JP6260653B2

JP6260653B2 - 撮像装置

Info

Publication number: JP6260653B2
Application number: JP2016141826A
Authority: JP
Inventors: 青木　隆浩; 隆浩青木
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2016-07-19
Filing date: 2016-07-19
Publication date: 2018-01-17
Anticipated expiration: 2032-03-28
Also published as: JP2017021033A

Description

本発明は、撮像装置に関する。

非接触で被写体を撮像しながら、被写体の距離、傾きなどの姿勢、等を検出する機能を備える撮像装置が知られている。特許文献１は、レーザを備え光学式三角測量法を用いた距離センサを備えた撮像装置を開示している。特許文献２は、ＬＥＤの光を集光して被写体に投影しつつ被写体をカメラで撮影する技術を開示している。

特開２０００−２３０８０７号公報特開２００７−１０３４６号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、レーザが高価であるという問題がある。特許文献２の技術では、レーザよりも安価なＬＥＤが用いられているが、集光度合いが低くなる。したがって、特許文献２の技術を小型の撮像装置に用いるのは困難である。

本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、コストを抑制しつつ小型化が可能な撮像装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、明細書開示の撮像装置は、被写体を撮像する撮像素子と、光を前記被写体に照射する複数の光源と、前記撮像素子が撮像した画像において所定の線に沿って輝度を検出する第１検出部と、前記光源から照射される光が前記被写体に当たって現れるスポット位置を検出することによって、前記撮像素子と前記被写体との距離を検出する第２検出部と、を備え、前記光源に含まれる発光素子の発光面は矩形であり、前記矩形の一辺は、前記撮像素子と対向し、当該所定の線と垂直をなす。

明細書開示の撮像装置によれば、コストを抑制しつつ小型化が可能である。

（ａ）は比較例１に係る撮像装置の概略図であり、（ｂ）は比較例２に係る小型撮像装置の概略図である実施例に適用される撮像装置の概略図である。（ａ）および（ｂ）は撮像装置の各変数の定義を説明するための図である。（ａ）は実施例１に係る撮像装置の上面図であり、（ｂ）および（ｃ）は光源の側面図である。（ａ）は発光素子の模式的な斜視図であり、（ｂ）〜（ｅ）は発光素子の配置の例である。（ａ）は実施例２に係る撮像装置が適用される生体認証装置のハードウェア構成を説明するブロック図であり、（ｂ）は撮像装置の上面図であり、（ｃ）は撮像装置の側面図である。生体認証プログラムの実行によって実現される各機能のブロック図である。（ａ）および（ｂ）はスポット光画像の例を説明するための図である。（ａ）および（ｂ）はスポット検出を説明するための図である。事前に取得したキャリブレーションテーブルの例である。認証可能距離および誘導可能距離について説明するための図である。上記距離範囲に応じた誘導を行う際のフローチャートを説明するための図である。スポット光の広がり角βを説明するための図である。

実施例の説明に先立って、比較例について説明する。図１（ａ）は、比較例１に係る撮像装置の概略図である。図１（ａ）を参照して、比較例１に係る撮像装置にはスポット光を発する光源が備わっている。撮像装置は、照射光が被写体に当たる位置（以下、スポット位置）を検出することによって撮像素子と被写体との距離を検出する。光源からの光は、進行方向に進むにつれて徐々に広がる。安価な光源を用いると、光の広がり方は顕著になる。撮像装置が所定の大きさを有していれば、スポット光同士が干渉しないため、この光の広がりは大きな問題にはならない。

しかしながら、撮像装置には、小型化が要求されている。例えば、従来のような据え置きを前提とした撮像装置だけでなく、スマートフォンなどの携帯型装置として撮像装置を機能させたい場合、撮像装置の小型化が要求される。また、小型化が求められる分野では、一般に高価な装置ではなく、低コストが求められる場合が多い。したがって、光の集光度合いには限界がある。

図１（ｂ）は、比較例２に係る小型撮像装置の概略図である。図１（ｂ）を参照して、撮像装置が小型化されると、光源同士が近くなる。この場合、スポット光同士が干渉する。スポット光が干渉すると、スポット位置の検出精度が低下し、撮像素子と被写体との距離の検出精度が低下する。コストを抑制しつつ撮像装置を小型化するためには、この干渉問題を抑制することが望まれる。そこで、以下では、コストを抑制しつつ小型化を可能とする撮像装置について説明する。

まず、以下の実施例に適用される原理について説明する。図２は、以下の実施例に適用される撮像装置２００の概略図である。図２を参照して、撮像装置２００には、撮像素子２０１の周りに複数の光源２０２が設けられた構造を有する。撮像素子２０１は、撮像可能な素子であれば特に限定されず、例えばＣＭＯＳ（ＣｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙＭｅｔａｌＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）カメラなどである。光源２０２は、特に限定されるものではなく、出射光が進行方向に進むにつれて広がる光源であればどのようなものでも用いることができる。例えば、ＬＥＤなどを光源２０２として用いることができる。

各光源２０２は、スポット光の照射方向が撮像素子２０１の光軸に対して外側に傾斜するように配置されている。この場合、光源２０２のスポット光が撮像素子２０１側に広がることを抑制できる。このような構成により、撮像装置２００が小型化されても、スポット光同士の干渉を抑制することができる。また、集光度合いの高い高価な光源を用いなくてもよい。すなわち、コストを抑制しつつ撮像装置２００を小型化することができる。なお、撮像素子２０１を挟んで対向する２つの光源２０２のスポット光軸の傾斜方向は、互いに逆であることが好ましい。

なお、スポット光用のレンズとして、非球面レンズや複数枚のレンズを組み合せた構成を用いて集光度を上げることは可能である。しかしながら、当該構成をなすためのコストアップを招く問題がある。また、当該構成の組み立て時に必要となる精度が高くなるため、小型で安価な撮像装置用には不向きである。例えば、非球面レンズを利用するためには、非常に高度な位置合わせが必要であり、組み立ての精度向上が必要である。したがって、その分のコストアップを招くことになる。また、複数のレンズを用いる構成では、部品点数が余計に必要になる。また、レンズを複数搭載すると、撮像装置自体の高さが必要となるため、撮像装置が大型化してしまう。

これに対して、図２の撮像装置２００では、スポット光の光軸を撮像素子の光軸に対して外側に傾斜させるだけであり、追加の部品や取り付け精度向上を必要としない。したがって、追加の部品コストなどが不要であることから、小型の装置として大きな利点がある。また、距離を測定するためのアルゴリズムも現行と同様のものを利用することができることから、新規の開発コストも不要である。

ここで、スポット光の光軸を撮像素子２０１の光軸に対して外側に傾斜させる場合の影響について説明する。図３（ａ）および図３（ｂ）は、撮像装置２００の各変数の定義を説明するための図である。距離Ｄは、各光源２０２間の距離（ｍｍ）を表す。距離ｘは、撮像素子２０１と被写体との距離（ｍｍ）を表す。画角θは、撮像素子２０１に備わるレンズの画角（ｒａｄ）を表す。傾斜角αは、撮像素子２０１の光軸に対するスポット光の光軸の傾斜角（ｒａｄ）を表す。撮影範囲Ｗ（ｘ）は、距離ｘ（ｍｍ）における撮影範囲（撮像素子で撮影可能な範囲）（ｍｍ）を表す。距離Ｌ（ｘ）は、画面中心からスポット位置の中心までの距離（ｍｍ）を表す。距離Ｐ（ｘ）は、距離Ｌ（ｘ）をピクセルに変換することによって得られるピクセル距離を表す。Ｋは、撮像素子２０１の画像素子のピクセル数を表す。

上記変数の中で、距離Ｄ、画角θ、および傾斜角αは設計値であり、固定値である。一方、距離Ｌ（ｘ）および距離Ｐ（ｘ）は、撮影時の距離ｘに応じて決定される値である。なお、距離Ｌ（ｘ）および距離Ｐ（ｘ）は、同一の長さ（画面中心からスポット位置の中心までの距離）をｍｍ単位で表したものとピクセル単位で表したものである。距離Ｐ（ｘ）は、スポット位置を撮像素子２０１で撮影したときに観測される測定量である。

距離Ｌ（ｘ）は、下記式（１）のように表される。下記式（１）によれば、スポット光の傾斜角を表す傾斜角αに比例して距離Ｌ（ｘ）が大きくなる。

一方、距離ｘにおける撮影範囲Ｗ（ｘ）は、撮像素子２０１の画角θを用いて下記式（２）のように表される。撮像素子２０１のピクセル数を表す変数Ｋ（例えば４８０ピクセル）を用いて、上記撮影範囲Ｗ（ｘ）はＫピクセルに対応して撮影されることになる。

上記式（１）および上記式（２）を用いて、距離Ｐ（ｘ）は、下記式（３）のように表される。下記式（３）がスポット位置の中心と、距離ｘとの関係を表す式である。下記式（３）を用いて、距離ｘが未知の場合に、距離Ｐ（ｘ）から距離ｘを算出することができる。各光源２０２について距離ｘを算出することによって、被写体の位置、被写体の傾きなどを検出することができる。以下、実施例について説明する。

図４（ａ）は、実施例１に係る撮像装置１００の上面図である。図４（ａ）を参照して、撮像装置１００は、撮像素子１０の周囲に複数の光源２０が設けられた構成を有する。例えば、撮像素子１０は矩形の基板３０の中央部に配置され、各光源２０は基板３０の各角部に配置されている。

図４（ｂ）は、光源２０の側面図である。図４（ｂ）を参照して、光源２０は、基板３０上に配置された発光素子２１と、発光素子２１上に配置された集光レンズ２２とを備える。発光素子２１の光軸は、集光レンズ２２の中心に対してずれている。図４（ｃ）を参照して、発光素子２１の光軸が集光レンズ２２の中心と一致する場合、発光素子２１の出射光は直進する。これに対して、図４（ｂ）を参照して、発光素子２１の光軸を集光レンズ２２の光軸からずらすことによって、発光素子２１の出射光を傾斜させることができる。具体的には、発光素子２１を集光レンズ２２の中心よりも撮像素子１０側にずらすことによって、発光素子２１の照射方向を、撮像素子１０の光軸に対して外側に傾斜させることができる。

発光素子２１の照射方向を傾斜させる方法として、発光素子２１を基板３０に対して傾斜させることが考えられる。しかしながら、一般的な回路基板上で部品を斜めに設置することは簡単ではない。例えば、一般的な基板上で発光素子を斜めに実装しようとすると、その分だけ余計なコストが必要となってしまう。また、発光素子が配置された箇所だけ基板を傾斜させる構造も可能ではあるが、基板を斜めにするとその分だけ撮像装置の厚さが必要となってしまい、撮像装置の小型化が阻害される。また、発光素子を配置する部分を別基板にすると、組み立て工数が増加し、コストアップを招いてしまう。

これに対して、本実施例では、発光素子２１を傾斜させる必要がなく、発光素子２１の位置を集光レンズ２２の位置に対してずらすだけであるから、実装が容易である。また、コストも抑制することができる。また、発光素子２１の位置を変更するだけであるから、距離測定に係る一般的なアルゴリズム等を利用することができる。

ここで、発光素子２１として一般的なＬＥＤ素子を用いる場合について説明する。図５（ａ）は、発光素子２１の模式的な斜視図である。図５（ａ）を参照して、発光素子２１は、発光部２１ａの周囲に、光を反射するリフレクタ２１ｂが配置された構成を有する。一般的なＬＥＤ素子は、立方体形状または直方体形状を有し、発光部２１ａの発光面は矩形状（正方形状または長方形状）を有している。撮像素子１０で撮影されるスポット位置の画像は、発光部２１ａの発光面の形状が投影されたものになる。

図５（ｂ）のように発光素子２１の各辺が基板３０の各辺と平行になるように発光素子２１を配置すると、図５（ｄ）を参照して、基板３０の対角線が発光素子２１を通る線分がばらつくことがある。これは、発光素子２１の実装の際に発光素子２１の位置が所望の位置からずれることがあるからである。例えば、ハンダで発光素子２１を実装する場合には、発光素子２１が所望の位置からずれやすい。スポット位置までの距離を測定する際には、一般に基板３０の対角線に沿ってスポット位置の探索がなされる。基板３０の対角線が発光素子２１を通る線分にばらつきが生じると、スポット位置の検出精度が低下する。

そこで、本実施例においては、図５（ｃ）のように、図５（ｂ）の例よりも、発光素子２１の一辺が撮像素子１０と対向するように、各発光素子２１を配置する。この場合、図５（ｅ）を参照して、基板３０の対角線が発光素子２１を通る線分のばらつきを抑制することができる。それにより、スポット位置の検出精度を向上させることができる。なお、発光素子２１の辺のうち撮像素子１０と対向する辺が基板３０の対角線と垂直をなすように発光素子２１を配置することによって、各発光素子２１において基板３０の対角線が通る線分が同じになる。それにより、スポット位置の検出精度をさらに向上させることができる。

実施例２においては、撮像装置が適用される生体認証装置について説明する。図６（ａ）は、実施例２に係る撮像装置１００ａが適用される生体認証装置４００のハードウェア構成を説明するブロック図である。図６（ｂ）は、撮像装置１００ａの上面図である。図６（ｃ）は、撮像装置１００ａの側面図である。

図６（ａ）を参照して、生体認証装置４００は、ＣＰＵ１０１、ＲＡＭ１０２、記憶装置１０３、表示装置１０４、通信部１０５などを備える端末装置３００が撮像装置１００ａと接続された構成を有する。端末装置３００内の各機器は、バスなどによって接続されている。ＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）１０１は、中央演算処理装置である。ＣＰＵ１０１は、１以上のコアを含む。ＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）１０２は、ＣＰＵ１０１が実行するプログラム、ＣＰＵ１０１が処理するデータなどを一時的に記憶する揮発性メモリである。

記憶装置１０３は、不揮発性記憶装置である。記憶装置１０３として、例えば、ＲＯＭ(ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ)、フラッシュメモリなどのソリッド・ステート・ドライブ（ＳＳＤ）、ハードディスクドライブに駆動されるハードディスクなどを用いることができる。生体認証プログラムは、記憶装置１０３に記憶されている。表示装置１０４は、液晶ディスプレイ、エレクトロルミネッセンスパネル等であり、生体認証の結果などを表示する。通信部１０５は、外部機器と信号の送受信を行うためのインタフェースである。端末装置３００と撮像装置１００ａとは通信部１０５を介して接続されている。

撮像装置１００ａは、ユーザの生体を被写体とし、生体画像を取得する装置である。本実施例においては、撮像装置１００ａは、非接触でユーザの手のひら静脈画像を取得する装置である。図６（ｂ）を参照して、撮像装置１００ａは、基板３０上の中央部に、撮像素子１０が配置され、撮像素子１０の周囲に光源２０および照明用光源４０が配置された構成を有する。撮像素子１０は、ＣＭＯＳ（ＣｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙＭｅｔａｌＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）カメラなどである。

基板３０は、矩形状を有している。複数の光源２０は、基板３０の各角部に配置されている。すなわち、光源２０は４つ配置されている。照明用光源４０は、近赤外線を発光するＬＥＤなどであり、各光源２０の間に２つずつ配置されている。すなわち、照明用光源４０は、合計で８つ配置されている。照明用光源４０の数は特に限定されるものではない。

図６（ｃ）を参照して、光源２０は、基板３０上に発光素子２１が配置され、発光素子２１上にアパーチャ２３および集光レンズ２２が配置された構成を有する。アパーチャ２３は、中央部に孔が開いた構成を有し、余分な光をカットすることによって集光度を高める機能を有している。アパーチャ２３は、集光レンズ２２の上側および下側のいずれに配置されていてもよく、両方に配置されていてもよい。発光素子２１は、集光レンズ２２の中心に対して、撮像素子１０側にずらして配置されている。それにより、発光素子２１の照射方向が、撮像素子１０の光軸に対して外側に傾斜する。なお、照明用光源４０および発光素子２１に、共通の発光素子を用いることによってコストを削減することができる。

なお、一般に、レンズ径が大きいほど光の集光に有利である。したがって、撮像装置１００ａのレイアウトの観点から、集光レンズ２２の搭載位置は限定されることになる。特に、中心に撮像素子１０が設けられている場合には、集光レンズ２２の搭載可能位置は限定される。一方で、基板３０上の配線などのレイアウトは比較的柔軟に変更可能である。したがって、基板３０上における発光素子２１の配置の自由度は比較的高くなる。以上のことから、集光レンズ２２を固定した後に発光素子２１の位置をずらしてもよい。

集光レンズ２２は、発光素子２１側に位置する下面が平面形状を有し、上面が球面形状を有していてもよい。上面を球面形状とすることによって、拡散状に広がる照射光を効率よく集光することができる。なお、集光レンズ２２は、下面が球面状を有し、上面が平面状を有していてもよい。

記憶装置１０３に記憶されている生体認証プログラムは、実行可能にＲＡＭ１０２に展開される。ＣＰＵ１０１は、ＲＡＭ１０２に展開された生体認証プログラムを実行する。それにより、生体認証装置４００による各処理が実行され、例えば、生体データ登録処理、生体認証処理などが実行される。生体データ登録処理は、未登録の新規ユーザの生体画像から抽出される特徴データを登録特徴データとしてデータベースに登録する処理である。生体認証処理は、認証時に取得された生体画像から抽出される照合用特徴データと登録特徴データとの照合に基づく個人認証によって被認証ユーザを特定する処理である。

図７は、生体認証プログラムの実行によって実現される各機能のブロック図である。生体認証プログラムの実行によって、全体制御部１１、撮影部１２、検出部１３、誘導部１４、認証処理部１５および登録データベース１６が実現される。全体制御部１１は、撮影部１２、検出部１３、誘導部１４、および認証処理部１５を制御する。撮影部１２は、撮像装置１００ａを制御し、撮像装置１００ａからユーザの生体画像を取得する。

検出部１３は、撮像装置１００ａで取得されたスポット光画像を用いて、撮像素子１０と被写体との距離および被写体の傾きを検出する。なお、検出部１３は、撮像装置１００ａ内に備わっていてもよい。また、検出部を端末装置３００と撮像装置１００ａとに分散してもよい。この場合、端末装置３００側の検出部は、認証処理部１５が認証処理に使用する目的で高精度に距離を測定してもよい。さらに、撮像装置１００ａ側の検出部は、被写体の検出および距離の誘導にのみ用い、簡易な計算方法（間引き処理を入れる）を適用する構成とすることもできる。

誘導部１４は、検出部１３の検出結果に応じて、被写体に対する誘導処理を行う。誘導部１４は、距離ｘおよび被写体の傾きが適切な範囲に入るように、ユーザに対して誘導を行う。例えば、誘導部１４は、表示装置１０４にユーザに対するメッセージなどを表示することによって、ユーザを誘導する。

認証処理部１５は、撮影部１２が取得した生体画像から特徴データを抽出する。例えば、認証処理部１５は、静脈のパターンなどを抽出する。認証処理部１５は、生体データ登録処理時には登録特徴データを抽出して登録データベース１６に登録し、生体認証処理時には照合用特徴データを抽出する。認証処理部１５は、照合用特徴データと、登録データベース１６に登録された登録特徴データとの照合によって被認証ユーザを特定する。

撮像装置１００には制御部５０および記憶装置６０が備わっている。制御部５０は、撮影部１２の指示に従って、撮像素子１０、光源２０、および照明用光源４０を制御する。

次に、撮像素子１０と被写体との距離測定のアルゴリズムについて説明する。図８（ａ）および図８（ｂ）は、スポット光画像の例を説明するための図である。図８（ａ）は撮像装置１００ａと被写体とが近い場合の例であり、図８（ｂ）は撮像装置１００ａと被写体とが遠い場合の例である。被写体が近い場合、撮像素子１０が取得する画面において被写体の面積が大きくなり、スポット光は画面の端の方で検出される。画面上のスポット光の領域がスポット光画像である。一方、被写体が遠い場合、撮像素子１０が取得する画面において被写体の面積が小さくなり、スポット光画像は画面の中心近くで検出される。

検出部１３は、スポット光の位置を、撮像素子１０が取得した画像から検出する。まず、検出部１３は、スポット光画像の中心位置Ｏを開始点として基板３０の対角線（４５°線）に沿ってスポット位置を探索する。具体的には、４５°線上における画像の輝度値を順番に取得し、輝度値が所定のしきい値Ｔｈを超えた場合にスポット開始であると判断する。なお、スポット位置の検出は、搭載されている光源２０の数だけ実施する。本実施例においては光源２０が４つ配置されていることから、検出部１３は、それぞれの光源２０に対して合計で４回探索を行う。

検出部１３は、画面中心とスポット位置の中心との距離Ｐ（ｘ）を取得する。例えば、スポットの“立ち上がり”や“立ち下がり”の位置は、スポット光自体が距離と共に広がっていることから、信頼性が低い。また、立ち上がり、立ち下がりの位置は一般に不明確である。図９（ａ）および図９（ｂ）は、スポット検出を説明するための図である。図９（ａ）および図９（ｂ）において、横軸は４５°線上の距離をピクセル単位で表し、縦軸は輝度値を表している。具体的には、検出部１３は、４５°線上で所定のしきい値Ｔｈを超える範囲を求め、当該範囲の中心をＰ（ｘ）に設定する。なお、被写体の距離に応じてスポットの輝度値は異なる。したがって、画面中心からの距離に応じてしきい値Ｔｈを可変とする構成にしてもよい。検出部１３は、上記で求めた距離Ｐ（ｘ）を用いて下記式（４）に従って距離ｘを算出する。

なお、光源２０の設置位置には誤差が生じることがある。それにより、スポット位置の検出位置にも誤差が生じる。この誤差は、撮像装置１００ａの個体ごとに固有の値を持つ。そのため、製品出荷の際のキャリブレーションとして、あらかじめ距離Ｐ（Ｘ）と距離ｘとの対応間係を測定しておき、撮像装置１００ａの記憶装置６０などに記録しておいてもよい。

具体的には、事前に距離ｘの位置に被写体を設置し、この際に測定された距離Ｐ（ｘ）をテーブルに保存しておいてもよい。図１０は、事前に取得したキャリブレーションテーブルの例である。このような構成により、より高精度の距離測定が可能となる。なお、図１０のようなキャリブレーションテーブルを事前に取得しておく場合、テーブル内の保持された距離以外の距離については補完処理によって算出可能である。例えば、線形補間処理を用いてもよい。これは、隣り合う２つの距離の間を直線で近似するものである。

また、キャリブレーションとしてスポット光の探索開始位置を保存しておいてもよい。これまでの説明では、スポット位置の探索開始位置は画面の中心であると仮定していた。この手順、スポット光源の精度がある程度以上高い場合には問題がない。しかしながら、スポット光源の組み立て精度が非常に低い場合、画面中心から４５°線上を探索してもスポットが外れてしまう可能性がある。この場合には、探索開始位置を事前にキャリブレーションデータとして保存しておくことで対応することができる。

なお、テーブルを用いずに、近似曲線を用いて距離ｘと距離Ｐ（ｘ）との対応関係を取得してもよい。上記式（４）の定数を置き換えると、下記式（５）が得られる。下記式（５）において、「Ａ」および「Ｂ」は未知の定数項である。ここで、キャリブレーションとして複数の距離ｘ_０，ｘ_１，ｘ_２…に対応するピクセル距離Ｐ（ｘ_０）、Ｐ（ｘ_１）、Ｐ（ｘ_２）…を測定する。これらの関係を行列によって表すと、下記式（６）が得られる。

上記式（６）の左側の行列をＸとすると、上記式（６）は下記式（７）のように表される。

上記式（７）を満たす最小誤差の「Ａ」および「Ｂ」を求めるためには、下記式（８）のような疑似逆行列（Ｘ^＋）を用いる方法が知られている。ただし、Ｘ^＋＝（Ｘ^ＴＸ）^−１Ｘ^Ｔである。また、Ｔは転置を意味し、「−１」は逆行列を意味する。このように求めた「Ａ」および「Ｂ」を上記式（５）にあてはめることによって、距離ｘを算出することができる。

なお、傾斜角αの最適値は、撮像装置１００ａの運用条件に応じて決定される。まず、スポット光を斜めに照射する固有の影響として次の点を考慮する必要がある。被写体に対して垂直にスポット光を照射する場合には、距離に依存せず同じ範囲がスポット光に照らされる。一方、照射方向を傾斜させると、スポット光が当たる範囲が距離とともに広がっていく。そのため、距離が大きくなるにつれて、スポット光が被写体から外れる可能性が生じる。スポット光が被写体から外れてしまうと４点の距離を測定することによる傾き補正を行うことができず、生体認証処理に支障をきたす。この点を考慮して本実施例では、認証可能距離および誘導可能距離の２種類の距離範囲に分けて生体認証処理を運用する。

図１１は、認証可能距離および誘導可能距離について説明するための図である。図１１を参照して、認証可能距離は、４点のスポット光による撮影が仕様上保障されている距離範囲である。この距離範囲に被写体が存在する場合は４点のスポット光を用いた傾き検知等を利用することができる。誘導可能距離は、４点スポット光の少なくともいずれかによる誘導が可能な距離である。スポット光が外側に傾斜していることに起因して、誘導可能距離においては４点のスポット光が全て被写体に当たるとは限らない。その結果、この距離範囲では被写体の傾き検知は実行できない場合がある。特に手の小さい人の場合はスポット光が外れる可能性が高くなる。一方、４点のうちのいずれかによる被写体検知および距離の誘導は可能である。一般的に、被写体が離れすぎている場合には生体認証処理を行わず、「手を近づけてください」といった誘導のみを行う場合が多い。そのため、上記のような距離範囲に分けて運用しても実際の使用上は影響がない。

図１２は、上記距離範囲に応じた誘導を行う際のフローチャートを説明するための図である。図１２を参照して、検出部１３は、４つの光源２０のスポット位置に基づいて、距離ｒ１〜ｒ４を取得する（ステップＳ１）。次に、検出部１３は、４点のスポット位置がいずれも認証可能距離範囲Ｒ１内にあるか否か判定する（ステップＳ２）。ステップＳ２で「Ｎｏ」と判定された場合、検出部１３は、１点以上が誘導可能距離範囲Ｒ２内にあるか否かを判定する（ステップＳ３）。ステップＳ３において「Ｙｅｓ」と判定された場合、誘導部１４は被写体の誘導を行う（ステップＳ４）。その後、ステップＳ１が再度実行される。

ステップＳ２で「Ｙｅｓ」と判定された場合、検出部１３は被写体の距離および傾きが所定の範囲内にあるか否か判定する（ステップＳ５）。ステップＳ５において「Ｎｏ」と判定された場合、誘導部１４は被写体の誘導を行う（ステップＳ６）。その後、ステップＳ１が再度実行される。ステップＳ５において「Ｙｅｓ」と判定された場合、認証処理部１５は認証処理を行う（ステップＳ７）。以上の処理により、適切な距離および傾きで、被写体を撮像することができる。

続いて、上記各実施例における光源２０の照射光の傾斜角αの最適値について説明する。傾斜角αを与える位置ずれＤＸは、事前に対応関係をシミュレーションや実測などで測定しておくことができる。傾斜角αが小さ過ぎると、スポット光同士が干渉を起こしてしまうため、必要な最小の傾斜角α_ｍｉｎを適切に設定しておくことが好ましい。傾斜角α_ｍｉｎは、図１３を参照して、スポット光の広がり角βに依存して決まる値である。つまり、スポット光の広がり角βよりも傾斜角αを大きく設定すれば、スポット光源どうしは距離Ｄだけ離れているため、干渉しない。スポット光の広がり角βは光学シミュレータや実測によって求めることができる。

傾斜角αが広がり角βよりも小さい場合でも、一定の距離範囲内であれば、スポット光同士が干渉しないため、そのような構成とすることもできる。具体的には下記式（９）の距離範囲内であれば動作に問題はない。このような条件をもとに、傾斜角αの最小傾斜角α_ｍｉｎを設定してもよい。最小傾斜角α_ｍｉｎが決まれば、対応するＬＥＤの位置ずれ量ＤＸ_ｍｉｎも設定することができる。

一方、傾斜角αが大き過ぎると、被写体からスポット光が外れてしまう可能性がある。そのため、傾斜角αの最大傾斜角α_ｍａｘは運用条件である認証可能距離を基準に設定してもよい。具体的には、想定している認証可能距離の最大値Ｒ_１ｍａｘと、想定している最小の被写体の大きさＬ_ｍｉｎから傾斜角αの最大傾斜角α_ｍａｘを決定してもよい。Ｌ_ｍｉｎは、手のひら静脈認証の例では手のひらの大きさの最小値が該当するが、手の位置ブレがあった場合でも４つのスポット光が観測される大きさに設定することもできる。

照射したスポット光が距離Ｒ_１ｍａｘの位置において大きさＬ_ｍｉｎの範囲内に入るという条件によって、下記式（１０）の条件から最大傾斜角α_ｍａｘが求まる。最大傾斜角α_ｍａｘが求まれば、位置ずれ量ＤＸ_ｍａｘおよび位置ずれ量ＤＸ_ｍｉｎが求まる。

発光素子は、ハンダなどで実装する際の取り付け誤差が一般的な光学部品と比較して大きい。そこで、発光素子を用いたスポット光学系を構築する際には、実装の誤差を考慮することが好ましい。発光素子の取り付け誤差をΔＸとすると、発光素子のずれ量ＤＸの設計値は次のように定めることができる。まず、スポット光同士の干渉が起きないようにする為には誤差ΔＸが存在する場合でも最小ズレ量ＤＸ_ｍｉｎが保障される必要がある。そのため、最小ずれ量ＤＸ_ｍｉｎにΔＸを加えた値が必要となるＤＸの最小値ＤＸ_ｍｉｎ´である（ＤＸ_ｍｉｎ´＝ＤＸ_ｍｉｎ＋ΔＸ）。一方、最大傾斜角α_ｍａｘに関しては、傾斜角αが最大傾斜角α_ｍａｘ以上に広がってしまうと、手のひらの検出に失敗する可能性がある。そのため、誤差ΔＸが存在する場合でも最大傾斜角α_ｍａｘ以下になるようにすることが好ましい。そのため、最大ずれ量ＤＸ_ｍａｘから誤差ΔＸを差し引いた値が許容されるＤＸの最大値ＤＸ_ｍａｘ´である（ＤＸ_ｍａｘ´＝ＤＸ_ｍａｘ−ΔＸ）。以上から発光素子の位置ずれ量ＤＸは、ＤＸ_ｍｉｎ´≦ＤＸ≦ＤＸ_ｍａｘ´の範囲に設定することが好ましい。

生体認証装置４００の機能を実現するためのソフトウェアのプログラムが記録されている記録媒体を生体認証装置４００に供給し、ＣＰＵ１０１が当該プログラムを実行してもよい。プログラムを供給するための記憶媒体としては、例えば、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ、ブルーレイ又はＳＤカードなどがある。また、上記各実施例においては、ＣＰＵによるプログラムの実行によって各機能が実現されていたが、それに限られない。例えば、専用の回路などを用いて各機能を実現してもよい。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０撮像素子
２０光源
２１発光素子
２２集光レンズ
３０基板
１００撮像装置

Claims

被写体を撮像する撮像素子と、
光を前記被写体に照射する複数の光源と、
前記撮像素子が撮像した画像において所定の線に沿って輝度を検出する第１検出部と、
前記光源から照射される光が前記被写体に当たって現れるスポット位置を検出することによって、前記撮像素子と前記被写体との距離を検出する第２検出部と、を備え、
前記光源に含まれる発光素子の発光面は矩形であり、
前記矩形の一辺は、前記撮像素子と対向し、当該所定の線と垂直をなすことを特徴とする撮像装置。
前記光源の光軸は、前記撮像素子の光軸に対して外側に傾斜し、
前記光源は、前記発光素子および集光レンズを含み、
前記発光素子は、前記発光素子の光軸が前記集光レンズの中心に対して前記撮像素子側にずらして配置されていることを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
前記スポット位置と、前記撮像素子と前記被写体との距離との対応関係を記憶する記憶部を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の撮像装置。
前記被写体は、生体であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の撮像装置。