专利名称：图像采集装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于将发光器件发出的光引导至一对象、照射该对象并对该对象进行图像采集的图像采集装置，更具体地涉及一种即使在紧凑的结构中也易于装配各部件的图像采集装置。
背景技术：
通过以均匀光照射对象而在对象的预定范围内采集图像的图像采集装置被广泛使用。在使用由这种图像采集装置采集的图像的图像处理系统中，尤其需要清晰的图像。
例如，随着近些年生物特征技术的发展，已提供了用于个人识别的各种装置，这些装置采集活体的特征(人体的一部分，藉此可以区分个体)，并识别该活体的特征，这些特征例如为手足的指(趾)纹、眼睛视网膜、面部和血管。
特别的是，手掌、手背和手指的血管和皮肤图案适于进行可靠的个人认证，因为从中可以获得相当大量的个人特征数据。此外，人们相信任何人的血管(静脉)的图案从胎儿时起贯穿一生都不会改变，并且毫无例外地在任何人之间都不存在相同的图案，因此它们特别适合于个人认证。
为了进行这种生物特征认证等，需要以非接触的方式来采集对象(在生物特征认证的情况下是人体的一部分)的图像。为此，图像采集装置发出在特定图像采集范围(距离和面积)中产生均匀光强的光，通过传感器来接收上述图像采集范围的反射光，并将所采集的图像信号输出为电信号。此外，为了适当地执行图像采集，必须提供距离传感器来测量到对象的距离。
图24和25示出了常规图像采集装置的说明图。如图24和25所示，图像采集装置100包括中心处的图像采集(数字相机)单元120以及其外围处的多个发光器件130-1至130-8和未示出的光学距离传感器。图24中所示的虚线表示从多个发光器件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。
同样，通过在图像采集单元120的外围布置多个(这里为8个)点光源，可以用均匀强度的光来照射图像采集单元120的图像采集范围。同时，如图25所示，图像采集单元120包括诸如CMOS传感器的光电转换单元122和诸如透镜的光学系统124。由于光电转换器件(为平面光电探测器)具有预定的光对象之间布置诸如鱼眼透镜的透镜124，从而将该预定图像采集范围的图像投射到光电转换器件122的光接收平面上。
因此传统上，为了利用各个点光源元件130-1至130-8通过均分预定的图像采集范围来照射对象，彼此间隔开地来布置点光源元件130-1至130-8，如图24所示。此外，为了向图像采集范围中提供预定均匀强度的光，与光电转换器件122相比，点光源元件130-1至130-8被布置得更靠近对象，如图25所示。另外，距离传感器通过以点光来照射对象并接收其反射光而测量到对象的距离。为此，类似的是，将距离传感器布置得靠近对象(例如，国际专利申请号WO 2004/088588(图1和图6))。
在上述常规图像采集装置中，如先前所述，点光源元件130-1至130-8彼此间隔开地布置，并且较之光电转换器件122更靠近对象，如图25所示。因此，难以使图像采集装置小型化。此外，将图像采集装置并入到设备中时存在限制。
另外，某些发光器件产生很高的光强。利用这种发光器件，可以将该发光器件布置得靠近图像采集单元120。然而，产生高光强的发光器件是昂贵的，并且功耗大，因此其不适用于小尺寸、低成本的图像采集装置。此外，由于上述发光器件尺寸大，所以要花费大量的时间和劳动来装配图像采集装置，并且缺陷产品的发生率高。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种图像采集装置，该图像采集装置用于对对象进行广度照明、采集该对象的图像并且即使在小型化结构中也易于进行装配。
本发明的另一目的是提供一种图像采集装置，该图像采集装置用于对对象进行广度照明、采集该对象的图像并且即使在小型化结构中也能够以小的粘合点来进行装配。
本发明的又一目的是提供一种小型化的图像采集装置，该图像采集装置用于对对象进行广度照明、采集该对象的图像并降低缺陷产品的发生率。
为了实现上述目的，根据本发明，一种通过照射对象并从该对象接收反射光来采集该对象的图像的图像采集装置包括用于接收所述反射光的图像传感器；安装在所述图像传感器的外围位置上的多个发光器件；导光组件，用于将所述多个发光器件的光引导至图像采集范围，并且对所述图像采集范围进行照明；容纳在所述导光组件内的光学单元，用于将被照明的图像采集范围内的所述对象的反射光引导至所述图像传感器；滤光器，设置在所述光学单元和所述导光组件的对象侧，并安装在壳体上；以及遮光罩，用于对所述光学单元的图像采集范围之外的光进行遮断。所述导光组件还具有由所述遮光罩的下端挤压的突出部，并且所述滤光器挤压所述遮光罩的上端。
此外，根据本发明，所述图像采集装置优选地还具有电路板，其上安装有所述图像传感器、多个发光器件和测距发光器件；设置在所述电路板上的光圈，其用于将所述测距发光器件的光线会聚为点光，并将该点光照射在所述对象上；以及为所述光圈的一部分设置的支撑块，其用于支撑所述导光组件的下端的一部分。
此外，根据本发明，优选的是，所述多个发光器件沿着所述图像传感器的外围的圆周以预定的间隔安装在电路板上，并且所述导光组件为对应于该圆周的环状。
此外，根据本发明，优选的是，具有支撑块的所述测距发光器件由安装在所述电路板上的不同位置处的多个发光器件构成。
此外，根据本发明，优选的是，所述遮光罩具有用于容纳所述光学单元的底部；连接到所述底部的外壁，其用于遮断所述图像采集范围之外的光；以及连接到所述外壁的压力块，其用于挤压所述导光组件的突出部。
此外，根据本发明，优选的是，所述图像采集装置还具有用于支撑所述电路板的两端的支架装配件。
此外，根据本发明，优选的是，所述图像采集装置还具有控制电路，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图像来检测所述测距发光器件的点光位置，并获得到所述对象的距离。
此外，根据本发明，优选的是，所述光圈遮挡所述测距发光器件的光线，并对所述光线进行会聚以引导至聚焦透镜。
此外，根据本发明，优选的是，所述光圈包括用于遮挡所述测距发光器件的光线的支架；用于输出所述点光的聚焦透镜；以及用于将所述测距发光器件的光线会聚到所述聚焦透镜的方向的聚光器。
此外，根据本发明，优选的是，所述聚光器由用于形成到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，所述图像采集装置包括扩散偏振片，设置在所述导光组件与所述多个发光器件之间，用于使所述多个发光器件的光产生扩散和偏振；以及安装到所述电路板上的安装台，其用于安装所述扩散偏振片。
此外，根据本发明，优选的是，所述安装台与所述光圈集成在一起。
此外，根据本发明，优选的是，所述图像采集装置还包括支架装配件，所述支架装配件用于支撑所述电路板的两端并夹住所述扩散偏振片的所述安装台。
此外，根据本发明，优选的是，所述测距发光器件安装在所述电路板上、所述发光器件的外侧位置。
此外，根据本发明，优选的是，所述多个发光器件由发出红外光的发光器件构成，并且还设置有滤光器，以滤除可见光。
此外，根据本发明，优选的是，所述导光组件包括用于引入所述发光器件的光的下端部；用于将所述光输出到所述图像采集范围的上端部；以及用于将所述发光器件的光从所述下端部引导至所述上端部的导光部。
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，并安装在所述电路板上、所述发光器件的外测位置以形成对角关系。
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，所述图像采集装置还具有连接到所述电路板并用于连接至外部的控制板；以及为所述支架装配件设置的用于支撑所述控制板的槽。
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，可以通过在图像传感器的外围安装多个发光器件并通过导光组件将所述多个发光器件的光引导至图像采集范围来进行照明，从而实现图像采集系统靠近照明系统设置的小型化图像采集装置。此外，可以通过朝向用于遮断图像采集范围之外的光的遮光罩的下端挤压所述导光元件的突出部，以及朝向滤光器挤压遮光罩的上端，利用更小的粘合点来装配该小型化图像采集装置。因而，可以提高装配图像采集装置的工作能力，从而降低产品的缺陷率和提高生产效率。
图1示出了根据本发明一个实施例的图像采集装置的分解结构图。
图2示出了图1中所示的电路板的部件布置图。
图3示出了图2中所示的发光器件与光电探测器之间关系的说明图。
图4示出了图1中所示的图像采集装置的俯视图。
图5示出了图4中所示的图像采集装置的E-E剖视图。
图6示出了图4中所示的图像采集装置的C-C剖视图。
图7示出了图1和6中所示的照明系统的说明图。
图8示出了图7中所示的导光组件和发光器件的结构图。
图9示出了图8中所示的发光器件的发光强度分布与导光组件的下端部之间的关系图。
图10示出了图8中所示的导光组件的第一操作说明图。
图11示出了图8中所示的导光组件的第二操作说明图。
图12示出了图8中所示的导光组件的第三操作说明图。
图13示出了图1和6中所示的遮光罩的操作说明图。
图14示出了图1和6中所示的光圈的结构图。
图15示出了图14中所示的光圈的分解结构图。
图16示出了图14中所示的光圈的俯视平面图。
图17示出了图16中所示的光圈的A-A剖视图。
图18示出了图16中所示的光圈的B-B剖视图。
图19示出了图1和6中所示的光圈和扩散/偏振片安装台的结构图。
图20示出了图1和6中所示的光圈和扩散/偏振片安装台的安装图。
图21示出了图1中所示的图像采集装置的控制电路的框图。
图22示出了图21中所示的控制电路的图像采集处理流程图。
图23示出了使用图21中所示结构进行的距离测量操作的说明图。
图24示出了常规图像采集装置中的照明结构的说明图。
图25示出了常规图像采集装置的结构图。
具体实施例方式
下面将参照这些图表，按照图像采集装置结构、照明机构、距离传感器、图像处理结构和其他实施例的顺序来描述本发明的优选实施例。
图像采集装置图1示出了根据本发明一个实施例的图像采集装置的倾斜分解视图；图2示出了图1中所示的电路板的俯视平面图；图3示出了图2中所示的发光器件与光电探测器的操作说明图；图4示出了图1中所示的图像采集装置的俯视平面图；图5示出了图4中所示的图像采集装置的E-E剖视图；而图6示出了图4中所示的图像采集装置的C-C剖视图。
如图1所示，设置有相机基板20和控制基板60。如图2所示，在相机基板20的中央布置有诸如CMOS图像传感器的图像传感器30和偏振片32。在相机基板20的图像传感器30的外围安装有多个发光器件22、24和光电探测器26。
更详细来讲，图像传感器30安装在相机基板20的中央，偏振片32层叠在图像传感器30上。沿着相机基板20的图像传感器30的外围的圆周安装有多个发光器件22、24和光电探测器26。也就是说，在图像传感器30的外围分别设置有八(8)个第一发光器件(LED)22和八(8)个第二发光器件(LED)24。
在每个上述第一发光器件22与每个第二发光器件24之间都布置有光电探测器(光电二极管)26。如图3所示，设置上述光电探测器26是为了接收来自第一发光器件22的光和来自第二发光器件24的光(即，来自稍后描述的扩散片44的反射光)，由此对第一发光器件22和第二发光器件24进行APC(自动功率控制)。对上述第一发光器件22和第二发光器件24进行驱动，使之以各自的定时来发光。
在上述示例中，为了独立地对第一发光器件22和第二发光器件24中的每一个(其以各自的定时来发光)进行自动功率控制，在第一发光器件22与第二发光器件24之间设置一个光电探测器26，以接收来自第一发光器件22和第二发光器件24的光。因此，可以减少用于进行APC控制的光电探测器的数量。
如图2所示，在相机基板20的四个角上设置有用于测量到对象的距离的四个测距发光器件52。上述四个测距发光器件52设置在相机基板20的对角线上，并且是对角线上最远的位置处，从而彼此之间的距离都为最远。根据上述四个测距发光器件52测出的距离，来检测对象(这里为手掌)的倾斜。
简而言之，在单个相机基板20上设置有照明系统22、24、26和用于对对象进行图像采集的图像采集系统30、32以及测距系统52。
现在再参照图1，在相机基板20的发光器件22、24的向上方向上设置有四个扩散片44和四个偏振片42。上述扩散片44和偏振片42分别粘贴在扩散/偏振片安装台46上，扩散/偏振片安装台46附接在相机基板20的四个侧面上。各个扩散片44在一定程度上使从第一发光器件22和第二发光器件24发出的定向光(directive light)的发射分布产生扩散。各个偏振片42将从第一发光器件22和第二发光器件24发出的自然光转换为线偏振光。
在四个偏振片42的向上方向上设置有环形的导光组件10。导光元件10例如由树脂形成，并将来自相机基板20的第一发光器件22和第二发光器件24的光向上引导，从而以均匀的光来照射对象。为了与相机基板20的第一发光器件22和第二发光器件24的排布相适配，导光组件10具有环形结构。如将在图7及之后描述的，导光组件10将从相机基板20的第一发光器件22和第二发光器件24发出的光向上引导，从而以均匀的光来照射对象。
此外，光学单元34附接到相机基板20的设置在相机基板20的大约中央处的图像传感器30上，并且位于环形导光组件10内部。光学单元34由诸如会聚透镜的透镜光学系统构成。
在相机基板20的测距发光器件52上安装有光圈50。如稍后描述的，光圈50切断了到其他方向的光扩散，从而将从测距发光器件52发出的光引导至对象方向。
与相机基板20分离地设置有控制基板60。设置控制基板60是为了与外部相连，其包括外部连接器62和用于与相机基板20相连接的相机连接器64。上述控制基板60设置在相机基板20的下部，并利用相机连接器64与相机基板20电连接。
如图1所示，制备有可见光阻断滤光器76、遮光罩78、一对支架装配件70A、70B和外壳74。上述可见光阻断滤光器76阻断可见光成分，使之不能从外部进入图像传感器30。此外，如以下参照图13所描述的，遮光罩78遮断光，使得预定图像采集区域之外的光不能进入光学单元34，并防止从导光组件10泄漏的光进入光学单元34。
这样，就将图像传感器30、发光器件22、24、光电探测器26和测距发光器件52安装在相机基板20上。也就是说，将包括照明系统和图像采集系统的基本结构安装在单个基板上。因此，只有一个安装板就足够了，因而降低了成本。
此外，通过在发光器件22、24的上部设置环形导光组件10，将来自发光器件22、24的光引导至可见光阻断滤光器76。上述导光组件10对来自发光器件22、24的光进行分束，然后将光传送至可见光阻断滤光器76。因此，可以将发光器件22、24设置得靠近图像传感器30，并且仍在同一基板20上，这实现了小型化以及以均匀光来照明对象。
此外，因为导光组件10为环形，所以可以将光学单元34容纳在环10的内部，从而可以进一步小型化。另外，遮光罩78防止预定图像采集范围之外的光(图1中的斜线部分)进入光学单元34，还防止从导光组件10泄漏的光进入光学单元34。因此，即使导光组件10和发光器件22、24被设置得靠近图像传感器30和光学单元34，仍可以避免图像采集精度的劣化。
而且，由于测距发光器件52设置在相机基板20上，所以可以进一步使测距的相机单元小型化。另外，在图1中，控制基板60连接到相机基板20的下部，并且外部线缆连接到控制基板60的外部连接器62。
接着，将图像传感器30，发光器件22、24，光电探测器26和测距发光器件52安装在相机基板20上。此外，将上述相机基板20、扩散/偏振片安装台46、扩散片44、偏振片42、光圈50、光学单元34、导光组件10、遮光罩78和控制基板60附接到支架装配件70A、70B上，从而装配出相机部分。
下面将利用图4、5和6来更详细地描述这些构造。如图1和例示了图4中所示的图像采集装置的E-E剖视图的图5所示，一对支架装配件70A、70B包括其下部中的用于插入控制基板60的槽70-3；位于中央的用于支撑相机基板20的支撑组件70-2；以及位于支撑组件70-2上方的用于插入扩散/偏振片安装台46的突出部70-1。
同时，如图1、5和6所示，导光组件10包括下部槽12附近的突出块16。此外，遮光罩78包括底部78-4、遮光罩外壁78-1、设置在遮光罩外壁78-1的上部的法兰78-3和设置在下部的挤压块78-5。
下面将参照图1、5和6来描述根据上述结构的装配操作。与图2类似，通过插入光圈50的腿部50-5将与光圈50集成在一起的扩散/偏振片安装台46(稍后描述)适配到相机基板20(其上安装有图像传感器30、发光器件22、24、光电探测器26和测距发光器件52)。利用粘合剂等预先将扩散片44和偏振片42适配到上述扩散/偏振片安装台46上。
接下来，利用连接器将控制基板60连接到上述相机基板20上，并从上述装配体的两侧使支架装配件70A、70B相适配。此时，如图5所示，将控制基板60插入到所述一对支架装配件70A、70B的槽70-2中。另外，将相机基板20适配到支撑组件70-2上，并且将扩散/偏振片安装台46适配到突出部70-1上从而夹在它们之间。
随后，如图6所示，将上述装配体插入到壳体74中，此后，将光学单元34设置到相机基板20上。另外，按照使导光组件10的下部支撑(ride)在光圈50的支撑块50-2上的方式来适配导光组件10。然后，按照使遮光罩78的下部块78-5压在导光组件10的突出块16上的方式来适配遮光罩78。最后，将可见光阻断滤光器76粘贴在壳体74的侧面上。
同样，将用于支撑基板20、60的支撑组件70-2、70-3设置在构成侧板的支架装配件70A、70B上。另外，手动地接合距离传感器的光圈50、导光组件10和遮光罩78并由可见光阻断滤光器76的最上部挤压。利用上述结构，显著地减少了粘合点，特别是消除了在壳体74内的涂覆粘合剂和粘贴的工艺。
结果，可以装配出大小例如为3.5平方厘米数量级的小尺寸的图像采集装置1，而基本上不需要粘合工艺。在使用粘合工艺的情况下，在额外部分上涂敷粘合剂可能造成产品缺陷。另外，考虑到可使用性，粘合工艺不是优选的，因为即使正确地进行了粘合，也需要大约一小时来完成干燥。
而且，当使用不同类型的粘合剂作为各种部件时，可混合性成为问题，避过那且粘合剂类型受到限制。因此，无需任何粘合工艺的装配在防止出现缺陷产品方面以及增加可使用性方面是有效的。
照明机构下面将描述包括导光组件的照明机构。图7示出了根据本发明一个实施例的导光组件的操作说明图；图8示出了图7中所示的照明机构的详细结构图；图9示出了图8中所示的导光组件的梯形凹口(notch)的说明图；而图10至图12示出了图8中所示的导光组件的导光和扩散操作的说明图。在以下描述中，为了简化说明，对导光组件的形状作了简化。
在图7中，用相同的标号来表示与图1、5和6中相同的部分。如图7所示，导光组件10将来自各个发光器件22、24(点光源)的光引导至可见光阻断滤光器76，从而光被一分为三。
更具体地说，基本上从导光组件10输出指向光学单元34方向的光A3、指向导光组件10的纵向方向的光A2和指向与光学单元34相对方向的光A1。通过设置上述导光组件10，每个单个点光源22、24看起来都似乎是在可见光阻断滤光器76附近工作的三个点光源。
如图8所示，导光组件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被定位成以偏振片42和扩散片44为媒介而与发光器件22、24相对，并接收来自发光器件22、24的光。此外，上斜面14是高度在光学单元34侧更大的斜面。
如图9所示，来自发光器件22、24的发光强度分布B为向上方向上的长(强)圆弧形状。即，指向发光器件22、24的光输出方向(器件的垂直方向)的光分量B1的强度大于指向两侧方向的光分量B2、B3的强度。如图7所示，与上述强度分布B相对应地形成导光组件10中的梯形槽12，从而基本上可以认为光是输出侧的三个点光源。
更具体地说，为了通过导光组件10内的反射而充当三个点光源，梯形槽12由平坦部分12b和一对斜面部分12a、12c构成，平坦部分12b用于引入光分量B1，斜面部分12a、12c用于引入两侧上的光分量B2、B3，并具有与光分量B2、B3的方向相对应的倾斜度。梯形槽12的上述形状用于将来自各个点光源22、24的光一分为三。
此外，如稍后所述，上述平坦部分12b和斜面部分12a、12c各自的长度被设置为，使得由导光组件10输出的光所产生的预定区域中的光强基本上是均匀的。在此，接收光分量B1的最大强度的平坦部分12b的长度被设置得小于斜面部分12a、12c的各自长度，斜面部分12a、12c接收光强比光分量B1弱的光分量B2、B3的光强。由此，根据光强分布来调节分束光量。
参照图10至12来描述上述操作。如图10所示，各个发光器件22、24的发光强度分布B的左侧的分量B2从导光组件10的左斜面部分12a入射到导光组件10的左侧面10-2上。然后入射光在左侧面10-2上反射，并行进到导光组件10的右侧面10-1。随后，行进到右侧面10-1的光在右侧面10-1上反射，并再次行进到左侧面10-2。然后光在左侧面10-2上反射，并基本上垂直地入射到上斜面14上，并输出到图像采集范围的最外侧部分。
另外，如图11所示，各个发光器件22、24的发光强度分布B的中央分量B1从导光组件10的中央平坦部分12b入射到导光组件10上。然后光倾斜地入射到上斜面14上，并输出到图像采集范围的最内侧部分。
此外，如图12所示，发光器件22、24的发光强度分布B的右侧的分量B3从导光组件10的右斜面部分12c入射到导光组件10的右侧面10-1上。然后入射光在右侧面10-1上反射，并行进到导光组件10的左侧面10-2。随后，行进到左侧面10-2的光在左侧面10-2上反射，并基本上垂直地入射到上斜面14上，并在图像采集范围的最内侧部分与最外侧部分之间输出。
通过合成图10至12，获得如图8所示的光路图。即，在梯形槽12处，导光组件10将点光源22、24的点发光一分为三。利用导光组件10内的侧面上的反射，各个分束光按照存在于导光组件10的输出侧上的三个点光源的方式输出。
在这种情况下，考虑图像采集范围，在导光组件10的上斜面14处对输出方向进行调节。另外，为了在图像采集范围中获得基本上均匀的光强，考虑到先前在图9中描述的发光器件22、24的发光强度分布B，对导光组件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)或对于平坦部分12b和斜面部分12a、12c的入射量进行调节。
这里，因为图9中描述的发光器件22、24的发光强度分布B在中央处具有较强的光强，而在外围具有较弱的光强，所以，为了获得基本上均匀的光强，将导光组件10的梯形槽12的平坦部分12b的长度设置得比各个斜面部分12a、12c的长度短。因此，构造的结果是，光强大的光分量不仅入射在平坦部分12b上，而且入射在斜面部分12a、12c上。
另外，利用导光组件10的梯形的槽12和上斜面14以及导光组件10中的反射，可以输出经过扩散的反射光和直线光，从而在整个图像采集范围内获得了基本上均匀的光强。
图13示出了遮光罩78的操作说明图。在图13中，为了简化以下说明，对图1、5、6中所示的遮光罩的形状作了简化。遮光罩78包括遮光罩外壁78-1、遮光罩外壁78-1的底部78-4、设置在底部78-4上的暴露孔78-2、设置在遮光罩外壁78-1的最上部上的法兰78-3和如图5、6中所示的下部块78-5。
如图13所示，在遮光罩78的底部78-4的暴露孔78-2处设置光学单元34的顶部。遮光罩78的上部(包括法兰78-3)附接到可见光阻断滤光器76。如图1至6中所描述的，当为了达到小型化的目的而彼此靠近地设置图像采集单元34、30和照明机构22、10时，来自照明机构、输出系统的光入射到图像采集系统34、30上，影响了所拍摄的图像。
因此，必须使输出系统与图像采集系统光学地分离，因而设置了遮光罩78。上述遮光罩78是由不透光的遮蔽组件形成的。通过设置底部78-4，将遮光罩外壁78-1定位在导光组件10的方向上。基本上垂直设置的遮光罩外壁78-1(连接到图5、6中的下部块)遮蔽了从导光组件10直接入射的光或者在可见光阻断滤光器76的下表面上反射的光，从而使光不会入射到图像采集单元34、30上。另外，遮光罩外壁78-1限制了来自对象的反射光的入射范围。
此外，设置在遮光罩外壁78-1的上部上的法兰78-3向导光组件10的方向延伸。如图13所示，法兰78-3截断了从导光组件10输出的光中的在可见光阻断滤光器76的上表面上反射的反射光L1、L2和L3，使之无法入射到图像采集单元34、30。这种反射光L1、L2和L3由于没有照射对象所以造成了图像采集噪声。因此，通过法兰78-3进行截断可以有效地获得清晰的拍摄图像。
另外，遮光罩78阻断光，从而防止预定图像采集范围之外的光进入光学单元34，还防止从导光组件10输出的光中的不对对象进行照射的光进入光学单元34。
距离传感器的结构图14示出了距离传感器的光圈的结构图；图15示出了图14中所示的光圈的分解结构图；图16示出了图14中所示的光圈的俯视平面图；图17示出了图16中所示的光圈的A-A剖面；而图18示出了图16中所示的光圈的B-B剖面。
如图14、15所示，光圈50包括支架50-1、透镜50-3和聚光器50-4。支架50-1由圆柱体形成，用于阻断外部光。在支架50-1的上部设置有透镜50-3的支撑组件50-7和挤压组件50-6。此外，在支架50-1的侧面上设置有导光组件10的支撑组件50-2，在支架50-2的下部上设置有针对基板20的装备腿部(furnishing leg)50-5。同时，透镜50-3包括用于将支架50-1的挤压组件50-6适配于其中的凹口50-8。
如图15所示，聚光器50-4从支架50-1的下部适配进去，从而定位在支架50-1的透镜支撑组件50-7处。另外，支架50-1的挤压组件50-6适配在透镜50-3的凹口50-8中，透镜50-3被推入支架50-1的上部。因而，透镜50-3由透镜支撑组件50-7支撑，并且由支架50-1的挤压元件50-6挤压。
接下来将参照图16至18来描述上述光圈50的操作。如图17、18所示，在图16的A-A剖面和B-B剖面中，聚光器50-4在透镜50-3的下部处形成倒梯形的光路。测距发光器件52由发光二极管(LED)构成，发光分布如上述图中虚线所示。
聚光器50-4截断相对存在于发光分布的外围的光，而聚光器50-4使位于中央的光强度大的光通过透镜50-3。为了将具有这种发光分布的光集中为点光，采用了通过扩散片等将大功率发光器件52所发出的光转换为平行光并入射到会聚透镜50-3上的结构。但是，在这种结构中，必须设置扩散片以及大功率发光器件。
根据本发明，使用聚光器50-4，使入射在透镜50-3上的光形成为具有倒梯形的分布，这是从测距发光器件52的发光分布变形而来的。更具体地说，通过用于产生下窄上宽的光路的聚光器50-4，对经扩散的LED的反射光线进行选择、会聚并输出到一个方向。因此，即使采用了小发光量的节能发光器件，也可以获得足够的照射量。
接下来描述增加可使用性的结构。图19和20是图1至5中示出的扩散/偏振片安装台46和光圈50的结构图。如图19中所示，光圈50的四个支架50-1与四个扩散/偏振片安装台46一体地形成，以连接在一起。例如，光圈50的经连接的四个支架50-1通过塑料成型与四个扩散/偏振片安装台46一体地形成。
如图20中所示，聚光器50-4插入到光圈50的整体成型结构的支架50-1中，并且透镜50-3适配于此。另外在该情况下，不使用任何粘合工艺。同样，利用光圈50的腿部50-5，将如图19所示的连接在一起的四个光圈50和四个扩散/偏振片安装台46固定到相机基板20上。
因而，可以简化装配工作，并均匀地保持各个光圈50之间的精确位置关系。结果，可以精确地执行图21中例示的测距。换言之，可以消除距离计算中光圈的适配误差。
图像处理结构图21示出了根据本发明一个实施例的采集图像处理设备的框图。图22示出了上述图像处理设备的采集图像处理的流程图。另外，图23示出了测距操作的说明图。
如图21所示，该图像采集装置中的驱动/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；用于将来自图形传感器30的各个像素的模拟输出转换为数字值的模/数转换器92；以及微控制器90。
如图4中所述，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26中接收的光强而在各个发光周期中执行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)，并执行包括测距90A、姿态识别90B、快门控制90C和图像处理90D在内的处理。
下面将参照图22来描述MCU90中的图像采集处理。
(S10)MCU90经由测距LED驱动器98来驱动测距发光器件(LED)52。由此，图1和2中描述的四个测距发光器件52发光。如图1、2所示，图像传感器30在图像采集范围中拍摄图像。此处，由于未驱动照明发光器件22、24，所以图像传感器30仅接收到与从测距发光器件52发出的光相对应的图像采集范围内的对象的反射光。图23中示出了反射光52A、52B、52C和52D在图像传感器30的图像30A中的位置，图像30A是从与从各个测距发光器件52发出的光相对应的图像采集范围内接收到的。上述位置根据对象(例如手掌)的倾斜而偏离。
(S12)接着，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为数字值，然后存储在MCU90的存储器中。MCU90在存储器中搜索图像数据，并检测上述反射光52A、52B、52C和52D的位置。
此时，由于四个测距发光器件52如图1和图2所示相对于图像的中央(图像采集范围)对角地设置，所以通过在直线上搜索(如图23中的虚线所示)，可以根据这些直线上的像素亮度检测出四个点的位置。此外，因为发光器件52以足够的距离设置在对角线上的最远位置处，所以可以检测图像中距离中央最远的位置。根据上述四个位置，MCU90利用三角测量法来检测对象的距离和倾斜。即，通过利用相对于图像传感器30的中央的位置来计算这四个点中每一个的距离，并且可以根据这四个点的距离差来检测(四个方向上的)倾斜。
(S14)MCU90确定到图像采集对象的距离是否合适(对象是否以预定焦距位于图像采集范围内)。如果到图像采集对象的距离不合适，则MCU90在未示出的显示单元上显示指导消息。例如，显示“将对象(手掌)放近一点。”或“将对象(手掌)放远一点。”的指导消息。
(S16)如果距离合适，则MCU 90确定图像采集对象的倾斜是否合适。例如，当对对象(手掌等)的平坦部分进行图像采集时，确定倾斜是否在允许的范围内。如果图像采集对象的倾斜不合适，则MCU 90在未示出的显示单元上显示指导消息。例如在手掌作为对象的情况下，显示“伸开您的手。”等指导消息。
(S18)如果倾斜合适，则MCU 90指示照明LED装置94、96发光。因而，发光器件22、24发光从而照射对象。随后，MCU 90驱动图像传感器30的未示出的电子快门，并在图像采集范围内拍摄图像。MCU 90然后经由A/D转换器92将图像存储在存储器中。然后，从上述图像中提取特征。例如，在提取前述血管图像的情况下，从图像中提取血管图像。
同样的是，图像传感器30还用作测距光电探测器部，以检测图像采集对象是否在焦距处，或检测其倾斜。因此，在测距机构中，设置测距发光器件52就足够了，而无需特别地设置用于距离测量的光电探测器。由于减少了安装部件，所以这有助于降低成本以及小型化。
另外，因为四个测距发光器件52相对于图像的中央(图像采集范围)对角地设置，所以通过搜索(如图23中虚线所示)存储在存储器中的图像数据，可以检测出这四个点的位置，因而，检测处理变得容易。此外，因为测距发光器件52以足够的距离设置在对角线上最远的位置上，所以即使设备小型化，也可以检测图像中远离中央的位置，并且可以精确地执行倾斜的检测。
其他实施例在前述实施例中，以手掌为例说明了图像采集对象，以血管图案认证为例说明了图像采集对象的图像处理。但是，本发明也适用于利用人体其他特征(包括手的皮肤图案、手背的血管图像、手指的血管图像和面部特征以及虹膜等)的其他生物特征认证。另外，本发明不限于在生物特征认证方面的应用。测距发光器件的数量不限于四个，而是可以选择任意多个。
尽管在以上描述中例示了本发明的实施例，但在不偏离本发明精神的情况下可以进行任何适当的修改。本发明的范围不排除所有这样的修改。所附的权利要求涵盖了落入本发明范围内的本发明的这些特征和优点。
通过在图像传感器的外围安装多个发光器件并通过导光组件将这多个发光器件的光引导至图像采集区域进行照明，可以实现图像采集系统靠近照明系统设置的小型化图像采集设备。而且，通过将导光组件的突出部挤压到用于切断图像采集范围之外的光的遮光罩的下端并朝向滤光器挤压遮光罩的上端，可以以更小的粘合点来装配小型化图像采集设备。因此，可以提高装配图像采集设备的加工能力，从而降低产品的缺陷率并提高生产效率。
本申请基于2006年3月3日提交的在先日本专利申请No.2006-58162并要求其优先权，在此通过引用并入其全部内容。
权利要求
1.一种通过照射对象并从该对象接收反射光来采集该对象的图像的图像采集装置，该图像采集装置包括用于接收所述反射光的图像传感器；安装在所述图像传感器的外围位置上的多个发光器件；导光组件，用于将所述多个发光器件的光引导至图像采集范围，并且对所述图像采集范围进行照明；容纳在所述导光组件内的光学单元，用于将被照明的图像采集范围内的对象的反射光引导至所述图像传感器；滤光器，设置在所述光学单元和所述导光组件的对象侧，并安装在壳体中；以及遮光罩，用于对所述光学单元的图像采集范围之外的光进行遮断，其中所述导光组件还包括供所述遮光罩的下端挤压的突出部，并且所述滤光器挤压所述遮光罩的上端。
2.根据权利要求1所述的图像采集装置，该图像采集装置还包括电路板，其上安装有所述图像传感器、多个发光器件和测距发光器件；设置在所述电路板上的光圈，其用于将所述测距发光器件的光线会聚为点光，并将该点光照射在所述对象上；以及为所述光圈的一部分设置的支撑块，其用于支撑所述导光组件的下端的一部分。
3.根据权利要求1所述的图像采集装置，其中，所述多个发光器件沿着所述图像传感器的外围的圆周以预定的间隔安装在电路板上，并且所述导光组件为对应于该圆周的环状。
4.根据权利要求2所述的图像采集装置，其中，具有所述支撑块的所述测距发光器件由安装在所述电路板上的不同位置处的多个发光器件构成。
5.根据权利要求1所述的图像采集装置，其中，所述遮光罩包括用于容纳所述光学单元的底部；连接到所述底部的外壁，其用于遮断所述图像采集范围之外的光；以及连接到所述外壁的压力块，其用于挤压所述导光组件的所述突出部。
6.根据权利要求2所述的图像采集装置，其中，所述图像采集装置还包括用于支撑所述电路板的两端的支架装配件。
7.根据权利要求1所述的图像采集装置，其中，所述图像采集装置还包括控制电路，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图像来检测所述测距发光器件的点光位置，并获得到所述对象的距离。
8.根据权利要求2所述的图像采集装置，其中，所述光圈包括用于遮挡所述测距发光器件的光线，并会聚所述光线以引导至聚焦镜头的组件。
9.根据权利要求8所述的图像采集装置，其中，所述光圈包括用于遮挡所述测距发光器件的光线的支架；用于输出所述点光的聚焦透镜；以及用于将所述测距发光器件的光线会聚到所述聚焦透镜的方向的聚光器。
10.根据权利要求9所述的图像采集装置，其中，所述聚光器由用于形成到所述聚焦透镜方向的倒梯形光路的材料构成。
11.根据权利要求2所述的图像采集装置，其中，所述图像采集装置还包括扩散偏振片，设置在所述导光组件与所述多个发光器件之间，用于使所述多个发光器件的光产生扩散和偏振；以及安装到所述电路板上的安装台，其用于安装所述扩散偏振片。
12.根据权利要求11所述的图像采集装置，其中，所述安装台与所述光圈集成在一起。
13.根据权利要求11所述的图像采集装置，其中，所述图像采集装置还包括支架装配件，该支架装配件用于支撑所述电路板的两端并夹住所述扩散偏振片的所述安装台。
14.根据权利要求2所述的图像采集装置，其中，所述测距发光器件安装在所述电路板上、所述发光器件的外侧位置。
15.根据权利要求1所述的图像采集装置，其中，所述多个发光器件由发出红外光的发光器件构成，并且滤光器包括用于滤除可见光的滤光器。
16.根据权利要求1所述的图像采集装置，其中，所述导光组件包括用于引入所述发光器件的光的下端部；用于将所述光输出到所述图像采集范围的上端部；以及用于将所述发光器件的光从所述下端部引导至所述上端部的导光部。
17.根据权利要求14所述的图像采集装置，其中，所述测距发光器件由四个发光器件构成，并安装在所述电路板上、所述发光器件的外测位置以形成对角关系。
18.根据权利要求17所述的图像采集装置，其中，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。
19.根据权利要求6所述的图像采集装置，其中，所述图像采集装置还包括连接到所述电路板并用于连接至外部的控制板；以及为所述支架装配件设置的用于支撑所述控制板的槽。
20.根据权利要求1所述的图像采集装置，其中，所述图像传感器对活体的一部分进行成像。
全文摘要
本发明涉及一种图像采集装置，目的是实现小型化结构和简化的装配，该图像采集装置用于照射对象并利用其发射光来采集该对象的图像。多个发光器件安装在图像传感器的周围，导光组件将所述发光器件的光引导至图像采集范围以进行照射。该图像采集装置具有相邻设置的图像采集系统和照明系统，通过将导光组件的突出部挤压到用于遮断图像采集范围之外的光的遮光罩的下端并朝向滤光器挤压遮光罩的上端，来装配该小型化图像采集装置。因此，能够以更少的粘合点来进行装配并且提高了装配该图像采集装置的加工能力，从而降低了产品的缺陷率并提高了生产效率。
文档编号H04N5/225GK101030015SQ20071007876
公开日2007年9月5日 申请日期2007年2月26日 优先权日2006年3月3日
发明者田中博之, 芳须芳男, 吉田孝, 松尾浩一, 岩口功 申请人:富士通株式会社, 富士通先端科技株式会社