JP7280010B2 - 撮像光学系および撮像装置および撮像システム - Google Patents

Description

この発明は、撮像光学系および撮像装置および撮像システムに関する。

「所定の撮像位置に配置された被写体の平面状部分を撮像」することは、ＩＣ基板の表面状態の検査や、硬貨やチケットの判別等の目的に用いられ、これらの目的に応じた撮像光学系も従来から種々のものが提案され、知られている（特許文献１～３等）。
このような撮像光学系は一般に、被写体の像を結像する撮像レンズ系と、被写体を照明する照明手段とを含んでいるが、照明手段を「被写体が配置される所定位置」の近くに配置して、入射角の大きい照明光で照明する「暗視野系」とするものが多い。

この発明は、所定の撮像位置に配置された被写体の平面状部分を撮像する新規な撮像光学系の実現を課題とする。

この発明の撮像光学系は、所定の撮像位置に置かれた、平面状部分を持つ直径：２Ｄの円形の被写体を撮像する撮像光学系であって、被写体側に開口絞りを配置された前絞り撮像レンズ系で、その光軸を前記被写体の前記平面状部分に直交させて設けられ、前記被写体の像を結像する撮像レンズ系と、前記開口絞りの絞り径以上の径の開口を有し、前記光軸に対して対称的に、且つ、前記開口の部分を前記開口絞りの位置に近接させて配置され、拡散性の照明光を放射する照明光放射部を有する照明手段と、を有し、前記照明手段の照明光放射部は円形の平板状であり、前記被写体の直径：２Ｄに対して、前記開口絞りの絞り径：２Ａ、前記照明手段の外径：２Ｃが、条件：
Ｄ≦（Ａ＋Ｃ）/２
を満足する。

この発明によれば、所定の撮像位置に配置された被写体の平面状部分を撮像する新規な撮像光学系を実現できる。

撮像光学系の実施の１形態を説明するための図である。 被写体の平面状部分における鏡面反射による暗画像を説明するための図である。 撮像レンズ系の実施の１形態を示す図である。 撮像光学系の参考例を説明するための図である。 照明手段の実施の形態を３例説明するための図である。 撮像装置および撮像システムの実施の１形態を説明図的に示す図である。

以下、発明の実施の形態を説明する。具体的な形態を説明するに先だって、用語等を簡単に説明する。
前述の如く、この発明の撮像光学系は「所定の撮像位置に置かれた被写体の平面状部分を撮像」する。
「被写体」は撮像の対象となる「物体」であり、ＩＣ基板や硬貨、あるいはチケット等で、その平面状部分が撮像対象である。撮像対象である「平面状部分」は「厳密な平面」である必要はなく、「硬貨の浮き彫り模様」や「ＩＣ基板の回線等」のように「高さの低い凹凸」があってもよい。
この被写体の平面状部分を撮像するレンズ系が「撮像レンズ系」であり、レンズ系のタイプとしては「被写体側に開口絞りを配置された前絞り撮像レンズ系」である。即ち、撮像レンズ系の最も被写体側は「開口絞り」であり、撮像レンズ系は「前絞り撮像レンズ系」として、所定の性能を持つように設計されている。開口絞りの絞り穴は所定の「絞り径」に設定されている。
撮像レンズ系は、その光軸を被写体の前記平面状部分に直交させて設けられる。ここに言う「直交」は厳密な直交である必要はなく「実質的に直交」もしくは「略直交」の意味である。被写体の平面状部分と撮像レンズ系の間隔である「物体距離」は一定である。
即ち、撮像レンズ系による撮像の物体位置が「所定の位置」であって、この位置に被写体が置かれる。

被写体の撮像対象部は「照明手段」により照明される。
照明手段は「照明光放射部」を有する。
照明光放射部は「開口絞りの絞り径以上の径の開口」を有し、撮像レンズ系の光軸に対して対称的に配置される。
「光軸に対して対称的」は、後述する実施の形態におけるような「光軸に対して回転対称的」である場合に限らず、線対称の場合等も含まれる。

即ち、撮像レンズ系の光軸は照明光放射部の開口の中心を通る。
この開口の部分は、開口絞りの位置に近接して位置する。
そして、照明光放射部は「拡散性の照明光」を放射する。即ち、被写体は拡散性の光により照明される。
以下、図１を参照する。
図１は、この発明の撮像光学系の実施の１形態を説明するための図である。
図１（ａ）において、符号Ｏｂは被写体を示し、符号１０は撮像光学系を示す。
被写体Ｏｂは、例えば「硬貨」等であり、その平面状部分が撮像対象である。以下の説明では、説明の具体性のため被写体Ｏｂは「硬貨」であるとする。

被写体Ｏｂは撮像対象となる「物体」である。
被写体Ｏｂは、図示を省略された適宜の保持手段に、平面状部分を撮像光学系１０に向けて「所定の撮像位置」に配置される。図に示す位置が「所定の撮像位置」である。
撮像光学系１０は、撮像レンズ系ＳＬＮと、照明手段ＬＳを有する。
撮像レンズ系ＳＬＮは、開口絞りＳＴとレンズ系部分ＬＮとを有し、その光軸ＡＸを被写体Ｏｂの平面状部分に直交させて配設されている。
照明手段ＬＳは「平板状」で円形の開口ＯＰが形成され、撮像レンズ系ＳＬＮの光軸ＡＸが開口ＯＰの中心を通るようにして、開口絞りＳＴに密接して設けられている。開口ＯＰの径は開口絞りＳＴの絞り径（絞り穴の直径）以上である。
即ち、照明手段ＬＳは、開口絞りＳＴの絞り径以上の径の円形の開口ＯＰを有し、光軸ＡＸに対して回転対称的に、且つ、開口ＯＰの部分を開口絞りＳＴの位置に近接させて配置されている。照明手段ＬＳが放射する照明光は「拡散性の光」である。
図１に示す照明手段ＬＳは、例えば「面発光ＬＥＤ」を発光部とし、その発光面に「拡散手段」として表面を「粗し処理」した透明板を重ね、拡散性の照明光ＬＤが被写体Ｏｂ側へ放射されるようにしたものである。

被写体Ｏｂとして例示している硬貨の平面状部分は「鏡面状態」に近く、従って、照明光ＬＤの「かなりの部分」は鏡面反射される。
図１（ｂ）は、照明手段ＬＳを光軸ＡＸの方向から見た状態を示す。中央部における符号ＳＴＯは開口絞りＳＴの「絞り穴」の部分を示している。
以下の説明のために、絞り穴ＳＴＯの直径（即ち「絞り径」）を「２Ａ」、照明手段ＬＳの開口ＯＰの直径を「２Ｂ」、照明手段ＬＳの直径（外径）を「２Ｃ」とする。
被写体Ｏｂの平面状部分が鏡面状態に近く、反射光における鏡面反射成分が大きくなると、上記直径：２Ａ、２Ｂ、２Ｃと被写体Ｏｂの大きさとの関係が重要な意味を有するようになる。この点につき、図２を参照して説明する。
図２（ａ）に示すように、被写体Ｏｂの大きさを「２Ｄ」とする。被写体Ｏｂとしては硬貨を想定しているから、大きさ「２Ｄ」は硬貨の直径である。
図２（ａ）に示すように、照明手段ＬＳの「最外周部の位置Ｑ１」から放射された拡散性の照明光ＬＤのうちで、被写体Ｏｂの最外周部Ｐ１を照明して鏡面反射された光線が、開口絞りＳＴの境界部を通ってレンズ系部分ＬＮに入射する状態を考えると、図に示す距離：ξ、ηは、それぞれ以下の如くになる。

ξ＝Ｃ－Ａ （１）
η＝Ａ＋ξ/２＝Ａ＋（Ｃ－Ａ）/２＝（Ａ＋Ｃ）/２＝Ｄ （２）
Ａ＋Ｃ＝２Ｄ （３）
被写体Ｏｂの半径：Ｄが（Ａ＋Ｃ）/２より大きくなり、Ａ、Ｃ、Ｄの大小関係が、
Ｄ＞（Ａ＋Ｃ）/２
の如くになると、被写体Ｏｂの最外周部Ｐ１で鏡面反射された光線は、開口絞りＳＴの絞り穴ＳＴＯを通ることができず、従って、被写体Ｏｂの「最外周部を含む部分」で鏡面反射された光線は、撮像光学系により結像されない状態となる。
即ち、被写体Ｏｂによる鏡面反射光により、撮像レンズ系ＳＬＮで、被写体Ｏｂの外周縁部まで撮像できるためには、Ａ、Ｃ、Ｄの間に、
Ｄ≦（Ａ＋Ｃ）/２ （４）
が成り立たねばならない。

次に、図２（ｂ）に示すように、照明手段ＬＳの「最内周部（開口ＯＰの縁部）の位置Ｑ２」から放射された拡散性の照明光ＬＤのうちで、被写体Ｏｂ内部の位置Ｐ２で鏡面反射され、開口絞りＳＴの境界部を通ってレンズ系部分ＬＮに入射する光線を考えると、図に示す距離：ζ、ρは、それぞれ以下の如くになる。

ζ＝Ａ＋Ｂ （５）
ρ＝Ｂ－ζ/２＝Ｂ－（Ａ＋Ｂ）/２＝（Ｂ－Ａ）/２ （６）
これから、位置Ｑ２から放射される拡散性の照明光のうち、図２（ｂ）において、位置Ｐ２よりも上方に入射して鏡面反射される光線は、開口絞りＳＴの絞り穴ＳＴＤを通ってレンズ系部分ＬＮに入射することができない。

そこで、図１、図２に示す如く、照明手段ＬＳの開口ＯＰの半径：Ｂ、開口絞りＳＴの絞り穴ＳＴＯの径：Ａの大小関係が、
Ｂ＞Ａ （７）
である場合は、被写体Ｏｂの「平面状部分で鏡面反射された光」による像を、撮像レンズ系ＳＬＮで結像させると、図２（ｃ）に示す如くになる。
なお、（４）式の関係：
Ｄ≦（Ａ＋Ｃ）/２
は成り立っており、被写体Ｏｂの最外周部まで鏡面反射光で撮像可能であるとしている。 図２（ｃ）において、符号Ｉｇは、鏡面反射光による被写体Ｏｂの像（以下「被写体像Ｉｇ」という。）を示す。
上に説明したところに従えば、図２（ｂ）に示す「光軸ＡＸの周りの距離：ρを半径とする円形状の被写体部分」で鏡面反射された光線は、撮像レンズ系ＳＬＮに入射できないので、被写体像Ｉｇの中心部に符号Ｉｇ０で示す「暗い部分」が生じる。
この暗い部分を以下、便宜的に「暗画像Ｉｇ０」と呼ぶ。暗画像Ｉｇ０は、被写体Ｏｂの表面状態が「鏡面に近く」なるほど暗くなる。

被写体が例えば「紙製のチケット」などのように、表面が「拡散反射性」であれば、被写体像に暗画像は生じないが、硬貨のように「鏡面反射性」の強い被写体の場合には、暗画像は暗くなる。極限の場合として、被写体の平面状部分が完全な鏡面であれば、暗画像は「真っ暗」である。

仮に、被写体Ｏｂの平面状部分による反射光のうち、５０％が拡散反射光、５０％が鏡面反射光であるとすると、暗画像Ｉｇ０は十分に目視できるが、周囲の像部分にくらべて「一段暗いもの」になる。被写体Ｏｂとして例示している「硬貨」の場合、平面状部分による鏡面反射光は７０％程度であると考えられる。

撮像光学系を「硬貨の判別」に用いるような場合には、なるべく暗画像が暗くならないようにすることが好ましいし、暗画像が生じないに越したことはない。
暗画像Ｉｇ０の大きさを小さくすることは原理的に可能である。
即ち、上に説明したように「暗画像Ｉｇ０となる被写体Ｏｂ上の半径」は「ρ」であり、（６）式により、
ρ＝（Ｂ－Ａ）/２
で与えられるから、暗画像Ｉｇ０を小さくするには（Ｂ－Ａ）を小さくすればよい。開口ＯＰの半径：Ｂの下限は「Ａ」であるから、照明手段ＬＳの開口ＯＰを開口絞りＳＴの絞り穴ＳＴＯと同じ大きさ（即ち、Ａ＝Ｂ）にすれば、暗画像Ｉｇ０の大きさを０、即ち、暗画像Ｉｇ０が生じないようにできる。

照明手段ＬＳの開口ＯＰと、開口絞りＳＴの絞り穴ＳＴＯを「同じ大きさ」にする一つの方策として「照明手段ＬＳ自体が開口絞りＳＴを兼ねる」ようにすることが考えられる。

暗画像ＩｇＯの大きさは、撮像光学系の使用目的によっては、ある程度の大きさまで許容される。
たとえば、撮像光学系を「硬貨の判別」に用いるような場合、被写体像Ｉｇの中央部に暗画像Ｉｇ０があっても、暗画像Ｉｇ０が大きくなければ「暗画像の周りの像情報のみ」でも判別が可能である。

実際に、種々の硬貨について「暗画像が存在しても判別が可能」となるためには、被写体Ｏｂ上における「２ρ」の大きさが、被写体Ｏｂの直径：２Ｄの１／２程度であること（２ρ≒Ｄ）が確認された。

その場合には、
ρ＝（Ｂ－Ａ）／２＝Ｄ／２
となるから、
Ｂ－Ａ＝Ｄ
となり、これから、照明手段ＬＳの開口ＯＰの半径：Ｂは、
Ｂ＝（Ｄ＋Ａ）
となり、被写体Ｏｂの半径：Ｄと絞り穴の半径：Ａとの和になる。
一方、被写体Ｏｂの外周縁部まで撮像可能な条件は、上述の（４）式に従い、照明手段ＬＳの大きさ（半径：Ｃ）としては、
Ｃ≧２Ｄ－Ａ （８）
であることが必要になる。

以下、具体的な実施の形態例として実施例を説明する。
煩雑を避けるため、混同の恐れがないと思われるものについては、以下の図において図１、図２と符号を共通化する。
「実施例」
図１、図２に即して実施の形態例を説明した撮像光学系の具体的な例を実施例として説明する。

図３は、上に説明した撮像光学系ＳＬＮの具体的な構成の１例を示している。
撮像光学系ＳＬＮは、開口絞りＳＴとその像側に配置されたレンズ系部分ＬＮにより構成され、レンズ系部分ＬＮは「物体側から像側へ向かって配置された４枚のレンズＬ１～Ｌ４」により構成されている。レンズＬ１は「凹面を物体側に向けた正メニスカスレンズ」、レンズＬ２は「凸面を物体側に向けた正メニスカスレンズ」、レンズＬ３およびレンズＬ４は「凹面を像側に向けた負メニスカスレンズ」である。

具体的なデータの１例を表１に挙げる。
表１において、「Ｒ１」は各レンズＬ１～Ｌ４の物体側面、「Ｒ２」は各レンズＬ１～Ｌ４の像側面を示す。また、「ｒ」は各レンズ面の曲率半径、「ｄ」は面間隔を示し、「ｎｄ」はレンズ材料の「ｄ線の屈折率」、「νｄ」はアッベ数を示す。
長さの次元をもつものの単位は「ｍｍ」である。

表１のデータから明らかなように、被写体Ｏｂの平面状部分から、開口絞りＳＴまでの距離は５３．７９３６７ｍｍであり、開口絞りＳＴからレンズＬ１の物体側面までの距離は「５．７０６６３ｍｍ」、レンズＬ４の像側面から被写体像までの距離（バックフォーカス）は１ｍｍである。
開口絞りＳＴは、開口径（前述の２Ａ）：１．５ｍｍのものであり、撮像レンズ系の半画角は４５度である。
照明光源ＬＳとしては、上に説明した「面発光ＬＥＤ」を発光部とし、その発光面に「拡散手段」として表面を「粗し処理」した透明板を重ね、拡散性の照明光ＬＤが被写体Ｏｂ側へ放射されるようにしたものを、開口絞りＳＴの物体側面に近接させて用いた。

被写体Ｏｂとしては「１００円硬貨（白銅貨）の裏面（年号が記された面）」を撮像すべき平面状部分とし、像面Ｉｍの位置に受光面を合致されたＣＣＤセンサで撮像を行った。

被写体Ｏｂとしての１００円硬貨は、直径（上記「２Ｄ」）：２２．６ｍｍであるので、その外周面部までの「鏡面反射光による像」を撮像できるための照明手段ＬＳのサイズ：２Ｃは、前記の式（８）
Ｃ≧２Ｄ－Ａ
において、Ａ＝０．７５ｍｍ、２Ｄ＝２２．６ｍｍとして、
Ｃ≧２２．６－０．７５≧２１．８５ｍｍ
から、２Ｃ＝４４ｍｍとした。また、照明手段ＬＳの開口ＯＰの大きさ：２Ｂは、
Ｂ＝（Ｄ＋Ａ）
に基づき、
２Ｂ＝２２．６＋１．５＝２４．１ｍｍ
に基づき、２Ｂ＝２４ｍｍ（即ち、Ｂ＝１２ｍｍ）に設定した。

撮像した結果、被写体Ｏｂ（１００円硬貨）の中心部の「半径：１１．５ｍｍの円形状部領域」の像が像面上で「暗画像」となったが、硬貨の識別には十分であった。
ところで、実施例の撮像レンズ系ＳＬＮは半画角：４５度であるので、拡散反射光に対しては、光軸を中心として半径：略５３ｍｍの領域が撮像領域として可能である。
この場合、この撮像領域の全域が「鏡面反射性」である場合、この全域を最周辺部まで鏡面反射光により撮像しようとすると、図１に示すタイプの「平板状の照明手段」を用いる場合、その大きさ（上の例における「２Ｃ」）は、前述の式：
Ｃ≧２Ｄ－Ａ
において、Ｄとして５３ｍｍ、Ａ＝０．７５ｍｍを用いると、
Ｃ≧１０６－０．７５＝１０５．２５ｍｍ
即ち、
２Ｃ＝２１０．５ｍｍ
となって、平板状の照明手段のサイズが極めて大きくなる。

図４は、撮像光学系の実施の別形態を説明するための図である。繁雑を避けるため、混同の恐れが無いと思われるものについては、図１、図２におけると符号を共通化する。
図４で、符号ＤＭは撮像レンズ系ＳＬＮ（上述の「実施例」のものを想定する。）による被写体Ｏｂの撮像可能領域を表し、撮像レンズ系ＳＬＮの半画角が４５度で、物体距離が略５４ｍｍであることを考えれば、「光軸ＡＸと被写体Ｏｂの平面状部分との交点」を中心とする半径：５４ｍｍの円形の面積領域である。
図４において、符号ＬＳ１、ＬＳ２は、第１及び第２の照明手段を示す。即ち、この実施の形態においては、照明手段は第１の照明手段ＬＳ１と第２の照明手段ＬＳ２とにより構成されている。
第１の照明手段ＬＳ１は、図１、図２に即して説明した照明手段ＬＳと同様に「平板タイプ」である。第２の照明手段ＬＳ２は「被写体Ｏｂの側に開いたドーム状」の形状を有している。

第２の照明手段ＬＳ２は、複数の発光部ＥＬ（ＬＤ、ＬＥＤ等の発光素子を適宜に用いることができる。）を有し、これら複数の発光部ＥＬを発光させて、ドーム状の内周面から拡散性の照明光を放射するようになっている。
即ち、第２の照明手段ＬＳ２のドーム状の内周面を含む部分は拡散性の照明光を放射する「照明光放射部」となっている。

被写体Ｏｂの撮像可能領域ＤＭの全域は、第１の照明手段ＬＳ１、第２の照明手段ＬＳ２から放射される拡散性の照明光により照明される。撮像レンズ系ＳＬＮは、撮像可能領域ＤＭの全域を撮像可能であり、被写体Ｏｂの平面状部分は拡散性の照明光により照明され、撮像可能領域の最周辺部でも、開口絞りＳＴの絞り穴を通過する鏡面反射光線を有するので、鏡面反射光成分による像を撮像することができる。
第１の照明手段ＬＳ１の開口ＯＰの径（先の説明における「Ｂ」）を、絞り径（先の説明における「Ａ」）に近づけることにより「暗画像の大きさ」を小さくできる。

図４に示す参考例において、照明手段を構成する第１、第２の照明手段ＬＳ１、ＬＳ２は「別体の場合」を例示しているが、第１及び第２の照明手段ＬＳ１、ＬＳ２を合体させて「一体の照明手段」とすることもできる。

また、別の変形例として、第２の照明手段ＬＳ２に代えて、「内面を反射面としたドーム状の反射部材」とし、第１の照明手段ＬＳ１から放射される拡散性の照明光の一部を、ドーム状の反射部材の内面で反射させて、撮像可能領域ＤＭの照明に寄与させることができる。
この場合の「内面を反射面としたドーム状の反射部材」も、第１の照明手段ＬＳ１と一体に形成することができる。

この発明の撮像光学系は、撮像レンズ系と照明手段とを有し、照明手段は「拡散性の照明光を放射する照明光放射部」を有する。
図１、図２に即して説明した実施の形態における照明光学系ＬＳや、図４に即して説明した実施形態における第１の照明光学系ＬＳ１として「面発光ＬＥＤを発光部とし、その発光面に、表面を「粗し処理」した透明板を「拡散手段」として重ね、拡散性の照明光ＬＤが被写体Ｏｂ側へ放射されるようにしたもの」を例示した。
即ち、これら照明光学系ＬＳやＬＳ１は「拡散性の照明光を放射する照明光放射部」であるが、発光部と拡散手段とにより構成されている。

即ち、発光部と拡散手段とが一体となって「照明光放射部」を構成している。

照明手段の構成はこのような例に限られない。
例えば、発光部と拡散手段を別体として構成し、発光部からの光が拡散手段で拡散されて拡散光として射出するようにすれば、拡散手段が「照明光放射部」を構成することになる。
また、上で説明した照明手段ＬＳやＬＳ１では、発光部として「面発光型」のものを例示したが、発光部は勿論これに限らず、ＬＥＤやＬＤ等の発光素子を複数個用いてもよいことは言うまでもない。

ＬＥＤやＬＤ等の発光素子を用いる場合、発光素子と拡散手段を互いに離隔させて配置し、発光素子からの光を「光ファイバ等のライトガイド」により拡散手段に導光するようにしてもよい。
図５に照明手段の例を３例示す。
図５（ａ）において、右図は「照明手段」を撮像レンズ系の光軸方向から見た図で、左図は光軸直交方向から見た図である。
この照明手段は、ＬＥＤやＬＤ等の発光素子２００を複数個、「発光部」として「拡散手段」としての拡散板１００の裏面側に固定的に配置した構成のものである。
拡散板１００は表面側が拡散面となっており、発光素子２００からの光を裏面側から入射させ、表面側で拡散して拡散性の照明光ＬＤとして射出させる。符号１１０は「開口」である。

図５（ｂ）に例示する照明手段は、拡散手段１５０と複数の発光素子２００により構成されている。拡散手段１５０は、図の如く「断面が直角三角形形状であるリング状の透明部材」であり、反射面部分１５１と射出面部分１５２を有しており、射出面部分１５２は拡散面となっている。
ＬＥＤやＬＤ等の発光素子２００は、複数個が、拡散手段１５０の周面部に沿って等間隔に配列されている。発光部２００を発光させると、光は拡散手段１５０の周辺部から入射して反射面部分１５１で反射され、射出面部分１５２で拡散されて、拡散性の照明光ＬＤとして射出する。

図５（ｃ）は、図５（ｂ）の例の変形例であり、発光素子２００が拡散手段１５０と離れて配置され、発光素子２００で放射される光を、導光手段である光ファイバ等のライトガイド１６０により導光して拡散手段１５０の周面部から入射させる構成のものである。

照明手段の構成は、上に説明したものに限らず、種々の構成のものが可能である。

なお、発光部としては、上記発光素子に限らず、フィラメント等、公知の適宜のものを用いることができる。

なお、上に説明した拡散板１００は「拡散手段」の１例であり、拡散手段は拡散板に限られない。

図６に、この発明の撮像装置および撮像システムの実施の１形態を説明図的に示す。この形態例は、図１に示す撮像光学系を用いる構成のものであり、撮像光学系１０、撮像素子２０、制御手段３０を有している。
撮像素子２０はイメージセンサで、この例では「ＣＭＯＳセンサ」が用いられている。
撮像素子２０はその２次元の受光面を、撮像レンズ系ＳＬＮの像面に合致させて配置されている。撮像光学系１０と撮像素子２０は「撮像装置」を構成する。
制御手段３０はコンピュータもしくはＣＰＵ等であり、照明手段ＬＳと撮像素子２０とを制御する。即ち、制御手段３０は、照明手段ＬＳの点滅を制御し、所定の位置に被写体Ｏｂが位置したときに、照明手段ＬＳを点灯させて被写体Ｏｂの平面状部分を拡散性の照明光ＬＤで照明し、撮像レンズ系ＳＬＮにより平面状部分の像を像面に結像させる。

制御手段３０はまた撮像素子２０を制御し、像面即ち受光面に結像した「平面状部分の像」を撮像して画像信号化し、この画像信号を取り込む。
取り込まれた画像信号は、制御手段３０内において画像処理される。
例えば、被写体Ｏｂが硬貨であって、その真偽を判別するような場合であれば、画像処理によって画像化された平面状部分の像と、予め制御手段３０に記憶されている「硬貨表面の画像」とをパターンマッチングにより退避して、真贋を判別する。

なお、真贋判別部を「制御手段３０より上位のコンピュータシステム」により構成し、制御手段３０の出力を該コンピュータシステムに伝送し、コンピュータシステムにより真贋判定を行うようにしてもよい。
以上のように、この発明によれば、以下の如き新規な撮像光学系、撮像装置、撮像システムを実現できる。

［１］
所定の撮像位置に置かれた、平面状部分を持つ直径：２Ｄの円形の被写体（Ｏｂ）を撮像する撮像光学系（１０）であって、被写体側に開口絞り（ＳＴ）を配置された前絞り撮像レンズ系で、その光軸（ＡＸ）を前記被写体（Ｏｂ）の前記平面状部分に直交させて設けられ、前記被写体の像を結像する撮像レンズ系（ＳＬＮ）と、前記開口絞りの絞り径以上の径の開口（ＯＰ）を有し、前記光軸（ＡＸ）に対して対称的に、且つ、前記開口の部分を前記開口絞りの位置に近接させて配置され、拡散性の照明光（ＬＤ）を放射する照明光放射部を有する照明手段（ＬＳ）と、を有し、前記照明手段（ＬＳ）の照明光放射部は円形の平板状であり、前記被写体の直径：２Ｄに対して、前記開口絞りの絞り径：２Ａ、前記照明手段の外径：２Ｃが、条件：
Ｄ≦（Ａ＋Ｃ）/２
を満足する撮像光学系（図１）。
［２］
［１］記載の撮像光学系であって、照明光放射部が開口絞りを兼ねている撮像光学系。

［３］
［１］または［２］に記載の撮像光学系であって、照明手段は、発光部（２００）と、該発光部から放射される光を拡散させる拡散手段（１００）を有し、該拡散手段が前記照明光放射部をなす撮像光学系（図５）。

［４］
［３］記載の撮像光学系であって、前記発光部（２００）から放射される光を、前記拡散手段（１５０）に導光する導光手段（１６０）を有する撮像光学系（図５）。

［５］
平面状の被写体を撮像する撮像装置であって、［１］～［４］の何れか１に記載の撮像光学系（１０）と、該撮像光学系における前記撮像レンズ系（ＳＬＮ）の像面に受光面を合致して配置された撮像素子（２０）を有する撮像装置（図６）。

［６］
［５］記載の撮像装置と、該撮像装置における前記撮像光学系（１０）の前記照明手段（ＬＳ）および前記撮像素子（２０）を制御する制御手段（３０）とを有する撮像システム（図６）。

以上、発明の好ましい実施の形態について説明したが、この発明は上述した特定の実施形態に限定されるものではなく、上述の説明で特に限定していない限り、特許請求の範囲に記載された発明の趣旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
上に説明した実施の形態では、被写体Ｏｂが硬貨のような「鏡面反射性の強い平面状部分」を有するものを例示したが、被写体は、これに限らず、チケット等の「平面状部分が拡散反射性」であるものであってもよいことは言うまでもない。
また、上には、照明光放射部として、撮像レンズ系の光軸に対して回転対称のものを例示したが、前述の如く、照明光放射部や開口絞りは「光軸に対して線対称」であってもよい。例えば、被写体が矩形形状で、撮像素子（ＣＭＯＳセンサ等）の受光面も矩形形状である場合に、照明光照射部の開口形状も矩形形状とすることができる。

また、上には「拡散手段」として「表面を粗し処理したもの」を例示したが、これに限らず「内部にヘイズ粒子を混入して拡散機能を実現」したものなどを用いてもよい。

この発明の撮像光学系を用いる撮像装置、撮像システムでは、撮像されるべき被写体の平面状部分が「鏡面や、鏡面に近い状態」であっても、鏡面反射光による被写体像を撮像できるので被写体における表面形状の輪郭や表面の色の情報を同時に取得できる。

この発明の実施の形態に記載された効果は、発明から生じる好適な効果を列挙したに過ぎず、発明による効果は「実施の形態に記載されたもの」に限定されるものではない。

Ｏｂ 被写体
ＬＳ 照明手段
１０ 撮像光学系
ＳＬＮ 撮像レンズ系
ＳＴ 開口絞り
ＬＮ 撮像レンズ系のレンズ系部分
ＡＸ 撮像レンズ系の光軸

特開平８－２０２９１６号公報 特開平８－３２１９７２号公報 特開平８－３２０４５０号公報

Claims (4)

1. 所定の撮像位置に置かれた、平面状部分を持つ直径：２Ｄの円形の被写体を撮像する撮像光学系を設計する方法であって、
   被写体側に開口絞りを配置された前絞り撮像レンズ系で、その光軸を前記被写体の前記平面状部分に直交させて設けられ、前記被写体の像を結像する撮像レンズ系と、
   前記開口絞りの絞り径以上の径の開口を有し、前記光軸に対して対称的に、且つ、前記開口の部分を前記開口絞りの位置に近接させて配置され、拡散性の照明光を放射する照明光放射部を有する照明手段と、
   を基本の構成とし、
   前記照明手段の照明光放射部を円形の平板状とするとともに、
   前記被写体の直径：２Ｄに対して、前記開口絞りの絞り径：２Ａ、前記照明手段の外径 ：２Ｃが、条件：
   Ｄ≦（Ａ＋Ｃ）/２
   を満足するようにすることを特徴とする撮像光学系の設計方法。
2. 請求項１記載の撮像光学系の設計方法において、
   照明光放射部に開口絞りを兼ねさせる撮像光学系の設計方法。。
3. 請求項１または２記載の撮像光学系の設計方法において、
   照明手段が、発光部と、該発光部から放射される光を拡散させる拡散手段を有するようにするとともに、該拡散手段を前記照明光放射部とするようにする撮像光学系の設計方法。
4. 請求項３記載の撮像光学系の設計方法において、
   前記発光部から放射される光を、導光手段により前記拡散手段に導光させるようにすることを特徴とする撮像光学系の設計方法。

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