碼讀取裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種碼讀取裝置，其讀取距離范圍比以往的碼讀取裝置更大。從對象物讀取碼的碼讀取裝置具備：攝像單元，拍攝成像在受光面的光學(xué)像；景深擴大單元，在預(yù)定的讀取距離范圍內(nèi)，同與所述對象物的距離無關(guān)地取得聚焦圖像；光學(xué)變換單元，按以下方式使拍攝的光學(xué)像失真，使得在所述讀取距離范圍的最短距離時的聚焦圖像包含所述碼的整體圖像、且在所述讀取距離范圍的最長距離時的聚焦圖像中向所述碼的單位圖像至少分配預(yù)定的像素數(shù)。
【專利說明】碼讀取裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及碼讀取裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]以往，一種以光學(xué)方式讀取條形碼等一維碼、QR碼(注冊商標(biāo))等二維碼的碼讀取裝置為人所知。碼讀取裝置的讀取距離范圍的擴大，會顯著提高碼讀取裝置的商品價值。為了擴大讀取距離范圍，需要一種擴大景深的技術(shù)。景深是指在聚焦?fàn)顟B(tài)下可見的被攝物體側(cè)的距離范圍。
[0003]專利文獻I公開了以具有在相位板光學(xué)系統(tǒng)和頻率空間中的圖像復(fù)原處理為特征的“具有被擴大的景深的光學(xué)系統(tǒng)”。專利文獻I記載的光學(xué)系統(tǒng)中，擴大了景深，并且能夠在較大的距離范圍內(nèi)獲得聚焦的圖像。但是，專利文獻I記載的光學(xué)系統(tǒng)只是單純擴大了景深，并不能將碼的讀取距離范圍擴大到最大限度。
[0004]在此，考慮拍攝相同尺寸的碼時的像素分配。在近場被投影到攝像元件的整個受光面上的碼，在遠(yuǎn)場被投影到受光面的一部分。被分配給碼的一個單元的像素數(shù)，遠(yuǎn)場比近場更少。即，在遠(yuǎn)場需要比近場更高的分辨率。
[0005]例如，一旦確定讀取距離范圍、碼尺寸和單元大小，則可根據(jù)在最短距離下的碼尺寸確定攝像系統(tǒng)的視場角，根據(jù)最長距離下的像素分配確定必要的分辨率。而且，存在著根據(jù)視場角和分辨率確定攝像元件所必需的像素數(shù)的關(guān)系。實際上，多數(shù)情況下是根據(jù)成本的觀點首先確定攝像元件的像素數(shù)，根據(jù)分辨率確定最長距離。因此，如果只是單純擴大景深，碼會超出畫面等，從而由于畫面的規(guī)律而限制近場的讀取距離。
[0006]另外，非專利文獻I公開了使用自動聚焦透鏡以擴大碼讀取距離范圍的“讀碼器”。自動聚焦透鏡方式是通過透鏡的移動來改變透鏡與攝像元件受光面之間距離的方式。在自動聚焦透鏡方式的讀碼器中，需要移動透鏡的驅(qū)動機構(gòu)。另外，專利文獻2公開了使用可變焦點透鏡以擴大碼讀取距離范圍的“讀碼器”。可變焦點透鏡方式是改變透鏡的焦點距離的方式?？勺兘裹c透鏡方式的讀碼器中，需要改變透鏡的焦點距離的機構(gòu)。
[0007]在先技術(shù)文獻
[0008]專利文獻
[0009]專利文獻1:日本特許第3275010號公報
[0010]專利文獻2:日本特表第2012-515359號公報
[0011]非專利文獻
[0012]非專利文獻1:易騰邁公司的手持式無線掃描器(產(chǎn)品名“SR61ex”)的產(chǎn)品目錄
【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]本發(fā)明鑒于上述情況而做出，其目的在于提供一種碼讀取裝置，其相比以往的碼讀取裝置具有更大的讀取距離范圍。
[0014]為達成上述目的，第一實施方式的發(fā)明是從對象物讀取碼的碼讀取裝置，其具備:攝像單元，拍攝成像在受光面的光學(xué)像；景深擴大單元，在預(yù)定的讀取距離范圍內(nèi)，同與所述對象物的距離無關(guān)地取得聚焦圖像；光學(xué)變換單元，按以下方式使拍攝的光學(xué)像失真，使得在所述讀取距離范圍的最短距離時的聚焦圖像包含所述碼的整體圖像、且在所述讀取距離范圍的最長距離時的聚焦圖像中向所述碼的單位圖像至少分配預(yù)定的像素數(shù)。
[0015]也可以是，當(dāng)與所述對象物的距離短于預(yù)定距離的情況下，所述光學(xué)變換單元使拍攝的光學(xué)像的像面彎曲，使得所述攝像元件周邊部的焦點位置比所述攝像元件的中心部的焦點位置更接近受光面。
[0016]為實現(xiàn)上述目的，第三實施方式的發(fā)明是從對象物讀取碼的碼讀取裝置，其具備:攝像單元，拍攝成像在受光面的光學(xué)像；第一光學(xué)變換單元，利用固有的變換函數(shù)改變?nèi)肷涔獾牟ㄇ?，使得在預(yù)定的讀取距離范圍內(nèi)可拍攝同與所述對象物的距離無關(guān)的光學(xué)像；圖像處理單元，使用所述變換函數(shù)的反函數(shù)對拍攝圖像進行圖像處理，使得在預(yù)定的讀取距離范圍內(nèi)，可從拍攝圖像復(fù)原所述對象物的聚焦圖像；第二光學(xué)變換單元，配置在所述第一光學(xué)變換單元的光入射側(cè)，按以下方式使拍攝的光學(xué)像失真，使得在所述讀取距離范圍的最短距離時的復(fù)原圖像包含所述碼的整體圖像、且在所述讀取距離范圍的最長距離時的復(fù)原圖像中向所述碼的單位圖像至少分配預(yù)定的像素數(shù)。
[0017]也可以是，當(dāng)與所述對象物的距離短于預(yù)定距離的情況下，所述第二光學(xué)變換單元使拍攝的光學(xué)像的像面彎曲，使得所述攝像元件的周邊部的焦點位置比所述攝像元件的中心部的焦點位置更接近受光面。
[0018]也可以是，所述第二光學(xué)變換單元是至少具有一個透鏡的光學(xué)系統(tǒng)，所述第一光學(xué)變換單元是形成在所述光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)的相位調(diào)制面。
[0019]發(fā)明效果
[0020]根據(jù)本發(fā)明的碼讀取裝置，能夠擴大碼的讀取距離范圍，并且能夠通過一臺碼讀取裝置讀取從近場到遠(yuǎn)場的圖像。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1是表示本發(fā)明的實施方式涉及的碼讀取裝置的結(jié)構(gòu)的框圖。
[0022]圖2A是表示本發(fā)明的實施方式涉及的碼讀取裝置的光學(xué)系統(tǒng)一例的沿光軸的剖視圖。圖2B是表示包含相位調(diào)制面的光學(xué)系統(tǒng)一例的沿光軸的剖視圖。
[0023]圖3A和圖3B是表示點擴散函數(shù)(PSF)的取得方法的說明圖。
[0024]圖4A是表示本發(fā)明的實施方式涉及的碼讀取裝置的控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的框圖。圖4B是控制裝置的功能框圖。
[0025]圖5是說明景深擴大原理的說明圖。
[0026]圖6A?6C是用于說明附加畸變光學(xué)系統(tǒng)的作用的說明圖。
[0027]圖7是用于說明基于附加畸變光學(xué)系統(tǒng)的視場擴大的模式圖。
[0028]圖8A、8B是表示MTF (調(diào)制傳遞函數(shù))的響應(yīng)根據(jù)相位調(diào)制元件的有無而不同的圖表。
[0029]圖9A、9B是表示利用像面彎曲的附加畸變光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計例的沿光軸的剖視圖。圖9A表示近場的像面彎曲的狀況，圖9B表示遠(yuǎn)場的像面彎曲的狀況。
[0030]附圖標(biāo)記說明[0031]
10、碼讀取裝置14、光學(xué)系統(tǒng)
16、攝像元件16A、受光面
[0032]
18、附加畸變光學(xué)系統(tǒng)(第二光學(xué)變換單元)
20A、相位調(diào)制面20、相位調(diào)制元件(第一光學(xué)變換單元)
22、攝像兀件驅(qū)動部24、控制裝置
26、圖像處理部28、譯碼部
30、存儲部32、PSF (點擴散函數(shù))
34、校正參數(shù)36、譯碼表 L、光軸O、物體 P、點光源
1、影像C、碼 R、攝像區(qū)域(畫面)
Df,最長距離Dn、最短距離 ΘΝ、視場角
eF、視場角S〗、焦點面
【具體實施方式】
[0033]以下，參照附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的實施方式的一例。
[0034]〈碼讀取裝置的結(jié)構(gòu)〉
[0035](整體結(jié)構(gòu))
[0036]首先，說明碼讀取裝置的整體結(jié)構(gòu)。
[0037]圖1是表示本發(fā)明的實施方式涉及的碼讀取裝置的結(jié)構(gòu)的框圖。如圖1所示，碼讀取裝置10具備形成物體O的光學(xué)像的光學(xué)系統(tǒng)14，拍攝被成像的光學(xué)像的攝像元件16，以及對被拍攝的圖像進行圖像處理的圖像處理部26。光學(xué)系統(tǒng)14、攝像元件16和圖像處理部26配置在具有窗部的筐體(未圖示)內(nèi)。被物體O散射的光通過窗部入射到光學(xué)系統(tǒng)
14。光學(xué)系統(tǒng)14具備作為第一光學(xué)變換單元的相位調(diào)制單元20，同時具備作為第二光學(xué)變換單元的附加畸變光學(xué)系統(tǒng)18。在此，物體O是指附加有碼的讀取對象物。
[0038]在上述碼讀取裝置10中，通過相位調(diào)制元件20變換入射到光學(xué)系統(tǒng)14的光的波前，即便與物體O的距離變化，也拍攝同樣模糊程度的圖像。另外，由圖像處理部26執(zhí)行對拍攝圖像實施逆變換這樣的圖像處理，從而復(fù)原聚焦圖像(除去模糊的圖像)。在預(yù)定的距離范圍(讀取距離范圍)，可進行不依賴于上述距離的拍攝和復(fù)原，景深擴大。上述景深的擴大方法稱作波前編碼法(Wavefront Coding)。還有,在后面記述景深的擴大原理。
[0039]另外，上述碼讀取裝置10中，通過附加畸變光學(xué)系統(tǒng)18對由攝像元件16拍攝的光學(xué)像附加畸變。附加畸變光學(xué)系統(tǒng)18按以下方式使光學(xué)像失真:使得在讀取距離范圍的最短距離時的復(fù)原圖像包含碼的全體圖像、即最短距離時整個碼被收納在畫面內(nèi)。再者，附加畸變光學(xué)系統(tǒng)18按以下方式使光學(xué)像失真:使得在讀取距離范圍的最長距離時的復(fù)原圖像中，向碼的單位圖像(I個單元的圖像)至少分配預(yù)定的像素數(shù)，即在最長距離時也能解析碼的I個單元圖像。
[0040]由附加畸變光學(xué)系統(tǒng)18產(chǎn)生失真的圖像，通過圖像處理部26中的數(shù)字處理被校正為無畸變的圖像。通過上述的附加畸變和畸變校正，擴大了近場時的視野，同時確保遠(yuǎn)場時的像素分配，實質(zhì)上擴大讀取距離范圍。即，通過具備相位調(diào)制元件20和附加畸變光學(xué)系統(tǒng)18，解決了只是單純擴大景深所無法解決的課題。在后面對視野擴大、像素分配的確保進行詳細(xì)說明。
[0041](光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu))
[0042]接著，說明碼讀取裝置的光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。
[0043]圖2A是表示本發(fā)明的實施方式涉及的碼讀取裝置的光學(xué)系統(tǒng)一例的沿光軸的剖視圖。
[0044]如圖2A所示，附加畸變光學(xué)系統(tǒng)18、相位調(diào)制元件20和攝像元件16分別沿著光軸L從物體O側(cè)開始按照上述順序進行配置。在圖示的例子中，使用在光軸方向具有固有的凹凸(厚度分布)的三維相位板作為相位調(diào)制元件20。相位板固有的凹凸例如通過曲面狀的相位調(diào)制面20A來實現(xiàn)。相位調(diào)制元件20使相位調(diào)制面20A朝著附加畸變光學(xué)系統(tǒng)18 —側(cè)，并配置在附加畸變光學(xué)系統(tǒng)18的后側(cè)(光圈位置)。
[0045]入射到光學(xué)系統(tǒng)14的光通過附加畸變光學(xué)系統(tǒng)18，并通過相位調(diào)制元件20后，在攝像元件26的受光面16A成像。如上所述，物體O的拍攝圖像由附加畸變光學(xué)系統(tǒng)18附加畸變，通過相位調(diào)制元件16形成偏焦的劣化圖像。
[0046]作為攝像元件16，可以使用通過光電變換拍攝光學(xué)像的圖像傳感器等。作為圖像傳感器，可以列舉 CCD (Charge Coupled Device)圖像傳感器、CMOS (Complementary MetalOxide Semiconductor)圖像傳感器等。
[0047]附加畸變光學(xué)系統(tǒng)18可以設(shè)置為，在讀取距離范圍的最短距離時的復(fù)原圖像包含碼的整體圖像且在最長距離時的復(fù)原圖像中向碼的單位圖像(I個單元的圖像)分配預(yù)定的像素數(shù)。附加畸變光學(xué)系統(tǒng)18可以由單一的光學(xué)元件構(gòu)成，也可以由組合透鏡等的一組光學(xué)元件構(gòu)成。在本實施方式中，作為附加畸變光學(xué)系統(tǒng)18，可以使用在周邊部壓縮圖像而使圖像失真的歪曲光學(xué)系統(tǒng)。作為歪曲光學(xué)系統(tǒng)，可以使用從中心部越往外側(cè)、圖像越被壓縮成同心圓狀的“魚眼透鏡”等壓縮光學(xué)系統(tǒng)。
[0048]在圖2A示出的光學(xué)系統(tǒng)中使用相位板作為相位調(diào)制元件20，相位調(diào)制元件20只要是具有變換入射光波前的功能(相位調(diào)制功能)的光學(xué)元件即可。作為相位調(diào)制元件20，除了光軸方向的厚度變化的光學(xué)元件(例如三維相位板)以外，也可以使用折射率變化的光學(xué)元件(例如折射率分布型的相位調(diào)制元件)、可進行相位調(diào)制的液晶元件(例如液晶空間相位調(diào)制元件)等。另外，還可以使用通過對透鏡表面實施涂層而改變厚度和折射率的光學(xué)元件(例如相位調(diào)制混合透鏡)等。
[0049]另外，可以在附加畸變光學(xué)系統(tǒng)18上一體地形成作為第一光學(xué)變換單元的相位調(diào)制面20A。圖2B是表示包含相位調(diào)制面的光學(xué)系統(tǒng)一例的沿光軸的剖視圖。圖2A和2B示出的例子中，附加畸變光學(xué)系統(tǒng)18是由多個透鏡構(gòu)成的組合透鏡。在附加畸變光學(xué)系統(tǒng)18的光射出側(cè)的一個透鏡面上，形成有相位調(diào)制面20A。通過在附加畸變光學(xué)系統(tǒng)18上一體地形成相位調(diào)制面20A，可以減少部件的數(shù)量，也不需要相位調(diào)制單元的光軸對準(zhǔn)。
[0050](光學(xué)系統(tǒng)的變換特性)[0051]接著，說明光學(xué)系統(tǒng)的變換特性。
[0052]圖3A和3B是表示點擴散函數(shù)(PSF =Point Spread Function)的取得方法的說明圖。波前編碼法中，使用點擴散函數(shù)(PSF)以表現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)的變換特性。PSF是表示光學(xué)系統(tǒng)對于點光源的擴散度的函數(shù)。換言之，是表現(xiàn)拍攝點光源時該點光源如何被模糊地拍攝、即點光源的模糊方式的函數(shù)。
[0053]如圖3A所示，使用碼讀取裝置20的光學(xué)系統(tǒng)14，通過攝像元件16拍攝點光源P。如圖3B所示，對應(yīng)于點光源P的影像I在攝像元件16的受光面16A成像。根據(jù)該影像I，取得光學(xué)系統(tǒng)14所固有的PSF。取得的PSF作為控制值存儲在后述的控制裝置24的存儲部30。本實施方式中，PSF作為不依賴于距離的函數(shù)使用。還有，嚴(yán)格說來，雖然PSF隨著與點光源的距離而變化，但是可以將其作為在讀取距離范圍內(nèi)不依賴于距離的函數(shù)而使用。
[0054](控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu))
[0055]接著，說明碼讀取裝置的控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。
[0056]圖4A表示本發(fā)明的實施方式涉及的碼讀取裝置的控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的框圖。圖4B是控制裝置的功能框圖。
[0057]如圖4A所示,碼讀取裝置10具備用于驅(qū)動攝像元件16的攝像元件驅(qū)動部22和控制攝像元件驅(qū)動部22的控制裝置24。例如，攝像元件驅(qū)動部22根據(jù)來自控制裝置24的控制信號來驅(qū)動攝像元件16的各部。另外，攝像元件驅(qū)動部22從攝像元件16取得模擬的圖像信號，進行變換(A/D變換)為數(shù)字圖像信號等處理，然后向控制裝置24輸出被拍攝的光學(xué)像的圖像信息?？刂蒲b置24根據(jù)取得的圖像信息對碼進行譯碼，輸出譯碼信息。
[0058]如圖4B所示，控制裝置24具備圖像處理部26、譯碼部28以及存儲部30。存儲部30中存儲有用于聚焦圖像的復(fù)原的PSF32，用于校正畸變的校正參數(shù)34，以及用于碼的譯碼的譯碼表36。
[0059]圖像處理部26從存儲部30讀取光學(xué)系統(tǒng)14的FSF32，執(zhí)行對拍攝圖像實施逆變換這樣的圖像處理，復(fù)原除去了模糊的聚焦圖像。另外，圖像處理部26從存儲部30讀取畸變校正用的校正參數(shù)34，執(zhí)行對拍攝圖像進行畸變校正的圖像處理，取得沒有畸變的圖像。復(fù)原處理和畸變校正處理可以按照任一順序執(zhí)行。通過這些處理，取得涉及沒有畸變的聚焦圖像的圖像信息。
[0060]譯碼部28從圖像處理后的圖像中提取碼圖像，進行對碼進行譯碼的譯碼處理。譯碼處理基于從存儲部30讀取的譯碼表36進行。通過譯碼處理取得的譯碼信息，從譯碼部28輸出。例如，如果是條形碼，則譯碼為對應(yīng)于條形碼的由O和I構(gòu)成的數(shù)字串?；蛘撸g碼為對應(yīng)于數(shù)字串的字符串。
[0061]〈碼讀取裝置的功能〉
[0062]接著，說明碼讀取裝置的功能。如上所述，本實施方式涉及的碼讀取裝置具備“景深擴大功能”、“視野擴大功能”和“像素分配確保功能”。以下，對各功能進行說明。
[0063](景深的擴大功能)
[0064]首先，進一步詳細(xì)說明“景深擴大功能”。
[0065]圖5是說明景深擴大原理的說明圖。本實施方式中，如上所述，利用波前編碼法(Wavefront Coding)擴大景深。
[0066]在此，簡單地說明波前編碼法的原理。說明由光學(xué)系統(tǒng)14將被攝體圖像F光學(xué)轉(zhuǎn)換成為拍攝圖像G并通過圖像處理復(fù)原為復(fù)原圖像Fk的情況。光學(xué)系統(tǒng)14具有PSF。從被攝體圖像F向拍攝圖像G的光學(xué)轉(zhuǎn)換如下述公式所示,近似于PSF的卷積(Convolution)。
[0067]G=PSF*F (* 表示卷積)
[0068]另外，從拍攝圖像G復(fù)原復(fù)原圖像Fk的圖像處理如下述公式所示，近似于基于PSF的反函數(shù)(PSF) ―1的卷積(Convolution)。換言之，執(zhí)行與由光學(xué)系統(tǒng)14進行的光學(xué)傳遞函數(shù)(OTF)的變更的逆變換相當(dāng)?shù)臑V波處理。
[0069]Fe= (PSF)^G (* 表示卷積)
[0070]如圖5所示，拍攝附加了碼C的對象物的情況下，對象物位于遠(yuǎn)處時碼C占有攝像區(qū)域R的一部分，對象物位于近處時碼C占有攝像區(qū)域R的幾乎整個面。以下，將攝像區(qū)域R稱作畫面。不使用波前編碼法的情況下，無論近場還是遠(yuǎn)場，如果對象物偏離聚焦位置，則會拍攝到模糊的圖像。其模糊程度隨著從聚焦位置到對象物的距離(偏移量)而變化。
[0071]使用了波前編碼法的本實施方式中，在預(yù)定的讀取距離范圍內(nèi)，通過上述光學(xué)變換，同與對象物的距離無關(guān)地拍攝了相同模糊程度的拍攝圖像G。另外，在本實施方式中，光學(xué)系統(tǒng)14的PSF是不依賴于距離的函數(shù)。因此，在預(yù)定的讀取距離范圍內(nèi)，通過上述的圖像處理，同與對象物的距離無關(guān)地，根據(jù)拍攝圖像G復(fù)原了聚焦的復(fù)原圖像FK。
[0072](視野擴大功能)
[0073]接著，進一步詳細(xì)說明“視野擴大功能”。
[0074]圖6A~6C是說明附加畸變光學(xué)系統(tǒng)的作用的說明圖。圖7是用于說明基于附加畸變光學(xué)系統(tǒng)的視野擴大功能的模式圖。
[0075]附加畸變光學(xué)系統(tǒng)18按以下方式使光學(xué)像失真:使得讀取距離范圍的最短距離時的復(fù)原圖像包含碼的整體圖像。如圖6B所示，圖6A示出的被攝體圖像F被拍攝成周邊部的圖像比中心部更大幅壓縮的歪曲圖像G。周邊部的畸變大，中心部的畸變小。例如，在近場讀取QR碼(注冊商標(biāo))的情況下，拍攝如圖6C示出的歪曲圖像G。
[0076]從圖6C可知，通過使圖像失真，即便在近場，也能夠?qū)⒋a全部收納在畫面內(nèi)。如圖6A、6B所示，通過拍攝后的畸變校正處理，從歪曲圖像G復(fù)原沒有畸變的復(fù)原圖像FK。SP，復(fù)原被壓縮的周邊部的圖像，恢復(fù)為無畸變的圖像。
[0077]如圖7所示，擴大景深的結(jié)果，從最短距離Dn到最長距離Df的讀取距離范圍AD內(nèi)，不受限于與對象物的距離，能夠得到聚焦的復(fù)原圖像。此處的“基準(zhǔn)點”是配置有相位調(diào)制元件20的相位調(diào)制面20A的“光圈位置”。
[0078]如果在位于最短距離Dn的最近點拍攝對象物，通過附加畸變光學(xué)系統(tǒng)18附加畸變的結(jié)果，附加在對象物上的碼C收納在攝像區(qū)域內(nèi)，并且能夠得到包含碼圖像的復(fù)原圖像。即，通過附加畸變光學(xué)系統(tǒng)18的附加畸變，能夠擴大最近點時的視野，可進行在視場角ΘΝ (>0F)的廣角拍攝。例如，視野擴大成1.4倍。最近點時的視野的擴大，實質(zhì)上擴大了景深。還有，視場角ΘF是位于最長距離Df的最遠(yuǎn)點時的視場角。
[0079](像素分配的確保功能)
[0080]接下來，參照圖7進一步詳細(xì)說明“像素分配確保功能”。
[0081]如上所述，根據(jù)附加畸變光學(xué)系統(tǒng)18，同中心部相比，周邊部的圖像被大幅地壓縮。在近場，由于碼C占據(jù)畫面的幾乎整表面，因而對于碼C的單位像素(I個單元)的像素分配變多。另一方面，在遠(yuǎn)場，由于碼C只占據(jù)畫面的一部分，因而對于碼C的I個單元的像素分配變少。如果對于碼C的I個單元的像素分配少，則容易受到附加畸變光學(xué)系統(tǒng)18的影響。即，即使在同周邊部相比畸變較少的中心部，也難以復(fù)原無畸變形的碼圖像。
[0082]鑒于上述情況，附加畸變光學(xué)系統(tǒng)18按以下方式使光學(xué)像失真:使得在讀取距離范圍的最長距離Df時的復(fù)原圖像中，對碼C的單位圖像(I個單元)至少分配預(yù)定的像素數(shù)。在處于最長距離Df的最遠(yuǎn)點按以下方式使光學(xué)像失真:使得對于碼C的I個單元的像素分配比預(yù)定的像素數(shù)多。例如，對于碼C的I個單元的像素分配為2個像素以上。由此，即便在最遠(yuǎn)點，也可以分辨出碼C的I個單元。
[0083]還有，在遠(yuǎn)場，碼C占據(jù)畫面的中心部。因此，附加畸變光學(xué)系統(tǒng)18可設(shè)計為中心部的分辨率高、周邊部的分辨率低。通過這樣的設(shè)計，在最遠(yuǎn)點，能夠使得對于碼C的I個單元的像素分配比預(yù)定的像素數(shù)多。
[0084]另外，如圖9A、9B所示，如果使用附加畸變光學(xué)系統(tǒng)18，由于視野的中心部和周邊部的焦點位置不同，會發(fā)生焦點面S1 (光學(xué)像的像面)彎曲(像面彎曲)的現(xiàn)象。也可以將附加畸變光學(xué)系統(tǒng)18設(shè)計成能夠積極利用該像面彎曲。以下，進行具體說明。
[0085]在近場，如圖9A所示，周邊部的焦點位置比中心部的焦點位置更接近攝像元件16的受光面16A。即在中心部焦點沒聚焦在受光面16A，而是在周邊部聚焦。對于由附加畸變光學(xué)系統(tǒng)18壓縮而信息量減少的周邊部，通過在受光面16A上聚焦，容易進行周邊部圖像的復(fù)原，進而容易實現(xiàn)譯碼。還有，在遠(yuǎn)場，如圖9B所示地焦點位置向光學(xué)系統(tǒng)側(cè)偏離。彎曲的焦點面S1也向光學(xué)系統(tǒng)側(cè)偏離，在周邊部焦點無法聚焦在受光面16A，在中心部可聚焦在受光面16A。
[0086](實施例)
[0087]使用通用的攝像元件，進行讀取單元尺寸1.0mm的碼的實驗。使用以往的光學(xué)系統(tǒng)可讀取200mm以上400mm以下范圍的碼，對此，使用本實施方式的光學(xué)系統(tǒng)可在120mm以上1200mm以下的范圍內(nèi)讀取碼。還有，讀取距離范圍(與合焦位置的距離)根據(jù)單元尺寸和光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計而變化。
[0088](功能的調(diào)和)
[0089]接著，對“景深擴大功能”、“視野擴大功能”和“像素分配確保功能”的調(diào)和進行說明。圖8A、8B是表示調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF:Modulation Transfer Function)的響應(yīng)根據(jù)相位調(diào)制元件的有無而不同的圖表。圖8A是表示無相位調(diào)制元件情況下的MTF的響應(yīng)的圖表，圖8B是表不插入相位調(diào)制兀件情況下的MTF的響應(yīng)的圖表?？v軸表不歸一化的MTF的值，橫軸表示空間頻率(單位:周期/_)。還有，光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2A所示。
[0090]MTF是表示光學(xué)系統(tǒng)的成像性能的指標(biāo)。表示按照實線一粗虛線一細(xì)虛線的順序，與對象物的距離變長。如圖8A所示，沒有在附加畸變光學(xué)系統(tǒng)18的聚焦位置配置相位調(diào)制元件20的情況下，與對象物的距離越長，MTF的響應(yīng)越低。這表示光學(xué)系統(tǒng)14的成像性能隨著與對象物的距離而變化。
[0091]相反，如圖8B所示，在附加畸變光學(xué)系統(tǒng)18的聚焦位置配置了相位調(diào)制元件20的情況下，同與對象物的距離無關(guān)，MTF的響應(yīng)近似為一定值。這表示光學(xué)系統(tǒng)14的成像性能同與對象物的距離無關(guān)地保持恒定。根據(jù)這個結(jié)果，可以確認(rèn)通過相位調(diào)制元件20使附加畸變光學(xué)系統(tǒng)18的MTF分布均衡，得到相同模糊程度的圖像，景深得以擴大。
[0092]如上所述，在本實施方式中，同與對象物的距離無關(guān)地，可得到聚焦的復(fù)原圖像。即，擴大了景深，讀取距離范圍變大。另外，在本實施方式中，根據(jù)讀取距離范圍，向被拍攝的光學(xué)像附加畸變。通過附加畸變，擴大了近場的視野，使得在最短距離拍攝且復(fù)原的復(fù)原圖像包含碼的整體圖像。另外，通過附加畸變，在最長距離拍攝且復(fù)原的復(fù)原圖像中，向一個單元分配預(yù)定的像素數(shù)。因此，能夠通過一臺碼讀取裝置讀取從近場到遠(yuǎn)場的圖像。
[0093]〈變形例〉
[0094]還有，上述各實施方式中說明的碼讀取裝置的結(jié)構(gòu)是一例，毋庸置疑，可以在不脫離本發(fā)明主旨的范圍內(nèi)變更該結(jié)構(gòu)。
[0095]例如，在上述實施方式中，說明了利用波前編碼法擴大景深的情況，也可以利用其他方法擴大景深。作為景深的擴大方法，例如可以列舉編碼孔徑法(Coded Aperture)、焦點掃描法(Focus Swe印)、色差法、微透鏡法。關(guān)于編碼孔徑法、焦點掃描法，可以參照向川康博等的“基于光學(xué)系統(tǒng)?攝像過程.信號處理方法的光學(xué)傳感技術(shù)”、日本精密工學(xué)會雜志，Vol77, N12,2011ο
[0096]編碼孔徑法是根據(jù)攝像系統(tǒng)內(nèi)的光圈，不僅調(diào)節(jié)光量，還將攝像系統(tǒng)的點擴散函數(shù)(PSF)進行編碼的方法。由于在理想的幾何光學(xué)系統(tǒng)中，光圈的形狀與圖像上的PSF的形狀等價，因而可以根據(jù)光圈圖案控制攝像系統(tǒng)的PSF。提出一種具有無零點交叉的寬帶頻率特性的光圈形狀，用于穩(wěn)定地復(fù)原圖像。詳細(xì)內(nèi)容記載在Zhou, C.，Nayar.:What are goodapertures for defocus deblurring?In:1nternational Conference of ComputationalPhotography, San Francisicoj U.S.(2009)等文獻中。
[0097]焦點掃描法是在曝光中改變(焦點掃描)攝像元件的位置，同時多重曝光各點的圖像，得到不依賴于距離的PSF的方法。詳細(xì)內(nèi)容記載在Hajime Nagahara, SujitKuthirummal, Changyin Zhou, Shree K.Nayar, Flexible Depth of FieldPhotography, Proc.European Conf.Computer Vision, N0.LNCS5305, PP.60-73，2008.10 等文獻中。
[0098]色差法是根據(jù)增大色差的特殊光學(xué)透鏡和彩色濾光陣列以及專用的信號處理來擴大景深的方法。詳細(xì)內(nèi)容記載在江川等的“Depth of Field Expansion TechnologyUsing Chromatic Aberration”、光學(xué) 40 (10)，528-533，2011-10-10，應(yīng)用物理學(xué)會分科會日本光學(xué)會等的文獻中。
[0099]微透鏡法是通過特殊透鏡的攝像系統(tǒng)來擴大景深的方法，該特殊透鏡具有組合了多個焦點距離各異的 透鏡。詳細(xì)內(nèi)容記載在LEVIN, A.，HASIN0FF, S.，GREEN, P.，DuRAND, F.，AND FREEMAN, ff.2009.4D frequency analysis of computational cameras for depth offield extension.MIT CSAIL TR2009-019.等文獻中。
[0100]另外，附加在讀取對象物上的碼可以是條形碼等一維碼、QR碼(注冊商標(biāo))等二維碼的任何一種。
【權(quán)利要求】
1.一種碼讀取裝置，從對象物讀取碼，其特征在于，具備: 攝像單元，拍攝成像在受光面的光學(xué)像； 景深擴大單元，在預(yù)定的讀取距離范圍內(nèi)，同與所述對象物的距離無關(guān)地取得聚焦圖像； 光學(xué)變換單元，按以下方式使拍攝的光學(xué)像失真，使得在所述讀取距離范圍的最短距離時的聚焦圖像包含所述碼的整體圖像、且在所述讀取距離范圍的最長距離時的聚焦圖像中向所述碼的單位圖像至少分配預(yù)定的像素數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碼讀取裝置，其特征在于， 當(dāng)與所述對象物的距離短于預(yù)定距離的情況下，所述光學(xué)變換單元使拍攝的光學(xué)像的像面彎曲，使得所述攝像元件周邊部的焦點位置比所述攝像元件的中心部的焦點位置更接近受光面。
3.一種碼讀取裝置，從對象物讀取碼，其特征在于，具備: 攝像單元，拍攝成像在受光面的光學(xué)像； 第一光學(xué)變換單元，利用固有的變換函數(shù)改變?nèi)肷涔獾牟ㄇ?，使得在預(yù)定的讀取距離范圍內(nèi)可拍攝同與所述對象物的距離無關(guān)的光學(xué)像； 圖像處理單元，使用所述變換函數(shù)的反函數(shù)對拍攝圖像進行圖像處理，使得在預(yù)定的讀取距離范圍內(nèi)，可從拍攝圖像復(fù)原所述對象物的聚焦圖像； 第二光學(xué)變換單元，配置在所述第一光學(xué)變換單元的光入射側(cè)，按以下方式使拍攝的光學(xué)像失真，使得在所述讀取距離范圍的最短距離時的復(fù)原圖像包含所述碼的整體圖像、且在所述讀取距離范圍的最長距離時的復(fù)原圖像中向所述碼的單位圖像至少分配預(yù)定的像素數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的碼讀取裝置，其特征在于， 當(dāng)與所述對象物的距離短于預(yù)定距離的情況下，所述第二光學(xué)變換單元使拍攝的光學(xué)像的像面彎曲，使得所述攝像元件的周邊部的焦點位置比所述攝像元件的中心部的焦點位置更接近受光面。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或權(quán)利要求4所述的碼讀取裝置，其特征在于， 所述第二光學(xué)變換單元是至少具有一個透鏡的光學(xué)系統(tǒng)， 所述第一光學(xué)變換單元是形成在所述光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)的相位調(diào)制面。
【文檔編號】G06K7/10GK104008358SQ201410067342
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年2月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年2月27日
【發(fā)明者】豊田千惠, 塚田敏彥, 加藤覺, 北角善美, 伊藤邦彥 申請人:電裝波動株式會社, 株式會社電裝