摄像装置、指纹认证装置和摄像方法

专利名称：摄像装置、指纹认证装置和摄像方法
技术领域：
本发明涉及取得被拍摄物体的图像的摄像装置、使用该摄像装置的指纹认证装置和摄像方法，特别是，涉及适当地搭载在指纹认证等的生物体认证系统中的摄像装置、使用该摄像装置的指纹认证装置和摄像方法。
背景技术：
近年来，为了确保个人信息和机密信息的安全，指纹认证装置等的生物体认证系统引人注目，也增加了将它制成办公设备和便携式设备的需要。这种利用指纹、面孔、虹膜、掌纹等的生物体认证系统从摄像装置取得生物体的图像，从该取得的图像提取特征，将其信息与原来已经登记的数据对照，进行本人的认证。
这里，作为用于生物体认证系统的摄像装置的检测方式，存在着用CCD和CMOS传感器等的摄像元件的光学方式、静电电容方式、压力感知方式、热感应方式、电场检测方式等。又，作为别的分类，存在着用2维区域传感器统括地取得被拍摄物体图像的区域类型；和使用1维直线传感器或副扫描方向的像素数约为5～20的带状的2维传感器，将在副扫描方向顺次地对被拍摄物体进行摄像得到的整体图像合成的称为扫描型(sweep type)的摄像方式(例如，请参照日本公开公报，日本特开2002-216116号专利公报。)至今，在这种生物体认证系统中，在对由摄像装置取得的图像进行改善对比度和强调边缘等的各种不同的图像处理后，实施用于进行对照的特征提取处理。
又，已经揭示了关于在传感器的受光区域内的不同部分中使曝光条件不同进行摄影的图像输入装置的技术(例如，请参照美国公开公报USAA2003147550。)可是，在生物体认证系统中，如果原来摄像的图像本身没有某种程度的充分的图像品质，则因为特征提取水平下降，所以对照精度降低。例如，在光学式的指纹传感器中，光源的质量成为决定拍摄图像自身的图像品质的重大要素。
例如当将多个LED等作为光源时，各光源(LED)光量的不均匀性成为一个问题。例如LED，即便根据亮度的等级分层次加以区别，也存在着将相同的电流值亮度的最小值和最大值相差2倍的情形作为允许范围，作为相同制品出厂。即，相对于相同的电流值的亮度在LED制品之间的不均衡是很大的。
在这种情形中，当将多个LED作为光源时，亮度的不均衡原封不动地在拍摄的指纹图像中表现出来，光源的不均匀性最大占据动态范围的50％而挤压信号成分。这不仅引起S/N的降低，而且因为不均匀性的捣乱使为了除去背景和提取隆起线等的提取摄像图像特征的图像处理更加困难，所以存在着结果使对照精度低下那样的问题。
又，特别是在使手指密切接触传感器的光学式的指纹传感器的情形中，因为将光源配置在传感器附近，所以从光源和传感器的距离关系，与传感器上的受光区域有关，光量发生不均衡产生光量的不均匀性(黑斑)。在这种情形中，也存在着因为亮度差原封不动地在摄像的指纹图像中表现出来，所以如上所述，光源的不均匀性挤压信号成分，使得产生S/N降低、除去背景和提取隆起线等的图像处理难以进行，使对照精度下降那样的问题。
特别是，在扫描型的指纹传感器的情形中，产生了由摄影图像的画质恶化引起的下列所示的2个特有的问题。第一，产生使图像再构成(将部分图像联系起来的处理)变得困难那样的问题。这样，为了图像再构成，在取得在传感器上移动的手指(指纹)的部分图像后，需要计算上下邻接的部分图像的相关性，检测同一指纹部位。这时，存在着因为在摄像区域内具有由离开关光源的距离不同和光源自身的偏差等引起的亮度差，该亮度差降低了相关性，所以使检测同一指纹部位变得很困难。又，特别是当在手指移动的方向上存在黑斑时这种相关性降低变得更加显著。
第二，当从再构成后的手指整体的图像提取指纹特征点时，产生检测出错误的特征点，不能够检测本来的特征点，对照精度降低那样的问题。这样，当对手指移动方向存在黑斑时，得到在包含亮度高的行(这里是最初读出的行)和亮度低的行(这里是最后读出的行)的行方向中具有亮度差的多个部分图像。当这些部分图像连续地连接起来时，例如将第1个部分图像的最后行和第2个部分图像的最初行连接起来进行处理。这样，在通过计算第1个部分图像的最后行(作为第1行)和第2个部分图像的最初行(作为第2行)的相关性连接起来的情形中，存在着当因为黑斑，第1行和第2行的亮度差很大时，在连接部分中产生伪线那样的问题。而且，也存在着在各部分图像的每个境界上出现同样的线，可能错误地识别为伪指纹图案那样的问题。一般指纹特征点的提取是检测指纹图案的隆起线，将该隆起线的不连续点和分叉点等作为特征点检测出来。因此，发生作为伪指纹图案错误地识别出来的不连续点和分叉点，将不是本来特征点的点作为特征点提取出来。从而，产生使指纹对照精度低下那样的问题。
又，作为解决上述问题的对策，也考虑用图像处理校正取得的摄像图像，但是存在着经过校正部分的S/N恶化，或者发生副作用的画质恶化的情形，不是本质上解决问题的对策。
进一步，存在着光学传感器容易受到由外光产生的影响那样的问题。在室内和夜间等外光弱、以来自光源的光为主照明被拍摄物体的情形，和白昼的来自室外和窗户的强入射光与来自光源的光一起照明被拍摄物体的情形中，光量及其分布状况变化很大，即便是同一被拍摄物体，所得到的图像也发生很大变化。
例如，在室内时的光量条件最佳化的情形中，当处于强的盛夏的直射目光下时，就不能进入假定的动态范围，光量过强图像发生饱和。相反地，在明亮环境下最佳化的情形中，当光量过弱时图像成为黑沉沉的。
又，在从窗户倾斜地入射夕阳的光的情形中等，当面内的光量分布变化很大时，面内一部分饱和，或者成为黑沉沉的，包含在可以用于图像处理和认证的动态范围中的图像范围变窄。
由于这些原因，产生了外光对部分图像的计算时间和计算结果以及对照精度等产生影响那样的问题。
也考虑了以使外光不入射到传感器的像素的方式设计遮光罩、设置遮断外光的光学部件的方法，但是遮光罩和遮断外光的光学部件招致外形尺寸增大和成本增加。
本发明，就是考虑到上述事情提出的，本发明的目的是提供解决上述课题中的至少1个，提供了校正由于多个光源中的光量的变化导致的光量不均匀性的摄像装置、指纹认证装置和摄像方法。
又，本发明的目的是提供能够校正由光源和传感器的位置关系产生的黑斑的摄像装置、指纹认证装置和摄像方法。
进一步，本发明的目的是提供能够检测由外光引起的曝光量的变化和不均匀性并进行校正的摄像装置、指纹认证装置和摄像方法。

发明内容
本发明就是为了解决上述课题提出的，其特征在于在根据本发明的摄像装置中，具备备有1维或2维状配置的像素，对被拍摄物体进行摄像的摄像部件和将光照射在被拍摄物体上的照射部件，摄像部件具有当被拍摄物体和摄像部件相对移动时，输出被拍摄物体的多个部分图像，控制摄像部件中的部分图像内的曝光量的控制部件。
又，本发明的特征在于在根据本发明的摄像装置中，具备备有2维状配置的像素，对被拍摄物体进行摄像的摄像部件、与摄像部件的主扫描方向平行地配置，将光照射在上述被拍摄物体上的多个光照射部件、控制多个光照射部件的亮度的控制部件、和在摄像部件的副扫描方向，控制上述摄像部件的电荷积累期间或上述光照射部件的亮度中的至少一方的副扫描方向控制部件，控制部件通过控制上述多个光照射部件的亮度对上述摄像部件中的上述主扫描方向的光量分布进行控制，副扫描方向控制部件，以校正上述摄像部件的副扫描方向中的上述光照射部件的亮度差的方式，控制上述摄像部件的电荷积累期间或上述光照射部件的亮度中的至少一方。
又，本发明的特征在于在根据本发明的摄像装置中，具备对被拍摄物体进行摄像的摄像部件、将光照射在上述被拍摄物体上的光照射部件、判断外光状况的判断部件、和与由上述判断部件判断的外光状况相应，控制上述摄像部件中的图像内的曝光量的控制部件。
又，本发明的特征在于在根据本发明的指纹识别装置中，具备权利要求1到10中任何一项所述的摄像装置。
又，本发明的特征在于在根据本发明的指纹识别装置中，具备权利要求15到20中任何一项所述的摄像装置。
又，本发明的特征在于在根据本发明的摄像方法中，该方法是用对被拍摄物体进行摄像的摄像部件，将光照射在该被拍摄物体上取得图像的摄像方法，使摄像部件和上述被拍摄物体相对移动，输出该被拍摄物体的多个部分图像，控制上述摄像部件的上述部分图像面内的曝光量。
又，本发明的特征在于在根据本发明的摄像方法中，该方法是用对被拍摄物体进行摄像的摄像部件，将光照射在该被拍摄物体上取得图像的摄像方法，与外光状况相应，控制上述摄像部件中的图像面内的曝光量。


图1是表示作为本发明的第1实施方式，应用本发明的扫描型指纹认证装置的模式构成的方框图。
图2A、2B、2C、和2D是表示用本实施方式中的称为扫描型的方式的光学式指纹传感器的概略构成和工作原理的图。
图3A1、3A2、3A3、3A4、3A5、3A6、3A7、3A8、3A9、3B和3C是表示在扫描型指纹传感器中，从多个部分图像合成指纹整体的图像的处理例的图。
图4是表示图1的摄像元件单元104(图2的摄像元件204)的传感器单元6的电路构成例的图。
图5是表示图4所示的像素单元41的构成例的图。
图6A、6B是表示图2B中从点A到点B的方向(传感器的主扫描方向)的亮度分布的图。
图6C、6D是表示在光源自身没有亮度不均匀性的状态中指纹图像的输出水平的图。
图6E、6F是表示当校正图6B所示的亮度不均匀性时的亮度分布例的图和表示图2B中从点C到点D的方向的亮度分布例的图。
图7是表示图1所示的光源103和LED驱动单元108的具体电路例的图。
图8是表示作成输入到图7所示的输入端子701～703的LED控制脉冲的控制脉冲作成电路的电路例的图。
图9是表示本实施方式中的摄像元件单元104和LED驱动单元108的工作的定时图。
图10A和10B是表示区域型指纹认证装置中的光源和摄像元件的位置关系的图。
图11A、11B是表示从点A到点B的方向(传感器的主扫描方向)的亮度分布的图。
图11C是表示从图10A的点C到点E的方向(摄像元件1101的副扫描方向)的亮度分布的图。
图12是表示将图10A所示的LED1102a～1102d分别作为1个系统的共计分成4个系统，由晶体管的接通/断开进行点亮控制的电路例的图。
图13是表示作成输入到图12所示的输入端子701的控制脉冲的控制脉冲作成电路的图。
图14是表示第2实施方式中的摄像元件单元104和LED驱动单元108的工作的定时图。
图15是表示作为本发明的第3实施方式，应用本发明的扫描型指纹认证装置的模式构成的方框图。
图16A和16B是说明室内和室外情形中的照明光和曝光量的关系的图。
图17A是表示本发明的第3实施方式中摄像元件、光源和手指的位置关系的图。
图17B是表示本发明的第3实施方式中100％点亮时的LED的亮度的图。
图17C是表示本发明的第3实施方式中光源的控制电路例的图。
图18A和18B是本发明的第3实施方式中室内时的面内的光量校正的说明图。
图19A和19B是本发明的第3实施方式中室外时的面内的光量校正的说明图。
图20是外光倾斜地入射时的说明图。
图21A和21B是本发明的第3实施方式中外光倾斜地入射时的面内的光量校正的说明图。
图22是本发明的第3实施方式中根据外光状况的曝光量控制程序的流程图。
具体实施例方式
下面，我们参照

本发明的实施方式。
(第1实施方式)图1是表示作为本发明的第1实施方式，应用本发明的扫描型指纹认证装置的模式构成的方框图。
在本实施方式中的指纹认证装置由摄像单元101和认证单元102构成。例如，摄像单元101是具有图像传感器的摄像单元，认证单元102是将由个人计算机实施的功能组合起来的单元，或者，也可以是将摄像单元101和认证单元102作为1个指纹认证单元组合起来，与图中未画出的个人计算机连接的独立装置。
首先，我们说明摄像单元101。在图1的摄像单元101中，103是照明用的光源(光照射部件)，在本实施方式中是LED(LightEmitting Diode(光发射二极管))。108是控制该LED的亮度和点亮定时的LED驱动单元。
104是CMOS(Complememtary Metal Oxide Semiconductor(互补型金属氧化物半导体))型和CCD(Charge Coupled Device(电荷耦合器件))型等的摄像元件单元，是1维传感器或副扫描方向的像素数约为5～20个像素的带状2维传感器，比取得图像的被拍摄物体的面积小。本实施方式中的摄像元件单元104是CMOS型的传感器，是主扫描方向为512个像素，副扫描方向为12个像素的带状2维传感器。
105是控制摄像元件单元104和AD(Analog Digital(模拟数字))变换器单元107的取样定时的传感器驱动单元。106是将来自摄像元件单元104的模拟输出箝位在适合于在后段的AD变换器单元107中进行处理的DC(直流)电平上，并且进行适当放大的放大/箝位单元。107是将来自摄像元件单元104的模拟输出变换为数字信号的AD变换器单元。又，109是与认证单元102进行通信的通信单元。
110a、110b分别是传播摄像元件单元104、放大/箝位单元106输出的模拟信号的图像数据信号线。110c是传播AD变换器单元107输出的数字信号的图像数据信号线。112a、112c是从传感器驱动单元105输出到摄像元件单元104和AD变换器单元(ADC单元)的驱动脉冲的信号线。112b是从LED驱动单元108发送到光源103的驱动脉冲的信号线。111是通信单元109接受来自认证单元102的控制信号并进行输出的信号，是传送控制传感器驱动单元105和LED驱动单元108的信号的控制线。
113是通信单元109输出从AD变换器单元107输入的图像数据信号，传送到认证单元102的数据信号线。114是将来自认证单元102的控制信号传送到摄像单元101的通信单元109的控制信号线。
下面，我们说明认证单元102。在认证单元102中，115是用于与摄像单元101进行通信的通信单元。135是用具有带状2维传感器的摄像单元101输出的、在副扫描方向顺次对被拍摄物体进行摄像得到的多个图像数据，合成表示被拍摄物体像的图像的图像合成单元。136是用于图像合成单元135进行图像处理的帧存储器单元。
121是用图像合成单元135输出的合成后的图像数据，检测手指放置在摄像元件单元104上和检测该手指为不是假手指的生物体的生物体检测单元。生物体检测单元121用图像数据的色成分和亮度变动，判别图像数据中的被拍摄物体是否是生物体(手指)。122a是生物体信息亮度检测单元，从图像合成单元135输出的合成后的图像数据中判别包含生物体信息的区域，检测经过判别的生物体信息区域的亮度。123a是取得来自以生物体信息亮度检测单元122a为首的各单元的信息，通过通信单元115将控制摄像单元101的控制信号输出到摄像单元101的控制单元。
116是为了对图像合成单元135输出的合成后的图像数据进行特征提取，进行强调边缘等的图像处理的前处理单元。117是用于前处理单元116进行图像处理的帧存储单元。118是前处理单元116从图像处理后的图像数据提取特征的特征提取单元。119是将由特征提取单元118提取的个人特征登记在数据库单元120中，或者与已经登记的数据比较对照的登记/对照单元。120是保存个人数据的数据库单元。
124a、124b、124c、124d是传送图像数据的数据线。125是数据库单元120和登记/对照单元119之间的数据线和控制线。126是将特征提取单元118的提取状态传送到控制单元123a的信号线。127、129a是将图像合成单元135输出的合成后的图像数据传送到生物体信息亮度检测单元122a、手指检测单元121的信号线。128是用于生物体检测单元121将生物体检测结果传送到控制单元123a的信号线，130a是用于生物体信息亮度检测单元122a将生物体信息亮度检测结果传送到控制单元123a的信号线。131是用于接受各单元状态，将控制单元123a输出的用于控制摄像单元101的控制信号传送到通信单元115的信号线。
本实施方式的摄像单元101在出厂时预先检查构成光源103的各LED元件的亮度不均衡和各LED与摄像元件单元104的位置关系等决定的光量的不均匀性(黑斑)，从而成为从LED亮度分布算出的校正值、调整值的方式，控制单元123a经过通信单元115将控制信号发送到传感器驱动单元105和LED驱动单元108。传感器驱动单元105和LED驱动单元108，与来自控制单元123a的控制信号相应，对摄像元件单元104的工作和光源103的各LED光量进行控制。又，从LED亮度分布算出校正值等的定时不限定于出厂时，例如，也可以通过由生物体信息亮度检测单元122a检测光源103的各LED元件的亮度不均衡和各LED与摄像元件单元104的位置关系等决定的光量的不均匀性，判定手指放置区域的亮度，由控制单元123a以动态地使校正值、调整值改变的方式，发送控制信号，控制传感器驱动单元105和LED驱动单元108，从而对摄像元件单元104的工作和光源103的各LED光量进行控制。又，也可以将控制单元设置在摄像装置内。
通过以上的来自控制单元123a的校正、调整，摄像单元101能够提高照明被拍摄物体的手指的光源103的光量均匀性，并且与黑斑相应地控制曝光条件，一面校正在摄像面内的照明条件的差异，一面取得指纹图像。
下面，我们用图说明本实施方式中的称为扫描型的方式的光学式指纹传感器。
图2是表示用本实施方式中的称为扫描型的方式的光学式指纹传感器的概略构成和工作原理的图。图2A是从手指的侧面方向看的光学式指纹传感器的概略图，图2B是从手指上方看的光学式指纹传感器的概略图，图2C表示由带状2维传感器取得的1个指纹图像例。又，图2D是从手指的前端侧看的光学式指纹传感器的概略图。
在图2A中，201是成为指纹认证的对象的手指，向箭头207的方向移动。202是作为光源的LED。203是将指纹的凹凸图案的光学上的差异导入后述的摄像元件204的光学部件(或其或其以下，称为光学部件)。204是副扫描方向的像素数约为5～20的带状的2维传感器，具体地说是CMOS型的摄像元件。又，图2A的LED202与图2B的LED202a～202e对应，图2的LED202(a～e)与图1的光源103对应。又，图2A、2B、2C和2D的光学部件203和摄像元件204与图1的摄像元件单元104对应。
205是从LED202到手指201的光射出方向。206是LED202发出的光在手指内散射后，从手指201向着光学部件203和摄像元件204的光的入射方向。
又，在图2C中，208是由带状的2维传感器(摄像元件204)从作为被拍摄物体的手指201取得的1个指纹像例。又，在图2B、2D中，209是防止伴随着手指201的移动动作，到移动方向和垂直方向的手指201的模糊和偏移的引导机构。在图2B中，点A、B、C、D的各点表示摄像元件204的像素上的位置。又，在图2B、2D中，我们省略摄像元件204的光学部件203地进行表示。
又，如图2C所示，箭头210是摄像元件204中的主扫描方向，箭头211是摄像元件204中的副扫描方向。这里，我们将在后面用图4、5述说本实施方式中的主扫描方向、副扫描方向的定义。在本实施方式中，如图2B所示，与箭头210所示的主扫描方向平行地配列作为光源的LED202a～202e。
在图2D中，212表示手指201在该引导机构209上时手指201的轮廓。
L1表示摄像元件204的宽度，L2表示引导机构209的高度。如图2D所示，当将引导机构209设置在摄像元件204的两端时，存在着如L3所示的手指201不接触或者难以接触摄像元件204的摄像面的区域。具体地说，当L2为1.5mm、L1为15mm时，在摄像元件204的摄像面中20％的区域不与或者难以与手指201接触。这里，当令妥当的引导机构209的高度为1.5mm～2.5mm时，从两端算起的10～16.5％的区域与手指201的中央部分比较与手指201的接触是不充分的。
在一般的这种传感器构成的研讨结果中也好，实验结果中也好，期望画质上处于均匀状态的区域是与手指201充分接触的摄像元件204的摄像面积的中央67～80％(2/3～4/5)左右的区域。又，摄像面两端的区域起着从取得本来的指纹图像的目的出发，从手指201的侧面的指纹中隆起线图案的变化，辅助中央区域的指纹提取的作用；或者起着根据从手指201的外侧进入的光，检测外光环境(现在，在室外或者室内，夜晚或者白昼)，用于算出适当的曝光条件和信号处理水平的作用等，作为用于得到内插中央67～80％的区域的取得图像的信息的区域的情形是很多的。
下面，我们说明在扫描型指纹传感器中，从多个图2C所示的部分图像合成指纹整体的图像的处理。
图3是表示在扫描型指纹传感器中，从多个部分图像合成指纹整体的图像的处理例的图。图3A1～3A9表示当手指201在图2A的箭头207的方向移动时，由指纹传感器的摄像元件204连续取得的指纹的部分图像。图3B是其中的1个，与图3A6相当。这里，图3A1的301表示例如也包含在图3A5的图像中的对于同一手指201，摄像单元101最初取得的部分图像。图3C表示根据由包含摄像元件204的摄像单元101取得的部分图像图3A1～3A9，通过图像合成单元135合成得到的1个指纹图像例。
如图2所示，一面使手指201在摄像元件204上移动，一面在副扫描方向顺次地进行摄像，取得的指纹的部分图像是如图3B(＝图3A6)的302部分和图3A7的下半部分以及图3B的303部分和图3A5的上半部分那样地连续的图像中相关性高的区域。图像合成单元135，通过将该相关性高的部分判断为手指201的同一区域并将其连系起来，从图3A1～3A9所示的部分图像合成图3C所示的指纹图像。
下面，我们说明本实施方式中的CMOS型摄像元件204(摄像元件单元104)备有的传感器单元6的电路构成例。
图4是表示图1的摄像元件单元104(图2A、2B、2C和2D的摄像元件204)的传感器单元6的电路构成例的图。本实施方式中的摄像元件单元104是副扫描方向的像素数约为5～20的带状的2维传感器。由该带状的摄像元件单元104，构成通过合成在副扫描方向顺次对作为被拍摄物体的手指201进行摄像得到的图像，取得整体图像的称为扫描型的指纹传感器。
在本实施方式中，在一般的摄像元件中水平扫描方向为主扫描方向，垂直扫描方向为副扫描方向。通常的CMOS型摄像元件单元104，首先选择垂直方向的1行(例如最上面的行)，从该行的水平方向的一端向同一行的相反侧的一端(例如从最左向)顺次读出像素。此后，选择下一个垂直方向的1行，同样从水平方向的一端向同一行的相反侧的一端顺次读出像素。这样取得在垂直方向中读出各行的图像整体的像素。因此，在本实施方式的摄像元件单元104中，将水平方向的扫描作为主扫描，将垂直方向的扫描作为副扫描。
在图4中，41是在传感器单元6中构成1个像素的图像单元。42是图像单元41中的读出脉冲(ΦS)的输入端子。43是图像单元41中的重置脉冲(ΦR)的输入端子。44是图像单元41中的传送脉冲(ΦT)的输入端子。45是图像单元41中的信号读出端子(P0)。46是从后述的选择器单元66将读出脉冲(ΦS)发送到水平方向的各像素的信号线，47是从后述的选择器单元66将重置脉冲(ΦR)发送到水平方向的各像素的信号线。48是从后述的选择器单元66将传送脉冲(ΦT)发送到水平方向的各像素的信号线。49是垂直信号线，40是定电流源，51是与垂直信号线49连接的电容。52是栅极与水平移位寄存器56连接，垂直信号线49和输出信号线53与源极-漏极连接的传送开关。54是与输出信号线53连接的输出放大器。将输出放大器54的输出输出到输出端子55。该输出端子55是传感器单元6的输出端子。
又，56是水平移位寄存器(HSR)，57是它的开始脉冲(HST)的输入端子，58是它的传送时钟信号(HCLK)的输入端子。又，59是垂直移位寄存器(VSR)，60是它的开始脉冲(VST)的输入端子，61是它的传送时钟信号(VCLK)的输入端子。又，62是后述的称为滚动快门的方式的电子快门用的移位寄存器(ESR)，63是它的开始脉冲(EST)的输入端子，64是垂直移位寄存器(VSR)59的输出线，65是电子快门用的移位寄存器(ESR)62的输出线。又，66是输出控制像素单元41工作的读出脉冲(ΦS)、重置脉冲(ΦR)、传送脉冲(ΦT)的选择器单元，67是传送脉冲的原信号TRS的输入端子，68是重置脉冲的原信号RES的输入端子，69是读出脉冲的原信号ESL的输入端子。又，在图4中，只在1个像素上赋予标号41～45，因为赋予其它像素的标号通过看图容易理解所以将它们省略了，但是在下面的说明中，在传感器单元6的全部像素上赋予标号41～45。
图5是表示图4所示的像素单元41的构成例的图。在图5中，71是电源电压(VCC)，72是重置电压(VR)，73是光二极管，74～77是由MOS晶体管构成的开关，78是寄生电容(FD)，79是地。上述开关74是重置用开关，开关76是读出用开关。
这里，我们参照图4、图5说明摄像元件单元104中的光电变换工作。
首先，在图5的重置用开关74和与光二极管73连接的开关75处于断开的状态中，在光二极管73中积累由入射光产生的电荷。
此后，在开关76处于断开的状态中，通过使开关74接通，对寄生电容78进行重置。接着，通过使开关74断开，开关76接通，在信号读出端子45读出重置状态的电荷。
下面，在使在开关76断开的状态中，通过使开关75接通，将在光二极管73中积累的电荷传送给寄生电容78。接着，在使开关75断开的状态中，通过使开关76接通，在信号读出端子45读出信号电荷。
各MOS晶体管的驱动脉冲ΦS、ΦR、ΦT如后述那样是由垂直移位寄存器59、62和选择器单元66作成的，通过各信号线46～48，供给像素的输入端子42～44。对于从输入端子60输入的时钟信号的1个脉冲，分别将信号TRS、RES、SEL的1个脉冲输入到输入端子67～69，因此，分别与信号TRS、RES、SEL同步地输出驱动脉冲ΦS、ΦR、ΦT。结果，将驱动脉冲ΦS、ΦR、ΦT供给输入端子42～44。
又，信号读出端子45通过垂直信号线49与定电流源40连接，并且与垂直信号线电容51和传送开关52连接，通过垂直信号线49将电荷信号传送到垂直信号线电容51，此后按照水平移位寄存器56的输出，顺次的地扫描传送开关52，在输出信号线53顺次读出垂直信号线电容51的信号，通过输出放大器54从输出端子55输出。这里，垂直移位寄存器(VSR)59在开始脉冲(VST)开始扫描，传送时钟(VCLK)61通过输出线64顺次传送VS1、VS2、......VSn。又，电子快门用的垂直移位寄存器(ESR)62，在从输入端子63输入的开始脉冲(EST)开始扫描，顺次将从输入端子61输入的传送时钟(VCLK)传送到输出线65。
各像素单元41的读出顺序，首先选择垂直方向的上面第1行，伴随着水平移位寄存器56的扫描从左到右选择与各列连接的1行程度的像素单元41。当第1行的输出结束时，选择第2行，再次在伴随着水平移位寄存器56的扫描从左到右与各列连接的像素单元41中选择并输出经过光电变换的信号电荷。
下面，同样按照垂直移位寄存器59的顺序扫描，从上到下扫描第1、2、3、4、5.......行，进行1个画面的图像输出。可是，传感器单元6中的曝光期间由各像素单元41积累光电荷的积累时间和来自被拍摄物体的光入射到传感器单元6的摄像面的期间决定。当进一步说明时，CMOS型传感器，因为与IT(interline transfer(隔行传送))型和FIT(frame-interline transfer(帧隔行传送)型的CCD元件不同，备有受到遮光的缓冲存储单元，所以在顺次读出从像素单元41得到的信号的期间中也继续使还没有读出的像素单元41曝光。从而，当连续地读出画面输出时，其曝光时间与画面的读出时间大致相等。又，用LED作为光源，在用遮光材料等不使外光入射的情形中等，可以只将点亮期间作为曝光期间进行控制。
又，作为1个别的控制曝光时间的方法，在CMOS型传感器中，作为电子快门(布帘式快门)，实施与并行地进行积累的开始和结束的垂直扫描的滚动式快门一起曝光的驱动方法。因此，可以以积累的开始和结束的垂直扫描线数为单位设定曝光时间。在图4中，ESR62是重置像素开始积累的垂直扫描用的移位寄存器。VSR59是传送电荷结束积累的垂直扫描用的移位寄存器。当用电子快门功能时，使ESR62在VSR59前进行扫描，与其间隔相当的期间成为曝光期间。
这样，CMOS型面积传感器采取由滚动式快门进行的积累方法，以垂直方向的1行为单位重置像素电荷，因为以1行为单位读出像素电荷，所以具有能够以垂直扫描方向的行为单位，即以副扫描方向的行为单位控制电荷积累的特性。
本实施方式中的指纹认证装置利用能够以副扫描方向的行为单位控制电荷积累、和由光源照射条件和传感器的积累期间的关系决定传感器单元6的像素的曝光的特性。
我们用图6A、6B、6C、6D、6E、6F、7、8和9说明本实施方式的指纹认证装置的工作。
图6A、6B和6C表示对于图2B所示的A、B、C、D各点的位置的由光源(LED202a～202e)产生的亮度分布。其中，图6A和6B是表示图2B中从点A到点B的方向(传感器的主扫描方向)的亮度分布的图。在图6A和6B中，601a～e模式地表示图2B所示的各LED201a～e的亮度分布的中心。这里，当各LED 201a～e的亮度理想地完全没有不均衡时，其亮度分布如图6A所示。在图6A中，实际的LED201a的亮度分布由虚线602所示，由5个LED 201a～e产生的整个亮度分布由虚线603所示。如图6A所示，理想地各LED201a～e的亮度水平为100％，表示整个亮度水平的虚线603在点A～点B的方向上也成为均匀的。
但是，关于实际的LED，即便制造商根据亮度进行分级(分层)，在同一驱动电流下亮度的最大值约为最小值的2倍等，不均衡很大也是一般的情形。这种情形的亮度不均衡例如图6B所示。这里，当601a、d为100％的亮度水平时，601c为75％，601b、e为50％的亮度水平。这时的由5个LED201a～e产生的整个亮度分布由虚线604表示。
在这种情形中，因为在点A～B的区域中的亮度分布也在50％上下，所以用该光源摄像得到的指纹图像在点A～B的区域中的输出分布也发生50％的变化。这种取得图像的不均匀性，当对于取得指纹图像后的图像，进行图像处理提取指纹的隆起线和除去背景，提取特征点时，引起提取错误、S/N低下、动态范围不足等，最终使认证精度降低。即便在图像处理过程中通过对光源不均匀性的校正进行除去，但是当不是单纯的光源不均匀性地变化时，由这种图像处理进行的校正也不能够高效率地进行除去，而发生伪轮廓等。
这里，我们说明一般用光学的摄像元件取得指纹图像和由指纹图案产生的光强度的差＝对比度。图6C是表示在没有光源自身的亮度不均匀性的状态中指纹图像的输出水平的图。如图6C的输出水平610所示，我们看到与指纹图案相应地能够得到约10％～30％的对比度(除去干燥的指纹等)。又，图6C的输出水平610使对比度最低约为10％。又，为了提取指纹的隆起线图案，除了进行图像计算外，对比度需要在全标度的25％以上，当在25％或其或其以下时，不能够得到充分的认证精度。
所以，如上所述，当由摄像元件取得的指纹图像的指纹图案部分的对比度为10％时，如图6D的输出水平610所示为了使10％的对比度增加到25％，需要乘上2.5倍的增益。可是，图6D表示在没有光源自身的亮度不均匀性的状态中指纹图像的输出水平611，但是当考虑到输出水平611的25％是表示指纹图案的信号成分时，光源的亮度不均匀性要少并且需要抑制在余下的75％以内。这里，我们看到因为增益为2.5倍，所以至少需要将光源的亮度不均匀性抑制到30％以内。
因此，在本实施方式中，形成在图2B所示的LED 202a～202e中，将LED 202a和LED 202b作为1个系统，将LED 202c作为1个系统，将LED 202d、202e作为1个系统，共计分成3个系统，通过分别地控制3个系统的LED的亮度水平，使中央区域的亮度分布平坦化的构成。例如，图6E表示当对图6B所示的亮度不均匀性控制亮度水平时的亮度分布例。如图6E所示，摄像单元101，控制LED驱动单元108，LED202a和202b系统不改变原来的亮度，以使LED202c的亮度从75％变到50％的方式使亮度下降。进一步，摄像单元101将LED202d、202e的系统的亮度减半。通过以上的控制，LED 202a～202e的点A～点B中的整体亮度分布如虚线605线所示。
因此，尽管当对于LED202a的亮度为100％，LED202e的亮度为25％时，它们的亮度差扩大了，但是因为LED202b、LED202c、LED202d的亮度能够大致相等，所以关于点A～点B的大约75％的中央区域，能够提高亮度的均匀性。因此，本实施方式的摄像单元101，因为能够抑制用于上述指纹认证的图像所需的中央67～80％的区域的光量不均匀性，所以能够提高取得图像的品质。通过提高摄像单元101取得的指纹图像的品质，认证单元102，也能够改善对中央区域的指纹部分的图像处理的精度，圆滑地提取指纹的隆起线和特征点，能够提高认证精度。又，关于点A和点B近旁的端侧区域亮度差扩大，但是这里需要的处理，例如是除去背景和检测手指位置等，判别手指和背景的境界区域提取手指轮廓等的处理，与指纹图案自身的提取比较，即便亮度差大通过调整阈值也可以进行充分的处理。
如以上所示，本实施方式的指纹认证装置中的摄像单元101，当取得指纹图像时，分成高画质的图像所需的区域，能够与该区域相应地调整成为光源的LED的亮度。即，摄像单元101，以防止中央区域的亮度不均匀性的方式，将LED202a～202e分成3个系统进行控制。因此，摄像单元101能够用必要的最小限度的LED的调整系统数，实现适合于取得良好画质的指纹图像的有效的LED的亮度不均匀性改善。
下面，我们述说副扫描方向的曝光量控制(亮度控制)。图6F是表示图2B中从点C到D的方向(传感器的副扫描方向)的亮度分布例的图。图6F的实线606表示图6B所示的亮度不均匀性调整前的LED202c从点C到点D的方向的亮度水平的变化。又，图6F的实线607表示图6E所示的亮度不均匀性调整后的LED202c从点C到点D的方向的亮度水平的变化。如该实线606、607所示，向着从点C到点D的方向亮度降低，亮度在点D比点C降低25％，发生黑斑。该黑斑是由因为相对于点C，点D在位置上更多地离开LED202c，所以光量分布降低引起的。
当手指201接近指纹传感器时，从该点C到点D的方向(副扫描方向)的亮度降低，一般为约10～30％，这可以从模拟结果看到。该方向的亮度降低(＝黑斑)，特别在扫描型传感器的情形中，引起当计算部分图像的相关度时使相关性降低，图像之间不能够连接的问题。又，即便能够连接，也因为在合成的图像中长方形状地残留亮度变动，所以作为伪轮廓进行处理成为伪指纹信息使认证精度降低。
在本实施方式中，对该摄像元件204的副扫描方向的黑斑，利用摄像元件204的副扫描方向的各行中的曝光定时的时间上的偏离，控制曝光量实现校正。具体地说，存在着以行为单位与黑斑量相应地改变各像素中的电荷积累时间的方法和与各像素的行中的曝光定时的时间偏离相应地调整LED 202a～202e的点亮时间的方法，也可以将这2种方法组合起来。通过以上的曝光量控制，以用图6F中虚线608所示的比例增加亮度水平的方式，在副扫描方向增加各行的曝光量。因此，通过合成由黑斑引起的亮度减少的变化(直线607)和由曝光量的行方向的控制引起的亮度水平的变化(虚线608)，如虚线609所示使它的总曝光量在副扫描方向大致均匀。
特别是，在调整摄像元件204的主扫描方向中的上述各LED202a～202e的亮度不均匀性方面，通过进行副扫描方向的黑斑校正，能够实现指纹认证所需的中心区域的曝光条件的均匀化，因此，能够实现部分图像(摄像元件204在1次扫描中取得的图像)的亮度水平的均匀化。因此，即便在部分图像间的连接境界上也不发生亮度差，能够防止当合成部分图像时的合成失败和发生由合成引起的噪声等，能够防止指纹认证的精度降低。如以上说明的那样，本实施方式中的摄像单元101，通过进行与主扫描方向和副扫描方向的各自特性一致的曝光量校正，能够实现将图像面内的光源的曝光量差抑制在30％以内。
特别是，在扫描型指纹传感器的情形中，使手指201从手指201的根部向前端相对于摄像元件204移动的情形是很多的。因此，最想要求的是关于与手指201的移动方向成为相同方向的摄像元件204的副扫描方向的各像素，通过校正黑斑，形成相同的曝光量。又，如果是图2A、2B、2C和2D所示的摄像元件和光源的位置构成，则关于由作为光源的LED 202a～202e在副扫描方向生成的黑斑，因为光源(LED202a～202e)和摄像元件204的像素单元41的在副扫描方向中的位置关系(距离关系)是主要原因，所以该黑斑量的变化成为单调减少、单调增加(当将光源配置在传感器的长边单侧时)等的单纯变化。因此，可以用函数等预测黑斑量的变化率。又，即便在将光源配置在摄像元件204的长边两侧的情形中，也可以形成二次函数的变化，与上述同样地预测变化率。
另一方面，因为在与手指201的移动方向正交的方向(点A～点B的方向)，同原来一样手指201的截面大小不同，手指201内部的光透过率和散射率以及从手指201的侧面迂回进入的光等的条件不同，所以尽可能均匀地照射是重要的。特别是，最好要重视期待具有指纹特征点的中央区域的光量均匀性，而关于端部区域(点A、点B附近)不需要如此重视光量均匀性。又，这时的光量不均匀性由于光源(LED202a～202e)的不均衡、手指201的大小、手指201所处位置、手指201的按压、周围的外光环境等，对于每个个别情形都变化很大。特别是各LED202a～202e的个体不均衡等对光源的不均衡影响很大。所以，与手指201的移动方向正交的方向(主扫描方向)的亮度变化很复杂，要预测它的亮度变化率是困难的。
所以，通过在图2A和2B所示的扫描型指纹传感器中使摄像元件204的副扫描方向与和手指201的移动方向相同的方向一致，控制副扫描方向的各行中的曝光量适合于在容易使曝光量一次函数地变化的控制的特质面上，对黑斑进行校正。又，因为从与个别不均衡和环境没有关系这点出发，很少需要改变校正条件，所以容易管理校正量。即，通过形成使摄像元件204的副扫描方向和生成由于离开光源的距离不同引起的黑斑生成的方向一致的构成，可以预测黑斑量，控制副扫描方向的各行中的曝光量，能够实现适当的黑斑校正。
又，因为本实施方式的摄像元件单元104(的摄像元件204)用扫描型指纹传感器，所以是副扫描方向的像素数约为5～20的带状，但是即便在用副扫描方向的像素数大于等于主扫描方向的像素数的面积传感器的指纹传感器的情形中，由于离开光源的距离不同引起的黑斑的影响，也使提取指纹中的动态范围和对比度减少，引起认证精度降低。即便在这种情形中，如本实施方式那样，通过使发生黑斑(亮度降低)的方向和摄像元件(CMOS传感器)的副扫描方向一致，以黑斑校正的方式进行控制，可以处理各行中的曝光定时。又，我们将在后面述说用面积传感器的指纹认证装置作为第2实施方式。又在本实施方式中，控制主扫描方向、副扫描方向两者，但是也可以只控制其中的某一方。将控制主扫描方向的主扫描方向控制部件和控制副扫描方向的副扫描方向控制部件作为图1的控制部件123a一体地表示出来，但是既可以个别地进行设置，也可以只具有某一方的功能。
下面，作为控制分成上述3个系统的LED202a～202e的光量的构成，我们说明图1所示的光源103(＝图2的LED202a～202e)和LED驱动单元108的具体电路例。
图7、图8是表示图1所示的光源103和LED驱动单元108的具体电路例的图。如图7所示，由将LED 202a和202b作为1个系统(或其或其以下称为第1系统)，将LED 202c作为1个系统(或其或其以下称为第2系统)，将LED 202d、202e作为1个系统(或其或其以下称为第3系统)这样共计3个系统构成光源103。对于该3个系统的LED 202a～202e，LED驱动单元108通过晶体管706的接通/断开进行点亮控制。图7的701～703是输入作为控制3个系统的LED点亮的信号的LED控制脉冲的输入端子。如图7所示，将控制第1系统的LED控制脉冲输入到输入端子701，同样将控制第2系统和第3系统的LED控制脉冲输入到输入端子702和输入端子703。704、705表示电阻元件，706表示晶体管，707表示电源，708表示GND(地)。
如图7所示，在LED驱动单元108中，输入端子701经过电组元件704与基极端子连接的晶体管706的集电极端子经过电组元件705和信号线112b与第1系统的LED202b、202a连接。输入端子702经过电组元件704与基极端子连接的晶体管706的集电极端子经过电组元件705和信号线112b与第2系统的LED202c连接。输入端子703经过电组元件704与基极端子连接的晶体管706的集电极端子经过电组元件705和信号线112b与第3系统的LED202d、202e连接。又，各晶体管706的发射极端子与GND708连接。
在光源103中，以当电流流入信号线112b时发光的方式，使作为第1系统的LED202a、202b串联连接在电源707和信号线112b(传送来自输入端子701的信号)之间。同样，使作为第2系统的LED202c连接在电源707和信号线112b(传送来自输入端子702的信号)之间，使作为第3系统的LED202d、LED202e串联连接在电源707和信号线112b(传送来自输入端子703的信号)之间。
通过以上所述的构成，LED驱动单元108与输入到输入端子701～703的LED控制脉冲相应，对各晶体管706的接通/断开的时间进行脉冲宽度控制，将驱动脉冲输出到与3个系统的各个LED连接的3条信号线112b。因此，与从3条信号线112b输入到3个系统的LED的驱动脉冲相应，调整各LED的点亮熄灭比例对3个系统的亮度进行控制。
下面，我们说明作成输入到图7所示的输入端子701～703的LED控制脉冲的控制脉冲作成电路的电路例。又，控制脉冲作成电路是LED驱动单元108具备的电路。
图8是表示作成输入到图7所示的输入端子701～703的LED控制脉冲的控制脉冲作成电路的电路例的图。在图8中，801是作为主扫描方向的触发信号的水平同步信号的输入端子。802是作为副扫描方向的触发信号的垂直同步信号的输入端子。803是时钟端子。804是将水平同步信号和垂直同步信号作为触发信号对时钟脉冲进行计数的计数器。805是存储用于对上述副扫描方向的黑斑进行校正的校正值的寄存器。以与该校正值相应，从LED202a～202e离开距离的行的像素程度，增加曝光量的方式控制LED202a～202e的点亮熄灭时间。
806～808是存储3个系统的LED中的亮度比例的调整值的寄存器。当与该调整值相应地调整LED202a～202e的光量时，成为图6E所示的亮度水平。即，是用于以使中央区域成为平均化的亮度水平的方式控制中央区域附近的LED光量的调整值。又，寄存器806～808分别与上述第1系统～第3系统对应。
809～811是从寄存器805读入用于对副扫描方向的黑斑进行校正的校正值，从寄存器806～808将LED的亮度比例的调整值按3个系统分别读入，对计数器804的输出进行解码作成控制脉冲的解码器。812～814是使从解码器809～811输入的控制脉冲与时钟信号同步地输出的双稳态多谐振荡器。
通过以上说明的构成，LED驱动单元108能够以光源103，以在主扫描方向中中央区域没有亮度差的均匀化的亮度水平，将光照射在摄像元件104的摄像面上的方式进行控制，进一步，能够以对在副扫描方向中生成的黑斑进行校正的方式调整光源103的LED202a～202e的点亮时间。即，LED驱动单元108能够调整3个系统各自的LED的亮度，并且生成用于实现共同的副扫描方向的黑斑校正的控制脉冲，并输出到光源103。
下面，我们用定时图，说明控制摄像元件104和LED驱动单元108中的曝光量的情况。
图9是表示本实施方式中的摄像元件单元104和LED驱动单元108的工作的定时图。
在图9中，901是输入到控制LED202a、202b的第1系统的图7的输入端子701的控制脉冲P_701。902是输入到控制LED202c的第2系统的图7的输入端子702的控制脉冲P_702。903是输入到控制LED202d、202e的第3系统的图7的输入端子703的控制脉冲P_703。这些控制脉冲P_701/901～P_703/903的“H(高)”期间为LED的点亮期间。这样，通过改变成为控制脉冲P_701/901～P_703/903(或其或其以下，作为控制脉冲901～903)的各个点亮期间的“H”脉冲宽度，能够调整各个LED的亮度。
又，904表示重置副扫描方向的第1行的像素(L1)的定时。具体地说，表示重置图5所示的寄生电容78的重置脉冲ΦR。905表示将积累在副扫描方向的第1行的像素中的电荷传送到寄生电容(图5的寄生电容78)的定时。具体地说，表示将电荷从图5所示的光二极管73传送到寄生电容78的传送脉冲ΦT。
从而，时刻t1～时刻t3的期间916表示L1中的光二极管73的电荷积累期间。这里，如控制脉冲901～903所示，到时刻t2的期间912间不点亮LED。因此，实质的副扫描方向的第1行的像素(L1)的电荷积累期间成为从时刻t2到时刻t3的期间917。
同样，906表示重置副扫描方向中的第2行的像素(L2)的定时。907表示将积累在副扫描方向的第2行的像素(L2)中的电荷传送到寄生电容78的定时。所以，期间918表示光二极管73的电荷积累期间，期间919表示实质的副扫描方向的第2行的像素中的电荷积累期间。又，903表示重置副扫描方向中的第3行的像素(L3)的定时，909表示将积累在副扫描方向的第3行的像素(L3)中的电荷传送到寄生电容78的定时。所以，期间920表示实质的副扫描方向的第3行的像素中的电荷积累期间。
910表示重置副扫描方向中的第4行的像素(L4)的定时，911表示将积累在副扫描方向的第4行的像素(L4)中的电荷传送到寄生电容78的定时。所以，921表示实质的副扫描方向的第4行的像素中的电荷积累期间。
这样，关于摄像元件单元104的摄像面内的像素中的电荷积累期间，存在着在期间913所示的多个行(图9的L1～L4)中共同积累的期间和如期间912、914所示，对于每个行电荷积累的处理不同的期间。如图9所示，在副扫描方向中邻接的各行间，电荷积累期间只是期间915不同。在本实施方式中，通过利用该积累期间的各行的偏离，如期间917、919、920、921所示，对于每一行电荷积累期间的长度能够是不同的。即，能够与副扫描方向的黑斑相应地，控制行单位的曝光量。
如图9所示，通过在直到对各行进行重置的期间912的时间内，不点亮LED，在结束各行的重置后点亮LED，能够使重置定时越迟的行，越增加电荷积累期间(＝曝光量)。相反地，如果在期间912和期间913的时间内，点亮LED，则能够使重置定时越迟的行，越减少电荷积累期间(＝曝光量)。进一步，当在期间912～914的时间内，点亮LED时，在期间912或期间914的时间内，也可以通过改变LED亮度，改变行单位的曝光量。
又，通过改变期间913(各行共同的电荷积累期间)和期间914(每行不同的电荷积累期间)的期间的比例，能够改变曝光量的增加(减少)率。或者，通过在期间913和期间914中改变输入到LED的脉冲宽度(LED接通期间)，也能够改变曝光量的增加(减少)率。
如以上所示，通过利用CMOS传感器特有的行单位的电荷积累期间的时间差，能够校正上述调整亮度后的3个系统的LED中的黑斑，能够进一步提高摄像元件单元104中的摄像面内的特别是中心区域的曝光量的均匀性。又，如果是以行为单位电荷积累期间不同的图像传感器，则即便是CMOS传感器以外的图像传感器，也可以应用本发明。
如上所述，指纹传感器那样的生物体认证装置或条型码读出器那样的物体识别装置要实现面内曝光量的均匀化是非常困难的。特别是，在使被拍摄物体密切接触传感器的那种类型的指纹传感器和条型码读出器的图像读取单元等，与被拍摄物体接近，照射来自光源的光的光学传感器的情形中，由光源自身的不均衡和与摄像元件单元的位置关系引起的亮度分布差造成的摄像面面内的曝光量的差异能够很大。
本实施方式中的指纹认证装置的特征是着眼于生物体认证和物体识别所需的中央区域对这种曝光量差进行2维的校正。具体地说，在与摄像元件(CMOS传感器)的主扫描方向平行地配置多个光照射元件(光源)，并且以提高在主扫描方向的中央区域中的来自光照射元件的光量分布的均匀性的方式，对光照射元件的亮度进行控制，以提高在副扫描方向中的曝光量的均匀性的方式，对摄像元件的电荷积累定时、光照射元件的亮度和点亮定时进行控制。
又，除了在主扫描方向调整光照射元件的不均衡(亮度不均匀性)的构成外，在一面按照摄像元件的副扫描，将由摄像元件的电荷积累定时和光照射元件的亮度决定的曝光量的比例一律保持在副扫描方向中，一面使其变化的构成中，能够进一步高效率地除去由光照射元件的亮度不均匀性、光照射元件和摄像元件的位置关系引起的曝光量差(黑斑)不同的2点的校正。特别是，作为用于黑斑校正的处理，因为只改变光源和摄像元件的驱动脉冲，所以通过追加校正功能不会增大电路规模和外形大小，能够抑制由追加校正功能引起的制造成本的增加。又，也能够省去为了防止发生黑斑设置别的光源等的成本。又，也可以只进行该副扫描方向的控制。
又，本实施方式的指纹识别装置，如上所述，因为用通过控制光源的点亮定时和亮度与控制摄像元件的电荷积累定时，校正光源的亮度不均匀性和黑斑的方法，所以与由信号处理校正光源的亮度不均匀性和黑斑的情形比较，具有不发生由S/N降低和校正引起的副作用那样的优点。例如，在室外利用指纹认证装置的情形等中，与LED的亮度比较外光的亮度更明亮，成为调整曝光量的主要原因，但是这时当然不发生亮度不均匀性。但是，在已有的指纹认证装置中，在图像处理中对亮度不均匀性进行一定的校正处理的情形中，存在着不判别室内或室外进行不必要的校正那样的问题。或者说，在已有的指纹认证装置中，在室内射入一部分外光的情形中存在着在室外光的区域中进行过度校正那样的弊病。在本实施方式的指纹认证装置中，因为通过控制光源的亮度和发光定时以及控制摄像元件的电荷积累定时，改变曝光量自身，所以即便在室外曝露于外光中，也能够保持曝光量一定，不会发生过度校正。又，因为通过计算处理进行校正，所以也不会发生由计算处理引起的位精度低下等的问题。
以上，在本实施方式中，作为指纹认证方法，我们例示了从部分图像合成整个指纹图像和从合成的指纹图像提取特征点的情形，但是本发明还述说了用于在进行指纹认证方面提高取得图像品质的部件和方法。用它的部分图像提取特征信息的方法和特征信息的种类、认证的算法等也可以是任何的方法、种类和算法。
又，以上，我们说明了在本实施方式中的指纹认证装置，但是也可以将本发明应用于条型码读出器和工业用机器人等的物体识别用摄像装置等中的曝光量控制。又，也可以将本发明应用于通过照射光从图像的特征识别物体的物体识别装置等。又，也在生物体认证装置中以指纹认证装置为例说明了本实施方式，但是也可以将本发明应用于通过将光照射在手和手指、面孔、眼睛等上，提取被拍摄物体的特征信息进行对照的生物体认证装置。这里，被拍摄物体的特征信息例如是掌纹、静脉等的血流、虹膜、面孔识别等的信息。又，在上述实施方式中，作为光照射部件我们举出了LED，但是也可以是荧光管、EL、激光器等光源。
又，持有主扫描方向、副扫描方向的控制部件两者的构成是令人满意的，但是也可以只具有其中的某一方。在本实施方式中，作为取得部分图像的传感器，我们例示了副扫描方向的像素数约为5～20的带状的2维传感器，但是即便是1维传感器，通过具有本实施方式中的主扫描方向的控制部件对取得的部分图像内的曝光量进行控制，同样能够提高被拍摄物体的图像品质。
(第2实施方式)我们用图10A、10B、11A、11B、11C、12和13说明区域型指纹认证装置，作为本发明的第2实施方式。这里，区域型指纹认证装置是如上述第1实施方式那样不需要扫描手指，只将手指放置在预定位置上读取指纹进行认证的装置。又，因为第2实施方式中的指纹认证装置的模式构成与图1所示的第1实施方式的构成相同，所以我们省略对它的说明。同样，摄像元件单元104的内部构造也与第1实施方式中图4、5所示的构成相同，不同之处是副扫描方向的像素数。
图10A和10B是表示区域型指纹认证装置中的光源和摄像元件的位置关系的图。图10A是从手指的上面方向看的指纹认证装置的概略图，图10B是从图10A中的上侧方向看的指纹认证装置的概略图。
在图10A中，201是手指，1102a～1102d是作为光源的LED。这里，箭头1104a～1104d表示来自LED1102a～4102d的光的射出方向。1103a、1103b是一面引导来自LED1102a～1102d的光一面在下面散射或反射在上面射出光的导光体等的光学部件。1101是用于在面上取得手指201的指纹的2维传感器，这里是CMOS型摄像元件。又，箭头1105是传感器的主扫描方向，箭头1106是传感器的副扫描方向。又，传感器的主扫描方向和副扫描方向的定义已经在第1实施方式中用图4、5说明了。又，点A、B、C、D的各点用于表示摄像元件1101的摄像面上的位置。这里，LED1102a～1102d和光学部件1103a、1103b与图1的光源103对应，摄像元件1101包含在图1的摄像元件单元104中。
如以上所示，在本实施方式中，作为光源103与主扫描方向平行地配置是导光体的光学部件1103a、1103b。在图10B中，虚线的箭头1107表示光从光学部件1103b到手指201的射出方向。又，箭头1108是在手指201中扩散的光入射到摄像元件1101的入射方向。
如图10A和图10B所示，在摄像元件1101的摄像面上，因为手指201的曲率在手指201的周围区域是不与或难以与手指201接触的部分。又，因为光学部件1102也具有高度，所以与第1实施方式相同，从两端算起的一定区域与手指201的中央部分比较与手指201的接触是不充分的。又，与第1实施方式相同，期望画质上处于均匀曝光状态的区域大致是中央67～80％左右的区域。周围的区域起着根据取得本来的指纹图像的目的，从手指201的侧面的指纹中隆起线图案的变化，辅助提取中央区域的指纹的作用，或者起着根据从手指的外侧进入的光，检测外光环境(现在，在室外或者室内，夜晚或者白昼等)，用于算出适当的曝光条件和信号处理水平的作用等，用作为了得到内插中央67～80％的区域的取得图像的信息的区域。
下面，我们说明在摄像面上的图10A所示的各点A～E之间的亮度分布，并且说明亮度不均匀性和黑斑的校正。图11A、11B和图11C是表示对于图10A所示的点A～E的位置，由光源产生的亮度分布的图。其中，图11A、11B是表示从点A到点B的方向(传感器的主扫描方向)的亮度分布的图。具体地说，从LED1102a经过作为导光体的光学部件1103a的亮度分布由虚线1201表示，从LED1102b经过作为导光体的光学部件1103a的亮度分布由虚线1202表示。
首先，我们说明在摄像元件1101的主扫描方向生成的亮度不均匀性及其校正。在图11A中，例示了由于LED的亮度不均衡，LED1102a为100％的亮度水平，LED1102b为50％的亮度水平的情形。这时，由于2个LED1102a、1102b的不均衡和作为导光体的光学部件1103a引起的光的衰减，整个亮度分布由虚线1203表示。
这时，因为在点A～点B的区域中由虚线1203表示的亮度分布约在70％上下，所以即便在中央区域的亮度分布中，如箭头1204所示，也产生最大值和最小值相差约50％的亮度差。用该光源摄像得到的指纹图像也在中央区域中输出分布约50％地变化。这种取得图像时的曝光量的不均匀性，对于取得指纹图像后的图像，当进行图像处理提取指纹的隆起线和除去背景、提取特征点时，引起提取错误、S/N低下、动态范围不足等，最终使认证精度低下。即便在图像处理过程中通过校正而除去光源的不均匀性，但是由这种图像处理进行的校正当不是单纯的光源不均匀性的变化时不能够高效率地除去不均匀性，而发生伪轮廓等。
因此，在本实施方式中，LED驱动单元108形成通过将LED1102a、LED1102b、LED1102c、LED1102d分别作为1个系统分成共计4个系统个别地进行控制，使中央区域的亮度分布变得均匀的构成。例如，LED驱动单元108，如图11B所示，以使LED1102a的亮度水平从100％降低到50％方式进行控制。通过该控制，LED1102a的亮度水平成为50％，与LED1102b的亮度水平相等。从LED1102a经过作为导光体的光学部件1103a的亮度分布由虚线1205表示。又，由来自2个LED1102a、b的照射产生的光学部件1103a的整个亮度分布由虚线1206表示。
因此，如图11B所示与图11A的虚线1203的亮度差比较能够缩小点A～点B的整个距离上的虚线1206的亮度差。特别是，关于中央区域，如箭头1207所示，改善亮度差直到25％，能够提高亮度的均匀性。如在第1实施方式中所述的那样，因为能够抑制用于指纹认证的图像所需的中央区域的光量不均匀性，所以通过提高取得图像的品质，并改善对中央区域的指纹部分的图像处理的精度，能够圆滑地提取指纹的隆起线和特征点。结果，能够提高认证精度。这样，通过形成分割取得指纹图像的区域，调整亮度的构成，能够用必要的最小限度的LED的调整系统数，实现有效地改善光量不均匀性，从而适合于取得指纹图像。又，即便在由LED1102c和LED1102d照射的光学部件1103中，也能够进行同样的光量不均匀性的校正。
下面，我们说明在摄像元件1101的副扫描方向生成的黑斑及其校正。图11C是表示从图10A的点C到点E的方向(摄像元件1101的副扫描方向)的亮度分布的图。如图11C的实线1208所示，通过LED1102a的上述的调整，降低它的亮度分布，但是进一步通过降低从点C到中央D的亮度，增加从点D到点E的亮度，发生黑斑。
其原因是因为与点C、E比较点D对于光学部件1103a、b位置上离开更多，所以使光量降低的缘故。能够通过模拟和实测预测和计算该方向的亮度降低。如已经述说过的那样，该方向的亮度降低(黑斑)与指纹提取中的动态范围和对比度的降低有关，引起认证精度的降低。
在本实施方式中，与第1实施方式相同，利用摄像元件1101的成为副扫描方向的各行的曝光定时的时间偏离，控制曝光量实现黑斑校正。通过如图11C的虚线1209所示的分割，增加LED1102a～1102d的点亮期间和亮度。因此，当合成由实线1208所示的黑斑引起的亮度变化和由虚线1209所示的LED1102a～1102d的点亮期间和亮度变化时，如虚线1210所示地使它的总曝光量在副扫描方向均匀化。进一步，能够得到与通过在输出上乘以增益、照射虚线1211所示的亮度水平的光的情形同等的输出。
这样，除了调整摄像元件1101的主扫描方向中的多个LED产生的亮度不均匀性外，通过对副扫描方向的黑斑进行校正，能够实现指纹认证所需的中心区域的曝光量的均匀化。因此，即便在摄像元件1101，在1次扫描中输出的部分图像间的连接合成处理中，在连接部分中也不发生亮度差，能够防止由于图像的连接合成的失败和连接合成的副作用造成的画质恶化等引起指纹认证的精度降低。
图12、图13是表示本实施方式中的图1所示的光源103和LED驱动单元108的具体电路例的图。
图12是表示将图10A所示的LED1102a、LED1102b、LED1102c、LED1102d分别作为1个系统的共计分成4个系统，由晶体管的接通/断开进行点亮控制的电路例的图。这里，在各LED系统中流过的电流值由可变电阻1301a～1301d决定，该可变电阻1301a～1301d的各电阻值由调整端子1302a～1302d进行控制。既可以在出厂时等通过手动调整该调整端子1302a～1302d，或者也可以在系统中由微计算机经过DA变换器等进行控制。
701是LED控制脉冲的输入端子。704、705是电阻元件，706表示晶体管，707表示电源，708表示GND(地)。通过电流调整4系统的LED1102a～d的亮度不均衡。具体地说，通过对各晶体管706的接通/断开进行脉冲宽度控制，调整LED1102a～d的点亮熄灭比例，对亮度不均匀性进行校正。又，用于副扫描方向的黑斑校正的，LED1102a～d的点亮熄灭比例的调整维持亮度不均匀性调整后的4系统间的点亮熄灭期间的比例。
下面，我们说明作成输入到图12所示的输入端子701的LED控制脉冲的控制脉冲作成电路的电路例。又，控制脉冲作成电路是本实施方式的LED驱动单元108具备的电路。
图13是表示作成输入到输入端子701的控制脉冲的控制脉冲作成电路的图。在图13中，801是作为主扫描方向的触发信号的水平同步信号(HD)的输入端子。802是作为副扫描方向的触发信号的垂直同步信号(VD)的输入端子。803是输入时钟信号(CLK)的时钟信号端子。804是将水平同步信号和垂直同步信号作为触发信号对时钟信号进行计数的计数器。805是存储用于对上述副扫描方向的黑斑进行校正的校正值的寄存器。809从寄存器805读入用于对上述副扫描方向的黑斑进行校正的校正值，对计数器804输出的计数值进行解码，作成控制脉冲的解码器。812是与时钟信号同步地输出从解码器809输入的控制脉冲的双稳态多谐振荡器。
通过以上说明的构成，LED驱动单元108能够，以用在主扫描方向中中央区域没有亮度不均匀性的均匀化的亮度水平的光量LED1102a～1102d将光照射在摄像元件104的摄像面上的方式，进行控制。进一步，能够以对在副扫描方向中生成的黑斑进行校正的方式调整LED1102a～1102d的点亮时间。即，LED驱动单元108能够调整4个系统的不同LED的亮度，并且以生成用于实现共同的副扫描方向的黑斑校正的方式对LED1102a～1102d的接通/断开进行控制。
下面，我们用定时图说明对本实施方式中的摄像元件单元104和LED驱动单元108中的曝光量的控制。图14是表示本实施方式中的摄像元件单元104和LED驱动单元108的工作的定时图。
在图14中，1501是副扫描方向的移位寄存器的传送时钟，在每个副扫描期间中加上1次脉冲。1502表示形成LED1102a～1102d共同的控制信号，输入到输入端子701的控制脉冲。该控制脉冲1502的“H”期间为LED的点亮期间。这样，通过对于1515、1517改变1516的点亮期间的脉冲宽度，能够调整LED1102a～1102d的亮度。
又，1503表示重置积累在副扫描方向的第1行的像素(L1)中的电荷的定时。具体地说，表示重置图5所示的寄生电容78的重置脉冲ΦR。1504表示将积累在副扫描方向的第1行的像素中的电荷传送到寄生电容(图5的寄生电容78)的定时。具体地说，表示将电荷从图5所示的光二极管73传送到寄生电容78的传送脉冲ΦT。
同样，1505表示重置副扫描方向中的第2行的像素(L2)的定时。1506表示将积累在副扫描方向的第2行的像素中的电荷传送到寄生电容78的定时。又，1507表示重置副扫描方向的第m行的像素(Lm)的定时，1508表示将积累在副扫描方向的第m行的像素中的电荷传送到寄生电容78的定时。1509表示重置副扫描方向的第n行的像素(Ln)的定时，1510表示将积累在副扫描方向的第n行的像素中的电荷传送到寄生电容78的定时。
在图14中，期间1511～1514表示上述各行的像素(L1～Ln)的电荷积累期间。如图14所示，期间1511～1514与进行2行程度的副扫描的期间相等。但是，LED1102a～1102d的点亮期间，如期间1515所示，因为在副扫描期间的100％的期间中不点亮，所以实质上的副扫描方向的电荷积累期间等于在期间1511～期间1514上乘以LED1102a～1102d的点亮比例。所以，曝光量在期间1512、期间1513和期间1514中是不同的，在副扫描方向中成为中央区域的期间1513的曝光量大，而在副扫描方向中成为端部区域的期间1512和期间1514的曝光量小，实现了图11C的虚线1209所示的曝光量控制。如以上所示，当将1502所示的控制脉冲输入到输入端子701中时，为了防止黑斑在副扫描方向对曝光量进行校正。
又，代替上述控制脉冲1502，当将1518所示的控制脉冲输入到输入端子701中时，能够如下地控制曝光量。控制脉冲1518，与控制脉冲1502比较，两端区域中的LED1102a～1102d的点亮比例小。当具体地进行比较时，作为中央区域的期间1521与期间1516同样，点亮比例为100％。但是，期间1520的点亮比例比期间1515中的点亮比例小。同样，期间1522的点亮比例也比期间1517的点亮比例小。通过这样做，能够使图11C所示的虚线1209的斜率变大，能够使与对黑斑进行校正的一方变得陡峭。
又，代替上述控制脉冲1502，当将1519所示的控制脉冲输入到输入端子701中时，能够如下地控制曝光量。控制脉冲1519，与控制脉冲1502比较，整体上LED1102a～1102d的点亮比例小。当具体地进行比较时，期间1523、1524、1525的点亮比例为期间1515、1516、1517中的点亮比例的一半。通过这样做，能够使图11C所示的虚线1209的斜率不变，使虚线1210的绝对值减少一半。即，通过保持在LED1102a～1102d的副扫描方向中的点亮比例的不同比率不变，在全部脉冲中使点亮比例减少一半，也能够使黑斑校正量与原来相同而使亮度均匀地减少一半。这样一来，通过利用曝光期间的时间差，以共同的比例对经过亮度调整的4个系统的LED进行校正。
本实施方式的指纹认证装置，因为利用光源的点亮比例和传感器的积累时间对光源进行校正，所以与在信号处理中进行黑斑校正的情形比较，具有不发生由S/N降低和校正引起的副作用那样的优点。例如，在室外利用的情形等中，与LED的亮度比较外光的亮度更明亮成为主要原因，但是这时不发生亮度不均匀性。但是，当在图像处理中进行一定的校正时，存在着不判别室内或室外，相反地进行校正的情形。或者说，当即便在室内也射入一部分外光时，存在着在室外光的区域中进行过度校正那样的弊病，但是本实施方式的指纹认证装置能够一面除去这种弊病，一面以少的光源数抑制指纹认证所需的区域的亮度不均匀性，实现低成本高精度的指纹认证。
以上，我们说明了本实施方式中的指纹认证装置，但是也可以将本发明应用于条型码读出器和工业用机器人等的物体识别用的摄像装置等，通过照射光从图像的特征识别物体的图像输入装置。又，也在生物体认证装置中以指纹认证装置为例说明了本实施方式，但是同样也可以将本发明应用于通过将光照射在例如手和手指、面孔、眼睛等上，提取被拍摄物体的特征信息进行对照的生物体认证装置。这里，被拍摄物体的特征信息例如是掌纹、静脉等的血流、虹膜、面孔识别等的信息。又，在上述实施方式中，作为光照射部件我们举出了LED，但是也可以是荧光管、EL、激光器等的光源。
(第3实施方式)在本实施方式中表示对在室外的直射目光下和室内光下的面内曝光量不均匀性和从由来自夕阳和窗边的光等产生的斜的横侧入射的外光引起的面内曝光量的不均匀性进行的控制。这里基本构成也与第1实施方式和第2实施方式相同，与摄像元件的主扫描方向平行地配置多个光照射元件，并且在主扫描方向的中心区域以提高来自光照射元件的光量分布的均匀性的方式对光照射元件的亮度进行控制，但是进一步检测由外光引起的曝光量的变化和不均匀性，控制对它们的校正。又，在本实施方式中，只好割爱除去以提高副扫描方向中的曝光量的均匀性的方式对摄像元件的电荷积累定时、光照射元件的亮度和点亮定时进行控制的构成，但是因为同时通过实施能够除去由光源和摄像元件的位置关系产生的黑斑，所以如本实施方式中所述的那样，对于来自以校正外光的影响的方式点亮的光源的照射光是有效果的，通过一起实施，增加有效性。
对于光学式传感器，光源质量是决定摄像图像自身的画质品质的重要因素，特别是，面内曝光量的均匀化是重要的。在第1、第2实施方式中，例示了由光源自身的不均衡和与摄像元件单元的位置关系决定的亮度分布差(黑斑)引起的摄像面内的曝光值的差，着眼于生物体认证和物体识别所需的区域，对这种曝光量的差进行校正。具体地说，在与摄像元件(CMOS传感器)的主扫描方向平行地配置多个光照射元件(光源)，并且以提高在主扫描方向的中央区域中来自光照射元件的光量分布的均匀性的方式，对光照射元件的亮度进行控制。又，以提高在副扫描方向中的曝光量的均匀性的方式，对摄像元件的电荷积累定时、光照射元件的亮度和点亮定时进行控制。但是，阻碍面内曝光量均匀化的要因不仅是由光源自身的不均衡和与摄像元件单元的位置关系引起的亮度分布差，即便关于其它的阻碍曝光量均匀化的要因本发明也是有效的。
图15是表示作为本实施方式的扫描型指纹认证装置的模式构成的方框图。因为具有与第1实施方式相同的功能，所以附加相同的标号，省略对它们的详细说明。在图15中，138是外光状态判断单元，是从摄像得到的图像信号判别由来自光源的照明光产生的信号成分和由外光产生的信号成分的量和比例以及在面内的各光的光量分布状况的判断部件。这里，从图像合成单元输出信号，但是既可以从图像合成后的图像进行判断，也可以从图像合成前的信号进行判断。
作为外光状态判断单元138的具体判断工作的例子，因为能够预先预测由来自认证单元102自身进行控制的光源的照明光产生的信号成分的概算量，所以与该信号量比较计算实际取得图像的信号的增加程度作为由外光产生的信号成分的量和比例。又，能够从该增加程度的面内分布判断外光的入射方向(直射目光和来自窗边的夕阳照入等)和周围环境(室内或室外)等。123a是接受来自以生物体信息亮度检测单元122a、138为首的各单元的信息，通过通信单元115将控制摄像单元101的传感器驱动单元105和LED驱动单元108的控制信号输出到摄像单元101的控制单元。
137是将图像合成单元135输出的合成后的图像数据传送到生物体信息亮度检测单元122a、手指检测单元121、外光状态判断单元138的信号线。
139是用于将外光状态判断单元138的外光状态判断结果传送到控制单元123a的信号线。131是将接受各单元的状态，控制单元123a输出的用于控制摄像单元101的控制信号传送到通信单元115的信号线。
本实施方式的摄像单元101，与实施方式1相同，关于由构成光源103的各LED元件的亮度不均衡和各LED与摄像元件单元104的位置关系决定的光量的不均匀性(黑斑)，以成为从LED亮度分布算出的校正值、调整值的方式，控制单元123a经过通信单元115将控制信号发送到传感器驱动单元105和LED驱动单元108。
传感器驱动单元105和LED驱动单元108，与来自控制单元123a的控制信号相应，对摄像元件单元104的工作和光源103的各LED的光量进行控制。
进一步，本实施方式的摄像单元101，以使从外光状态判断单元138用取得图像的亮度分布判断的周围的光环境(室内或室外，是否在强的直射日光下等)和外光的入射状况(光是否倾斜地入射等)，取得的被拍摄物体的图像在面内曝光状态成为均匀的方式，或者以使适当曝光量的面积尽可能地大的方式，控制单元123a经过通信单元115将控制信号发送到传感器驱动单元105和LED驱动单元108。传感器驱动单元105和LED驱动单元108与来自控制单元123a的控制信号相应，对摄像元件单元104的工作和光源103的各LED的光量进行控制。
通过来自以上的控制单元123a的校正、调整，摄像单元101控制照明被拍摄物体的手指的光源103，即便在加上外光的情形中，也能够校正摄像面内的照明条件的差异，提高面内的曝光量的均匀性，并且在由外光和来自光源的光两者照明的情形中也能够以成为适当曝光量的方式调整摄像元件的积累条件，取得指纹图像。
本实施方式中的摄像元件与实施方式1相同，是用称为扫描型的方式的光学式指纹传感器，它的构成已经在图2A～5中先述说过了。
与实施方式1相同，本实施方式中的指纹认证装置是利用由光源照射条件和传感器的积累期间的关系决定传感器单元的像素的曝光这一特性的装置。
我们用图16A、16B、17A、17B、17C、18A、18B、19A、19B、20、21A、21B和22说明本实施形态的指纹认证装置。
图16A和16B是表示照明室内和室外中的被拍摄物体的光和这时的曝光状态的模式图。图16A是室内和夜间等外光成分少，基本上用来自LED光源的光照明手指的情形。图16B表示在室外强的直射日光从正上方下射等的外光是照明手指的主要成分的情形。
这里，图16A和16B与图2D同样是在手指的横截面上的模式图，201是手指，204是摄像元件，209是引导机构。又，这里也省去了对摄像元件204上的光学部件203的表示。箭头1601表示从LED光源2沿箭头方向向着手指射出的照明光。虚线1602表示这时的摄像元件204的曝光量分布，横轴表示与手指截面相应的位置，纵轴表示曝光量。箭头1603表示作为外光从正上方沿箭头方向照明手指的直射日光。虚线1604表示这时的摄像元件204的曝光量分布，横轴表示与手指截面相应的位置，纵轴表示曝光量。
如图16A所示，在室内和夜间的情形中，因为成为来自手指接触的摄像面一侧的照明光，所以摄像元件204中的曝光量存在着在与手指接触的中央区域多，在接近与手指不接触的手指侧面的两端区域少的倾向。(这里，例示了与中央区域为100％的曝光量相对，两端区域为40％的情形。)另一方面，如图16B所示，在室外强的外光入射的情形中，因为成为来自手指接触的摄像面和相反侧的照明光，所以在摄像元件204中的曝光量在接近不与手指接触的手指侧面的两端区域多，在与手指接触的中央区域少。这是因为即便与接近手指侧面的两端区域接触厚度也很薄，所以与中央区域比较光的透过率高的缘故。(这里，例示了与两端区域为100％的曝光量相对，中央区域为40％的情形。)因为在中央区域和接近手指侧面的两端区域两者中曝光量相差很大，所以要使手指的全部区域都具有适当曝光量是非常困难的，某一方发生饱和而泛白，而曝光量少的一侧光量很少而变得黑沉沉的情形也不少。
也如实施方式中所论述的那样，为了确保由当用光学式摄像元件取得指纹图像时的指纹图案产生的光强度之差等于对比度，在为了提取指纹的隆起线图案而进行图像计算方面所需的大于等于25％，需要与照明光的亮度不均匀性同样地能够抑制乘上增益的这种曝光量差。如果不能够抑制，则使为了与中央区域和两端区域的大曝光量差对应地分配灰度等级的信号成分的灰度等级性降低，不能够得到充分的对比度，S/N比减小，认证精度降低。本实施方式，通过检测外光的状况，与该状况相应，改变光源的点亮状态和摄像元件的积累条件，可以提高摄像面内的曝光分布的均匀性，并且以适当的曝光量，扩大能够取得的指纹图像的面积，提高信号成分的灰度等级性，提高认证精度。
图17A、17B和17C是表示本实施方式中的扫描型光学式指纹传感器的概略构成的图。
图17A是从手指上方看的光学式指纹传感器的概略图。又图17B是表示图17A中的6个LED1702a～1702f的照明光的100％点亮时的亮度水平的图。又，图17C是点亮LED1702a～1702f的驱动单元的电路图。
在图17中，201是成为指纹认证的对象的手指。1702a～1702f是作为光源的LED。204是副扫描方向的像素数约为5～20的带状的2维传感器，具体地说是CMOS型的摄像元件。
209是伴随着手指201的移动工作，防止到移动方向和垂直方向的手指201的模糊和偏移的引导机构。这里，省略了将指纹的凹凸图案的光学上的差异导入后述的摄像元件204的光学部件。
这里，图17B中的A、B、C与图17A所示的相同标号的各点的位置对应，图17B是由图17A的光源(LED1702a～1702f)产生的从点A到点B的方向(传感器的主扫描方向)的亮度分布。
在图17B中，1701a～1701f模式地表示图17所示的各LED1702a～1702f的亮度分布的中心。这里，为了简单化地说明外光环境的工作，假定LED的亮度没有个别不均衡地进行说明。当以100％的亮度点亮全部LED时，该亮度分布如虚线1703所示。
我们例示LED1701a～1701f作为用与第1实施方式相同的3个系统控制光亮的构成。这里在本发明中，如下面的本实施方式的3个系统的工作所示的那样，通过与外光的入射方向相应独立地控制配置在主扫描方向中心两侧的至少2组，改善了对于从斜方向入射的外光的动态范围。又，通过与外光的比例相应独立地控制配置在主扫描方向的中心侧的组和两端侧的组的至少2个组，改善了对于外光状况变化的动态范围。
图17C是表示图15所示的光源103和LED驱动单元108的具体电路例的图。如图17C所示，由将LED 1702a和1702f作为1个系统(或其或其以下称为第1系统)，将LED 1702b和1702c作为1个系统(或其或其以下称为第2系统)，将LED 1702d、1702e作为1个系统(或其或其以下称为第3系统)这样共计3个系统构成光源103。LED驱动单元108通过晶体管706的接通/断开，对该3个系统的LED进行点亮控制。图17C的701～703是输入作为控制3个系统的LED点亮的信号的LED控制脉冲的输入端子。如图17C所示，将控制第1系统的LED控制脉冲输入到输入端子701，同样将控制第2系统和第3系统的LED控制脉冲输入到输入端子702和输入端子703。704、705是电阻元件，706表示晶体管，707表示电源，708表示GND(地)。
如图17C所示，在LED驱动单元108中，输入端子701经过电组元件704与基极端子连接的晶体管706的集电极端子经过电组元件705和信号线112b与第1系统的LED1702a和1702f连接。
输入端子702经过电组元件704与基极端子连接的晶体管706的集电极端子经过电组元件705和信号线112b与第2系统的LED1702b和1702c连接。输入端子703经过电组元件704与基极端子连接的晶体管706的集电极端子经过电组元件705和信号线112b与第3系统的LED1702d、1702e连接。又，各晶体管706的发射极端子与GND708连接。
在光源103中，以当电流流入信号线112b时发光的方式，使作为第1系统的LED1702a和1702f串联连接在电源707和信号线112b(传送来自输入端子701的信号)之间。同样，使作为第2系统的LED1702b和1702c串联连接在电源707和信号线112b(传送来自输入端子702的信号)之间，使作为第3系统的LED1702d、1702e串联连接在电源707和信号线112b(传送来自输入端子703的信号)之间。
通过以上所述的构成，LED驱动单元108与输入到输入端子701～703的LED控制脉冲相应，对各晶体管706的接通/断开的时间进行脉冲宽度控制，将驱动脉冲输出到与3个系统的各个LED连接的3条信号线112b。因此，与从3条信号线112b输入到3个系统的LED的驱动脉冲相应，调整各LED的点亮熄灭比例对3个系统的亮度进行控制。
与实施方式1同样，用图8所示的电路制成作成输入到图17C所示的输入端子701～703的LED控制脉冲的控制脉冲作成电路的电路。
这里，在图16A所示的室内和夜间等的情形中，外光判断单元判定其状况，如图18A所示使6个LED的亮度，第1系统(LED1702a和1702f)为100％，第2系统(LED1702b和1702c)和第3系统(LED1702d和1702e)为50％，以成为虚线1803的方式对整个亮度分布进行控制。
结果，摄像元件单元中的曝光量如图18B所示，成为当100％点亮全部3个系统时的曝光量分布1602和作为控制3个系统的LED的亮度分布1803的合成的1804。但是这时，因为中央区域的LED亮度下降，所以尽管两端区域和中央区域中的曝光量差变小，然而合成的曝光量整体下降。因此，外光判断单元不仅控制LED的亮度而且也控制摄像元件单元，使积累时间成为2倍。
因此，总的曝光量如虚线1805那样，与中央区域的100％的曝光量相对，两端区域成为80％，一面确保曝光量大于等于一定值，一面减少两端区域和中央区域中的曝光量差，取得在摄像面整体上均匀的指纹图像。又，在图16B所示的室外的外光下的情形中，外光判断单元判定其状况，如图19A所示使6个LED的亮度，第1系统(LED1702a和1702f)为50％，第2系统(LED1702b和1702c)和第3系统(LED1702d和1702e)为100％，以成为虚线1903的方式对整个亮度分布进行控制。
结果，摄像元件单元中的曝光量如图19B所示，成为当不点亮全部3个系统时的曝光量分布1604和作为控制3个系统的LED的亮度分布1903的合成的1904。
但是这时，因为中央区域的LED亮度上升，所以尽管两端区域和中央区域中的曝光量差变小，然而合成的曝光量超过100％。在1904中模式地表示大于等于100％，实际上发生饱和而泛白。因此，外光判断单元不仅控制LED的亮度也控制摄像元件单元，使积累时间为2/3倍。因此，总的曝光量如虚线1905那样，与中央区域的100％的曝光量相对，两端区域成为93％，一面不使曝光量饱和，一面减少两端区域和中央区域中的曝光量差，取得在摄像面整体上均匀的指纹图像。
这样，通过与检测出的外光的状况相应，改变光源的点亮状态和摄像元件的积累条件，可以提高摄像面内的曝光分布的均匀性，并且通过形成适当的曝光量，扩大能够取得的指纹图像的面积，并且通过提高信号成分的灰度等级性，提高认证精度。
这时，在与多个配置相应经过分组化的光源中，通过与外光的比例相应独立地控制配置在主扫描方向的中心侧的组和两端侧的组的至少2个组，追随外光状况变化很大的室内和夜间情形与室外的日光下的情形两者，实现确保动态范围和对照精度的目的。
又，在光学传感器的情形中，进一步成为课题的是日光等的强外光倾斜入射的情形。当外光倾斜入射时，因为产生强外光对照明光有贡献的地方和背阴处光难以达到的地方，所以画面中曝光量变化很大。
在本实施方式中，形成即便在这种情形中，通过改变光源的点亮状态和摄像元件的积累条件，也能够形成可以得到动态范围广和对照精度高的构成。图20是表示当日光等的强外光倾斜地入射时的照明被拍摄物体的外光和这时的曝光状态的模式图。当在室外由夕阳进行照射时和即便在室内也存在从窗户射入的目光时，发生这种状况。
这里，图20是与图2D同样在手指的横截面中的模式图，201是手指，204是摄像元件，209是引导机构。又，这里也省去了摄像元件204上的光学部件203的表示。箭头2003a、b表示作为外光从右斜上方沿箭头方向照明手指的外光。
虚线2004表示这时的摄像元件204的曝光量分布，横轴表示与手指截面相应的位置，纵轴表示曝光量。
如图20所示，2003a一侧的光直到摄像元件附近区域高效率地照明手指，另一方面，2004b一侧的光照明手指，但是由于手指的厚度光不能够充分透过，又，也产生手指自身的背阴处。因此，摄像元件204中的曝光量如2004所示在光入射的方向高，在相反一侧变少。(这里例示了与右侧区域为100％的曝光量相对，左侧区域为25％的情形。)在这种外光倾斜入射的情形中，外光判断单元判定其状况，如图21A所示使6个LED的亮度，第1系统(LED1702a和1702f)为50％，第2系统(LED1702b和1702c)为100％，第3系统(LED1702d和1702e)为50％，以成为虚线2103的方式对整个亮度分布进行控制。
结果，摄像元件单元中的曝光量如图21B所示，成为当不点亮全部3个系统时的曝光量分布2004和作为控制3个系统的LED的亮度分布2103的合成的2104。
但是这时，因为左侧区域的LED亮度上升，所以尽管右侧区域和左侧区域中的曝光量差变小，然而合成的曝光量超过100％。在2104中模式地表示大于等于100％，但是实际上发生饱和而泛白的情形。因此，外光判断单元不仅控制LED的亮度也控制摄像元件单元，使积累时间成为2/3倍。
因此，总的曝光量如虚线2105那样，与右侧区域的100％的曝光量相对，左侧区域成为83％，通过一面不使曝光量饱和，一面减少右侧区域和左侧区域中的曝光量差，取得在整个摄像面上均匀的指纹图像。
这样，通过与检测出的外光的状况相应，改变光源的点亮状态和摄像元件的积累条件，可以提高摄像面内的曝光分布的均匀性，并且通过形成适当的曝光量，扩大能够取得的指纹图像的面积，并且通过提高信号成分的灰度等级性，提高认证精度。
这时，在与多个配置相应地经过分组化的光源中，通过与外光的入射方向和比例相应独立地控制配置在左右的至少2个组，通过校正由倾斜地入射的光产生的面内的照明光亮差，实现确保动态范围和对照精度的目的。
图22是表示本实施方式中图15的外光状态判断单元138的工作的操作程序图。
根据本实施方式中说明的外光状态对曝光量的控制例如是在扫描型传感器上开始滑动手指的阶段或在滑动手指的途中进行的。在这种根据外光状态调整曝光量的程序中，当在2201进入程序时，外光状况判断单元138，首先以在2202将曝光量设定在用于测定外光状况的初始值上的方式，将指示发送到控制单元123a。
这里，熄灭LED，只用外光进行曝光。接着，在2203，外光状况判断单元138从图像合成单元135取得在初始设定值的曝光条件下得到的取得图像数据，算出用于判断外光状况的各种数据。这里，算出对于主扫描方向左侧、中央、右侧这样3个区域的各平均亮度数据。
在2204，判定对于主扫描方向左侧、中央、右侧这样3个区域的各平均值是否全部小于等于一定值(判定值1)。当小于等于判定值时，在2205，判断外光很少。这时进行到2206，外光状况判断单元138算出外光的亮度，并且如图18A所示点亮LED的3个系统，进一步以最终的曝光量能够有效地利用动态范围的方式，为了调整摄像元件的积累时间，将指示发送到控制单元123a。因此，进行图18B的1805那样的曝光量调整。在2207，结束曝光量调整程序。
当超过一定值时，在2208，判定对于主扫描方向左侧和右侧这样2个区域的各平均值两者是否都大于等于一定值(判定值2)。当两者都大于等于判定值时，在2209，判断在面内被均匀地照射。直射日光从正上方照射等情形与此相当。
这时进行到2210，外光状况判断单元138算出外光的亮度，并且如图19A所示地点亮LED的3个系统，进一步以最终的曝光量能够有效地利用动态范围的方式，为了调整摄像元件的积累时间，将指示发送到控制单元123a。因此，进行图19B的1905那样的曝光量调整。在2207，结束曝光量调整程序。
当在2208低于一定值时，在2211，判定对于主扫描方向右侧区域的平均值是否大于等于左侧区域的平均值。当右侧区域的平均值大于等于左侧区域的平均值时，在2212，判断外光从右侧进行照射。
这时进行到2213，外光状况判断单元138算出外光的亮度，并且如图21A所示地点亮LED的3个系统，进一步以最终的曝光量能够有效地利用动态范围的方式，为了调整摄像元件的积累时间，将指示发送到控制单元123a。因此，进行图21B的2105那样的曝光量调整。在2207，结束曝光量调整程序。
当在2211，判定对于主扫描方向右侧区域的平均值低于左侧区域的平均值时，在2214，判断外光从左侧进行照射。这时行进到2215，外光状况判断单元138算出外光的亮度，并且以在LED的3个系统中与图21A相反使右侧的亮度增高的方式调整LED的亮度，进一步以最终的曝光量能够有效地利用动态范围的方式，为了调整摄像元件的积累时间，将指示发送到控制单元123a。因此，进行曝光量调整，在2207，结束曝光量调整程序。
这样一来，通过形成外光状况判断单元判断外光的面内的分布状况和照射量，曝光量的控制单元控制光源的亮度和摄像元件的积累量的构成，能够实现不受外光环境左右，动态范围广和对照精度高两者并存的光学式传感器。
以上，我们参照附图详细述说了本发明的实施方式，但是具体的构成不限于这些实施方式，也包含在不脱离本发明要旨的范围内的设计等。
权利要求
1.一种摄像装置，其特征在于具备，对被拍摄物体进行摄像的摄像部件；和将光照射在上述被拍摄物体上的光照射部件；当上述被拍摄物体和上述摄像部件相对移动时，上述摄像部件输出上述被拍摄物体的多个部分图像，该摄像装置还具有，控制上述摄像部件中的上述部分图像面内的曝光量的控制部件。
2.根据权利要求1所述的摄像装置，其特征在于具有多个上述光照射部件；与上述摄像装置的主扫描方向平行地配置该光照射部件；上述控制部件具有通过该多个光照射部件的亮度控制对上述摄像装置的主扫描方向的光量分布进行控制的主扫描方向控制部件。
3.根据权利要求1所述的摄像装置，其特征在于上述控制部件进一步具备，在上述摄像部件的副扫描方向上控制上述摄像部件的电荷积累期间或上述光照射部件的亮度中的至少一个的副扫描方向控制部件；上述副扫描方向控制部件，对上述摄像元件的电荷积累期间或上述光照射部件的亮度中的至少一个进行控制，以校正在上述摄像部件副扫描方向上的上述光照射部件的亮度差。
4.根据权利要求1所述的摄像装置，其特征在于上述主扫描方向控制部件控制作为在上述摄像部件的上述主扫描方向上的图像区域中占据2/3～4/5的中心部分的区域的中心区域，控制上述多个光照射部件的亮度以使上述中心区域的光量分布中的光量差在30％以内。
5.根据权利要求1所述的摄像装置，其特征在于上述主扫描方向控制部件，依照配置对上述多个光照射部件进行分组，并按上述组进行控制。
6.根据权利要求1所述的摄像装置，其特征在于当上述被拍摄物体是手指时，上述副扫描方向就成为手指的移动方向。
7.根据权利要求3所述的摄像装置，其特征在于上述副扫描方向控制部件，进行依照上述摄像元件的电荷积累的定时来变更上述光照射部件的亮度的控制，以校正在上述摄像部件的副扫描方向上的亮度差。
8.根据权利要求3所述的摄像装置，其特征在于上述副扫描方向控制部件，通过改变周期性的点亮熄灭中的点亮期间的比例来控制上述光照射部件的亮度。
9.根据权利要求8所述的摄像装置，其特征在于当上述副扫描方向控制部件周期性地点亮熄灭上述光照射部件时，上述点亮熄灭的周期是与上述摄像元件中的副扫描周期相应的周期。
10.一种摄像装置，其特征在于具备，对被拍摄物体进行摄像的摄像部件；与上述摄像装置的主扫描方向平行地配置，将光照射在上述被拍摄物体上的多个光照射部件；控制上述多个光照射部件的亮度的控制部件；和在上述摄像部件的副扫描方向上，控制上述摄像元件的电荷积累期间或上述光照射部件的亮度中的至少一个的副扫描方向控制部件；上述控制部件通过控制上述多个光照射部件的亮度来对上述摄像部件中的上述主扫描方向上的光量分布进行控制；上述副扫描方向控制部件，对上述摄像部件的电荷积累期间或上述光照射部件的亮度中的至少一个进行控制，以校正在上述摄像部件的副扫描方向上的上述光照射部件的亮度差。
11.一种生物体认证装置，其特征在于具备根据权利要求1～10中任一项所述的摄像装置。
12.一种摄像方法，该摄像方法是用对被拍摄物体进行摄像的摄像部件，将光照射在该被拍摄物体上而取得图像的摄像方法，其特征在于通过使上述摄像部件和上述被拍摄物体相对移动，输出上述被拍摄物体的多个部分图像，控制在上述摄像部件的上述部分图像面内的曝光量。
13.根据权利要求12所述的摄像方法，其特征在于校正在上述摄像部件的主扫描方向中的上述光的亮度差。
14.根据权利要求12所述的摄像方法，其特征在于进一步进行控制，变更上述摄像部件的电荷积累期间或上述光的亮度中的至少一方，从而校正在上述摄像部件的副扫描方向上的上述光的亮度差。
15.一种摄像装置，其特征在于具备，对被拍摄物体进行摄像的摄像部件；将光照射在上述被拍摄物体上的光照射部件；判断外光状况的判断部件；和依照由上述判断部件判断的外光状况来控制上述摄像部件中的图像面内的曝光量的控制部件。
16.根据权利要求15所述的摄像装置，其特征在于具有，当上述被拍摄物体和上述摄像部件相对移动时，输出上述被拍摄物体的多个部分图像，依照由上述判断部件所判断的外光状况来控制在上述摄像部件中的上述部分图像面内的曝光量的控制部件。
17.根据权利要求15所述的摄像装置，其特征在于具有多个上述光照射部件；与上述摄像装置的主扫描方向平行地配置该光照射部件；上述控制部件具备通过该多个光照射部件的亮度控制，对上述摄像装置的主扫描方向上的光量分布进行控制的主扫描方向控制部件。
18.根据权利要求15所述的摄像装置，其特征在于上述控制部件具备控制上述光照射部件的亮度的亮度控制部件；和控制上述摄像部件的电荷积累期间的积累期间控制部件；依照由上述判断部件所判断的外光状况来控制上述亮度控制部件和上述积累期间控制部件两者。
19.根据权利要求17所述的摄像装置，其特征在于上述主扫描方向控制部件，对上述多个光照射部件进行分组，依照外光入射方向独立控制相对于主扫描方向中心配置在两侧的至少两个组。
20.根据权利要求17所述的摄像装置，其特征在于上述主扫描方向控制部件，对上述多个光照射部件进行分组，依照外光的比例独立控制在主扫描方向中配置于中心部的组和配置于两端的组中的至少两个组。
21.一种生物体认证装置，其特征在于具备根据权利要求15所述的摄像装置。
22.一种摄像方法，它是用对被拍摄物体进行摄像的摄像部件，将光照射在该被拍摄物体上而取得图像的摄像方法，其特征在于依照外光状况来控制在上述摄像部件中的图像面内的曝光量。
全文摘要
本发明提供能够校正由多个光源中的光量不均衡引起的光量不均匀性的摄像装置、指纹认证装置和摄像方法。摄像元件单元(104)备有2维状配置的像素，对被拍摄物体进行摄像。光源(103)由与摄像元件单元(104)的主扫描方向平行地配置的多个LED构成，将光照射在被拍摄物体上。LED驱动单元(108)，以使摄像元件单元(104)中的主扫描方向的中心区域的光量分布更加均匀的方式，对多个LED的亮度进行控制。
文档编号G06K9/20GK1620113SQ20041009268
公开日2005年5月25日 申请日期2004年11月16日 优先权日2003年11月18日
发明者繁田和之 申请人:佳能株式会社