JP2012212221A - 撮像ユニット、及び硬貨識別装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被写体の表面の性状に左右されずに被写体の表面の凹凸パターンと表面状態を確実にとらえることのできる撮像ユニットを提供する。
【解決手段】表面に凹凸パターンを有する被写体を撮像する撮像ユニットは、前記被写体の表面を照明する照明光を一定の出力で出射する面光源と、前記被写体の表面で反射された反射光を受光する撮像手段と、前記面光源から出射される前記照明光と前記撮像手段に入射する前記反射光とが交わる箇所に配置されたビームスプリッタと、を備え、前記面光源から出射された前記照明光は、前記ビームスプリッタを介して前記被写体の表面に入射し、前記被写体の表面で反射された前記反射光は、前記ビームスプリッタを介して前記撮像手段に入射し、前記被写体の表面に入射する前記照明光は、前記被写体の表面に垂直に入射する平行光と、拡散光とを含む。
【選択図】図２

Description

本発明は、撮像ユニット、及び硬貨識別装置に関する。

硬貨識別装置として、硬貨の表面を撮像し、取得された画像にあらわれる硬貨表面の凹凸パターンから硬貨を識別するものが知られている。そのような硬貨識別装置は、一般に、複数の硬貨を順次搬送し、その搬送経路に設けられる撮像箇所を硬貨が通過する際に、その硬貨を撮像ユニットで撮像する。そして、撮像ユニットは、硬貨表面を照明する照明光を出射する光源と、硬貨表面で反射された反射光を受光する撮像手段と、を備えている（例えば、特許文献１、２参照）。

特許文献１に記載された撮像ユニットにおいて、光源は、硬貨表面の法線方向から外れて配置されており、撮像手段は、硬貨表面の法線方向に配置されている。光源から出射された照明光は、硬貨表面に斜めに入射し、撮像手段は、主として硬貨表面の凹凸パターンのエッジ部分で反射された反射光を受光する。この撮像ユニットで取得される画像には、硬貨表面の凹凸パターンのエッジ部分とその他の部分とでコントラストが生じる。しかし、この撮像ユニットでは、硬貨表面の凹凸パターンのエッジ部分で反射された反射光を撮像手段で受光するため、硬貨表面の汚損状態や色を検出することは困難である。

特許文献２に記載された撮像ユニットにおいて、光源には平行光を出射する面光源が用いられ、面光源は、硬貨表面の法線方向に配置されている。面光源と硬貨との間には、ハーフミラーが設けられている。そして、撮像手段は、硬貨表面の法線方向に進みハーフミラーで反射される光線の光路に配置されている。面光源から出射された照明光（平行光）は、ハーフミラーを透過して硬貨表面に垂直に入射する。撮像手段は、主として凹凸パターンのエッジ部分を除く硬貨表面で反射され、且つハーフミラーで反射された反射光を受光する。この撮像ユニットで取得される画像には、硬貨表面の凹凸パターンのエッジ部分とその他の部分とでコントラストが生じる。さらに、この撮像ユニットでは、硬貨表面の汚損状態や色を検出することも可能である。

特開平９−３１９９１１号公報 特開平６−１５０１０４号公報

しかし、特許文献２に記載された撮像ユニットでは、硬貨表面の汚損が酷く、或いは硬貨表面が拡散面である場合に、硬貨表面の輝度が全体的に不足し、取得される画像において硬貨表面の凹凸パターンのエッジ部分とその他の部分とのコントラストが不明瞭となり識別できないことがある。このような場合の対処として硬貨表面の性状に応じて光源の出力を都度調整したのでは、複数の硬貨を順次撮像する硬貨識別装置にあっては、識別処理速度の低下を招く。

本発明は、光源の出力は一定に保ちつつ、被写体の表面の性状に左右されずに被写体の表面の凹凸パターンを確実にとらえることのできる撮像ユニットを提供することを目的とし、また、識別処理速度に優れる硬貨識別装置を提供することを目的とする。

（１） 表面に凹凸パターンを有する被写体を撮像する撮像ユニットであって、前記被写体の表面を照明する照明光を一定の出力で出射する面光源と、前記被写体の表面で反射された反射光を受光する撮像手段と、前記面光源から出射される前記照明光と前記撮像手段に入射する前記反射光とが交わる箇所に配置されたビームスプリッタと、を備え、前記面光源から出射された前記照明光は、前記ビームスプリッタを介して前記被写体の表面に入射し、前記被写体の表面で反射された前記反射光は、前記ビームスプリッタを介して前記撮像手段に入射し、前記被写体の表面に入射する前記照明光は、前記被写体の表面に垂直に入射する平行光と、拡散光とを含む撮像ユニット。
（２） 硬貨を搬送する搬送手段と、前記搬送手段により搬送される前記硬貨の表面を撮像する撮像ユニットと、前記撮像ユニットにより取得された画像に基づいて前記硬貨を識別する識別手段と、を備え、前記撮像ユニットは、上記（１）の撮像ユニットである硬貨識別装置。

本発明によれば、撮像ユニットは、平行光と拡散光とを含む照明光を被写体の表面に照射する。拡散光によって被写体の表面全体の輝度が確保され、それにより、平行光で生じる被写体の表面の凹凸パターンのエッジ部分とその他の部分とのコントラストが明瞭となる。よって、光源の出力は一定に保ちつつ、被写体の表面の性状に左右されずに被写体の表面の凹凸パターンを確実にとらえることができる。そして、これを備えた硬貨識別装置においては、識別処理速度を保つことができる。

本発明の実施形態を説明するための硬貨識別装置の一例を示す図。 図１の硬貨識別装置の識別系のブロックダイアグラムを示す図。 本発明の実施形態を説明するための撮像ユニットの一例であって、図１の硬貨識別装置の撮像ユニットを示す図。 図３の撮像ユニットの面光源の一例を示す図。 硬貨の表面に入射する照明光及び硬貨の表面で反射された反射光を模式的に示す図。 図３の撮像ユニットの変形例を示す図。 本発明の実施形態を説明するための撮像ユニットの他の例を示す図。 硬貨の表面を撮像して得られる画像の輝度分布を示す図。 図８の輝度分布の画像を撮像する際の照明光の照度分布を示す図。

図１は、硬貨識別装置の一例を示し、図２は、図１の硬貨識別装置の識別系のブロックダイアグラムを示す。

図１及び図２に示す硬貨識別装置１は、硬貨２を搬送する搬送手段３と、搬送される硬貨２を検知する検知手段４と、搬送される硬貨２の表面を撮像する撮像ユニット５と、撮像ユニット５により取得された画像に基づいて硬貨２を識別する識別手段６と、を備えている。

搬送手段３は、硬貨２の搬送経路を規定する搬送テーブル１０と、一対のプーリ１１と、一対のプーリ１１に架け渡された無端ベルト１２と、を含んでいる。一対のプーリ１１は、搬送テーブル１０の延在方向の両端部にそれぞれ配置されており、図示しないモータで駆動される。一対のプーリ１１に架け渡された無端ベルト１２は、搬送テーブル１０との間に硬貨２を巻き込むことができる程度の適宜な隙間をおいて、搬送テーブル１０に対向して配置されている。

搬送経路の上流側にあたる搬送テーブル１０の一方の端部（以後、上流側端部という）１０ａには、硬貨識別装置１の図示しない硬貨投入口に投入された複数の硬貨が順次供給される。搬送テーブル１０の上流側端部１０ａに供給された硬貨２は、前記モータ及び一対のプーリ１１によって一定速度で回転駆動される無端ベルト１２と搬送テーブル１０との間に巻き込まれ、無端ベルト１２との摩擦によって無端ベルト１２に引きずられながら搬送テーブル１０上を移動し、搬送経路に沿って搬送テーブル１０の下流側端部１０ｂへ搬送される。

撮像ユニット５は、搬送テーブル１０の下面側、即ち無端ベルト１２のある側とは反対側にあって、搬送経路の中流域を臨むように配置されている。搬送経路の中流域にあたる搬送テーブルの中央部には開口が形成されており、この開口には、撮像ユニット５の筐体２０の一部をなす板状の透明部材２１が嵌め込まれている。透明部材２１は、例えばサファイアガラスなどで形成され、その表面は、搬送テーブル１０の上面と面一となっており、搬送経路に沿って搬送される硬貨２は、透明部材２１上を通過する。搬送経路における透明部材２１上の箇所が撮像箇所となり、撮像ユニット５は、搬送される硬貨２が撮像箇所を通る際に、その硬貨２を撮像する。

検知手段４は、搬送される硬貨２が撮像箇所を通るタイミングで、その硬貨２を検知する。検知手段４は、図示の例では、一組の発光素子３１及び受光素子３０を含んでいる。発光素子３１は、撮像ユニット５に組み込まれ、透明部材２１に向けて光を出射する。発光素子３１としては、例えばＬＥＤ（Light Emitting Diode）などが用いられる。受光素子３０は、搬送テーブル１０の上面側にあって、発光素子３１と対向するように配置されており、発光素子３１から出射されて透明部材２１を透過した光を受光する。受光素子３０としては、例えばフォトダイオードなどが用いられる。硬貨２が撮像箇所にあるとき、発光素子３１から受光素子３０に至る光が硬貨によって遮られ、検知手段４は撮像箇所にある硬貨２を検知する。撮像ユニット５は、検知手段４が硬貨を検知するのに同期して撮像を行う。なお、図示の例では、一組の発光素子３１及び受光素子３０は撮像箇所の下流域に配置されているが、それらの位置は特に限定されず、例えば撮像箇所の上流域に配置されていてもよい。

識別手段６は、メモリ４０と、画像処理部４１と、識別処理部４２と、を含んでいる。メモリ４０は、種々の硬貨について、その表面の凹凸パターンに関する凹凸パターンデータを含む硬貨データを記憶している。画像処理部４１は、撮像ユニット５で撮像された硬貨２の表面の画像データが入力される。そして、画像処理部４１は、この画像データを解析して、凹凸パターンデータを含む撮像硬貨データを生成する。識別処理部４２は、画像処理部４１で生成された撮像硬貨データが入力される。そして、識別処理部４２は、メモリ４０に記憶された種々の硬貨の硬貨データから、撮像画像データに合致する硬貨データを抽出して、撮像ユニット５で撮像された硬貨２を識別する。

硬貨データ及び撮像硬貨データとしては、硬貨の表面の凹凸パターンデータの他に、例えば硬貨の表面の色に関する色度データや明度データを含んでもよい。色度データは、凹凸パターンとともに硬貨を識別するのに用いることができる。また、色度データ及び明度データを用いて、硬貨の表面の汚損状態を検出することもできる。

図３は、図１の硬貨識別装置１の撮像ユニット５を示す。

図３に示す撮像ユニット５は、面光源５０と、撮像手段５１と、ビームスプリッタ５２と、を備えている。

面光源５０は、撮像する硬貨２の表面を照明する照明光を一定の出力で出射する。照明光は、撮像箇所の全域、つまりは透明部材２１の全面にわたって実質的に均一な照度とされている。面光源５０の詳細な構成については後述する。

撮像手段５１は、例えばＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサやＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサなどの固体撮像素子５３と、この固体撮像素子５３の受像面に結像する結像光学系５４とを含んでいる。撮像手段５１は、硬貨２の表面で反射された反射光を受光する。

ビームスプリッタ５２は、入射する光の一部を透過し、残りを反射するものであって、典型的には透過と反射との割合が等しいハーフミラーが用いられる。

ビームスプリッタ５２は、面光源５０から出射される照明光と、撮像手段５１に入射する反射光とが交わる箇所に配置されている。そして、面光源５０から出射された照明光は、ビームスプリッタ５２を介して硬貨２の表面に入射し、硬貨２の表面で反射された反射光は、ビームスプリッタ５２を介して撮像手段５１に入射する。

より詳細には、ビームスプリッタ５２は、硬貨２に対して、その表面の法線方向に位置している。面光源５０は、硬貨２の表面の法線方向に進みビームスプリッタ５２で反射される光の光路に配置されており、撮像手段５１は、硬貨２の表面の法線方向に進みビームスプリッタ５２を透過する光の光路に配置されている。面光源５０から出射されてビームスプリッタ５２に入射した照明光は、その一部がビームスプリッタ５２で反射されて硬貨２の表面に入射する。硬貨２の表面で反射されてビームスプリッタ５２に入射した反射光は、その一部がビームスプリッタ５２を透過して撮像手段５１に入射する。つまり、この撮像ユニット５は、同軸落射照明により撮像する。

面光源５０から出射される照明光は、平行光と、拡散光とを含む。そのような照明光を出射する面光源の一例を以下に説明する。

図４は、図３の撮像ユニット５の面光源５０を示す。

図４に示す面光源５０は、いわゆるエッジライト方式の面光源であり、光源素子６０と、導光板６１と、拡散フィルム６３と、を有している。

光源素子６０としては、例えば白色光を出射する冷陰極管や白色ＬＥＤなどが用いられ、導光板６１の側面に沿って配置される。なお、上述した識別手段６による硬貨の識別において、硬貨の表面の色に関するデータ（色度データ、及び明度データ）が不要であるならば、単色光を出射する光源素子であってもよい。

導光板６１は、例えばアクリルなどで形成され、その下面には、微細なプリズムパターン６２が形成されている。光源素子６０から出射された光は、導光板６１の側面に入射して導光板６１内に導かれ、導光板６１の下面のプリズムパターン６２で反射されて、導光板６１の上面から、その法線方向に出射される。

拡散フィルム６３は、導光板６１の出射面である上面に重ねられ、面光源５０の出射面を形成している。導光板６１の上面から出射された光は、拡散フィルム６３を通ることにより、その一部が拡散される。

以上のように構成された面光源５０から出射される照明光は、導光板６１の特性と拡散フィルム６３の特性とが組み合わされることにより、上述の通り、その出射面の法線方向に進む平行光と、拡散光とを含む。なお、照明光に拡散光を含むことは、この照明光が照射される撮像箇所における照度分布の均一化に寄与する。

面光源５０は、硬貨２の表面の法線方向に進みビームスプリッタ５２で反射される光の光路に出射面を直交させて配置されており、照明光に含まれる平行光は、ビームスプリッタ５２で反射され、硬貨２の表面に垂直に入射する。また、照明光に含まれる拡散光もまた、ビームスプリッタ５２で反射され、硬貨２の表面に入射する。

図５は、硬貨２の表面に入射する照明光及び硬貨２の表面で反射された反射光を模式的に示す。

硬貨２の表面の凹凸パターンのエッジ部分２ａを除く硬貨２の表面に垂直に入射した平行光は、硬貨２の表面で反射され、その反射光の多くはビームスプリッタ５２に戻り、ビームスプリッタ５２を透過して撮像手段５１で受光される。一方、凹凸パターンのエッジ部分２ａに入射した平行光もまたエッジ部分２ａで反射されるが、その反射光の殆どがビームスプリッタ５２には向かず、エッジ部分２ａで反射されてビームスプリッタ５２に戻る反射光は著しく減少する。それにより、撮像手段５１で撮像された画像において、硬貨２の表面の凹凸パターンのエッジ部分２ａとその他の部分とにコントラスト（輝度差）が生じる。上述した識別手段６よる硬貨の識別において、画像処理部４１は、このコントラストに基づいて凹凸パターンを抽出し、凹凸パターンデータを生成する。

また、硬貨２の表面に入射した拡散光は、硬貨２の表面の輝度を全体的に上げる。このことは、硬貨２の表面の汚損が酷く、或いは硬貨２の表面が拡散面である場合にも、硬貨２の表面全体の輝度が確保される。それにより、平行光で生じる硬貨２の表面の凹凸パターンのエッジ部分２ａとその他の部分とのコントラストが黒潰れすることなく明瞭となる。そこで、面光源５０の出力は一定に保ちつつ、硬貨２の表面の性状に左右されずにその表面の凹凸パターンを確実にとらえることができる。そして、これを備えた硬貨識別装置１においては、識別処理速度を保つことができる。

なお、上述した例では、硬貨識別装置１を例に、撮像ユニット５は硬貨を撮像するものとして説明したが、硬貨に限らず、例えばメダル等の、表面に凹凸パターンを有する盤状のものであって表面の反射率（鏡面反射率）が硬貨に近いものも被写体とすることができる。

図６は、図３に示した撮像ユニット５の変形例を示す。

図６に示す撮像ユニット５´は、同軸落射照明により撮像を行うものであるが、ビームスプリッタ５２との関係で、面光源５０及び撮像手段５１の配置が図２に示した撮像ユニット５とは異なる。ビームスプリッタ５２は、硬貨２に対して、その表面の法線方向に位置している。面光源５０は、硬貨２の表面の法線方向に進みビームスプリッタ５２を透過する光の光路に配置されており、撮像手段５１は、硬貨２の表面の法線方向に進みビームスプリッタ５２で反射される光の光路に配置されている。面光源５０から出射されてビームスプリッタ５２に入射した照明光は、その一部がビームスプリッタ５２を透過して硬貨２の表面に入射する。硬貨２の表面で反射されてビームスプリッタ５２に入射した反射光は、その一部がビームスプリッタ５２で反射されて撮像手段５１に入射する。

図３に示した撮像ユニット５、及び図６に示した撮像ユニット５´では、撮像手段５１に含まれる結像光学系５４は、非テレセントリックな結像光学系とされている。面光源５０が照明光を実質的に均一な照度で硬貨２の表面全体にわたって照射することは、面光源５０が硬貨２の表面全体に写り込むことである。例えば図３に示した撮像ユニット５において、面光源５０から出射されて硬貨２の表面に至る照明光の光路Ｐ１の光路長をＰＬ１、硬貨２の表面で反射されて撮像手段５１に至る反射光の光路Ｐ２の光路長をＰＬ２、硬貨の径をｄとすれば、面光源５０の径は、少なくともｄ×（ＰＬ１＋ＰＬ２）／ＰＬ２の大きさとなる。

図７は、撮像ユニットの他の例を示す。なお、図３に示した撮像ユニット５と共通する要素には、同一の符号を付することにより説明を簡略ないし省略する。

図７に示す撮像ユニット１０５は、同軸落射照明により撮像を行うものであるが、撮像手段１５１に含まれる結像光学系１５４を物体側がテレセントリックな結像光学系としたものである。この場合に面光源１５０が硬貨２の表面全体に写り込むには、面光源１５０の径Ｄは、硬貨の径ｄと同じで足りる。このように、撮像手段１５１の結像光学系１５４にテレセントリックな結像光学系を用いることにより、面光源１５０を小型化し、そして撮像ユニット１０５を小型化することができる。面光源１５０及び撮像ユニット１０５を小型化することで、消費電力の低減、均一な照明、そして低コストを実現できる。さらに、テレセントリックな光学系を用いることにより、歪の少ない安定した像を得ることができ、結像に寄与する光線の角度分布が狭くなることで色や光量のムラを低減することができる。

図８は、硬貨の表面を撮像して得られる画像の輝度分布を示し、図９は、図８の輝度分布の画像を撮像する際の照明光の照度分布を示す。

図８には、照明光に平行光及び拡散光を含む撮像ユニット１０５で表面の反射率が比較的高い１００円硬貨などのニッケル硬貨を撮像して得られる画像の輝度分布１（ＦＩＧ．８Ａ）と、撮像ユニット１０５で表面の反射率が比較的低い１０円硬貨などの銅硬貨を撮像して得られる画像の輝度分布２（ＦＩＧ．８Ｂ）と、照明光を平行光のみとした撮像ユニットでニッケル硬貨を撮像して得られる画像の輝度分布３（ＦＩＧ．８Ｃ）と、照明光を平行光のみとした撮像ユニットで銅硬貨を撮像して得られる画像の輝度分布４（ＦＩＧ．８Ｄ）と、が示されている。いずれも、硬貨の一つの径上における輝度分布であり、硬貨の表面の凹凸パターンのエッジ部分は、輝度分布の谷の部分に相当する。図９には、照明光に平行光及び拡散光を含む撮像ユニット１０５の照明光の照度分布が実線で示され、また、照明光を平行光のみとした撮像ユニットの照明光の照度分布が破線で示されている。

照明光が平行光のみである場合の銅硬貨の輝度分布４（ＦＩＧ．８Ｄ）では、硬貨の表面の輝度が全体的に低いために黒潰れを生じ、硬貨の表面の凹凸パターンのエッジ部分とその他の部分とのコントラストが不明瞭となる。これに対して、照明光に拡散光を含む場合の銅硬貨の輝度分布２（ＦＩＧ．８Ｂ）では、拡散光によって硬貨の表面の輝度が全体的に高く、硬貨の表面の凹凸パターンのエッジ部分とその他の部分とのコントラストが黒潰れすることなく明瞭となる。

そして、照明光に拡散光を含む場合のニッケル硬貨の輝度分布１（ＦＩＧ．８Ａ）と銅硬貨の輝度分布２（ＦＩＧ．８Ｂ）との平均の輝度差は、照明光が平行光のみである場合のニッケル硬貨の輝度分布３（ＦＩＧ．８Ｃ）と銅硬貨の輝度分布４（ＦＩＧ．８Ｄ）との平均の輝度差に比較して少なくなっている。

以上のことから、平行光と拡散光とを含む照明光を硬貨の表面に照射することで、面光源５０の出力は一定に保ちつつ、硬貨の表面の性状に左右されずにその表面の凹凸パターンを確実にとらえることができることがわかる。

以上説明したように、本明細書には、表面に凹凸パターンを有する被写体を撮像する撮像ユニットであって、前記被写体の表面を照明する照明光を一定の出力で出射する面光源と、前記被写体の表面で反射された反射光を受光する撮像手段と、前記面光源から出射される前記照明光と前記撮像手段に入射する前記反射光とが交わる箇所に配置されたビームスプリッタと、を備え、前記面光源から出射された前記照明光は、前記ビームスプリッタを介して前記被写体の表面に入射し、前記被写体の表面で反射された前記反射光は、前記ビームスプリッタを介して前記撮像手段に入射し、前記被写体の表面に入射する前記照明光は、前記被写体の表面に垂直に入射する平行光と、拡散光とを含む撮像ユニットが開示されている。

また、本明細書に開示された撮像ユニットは、前記撮像手段が、テレセントリックな結像光学系を含む。

また、本明細書に開示された撮像ユニットは、硬貨を撮像する。

また、本明細書には、硬貨を搬送する搬送手段と、前記搬送手段により搬送される前記硬貨の表面を撮像する撮像ユニットと、前記撮像ユニットにより取得された画像に基づいて前記硬貨を識別する識別手段と、を備え、前記撮像ユニットが、上記の撮像ユニットである硬貨識別装置が開示されている。

１ 硬貨識別装置
２ 硬貨
３ 搬送手段
４ 検知手段
５ 撮像ユニット
６ 識別手段
１０ 搬送テーブル
１１ プーリ
１２ 無端ベルト
２０ 筐体
２１ 透明部材
３０ 受光素子
３１ 発光素子
４０ メモリ
４１ 画像処理部
４２ 識別処理部
５０ 面光源
５１ 撮像手段
５２ ビームスプリッタ
５３ 固体撮像素子
５４ 結像光学系
６０ 光源素子
６１ 導光板
６２ プリズムパターン
６３ 拡散フィルム

Claims (4)

1. 表面に凹凸パターンを有する被写体を撮像する撮像ユニットであって、
   前記被写体の表面を照明する照明光を一定の出力で出射する面光源と、
   前記被写体の表面で反射された反射光を受光する撮像手段と、
   前記面光源から出射される前記照明光と前記撮像手段に入射する前記反射光とが交わる箇所に配置されたビームスプリッタと、
   を備え、
   前記面光源から出射された前記照明光は、前記ビームスプリッタを介して前記被写体の表面に入射し、
   前記被写体の表面で反射された前記反射光は、前記ビームスプリッタを介して前記撮像手段に入射し、
   前記被写体の表面に入射する前記照明光は、前記被写体の表面に垂直に入射する平行光と、拡散光とを含む撮像ユニット。
2. 請求項１に記載の撮像ユニットであって、
   前記撮像手段は、テレセントリックな結像光学系を含む撮像ユニット。
3. 硬貨を撮像する請求項１又は請求項２に記載の撮像ユニット。
4. 硬貨を搬送する搬送手段と、
   前記搬送手段により搬送される前記硬貨の表面を撮像する撮像ユニットと、
   前記撮像ユニットにより取得された画像に基づいて前記硬貨を識別する識別手段と、
   を備え、
   前記撮像ユニットは、請求項１〜３のいずれか一項に記載の撮像ユニットである硬貨識別装置。

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