JP4466706B2 - 画像読取装置及び画像読取方法 - Google Patents

Description

本発明は、画像読取装置及び画像読取方法に関し、特に、発光手段を有し、被写体から受光する光量に応じて被写体の画像を読み取る画像読取装置及び画像読取方法に関する。

従来から、ライン状の指紋センサ上を、指紋センサの長手方向と略垂直方向に指がスイープすることにより、指紋の画像読み取りを行う画像読取装置が知られている。かかる画像読取装置においては、指紋センサは光を受光し、受光した光量に応じて電気信号を出力する撮像素子が用いられているが、かかる撮像素子は、指紋センサに指が接近又は接触したことを検出した後、予め設定された光蓄積時間で指紋画像を取得している。

図９は、従来の画像読取装置を用いて、指紋画像を取得する場合の光蓄積時間と取得指紋画像の関係を示した図である。図９（ａ）は、画像読取装置の撮像素子の光蓄積時間を示した図である。図９（ａ）において、光蓄積時間は、屋内等の外乱光の影響が小さい環境で指紋画像を取得することを想定して設定されており、屋内の画像取得に合わせた一定時間に設定される。

図９（ｂ）は、撮像素子を内部に有する指紋センサ１３０により、指紋センサ１３０上をスイープする指１６０の指紋画像を取得している状態を示した図である。図９（ｂ）において、指紋の画像読み取りは屋内で行われており、周囲の環境は、外乱光１４０が弱い状態であり、画像読み取りに外乱光１４０が与える影響は少ない。

図９（ｃ）は、図９（ｂ）の条件下で指紋画像の読み取りが行われ、取得された指紋画像の画素データ値を示した図である。図９（ｃ）において、撮像素子には光電変化素子が１列に配列されたラインセンサの場合の画素データ値が示されており、指紋の山と谷がセンサ出力の差となって表れており、山と谷が明瞭に区別できる指紋画像が得られる。

このように、光蓄積時間を屋内の画像取得に合わせて設定することにより、外乱光の弱い屋内では、明瞭な指紋画像を取得することができる。

なお、撮像素子に、フォトセンス機能と選択トランジスタ機能を持たせたダブルゲート構造を有する薄膜トランジスタを用いたフォトセンサを２次元配列したフォトセンサアレイを採用し、フォトセンサアレイにより被写体画像を読み取る前にフォトセンサアレイの画像読取感度を複数段に変えて事前読込動作を実行し、各画像読取感度毎に、画像パターンに関連する特定の測定量の最大値と最小値を抽出し、これから測定量のデータ範囲を算出し、最大データ範囲を有する読取感度を抽出して、これを正規の読取動作時に設定する読取感度とするようにしたフォトセンサシステムの感度調整装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許３１１６９５０号公報

しかしながら、上述の図９に示した従来技術の内容では、同じ状態で直射日光下などの外乱光の強い環境下で指紋画像を取得すると、指紋センサ１３０に光を蓄えすぎて画素データの出力が飽和するため、指紋の山と谷が判別し難い画像となってしまい、指紋認証に使用できなくなるという問題があった。

図１０は、従来の画像読取装置を用いて、強い外乱光１４０の下で指紋画像の取得を行った場合を示した図である。図１０（ａ）は、強い外乱光１４０の下で、指紋センサ１３０上を指１６０がスイープして指紋画像の画像読み取りを行っている状態を示した図である。図１０（ａ）において、直射日光等の強い外乱光強度の環境下で、指１６０が指紋センサ１３０上をスイープしているときには、外乱光１４０の透過光１４１が、指１６０を透過して指紋センサ１３０に達してしまう。

図１０（ｂ）は、図１０（ａ）の強い外乱光のもとで画像読み取りが行われた場合の、指紋センサ１３０で取得された指紋画像の画素データ値を示した図である。図１０（ｂ）において、画素データの殆どが出力最大値に達して飽和してしまい、指紋の山と谷が区別し難い指紋画像となってしまっていることが分かる。

また、上述の特許文献１に記載の構成では、撮像素子にフォトセンス機能と選択トランジスタ機能を持たせたダブルゲート構造を有する薄膜トランジスタを用いたフォトセンサを用いるため、製作コストがかさみ、また、読取感度の設定のため、正規の読込と同様の事前読込動作が必要となり、更に読取感度の設定に至るまでのプロセス数が多いため、読取感度の設定に多くの時間を要してしまうという問題があった。

そこで、本発明は、簡素な構成で、かつ通常の画像読み取り動作の中で撮像素子の光蓄積時間を設定し、直射日光等の外乱光の強い環境下であっても、適切なコントラストを有する明瞭な画像を取得できる画像読取装置及び画像読取方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、第１の発明に係る画像読取装置（１００）は、被写体（１５０）に出射光（１１）を照射する発光手段（１０）と、
前記被写体（１５０）からの入射光（１２）を受光し、受光した光量に応じた電気信号を発生させる撮像素子（２０）と、
該撮像素子（２０）に、前記被写体（１５０）が接近したことを検出する被写体接近検出手段（４０）と、
該被写体接近検出手段（４０）により、前記被写体（１５０）の接近が検出されたときに、前記発光手段（１０）を消灯し、前記撮像素子（２０）により所定画素分の前記被写体（１５０）の画像を取得し、該画像の画素データに基づいて外乱光強度を判定する外乱光強度判定手段（５０）と、
該外乱光強度判定手段（５０）により判定された外乱光強度に基づいて、前記撮像素子（２０）の光蓄積時間を設定する光蓄積時間設定手段（６０）と、を有し、
前記外乱光強度判定手段（５０）は、取得した前記画素データの各々の出力を所定の複数の閾値と比較し、前記画素データを光強度に応じた複数の領域に分類し、該領域の度数（ａ、ｂ、ｃ）に基づいて、外乱光強度を判定することを特徴とする。

これにより、画像読取装置の撮像素子の光蓄積時間を、一連の画像読み取り動作の中で外乱光強度に合わせて適切に設定することができ、適切な条件下で画像読み取りを行うことができる。また、簡素な判定方法で演算負担少なく適切に外乱光強度を判定することができ、光蓄積時間の設定を迅速に行い、適切な条件で画像読み取りを行うことができる。

第２の発明は、第１の発明に係る画像読取装置（１００）において、
前記光蓄積時間設定手段（６０）は、前記被写体接近検出手段（４０）により、前記被写体（１５０）の接近が検出されたときに、光蓄積時間を最大値に設定することを特徴とする。

これにより、外乱光強度を判定するときに、余分な制約条件を設けず、適切な外乱光強度の判定を行うことができる。

第３の発明は、第１又は第２の発明に係る画像読取装置（１００）において、
前記被写体（１５０）は指であり、
前記撮像素子（２０）は、複数の光電変換素子をライン状に配列したラインセンサであって、
前記画素データは、前記ラインセンサ上を前記指がスイープしたことにより取得される、ライン状の画素データの所定の本数分であることを特徴とする。

これにより、スイープ式の指紋センサを用いた指紋画像読取装置の指紋画像の読み取りを適切な光蓄積時間の条件下で行うことができ、指紋の山と谷が明瞭に区別できる指紋画像を取得し、指紋の認証精度を高めることができる。

第４の発明は、第１〜３のいずれか一つの発明に係る画像読取装置（１００）において、
前記撮像素子（２０）は、前記光蓄積時間設定手段（６０）により設定された光蓄積時間で前記被写体（１５０）を撮像し、前記被写体（１５０）の画像を読み取ることを特徴とする。

これにより、最適に設定された光蓄積時間で被写体の画像読み取りを行うことができ、外乱光がいかなる条件下にあっても、明瞭な画像を取得することができる。

第５の発明は、第１〜４のいずれか一つの発明に係る画像読取装置（１００）において、
前記外乱光強度判定手段（５０）により判定された外乱光強度に基づいて、前記発光手段（１０）の点灯時間を設定する発光時間設定手段（７０）を更に有することを特徴とする。

これにより、外乱光強度に応じて発光手段の発光時間も制御することができ、画像の読み取り時の撮像条件を更に精度高く良好にすることができる。

第６の発明に係る画像読取方法は、被写体（１５０）が撮像素子（２０）に接近したことを検出するステップと、
発光手段（１０）を消灯させた状態で、前記撮像素子（２０）により所定画素分の前記被写体（１５０）の画像を撮像し、該画像の画素データを取得するステップと、
該画素データに基づいて、外乱光強度を判定するステップと、
該外乱光強度に基づいて、前記撮像素子（２０）の光蓄積時間を設定するステップと、
前記被写体（１５０）を前記撮像素子（２０）により撮像するステップと、を有し、
前記外乱光強度を判定するステップは、前記画素データを所定の複数の閾値と比較し、前記画素データを外乱光強度に応じた複数の領域に分類し、該領域の度数（ａ、ｂ、ｃ）を算出するステップと、
前記度数を所定の閾値と比較し、前記外乱光強度を判定するステップと、を含むことを特徴とする。

これにより、一連の画像読み取り動作の中で、撮像素子の光蓄積時間を外乱光強度に応じて適切に設定することができ、迅速に明瞭な画像を読み取ることができる。また、簡素なアルゴリズムにより迅速に外乱光強度を判定することができ、一連の画像読み取り動作の中で、外乱光に合わせた条件下で確実に画像読み取りを実行することができる。

第７の発明は、第６の発明に係る画像読取方法において、
前記画素データを取得するステップは、前記撮像素子（２０）の光蓄積時間を最大値に設定して行うことを特徴とする。

これにより、余分な制約条件を付けることなく適切に画素データを取得し、外乱光強度の判定を正確に行うことができる。

第８の発明は、第６又は第７の発明に係る画像読取方法において、
前記被写体（１５０）は指であり、
前記撮像素子（２０）は、複数の光電変換素子をライン状に配列したラインセンサであって、
前記画素データは、前記ラインセンサ上を前記指がスイープしたことにより取得される、ライン状の画素データの所定の本数分であることを特徴とする。

これにより、ラインセンサの初期フレームデータを用いて適切に光蓄積時間を設定し、山と谷が明確に区別できる明瞭な指紋画像の読み取りを行うことができ、指紋の認証精度を外乱光強度に影響されずに高めることができる。

第９の発明は、第６〜８のいずれか一項に記載の画像読取方法において、
前記外乱光強度を判定するステップで判定した外乱光強度に基づいて、前記発光手段の点灯時間を設定する発光時間設定ステップを更に有することを特徴とする。

これにより、外乱光強度に合わせて発光手段の発光時間も適切に設定することができ、更に明瞭な画像読み取りを行うことができる。

なお、上記括弧内の参照符号は、理解を容易にするために付したものであり、一例に過ぎず、図示の態様に限定されるものではない。

本発明によれば、外乱光強度に合わせて適切に撮像素子の光蓄積時間を設定することができ、周囲の外乱光強度に関わらず、常に明瞭な画像読み取りを行うことができる。

以下、図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態の説明を行う。

図１は、本発明を適用した実施例に係る画像読取装置１００を示した図である。図１において、本実施例に係る画像読取装置１００は、発光手段１０と、撮像素子２０と、被写体接近検出手段４０と、外乱光強度判定手段５０と、光蓄積時間設定手段６０とを備える。更に、本実施例に係る画像読取装置１００は、必要に応じて、イメージガイド２５、筐体３０、発光時間設定手段７０を備えてもよい。

発光手段１０は、被写体に出射光を照射するための手段である。発光手段１０は、例えば、赤外ＬＥＤ（発光ダイオード）が適用されてもよく、他のＬＥＤ等の照明手段が適用されてもよい。発光手段１０に赤外ＬＥＤが適用される場合には、発光手段１０は、赤外線を被写体に照射することになる。

撮像素子２０は、被写体１５０からの入射光を受光し、受光した入射光の光量に応じて電気信号を出力し、被写体１５０を撮像するための素子である。撮像素子２０は、例えば、光電変換素子からなる画素２１が複数配列され、各画素が受光した入射光を電気信号に変換して出力し、光量に応じた電圧の電気信号を出力する構成であってもよい。これにより、各画素２１が受光した光量を電圧値で表現することができるので、各画素の階調を表現でき、全体として画像を構成し、画像読み取りが可能となる。なお、画素２１の電圧値に応じた値を示す画素データ値は、例えば０〜２５５の出力値で表現するようにしてもよく、このようにすれば、総ての階調を表現することができる。

撮像素子２０は、例えば、複数の画素２１を横方向に１列に配列して、全体の形状をライン状に構成したラインセンサであってもよい。ラインセンサの画素２１は、縦方向には１画素、横方向には複数の画素が配列され、例えば１２６個、２５６個、５１２画素等の１００個単位の画素が配列されてもよい。撮像素子２０をラインセンサとした場合には、被写体１５０の画像全体を一度に読み取ることはできないので、被写体１５０がラインセンサ上を縦方向（ラインセンサに垂直方向）に移動した際に、ラインセンサにより順次移動する被写体１５０の部分画像を取得し、これを合成して被写体１５０の全体画像を読み取ることになる。なお、撮像素子２０にラインセンサが適用される場合には、これが１本で構成されてもよいし、複数本含む構成であってもよい。

なお、撮像素子２０は、画素２１が２次元に配列された２次元型の撮像素子であってもよい。また、各画素２１に適用される光電変換素子は、種々の素子が適用され得るが、例えば、フォトダイオードが適用され、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）センサとして構成されてもよい。

撮像素子２０は、被写体１５０からの入射光を受光するが、かかる入射光には、発光手段１０で被写体１５０に照射した出射光に対する反射光の他、外乱光の透過光も含まれる。つまり、被写体１５０の画像読み取りを行う際、屋内の環境のように外乱光の強度が弱ければ、発光手段１０により被写体１５０に照射した出射光の反射光が大部分となる。しかしながら、直射日光下のように外乱光強度が高い環境下で被写体１５０の画像読み取りを行う場合には、被写体１５０を透過する透過光も撮像素子２０に受光される。このように、撮像素子２０は、被写体１５０からの入射光を、反射光と透過光の区別なく受光する。

撮像素子２０の各画素２１は、その表面に、開閉手段（図示せず）を備えてよい。開閉手段は、撮像素子２０が受光する光蓄積時間に従い、開閉を行う手段であり、いわゆるシャッターとしての役割を果たす。つまり、開閉手段は、光蓄積時間内には開となり、光蓄積時間外には閉となる。これにより、撮像素子２０の各画素２１の光蓄積時間を調整することができる。

イメージガイド２５は、被写体１５０からの入射光を、撮像素子２０に導くための管路である。イメージガイド２５には、例えば、光ファイバが適用されてよく、被写体１５０からの入射光を、効率よく撮像素子２０に受光させる導波管としての機能を果たす。被写体１５０からの入射光を、効率よく撮像素子２０に導きたい場合に、必要に応じて用いるようにしてよい。

なお、図１において、被写体１５０としては、指が適用された例が示されている。この場合には、指の指紋の画像を読み取ることになる。以下、理解の容易のため、本実施例に係る画像読取装置１００を指紋画像読取装置に具体的に適用した例について説明するが、本実施例に係る画像読取装置１００は、被写体１５０が他の生体又は物体である場合にも適用することができる。つまり、本実施例に係る画像読取装置１００は、被写体１５０が撮像素子２０に接近又は接触したときに、被写体発光手段１０から被写体１５０に照射した出射光からの入射光を、撮像素子２０で検出することにより被写体１５０の画像を読み取ることが可能な被写体１５０であれば、種々の態様の被写体１５０の画像読み取りに適用することができる。

筐体３０は、発光手段１０、撮像素子２０及びイメージガイド２５を収容するための収容手段であり、指紋センサの外形を形成する。筐体３０の上部は、例えばガラス等の透明な部材が使用されることが好ましい。被写体１５０が指の場合には、筐体３０の上を指がスイープすることにより、筐体３０内の発光手段１０が筐体３０上部から接触した指の指紋形成面に出射光を照射し、やはり筐体３０上部から入射光を撮像素子２０が受光して指紋の撮像を行う。

被写体接近検出手段４０は、被写体１５０が、撮像素子２０に接近したことを検出する手段である。具体的な検出のための演算内容は後述するが、被写体接近検出手段４０は、発光手段１０及び撮像素子２０に接続されており、発光手段１０の点灯及び消灯を制御するとともに、撮像素子２０からの画素データに基づいて、被写体接近検出を行う。つまり、発光手段１０の点灯時の撮像素子２０からの画素データと、発光手段１０を消灯させたときの撮像素子２０からの画素データに基づいて、被写体の接近を検出することになる。被写体接近検出手段４０は、画素データに基づいて、被写体接近検出のための演算処理を行うため、マイクロプロセッサや所定の電子回路等により演算処理手段として構成されてよい。

外乱光強度判定手段５０は、外乱光強度を判定するための演算処理手段である。外乱光強度判定手段５０は、被写体接近検出手段４０に接続され、被写体接近検出手段４０により、撮像素子２０への被写体１５０の接近が検出されたときに、外乱光強度の判定を行う。被写体の接近が検出されてから外乱光強度の判定を行うのは、外乱光強度の判定は、被写体１５０が撮像されて画像読み取りが行われるときの最適な条件を設定するために行われるものであるため、被写体１５０が撮像され得る状態にならなければ、外乱光強度を判定する意味が無いからである。

また、外乱光強度判定手段５０は、発光手段１０及び撮像素子２０に接続され、発光手段１０の消灯を制御するとともに、撮像素子２０から取得された画素データに基づいて、外乱光強度の判定を行う。外乱光強度の判定は、外乱光強度に応じて、どの外乱光強度の領域にあるかを判定し、そのモード判定を行うことによりなされる。なお、外乱光強度判定手段５０で実行される外乱光強度判定の具体的演算内容も後述する。

光蓄積時間設定手段６０は、外乱光強度判定手段５０で判定された外乱光強度に基づいて、撮像素子２０の各画素２１の光蓄積時間を設定するための手段である。例えば、外乱光強度のモードに応じて、予め設定された光蓄積時間を選択することにより、光蓄積時間の設定を行うようにしてもよい。また、光蓄積時間設定手段６０は、被写体接近検出手段４０にも接続され、被写体接近検出手段４０が被写体接近検出を行う際にも、撮像素子２０の光蓄積時間を設定する。撮像素子２０の各画素２１の開閉手段は、設定された光蓄積時間に従い、各画素２１を開閉する。

発光時間設定手段７０は、外乱光強度判定手段５０で判定された外乱光強度に基づき、被写体１５０の画像読み取りを行う際の発光手段１０の発光時間（点灯時間）を設定する手段である。外乱光強度に応じて、発光時間も適切に対応して設定した方が好ましいので、発光時間設定手段７０は、必要に応じて設けられてよい。

なお、画像読取装置１００が、発光時間を自動調整する機能を他の手段により備えている場合には、発光時間設定手段７０は設けずに、かかる発光時間を自動調整する他の手段により、発光時間を調整するようにしてもよい。

次に、図２及び図３を用いて、被写体接近検出手段４０で実行される被写体接近検出の方法について説明する。

図２は、被写体１５０が、撮像素子２０に接近した状態を示した図である。

図２（ａ）は、撮像素子２０に被写体１５０である指が接近し、発光手段１０を点灯させた状態を示した図である。図２（ａ）において、被写体１５０である指が撮像素子２０に接近しているときに、発光手段１０を点灯させれば、発光手段１０から被写体１５０に出射光１１が照射され、被写体１５０からの入射光１２が撮像素子２０により受光され、被写体１５０の画像、すなわち指紋画像を取得することができる。

図２（ｂ）は、撮像素子２０に被写体１５０である指が接近した状態で、発光手段１０を消灯させた状態を示した図である。図２（ｂ）において、発光手段１０を消灯させることにより、被写体１５０には出射光１１が照射されず、従って、撮像素子２０で入射光１２も受光されない。よって、画像読取装置１００で取得する画像は、全体が黒い画像である。

図３は、図２（ａ）、（ｂ）の状態で取得された画像の画素データ出力を示した図である。

図３（ａ）は、図２（ａ）に対応し、被写体１５０が撮像素子２０に接近した状態で、発光手段１０を点灯させて取得した画素データ値を示した図である。図３（ａ）において、撮像素子２０には、横方向に１２６画素を有するラインセンサが適用され、ラインセンサの１ライン分の画素データ出力値が示されている。横軸は横１列に配列された画素２１の画素番号、縦軸は各画素２１の画素データ出力値を示している。図３（ａ）に示されるように、画素２１は、被写体１５０の表面の凹凸、つまり指紋の山と谷に応じて、０〜２５５の間で、種々の画素データ出力値を示している。

図３（ａ）に示すように、被写体１５０が撮像素子２０に接近している状態で、発光手段１０で出射光１１を被写体１５０に照射すれば、撮像素子２０では被写体１５０の凹凸パターンに応じて入射光１２が変化するので、各画素２１の画素データ出力値は異なり、ばらつきが生じることになる。そして、その画素データ出力値の最大値を記憶することにより、画素データのうち、最も明るい画素データを記憶することができる。

一方、被写体１５０が接近していない状態であれば、撮像素子２０は、周囲からの入射光を受光するので、各画素２１の画素データ出力値は、周囲の環境に応じたほぼ一定の値となり、画素間での相違はあまり生じないことになる。

図３（ｂ）は、図２（ｂ）に対応し、被写体１５０が接近した状態で、発光手段１０を消灯させて取得した、被写体１５０の画素データ出力値を示した図である。図２（ｂ）において説明したように、発光手段１０を消灯すると、撮像素子２０に被写体１５０からの入射光１２がなく、かつ撮像素子２０は被写体１５０に覆われ、光を受光しない状態となるので、画素データ出力値は、各画素がほぼ一定で低い値となり、全体に暗い画像の画素データが取得される。

このように、被写体１５０が撮像素子２０に接近している状態で発光手段１０を消灯すれば、各画素２１の画素データ出力値は、一様に低い値を示すことになる。このとき、画素データ出力値の最大値を記憶すれば、図２（ｂ）の状態における、最も明るい画素データを記憶できることになる。

一方、被写体１５０が接近していなければ、撮像素子２０は被写体１５０に覆われてはいないので、発光手段１０が消灯していても、周囲環境からの光を受光し、各画素２１の画素データ出力値は、周囲の環境に応じたほぼ一定の値を示すことになる。

このように、図３（ａ）、（ｂ）のいずれの場合においても、被写体１５０が撮像素子２０に接近しているか否かにより、取得される画素データは異なるものとなる。被写体１５０が接近している場合には、発光手段１０を点灯させている場合には、画素データ出力値の最大値はある程度大きな値を示し、発光手段１０を消灯させている場合には、画素データ出力値の最大値は小さくなるので、発光手段１０の点灯時と消灯時の画素データ出力最大値を比較し、一定以上の差があれば、被写体１５０が接近していると判断することができる。

一方、被写体１５０が接近していなければ、撮像素子２０は、発光手段１０の点灯又は消灯の如何に関わらず周囲の環境光を受光するので、画素データ出力値の最大値はほぼ一定の値を示し、その差は小さな値となる。

被写体接近検出手段４０では、かかる発光手段１０の点灯・消灯の制御と、画素データ出力値の最大値の比較演算を行ない、被写体１５０が撮像素子２０に接近したか否かの検出を行う。

なお、本実施例においては、被写体１５０が撮像素子２０に接近していればこれを検出できるので、被写体１５０が撮像素子２０に接近状態にある例を挙げて説明したが、被写体１５０が撮像素子２０に接触していても、同様に被写体１５０の接近（この場合には接触）を検出できることは言うまでもない。この場合には、画素データ出力値は更に大きさの差が大きくなるので、検出自体はより容易になる。

次に、図４乃至図６を用いて、外乱光強度判定手段５０及び光蓄積時間設定手段６０で行われる外乱光強度判定の制御及び演算処理内容について説明する。

図４は、外乱光強度判定を行うために画素データを取得している状態を示した図である。図４において、発光手段１０は消灯され、撮像素子２０により、被写体１５０の画像読み取りが実行されている。発光手段１０が消灯されているため、発光手段１０からの出射光１１による入射光１２は発生しないが、被写体１５０には周囲からの外乱光１４０が透過し、透過光１３が発生している。そして、撮像素子２０は、かかる外乱光１４０に起因する透過光１３を受光している。

外乱光強度を判定するためには、純粋な外乱光の画像読み取りに与える影響を知る必要がある。そこで、外乱光強度判定手段５０においては、被写体１５０が接近していることが検出されたら、発光手段１０を消灯し、この状態において被写体１５０の画像読み取りを行い、被写体画像の画素データを取得する制御をまず最初に行う。

発光手段１０を消灯した状態で取得する画素データは、外乱光強度を判定するのに必要十分な所定の画素数分でよい。被写体１５０の接近が検出されたら、すぐ被写体１５０の画像読み取りに必要なスイープ移動等の動作が開始されることが予測されるので、本来必要な、画像読み取り領域を減少させない程度の所定画素数分の画素データが取得される。例えば、撮像素子２０が２ラインセンサであり、１ラインが１２６画素を有している場合には、最初の１０フレーム程度を外乱強度判定用の画素データ取得に割り当ててもよい。外乱光強度判定用の画素データが１０フレームの場合には、１２６画素×２×１０＝２５２０画素の画素データで外乱光強度を判定することになる。外乱光強度判定に必要な所定の画素数は、用途と撮像素子の態様に応じて、適切な数を設定するようにしてよい。

図５は、図４で実行している外乱光強度判定のための画素データ取得の際の、撮像素子２０の光蓄積時間の設定条件を示した図である。図５において、光蓄積時間は、最大値に設定している。例えば、撮像素子２０が、１００〔μｓｅｃ〕毎に取得した画素データを出力する周期の構成となっている場合には、撮像素子２０の光蓄積時間は、最大値の１００〔μｓｅｃ〕に設定する。このような設定とすることにより、外乱光に起因する透過光１３を受光する撮像素子２０の光蓄積時間に余分な制限を設けることなく、純粋な透過光１３による画素データを取得することができる。

光蓄積時間設定手段６０は、被写体接近検出手段４０により被写体１５０の接近が検出されたら、すぐに撮像素子２０の光蓄積時間を最大値に設定する。つまり、外乱光強度判定手段５０が外乱光強度判定用の画素データを取得しているときには、光蓄積時間が最大値になっているように設定を行う。

なお、外乱光強度判定用の画素データ取得時の光蓄積時間の設定は、撮像素子２０の出力周期の最大値に設定するのが最も簡素な制御であるが、用途と撮像素子２０の態様に応じて、所定の一定時間に設定するようにしてもよい。外乱光強度判定用の画素データ取得時の光蓄積時間の設定は、外乱光強度の判定が行い易いように、用途に応じて適宜適切な時間に設定することができる。

図６は、外乱光強度判定手段５０及び光蓄積時間設定手段６０で実行される、外乱光強度判定アルゴリズムの判定フロー図である。

図６において、ステップ１００では、被写体接近検出手段４０により被写体１５０の接近が検出されたときに、光蓄積時間設定手段６０により、撮像素子２０の光蓄積時間が最大値に設定される。また、外乱光強度判定手段５０により、発光手段１０が消灯状態に制御される。

ステップ１１０では、外乱光強度判定のための被写体１５０の画像読み取りが実行され、所定画素分の画素データが取得される。所定画素は、例えば、横方向に１２６画素を有する２ラインセンサであれば、１０フレーム分の２５２０画素分、というように、画像読み取り初期の所定画素に設定される。また、例えば、被写体１５０が指の場合には、指紋画像が読み取られるが、指紋画像の場合、指の先端部分の指紋の山谷が明瞭な部分の画像が認証のために重要であるので、初期の指の根元に近い部分は、画像としての重要度がやや先端部より薄れる。かかる被写体１５０の画像領域の重要度を考慮して、外乱光強度判定用のための所定画素を定めるようにしてもよい。

ステップ１２０では、ステップ１１０で取得した各画素２１の画素データ出力値Ａの各々について、所定の直射光レベルの閾値と比較する。直射光レベルの閾値は、例えば、０〜２５５の出力値の中で、１００程度の設定値としてもよい。閾値の設定は、現状に即して適宜適切な値に設定してよい。画素データ出力値Ａが、直射光レベルの閾値よりも高い場合には、ステップ１５０に進み、直射光レベルの外乱光強度を示す領域の度数ａに１加算する。一方、画素データ出力値Ａが、直射光レベルの閾値よりも低い場合には、ステップ１３０に進む。

ステップ１３０では、画素データ出力値Ａが、所定の日影強レベルの閾値を超えているか否かが比較判定される。日影強レベルの閾値は、日影よりも強いレベルを示す外乱光強度を目安とし、例えば、０〜２５５の出力値の範囲で、５０程度に設定されてもよい。かかる閾値も、用途や態様に応じて適切な値を設定できる。画素データ出力値Ａが、日影強レベルの閾値を超えている場合には、ステップ１６０に進み、日影強レベルの外乱光強度を示す領域の度数ｂに１加算する。一方、画素データ出力値Ａが、日影強レベルの閾値よりも小さい場合には、ステップ１４０に進む。

ステップ１４０では、画素データ出力値Ａが、日影よりも弱いレベルを示す所定の日影弱レベルの閾値を超えているか否かが判定される。日影弱レベルの閾値は、例えば、０〜２５５の出力値の範囲の中で、２０程度に設定されてもよい。かかる閾値も、用途や対応に応じて適切な設定としてよい。画素データ出力値Ａが、日影弱レベルの閾値を超えている場合には、ステップ１７０に進み、日影弱レベルの外乱光強度を示す領域の度数ｃに１加算する。一方、画素データ出力値Ａが、日影弱レベルの閾値よりも小さい場合には、ステップ１８０に進む。

ステップ１８０では、画素データ出力値Ａが、日影弱レベルの閾値を超えていなかった場合には、度数をカウントしない処理を行う。そして、ステップ１９０に進む。

ステップ１９０では、ステップ１２０〜１８０の判定処理フローが、総ての所定画素分について実行されたか否かが判定される。例えば、上述の１ライン１２６画素の２ラインセンサが撮像素子２０に適用されている場合には、２５２０画素分が総て終了したか否かが判定される。ステップ１２０〜１８０の処理が、総ての所定画素２１について終了していなければ、外乱光強度判定用の総ての画素２１について、どの外乱光強度レベルの領域に属するかの判定が終了するまで、ステップ１２０〜１８０の処理を繰返す。

一方、ステップ１９０において、外乱光強度判定用の総ての所定画素分について、画素データ出力値Ａのレベル判定が終了した場合には、所定画素分についての度数分布が算出されたことになる。ステップ１９０の終了後には、ステップ２００に進む。

ステップ２００では、直射光レベルの領域にある画素数を示す度数ａが、所定の直射光度数閾値より多いか否かが判定される。直射光度数閾値は、例えば、０〜２５２０画素の範囲で、１００程度に設定されてもよい。かかる閾値も、用途と態様に応じて適宜適切な値に設定してよい。

直接光レベルの領域にある画素数を示す度数ａが、直射光度数閾値を超えている場合には、ステップ２３０に進み、直射光用パラメータによる光蓄積時間設定とすべきとの外乱光強度判定がなされ、外乱光強度判定手段５０は、その処理を終了する。光蓄積時間設定手段６０は、外乱光強度判定手段５０の判定結果に従い、撮像素子２０を、直射光用パラメータによる光蓄積時間に設定する。一方、直接光レベルの領域にある画素数を示す度数ａが、直射光度数閾値を超えていない場合には、ステップ２１０に進む。

ステップ２１０では、日影強レベルの領域にある画素数を示す度数ｂが、所定の日影強度数閾値より多いか否かが判定される。日影強度数閾値は、例えば、０〜２５２０画素の範囲で、１０程度に設定されてもよい。かかる閾値も、用途と態様に応じて適宜適切な値に設定してよい。

日影強レベルの領域にある画素数を示す度数ｂが、日影強度数閾値を超えている場合には、ステップ２４０に進み、日影強用パラメータによる光蓄積時間設定とすべきとの外乱光強度判定がなされ、外乱光強度判定手段５０は、その処理を終了する。光蓄積時間設定手段６０は、外乱光強度判定手段５０の判定結果に従い、撮像素子２０を、日影強用パラメータによる光蓄積時間に設定する。一方、日影強レベルの領域にある画素数を示す度数ｂが、日影強度数閾値を超えていない場合には、ステップ２２０に進む。

ステップ２２０では、日影弱レベルの領域にある画素数を示す度数ｃが、所定の日影弱度数閾値より多いか否かが判定される。日影強度数閾値は、例えば、０〜２５２０画素の範囲で、０程度に設定されてもよい。かかる閾値も、用途と態様に応じて適宜適切な値に設定してよい。

日影弱レベルの領域にある画素数を示す度数ｃが、日影弱度数閾値を超えている場合には、ステップ２５０に進み、日影弱用パラメータによる光蓄積時間設定とすべきとの外乱光強度判定がなされ、外乱光強度判定手段５０は、その処理を終了する。光蓄積時間設定手段６０は、外乱光強度判定手段５０の判定結果に従い、撮像素子２０を、日影弱用パラメータによる光蓄積時間に設定する。一方、日影弱レベルの領域にある画素数を示す度数ｃが、日影弱度数閾値を超えていない場合には、ステップ２６０に進む。

ステップ２６０では、屋内用パラメータによる光蓄積時間設定とすべきとの外乱光強度判定が、外乱光強度判定手段５０によりなされ、外乱光強度判定手段５０は、その処理を終了する。光蓄積時間設定手段６０は、外乱光強度判定手段５０の判定結果に基づき、撮像素子２０の光蓄積時間を、屋内用パラメータによる光蓄積時間に設定する。

このように、本実施例に係る画像読取装置１００及び画像読取方法においては、外乱光強度を判定し、これに対応して撮像素子２０の光蓄積時間を設定している。これにより、画像読取を、外乱光強度に対応した最適の光蓄積時間で行うことができる。

図７は、光蓄積時間設定手段６０及び発光時間設定手段７０で設定する、外乱光強度レベルに応じたモード別のパラメータ設定例を示した図である。図７において、左側は光蓄積時間設定手段６０で設定される光蓄積時間の設定例を示し、右側は発光時間設定手段７０で設定される発光時間（点灯時間）の設定例を示したタイミングチャートである。

図７（ａ）は、撮像素子２０の画素データ出力周期及び発光手段１０の点灯時間の最大時間を示した図である。図７（ａ）において、撮像素子２０の画素データの出力周期が１００〔μｓｅｃ〕である場合には、光蓄積時間の最大設定値は、１００〔μｓｅｃ〕となる。また、発光手段１０の点灯時間は、光蓄積時間の総ての時間点灯している訳ではなく、光蓄積時間よりも短い時間点灯しているのが一般的であるので、光蓄積時間が１００〔μｓｅｃ〕の場合には、例えば８０〔μｓｅｃ〕程度に設定される。

図７（ｂ）は、外乱光強度が直射光レベルにあると判定され、直射光モードにおける光蓄積時間及び発光時間を示した図である。図７（ｂ）において、直射光モードにおいては、外乱光強度が高く、光蓄積時間を長く設定すると、撮像素子２０の受光量が多くなり、多くの画素データが最大値に達して飽和状態となるおそれがある。よって、撮像素子２０の光蓄積時間は、最大値の３０％の３０〔μｓｅｃ〕に設定し、発光手段１０の点灯時間は、０〔μｓｅｃ〕に設定している。発光手段１０の点灯時間を０〔μｓｅｃ〕としているのは、外乱光の透過光１３の光量だけで、被写体１５０の画像読み取りは可能なため、かかる設定としている。

図７（ｃ）は、外乱光強度が日影強レベルにあると判定され、日影強モードにおける光蓄積時間及び発光時間を示した図である。図７（ｃ）において、撮像素子２０の光蓄積時間は、図７（ｂ）の直射光モードよりは長くなり、５０〔μｓｅｃ〕に設定されている。また、発光手段１０は、若干点灯させるように設定し、５〔μｓｅｃ〕の点灯時間に設定されている。

図７（ｄ）は、外乱光強度が日影弱レベルにあると判定され、日影弱モードにおける光蓄積時間及び発光時間を示した図である。図７（ｄ）において、撮像素子２０の光蓄積時間は、図７（ｃ）の日影強モードよりも更に少し長くなり、６０〔μｓｅｃ〕に設定されている。また、発光手段１０の点灯時間についても、日影弱モードよりも更に少し長くなり、１０〔μｓｅｃ〕に設定されている。

図７（ｅ）は、外乱光強度レベルが、屋内レベルにあると判定され、屋内モードにおける光蓄積時間及び発光時間を示した図である。図７（ｅ）において、外乱光の影響は殆ど無い状態であるので、撮像素子２０の光蓄積時間は、最大の１００〔μｓｅｃ〕に設定されている。また、発光手段１０の点灯時間についても、日影強モードよりも更に長くなり、２０〔μｓｅｃ〕に設定されている。

このように、本実施例に係る画像読取装置１００及び画像読取方法においては、外乱光強度判定手段５０で判定した外乱光強度に応じて、光蓄積時間設定手段６０により、適切な光蓄積時間の設定を行うことができる。また、必要に応じて発光時間設定手段７０により発光時間も設定し、更に好適な撮像条件とすることができる。

なお、図７で示した例は、設定の一例に過ぎず、用途や態様に応じて、適宜適切な設定を行うようにしてよい。

図８は、本実施例に係る画像読取装置１００が、撮像素子２０の光蓄積時間設定後に、被写体１５０の画像読み取りを行っている状態を示した図である。本実施例に係る画像読取装置１００は、撮像素子２０の光蓄積時間を外乱光強度に応じて設定した後は、発光手段１０を必要に応じて点灯させ、被写体１５０の更なるスイープ等の移動に伴い、撮像素子２０で画像読み取りを行う。図８においては、被写体１５０である指を手前にスイープさせ、指の根元側から先端に亘って指紋画像を採取してゆく。指の根元側が撮像素子２０上をスイープしている初期段階で光蓄積時間が適切に設定されているので、光蓄積時間の設定以降は、指紋の山と谷が明瞭に区別できる指紋画像を取得することができる。

光蓄積時間設定後の通常の画像読み取りにおいては、発光手段から出射光１１が被写体１５０である指に向けて照射され、被写体１５０からの入射光１２により、指紋を撮像し、明瞭な指紋画像を取得することができる。

このように、本実施例に係る画像読取装置１００及び画像読取方法によれば、一連の画像読み取りの動作の中で、迅速に外乱光強度を判定し、これに基づいて撮像素子２０の光蓄積時間を適切に設定し、明瞭な指紋画像を読み取り、取得することができる。

以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。

本発明を適用した実施例に係る画像読取装置１００を示した図である。 被写体１５０が、撮像素子２０に接近した状態を示した図である。図２（ａ）は、指が接近し、発光手段１０を点灯させた状態を示した図である。図２（ｂ）は、指が接近した状態で、発光手段１０を消灯させた状態を示した図である。 図３は、画素データ出力を示した図である。図３（ａ）は、発光手段１０を点灯させて取得した被写体１５０の画素データ値を示した図である。図３（ｂ）は、発光手段１０を消灯させて取得した被写体１５０の画素データ値を示した図である。 外乱光強度判定を行うために画素データを取得している状態を示した図である。 外乱光強度判定用の画素データ取得時の光蓄積時間設定条件を示した図である。 外乱光強度判定アルゴリズムの判定フロー図である。 外乱光強度レベルに応じたモード別のパラメータ設定例を示した図である。図７（ａ）は、画素データ出力周期及び発光時間の最大時間を示した図である。図７（ｂ）は、直射光モードにおける光蓄積時間及び発光時間を示した図である。図７（ｃ）は、日影強モードにおける光蓄積時間及び発光時間を示した図である。図７（ｄ）は、日影弱モードにおける光蓄積時間及び発光時間を示した図である。図７（ｅ）は、屋内モードにおける光蓄積時間及び発光時間を示した図である。 光蓄積時間設定後の、被写体１５０の画像読み取り状態を示した図である。 従来の画像読取装置の光蓄積時間と取得指紋画像との関係図である。図９（ａ）は、画像読取装置の撮像素子の光蓄積時間を示した図である。図９（ｂ）は、指１６０の指紋画像を取得している状態を示した図である。図９（ｃ）は、図９（ｂ）の条件下で取得された指紋画像の画素データ値を示した図である。 従来の画像読取装置により、強い外乱光１４０下で指紋画像を取得した状態を示した図である。図１０（ａ）は、強い外乱光１４０のもとで、指紋画像の画像読み取りを行っている状態を示した図である。図１０（ｂ）は、強い外乱光のもとで画像読み取りが行われた場合の指紋画像の画素データ値を示した図である。

符号の説明

１０ 発光手段
１１ 出射光
１２ 入射光
１３ 透過光
２０ 撮像素子
２１ 画素
２５ イメージガイド
３０ 筐体
４０ 被写体接近検出手段
５０ 外乱光強度判定手段
６０ 光蓄積時間設定手段
７０ 発光時間設定手段
１００ 画像読取装置
１４０ 外乱光
１５０ 被写体

Claims (9)

1. 被写体に出射光を照射する発光手段と、
   前記被写体からの入射光を受光し、受光した光量に応じた電気信号を発生させる撮像素子と、
   該撮像素子に、前記被写体が接近したことを検出する被写体接近検出手段と、
   該被写体接近検出手段により、前記被写体の接近が検出されたときに、前記発光手段を消灯し、前記撮像素子により所定画素分の前記被写体の画像を取得し、該画像の画素データに基づいて外乱光強度を判定する外乱光強度判定手段と、
   該外乱光強度判定手段により判定された外乱光強度に基づいて、前記撮像素子の光蓄積時間を設定する光蓄積時間設定手段と、を有し、
   前記外乱光強度判定手段は、取得した前記画素データの各々の出力を所定の複数の閾値と比較し、前記画素データを光強度に応じた複数の領域に分類し、該領域の度数に基づいて、外乱光強度を判定することを特徴とする画像読取装置。
2. 前記光蓄積時間設定手段は、前記被写体接近検出手段により、前記被写体の接近が検出されたときに、光蓄積時間を最大値に設定することを特徴とする請求項１に記載の画像読取装置。
3. 前記被写体は指であり、
   前記撮像素子は、複数の光電変換素子をライン状に配列したラインセンサであって、
   前記画素データは、前記ラインセンサ上を前記指がスイープしたことにより取得される、ライン状の画素データの所定の本数分であることを特徴とする請求項１又は２に記載の画像読取装置。
4. 前記撮像素子は、前記光蓄積時間設定手段により設定された光蓄積時間で前記被写体を撮像し、前記被写体の画像を読み取ることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の画像読取装置。
5. 前記外乱光強度判定手段により判定された外乱光強度に基づいて、前記発光手段の点灯時間を設定する発光時間設定手段を更に有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の画像読取装置。
6. 被写体が撮像素子に接近したことを検出するステップと、
   発光手段を消灯させた状態で、前記撮像素子により所定画素分の前記被写体の画像を撮像し、該画像の画素データを取得するステップと、
   該画素データに基づいて、外乱光強度を判定するステップと、
   該外乱光強度に基づいて、前記撮像素子の光蓄積時間を設定するステップと、
   前記被写体を前記撮像素子により撮像するステップと、を有し、
   前記外乱光強度を判定するステップは、前記画素データを所定の複数の閾値と比較し、前記画素データを外乱光強度に応じた複数の領域に分類し、該領域の度数を算出するステップと、
   前記度数を所定の閾値と比較し、前記外乱光強度を判定するステップと、を含むことを特徴とする画像読取方法。
7. 前記画素データを取得するステップは、前記撮像素子の光蓄積時間を最大値に設定して行うことを特徴とする請求項６に記載の画像読取方法。
8. 前記被写体は指であり、
   前記撮像素子は、複数の光電変換素子をライン状に配列したラインセンサであって、
   前記画素データは、前記ラインセンサ上を前記指がスイープしたことにより取得される、ライン状の画素データの所定の本数分であることを特徴とする請求項６又は７に記載の画像読取方法。
9. 前記外乱光強度を判定するステップで判定した外乱光強度に基づいて、前記発光手段の点灯時間を設定する発光時間設定ステップを更に有することを特徴とする請求項６乃至８のいずれか一項に記載の画像読取方法。

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