JP4026578B2 - 光学情報読取装置 - Google Patents

Description

本発明は、バーコードや二次元コード等の情報コードを読取る光学情報読取装置に関する。

図５は、この種の光学情報読取装置、例えばハンディタイプの二次元コード読取装置の基本的な構成を概略的に示している。即ち、ユーザによる手持ち操作可能なケース１の先端部には、矩形状の読取口１ａが設けられている。また、ケース１内には、照明光源となる複数個のＬＥＤ２が配設されていると共に、反射鏡３、結像レンズ４、ＣＣＤエリアセンサ等の受光センサ５が設けられ、更に、前記受光センサ５の受光信号のデコード処理等を行う処理回路６が設けられている。

これにて、前記読取口１ａを、ＱＲコード等の二次元コードが記録された読取対象（ラベル等）７に対し、ほぼ平行にして近付けた状態で、読取操作が行われることにより、ＬＥＤ２により読取口１ａを通して読取対象７に対して照明光が照射され、その反射光を読取口１ａから入射して、反射鏡３及び結像レンズ４を介して受光センサ５により受光し、もって、二次元コードの読取りがなされるのである。尚、一般に、前記結像レンズ４は、遠くなるほど視野（画角）が拡がっていく縮小光学系を構成している。

ところで、従来のこの種の光学情報読取装置にあっては、情報コードが印刷された紙（ラベル）を読取対象７とすることが一般的であったが、近年では、例えば携帯電話機やＰＤＡ等における液晶表示装置（ＬＣＤ）の画面に表示された情報コードを読取るといった使い方（システム）が考えられてきている。また、金属などにダイレクトマーキングにより直接印字された情報コードを読ませたいという要望もある。

ところが、読取対象として液晶表示装置の画面に表示された情報コードを読取る場合、液晶層の光の透過率が非常に低く（数％程度）、また反射してくる光はさらに減少する。特に斜めから入る光は透過し難い事情があり、上記構成のように読取対象に対して斜め方向から照明光を照射するものでは、良好な読取りができない問題があった。

そこで、照明光源に面光源を用い、この面光源をレンズ系及び受光センサと９０度の角度をなすように配置すると共に、それらの中間に４５度の角度でハーフミラーを配置する構成が考えられている。この構成においては、面光源から発せられた照明光を、前記ハーフミラーにより反射させて、レンズ系の光軸と同軸となるように照射し、読取対象からの反射光（正反射像）を、前記ハーフミラーを透過させ、レンズ系を介して受光センサに結像させるようになっている（例えば特許文献１参照）。
特開２０００−２９８６９８号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載された技術でも、レンズ系が画角の拡がっていく縮小光学系であるため、液晶表示装置の画面に表示された情報コードを読取る際に、読取対象が読取口に近い場合は良いが、読取口から離れている場合に、離れれば離れるほど倍率が小さくなり、結像する情報コードに対する受光センサの割当て画素が少なくなって読取りができなくなってしまう問題点がある。また、上記のようなハーフミラーを用いた構成では、面光源から発せられた光が拡散してしまうため、光の損失が大きくなり（読取対象に照射される光量が、光源から発せられる光の３０％程度に落ちる）、光量不足を招く虞があるといった欠点がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、液晶表示装置の画面等を読取対象とする場合でも、良好な読取りを可能とする光学情報読取装置を提供するにある。

上記目的を達成するために、本発明の光学情報読取装置は、情報コードが記された読取対象に照明光を照射し、前記読取対象の画像を結像光学系により受光センサ上に結像するようにしたものにあって、前記結像光学系を、前記受光センサに近い位置に配置され前記読取対象の画像を該受光センサ上に結像する第１光学系と、この第１光学系の前方に配置され実質的に該第１光学系の視野を拡がらなくする第２光学系とから構成し、前記第２光学系の前方に、一端面が入射面とされ、他端面が出射面とされ、それらの中間の折曲部に傾斜状にカットされた形態のハーフミラー面を有したほぼＬ字形をなし、それら以外の面は内面側へ光を反射する内側反射面とされた導光部材を設け、その導光部材により、照明光源からの照明光が前記入射面から入射されて前記ハーフミラー面で反射されて前記出射面から出射され、前記読取対象からの反射光が前記出射面から入射されて前記ハーフミラー面を透過して前記結像光学系に入射されるように構成すると共に、該導光部材を、その屈折率がｎであるとすると、前記第１光学系の光軸に直交する面に対する、前記ハーフミラー面の傾斜角度θ１、及び、前記出射面の傾斜角度θ２が下記の式を満足する形状としたところに特徴を有する（請求項１の発明）。
ｎ・ｓｉｎ（θ１＋θ２−α）＝ｓｉｎθ２ ‥‥（１）
但し、α＝ｓｉｎ^-1（ｓｉｎθ１／ｎ）

これによれば、照明光源から発せられた照明光は、入射面から導光部材に入射され、ハーフミラー面で反射されて出射面から出射され、読取対象に照射される。そして、読取対象からの反射光が、出射面から導光部材に入射されてハーフミラー面を透過して結像光学系に入射されるようになる。このとき、照明光が出射面から出射される際、反射光が出射面から入射される際、反射光がハーフミラー面を透過する際に、それら光が導光部材の材質に応じた屈折率ｎで屈折する事情がある。

本発明者は、スネルの法則に従って上記（１）式を得たものであり、導光部材は、その（１）式を満足するハーフミラー面の傾斜角度θ１及び出射面の傾斜角度θ２を有しているので、読取対象が第１光学系の光軸に直交する面にほぼ平行に配置されているとすると、照明光は読取対象に真直ぐ照射されて真直ぐ反射され、正反射像を受光センサに結像することができる。これにて、読取対象が液晶表示装置の画面等であったとしても良好な読取りが可能となる。

しかも、結像光学系が、読取対象の画像を受光センサ上に結像する第１光学系の前方に第２光学系を有しており、第１光学系の視野（画角）を拡げないテレセントリック光学系が構成されているので、読取対象からの反射光を有効に取入れることができ、また、読取対象が離れている場合でも、結像する情報コードに対する受光センサの割当て画素が多くなり、良好に読取りを行うことができる。さらには、導光部材は、出射面、入射面、ハーフミラー面以外の面が、内側反射面とされているので、照明光源から発せられた照明光の拡散による損失が抑えられ、読取対象に照射される光量を確保することができる。

この場合、上記導光部材の内側反射面を、アルミ蒸着により形成することができ（請求項２の発明）、これにより、内側反射面を比較的容易且つ確実に形成することができる。尚、上記導光部材のハーフミラー面の傾斜角度θ１を、４５度あるいはその前後の角度とすることができる。

以下、本発明を、固定的に設置して使用されるいわゆる定置式の光学情報読取装置に適用した一実施例について、図１ないし図４を参照しながら説明する。図１は、本実施例に係る光学情報読取装置の要部構成を概略的に示している。この定置式の光学情報読取装置は、例えば矩形箱状をなす本体ケース１１の上面中央部に、図示しない読取口を有して構成され、読取対象１２が前記読取口の上方に平行に近接配置された状態で該読取対象１２に記された（表示された）情報コードの読取りを行うようになっている。

尚、本実施例では、例えば携帯電話機の液晶表示装置（ＬＣＤ）の画面を読取対象１２としており、その画面に表示された情報コードとしての例えばＱＲコード等の二次元コードを読取ることが可能となっている。この場合、詳しく図示はしないが、周知のように、液晶表示装置は、表面にプラスチックやガラスからなる透明な保護層を有しており、その裏面に実際に情報コードが表示される液晶層を有し、さらにその裏面側に反射面を有して構成されている。

前記本体ケース１１の内部には、前記読取対象１２に対して照射される照明光の光源となる照明光源１３、読取対象１２の画像を受光センサ１４上に結像させるための結像光学系１５、後に詳述する導光部材１６などが設けられる。そのうち、照明光源１３は、例えば複数個のＬＥＤ１３ａを備えて構成され、この場合、本体ケース１１内の図で左上部に位置して右向きに設けられている。また、前記受光センサ１４は、例えばＣＣＤエリアセンサからなり、本体ケース１１内の底部に配設された基板１７の中央部に上向きに実装されている。図示はしないが、前記基板１７には、マイコンを主体として構成され、全体の制御やデコード処理等を行う制御回路なども設けられている。

そして、図３にも示すように、前記結像光学系１５は、前記受光センサ１４に近い位置、この場合直ぐ前方（図で上部）に配設された第１光学系１８と、この第１光学系１８の前方（図で上方）に配置された第２光学系１９とから構成されている。前記第１光学系１８は、例えば鏡筒内に１枚或いは複数枚のレンズを配設して構成されており、その光軸Ｏが垂直方向を指向するように設けられている。また、前記第２光学系１９は、例えば合成樹脂製の凸レンズ（単レンズ）から構成されている。

このとき、図１、図３に結像光学系１５の視野Ｖを示す（外縁を細線で示す）ように、
前記第１光学系１８は、読取対象１２の画像を該受光センサ１４上に結像するようになっており、前記第２光学系１９は、第１光学系１８の位置に焦点を結び該第１光学系１８の視野を実質的に拡がらなくする（画角をほぼ０度とする）ようになっており、以て、第１光学系１８の視野を拡げないテレセントリック光学系が構成されている。尚、第１光学系１８及び第２光学系１９は、一緒に使用されるものとして初めから設計されるようになっている。

さて、前記導光部材１６について、図１及び図２を参照して述べる。この導光部材１６は、透明プラスチック材料例えばアクリル樹脂やポリカーボネート樹脂から、図１で左から右方向に延びほぼ直角に折曲がって上方へ延びるような、断面がほぼ正方形のＬ字形のブロック状をなすと共に、その折曲部の外側が図で左下りの傾斜状にカットされた形態に構成されている。

このとき、この導光部材１６の一端面この場合図１で左端面が、照明光が入射される入射面１６ａとされ、他端面この場合図１で上端面が、照明光が出射される出射面１６ｂとされている。そのうち入射面１６ａは、ほぼ垂直に延びると共に、全面的に微細な凹凸が形成された拡散面とされている。また、前記出射面１６ｂは、平滑面（平坦面）とされているのであるが、後述するように、水平でなく僅かに（傾斜角度θ２だけ）傾いた面とされている。そして、この導光部材１６の前記傾斜状にカットされた面は、例えばアルミ蒸着等の処理が施されてハーフミラー面１６ｃとされている。

さらに、導光部材１６の外面のうち、前記入射面１６ａ、出射面１６ｂ、ハーフミラー面１６ｃ以外の全ての面、即ち、図２に示すように、入射面１６ａを前面とすると、底面、左右の側面、出射面１６ｂを除く上面、出射面１６ｂの前後の立上り面は、導光部材１６の内面側へ光を反射する内側反射面とされている。本実施例では、それら内側反射面は、アルミ蒸着により形成されるようになっている。

この導光部材１６は、図１に示すように、前記入射面１６ａが前記照明光源１３に僅かな隙間を存して対向し、前記出射面１６ｂが前記本体ケース１１の読取口のすぐ下方に来るように配設され、結像光学系１５の視野Ｖが前記ハーフミラー面１６ｃ内に入るようになっている。これにて、照明光源１３からの照明光が入射面１６ａｂから導光部材１６内に入射され、ハーフミラー面１６ｃで反射されて出射面１６ｂから出射され、前記読取対象１２からの反射光が出射面１６ｂから導光部材１６内に入射され、ハーフミラー面１６ｃを透過して結像光学系１５に入射されるようになっている。

そして、上述のように、導光部材１６の出射面１６ｂは、図１で右側へ緩やかに下降するように、前記第１光学系１８の光軸Ｏに直交する面この場合水平面に対して、傾斜角度θ２だけ傾いて設けられている。また、前記ハーフミラー面１６は、やはり水平面に対して傾斜角度θ１だけ傾いているのであるが、本実施例では、この傾斜角度θ１は、４５度（あるいはその前後の角度）とされている。

このとき、前記傾斜角度θ２は、導光部材１６の屈折率をｎとすると、次の（１）式を満足する角度に設定されている。この（１）式は、本発明者がスネルの法則に従って、後述する作用を呈するように設定したものである。
ｎ・ｓｉｎ（θ１＋θ２−α）＝ｓｉｎθ２ ‥‥（１）
但し、α＝ｓｉｎ^-1（ｓｉｎθ１／ｎ）
本実施例の場合、導光部材１６は、その材質（アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂）から、屈折率ｎは、約１．５である。

次に、上記構成の作用について、図４も参照して述べる。例えば携帯電話機の液晶表示装置の画面からなる読取対象１２に表示された二次元コードを読取るにあたっては、本体ケース１１上面の読取口の近傍に、読取対象１２が平行に配置された状態で、照明光源１３の各ＬＥＤ１３ａが点灯される。尚、この場合、読取口近傍の物体を検出する物体検出センサ（図示せず）を設けて、その物体検出センサの検出に基づいて、読取動作を実行（開始）するように構成することができる。

照明光源１３から図１で右方に向けて発せられた光は、入射面１６ａから導光部材１６に入射され、ハーフミラー面１６ｃで約９０度の角度で上方に向けて反射されて出射面１６ｂから上方に向けて出射される。出射面１６ｂから出射された照明光は、読取口を通って読取対象１２に照射される。そして、読取対象１２からの反射光が、出射面１６ｂから導光部材１６内に入射され、ハーフミラー面１６ｃを透過して結像光学系１５に入射されるようになる。

しかして、照明光が出射面１６ｂから出射される際、反射光が出射面１６ｂから入射される際、反射光がハーフミラー面１６ｃを透過する際に、夫々それら光が導光部材１６の材質に応じた屈折率ｎで屈折する事情がある。このため、もし、図４に示すように、出射面１６ｂが、傾斜角度が０度の水平面（光軸Ｏに直交する面に平行な面）であったとすると（ハーフミラー面１６ｃの傾斜角度θ１はほぼ４５度）、読取対象１２に対して照明光が斜め方向に照射され、読取対象１２からの反射光が斜め方向に出射面１６ｂから入射され、更に屈折されることになり、反射光が、結像光学系１５の視野Ｖから外れてしまって受光センサ１４に結像しなくなる虞がある。

これに対し、本実施例では、図１に示すように、導光部材１６は、ハーフミラー面１６ｃの傾斜角度θ１（４５度）に対し、上記（１）式を満足する出射面１６ｂの傾斜角度θ２を有して構成されている。これにより、出射面１６ｂから出射される照明光は、読取対象１２に対して真直ぐ（ほぼ直角）に照射されるようになる。従って、液晶表示装置の画面の液晶層の光の透過率が低い事情があっても、表示された二次元コードに応じた強い反射光からなる画像を得ることができる。

そして、読取対象１２から真直ぐ反射された反射光が出射面１６ｂから導光部材１６に入射され、ハーフミラー面１６ｃを透過する反射光は、光軸Ｏに平行に結像光学系１５（第２光学系１９）に入射されるようになる。これにて、正反射像を受光センサ１４に結像することができ、読取対象１２が液晶表示装置の画面であったとしても良好な読取りが可能となるのである。

しかも、結像光学系１５が、読取対象１２の画像を受光センサ１４上に結像する第１光学系１８の前方に第２光学系１９を有しており、第１光学系１８の視野（画角）を拡げないテレセントリック光学系が構成されているので、読取対象１２からの反射光を有効に取入れることができ、また、読取対象１２が離れている場合でも、結像する二次元コードに対する受光センサ１４の割当て画素が多くなり、良好に読取りを行うことができる。第２光学系１９は、樹脂成型品からなる単レンズで構成できるので、比較的安価に済ませることができる。

さらに、導光部材１６は、入射面１６ａ、出射面１６ａ、ハーフミラー面１６ｃ以外の面が、全て内側反射面とされているので、照明光源１３から発せられた光が導光部材１６の外面から拡散してしまうことによる損失が抑えられ、ハーフミラー面１６ｃにおける損失のみで済んで（５０％程度が照明光として有効に利用される）、光量不足などを招くことなく読取対象１２に照射される十分な光量を確保することができる。

このように本実施例によれば、結像光学系１５の前方に、入射面１６ａ、出射面１６ａ、ハーフミラー面１６ｃを有する導光部材１６を設けると共に、そのハーフミラー面１６ｃの傾斜角度θ１及び出射面１６ｂの傾斜角度θ２を、上記（１）式を満足する形状とし、また、結像光学系１５を、テレセントリック光学系を構成するように設けたので、液晶表示装置の画面等を読取対象１２とする場合でも、良好な読取りを可能とすることができるという優れた効果を奏するものである。

尚、上記実施例では、液晶表示装置の画面を読取対象１２とする場合を例としたが、読取対象として金属などにダイレクトマーキングにより直接印字された情報コードを読取る場合にも有効である。紙などに印刷された情報コードの良好な読取りが可能であることは言うまでもない。また、上記実施例では、導光部材１６の内側反射面を、アルミ蒸着により形成するようにしたが、例えば反射テープを貼付けること等により設けるようにしても良い。導光部材の材質や形状、結像光学系の材質や構成などについても種々の変形が可能であることは勿論である。

その他、例えば、ハーフミラー面１６ｃの傾斜角度θ１は４５度に限定されるものではなく、また、定置式の光学情報読取装置に限らず、使用者が手で持って操作するハンディタイプの光学情報読取装置にも本発明を適用することができ、さらには、本発明の光学情報読取装置は、ニ次元コードの読取に限らず、バーコードなどを読取るものであっても良いなど、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施し得るものである。

本発明の一実施例を示すもので、光学情報読取装置の要部構成を概略的に示す縦断面図 導光部材の入射面側から見た斜視図 テレセントリック光学系の構成を説明するための図 導光部材の出射面に傾斜角度を設けない場合を比較のために示した図 従来例を示すもので、光学情報読取装置の基本的な構成を示す図

符号の説明

図面中、１１は本体ケース、１２は読取対象、１３は照明光源、１３ａはＬＥＤ、１４は受光センサ、１５は結像光学系、１６は導光部材、１６ａは入射面、１６ｂは出射面、１６ｃはハーフミラー面、１８は第１光学系、１９は第２光学系、Ｏは第１光学系の光軸、Ｖは視野を示す。

Claims (2)

1. 情報コードが記された読取対象に照明光を照射し、前記読取対象の画像を結像光学系により受光センサ上に結像するようにした光学情報読取装置であって、
   前記結像光学系は、前記受光センサに近い位置に配置され前記読取対象の画像を該受光センサ上に結像する第１光学系と、この第１光学系の前方に配置され実質的に該第１光学系の視野を拡がらなくする第２光学系とから構成され、
   前記第２光学系の前方に、一端面が入射面とされ、他端面が出射面とされ、それらの中間の折曲部に傾斜状にカットされた形態のハーフミラー面を有したほぼＬ字形をなし、それら以外の面は内面側へ光を反射する内側反射面とされた導光部材が設けられ、その導光部材により、照明光源からの照明光が前記入射面から入射されて前記ハーフミラー面で反射されて前記出射面から出射され、前記読取対象からの反射光が前記出射面から入射されて前記ハーフミラー面を透過して前記結像光学系に入射されるように構成されていると共に、
   該導光部材は、その屈折率がｎであるとすると、前記第１光学系の光軸に直交する面に対する、前記ハーフミラー面の傾斜角度θ１、及び、前記出射面の傾斜角度θ２が下記の式を満足する形状とされていることを特徴とする光学情報読取装置。
   ｎ・ｓｉｎ（θ１＋θ２−α）＝ｓｉｎθ２
   但し、α＝ｓｉｎ^-1（ｓｉｎθ１／ｎ）
2. 前記導光部材の内側反射面は、アルミ蒸着により形成されていることを特徴とする請求項１記載の光学情報読取装置。
   
   

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