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WO2011052770A1 - 光学的情報読取装置 - Google Patents

光学的情報読取装置 Download PDF

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Publication number
WO2011052770A1
WO2011052770A1 PCT/JP2010/069432 JP2010069432W WO2011052770A1 WO 2011052770 A1 WO2011052770 A1 WO 2011052770A1 JP 2010069432 W JP2010069432 W JP 2010069432W WO 2011052770 A1 WO2011052770 A1 WO 2011052770A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
imaging
distance
lens
optical
information
Prior art date
Application number
PCT/JP2010/069432
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
川島安武
田中葉
小見聡
Original Assignee
株式会社オプトエレクトロニクス
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 株式会社オプトエレクトロニクス filed Critical 株式会社オプトエレクトロニクス
Priority to JP2011538517A priority Critical patent/JP5637995B2/ja
Priority to EP10826900.2A priority patent/EP2495593B1/en
Publication of WO2011052770A1 publication Critical patent/WO2011052770A1/ja
Priority to US13/459,969 priority patent/US8439266B2/en

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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00—Simple or compound lenses
    • G02B3/12—Fluid-filled or evacuated lenses
    • G02B3/14—Fluid-filled or evacuated lenses of variable focal length
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/004—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements based on a displacement or a deformation of a fluid
    • G02B26/005—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements based on a displacement or a deformation of a fluid based on electrowetting
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B7/00—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements
    • G02B7/28—Systems for automatic generation of focusing signals
    • G02B7/30—Systems for automatic generation of focusing signals using parallactic triangle with a base line
    • G02B7/32—Systems for automatic generation of focusing signals using parallactic triangle with a base line using active means, e.g. light emitter
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03B—APPARATUS OR ARRANGEMENTS FOR TAKING PHOTOGRAPHS OR FOR PROJECTING OR VIEWING THEM; APPARATUS OR ARRANGEMENTS EMPLOYING ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ACCESSORIES THEREFOR
    • G03B13/00—Viewfinders; Focusing aids for cameras; Means for focusing for cameras; Autofocus systems for cameras
    • G03B13/32—Means for focusing
    • G03B13/34—Power focusing
    • G03B13/36—Autofocus systems
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06K—GRAPHICAL DATA READING; PRESENTATION OF DATA; RECORD CARRIERS; HANDLING RECORD CARRIERS
    • G06K7/00—Methods or arrangements for sensing record carriers, e.g. for reading patterns
    • G06K7/10—Methods or arrangements for sensing record carriers, e.g. for reading patterns by electromagnetic radiation, e.g. optical sensing; by corpuscular radiation
    • G06K7/10544—Methods or arrangements for sensing record carriers, e.g. for reading patterns by electromagnetic radiation, e.g. optical sensing; by corpuscular radiation by scanning of the records by radiation in the optical part of the electromagnetic spectrum
    • G06K7/10712—Fixed beam scanning
    • G06K7/10722—Photodetector array or CCD scanning
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06K—GRAPHICAL DATA READING; PRESENTATION OF DATA; RECORD CARRIERS; HANDLING RECORD CARRIERS
    • G06K7/00—Methods or arrangements for sensing record carriers, e.g. for reading patterns
    • G06K7/10—Methods or arrangements for sensing record carriers, e.g. for reading patterns by electromagnetic radiation, e.g. optical sensing; by corpuscular radiation
    • G06K7/10544—Methods or arrangements for sensing record carriers, e.g. for reading patterns by electromagnetic radiation, e.g. optical sensing; by corpuscular radiation by scanning of the records by radiation in the optical part of the electromagnetic spectrum
    • G06K7/10792—Special measures in relation to the object to be scanned
    • G06K7/10801—Multidistance reading
    • G06K7/10811—Focalisation

Definitions

  • the present invention relates to an optical information reader for reading a code symbol such as a bar code or a two-dimensional code.
  • Bar codes that are one-dimensional code information are well known for the purpose of merchandise management and inventory management.
  • a two-dimensional code is known as a code having a higher information density.
  • a method is known in which a two-dimensional code is photographed with a solid-state imaging device such as a CMOS image sensor or a CCD image sensor, and the image is subjected to various processing and then binarized and decoded. Yes.
  • CMOS image sensor used in such a device that reads code information is functionally the same as that mounted on a digital camera or the like. Is required. For example, in the case of inventory management or the like, it is used when an image of a position where the article is stored together with the target article is stored in a database together with code information.
  • the mobile phone is equipped with a small camera using the above-described CMOS image sensor.
  • Most of the camera functions of mobile phones include a barcode / two-dimensional code scanner and an OCR (optical character reader), as well as images of landscapes and people, like ordinary digital cameras. is there.
  • a method is often used in which a lens is arranged so as to move along the optical axis, a distance at which a code symbol is focused is calculated, and the lens is moved to a position suitable for the distance (for example, patents).
  • Reference 1 In addition to the fixed position, a simple autofocus function that stores the lens position in two steps, short distance and long distance, in the memory and moves the lens in the short distance direction or the long distance direction when imaging fails. Used (see, for example, Patent Document 2).
  • a technology that forms a light wavefront modulation element by combining a large number of lenses, has a diaphragm function, and performs focus adjustment according to the distance to the reading object is also mounted on the optical reading device (for example, a patent) Reference 3).
  • Optical information readers such as code scanners are required to be smaller and more integrated. Large volumes cannot be used, especially when an optical information reader is incorporated as part of the device, such as a mobile phone. A lens optical unit takes the most volume in the optical information reader. In Documents 1 and 2, since it is necessary to secure a space in which the lens moves, it is not possible to reduce that part.
  • the document 4 since the document 4 has a configuration in which two or more ordinary optical bodies are mounted, the casing itself becomes large and the cost increases.
  • a lens having a small effective diameter may be used in order to design an optical body small.
  • the lens is small, focusing / imaging is difficult, and a function and a member for correcting the inconvenience are necessary.
  • miniaturization cannot be realized, resulting in increased costs.
  • the present invention has been made to solve such a problem, and realizes high-accuracy and high-speed imaging of code symbols with a simple configuration, and the apparatus itself is also small and can be manufactured at low cost. It is an object of the present invention to provide an optical information reading device that can be used.
  • the present invention provides an imaging optical system having a variable focus lens that adjusts a focal position, an imaging unit that images an imaging object imaged by the imaging optical system, an imaging object, A distance measuring means for measuring the distance of the image, and calculating the distance to the imaging object using the distance measuring means, and controlling the imaging optical system based on the calculated distance information to form an image on the imaging means
  • Control means for controlling the imaging means to take an image of the imaging target, and the control means measures in advance the distance measurement parameters used in calculating the distance to the imaging target, and is specific to the measured device.
  • This is an optical information reader that stores distance measurement parameters and calculates the distance to the object to be imaged using distance measurement parameters unique to the apparatus.
  • the distance measurement parameters used in the calculation of the distance to the object to be imaged are measured in advance, the measured distance measurement parameters specific to the apparatus are stored, and the object to be imaged such as a code symbol is stored.
  • auto-focusing is performed by calculating the distance to the object to be imaged using distance measurement parameters unique to the apparatus.
  • the present invention it is possible to improve the accuracy of distance measurement without performing fine adjustment of the lens position and the like after assembly, so the time required for autofocus and imaging and decoding can be shortened, and high-speed code Symbol imaging can be realized.
  • the imaging optical system is altered due to changes over time or the like, it is possible to control the imaging target object to form an image.
  • the configuration using the liquid lens as the variable focus lens can cope with the deterioration of the liquid lens due to temperature or the like, and can realize high-speed code symbol imaging even when used for a long period of time. Thereby, the user of an apparatus can image many code symbols continuously without stress.
  • FIG. 1 is a functional block diagram showing an example of the optical information reading apparatus according to the present embodiment.
  • 1A of optical information readers of this Embodiment are the camera module 10 which images the code symbol 100 which is an imaging target object, and the decoder which controls imaging, focus adjustment, decoding, data transfer, etc. which are performed by the camera module 10 200.
  • the optical information reader 1A has a configuration in which components such as a camera module 10 and a decoder 200 are mounted on a housing (not shown), for example, and a user can take the code symbol 100 by hand.
  • the camera module 10 includes an imaging optical system 11 having an autofocus function for adjusting a focal position, a solid-state imaging device 12 that images a code symbol 100 imaged by the imaging optical system 11, and a code symbol from the solid-state imaging device 12.
  • a distance measuring laser 13 for measuring a distance up to 100 is provided.
  • the imaging optical system 11 includes a main lens 2 and a variable focus lens 3.
  • the main lens 2 is a fixed focus lens composed of one or a plurality of optical lenses.
  • the varifocal lens 3 is disposed downstream of the main lens 2 and has a function of forming an image of light transmitted through the main lens 2 on the solid-state imaging device 12.
  • the variable focus lens 3 may include, for example, a mechanism that mechanically moves one or a plurality of optical lenses along the optical axis, and may realize an autofocus function.
  • the varifocal lens 3 may be composed of the liquid lens 30 as a device that realizes an autofocus function without using a mechanism for mechanically moving the lens.
  • FIG. 2A is a configuration diagram showing the concept of a liquid lens.
  • a highly conductive aqueous solution 31 and an insulating oil 32 are sealed in a container 33 having transparent windows that transmit light on two opposing surfaces.
  • the liquid lens 30 includes an electrode 34a in contact with the aqueous solution 31 and an electrode 34b in contact with both the aqueous solution 31 and the oil 32 through an insulating portion.
  • the liquid lens 30 can change the shape of the boundary surface 35 between the aqueous solution 31 and the oil 32 when electricity is applied from the electrodes 34 a and 34 b and a voltage is applied to the aqueous solution 31. Such a phenomenon is called an electrowetting phenomenon.
  • an electrowetting phenomenon By changing the curvature of the boundary surface 35 between the aqueous solution 31 and the oil 32, the focal position can be moved and focusing can be performed.
  • variable focus lens 3 may be a liquid crystal lens capable of realizing an autofocus function without using a mechanically moving mechanism like the liquid lens 30.
  • FIG. 2B is a configuration diagram illustrating the concept of a liquid crystal lens.
  • the liquid crystal lens 36 has a configuration in which a liquid crystal layer 37 having a homogeneous (non-twisted) molecular arrangement is sealed between glass plates 38, and transparent electrodes 39 a and 39 b made of metal oxide are formed on each glass plate 38.
  • the liquid crystal lens 36 applies a voltage to the transparent electrodes 39a and 39b and adjusts the applied voltage, whereby the alignment state of the liquid crystal molecules 37a changes.
  • the refractive index changes by changing the alignment state of the liquid crystal molecules 37a
  • the focal length changes by changing the refractive index.
  • the liquid crystal lens 36 can move the focal position by adjusting the voltage to be applied and can perform focusing.
  • the solid-state imaging device 12 is an example of an imaging unit, and is configured by, for example, a CMOS image sensor, and converts an optical signal into an electrical signal and outputs the electrical signal.
  • the optical information reading apparatus 1 ⁇ / b> A performs imaging by imaging reflected light from the code symbol 100 at an arbitrary distance on the solid-state imaging device 12 by the imaging optical system 11. This is because the contents of the code symbol 100 cannot be decoded unless the image is clearly captured.
  • the optical information reading apparatus 1A the distance to the code symbol 100 is measured, and the imaging optical system 11 is controlled so that the focal position is aligned with the measured distance. For this reason, the optical information reading apparatus 1 ⁇ / b> A is provided with a distance measuring unit using laser light in the camera module 10.
  • the other is parallax technology, which irradiates light to form a spot on the imaging object, measures the position of the spot on the imaging object, and measures the distance of the imaging object. It is calculated from the spot position.
  • the optical information reader 1A includes a distance measuring laser 13 as a distance measuring means in order to perform distance measurement using a parallax method.
  • the distance measuring laser 13 is configured to irradiate the code symbol 100 imaged on the solid-state image sensor 12 by the imaging optical system 11, and the light reflected by the code symbol 100 is incident on the solid-state image sensor 12.
  • the position of the spot formed on the code symbol 100 by the laser light emitted from the distance measuring laser 13 changes depending on the distance to the code symbol 100 and appears as the position of the reflected light incident on the solid-state imaging device 12.
  • the optical information reading apparatus 1A measures the position on the solid-state imaging device 12 of the light irradiated from the distance measuring laser 13 and reflected by the code symbol 100, thereby obtaining the distance to the code symbol 100.
  • the variable focus lens 3 includes the liquid lens 30, the relationship between the voltage applied to the liquid lens 30 and the focal length is obtained in advance, and a voltage corresponding to the distance to the code symbol 100 is obtained.
  • the reflected light from the code symbol 100 at an arbitrary distance is imaged on the solid-state imaging device 12 by the imaging optical system 11 to perform imaging.
  • the variable focus lens 3 is composed of the liquid crystal lens 36, the relationship between the voltage applied to the liquid crystal lens 36 and the focal length is obtained in advance, and according to the distance to the code symbol 100.
  • the reflected light from the code symbol 100 at an arbitrary distance is imaged on the solid-state imaging device 12 by the imaging optical system 11, and imaging is performed.
  • the optical information reading apparatus 1 ⁇ / b> A including the imaging optical system 11 configured by the liquid lens 30. Temperature compensation is required. For this reason, the optical information reader 1 ⁇ / b> A includes the thermistor 14 in the camera module 10 as temperature detection means for detecting the temperature of the liquid lens 30 and the vicinity of the liquid lens 30.
  • the optical information reader 1 ⁇ / b> A corrects the focal position of the liquid lens 30 derived from the distance information to the code symbol 100 obtained using the distance measuring laser 13 with the temperature information detected by the thermistor 14, so that the accurate information is obtained. Achieve autofocus. Similarly, the liquid crystal lens 36 can realize accurate autofocus by temperature compensation.
  • the optical information reading apparatus 1A may include the illumination LED 15 for irradiating the guide light indicating that the code symbol 100 is within the readable range in the camera module 10, but the illumination LED 15 is appropriately provided. However, it may not be mounted depending on the shape of the apparatus and the purpose of use.
  • the decoder 200 includes an ASIC (Application Specific Integrated Circuit) 210 as control means for performing control such as focus adjustment and imaging performed by the camera module 10 and control of decoding and data transfer of signals output from the camera module 10. .
  • ASIC Application Specific Integrated Circuit
  • various data are written and read by the SDRAM 220, the FROM 230, and the like.
  • the optical information reading apparatus 1A is a scanner that can read a bar code and a two-dimensional code, but can also read characters if OCR software is installed.
  • the ASIC 210 may be a combination of a CPU and an LSI such as an FPGA (Field Programmable Gate Array).
  • the optical information reader 1A stores a relationship table between the distance to the code symbol 100 and the voltage to be applied to the liquid lens 30 in the ASIC 210, so that voltage information corresponding to the distance to the code symbol 100 measured is obtained. It can be acquired.
  • the distance to the code symbol 100 is obtained by measuring the position on the solid-state imaging device 12 of the light irradiated from the ranging laser 13 and reflected by the code symbol 100.
  • a correction table based on the ambient temperature of the liquid lens 30 is stored in the ASIC 210.
  • the liquid lens 30 needs a standby time until image capturing after voltage is applied, but the standby time until image capturing also varies depending on temperature. In general, the higher the temperature, the shorter the waiting time. For example, the waiting time at 60 ° C. is much shorter than the waiting time at 25 ° C. Therefore, a relationship table between the ambient temperature of the liquid lens 30 and the imaging standby time is stored in the ASIC 210.
  • an optimum focus adjustment is performed and a clear image can be captured.
  • a relationship table between the distance to the code symbol 100 and the voltage to be applied to the liquid crystal lens 36 is stored in the ASIC 210, and by referring to the table, the optimum focus adjustment is performed and the clearness is achieved. Can capture various images.
  • FIG. 3 is an explanatory diagram of an optical system showing a distance measuring method using a parallax method
  • FIG. 4 is an explanatory diagram of the optical system showing a method for obtaining position information of a distance measuring laser as a distance measuring parameter necessary for distance measurement.
  • a variable focus composed of an object plane M including the code symbol 100 shown in FIG. 1 that is an imaging target, a main lens 2 that is a fixed focus lens, and a liquid lens 30, for example.
  • the distance x from the origin plane O of the imaging optical system 11 including the lens 3 is obtained by the following equation (1).
  • the design values of the optical information reader 1A are the distance a between the distance measuring laser 13 and the origin plane O of the optical axis of the imaging optical system 11, the half angle of view ⁇ 1 , The angle ⁇ 2 formed between the distance measuring laser 13 and the origin plane O of the optical axis of the imaging optical system 11 and the distance R from the center of the solid-state imaging device 12 stretched by the half angle of view to the short point, and the distance x is It is obtained from the position r at which the laser spot Sp is reflected on the imaging surface E of the solid-state imaging device 12.
  • the distance a from the optical axis of the distance measuring laser 13 needs to be set to a design value given by a machine dimension so that an error at the design stage does not become a problem.
  • the calculation process for obtaining the distance x to the code symbol 100 requires the distance a from the optical axis of the distance measuring laser 13 and the angle ⁇ 2 formed by the distance measuring laser 13 and the optical axis. It is necessary to give the distance a from the optical axis and the angle ⁇ 2 formed by the distance measuring laser 13 and the optical axis with a mechanical tolerance that does not cause an error.
  • the distance a from the optical axis of the distance measurement laser 13 and the angle ⁇ 2 formed by the distance measurement laser 13 and the optical axis are measured and stored in the nonvolatile memory of the ASIC 210 shown in FIG.
  • the distance x to the code symbol 100 can be accurately obtained, and the distance a from the optical axis of the distance measuring laser 13 and the angle ⁇ 2 formed by the distance measuring laser 13 and the optical axis are difficult machines.
  • the accuracy required for distance measurement can be ensured without taking tolerances and without performing mechanical adjustment during assembly.
  • a method for obtaining the distance a from the optical axis of the distance measuring laser 13 required for distance measurement and the angle tan ⁇ 2 formed by the distance measuring laser 13 and the optical axis without performing mechanical adjustment will be described below with reference to FIG. This will be described with reference to the above.
  • Object plane M 1 , object plane M 2 ,... Object plane M p are set at predetermined distances x 1 , x 2 ,... X p , and distance measurement is performed on the object plane set at a predetermined distance.
  • the distance a from the optical axis of the distance measuring laser 13 necessary for distance measurement and the angle tan ⁇ 2 formed by the distance measuring laser 13 and the optical axis are expressed by the following equation (5). And (6).
  • the method for obtaining the distance a from the optical axis of the distance measuring laser 13 and the angle tan ⁇ 2 formed by the distance measuring laser 13 and the optical axis most efficiently required for distance measurement is the closest determined by the specifications.
  • the object plane is set at two fixed points of the distance and the farthest distance, and two parameters a and tan ⁇ 2 of distance information and angle information are obtained.
  • FIG. 5A and 5B show the measurement distance when the distance is calculated using the position information of the distance measuring laser measured by applying the present invention (the angle ⁇ 2 between the distance a from the optical axis and the optical axis).
  • FIG. 6A and FIG. 6B are diagrams showing the comparison results of the calculated values.
  • the position of the distance measuring laser is determined only by the mechanical tolerance, and the distance is calculated by the design value without performing mechanical adjustment. It is a table
  • FIGS. 8A and 8B are explanatory diagrams showing the relationship between the position of the distance measuring laser and the laser spot formed on the imaging surface of the solid-state imaging device, and FIGS. 8A and 8B are methods for obtaining a range for imaging and searching for the laser spot.
  • a method for shortening the time required for ranging in the optical information reading apparatus 1A to which the parallax method is applied will be described.
  • the time required for ranging depends on the area S where the laser spot Sp by the reflected light of the ranging laser 13 moves within the imaging surface E of the solid-state imaging device 12. If the area S in which the laser spot Sp moves is minimized, the imaging time and the range for searching for the laser spot Sp on the imaging surface E of the solid-state imaging device 12 are minimized, and the time required for ranging is minimized.
  • the range in which the laser spot Sp moves can be minimized as shown in FIG. 7B.
  • the distance measuring laser 13 is attached to the position A on the central axis O 1 of the solid-state image pickup device 12, the laser spot Sp on the image pickup surface E of the solid-state image pickup device 12 as shown in FIG.
  • the range in which is moved is within the area SA along the central axis O 1 of the solid-state imaging device 12 according to the distance to the object plane M. Further, as shown in FIG.
  • the distance measuring laser 13 is attached to the position B on the central axis O 2 of the solid-state imaging device 12, a laser spot Sp on the imaging surface E of the solid-state imaging device 12 as shown in FIG. 7B.
  • the range in which is moved is within the area SB along the central axis O 2 of the solid-state imaging device 12 according to the distance to the object plane M.
  • the optical axis of the distance measuring laser 13 is inclined depending on the adjustment of the assembly, and the area SC shown in FIG. It becomes a system that moves in such a range.
  • the time required for ranging was increased by mechanically adjusting the tilt of the optical axis of the ranging laser during assembly so that the area where the laser spot moves was minimized. It takes time and effort to increase the product cost. Further, if the area in which the laser spot moves is set to a size that takes into account variations in the optical axis of the distance measuring laser, the time required for distance measurement becomes longer.
  • the position of the laser spot Sp of the ranging laser 13 formed on the imaging surface E of the solid-state imaging device 12 is used as a ranging parameter. Measured and stored in the non-volatile memory of the ASIC 210 shown in FIG.
  • the minimum image range including the laser spot Sp at the two fixed points of the closest distance and the farthest distance, for example, a rectangular area is imaged.
  • the time required for image acquisition is reduced.
  • searching for the laser spot Sp the search is performed from an average axis that moves between two points of the laser spot Spn at the closest distance and the laser spot SPf at the farthest distance, for example, on a straight line connecting the two points. I do.
  • FIG. 8A and 8B show an example in which the ranging laser 13 is attached on the central axis O 1 in the vertical direction of the solid-state imaging device 12.
  • FIG. 8A shows a case where there is no assembly error and the distance a from the optical axis of the distance measuring laser 13 and the angle ⁇ 2 formed by the distance measuring laser 13 and the optical axis coincide with the design value.
  • the laser spot Spn at the closest distance and the laser spot SPf at the farthest distance are formed on the vertical center axis O 1 on the imaging surface E of the solid-state imaging device 12, and therefore the laser spot Sp
  • the search axis P 1 starts from a line segment that coincides with the vertical center axis O 1 of the solid-state imaging device 12. Further, image acquisition for distance measurement is performed with respect to an imaging range P 2 that is symmetric with respect to the central axis O 1 in the vertical direction of the solid-state imaging device 12.
  • FIG. 8B shows a case where an assembly error occurs and the distance a from the optical axis of the distance measuring laser 13 and the angle ⁇ 2 formed by the distance measuring laser 13 and the optical axis do not match the design value.
  • the search axis P 3 of the laser spot Sp passes through the center of two points of the laser spot Spn at the closest distance and the laser spot SPf at the farthest distance, and the central axis O in the vertical direction of the solid-state imaging device 12. Start with a line parallel to 1 . Further, image acquisition for distance measurement is performed for an imaging range P 4 that is approximately symmetric with respect to a search axis that passes through the center of the two laser spots.
  • FIG. 9 is a table showing the time required for measurement when the distance is calculated using the search range obtained from the position information of the laser spot measured by applying the present invention
  • FIG. 10 shows the optical axis as a comparative example. It is a table
  • the distance relationship n is measured and a distance-voltage table TB is created and stored in the nonvolatile memory of the ASIC 210.
  • the optical information reading apparatus 1A shown in FIG. 1 acquires distance information L, acquires voltage information V n corresponding to the distance information L, and controls the liquid lens 30 with an auto-loop by auto-focusing.
  • the code symbol 100 is imaged.
  • the aqueous solution or oil in the liquid lens 30 is altered, the setting of the distance-voltage table TB created and stored in advance, and the state of the liquid lens 30 May not match.
  • FIG. 11 is a graph showing the relationship between the applied voltage and the refractive index due to changes over time.
  • the relationship between the applied voltage and the refractive index in the initial state of the liquid lens 30 is indicated by a solid nV curve N 0 , and the relationship between the applied voltage and the refractive index in the distance-voltage table stored in the optical information reader 1A. Is shown by an alternate long and short dash line nV curve N 1 , and the relationship between the applied voltage and the refractive index in the altered state of the liquid lens 30 is shown by an alternate long and two short dashes line nV curve N 2 .
  • a refractive index that can focus on the distance obtained by the measurement when a voltage is applied to the liquid lens 30 with reference to the distance-voltage table TB is shown by an alternate long and short dash line nV curve N 1 in FIG.
  • nV curve N 1 A refractive index that can focus on the distance obtained by measurement when a voltage is applied to the liquid lens 30 with reference to the distance-voltage table TB is shown by an alternate long and short dash line nV curve N 1 in FIG.
  • nV curve N 1 In the liquid lens 30 in the initial state, as shown by a solid nV curve N 0 in FIG. 11, a refractive index that can focus on the distance obtained by measurement is obtained.
  • a refractive index that can focus on the distance obtained by the measurement is obtained as shown by the two-dot chain line nV curve N 2 in FIG. Disappear.
  • the optical information reading apparatus 1A acquires the distance information L, acquires the voltage information V n according to the distance information L, and controls the liquid lens 30 to perform the code symbol with autofocus. If the code symbol 100 cannot be decoded when the 100 is imaged, such as when the code symbol 100 cannot be decoded, the closed loop that controls the liquid lens 30 so as to be in focus from the image captured by the solid-state image sensor 12 is used. The code symbol 100 is imaged with an algorithm. Further, since the distance information L to the code symbol 100 can be acquired, the voltage information V n when the code symbol 100 can be focused by the closed loop algorithm is acquired as calibration data, and the alteration of the liquid lens 30 is learned.
  • FIG. 12 is a flowchart showing the process of learning the deterioration of the liquid lens due to the change with time
  • FIG. 13 is a graph showing the learning result of the applied voltage due to the change with time.
  • the optical information reader 1 ⁇ / b> A is irradiated from the distance measuring laser 13, reflected by the code symbol 100, and the distance from the position of the laser spot Sp formed on the imaging surface E of the solid-state imaging device 12 to the code symbol 100.
  • Voltage information V n corresponding to the distance information L is acquired with reference to the distance-voltage table TB stored in the ASIC 210 in advance, and the liquid lens 30 is controlled, and the solid-state imaging device 12 controls the liquid lens 30 in step SA3 of FIG.
  • An image of the code symbol 100 is acquired.
  • the optical information reading device 1 ⁇ / b> A decodes the code symbol 100 by the decoder 200 in step SA ⁇ b> 4 in FIG. 12. If the code symbol 100 can be decoded in step SA4 in FIG. 12, the optical information reading apparatus 1A outputs the decoded data in step SA5 in FIG. 12, and the acquired distance information L and voltage information. V n is temporarily saved as the referenced data.
  • the optical information reading apparatus 1A applies to the liquid lens 30 in accordance with the image captured by the solid-state imaging device 12 in step SA6 in FIG.
  • the liquid lens 30 is controlled by a closed loop algorithm that changes the voltage to be focused.
  • a closed loop algorithm for focusing on an object to be imaged by the solid-state imaging device 12 in the imaging optical system 11 using the liquid lens 30 is, for example, the contrast (spatial frequency) of an image captured by the solid-state imaging device 12.
  • a contrast method is used in which a voltage is applied to the liquid lens 30 so that the curvature of the liquid lens 30 changes to a shape in which the liquid lens 30 can be maximized.
  • step S7 in FIG. 12 the image of the code symbol 100 is acquired by the solid-state imaging device 12, and the decoder 200 decodes the code symbol 100 in step SA8 in FIG. Do.
  • step SA9 of FIG. 12 the optical information reading apparatus 1A determines whether or not a predetermined condition for collecting the voltage information V n when the code symbol 100 can be focused by the closed-loop algorithm as calibration data is satisfied.
  • a predetermined condition for collecting the voltage information V n when the code symbol 100 can be focused by the closed-loop algorithm as calibration data is satisfied.
  • the distance information L and the voltage information V n obtained is temporarily stored as calibration data.
  • step SA11 of FIG. 12 the optical information reading apparatus 1A determines whether or not a predetermined condition for setting the voltage information V n when the code symbol 100 can be focused by the closed loop algorithm as calibration data is satisfied. when a predetermined condition is satisfied to be set as use data in step SA12 in FIG. 12, the collected distance information L and the voltage information V n, written to FROM230 as calibration data, the new setting value.
  • FIG. 13 the relationship between the applied voltage and the refractive index in the distance-voltage table stored in the optical information reading device 1A is shown by an alternate long and short dash line nV curve N 1 , and the applied voltage when the liquid lens 30 is in an altered state.
  • the relationship between the refractive index and the refractive index is indicated by a two-dot chain line nV curve N 2 , and the relationship between the applied voltage and the refractive index after calibration is indicated by a broken line nV curve N 3 .
  • Reference points in the open loop algorithm are indicated by circles, and calibration points in the closed loop algorithm are indicated by triangles.
  • the liquid lens 30 is an open loop algorithm that applies voltage information V n corresponding to the measured distance information L to the liquid lens 30.
  • the refractive index is such that the measured distance is in focus.
  • the liquid lens 30 changes in quality, the liquid lens 30 does not have a refractive index that is focused on the measured distance.
  • the voltage information V n when the code symbol 100 can be focused is acquired as calibration data, and the alteration of the liquid lens 30 is learned, the relationship between the applied voltage after calibration and the refractive index.
  • n-V curve n 3 showing a it is seen that approaching the n-V curve n 2 showing the relationship between the applied voltage and the refractive index of deterioration state of the liquid lens 30.
  • FIG. 14 is an exploded perspective view showing an example of the camera module of the present embodiment provided with a liquid lens.
  • the main lens 2 and the liquid lens 30 are attached to the camera body 5.
  • the main lens 2 is configured by housing a single optical lens or a plurality of optical lenses in a cylindrical housing 20.
  • the main lens 2 has a screw portion 21 a formed on the outer peripheral surface of the housing 20.
  • an electrode (not shown) connected to the electrode 34a and an electrode connected to the electrode 34b are formed on a part of the outside of the cylindrical container 33 sealed with the aqueous solution and oil described in FIG. 2A. Is done.
  • the camera body 5 includes a lens mounting portion 50 in which a cylindrical space matching the outer shape of the cylindrical main lens 2 and the liquid lens 30 is formed.
  • the lens mounting part 50 regulates the position in the XY axis direction orthogonal to the optical axis, and the main lens 2 and the liquid lens 30 Align the optical axis.
  • a screw portion 51 a to which a screw portion 21 a formed in the housing 20 of the main lens 2 is fastened is formed on the inner peripheral surface of the lens mounting portion 50, and the main lens 2 is fitted to the lens mounting portion 50.
  • the main lens 2 is fixed to the front end of the camera body 5 by fastening the screw portion 21 a of the main lens 2 to the screw portion 51 a of the lens mounting portion 50.
  • the camera module 10 includes a packing 6 a sandwiched between the lens mounting portion 50 of the camera body 5 and the liquid lens 30, and a spacer 6 b sandwiched between the main lens 2 and the liquid lens 30.
  • the packing 6a is ring-shaped and made of, for example, silicon, and regulates the position of the liquid lens 30 in the Z direction along the optical axis.
  • the camera module 10 includes a substrate 7 on which the solid-state imaging device 12 is mounted, a main substrate 8 on which signal processing such as decoding is performed, and a flexible printed circuit (FPC) 9 that connects the liquid lens 30 and the substrate 7 to the main substrate 8.
  • a camera body 5 is attached to the substrate 7.
  • a distance measuring laser 13 constituting a distance measuring unit is mounted on the substrate 7.
  • an outer case (not shown) that covers the camera body 5 and the distance measuring laser 13 is attached to the substrate 7, and the camera body 5 and the distance measuring laser 13 to which the main lens 2, the liquid lens 30 and the like are attached are protected.
  • the substrate 7 and the main substrate 8 are configured as separate substrates, but the substrate 7 and the main substrate 8 may be configured as the same substrate.
  • the flexible printed circuit board 9 includes a ring-shaped electrode portion 90 connected to an electrode (not shown) of the liquid lens 30.
  • the electrode part 90 is configured to fit into the lens mounting part 50 of the camera body 5.
  • the liquid lens 30 and the thermistor 14 that detects the temperature in the vicinity of the liquid lens 30 are mounted, for example, in the vicinity of the electrode portion 90 of the flexible printed circuit board 9, and the temperature information detected by the thermistor 14 is flexible printing.
  • the signal is transmitted to the main board 8 by the board 9.
  • the camera module 10 is assembled by attaching a distance measuring laser 13 to the camera body 5, fixing the camera body 5 to which the distance measuring laser 13 is attached to the substrate 7 on which the solid-state imaging device 12 and the like are mounted with an adhesive.
  • the distance laser 13 is fixed to the substrate 7 with solder.
  • the flexible printed circuit board 9 is connected to the circuit board 7, and one electrode part 90 of the flexible printed circuit board 9 and the packing 6a are inserted into the lens mounting part 50 of the camera body 5 so that the packing 6a is on the lower side. .
  • the liquid lens 30 is inserted into the lens mounting portion 50 of the camera body 5, and the other electrode portion 90 of the flexible printed board 9 is inserted above the liquid lens 30.
  • the spacer 6 b is inserted above the electrode portion 90 of the flexible printed board 9, the main lens 2 is fitted into the lens mounting portion 50, and the screw portion 21 a of the main lens 2 is fastened to the screw portion 51 a of the lens mounting portion 50.
  • one electrode portion 90 of the flexible printed circuit board 9 is sandwiched between the main lens 2 and the liquid lens 30, and the packing 6 a and the liquid lens 30 and the lens mounting portion 50 of the camera body 5 are sandwiched.
  • the other electrode portion 90 of the flexible printed board 9 is sandwiched, and the position of the liquid lens 30 in the Z-axis direction along the optical axis is regulated by the packing 6a.
  • the liquid lens 30 is pressed in the direction of the main lens 2 by the packing 6a, and an electrode (not shown) of the liquid lens 30 and the electrode portion 90 of the flexible printed board 9 are electrically connected. Since the main lens 2 is fixed to the camera body 5 by fastening the screw portion, the position in the optical axis direction can be finely adjusted. Further, when the main lens 2 is rotated, the electrode portion 90 and the liquid lens 30 are protected by inserting the spacer 6b so that the electrode portion 90 and the like do not rotate.
  • FIG. 15 is an explanatory diagram illustrating an example of an imaging optical system including a fixed focus lens system.
  • the imaging optical system including the fixed focus lens system 2A composed of one or a plurality of optical lenses
  • the relationship between the focal length of the fixed focus lens system 2A and the distance of the object plane M where the imaging target is located is the object plane.
  • the imaging optical system having only a fixed focus lens system 2A, the principal point of the imaging optical system (rear principal point) and H 1, to the imaged object placed in a defined distance with the focus ( In order to adjust the working distance) s ′, the position of the lens barrel 2B having the fixed focus lens system 2A is adjusted to mechanically match the target image-side working distance s.
  • the change ⁇ s ′ (T) of the working distance due to temperature can be easily measured.
  • the working distance s ′ (T) at a certain temperature is the working distance s ′ (T 0 at the reference temperature T 0. ) Is expressed by the following equation (8).
  • the focal length f and the image-side working distance s fluctuate depending on the temperature to produce ⁇ f (T) and ⁇ s (T), and even if the working distance s ′ changes, the overall ⁇ s ′ (T) tends to change. Measurement, modeling, and correction can be performed.
  • FIG. 16 is an explanatory diagram illustrating an example of an imaging optical system including a fixed focus lens system and a variable focus lens system.
  • the main lens 2 constituting the fixed focus lens system and the liquid lens 30 constituting the variable focus lens system are inserted into the lens mounting portion 50 of the camera body 5, and the liquid lens 30.
  • This is a structure in which the main lens 2 is arranged in the previous stage.
  • the configuration in which the liquid lens 30 is disposed in front of the main lens 2 has little aberration.
  • the liquid lens 30 has a small effective aperture, when a long-focus imaging optical system is created, a so-called dark lens is formed.
  • the main lens 2 is an optical lens, so that the diameter of the main lens 2 can be increased. Even in a long focus imaging optical system, a bright imaging optical system is provided. Can be configured. By configuring a bright imaging optical system, it is possible to improve the accuracy of decoding code symbols. In addition, since the angle of view is narrow in the long-focus imaging optical system, the aberration is small.
  • the imaging optical system includes the fixed focus lens system 2A configured by a single or a plurality of optical lenses and the variable focus lens system 3A configured by a liquid lens or a single or a plurality of optical lenses.
  • the relationship between the focal length of the system and the object plane M is expressed by the following equation (9), where the direction from the object plane M to the imaging plane E is positive.
  • variable focus lens system 3A In the case of an imaging optical system that is arranged in the order of the arrangement of the fixed focus lens system 2A and the variable focus lens system 3A from the object plane M side as in the camera module 10 of the present embodiment, the variable is incorporated first in this imaging optical system. Since the focus lens system 3A alone cannot be adjusted, the fixed focus lens system 2A is adjusted while the optical state of the variable focus lens system 3A is unknown.
  • the whole lens system power becomes unknown state
  • the main point of the imaging optical system with a fixed focus lens system 2A and the variable focus lens system 3A (the rear principal point) and H 2 the image-side working distance s'
  • the position of the mechanical lens barrel 2B for adjusting the working distance s depends on the state of the variable focus lens system 3A.
  • the position of the lens barrel 2B can be determined, so that the working distance can be adjusted to the image side working distance s ′ by adjusting the variable focus lens system 3A. It is.
  • the imaging optical system incorporating the variable focus lens system does not require mechanical adjustment in the case of a system that is used only in an environment with a certain temperature.
  • V is an input variable that determines the variable focus lens system, and is an applied voltage when the variable focus lens system is configured by a liquid lens.
  • One method is to obtain an optimum ⁇ b (T, V) for obtaining a predetermined s ′ (T) for ⁇ a (T), s (T), and t (T) changed under actual environmental temperature. Determined by trying the operation of changing the input V multiple times.
  • an autofocus feedback system for examining the relationship between V and s ′ (T) during the reading operation is essential, and the operation is slow.
  • T the target distance
  • z s' (T)
  • a method of ensuring the required accuracy of s ′ (T) without using a feedback system is considered even for a system in which a variable focus lens is added to a fixed focus lens system.
  • the temperature correction in the present embodiment is performed by the following three procedures.
  • Procedure 1 Preparation of a prior correction equation (1): Temperature change characteristics when only the fixed focus lens system 2A is incorporated are measured in advance and modeled by the following equation (10).
  • Procedure 2 Adjustment process for obtaining individual differences (1): One output ⁇ b (T 0 , V 0 ) of a variable focus lens for a certain input V 0 at a certain reference temperature T 0 is measured before assembly, and the system Recorded and stored in (nonvolatile memory, etc.). (2): s a (T 0 ) is calculated from the output ⁇ b (T 0 , V 0 ), and is recorded and held in the system (nonvolatile memory or the like).
  • step 1 for creating a correction formula in advance The details of step 1 for creating a correction formula in advance will be described below.
  • FIG. 17 is a graph showing the relationship between temperature and focus shift.
  • s ′ (T 0 ) for each individual is required, it must be obtained during the adjustment process.
  • a i and b i are coefficients determined by the specifications of the variable focus lens system 3A.
  • d ⁇ b / dT (T 0 ) and ⁇ 0 (T 0 ) are required for each individual, it is necessary to obtain them during the adjustment process.
  • 18A and 18B are explanatory diagrams of the optical system showing an adjustment process for acquiring individual differences. Next, details of the procedure 2 which is an adjustment process for acquiring individual differences will be described.
  • variable focus lens system 3A is incorporated into the fixed focus lens system 2A having known optical characteristics, the input V 0 where the sharpness of the image obtained by imaging the object surface M is maximized, and the optical characteristics ⁇ at that time are examined.
  • b (T 0 , V 0 ) may be calculated.
  • ⁇ b (T 0 , V 0 ) measured for each individual by the above method is used, ⁇ 0 (T 0 ) can be obtained because the slope and one fixed point are known, and d ⁇ b / dT (T 0 ) and ⁇ 0 (T 0 ) are stored and held in the nonvolatile memory.
  • ⁇ (T) is obtained from s a (T) and s ′ (T) and ⁇ b (T) is obtained from ⁇ (T) by using the above-described equations (9) to (11). .
  • an optimum input variable for example, an optimum voltage, is calculated with reference to T, V is obtained, and V is input to the variable focus lens system 3A.
  • FIG. 19 is a table comparing the accuracy with and without temperature correction. It can be seen that the average error can be reduced to about a quarter when the image is taken with the temperature correction performed by the method described above and when the image is taken without the temperature correction.
  • the present invention can be used for a barcode reader, a two-dimensional code reader, and the like, and can realize autofocus with a small device.
  • SYMBOLS 1A Optical information reader, 10 ... Camera module, 11 ... Imaging optical system, 12 ... Solid-state image sensor, 13 ... Distance measuring laser, 14 ... Thermistor

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Abstract

　高精度なコード記号の撮像を実現する光学的情報読取装置を提供する。　光学的情報読取装置１Ａは、焦点位置を調整する可変焦点レンズ３を有した撮像光学系１１と、コード記号１００を撮像する固体撮像素子１２と、コード記号１００との距離を測定する測距レーザ１３と、測距レーザ１３を用いてコード記号１００までの距離を算出し、算出された距離情報に基づき可変焦点レンズ３を制御して、コード記号１００を固体撮像素子１２に結像させ、固体撮像素子１２を制御してコード記号の撮像を行うデコーダ２００とを備える。光学的情報読取装置１Ａは、コード記号１００との距離の算出で用いられる測距パラメータが予め測定され、測定された装置固有の測距パラメータが記憶され、装置固有の測距パラメータを用いてコード記号１００との距離を算出する。

Description

光学的情報読取装置
　本発明は、バーコード、２次元コード等のコード記号を読み取る光学的情報読取装置に関する。
　商品管理、在庫管理等を目的として１次元のコード情報であるバーコードが良く知られている。また、より情報密度の高いコードとして２次元コードが知られている。２次元コードを読み取る装置として、ＣＭＯＳイメージセンサやＣＣＤイメージセンサ等の固体撮像素子で２次元コードを撮影し、その画像に様々な処理を施した上で２値化し、デコードする方法が知られている。
　このようなコード情報を読み取る装置に使用されるＣＭＯＳイメージセンサは、デジタルカメラ等に搭載されているものと機能的に何ら変わらないことから、普通に物体や風景などを撮影する写真機としての機能を併せ持つことが求められる。例えば、在庫管理等の場合、対象物品と共にその物品が格納されている位置を撮像し、コード情報と共にデータベースに記憶する場合に使用されるものである。
　また、携帯電話機には、上述したＣＭＯＳイメージセンサを使用した小型カメラが搭載されている。携帯電話機のカメラ機能には、通常のデジタルカメラのように、風景や人物を撮像する他に、バーコード／２次元コードスキャナ及びＯＣＲ（光学式文字読取装置）を内蔵しているものが大半である。
  上述した商品管理、在庫管理等の現場では、物品に貼付されたコード記号を次々に走査していく必要がある。その際に、オートフォーカス機能があるものが望ましく、オートフォーカスと撮像処理は高速である必要がある。
　一般的には、レンズが光軸に沿って移動するように配置され、コード記号にフォーカスが合う距離を算出し、その距離に適した位置までレンズを移動させる方法がよく用いられる（例えば、特許文献１参照）。また、定位置の他に近距離と遠距離との二段階程度のレンズ位置をメモリに記憶し、撮像に失敗した際、近距離方向あるいは遠距離方向にレンズを移動させるという簡易オートフォーカスもよく用いられる（例えば、特許文献２参照）。
　また、多数のレンズを組み合わせて光波面変調素子を形成し、絞り機能を持たせ、読取対象物までの距離に応じたフォーカス調整を行う技術も光学的読取装置に搭載されている（例えば、特許文献３参照）。
　更に、撮像レンズ、プリズム、遠方用レンズ及びイメージセンサ、近方用レンズ及びイメージセンサを組み合わせて光学体を形成し、レンズを移動させることなく、焦点距離を合わせる技術も開示されている（例えば、特許文献４参照）。
特開２００２－５６３４８号公報 特開２００５－１８２１１７号公報 特開２００９－１３４０２３号公報 特開２００８－１２３５６２号公報
　コードスキャナ等の光学的情報読取装置は、より小型化、集積化が求められている。特に携帯電話など、装置の一部として光学的情報読取装置を組み入れる場合、大きな容積を使用することはできない。光学的情報読取装置で最も容積を取るのは、レンズ光学部である。文献１及び文献２では、レンズが移動する空間を確保しなくてはいけないので、その部分を縮小することはできない。
　また、文献３では、レンズが最低５枚は必要である。ここでもやはり、レンズ配置空間がある程度必要である。さらに、光波面変調素子の制御は、複雑で計算量の多いソフトウエアである。このような精度の高い光学部を持っていると、生産工程ラインの構築が難しく、総体的にコストも嵩む。
　更に、文献４では、通常の光学体を２つ以上搭載している構成になっているので、筐体自体が大きくなり、コストも嵩んでしまう。また、光学体を小さく設計するために有効径の小さいレンズを使用することがあるが、レンズが小さいと、フォーカス・結像が難しく、その不都合を補正する機能、部材が必要である。結局、小型化が実現できず、コストも嵩む結果となってしまう。
　また、コード記号を読み取る光学的情報読取装置では、フォーカスの精度が低いと、特にマイクロ２次元コードのように、小さい面積にセルパターンが複雑に入り組んでいると、セルの白黒が認識できず、読み取り不能となったり、デコードまでに時間がかかってしまう。そこで、コード記号にフォーカスが合う距離を算出するオートフォーカス機能を実現するため、組み立て後にレンズの位置等の微調整が必要で、作業に手間と時間がかかり、製品コストが上昇する。
　本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、簡単な構成で高精度かつ高速なコード記号の撮像を実現し、装置自体も小型であり、安価なコストで製造することのできる光学的情報読取装置を提供することを目的とする。
　上述した課題を解決するため、本発明は、焦点位置を調整する可変焦点レンズを有した撮像光学系と、撮像光学系で結像される撮像対象物を撮像する撮像手段と、撮像対象物との距離を測定する測距手段と、測距手段を用いて撮像対象物までの距離を算出し、算出された距離情報に基づき撮像光学系を制御して、撮像対象物を撮像手段に結像させ、撮像手段を制御して撮像対象物の撮像を行う制御手段とを備え、制御手段は、撮像対象物との距離の算出で用いられる測距パラメータが予め測定され、測定された装置固有の測距パラメータが記憶され、装置固有の測距パラメータを用いて撮像対象物との距離を算出する光学的情報読取装置である。
　本発明の光学的情報読取装置では、撮像対象物との距離の算出で用いられる測距パラメータが予め測定され、測定された装置固有の測距パラメータが記憶され、コード記号等の撮像対象物の読み取りでは、装置固有の測距パラメータを用いて撮像対象物との距離を算出して、オートフォーカスが行われる。
　本発明では、組み立て後にレンズの位置等の微調整を行うことなく、測距の精度を向上させることが可能なので、オートフォーカス及び撮像と、デコードに要する時間を短縮することができ、高速なコード記号の撮像を実現できる。また、経時変化等により撮像光学系が変質したような場合でも、撮像対象物を結像させる制御を行うことができる。特に、可変焦点レンズとして液体レンズを用いた構成では、温度等による液体レンズの変質にも対応可能であり、長期間にわたる使用であっても、高速なコード記号の撮像を実現できる。これにより、装置の使用者は、ストレス無く多数のコード記号を連続的に撮像することができる。
本実施の形態の光学的情報読取装置の一例を示す機能ブロック図である。 液体レンズの概念を示す構成図である。 液晶レンズの概念を示す構成図である。 視差法による測距方法を示す光学系の説明図である。 測距に必要な測距レーザの位置を求める方法を示す光学系の説明図である。 本発明を適用して測定した測距レーザの位置情報を用いて距離を算出した時の測定距離と算出値の比較結果を示す表図である。 本発明を適用して測定した測距レーザの位置情報を用いて距離を算出した時の測定距離と算出値の比較結果を示す表図である。 機械公差のみで測距レーザの位置を決めて、機械的な調整を行わずに設計値で距離を算出した時の測定距離と算出値の比較結果を示す表図である。 機械公差のみで測距レーザの位置を決めて、機械的な調整を行わずに設計値で距離を算出した時の測定距離と算出値の比較結果を示す表図である。 測距レーザの位置と固体撮像素子の撮像面に形成されるレーザスポットの関係を示す説明図である。 測距レーザの位置と固体撮像素子の撮像面に形成されるレーザスポットの関係を示す説明図である。 レーザスポットを撮像及び検索する範囲を求める方法を示す説明図である。 レーザスポットを撮像及び検索する範囲を求める方法を示す説明図である。 本発明を適用して測定したレーザスポットの位置情報から求めた検索範囲を用いて距離を算出した時の測定に要する時間を示す表図である。 光軸のばらつきを考慮した検索範囲を用いて距離を算出した時の測定に要する時間を示す表図である。 経時変化による印加電圧と屈折率の関係を示すグラフである。 経時変化による液体レンズの変質を学習する処理を示すフローチャートである。 経時変化による印加電圧の学習結果を示すグラフである。 液体レンズを備えた本実施の形態のカメラモジュールの一例を示す分解斜視図である。 固定焦点レンズ系で構成される撮像光学系の一例を示す説明図である。 固定焦点レンズ系と可変焦点レンズ系で構成される撮像光学系の一例を示す説明図である。 温度とフォーカスのずれの関係を示すグラフである。 個体差を取得する調整工程を示す光学系の説明図である。 個体差を取得する調整工程を示す光学系の説明図である。 温度補正の有無による精度を比較した表図である。
　以下、図面を参照して、本発明の光学的情報読取装置の実施の形態について説明する。
　＜本実施の形態の光学的情報読取装置の構成例＞
　図１は、本実施の形態の光学的情報読取装置の一例を示す機能ブロック図である。本実施の形態の光学的情報読取装置１Ａは、撮像対象物であるコード記号１００を撮像するカメラモジュール１０と、カメラモジュール１０で行われる撮像、フォーカス調整、デコード、データ転送等の制御を行うデコーダ２００を備える。光学的情報読取装置１Ａは、例えば図示しない筐体にカメラモジュール１０とデコーダ２００等の構成要素が実装され、使用者が手に持ってコード記号１００の撮像が可能な構成である。
　カメラモジュール１０は、焦点位置を調整するオートフォーカス機能を有した撮像光学系１１と、撮像光学系１１で結像されたコード記号１００を撮像する固体撮像素子１２と、固体撮像素子１２からコード記号１００までの距離を測距する測距レーザ１３を備える。
　撮像光学系１１は、主レンズ２と可変焦点レンズ３を備える。主レンズ２は、単数または複数の光学レンズで構成される固定焦点レンズである。可変焦点レンズ３は、主レンズ２の後段に配置され、主レンズ２を透過した光を固体撮像素子１２に結像させる機能を有する。
　可変焦点レンズ３は、例えば、単数または複数の光学レンズを、光軸に沿って機械的に移動させる機構を備えて、オートフォーカス機能を実現しても良い。これに対し、レンズを機械的に移動させる機構を用いることなくオートフォーカス機能を実現するものとして、可変焦点レンズ３を液体レンズ３０で構成しても良い。
　図２Ａは、液体レンズの概念を示す構成図である。液体レンズ３０は、導電性の高い水溶液３１と絶縁体の油３２が、光を透過する透明な窓部を対向する２面に有した容器３３に封じ込められる。液体レンズ３０には、水溶液３１と接する電極３４ａと、絶縁部を介して水溶液３１と油３２の両方と接する電極３４ｂが備えられる。
　液体レンズ３０は、電極３４ａ及び電極３４ｂから電気を流し、水溶液３１に電圧を印加すると、水溶液３１と油３２との境界面３５の形状を変化させることができる。このような現象をエレクトロウエッティング現象と称す。水溶液３１と油３２との境界面３５の曲率を変えることで焦点位置を動かし、合焦を行うことができる。
　また、可変焦点レンズ３は、液体レンズ３０と同様に機械的に移動させる機構を用いること無くオートフォーカス機能を実現可能な液晶レンズであっても良い。図２Ｂは、液晶レンズの概念を示す構成図である。液晶レンズ３６は、ホモジニアス（ねじれのない）分子配列の液晶層３７を、ガラス板３８の間に封止した構成で、各ガラス板３８には、金属酸化物の透明電極３９ａ、３９ｂが形成される。液晶レンズ３６は、透明電極３９ａ、３９ｂに電圧を印加し、印加する電圧を調整することで、液晶分子３７ａの配向状態が変化する。液晶レンズ３６は、液晶分子３７ａの配向状態を変化させることで、屈折率が変化し、屈折率が変化することで、焦点距離が変化する。これにより、液晶レンズ３６は、液体レンズ３０と同様に、印加する電圧を調整することで焦点位置を動かし、合焦を行うことができる。
　図１に戻り、固体撮像素子１２は撮像手段の一例で、例えばＣＭＯＳイメージセンサ等で構成され、光信号を電気信号に変換して出力する。光学的情報読取装置１Ａは、任意の距離にあるコード記号１００からの反射光を、撮像光学系１１で固体撮像素子１２に結像させて撮像を行う。これは、画像が鮮明に捕捉されなければ、コード記号１００の内容をデコードできないためである。
　光学的情報読取装置１Ａでは、コード記号１００との距離を測定し、測定した距離に焦点位置が合うように撮像光学系１１を制御する。このため、光学的情報読取装置１Ａは、カメラモジュール１０にレーザ光を利用した測距部を備えている。
　レーザによる測距技術は２つの方法が良く知られている。１つはパルシング技術であり、レーザパルスの始動と反射の戻りとの時間の遅れを計測して距離を求めている。もう１つはパララックス（視差）技術であり、撮像対象物にスポットを形成するために光を照射し、撮像対象物上のスポットの位置を計測して、撮像対象物の距離を、計測したスポットの位置から求めている。
　光学的情報読取装置１Ａは、本例では視差法を用いて測距を行うため、測距手段として測距レーザ１３を備えている。測距レーザ１３は、撮像光学系１１で固体撮像素子１２に結像されるコード記号１００を照射し、コード記号１００で反射した光が固体撮像素子１２に入射するように構成される。
　測距レーザ１３から照射されたレーザ光により、コード記号１００上に形成されるスポットの位置は、コード記号１００までの距離により変化し、固体撮像素子１２に入射した反射光の位置として現れる。
　これにより、光学的情報読取装置１Ａは、測距レーザ１３から照射されてコード記号１００で反射した光の固体撮像素子１２上における位置を計測することで、コード記号１００までの距離が求められる。
　可変焦点レンズ３が液体レンズ３０で構成される光学的情報読取装置１Ａでは、液体レンズ３０に印加する電圧と、焦点距離との関係が予め求められ、コード記号１００までの距離に応じた電圧を液体レンズ３０に印加することで、任意の距離にあるコード記号１００からの反射光を、撮像光学系１１で固体撮像素子１２に結像させて撮像が行われる。可変焦点レンズ３が液晶レンズ３６で構成される光学的情報読取装置１Ａでも同様に、液晶レンズ３６に印加する電圧と、焦点距離との関係が予め求められ、コード記号１００までの距離に応じた電圧を液晶レンズ３６に印加することで、任意の距離にあるコード記号１００からの反射光を、撮像光学系１１で固体撮像素子１２に結像させて撮像が行われる。
　ここで、液体レンズ３０は、同じ電圧を印加しても、温度変動で境界面の曲率が変化することから、液体レンズ３０で構成される撮像光学系１１を備えた光学的情報読取装置１Ａでは、温度補償が必要となる。このため、光学的情報読取装置１Ａは、液体レンズ３０及び液体レンズ３０の近傍の温度を検知する温度検知手段としてサーミスタ１４をカメラモジュール１０に備える。
　光学的情報読取装置１Ａは、測距レーザ１３を用いて求めたコード記号１００までの距離情報から導き出される液体レンズ３０の焦点位置を、サーミスタ１４で検知される温度情報で補正して、正確なオートフォーカスを実現する。液晶レンズ３６でも同様に、温度補償により正確なオートフォーカスが実現可能である。
　なお、光学的情報読取装置１Ａは、コード記号１００が読み取り可能範囲にあることを示すガイド光を照射するための照明用ＬＥＤ１５をカメラモジュール１０に備えても良いが、照明用ＬＥＤ１５は適宜備えるものであり、装置の形状、使用目的によっては搭載しなくても良い。
　デコーダ２００は、カメラモジュール１０で行われるフォーカス調整及び撮像等の制御と、カメラモジュール１０から出力される信号のデコード及びデータ転送等の制御を行う制御手段としてＡＳＩＣ(Application Specific Integrated Circuit)２１０を備える。ＡＳＩＣ２１０では、ＳＤＲＡＭ２２０及びＦＲＯＭ２３０等によって各種データの書き込み、読み出し等が行われる。光学的情報読取装置１Ａは、バーコード及び２次元コードを読み取ることができるスキャナであるが、ＯＣＲソフトウエアを搭載すれば、文字を読み取ることも可能である。また、ＡＳＩＣ２１０は、ＣＰＵとＦＰＧＡ(Field Programmable Gate Array)等のＬＳＩとの組み合わせでもかまわない。
　光学的情報読取装置１Ａは、コード記号１００までの距離と液体レンズ３０に印加すべき電圧との関係テーブルをＡＳＩＣ２１０に格納することで、測距したコード記号１００までの距離に応じた電圧情報を取得することが可能となる。コード記号１００までの距離は、測距レーザ１３から照射されてコード記号１００で反射した光の固体撮像素子１２上における位置を計測することで求められる。
　また、液体レンズ３０の周辺温度による補正テーブルをＡＳＩＣ２１０に格納しておく。更に、液体レンズ３０は、電圧が印加された後に、画像撮像までの待機時間が必要であるが、画像撮像までの待機時間も温度によって変動する。一般的に高温である方が待機時間は少なく、例えば、６０℃における待機時間は、２５℃の待機時間より遥かに短い。そこで、液体レンズ３０の周辺温度と撮像待機時間の関係テーブルをＡＳＩＣ２１０に格納しておく。
　このように、コード記号１００までの距離と液体レンズ３０に印加すべき電圧との関係テーブル、液体レンズ３０の周辺温度による補正テーブル、及び液体レンズ３０の周辺温度と撮像待機時間との関係テーブルを参照することで、最適なフォーカス調整がされ、鮮明な画像を取り込むことができる。液晶レンズ３６でも同様に、コード記号１００までの距離と液晶レンズ３６に印加すべき電圧との関係テーブル等をＡＳＩＣ２１０に格納しておき、テーブルを参照することで、最適なフォーカス調整がされ、鮮明な画像を取り込むことができる。
　＜測距精度を確保する方法例＞
　図３は、視差法による測距方法を示す光学系の説明図、図４は測距に必要な測距パラメータとして測距レーザの位置情報を求める方法を示す光学系の説明図であり、次に、視差法が適用された光学的情報読取装置１Ａにおいて測距精度を確保する方法について説明する。
　視差法を用いた測距方法では、撮像対象物である図１に示すコード記号１００を含む物体面Ｍと、固定焦点系レンズである主レンズ２と、例えば液体レンズ３０で構成される可変焦点レンズ３を備えた撮像光学系１１の原点平面Ｏとの距離xが、以下の（１）式で求められる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　（１）式において、光学的情報読取装置１Ａの設計値となるのは、測距レーザ１３と撮像光学系１１の光軸の原点平面Ｏ間での距離aと、半画角θ1と、測距レーザ１３と撮像光学系１１の光軸の原点平面Ｏ間でのなす角θ2と、半画角により張られる固体撮像素子１２の中心から短点までの距離Rであり、距離xは、固体撮像素子１２の撮像面ＥにおいてレーザスポットSpが映り込んだ位置rから求められる。
　（１）式を変形すると、距離xの逆数x-1が、以下の（２）式で求められ、測距の精度が、以下の（３）で与えられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　（３）式から、測距の精度は、撮像光学系１１の光軸からの測距レーザ１３の距離aによって決まることが判り、撮像光学系１１の光軸と測距レーザ１３とのなす角θ2は、測距精度に影響しない。
　このため、測距の精度を考慮すると、測距レーザ１３の光軸からの距離aは、設計段階での誤差が問題とならないように、機械寸法で与えられる設計値を定める必要がある。一方、測距レーザ１３と光軸とのなす角θ2は、設計値を設定する必要はない。
　但し、コード記号１００までの距離xを求める演算処理では、測距レーザ１３の光軸からの距離aと、測距レーザ１３と光軸とのなす角θ2が必要なので、測距レーザ１３の光軸からの距離aと、測距レーザ１３と光軸とのなす角θ2を、誤差が問題とならない機械公差で与える必要がある。
　そこで、測距パラメータとして、測距レーザ１３の光軸からの距離aと、測距レーザ１３と光軸とのなす角θ2を測定し、図１に示すＡＳＩＣ２１０の不揮発性メモリに記憶しておくことで、コード記号１００までの距離xを、正確に求めることができ、測距レーザ１３の光軸からの距離aと、測距レーザ１３と光軸とのなす角θ2は、厳しい機械公差をとらず、また、組み立て時に機械的な調整を行わずに、測距に必要な精度を確保することができる。
　以下に、機械的な調整を行わずに、測距に必要な測距レーザ１３の光軸からの距離aと、測距レーザ１３と光軸とのなす角tanθ2を求める方法について、図４等を参照して説明する。
　定められた距離x1、x2、・・・xpに物体面Ｍ1、物体面Ｍ2、・・・物体面Ｍpを設置し、所定の距離に設置した物体面に照射した測距レーザ１３の反射光の撮像面Ｅにおける位置r1、r2、・・・rpを測定する。
　上述した（１）式は、以下に示す（４）式に変形でき、計算値である半画角θ1と、半画角により張られる固体撮像素子１２の中心から短点までの距離Rを用いて、yi=-xir i/Rtanθ1を計算し、xiとyiに対し最小二乗法を適用し傾きdy/dxと切片y0を求める。
　以上により得られた傾きと切片より、測距に必要な測距レーザ１３の光軸からの距離aと、測距レーザ１３と光軸とのなす角tanθ2は、以下に示す（５）式及び（６）式により求められる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　以上のことから、最も効率よく測距に必要な測距レーザ１３の光軸からの距離aと、測距レーザ１３と光軸とのなす角tanθ2を求める方法は、仕様により決められる最近接距離と最遠方距離の２定点に物体面を設置し、距離情報と角度情報の２つのパラメータa，tanθ2を得ることである。
　図５Ａ及び図５Ｂは、本発明を適用して測定した測距レーザの位置情報（光軸からの距離aと光軸とのなす角θ2）を用いて距離を算出した時の測定距離と算出値の比較結果を示す表図、図６Ａ及び図６Ｂは、比較例として、機械公差のみで測距レーザの位置を決めて、機械的な調整を行わずに設計値で距離を算出した時の測定距離と算出値の比較結果を示す表図である。本発明を適用した例と比較例では、距離の算出値の逆数x-1を比較すると、１０倍以上の検出精度が得られることが判る。
　＜測距に要する時間を短縮する方法例＞
　図７Ａ及び図７Ｂは、測距レーザの位置と固体撮像素子の撮像面に形成されるレーザスポットの関係を示す説明図、図８Ａ及び図８Ｂは、レーザスポットを撮像及び検索する範囲を求める方法を示す説明図であり、次に、視差法が適用された光学的情報読取装置１Ａにおいて測距に要する時間を短縮する方法について説明する。
　上述した視差法において、測距に要する時間は、測距レーザ１３の反射光によるレーザスポットSpが、固体撮像素子１２の撮像面Ｅ内で動く面積Ｓに依存する。レーザスポットSpが動く面積Ｓを最小化すれば、撮像時間及び固体撮像素子１２の撮像面ＥにおいてレーザスポットSpを検索する範囲が最小化され、測距に要する時間は最小化される。
　一般的に、図７Ａに示すように、固体撮像素子１２の中心軸Ｏ1，Ｏ2上に測距レーザ１３を取り付ければ、図７Ｂに示すように、レーザスポットSpが動く範囲を最小化できる。例えば、図７Ａに示すように、固体撮像素子１２の中心軸Ｏ1上の位置Ａに測距レーザ１３を取り付ければ、図７Ｂに示すように、固体撮像素子１２の撮像面ＥにおいてレーザスポットSpが動く範囲は、物体面Ｍまでの距離に応じて、固体撮像素子１２の中心軸Ｏ1に沿った面積ＳＡ内となる。また、図７Ａに示すように、固体撮像素子１２の中心軸Ｏ2上の位置Ｂに測距レーザ１３を取り付ければ、図７Ｂに示すように、固体撮像素子１２の撮像面ＥにおいてレーザスポットSpが動く範囲は、物体面Ｍまでの距離に応じて、固体撮像素子１２の中心軸Ｏ2に沿った面積ＳＢ内となる。
　しかし、実際には、固体撮像素子１２の中心軸に測距レーザ１３が取り付けられるように設計を行っても、組み立ての調整次第で測距レーザ１３の光軸が傾き、図７Ｂに示す面積ＳＣのような範囲を動く系となる。従来は、レーザスポットが動く面積が最小化されるように、測距レーザの光軸の傾きを組み立て時に機械的に調整することで、測距に要する時間の高速化を計っていたが、調整に手間と時間が掛かり、製品コストが上昇する。また、レーザスポットが動く面積を、測距レーザの光軸のばらつきを考慮した大きさに設定すると、測距に要する時間が長くなる。
　そこで、測距レーザ１３の組み立て時に機械的な調整を行わず、測距に要する時間を最小化する方法を、図８Ａ及び図８Ｂを参照して以下に説明する。物体面Ｍが仕様により決められる最近接距離と最遠方距離の２定点にあるときに、固体撮像素子１２の撮像面Ｅに形成される測距レーザ１３のレーザスポットSpの位置を測距パラメータとして測定し、図１に示すＡＳＩＣ２１０の不揮発性メモリに記憶しておく。
　また、測距のためレーザスポットSpを撮像する際には、最近接距離と最遠方距離の２定点におけるレーザスポットSpを含む最小の画像範囲、例えば、四角形の範囲を撮像することで、測距の画像取得に要する時間を短縮する。更に、レーザスポットSpを検索する際には、最近接距離におけるレーザスポットSpnと、最遠方距離におけるレーザスポットSPfの２点の間を動く平均的な軸、例えば、２点を結ぶ直線上から検索を行う。
　図８Ａ及び図８Ｂでは、固体撮像素子１２の垂直方向の中心軸Ｏ1上に測距レーザ１３を取り付けた例を示す。図８Ａは、組み立て誤差がなく、測距レーザ１３の光軸からの距離aと、測距レーザ１３と光軸とのなす角θ2が設計値に一致する場合を示す。このような場合、最近接距離におけるレーザスポットSpnと、最遠方距離におけるレーザスポットSPfは、固体撮像素子１２の撮像面Ｅにおいて、垂直方向の中心軸Ｏ1上に形成されるので、レーザスポットSpの検索軸Ｐ1は、固体撮像素子１２の垂直方向の中心軸Ｏ1に一致する線分から始める。また、測距のための画像取得は、固体撮像素子１２の垂直方向の中心軸Ｏ1に対し対称な撮像範囲Ｐ2に対して行う。
　図８Ｂは、組み立て誤差が生じ、測距レーザ１３の光軸からの距離ａと、測距レーザ１３と光軸とのなす角θ2が設計値に一致しない場合を示す。このような場合、レーザスポットＳｐの検索軸Ｐ3は、最近接距離におけるレーザスポットSpnと、最遠方距離におけるレーザスポットSPfの２点の中央を通り、固体撮像素子１２の垂直方向の中心軸Ｏ1に平行な線分から始める。また、測距のための画像取得は、２点のレーザスポットの中央を通る検索軸に対しておよそ対称な撮像範囲Ｐ4に対して行う。
　図９は、本発明を適用して測定したレーザスポットの位置情報から求めた検索範囲を用いて距離を算出した時の測定に要する時間を示す表図、図１０は、比較例として、光軸のばらつきを考慮した検索範囲を用いて距離を算出した時の測定に要する時間を示す表図である。本発明を適用した例と比較例では、測距時間がおよそ半分になったことが判る。
　　＜経時変化による補償例＞
　図２Ａに示す液体レンズ３０では、水溶液３１と油３２の境界面３５の曲率が、印加電圧に応じて変化する。液体レンズ３０の曲率が変化すると、液体レンズ３０の屈折率が変化することから、任意の距離にある撮像対象物にフォーカスするために必要な印加電圧が一意に決められる。すなわち、液体レンズ３０の屈折率niと印加する電圧Viの比例関係が成立している。
　そこで、撮像対象物であるコード記号１００までの距離情報L(=x)と、距離情報Lで特定される位置にあるコード記号１００にフォーカスするために、液体レンズ３０に印加すべき電圧情報Vnの関係を計測して、距離－電圧テーブルＴＢを作成し、ＡＳＩＣ２１０の不揮発性メモリに記憶しておく。
　これにより、上述した視差法等で測定したコード記号１００までの距離に応じた電圧情報Vnを取得することが可能となる。図１に示す光学的情報読取装置１Ａは、距離情報Lを取得し、距離情報Lに応じた電圧情報Vnを取得して、液体レンズ３０を制御するというオープンループのアルゴリズムにより、オートフォーカスでコード記号１００を撮像する。
　さて、時間の経過、装置を高温状態で保存した場合等、液体レンズ３０内の水溶液や油が変質し、予め作成されて記憶されている距離－電圧テーブルＴＢの設定と、液体レンズ３０の状態が不一致となる場合がある。
　図１１は、経時変化による印加電圧と屈折率の関係を示すグラフである。液体レンズ３０の初期状態における印加電圧と屈折率の関係を、実線のｎ－Ｖ曲線Ｎ0で示し、光学的情報読取装置１Ａに記憶されている距離－電圧テーブルにおける印加電圧と屈折率の関係を、一点鎖線のｎ－Ｖ曲線Ｎ1で示し、液体レンズ３０の変質状態における印加電圧と屈折率の関係を、二点鎖線のｎ－Ｖ曲線Ｎ2で示す。
　距離－電圧テーブルＴＢを参照して液体レンズ３０に電圧を印加したときに、測定で得られた距離にフォーカスできるような屈折率を、図１１に一点鎖線のｎ－Ｖ曲線Ｎ1で示す。初期状態にある液体レンズ３０では、図１１に実線のｎ－Ｖ曲線Ｎ0で示すように、測定で得られた距離にフォーカスできるような屈折率が得られる。これに対し、経時変化で変質状態にある液体レンズ３０では、図１１に二点鎖線のｎ－Ｖ曲線Ｎ2で示すように、測定で得られた距離にフォーカスできるような屈折率が得られなくなる。
　そこで、光学的情報読取装置１Ａは、距離情報Lを取得し、距離情報Lに応じた電圧情報Vnを取得して、液体レンズ３０を制御するというオープンループのアルゴリズムにより、オートフォーカスでコード記号１００を撮像したとき、コード記号１００のデコードが不能である等、正常に読み取りが行えない場合は、固体撮像素子１２で撮像した画像から、フォーカスが合うように液体レンズ３０を制御するクローズドループのアルゴリズムでコード記号１００を撮像する。また、コード記号１００までの距離情報Lが取得できるので、クローズドループのアルゴリズムでコード記号１００にフォーカスできたときの電圧情報Vnを較正用データとして取得し、液体レンズ３０の変質を学習する。
　図１２は、経時変化による液体レンズの変質を学習する処理を示すフローチャート、図１３は、経時変化による印加電圧の学習結果を示すグラフである。図１２のステップＳＡ１で、所定の操作でコード記号１００の読み取りが開始されると、図１２のステップＳＡ２で、オープンループのアルゴリズムでコード記号１００を撮像する。
　すなわち、光学的情報読取装置１Ａは、測距レーザ１３から照射され、コード記号１００で反射して固体撮像素子１２の撮像面Ｅに形成されたレーザスポットSpの位置から、コード記号１００までの距離情報Lを取得する。距離情報Lに対応した電圧情報Vnを、予めＡＳＩＣ２１０に記憶された距離－電圧テーブルＴＢを参照して取得し、液体レンズ３０を制御して、図１２のステップＳＡ３で、固体撮像素子１２によりコード記号１００の画像を取得する。
　光学的情報読取装置１Ａは、固体撮像素子１２でコード記号１００の画像を取得すると、図１２のステップＳＡ４で、デコーダ２００によりコード記号１００のデコードを行う。光学的情報読取装置１Ａは、図１２のステップＳＡ４で、コード記号１００のデコードが可能であると、図１２のステップＳＡ５で、デコードされたデータを出力すると共に、取得した距離情報Lと電圧情報Vnを、参照したデータとして一時保存する。
　光学的情報読取装置１Ａは、図１２のステップＳＡ４で、コード記号１００のデコードが不能であると、図１２のステップＳＡ６で、固体撮像素子１２で撮像した画像に応じて、液体レンズ３０に印加する電圧をフォーカスが合うように変化させるクローズドループのアルゴリズムで液体レンズ３０を制御する。
　液体レンズ３０が用いられる撮像光学系１１で、固体撮像素子１２で撮像される撮像対象物にフォーカスを合わせるクローズドループのアルゴリズムは、例えば、固体撮像素子１２で撮像される像のコントラスト（空間周波数）を最も高くできる形状に液体レンズ３０の曲率が変化するような電圧を液体レンズ３０に印加し、フォーカスを合わせるコントラスト法が用いられる。
　光学的情報読取装置１Ａは、フォーカスが合うと、図１２のステップＳ７で、固体撮像素子１２によりコード記号１００の画像を取得し、図１２のステップＳＡ８で、デコーダ２００によりコード記号１００のデコードを行う。
　光学的情報読取装置１Ａは、図１２のステップＳＡ９で、クローズドループのアルゴリズムでコード記号１００にフォーカスできたときの電圧情報Vnを較正用データとして収集する所定の条件を満たすか判断し、較正用データとして収集する所定の条件を満たす場合は、図１２のステップＳＡ１０で、取得した距離情報Ｌと電圧情報Vnを、較正用データとして一時保存する。
　光学的情報読取装置１Ａは、図１２のステップＳＡ１１で、クローズドループのアルゴリズムでコード記号１００にフォーカスできたときの電圧情報Vnを較正用データとして設定する所定の条件を満たすか判断し、較正用データとして設定する所定の条件を満たす場合は、図１２のステップＳＡ１２で、収集した距離情報Ｌと電圧情報Vnを、較正用データとしてＦＲＯＭ２３０に書き込み、新たな設定値とする。
　図１３では、光学的情報読取装置１Ａに記憶されている距離－電圧テーブルにおける印加電圧と屈折率の関係を、一点鎖線のｎ－Ｖ曲線Ｎ1で示し、液体レンズ３０の変質状態における印加電圧と屈折率の関係を、二点鎖線のｎ－Ｖ曲線Ｎ2で示し、較正後の印加電圧と屈折率の関係を、破線のｎ－Ｖ曲線Ｎ3で示す。また、オープンループのアルゴリズムでの参照点を丸印で示し、クローズドループのアルゴリズムでの較正点を三角印で示す。
　図１３に示すように、液体レンズ３０に印加する電圧値が高い領域では、測定した距離情報Ｌに対応した電圧情報Vnを液体レンズ３０に印加するオープンループのアルゴリズムで、液体レンズ３０は、測定された距離にフォーカスが合うような屈折率となる。これに対して、液体レンズ３０に印加する電圧値が低い領域では、液体レンズ３０が変質すると、液体レンズ３０は、測定された距離にフォーカスが合うような屈折率とならない。
　そこで、クローズドループのアルゴリズムに切り換えて、コード記号１００にフォーカスできたときの電圧情報Vnを較正用データとして取得し、液体レンズ３０の変質を学習すると、較正後の印加電圧と屈折率の関係を示すｎ－Ｖ曲線Ｎ3が、液体レンズ３０の変質状態における印加電圧と屈折率の関係を示すｎ－Ｖ曲線Ｎ2に近づくことが判る。
　＜液体レンズを備えたカメラモジュールの構成例＞
　図１４は、液体レンズを備えた本実施の形態のカメラモジュールの一例を示す分解斜視図である。本実施の形態のカメラモジュール１０は、主レンズ２と液体レンズ３０がカメラボディ５に取り付けられる。
　主レンズ２は、単数の光学レンズ、または複数の光学レンズが円筒形状のハウジング２０に収容されて構成される。主レンズ２は、ハウジング２０の外周面にネジ部２１ａが形成される。
　液体レンズ３０は、図２Ａで説明した水溶液と油が封止される円筒形状の容器３３の外側の一部に、電極３４ａと接続される図示しない電極と、電極３４ｂと接続される電極が形成される。
　カメラボディ５は、円筒形状の主レンズ２と液体レンズ３０の外形に合わせた円筒形状の空間が形成されるレンズ取付部５０を備える。レンズ取付部５０は、主レンズ２と液体レンズ３０が光軸方向に重ねられて嵌められると、光軸に直交するＸ－Ｙ軸方向の位置を規制して、主レンズ２と液体レンズ３０の光軸を合わせる。
　カメラボディ５は、主レンズ２のハウジング２０に形成されたネジ部２１ａが締結されるネジ部５１ａが、レンズ取付部５０の内周面に形成され、主レンズ２をレンズ取付部５０に嵌めて、主レンズ２のネジ部２１ａがレンズ取付部５０のネジ部５１ａに締結されることで、カメラボディ５の前端に主レンズ２が固定される。
　カメラモジュール１０は、カメラボディ５のレンズ取付部５０と液体レンズ３０の間に挟まれるパッキング６ａと、主レンズ２と液体レンズ３０の間に挟まれるスペーサ６ｂを備える。パッキング６ａはリング形状で、例えばシリコンにより構成され、液体レンズ３０の光軸に沿ったＺ方向の位置を規制する。
　カメラモジュール１０は、固体撮像素子１２が実装される基板７と、デコード等の信号処理が行われる主基板８と、液体レンズ３０及び基板７と主基板８を接続するフレキシブルプリント基板（ＦＰＣ）９を備える。基板７には、カメラボディ５が取り付けられる。また、基板７には、測距部を構成する測距レーザ１３が実装される。更に、基板７には、カメラボディ５及び測距レーザ１３を覆う図示しないアウターケースが取り付けられ、主レンズ２と液体レンズ３０等が取り付けられたカメラボディ５と測距レーザ１３が保護される。本例では、基板７と主基板８は別基板で構成されるが、基板７と主基板８を同一の基板で構成しても良い。
　フレキシブルプリント基板９は、液体レンズ３０の図示しない電極と接続されるリング状の電極部９０を備える。電極部９０は、カメラボディ５のレンズ取付部５０に嵌る形状に構成される。
　カメラモジュール１０は、液体レンズ３０及び液体レンズ３０の近傍の温度を検知するサーミスタ１４が、例えばフレキシブルプリント基板９の電極部９０の近傍に実装され、サーミスタ１４で検知された温度情報が、フレキシブルプリント基板９により主基板８に伝送される。
　カメラモジュール１０の組み立ては、カメラボディ５に測距レーザ１３を取り付け、測距レーザ１３が取り付けられたカメラボディ５を、固体撮像素子１２等が実装された基板７に接着剤により固定し、測距レーザ１３を基板７に半田により固定する。
　次に、基板７にフレキシブルプリント基板９を接続し、カメラボディ５のレンズ取付部５０に、フレキシブルプリント基板９の一方の電極部９０とパッキング６ａを、パッキング６ａが下側となるように挿入する。
　次に、液体レンズ３０をカメラボディ５のレンズ取付部５０に挿入し、液体レンズ３０の上側に、フレキシブルプリント基板９の他方の電極部９０を挿入する。フレキシブルプリント基板９の電極部９０の上側にスペーサ６ｂを挿入し、主レンズ２をレンズ取付部５０に嵌めて、主レンズ２のネジ部２１ａをレンズ取付部５０のネジ部５１ａに締結する。
　これにより、カメラモジュール１０は、主レンズ２と液体レンズ３０の間にフレキシブルプリント基板９の一方の電極部９０が挟み込まれ、液体レンズ３０とカメラボディ５のレンズ取付部５０の間にパッキング６ａとフレキシブルプリント基板９の他方の電極部９０が挟み込まれ、液体レンズ３０は、光軸に沿ったＺ軸方向の位置がパッキング６ａにより規制される。また、パッキング６ａで液体レンズ３０が主レンズ２方向に押圧され、液体レンズ３０の図示しない電極とフレキシブルプリント基板９の電極部９０が電気的に接続される。なお、主レンズ２は、ネジ部の締結によりカメラボディ５に固定されるので、光軸方向の位置の微調整が可能である。また、主レンズ２を回転させる際に、電極部９０等が回らないようにスペーサ６ｂを入れることで、電極部９０や液体レンズ３０等を保護している。
　＜カメラモジュールの温度補正例＞
　図１５は、固定焦点レンズ系で構成される撮像光学系の一例を示す説明図である。単数または複数の光学レンズで構成される固定焦点レンズ系２Ａを備えた撮像光学系で、固定焦点レンズ系２Ａの焦点距離と、撮像対象物がある物体面Ｍとの距離の関係は、物体面Ｍから固体撮像素子等の撮像面Ｅへの方向を正とすると、以下の（７）式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　固定焦点レンズ系２Ａのみを備えた撮像光学系の場合、撮像光学系の主点（後側主点）をＨ1とすると、ある定められた距離に置かれた撮像対象物に対し、フォーカス（作動距離）s’を合わせるために、固定焦点レンズ系２Ａを有したレンズバレル２Ｂの位置を、機械的に目的の像側作動距離sに合わせるために調整を行う。
　また温度による作動距離の変化量Δs’(T)は、容易に測定を行うことができ、ある温度での作動距離s’(T)は、基準温度T0での作動距離s’(T0)に対し、以下の（８）式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　つまり、温度により、焦点距離fや像側作動距離sが変動してΔf(T)とΔs(T)が生じ、作動距離s’が変化しても、全体のΔs’(T)の傾向を測定、モデル化することができ、補正を行うことができる。
　図１６は、固定焦点レンズ系と可変焦点レンズ系で構成される撮像光学系の一例を示す説明図である。上述した本実施の形態のカメラモジュール１０では、固定焦点レンズ系を構成する主レンズ２と、可変焦点レンズ系を構成する液体レンズ３０がカメラボディ５のレンズ取付部５０に挿入され、液体レンズ３０の前段に主レンズ２が配置される構造である。液体レンズ３０を主レンズ２の前段に配置する構成では収差が少ない。但し、液体レンズ３０は有効口径が小さいので、長焦点系の撮像光学系を作成すると、いわゆる暗いレンズとなる。これに対して、主レンズ２を液体レンズ３０の前段に配置する構成では、主レンズ２は光学レンズであるので大径化が可能であり、長焦点系の撮像光学系でも、明るい撮像光学系を構成することができる。明るい撮像光学系を構成することで、コード記号のデコードの精度を向上させることができる。なお、長焦点系の撮像光学系では画角が狭いので、収差が少ない。
　このように、単数または複数の光学レンズで構成される固定焦点レンズ系２Ａと、液体レンズ、または単数または複数の光学レンズで構成される可変焦点レンズ系３Ａを備えた撮像光学系で、撮像光学系の焦点距離と物体面Ｍとの距離の関係は、物体面Ｍから撮像面Ｅへの方向を正とすると、以下の（９）式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　本実施の形態のカメラモジュール１０のように、物体面Ｍ側から固定焦点レンズ系２Ａ、可変焦点レンズ系３Ａの配置の順で並ぶ撮像光学系の場合、この撮像光学系に先に組み込まれる可変焦点レンズ系３Ａ単体では調整ができないので、可変焦点レンズ系３Ａの光学状態が未知の状態で固定焦点レンズ系２Ａの調整を行うこととなる。
　つまり、レンズ系全体のパワーが未知状態となり、固定焦点レンズ系２Ａと可変焦点レンズ系３Ａを備えた撮像光学系の主点（後側主点）をＨ2とすると、像側作動距離s’に作動距離sを調整するための機械的なレンズバレル２Ｂの位置は、可変焦点レンズ系３Ａの状態に依存することとなる。逆に考えると、可変焦点レンズ系３Ａの特性を活かせば、レンズバレル２Ｂの位置を定められることで、可変焦点レンズ系３Ａの調整により、像側作動距離s’に作動距離を合わせることは可能である。これにより、可変焦点レンズ系を取り入れた撮像光学系は、ある一定温度の環境のみで使用される系の場合、機械的には調整を必要としない。
　但し、基準温度T0での固定焦点レンズ系２Ａのみでの作動距離s0’’(T0)と可変焦点レンズ系３Ａの状態φb(T0,V)が未知であるので、温度補正の方法としては以下の２つの方法が考えられる。ここで、Vは可変焦点レンズ系を定める入力変数であり、可変焦点レンズ系が液体レンズで構成される場合は印加電圧である。
　１つの方法は、実際の環境温度下で変化したφa(T)、s(T)、t(T)に対し、所定のs’(T)を得る最適なφb(T,V)を、入力Vを変える動作を複数回試行することで定める。この方法では、読取動作中にVとs’(T)の関係を調べるオートフォーカスのフィードバックシステムが必須となり動作は遅い。
　もう１つの方法は、各個体について、温度Tの状況下で、対象距離z = s’(T)となるφb(T,V)を測定し、補正テーブルもしくは補正式を、個体毎にもしくは平均値として作成する。この方法では、個体毎に作る場合は膨大な作業が必要となり、平均値を用いる場合はその2つの光学系のばらつきから、φb(T,V)により得られるs’(T)の精度が低くなる。
　そこで、本発明では、固定焦点レンズ系に可変焦点レンズが付加した系の場合に対しても、フィードバックシステムを要さず、必要なs’(T)の精度を確保する方法を考える。
　本実施の形態の温度補正は、以下の３つの手順により行われる。
　手順１：事前の補正式の作成
（１）：固定焦点レンズ系２Ａのみを組み込んだ場合の温度変化の特性をあらかじめ測定し、以下の（１０）式でモデル化しておく。
（２）：可変焦点レンズ系３Ａの温度変化の特性をあらかじめ測定し、以下の（１１）式でモデル化しておく。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
　手順２：個体差を取得する調整工程
（１）：ある基準温度T0における、ある入力V0に対する可変焦点レンズの1つの出力φb(T0,V0)を組み立て前に測定し、システム内（不揮発性メモリ等）に記録、保持する。
（２）：出力φb(T0,V0)から、sa(T0)を算出し、システム内（不揮発性メモリ等）に記録、保持する。
　手順３:動作時
　読取時には、対象距離z = s’(T)となるφb(T,V)をφb(T0,V0)とsa(T0)から算出し、入力Vを可変焦点レンズに入力する。
　以下に、事前に補正式を作成する手順１の詳細について説明する。
　＜手順１－１＞
　固定焦点レンズ系２Ａのみを組み込んだ場合に測定した温度特性は、以下の（１２）～（１５）式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
　図１７は、温度とフォーカスのずれの関係を示すグラフである。例えば、上述した（１０）式のようなモデル式を用いて、dn/dT=0.0219[/m/K]のような係数が得られる。但し、個体毎のs’(T0)を要するので調整工程時に取得する必要がある。
　＜手順１－２＞
　可変焦点レンズ系３Ａの温度変化の特性は、上述した（１１）式のようなモデル式を用いて、以下の（１６）～（１８）式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
　aiとbiは、可変焦点レンズ系３Ａの仕様により決まる係数である。但し、個体毎のdφb/dT(T0)とφ0(T0)を要するので、調整工程時に取得する必要がある。
　図１８Ａ及び図１８Ｂは、個体差を取得する調整工程を示す光学系の説明図で、次に、個体差を取得する調整工程である手順２の詳細について説明する。
　＜手順２－１＞
　上述した手順１では、個体毎のdφb/dT(T0)とφ0(T0)が補正式に必要となる。そこで、ある基準温度T0における、ある入力V0に対する可変焦点レンズの1つの出力φb(T0,V0)を測定し、システム内の不揮発性メモリ等に記録、保持する。
　測定は、例えば、既知の光学特性を持つ固定焦点レンズ系２Ａに可変焦点レンズ系３Ａを組み込み、物体面Ｍを撮像した画像の鮮鋭さが最も大きくなる入力V0を調べ、その時の光学特性φb(T0,V0)を算出すればよい。特にφb(T0,V0)=0となるように固定焦点レンズ系２Ａを用意すれば、不揮発性メモリに記憶、保持する値はV0のみでよい。
　そこで、定められた距離x1、x2、・・・xpに物体面Ｍ1、物体面Ｍ2・・・物体面Ｍpを設置し、各物体面を撮像した画像の鮮鋭さが最も大きくなる入力V1、V2、・・・Vpを測定する。φbiは1/xiより得られるので、Vとφの関係からdφ/dV(T0)が得られる。このとき、物体面Ｍは製品仕様の最近接距離と最遠方距離の２定点を含むと精度が良い。
　以上の方法で各個体について測定したφb(T0,V0)を用いれば、傾きと１定点が既知なのでφ0(T0)を得ることができ、以上より得られた、dφb/dT(T0)とφ0(T0)を不揮発性メモリに記憶、保持する。
　＜手順２－２＞
　手順２－１においてφb(T0,V0)=0となるように定めたV0を各個体に組み込んだ状態で得られるs’が求めるsa(T0)であり、これを算出し不揮発性メモリに記憶、保持する。
　＜手順３＞
　次に、動作時の制御である手順３の詳細について説明する。読取時には、対象距離z = s’(T)となる入力Vを可変焦点レンズ系３Ａに入力する。次に、上述した視差法等で測距を行い撮像対象物までの距離zを求める。また、図１等に示すサーミスタ１４等の外部センサで温度Tを測定し、sa(T)を求める。
　次に、上述した（９）式～（１１）式を用いて、sa(T)とs’(T)よりφ(T)を求め、φ(T)より、φb(T)を求める。そして、Tを参考にして最適な入力変数、例えば最適電圧を算出し、Vを求め、可変焦点レンズ系３ＡにVを入力する。
　図１９は、温度補正の有無による精度を比較した表図である。上述した方法で温度補正を行って撮像を行った場合と温度補正を行わずに撮像を行った場合では、平均して誤差を４分の１程度にできることが判る。
　本発明は、バーコードリーダや二次元コードリーダ等に利用することができ、小型の装置でオートフォーカスを実現できる。
　１Ａ・・・光学的情報読取装置、１０・・・カメラモジュール、１１・・・撮像光学系、１２・・・固体撮像素子、１３・・・測距レーザ、１４・・・サーミスタ

Claims (7)

  1. 　焦点位置を調整する可変焦点レンズを有した撮像光学系と、
    　前記撮像光学系で結像される撮像対象物を撮像する撮像手段と、
    　撮像対象物との距離を測定する測距手段と、
    　前記測距手段を用いて撮像対象物までの距離を算出し、算出された距離情報に基づき前記撮像光学系を制御して、撮像対象物を前記撮像手段に結像させ、前記撮像手段を制御して撮像対象物の撮像を行う制御手段とを備え、
    　前記制御手段は、撮像対象物との距離の算出で用いられる測距パラメータが予め測定され、測定された装置固有の測距パラメータが記憶され、装置固有の測距パラメータを用いて撮像対象物との距離を算出する
    　ことを特徴とする光学的情報読取装置。
  2. 　前記測距手段は、前記撮像対象物に光を照射する発光手段を備え、
    　前記測距パラメータは、前記撮像手段の撮像面を通る前記撮像光学系の光軸に対する前記測距手段の位置情報であり、
    　前記制御手段は、前記測距手段で撮像対象物に照射された光の反射光が前記撮像手段に入射した位置と、前記測距手段の位置情報を用いて撮像対象物までの距離を算出する
    　ことを特徴とする請求項１記載の光学的情報読取装置。
  3. 　前記測距パラメータは、前記測距手段で撮像対象物に照射された光の反射光が前記撮像手段に入射する範囲を特定する範囲情報であり、
    　前記制御手段は、前記撮像手段の前記範囲情報で特定される範囲に入射する光を撮像すると共に、前記撮像手段の前記範囲情報で特定される範囲を検索して、前記撮像手段に入射した光の位置を算出する
    　ことを特徴とする請求項２記載の光学的情報読取装置。
  4. 　前記測距パラメータは、異なる任意の距離にある撮像対象物に前記測距手段で光を照射したときの反射光が前記撮像手段に入射した位置を用いて測定される
    　ことを特徴とする請求項２または３記載の光学的情報読取装置。
  5. 　前記制御手段は、算出された撮像対象物との距離情報と、撮像対象物を前記撮像手段に結像させる前記撮像光学系の制御情報から、前記撮像光学系の変質を学習する
    　ことを特徴とする請求項１～４の何れか１項に記載の光学的情報読取装置。
  6. 　前記可変焦点レンズは、異なる光屈折率を有し、互いに混和すること無く境界面が形成される第１の液体と第２の液体が容器に封止され、前記第１の液体と前記第２の液体の境界面の形状を制御する電圧が印加される液体レンズであり、
    　前記撮像光学系に、前記液体レンズ及び前記液体レンズの周辺の温度を検知する温度検知手段を備え、
    　前記制御手段は、前記温度検知手段で検出された温度情報と、算出された撮像対象物との距離情報に基づき前記液体レンズを制御して、撮像対象物を前記撮像手段に結像させ、前記撮像手段を制御して撮像対象物の撮像を行う
    　ことを特徴とする請求項１～５の何れか１項に記載の光学的情報読取装置。
  7. 　前記撮像光学系は、前記液体レンズの前段に、単数または複数のレンズで構成される固定焦点の光学レンズが配置される
    　ことを特徴する請求項６に記載の光学的情報読取装置。
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