WO2011052018A1 - 撮像装置の照明光学系 - Google Patents

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optical system
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imaging
illumination optical
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山崎行造
岩口功
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富士通フロンテック株式会社
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    • G03B2215/0589—Diffusors, filters or refraction means
    • G03B2215/0592—Diffusors, filters or refraction means installed in front of light emitter

Definitions

  • the present invention relates to an illumination optical system of an imaging apparatus that irradiates light on an imaging object in order to receive reflected light from the imaging object with an imaging element.
  • an information reading imaging device that reads biological information such as printed information on paper such as barcodes and palm veins
  • biological information such as printed information on paper
  • barcodes and palm veins it is an area that should be originally uniform in the reflected light of the light illuminated on the medium surface. Nevertheless, if a local high-intensity part occurs, the reflected component becomes image noise, which is not desirable.
  • FIG. 1 shows a configuration of a conventional imaging apparatus in which an illumination optical system is arranged around the imaging optical system.
  • This imaging device 110 has an illumination optical system 115 in which a plurality of light emitting elements (LEDs) 114-1, 114-2,... Are arranged around an imaging optical system 113 including an image sensor 111 and a lens 112. is doing.
  • LEDs light emitting elements
  • the light L1, L2, L3 from the light emitting element 114-1 illuminates the object 116
  • the emitted light L1, L2, L3 is reflected at points A, B, and C of the object 116.
  • the light reflected at the points A, B, and C is received by the image sensor 111, and images at the points A, B, and C are formed.
  • the light reflected in the direction indicated by the solid line is specular reflection light
  • the light reflected in the direction indicated by the broken line is scattered reflection light.
  • the regular reflection light is stronger than the scattered reflection light.
  • specularly reflected light at points A and C does not enter the lens 112, but specularly reflected light at point B enters the lens 112. For this reason, a local high-brightness area
  • a plurality of light emitting elements 114-1, 114-2,... are arranged around the imaging optical system 113 as an illumination light source.
  • 114-2,..., 114-2,..., 114-2,... are emitted from the upper end surface via a light guide (not shown).
  • imaging of point B on the object 116 will be considered based on FIG.
  • the illumination light L4 from the light emitting element 114-2 becomes scattered reflected light as indicated by a broken line at point B.
  • an image of point B is created by this scattered reflected light.
  • the regular reflection light (solid line) of the light L2 from the light emitting element 114-1 is superimposed on this image as noise. This regular reflection noise becomes larger as the regular reflection light is stronger than the scattered reflection light.
  • FIG. 3A shows an example of the optical axis and intensity distribution of the emitted light from the light emitting element 114
  • FIG. 3B shows an example of the optical axis and intensity distribution of the emitted light from the light guide 117. That is, both the outgoing light L from the light emitting element 114 and the outgoing light L from the light guide (transparent cylindrical body that guides light) 117 have the maximum intensity on the optical axis O ′, and the light from the optical axis O ′. As the angle increases, the strength in that direction decreases.
  • FIG. 4 shows an example of regular reflection noise in the image sensor 111.
  • point B on the object 116 between the light emitting element 114-1 and the lens 112 is a regular reflection point. Therefore, an annular regular reflection noise region S is generated as shown in FIG. 4 for the light emitting elements 114-1, 114-2,.
  • the width W of the regular reflection noise region S (the width of the regular reflection region) W depends on the diffusivity of the surface of the object 116 and the size of the entrance pupil (effective aperture) of the lens 112, and is not necessarily an annular shape. For example, it may be circular.
  • FIG. 5 shows a conventional example of an illumination optical system in which regular reflection noise is reduced.
  • the illumination does not generate regular reflection noise.
  • a light source area wider than the imaging area is required, and the apparatus becomes large.
  • the composition of illumination rapidly collapses and the resulting image changes (shallow depth).
  • an illumination optical system is formed by combining ring-shaped light guides 117 with light emitting elements 114-1, 114-2,. 115. This is because the light from the light emitting element 114 is prevented from deviating from the optical path by the light guide 117.
  • the illumination optical system 115 is disposed around the imaging optical system 113 including the lens 112 and the image sensor 111.
  • an arrow R in FIG. 6 indicates the emission direction of the illumination optical system.
  • a ring-shaped light guide 117 is installed around the imaging optical system 113, and illumination light R is emitted from the upper end surface of the light guide 117.
  • the light emitting element 114 and the light guide 117 are configured to be axially centered on the lens optical axis O.
  • the optical axis of the illumination light exists in the radial direction connecting the exit point on the light guide 117 and the lens optical axis O.
  • FIG. 7 shows the relationship between the illumination light and the reflected light from the object 116.
  • the reflected light from the vicinity of the point B strong regular reflection noise is generated on the lens optical axis O of the image pickup system, but the direct reflected light from the light source is normal even with the reflected light from the point C and the point A. There may be reflection noise. This is because the directly reflected light enters the lens optical axis O depending on the surface state of the point C or the point A.
  • Patent Document 1 two prism sheets constituting a surface light source are stacked with the prism strip forming surfaces facing each other inward and the extending directions of the prism strips intersecting each other by 90 degrees.
  • the light emitted from the prism sheet is refracted to become light having directivity in two directions, thereby preventing strong light from being reflected locally on the surface of the reading target.
  • Patent Document 2 a light-diffusing translucent sheet, a light-emitting element disposed behind the translucent sheet, and a prism surface disposed between the light-emitting element and the translucent sheet emit light.
  • a backlight device configured with a prism sheet facing the element side.
  • Patent Document 1 there are two prism sheets, and the emitted light has directivity in two directions, but the illumination light that is one of the emitted lights separated in two directions is applied to the surface of the object. On the other hand, it emits in a substantially vertical direction. For this reason, direct light from the light source enters the lens, and specular reflection noise increases.
  • Patent Document 2 the light emitted from the prism sheet is refracted in a direction away from the normal line of the flat portion, but the direct light from the light source enters the lens, and the regular reflection noise is large. That is, both Patent Document 1 and Patent Document 2 have a problem that specular reflection noise is large.
  • the present invention provides an illumination optical system of an imaging apparatus that can reduce specular reflection noise in a small and low cost.
  • the present invention provides an illumination optical system of an imaging apparatus that irradiates the imaging target with light reflected by the imaging target to receive the reflected light from the imaging element, and a plurality of light emitting elements arranged around the imaging sensor.
  • a ring in which a prism surface having a plurality of ridge lines in the radial direction is formed on the periphery in order to irradiate the imaging object with light from the element and the plurality of light emitting elements.
  • a prism plate having a shape.
  • the ring-shaped prism plate can be formed on a conical cylindrical inclined surface. Furthermore, you may form a micro uneven
  • the minute uneven portion can be formed by blasting.
  • an illumination optical system of an image pickup apparatus that can reduce specular reflection noise with a small size and low cost.
  • FIG. 1 It is a figure which shows the example which the ring-shaped prism board comprised from the some prism piece of another body. It is a simple control block diagram of an imaging device. It is sectional drawing of the imaging device of 2nd Embodiment. It is a figure which shows the illumination optical system of 2nd Embodiment. It is a figure which shows the external appearance of a prism board same as the above. It is a B section enlarged perspective view same as the above.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view of an imaging apparatus to which the illumination optical system of the present invention is applied.
  • the imaging device 10 is a device that irradiates an imaging target object (for example, a palm) 11 with light and receives the reflected light with an image sensor 12 as an imaging device to capture an image.
  • This image sensor 12 is mounted on a circuit board 13.
  • This imaging device 10 includes a plurality of LEDs 14 as light emitting elements arranged around an image sensor 12, a ring-shaped light guide 15 that guides light from the plurality of LEDs 14 to an imaging object 11, and the light guide.
  • a ring-shaped prism plate 22 disposed on the light emission surface 15 and an optical unit 17 that is received in the ring of the prism plate 22 and guides the reflected light from the imaging object 11 to the image sensor 12. Yes.
  • the ring-shaped light guide 15 is supported by a support member 16.
  • a visible light cut filter plate 18 is provided above the light guide 15 and the optical unit 17.
  • the illumination optical system 20 of the imaging apparatus 10 is configured by the LED 14, the light guide 15, and the prism plate 22, which will be described later.
  • the illumination optical system 20 and the optical unit 17 are mounted together on one circuit board 13. As a result, the device is reduced in size and cost.
  • the image sensor 12 is provided in the center of the circuit board 13, and a plurality of LEDs 14 are mounted in a ring around the image sensor 12. Further, the circuit board 13 is provided with a light receiving element (not shown) for performing automatic power control so that the amount of light from the LED 14 becomes a predetermined value.
  • four distance measuring light emitting elements are provided at the four corners of the circuit board 13. From the four distance measuring light emitting elements, the distance and inclination of the imaging object (the palm in the present embodiment) 11 are detected.
  • the ring-shaped light guide 15 is provided above the plurality of LEDs 14 arranged on the circuit board 13.
  • the light guide 15 is made of, for example, resin (or glass), guides light from the plurality of LEDs 14 upward, and irradiates the imaging object 11 with uniform light through the prism plate 22. This is because the light from the LED 14 is guided so as not to leak from the optical path. For this reason, the light guide 15 is formed in a ring shape in accordance with the arrangement of the LEDs 14.
  • the ring shape refers to a ring shape having a hole in the center, and includes, for example, a circular ring, a square ring, an elliptical ring, an oval ring, and the like.
  • the optical unit 17 is attached to the circuit board 13 above the image sensor 12 at the approximate center of the circuit board 13 and in the ring-shaped light guide 15.
  • the optical unit 17 has a lens optical system such as a condenser lens.
  • the light guide 15 has a ring shape, the optical unit 17 is accommodated in the ring, so that the size of the apparatus is reduced.
  • a hood 19 is attached to the visible light cut filter plate 18 in order to prevent light from outside the imaging range from entering the optical unit 17 and intrusion of light leaked from the light guide plate 15.
  • the visible light cut filter plate 18 cuts visible light components that enter the image sensor 12 from the outside. Thereby, even if it suppresses LED14 to low output, the fall of imaging accuracy can be prevented. This is because the noise component due to light from the outside is small.
  • FIG. 9 is a plan view of the illumination optical system 20 and the optical unit 17,
  • FIG. 10 is a perspective view of the illumination optical system 20, and
  • FIG. 11 is a plan view of the prism plate 22.
  • the illumination optical system 20 includes a plurality of LEDs 14 arranged in an annular shape, a ring-shaped light guide 15, and a ring-shaped prism plate 22 disposed on the emission surface 15 a of the light guide 15. ing.
  • the prism plate 22 has a prism surface 24 in which a prism array having a large number of ridge lines 23 in the radial direction is formed on the circumference, and the prism surface 24 faces the LED 14 (the light exit surface 15a of the light guide 15). (See FIG. 10).
  • the prism surface 24 is overlapped so as to face the light exit surface 15a of the light guide 15 (no adhesion, overlap with the air layer interposed), and illumination light is incident on the prism surface 24.
  • the ring-shaped prism plate 22 has an annular shape, but may be, for example, a square ring shape having a through hole at the center, an elliptical ring shape, an oval ring shape, or the like. .
  • the prism surface 24 has a large number of ridge lines 23 in the radial direction, and it is preferable that the large number of ridge lines 23 are equally spaced. However, it does not necessarily have to be equally spaced. Moreover, although it is preferable that many ridgelines 23 are formed in radial direction centering
  • prism plates 22 such as a square ring shape, an elliptical ring shape, and an oval ring shape.
  • the outgoing optical axis of the illumination light from the prism plate 22 is directed not in the radial direction of the center G but in the tangential direction (see arrow T in FIG. 9).
  • the illumination light from the prism plate 22 is directed in a direction orthogonal to the ridge line 23 so as not to go in the direction of the ridge line 23.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating the relationship between the illumination light P to the imaging object 11 and the reflected light Q from the imaging object 11.
  • the illumination light P (incident) on the imaging object 11 at the height Z is in the direction of the axis y ′ in the figure. Incidently inclined.
  • specularly reflected light does not enter the center (Z axis) of the optical unit 17, and only scattered light (reflected light Q) enters.
  • the light that has passed through the prism plate 22 does not exit in a direction orthogonal to the exit surface.
  • the specularly reflected light since the range of the specularly reflected light depends on the diffusivity of the surface of the imaging target 11 and the entrance pupil diameter of the lens of the optical unit 17, the specularly reflected light is completely incident on the center of the optical unit 17. Although it cannot be said that it does not do, it can be said that it is reduced at least.
  • FIG. 13A is a diagram illustrating a control state of the emission direction of illumination light by the prism plate 22.
  • the prism surface 24 of the prism plate 22 is overlapped with the light exit surface 15a of the light guide 15 so as to face each other (no adhesion, overlap with an air layer interposed), and illumination light is irradiated onto the prism surface 24 from below. Is incident, all the light L directed upward is inclined and emitted in the inclined L ′ direction.
  • the prism surface 24 is formed with a prism row having a large number of ridge lines 23 in the radial direction on the circumference.
  • FIG. 13B is a diagram illustrating a state in which minute uneven portions are formed on the exit surface of the prism plate 22.
  • a minute concavo-convex portion 25a is formed on the emission surface 25 of the prism plate 22 opposite to the prism surface 24 by blasting (for example, sandblasting) to form a diffusion surface.
  • the prism surface 24 is formed with a prism array having a large number of ridge lines 23 on the circumference in the radial direction.
  • the minute uneven portion 25a refers to a portion in which relatively minute concave and convex portions are continuously formed in an array or randomly by, for example, sandblasting.
  • various shapes such as a hemispherical shape, a spherical shape, a cone (trapezoid) shape, or a pyramid (trapezoid) shape can be considered as the shape of the convex portion.
  • the pitch and height (depth) of the concave and convex portions of the minute concavo-convex portion 25a can be determined in consideration of the luminance distribution of light from the emission surface 25 and the like.
  • the brightness distribution when the exit surface 25 is a diffusing surface can be obtained by controlling the injection pressure and the injection time of the sand to be used.
  • the description is omitted here.
  • the present invention is not limited thereto.
  • the minute uneven portion 25a can be formed as the diffusion surface, it is not always necessary to use the sand blasting process, and a forming means or other means may be used.
  • FIG. 14 is a diagram showing an example in which the ring-shaped prism plate 22 is composed of a plurality of separate (four in the present embodiment) prism pieces 22a to 22d.
  • Each prism piece 22a to 22d has a prism surface 24 in which a prism row having a large number of ridge lines 23 is formed toward the image sensor 12 side.
  • a large number of ridge lines 23 of the prism pieces 22a to 22d are formed substantially parallel to the radial direction (on the image sensor 12 side). Even with the prism plate 22 composed of such a plurality of prism pieces 22a to 22d, an illumination optical system that reduces the occurrence of regular reflection noise on the imaging optical system side can be obtained.
  • the drive control system of the imaging device 10 is a digital value obtained from an LED output unit 51 that drives a plurality of LEDs 14, a distance measurement LED drive unit 52 that drives an LED 14 ′ for distance measurement, and an analog output of each pixel of the image sensor 12. And an A / D converter 53 for converting to a microcomputer, and a microcontroller (MCU) 50.
  • MCU microcontroller
  • the LED drive unit 51 receives light from the LED 14 by the light receiving element 54 and performs automatic power control according to the received light intensity.
  • the microcontroller (MCU) 50 includes an MPU, a ROM, and a RAM, and calculates a distance and an inclination of an imaging target (a palm in the present embodiment), and then performs processing such as image processing.
  • the microcontroller (MCU) 50 determines whether or not the distance of the imaging target is appropriate (whether it is at a predetermined focal length within the imaging range) and the imaging target before driving the LED 14 for illumination. It is determined whether the inclination of the object is appropriate. When the distance and inclination of the object to be imaged are appropriate, the LED 14 emits light and illuminates the object with illumination light.
  • the image sensor 12 captures an image in the imaging range, and stores the image in the memory via the A / D converter 53. Then, features are extracted from this image. For example, in extracting a blood vessel image, blood vessel image data is extracted from the image.
  • a plurality of LEDs 14 arranged in a ring around the image sensor 12 and a prism surface 24 in which a prism row having a large number of ridge lines 23 in the radial direction is formed on the circumference are directed toward the plurality of LEDs 14. Therefore, it is possible to obtain the illumination optical system 20 of the imaging apparatus having a compact configuration and capable of reducing the occurrence of regular reflection noise on the imaging optical system side.
  • FIG. 16 is a cross-sectional view of the imaging apparatus of the present embodiment.
  • symbol is attached
  • the light guide 15 has a conical cylindrical shape, and its emission surface 15a is formed on an inclined surface.
  • the prism plate 22 is disposed with its prism surface 24 facing the light exit surface 15 a of the light guide 15.
  • FIG. 17 shows the illumination optical system of the present embodiment
  • FIGS. 18A and 18B show the appearance of the prism plate 22.
  • the exit surface 15a of the light guide 15 is a conical cylindrical inclined surface to optimize the illumination light distribution.
  • the ring-shaped prism plate 22 disposed so as to overlap the light exit surface 15 a of the light guide 15 has a three-dimensional shape.
  • the prism plate 22 has a prism surface 24 in which a prism row having a large number of ridge lines 23 in the radial direction is formed on the circumference, as in the first embodiment. ing.
  • the number of prism rows is, for example, 180 at a vertex angle of 90 degrees and a depth of 0.2 mm (prism row pitch of 2 °). Also in this case, similarly to the prism plate 22 shown in FIG. 11, the illumination optical system 20 that reduces the occurrence of regular reflection noise on the imaging optical system side can be obtained.
  • the illumination light that has passed through the prism plate 22 is all inclined in the tangential direction orthogonal to the direction of the ridge line 23 (radial direction), and the light does not go in the radial direction. Thereby, generation
  • the surface opposite to the prism surface 24 (outgoing surface 25) of the prism plate 22 may be a diffusing surface.
  • the diffusing surface can be formed by forming the minute uneven portions 25a (see FIG. 13B) by sandblasting or the like on the emission surface 25 side of the prism plate 22 made of acrylic.
  • the illumination light is directed in the radial direction, and specularly reflected light is incident on the imaging center.
  • its intensity is weak and specular noise is small.
  • the intensity is weak, and the purpose is not impaired by the regular reflection noise.
  • the light which goes to each center from each regular reflection point is weak diffused light
  • the functions and effects of the diffusion surface described above also apply to the first embodiment.
  • the illumination optical system 20 of the imaging apparatus that can reduce the occurrence of regular reflection noise on the imaging optical system side while having a small and low-cost configuration is obtained. Can do.

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Abstract

　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。撮像装置の照明光学系２０は、撮像対象物１１からの反射光をイメージセンサ１２で受光して撮像すべく撮像対象物１１に光を照射するものであり、イメージセンサ１２の周囲に配置された複数のＬＥＤ１４と、複数のＬＥＤ１４からの光を撮像対象物１１に照射すべく、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を複数のＬＥＤ１４に向けたリング状のプリズム板２２とを有する。

Description

撮像装置の照明光学系
　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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