专利名称：图像捕获装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种图像捕获装置，该图像捕获装置用于将从多个发光器件发出的光引向目标物，照射该目标物并对该目标物进行图像捕获，更具体地说，本发明涉及一种用于通过测量距目标物的距离来对该目标物进行图像捕获的图像捕获装置。
背景技术：
广泛使用了通过用均匀光照射目标物来对该目标物的预定范围进行图像捕获的图像捕获装置。在利用通过这种图像捕获装置拍摄的图像的图像处理系统中，特别需要清晰的图像。
例如，近年来随着生物计量技术(biometric technology)的发展，已提供了多种用于个人识别的装置，该装置拍摄并识别活体(人体的一部分，可通过其区别个体)的特征，例如手足指纹、眼视网膜、面部和血管。
具体地说，手掌、手背以及手指的血管和皮肤图案适用于进行可靠的个人验证，这是由于从这些部位可获得相对大量的个人特征数据。另外，人们认为血管(静脉)的图案在任何人的一生中从胚胎开始都不会改变，并且毫不例外地在任何人中都不存在相同的图案，因此这些图案适用于个人验证。
对于这样的生物计量验证等而言，必须以非接触方式捕获目标物(在生物计量验证的情况下为人体的一部分)的图像。为此，图像捕获装置发出在一定图像捕获范围(距离和面积)内产生均匀光强的光、通过传感器接收上述图像捕获范围的反射光、并以电信号形式输出捕获的图像信号。另外，为了适当地进行图像捕获，必须设置距离传感器以测量距目标物的距离。
图34和图35示出了传统图像捕获装置的说明图。如在图34和图35中所示，图像捕获装置100包括在中央处的图像捕获(数字摄像机)单元120以及在该图像捕获装置周围的多个发光器件130-1至130-8和未示出的光学距离传感器。图34中所示的虚线表示从所述多个发光器件130-1至130-8中的各个发光器件发出的具有均匀强度的光的范围。
这样，通过在图像捕获单元120的周围布置多个(这里为八个)点光源，就能够以均匀强度的光照射该图像捕获单元120的图像捕获范围。同时，如图35所示，图像捕获单元120包括诸如CMOS传感器的光电转换单元122、以及诸如透镜的光学系统124。由于为平面光电探测器件的光电转换装置具有预定的光接收区域，因而需要预定光程以将图像捕获范围的反射光引导到该光电转换装置122的光接收平面上。为此，在光电转换单元122和目标物之间布置诸如鱼眼透镜的透镜124，从而使得预定图像捕获范围的图像投射到光电转换装置122的光接收平面上。
因此，传统上，为了通过共用预定图像捕获范围来用各点光源元件130-1至130-8照射目标物，将点光源元件130-1至130-8彼此分开布置，如图34所示。此外，为了向图像捕获范围供应预定均匀强度的光，将点光源元件130-1至130-8布置成比光电转换装置122更接近所述目标物，如图35所示。另外，距离传感器通过用聚光照射目标物并接收该目标物的反射光来测量距该目标物的距离。为此，同样将距离传感器布置在目标物附近(例如，国际专利公报No.WO 2004/088588(图1和图6))。
在上述传统图像捕获装置中，如以上所述，点光源元件130-1至130-8彼此分开布置，并且比光电转换装置122更靠近目标物，如图35所示。因此，难以使图像捕获装置小型化。此外，当将该图像捕获装置结合到设备中时存在限制。
另外，某些发光器件会产生较高光强。使用这样的发光器件可将发光器件布置成靠近图像捕获单元120。然而，产生较高光强的发光器件比较昂贵，并且具有较大的功耗，因此不适用于小型化、低成本的图像捕获装置。
同样，对于距离传感器来说，由于靠近目标物布置，因此难以使图像捕获装置小型化，并且在将图像捕获装置结合到设备中时存在限制。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种图像捕获装置，该图像捕获装置用于在目标物上进行扩散照明(spread illumination)，捕获该目标物的图像并测量距该目标物的距离，即使在被小型化时该图像捕获装置也是如此。
本发明的另一目的在于提供一种图像捕获装置，该图像捕获装置用于在目标物上进行扩散照明，捕获该目标物的图像并使用节能距离传感器测量距离，即使在被小型化时该图像捕获装置也是如此。
本发明的又一目的在于提供一种小型图像捕获装置，该小型图像捕获装置在目标物上进行扩散照明，拍摄该目标物的图像，并且提高了距离传感器的安装精度。
为了实现上述目的，根据本发明，提供了一种图像捕获装置，该图像捕获装置用于通过照明目标物并接收来自该目标物的反射光而捕获该目标物的图像，该图像捕获装置包括图像传感器，该图像传感器用于接收所述反射光；多个发光器件，所述多个发光器件安装在所述图像传感器的周围位置中；导光件，该导光件用于将所述多个发光器件的光引向图像捕获范围，并照明该图像捕获范围；光学单元，该光学单元容纳在所述导光件内，用于将在所述被照明的图像捕获范围内的所述目标物的所述反射光引向所述图像传感器；测距发光器件，该测距发光器件用于用光照射所述目标物；光圈，该光圈布置在所述测距发光器件上，用于遮盖所述测距发光器件的光线、使所述光线会聚并将其引向聚焦透镜；以及控制电路，该控制电路用于驱动所述测距发光器件、根据所述图像传感器的拍摄的图像检测所述测距发光器件的聚光(spot light)位置，从而获得距所述目标物的距离。
此外，根据本发明，优选的是，所述光圈包括支座，该支座用于遮盖所述测距发光器件的光线；聚焦透镜，该聚焦透镜用于输出聚光；以及聚光器，该聚光器用于将所述测距发光器件的光线向所述聚焦透镜的方向会聚。
此外，根据本发明，优选的是，所述光圈由用于形成向着所述聚焦透镜方向的倒梯形光路的材料构成。
此外，根据本发明，优选的是，所述多个发光器件在所述图像传感器的周围沿着圆周以预定间隔安装在电路板上，并且所述导光件为与所述圆周相对应的环形。
此外，根据本发明，优选的是，所述图像传感器、所述多个发光器件以及所述测距发光器件安装在同一电路板上。
此外，根据本发明，优选的是，所述图像捕获装置包括布置在所述导光件和所述多个发光器件之间的扩散偏光板，该扩散偏光板用于扩散所述发光器件的光并使该光偏振；以及安装台，该安装台用于安装所述扩散偏光板。
此外，根据本发明，优选的是，所述图像捕获装置包括布置在所述导光件和所述多个发光器件之间的扩散偏光板，该扩散偏光板用于扩散所述发光器件的光并使该光偏振；以及与所述光圈一体形成的安装台，该安装台用于安装所述扩散偏光板。
此外，根据本发明，优选的是，所述测距发光器件安装成在所述电路板上有多个，从而利用所述图像传感器的图像测量距所述图像捕获范围内的所述目标物的距离。
此外，根据本发明，优选的是，所述测距发光器件在所述发光器件的外侧位置安装在所述电路板上。
此外，根据本发明，优选的是，所述多个发光器件由用于发射红外光的发光器件构成，并且还设置了用于过滤可见光的滤光器。
此外，根据本发明，优选的是，所述导光件包括下端部，该下端部用于引入所述发光器件的光；上端部，该上端部用于将所述光输出到所述图像捕获范围；以及导光部分，该导光部分用于将所述发光器件的所述光从所述下端部引导到所述上端部。
此外，根据本发明，优选的是，所述测距发光器件由四个发光器件构成，并在所述发光器件的外侧位置安装在所述电路板上，从而形成对角关系。
此外，根据本发明，优选的是，所述光圈由与所述四个发光器件相对应的四个光圈单元构成。
此外，根据本发明，优选的是，所述图像传感器对活体的一部分进行成像。
根据本发明，可这样实现具有靠近照明系统布置的图像捕获系统的小型图像捕获装置，即将多个发光器件安装在图像传感器周围，并通过导光件将所述多个发光器件的光引向图像捕获范围，以进行照明。通过在所述测距发光器件上设置光圈，以产生具有窄下侧部和宽上侧部的光路，可对所述发光器件的随机反射光线进行选择、会聚并向一个方向输出。因此，即使使用发光(emission)量小的节能发光器件也能获得足够的照射量，并可使用于照射聚光的距离传感器小型化，从而有助于图像捕获装置的小型化。
通过如下结合附图对实施例的描述，将更加清楚本发明的其它范围和特征。
图1表示根据本发明一个实施例的图像捕获装置的剖面图。
图2表示图1所示的图像捕获装置的分解结构图。
图3表示图2所示的电路板的部件布局图。
图4表示图2中所示的发光器件和光电探测器件之间的关系的说明图。
图5表示图2所示部件的组装图。
图6表示图1所示的外装部件(external finishing component)的构造图。
图7表示图2所示的组装体组件的构造图。
图8表示图1所示的图像捕获装置的外观图。
图9表示图1所示的照明系统的说明图。
图10表示图9所示的导光件和发光器件的构造图。
图11表示图10所示的发光器件的发光强度分布与导光件的下端部之间的关系图。
图12表示图10所示的导光件的第一操作说明图。
图13表示图10所示的导光件的第二操作说明图。
图14表示图10所示的导光件的第三操作说明图。
图15表示从上表面侧观察到的图1所示的遮光罩的立体图。
图16表示从下表面侧观察到的图15所示的遮光罩的立体图。
图17表示图15和图16所示的遮光罩的操作说明图。
图18表示图1和图2所示的光圈的构造图。
图19表示图18所示的光圈的分解结构图。
图20表示图18所示的光圈的顶视图。
图21表示图20所示的光圈的A-A剖面图。
图22表示图20所示的光圈的B-B剖面图。
图23表示图1和图2所示的光圈和扩散/偏光板安装台的构造图。
图24表示图1和图2所示的光圈和扩散/偏光板安装台的安装图。
图25表示用于图1所示的图像捕获装置的控制电路的框图。
图26表示图25所示的控制电路的图像捕获处理流程图。
图27表示利用图25所示的构造进行的测距操作说明图。
图28表示根据本发明另一实施例的图像捕获装置的分解结构图。
图29表示图28所示的图像捕获装置的顶视图。
图30表示图29所示的图像捕获装置的E-E剖面图。
图31表示图29所示的图像捕获装置的C-C剖面图。
图32表示图25所示的光圈和扩散/偏光板安装台的构造图。
图33表示图32所示的光圈和扩散/偏光板安装台的分解结构图。
图34表示传统图像捕获装置中的照明构造的说明图。
图35表示传统图像捕获装置的构造图。
具体实施例方式
以下按照图像捕获装置的构造、照明机构、遮光罩结构、距离传感器、图像处理构造、另一图像捕获装置的构造、以及其它实施例的顺序，参照图表和附图描述本发明的优选实施例。然而，应当指出的是本发明的范围不局限于以下所述的实施例。
图像捕获装置图1表示根据本发明一个实施例的图像捕获装置的剖面图；图2表示图1所示的图像捕获装置的分解结构图；图3表示图1、图2所示的电路板的顶视图；图4表示图3所示的发光器件和光电探测器件的操作说明图；图5表示图2所示的结构被组装时的组装图；图6表示图1所示的外壳的构造图；图7表示当图2所示的组装体容纳在外壳中时的构造图；以及图8表示图1所示的图像捕获装置的外观图。
在描述图1所示的构造之前，首先参照图2至图7对图1所示的各个部分的构造进行描述。如图2所示，在摄像基板20的中央处布置诸如CMOS图像传感器的图像传感器30以及偏光板32。在摄像基板20的图像传感器30的周围安装多个发光器件22、24以及光电探测器件26。
参照图3进行更详细的描述，图像传感器30安装在摄像基板20的中央，而偏光板32层叠在图像传感器30上。在摄像基板20的图像传感器30的周围沿着圆周安装有多个发光器件22、24、以及光电探测器件26。即，在图像传感器30的周围，分别布置有八个第一发光器件(LED)22和八个第二发光器件(LED)24。
在上述第一发光器件22中的每一个和第二发光器件24中的每一个之间都布置有光电探测器件(光电二极管)26。如图4所示，上述光电探测器件26设置成接收来自第一发光器件22和第二发光器件24的光(即，来自稍后描述的扩散板44的反射光)，从而进行第一发光器件22和第二发光器件24的APC(自动功率控制)。驱动上述第一发光器件22和第二发光器件24，从而使其以各自定时发光。
在上述示例中，为了对以各自定时发光的第一发光器件22和第二发光器件24中的每一个单独进行自动功率控制，在第一发光器件22和第二发光器件24之间布置一个光电探测器件26，从而接收来自第一发光器件22和第二发光器件24的光。这样，可减少用于APC控制的光电探测器件的数量。
此外，在摄像基板20的四个角部处设有四个测距发光器件52，用于测量距目标物的距离。如图3所示，上述四个测距发光器件52布置在摄像基板20的对角线上并在所述对角线上的最远位置处，从而它们之间的距离均为最远。根据通过上述四个测距发光器件52测量到的距离，检测目标物(这里为手掌)的倾斜。
简单地说，在单个摄像基板20上设置照明系统22、24、26和用于对目标物进行图像捕获的图像捕获系统30、32以及测距系统52。
现在，返回来参照图2，在摄像基板20的发光器件22、24的上方向上设有四个扩散板44和四个偏光板42。上述扩散板44和偏光板42分别被粘到连接在摄像基板20的四边上的扩散/偏光板安装台46上。各个扩散板44将从第一发光器件22和第二发光器件24发出的定向光(directive light)的发光分布进行一定程度的扩散。各个偏光板42将从第一发光器件22和第二发光器件24发出的自然光转换成线性偏振光。
在所述四个偏光板42的上方向上设有环形导光件10。该导光件10由例如树脂形成，并沿向上方向引导来自摄像基板20的第一发光器件22和第二发光器件24的光，从而以均匀光照射目标物。为了与摄像基板20的发光器件22、24的布置相配，导光件10具有环形结构。如将在图9及其后的图中所述，导光件10向向上方向引导从第一发光器件22和第二发光器件24发出的光，从而以均匀光照射目标物。
此外，光学单元34在布置于摄像基板20大致中央处的图像传感器30上安装在该摄像基板20上并位于环形导光件10内。光学单元34由诸如会聚透镜的透镜光学系统构成。
在摄像基板20的测距发光器件52上安装有光圈50。如稍后所述，光圈50遮蔽光向其它方向的扩散，从而将从测距发光器件52发出的光引向目标物方向。
与摄像基板20分开地设有控制基板60。控制基板60设置成与外部相连，并包括外部连接器62和用于与摄像基板20相连的摄像连接器64。上述控制基板60布置在摄像基板20的下部，并利用摄像连接器64与该摄像基板20电连接。此外，为外部连接器62设有支座盖68。
图像传感器30、发光器件22、24、光电探测器件26和测距发光器件52以这种方式安装在摄像基板20上。而且，将扩散/偏光板安装台46、扩散板44、偏光板42、光圈50、光学单元34以及导光件10安装在上述摄像基板20上，从而这样组装成摄像部分。在上述摄像部分上安装有控制基板60。图5示出了摄像部分和控制基板安装后的单元的状态。
此外，如图6所示，配备有可见光遮挡过滤板76、遮光罩78、支座组件70和外壳74。通过将图5中所示的连接单元连接到图6中所示的支座组件70上，并通过将图2中所示的支座盖68连接到该支座组件70上，组装成图7所示的构造。
然后，将图7所示的构造容纳在图6所示的外壳74内，并通过将具有安装好的遮光罩78的可见光遮挡过滤板76安装在外壳74的上部上，构造成图8所示的图像捕获装置。上述可见光遮挡过滤板76遮挡可见光分量，从而使其不能从外侧进入图像传感器30。此外，如以下参照图1所述，遮光罩78遮蔽光，从而使预定图像捕获区域外的光不能进入光学单元34，并防止从导光件10泄漏的光侵入光学单元34。
图1示出了图8所示的完成体1的剖面图。如之前所述，图像传感器30、发光器件22、24、光电探测器件26和测距发光器件52安装在摄像基板20上。即，将包括照明系统和图像捕获系统在内的基本结构安装在单个基板上。因此，仅仅一块安装板就足够了，从而有助于降低成本。
此外，通过在发光器件22、24的上部上设置环形导光件10，来自发光器件22、24的光被引向可见光遮挡过滤器76。上述导光件10将来自发光器件22、24的光分开，然后使该光前进至可见光遮挡过滤器76。因此，发光器件22、24可靠近图像传感器30布置，并且也在同一基板20上，这使得能小型化，也能以均匀光照明目标物。更具体地说，假设图1中所示的倒三角形的斜线部分为摄像机的图像捕获范围，则可通过均匀光照明该图像捕获范围。
另外，由于导光件10为环形，可将光学单元34容纳在该环10内，因而能够进一步小型化。此外，遮光罩78防止预定图像捕获范围(图1中的斜线部分)以外的光进入光学单元34，并且还防止从导光件10泄漏的光侵入光学单元34。因此，即使在导光件10和发光器件22、24靠近图像传感器30和光学单元34布置时，也能避免图像捕获精度变差。
而且，由于测距发光器件52设置在摄像基板20上，因而能进一步使测量距离的图像捕获单元小型化。此外，在图1中，控制基板60连接至摄像基板20的下部，而外部线缆2与控制基板60的外部连接器62相连。
照明机构接下来描述包括导光件的照明机构。图9示出了根据本发明一个实施例的导光件的操作说明图；图10示出了图9所示的照明机构的详细构造图；图11示出了图10所示的导光件的梯形凹口的说明图；图12至图14示出了图10所示的导光件的导光和扩散操作的说明图。
在图9中，与图1和图2中所示相同的部件用相同的附图标记表示。如图9所示，导光件10将来自作为点光源的各个发光器件22、24的光引向可见光遮挡过滤器76，从而使光被分成三束。
更具体地说，基本上从导光件10输出向着光学单元34的方向的光A3、向着导光件10的纵向方向的光A2、以及向着与光学单元34相反的方向的光A1。通过设置上述导光件10，每一单个点光源22、24都可以如同在可见光遮挡过滤器76附近存在三个点光源一样作用。
如图10所示，导光件10包括上斜面14、两个侧面10-1、10-2以及下梯形槽12。下梯形槽12通过使偏光板42和扩散板44位于中间而定位成与发光器件22、24相对，并接收来自发光器件22、24的光。另外，上斜面14为在光学单元34侧高度较大的斜面。
如图11所示，来自发光器件22、24的发光强度分布B具有沿向上方向的长(强)圆弧形状。即，向着发光器件22、24的光输出方向(该装置的垂直方向)的光分量B1的强度大于向着两侧方向的光分量B2、B3的强度。如图9所示，导光件10中的梯形槽12与上述强度分布B对应地形成，从而光在输出侧上可基本上被当作三个点光源。
更具体地说，为了通过导光件10内部的反射而起三个点光源的作用，梯形槽12由用于引入光分量B1的平坦部分12b以及用于引入两侧上的光分量B2、B3的一对斜面部分12a、12c构成，所述一对斜面部分具有与光分量B2、B3的方向相对应的梯度。梯形槽12的上述形状用于将来自各个点光源22、24的光分成三束。
而且，如稍后所述，上述平坦部分12b和斜面部分12a、12c的相应长度被设置成使得由从导光件10输出的光在预定区域中产生的光强变得基本上均匀。这里，用于接收光分量B1的最大强度的平坦部分12b的长度设置成短于用于接收光分量B2、B3的光强(弱于光分量B1的光强)的斜面部分12a、12c各自的长度。这样，根据光强分布调整分光量。
参照图12至图14对以上操作进行描述。如图12所示，各个发光器件22、24的发光强度分布B左侧的分量B2从导光件10的左斜面部分12a入射到该导光件10的左侧面10-2。接着入射光在该左侧面10-2上被反射，从而前进至导光件10的右侧面10-1。随后，前进至右侧面10-1的光在该右侧面10-1上被反射，从而再次前进至左侧面10-2。于是该光在该左侧面10-2上被反射而基本垂直地入射到上斜面14，并输出到图像捕获范围的最外部分。
此外，如图13所示，发光器件22、24的发光强度分布B的中央分量B1从导光件10的中央平坦部分12b入射到该导光件10上。然后，该光倾斜地入射到上斜面14上，并输出到图像捕获范围的最内部分。
此外，如图14所示，发光器件22、24的发光强度分布B右侧的分量B3从导光件10的右斜面部分12c入射到该导光件10的右侧面10-1。然后入射光在该右侧面10-1上被反射，并前进至导光件10的左侧面10-2。随后，前进至左侧面10-2的光在该左侧面10-2上被反射，从而基本垂直地入射到上斜面14，并输出到图像捕获范围的最外部分和最内部分之间。
将图12和图14进行综合而得到图10所示的光路图。即，在梯形槽12处，导光件10将点光源22、24的点光分成三束。利用在导光件10内在侧面上的反射，将各个分开的光输出成如在导光件10的输出侧存在三个点光源一样作用。
在这种情况下，考虑图1所示的图像捕获范围(斜线所示)，在导光件10的上斜面14处对输出方向进行调整。此外，为了在图像捕获范围内获得基本均匀的光强，考虑之前在图11中所述的发光器件22、24的发光强度分布B，对导光件10的梯形槽12的平坦部分12b和斜面部分12a、12c的长度(即，入射宽度，或者入射至其上的入射量)进行调整。
这里，为了获得基本均匀的光强，因为图11中所述的发光器件22、24的发光强度分布B在中央处光强较强，而在外围光强较弱，所以导光件10的梯形槽12的平坦部分12b的长度设成短于斜面部分12a、12c各自的长度。因此，构造成光强较强的光部分不仅入射到平坦部分12b，而且入射到斜面部分12a、12c。
而且，利用导光件10的具有梯形形状的槽12和上斜面14以及在导光件10中的反射，可通过扩散输出反射光和直线光，从而在整个图像捕获范围内获得基本均匀的光强。
在参照图1进行描述时，光照射在图像传感器30的图像捕获范围V上，而均匀光强的范围用V1表示。尽管图像捕获范围为V，然而从上述范围V1中的图像提取图像捕获目标物的极其重要的特征，因此能以高精度进行特征提取。另外，通过利用等级校正(level correction)匹配等级，范围V1外的图像可用于重要性较低的特征提取。
遮光罩结构图15和图16示出了在图1至图14中所述的图像捕获装置的遮光罩的构造图，图17示出了其操作说明图。图15是从上方观察到的遮光罩的立体图，而图16是从下方观察到的遮光罩的立体图。
如图15和图16所示，遮光罩78包括遮光罩外侧壁78-1、遮光罩外侧壁78-1的底部78-4、布置在底部78-4上的曝光孔78-2、以及布置在遮光罩外侧壁78-1的最上部上的凸缘78-3。
如图17所示，光学单元34的顶部设置在遮光罩78的底部78-4上的曝光孔78-2处。遮光罩78的上部(包括凸缘78-3)连接在可见光遮挡过滤器76上。如在图1至图14中已经描述的那样，当图像捕获单元34、30和照明机构22、10为了小型化而彼此靠近布置时，来自作为输出系统的照明机构的光入射到图像捕获系统34、30上，这影响所拍摄的图像。
因此，必须使输出系统与图像捕获系统光学分离，于是设置了遮光罩78。上述遮光罩78由不透射光的屏蔽件形成。通过设置底部78-4，使遮光罩外侧壁78-1沿导光件10的方向定位。基本上垂直布置的遮光罩外侧壁78-1屏蔽从导光件10直接入射或在可见光遮挡过滤器76的下表面上反射的光，从而使其不能入射到图像捕获单元34、30。而且，如图1所示，遮光罩外侧壁78-1限制来自目标物的反射光的入射范围，如图1中的斜线所示。
此外，布置在遮光罩外侧壁78-1上部的凸缘78-3向着导光件10的方向延伸。如图17所示，凸缘78-3拦截从导光件10输出的光之中的、反射在可见光遮挡过滤器76的上表面上的反射光L1、L2和L3入射到图像捕获单元34、30。这样的反射光L1、L2和L3由于不照射在目标物上而会产生图像捕获噪声。因此，通过凸缘78-3进行拦截可有效地获得清晰的拍摄图像。
这样，遮光罩78对光进行遮挡，从而防止预定图像捕获范围(由图1中的斜线所示)外的光进入光学单元34，并且还防止从导光件10输出的光之中的、不照射在目标物上的光侵入光学单元34。
距离传感器的构造图18示出了距离传感器的光圈的构造图；图19示出了图18中所示的光圈的分解结构图；图20示出了图18中所示的光圈的顶视图；图21示出了图20中所示的光圈的A-A剖面图；图22示出了图20中所示光圈的B-B剖面图。
如图18、图19所示，光圈50包括支座50-1、透镜50-3和聚光器50-4。支座50-1由圆柱体形成，用于遮挡外部的光。在支座50-1的上部上设有透镜50-3的支撑件50-7和挤压件50-6。另外，在支座50-1的侧面上设有导光件10的支撑件50-2，在支座50-1的下部上设有用于装配到基板20上的装配腿(furnishing leg)50-5。同时，透镜50-3包括凹口50-8，该凹口50-8用于将支座50-1的挤压件50-6装配在其中。
如图19所示，聚光器50-4从支座50-1的下部装配在该支座中，从而定位在该支座50-1的透镜支撑件50-7处。另外，支座50-1的挤压件50-6装配在透镜50-3的凹口50-8中，而透镜50-3被推入支座50-1的上部中。因此，透镜50-3被支座支撑件50-7支撑，并且还被支座50-1的挤压件50-6挤压。
接下来，参照图20至图22描述上述光圈50的操作。如图21、图22所示，在图20的A-A剖面图和B-B剖面图中，聚光器50-4在透镜50-3的下部处形成倒梯形光路。测距发光器件52由发光二极管(LED)构成，其具有在上述附图中以虚线示出的发光分布。
聚光器50-4拦截相对而言存在于所述发光分布外围的光，而使在中央处的具有较强光强的光传递到透镜50-3。为了将具有这样发光分布的光聚集成聚光，采用了这样的构造，使得具有大功率的发光器件52发出的光通过扩散板等会聚成平行光，并入射到会聚透镜50-3。然而，在这样的构造中，必须设置扩散板以及大功率发光器件。
根据本实施例，利用聚光器50-4使入射在透镜50-3上的光形成为从测距发光器件52的发光分布变形成形成倒梯形分布。更具体地说，通过用于形成下侧窄上侧宽的光路的聚光器50-4，LED的扩散反射光线被选择、会聚并向一个方向输出。因此，即使当采用具有小发光量的节能发光器件时，也能获得足够的照射量。
图23、图24示出了光圈50组装到基板20上的组装图。假设将测距发光器件52安装在基板20的四个角部处。与上述测距发光器件52相对应，光圈50通过其腿50-5装配到基板20上。并且，通过粘合剂等将扩散/偏光板安装台46安装在它们之间。
通过设置包括聚光器50-4(其用于产生从测距发光器件52发出的光的下侧窄上侧宽的光路)的光圈50，LED的扩散光线可被选择、会聚并向一个方向输出。因此，即使当采用具有小发光量的节能发光器件时，也能获得足够的照射量，并能使照射聚光的距离传感器小型化，从而有助于图像捕获装置的小型化。此外，即使当安装在基板20上时，也能获得足够的聚光。
图像处理构造图25示出了根据本发明一个实施例的拍摄图像处理装置的框图。图26示出了在上述图像处理装置中的拍摄图像处理的流程图。另外，图27示出了测距操作的说明图。
如图25所示，在该图像捕获装置中的驱动/处理系统包括用于驱动第一发光器件22的第一照明LED驱动器94、用于驱动第二发光器件24的第二照明LED驱动器96、用于驱动测距发光器件52的测距LED驱动器98、用于将来自图像传感器30的各个像素的模拟输出转换成数字值的模/数转换器92、以及微控制器90。
如图4所示，第一照明LED驱动器94和第二照明LED驱动器96根据光电探测器件26中接收到的光强在各个发光阶段进行APC(自动功率控制)。微控制器(MCU)90包括MPU(微处理器)、ROM(只读存储器)和RAM(随机存取存储器)，并执行包括距离测量90A、姿势辨别90B、快门控制90C和图像处理90D的处理。
以下参照图26描述在MCU 90中的图像捕获处理。
(S10)MCU 90通过测距LED驱动器98驱动测距发光器件(LED)52。这样，图2和图3中所述的四个测距发光器件52发光。如图1所示，图像传感器30拍摄在图像捕获范围内的图像。这里，由于未驱动照明发光器件22、24，因而图像传感器30仅接收来自图像捕获范围内的物体的、对应于从测距发光器件52发出的光的反射光。在图27中，示出了在图像传感器30的图像30A中的反射光52A、52B、52C和52D的位置，这些反射光是从对应于各个测距发光器件52发出的光的图像捕获范围内的目标物接收到的。上述位置根据目标物(例如，手掌)的倾斜而偏离。
(S12)接下来，通过模/数(A/D)转换器92将图像传感器30的图像30A中的各个模拟光接收量转换成数字值，然后存储到MCU 90的存储器中。MCU 90搜索该存储器中的图像数据，并检测上述反射光52A、52B、52C和52D的位置。
此时，如图3和图27所示，由于四个测距发光器件52从图像(图像捕获范围)的中央对角布置，因而通过在如图27中由虚线所示的直线上搜索，可根据所述直线上的像素亮度检测出这四个点的位置。而且，因为发光器件52以充分的距离布置在对角线上的最远位置处，所以能检测到距图像中央最远的位置。根据以上四个位置，MCU 90利用三角测量方法检测目标物的距离和倾斜。即，通过利用从图像传感器30的中央的位置，计算出在所述四个点中的每一个点处的距离，从而可根据这四个点的距离之差检测出所述倾斜(沿四个方向)。
(S14)MCU 90判断距图像捕获目标物的距离是否合适(目标物是否以预定焦距位于图像捕获范围内)。若距图像捕获目标物的距离不合适，则MCU 90在未示出的显示部分上显示引导信息。例如显示“将目标物(手掌)放近些”或者“将目标物(手掌)放远些”这样的引导信息。
(S16)若距离合适，MCU 90判断图像捕获目标物的倾斜是否合适。例如，在对目标物的平坦部分(手掌等)进行图像捕获时，判断倾斜是否在容许范围内。若图像捕获目标物的倾斜不合适，则MCU 90在未示出的显示部分上显示引导信息。例如，在目标物是手掌的情况下，显示“打开你的手”等这样的引导信息。
(S18)若倾斜合适，则MCU 90指示照明LED驱动器94、96发光。因此，发光器件22、24发光，从而照射目标物。随后，MCU 90驱动图像传感器30的未示出的电子快门，并拍摄图像捕获范围内的图像。之后，MCU 90通过模/数转换器92将图像存储到存储器中。然后，从上述图像提取特征。例如，在提取上述血管图像的情况下，从所述图像提取血管图像。
这样，图像传感器30还用作测距光电探测器部分，用于检测图像捕获目标物是否位于焦距处，或者检测目标物的倾斜。因此，在该测距机构中，提供测距发光器件52就足够了，而不用特别提供用于测量距离的光电探测器件。由于减少了安装部件的数量，因此这有助于降低成本并有助于小型化。
而且，因为四个测距发光器件52从图像(图像捕获范围)的中央对角布置，所以通过搜索如图27中以虚线所示的、存储在存储器中的图像数据可检测出这四个点的位置，因此使检测处理变得容易。另外，因为测距发光器件52以充足的距离布置在对角线上的最远位置处，所以即使装置被小型化也能检测出图像中远离中央的位置，并能精确地检测倾斜。
另一图像捕获装置图28示出了根据本发明另一实施例的图像捕获装置的分解结构图；图29示出了图28中所示的图像捕获装置的顶视图；图30示出了图29所示的图像捕获装置的E-E剖面图；图31示出了图29所示的图像捕获装置的C-C剖面图。
在图28中，与图1至图8中所示相同的部件用相同的附图标记表示。尽管在图28中未示出，然而与图2和图3类似，诸如CMOS图像传感器的图像传感器30和偏光板32安装在摄像基板20的中央处，多个发光器件22、24和光电探测器件26安装在摄像基板20上的图像传感器30的外围。另外，在摄像基板20的四个角部处，设有四个测距发光器件52，用于测量距目标物的距离。简而言之，在单个摄像基板20上设置了照明系统22、24、26和用于对目标物进行图像捕获的图像捕获系统30、32以及测距系统52。
在摄像基板20的发光器件22、24的上方向上设有四个扩散板44和四个偏光板42。上述扩散板44和偏光板42分别固定到安装在摄像基板20的四边上的扩散/偏光板安装台46上，如稍后所述。各个扩散板44将从第一发光器件22和第二发光器件24发出的定向光进行一定程度的扩散。各个偏光板42将从第一发光器件22和第二发光器件24发出的自然光转换成线性偏振光。
在所述四个偏光板42的上方向设有环形导光件10。该导光件10由例如树脂形成，并沿向上方向引导来自摄像基板20的第一发光器件22和第二发光器件24的光，从而以均匀光照射目标物。为了与摄像基板20的发光器件22、24的布置相配，导光件10具有环形结构。如已在图9及其后的图中所述，导光件10向向上方向引导从第一发光器件22和第二发光器件24发出的光，从而以均匀光照射目标物。
此外，光学单元34(参照图30、31)在布置于摄像基板20的大致中央的图像传感器30上连接在该摄像基板20上，并在环形导光件10内。光学单元34由诸如会聚透镜的透镜光学系统构成。
在摄像基板20的测距发光器件52上安装有光圈50。如稍后将在图32和图33中所述，光圈50遮蔽光向其它方向的扩散，从而将从测距发光器件52发出的光引向目标物方向。
与摄像基板20分开地设有控制基板60。控制基板60设置成与外部相连，并包括外部连接器62和用于与摄像基板20相连的摄像连接器64。上述控制基板60布置在摄像基板20的下部上，并利用摄像连接器64与该摄像基板20电连接。
于是图像传感器30、发光器件22、24、光电探测器件26和测距发光器件52就被安装在摄像基板20上。此外，将上述摄像基板20、扩散/偏光板安装台46、扩散板44、偏光板42、光圈50、光学单元34、导光件10、遮光罩78以及控制基板60都安装到支座组件70A、70B上，从而组装成摄像部分。
如图28和示出了在图29中所示的E-E剖面的图30所示，一对支座组件70A、70B包括在其下部中的槽缝70-3，该槽缝70-3用于供控制基板60插入；在中央处的支撑件70-2，该支撑件70-2用于支撑摄像基板20；以及位于支撑件70-2上方的突起70-1，该突起70-1用于供扩散/偏光板安装台46插入。
同时，如图30、图31所示，导光件10包括在下槽12附近的伸出台(projection block)16。另外，遮光罩78包括底部78-4、遮光罩外侧壁78-1、布置在遮光罩外侧壁78-1的上部上的凸缘78-3、以及布置在下部的挤压台(pressing block)78-5。
参照图29、图30和图31描述根据以上构造的组装操作。与图2类似，通过将光圈50的腿50-5插入而将稍后所述的与光圈50成一体的扩散/偏光板安装台46装配到摄像基板20中，该摄像基板20上安装有图像传感器30、发光器件22、24、光电探测器件26以及测距发光器件52。扩散板44和偏光板46预先通过粘合剂等装配到上述扩散/偏光板安装台46上。
接着，通过连接器使控制基板60与上述摄像基板20相连接，并从上述组装体的两侧装配支座组件70-A、70-B。此时，如图30所示，将控制基板60插入所述一对支座组件70-A、70-B的槽缝70-3中。而且，将摄像基板20装配到支撑件70-2上，并且还将扩散/偏光板安装台46装配到突起70-1上，从而将该扩散/偏光板安装台46夹在它们之间。
随后，如图31所示，将上述组装体插入外壳74中，之后将光学单元34设置到摄像基板20上。此外，将导光件10装配成该导光件10的下部搭在光圈50的支撑台50-2上。然后，以这样的方式装配遮光罩78，使得该遮光罩78的下部的台78-5搭在导光件10的伸出台16上。最后，将可见光遮挡过滤板76粘贴在壳体74的侧面上。
这样，用于支撑基板20、60的支撑件70-2、70-3就布置在构成侧板的支座组件70A、70B上。而且，距离传感器的光圈50、导光件10以及遮光罩78相互接合，并被最上方的可见光阻挡过滤板76挤压。通过以上结构，显著减少了粘合点，并且特别是消除了在外壳74内涂覆粘合剂以及贴合的处理。
结果，可在基本不用粘合处理的情况下，组装大小为大约3.5厘米见方量级的小型图像捕获装置。在使用粘合处理的情况下，在额外部分涂覆粘合剂可能会产生产品缺陷。而且，考虑到可加工性，粘合处理不是优选的，这是因为即使正确进行粘合，也需要大约一个小时的时间完成干燥。
而且，当对多种部件使用不同类型的粘合剂时，容易混淆就成了问题，并且粘合剂的类型受到限制。因此，在不进行任何粘合处理的情况下进行组装对于防止出现缺陷产品以及提高可加工性都很有效。
接下来，描述用于提高可加工性的构造。图32和图33是在图28至图31中所示的扩散/偏光板安装台46和光圈50的构造图。如图33所示，光圈50的四个支座50-1与四个扩散/偏光板安装台46一体形成，从而连接在一起。例如，光圈50的相连的四个支座50-1通过塑性成型与四个扩散/偏光板安装台46一体形成。
如图33所示，聚光器50-4被插入具有一体模制结构的光圈50的支座50-1内，并且透镜50-3装配到所述聚光器上。在该情况下，也没有利用粘合处理。这样，如图32所示那样，连接在一起的四个光圈50和四个扩散/偏光板安装台46利用光圈50的腿50-5固定到摄像基板20上。
因此，可简化组装工作，并一致地保持各个光圈50之间的精确位置关系。因此，可精确地进行图27所示的距离测量。换言之，可在距离计算中消除光圈的装配误差。
其它实施例在上述实施例中，以手掌作为图像捕获目标物的示例，并且以静脉图案验证作为图像捕获目标物的图像处理的示例。然而，本发明还可通过利用人体的其它特征而应用于其它生物计量验证，这些特征包括手部皮肤图案、手背的血管图像、手指的血管图像、以及面部和虹膜的特征等。而且，本发明不局限于生物计量验证的应用，而是可用于其它应用。测距发光器件的数量不局限于四个，而是可选择任意多个。
尽管已在以上描述中对本发明的实施例进行了说明，然而可在不背离本发明精神的情况下进行任何合适修改。所有这样的修改不应排除在本发明范围外。落于本发明范围内的本发明的特征和优点都被所附权利要求涵盖。
相关申请的交叉引用本申请基于2006年3月3日提交的在先日本专利申请No.2006-058161并要求其优先权，通过参考将其全部内容结合于此。
权利要求
1.一种图像捕获装置，该图像捕获装置用于通过照明目标物并接收来自该目标物的反射光来捕获该目标物的图像，并包括图像传感器，该图像传感器用于接收所述反射光；多个发光器件，所述多个发光器件安装在所述图像传感器的外围位置中；导光件，该导光件用于将所述多个发光器件的光引向图像捕获范围，并照明该图像捕获范围；光学单元，该光学单元容纳在所述导光件内，用于将在被照明的所述图像捕获范围内的所述目标物的所述反射光引向所述图像传感器；测距发光器件，所述测距发光器件用于用光照射所述目标物；光圈，所述光圈布置在所述测距发光器件上，用于遮盖所述测距发光器件的光线、使所述光线会聚并将其引向聚焦透镜；以及控制电路，所述控制电路用于驱动所述测距发光器件、根据所述图像传感器的拍摄的图像检测所述测距发光器件的聚光位置、并获得距所述目标物的距离。
2.根据权利要求1所述的图像捕获装置，其特征在于，所述光圈包括支座，该支座用于遮盖所述测距发光器件的所述光线；聚焦透镜，该聚焦透镜用于输出聚光；以及聚光器，该聚光器用于将所述测距发光器件的所述光线向所述聚焦透镜的方向会聚。
3.根据权利要求2所述的图像捕获装置，其特征在于，所述光圈由用于形成向着所述聚焦透镜方向的倒梯形光路的材料构成。
4.根据权利要求1所述的图像捕获装置，其特征在于，所述多个发光器件在所述图像传感器的外围沿着圆周以预定间隔安装在电路板上；并且其中所述导光件为与所述圆周相对应的环形。
5.根据权利要求1所述的图像捕获装置，其特征在于，所述图像传感器、所述多个发光器件以及所述测距发光器件安装在同一电路板上。
6.根据权利要求1所述的图像捕获装置，其特征在于，该图像捕获装置还包括布置在所述导光件和所述多个发光器件之间的扩散偏光板，该扩散偏光板用于扩散所述发光器件的光并使该光偏振；以及安装台，该安装台用于安装所述扩散偏光板。
7.根据权利要求1所述的图像捕获装置，其特征在于，该图像捕获装置还包括布置在所述导光件和所述多个发光器件之间的扩散偏光板，该扩散偏光板用于扩散所述发光器件的光并使该光偏振；以及与所述光圈一体形成的安装台，该安装台用于安装所述扩散偏光板。
8.根据权利要求1所述的图像捕获装置，其特征在于，所述测距发光器件安装成在所述电路板上有多个，从而利用所述图像传感器的图像测量距所述图像捕获范围内的所述目标物的距离。
9.根据权利要求8所述的图像捕获装置，其特征在于，所述测距发光器件在所述发光器件的外侧位置安装在所述电路板上。
10.根据权利要求1所述的图像捕获装置，其特征在于，所述多个发光器件由用于发射红外光的发光器件构成；并且其中该图像捕获装置还包括用于过滤可见光的滤光器。
11.根据权利要求1所述的图像捕获装置，其特征在于，所述导光件包括下端部，该下端部用于引入所述发光器件的光；上端部，该上端部用于将所述光输出到所述图像捕获范围；以及导光部分，该导光部分用于将所述发光器件的所述光从所述下端部引向所述上端部。
12.根据权利要求8所述的图像捕获装置，其特征在于，所述测距发光器件由四个发光器件构成，并在所述发光器件的外侧位置安装在所述电路板上，从而形成对角关系。
13.根据权利要求12所述的图像捕获装置，其特征在于，所述光圈由与所述四个发光器件相对应的四个光圈单元构成。
14.根据权利要求1所述的图像捕获装置，其特征在于，所述图像传感器对活体的一部分进行成像。
全文摘要
本发明提供了一种图像捕获装置，该图像捕获装置照明目标物并利用从其反射的光捕获其图像，并具有简化的距离测量。围绕图像传感器安装有多个发光器件，而导光件将发光器件的光引向图像捕获区域，用于进行照明。该图像捕获装置具有靠近布置的图像捕获系统和照明系统，还具有测距发光器件以及位于该测距发光器件上用于产生下侧窄上侧宽的光路的光圈。因此，可对测距发光器件的扩散反射光线进行选择、会聚并向一个方向输出。即使使用发光量小的节能发光器件也能获得足够的照射量，并能使用于发射聚光的距离传感器小型化，从而有助于图像捕获装置的小型化。
文档编号G03B17/02GK101030013SQ20061014676
公开日2007年9月5日 申请日期2006年11月22日 优先权日2006年3月3日
发明者吉田孝, 田中博之, 芳须芳男, 松尾浩一 申请人:富士通株式会社, 富士通先端科技株式会社