CN101715036B - 信息读取用摄像装置 - Google Patents

Abstract

本发明的信息读取用摄像装置能够缩短其中的图像处理的处理时间，而且实施所期望的滤波处理。摄影对象物(25)的各点的具有宽度的光，其光路在浓度滤光片(22)的光圈部(22a)被限制。浓度滤光片部(22b)具有所期望的透射率特性，所以通过浓度滤光片部(22b)的光成为光量随着从光束的中心接近周边而连续变化的光。该光束在成像面(26)上成像后，朝向成像传感器(24)的感光面发散，并成为在感光面中发散到预定范围的像。

Description

信息读取用摄像装置

技术领域

本发明涉及用于从对象物读取信息的信息读取用摄像装置。

背景技术

为了读取打印在纸等介质上的信息，使用摄像装置。图1和图2是表示读取打印在纸等介质上的条形码等信息的摄像装置11的光学系统的结构的图。

如图1和图2所示，摄像装置11具有光圈12、镜头13（或镜头模块16）、和成像传感器14。

在摄影对象物15反射的光由光圈12限制其光路后，通过镜头13被成像传感器14接收。

在利用摄像装置11读取打印在介质上的信息时，调整镜头13与成像传感器14的距离，使成像面与成像传感器14的表面对齐，由此获取鲜明的图像。

但是，鲜明的图像的信息量比较多，但另一方面存在因介质的表面的凹凸等导致的信号变化作为噪声叠加在本来的图像信号上的问题。

图3（A）、（B）是表示摄影对象物15的一例的图。在利用摄像装置11读取打印在图3（A）所示的纸等上的图像时，导致因纸面的细小凹凸形成的信号变化作为噪声叠加在本来的图像信号上。

在读取图3（B）所示的手掌内部的静脉时，也导致来自静脉周围的活体组织的散射光作为噪声叠加在本来的图像信号上，因此需要实施低通滤波（LPF）处理等的运算来去除噪声。

图4（A）表示叠加了摄影对象物的任意行（例如图3（A）中的行A）的噪声的图像信号，图4（B）表示通过低通滤波（LPF）处理去除了该噪声后的图像信号。

图5是表示以往的摄像装置的成像传感器14的输出的图。图5表示相对摄影对象物体上的任意一点的、成像传感器14的任意像素的输出信号的电平的分布（点像分布），由于能够获得鲜明的图像的成像面与传感器面对齐，所以输出信号的电平的分布实质上成为集中于一个像素的波形。

如上所述，由摄像装置11获取的图像越鲜明，根据介质表面的凹凸等，高频的噪声越叠加在图像信号上。

因此，以往对从成像传感器14输出的图像信号实施低通滤波处理的运算，去除高频的噪声。

图6（A）、（B）是表示在低通滤波处理中使用的高斯滤光片和移动平均滤光片的运算矩阵的图。

说明图6（A）中的3×3的运算矩阵的情况，关注像素Q（a、b）是将下面的值相加计算得到的，所述值包括：向左上部的获取像素P（a－1、b＋1）乘以“0.063”得到的值；向上一个获取像素P（a、b＋1）乘以“0.125”得到的值；向右上部的获取像素P（a＋1、b＋1）乘以“0.063”得到的值；向左侧相邻的获取像素P（a－1、b）乘以“0.125”得到的值；向获取像素P（a、b）乘以“0.25”得到的值；向右侧相邻的获取像素P（a＋1、b）乘以“0.125”得到的值；向左下部的获取像素P（a－1、b－1）乘以“0.063”得到的值；向下一个获取像素P（a、b－1）乘以“0.125”得到的值；以及向右下部的获取像素P（a＋1、b－1）乘以“0.063”得到的值。

通过对各个像素进行上述的运算，能够获得实施了高斯滤波处理的图像信号。

图6（B）中的运算矩阵也相同，通过向关注像素及其周边的像素乘以图6（B）所示的运算矩阵的值，能够获得实施了移动平均滤波处理的图像信号。

但是，使用了上述的运算矩阵的低通滤波处理，需要针对由摄像装置读取的全部像素进行运算矩阵的元素数量（例如，如果是3×3的矩阵则进行9次）的运算，在像素数比较多时，存在图像处理的处理时间变长的问题。

专利文献1记载了以下内容，在指纹图像读取装置中，缩小镜头与CCD摄像元件的距离，在偏离镜头的焦点位置的位置配置CCD摄像元件，由此去除指纹图像的噪声成分。

专利文献1的发明使由CCD摄像元件读取的指纹图像的焦点变模糊，由此使高频噪声不明显。

【专利文献1】日本特开2003－50991号公报

发明内容

本发明的课题是在信息读取用摄像装置中，缩短图像处理的处理时间，对图像实施所期望的滤波处理。

本发明的信息读取用摄像装置具有：限制来自摄影对象物的光的感光范围的光圈；配置在所述光圈的开口部的内部，具有因位置而异的透射率的浓度滤光片；镜头；和成像传感器，调整所述镜头与所述成像传感器的距离，以使所述镜头的成像位置处于所述成像传感器的感光面的前方或里侧，来自所述摄影对象物的一点的光按照根据所述浓度滤光片的透射率特性确定的光量分布，入射到所述成像传感器的对应的像素以及相邻的多个像素，同时，把所述相邻的多个像素作为中心入射的光的一部分还入射到所述成像传感器的对应的像素，其中，调整所述镜头与所述成像传感器之间的距离，以便在所述成像位置处于所述成像传感器的感光面的前方或里侧时，所述成像传感器的感光面中的像的宽度直径为3个像素以上。

根据该信息读取用摄像装置，能够缩短图像处理的处理时间，同时能够对图像以光学方式实施所期望的低通滤波处理。

根据本发明，能够缩短信息读取用摄像装置中的图像处理的处理时间，同时能够对图像以光学方式实施所期望的低通滤波处理。并且，通过缩短图像处理的处理时间，例如针对要求实时处理的信息读取用摄像装置，能够使用处理速度比较慢的CPU等，所以能够使用处理速度比较慢的低廉的CPU等，能够降低信息读取用摄像装置的成本。

附图说明

图1是表示摄像光学系统的结构的图。

图2是表示摄像光学系统的其他结构的图。

图3是表示摄影对象物的一例的图。

图4是表示被叠加了噪声的图像信号和LPF处理后的图像信号的图。

图5是表示以往的摄像装置的成像传感器的输出的图。

图6是表示高斯滤光片和移动平均滤光片的运算矩阵的图。

图7是表示第1实施方式的摄像装置的结构的图。

图8是表示第2实施方式的摄像装置的结构的图。

图9是表示第3实施方式的摄像装置的结构的图。

图10是表示浓度滤光片的透射率特性的图。

图11是表示使浓度滤光片和光圈形成为分体部件时的示例的图。

图12是表示兼做浓度滤光片和光圈时的示例图。

图13是表示关注像素的周边像素的入射光量的图。

图14是实施方式的动作说明图。

图15是表示成像传感器的任意的像素列的入射光量的图。

图16是表示浓度滤光片的透射率特性和成像传感器的光量的关系的图。

标号说明

21信息读取用摄像装置；22、31、33浓度滤光片；23镜头；24成像传感器；25摄影对象物。

具体实施方式

以下，说明本发明的优选实施方式。图7是表示第1实施方式的信息读取用摄像装置21的结构的图。信息读取用摄像装置21能够用于读取一维或二维条形码的条形码读取器、读取指纹和静脉等的活体认证装置等。

信息读取用摄像装置21具有兼做光圈的浓度滤光片（滤光片）22和镜头23和成像传感器24。浓度滤光片22配置在镜头23和摄影对象物25之间。

浓度滤光片22是外周部作为限制光的感光角的光圈部22a发挥作用，中心部作为浓度滤光片22b发挥作用的光学滤光片元件，该浓度滤光片22b使光路被光圈部22a限制后的光的透射率因位置而异。另外，在与滤光片的中心轴正交的方向，透射率因位置而变化，作为具有任意的透射率特性（高斯分布等）的浓度滤光片22，可以使用光的吸收率变化的吸收型滤光片、光的反射率变化的反射型滤光片等。

在图7中，来自摄影对象物25的光发散着入射到浓度滤光片22上。摄影对象物25的各点的具有宽度的光（把其称为光束），入射到镜头23的光的范围被浓度滤光片22的光圈部22a限制。并且，光路被光圈部22a限制后的光在通过浓度滤光片部22b时，成为光量随着从光束的中心接近外侧而连续变化的光。该光束在成像面（成像位置）26上成像后，朝向成像传感器24的感光面发散，并成为在感光面中具有预定范围的宽度的像。这是因为镜头23与成像传感器24的距离被调整，使得成像面26处于成像传感器24的感光面的前方侧或里侧。

成像传感器24的感光面中的像向多个像素例如以直径为3个像素扩散。像的宽度尺寸与LPF运算矩阵的尺寸对应。例如，图6（A）所示的3×3矩阵的高斯滤光片的运算能够通过上述的直径为3个像素的光量分布来进行置换。这里，直径为3个像素的光量分布能够置换3×3高斯滤光片这样的圆对称运算，但为了置换包括图6（B）所示的移动平均滤光片这样的非圆对称的情况的任意的3×3运算矩阵，优选每个外切圆的直径为4.5像素。通过扩散到外切圆的光和浓度分布滤光片的组合，能够置换任意的3×3运算矩阵。同样，在置换7×7、9×9尺寸大小的LPF运算，光量分布大小为直径7个像素、9个像素。优选的是，分别与7×7矩阵、9×9矩阵的外切圆直径相当的直径10个像素，13个像素。

根据上述的第1实施方式，通过利用浓度滤光片22赋予所期望的透射率特性，并使在感光面中发散到预定范围的光入射到成像传感器24上，能够对摄影对象物25的图像以光学方式实施低通滤波处理。因此，不需要对成像传感器24的输出信号进行低通滤波处理的运算，所以能够缩短图像处理的处理时间。并且，通过变更浓度滤光片22的透射率特性，能够实施任意的低通滤波处理。另外，由于能够缩短图像的处理时间，所以需要实时处理的条形码读取器和活体认证装置能够使用处理速度比较慢的低廉的CPU等。因此，能够降低装置的成本。

图8是表示第2实施方式的信息读取用摄像装置41的结构的图。该第2实施方式是在从镜头走向成像传感器24的光与光轴平行的像侧远心光学系统中，把成像面26设定在成像传感器24的里侧（从镜头侧观察时）的示例。

第2实施方式的信息读取用摄像装置41的光学系统具有由透镜42、43、44、45和浓度滤光片22构成的镜头模块46。

第2实施方式的信息读取用摄像装置41也使入射到成像传感器24的光与光轴平行，使成像面26位于成像传感器24的里侧，除此之外与第1实施方式相同。

并且，在第2实施方式中，光学系统为像侧是远心的，因此在通过改变镜头45和成像传感器24之间的距离来调整成像传感器24上的像宽时，即，调整低通滤光片的尺寸（噪声去除电平大小）时，成像传感器24的输出图像的大小不发生变化。因此，还具有使图像尺寸恒定而仅对低通滤光片的尺寸进行单独调整的效果。

根据该第2实施方式，能够对从摄影对象物25入射的光以光学方式实施低通滤波处理。由此，不需要对成像传感器24的图像信号进行低通滤光片的运算，所以能够缩短图像处理的处理时间。并且，通过变更浓度滤光片22的透射率特性，能够从光学上实现任意的低通滤波处理。

图9是表示第3实施方式的信息读取用摄像装置51的结构的图。

第3实施方式基本上与第2实施方式相同，不同之处是将成像面26设定为使其位于成像传感器24的前方侧。

图10是表示浓度滤光片22的透射率特性的图。浓度滤光片22形成为图10所示的圆板状，具有中心的透射率最高、随着接近外周透射率缓慢减小的透射率特性（例如高斯分布）。并且，浓度滤光片22的外周部的透射率为0，作为光圈发挥作用。

图11和图12是表示浓度滤光片的其他示例的图。图11表示将独立部件的浓度滤光片31插入或粘接在金属等不透明部件的光圈32上的构造示例，该光圈32在中心部设置开口部32a。

浓度滤光片31例如通过在玻璃基板上涂敷金属膜（例如铬膜等）而形成。在涂敷金属膜时，使中央的膜厚薄，随着接近周边增加金属膜的厚度，由此使光透射率降低，从而能够形成具有高斯分布等任意的透射率特性的浓度滤光片31。

另外，在使光圈32和浓度滤光片31形成为独立部件时，也可以将浓度滤光片31插入光圈32的开口部32a中，还可以配置在光圈32的下侧的开口部32a附近。

图12是表示兼做光圈的浓度滤光片33的示例的图。通过使浓度滤光片33的外周部的透射率为0，能够实现光圈的功能。例如，在涂敷金属膜来形成时，通过使外周部的金属膜的膜厚厚，使光的透射率为0，能够使外周部作为光圈部发挥作用。

在此，说明使用了上述的浓度滤光片22时的成像传感器24的各点的光量分布。

图13是表示关注像素a及其周围像素的光量分布的图。在图7的示例中，调整镜头23与成像传感器24的距离，以便在成像传感器24的感光面的前方侧成像，所以摄影对象物25的A点的光束在成像面26上成像后，在成像传感器24的感光面上发散到一定范围内而进行入射。

例如，通过来自摄影对象物25的A点的光束的中心的光，入射到成像传感器24的A’点（参照图7）。在摄影对象物25的A点反射、并通过浓度滤光片22的右侧（从图7的正面观察时）的位置的光，入射到成像传感器24的A’点的左侧（从图7的正面观察时）的A’₁点。并且，通过浓度滤光片22的左侧位置的光，入射到成像传感器24的A’点的右侧的A’₂点。

浓度滤光片22具有图10所示的高斯分布的透射率特性。因此，在摄影对象物25的A点反射、并通过浓度滤光片22入射到成像传感器24的光的光量分布，如图13所示，关注像素a及其周围的像素a＋1、a－1、a＋2、a－2的入射光量成为高斯分布。这是对摄影对象物25的A点的反射光以光学方式实施了具有的高斯分布的特性的低通滤波处理的结果。

在此，参照图14和图15说明上述的第1、第2和第3实施方式的动作。下面，说明在具有多个透镜的光学系统中，在透镜之间配置浓度滤光片22，而且使在成像传感器24的前方侧成像的示例。

如图14（A）所示，在摄影对象物25的A点反射的光发散着入射到透镜42、43上，其光路在浓度滤光片22的光圈部22a被限制。浓度滤光片22具有图10所示的透射率特性，所以在A点反射并通过浓度滤光片22的光，其光束的中心的光的透射率最高，随着接近周边，透射率变低。通过浓度滤光片22的光经由透镜44、45被转换为与光轴平行的光，并在成像面26上成像，然后在成像传感器24的感光面上发散到预定范围（例如直径为3个像素以上的范围）。

图14（B）表示成像传感器24的各个像素的入射光量的分布。例如，摄影对象物25的A点的反射光入射到成像传感器24的对应的像素及其周围的像素。关于A点的反射光，如图14（B）所示，表示光束的中心的光入射的中心像素（图13中的关注像素a）的入射光量最多，随着远离中心像素，入射光量减少的高斯分布。

关于摄影对象物25的A点的相邻的点的反射光，表示成像传感器24的相邻的中心像素（图13中的像素a＋1）的入射光量最多，随着远离中心像素，入射光量减少的高斯分布。以下，其他成像传感器24的各个像素的入射光量同样具有图14（B）所示的高斯分布。

来自摄影对象物25的A点的光，按照根据浓度滤光片22的透射率特性确定的光量分布，入射到成像传感器24的对应的像素a及相邻的多个像素a＋1、a－1、a＋2、a－2…。同时，把相邻的像素a＋1、a－1、a＋2、a－2…作为中心像素入射的光的一部分还入射到像素a。由此，进行光学卷积。这意味着光学地替换通过针对成像传感器24的输出信号的卷积运算进行的低通滤波运算处理。

图15是表示成像传感器24的任意的像素列的入射光量的图。

如上所述，来自摄影对象物25的A点的光（光束）发散着入射到浓度滤光片22，但入射光被光圈部22a限制，通过浓度滤光片22b的光束根据浓度滤光片22的透射率特性，随着从光束的中心接近周边，透射率连续降低。该光束先在成像面26上成像，在入射到成像传感器24上时发散到预定范围（例如相对光束的中心为直径3个像素以上的范围）。

因此，在摄影对象物25的各点反射并通过浓度滤光片22b入射到成像传感器24上的光束，如图15所示，以光束的中心的光入射的关注像素为中心具有固定的光量分布。例如，在摄影对象物25的A点反射的光成为以像素a为中心、具有图10所示的高斯分布的入射光量。并且，以相邻的像素a＋1、a－1、a＋2、a－2…为中心的光也入射到像素a上，并进行光学卷积。

如上所述，摄影对象物25的各点的反射光根据浓度滤光片22具有的透射率特性被限制光量，并入射到成像传感器24上，所以例如在浓度滤光片22为高斯分布的特性时，能够对入射到成像传感器24上的光实施具有高斯分布的低通滤波处理。

另外，入射到成像传感器24上的光发散的预定范围不限于直径为3个像素的范围。

根据上述的信息读取摄像装置21、41、51，能够对从摄影对象物25入射的光实施光学低通滤波处理。因此，不需要对成像传感器24的图像信号进行低通滤光片的运算，所以能够缩短图像处理的处理时间。

在以上的说明中，为了简单起见，把浓度滤光片22的透射率分布设为高斯分布，并把作为结果得到的成像传感器24上的点像的光量分布也设为高斯分布。但是，一般作为基础的光学系统自身具有固有的光量分布，所以这两个分布不一定一致。因此，为了使成像传感器24上的光量分布成为准确的高斯分布，需要预先调整浓度滤光片22的透射率分布，以抵消作为基础的光学系统固有的分布。下面，根据图16进行具体说明。

图16（A）、（B）是表示浓度滤光片22的透射率特性、与光圈的开口部有无浓度滤光片时的成像传感器24的感光光量的关系的图。

图16（A）是表示浓度滤光片22的径向的图，图16（B）是表示距浓度滤光片22的中心的径向距离r与透射率的关系、和距成像传感器24的关注像素（图7中的A’点）的中心的距离与光量的关系的图。图16（B）中的横轴表示距浓度滤光片22的中心的距离和距关注像素的中心的距离，纵轴表示透射率和光量。

图16（B）中的实线的曲线图表示浓度滤光片22的透射率，虚线的曲线图表示有无浓度滤光片时的成像传感器24的光量分布。

在图16（B）中，利用虚线表示的A’点光量分布（没有浓度滤光片），表示在使透镜23的成像面26偏离成像传感器24的感光面的前方侧或里侧并使焦点模糊的状态下，不使用浓度滤光片22时的成像传感器24的光量分布。该情况时，由于不使用浓度滤光片22，以关注像素（A’点的像素）为中心的预定范围的像素的光量分布成为梯形，但一般周边部的聚光量比透镜中心部少（暗），所以不能成为完整的梯形，而是成为虚线所示的随着r增大、光量下降的分布。（另外，虽然在这种状态下也能够获得低通滤波效果，但是限定于特定的特性的低通滤光片。）

在图16（B）中，利用虚线表示的A’点光量分布（有浓度滤光片），表示在使透镜23的成像面26偏离成像传感器24的表面的前方侧或里侧并使焦点模糊的状态下，而且使用浓度滤光片22时的成像传感器24的光量分布。该情况时，以关注像素（A’点的像素）为中心的预定范围的像素的光量分布，成为将实线所示的浓度滤光片22的透射率特性和前面叙述的没有浓度滤光片的光量分布合成得到的光量分布。

因此，为了使作为结果得到的成像传感器上的光量分布成为准确的高斯分布，不使实线的浓度滤光片的透射率分布成为高斯分布，而设计成为抵消没有浓度滤光片的光量分布即基础的光学系统固有的光量分布。

并且，通过改变浓度滤光片22的透射率特性，不限于高斯分布，也能够对入射到成像传感器24的光以光学方式实施任意的低通滤波处理。

上述的实施方式说明了利用浓度滤光片22对图像实施高斯分布特性的低通滤波的情况，但本发明也能够适用于实施高斯分布以外的低通滤波特性的情况。

本发明也能够适用于除像侧远心光学系统之外的、由多个透镜构成的光学系统。

Claims (5)

1.一种信息读取用摄像装置，其具有：

限制来自摄影对象物的光的感光范围的光圈；

配置在所述光圈的开口部的内部，具有因位置而异的透射率的浓度滤光片；

镜头；和

成像传感器，

调整所述镜头与所述成像传感器之间的距离，以使所述镜头的成像位置处于所述成像传感器的感光面的前方或里侧，来自所述摄影对象物的一点的光按照根据所述浓度滤光片的透射率特性确定的光量分布，入射到所述成像传感器的对应的像素以及相邻的多个像素，同时，把所述相邻的多个像素作为中心入射的光的一部分还入射到所述成像传感器的对应的像素，

其中，调整所述镜头与所述成像传感器之间的距离，以便在所述成像位置处于所述成像传感器的感光面的前方或里侧时，所述成像传感器的感光面中的像的宽度直径为3个像素以上。

2.根据权利要求1所述的信息读取用摄像装置，其中，所述浓度滤光片的透射率特性具有高斯分布。

3.根据权利要求1所述的信息读取用摄像装置，其中，所述浓度滤光片配置在所述摄影对象物和镜头之间。

4.根据权利要求1所述的信息读取用摄像装置，其中，所述浓度滤光片与所述光圈形成为一体。

5.根据权利要求1所述的信息读取用摄像装置，其中，所述镜头是由多个透镜构成的光学系统，所述浓度滤光片配置在所述多个透镜之间。

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