例えば６個）のＬＥＤを並べて設けている。また、それらＬＥＤの並ぶ方向に延びるように蒲鉾状の投光レンズを設けており、これにより各ＬＥＤからの光を幅方向には集光して、光量を確保するようにしている。

　一方、例えば特許文献２に記載のバーコードリーダでは、前記と同じく複数（例えば４個）のＬＥＤを用いるとともに、個々のＬＥＤを外側に傾けて配置することで、バーコードに帯状に投射する光の分布を長手方向に均一化している。また、ＬＥＤの個数を減らして投光系を小型化するために、個々のＬＥＤには光を拡散させる拡散板（ＬＥＤキャップ）を被せている。

特開２００２－１１１９７０号公報特開２００５－２５３１１号公報

　しかしながら前記のような従来例のバーコードリーダは、いずれも複数のＬＥＤを並べて設けており、特に前者の従来例では６個ものＬＥＤを並べていることから、コストアップや消費電力の増大を招くという難がある。しかも、ＬＥＤの数が多いほど、投光系が大きくならざるを得ず、このことがバーコードリーダの小型化の障害となっている。

　この点について後者の従来例では、個々のＬＥＤが発生する光をＬＥＤキャップにより拡散させるとともに、ＬＥＤ自体を電気回路基板に対し斜めにして実装することにより、ＬＥＤの数を減らしているものの、それでも４個のＬＥＤが必要である。また、リードタイプのＬＥＤを電気回路基板に対し斜めにして実装しなくてはならず、工数の増大を招いている。

　本発明の目的は、バーコードリーダのような光学情報読み取り装置の、特に投光系の構成に工夫を凝らし、コストアップや消費電力の増大を抑制しながら、小型化を実現することにある。

　本発明は、少なくとも１つの光源からの光を少なくとも１つの投光レンズによってバーコード等の読取対象に投射する投光系と、前記読取対象からの反射光を受光レンズによって撮像素子の受光面に結像させる受光系と、前記撮像素子からの出力信号を受けて前記読取対象の情報を読み取る信号処理系とを備えた光学情報読み取り装置を対象として、前記投光系は、前記受光レンズの光軸に略直交する投光平面において所定方向に長く、この長手方向に略直交する幅方向には短い、帯状の範囲に光を投射するように構成する。

　そして、前記投光レンズを、前記光源から光が入射する入射面が前記長手方向については一様に凹形状をなすとともに、前記幅方向については一様に凸形状をなすものとし、一方、この入射面に入射した光が前記投光平面に向かって出射する前記投光レンズの出射面は、前記投光平面の前記長手方向について所定の光量分布が得られるような自由曲面によって構成する。

　なお、前記投光レンズの「入射面」というのは、光源から入射した光がレンズの側面などで反射することなく、出射面から出射する範囲を意味し、また、前記の「一様に凹形状をなす」「一様に凸形状をなす」というのは、それぞれ、凹形状（凸形状）の曲率が変化しない、という意味ではなく、曲率は変化しても凸形状（凹形状）の部分は存在しない、という意味である。

　かかる構成を備えた光学情報読み取り装置では、まず、投光系において例えばＬＥＤなどの光源から発せられる光が、投光レンズを介してバーコード等の読取対象に向かって帯状に投射される。この際、投光レンズは、読取対象があると想定される投光平面の長手方向に拡がるように光を投射するので、その分、長手方向に並べる光源（ＬＥＤなど）の数を減らすことができる。これによりコストアップや消費電力の増大を抑制でき、投光系の小型化も図られる。

　また、前記投光レンズの入射面は、幅方向には一様に凸形状をなし、光源から投光レンズに入射した光を幅方向には集光する機能を有するので、投光平面における面積当たりの光量を確保し易い。しかも、入射面が長手方向については一様に凹形状をなしているので、この長手方向の位置が異なっても光源からの距離の差はあまり大きくならず、集光レンズとしての焦点が光源に合い易い。よって、この光源からの光を効率良く利用することができる。

　一方で投光レンズの出射面は自由曲面によって構成され、前記のように入射面に入射した光を長手方向に適宜、分配することができる。例えば、出射面の少なくとも一部を長手方向に凸形状とし、他の少なくとも一部を長手方向に凹形状とすることで、この出射面から投光平面に投射する光の長手方向の光量分布を適宜、設定することができる。

　言い換えると、投光レンズの入射面の形状によって、光源からの光を帯状の投射光の幅方向には効率良く集光しつつ、長手方向には出射面の自由曲面によって狙いとする光量分布を実現できる。こうして入射面と出射面とに機能を分けたことで、その各面の形状が徒に複雑にならず、設計の容易化が図られる。例えば出射面は幅方向については直線状とすればよい。

　好ましくは、前記投光レンズの前記入射面は長手方向については円弧状とし、この円弧の中心が前記光源の発光部に含まれるように配置すればよい。こうすれば、幅方向には凸形状とされた入射面の焦点を光源の発光部に正確に合致させることができ、光源からの光をより効率良く利用できる。

　また、投光平面の長手方向における光量分布として好ましいのは、その両端側において中間部よりも光量が大きくなることである。これは、一般的に受光レンズを通過した光の分布特性として、受光レンズの光軸付近で光量が大きくなり、光軸から離れるに連れて光量が小さくなるからであり、このような受光系の特性を減殺し、撮像素子の受光面においてフラットな光量分布とするためである。

　そのために前記光源が前記長手方向に並んで配設された第１光源および第２光源を含み、前記投光レンズが前記長手方向に並んで配設された第１投光レンズおよび第２投光レンズを含み、前記第１投光レンズの出射面には、前記第２投光レンズから遠くなる外側には前記長手方向に凸形状の部分が形成する一方、前記第２投光レンズに近くなる内側には前記長手方向に凹形状の部分が形成し、前記第２投光レンズの出射面には、前記第１投光レンズから遠くなる外側には前記長手方向に凸形状の部分が形成する一方、前記第１投光レンズに近くなる内側には前記長手方向に凹形状の部分が形成する。こうすれば、２つの投光レンズからそれぞれ投光平面に投射される光の量を、その投光平面の長手方向における一側で多くなり、反対側に向かって徐々に少なくなるように設定でき、これら２つの投射光を重ね合わせて前記の好ましい光量分布が得られる。

　また、前記投光系には、前記投光レンズの前記出射面側を覆うように窓部材を配設するとともに、この窓部材と前記投光レンズとの間に、出射される光の一部を遮る遮光部材を配設してもよい。この遮光部材によって投射光の一部を遮ることによって、投光平面の長手方向における光量分布を変化させることができるので、例えば光源として用いる部品の個体ばらつきなどによる光量分布のばらつきを補償することができる。

　さらに、前記光源としては表面実装タイプのＬＥＤを用い、このＬＥＤを配設する前記投光系の第１電気回路基板は、前記受光レンズの光軸に略直交するように配置するのが好ましい。こうすると、受光レンズの光軸の方向（以下、光学情報読み取り装置の前後方向と呼ぶこともある）について投光系の寸法を小さくすることができ、装置の小型化に有利になる。

　一方で光学情報読み取り装置の前記受光系には、前記受光レンズを通過した反射光の光路を屈折させて前記撮像素子に導くように、ミラーやプリズムなどの光学素子を配設してもよい。こうすれば、投光系だけでなく受光系についても前後方向の寸法を小さくすることが可能になって、装置の小型化に有利になる。

　また、この場合には、前記撮像素子も表面実装タイプのものとし、この撮像素子を配設する前記信号処理系の第２電気回路基板は、前記第１電気回路基板と交差するように配置するのが好ましい。こうして２枚の電気回路基板を交差させて配設すれば、１枚の大きな基板を用いるのに比べて、搭載スペースを前後または上下いずれかの方向について小さくすることが可能になる。

　また、前記受光系においてバーコードからの反射光を絞る絞り部は、前記受光レンズの手前、即ち前記受光レンズへの光路の上流側に配設するのが好ましい。こうすると、受光レンズへの光の入射角度が大きくなり易く、視野角を大きくする上で有利になるとともに、受光レンズからの光の出射角度は小さくし易いので、撮像素子の受光面を小型化できるからである。しかも、受光レンズと撮像素子との間に光学フィルタを配設する場合には、このフィルタへの光の入射角度が小さくなり易く、カットする光の波長を安定的に設定し易いというメリットもある。

　さらに、装置の小型化を図る上では、前記受光レンズとして倍率の高いものを用い、受光レンズから撮像素子の受光面までの距離を短くすることが好ましいが、こうすると焦点深度が浅くなってしまい、受光レンズへの位置決め精度の要求が高くなる。そこで、前記受光レンズを光軸の方向に摺動可能に保持する保持部材を設け、この保持部材を介して前記受光レンズを位置決めする構成とするのが好ましい。

　加えて、光学情報読み取り装置の信号処理系としては、前記撮像素子からのアナログの出力信号を入力して、内蔵するＡＤ変換部によってデジタル化するマイクロプロセッサを備え、こうしてデジタル化された信号をソフトウェア処理によってデコードするように構成してもよい。こうすれば、電気回路基板上の部品として、マイクロプロセッサとは別にＡＤコンバータを設ける必要がないので、基板を小さくすることができ、装置の小型化に有利になる。

　本発明に係る光学情報読み取り装置は、光源からの光を投光レンズによってバーコード等の読取対象に帯状に投射するようにしたので、ＬＥＤなどの前記光源の数を従来よりも減らし、コストアップや消費電力の増大を抑制できるとともに、投光系の小型化によって装置の小型化が図られる。前記投光レンズの入射面はトロイダル状として、帯状の投射光の幅方向には好適に集光しながら、前記投射光の長手方向については、出射面の自由曲面によって好適に光量を分配できる。

本発明の一実施の形態に係るバーコードリーダ（光学情報読み取り装置）を、その前方の斜め上方から見た斜視図である。同バーコードリーダを前方の斜め下方から見た斜視図であって、説明の便宜上、窓部材を取り外して示す。投光系、受光系等、バーコードリーダの構造を示すために、受光レンズの光軸を含む横断面で切断した断面斜視図である。受光レンズの光軸を含む縦断面で切断した断面図である。投光系および受光系の構成を示す斜視図である。投光系および受光系の構成を上方から見て示す平面図である。左右方向に見て投光系の構成を示す平面図である。投光平面における投射光の光量分布の一例を示すグラフ図である。左右方向に見て受光系の構成を示す平面図である。ラインセンサによる受光量の分布特性の一例を示すグラフ図である。絞り部の位置の違いによる受光レンズへの光の入射角度の違いを示す説明図である。信号処理系の概略構成を示すブロック図である。ＡＤ変換部の各チャンネルの並行動作を表したタイミングチャート図である。

　以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。本実施の形態に係るバーコードリーダ１（光学情報読み取り装置）は、バーコード情報を読み取るためのシステムに組み込まれるものである。なお、以下に説明する実施の形態はあくまで例示に過ぎず、本発明の構成や用途などについても限定することを意図しない。

　図１、２に示すようにバーコードリーダ１のケース２は、一例として樹脂の成型品であるロワケース２０とアッパケース２１とを組み付けてなる。各図に表れているように、ケース２は前後および上下には短く、左右に長い略直方体状とされていて、図１に表れているように、ケース２の前面の下半部には、図外の一次元バーコード（読取対象）と対向するように窓部材２２が配設されている。

　この窓部材２２は透明な帯状の樹脂板で、波長の短い光をカットする光学的なフィルタとして機能する。窓部材２２の長手方向の中央、約１／３くらいの範囲は、バーコードからの反射光Ｌｒ（図３、５など参照）が通過する受光窓２２ａとされ、その左右両側はそれぞれ、バーコードへの投射光Ｌｆが通過する投光窓２２ｂとされている。また、ケース２の上面には押しボタンスイッチ２４や表示灯２５が配設されている。

　図２にはバーコードリーダ１の上下を反対向きにして示すが、前記窓部材２２は、遮光部材を兼ねた両面テープ２３によって、ケース２の前面に貼り付けられている。この両面テープ２３の遮光機能については後述する。なお、バーコードリーダ１の内部の構造を説明する都合上、以下では図２のように上下を反対向きにして表すことが多いので、この図２における左側を単に左側と呼び、同じく右側を単に右側と呼ぶ。

　図２に表れているように、ケース２の右側後方の角部における上寄りの部分は斜めに切り欠かれていて、ここに形成された傾斜面２ａを貫通するようにケーブル６が取り付けられている。このケーブル６は、例えばＲＳ２３２ＣやＵＳＢなどの通信規格に準拠し、システムのホスト機器との間で双方向に通信可能であるとともに、電力供給も可能なものである。

　図３および図４には、受光レンズ４１の光軸Ｘを含む横断面および縦断面でそれぞれバーコードリーダ１を切断し、その内部構造を示している。これらの図に表れているようにケース２の下半部（図３、４においては上側に位置している）には、投光系３と、受光レンズ４１など受光系４の要部とが配設され、一方、ケース２の上半部には図４にのみ示すが、ラインセンサ４０（撮像素子）を含む受光系４の残部や信号処理系５の電気回路のメイン基板５０などが配設されている。

　－投光系－
　図５にも示すように投光系３は、例えばＬＥＤ３０（光源）からの光を投光レンズ３１，３２によって一次元のバーコード（図示せず）に投射するものであり、このバーコードの位置を想定した仮想の投光平面Ｓ（図３を参照）において左右方向に長く、上下に幅の狭い帯状の光Ｌｆを投射するようになっている。投光平面Ｓは、受光レンズ４１から光軸Ｘの方向に所定距離だけ離れていて、当該光軸Ｘに略直交する仮想の平面である。

　バーコードは、例えば印刷やダイレクトマーキングなどによって対象物に表示された白黒の縞模様からなる。この縞模様の並ぶバーコードの長手方向を含むように、前記投射光Ｌｆの投射される範囲は左右方向に所定の長さ（例えば１００ｍｍくらい）以上とされ、上下方向には１０ｍｍくらいの帯状となっている。そして、このように広い範囲に投射光Ｌｆを拡げるために、以下に説明するように投光レンズ３１，３２は、左右方向に長い異形のものとされている。

　本実施形態では受光系４の左右両側に１つずつ、ＬＥＤ３０および投光レンズ３１，３２が配設されており、ＬＥＤ３０は表面実装タイプのもので、投光系の電気回路の基板３３（図５には仮想線で示す）に実装されている。この基板３３は、受光レンズ４１の光軸Ｘの方向（以下、バーコードリーダ１の前後方向と呼ぶこともある）と略直交するように配置されており、このことで投光系３の寸法が前後方向に小さくなっている。

　それらのＬＥＤ３０からの光が入射する投光レンズ３１，３２の入射面３１ａ，３２ａは、ＬＥＤ３０を取り囲むトロイダル面とされている。すなわち、図６には上下方向に見て示すように、投光レンズ３１，３２の入射面３１ａ，３２ａは、左右方向についてはＬＥＤ３０を取り囲む円弧状（凹形状）をなすとともに、図７には左右方向に見て示すように入射面３１ａ，３２ａは、上下方向については凸形状をなす。

　図７に表れているように投光レンズ３１，３２の出射面３１ｂ，３２ｂは上下方向には直線状に形成されているので、前記入射面３１ａ，３２ａの凸形状によって投光レンズ３１，３２は、ＬＥＤ３０の発光部３０ａに焦点を結ぶ集光レンズとして機能する。このため、発光部３０ａから上下に拡がりつつ、投光レンズ３１，３２の入射面３１ａ，３２ａに入射した光は、幅１０ｍｍくらいの平行光線となって投光平面Ｓに投射される。

　そして、それらの入射面３１ａ，３２ａが、図６を参照して前記したように左右方向には円弧状をなし、その円弧の中心がＬＥＤ３０の発光部３０ａに含まれるように配置されている。このため、上下方向に凸形状をなす入射面３１ａ，３２ａの前記集光レンズとしての焦点を、ＬＥＤ３０の発光部３０ａに正確に合致させることができ、ここから発せられる光をより効率良く投光平面Ｓに向かって投射することができる。

　具体的に入射面３１ａ，３２ａは、例えば以下の式（１）によって表される曲線を、ＬＥＤ３０の発光部３０ａを通過する上下方向の軸周りに所定の半径で回転させたものとすればよい。なお、式（１）は、図７に符号「Ｏ」として示す光軸Ｘと入射面３１ａ，３２ａとの交点を原点とし、この光軸Ｘ方向の座標をｘとし、上下のＺ軸方向の座標をｚとして表している。また、ｉ＝１～ｎ（ｎは整数）であり、α_i、ｃ、ｋはいずれも適宜、設定すればよい。

　一方、投光レンズ３１，３２の出射面３１ｂ，３２ｂは、左右方向については自由曲面とされ、図６に表れているように左右方向に適宜、光を分配させて、投光平面Ｓにおいて望ましい光量分布を実現する。以下、図６を参照して投光レンズ３１について説明すると、各投光レンズ３１（３２）の出射面３１ｂ（３２ｂ）には、他方の投光レンズ３２（３１）から遠くなる外側に凸形状の部分が形成される一方、他方の投光レンズ３２（３１）に近くなる内側には凹形状の部分が形成されている。

　具体的に出射面３１ｂは、例えば以下の式（２）によって表される自由曲面とすればよい。なお、式（２）は、投光レンズ３１について図６に示すように、出射面３１ｂの内側寄りで最も凹んだ部位を原点「Ｏ」とし、ここから外側へ向かって左右のＹ軸方向の座標をｙとするとともに、前記式（１）と同じく光軸Ｘ方向の座標をｘとして表している。また、ｉ＝１～ｎ（ｎは整数）であり、α_iは適宜、設定すればよい。

　このような出射面３１ｂ，３２ｂの形状により、投光レンズ３１（３２）から投光平面Ｓに投射される光Ｌｆは、出射面３１ｂ（３２ｂ）の外側の領域においては集光される一方、出射面３１ｂ（３２ｂ）の内側の領域では拡散されるようになる。この結果、投光レンズ３１，３２のそれぞれから投射される光Ｌｆの光量分布は、図８にそれぞれ破線および一点鎖線のグラフで示すように投光平面Ｓの左右いずれか一側で多くなり、ここから反対側に向かって徐々に少なくなってゆく。

　そして、投光平面Ｓにおいては前記２つの投射光Ｌｆが重なることによって、図８には実線のグラフで示すように、投光平面Ｓの左右両端側において中間部よりも光量の大きな好ましい分布となる。このような光量分布が好ましい理由は、以下の受光系４の説明において図１０を参照して説明する。

　なお、本実施形態の投光系３においては、前述したように窓部材２２をケース２の前面に貼り付ける両面テープ２３が、投光レンズ３１，３２と窓部材２２（窓部）との間に設けられた遮光部材として機能する。すなわち、両面テープ２３には、受光窓２２ａおよび投光窓２２ｂに対応する開口部２３ａ，２３ｂが形成されており、投光窓２２ｂに対応する開口部２３ｂは、左右両側から中央寄りに向かって徐々に上下の開口幅が小さくなっている。

　そして、そのように開口幅の小さくなる開口部２３ｂにおいて投射光Ｌｆの一部が遮られ、投光平面Ｓにおける光量分布が変化するようになっている。よって、開口部２３ｂの形状を変更することで、光量分布の微妙な調整が可能になり、例えばＬＥＤ３０の個体ばらつきなどによって光量分布にばらつきがあっても、投光レンズ３１，３２の出射面３１ｂ，３２ｂの形状を変更することなく、比較的容易に光量分布のばらつきを補償することができる。

　－受光系－
　前記図３～６の他に図９にも示すように、本実施形態のバーコードリーダ１の受光系４は、例えば、Ｃ－ＭＯＳやＣＣＤ等の固体撮像素子を一次元に配列したラインセンサ４０を備えており、バーコードからの反射光Ｌｒを受光レンズ４１によって集光して、ラインセンサ４０の受光面４０ａにバーコードの像を結像させる。こうして受光面４０ａに結像したバーコードの像の明暗に対応して、ラインセンサ４０から電気信号が出力される。

　このように受光レンズ４１を通過する光の分布は一般的に、その光軸Ｘ付近で光量が大きくなり、光軸Ｘから離れるに連れて光量が小さくなるという特性がある（図１０に破線のグラフで示す）。そこで、このような受光量の特性を減殺し、ラインセンサ４０の受光面４０ａにおいてフラットな光量分布を実現するために、本実施形態では上述したように、投光平面Ｓにおける投射光Ｌｆの光量分布を、左右両端側において中間部よりも光量が大きくなるようにしている（図１０に実線のグラフで示す）。

　すなわち、図１０に実線のグラフで示すような望ましい光量分布と、同じく破線のグラフで示すような受光量の特性とが合わさることで、同図に仮想線のグラフで示すように、ラインセンサ４０によって受光される反射光Ｌｒの光量の分布は、バーコードの長手方向全体に均一度の高いフラットなものとなるのである。これにより、バーコード情報の読み取り精度が向上する。

　また、本実施形態では、受光レンズ４１の後方（光路の下流側）にミラー４２が配設されていて、受光レンズ４１を通過した光が反射し、その光路が上方（図４、８などの下方）に向かって約９０度、屈折するようになっている。このように反射された光を受けるラインセンサ４０は表面実装タイプのものとされ、その受光面４０ａが下方（図４、８などの上方）を向くようにして、メイン基板５０に実装されている。

　そして、前記ラインセンサ４０とミラー４２との間に、ＩＲカットフィルタ４３が配設されている。ＩＲカットフィルタ４３は主に赤外光をカットする光学的なフィルタであり、前述した窓部材２２と共働して、反射光Ｌｒから不要な波長の光（ノイズ）を除去することができる。これによりバーコード情報の読み取り精度が向上する。

　一方、受光レンズ４１の手前（光路の上流側）にはバーコードからの反射光Ｌｒを絞る絞り部４４ａが設けられている。本実施形態では、図３、４に表れているように絞り部４４ａを、受光レンズ４１の保持部材（レンズホルダ４４）に形成しているが、このように受光レンズ４１の手前に絞り部４４ａを設けることで、図６に表れているように受光レンズ４１への反射光Ｌｒの入射角度を大きくし易いというメリットがある。

　すなわち、図１１（ａ）に示すように、仮に受光レンズ４１の後方に絞り部４４ａを設けた場合は、図１１（ｂ）に示すように受光レンズ４１の手前に設けた場合と比較して、反射光Ｌｒの入射角度θ１が小さくなり易く、反対に出射角度θ２は大きくなり易い。このため、広角の視野を実現しようとすれば、受光系４を大型化せざるを得ない。また、受光面４０ａも大きくなってしまい、ラインセンサ４０の大型化を招くおそれがある。

　これに対し本実施形態のように絞り部４４ａを受光レンズ４１の手前に設けた場合は、図１１（ｂ）に示すように反射光Ｌｒの入射角度θ１が大きくなり易いので、広角の視野を実現し易い。一方で受光レンズ４１からの光の出射角度θ２は小さくなり易いので、ラインセンサ４０までの距離が大きくなっても、その受光面４０ａはあまり大きくしなくてもよく、ラインセンサ４０を小型化し易い。しかも、受光レンズ４１からＩＲカットフィルタ４３への光の入射角度が小さくなることによって、カットする光の波長を正確に設定し易いというメリットもある。

　その上さらに本実施形態では、前記の絞り部４４ａが形成されているレンズホルダ４４によって、受光レンズ４１を前後方向（光軸Ｘの方向）に位置調整可能に保持している。すなわち、ロワケース２０において窓部材２２（受光窓２２ａ）と受光レンズ４１との間には、概略矩形状の防塵空間が設けられており、この防塵空間を区画する左右の壁面にレンズホルダ４４の左右の側面がそれぞれ摺接している。

　よって、レンズホルダ４４をロワケース２０に組み込んだ後に前後に摺動させることで、受光レンズ４１の微妙な位置決めが可能になる。こうして位置決めした後にレンズホルダ４４を、接着剤などによってロワケース２０に固定すればよい。このように受光レンズ４１の微妙な位置決めを行うことによって、受光系４の小型化を図るために倍率の高い受光レンズ４１を採用した場合に、その焦点深度が浅くなり、高い位置決め精度が要求されることにも対応可能となる。

　－信号処理系－
　バーコードリーダ１は、前記の如く受光面４０ａに結像したバーコードの像（縞模様の明暗）に応じて、ラインセンサ４０から出力される電気信号を受け、バーコード情報を読み取る信号処理系５を備えている。一例を図１２に模式的に示すように信号処理系５は、増幅回路５１、ＡＤ変換部５２、制御部５３、メモリ５４、および通信インタフェース５５を備えており、ラインセンサ４０からの出力信号をハードウェア的およびソフトウェア的に信号処理する。

　本実施形態では、メイン基板５０上に実装されているマイクロプロセッサＰによって、前記のＡＤ変換部５２および制御部５３が構成されており、ラインセンサ４０からの出力信号（アナログ信号）は、増幅回路５１によって増幅された後にマイクロプロセッサＰに入力されて、内蔵のＡＤ変換部５２によってデジタル信号に変換される。そして、制御部５３においてソフトウェア処理によって２値化やデコード処理が行われる。

　制御部５３は、主にＣＰＵ、システムバス、入出力インタフェース等からなり、バーコードリーダ１全体を制御する機能を有する。すなわち、制御部５３は、メモリ５４に格納されている所定のプログラムを実行することにより、ＬＥＤ３０の駆動回路に制御指令を送り、所定のタイミングでＬＥＤ３０を発光させるとともに、これに同期して増幅回路５１にラインセンサ４０の出力信号を受け入れ、前記のような処理を行う。

　また、本実施形態では制御部５３は、マイクロプロセッサＰ内蔵のＡＤ変換部５２を複数チャンネル使用し、例えば２つのチャンネルを並行して動作させることにより、デジタル信号への変換速度を向上させている。一例として図１３には４チャンネルの場合について示すと、ＡＤ変換部５２の各チャンネルに送る動作要求（矢印で示す）のタイミングをずらして、各チャンネルを並行動作させることにより、変換速度が４倍になる。

　なお、制御部５３には、例えば押しボタンスイッチ２４や表示灯２５なども接続されており、動作中に表示灯２５を点灯させるといった制御も行うことができる。また、制御部５３は通信インタフェース５５とケーブル６とを介して、バーコードリーダ１の上位システム、例えば図外のホスト機器などと双方向に通信可能に接続されている。

　そして、本実施形態では前記のような信号処理系５を構成するマイクロプロセッサＰなどがメイン基板５０に搭載されており、投光系３の基板３３には前述したようにＬＥＤ３０およびその駆動回路の部品が搭載されている。この投光系３の基板３３とメイン基板５０とはケース２内において略直交するように配置されて、互いに接続されており、プリント配線同士が渡りハンダ（コネクタでもよい）で接続されている。

　こうして２枚の基板３３，５０を互いに交差させて配設することで、１枚の大きな基板を用いるのに比べて、ケース２内に確保すべき搭載スペースを前後または上下いずれかの方向について小さくすることができる。本実施形態では、投光系３の基板３３を縦向きに搭載することによって、ケース２の前後方向への小型化が図られている。

　以上、説明したように本実施の形態に係るバーコードリーダ１においては、まず、投光系３においてＬＥＤ３０からの光を、投光レンズ３１，３２によって左右方向に拡げて、一次元のバーコードに帯状に投射するようにしている。このため、投光系３の基板３３上に実装するＬＥＤ３０の数は２つで済み、コストアップや消費電力の増大を抑制できるとともに、投光系３の小型化にも有利になる。しかも、その基板３３は縦向きに配置することによって、投光系３をバーコードリーダ１の前後方向に小型化できる。

　また、投光レンズ３１，３２の入射面３１ａ，３２ａはトロイダル面として、その左右方向の円弧形状の中心がＬＥＤ３０の発光部３０ａに含まれるように配置している。このことで、上下方向には凸形状をなす入射面３１ａ，３２ａの焦点をＬＥＤ３０の発光部３０ａに合わせて、このＬＥＤ３０からの光を効率良く利用し、バーコードに向かって投射することができる。

　一方、投光レンズ３１，３２の出射面３１ｂ，３２ｂは、上下方向には直線状としつつ左右方向には凹凸のある自由曲面によって構成し、前記のように入射面３１ａ，３２ａに入射した光を左右方向に適宜、分配することができる。そして、投光平面Ｓにおいて左右両端側で中間部よりも光量の大きな分布として、光軸付近で光量の大きくなる受光系４の特性を減殺し、ラインセンサ４０の受光面４０ａにおいてフラットな光量分布を実現できる。

　言い換えると本実施の形態では、投光レンズ３１，３２の入射面３１ａ，３２ａの形状によって、ＬＥＤ３０からの光を上下方向に効率良く集光しながら、左右方向には出射面３１ｂ，３２ｂの自由曲面によって適宜、光量を分配することができる。こうして入射面３１ａ，３２ａと出射面３１ｂ，３２ｂとに機能を振り分けることで、その各面の形状が徒に複雑にならず、設計の容易化も図られる。

　また、本実施の形態では、受光レンズ４１として倍率の高いものを用いることで、ラインセンサ４０までの距離を短くするとともに、受光レンズ４１を通過した光をミラー４２で反射させてラインセンサ４０に導くようにして、受光系４についても前後方向に小型化している。しかも、受光レンズ４１の手前に絞り部４４ａを設けているので、広い視野角を確保しながらラインセンサ４０を小型化でき、このことも受光系４の小型化に有利になる。

　さらに、本実施の形態では、前記したようにＬＥＤ３０を実装する投光系３の基板３３をメイン基板５０とは別に設けるとともに、このメイン基板５０上に小型化されたラインセンサ４０と、ＡＤ変換部５２やメモリ５４を内蔵したマイクロプロセッサＰとを実装することによって、メイン基板５０をかなり小型化できる。そして、そのように小型化したメイン基板５０を投光系３の基板３３と略直交するように配置することで、必要な搭載スペースを前後方向にかなり小さくすることができる。

　つまり、本実施の形態のバーコードリーダ１は、投光系３、受光系４および信号処理系５それぞれの構成に工夫を凝らすとともに、それらを構成する部品の配置などにも工夫をして、一次元のバーコードを読み取る広角の視野を実現しながら、この視野内の光量分布を均一化してバーコードの高い読み取り性能を確保しつつ、バーコードリーダ１を特に前後方向について従来よりもかなり小さくすることができる。

　この結果として、図１、２を参照して上述したようにバーコードリーダ１のケース２は左右に長い略直方体状となって、その前後方向の寸法と上下方向の寸法とが概ね同じになっている。このことで、バーコードリーダ１をシステムに組み込む際の設置の自由度が高くなる。

　－他の実施形態－
　なお、本発明は、前記実施の形態に限定されるものではない。例えば前記実施の形態においては光源として表面実装タイプのＬＥＤ３０を２つ用いており、それぞれの発する光を投光レンズ３１，３２によって投射するようにしているが、これに限らず、光源はリードタイプのＬＥＤであってもよいし、光源や投光レンズ３１，３２は２つに限らず、例えば１つであってもよい。

　また、前記実施の形態においては投光レンズ３１，３２の入射面３１ａ，３２ａをトロイダル面としているが、これにも限定されず、入射面３１ａ，３２ａは、左右方向について一様に凹形状をなし、上下方向については一様に凸形状をなすものであればよい。同様に、投光レンズ３１，３２の出射面３１ｂ，３２ｂについても前記実施の形態の形状には限定されない。

　さらに、前記実施の形態においては投光窓２２ｂや受光窓２２ａの形成された窓部材２２を、両面テープ２３によってケース２に貼り付けており、この両面テープ２３を遮光部材として兼用しているが、これにも限定されず、例えば、両面テープ２３とは別に遮光部材を配設してもよいし、遮光部材を配設しなくてもよい。

　また、前記実施の形態の受光系４においては、受光レンズ４１からの光の光路を屈折させるミラー４２を配設しているが、これに代えてプリズムを用いることもできる。また、受光レンズ４１を保持するレンズホルダ４４を設けているが、これは設けなくてもよいし、レンズホルダ４４に絞り部４４ａを設ける必要もない。絞り部４４ａを受光レンズ４１の手前ではなく、その後方に設けてもよい。

　また、前記実施の形態の信号処理系５においては、ラインセンサ４０から出力されるアナログ信号をマイクロプロセッサＰに内蔵のＡＤ変換部５２によってデジタル信号に変換しているが、これに限らず、ＡＤ変換部５２をマイクロプロセッサＰとは別の部品によって構成することもできる。

　さらにまた、前記実施の形態では、投光系３のＬＥＤ３０などを実装する基板３３をメイン基板５０とは別にして、２つの基板３３，５０を互いに略直交するように、即ち約９０度の角度で交差するように配置しているが、これにも限定されず、２つの基板３３，５０は、例えば６０度、７５度など９０度以外の角度で交差させてもよいし、交差させずに、前後または上下に並べて配置してもよい。或いは、投光系３の基板３３をメイン基板５０と一体にしてもよい。

　なお、本発明は、その主旨または主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形で実施することができる。そのため、上述の実施形態はあらゆる点で単なる例示にすぎず、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示すものであって、明細書本文にはなんら拘束されない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。

　なお、この出願は、日本で２０１４年８月２８日に出願された特願２０１４－１７４２９６号に基づく優先権を請求する。その内容はこれに言及することにより、本出願に組み込まれるものである。また、本明細書に引用された文献は、これに言及することにより、その全部が具体的に組み込まれるものである。

　１　　　　　バーコードリーダ（光学情報読み取り装置）
　２　　　　　ケース
　　２２　　　窓部材（窓部）
　　２３　　　両面テープ（遮光部材）
　３　　　　　投光系
　　３０　　　ＬＥＤ（光源）
　　３０ａ　　発光部
　　３１，３２　　投光レンズ
　　３１ａ，３２ａ　　入射面
　　３１ｂ，３２ｂ　　出射面
　　３３　　　投光系の電気回路基板（第１電気回路基板）
　４　　　　　受光系
　　４０　　　ラインセンサ（撮像素子）
　　４０ａ　　受光面
　　４１　　　受光レンズ
　　４２　　　ミラー（光学素子）
　　４４　　　レンズホルダ（保持部材）
　　４４ａ　　絞り部
　５　　　　　信号処理系
　　５０　　　メイン基板（信号処理系の電気回路基板（第２電気回路基板））
　　５２　　　ＡＤ変換部
　Ｌｆ　　　　投射光
　Ｌｒ　　　　反射光
　Ｐ　　　　　マイクロプロセッサ
　Ｓ　　　　　投光平面
　Ｘ　　　　　受光レンズの光軸

Claims

　少なくとも１つの光源からの光を少なくとも１つの投光レンズによって読取対象に投射する投光系と、
　前記読取対象からの反射光を受光レンズによって撮像素子の受光面に結像させる受光系と、
　前記撮像素子からの出力信号を受けて前記読取対象の情報を読み取る信号処理系とを備えた光学情報読み取り装置であって、
　前記投光系は、前記受光レンズの光軸に略直交する投光平面において所定方向に長く、この長手方向に略直交する幅方向には短い、帯状の範囲に光を投射するように構成され、
　前記投光レンズは、前記光源から光が入射する入射面が、前記長手方向については一様に凹形状をなすとともに、前記幅方向については一様に凸形状をなす一方、
　前記入射面に入射した光が前記投光平面に向かって出射する前記投光レンズの出射面は、前記投光平面の前記長手方向について所定の光量分布が得られるような自由曲面とされていることを特徴とする光学情報読み取り装置。
　請求項１に記載の光学情報読み取り装置において、
　前記投光レンズの前記入射面は、前記長手方向については円弧状とされ、前記円弧の中心が前記光源の発光部に含まれるように配置されている、光学情報読み取り装置。
　請求項１または２のいずれかに記載の光学情報読み取り装置において、
　前記光源が前記長手方向に並んで配設された第１光源および第２光源を含み、
　前記投光レンズが前記長手方向に並んで配設された第１投光レンズおよび第２投光レンズを含み、
　前記第１投光レンズの出射面には、前記第２投光レンズから遠くなる外側には前記長手方向に凸形状の部分が形成される一方、前記第２投光レンズに近くなる内側には前記長手方向に凹形状の部分が形成され、前記第２投光レンズの出射面には、前記第１投光レンズから遠くなる外側には前記長手方向に凸形状の部分が形成される一方、前記第１投光レンズに近くなる内側には前記長手方向に凹形状の部分が形成されている、光学情報読み取り装置。
　請求項１～３のいずれか１項に記載の光学情報読み取り装置において、
　前記投光系には、前記投光レンズの前記出射面側を覆うように窓部材が配設されるとともに、
　前記窓部材と前記投光レンズとの間には出射される光の一部を遮るように遮光部材が配設されている、光学情報読み取り装置。
　請求項１～４のいずれか１項に記載の光学情報読み取り装置において、
　前記光源が表面実装タイプのＬＥＤであって、
　前記ＬＥＤが配設される前記投光系の第１電気回路基板は、前記受光レンズの光軸に略直交するように配置されている、光学情報読み取り装置。
　請求項５に記載の光学情報読み取り装置において、
　前記受光系には、前記受光レンズを通過した反射光の光路を屈折させて前記撮像素子に導く光学素子が配設されており、
　前記撮像素子は表面実装タイプのものであって、
　この撮像素子が配設される前記信号処理系の第２電気回路基板は、前記第１電気回路基板と交差するように配置されている、光学情報読み取り装置。
　請求項１～６のいずれか１項に記載の光学情報読み取り装置において、
　前記受光系には、前記読取対象からの反射光を絞る絞り部が、前記受光レンズの手前に配設されている、光学情報読み取り装置。
　請求項１～７のいずれか１項に記載の光学情報読み取り装置において、
　前記受光レンズを光軸の方向に摺動可能に保持する保持部材が設けられ、
　前記保持部材を介して前記受光レンズが位置決めされている、光学情報読み取り装置。
　請求項１～８のいずれか１項に記載の光学情報読み取り装置において、
　前記信号処理系は、前記撮像素子からのアナログの出力信号を入力して、内蔵するＡＤ変換部によってデジタル化するマイクロプロセッサを備え、前記デジタル化された信号をソフトウェア処理によってデコードするように構成されている、光学情報読み取り装置。