JP4086523B2 - 画像読取装置、被写体照合システム、被写体認識システム及び画像読取方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、画像読取装置、被写体照合システム、被写体認識システム及び画像読取方法に関し、特に、生体認証等の被写体照合システムやバーコードリーダ等の被写体認識システムなどに好適に搭載される画像読取装置及び画像読取方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、画像処理装置は、センサで生成された被写体の画像信号に対して、シェーディングデータを除去して、認識しやすい高精度の画像を形成できるようにしていた。
【０００３】
たとえば、スキャナなどの画像認識装置では、装置固有の出力の面内不均一性＝シェーディングを補正回路により除去することで、より高精度な認識を実現している。ここで、シェーディングには、撮像素子のノイズや基準レベルに対する黒出力ばらつきに起因する暗時シェーディングや、光源や光学系および撮像素子の感度むらや被写体の形状や反射率等に起因する明時シェーディングがある。こうしたシェーディングの補正の例としては、初期値として装置内にシェーディング補正データを記憶しておいたり、本撮像前に白基準を撮像することでシェーディング補正データを作成していた。
【０００４】
また、近年、情報のセキュリティの高まり等から、静電容量式のセンサや光学式撮像装置等を用いた指紋認証装置などの画像認識装置が注目され、携帯機器への需要も高まっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
（本願の第１の課題）
しかし、従来の技術におけるこうしたシェーディング補正は、シェーディング補正のためのデータを格納するメモリや演算のための回路を必要として、回路規模やコストが増加する問題があった。
【０００６】
さらに、物体認識や指紋認証などの被写体認識システムあるいは被写体照合システム特有のシェーディング補正の困難さがあった。たとえば、被写体の形状や位置と照明環境に起因した光量むらの補正に対しては、初期値として格納しておくことも白基準を読み込むことでも対処できない。昼間の明るい外光下と、夜間や室内での光源からの光とでの照明の均一性の違いを検出して、切り替える必要がある。
【０００７】
しかしながら、シェーディング補正を行わないと、面内での不均一な輝度のうち、最も輝度が低い部分の階調性が不足し、精度が落ちてしまう。輝度の低い部分の階調を得るため、光源の輝度やセンサの出力ゲインをあげると、逆に輝度の高い部分が飽和して十分な階調性が得られない。
【０００８】
（本願の第２の課題）
また、光学式撮像装置を用いた画像認識装置の場合、光源を使用することが多く、この場合、消費電力が大きくなってしまう傾向があり、携帯機器への搭載の足かせになっていた。さらに、光源からの照射光が不均一となり、特に携帯機器等の小型の機器の場合にはセンサ面の真上に光源を配置できず、光量むらに起因するシェーディングが発生していた。そして、低輝度部は階調が少なく、認識誤差が大きくなる傾向があった。また低輝度部に光量や、ゲイン（ＧＡＩＮ）をあわせると、高輝度部はつぶれてしまうことになる。
【０００９】
また、光学式撮像装置を用いた画像認識装置の場合、輝度を調整するために１画面周期に同期させて光源を点滅駆動することがあるが、ON時とOFF時に生じる大きな電流変化が電源電圧の変動となり撮像画像にノイズとしてのってしまう課題があった。さらに、これを防止するために大容量のコンデンサを使用しようとすると、小型化や低コスト化の足かせとなる課題があった。
【００１０】
また、上記のように、光源を１画面周期で点滅させた場合、CMOSセンサで主に用いられるローリングシャッタと呼ばれる電子シャッタ方式には対応できない課題もあった。
【００１１】
本発明の目的は、被写体の形状や位置と照明環境に対応した精度の高い画像読取装置、被写体照合システム、被写体認識システム及び画像読取方法を実現することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の画像読取装置は、被写体に光を照射する光照射手段と、該被写体からの光を検出する画素が二次元状に配置されたセンサと、を有する画像読取装置において、
蓄積を開始させる、画素のリセットと、蓄積を終了させる、画素からの信号転送とを並行して、主走査方向の画素列ごとに順次副走査方向に行うように、前記センサを走査する駆動回路を有し、
前記センサ内の第１の画素領域と前記センサ内の該第１の画素領域と異なる第２の画素領域とで、前記リセットと前記信号転送とで設定される蓄積期間内の露光条件が異なるように、前記光照射手段は前記被写体に光を照射することを特徴とするものである。
【００１３】
本発明の被写体照合システムは、上記本発明の画像読取装置と、前記画像読取装置からの被写体の画像信号と予め取得している該被写体の画像信号とを照合する照合手段とを備えたものである。
【００１４】
本発明の被写体認識システムは、上記本発明の画像読取装置と、前記画像読取装置からの被写体の画像信号を認識する認識手段とを備えたものである。
【００１５】
本発明の画像読取方法は、被写体に光を照射し、該被写体からの光を画素が二次元状に配置されたセンサで検出して画像を読み取る方法であって、
蓄積を開始させる、画素のリセットと、蓄積を終了させる、画素からの信号転送とを並行して、主走査方向の画素列ごとに順次副走査方向に行うように、前記センサを走査し、
前記センサ内の第１の画素領域と前記第１の画素領域と異なる前記センサ内の第２の画素領域とで、前記リセットと前記信号転送とで設定される蓄積期間内の露光条件が変わるように前記光照射手段の光照射条件を制御するものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００１７】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１として、被写体照合システムである指紋認証装置の模式的な構成を示すブロック図である。
【００１８】
図１において、２は照明用の光源（光照射手段）としてのＬＥＤ、５は指１７の反射光を集めるレンズ、６はＣＭＯＳ型，ＣＣＤなどの複数の撮像画素からなるセンサ部であり、本実施形態では撮像画素がライン状に複数配置されて２次元的に配列されたＣＭＯＳ型エリアセンサを用いている。７はセンサ部６からの画像信号を伝送する信号線、８はセンサ駆動パルスが出力される制御線、９はセンサ部６から信号線７を通じて伝送された画像信号の処理を行う画像処理部、１０は画像処理部９からの画像信号を伝送する信号線、１１は画像処理部９を制御するための制御線、１２は指紋認証装置本体の動作を制御するマイコン部、１５はＬＥＤ２の照射光量の制御線である。
【００１９】
マイコン部１２において、２０１は画像信号の脈動による変化分の有無に基づいて認証対象が人の指であるかを検出する脈動検出部、２０２は画像信号から指紋のしわの端などの特徴点を抽出する特徴点抽出部、２０４は脈動検出部２０１で画像信号が人の指紋であると検出したことをトリガとして特徴点抽出部２０２で抽出された特徴点の位置と予め登録してある指紋データベース２０３内の指紋とを照合する照合部、２０５は照合部２０４の照合結果をインターネットなどのネットワークを介してホストコンピュータなどに送る通信部、２０６は特徴点抽出部２０２で特徴点の抽出が十分に行えなかったときにＬＥＤ２の光量やセンサ部６のアンプゲインを全体的に制御してダイナミックレンジ内に適切に入るように調整する切換部である。
【００２０】
また、２０７がシェーディングの影響を軽減して、階調性などの精度を高めるために、２次元的に配列されたエリアセンサの面内での露光量を制御するための光源制御部（制御手段）である。
【００２１】
ここでのシェーディングとは、光源や光学系による照明状況および撮像素子の感度むらや被写体の形状や反射率等に起因する明時シェーディングをさしている。本実施形態のような指紋認識装置の場合は、光源の配置と指の形状に特有な明時シェーディングが存在する。さらに、この光量むらは、昼間の明るい外光下と、夜間や室内でのＬＥＤからの光のみの場合では、照明環境に起因して変化する。
【００２２】
なお、センサ部６の撮像画素は、ライン状に配置されていれば、例えばマトリクス状に配置されていても、ハニカム状に配置されていても、デルタ状に配置されていてもよい。
【００２３】
図２は、図１の画像処理部９の内部構成図である。図２において、２１は信号線７を通じて入力される画像信号のゲインを調整するゲインコントロールアンプ（gain control amp：ＧＣＡ）、２２はＧＣＡ２１の出力をアナログ信号からデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータ（analog digital converter：ＡＤＣ）、２３はＡＤＣ２２から出力される画像信号の処理を行うＤＳＰ（Digital Signal Processor）部である。ＤＳＰ部２３では、コントラストやエッジ強調、フィルタ処理などのデジタル画像処理による画質調整が行われる。
【００２４】
２５はクロックを発生する水晶発振器（Ｘｔａｌ）、２６は水晶発振器２５からのクロックに基づいてセンサ部６，ＡＤＣ２２，ＤＳＰ部２３等への各種の駆動パルスを発生するタイミング発生部（ＴＧ部）である。本実施形態では、面内での露光量を制御するための光源制御部２０７をマイコン部側に設けているが、構成によってはＴＧ部２６内に設けても良い。
【００２５】
図３は、図１のセンサ部６の構成図である。図３において、４１はセンサの１画素を構成する画素部、４２は画素部４１における読み出しパルス（φＳ）の入力端子、４３は画素部４１におけるリセットパルス（φＲ）の入力端子、４４は画素部４１における転送パルス（φＴ）の入力端子、４５は画素部４１における信号読み出し端子（Ｐ０）、４６は後述するセレクタ部から水平方向の各画素に読み出しパルス（φＳ）を送る信号線、４７は後述するセレクタ部から水平方向の各画素にリセットパルス（φＲ）を送る信号線、４８は後述するセレクタ部から水平方向の各画素に転送パルス（φＴ）を送る信号線、４９は垂直信号線、４０は定電流源、５１は垂直信号線４９に接続された容量、５２は水平シフトレジスタ５６にゲートが接続され、ソース−ドレインに垂直信号線４９と出力信号線５３が接続された転送スイッチ、５４は出力信号線５３に接続された出力アンプ、５５はセンサ部６の出力端子である。
【００２６】
また、５６は水平シフトレジスタ（ＨＳＲ）、５７はそのスタートパルス（ＨＳＴ）の入力端子、５８はその転送クロック（ＨＣＬＫ）の入力端子、５９は垂直シフトレジスタ（ＶＳＲ）、６０はそのスタートパルス（ＶＳＴ）の入力端子、６１はその転送クロック（ＶＣＬＫ）の入力端子、６２は後述するローリングシャッタと呼ばれる方式の電子シャッタ用のシフトレジスタ（ＥＳＲ）、６３はそのスタートパルス（ＥＳＴ）の入力端子、６４は垂直シフトレジスタ（ＶＳＲ）の出力線、６５は電子シャッタ用のシフトレジスタ（ＥＳＲ）の出力線、６６はセレクタ部、６７は転送パルスの元信号ＴＲＳの入力端子、６８はリセットパルスの元信号ＲＥＳの入力端子、６９は読み出しパルスの元信号ＳＥＬの入力端子である。
【００２７】
図４は、図３の画素部４１の構成図である。図４において、７１は電源電圧（ＶＣＣ）、７２はリセット電圧（ＶＲ）、７３はフォトダイオード、７４〜７７はＭＯＳトランジスタからなるスイッチ、７８は寄生容量（ＦＤ）、７９はグラウンドである。
【００２８】
図５は、指１７を載置する載置台２０とＬＥＤ２との位置関係の説明図である。図５（ａ）は載置台２０に指をおいた状態の平面図である。図５（ｂ）は図５（ａ）の断面図である。また、図５（ｃ）が、取得される指紋画像の模式図である。２７Hは二次元に配列されたエリアセンサの主走査方向である水平走査方向を示し、２７Vは副走査方向である垂直走査方向を示している。また、２７LがＬＥＤを密に配列した方向であり、２７Sが指の長手方向である。また、A〜F点はセンサ上の各点である。
【００２９】
ここで図５（ａ）に示すように、ＬＥＤ２は例えば２列に配置されており、ＬＥＤ２の配列方向２７Lと指１７の長手方向２７Sとが一致するように載置台２０を設計しておくとよい。また、センサの主走査方向２７Hと指１７の長手方向２７Sとが一致するように載置台２０を設計しておくとよい。
【００３０】
本実施形態は、被写体の形状と照明環境に起因したシェーディングが本来取得したいデータに重畳して精度を低下させる影響を、センサの面内で露光量を変化させることで軽減する。ＬＥＤ２の配置方向２７Lと指１７の長手方向２７Sおよびセンサの主走査方向２７Hとが一致するように設けることは、センサの副走査方向２７V側へのシェーディング形状のセンサの主走査方向２７Hに沿った相関性を高くする意味がある。これにより、露光量の制御をセンサの副走査方向２７Vに沿って行うことで、容易に面全体の出力の均一性の改善が実現できる。このため、面内での照明光量の制御回路も簡単な構成で実現可能となる。
【００３１】
［動作の説明］
ここで、センサ部６の動作を図３、図４を参照して説明する。まず、リセット用のスイッチ７４と、フォトダイオード７３に接続されたスイッチ７５とをOFFした状態で、フォトダイオード７３において入射光による電荷の蓄積が行われる。
【００３２】
その後、スイッチ７６がOFFした状態で、スイッチ７４をONすることにより、寄生容量７８がリセットする。つぎに、スイッチ７４をOFFスイッチ７６をONすることにより、信号読み出し端子４５にリセット状態の電荷を読み出す。
【００３３】
つぎに、スイッチ７６をOFFした状態で、スイッチ７５をONすることにより、寄生容量７８に対して、フォトダイオード７３に蓄積された電荷を転送する。つぎに、スイッチ７５をOFFした状態で、スイッチ７６をONすることにより、信号読み出し端子４５に信号電荷を読み出す。
【００３４】
各ＭＯＳトランジスタの駆動パルスφＳ，φＲ，φＴは、後述するように垂直シフトレジスタ５９，６２とセレクタ部６６とにより作成され、各信号線４６〜４８により、画素の入力端子４２〜４４に供給される。入力端子６０から入力されるクロック信号１パルスに対して、信号ＴＲＳ，ＲＥＳ，ＳＥＬが入力端子６７〜６９にそれぞれ１パルス入力され、このため、駆動パルスφＳ，φＲ，φＴがそれぞれ信号ＴＲＳ，ＲＥＳ，ＳＥＬに同期して出力される。この結果、入力端子４２〜４４に、駆動パルスφＳ，φＲ，φＴが供給される。
【００３５】
また、信号読み出し端子４５は、垂直信号線４９により定電流源４０に接続すると共に、垂直信号線容量５１及び転送スイッチ５２に接続されており、垂直信号線４９を介して電荷信号が垂直信号線容量５１に転送され、その後水平シフトレジスタ５６の出力に従い、転送スイッチ５２が順次走査されて、垂直信号線容量５１の信号が出力信号線５３に順次読み出され、出力アンプ５４を介して出力端子５５から出力される。ここで、垂直シフトレジスタ（ＶＳＲ）５９は、スタートパルス（ＶＳＴ）６０で走査が開始され、転送クロック（ＶＣＬＫ）６１が出力線６４を介してＶＳ１，ＶＳ２，…ＶＳｎと順次転送されていく。また電子シャッタ用垂直シフトレジスタ（ＥＳＲ）６２は、入力端子６３から入力されるスタートパルス（ＥＳＴ）で走査が開始され、入力端子６１から入力される転送クロック（ＶＣＬＫ）が出力線６５に順次転送されていく。
【００３６】
各画素部４１の読み出し順序は、まず垂直方向の上１行目を選択し、水平シフトレジスタ５６の走査に伴い左から右へ各列に接続した画素部４１を選択出力する。１行目の出力が終わると、２行目を選択し、再び水平シフトレジスタ５６の走査に伴い左から右へ各列に接続した画素部４１を選択出力する。
【００３７】
以下、同様に垂直シフトレジスタ５９の順次走査に従い、１，２，３，４，５…行目と上から下まで走査を行い、１画面の画像出力を行う。
【００３８】
ところで、センサの露光期間は、撮像画素が光の電荷を蓄積する蓄積期間と、撮像画素に被写体からの光が入射する期間により決まる。
【００３９】
ここで、ＣＭＯＳ型のセンサは、ＩＴ（interline transfer）型やＦＩＴ（frame-interline transfer）型のＣＣＤ素子と異なり、遮光されたバッファメモリ部を備えていないため、画素部４１から得られた信号を順次読み出している期間も、まだ読み出されていない画素部４１は露光され続ける。したがって、連続的に画面出力を読み出すと、その露光時間は画面の読み出し時間にほぼ等しくなる。
【００４０】
しかし、このままでは露光時間を制御することが出来ない。露光時間を制御するひとつの方法として、ＣＭＯＳ型のセンサにおいては、電子シャッタ（フォーカルプレインシャッター）として、蓄積の開始と終了の垂直走査を並行して行うローリングシャッタとばれる駆動方法を採用している。これにより、蓄積の開始と終了の垂直走査線数単位で露光時間を設定可能にしている。図３においては、ＥＳＲ６２が画素をリセットして蓄積を開始する垂直走査用のシフトレジスタであり、ＶＳＲ５９が、電荷を転送して蓄積を終了する垂直走査用のシフトレジスタである。電子シャッタ機能を用いる場合は、ＥＳＲ６２をＶＳＲ５９に先行して走査し、その間隔に相当する期間が露光期間になる。
【００４１】
露光期間を制御する別の方法としては、撮像画素に被写体からの光が入射する期間を制御する方法がある。これには、機械的なシャッタを用いる方法や、光源の照明期間を制御する方法がある。本実施形態では、光源の照明期間（被写体への光照射期間）を制御する方法により露光期間を面内で制御する。
【００４２】
図６は、図１に示す指紋認証装置の動作を示すフローチャートである。ここでは、例えば携帯電話機に図１の指紋認証装置を搭載しておき、この携帯電話機を用いてインターネットを介した電子商取引を行い、決済のときの本人認証を指紋認証装置を用いて行うような場合を想定して動作の説明をする。
【００４３】
図６を用いつつ、図１、２の動作について説明する。
【００４４】
まず、画像処理部９から制御線１５を通じて発光命令を行ってＬＥＤ２を発光させる（ステップＳ１）。
【００４５】
すると、ＬＥＤ２からの照射光で指１７が照明され、指１７からの反射光は、レンズ５で集光されセンサ部６上に結像される。センサ部６では、この反射光を電気信号に変換し画像信号として、信号線７を介して、画像処理部９へ送る。
【００４６】
画像処理部９では、センサ部６から出力した画像信号を処理してマイコン部１２へ出力する。
【００４７】
マイコン部１２では、光源制御部２０７によって入力信号に基づいて、ＬＥＤ２の照射光量が適当であるかどうかを判別する（ステップＳ２）。
【００４８】
判別の結果、指１７の画像の輝度やコントラストなどが指紋の画像を取得するのに十分である場合にはステップＳ６へ移行し、そうでなければステップＳ３へ移行する。
【００４９】
ステップＳ３では、光源制御部２０７によってＬＥＤ２の照射光量が指１７の画像のデコードを行うのに必要な照射光量よりも多いかどうかが判別される。
【００５０】
照射光量が多い場合には、ＬＥＤ２の光量を例えばステップ状に少なくするような制御信号を画像処理部９に送る。画像処理部９では、この信号に従って照射光量を少なくする（ステップＳ４）。逆に、照射光量が少ない場合には、ＬＥＤ２の光量を例えばステップ状に多くするような制御信号を画像処理部９に送る。
【００５１】
画像処理部９では、この信号に従って照射光量を多くする（ステップＳ５）。
【００５２】
なお、ＬＥＤ２の照射光量の調整に代えて、ＧＣＡ２１で行う画像信号のゲインをコントロールする際のゲインを調整するようにしてもよい。そして、ＬＥＤ２の照射光量が適当になったところで露光条件が決定する（ステップＳ６）。
【００５３】
その後、照射光量の調整が完了するとステップＳ３に移行して、所要の撮像条件下で撮像を行い、撮像データを取得する（ステップＳ７）。
【００５４】
取得した撮像データは、画像処理部９でコントラスト調整などの画像処理を行われた後、ステップＳ１の場合と同様の手順でマイコン部１２に送られる。マイコン部１２では、読み取った指１７の画像を脈動検出部２０１と特徴点抽出部２０２とにパラレルに出力する。
【００５５】
脈動検出部２０１は、画像信号の脈動による変化分の有無に基づいて認証対象が人の指紋であるかを検出し、検出結果を照合部２０４に出力する。また、特徴部抽出部２０２は、画像信号から指紋のしわの端などの特徴点を抽出して、照合部２０４に出力する（ステップＳ８）。
【００５６】
照合部２０４では、特徴点抽出部２０２からの特徴点の互いの位置関係等に基づいてデータベース２０３を参照することで指紋の認証を行う（ステップＳ９）。
【００５７】
こうして認証結果を取得する（ステップＳ１０）。
【００５８】
取得した認証結果は、脈動検出部２０１の検出結果と共に通信部２０５を通じて、商品の販売者側であるホストコンピュータへ送信される（ステップＳ１１）。
【００５９】
こうして、認証結果等が送られたホストコンピュータでは、最終的に、本人であることが確認されると、例えば予め商品の購入者側から入手している購入者の銀行口座から、購入代金の引き落としを行う。
【００６０】
図５および図７〜図１０を用いつつ、本実施形態の動作について説明する。
【００６１】
まず、本実施形態の動作説明に先立って、関連技術の動作について説明する。
【００６２】
図７は、一般的な指紋認証装置のセンサ動作を示すタイミングチャートであり、図８がこのときの出力値の様子を説明する説明図である。
【００６３】
図７において、ＶＳＴは図３の垂直方向のシフトレジスタＶＳＲのスタートパルス６０の波形であり、ＶＣＬＫは、垂直方向のシフトレジスタＶＳＲの転送クロック６１である。また、ＴＬＥＤ０は、ＬＥＤ２の点灯期間を表し、ＰＦＵＬＬ０は、１００％の点灯時であり、一方ＰＨＡＬＦ０は５０％の点灯時に相当する。図６において、ステップＳ４やＳ５においてＬＥＤ光量を変える場合は、このように点灯期間を可変して制御している。また、ＴＡ０，ＴＢ０，ＴＣ０は、図５（ｃ）に示した点Ａ，Ｂ，Ｃ各点の露光期間である。各点においては、センサの副走査方向である垂直方向の位置に相当する行において、該当行が１フィールド前に選択され読み出された後にリセットされてから、次のフィールドで再び選択され読み出されるまでが、ほぼ蓄積期間となっている。したがって、図７のように一般的な動作においては、１画面分の走査周期と等しい周期で、ＬＥＤの点灯期間が設けられるため、面内での蓄積時間およびＬＥＤの照明期間は同一に保たれて、均一な被写体を撮像した場合は、そのセンサの出力ＯＵＴ０も面内で均一な露光状態になる。ＩＦＵＬＬ０は、ＬＥＤの点灯期間がＰＦＵＬＬ０の場合の出力であり、ＩＨＡＬＦ０は、ＬＥＤの点灯期間がＰＨＡＬＦ０の場合の出力である。
【００６４】
図８に、図７の場合における指紋を撮像した場合の出力の模式図を示す。ここでは、図５の線Ａ−Ｃ間のセンサ出力の強度分布を示している。図８（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）において、縦軸はセンサ出力強度の割合を示し、横軸は図５の線Ａ−Ｃ間の各点Ａ〜Ｆの位置を示している。
【００６５】
図８（ａ）のＳ１がＬＥＤ２の照明位置と指の形状によって決まる光量むらを模式的に示しており、ＩＢ０，ＩＤ０，ＩＥ０は、Ｂ，Ｄ，Ｅ各点の強度である。このように、図７のＴＡ０，ＴＢ０，ＴＣ０のように蓄積時間とＬＥＤの照射量とを等しくても、実際にはＬＥＤと指の物理的な距離や指の形状に起因してセンサに入射する光の量が変わるため、光量のむらが発生している。ＩＢ０はＩＤ０の１／３程度となっている。
【００６６】
図８（ｂ）のＬ０が実際の指紋を取り込んだ時のセンサ出力の強度分布の模式図である。指紋の隆線（指紋の凹凸）に起因した強度パターンに、図８（ａ）の光量むらによるシェーディングパターンが重畳している。ここで、ＲＢ０，ＲＤ０，ＲＥ０は、Ｂ，Ｄ，Ｅ各点の強度である。このように、取り込んだ指紋パターンＬ０も、光量むらＳ１が重畳するため、ＲＢ０はＲＤ０の３０％程度の強度になっている。また、ＲＤ０では、光量が強いため低輝度レベル側に逆に白浮きが見られる。しかしＲＤ０は十分な輝度レベル差が有るため、ステップＳ８以降の処理に十分な精度が得られる。一方ＲＥ０は５０％、ＲＢ０は３０％程度の階調しかないため、処理に必要な階調数が不足して精度が低下してしまう。
【００６７】
図８（ｃ）のＬ０’は、図８（ｂ）よりも、ＬＥＤの照明光量を上げた場合のセンサ出力の強度分布の模式図を示しており、ＲＢ０’，ＲＤ０’，ＲＥ０’は、Ｂ，Ｄ，Ｅ各点の強度である。たとえば、図８（ｂ）の状態では光強度が不足していると判断して、ステップＳ５でＬＥＤ光量を増加した場合に相当する。この場合、ＲＥ０’は十分な輝度レベル差が確保できるが、ＲＢ０’は５０％程度しか階調が得られず、またＲＤ０’も逆に光量が過多となり、白側が飽和すると共に、黒側が浮いて５０％程度しか階調が得られない結果となってしまう。このように、光量むらが存在する場合、面内全体で階調数を最適化するのが困難になる。
【００６８】
図８（ｄ）のＬ０”はＬＥＤの照明効果よりも、外光が支配的になった場合のセンサ出力の強度分布の模式図を示しており、ＲＤ０”は、Ｄ点の強度であり、他の各点でもほぼ均一な出力が得られる。このように、外光の場合は指の形状によって決まる光量むらの影響が少なくなる。このため、図８（ａ）の光量むらを補正するために、演算回路によりシェーディング補正を行うと、ＬＥＤなどの光源での照射時と外光時で補正の切り替えを行わないと、外光時に過補正となってしまう。また、切り替える場合は、外光を検出する機能や切り替え制御する部分などが必要となり回路規模が増大してしまう。
【００６９】
次に本実施形態の動作について説明する。
【００７０】
図９は、本実施形態の指紋認証装置のセンサ動作を示すタイミングチャートであり、図１０がこのときの出力値の様子を説明する説明図である。
【００７１】
図９において、ＶＳＴは図３の垂直方向のシフトレジスタＶＳＲのスタートパルス６０の波形であり、ＶＣＬＫは、垂直方向のシフトレジスタＶＳＲの転送クロック６１である。また、ＬＥＤ１は、ＬＥＤ２の点灯期間を表し、ＰＦＵＬＬ１は、１００％の点灯時であり、一方ＰＨＡＬＦ１は５０％の点灯時に相当する。図６において、ステップＳ４やステップＳ５においてＬＥＤ光量を変える場合、本実施形態においては、このように一定の点灯期間ＰＦＵＬＬ１内でさらにパルス幅を可変することで全体の光量を制御している。また、ＴＡ１，ＴＢ１，ＴＣ１は、図５（ｃ）に示した点Ａ，Ｂ，Ｃ各点の露光期間である。各点においては、センサの副走査方向である垂直方向の位置に相当する行において、該当行が１フィールド前に選択され読み出された後にリセットされてから、次のフィールドで再び選択され読み出されるまでが、ほぼ蓄積期間となっている。したがって、図９のように本実施形態の動作においては、１画面分の走査周期＝１フィールド期間よりも長い周期で、照明条件であるＬＥＤの点灯期間（被写体への光照射時間）が変化するため（ここでは、２つのフィールド期間にまたがってＬＥＤが点灯される）、面内でのセンサの蓄積期間は一定であるが、蓄積期間中のＬＥＤの点灯期間が異なるため、面内で露光状態が異なる。均一な被写体を撮像した場合であっても、ＩＦＵＬＬ１で示すように、センサの出力ＯＵＴ１は面内で出力が変化する。ＩＦＵＬＬ１は、ＬＥＤの点灯期間がＰＦＵＬＬ１の場合の出力であり、ＩＨＡＬＦ１は、ＬＥＤの点灯期間がＰＨＡＬＦ１の場合の出力である。
【００７２】
１フィールド期間よりも長い周期で、照明条件であるＬＥＤの点灯期間を変化させるための制御は画像処理部９のＴＧ部で行われる。なお、ここでは図８の光量むらＳ１に対応するように、２つのフィールドにまたがって連続して点灯期間を設定しているが、点灯期間の設定は被写体やＬＥＤの配置等によって生ずる光量むらを打ち消すように適宜設定される。
【００７３】
点灯期間の設定は、たとえばセンサ面と平均的な指の大きさ、ＬＥＤの配置、設定光量などから必要なシェーディング補正量を設計時に予備実験を行って設定を行う。
【００７４】
また、あるいは製品の動作の中で、予備的な露光を行うことにより、シェーディング量を測定後、補正量を算出して補正を行った画像取得を毎回行うように構成しても良い。
【００７５】
図１０に、図９の場合における指紋を撮像した場合の出力の模式図を示す。ここでは、図５の線Ａ−Ｃ間のセンサ出力の強度分布を示している。図１０（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）において、縦軸はセンサ出力強度の割合を示し、横軸は図５の線Ａ−Ｃ間の各点Ａ〜Ｆの位置を示している。
【００７６】
図１０（ａ）のＳ１がＬＥＤ２の照明位置と指の形状によって決まる光量むらを模式的に示しており、Ｈ１がＬＥＤの照明期間の割合を示している。Ｍ１が、Ｓ１とＨ１を合成した結果であり、撮像画素の露光割合を示している。ＩＢ１，ＩＤ１，ＩＥ１は、Ｂ，Ｄ，Ｅ各点の強度である。このように、図９のＴＡ１，ＴＢ１，ＴＣ１の蓄積期間におけるＬＥＤの照射期間を変えることにより、ＬＥＤと指の物理的な距離や指の形状に起因する光量のむらを軽減して、面内での露光条件を均一に近づけている。
【００７７】
図１０（ｂ）のＬ１が図１０（ａ）に示すようにＬＥＤの照射期間を変えて光量むらを軽減したときに指紋を取り込んだ場合のセンサ出力の強度分布の模式図である。指紋の隆線（指紋の凹凸）に起因した強度パターンに、図１０（ａ）の露光量の差が重畳している。ここで、ＲＢ１，ＲＤ１，ＲＥ１は、Ｂ，Ｄ，Ｅ各点の強度である。このように、取り込んだ指紋パターンＬ１は、図８のＬ０ほど面内での出力レベル差が多くない。なお、面内で露光量を均一化するため、全体の輝度レベルは低下し、ＲＤ１はＲＤ０と比較して５０％程度の強度になっている。処理に必要な階調数が不足して精度が低下してしまう場合には、信号の有効な階調数を大きくとるため、ＬＥＤに流れる電流を大きくして光量自体を大きくしたり、あるいはセンサ出力後のアンプのゲインを大きくするなどして信号振幅をダイナミックレンジいっぱいに広く取れるようにすればよい。
【００７８】
この制御は、図６のステップＳ３〜Ｓ６において、被写体や周囲の照明環境等に応じて制御が行われる。
【００７９】
外光が支配的な場合は、光源による露光期間によらず面内でほぼ均一な出力となるため、晴天時など外光の輝度が最も高くてもダイナミックレンジの上限にならないようにシステム設計をしておき、出力が低いときはＬＥＤ２も併せて点灯して、ＬＥＤ２に流れる電流を制御して信号振幅をダイナミックレンジにあわせるようにステップＳ３〜Ｓ６の制御を行う。あるいは、その面内の出力値により、センサ出力後のアンプのゲインによって信号振幅をダイナミックレンジにあわせるようにステップＳ３〜Ｓ６の制御が行われる。このように、光源を点灯する室内や夜間の場合と、外光が支配的な場合の両者に対して対応を可能にしている。
【００８０】
図１０（ｃ）のＭ１’は、図１０（ｂ）のＭ１に対してＬＥＤの光量、あるいはセンサ出力後のアンプのゲインを倍程度にしたときの露光割合を示している。ＩＢ１’，ＩＤ１’，ＩＥ１’は、Ｂ，Ｄ，Ｅ各点の強度である。
【００８１】
図１０（ｄ）のＬ１’がＬＥＤの光量あるいはアンプのゲインを倍程度にしたときに指紋を取り込んだ場合のセンサ出力の強度分布の模式図である。ここで、ＲＢ１’，ＲＤ１’，ＲＥ’１は、Ｂ，Ｄ，Ｅ各点の強度である。このように、取り込んだ指紋パターンＬ１’は、面内での出力レベル差が少なく、また信号振幅をダイナミックレンジいっぱいに広く取っているので、階調数が十分取れ精度の高いデータが取得できる。
【００８２】
このように本実施形態では、照明条件と指の形状に起因した光量むら＝明時シェーディングを、打ち消す様に面内の露光量を制御することにより、面内全体で階調数が十分とれるようにした。このとき、本実施形態は光源の照射期間を変えることにより露光条件を面内で変更するため、外光が支配的な場合であっても、逆に補正されて過補正になることはなく、特に外光を検出したり切り替える機能も必要としない。また、面内で露光を制御する回路も、光源の制御タイミングを制御するだけなので規模的にさほど増加せず、コストもほとんどかからない。
【００８３】
特開平０７−２７３９４９号公報では、面内のシェーディングを補正するシェーディング補正板を設けることを開示しているが、スキャナ用途のため、外光に対しての配慮はなく、このままでは本件が課題とする被写体や周囲の環境変化に対応できない。また特開平０９−１１３９５７号公報では、機械式シャッタにより面内での露出量を制御する方法が開示されているが、こちらも被写体や周囲の環境変化に対応するためには、特別な周囲環境の検出や制御の切替が必要になる。また、機械式のためシャッタースピードを面で制御する機構も必要となりコストや規模が大きくなってしまう。
【００８４】
なお、本実施形態では、従来のように大規模なメモリや演算回路によるシェーディング補正を行わなくても、簡単な照明光の制御回路のみで高精度な画像取得が可能になるため、センサ部６と画像処理部９の１チップ化が容易に実現できる。特に、１チップ化すると、本体の小型化を図ることができるので、携帯電話機、携帯可能なパーソナルコンピュータ、ＰＤＡ（パーソナルデータアシスタント）等の携帯機器のように携帯性が要求されるものに採用すると好ましい。
【００８５】
また本実施形態では、指の指紋により被写体（本人）の照合を行うシステムについて説明したが、目の網膜、顔の輪郭等の人相、手の形状，大きさ等により被写体（本人）の照合を行うシステムについても同様に用いることができる。
【００８６】
（実施形態２）
本発明の第２の実施形態として被写体認識に用いられる被写体認識装置に本発明を適用した例を示す。被写体認識を用いた製品の例としては、文字画像を取り込み、どの文字に相当するかを認識してアスキーコードなどに変換するＯＣＲ（文字認識装置）や、物体認識してさまざまな作業を行う工業用やアミューズメントに用いられるロボットの視覚装置、バーコード画像を読み取りエンコードするバーコード読取装置などが挙げられる。いずれも、高画質な画像取得よりも、周囲の照明環境に左右されずに正確に物体を認識することが求められる。また、最近はハンディタイプのバーコードリーダー等携帯端末にシステムが搭載される機会も多くなっており、小型、低コストが求められる。こうした意味でも本発明を適用することにより、小型、安価でありながら高精度な被写体認識装置が提供できる。
【００８７】
図１１は、本発明の実施形態２としての、被写体認識システムであるハンディタイプの２次元バーコード読み取り装置の模式的な構成を示すブロック図である。
【００８８】
図１１において、１０１はバーコードリーダー本体、１０２は照明用の光源としてのＬＥＤ、１０４はＬＥＤ１０２からの照射光１１８ａの反射光１１８ｂの進路を変えるミラー、１０５はミラー１０４で進路が変えられた反射光１１８ｂを集めるレンズ、１０６はＣＭＯＳ型，ＣＣＤなどの撮像素子を有するセンサ部、１０７はセンサ部１０６からの画像信号を伝送する信号線、１０８はセンサ部１０６を駆動するための信号を伝送する制御線、１０９はセンサ部１０６からの画像信号を処理する画像処理部、１１０は画像処理部１０９で処理された画像信号を伝送する信号線、１１１は画像処理部１０９を制御するための信号を送る制御線、１１２はバーコードリーダー本体１０１の動作を制御するマイコン部、１１３は操作用スイッチ、１１４は操作用スイッチ１１３からマイコン部１１２への信号線、１１５はＬＥＤ１０２の照射光量を制御する信号を送る制御線、１１６は読み取り対象の記録物、１１７ｂは記録物１１６に記されたバーコード、１１８ａはＬＥＤ１０２からの照明光、１１８ｂはバーコードリーダ本体１０１の光路を進む反射光である。ここで、センサ部１０６は実施形態１と同様に図３および図４の構成のCMOS型エリアセンサを用いている。また、画像処理部１０９内は、実施形態１と同様に図２の構成となっている。また、マイコン部１１２内に照明光量を面内で変える指示を行う照明光量制御部があり、制御線１１１を介して画像処理部１０９内のＴＧ部のセンサ走査に同期してＬＥＤ１０２の光量を制御線１１５を経由して制御する。マイコン部１１２内には予めバーコード情報に対応する製品情報等がメモリに記録されており、読み取られたバーコード情報から、それに対応する製品情報等をメモリから読み出す認識手段が設けられており、この認識手段により、バーコードが付された被写体を認識する。認識結果は実施形態１を示す図１の構成と同様に、通信部からインターネットなどのネットワークを介してホストコンピュータなどに送ることができる。
【００８９】
また、３０７がシェーディングの影響を軽減して、階調性などの精度を高めるためのセンサの撮像画素毎に蓄積される電荷の蓄積量を制御する光源制御部（制御手段）である。本実施形態では２次元的に配列されたエリアセンサの面内での露光量を制御するために、ＬＥＤの輝度（被写体への光照射強度）をセンサの副走査に同期して変える。具体的には、たとえばＬＥＤに流れる電流値を制御するデジタル制御信号をＤＡ変換してアナログの制御電圧として、定電流回路により流すＬＥＤの電流値を制御して、発光輝度を変える。各画素は露光期間における被写体からの光量の積分値で露光されるため、実施形態１と同様に、光源と被写体の位置関係などに起因する光量むらを打ち消す様に面内で制御することにより、明時シェーディングを軽減する。
【００９０】
図１２は、撮像するバーコード画像とＬＥＤ１０２との位置関係の説明図である。図１２（ａ）は平面図である。図１２（ｂ）は図１２（ａ）を横からみた図である。また、図１２（ｃ）が、取得されるバーコード画像の模式図である。１２７Hは二次元に配列されたエリアセンサの主走査方向である水平走査方向を示し、１２７Vは副走査方向である垂直走査方向を示している。また、１２７LがＬＥＤを密に配列した方向である。また、Ａ〜Ｆ点はセンサ上の各点である。図１２（ｂ）に示すように、ＬＥＤ１０２とバーコード１１７ｂの物理的な距離に起因する光量むらが生ずる。
【００９１】
ここで図１２（ａ）に示すように、ＬＥＤ１０２は例えば１列に配置されており、ＬＥＤ１０２の配列方向１２７Lとセンサの主走査方向１２７Hとが一致するように設計しておくとよい。
【００９２】
本実施形態は、被写体の形状と照明環境に起因したシェーディングが本来取得したいデータに重畳して精度を低下させる影響を、センサの面内で露光量を変化させることで軽減する。ＬＥＤ１０２の配置方向とセンサの主走査方向１２７Hとが一致するように設けることは、センサの副走査方向１２７V側へのシェーディング形状を、主走査方向に比べ低速な副走査の速度で光源を制御可能になる効果が有る。これにより、簡単な回路で容易に面全体の出力の均一性の改善が実現できる。
【００９３】
図１３は、本実施形態のバーコード読み取り装置のセンサ動作を示すタイミングチャートであり、図１４がこのときの出力値の様子を説明する説明図である。
【００９４】
図１３において、ＶＳＴは図３の垂直方向のシフトレジスタＶＳＲのスタートパルス６０の波形であり、ＶＣＬＫは、垂直方向のシフトレジスタＶＳＲの転送クロック６１である。また、ＴＬＥＤ２は、ＬＥＤ１０２の点灯期間を表し、ＩＬＥＤ２はＬＥＤ１０２の発光輝度を示している。また、ＴＡ２，ＴＢ２，ＴＣ２は、図１２（ｃ）に示した点Ａ，Ｂ，Ｃ各点の露光期間である。各点においては、センサの副走査方向である垂直方向の位置に相当する行において、該当行が１フィールド前に選択され読み出された後にリセットされてから、次のフィールドで再び選択され読み出されるまでが、ほぼ蓄積期間となっている。したがって、図１３のように本実施形態の動作においては、１画面分の走査周期＝１フィールド期間よりも長い周期で、照明条件であるＬＥＤの輝度が変化するため（ここでは２フィールド期間でＬＥＤの輝度が変化するため）、面内でのセンサの蓄積期間は一定であるが、蓄積期間中のＬＥＤの輝度の積分値が異なるため、面内で露光状態が異なる。均一な被写体を撮像した場合であっても、ＩＦＵＬＬ２で示すように、センサの出力ＯＵＴ２は面内で出力が変化する。
【００９５】
図１４に、図１３に示すようにＬＥＤの輝度を変化させてバーコードを撮像した場合の出力の模式図を示す。ここでは、図１２の線Ａ−Ｃ間のセンサ出力の強度分布を示している。図１４（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）において、縦軸はセンサ出力強度の割合を示し、横軸は図１２の線Ａ−Ｃ間の各点Ａ〜Ｆの位置を示している。
【００９６】
図１４（ａ）のＳ２がＬＥＤ２の照明位置と被写体によって決まる光量むらを模式的に示しており、Ｈ２がＬＥＤの輝度の割合を示している。Ｍ２が、Ｓ２とＨ２を合成した結果であり、撮像画素の露光割合を示している。ＩＢ２，ＩＤ２，ＩＥ２は、Ｂ，Ｄ，Ｅ各点の強度である。このように、図１４のＴＡ２，ＴＢ２，ＴＣ２の蓄積期間におけるＬＥＤの輝度を変えることにより、ＬＥＤとバーコードの物理的な距離に起因する光量のむらを軽減して、面内での露光条件を均一に近づけている。
【００９７】
図１４（ｂ）のＬ２が図１４（ａ）に示すようにＬＥＤの輝度を変えたときにバーコードを取り込んだ場合のセンサ出力の強度分布の模式図である。バーコードパターンに起因した強度パターンに、図１４（ａ）の露光量の差が重畳している。ここで、ＲＢ２，ＲＤ２，ＲＥ２は、Ｂ，Ｄ，Ｅ各点の強度である。このように、取り込んだバーコードパターンＬ２は、Ｓ２のシェーディングの影響を軽減されている。しかし、面内で露光量を均一化するため、全体の輝度レベルは低下している。処理に必要な階調数が不足して精度が低下してしまう場合には、信号の有効な階調数を大きくとるため、さらに全体的にＬＥＤに流れる電流を大きくして光量自体を大きくしたり、あるいはセンサ出力後のアンプのゲインを大きくするなどして信号振幅をダイナミックレンジいっぱいに広く取れるようにすればよい。
【００９８】
図１４（ｃ）のＭ２’は、図１４（ｂ）のＭ２に対してＬＥＤの光量、あるいはセンサ出力後のアンプのゲインを全体的に倍程度にしたときの露光割合を示している。ＩＢ２’，ＩＤ２’，ＩＥ２’は、Ｂ，Ｄ，Ｅ各点の強度である。
【００９９】
図１４（ｄ）のＬ２’が図１４（ｃ）に示すようにＬＥＤの光量あるいはアンプのゲインを全体的に倍程度にしたときにバーコードパターンを取り込んだ場合のセンサ出力の強度分布の模式図である。ここで、ＲＢ２’，ＲＤ２’，ＲＥ２’は、Ｂ，Ｄ，Ｅ各点の強度である。このように、取り込んだバーコードパターンＬ２’は、面内での出力レベル差が少なく、また信号振幅をダイナミックレンジいっぱいに広く取っているので、階調数が十分取れ精度の高いデータが取得できる。
【０１００】
このように、本実施形態では露光条件として照明光の輝度を面内で変えて、照明光源と被写体の位置関係によって決まる光量むらを軽減して、面内全体で階調数が十分とれるようにした。本実施形態においても、光源の輝度を変えることにより露光条件を面内で変更するため、外光が支配的な場合であっても、電気的なシェーディング補正のときのように逆に補正されて過補正になることはなく、特に外光を検出したり切り替える機能も必要としない。
【０１０１】
なお、上述した実施形態の被写体認識システムは、携帯電話機、携帯可能なパーソナルコンピュータやPDAなどの携帯端末に適用することができる。
【０１０２】
（実施形態３）
図１５（ａ）は本発明の第３の実施形態における光源、センサの位置関係を示す模式図、図１５（ｂ）はセンサ部の露光動作及びＬＥＤの点灯動作を示すタイミングチャートである。Ｈは二次元に配列されたエリアセンサの主走査方向である水平走査方向を示し、Ｖは副走査方向である垂直走査方向を示している。Ａ，Ｂ，Ｃ点はセンサ上の各点である。ＬＥＤ−Ｕ、ＬＥＤ−ＬはそれぞれＡ点側、Ｃ点側に配されたＬＥＤである。１Ｖは１画面分の走査周期を示す。
【０１０３】
本実施形態では、Ａ点露光期間、Ｂ点露光期間及びＣ点露光期間内でのＬＥＤの点灯期間を調整することで、Ａ，Ｃ点の露光量がＢ点の露光量の約１／２となるようにしている。Ａ点の露光はＡ点近傍のＬＥＤ−Ｕで行われ、Ｃ点の露光はＣ点近傍のＬＥＤ−Ｌで行われ、Ｂ点の露光は両側のＬＥＤ−ＵとＬＥＤ−Ｌにより露光される。
【０１０４】
Ａ点露光にはあまり寄与しないＬＥＤ−ＬはＡ点露光期間にＯＦＦし、Ｃ点露光にはあまり寄与しないＬＥＤ−ＵはＣ点露光期間にＯＦＦすることで、ＬＥＤの消費電力を低減する。また、光量の不足するＢ点については両側のＬＥＤ−ＵとＬＥＤ−Ｌを利用すると共に、露光期間内のＬＥＤ点灯時間をＡ，Ｃ点と比較して長くすることで露光量を補っている。
【０１０５】
このように本実施形態では、第１の実施形態と同様に、照明条件と指の形状に起因した光量むら＝明時シェーディングを、打ち消す様に面内の露光量を制御することにより、面内全体で階調数が十分とれるようにできる。このとき、本実施形態は複数の光源の照射期間を変えることにより露光条件を面内で変更するため、外光が支配的な場合であっても、逆に補正されて過補正になることはなく、特に外光を検出したり切り替える機能も必要としない。また、面内で露光を制御する回路も、複数の光源の制御タイミングを制御するだけなので規模的にさほど増加せず、コストもほとんどかからない。
【０１０６】
（実施形態４）
図１６（ａ）は本発明の第４の実施形態における光源、センサの位置関係を示す模式図、図１６（ｂ）はセンサ部の露光動作及びＬＥＤの点灯動作を示すタイミングチャートである。Ｈは二次元に配列されたエリアセンサの主走査方向である水平走査方向を示し、Ｖは副走査方向である垂直走査方向を示している。Ａ，Ｂ，Ｃ点はセンサ上の各点である。ＬＥＤ−Ｕ、ＬＥＤ−Ｌ、ＬＥＤ−ＭはそれぞれＡ点側、Ｃ点側、Ｂ点の両側に配されたＬＥＤである。ここでは、ＬＥＤ−Ｍの輝度を両側のＬＥＤ−ＵとＬＥＤ−Ｌの輝度よりも高くしている。
【０１０７】
本実施形態では、Ａ点の露光はＡ点近傍のＬＥＤ−ＵとＬＥＤ−Ｍで行われ、Ｃ点の露光はＣ点近傍のＬＥＤ−ＬとＬＥＤ−Ｍで行われる。また、Ｂ点の露光はＬＥＤ−Ｕ、ＬＥＤ−Ｌ及びＬＥＤ−Ｍで行われる。Ａ点露光にはあまり寄与しないＬＥＤ−ＬはＡ点露光期間にＯＦＦし、Ｃ点露光にはあまり寄与しないＬＥＤ−ＵはＣ点露光期間にＯＦＦすることでＬＥＤの消費電力を低減する。また光量の不足するＢ点については両側のＬＥＤ−ＵとＬＥＤ−Ｌよりも輝度の高いＬＥＤ−Ｍを利用することで露光量を補っている。
【０１０８】
このように本実施形態では、第１の実施形態と同様に、照明条件と指の形状に起因した光量むら＝明時シェーディングを、打ち消す様に面内の露光量を制御することにより、面内全体で階調数が十分とれるようにできる。このとき、本実施形態は光源の配置と輝度を変えることにより露光条件を面内で変更するため、外光が支配的な場合であっても、逆に補正されて過補正になることはなく、特に外光を検出したり切り替える機能も必要としない。また、面内で露光を制御する回路も、光源の種類と光源の制御タイミングを制御するだけなので規模的にさほど増加せず、コストもほとんどかからない。
【０１０９】
上述した第３及び第４の実施形態においては、従来画面の全域を同じ光源群で同じ露光期間で露光していたものを、画面の露光走査に応じて、近傍の光源のみを点灯するように、系統を分けて点灯期間や点灯輝度を変える。勿論、第３の実施形態で点灯輝度を変え、第４の実施形態で点灯期間を変えることも可能である。これにより、照明を効率的に行い、低消費電力の撮像装置を実現することができる。
【０１１０】
また、回路規模やコストを増大させることなく、光量むらに起因するシェーディングの補正を行うように、距離に応じて複数の系統の光源のON/OFFを制御する。（光量が不足しそうな領域は、2系統点灯するように重複させて駆動する。）これにより、ダイナミックレンジを広げることができる。さらに、外光時における過補正の影響を受けずに、光源での照明時のみを補正することが出来る。
【０１１１】
これらにより、安価、小型、低消費電力の携帯機器に搭載可能な性能の高い認識装置を実現することができる。
【０１１２】
（実施形態５）
図１７（ａ）は本発明の第５の実施形態における光源、センサの位置関係を示す模式図、図１７（ｂ）はセンサ部の露光動作及びＬＥＤの点灯動作を示すタイミングチャートである。Ｈは二次元に配列されたエリアセンサの主走査方向である水平走査方向を示し、Ｖは副走査方向である垂直走査方向を示している。Ａ，Ｂ，Ｃ点はセンサ上の各点である。ＬＥＤ−Ｕ、ＬＥＤ−ＬはそれぞれＡ点側、Ｃ点側に配されたＬＥＤである。なお、Ａ〜Ｃ点の露光期間は２Ｈ（主走査（水平走査）周波数（１Ｈ）の２倍）としている。
【０１１３】
ＬＥＤの光照射周波数はエリアセンサの主走査方向の走査周波数のｎ倍（ｎは正の整数；ｎ＝１，２，３，・・・）に設定され、かつセンサの主走査方向の走査とＬＥＤによる光照射とが同期するようになっている。ここではｎ＝１、すなわちＬＥＤの光照射周波数とエリアセンサの主走査方向の走査周波数とを一致させている。この状態で、前記センサの一又は複数の主走査期間（主走査期間をＨとする）単位でＬＥＤの発光パルス幅をかえる。本実施形態では２主走査期間（２Ｈ）単位で、Ａ，Ｃ点の露光期間では発光パルス幅（Ｔ）とし、Ｂ点の露光期間ではＬＥＤ（ＬＥＤ−Ｕ、ＬＥＤ−Ｌ）の発光パルス幅（３Ｔ；３倍の発光パルス幅）としている。
【０１１４】
このような構成により、電子シャッタによる露光においても画面内での照射光量を制御し、露光量の制御が可能となる。ここでは、Ａ，Ｃ点の露光量はＬＥＤのパルス幅制御によりＢ点の約１／３で行われる。すなわち、Ａ点露光期間とＣ点露光期間ではＢ点露光期間に比べてＬＥＤのパルス幅は約１／３になっており、Ａ，Ｃ点の露光量はＢ点の露光量の約１／３となる。
【０１１５】
このように本実施形態では、第１の実施形態と同様に、照明条件と指の形状に起因した光量むら＝明時シェーディングを、打ち消す様に面内の露光量を制御することにより、面内全体で階調数が十分とれるようにできる。このとき、本実施形態は光源のパルス幅を変えることにより露光条件を面内で変更するため、外光が支配的な場合であっても、逆に補正されて過補正になることはなく、特に外光を検出したり切り替える機能も必要としない。また、面内で露光を制御する回路も、光源の制御タイミングを制御するだけなので規模的にさほど増加せず、コストもほとんどかからない。
【０１１６】
（実施形態６）
図１８（ａ）は本発明の第６の実施形態における光源、センサの位置関係を示す模式図、図１８（ｂ）はセンサ部の露光動作及びＬＥＤの点灯動作を示すタイミングチャートである。Ｈは二次元に配列されたエリアセンサの主走査方向である水平走査方向を示し、Ｖは副走査方向である垂直走査方向を示している。Ａ，Ｂ，Ｃ点はセンサ上の各点である。ＬＥＤ−Ｕ、ＬＥＤ−ＬはそれぞれＡ点側、Ｃ点側に配されたＬＥＤである。なお、Ａ〜Ｃ点の露光期間は２Ｈ（主走査（水平走査）周波数（１Ｈ）の２倍）としている。
としている。
【０１１７】
ＬＥＤの光照射周波数はエリアセンサの主走査方向の走査周波数のｎ倍（ｎは正の整数；ｎ＝１，２，３，・・・）に設定され、かつセンサの主走査方向の走査とＬＥＤによる光照射とが同期するようになっている。ここではｎ＝１、すなわちＬＥＤの光照射周波数とエリアセンサの主走査方向の走査周波数とを一致させている。この状態で、前記センサの一又は複数の主走査期間（主走査期間をＨとする）単位でＬＥＤの発光輝度をかえる。本実施形態では２主走査期間（２Ｈ）単位で、Ａ，Ｃ点の露光期間では輝度Ｌとし、Ｂ点の露光期間ではＬＥＤ（ＬＥＤ−Ｕ、ＬＥＤ−Ｌ）の輝度３Ｌ（３倍の輝度）としている。
【０１１８】
本実施形態では、主走査方向の走査周波数のｎ倍（ｎ＝１，２，３，・・・）の周波数で、主走査に同期してパルス幅を与えると共に、輝度を副走査方向に対して変えることにより、電子シャッタによる露光においても画面内での照射光量を制御し、露光量の制御が可能となる。Ａ，Ｃ点の露光量は輝度制御によりＢ点の約１／３で行われる。すなわち、Ａ点露光期間とＣ点露光期間ではＢ点露光期間に比べてＬＥＤの輝度は約１／３になっており、Ａ，Ｃ点の露光量はＢ点の露光量の約１／３となる。
【０１１９】
このように本実施形態では、第１の実施形態と同様に、照明条件と指の形状に起因した光量むら＝明時シェーディングを、打ち消す様に面内の露光量を制御することにより、面内全体で階調数が十分とれるようにできる。このとき、本実施形態は光源の輝度を変えることにより露光条件を面内で変更するため、外光が支配的な場合であっても、逆に補正されて過補正になることはなく、特に外光を検出したり切り替える機能も必要としない。また、面内で露光を制御する回路も、光源の輝度を制御するだけなので規模的にさほど増加せず、コストもほとんどかからない。
【０１２０】
上述した第５及び第６の実施形態においては、従来１画面周期に同期させて光源を点滅駆動して露光していたものを、水平走査周波数のｎ倍の周波数で光源を駆動する構成にした。
【０１２１】
これにより、光源による電流変化量を少なくして、ノイズを低減すると共に小さなコンデンサで対応可能とした。たとえば、従来１画面走査期間Tvにおいて、DUTY50％でLEDを電流Ipで点滅させていた場合、1回の点滅で移動する電荷量は、Q1=IpTv/2となる。一方、本実施例で、１水平走査期間Thに同期してDUTY50％でLEDを電流Ipで点滅させていた場合、1回の点滅で移動する電荷量は、Q2=IpTｈ/2となる。1画面走査期間Tv内に、N本の水平走査画ある場合、Tv=N×Th。Q=CVなので、電荷の移動による電源の電位変化（△Ｖ）は△V=△Q/C。1回の点滅での電源変動を同じにする場合の各コンデンサの必要な容量を計算すると、△V=△Q1/C1＝△Q2/C2より、C1=N×C2となる。たとえば、水平走査線数が600本であれば、本実施例は従来の1/600の大きさの容量ですむことになる。また、もし容量が等しくて両者を比較した場合,電源変動が1/600で済む。このため、従来大容量コンデンサが必要であったものを、小型でコストの安いものに置き換えが可能にできる。
【０１２２】
さらに、電子シャッタによる露光は、水平走査期間の倍数で露光期間を実現するが,従来の点滅方法では、1画面の中で点灯している期間と消灯している期間で分かれてしまうため、露光されない領域ができてしまうが、本実施例のようにLEDを駆動させることで、画面全体の露光量制御に対応可能とした。
【０１２３】
また、回路規模やコストを増大させることなく、光量むらに起因するシェーディングの補正を行うように、水平走査周波数のｎ倍の周波数で光源を駆動するとともに、垂直走査方向（副走査方向）で光源の照射条件を変化させる構成とした。これにより、ダイナミックレンジを広げることができる。さらに、外光時における過補正の影響を受けずに、光源での照明時のみを補正することが出来る。
【０１２４】
これらにより、安価、小型、低消費電力の携帯機器に搭載可能な性能の高い認識装置を実現することができる。
【０１２５】
以上のように、実施形態１乃至５では、被写体に光を照射する光照射手段であるＬＥＤと、該被写体からの光を検出する画素が複数配置された例えば図3で示したようなセンサと、前記センサ内の第１の領域（例えばセンサの周辺部）と前記第１の領域と異なる第２の領域（例えばセンサの中央部）との光電荷の蓄積時間等の露光条件が変わるように前記光照射手段の光照射条件（例えば、図７、図９、図１３、図１５（ｂ）、図１６（ｂ）、図１７（ｂ）、図１８（ｂ）等で示すようなＬＥＤの点灯条件）を制御する制御手段である光源制御部と、を有する画像入力装置により、高い精度のデ−タ取得が可能となる。
【０１２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によると、高い精度のデータ取得が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１の指紋照合装置の模式的な構成を示すブロック図である。
【図２】図１の画像処理部９の内部構成を示すブロック図である。
【図３】図１のセンサ部６の内部構成を示すブロック図である。
【図４】図３の画素部４１の構成を示すブロック図である。
【図５】実施形態１における被写体と光源、センサの位置関係を示す模式図である。
【図６】実施形態１における指紋照合装置の処理を説明するためのフローチャートである。
【図７】一般的な指紋照合装置のセンサ部の露光動作を示すタイミングチャートである。
【図８】一般的な指紋照合装置の動作を説明する説明図である。
【図９】実施形態１における指紋照合装置のセンサ部の露光動作を示すタイミングチャートである。
【図１０】実施形態１における指紋照合装置の動作を説明する説明図である。
【図１１】本発明の実施形態２のハンディタイプのバーコードリーダの模式的な構成を示すブロック図である。
【図１２】実施形態２における被写体と光源、センサの位置関係を示す模式図である。
【図１３】実施形態２における指紋照合装置のセンサ部の露光動作を示すタイミングチャートである。
【図１４】実施形態２における指紋照合装置の動作を説明する説明図である。
【図１５】（ａ）は本発明の第３の実施形態における光源、センサの位置関係を示す模式図、（ｂ）はセンサ部の露光動作及びＬＥＤの点灯動作を示すタイミングチャートである。
【図１６】（ａ）は本発明の第４の実施形態における光源、センサの位置関係を示す模式図、（ｂ）はセンサ部の露光動作及びＬＥＤの点灯動作を示すタイミングチャートである。
【図１７】（ａ）は本発明の第５の実施形態における光源、センサの位置関係を示す模式図、（ｂ）はセンサ部の露光動作及びＬＥＤの点灯動作を示すタイミングチャートである。
【図１８】（ａ）は本発明の第６の実施形態における光源、センサの位置関係を示す模式図、（ｂ）はセンサ部の露光動作及びＬＥＤの点灯動作を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
２ ＬＥＤ
５ レンズ
６ センサ部
７ 信号線
９ 画像処理部
１０ 信号線
１１ 制御線
１２ マイコン部
１５ 制御線
１０１ バーコードリーダー本体
１０２ ＬＥＤ
１０４ ミラー
１０５ レンズ
１０６ センサ部
１０７ 信号線
１０８ 制御線
１０９ 画像処理部
１１０ 信号線
１１１ 制御線
１１２ マイコン部
１１３ 操作用スイッチ
１１４ 信号線
１１５ 制御線
１１６ 記録物
１１７ｂ バーコード
２０１ 脈動検出部
２０２ 特徴点抽出部
２０３ 指紋データベース
２０４ 照合部
２０５ 通信部
２０６ 切換部
２０７，３０７ 光源制御部

Claims (12)

1. 被写体に光を照射する光照射手段と、該被写体からの光を検出する画素が二次元状に配置されたセンサと、を有する画像読取装置において、
   蓄積を開始させる、画素のリセットと、蓄積を終了させる、画素からの信号転送とを並行して、主走査方向の画素列ごとに順次副走査方向に行うように、前記センサを走査する駆動回路を有し、
   前記センサ内の第１の画素領域と前記センサ内の該第１の画素領域と異なる第２の画素領域とで、前記リセットと前記信号転送とで設定される蓄積期間内の露光条件が異なるように、前記光照射手段は前記被写体に光を照射することを特徴とする画像読取装置。
2. 前記光照射手段は、前記センサの一画面分の走査の途中で光照射を開始し、前記センサの一画面分の走査の途中で光照射を終了することを特徴とする請求項１に記載の画像読取装置。
3. 前記光照射手段は複数設けられ、複数の前記光照射手段は、各々の点灯タイミングが異なるとともに、光照射期間が重複するように前記被写体に光を照射することを特徴とする請求項１に記載の画像読取装置。
4. 前記光照射手段の光照射周波数は、前記センサの主走査方向の走査周波数のｎ倍（ｎは正の整数；ｎ＝１，２，３，・・・）であって、かつ前記センサの主走査方向の走査と前記光照射手段による光照射とが同期することを特徴とする請求項１に記載の画像読取装置。
5. 前記センサの露光期間は、前記センサの副走査方向で異なることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の画像読取装置。
6. 前記光照射手段はパルス状に発光されることを特徴とする請求項４または５に記載の画像読取装置。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載の画像読取装置と、
   前記画像読取装置からの前記被写体の画像信号と予め取得している該被写体の画像信号とを照合する照合手段とを備えた被写体照合システム。
8. 請求項１から６のいずれか１項に記載の画像読取装置と、
   前記画像読取装置からの前記被写体の画像信号を認識する認識手段と、
   を備えた被写体認識システム。
9. 前記センサの主走査方向と前記光照射手段の強度分布が一様な方向とを合わせたことを特徴とする請求項７に記載の被写体照合システム。
10. 前記センサの主走査方向と前記光照射手段の強度分布が一様な方向とを合わせたことを特徴とする請求項８に記載の被写体認識システム。
11. さらに、前記光照射手段の強度分布が一様な方向と前記被写体の長手方向とを合わせたことを特徴とする請求項９に記載の被写体照合システム。
12. 被写体に光を照射し、該被写体からの光を画素が二次元状に配置されたセンサで検出して画像を読み取る方法であって、
    蓄積を開始させる、画素のリセットと、蓄積を終了させる、画素からの信号転送とを並行して、主走査方向の画素列ごとに順次副走査方向に行うように、前記センサを走査し、
    前記センサ内の第１の画素領域と前記第１の画素領域と異なる前記センサ内の第２の画素領域とで、前記リセットと前記信号転送とで設定される蓄積期間内の露光条件が変わるように前記光照射手段の光照射条件を制御する画像読取方法。

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