JP5676843B2 - 情報読取用撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、対象物から情報を読み取るための情報読取用撮像装置に関する。

紙等の媒体に印刷された情報を読み取るために撮像装置が用いられる。図１及び図２は、紙などの媒体に印刷されたバーコード等の情報を読み取る撮像装置１１の光学系の構成を示す図である。

図１及び図２に示すように撮像装置１１は、絞り１２と、レンズ１３（またはレンズモジュール１６）と、イメージセンサ１４とを有する。
撮影対象物１５で反射された光は、絞り１２により光路が制限され、レンズ１３を通りイメージセンサ１４で受光される。

媒体に印刷された情報を撮像装置１１により読み取る場合には、レンズ１３とイメージセンサ１４との距離を調整し、結像面をイメージセンサ１４の表面に合致させることで鮮明な画像を取得するようにしている。

しかしながら、鮮明な画像は情報量が多い反面、媒体の表面の凹凸などによる信号の変化が、本来の画像信号に対してノイズとして重畳されるという問題点がある。
図３（Ａ）、（Ｂ）は、撮影対象物１５の一例を示す図である。図３（Ａ）に示すような紙などに印刷された画像を撮像装置１１で読み取る場合には、紙面の細かい凹凸による信号の変化が、本来の画像信号にノイズとして乗ってしまう。

図３（Ｂ）に示すような、手のひら内部の静脈を読み取る場合にも、静脈の周囲の体組織からの散乱光がノイズとして本来の画像信号に乗ってしまう、そのため、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）処理等の演算を施してノイズを除去する必要があった。

図４（Ａ）は、撮影対象物の任意のライン（例えば、図３（Ａ）のラインＡ）のノイズが重畳された画像信号を示し、図４（Ｂ）は、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）処理によりそのノイズを除去した後の画像信号を示している。

図５は、従来の撮像装置のイメージセンサ１４の出力を示す図である。図５は、撮影対象物体上の任意の１点に対するイメージセンサ１４の任意の画素の出力信号のレベルの分布（点像分布）を示しており、鮮明な画像が得られるよう結像面がセンサ面に合致しているため、出力信号のレベルの分布は、実質的に１画素に集中した波形となる。

上述したように、撮像装置１１で取得される画像を鮮明にすればするほど、媒体表面の凹凸などにより画像信号に高周波のノイズが乗ってしまう。
そこで、従来は、イメージセンサ１４から出力される画像信号に対してローパスフィルタ処理の演算を施し高周波のノイズを除去していた。

図６（Ａ）、（Ｂ）は、ローパスフィルタ処理で用いられるガウスフィルタと移動平均フィルタの演算行列を示す図である。
図６（Ａ）の３×３の演算行列の場合について説明すると、注目画素Ｑ（ａ，ｂ）は、左上の取得画素Ｐ（ａ−１，ｂ＋１）に「０．０６３」を乗算した値と、１つ上の取得画素Ｐ（ａ，ｂ＋１）に「０．１２５」を乗算した値と、右上の取得画素Ｐ（ａ＋１，ｂ＋１）に「０．０６３」を乗算した値と、左隣の取得画素Ｐ（ａ−１，ｂ）に「０．１２５
」を乗算した値と、取得画素Ｐ（ａ，ｂ）に「０．２５」を乗算した値と、右隣の取得画素Ｐ（ａ＋１，ｂ）に「０．１２５」を乗算した値と、左下の取得画Ｐ（ａ−１，ｂ−１）に「０．０６３」を乗算した値と、１つ下の取得画素Ｐ（ａ，ｂ−１）に「０．１２５」を乗算した値と、右下の取得画素Ｐ（ａ＋１，ｂ−１）に「０．０６３」を乗算した値の総和として算出される。

上記の演算を各画素について行うことでガウスフィルタ処理を施した画像信号を得ることができる。
図６（Ｂ）の演算行列も同様であり、注目画素とその周辺の画素に対して、図６（Ｂ）に示す演算行列の値を乗算することで、移動平均フィルタ処理を施した画像信号を得ることができる。

しかしながら、上記の演算行列を用いたローパスフィルタ処理は、撮像装置で読み取った全画素に対して演算行列の要素数分（例えば、３×３の行列であれば、９回）の演算を行う必要があり、画素数が多い場合には、画像処理の処理時間が長くなるという問題点があった。

特許文献１には、指紋画像読取装置において、レンズとＣＣＤ撮像素子との距離を縮めて、レンズの焦点位置からずれた位置にＣＣＤ撮像素子を配置することで、指紋画像のノイズ成分を除去することが記載されている。

特許文献１の発明は、ＣＣＤ撮像素子で読み取る指紋画像のピントをぼかすことで高周波ノイズを目立たなくするものである。
２００３−５０９９１号公報

本発明の課題は、情報読取用撮像装置において、画像処理の処理時間を短縮し、画像に対して所望のフィルタ処理を施すことである。

本発明の情報読取用撮像装置は、ソフトウェアによる画像処理演算によって画像から信号を抽出し、情報を読み取る用途で用いられる情報読取用撮像装置であって、撮影対象物からの光の受光範囲を制限する絞りと、前記絞りの開口部または前記開口部の近傍に配置され、位置により異なる透過率を有するフィルタと、像側テレセントリック光学系であるレンズと、前記レンズによって撮像対象物の像が形成される前記レンズの結像位置からずれた位置に配置されたイメージセンサとを有し、前記レンズの前記結像位置が前記イメージセンサの受光面の手前または奥側になるように前記レンズと前記イメージセンサの距離を調整し、前記フィルタにおいて前記所望の透過率特性が与えられた光が前記受光面において所定範囲に広がるようにして、前記撮像対象物全体にローパスフィルタが施された画像を取得する。

この情報読取用撮像装置によれば、画像処理の処理時間を短縮できると共に、画像に対して光学的に所望のローパスフィルタ処理を施すことができる。

本発明によれば、情報読取用撮像装置における画像処理の処理時間を短縮できると共に、画像に対して光学的に所望のローパスフィルタ処理を施すことができる。また、画像処理の処理時間を短縮することで、例えば、リアルタイム処理が要求される情報読取用撮像装置に対して、比較的処理速度の遅いＣＰＵ等を使用することが可能となるので、処理速度の遅い安価なＣＰＵ等を使用して情報読取用撮像装置のコストを低減することもできる。

以下、本発明の好適な実施の形態について説明する。図７は、第１の実施の形態の情報読取用撮像装置２１の構成を示す図である。情報読取用撮像装置２１は、１次元または２次元バーコードを読み取るバーコードリーダ、指紋、静脈等を読み取る生体認証装置等に用いることができる。

情報読取用撮像装置２１は、絞り兼用の濃度フィルタ(フィルタ）２２とレンズ２３とイメージセンサ２４とを有する。濃度フィルタ２２は、レンズ２３と撮影対象物２５との間に配置されている。

濃度フィルタ２２は、外周部が光の受光角を制限する絞り部２２ａとして機能し、中心部が、絞り部２２ａにより光路が制限された光の透過率が位置により異なる濃度フィルタ部２２ｂとして機能する光学フィルタ素子である。なお、フィルタの中心軸と直交する方向で位置により透過率が変化し、任意の透過率特性（ガウス分布など）を有する濃度フィルタ２２としては、光の吸収率が変化する吸収型フィルタ、光の反射率が変化する反射型フィルタ等を用いることができる。

図７において、撮影対象物２５からの光は広がりながら濃度フィルタ２２に入射する。撮影対象物２５の各点の広がり持った光（これを光束と呼ぶ）は、濃度フィルタ２２の絞り部２２ａによりレンズ２３に入射する光の範囲が制限される。そして、絞り部２２ａにより光路が制限された光が、濃度フィルタ部２２ｂを通過する際に、光束の中心から外に向かって光量が連続的に変化する光となる。この光束は、結像面（結像位置）２６で結像した後、イメージセンサ２４の受光面に向かって広がり、受光面において所定範囲の広がりを持った像となる。これは、結像面２６がイメージセンサ２４の受光面の手前側または奥側になるように、レンズ２３とイメージセンサ２４の距離が調整されているからである。

イメージセンサ２４の受光面における像の広がりは、注目画素と近傍の画素にかけて必要なため、光束の中心に対して直径３画素以上の円形の範囲である。
注目画素とその近傍画素の濃度値に対し、注目画素の新しい濃度値を得るために、例えば上記光量分布が直径３画素の場合には、図６（Ａ）に示す３×３ガウスフィルタの演算を代替えできる。逆に７×７、９×９の強度の大きいＬＰＦ演算を代替えするためには、上記光量分布は、それぞれ直径７画素、９画素とすればよい。

上述した第１の実施の形態によれば、濃度フィルタ２２で所望の透過率特性を与え、受光面において所定範囲に広がる光をイメージセンサ２４に入射することで、撮影対象物２５の画像に対して光学的にローパスフィルタ処理を施すことができる。従って、イメージセンサ２４の出力信号に対してローパスフィルタ処理の演算を行う必要が無くなるので、画像処理の処理時間を短縮できる。また。濃度フィルタ２２の透過率特性を変更することで任意のローパスフィル処理を施すことができる。さらに、画像の処理時間を短縮することができるので、リアルタイム処理が必要なバーコードリーダや生体認証装置に処理速度の遅い安価なＣＰＵ等を使用できる。これにより、装置のコストを低減できる。

図８は、第２の実施の形態の情報読取用撮像装置４１の構成を示す図である。この第２の実施の形態は、レンズからイメージセンサ２４に向かう光が光軸と平行となる像側テレセントリック光学系において、結像面２６をイメージセンサ２４の奥側（レンズから見て）に設定した場合の例である。

第２の実施の形態の情報読取用撮像装置４１の光学系は、レンズ４２、４３、４４、４５と濃度フィルタ２２からなるレンズモジュール４６を有する。
第２の実施の形態の情報読取用撮像装置４１も、イメージセンサ２４に入射する光が光
軸と平行である点、結像面２６がイメージセンサ２４の奥側である点を除けば、第１の実施の形態と同様である。

第２の実施の形態の情報読取用撮像装置４１においても、撮影対象物２５の各点の反射光はイメージセンサ２４の受光面で一定範囲に広がり、イメージセンサ２４の各画素の入射光量は濃度フィルタ２２の透過率特性により制限されたものとなる。

この第２の実施の形態によれば、撮影対象物２５から入射する光に対して光学的にローパスフィルタ処理を施すことができる。これにより、イメージセンサ２４の画像信号に対してローパスフィルタの演算を行う必要が無くなるので、画像処理の処理時間を短縮できる。また、濃度フィルタ２２の透過率特性を変更することで任意のローパスフィルタ処理を光学的に実現できる。

図９は、第３の実施の形態の情報読取用撮像装置５１の構成を示す図である。
第３の実施の形態は、第２の実施の形態と基本的には同じであり、異なる点は、結像面２６がイメージセンサ２４の手前側にくるように設定した点である。

図１０は、濃度フィルタ２２の透過率特性を示す図である。濃度フィルタ２２は、図１０に示すように円板状で、中心が最も透過率が高く、外周に向かって徐々に透過率が小さくなる透過率特性（例えば、ガウス分布）を有する。そして、濃度フィルタ２２の外周部は、透過率が０となっており絞りとして機能する。

図１１及び図１２は、濃度フィルタの他の例を示す図である。図１１は、金属等の不透明部材の中心部に開口部３２ａを設けた絞り３２に、別部品の濃度フィルタ３１を挿入または接着する構造の例を示している。

濃度フィルタ３１は、例えば、ガラス基板に金属膜（例えば、クロム膜など）コーティングして作成する。金属膜をコーティングする際に、中央の膜厚を薄くし、周辺に向かって金属膜の厚みを増加させて光透過率を低下させることにより、ガウス分布等の任意の透過率特性を有する濃度フィルタ３１を作成することができる。

なお、絞り３２と濃度フィルタ３１を別部品にする場合、濃度フィルタ３１を絞り３２の開口部３２ａに挿入しても良いし、絞り３２の下側で開口部３２ａの近傍に配置しても良い。

図１２は、絞りを兼用した濃度フィルタ３３の例を示す図である。濃度フィルタ３３の外周部の透過率を０にすることで絞りの機能を実現できる。例えば、金属膜をコーティングして作成する場合には、外周部の金属膜の膜厚を厚くして光の透過率を０にすることで、外周部を絞り部として機能させることができる。

ここで、上述した濃度フィルタ２２を用いた場合のイメージセンサ２４の各点における光量分布について説明する。
図１３は、注目画素ａとその周囲の画素の光量分布を示す図である。図７の例では、イメージセンサ２４の受光面の手前側で結像するように、レンズ２３とイメージセンサ２４の距離を調整してあるので、撮影対象物２５のＡ点の光束は結像面２６で結像した後、イメージセンサ２４の受光面で一定範囲に広がって入射する。

例えば、撮影対象物２５のＡ点からの光束の中心を通る光は、イメージセンサ２４のＡ’点（図７参照）に入射する。撮影対象物２５のＡ点で反射され、濃度フィルタ２２の右側（図７の正面から見て）の位置を通過した光は、イメージセンサ２４のＡ’点の左側（図７の正面から見て）の点Ａ^’ _１点に入射する。また、濃度フィルタ２２の左側の位置を通過した光は、イメージセンサ２４のＡ’点の右側のＡ^’ _２点に入射する。

濃度フィルタ２２は、図１０に示すようなガウス分布の透過率特性を持っている。従って、撮影対象物２５のＡ点で反射されて濃度フィルタ２２を通過し、イメージセンサ２４に入射する光の光量分布は、図１３に示すように、注目画素ａとその周囲の画素ａ＋１、ａ−１、ａ＋２、ａ−２の入射光量は、ガウス分布となる。これは、撮影対象物２５のＡ点の反射光に対して光学的にガウス分布の特性を持つローパスフィルタ処理を施したことになる。

ここで、上述した第１、第２及び第３の実施の形態の動作を、図１４及び図１５を参照して説明する。以下、複数枚のレンズを有する光学系において、レンズの間に濃度フィルタ２２を配置し、かつイメージセンサ２４の手前側で結像させた場合を例にとり説明する。

図１４（Ａ）に示すように、撮影対象物２５のＡ点で反射した光は広がりながらレンズ４２、４３に入射し、濃度フィルタ２２の絞り部２２ａで光路が制限される。濃度フィルタ２２は、図１０に示すような透過率特性を有しているので、Ａ点で反射され、濃度フィルタ２２を通過した光は、光束の中心の光の透過率が最も高く、周辺に行くほど透過率が低くなる。濃度フィルタ２２を通過した光は、レンズ４４、４５により光軸と平行な光に変換され、結像面２６で結像した後、イメージセンサ２４の受光面で所定範囲（例えば、直径３画素以上の範囲）に広がる。

図１４（Ｂ）は、イメージセンサ２４の各画素の入射光量の分布を示している。例えば、撮影対象物２５のＡ点の反射光は、イメージセンサ２４の対応する画素とその周囲の画素に入射する。Ａ点の反射光については、図１４（Ｂ）に示すように、光束の中心の光が入射する中心画素（図１３の注目画素ａ）の入射光量が最も多く、中心画素から離れるほど入射光量が減少するガウス分布を示す。

撮影対象物２５のＡ点の隣の点の反射光については、イメージセンサ２４の隣の中心画素（図１３の画素ａ＋１）の入射光量が最も多く、中心画素から離れるほど入射光量が減少するガウス分布を示す。以下、同様に他のイメージセンサ２４の各画素の入射光量は、図１４（Ｂ）に示すようなガウス分布を持つ。

撮影対象物２５のＡ点からの光は、イメージセンサ２４の対応する画素ａと隣接する複数の画素ａ＋１、ａ−１、ａ＋２、ａ−２・・・に、濃度フィルタ２２の透過率特性で決まる光量分布で入射する。同時に、隣接する画素ａ＋１、ａ−１、ａ＋２、ａ−２・・・を中心画素として入射する光の一部が画素ａにも入射する。これにより、光学的な畳み込みが行われることになる。これは、イメージセンサ２４の出力信号に対する畳み込み演算により行っていたローパスフィルタ演算処理を光学的に代替したことを意味する。

図１５は、イメージセンサ２４の任意の画素列における入射光量を示す図である。
上述したように撮影対象物２５のＡ点からの光（光束）は広がりながら濃度フィルタ２２に入射するが、絞り部２２ａにより入射光が制限され、濃度フィルタ部２２ｂを通る光束は、濃度フィルタ２２の透過率特性に従って光束の中心から周辺に向かって透過率が連続して低下していく。この光束は、結像面２６で一旦結像するが、イメージセンサ２４に入射する際に、所定範囲（例えば、光束の中心に対して直径径３画素以上の範囲）に広がる。

従って、撮影対象物２５の各点で反射され、濃度フィルタ２２を通過してイメージセン
サ２４に入射する光束は、図１５に示すように、光束の中心の光が入射する注目画素を中心として一定の光量分布を持つ。例えば、撮影対象物２５のＡ点で反射された光は、画素ａを中心として、図１０のガウス分布を持った入射光量となる。また、隣接する画素ａ＋１、ａ−１、ａ＋２、ａ−２・・・を中心とする光も画素ａに入射し、光学的に畳み込みが行われる。

上記のように撮影対象物２５の各点の反射光は、濃度フィルタ２２の持つ透過率特性により光量が制限されてイメージセンサ２４に入射するので、例えば、濃度フィルタ２２をガウス分布の特性とした場合、イメージセンサ２４に入射する光に対してガウス分布を持つローパスフィルタ処理を施すことができる。

なお、イメージセンサ２４に入射する光が広がる所定範囲は、直径３画素の範囲に限らない。
上述した情報読取撮像装置２１、４１、５１によれば、撮影対象物２５から入射する光に対して光学的にローパスフィルタ処理を施すことができる。これにより、イメージセンサ２４の画像信号に対してローパスフィルタの演算を行う必要が無くなるので、画像処理の処理時間を短縮できる。

ここまでの説明では,簡単のために濃度フィルタ２２の透過率分布をガウス分布とし、また結果として得られるイメージセンサ２４上の点像の光量分布もガウス分布としてきた。しかし一般的にはベースとなる光学系そのものが固有の光量分布を有しているため、この２つの分布は必ずしも一致しない。したがってイメージセンサ２４上の光量分布を正確にガウス分布とするためには、ベースとなる光学系固有の分布を相殺するように濃度フィルタ２２の透過率分布を予め調整しておく必要がある。以下図１６によって詳細に説明する。

図１６（Ａ）、（Ｂ）は濃度フィルタ２２の透過率特性と、絞りの開口部に濃度フィルタが有る場合と無い場合のイメージセンサ２４の受光光量との関係を示す図である。
図１６（Ａ）は濃度フィルタ２２の径方向を示し、図１６（Ｂ）は、濃度フィルタ２２の中心から径方向の距離ｒと透過率の関係と、イメージセンサ２４の注目画素（図７のＡ’点）の中心からの距離と光量との関係を示す図である。図１６（Ｂ）の横軸は、濃度フィルタ２２の中心からの距離と、注目画素の中心からの距離を示し、縦軸は、透過率と光量を示す。

図１６（Ｂ）の実線のグラフは、濃度フィルタ２２の透過率を示し、点線のグラフは、濃度フィルタが有る場合と無い場合のイメージセンサ２４の光量分布を示す。
図１６（Ｂ）に点線で示すＡ’点光量分布（濃度フィルタ無し）は、レンズ２３の結像面２６を、イメージセンサ２４の受光面の手前側または奥側にずらしてピントをぼかした状態で、濃度フィルタ２２を使用しない場合のイメージセンサ２４の光量分布を示している。この場合、濃度フィルタ２２を使用していないので、注目画素（Ａ’点の画素）を中心とする所定範囲の画素の光量分布は台形状となるが、一般的にはレンズ中心部より周辺部の方が集光量が少ない（暗い）ため完全な台形状とはならず、点線で示すようにｒが大きくなるにつれ光量が低下するような分布となる。（なお、このままでもローパスフィルタ効果は得られるが特定の特性のローパスフィルタに限定される。）
図１６（Ｂ）に点線で示すＡ’点光量分布（濃度フィルタ有り）は、レンズ２３の結像面２６を、イメージセンサ２４の表面の手前側または奥側にずらしてピントをぼかした状態で、かつ濃度フィルタ２２を使用した場合のイメージセンサ２４の光量分布を示している。この場合、注目画素（Ａ’点の画素）を中心とする所定範囲の画素の光量分布は、実線で示す濃度フィルタ２２の透過率特性と前述した濃度フィルタ無しの光量分布を合成したものとなる。

従って結果として得られるイメージセンサ上の光量分布を正確にガウス分布とするためには、実線の濃度フィルタの透過率分布をガウス分布そのものとはせず、濃度フィルタ無しの光量分布、すなわちベースの光学系固有の光量分布を相殺するように設計すればよい。

また濃度フィルタ２２の透過率特性を変化させることで、ガウス分布に限らず,イメージセンサ２４に入射する光に対して光学的に任意のローパスフィルタ処理を施すことができる。

上述した実施の形態は、濃度フィルタ２２によって画像にガウス分布特性のローパスフィルタを施す場合について説明したが、本発明はガウス分布以外のローパスフィルタ特性を施す場合にも適用できる。

本発明は、像側テレセントリック光学系以外の複数のレンズからなる光学系にも適用できる。

撮像光学系の構成を示す図である。 撮像光学系の他の構成を示す図である。 撮影対象物の一例を示す図である。 ノイズが重畳された画像信号とＬＰＦ処理後の画像信号を示す図である。 従来の撮像装置のイメージセンサの出力を示す図である。 ガウスフィルタと移動平均フィルタの演算行列を示す図である。 第１の実施の形態の撮像装置の構成を示す図である。 第２の実施の形態の撮像装置の構成を示す図である。 第３の実施の形態の撮像装置の構成を示す図である。 濃度フィルタの透過率特性を示す図である。 濃度フィルタと絞りを別部品にした場合の例を示す図である。 濃度フィルタと絞りを兼用した場合の例を示す図である。 注目画素のその周辺の画素の入射光量を示す図である。 実施の形態の動作説明図である。 イメージセンサの任意の画素列の入射光量を示す図である。 濃度フィルタの透過率特性とイメージセンサの光量との関係を示す図である。

符号の説明

２１ 情報読取用撮像装置
２２、３１、３３ 濃度フィルタ
２３ レンズ
２４ イメージセンサ
２５ 撮影対象物

Claims (6)

1. ソフトウェアによる画像処理演算によって画像から信号を抽出し、情報を読み取る用途で用いられる情報読取用撮像装置において、
   撮影対象物からの光の受光範囲を制限する絞りと、
   前記絞りの開口部または前記開口部の近傍に配置され、位置により異なる透過率を有するフィルタと、
   像側テレセントリック光学系であるレンズと、
   前記レンズによって撮像対象物の像が形成される前記レンズの結像位置からずれた位置に配置されたイメージセンサとを有し、
   前記レンズの前記結像位置が前記イメージセンサの受光面の手前または奥側になるように前記レンズと前記イメージセンサの距離を調整し、前記フィルタにおいて前記所望の透過率特性が与えられた光が前記受光面において所定範囲に広がるようにして、前記撮像対象物全体にローパスフィルタが施された画像を取得する情報読取用撮像装置。
2. 前記結像位置が前記イメージセンサの受光面の手前または奥側になるようにしたときの前記イメージセンサの受光面における像の広がりが、直径３画素以上となるように、前記レンズと前記イメージセンサの距離を調整した請求項１記載の情報読取用撮像装置。
3. 前記フィルタの透過率特性はガウス分布を有する請求項１または２記載の情報読取用撮像装置。
4. 前記フィルタは、前記撮影対象物とレンズとの間に配置されている請求項１，２または３記載の情報読取用撮像装置。
5. 前記フィルタは前記絞りと一体に形成されている請求項１、２、３または４記載の情報読取用撮像装置。
6. 前記レンズは、複数のレンズからなる光学系であり、前記フィルタは前記複数のレンズの間に配置されている請求項１，２、３、４または５記載の情報読取用撮像装置。