JP5394504B2 - 撮像装置の照明光学系 - Google Patents

Description

本発明は、撮像対象物からの反射光を撮像素子で受光して撮像するために撮像対象物に光を照射する撮像装置の照明光学系に関する。

例えば、バーコードなど紙の上の印刷情報や手のひら静脈など生体情報を読み取る情報読取用撮像装置において、媒体表面に照明された光の反射光のうち、本来一様な明るさとなるべき領域であるにもかかわらず、局所的な高輝度部が生じてしまうと、その反射成分が画像ノイズとなり、望ましくない。

図１は、撮像光学系の周囲に照明光学系を配した従来の撮像装置の構成を示している。
この撮像装置１１０は、イメージセンサ１１１及びレンズ１１２を含む撮像光学系１１３の周囲に、複数の発光素子（ＬＥＤ）１１４−１，１１４−２，・・・が配された照明光学系１１５を有している。

例えば、発光素子１１４−１からの光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３が物体１１６を照明する際、出射した光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３が物体１１６のＡ，Ｂ，Ｃ点で反射したとする。このとき、Ａ，Ｂ，Ｃ点で反射した光がイメージセンサ１１１で受光されて、Ａ，Ｂ，Ｃ点の画像が形成される。ここで、実線で示す方向に反射する光が正反射光であり、また、破線で示す方向に反射する光が散乱反射光である。正反射光は散乱反射光に比べて強い光となる。

また、例えばＡ点，Ｃ点での正反射光はレンズ１１２に入らないが、Ｂ点での正反射光はレンズ１１２に入ってしまう。このため、この正反射光を受光して得られる画像の上に、局所的な高輝度領域（ノイズ）が発生する。

なお、図１では、照明光源として複数の発光素子１１４−１，１１４−２，・・・を撮像光学系１１３の周りに配置しているが、例えば、環状配置した複数の発光素子１１４−１，１１４−２，・・・からの出射光を、導光体（図示せず）を介してその上端面から出射する場合も同様である。

次に、図２に基づき、物体１１６上のＢ点の撮像を考える。
例えば、発光素子１１４−２からの照明光Ｌ４は、Ｂ点で破線で示すように散乱反射光となる。そして、この散乱反射光によってＢ点の画像が作られる。しかし、この画像に発光素子１１４−１からの光Ｌ２の正反射光（実線）がノイズとなって重畳する。この正反射ノイズは、散乱反射光に比べて正反射光が強いほど大きくなる。

ここで、図３Ａは、発光素子１１４からの出射光の光軸と強度分布の例を示す図３Ｂは、導光体１１７からの出射光の光軸と強度分布の例を示す図である。
すなわち、発光素子１１４からの出射光Ｌ、ならびに導光体（光を導く透明な円筒体）１１７からの出射光Ｌは、いずれも光軸Ｏ’の強度が最大で、光軸Ｏ’からの角度が大きくなるに従い、その方向の強度が低下している。

このことから、図２の発光素子１１４−１からの光Ｌ２は光軸Ｏ’に近い角度であるほど強く、正反射ノイズが大きいことになる。
また、図４は、イメージセンサ１１１における正反射ノイズの例を示している。

前述した図２において、発光素子１１４−１とレンズ１１２の中間の物体１１６上のＢ点が正反射点になる。このため、円環状に配置された発光素子１１４−１，１１４−２，・・・に対しては、図４のように、円環状の正反射ノイズ領域Ｓが発生する。

なお、正反射ノイズ領域Ｓの幅（正反射領域の幅）Ｗは、物体１１６の表面の拡散度やレンズ１１２の入射瞳（有効口径）の大きさに依存し、必ずしも円環状になるとは限らず、例えば円状になる場合もある。

次に、図５は、正反射ノイズを低減した照明光学系の従来例を示す。
図５のように、発光素子１１４−１，１１４−２を撮像光学系１１３から遠ざけ、物体１１６を斜めから照射すると、正反射ノイズを発生しない照明となる。しかし、この場合は、撮像領域よりも広い光源領域が必要となり、装置が大型化する。

また、この場合、複数の発光素子１１４−１，１１４−２，・・・からの光が急角度で合成されて物体１１６を照明するため、対象物体１１６のイメージセンサ１１１からの「かざされる高さＨ」が、高さＨ’に変わると、照明の合成が急速に崩れ、得られる画像が変化する（浅い深度）。

対象物体が窓上に置かれるドキュメントリーダ等では、対象物体の高さが変化しないため問題は生じないが、バーコードや手のひらなどを対象物体とする場合は、対象物体の高さが変わり問題となる。

そこで、従来、例えば手のひら静脈撮像装置では、図６に示すように、円環状に並べた発光素子１１４−１，１１４−２，・・・にリング状の導光体１１７を組み合わせて照明光学系１１５とした。この導光体１１７により、発光素子１１４からの光が光路から外れないようにするためである。そして、この照明光学系１１５を、レンズ１１２とイメージセンサ１１１からなる撮像光学系１１３の周囲に配置していた。

しかし、この場合には撮像光学系側には正反射ノイズが発生する。このため、発光素子１１４−１，１１４−２，・・・とイメージセンサ１１１の上に互いに直交する偏光板を設置していた（図示せず）。しかし、これではコストが高くなるとともに、光利用効率が低いという課題があった。

なお、図６の矢印Ｒは、照明光学系の出射方向を示す。
この図６では、撮像光学系１１３の周囲にリング状の導光体１１７が設置され、この導光体１１７の上端面から照明光Ｒが出射される。また、レンズ光軸Ｏを中心として発光素子１１４も導光体１１７も軸対象に構成されている。さらに、照明光の光軸は導光体１１７上の出射点とレンズ光軸Ｏを結ぶ半径方向に存在している。

図７は、照明光と物体１１６からの反射光との関係を示している。
この場合、Ｂ点近傍からの反射光によると、撮像系のレンズ光軸Ｏには強い正反射ノイズが発生するが、Ｃ点やＡ点からの反射光でも、光源からの直接反射光が正反射ノイズとなる場合がある。Ｃ点やＡ点の表面状態によっては、直接反射光がレンズ光軸Ｏに入るためである。

ところで、このような照明光学系として、従来、例えば特許文献１及び特許文献２の技術が提案されている。
特許文献１では、面光源を構成する２枚のプリズムシートを、プリズム条形成面を相互に内側に向けて、かつ各プリズム条の延びる方向を９０度交差させて積層している。これにより、プリズムシートから出射された光は、屈折されて２方向の指向性を持つ光となり、読取対象の表面に局所的に強い光が写り込むことを防止するというものである。

また、特許文献２では、光拡散性の透光性シートと、この透光性シートの背後に配置される発光素子と、この発光素子と透光性シートとの間に配置されプリズム面が発光素子側を向くようなプリズムシートと、で構成されたバックライト装置が開示されている。

しかしながら、特許文献１では、２枚のプリズムシートを有し、出射光が２方向の指向性を持つが、２方向に分離した出射光のうち、一方の光である照明光を対象物表面に対して実質的に垂直方向に出射している。このため、光源からの直接光がレンズに入り込み、正反射ノイズが大きくなる。

また、特許文献２では、プリズムシートからの出射光は平面部の法線に対して離れる方向に屈折させているが、光源からの直接光がレンズに入り込み、正反射ノイズが大きい。
すなわち、特許文献１及び特許文献２のいずれにおいても、正反射ノイズが大きいという課題を有する。

特開２００４−１７１１９２号公報 特開２００２−４９３２４号公報

本発明は、小型低コストで正反射ノイズを低減し得る撮像装置の照明光学系を提供する。
本発明は、撮像対象物からの反射光を撮像素子で受光して撮像すべく前記撮像対象物に光を照射する撮像装置の照明光学系において、前記撮像素子の周囲に配置された複数の発光素子と、前記複数の発光素子からの光を前記撮像対象物に照射すべく、半径方向に多数の稜線を有するプリズム列が周上に形成されたプリズム面を前記複数の発光素子に向けたリング状のプリズム板であって、前記撮像対象物側から見て前記周内に前記撮像素子が位置するように配置されたプリズム板と、を有することを特徴とする。

また、前記リング状のプリズム板は円錐筒状の傾斜面に形成することが可能である。さらに、前記リング状のプリズム板の前記プリズム面と反対側の面に微小凹凸部を形成してもよい。前記微小凹凸部をブラスト処理により形成することが可能である。

本発明によれば、小型低コストで正反射ノイズを低減し得る撮像装置の照明光学系を得ることができる。

撮像光学系の周囲に照明光学系を配した従来の撮像装置の構成を示す図である。 撮像光学系の周囲に照明光学系を配した従来の撮像装置の構成を示す図である。 発光素子からの出射光の光軸と強度分布の例を示す図である 導光体からの出射光の光軸と強度分布の例を示す図である イメージセンサにおける正反射ノイズの例を示す図である。 正反射ノイズを低減した照明光学系の従来例を示す図である。 手のひら静脈撮像装置の従来例を示す図である。 照明光と物体からの反射光との関係を示す図である。 第１の実施の形態の撮像装置の断面図である。 照明光学系及び光学ユニットの平面図である。 照明光学系の斜視図である。 プリズム板の平面図である。 撮像対象物への照明光と撮像対象物からの反射光との関係を示す図である。 プリズム板による照明光の出射方向の制御状態を示す図である。 プリズム板の出射面に微小凹凸部を形成した状態を示す図である。 リング状のプリズム板が別体の複数のプリズム片から構成した例を示す図である。 撮像装置の簡単な制御ブロック図である。 第２の実施の形態の撮像装置の断面図である。 第２の実施の形態の照明光学系を示す図である。 同上のプリズム板の外観を示す図である。 同上のＢ部拡大斜視図である。

以下、図面に基づき本発明の実施の形態を説明する。

［第１の実施の形態］
図８は、本発明の照明光学系が適用された撮像装置の断面図である。
撮像装置１０は、撮像対象物（例えば手のひら）１１に光を照射してその反射光を撮像素子としてのイメージセンサ１２で受光して撮像する装置である。このイメージセンサ１２は回路基板１３に搭載されている。

この撮像装置１０は、イメージセンサ１２の周囲に配置された複数の発光素子としてのＬＥＤ１４と、複数のＬＥＤ１４からの光を撮像対象物１１に導くリング状の導光体１５と、この導光体１５の出射面上に配置されたリング状のプリズム板２２と、このプリズム板２２のリング内に収容され撮像対象物１１からの反射光をイメージセンサ１２に導く光学ユニット１７と、を有している。

リング状の導光体１５は支持部材１６によって支持されている。これら導光体１５及び光学ユニット１７の上方には、可視光カットフィルタ板１８が設けられている。
なお、ＬＥＤ１４、導光体１５、プリズム板２２によって撮像装置１０の照明光学系２０が構成されているが、これについては後述する。また、本実施の形態では、１枚の回路基板１３に、照明光学系２０と光学ユニット１７等をまとめて搭載している。これにより、装置の小型化、低コスト化を図っている。

イメージセンサ１２は、回路基板１３の中央に設けられ、このイメージセンサ１２の周囲に、複数のＬＥＤ１４が環状に搭載されている。さらに、回路基板１３には、ＬＥＤ１４からの光量が所定の値になるように、自動パワー制御を行うべく不図示の受光素子が設けられている。

また、回路基板１３の四隅には、不図示の４つの距離計測用発光素子が設けられている。この４つの距離計測用発光素子から、撮像対象物（本実施の形態では手のひら）１１の距離と傾きを検出する。

次に、リング状の導光体１５は、回路基板１３に配置された複数のＬＥＤ１４の上方に設けられている。この導光体１５は、例えば樹脂（又はガラス等）で構成され、複数のＬＥＤ１４からの光を上方に導き、プリズム板２２を介して撮像対象物１１に均一な光を照射する。ＬＥＤ１４からの光が光路から漏れないように導かれるためである。このため、導光体１５は、ＬＥＤ１４の配置に合わせ、リング状に形成されている。

ここで、リング状とは、中央に孔を有する輪状のものをいい、例えば円形リング、方形リング、楕円リング、長円リング等を含むものとする。
さらに、光学ユニット１７は、回路基板１３の略中央のイメージセンサ１２の上方、かつリング状の導光体１５内で回路基板１３に取付けられている。この光学ユニット１７は、集光レンズ等のレンズ光学系を有している。

このように、導光体１５はリング状であるため、リング内に光学ユニット１７を収容することで、装置の小型化を図っている。また、光学ユニット１７に、撮像範囲外からの光が入り込んだり、導光板１５から漏れた光が侵入するのを防止するため、可視光カットフィルタ板１８にフード１９が取り付けられている。

なお、可視光カットフィルタ板１８は、外部からイメージセンサ１２に入り込む可視光成分をカットする。これにより、ＬＥＤ１４を低出力に抑えたとしても、撮像精度の低下を防止することができる。外部からの光によるノイズ成分が小さいからである。

次に、図９〜図１１に基づき、本実施の形態の照明光学系２０について説明する。
図９は、照明光学系２０及び光学ユニット１７の平面図、図１０は、照明光学系２０の斜視図、図１１は、プリズム板２２の平面図である。

この照明光学系２０は、環状に配置された複数のＬＥＤ１４と、リング状の導光体１５と、導光体１５の出射面１５ａ上に配置されたリング状のプリズム板２２と、を有している。このプリズム板２２は、半径方向に多数の稜線２３を有するプリズム列が円周上に形成されたプリズム面２４を有し、このプリズム面２４がＬＥＤ１４（導光体１５の出射面１５ａ）に向けられている（図１０参照）。

なお、図９では、ＬＥＤ１４は４個設けられているが、これは説明の便宜上のためであり、実際にはより多数のＬＥＤ１４が環状に配置されている。
こうして、このプリズム面２４は、導光体１５の出射面１５ａに対向するようにして重ねられ（接着なし、空気層を挟んだまま重ねる）、このプリズム面２４に照明光が入射される。

なお、本実施の形態では、リング状のプリズム板２２は円環状をなしているが、例えば、中央に通孔部を有する方形リング状、楕円リング状、長円リング状等であってもよい。

また、プリズム面２４には半径方向に多数の稜線２３を有しているが、この多数の稜線２３は等間隔であることが好ましい。ただし、必ずしも等間隔でなくてもよい。また、多数の稜線２３は、図１１の中心Ｇを中心として半径方向に形成されているのが好ましいが、これに限らない。例えば、中心Ｇに一致していなくても、中心Ｇの方向をほぼ向くように形成されていればよい。このことは、方形リング状、楕円リング状、長円リング状等のプリズム板２２においても同様である。

このように、本実施の形態では、プリズム板２２からの照明光の出射光軸を、中心Ｇの半径方向ではなく接線方向に指向させている（図９の矢印Ｔ参照）。こうして、プリズム板２２からの照明光が、稜線２３の方向には向かわないように、稜線２３と直交方向に指向させている。

図１２は、撮像対象物１１への照明光Ｐと撮像対象物１１からの反射光Ｑとの関係を示す図である。
図１２において、照明光Ｐの光軸が導光体１５の接線方向に傾いているため、高さＺにある撮像対象物１１への（入射する）照明光Ｐは、図の軸ｙ’方向に傾いて入射する。

従って、光学ユニット１７の中心（Ｚ軸）には、正反射光が入射することはなく、散乱光（反射光Ｑ）のみが入射することになる。なお、プリズム板２２を通過した光は、出射面に対し直交方向には出射しない。

なお、前述したように、正反射光の範囲は、撮像対象物１１の表面の拡散度や光学ユニット１７のレンズの入射瞳径に依存するため、正反射光が光学ユニット１７の中心に全く入射しないとは言い切れないが、少なくとも低減されるということができる。

図１３Ａは、プリズム板２２による照明光の出射方向の制御状態を示す図である。
同図に示すように、プリズム板２２のプリズム面２４を導光体１５の出射面１５ａに向かい合わせて重ね（接着なし、空気層を挟んだまま重ねる）、このプリズム面２４に下方から照明光を入射させると、真上に向かう光Ｌが全て傾斜したＬ’方向に傾いて出射する。

本実施の形態では、プリズム面２４は、半径方向に多数の稜線２３を有するプリズム列が円周上に形成されている。これにより、導光体１５から半径方向に出射する光は、全て半径と直交する方向（接線方向）に傾いて出射される。このため、導光体１５から出射される光はその半径方向へは出射されない。従って、イメージセンサ１２に正反射ノイズが発生することはない。こうして、正反射を低減する照明光学系２０を実現することができる。

図１３Ｂは、プリズム板２２の出射面に微小凹凸部を形成した状態を示す図である。
同図に示すように、例えば、プリズム板２２のプリズム面２４と反対側の出射面２５に、ブラスト処理（例えばサンドブラスト）により微小凹凸部２５ａを形成して拡散面としている。なお、この場合も、プリズム面２４は、半径方向に多数の稜線２３を有するプリズム列が円周上に形成されている。

また、本実施の形態において、微小凹凸部２５ａとは、例えばサンドブラスト処理により、相対的に微小な凹部と凸部とがアレイ状又はランダムに連続して形成されている部分をいう。例えば、凸部の形状としては、半球形状、球形状、円錐（台）形状、あるいは角錐（台）形状等の種々の形状が考えられる。また、微小凹凸部２５ａの凹部と凸部のピッチや高さ（深さ）も、出射面２５からの光の輝度分布等を考慮して決定することができる。

また、サンドブラスト処理の場合、出射面２５を拡散面とした場合の輝度分布は、使用する砂の射出圧や射出時間を制御することによって所望の分布を得ることができる。しかし、ここではその説明を省略する。

さらに、本実施の形態では、微小凹凸部２５ａとして、サンドブラスト処理を用いた場合について説明したが、これに限らない。例えば、拡散面として、微小凹凸部２５ａを形成することができれば、必ずしもサンドブラスト処理を用いる必要はなく、成形手段やそれ以外の手段を用いてもよい。

これにより、プリズム板２２を通過した光は出射面で拡散し、その一部はイメージセンサ１２方向にも指向する。したがって撮像系に正反射光が入射することになるが、光軸方向から遠いため、その強度は弱く、目的を損なうことはない。 図１４は、リング状のプリズム板２２が、別体の複数（本実施の形態では４個）のプリズム片２２ａ〜２２ｄから構成された例を示す図である。

各プリズム片２２ａ〜２２ｄは、イメージセンサ１２側に向けて多数の稜線２３を有するプリズム列が形成されたプリズム面２４を有する。これらのプリズム片２２ａ〜２２ｄを、全体として方形状に配置することで、方形リング状に類似したプリズム板２２が形成されている。

この場合においても、各プリズム片２２ａ〜２２ｄの多数の稜線２３は、半径方向（イメージセンサ１２側）に向けて略平行に形成されている。そして、このような複数のプリズム片２２ａ〜２２ｄから構成されたプリズム板２２であっても、撮像光学系側での正反射ノイズの発生を低減する照明光学系を得ることができる。

次に、図１５に基づき、撮像装置１０の制御ブロック図について簡単に説明する。
撮像装置１０の駆動制御系は、複数のＬＥＤ１４を駆動するＬＥＤ駆動部５１と、距離計測用のＬＥＤ１４’を駆動する測距ＬＥＤ駆動部５２と、イメージセンサ１２の各画素のアナログ出力をデジタル値に変換するＡ／Ｄ変換器５３と、マイクロコントローラ（ＭＣＵ）５０とを有する。

ＬＥＤ駆動部５１は、ＬＥＤ１４からの光を受光素子５４で受光して、その受光した光強度に応じて自動パワー制御を行う。マイクロコントローラ（ＭＣＵ）５０は、ＭＰＵとＲＯＭとＲＡＭとを有し、撮像対象物（本実施の形態では手のひら）の距離及び傾きの算出、次いで画像処理等の処理を行う。

すなわち、マイクロコントローラ（ＭＣＵ）５０による画像処理では、照明用のＬＥＤ１４を駆動する前に、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）か否か、及び撮像対象物の傾きが適切か否かを判定する。撮像対象物の距離と傾きが適切である場合、ＬＥＤ１４を発光して、照明光を対象物に照射する。

そして、イメージセンサ１２で撮像範囲の画像を撮像し、Ａ／Ｄ変換器５３を介して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、血管像の抽出では、画像から血管像データを抽出する。

本実施の形態によれば、イメージセンサ１２の周囲に環状配置された複数のＬＥＤ１４と、半径方向に多数の稜線２３を有するプリズム列が周上に形成されたプリズム面２４を複数のＬＥＤ１４に向けたリング状のプリズム板２２と、を有するので、コンパクト構成でかつ撮像光学系側での正反射ノイズの発生を低減し得る撮像装置の照明光学系２０を得ることができる。

［第２の実施の形態］
図１６は、本実施の形態の撮像装置の断面図である。なお、第１の実施の形態と同一又は相当する部材には同一の符号を付して説明する。

本実施の形態では、導光体１５が円錐筒状をなし、その出射面１５ａが傾斜面に形成されている。プリズム板２２は、そのプリズム面２４を導光体１５の出射面１５ａに向けて配置されている。

図１７は、本実施の形態の照明光学系を示し、図１８Ａ，図１８Ｂは、そのプリズム板２２の外観を示している。
本実施の形態では、導光体１５の出射面１５ａを円錐筒状の傾斜面とし、照明光の分布を最適化している。図１８Ａに示すように、導光体１５の出射面１５ａに重ねて配置されるリング状のプリズム板２２は、立体形状である。また、図１８Ｂに示すように、このプリズム板２２は、第１の実施の形態と同様に、半径方向に多数の稜線２３を有するプリズム列が円周上に形成されたプリズム面２４を有している。

このプリズム列は、例えば頂角９０度、深さ０．２ｍｍで１８０本（プリズム列のピッチ２°）である。この場合も、図１１に示したプリズム板２２と同様に、撮像光学系側での正反射ノイズの発生を低減する照明光学系２０を得ることができる。

すなわち、このプリズム板２２を通った照明光は、全て稜線２３の方向（半径方向）と直交する接線方向に傾き、半径方向には光は向かわない。これにより、撮像光学系側での正反射ノイズの発生を低減することができる。

しかし多くの場合、撮像対象物体の中心領域にも照明光を当てる必要がある。
そのためには、プリズム板２２のプリズム面２４と反対側の面（出射面２５）を拡散面とすればよい。具体的には、アクリル製のプリズム板２２の出射面２５側に、サンドブラストなどで微小凹凸部２５ａ（図１３Ｂ参照）を形成することで拡散面を形成することができる。

こうして、プリズム板２２の出射面２５から光を拡散出射させることにより、照明光は半径方向にも向かい、撮像中心には正反射光が入射する。しかし、その強度は弱く正反射ノイズは小さい。このように、ＬＥＤ１４からの光が直接入射する場合に比べて強度が弱く、この正反射ノイズによって目的を損なうことはない。

また、各正反射点から中心部に向かう光は弱い拡散光であるが、円周状の出射面２５の拡散面から光が集まり合成されるため、照明に必要な強度も得ることができる。
上述した拡散面の機能および効果は、第一の実施の形態でも当てはまる。

本実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様に、小型低コスト構成でありながら撮像光学系側での正反射ノイズの発生を低減し得る撮像装置の照明光学系２０を得ることができる。

Claims (4)

1. 撮像対象物からの反射光を撮像素子で受光して撮像すべく前記撮像対象物に光を照射する撮像装置の照明光学系において、
   前記撮像素子の周囲に配置された複数の発光素子と、
   前記複数の発光素子からの光を前記撮像対象物に照射すべく、半径方向に多数の稜線を有するプリズム列が周上に形成されたプリズム面を前記複数の発光素子に向けたリング状のプリズム板であって、前記撮像対象物側から見て前記周内に前記撮像素子が位置するように配置されたプリズム板と、を有する
   ことを特徴とする撮像装置の照明光学系。
2. 前記リング状のプリズム板は円錐筒状の傾斜面に形成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置の照明光学系。
3. 前記リング状のプリズム板の前記プリズム面と反対側の面に微小凹凸部を形成した
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の撮像装置の照明光学系。
4. 前記微小凹凸部をブラスト処理により形成した
   ことを特徴とする請求項３に記載の撮像装置の照明光学系。

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