JP5749791B2 - 撮像装置用の照明光学系 - Google Patents

Description

本発明は、撮像装置用の照明光学系に関する。

撮像装置の一種として、手のひら静脈認証装置やバーコードリーダなど、被写体からの情報読取を目的とする撮像装置（以降、単に、撮像装置と記す。）が知られている。撮像装置は、例えば、図１に例示されるように、照明光学系１０１と撮像光学系１０３とを含む構成を有している。図１に例示される撮像装置１００は、ＬＥＤなどの光源１０２が照明光を被写体１０６に照射し、撮像レンズ１０４の像側に設けられたイメージセンサ１０５が被写体１０６（例えば、手のひら、バーコードが印刷された用紙など）を介して入射する正反射光や散乱光を検出することで、被写体１０６の情報を読取ることができる。

ところで、図１に例示されるように、照明光が照射された被写体１０６表面の各点では、正反射光（図１の実線）と正反射光に比べて光強度が弱い散乱光（図１の破線）とが生じるが、撮像光学系１０３の視野内のすべての点で生じた正反射光がイメージセンサ１０５に入射するわけではない。このため、正反射光がイメージセンサ１０５で検出される点（図１の点Ｂ）と検出されない点（図１の点Ａ、Ｃ）では、たとえ同じ照度で照明しても、検出される光量が異なってしまう。

このような正反射光が原因で生じる光量差（以降、正反射ノイズと記す。）は、撮像装置の読取精度を劣化させる一要因となる。このため、撮像装置の分野では、正反射ノイズを抑制して撮像装置の読取精度を改善する技術が求められている。

正反射ノイズを抑制して撮像装置の読取精度を改善するためには、被写体中に局所的な高輝度領域が生じることを防止する必要があるが、単に照度を均一化すればよいわけではない。被写体から生じた光が撮像光学系に適当に導かれるように、照明光の指向性を制御する必要がある。光の指向性を制御する技術としては、プリズム板を用いて光の出射方向を制御する技術が知られており、例えば、特許文献１で開示されている。

図２、図３、図４及び図５は、従来技術に係るプリズム板による光の出射方向の制御を説明するための図である。図２は、プリズム板のＸＺ断面における入射光と出射光の関係を示す図である。図３は、プリズム板のＸＺ断面におけるプリズム板に垂直に入射する入射光と出射光の関係を示す図である。図４は、図３に示される線ＡＡ´でのＹＺ断面におけるプリズム板に垂直に入射する入射光と出射光の関係を示す図である。図５は、図２に例示されるプリズム板を上方から見たときの入射光と出射光の関係を示す図である。図２から図５のＸＹＺ座標系は、方向参照の便宜のために設けた左手直交座標系である。

図２に例示されるプリズム板２００は、各々が稜線２０２を有する複数のプリズム列がＸ方向に互いに平行に並んで形成されるプリズム面２０１と、平面２０３とを、それぞれ入射面、出射面として有している。プリズム板２００によれば、プリズム面２０１側から入射する入射光をプリズム面２０１及び平面２０３での屈折により偏向することで、出射方向を制御して出射光の指向性を制御することができる。

特開２００４−１７１１９２号公報

しかしながら、図２に例示されるプリズム板２００では、出射光を稜線２０２と平行なＹ方向（以降、稜線方向と記す。）に出射することはできない。具体的には、プリズム板２００に垂直に入射した入射光（より厳密には、Ｙ方向成分を有しない入射光、図２の実線を参照）は、図３及び図４に例示されるように、稜線２０２と直交するＸ方向にのみ偏向される。このため、出射光は、稜線２０２と平行な稜線方向には出射されない。また、プリズム板２００に垂直に入射しない入射光（より厳密には、Ｙ方向成分を有する入射光、図２の破線を参照）も同様に、プリズム面２０１ではＸ方向へ偏向される。このため、図５に例示されるように、出射光は、入射光のＹ方向成分に応じてＹ方向成分を有するが、稜線２０２と平行な稜線方向には出射されない。

このように、特許文献１に開示されるような従来のプリズム板を用いた技術では、稜線方向へは光を出射することができないため、光の指向性を任意に制御することができない。

これを改善するため、プリズム板の出射面にブラスト処理を施して出射光を拡散させる方法が考えられる。図６は、出射面をブラスト面として形成したプリズム板を例示した図である。図７、図８及び図９は、図６に例示されるプリズム板による光の出射方向の制御を説明するための図である。図７は、図６に例示されるプリズム板のＸＺ断面におけるプリズム板に垂直に入射する入射光と出射光の関係を示す図である。図８は、図７に示される線ＢＢ´でのＹＺ断面におけるプリズム板に垂直に入射する入射光と出射光の関係を示す図である。図９は、図６に例示されるプリズム板を上方から見たときの出射光の指向性を示す図である。図６から図９のＸＹＺ座標系は、方向参照の便宜のために設けた左手直交座標系である。

図６に例示されるプリズム板３００は、稜線３０２を有する複数のプリズム列がＸ方向に互いに平行に並んで形成されるプリズム面３０１と、ブラスト面３０３とを、それぞれ入射面、出射面として有している。プリズム板３００によれば、図７及び図８に例示されるように、プリズム面３０１でＸ方向に偏向された入射光がブラスト面３０３で拡散されるため、出射光は、稜線３０２と平行な稜線方向にも出射されることになる。

しかしながら、ブラスト面３０３に入射する入射光は、プリズム面３０１での偏向によりＸ方向に強い指向性を有している。このため、ブラスト面３０３から各方向に出射される出射光量の分布（以降、指向性分布と記す。）は、図９に例示されるように、稜線方向（Ｙ方向）を短軸とする楕円形状を示すことになり、ブラスト面３０３での拡散後もＸ方向に強い指向性が残ってしまう。

このように、出射面としてブラスト面３０３を有するプリズム板３００によっても、光の指向性の制御には限界があり、光の指向性を任意に制御することができない。従って、撮像装置の照明光学系に適用しても、撮像装置に合わせて照明光の指向性を任意に制御することはできない。

このような実情を踏まえ、本発明は、照明光の指向性を任意に制御し得る撮像装置用の照明光学系を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、撮像装置用の照明光学系であって、円環状に配列された複数の光源と、円環状に形成されたプリズム板と、を含み、前記プリズム板は、前記光源からの照明光が入射する、前記プリズム板の円周方向に円環状に並ぶ複数のプリズム列が形成されたプリズム面と、前記照明光を出射する出射面と、を含み、前記プリズム面は、前記プリズム板の接線方向に実質的に平行な平坦部であって前記光源から入射する照明光を前記接線方向に偏向させることなく透過させる平坦部と、前記接線方向に対して傾斜した傾斜部であって前記光源から入射する照明光を前記接線方向に偏向させる傾斜部と、を含み、前記平坦部は、前記複数のプリズム列の各々が形成する山と前記複数のプリズム列の間に形成される谷のうち少なくとも一方に含まれる撮像装置用の照明光学系を提供する。

本発明によれば、照明光の指向性を任意に制御し得る撮像装置用の照明光学系を提供することができる。

被写体からの情報読取を目的とする従来技術に係る撮像装置の構成を例示した図である。 従来技術に係るプリズム板のＸＺ断面における入射光と出射光の関係を示す図である。 図２に例示されるプリズム板のＸＺ断面におけるプリズム板に垂直に入射する入射光と出射光の関係を示す図である。 図３に示される線ＡＡ´でのＸＹ断面における、図２に例示されるプリズム板に垂直に入射する入射光と出射光の関係を示す図である。 図２に例示されるプリズム板を上方から見たときの入射光と出射光の関係を示す図である。 出射面をブラスト面として形成した従来技術に係るプリズム板を例示した図である。 図６に例示されるプリズム板のＸＺ断面におけるプリズム板に垂直に入射する入射光と出射光の関係を示す図である。 図７に示される線ＢＢ´でのＸＹ断面における、図６に例示されるプリズム板に垂直に入射する入射光と出射光の関係を示す図である。 図６に例示されるプリズム板を上方から見たときの出射光の指向性を示す図である。 実施例１に係る撮像装置の構成を例示した図である。 図１０に例示される照明光学系に含まれるプリズム板の斜視図である。 図１０に例示される照明光学系に含まれるプリズム板の平面図である。 図１１に示される線ＣＣ´で断面における、図１０に例示されるプリズム板に入射する入射光と出射光の関係を示す図である。 図１０に例示されるプリズム板を上方から見たときの出射光の指向性を示す図である。 図１０に例示されるプリズム板に比べてプリズム面に占める平坦部の面積の比率を増加させたプリズム板に入射する入射光と出射光の関係を示す図である。 図１５に例示されるプリズム板を上方から見たときの出射光の指向性を示す図である。 図１０に例示される照明光学系に含まれるプリズム板の変形例の斜視図である。 図１７に例示されるプリズム板に入射光と出射光の関係を示す図である。 図１７に例示されるプリズム板に比べてプリズム面に占める平坦部の面積の比率を増加させたプリズム板に入射する入射光と出射光の関係を示す図である。 図１０に例示される照明光学系に含まれるプリズム板の他の変形例に入射する入射光と出射光の関係を示す図である。 図１０に例示される照明光学系に含まれるプリズム板のさらに他の変形例に入射する入射光と出射光の関係を示す図である。 実施例２に係る照明光学系に含まれるプリズム板の斜視図である。 図２２に例示されるプリズム板に入射する入射光と出射光の関係を示す図である。 図２３に示される線ＤＤ´での断面における、図２２に例示されるプリズム板に入射する入射光と出射光の関係を示す図である。 図２２に例示されるプリズム板を上方から見たときの出射光の指向性を示す図である。 実施例２に係る照明光学系に含まれるプリズム板の変形例に入射する入射光と出射光の関係を示す図である。 図２６に示される線ＥＥ´での断面における、図２６に例示されるプリズム板に入射する入射光と出射光の関係を示す図である。 図２６に例示されるプリズム板を上方から見たときの出射光の指向性を示す図である。 実施例３に係る撮像装置の構成を例示した図である。 図２９に例示される照明光学系に含まれるプリズム板の斜視図である。 図３０に例示されるプリズム板の平面図である。 図３１に例示されるプリズム板の破線部分の平面拡大図である。 図３０に例示されるプリズム板のプリズム面に平坦部がない場合の射出光の指向性を例示する図である。 図３０に例示されるプリズム板のプリズム面に占める平坦部の比率が小さい場合の射出光の指向性を例示する図である。 図３０に例示されるプリズム板のプリズム面に占める平坦部の比率が中程度の場合の射出光の指向性を例示する図である。 図３０に例示されるプリズム板のプリズム面に占める平坦部の比率が大きい場合の射出光の指向性を例示する図である。 照度の評価面と照明光学系の出射面との関係を示す図である。 照明光学系から出射される照明光が図３３Ａに例示される指向性を示す場合における、評価面での照度分布を示す図である。 照明光学系から出射される照明光が図３３Ｂに例示される指向性を示す場合における、評価面での照度分布を示す図である。 照明光学系から出射される照明光が図３３Ｃに例示される指向性を示す場合における、評価面での照度分布を示す図である。 照明光学系から出射される照明光が図３３Ｄに例示される指向性を示す場合における、評価面での照度分布を示す図である。 照明光学系から出射される照明光の指向性の変化による評価面での照度分布の変化について説明するための図である。 図２９に例示される照明光学系に含まれるプリズム板の変形例の斜視図である。 図３７に例示されるプリズム板の平面図である。 図２９に例示される照明光学系に含まれるプリズム板の他の変形例の斜視図である。 図３９に例示されるプリズム板の平面図である。 図２９に例示される撮像装置に含まれる照明光学系の変形例の構成を例示した図である。 図４１に例示される照明光学系に含まれるプリズム板の斜視図である。

図１０は、本実施例に係る撮像装置の構成を例示した図である。図１１は、図１０に例示される本実施例に係る照明光学系に含まれるプリズム板の斜視図である。図１２は、図１０に例示される本実施例に係る照明光学系に含まれるプリズム板の平面図である。

図１０に例示される撮像装置１０は、例えば、手のひら静脈認証装置やバーコードリーダなど、撮像対象物２１からの情報読取を目的とする撮像装置である。撮像装置１０は、撮像レンズ１９とイメージセンサ２０とを含む撮像光学系と、撮像光学系の周囲を取り囲むように配置された照明光学系と、を含んでいる。

照明光学系は、イメージセンサ２０の周囲に矩形環状に配列された複数のＬＥＤ１１と、矩形環状に形成されたプリズム板１４とを含み、さらに、複数のＬＥＤ１１とプリズム板１４の間に、撮像レンズ１９の周囲を取り囲むように矩形筒状に形成された導光体１２を含んでいる。プリズム板１４は、導光体１２側にプリズム面１７を有し、撮像対象物２１側にＸＹ平面に平行な平面である出射面１８を有している。

プリズム面１７には、図１１及び図１２に例示されるように、複数のプリズム列が形成されていて、複数のプリズム列は、矩形環状のプリズム板１４の辺方向に並んでいる。なお、以降では、矩形環状に形成されたプリズム板１４のプリズム列が整列している方向（図１１ではＸ方向）を整列方向と記し、プリズム列が伸びている方向を稜線方向（図１１ではＹ方向）と記す。

プリズム面１７は、図１１に例示されるように、複数のプリズム列の各々が形成する山の斜面に相当する整列方向に対して傾斜した傾斜部１５と、それらの山の平頂部に相当する整列方向に平行な平坦部１６と、を含んでいる。つまり、各プリズム列は、プリズム列の稜線方向に直交する断面で見たときには、台形形状を呈していて、平坦部１６は、プリズム列毎に設けられている。

図１０に例示される照明光学系では、ＬＥＤ１１から出射されて導光体１２に入射した照明光は、全反射を繰り返しながら導光体１２の内部を進行することによりその指向性が均一化され、出射面１３からプリズム板１４のプリズム面１７へ向けて出射される。その後、プリズム面１７からプリズム板１４に入射した照明光は、プリズム板１４により指向性が制御されて、プリズム板１４の出射面１８から出射される。これにより、指向性が制御された照明光が撮像対象物２１に照射される。

次に、本実施例に係る照明光学系により、照明光の指向性を任意に制御することができることについて説明する。図１３は、図１２に示される線ＣＣ´で断面における、図１０に例示されるプリズム板に入射する入射光と出射光の関係を示す図である。図１４は、図１０に例示されるプリズム板を上方から見たときの出射光の指向性を示す図である。

図１３に例示されるように、本実施例に係る照明光学系のプリズム板１４では、プリズム面１７の傾斜部１５に入射した照明光がプリズム面１７での屈折により整列方向（Ｘ方向）に偏向するのに対して、プリズム面１７の平坦部１６に入射した照明光は、プリズム面１７での屈折により整列方向に偏向することなくプリズム板１４を通過する。また、平坦部１６に入射した照明光については、平坦部１６と出射面１８が平行であるため、平坦部１６及び出射面１８を通過しても、その整列方向（Ｘ方向）成分と稜線方向（Ｙ方向）成分の比率も維持される。

従って、本実施例に係る照明光学系によれば、照明光の指向性を任意に制御することができる。
より具体的には、図１４に例示される指向性分布で示されるように、本実施例に係る照明光学系によれば、稜線方向へも照明光を出射することができる。また、プリズム板１４では、入射した照明光のすべてが整列方向に偏向する図２に例示されるプリズム板２００に比べて、整列方向に偏向する照明光の光量を抑制することができる。このため、本実施例に係る照明光学系によれば、従来技術に係る照明光学系に比べて、照明光の指向性の整列方向への偏りを抑えることができる。

また、プリズム板１４では、プリズム面１７に占める平坦部１６の面積の比率に応じて、整列方向に偏向する照明光の光量を任意に調整することが可能である。このため、本実施例に係る照明光学系によれば、稜線方向へ出射する照明光の光量に対する整列方向へ出射する照明光の光量の比率を任意に調整することができる。図１５は、図１０に例示されるプリズム板に比べてプリズム面に占める平坦部の面積の比率を増加させたプリズム板に入射する入射光と出射光の関係を示す図である。図１６は、図１５に例示されるプリズム板を上方から見たときの出射光の指向性を示す図である。図１５に例示されるように、プリズム板１４ａのプリズム面１７ａに占める平坦部１６ａの面積の比率を増加させて傾斜部１５ａに入射する照明光の光量を減少させることで、整列方向に偏向する照明光の光量を減少させることができる。このため、図１６に例示されるように、より円形に近い指向性分布を実現することができる。

また、プリズム板１４の平坦部１６は、基本的には整列方向に平行であるが、稜線方向に対しては必ずしも平行である必要はない。平坦部１６を稜線方向に対して傾斜して構成することで、稜線方向へプラス向き（Ｙ＋）に出射する光量とマイナス向き（Ｙ−）に出射する光量のバランスを調整することができる。このため、本実施例に係る照明光学系によれば、稜線方向のプラス向きへ出射する照明光の光量と稜線方向のマイナス向きへ出射する照明光の光量とのバランスも任意に調整することができる。このような調整は、例えば、出射面１８から撮像対象物２１までの距離に応じて行っても良い。また、出射面１８も、平坦部１６と同様に、基本的には整列方向に平行であるが、稜線方向に対しては必ずしも平行である必要はない。出射面１８を稜線方向に対して傾斜して構成することによっても、平坦部１６を稜線方向に対して傾斜して構成する場合と同様の効果を得ることができる。

なお、以上では、導光体１２から射出される照明光の指向性が均一化されている場合を例に説明したが、導光体１２から射出される照明光の指向性は、必ずしも均一化されている必要はない。プリズム板１４は入射光の指向性に対する射出光の指向性を任意に制御することができる。このため、導光体１２から射出される照明光の指向性に応じてプリズム板１４を設計することで、本実施例に係る照明光学系は、照明光の指向性を任意に制御することができる。

また、平坦部１６及び出射面１８は、整列方向に平行であることが望ましいが、必ずしも完全に平行である必要はない。傾斜部１５に比べて傾斜角が小さく、稜線方向への光量の分配機能が得られる範囲内であれば、整列方向に対して傾斜していてもよい。

さらに、本実施例に係る照明光学系によれば、所望の指向性を低コストで容易に実現することができる。
ブラスト面の性能は一般に定量化が難しく、ブラスト面の設計は、ブラスト強度の指定に拠らざるを得ないのが通常である。ブラスト強度の設計値は、実際のプリズム板と同様の材料、例えば、プラスティックなどに異なるブラスト強度でブラスト処理を施したものを比較するという試作実験により決定する方法が考えられる。しかしながら、このような方法により決定したブラスト強度でプリズム板の金型にブラスト処理を施したのでは、その金型から成形されるプリズム板に、試作実験で得られたものと同様の性能は望めない。これは、試作実験で使用した材料と金型の材料では硬さなどの条件が全く異なるからである。このため、所望の性能を実現するブラスト強度を決定するためには、金型自体に異なるブラスト強度の処理を施して比較する必要があり、時間的にもコスト的にも非常に負担が大きい。これに対して、プリズム板１４は、図５に例示される従来技術に係るプリズム板３００と異なりブラスト面を含まない。このため、プリズム板１４を含む本実施例に係る照明光学系によれば、低コストで容易に所望の指向性を実現することができる。また、ブラスト強度のような間接的な指標に頼ることなく、傾斜部１５や平坦部１６の幅や角度などによりプリズム板１４の形状を指定してプリズム板を設計することができる。このため、設計を図面上に表現することが可能となり、その結果、設計した性能を高い再現性をもって実現することができる。

さらに、本実施例に係る照明光学系によれば、撮像装置全体を小型化することができる。
従来技術に係る照明光学系では、稜線方向に照明光を出射することができないため、撮像光学系を取り囲むように照明光学系を環状に構成すると、光源から出射された照明光の光量を有効に活用することができない。これに対して、本実施例に係る照明光学系は、稜線方向に照明光を出射することが可能であり、任意に照明光の指向性を制御することができる。このため、図１０に例示されるように、照明光学系を矩形環状に構成してその内部に撮像光学系を配置することができるため、本実施例に係る照明光学系によれば、照明光の利用効率を維持しながら、撮像装置全体を小型化することができる。

以下、本実施例に照明光学系に含まれるプリズム板のさまざまな変形例について説明する。
図１７は、図１０に例示される照明光学系に含まれるプリズム板の変形例の斜視図である。図１８は、図１７に例示されるプリズム板に入射光と出射光の関係を示す図である。図１９は、図１７に例示されるプリズム板に比べてプリズム面に占める平坦部の面積の比率を増加させたプリズム板に入射する入射光と出射光の関係を示す図である。図２０は、図１０に例示される照明光学系に含まれるプリズム板の他の変形例に入射する入射光と出射光の関係を示す図である。図２１は、図１０に例示される照明光学系に含まれるプリズム板のさらに他の変形例に入射する入射光と出射光の関係を示す図である。

図１７に例示されるプリズム板２２は、導光体側に形成されたプリズム面２５が、複数のプリズム列の各々が形成する山の斜面に相当する整列方向に対して傾斜した傾斜部２３と、複数のプリズム列の間に形成される谷に相当する整列方向に平行な平坦部２４とを含んでいる点が、プリズム板１４と異なっている。つまり、プリズム板２２では、各プリズム列は、プリズム列の稜線方向に直交する断面で見たときには、三角形形状を呈していて、平坦部２４は、複数のプリズム列の間に設けられている。なお、撮像対象物側にＸＹ平面に平行な平面である出射面（出射面２６）を有している点は、プリズム板１４と同様である。

図１８に例示されるように、プリズム板２２では、傾斜部２３に入射した照明光がプリズム面２５での屈折により整列方向（Ｘ方向）に偏向するのに対して、平坦部２４に入射した照明光は、プリズム面２５での屈折により整列方向に偏向することなくプリズム板２２を通過する。このため、プリズム板２２によっても、プリズム板１４と同様の効果を得ることができる。

また、プリズム板２２は、プリズム面２５に占める平坦部２４の面積の比率に応じて、整列方向に偏向する照明光の光量を任意に調整することができる点も、プリズム板１４と同様である。例えば、図１９に例示されるプリズム板２２ａのように、プリズム面２５ａに占める平坦部２４ａの面積の比率を増加させて傾斜部２３ａに入射する照明光の光量を減少させることで、整列方向に偏向する照明光の光量を減少させることができる。

図２０に例示されるプリズム板２７は、撮像対象物側に微小な凹凸が形成されたブラスト面（拡散面）である出射面３１を有している点が、プリズム板１４と異なっている。なお、導光体側に形成されたプリズム面（プリズム面３０）が、整列方向に対して傾斜した傾斜部（傾斜部２８）と、整列方向に平行な平坦部（平坦部２９）とを含んでいる点は、プリズム板１４と同様である。

図２０に例示されるように、プリズム板２７によれば、プリズム面３０で照明光の指向性が調整された照明光が出射面３１で拡散される。このため、プリズム板１４に比べて指向性を和らげることができる。つまり、プリズム板１４よりも、指向性分布を円形に近づけることができる。なお、このようなプリズム板２７は、例えば、図１０に例示される導光体１２から射出される照明光の指向性の偏りが大きい場合などに、より有効である。

また、図２１に例示されるプリズム板３２のような、導光体側に形成されたプリズム面３５が、整列方向に対して傾斜した傾斜部３３と、谷に相当する整列方向に平行な平坦部３４とを含むプリズム板でも、撮像対象物側に微小な凹凸が形成されたブラスト面を含むことで、プリズム板２７と同様の効果を得ることができる。

図２２は、本実施例に係る照明光学系に含まれるプリズム板の斜視図である。図２３は、図２２に例示されるプリズム板に入射する入射光と出射光の関係を示す図である。図２４は、図２３に示される線ＤＤ´での断面における、図２２に例示されるプリズム板に入射する入射光と出射光の関係を示す図である。図２５は、図２２に例示されるプリズム板を上方から見たときの出射光の指向性を示す図である。なお、本実施例に係る照明光学系は、プリズム板１４の代わりに図２２に例示されるプリズム板４０を含む点を除き、図１０に例示される実施例１に係る照明光学系と同様である。

図２２に例示されるプリズム板４０は、導光体側に複数のプリズム列が形成されたプリズム面４３と、撮像対象物にＸＹ平面に平行な平面である出射面４４を有している。プリズム面４３は、複数のプリズム列の各々が形成する山の斜面である傾斜部４１と、それらの山の稜線４２と、を含んでいて、各プリズム列は、プリズム列の稜線方向に直交する断面で見たときには、三角形形状を呈している。なお、傾斜部４１は、微小な凹凸が形成されたブラスト面（拡散面）として形成されている。

図２３及び図２４に例示されるように、本実施例に係る照明光学系のプリズム板４０では、照明光が整列方向に対して傾斜した傾斜部４１に入射すると、屈折と拡散が同時に生じることになる。つまり、プリズム板４０では、傾斜部４１を通過した照明光は、稜線方向を含むさまざまな方向へ出射され、且つ、その光量分布の中心（以降、光軸と記す。）が、整列方向に偏向する。このため、出射面４４から出射される照明光の指向性分布は、図２５に例示されるように、楕円形状となり、稜線方向へも照明光が出射される。また、プリズム板４０では、傾斜部４１をブラスト面として形成する際のブラスト強度を調整することで、稜線方向へ出射される照明光の光量を調整することができる。

従って、本実施例に係る照明光学系によれば、照明光の指向性を任意に制御することができる。なお、プリズム板４０では、拡散が偏向後ではなく偏向と同時に行われるため、図５に例示されるプリズム板３００に比べて、ブラスト面による拡散をより効率良く行うことができる。これにより、本実施例に係る照明光学系は、プリズム板３００を含む照明光学系に比べて、指向性の制御範囲を広げることが可能であり、より円形に近い指向性分布を実現することができる。

以下、本実施例に照明光学系に含まれるプリズム板の変形例について説明する。
図２６は、本実施例に係る照明光学系に含まれるプリズム板の変形例に入射する入射光と出射光の関係を示す図である。図２７は、図２６に示される線ＥＥ´での断面における、図２６に例示されるプリズム板に入射する入射光と出射光の関係を示す図である。図２８は、図２６に例示されるプリズム板を上方から見たときの出射光の指向性を示す図である。

図２６及び図２７に例示されるプリズム板４５は、撮像対象物側に微小な凹凸が形成されたブラスト面（拡散面）である出射面４６を有している点が、プリズム板４０と異なっている。なお、プリズム面４３がブラスト面として形成された傾斜部４１を導光体側に含む点は、プリズム板４０と同様である。

図２６及び図２７に例示されるように、プリズム板４５では、入射面であるプリズム面４３の傾斜部４１だけではなく出射面４６もブラスト面として形成されているため、屈折と拡散が傾斜部４１と出射面４６のそれぞれで生じることになる。このため、プリズム板４５を含む照明光学系は、プリズム板４０を含む照明光学系に比べて、指向性の制御範囲を大幅に広げることが可能となり、図２８に例示されるような、さらに円形に近い指向性分布を実現することができる。

図２９は、本実施例に係る撮像装置の構成を例示した図である。図３０は、図２９に例示される照明光学系に含まれるプリズム板の斜視図である。図３１は、図３０に例示されるプリズム板の平面図である。図３２は、図３１に例示されるプリズム板の破線部分の平面拡大図である。

図２９に例示される撮像装置５０は、例えば、手のひら静脈認証装置やバーコードリーダなど、撮像対象物６１からの情報読取を目的とする撮像装置である。撮像装置５０は、撮像レンズ５９とイメージセンサ６０とを含む撮像光学系と、撮像光学系の周囲を取り囲むように配置された撮像装置用の照明光学系と、を含んでいる。

照明光学系は、イメージセンサ６０の周囲に円環状に配列された複数のＬＥＤ５１と、円環状に形成されたプリズム板５４とを含み、さらに、複数のＬＥＤ５１とプリズム板５４の間に、撮像レンズ５９の周囲を取り囲むように円筒状に形成された導光体５２を含んでいる。プリズム板５４は、導光体５２側にプリズム面５７を有し、撮像対象物６１側に撮像光学系の光軸と直交する平面である出射面５８を有している。なお、プリズム板５４は、実施例１に係るプリズム板１４を円環状に構成したものに相当する。

プリズム面５７には、図３０、図３１に例示されるように、複数のプリズム列が形成されている。複数のプリズム列は、円環状のプリズム板５４の円周方向に円環状に並んでいて、各々が円環状のプリズム板５４の半径方向に向かって伸びている。

プリズム面５７は、複数のプリズム列の各々が形成する山の斜面に相当し且つプリズム板５４の接線方向に対して傾斜した傾斜部５５と、それらの山の平頂部に相当し且つプリズム板５４の接線方向に平行な平坦部５６と、を含んでいる。つまり、各プリズム列は、プリズム板５４の半径方向に直交する断面で見たときには、台形形状を呈していて、平坦部５６は、プリズム列毎に設けられている。

図３０に例示されるように、プリズム板５４では、円周方向に円環状に並べられたプリズム列の山の高さがプリズム板５４全体で（つまり、外周から内周まで）一定に、具体的には、高さＨ１に、なるように形成されている。また、山と山の間隔も、一定に、具体的には、間隔Ｗに、なるように形成されている。また、図３２に例示されるように、円環状のプリズム板５４の外周は当然内周よりも長くなるため、各プリズム列の幅は、内側面では幅Ｐであるが、プリズム板５４の内周側から外周側に向かって長くなる。プリズム板５４では、内周側から外周側に向かって長くなるプリズム列の幅の、幅Ｐからの増分が、平坦部５６の幅となっている。なお、山と山の間隔Ｗとプリズム列の幅Ｐは、Ｗ＝Ｐの関係にある。

以上のように構成された照明光学系では、ＬＥＤ５１から出射されて導光体５２に入射した照明光は、全反射を繰り返しながら導光体５２の内部を進行することによりその指向性が均一化され、出射面５３からプリズム板５４のプリズム面５７へ向けて出射される。その後、プリズム面５７からプリズム板５４に入射した照明光は、プリズム板５４により指向性が制御されて、プリズム板５４の出射面５８から出射される。これにより、指向性が制御された照明光が撮像対象物６１に照射される。

なお、プリズム板５４では、プリズム面５７の傾斜部５５に入射した照明光がプリズム面５７での屈折により接線方向に偏向するのに対して、プリズム面５７の平坦部５６に入射した照明光は、プリズム面５７での屈折により接線方向に偏向することなくプリズム板５４を通過する。また、平坦部５６に入射した照明光については、平坦部５６と出射面５８が平行であるため、平坦部５６及び出射面５８を通過しても、その接線方向成分と半径方向成分の比率が維持される。

従って、本実施例に係る照明光学系によれば、実施例１に係る照明光学系と同様に、照明光の指向性を任意に制御することができる。より具体的には、半径方向へも照明光を出射することが可能であり、照明光の指向性の接線方向への偏りを抑えることができる。

また、本実施例に係る照明光学系は、プリズム面５７に占める平坦部５６の面積の比率に応じて、接線方向に偏向する照明光の光量を任意に調整することが可能である。このため、実施例１に係る照明光学系と同様に、半径方向へ出射する照明光の光量に対する接線方向へ出射する照明光の光量の比率を任意に調整することができる。

図３３Ａは、図３０に例示されるプリズム板のプリズム面に平坦部がない場合の射出光の指向性を例示する図である。図３３Ｂは、図３０に例示されるプリズム板のプリズム面に占める平坦部の比率が小さい場合の射出光の指向性を例示する図である。図３３Ｃは、図３０に例示されるプリズム板のプリズム面に占める平坦部の比率が中程度の場合の射出光の指向性を例示する図である。図３３Ｄは、図３０に例示されるプリズム板のプリズム面に占める平坦部の比率が大きい場合の射出光の指向性を例示する図である。

プリズム板５４の代わりに、プリズム面に平坦部がないプリズム板５４ａを照明光学系に用いた場合には、プリズム板５４ａへの入射光がさまざまな方向から入射しても半径方向へ出射する照明光は生じないため、図３３Ａに例示されるように、照明光学系から出射される照明光は、半径方向がくびれた８の字型に分布することになる。

プリズム板のプリズム面に占める平坦部の比率が小さいプリズム板５４を照明光学系に用いた場合には、半径方向へ比較的少ない光量の照明光が出射される。このため、図３３Ｂに例示されるように、照明光学系から出射される照明光は、半径方向に比べて接線方向に強い指向性を示す楕円形状の指向性分布を有することになる。

プリズム板５４の代わりに、プリズム板のプリズム面に占める平坦部の比率が中程度のプリズム板５４ｂを照明光学系に用いた場合には、半径方向へもある程度の光量の照明光が出射される。このため、図３３Ｃに例示されるように、照明光学系から出射される照明光は、半径方向に対して接線方向に強い指向性を示すが、比較的円形状に近い楕円形状の指向性分布を有することになる。

プリズム板５４の代わりに、プリズム板のプリズム面に占める平坦部の比率が大きいプリズム板５４ｃを照明光学系に用いた場合には、半径方向へも十分な光量の照明光が出射される。このため、図３３Ｄに例示されるように、照明光学系から出射される照明光は、略円形状の指向性分布を有することになる。

次に、図３３Ａから図３３Ｄで例示される指向性分布を有する照明光を撮像対象物６１に照射した場合の、撮像対象物上での照度分布について説明する。
図３４は、照度の評価面と照明光学系の出射面との関係を示す図である。図３５Ａは、照明光学系から出射される照明光が図３３Ａに例示される指向性を示す場合における、評価面での照度分布を示す図である。図３５Ｂは、照明光学系から出射される照明光が図３３Ｂに例示される指向性を示す場合における、評価面での照度分布を示す図である。図３５Ｃは、照明光学系から出射される照明光が図３３Ｃに例示される指向性を示す場合における、評価面での照度分布を示す図である。図３５Ｄは、照明光学系から出射される照明光が図３３Ｄに例示される指向性を示す場合における、評価面での照度分布を示す図である。図３６は、照明光学系から出射される照明光の指向性の変化による評価面での照度分布の変化について説明するための図である。

なお、図３４に例示されるように、撮像光学系の光軸方向をｚ軸方向と定義し、照明光学系の出射面５８のｚ座標を０とし、撮像対象物６１表面に相当する評価面のｚ座標をｚ１とする。また、撮像光学系の光軸方向と直交する半径方向をｒ方向と定義し、撮像光学系の光軸のｒ座標を０とする。

図３３Ａに例示される指向性分布を有する照明光が評価面に入射すると、図３５Ａに示されるように、評価面の中央部分の照度が０となる。このため、図３３Ａに例示される指向性分布では、撮像対象物６１の中心部分が全く照らされない。

一方、図３３Ｂから図３３Ｄに例示されるような半径方向にも分布を有する照明光が評価面に入射すると、図３５Ｂから図３５Ｄに示されるように、評価面の中央部分にも照度が生じることになり、撮像対象物６１全体を照明することができる。

また、図３３Ｄに例示される略円形状の指向性分布を有する照明光が評価面に入射すると、図３５Ｄに示されるように、照度分布Ｄは平坦にはならず、評価面の中心部分が高い照度を示す。これは、照明光学系が円環状に構成されているためである。図３５Ｃに示されるように、図３３Ｃに例示される比較的円形状に近い半径方向を短軸とする楕円形状の指向性分布を有する照明光を評価面に入射した場合に、評価面で略平坦な照度分布Ｃが生じることになる。

このように、本実施例に係る照明光学系によれば、プリズム面に占める平坦部の面積の比率を変更して半径方向へ出射される照明光の光量を変更することにより、照明光の指向性分布を制御することが可能で有り、その結果として、図３６に示されるように、評価面（撮像対象物）での照度分布を任意に制御することができる。

また、プリズム板５４の平坦部５６は、基本的には接線方向に平行であるが、半径方向に対しては必ずしも平行である必要はない。平坦部５６を半径方向に対して傾斜して構成することで、半径方向へプラス向き（プリズム板５４の内周側から外周側に進む向き）に出射する光量とマイナス向き（プリズム板５４の外周側から内周側に進む向き）に出射する光量のバランスを調整することができる。このため、本実施例に係る照明光学系によれば、半径方向のプラス向きへ出射する照明光の光量と半径方向のマイナス向きへ出射する照明光の光量とのバランスも任意に調整することができる。このような調整は、例えば、出射面５８から撮像対象物６１までの距離に応じて行っても良い。また、出射面５８も、平坦部５６と同様に、基本的には接線方向に平行であるが、半径方向に対しては必ずしも平行である必要はない。出射面５８を半径方向に対して傾斜して構成することによっても、平坦部５６を接線方向に対して傾斜して構成する場合と同様の効果を得ることができる。

なお、本実施例では、出射面５８から射出される照明光の指向性が均一化されている場合を例に説明したが、導光体５２から射出される照明光の指向性は、必ずしも均一化されている必要はない。プリズム板５４は入射光の指向性に対する射出光の指向性を任意に制御することができる。このため、導光体５２から射出される照明光の指向性に応じてプリズム板５４を設計することで、本実施例に係る照明光学系は、照明光の指向性を任意に制御することができる。

また、平坦部５６及び出射面５８は、接線方向に平行であることが望ましいが、必ずしも完全に平行である必要はない。傾斜部５５に比べて傾斜角が小さく、半径方向への光量の分配機能が得られる範囲内であれば、接線方向に対して傾斜していてもよい。

さらに、本実施例に係る照明光学系によれば、ブラスト面を含まないため、実施例１で上述した理由と同様の理由により、所望の指向性を低コストで容易に実現することができる。また、設計を図面上に表現することが可能となり、その結果、設計した性能を高い再現性をもって実現することができる。

さらに、本実施例に係る照明光学系によれば、撮像装置全体を小型化することができる。従来技術に係る照明光学系では、稜線方向（本実施例の照明光学系では半径方向に相当）に照明光を出射することができないため、撮像光学系を取り囲むように照明光学系を環状に構成すると、光源から出射された照明光の光量を有効に活用することができない。これに対して、本実施例に係る照明光学系は、半径方向に照明光を出射することが可能であり、任意に照明光の指向性を制御することができる。このため、図２９に例示されるように、照明光学系を円環状に構成してその内部に撮像光学系を配置することができるため、本実施例に係る照明光学系によれば、照明光の利用効率を維持しながら、撮像装置全体を小型化することができる。

また、矩形環状に構成された照明光学系の場合、例えば、矩形の各辺の中央部分から出射される照明光と端部分から出射される照明光は、撮像レンズ５９までの距離やその照明光の光軸と撮像レンズ５９との関係などがそれぞれ異なるため、撮像に異なる影響を及ぼすことになる。これに対して、円環状に構成された照明光学系の場合、円周方向の異なる位置から射出された照明光であっても撮像に及ぼす影響に違いはないため、照明光学系により照明光の指向性を制御することにより、最適な撮像条件を実現することが容易となる。従って、本実施例に係る照明光学系は、撮像光学系の照明光学系としてより好適である。

以下、本実施例に照明光学系に含まれるプリズム板のさまざまな変形例について説明する。
図３７は、図２９に例示される照明光学系に含まれるプリズム板の変形例の斜視図である。図３８は、図３７に例示されるプリズム板の平面図である。図３９は、図２９に例示される照明光学系に含まれるプリズム板の他の変形例の斜視図である。図４０は、図３９に例示されるプリズム板の平面図である。

図３７及び図３８に例示されるプリズム板６２は、プリズム面５７の代わりにプリズム面６５を含む点が、図３０に例示されるプリズム板５４と異なっている。プリズム面６５は、複数のプリズム列の各々が形成する山の斜面に相当し且つプリズム板６２の接線方向に対して傾斜した傾斜部６３と、それらの山の平頂部に相当し且つプリズム板６２の接線方向に平行な平坦部６４と、を含む点は、図３０に例示されるプリズム面５７と同様である。

プリズム板６２では、図３７に例示されるように、プリズム列の山の高さは、外周面から中間点Ｍまでは高さＨ２で一定であるが、中間点Ｍから内周面までは、内周面に向かって低くなっており、内周面では高さＨ３（＜Ｈ２）になっている。なお、プリズム板６２では、山と山の間隔Ｗとプリズム列の幅Ｐは、Ｗ＞Ｐの関係にある。

図３９及び図４０に例示されるプリズム板６６は、プリズム面５７の代わりにプリズム面６９を含む点が、図３０に例示されるプリズム板５４と異なっている。また、プリズム面６９は、複数のプリズム列の各々が形成する山の斜面に相当し且つプリズム板６６の接線方向に対して傾斜した傾斜部６７と、複数のプリズム列の間に形成される谷に相当し且つプリズム板６６の接線方向に平行な平坦部６８とを含んでいる点が、図３０に例示されるプリズム面５７と異なっている。つまり、プリズム板６６では、各プリズム列は、プリズム列の半径方向に直交する断面で見たときには、三角形形状を呈していて、平坦部６８は、複数のプリズム列の間に設けられている。

プリズム板６６では、山の高さ（谷の深さ）は、外周面から中間点Ｍまでは高さＨ４で一定であるが、中間点Ｍから内周面までは、内周面に向かって低く（浅く）なっており、内周面では高さＨ５（＜Ｈ４）になっている。なお、プリズム板６６では、プリズム列の山の頂上部分の位置を一定に揃えている。また、プリズム板６２では、山と山の間隔Ｗとプリズム列の幅Ｐは、Ｗ＞Ｐの関係にある。

プリズム板６６では、傾斜部６７に入射した照明光がプリズム面６９での屈折により接線方向に偏向するのに対して、平坦部６８に入射した照明光は、プリズム面６９での屈折により接線方向に偏向することなくプリズム板６６を通過する。このため、プリズム板６６によっても、プリズム板５４と同様に、照明光の指向性を任意に制御することができる。

図３７及び図３８に例示されるプリズム板６２及び図３９及び図４０に例示されるプリズム板６６は、山の高さが一定である外周面から中間点までの間は、プリズム板５４と同様に、平坦部が形成されるが、中間点Ｍから内周面までは、平坦部が形成されない。このため、プリズム板５４に比べて、平坦部の面積が減少するため、プリズム板６２及びプリズム板６６では、半径方向へ出射される照明光の光量を抑えることができる。

なお、以上では、平坦部の面積の比率を減少させる例を示したが、変形例は特にこれに限られない。例えば、山と山の間隔Ｗとプリズム列の幅ＰがＷ＜Ｐの関係となるプリズム面を形成することにより、平坦部の面積を増加させてもよい。このように、山と山の間隔Ｗ、プリズム列の幅Ｐ、山の高さＨなどプリズム面のパラメータをさまざまに変更することで平坦部の面積の比率を任意に変更することが可能である。それによって、照明光の指向性を任意に制御することができる。

その他、本実施例に係る照明光学系においても、実施例１と同様に、プリズム板の出射面を微小な凹凸が形成されたブラスト面（拡散面）として形成してもよい。これにより、指向性を和らげることができるため、指向性分布をさらに、円形に近づけることができる。

図４１は、図２９に例示される撮像装置に含まれる照明光学系の変形例の構成を例示した図である。図４２は、図４１に例示される照明光学系に含まれるプリズム板の斜視図である。

図４１に例示される照明光学系７０は、不図示のイメージセンサの周囲に円環状に配列された複数のＬＥＤ７１と、円環状に形成されたプリズム板７３と、複数の７１とプリズム板７３の間に、円筒状に形成された導光体７２を含んでいる。また、プリズム板７３は、導光体７２側にプリズム面７４を、撮像対象物側に出射面７５を有している。

照明光学系７０は、図４１に例示されるように、導光体７２の出射面が半径方向に傾斜している点、プリズム板７３のプリズム面７４及び出射面７５が半径方向に傾斜している点が、図２９に例示される照明光学系と異なっている。このため、プリズム板７３は、図４２に例示されるように、円錐台形状を呈している。

本変形例に係る照明光学系７０によっても、図２９に例示される照明光学系と同様に、照明光の指向性を任意に制御することができる。例えば、照明光学系７０では、円錐台形状のプリズム板７３により、半径方向のプラス向きへ出射する照明光の光量と半径方向のマイナス向きへ出射する照明光の光量とのバランスを任意に調整することができる。このような調整は、出射面７５から撮像対象物までの距離に応じて行っても良い。

１０、５０、１００ 撮像装置
１１、５１、７１ ＬＥＤ
１２、５２、７２ 導光体
１３、１８、２６、３１、４４、４６、５３、５８、７５ 出射面
１４、１４ａ、２２、２２ａ、２７、３２、４０、４５、５４、５４ａ、５４ｂ、５４ｃ、６２、６６、２００、３００ プリズム板
１５、１５ａ、２３、２３ａ、２８、３３、４１、５５、６３、６７ 傾斜部
１６、１６ａ、２４、２４ａ、２９、３４、５６、６４、６８ 平坦部
１７、１７ａ、２５、２５ａ、３０、３５、４３、５７、６５、６９、７４、２０１、３０１ プリズム面
１９、５９、１０４ 撮像レンズ
２０、６０、１０５ イメージセンサ
２１、６１ 撮像対象物
４２、２０２、３０２ 稜線
７０、１０１ 照明光学系
１０２ 光源
１０３ 撮像光学系
１０６ 被写体
２０３ 平面
３０３ ブラスト面

Claims (9)

1. 撮像装置用の照明光学系であって、
   円環状に配列された複数の光源と、
   円環状に形成されたプリズム板と、を含み、
   前記プリズム板は、
   前記光源からの照明光が入射する、前記プリズム板の円周方向に円環状に並ぶ複数のプリズム列が形成されたプリズム面と、
   前記照明光を出射する出射面と、を含み、
   前記プリズム面は、
   前記プリズム板の接線方向に実質的に平行な平坦部であって前記光源から入射する照明光を前記接線方向に偏向させることなく透過させる平坦部と、
   前記接線方向に対して傾斜した傾斜部であって前記光源から入射する照明光を前記接線方向に偏向させる傾斜部と、を含み、
   前記平坦部は、前記複数のプリズム列の各々が形成する山と前記複数のプリズム列の間に形成される谷のうち少なくとも一方に含まれる
   ことを特徴とする撮像装置用の照明光学系。
2. 請求項１に記載の撮像装置用の照明光学系において、さらに、
   前記複数の光源と前記プリズム板の間に配置されて、前記複数の光源から出射される照明光を前記プリズム板の前記プリズム面に導く導光体を含む
   ことを特徴とする撮像装置用の照明光学系。
3. 請求項２に記載の撮像装置用の照明光学系において、
   前記出射面は、微小な凹凸が形成された拡散面である
   ことを特徴とする撮像装置用の照明光学系。
4. 請求項２に記載の撮像装置用の照明光学系において、
   前記平坦部は、前記プリズム板の半径方向に対して傾斜している
   ことを特徴とする撮像装置用の照明光学系。
5. 請求項２に記載の撮像装置用の照明光学系において、
   前記出射面は、前記プリズム板の半径方向に対して傾斜している
   ことを特徴とする撮像装置用の照明光学系。
6. 請求項２に記載の撮像装置用の照明光学系において、
   前記プリズム板は、円錐台形状であり、
   前記平坦部は、前記プリズム板の半径方向に対して傾斜し、
   前記出射面は、前記半径方向に対して傾斜している
   ことを特徴とする撮像装置用の照明光学系。
7. 請求項２に記載の撮像装置用の照明光学系において、
   前記プリズム列は、前記プリズム板の半径方向に直交する断面で見たときに、台形形状を呈し、
   前記平坦部は、前記プリズム列毎に設けられる
   ことを特徴とする撮像装置用の照明光学系。
8. 請求項２に記載の撮像装置用の照明光学系において、
   前記プリズム列は、前記プリズム板の半径方向に直交する断面で見たときに、三角形形状を呈し、
   前記平坦部は、前記複数のプリズム列の間に設けられる
   ことを特徴とする撮像装置用の照明光学系。
9. 請求項２に記載の撮像装置用の照明光学系において、
   前記プリズム面に占める前記平坦部の面積の比率に応じて、前記出射面から出射される照明光の指向性が変化する
   ことを特徴とする撮像装置用の照明光学系。

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