バーコード読取装置における焦点移動方法および装置

【課題】
本発明の目的は、簡単な構成にすることができ、製造も容易く、安定した装置が実現可能で、コストも大幅に低減することのできるバーコード読取装置および方法を実現することにある。
【解決手段】 レーザ等の光源から出た光を入射し、光軸を同一とし、出射方向に順に設けられた、凸レンズである第1レンズ、凹レンズである第2レンズ、凸レンズである第3レンズと、前記第1レンズを移動してビーム径を一定に保って焦点を移動させるレンズ駆動機構を有する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、バーコード読み取り装置に関し、特に、バーコード位置に焦点を合わせる可変焦点式のバーコード読み取り装置および読み取り方法に関する。
【背景技術】
【0002】
CDなどの光ピックアップの場合、焦点可変(調整)範囲はμmオーダーで良く、読取対象のCDの位置もほぼ一定であるため、平行光を集光する対物レンズを上下動させることにおいて問題が発生することはない。この場合、集光スポット径に影響を与えるのは光学収差のみとなり対物レンズ移動による倍率変化はほとんど影響しない。
【0003】
対象物の高さが高速に数十cm単位で変化するような場合は、対象物に接触しないように作動距離(WD:Work Distance)を確保しつつレンズを高速に上下動させることは困難である。また、集光スポット径に影響を与える光学倍率の変化を考慮する必要がある。
【0004】
バーコード読み取り装置は、レーザビームでバーコードを走査してバーコードの濃淡に応じて変調を受けて散乱反射してきたレーザ光を検出することでバーコードを読み取る装置である。レーザビームはバーコード上で必要なスポット径になるように収束されるが、焦点深度は、ビームスポット径に比例するため、解像度を上げるためにスポット径を小さくすると焦点深度が浅くなり、装置としての読み取り可能範囲が減少してしまう。
【0005】
そこで物流用バーコード読み取り装置のように、特に読み取り深度を必要とする装置では、装置からバーコードまでの距離をあらかじめ計測して、バーコード位置に焦点を合わせる可変焦点方式が用いられている。
【0006】
レンズ2枚で焦点を数十cm可変させようとすると倍率が変わり、集光スポット径が変化してしまう。このような背景のもと、レンズ3枚でビーム径を一定に保って焦点を可変する方法として特許文献1(特許第2998289号公報)に開示される装置が考案されている。
【0007】
特許文献1に開示される装置では、レーザ光をガウシアンビームで伝搬させる3個の凸レンズで構成される、いわゆるケプラー型の焦点可変光学系を採用している。
【0008】
バーコード読取装置の性能を決める要素には、
・読み取り可能なバーコード線幅の最小値
・焦点方向の読取深度(荷物に貼られたバーコードラベルの高さ)
・横方向の読取幅(荷物に貼られたバーコードラベルの位置)
・バーコードの回転方向(自動搬送される方向に対する回転)
・搬送速度
などが挙げられる。
【0009】
特に技術的に難しい課題として、最小線幅と読取深度の両立がある。光走査を利用したバーコード読取スキャナ装置の場合は、最小線幅の読取性能を維持するために集光スポット径をある一定以下に保って必要な読取深度を確保しなければならないが、物理法則によって数百μmのビーム径ではたかだか数十cmの読取深度しか得られない。物流向けの場合は1m前後の読取深度が必要となることが多く、焦点調整機能を有する装置や、固定焦点の装置を複数個焦点方向にずらして配置するなど様々な方法、装置が考案されている。
【0010】
集光スポット径を一定に保ち、焦点を可変する装置も考案されているが、以下の課題を抱えていた。ただし、ここでは簡易な構成で安価な方法に限定するため、複数枚のレンズを移動するような複雑なズームレンズは考えていない。
【0011】
(1)レーザ光をガウシアンビームとして伝搬して集光する方法という面での課題
従来はHe−Neレーザなどの気体レーザが使用されていたが、小型化・メンテナンス容易化のために半導体レーザが使用されるようになってきた。しかし半導体レーザは、ビーム品質(発散角)ばらつきがある、縦横発散角が異なる、という性格上半導体レーザ素子の選定が必要となり、またそれを所望のビームに変換するレンズが複雑な組み合わせと難しい調整を必要とする課題があった。
【0012】
つまり、部品点数が多く高精度なものが必要となり、また歩留まりも悪いためにコストが高いという問題があった。
【0013】
(2)凸レンズの組み合わせで焦点可変する方法という面での課題
3個のレンズ群のうち1個のみを移動して焦点可変する方法において、100mm前後の実用的な大きさで光学系を構成する場合、特許文献1に開示されるような凸レンズのみを使用するケプラー型は構成レンズの焦点距離が小さくなる。
【0014】
レンズの焦点距離が小さいものは、使用するレンズに対しては高い製造(研磨)精度が必要とされ、さらにレンズを保持する機構部に対しても、焦点可変時のレンズ移動時に発生する振動への耐久性および高い精度が必要とされるため、品質を保証するには製造コストが高くなる課題があった。
【0015】
また、光学収差が発生しやすく、複数のレンズを使用して収差を補正しなければならず、環境(温度、振動)変化に対する許容も小さいという課題もあった。
【特許文献1】特許第2998289号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0016】
特許文献1に開示される光学系は、ケプラー型であり、短い焦点距離のレンズを使用しなければならない。このため、収差補正のために組み合わせレンズを使用する必要があるが、各レンズには高い精度が必要とされ、コストが高いものとなる。
【0017】
また、半導体レーザのように縦横拡がり角の異なる楕円ビームを真円に変換するための複雑な整形光学系が光源部分には必要となる。さらに、半導体レーザの発散角を選定しなければならず、これもコストが高くなる要因となっている。
【0018】
本発明の目的は、簡単な構成にすることができ、製造も容易く、安定した装置が実現可能で、コストも大幅に低減することのできるバーコード読取装置および方法を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【0019】
本発明のバーコード読取装置は、
レーザ等の光源から出た光を入射し、光軸を同一とし、出射方向に順に設けられた、凸レンズである第1レンズ、凹レンズである第2レンズ、凸レンズである第3レンズと、
前記第1レンズを移動してビーム径を一定に保って焦点を移動させるレンズ駆動機構を有することを特徴とする。
【0020】
本発明のバーコード読取方法は、
レーザ等の光源から出た光を入射し、光軸を同一とする、凸レンズである第1レンズ、凹レンズである第2レンズ、凸レンズである第3レンズ、を出射方向に順に設け、
前記第1レンズを移動させることによりビーム径を一定に保って焦点を移動させることを特徴とする。
【発明の効果】
【0021】
・レーザ光をガウシアンビームとして伝搬せず、円形開口によって矩形断面均一プロファイルにして集光する方法によって、半導体レーザのビーム品質ばらつき影響を解消できる。
・凹レンズを含むガリレー型のズーム光学系を用いることでレンズ焦点距離を伸ばし製造誤差の影響が緩和できる。
・ガリレー型のため光路長(ユニットの大きさ)を短くすることができる。
・同様に各レンズの焦点距離が長いため、環境温度等によるレンズの焦点距離変化の影響が緩和できる。
・同様に各レンズの焦点距離が長いため、複数枚を組合わせたレンズでなくとも球面単レンズのみの構成で光学収差が小さくできる。
・アパーチャの交換で簡単にスポット径を調整できる。
・レンズ1枚のみの移動によって集光スポット径を変えることなく焦点位置が制御できる。
(1m程の長い距離の焦点変更でも集光スポット径を一定にできる)
・上記の理由によって、簡単な構成にすることができ、製造も容易く、安定した装置が実現可能である。つまりコストを大幅に削減が可能である。
【図面の簡単な説明】
【0022】
【図1】本発明によるバーコード読取装置の光学系の概略構成を示すブロック図である。
【図2】(1)、(2)は本発明の実施形態の構成を説明するための図である。
【図3】(1)、(2)は本発明の実施形態の構成を説明するための図である。
【図4】(1)、(2)は本発明の実施形態の構成を説明するための図である。
【図5】本発明における光学系の特徴を示す図である。
【図6】本発明における光学系の特徴を示す図である。
【図7】本発明における光学系の特徴を示す図である。
【図8】本発明における光学系の特徴を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0023】
次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【0024】
図1は、本発明によるバーコード読取装置の光学系の概略構成を示すブロック図である。
【0025】
本実施形態は、オートパワーコントロール(APC)回路1、小型レーザ光源(LD)2、コリメートレンズ3、レンズ5−7、レンズ5を移動させるレンズ駆動機構8より構成されている。
【0026】
半導体レーザ等の小型レーザ光源2には、波長635nm付近の赤色レーザが用いられる。ただし、バーコード等の対象が読取可能であれば、その他の波長のレーザに代替は可能である。
【0027】
レーザ光源2は、オートパワーコントロール回路1によって一定の光出力に保たれている。レーザ光源2を出射した発散レーザ光である出力ビーム10はコリメートレンズ3によって平行ビーム11に変換され、その直後に配置されるアパーチャ4によってビームの中心部分が切り出される。
【0028】
コリメートレンズ3は球面収差が問題なければ球面平凸レンズで良く、球面収差が影響する場合であっても2枚程度の組レンズで良い。アパーチャ4を出た平行光11は、駆動機構8に保持された第1凸レンズ5によって集光され、その後の第2凹レンズ6で発散光に変換される。
【0029】
第1凸レンズ5は球面平凸レンズで良く、第2凹レンズ6には球面両凹レンズを用いると良い。レンズ駆動機構8は、ステッピングモータなどの位置決めが可能な機構部で構成される。そして第3凸レンズ7によって再び集光され集光スポット12を形成する。第3凸レンズも球面平凸レンズで良い。
【0030】
外部の高さセンサ(不図示)からの高さ情報に応じて、図1に示す駆動機構8が第1凸レンズ5を光の進行方向に移動させて、第2凹レンズ6との合成レンズ系の焦点距離、主点を変化させる。この変化によって集光スポット12の位置が変化し、かつ、集光スポット径が一定に保たれる。
【0031】
本実施形態の構成の利点として、複雑なレンズによる調整を必要とすることなく、アパーチャ4の穴径を変更するだけで集光スポット12の大きさを調整することができる。
【0032】
以下に、上述した課題(1)、(2)を解消するための本実施形態の構成について詳細に説明する。
【0033】
(1)レーザ光をガウシアンビームとして伝搬して集光する方法という面での課題に対して
本実施形態では、レーザ光はガウシアンビームとして伝搬しない。円形開口アパーチャによってガウシアンビームの中心部分を切り出し、断面が均一なプロファイルの矩形のビームとして集光する方法によって、半導体レーザのビーム品質ばらつき影響を解消している。このように、本実施形態では、集光スポットは光源のビーム品質に依存しないものとなり、アパーチャ径によって決定されるため、素子選別をしなくても安定した品質を確保できるものとなっている。
【0034】
また、半導体レーザの縦横拡がり角の差を補正する円筒面レンズなどを使用しなくても良いため、1枚のレンズで構成でき、調整も簡単である。これらの効果で製造コストを抑えることが可能となる。
【0035】
(2)凸レンズの組み合わせで焦点可変する方法という面での課題に対して
凸レンズ構成と同じ大きさで考えると、凹レンズを含むガリレー型の光学系を用いるとレンズの焦点距離を大きくすることができる。これにより光学収差が緩和され、球面単レンズのみで構成し精度を緩めることができるため、製造コストを抑えることができる。また、環境(温度、振動)変化に対する許容も確保できるようになる。
【0036】
なお、特許文献1には凹レンズ構成の記述もあり、第1、2レンズが凹レンズ、第3レンズが凸レンズで構成し、第2レンズを移動する方法としているが、ビーム径一定の解が見出せず、詳細な記述もなされていない。
【0037】
本発明では、第1レンズを凸レンズ、第2レンズを凹レンズ、第3レンズを凸レンズで構成し、第1レンズを移動させる方法ではビーム径を一定とすることが可能であることを用いたものである。
【0038】
最初に第3レンズについて考える。図2に示すように、第3レンズ7の焦点距離をf3とし、図2(1)の近い距離(以降、近点と呼ぶ)の場合の物体距離をa1、像距離をb1とする。また、図2(2)の遠い距離(以降、遠点と呼ぶ)の場合の物体距離をa2、像距離をb2とする。
【0039】
結像公式より、
(近点) 1/f3=1/a1+1/b1
(遠点) 1/f3=1/a2+1/b2
結像倍率mはそれぞれ、
(近点) m1=b1/a1
(遠点) m2=b2/a2
となり、焦点可変したい距離b1、b2と第3レンズ7の焦点距離f3を設定すれば、物体面20の距離a1、a2と結像倍率が求まる。
【0040】
また、像面21における集光スポット12の径を設定すれば、結像倍率より物体面20でのスポット半径w1、w2も求まる。像面21の集光スポット半径をωとすると、
(近点) w1=ω/m1
(遠点) w2=ω/m2
つまり、第1、第2レンズで第3レンズ7からa1、a2の距離にw1、w2のスポット径を形成すれば良いことになる。ここで形成するスポットw1、w2が実像であればケプラー型となり、虚像であればガリレー型となる。
【0041】
図1に示した実施形態は、上記の第1レンズ移動のガリレー型である。
【0042】
次に、第1レンズ5と第2レンズ6について考える。第1レンズには図1のアパーチャ4から平行ビーム11が入射するとする。この平行ビーム11が強度(振幅)均一、同位相の理想的な光とすると、焦点距離Fの無収差レンズで集光されたスポットはエアリーディスクとなり、その半径rは次の式で与えられる。
【0043】
r=0.41×λF/r0
λは光波長で、r0は入射ビーム半径である。いま、光波長λと入射ビーム半径r0を設定すると集光スポット半径rは前述のw1、w2にすればよいので、第1レンズと第2レンズの合成焦点距離F1(近点)、F2(遠点)が求まる。
【0044】
また、図3、図4に示すように合成焦点距離F1、F2は、第1レンズ5の焦点距離をf1とし、第2レンズ6の焦点距離をf2とし、第1レンズ5と第2レンズ6の間隔を、d1(近点)、d2(遠点)すると、合成焦点の公式より
(近点) F1=f1×f2/(f1+f2−d1)
(遠点) F2=f1×f2/(f1+f2−d2)
であり、第2レンズの第2主点H2'から合成レンズ系の焦点までの距離αは、
(近点) α1=f2(f1−d1)/(f1+f2−d1)
(遠点) α2=f2(f1−d2)/(f1+f2−d2)
で与えられる。ここで、第1レンズ5と第2レンズ6のどちらを移動させるかは選択できるものとする。図3は第1レンズを移動する場合、図4は第2レンズを移動する場合を示している。
【0045】
レンズ移動量zとすると、第1レンズを移動する場合は図3より、
z=d1−d2
Δ=α2−α1
の関係が成り立ち、第2レンズを移動する場合は図4より、
z=d1−d2
Δ=(d2+α2)−(d1+α1)
の関係が成り立つ。結像すべき位置のシフト量Δは第3レンズで既に求められて
いるのでレンズ移動量zを設定すると上記の関係より、f1、f2、d1、d2が求まる。
【0046】
次に、具体的な計算結果を示す。
波長λ=635nm、像距離b1=1000mm、b2=2000mm、
集光スポット半径ω=100μm、第3レンズ焦点距離f3=60mm、
レンズ移動距離z=10mm、入射ビーム半径(アパーチャ半径)r0=1.0mmとする。
【0047】
ただし、今回はレンズの主点がレンズ外部に出るような複雑なレンズを考えず、レンズ内部に主点が存在すると仮定する。つまり第1レンズと第2レンズの主点間距離d1、d2は正の値だとする。このような条件にて計算すると図5に示すように3種類の解が存在する。
【0048】
つまり、第1レンズを移動する場合としてケプラー型とガリレー型があり、第2レンズを移動する場合としてケプラー型がある(焦点距離の負は凹レンズを示す)。
【0049】
しかし、レンズ間隔を変更してみると、第1レンズ移動ケプラー型が図6に示すものとなり、第1レンズガリレー型が図7に示すものとなり、第2レンズケプラー型が図8に示すものとなり、第2レンズ移動タイプは最近点と最遠点でのみ成立しており、中間で性能を満たさないことが分かる。
【0050】
したがって、3枚構成のビーム径一定焦点可変光学系としては、第1レンズ移動のケプラー型かガリレー型のみが解となる。図5にて両者を比較すると、最小の焦点距離が同じだが、総距離がガリレー型が小さいことがわかる。よって、同じサイズの光学系を構成する場合ガリレー型のほうが焦点距離が長いことになる。
【0051】
発明の他の実施形態
アパーチャ4を穴径が自動可変可能な機構にすると焦点位置調整だけでなく、ビーム径も制御可能となる。
【符号の説明】
【0052】
1 オートパワーコントロール回路
2小型レーザ光源
3 コリメートレンズ
5−7 レンズ
8 レンズ駆動機構

【特許請求の範囲】
【請求項1】
バーコード読取装置において、
レーザ等の光源から出た光を入射し、光軸を同一とし、出射方向に順に設けられた、凸レンズである第1レンズ、凹レンズである第2レンズ、凸レンズである第3レンズと、
前記第1レンズを移動してビーム径を一定に保って焦点を移動させるレンズ駆動機構を有することを特徴とするバーコード読取装置。
【請求項2】
請求項1記載のバーコード読取装置において、
前記光源と前記第1レンズとの間に設けられ、前記光源からの出射光のうち、光強度が均一とみなせる部分に対応する円形開口を備えた円形開口アパーチャを有することを特徴とするバーコード読取装置。
【請求項3】
請求項1または請求項2記載のバーコード読取装置において、
収差を抑えるための球面単レンズを有することを特徴とするバーコード読取装置。
【請求項4】
バーコード読取装置で行われる焦点を可変とするバーコード読取方法であって、
レーザ等の光源から出た光を入射し、光軸を同一とする、凸レンズである第1レンズ、凹レンズである第2レンズ、凸レンズである第3レンズ、を出射方向に順に設け、
前記第1レンズを移動させることによりビーム径を一定に保って焦点を移動させることを特徴とするバーコード読取方法。
【請求項5】
請求項4記載のバーコード読取方法において、
前記光源と前記第1レンズとの間に、前記光源からの出射光のうち、光強度が均一とみなせる部分に対応する円形開口を備えた円形開口アパーチャを設け、前記第3のレンズの出射光のビーム拡がり角が製造ばらつきに影響されることなく、集光スポット径は前記円形開口の大きさで決定されるものとすることを特徴とするバーコード読取方法。
【請求項6】
請求項4または請求項5記載のバーコード読取方法において、
収差を抑えるための球面単レンズを設けることを特徴とするバーコード読取方法。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【図8】
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【公開番号】特開2011−133973(P2011−133973A)
【公開日】平成23年7月7日(2011.7.7)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2009−290798(P2009−290798)
【出願日】平成21年12月22日(2009.12.22)
【出願人】(000004237)日本電気株式会社 (19,353)
【Fターム(参考)】