JP4566930B2 - 撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、発光素子の光を対象物に導き、照射し、撮像するための撮像装置に関し、特に、対象物との距離を測定して、撮像するための撮像装置に関する。

対象物に均一な光を照射し、対象物の所定範囲を撮像する撮像装置は、広く利用されている。このような撮像装置の撮像画像を利用して、画像処理する画像処理システムでは、特に、鮮明な撮像画像が要求される。

例えば、近年のバイオメトリックス技術の発展に伴い、人間の体の個人を区別できる部分である生体の特徴を、例えば、手足の指紋、目の網膜、顔面、血管など、撮像し、生体の特徴を認識して、個人認証する装置が種々提供されている。

特に、手のひらや甲、指の血管、掌紋は、比較的大量の個人特徴データを得られるため、個人認証の信頼性に適している。又、血管（静脈）の模様は、胎児の時から生涯変わらず、万人不同と言われおり、個人認証に適している。

このような生体認証等には、対象物（生体認証では、人間の体の一部）を非接触で撮像する必要がある。このため、撮像装置は、ある撮像範囲（距離及び面積）において、光強度が均一となる光を発射し、その撮像範囲の反射光をセンサーで受光し、電気信号として、撮像画像信号を出力する。又、適切な撮像を行うには、対象物までの距離を測定する距離センサーを設ける必要がある。

図３４及び図３５は、従来の撮像装置の説明図である。図３４及び図３５に示すように、撮像装置１００は、中央に撮像（デジタルカメラ）ユニット１２０を、その周囲に、複数の発光素子１３０−１〜１３０−８と、図示しない光学距離センサーを設けている。図３４の点線は、この複数の発光素子１３０−１〜１３０−８の個々の発光素子の均一強度の光の範囲を、示している。

このように、撮像ユニット１２０の周囲に、複数（ここでは、８つ）の点光源を配置することにより、撮像ユニット１２０の撮像範囲に、均一強度の光を照射できる。図３５に示すように、一方、撮像ユニット１２０は、ＣＭＯＳセンサー等の光電変換ユニット１２２と、レンズ等の光学系１２４を有する。面受光素子である光電変換素子は、所定の受光面積を有するため、この受光面に、撮像範囲の反射光を導くには、所定の光学距離が必要となる。このため、魚眼レンズ等のレンズ１２４を、光電変換ユニット１２２と対象物との間に設け、所定の撮像範囲の像を光電変換素子１２２の受光面に投影している。

このように、各点光源素子１３０−１〜１３０−８で、所定の撮像範囲を分担して、照射するには、図３４のように、点光源素子１３０−１〜１３０−８を離して、配置し、且つ所定の光強度の均一光を、撮像範囲に与えるため、図３６のように、光電変換素子１２２より、対象物に近接して、配置することが行われていた。又、距離センサーは、対象物にスポット光を照射し、その反射光を受けて、対象物との距離を測定する。このため、同様に、対象物に近接して、配置することが行われていた（例えば、特許文献１参照）。
ＷＯ２００４／０８８５８８号公報（図１及び図６）

この従来の撮像装置では、前述のように、点光源素子１３０−１〜１３０−８を離して、配置し、且つ図３５のように、光電変換素子１２２より、対象物に近接して、配置するため、撮像装置の小型化が困難であり、装置への組み込みに制限がある。

又、光強度の高い発光素子も存在し、この発光素子を用いることにより、撮像ユニット１２０に近接して、発光素子を配置できるが、光強度の高い発光素子は高価であり、且つ電力消費も大きく、小型で低価格な撮像装置には、不向きである。

同様に、距離センサーについても、対象物に近接して、配置するため、撮像装置の小型化が困難であり、装置への組み込みに制限がある。又、光強度の高い発光素子も存在し、この発光素子を距離センサーに用いることにより、撮像ユニット１２０に近接して、距離センサーを配置できるが、光強度の高い発光素子は高価であり、且つ電力消費も大きく、小型で低価格な撮像装置には、不向きである。

従って、本発明の目的は、小型化しても、対象物に対し、広がりのある照明を行い、撮像し、且つ対象物との距離を測定するための撮像装置を提供することにある。

本発明の他の目的は、小型化しても、対象物に対し、広がりのある照明を行い、撮像し、且つ省電力の距離センサーで距離を測定するための撮像装置を提供することにある。

本発明の更に他の目的は、小型化して、対象物に対し、広がりのある照明を行い、撮像し、且つ距離センサーの取り付け精度を向上するための撮像装置を提供することにある。

この目的の達成のため、本発明は、対象物に照明を当て、前記対象物からの反射光を受光して、撮像する撮像装置において、前記反射光を受光するイメージセンサと、前記イメージセンサの周囲の位置に搭載された複数の発光素子と、前記複数の発光素子の光を、撮像範囲に導き、前記撮像範囲を照明する導光体と、前記導光体の内部に収容され、前記照明された撮像範囲の対象物の反射光を前記イメージセンサに導くための光学ユニットと、前記対象物に光を照射する距離測定用発光素子と、前記距離測定用発光素子に設けられ、前記距離測定用発光素子の光線を覆い、且つ前記光線を収束して、集束レンズに導くアパチャーと、距離測定時に、前記距離測定用発光素子を駆動し、且つ前記イメージセンサの撮像画像から前記距離測定用発光素子のスポット光の位置を検出し、前記対象物との距離を求める制御回路とを有する。

又、本発明は、好ましくは、前記アパチャーは、前記距離測定用発光素子の光線を覆うホルダーと、スポット光を出射するための集束レンズと、前記距離測定用発光素子の光線を前記集束レンズ方向に収束するためのコンデンサーとを有する。

又、本発明は、好ましくは、前記コンデンサーは、前記集束レンズ方向へ逆台形状の光路を形成する部材で構成された。

又、本発明は、好ましくは、前記複数の発光素子は、前記イメージセンサの周囲の円に沿って、所定の間隔で、回路基板に搭載され、前記導光体は、前記円に対応したリング形状で構成された。

又、本発明は、好ましくは、前記イメージセンサと前記複数の発光素子と前記距離測定用発光素子とが、同一の前記回路基板に搭載された。

又、本発明は、好ましくは、前記導光体と、前記複数の発光素子間に設けられ、前記発光素子の光を拡散、偏光する拡散・偏光板と、前記拡散・偏光板を搭載する搭載台とを更に設けた。

又、本発明は、好ましくは、前記導光体と、前記複数の発光素子間に設けられ、前記発光素子の光を拡散、偏光する拡散・偏光板と、前記アパチャーと一体に形成され、前記拡散・偏光板を搭載する搭載台とを更に設けた。

又、本発明は、好ましくは、前記距離測定用発光素子は、前記イメージセンサの画像から、撮像範囲の対象物との距離を測定するように、回路基板上に複数搭載された。

又、本発明は、好ましくは、前記距離測定用発光素子は、前記発光素子の外側の位置に、前記回路基板に搭載された。

又、本発明は、好ましくは、前記複数の発光素子は、赤外光を発光する発光素子で構成され、可視光をフィルターする光学フィルタを更に設けた。

又、本発明は、好ましくは、前記導光体は、前記発光素子の光を導入するための下端部と、前記撮像範囲に光を出射するための上端部と、前記下端部から前記上端部へ、前記発光素子の光を導く導光部とを有する。

又、本発明は、好ましくは、前記距離測定用発光素子は、４つの発光素子で構成され、且つ前記発光素子の外側の位置で、対角関係となるように、前記回路基板に搭載された。

又、本発明は、好ましくは、前記アパチャーは、前記４つの発光素子に対応する４つのアパチャーで構成された。

又、本発明は、好ましくは、前記イメージセンサは、生体の一部を撮像する。

本発明では、イメージセンサの周囲の位置に、複数の発光素子を搭載し、この複数の発光素子の光を、導光体で、撮像範囲に導き、照明するような撮像系と照明系とが近接している小型の撮像装置を実現でき、且つ距離測定用発光素子に、発光光の下方を絞り、上方を拡大した光路を作成するアパチャーを設けることにより、乱反射する発光素子の光線を選別し、収束し、一方向に出射することができる。これにより、省電力で発光量の少ない発光素子を用いても、十分な照射光量を得ることができ、スポット光を照射する距離センサーも小型化でき、撮像装置の小型化に寄与する。

以下、本発明の実施の形態を、撮像装置の構成、照明機構、フードの構成、距離センサー、画像処理構成、他の撮像装置の構成、他の実施の形態の順で説明する。

＊＊撮像装置＊＊
図１は、本発明の一実施の形態の撮像装置の断面図、図２は、図１の撮像装置の分解構成図、図３は、図１、図２の基板の上面図、図４は、図３の発光素子と受光素子の動作説明図、図５は、図２の構成を組み立てた場合の構成図、図６は、図１の外部ケースの構成図、図７は、図２の組み立て体を外部ケースに収容した場合の構成図、図８は、図１の撮像装置の外観図である。

図１の構成を説明する前に、図２乃至図７により、図１の各部の構成を説明する。図２に示すように、カメラ基板２０の中央には、ＣＭＯＳイメージセンサ等のイメージセンサ３０と、偏光板３２が設けられる。カメラ基板２０のイメージセンサ３０の周囲に、複数の発光素子２２，２４と受光素子２６が搭載される。

図３で詳細に説明すると、カメラ基板２０の中央に、イメージセンサ３０が搭載され、その上に、偏光板３２が、貼り付けられる。カメラ基板２０のイメージセンサ３０の周囲の円に沿って、複数の発光素子２２，２４と受光素子２６とが搭載される。即ち、第１の発光素子（ＬＥＤ）２２と第２の発光素子（ＬＥＤ）２４は、イメージセンサ３０の周囲に、各々８つ設けられる。

この第１の発光素子２２と第２の発光素子２４との間に、受光素子（フォトダイオード）２６が設けられる。図４に示すように、この受光素子２６は、第１の発光素子２２と第２の発光素子２４の光（後述する偏光板４４からの反射光）を受光し、第１の発光素子２２と第２の発光素子２４のＡＰＣ（自動パワー制御）を行うため、設けられる。この第１の発光素子２２と第２の発光素子２４は、個別のタイミングで、発光駆動される。

この例では、個別のタイミングで発光される第１、第２の発光素子２２，２４の各々の自動パワー制御を行うため、１つの受光素子２６で、第１、第２の発光素子２２，２４の光を受光するように、第１、第２の発光素子２２，２４の間に配置されている。このため、ＡＰＣ制御のための受光素子の数を減少できる。

更に、カメラ基板２０の四隅には、対象物との距離を計測するための４つの距離計測用発光素子５２が設けられる。図３に示すように、この４つの距離計測用発光素子５２は、カメラ基板２０の対角線上に配置され、且つ各々発光素子５２の間隔は、最も距離の遠い対角線上に配置される。この４つの距離計測用発光素子５２による測定距離から、対象物（ここでは、手のひら）の傾きを検出する。

即ち、１枚のカメラ基板２０には、対象物の撮像のための照明系２２，２４，２６と、撮像系３０，３２とが設けられ、更に、距離計測系５２も設けられる。

図２に戻り、カメラ基板２０の発光素子２２，２４の上方には、４枚の拡散板４４と４枚の偏光板４２とが設けられる。この拡散板４４と偏光板４２は、カメラ基板２０の四辺に、取り付けられる偏光・拡散台４６に貼り付けられる。拡散板４４は、第１、第２の発光素子２２，２４の指向性のある発光分布をある程度拡散する。偏光板４２は、第１、第２の発光素子２２，２４の自然光を直線偏光に変換する。

この４枚の偏光板４２の上方には、リング状の導光体１０が設けられる。導光体１０は、例えば、樹脂で構成され、且つカメラ基板２０の第１、第２の発光素子２２，２４の光を上方に導き、対象物に均一光を照射する。このため、導光体１０は、カメラ基板２０の発光素子２２，２４の配置に合わせ、リング形状である。この導光体１０は、図９以下で説明するように、第１、第２の発光素子２２，２４の光を上方に導きながら、対象物に均一光を照射する。

更に、カメラ基板２０のほぼ中央のイメージセンサ３０の上で、且つリング状の導光体１０内に、光学ユニット３４が、カメラ基板２０に取り付けられる。光学ユニット３４は、集光レンズ等のレンズ光学系からなる。

このカメラ基板２０の距離測定用発光素子５２には、アパチャー５０が取り付けられる。後述するように、アパチャー５０は、距離測定用発光素子５２の光が、対象物方向に向かうように、他の方向への光の拡散を遮蔽する。

カメラ基板２０とは、別に、制御基板６０が設けられる。制御基板６０は、外部と接続するためのものであり、外部コネクタ６２と、カメラ基板２０とのカメラコネクタ６４とを有する。この制御基板６０は、カメラ基板２０の下部に設けられ、カメラコネクタ６４で、カメラ基板２０と電気的に接続する。更に、外部コネクタ６２のため、ホルダーカバー６８が設けられる。

このようにして、カメラ基板２０に、イメージセンサ３０、発光素子２２，２４、受光素子２６、距離測定用発光素子５２を搭載し、このカメラ基板２０上に、拡散・偏光台４６、拡散板４４、偏光板４２、アパチャー５０、光学ユニット３４、導光体１０を取り付け、カメラ部分を組み立てる。このカメラ部分に、制御基板６０を取り付ける。図５は、そのカメラ部分と制御基板の取り付け後のユニット状態を示す。

更に、図６に示すように、可視光カットフィルタ板７６、フード７８、ホルダーアッセンブリー７０、外装ケース７４を用意する。そして、図５の取り付けユニットを、図６のホルダーアッセンブリー７０に取り付け、且つ図２のホルダー６８を、ホルダーアッセンブリー７０に取り付けることにより、図７の構成に組み立てる。

この図７の構成を、図６の外装ケース７４に収容し、且つフード７８を取り付けた可視光カットフィルタ板７６を、外装ケース７４の上部に取り付け、図８の撮像装置を組み立てる。この可視光カットフィルタ板７６は、外部からイメージセンサ３０に入り込む可視光成分をカットする。又、フード７８は、図１を用いて、以下に説明するように、所定の撮像範囲外の光が、光学ユニット３４に入り込むのをカットするとともに、導光板１０から漏れる光が、光学ユニット３４に侵入することを防止する。

図１は、図８の完成体１の断面図である。前述のように、カメラ基板２０に、イメージセンサ３０、発光素子２２，２４、受光素子２６、距離測定用発光素子５２を搭載している。即ち、１つの基板に、照明系と撮像系の基本構成を搭載している。このため、搭載基板が１枚で済み、コストダウンに寄与する。

又、発光素子２２，２４の上部に、リング状の導光板１０を設け、発光素子２２，２４の光を可視光フィルタ７６に導いており、この導光体１０は、発光素子２２，２４の光を分光して、可視光フィルタ７６に出射する。このため、発光素子２２，２４をイメージセンサ３０に近接して設けても、且つ同一基板２０に設け、小型化できるとともに、対象物に均一な光を照明できる。即ち、図１に示す逆三角形の斜線部分をカメラの撮像範囲とすると、この撮像範囲に、均一な光を照明できる。

更に、導光板１０は、リング状であるため、リング１０内に、光学ユニット３４を収容でき、一層小型化が可能となる。又、フード７８は、所定の撮像範囲（図１の斜線部分）外の光が、光学ユニット３４に入り込むのをカットするとともに、導光板１０から漏れる光が、光学ユニット３４に侵入することを防止するため、導光板１０や、発光素子２２，２４を、イメージセンサ３０、光学ユニット３４に近接して設けても、撮像精度の低下を防止できる。

しかも、カメラ基板２０に、距離測定用発光素子５２を設けたので、距離測定するカメラユニットをより小型化できる。尚、図１では、制御基板６０が、カメラ基板２０の下部に接続され、且つ制御基板６０の外部コネクタ６２に、外部ケーブル２が接続される。

＊＊照明機構＊＊
次に、導光体を含む照明機構を説明する。図９は、本発明の一実施の形態の導光体の動作説明図、図１０は、図９の照明機構の詳細構成図、図１１は、図１０の導光体の台形切り欠き部の説明図、図１２乃至図１４は、図１０の導光体の導光及び拡散動作の説明図である。

図９において、図１及び図２で示したものと同一のものは、同一の記号で示してある。図９に示すように、導光体１０は、点光源である発光素子２２，２４の光を、３分割するように、可視光フィルタ７６に導く。

即ち、導光体１０からは、基本的に、光学ユニット３４方向の光Ａ３、導光体１０の長手方向の光Ａ２，光学ユニット３４と反対方向の光Ａ１とが、発射される。この導光体１０を設けることにより、１つの点光源２２，２４で、可視光フィルタ７６近傍では、あたかも３つの点光源として、振る舞うことができる。

図１０に示すように、導光体１０は、上部斜面１４と、２つの側面１０−１，１０−２と、下部台形溝部１２とからなる。下部台形溝部１２は、偏光板４２、拡散板４４を介し発光素子２２，２４に対向し、発光素子２２，２４からの光を受ける。又、上部斜面１４は、光学ユニット３４側が高い斜面である。

図１１に示すように、発光素子２２，２４から発光強度分布Ｂは、上部に向かって長い（強い）円弧状をなしている。即ち、発光素子２２，２４の光発射方向（素子の垂直方向）の光成分Ｂ１の強度が、その両側方向の光成分Ｂ２，Ｂ３より強い。導光体１０の台形状溝１２は、出射側で、図９のように、基本的に３つの点光源とみなせるように、この強度分布Ｂに対応して形成されている。

即ち、導光体１０内での反射により、３つの点光源となるように、台形状溝１２は、光成分Ｂ１を導入する平坦部分１２ｂと、その両側の光成分Ｂ２，Ｂ３を導入するため、この光成分Ｂ２，Ｂ３の方向に応じた傾きを持つ一対の斜面部分１２ａ，１２ｃとで構成されている。この台形状溝１２の形状により、あたかも、点光源２２，２４の光を、３つの光に分割する作用を果たす。

又、この平坦部分１２ｂと斜面部分１２ａ，１２ｃの長さは、後述するように、導光体１０の出射光により、所定の領域の光強度が、ほぼ均一となるように、設定されている。ここでは、最大の光強度の光成分Ｂ１を受ける平坦部分１２ｂの長さが、それより弱い光強度の光成分Ｂ２，Ｂ３を受ける斜面部分１２ａ，１２ｃの長さより、短い。これにより、光強度分布に応じて、分割される光量を調整している。

この動作を、図１２乃至図１４で説明する。図１２に示すように、発光素子２２，２４の発光強度分布Ｂの左側の成分Ｂ２は、導光体１０の左側斜面部分１２ａから導光体１０の左側面１０−２に入射し、左側面１０−２で反射して、導光体１０の右側面１０−１に向かう。そして、右側面１０−１に向かった光は、右側面１０−１で反射し、再び、左側面１０−２に向かい、左側面１０−２で反射され、上部斜面１４にほぼ垂直に入射し、撮像範囲の最外部へ出射する。

又、図１３に示すように、発光素子２２，２４の発光強度分布Ｂの中央の成分Ｂ１は、導光体１０の中央平坦部分１２ｂから導光体１０に入射し、上部斜面１４に斜めに入射し、撮像範囲の最内部へ出射する。

更に、図１４に示すように、発光素子２２，２４の発光強度分布Ｂの右側の成分Ｂ３は、導光体１０の右側斜面部分１２Ｃから導光体１０の右側面１０−１に入射し、右側面１０−１で反射して、導光体１０の左側面１０−２に向かう。そして、左側面１０−２に向かった光は、左側面１０−２で反射し、上部斜面１４にほぼ垂直に入射し、撮像範囲の最内部と最外部の間へ出射する。

図１２乃至図１４を合成すると、図１０のような光路図となる。即ち、導光体１０は、点光源２２，２４の点発光を、台形状溝部１２で、３つの光に分割し、各々の光を、導光体１０内の側面の反射を利用して、導光体１０の出射側で、３つの点光源が存在するかの如く振舞うように、出射する。

この場合に、図１の撮像範囲（斜線）を考慮して、導光体１０の上部斜面１４で、出射方向を調整する。又、撮像範囲で、ほぼ均一の光強度を得るには、図１１で説明した発光素子２２，２４の発光強度分布Ｂを考慮して、導光体１０の台形状溝部１２の平坦部分１２ｂ、斜面部分１２ａ，１２ｃの長さ、即ち、入射幅又は入射量を調整する。

ここでは、ほぼ均一の光強度を得るため、図１１で説明した発光素子２２，２４の発光強度分布Ｂが、中央の光強度が強く、その周囲がそれより弱いため、導光体１０の台形状溝部１２の平坦部分１２ｂの長さを、斜面部分１２ａ，１２ｃの長さより短くし、光強度の強い部分が、平坦部分１２ｂにのみならず、斜面部分１２ａ，１２ｃにも入射するようにしている。

そして、導光体１０の台形形状の溝１２と上部斜面１４と、導光体１０の反射を利用して、反射光や直進光を、撮像範囲に、ほぼ均一の光強度を得るように、拡散して、出射できる。

図１で言うと、イメージセンサ３０の撮像範囲Ｖに対し、光が照射されるが、光強度が均一の範囲は、Ｖ１で示す。撮像範囲は、Ｖであるが、この範囲Ｖ１の画像から、撮像対象物の特に重要な特徴を抽出することにより、精度の高い特徴抽出が可能となる。又、Ｖ１以外の範囲の画像は、レベル補正により、レベルを合わせ、重要度の低い特徴抽出に使用できる。

＊＊フードの構成＊＊
図１５及び図１６は、図１乃至図１４で説明した撮像装置のフードの構成図、図１７は、その動作説明図である。図１５は、フードの上から見た斜視図であり、図１６は、フードの下から見た斜視図である。図１５及び図１６に示すように、フード７８は、フード外壁７８−１と、フード外壁７８−１の底部７８−４と、底部７８−４に設けられた露光穴７８−２と、フード外壁７８−１の最上部に設けられたフランジ７８−３とを有する。

図１７に示すように、フード７８の底部７８−４に露光穴７８−２に、光学ユニット３４の先端がセットされる。フード７８の上部（フランジ７８−３を含む）は、可視光フィルタ７６に取り付けられる。図１乃至図１４で説明したように、小型化のため、撮像ユニット３４，３０と、照明機構２２，１０とを近接すると、出射系である照明機構からの光が、撮像系３４，３０に入射し、撮像画像に影響する。

このため、出射系と撮像系とを、光学的に分離する必要があり、フード７８を設ける。このフード７８は、光を透過しない遮蔽部材で構成され、底部７８−４を設けて、フード外壁７８−１を、導光体１０方向に位置させる。ほぼ、垂直のフード外壁７８−１は、導光体１０から、直接入射する、又は可視光フィルタ７６の下面で反射した光の撮像ユニット３４，３０への入射を遮蔽する。又、フード外壁７８−１は、図１で示したように、対象物からの反射光の入射範囲を、図１の斜線部分のように、制限する。

更に、フード外壁７８−１の上部に設けたフランジ７８−３は、導光体１０方向に伸びており、図１７に示すように、導光体１０から出射した光の内、可視光フィルタ７６の上面で、反射した光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３の撮像ユニット３４，３０への入射を遮断する。このような反射光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３は、対象物に照射されないため、撮像ノイズになり、フランジ７８−３による遮断は、撮像画像の鮮明化に有効である。

このように、フード７８は、所定の撮像範囲（図１の斜線部分）外の光が、光学ユニット３４に入り込むのをカットするとともに、導光板１０からの出射光の内、対象物への照射に寄与しない光が、光学ユニット３４に侵入することを防止する。

＊＊距離センサーの構成＊＊
図１８は、距離センサーのアパチャーの構成図、図１９は、図１８の分解構成図、図２０は、図１８の上面図、図２１は、図２０のＡ−Ａ断面図、図２２は、図２１のＢ−Ｂ断面図である。

図１８、図１９に示すように、アパチャー５０は、ホルダー５０−１と、レンズ５０−３と、コンデンサー５０−４とからなる。ホルダー５０−１は、円筒体で構成され、外部の光を遮断する。ホルダー５０−１の上部には、レンズ５０−３の支持部５０−７と、レンズ５０−３の押さえ部５０−６を有する。又、ホルダー５０−１の側面には、導光体１０の支持部５０−２を有し、ホルダー５０−１の下部には、基板２０への取り付け足を有する。一方、レンズ５０−３は、ホルダー５０−１の押さえ部５０−６への嵌め込み用切り欠き５０−８を有する。

図１９に示すように、ホルダー５０−１の下部から、コンデンサー５０−４を、嵌め込み、ホルダー５０−１のレンズ支持部５０−７に位置決めする。そして、レンズ５０−３の切り欠き５０−８を、ホルダー５０−１の押さえ部５０−６に位置合わせし、レンズ５０−３をホルダー５０−１の上部に押し込む。これによより、レンズ５０−３は、ホルダー支持部５０−７に支持され、且つホルダー５０−１の押さえ部５０−６に押さえられる。

次に、このアパチャー５０の動作を、図２０乃至図２２で説明する。図２１、図２２に示す図２０のＡ−Ａ断面図、Ｂ−Ｂ断面図に示すように、コンデンサー５０−４は、レンズ５０−３に下部で、逆台形状の光路を形成する。距離測定用発光素子５２は、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔ Ｄｉｏｄｅ）で構成され、図の点線のような、発光分布を示す。

コンデンサー５０−４は、この発光分布の内、比較的周辺の光を遮断し、中央の光強度の強い部分の光をレンズ５０−３に通す。このような発光分布の光をスポット光に集光するには、大電力の発光素子５２の発光光を拡散シート等で、平行光に変換し、集光レンズ５０−３に入射させる構成をとる。しかしながら、この構成では、拡散シートが必要であり、且つ大電力の発光素子を必要とする。

この実施の形態では、コンデンサー５０−４により、距離測定用発光素子５２の発光分布から、レンズ５０−３に入射する光を逆台形分布に整形する。即ち、下方を絞り、上方を拡大した光路を作成するコンデンサー５０−４により、乱反射するＬＥＤの光線を選別し、収束し、一方向に出射する。これにより、省電力で発光量の少ない発光素子を用いても、十分な照射光量を得ることができる。

図２３、図２４は、基板２０へのアパチャー５０の組み立て図である。基板２０の四隅には、距離測定用発光素子５２が搭載されているものとする。これに対応して、アパチャー５０をその足５０−５により、基板２０に取り付ける。そして、その間に、図２で示した拡散・偏光板搭載台４６を接着等で取り付ける。

距離測定用発光素子５２の発光光の下方を絞り、上方を拡大した光路を作成するコンデンサー５０−４を持つアパチャー５０を設けることにより、乱反射するＬＥＤの光線を選別し、収束し、一方向に出射する。これにより、省電力で発光量の少ない発光素子を用いても、十分な照射光量を得ることができ、スポット光を照射する距離センサーも小型化でき、撮像装置１の小型化に寄与する。しかも、基板２０に搭載しても、十分なスポット光を得ることができる。

＊＊画像処理構成＊＊
図２５は、本発明の一実施の形態の撮像画像処理装置のブロック図、図２６は、その撮像画像処理フロー図、図２７は、距離測定動作の説明図である。

図２５に示すように、撮像装置の駆動・処理系は、第１の発光素子２２を駆動する第１の照明ＬＥＤ駆動部９４と、第２の発光素子２４を駆動する第２の照明ＬＥＤ駆動部９６と、距離計測用発光素子５２を駆動する測距ＬＥＤ駆動部９８と、イメージセンサ３０の各画素のアナログ出力を、デジタル値に変換するアナログ／デジタル変換器９２と、マイクロコントローラ９０を有する。

第２の照明ＬＥＤ駆動部９４，９６は、各々発光期間に、図４で説明したように、受光素子２６からの受光した光強度に応じて、ＡＰＣ（自動パワー制御）する。マイクロコントローラ（ＭＣＵ）９０は、ＭＰＵ（マイクロプロセッサ）と，ＲＯＭ（リードオンリーメモリ）と、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）とからなり、距離算出９０Ａ，姿勢判別９０Ｂ，シャッタ制御９０Ｃ，画像処理９０Ｄの各処理を行う。

図２６により、ＭＣＵ９０の撮像処理を説明する。

（Ｓ１０）ＭＣＵ９０は、距離測定用発光素子（ＬＥＤ）５２を、測距ＬＥＤ駆動部５２を介し駆動する。これにより、図２、図３で説明した４つの距離測定用発光素子５２が発光する。イメージセンサ３０は、図１に示したように、撮像範囲の画像を撮像する。ここで、照明用発光素子２２，２４を駆動していないので、イメージセンサ３０には、距離測定用発光素子５２の発光光に対する撮像範囲内の対象物からの反射光のみが受光される。図２７に、イメージセンサ３０の画像３０Ａ内での各距離測定用発光素子５２の発光光に対する撮像範囲内の対象物からの反射光５２Ａ，５２Ｂ，５２Ｃ，５２Ｄの位置を示す。この位置は、対象物（例えば、手のひら）の傾きにより、ずれる。

（Ｓ１２）次に、イメージセンサ３０の画像３０Ａは、Ａ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換器９２により、各画素のアナログ受光量が、デジタル値に変換され、ＭＣＵ９０のメモリに格納される。ＭＣＵ９０は、メモリの画像データをサーチし、この反射光５２Ａ，５２Ｂ，５２Ｃ，５２Ｄの位置を検出する。

この際に、図３及び図２７に示したように、４つの距離測定用発光素子５２が、画像（撮像範囲）の中心から対角に配置されているので、メモリの画像データを、図２７の点線のように、直線上にサーチしていくことにより、直線上の画素輝度から、４点の位置が検出できる。更に、発光素子５２の間隔は、最も距離の遠い対角線上に配置されるので、画像内で、中心から最も遠い位置を検出できる。ＭＣＵ９０は、この４点の位置から、三角測量の方法により、対象物との距離と傾きを検出する。即ち、イメージセンサ３０の中心からの位置により、各４点での距離を計算し、４点の距離の差で、傾き（４方向）を検出できる。

（Ｓ１４）ＭＣＵ９０は、撮像対象物の距離が適切（撮像範囲内の所定の焦点距離にある）かを判定する。ＭＣＵ９０は、撮像対象物の距離が適切でないと、図示しない表示部に誘導ガイダンスを表示する。例えば、「対象物（手のひら）を近づけて下さい」、「対象物（手のひら）を遠ざけて下さい」という誘導メッセージを表示する。

（Ｓ１６）ＭＣＵ９０は、距離が適切であると、撮像対象物の傾きが適切かを判定する。例えば、対象物の平面部分（手のひら等）を撮像する場合には、傾きが、許容された傾き範囲内かを判定する。ＭＣＵ９０は、撮像対象物の傾きが適切でないと、図示しない表示部に誘導ガイダンスを表示する。例えば、対象物が手のひらでは、「手を開いて下さい」等の誘導メッセージを表示する。

（Ｓ１８）ＭＣＵ９０は、傾きが適切であると、照明ＬＥＤ駆動部９４、９６に発光指示を与え、第１、第２の発光素子２２，２４を発光して、光を対象物に照射する。そして、ＭＣＵ９０は、図示しないシャッタ（光学ユニット内）を駆動し、イメージセンサ３０で撮像範囲の画像を撮像し、Ａ／Ｄ変換器９２を介し画像をメモリに格納する。そして、この画像から特徴を抽出する。例えば、前述の血管像の抽出では、画像から血管像データを抽出する。

このように、撮像対象が焦点距離にあるか、傾きを検出するため、イメージセンサ３０を距離測定用受光部にも利用したので、距離測定機構は、距離測定用発光素子５２を設ければ良いため、即ち、距離測定用受光素子を特別に設けなくても良いため、コストダウンに寄与するとともに、実装部品数も低減でき、小型化に寄与する。

又、４つの距離測定用発光素子５２が、画像（撮像範囲）の中心から対角に配置しているので、メモリの画像データを、図２７の点線のように、サーチしていくことにより、４点の位置が検出でき、検出処理が容易である。更に、発光素子５２の間隔は、最も距離の遠い対角線上に配置されるので、小型化しても、画像内で、中心から最も遠い位置を検出でき、傾き検出を正確にできる。

＊＊他の撮像装置＊＊
図２８は、本発明の他の実施の形態の撮像装置の分解図、図２９は、図２８の上面図、図３０は、図２９のＥ−Ｅ断面図、図３１は、図２９のＣ−Ｃ断面図である。

図２８において、図１乃至図８で示したものと同一のものは、同一の記号で示してある。図２８に示すように、図２及び図３と同様に、カメラ基板２０は、図２８で図示しないが、中央には、ＣＭＯＳイメージセンサ等のイメージセンサ３０と、偏光板３２とが設けられる。カメラ基板２０のイメージセンサ３０の周囲に、複数の発光素子２２，２４と受光素子２６が搭載される。更に、カメラ基板２０の四隅には、対象物との距離を計測するための４つの距離計測用発光素子５２が設けられる。即ち、１枚のカメラ基板２０には、対象物の撮像のための照明系２２，２４，２６と、撮像系３０，３２とが設けられ、更に、距離計測系５２も設けられる。

カメラ基板２０の発光素子２２，２４の上方には、４枚の拡散板４４と４枚の偏光板４２とが設けられる。この拡散板４４と偏光板４２は、カメラ基板２０の四辺に、取り付けられる偏光・拡散台４６に後述するように、固定される。拡散板４４は、第１、第２の発光素子２２，２４の指向性のある発光分布をある程度拡散する。偏光板４２は、第１、第２の発光素子２２，２４の自然光を直線偏光に変換する。

この４枚の偏光板４２の上方には、リング状の導光体１０が設けられる。導光体１０は、例えば、樹脂で構成され、且つカメラ基板２０の第１、第２の発光素子２２，２４の光を上方に導き、対象物に均一光を照射する。このため、導光体１０は、カメラ基板２０の発光素子２２，２４の配置に合わせ、リング形状である。この導光体１０は、図９以下で説明したように、第１、第２の発光素子２２，２４の光を上方に導きながら、対象物に均一光を照射する。

更に、カメラ基板２０のほぼ中央のイメージセンサ３０の上で、且つリング状の導光体１０内に、光学ユニット３４（図３０、図３１参照）が、カメラ基板２０に取り付けられる。光学ユニット３４は、集光レンズ等のレンズ光学系からなる。

このカメラ基板２０の距離測定用発光素子５２には、アパチャー５０が取り付けられる。図３２、図３３で後述するように、アパチャー５０は、距離測定用発光素子５２の光が、対象物方向に向かうように、他の方向への光の拡散を遮蔽する。

カメラ基板２０とは、別に、制御基板６０が設けられる。制御基板６０は、外部と接続するためのものであり、外部コネクタ６２と、カメラ基板２０とのカメラコネクタ６４とを有する。この制御基板６０は、カメラ基板２０の下部に設けられ、カメラコネクタ６４で、カメラ基板２０と電気的に接続する。

そして、カメラ基板２０に、イメージセンサ３０、発光素子２２，２４、受光素子２６、距離測定用発光素子５２を搭載し、このカメラ基板２０と、拡散・偏光台４６、拡散板４４、偏光板４２、アパチャー５０、光学ユニット３４、導光体１０と、フード７８、制御基板６０を、ホルダーアッセンブリー７０Ａ，７０Ｂに取り付け、カメラ部分を組み立てる。

図２８及び図３０の図２９のＥ−Ｅ断面図に示すように、一対のホルダーアッセンブリー７０Ａ，７０Ｂは、下部に、制御基板６０を挿入するスロット７０−３と、中央に、カメラ基板２０を支持する支持部７０−２と、その上に、拡散・偏光板搭載台４６を挟み込むための突起７０−１とを有する。

図３０、図３１に示すように、一方、導光板１０は、下部の溝部１２近傍に、突き出しブロック１６を有し、更に、フード７８は、底部７８−４と、フード外壁７８−１と、フード外壁７８−１の上部に設けたフランジ７８−３と、下部の押さえブロック７８−５とを有する。

図２９、図３０、図３１を参照して、これらの構成による組み立て動作を説明する。図２と同様に、イメージセンサ３０、発光素子２２，２４、受光素子２６、距離測定用発光素子５２を搭載したカメラ基板２０に、後述する一体化された拡散・偏光台４６とアパチャー５０を、アパチャー５０の足５０−５を挿入して、取り付ける。この拡散・偏光板搭載台４６には、予め、拡散板４４と偏光板４２とが、接着等で、取り付けられている。

次に、このカメラ基板２０に、制御基板６０をコネクタ接続し、この組み立て体に、両側からホルダーアッセンブリー７０Ａ，７０Ｂを取り付ける。この時、図３０に示すように、一対のホルダーアッセンブリー７０Ａ，７０Ｂのスロット７０−２に、制御基板６０を挿入し、支持部７０−２に、カメラ基板２０を、突起７０−１に、拡散・偏光板搭載台４６を挟み込むように、取り付ける。

図３１に示すように、次に、この組み立て体を、ケース７４に挿入した後、光学ユニット３４を、カメラ基板２０にセットし、導光体１０を、導光体１０の下部が、アパチャー５０の支持部ロック５０−２に乗るように、取り付ける。そして、フード７８を、その下部ブロック７８−５が、導光体１０の突き出しブロック１６に乗るように、フード７８を取り付け、最後に、可視光カットフィルタ板７６を、ケース７４の側面に、接着する。

このように側板を構成するホルダーアッセンブリー７０Ａ，７０Ｂに、基板２０，６０の支持部７０−２，７０−３を設け、基板２０，６０を支持し、且つ距離センサーのアパチャー５０、導光体１０、フード７８を相互に係合するよう構成し、最上部の可視光カットフィルタ板７６で、押さえる。これにより、接着箇所が大幅に減少し、特に、ケース７４内で、接着剤を塗布し、接着する工程がなくなる。

このため、小型の撮像装置１、例えば、縦横３，５ｃｍ×３．５ｃｍ程度の撮像装置を、ほとんど接着工程なしに、組み立てることができる。又、接着工程は、余分なところに、接着剤が塗布されると、製品自体に不良を生じ、且つ接着しても、乾燥するまで、約１時間かかり、作業性が悪い。

又、各種部品の接着剤の種類が異なると、相溶性が問題となり、接着剤の種類も制限される。このため、接着工程なしに、組み立てることは、不良品の発生を防止し、且つ作業性を高める点で、有効である。

次に、更に、作業性を高めるための構成を説明する。図３２及び図３３は、図２８乃至図３１の拡散・偏光板搭載台４６とアパチャー５０の構成図である。図３３に示すように、４つのアパチャー５０のホルダー５０−１と、４つの拡散・偏光板搭載台４６とを連結するように、一体に形成する。例えば、プラスチックモールドで、連結した４つのアパチャー５０のホルダー５０−１と、４つの拡散・偏光板搭載台４６とを、一体に形成する。

図３３に示すように、この一体成形された構造体のアパチャー５０のホルダー５０−１に、コンデンサー５０−４を挿入し、且つレンズ５０−３を取り付ける。この場合も、接着工程はない。このようにして、図３２に示す連結した４つのアパチャー５０と、４つの拡散・偏光板搭載台４６とを、カメラ基板２０に、アパチャー５０の足５０−５を利用して、固定する。

このようにすると、組み立て作業が簡便化されるとともに、各アパチャー５０の位置関係を正確に維持し、且つ均一化できる。図２７で説明した距離演算を正確にできる。即ち、距離計算に、アパチャーの取り付け誤差を除去できる。

＊＊他の実施の形態＊＊
前述の実施の形態では、撮像対象物を、手のひらで説明し、撮像対象の画像処理を、手のひらの静脈パターン認証で説明したが、手の掌紋、手の甲の血管像や、指の血管像、顔、虹彩等の他の生体の特徴を利用した生体認証にも、適用でき、又、生体認証の用途に限らず、他の用途にも適用できる。距離測定用発光素子の数も、４つに限らず、複数であれば良い。

以上、本発明を実施の形態により説明したが、本発明の趣旨の範囲内において、本発明は、種々の変形が可能であり、本発明の範囲からこれらを排除するものではない。

（付記１）対象物に照明を当て、前記対象物からの反射光を受光して、撮像する撮像装置において、前記反射光を受光するイメージセンサと、前記イメージセンサの周囲の位置に搭載された複数の発光素子と、前記複数の発光素子の光を、撮像範囲に導き、前記撮像範囲を照明する導光体と、前記導光体の内部に収容され、前記照明された撮像範囲の対象物の反射光を前記イメージセンサに導くための光学ユニットと、前記対象物に光を照射する距離測定用発光素子と、前記距離測定用発光素子に設けられ、前記距離測定用発光素子の光線を覆い、且つ前記光線を収束して、集束レンズに導くアパチャーと、距離測定時に、前記距離測定用発光素子を駆動し、且つ前記イメージセンサの撮像画像から前記距離測定用発光素子のスポット光の位置を検出し、前記対象物との距離を求める制御回路とを有することを特徴とする撮像装置。

（付記２）前記アパチャーは、前記距離測定用発光素子の光線を覆うホルダーと、スポット光を出射するための集束レンズと、前記距離測定用発光素子の光線を前記集束レンズ方向に収束するためのコンデンサーとを有することを特徴とする付記１の撮像装置。

（付記３）前記コンデンサーは、前記集束レンズ方向へ逆台形状の光路を形成する部材で構成されたことを特徴とする付記２の撮像装置。

（付記４）前記複数の発光素子は、前記イメージセンサの周囲の円に沿って、所定の間隔で、回路基板に搭載され、前記導光体は、前記円に対応したリング形状で構成されたことを特徴とする付記１の撮像装置。

（付記５）前記イメージセンサと前記複数の発光素子と前記距離測定用発光素子とが、同一の前記回路基板に搭載されたことを特徴とする付記１の撮像装置。（４）
（付記６）前記導光体と、前記複数の発光素子間に設けられ、前記発光素子の光を拡散、偏光する拡散・偏光板と、前記拡散・偏光板を搭載する搭載台とを更に設けたことを特徴とする付記１の撮像装置。

（付記７）前記導光体と、前記複数の発光素子間に設けられ、前記発光素子の光を拡散、偏光する拡散・偏光板と、前記アパチャーと一体に形成され、前記拡散・偏光板を搭載する搭載台とを更に設けたことを特徴とする付記１の撮像装置。

（付記８）前記距離測定用発光素子は、前記イメージセンサの画像から、撮像範囲の対象物との距離を測定するように、回路基板上に複数搭載されたことを特徴とする付記１の撮像装置。

（付記９）前記距離測定用発光素子は、前記発光素子の外側の位置に、前記回路基板に搭載されたことを特徴とする付記８の撮像装置。

（付記１０）前記複数の発光素子は、赤外光を発光する発光素子で構成され、可視光をフィルターする光学フィルタを更に設けたことを特徴とする付記１の撮像装置。

（付記１１）前記導光体は、前記発光素子の光を導入するための下端部と、前記撮像範囲に光を出射するための上端部と、前記下端部から前記上端部へ、前記発光素子の光を導く導光部とを有することを特徴とする付記１の撮像装置。

（付記１２）前記距離測定用発光素子は、４つの発光素子で構成され、且つ前記発光素子の外側の位置で、対角関係となるように、前記回路基板に搭載されたことを特徴とする付記８の撮像装置。

（付記１３）前記アパチャーは、前記４つの発光素子に対応する４つのアパチャーで構成されたことを特徴とする付記１２の撮像装置。

（付記１４）前記イメージセンサは、生体の一部を撮像することを特徴とする付記１の撮像装置。

イメージセンサの周囲の位置に、複数の発光素子を搭載し、この複数の発光素子の光を、導光体で、撮像範囲に導き、照明するような撮像系と照明系とが近接している小型の撮像装置を実現でき、且つ距離測定用発光素子に、発光光の下方を絞り、上方を拡大した光路を作成するアパチャー５０を設けることにより、乱反射する発光素子の光線を選別し、収束し、一方向に出射することができる。これにより、省電力で発光量の少ない発光素子を用いても、十分な照射光量を得ることができ、スポット光を照射する距離センサーも小型化でき、撮像装置の小型化に寄与する。

本発明の一実施の形態の撮像装置の断面図である。 図１の撮像装置の分解構成図である。 図２の回路基板の部品配置図である。 図２の回路基板の発光素子と受光素子との関係説明図である。 図２の分解部品の組み立て図である。 図１の外装部品の構成図である。 図２の組み立て体のアッセンブリーの構成図である。 図１の撮像装置の外観図である。 図１の照明系の説明図である。 図９の導光体と発光素子の構成図である。 図１０の発光素子の発光強度分布と導光体の下端部の関係図である。 図１０の導光体の第１の動作説明図である。 図１０の導光体の第２の動作説明図である。 図１０の導光体の第３の動作説明図である。 図１のフードの上面から見た斜視図である。 図１５のフードの下面から見た斜視図である。 図１５及び図１６のフードの動作説明図である。 図１及び図２のアパチャーの構成図である。 図１８のアパチャーの分解構成図である。 図１８のアパチャーの上面図である。 図２０のアパチャーのＡ−Ａ断面図である。 図２０のアパチャーのＢ−Ｂ断面図である。 図１及び図２のアパチャーと拡散・偏光板搭載台の構成図である。 図１及び図２のアパチャーと拡散・偏光板搭載台の取り付け図である。 図１の撮像装置のための制御回路のブロック図である。 図２５の制御回路の撮像処理フロー図である。 図２５の構成による距離測定動作の説明図である。 本発明の他の実施の形態の撮像装置の分解構成図である。 図２８の撮像装置の上面図である。 図２９の撮像装置のＥ−Ｅ断面図である。 図２９の撮像装置のＣ−Ｃ断面図である。 図２５のアパチャーと拡散・偏光板搭載台の構成図である。 図３２のアパチャーと拡散・偏光板搭載台の分解構成図である。 従来の撮像装置の照明構成の説明図である。 従来の撮像装置の構成図である。

符号の説明

１ 撮像装置
２ ケーブル
１０ 導光体
１０−１，１０−２ 側面
１２ 下端溝部
１４ 上端部
１６ 突き出しブロック
２０ 回路基板
２２，２４ 発光素子
２６ 受光素子
３０ イメージセンサ
３２ 偏光板
３４ 光学ユニット
４２ 偏光板
４４ 拡散板
４６ 偏光・拡散台
５０ アパチャー
５２ 距離測定用発光素子
７６ 可視光フィルタ
７８ フード
５０−１ ホルダー
５０−２ 支持部
５０−３ レンズ
５０−４ コンデンサー
５０−５ 取り付け足

Claims (5)

1. 対象物に照明を当て、前記対象物からの反射光を受光して、撮像する撮像装置において、
   前記反射光を受光するイメージセンサと、
   前記イメージセンサの周囲の位置に搭載された複数の発光素子と、
   前記複数の発光素子の光を、撮像範囲に導き、前記撮像範囲を照明する導光体と、
   前記導光体の内部に収容され、前記照明された撮像範囲の対象物の反射光を前記イメージセンサに導くための光学ユニットと、
   前記対象物に光を照射する距離測定用発光素子と、
   前記距離測定用発光素子に設けられ、前記距離測定用発光素子の光線を覆い、且つ前記光線を収束して、集束レンズに導くアパチャーと、
   距離測定時に、前記距離測定用発光素子を駆動し、且つ前記イメージセンサの撮像画像から前記距離測定用発光素子のスポット光の位置を検出し、前記対象物との距離を求める制御回路とを有する
   ことを特徴とする撮像装置。
2. 前記アパチャーは、
   前記距離測定用発光素子の光線を覆うホルダーと、
   前記対象物にスポット光を出射するための集束レンズと、
   前記距離測定用発光素子の光線を前記集束レンズ方向に収束するためのコンデンサーとを有する
   ことを特徴とする請求項１の撮像装置。
3. 前記コンデンサーは、
   前記集束レンズ方向へ逆台形状の光路を形成する部材で構成された
   ことを特徴とする請求項２の撮像装置。
4. 前記イメージセンサと前記複数の発光素子と前記距離測定用発光素子とが、同一の回路基板に搭載された
   ことを特徴とする請求項１の撮像装置。
5. 前記導光体と、前記複数の発光素子間に設けられ、前記発光素子の光を拡散、偏光する拡散・偏光板と、
   前記アパチャーと一体に形成され、前記拡散・偏光板を搭載する搭載台とを更に設けた
   ことを特徴とする請求項１の撮像装置。

Images