JP3092328B2 - 光源モジュール及びこのモジュールを備えた光学的マーク読取装置と光センサ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、発光素子からの出射光
を集光し、対象物に照射する光源モジュール、及び、そ
れを用いた光学的マーク読取装置や光センサ装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、バーコードを読み取るバーコード
スキャナに用いられる光源として、例えば、図７に示す
ような半導体レーザなどの発光素子と集光レンズからな
る光源モジュールがある。この光源モジュールは、発光
素子から出射された光を集光レンズで集束して対象物へ
照射する。

【０００３】この種の光源モジュールにおける集束光の
焦点深度と集光スポット径について、図８及び図９を参
照して説明する。図８は発光点−レンズ間距離の関係を
示す。ここに、発光点９１と集光レンズ９２との間隔を
ａ、集光レンズ９２と集光位置９３との間隔をｂ、レン
ズ９２の焦点距離をｆとすると、

【数式１】１／ｆ ＝ １／ａ ＋ １／ｂ

【０００４】の関係式が成り立つ。これにより、レンズ
９２の集光距離であるｂは、

【数式２】ｂ ＝ ｆａ／（ａ−ｆ）

【０００５】により求められ、距離ａを変化させること
で、集光距離ｂを調節できる。

【０００６】一方、集光されるビーム９４は、完全に１
点に集光されるのではなく、ある大きさをもつ集光スポ
ットを形成する。このスポット径を２ｗとすると、

【数式３】２ｗ ＝ Ｋ・λ／ｓｉｎθ λ：光源の波長 θ：集光角 Ｋ：定数（０．６１０〜０．６３７）

【０００７】の関係式が成り立つ。この式により、同じ
レンズで集光した場合であっても、集光距離ｂが小さい
ほど、換言すれば集光角θが大きいほどスポット径２ｗ
は小さくなることが分かる。

【０００８】図９は、出射ビーム径とスポット径との関
係を示す。図示のように、距離ａ，ｂが一定であって
も、絞り９５によってレンズ９２の有効径が変化し、そ
れに従って集光角θが変わると、上記式よりビーム９４
のスポット径２ｗは一定ではなくなる。このように、集
光スポット径と焦点深度は、レンズ９２から集光位置９
３までの距離と光源モジュールからの出射ビーム径とに
よって定まる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】そのため、バーコード
スキャナにおいて、近距離に集光すべくレンズ位置を固
定すると、遠距離ではスポット径が大きくなり過ぎてバ
ーコードを読み取ることができなくなる。また、近距離
では最小バー幅の広いバーコードに対しては、スポット
径が小さくなり過ぎて、バーコード面上の塵埃や汚れな
ども検出してしまい、読み取りエラーが発生することが
ある。逆に、光源モジュールを遠距離に集光すべくレン
ズ位置を固定すると、近距離の読み取りができなくなる
ことがある。このように、光源モジュールが単一である
と、例えば図１０に示すように、バーコードの読み取り
深度と読み取り可能なバーの最小幅が制限される。

【００１０】上記のような不具合に対処するために、
（１）レンズから対象物までの距離を測定し、その距離
に応じてレンズの位置を駆動装置で変化させ、集光距離
を調整するものや、（２）読み取り深度の異なる複数の
光源モジュールを装置に搭載するという方法が考えられ
るが、前者の場合は、距離測定装置とレンズ駆動装置が
必要であり、後者では、複数個の光源モジュールが必要
であるので、装置全体の形状が大型化し、また重量が増
大するといった問題がある。

【００１１】本発明は、このような問題点を解決するた
めになされたものであり、発光素子から出射された光
を、集光レンズから任意の距離に、かつ、所望の一定範
囲内の集光スポット径に集光する光源モジュールを簡素
な構成で実現すると共に、この光源モジュールを備えた
光学的マーク読取装置、及び光センサ装置を提供するこ
とを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項１記載の発明は、発散光ビームを出射する
発光素子と、この発光素子から出射される光ビームを集
光する集光手段とを備え、この集光した光ビームを対象
物に照射する光源モジュールにおいて、発光素子と集光
手段との間隔を変化させることにより、集光手段による
光ビームの集光位置を調整する集光位置調整手段と、光
ビームが通過する開口の径を変化させることにより、集
光位置における光ビームの集光スポットの大きさを調整
する開口絞り手段と、発光素子と集光手段との間隔の変
化と開口絞り手段の開口径の変化とを連動させる連動手
段とを備えたものである。請求項２記載の発明は、対象
物からの反射光を受光する受光手段を備え、受光手段の
受光信号に基いて発光素子と集光手段との間隔を変化さ
せるようにした請求項１記載の光源モジュールである。
請求項３記載の発明は、対象物からの反射光を受光する
受光手段を備え、受光信号の受光信号に基いて開口絞り
手段の開口径を変化させるようにした請求項１又は２記
載の光源モジュールである。請求項４記載の発明は、請
求項１，２又は３記載の光源モジュールを備えた光学的
マーク読取装置である。請求項５記載の発明は、請求項
１，２又は３記載の光源モジュールを備えた光センサ装
置である。

【００１３】

【作用】請求項１記載の構成により、集光位置調整手段
によって発光素子と集光手段との間隔を変化させ、発光
素子から出射された発散光ビームの集光手段による集光
位置を調整する。また、開口絞り手段によって開口絞り
の大きさを変化させ、集光位置における光ビームの集光
スポットの大きさを調整し、発光素子と集光手段との間
隔の変化と、開口絞り手段の開口径の変化とを連動手段
によって連動させる。これにより、近距離から遠距離ま
で一様なビーム径が得られる。請求項２記載の構成によ
り、対象物からの反射光を受光手段によって受光し、そ
の受光信号に基いて発光素子と集光手段との間隔をフィ
ードバック制御する。請求項３記載の構成により、対象
物からの反射光を受光手段によって受光し、その受光信
号に基いて開口絞り手段の開口径をフィードバック制御
する。請求項４記載の構成により、光源からの集光位置
及び、その集光位置における光ビームの集光スポットの
大きさを調整して、マーク読み取りを行なう。請求項５
記載の構成により、光源からの集光位置及び、その集光
位置における光ビームの集光スポットの大きさを調整し
て、光センサとして動作する。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の一実施例について図面を参照
して説明する。図１は本実施例による光源モジュールの
断面構成を示し、同図（ａ）は集光レンズを発光素子に
近付け、同時に絞りは開口径を拡大した状態、（ｂ）は
集光レンズを発光素子から遠ざけ、同時に絞りは開口径
を縮小した状態である。光源モジュールの筐体１に発散
光を出射する発光素子２が備えられ、この発光素子２か
らの光の経路上には、光を集束させるための集光レンズ
３（集光手段）が配設されている。この集光レンズ３
は、筐体１にベアリング５を介して移動可能に支持され
たホルダ４に支持されており、光軸方向に移動可能とな
っている。このように発光素子２と集光レンズ３との間
隔を調整し得る構造でもって集光位置調整手段を構成し
ている。集光レンズ３にはフレネルレンズを用いてもよ
い。また、この集光レンズ３の前方には光の通る開口径
の可変な絞り６（開口絞り手段）が配設されている。こ
の絞り６はホルダ４に形成された溝部４ａ内に滑動可能
に装着されている。この絞り６は絞りを構成する各部材
が開口の半径方向へ滑動することにより絞り開口径が拡
大もしくは縮小する。

【００１５】さらに、集光レンズ３の移動と絞り６開口
径の変化とを連動させるためにＬ字型の連動レバー９
（連動手段）が設けられている。この連動レバー９はそ
の先端部９ａが絞り６に支持され、支点部９ｂが筐体１
に支持されている。該レバー９を下方へ下げると、テコ
の原理で集光レンズ３はホルダ４ごと光軸方向に移動
し、発光素子２に近付く。同時に絞り６は開口径が拡大
する。集光レンズ３の位置つまり、発光素子２と該レン
ズ３との間隔の変化と絞り６の開口径の変化との連動関
係は、光源モジュールの用途や目的に応じて適宜に設定
すればよく、これは、連動レバー９の大きさや形状、先
端部９ａと支点部９ｂの位置などにより決まる。

【００１６】次に、絞り６の具体的構成例を説明する。
図２、図３はそれぞれ絞り６を光軸方向から図である。
図２の例では、いわゆる虹採絞りを採用している。絞り
６は、前記連動レバー９が図１（ａ）に示す位置にある
時に、図２（ａ）の開口状態となり、図１（ｂ）に示す
位置にある時に図２（ｂ）の開口状態となる。図３は、
円盤状の絞り部材８に楕円開口８ａを設けた楕円開口絞
り６を採用している。図３の破線は、発光素子２にレー
ザダイオードを用いた時の出射ビームパターンを示す。
図３（ａ）では開口８ａの楕円長軸方向がビームパター
ンの長軸方向と一致しているので、出射光は、絞り６に
よって遮断されることなく通過する。一方、図３（ｂ）
では、開口８ａの長軸方向とビームパターンの長軸方向
とが直交しているので、出射ビームは絞り６によって大
きく蹴られる。この構成では、図２に比べて絞り６の構
造が簡単となる。なお、図３の楕円開口絞り６の場合
は、上記連動レバー９の構成を変更し、レバーの動きに
より絞り部材が回転するような機構とする必要がある。

【００１７】以上の構成により、発光素子２から発散光
を出射し、これを集光レンズ３によって集束させ、その
集束光を対象物に照射する。このとき、集光距離に関わ
らずに、出射光の集光スポット径がほぼ同一となるよう
に制御すれば、バーコードの読み取りに際して、対象物
の遠近に関わらず読み取りが可能となり、読み取り深度
が拡大する。本実施例構成によれば、発光素子２と集光
レンズ３の間隔と絞り６の開口径とを連動して調整する
ことができる。すなわち、集光レンズ３が発光素子２に
近付き、集光距離が長いときは、絞り６の開口径を拡大
するために、また、発光素子２から遠ざかり、集光距離
が短いときは、絞り６の開口径を縮小するように、手動
または自動的に連動させる。これにより、集光距離に関
わらず出社光の集光スポット径がほぼ一定となるように
することができる。

【００１８】このような光源をバーコードスキャナの光
源として用いることにより、単一光源での焦点深度が拡
大される。これにより、対象物の遠近や読取りサイズに
柔軟に対応できる光源モジュールを、距離測定装置やレ
ンズ駆動装置などの大掛りな機構を用いずに、小型で簡
単な構成により実現できる。

【００１９】図４は、本発明の他の実施例構成を示す。
この実施例は、集光レンズ３の位置と絞りとを自動的に
連動して調整できるようにしたものであり、発光素子
２、集光レンズ３及び絞り６を有し、集光レンズ２と絞
り６とを連動させて駆動する駆動装置２１と、出射光の
測定対象物２０による反射光を受ける受光系２２と、そ
の受光信号を生成する受信回路２３と、駆動装置２１を
受信回路２３からの信号に基づいて制御し、かつ検出信
号を出力する制御回路２４から構成される。この構成に
より、受光系２１及び受信回路２３による受光信号に基
づいて、測定対象物が焦点深度内に入っているかどうか
が分かるので、制御回路２４は駆動装置２３を駆動制御
し、集光レンズ３の移動と絞り６とを連動して自動調節
する。これにより、測定対象物を自動にて正確に読み取
ることができる。

【００２０】図５は、本発明の光源モジュールを用いた
バーコードスキャナ装置の構成を示す。本装置は、光源
モジュール３１と、その出射光を用いてバーコードラベ
ル３０を読取る光スキャナ３２と、バーコードラベル３
０による反射光を受光する受光系３３と、光源モジュー
ル３１を駆動するドライバ３４と、受光系３３からの受
光信号を受ける受信回路と、全体を制御する制御回路と
を含む制御部３５から構成されている。光源モジュール
３１から出射された光が、光スキャナ３２を介してバー
コードラベル３０に照射され、その反射光が受光系３３
にて受光される。この受光出力に応じて制御部３５の受
信回路により受光信号を生成し、この信号に基づいて制
御回路からドライバ３４を介して光源モジュール３１に
制御指令が出力される。光源モジュール３１は、指令に
応じて集光レンズの位置と絞りを調整し、バーコードラ
ベル３０までの距離すなわち集光距離に関わらず、常に
一定サイズの集光スポットを作る。これにより、単一の
光源モジュールの焦点深度が拡大することになるので、
従来と同程度のサイズや重量の装置でも、読み取り深度
を大きくすることができる。

【００２１】図６は、本発明の光源モジュールを用いた
光電センサ装置の構成を示す。本装置は、光源モジュー
ル４１と、検出対象物４０による反射光を受光する受光
系４３と、光源モジュール４１を駆動するドライバ４４
と、受信回路と制御回路とからなる制御部４５から構成
される。光源モジュール４１から出射された検出光が検
出対象物４０に照射され、その反射光を受光系４３にて
受光し、その出力に応じて制御部４５の制御回路から光
源モジュール４１に制御指令が出力され、その指令に応
じて集光レンズや絞り機構が駆動されて、適正な検出が
行なえるように検出光の集光距離やビーム径が調整され
る。

【００２２】これにより、焦点深度を拡大することがで
き、検出対象物４０の遠近に関わらず、常に適正な検出
が行なえる。また、検出対象物４０の表面に凹凸があっ
たり、対象物が移動する場合でも、適時、自動的に検出
光が調節されるので、検出作業の軽減と迅速化が図れ
る。

【００２３】以上、本発明は上記実施例構成に限られる
ものではなく種々の変形が可能である。例えば、光源モ
ジュールに前記図１に示した連動レバー９と、図４の自
動調節機構の両方を備え、用途や使用状況に応じて手動
／自動を切り替えるようにしてもよい。また、図５に示
したようなバーコードの読み取りのみならず、種々のマ
ークの光学的な検出にも適用できる。

【００２４】

【発明の効果】以上のように、請求項１の発明によれ
ば、光源モジュールにおいて、集光レンズの位置と絞り
とを調整できるようにし、しかも、集光レンズの移動と
絞りの調節とを連動させるようにしているので、集光レ
ンズの位置と絞りの開口との関係を適正に保持しつつ、
集光スポット径をほぼ一定にすることができる。これに
より、近距離から遠距離まで集光距離に関わらず、一様
な径の集光スポットが得られ、従って、単一光源であり
ながら、焦点深度が大きく、バーコードスキャナの光源
として使用した場合に、的確にバーコードの読み取りを
行なうことができる。請求項２又は３の発明によれば、
対象物からの反射光を受光する受光手段の受光出力に基
いて集光レンズの位置や絞りを調節するようにしている
ので、出射光の自動調整が可能となり、繁雑な調整作業
から解放される。請求項４又は５の発明によれば、読み
取り対象物までの距離や大きさに関わらず、正確な読み
取り、検出が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による光源モジュールの構成
図である。

【図２】同光源モジュールの絞り機構の構成例である。

【図３】同光源モジュールの絞り機構の構成例である。

【図４】自動調節機能を備えた光源モジュールの構成図
である。

【図５】光源モジュールを用いたバーコードスキャナ装
置の構成図である。

【図６】光源モジュールを用いた光電センサ装置の構成
図である。

【図７】従来のバーコードスキャナ装置の光源モジュー
ルの構成図である。

【図８】レンズ位置と焦点深度との関係を説明するため
の図である。

【図９】出射光のビーム径と集光スポット径との関係を
説明するための図である。

【図１０】従来のバーコードスキャナ装置の読み取り特
性を示す図である。

【符号の説明】

２ 発光素子 ３ 集光レンズ ６ 絞り ９ 連動レバー ２１ 駆動装置 ２２ 受光系 ２３ 受信回路 ２４ 制御回路 ３１ 光源モジュール ４１ 光源モジュール

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G06K 7/015 G06K 7/10 G02B 26/00

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 発散光ビームを出射する発光素子と、こ
   の発光素子から出射される光ビームを集光する集光手段
   とを備え、この集光した光ビームを対象物に照射する光
   源モジュールにおいて、 上記発光素子と集光手段との間隔を変化させることによ
   り、該集光手段による光ビームの集光位置を調整する集
   光位置調整手段と、 光ビームが通過する開口の径を変化させることにより、
   上記集光位置における光ビームの集光スポットの大きさ
   を調整する開口絞り手段と、 上記発光素子と集光手段との間隔の変化と上記開口絞り
   手段の開口径の変化とを連動させる連動手段と を備えた
   ことを特徴とする光源モジュール。
2. 【請求項２】 上記対象物からの反射光を受光する受光
   手段を備え、該受光手段の受光信号に基いて上記発光素
   子と集光手段との間隔を変化させるようにしたことを特
   徴とする請求項１記載の光源モジュール。
3. 【請求項３】 上記対象物からの反射光を受光する受光
   手段を備え、該受光信号の受光信号に基いて上記開口絞
   り手段の開口径を変化させるようにしたことを特徴とす
   る請求項１又は２記載の光源モジュール。
4. 【請求項４】 請求項１，２又は３記載の光源モジュー
   ルを備えたことを特徴とする光学的マーク読取装置。
5. 【請求項５】 請求項１，２又は３記載の光源モジュー
   ルを備えたことを特徴とする光センサ装置。