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技術 指紋入力装置

出願人 ペンタックス株式会社
発明者 関谷尊臣
出願日 1994年6月21日 (26年7ヶ月経過) 出願番号 1994-138877
公開日 1995年4月11日 (25年10ヶ月経過) 公開番号 1995-098753
状態 未査定
技術分野 イメージ入力
主要キーワード 全反射方式 配置範囲 最大値θ 受像素子 明ブロック 角度範囲θ 全反射成分 指ガイド
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(1995年4月11日)のものです。
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図面 (20)

目的

コントラストが高く歪みが小さいい指紋画像が得られ、かつ、照明装置受像装置の配置の自由度が高い指紋入力装置を提供することを目的とする。

構成

空気との境界面を検出面3として備えるプリズム2と、照明光を、プリズム2の内側から検出面3の法線に対して臨界角βより小さい角度で検出面に入射させる照明装置としての光源6及び投光レンズ群7と、検出面3の各点において、検出面の法線に対して臨界角βより大きい角度でプリズム2内に戻った光のみを受光する位置に設けられ、検出面3に密着された指先模様を画像として読み取る受像装置としての結像レンズ群8及び受像素子9とを有する。

概要

背景

従来、指紋光学的な手段により画像として取り込む装置は、例えば特開昭55−13446号公報、特開昭58−144280号公報に開示されている。

特開昭55−13466号公報に開示される装置は、全反射光を直接利用する全反射方式であり、図20に示すように、指先1をプリズム2の検出面3に密着させ、光源6から発して投光レンズ群7により平行化された光束をプリズム2の一方の端面4から全反射条件を満たすように臨界角より大きな角度で検出面3に達するよう入射させ、検出面3での全反射成分と非全反射成分とを含む反射光を他方の端面5から射出させ、結像レンズ群8を介して受像素子9により受像する。

指紋は、検出面3に密着する凸状の隆線部と、検出面3に密着しない凹状の谷線部とから構成される。端面4から入射した光束は隆線部では屈折率の関係で全反射条件が崩れて光が散乱し、谷線部では全反射する。したがって、谷線部からの反射光と比較して隆線部からの反射光の光量が少なくなるため、得られる指紋画像には白色の背景グレーで隆線部が表れる。

一方、特開昭58−144280号公報に開示される装置は、散乱光を利用した光路分離方式であり、図21に示すように、プリズム2の一方の端面5側に光源6と投光レンズ群7から成る照明装置と、結像レンズ群8と受像素子9とから成る受像装置とが共に設けられている。プリズム2内に一方の端面5から入射した光束は、隆線部では検出面3において散乱してその一部は端面5側に戻り、谷線部では全反射して他方の端面4からプリズム2の外に射出する。したがって、得られる指紋画像には、黒色の背景に隆線部が白く浮き出て表れる。

光路分離方式の装置では、隆線部以外からの光束が受像素子9に達してノイズとなるのを避けるため、照明装置と受像装置とは図中τで示される範囲に配置される。

概要

コントラストが高く歪みが小さいい指紋画像が得られ、かつ、照明装置や受像装置の配置の自由度が高い指紋入力装置を提供することを目的とする。

空気との境界面を検出面3として備えるプリズム2と、照明光を、プリズム2の内側から検出面3の法線に対して臨界角βより小さい角度で検出面に入射させる照明装置としての光源6及び投光レンズ群7と、検出面3の各点において、検出面の法線に対して臨界角βより大きい角度でプリズム2内に戻った光のみを受光する位置に設けられ、検出面3に密着された指先の模様を画像として読み取る受像装置としての結像レンズ群8及び受像素子9とを有する。

目的

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
6件

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請求項1

屈折率が相対的に低い媒体との境界面を検出面として備える透明体ブロックと、照明光を、前記透明体ブロックの内側から前記検出面の法線に対して臨界角より小さい角度で前記検出面に入射させる照明装置と、前記検出面の各点において、該検出面の法線に対して臨界角より大きい角度で前記透明ブロック内に戻った光のみを受光する位置に設けられ、前記検出面に屈折率の低い媒体側から密着された指先模様を画像として読み取る受像装置とを有することを特徴とする指紋入力装置

請求項2

前記受像装置は、前記検出面に密着した指紋隆線部からの散乱光を利用して指紋画像を得ることを特徴とする請求項1に記載の指紋入力装置。

請求項3

前記透明体ブロックは、プリズムであることを特徴とする請求項1に記載の指紋入力装置。

技術分野

0001

この発明は、例えばセキュリティーシステムの一部を構成する個人識別装置等に利用され、指紋生体識別情報として用いるために画像として取り込むための指紋入力装置に関する。

背景技術

0002

従来、指紋を光学的な手段により画像として取り込む装置は、例えば特開昭55−13446号公報、特開昭58−144280号公報に開示されている。

0003

特開昭55−13466号公報に開示される装置は、全反射光を直接利用する全反射方式であり、図20に示すように、指先1をプリズム2の検出面3に密着させ、光源6から発して投光レンズ群7により平行化された光束をプリズム2の一方の端面4から全反射条件を満たすように臨界角より大きな角度で検出面3に達するよう入射させ、検出面3での全反射成分と非全反射成分とを含む反射光を他方の端面5から射出させ、結像レンズ群8を介して受像素子9により受像する。

0004

指紋は、検出面3に密着する凸状の隆線部と、検出面3に密着しない凹状の谷線部とから構成される。端面4から入射した光束は隆線部では屈折率の関係で全反射条件が崩れて光が散乱し、谷線部では全反射する。したがって、谷線部からの反射光と比較して隆線部からの反射光の光量が少なくなるため、得られる指紋画像には白色の背景グレーで隆線部が表れる。

0005

一方、特開昭58−144280号公報に開示される装置は、散乱光を利用した光路分離方式であり、図21に示すように、プリズム2の一方の端面5側に光源6と投光レンズ群7から成る照明装置と、結像レンズ群8と受像素子9とから成る受像装置とが共に設けられている。プリズム2内に一方の端面5から入射した光束は、隆線部では検出面3において散乱してその一部は端面5側に戻り、谷線部では全反射して他方の端面4からプリズム2の外に射出する。したがって、得られる指紋画像には、黒色の背景に隆線部が白く浮き出て表れる。

0006

光路分離方式の装置では、隆線部以外からの光束が受像素子9に達してノイズとなるのを避けるため、照明装置と受像装置とは図中τで示される範囲に配置される。

発明が解決しようとする課題

0007

しかしながら、上述した従来の全反射方式の指紋入力装置は、光路分離方式の装置よりも検出される指紋画像のコントラストが低く、ノイズの影響を受け易いという問題がある。

0008

一方、光路分離方式の装置は、プリズムの一方側に照明装置と受像装置とを設ける必要があるため、これらを干渉しないように配置するのが困難である。また、受像装置により検出される光は、検出面に向かう光とは反対側に散乱された光のみであるため、全反射方式と比較すると得られる光量が小さい。さらに、受像装置は、光源6から発してプリズム2の端面5で直接反射された光束が入射しない位置に配置される必要があるため、実際の配置範囲は上記の角度範囲τよりも狭い範囲となり、得られる画像の歪が全反射方式と比較すると大きくなる。

0009

この発明は、上述した従来技術の課題に鑑みてなされたものであり、コントラストが高く歪みが小さい指紋画像が得られ、かつ、照明装置や受像装置の配置の自由度が高い指紋入力装置を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0010

この発明にかかる指紋入力装置は、上記の目的を達成させるため、屈折率が相対的に低い媒体との境界面を検出面として備える透明体ブロックと、照明光を、透明体ブロックの内側から検出面の法線に対して臨界角より小さい角度で検出面に入射させる照明装置と、検出面の各点において、該検出面の法線に対して臨界角より大きい角度で透明ブロック内に戻った光のみを受光する位置に設けられ、検出面に屈折率の低い媒体側から密着された指先の模様を画像として読み取る受像装置とを有することを特徴とする。なお、この明細書でいう透明体とは、可視光を透過させる物質に限られず、照明光の波長の光を透過させる物質全般を意味する。したがって、赤外光紫外光を照明光とする場合には、これらの光を透過させる物質をも含めて透明体を定義する。

0011

以下、この指紋入力装置の実施例を説明する。まず、実施例にかかる指紋入力装置の代表的な例を図1に示す。

0012

この装置は、図1に示すように、指先1を透明体ブロックであるプリズム2の検出面3に当てつけ、光源6、投影レンズ群7を介してプリズムの一方の端面4から照明光を入射させる。このとき、検出面3に対する入射角度が臨界角より小さくなるよう設定している。結像レンズ群8と受像装置とは、検出面3での正反射成分、及び指紋の谷線部からの反射成分が入射しない角度範囲θ(後述する)内に設けられており、指紋の隆線部からの散乱光のみを受光するよう構成されている。

0013

次に、この発明の原理図2から図12に基づいて説明する。図2において、点p,qは指紋入力装置を構成する透明体ブロックの検出面3上の2点である。透明体ブロックは、アクリル等の透明樹脂ガラスで構成され、その屈折率をnとする。検出面3より図中上側は、透明体ブロックより屈折率が低い媒質であり、ここでは空気とし、その屈折率n0=1とする。

0014

検出面3上の任意の点tにおける臨界角βは、検出面3の法線に対する角度として、以下の式(1)で求められる。

0015

β=sin-1(1/n) …(1)

0016

透明体ブロックの内部から検出面3に向かう照明光線のうち、臨界角βより大きな角度を持つ光線Sは、点tにおいて全反射し、反射光Tとなって透明体ブロック内を進む。臨界角βより小さい角度を持つ光線S´は、検出面3を透過する光線T´outと、検出面で反射される光線T´inとに分離される。

0017

すなわち、検出面上の点tで全反射される光線は、図3の領域(1)と(4)とのみを通り、全反射しない光線は領域(2)(3)(5)のいずれかを通ることとなる。

0018

透明体ブロックを断面三角形のプリズム2として考えた場合には、図4に示されるように点tに対して臨界角βより大きい角度で入射した照明光S、S″は、全反射光線T、T″となり、プリズム射出時に屈折してU、U″のように進む。一方、臨界角βより小さい角度で入射した光線Sは、反射光T´inと透過光T´outとに分離され、反射光はU´としてプリズム2から射出する。

0019

点tへの入射光線Sの法線に対する角度をγとし、プリズムから射出する光線Uが検出面3となす角度を下向きにθとし、点p側の頂角をαとすると、θは以下の式(2)で表される。

0020

θ=(π/2)−α+sin-1{nsin(α−γ)} …(2)

0021

上記の式(2)において、γ=βとしたときに得られるθをθaとすると、検出面3で全反射してプリズムを射出した光線の角度はθaより小さく、全反射せずに射出した光線の角度はθaよりも大きくなる。

0022

図5は、図4の配置を立体的モデルとして表したものである。照明光を全反射させないためには、網点で示した頂角2βの円錐の内部から照明光が進めばよいこととなる。

0023

図6は、点tが限りなくプリズムの頂点pに近付いた場合を示している。全反射した光束は図中の斜線領域を進み、全反射しない光束は図中の網点領域を進む。入射光線の角度γの値によりθは正負の値をとり、図6ではγ=βとなる場合の正の最大値θaと、γ=π/2となる場合の負の最大値θbとを表している。γ=0となる照明光線は、全反射しない光線として網点領域を進む。ここでは、検出面3の全域を利用する場合を想定している。

0024

以上の説明から明らかなように、照明光の進む方向は検出面3の法線に対する照明光線の角度γに依存し、この角度γが臨界角βより大きいか小さいかによって全反射するか否かが決定される。

0025

この発明の指紋入力装置では、照明光のうち、検出面3で全反射された光束を全く利用しない。全反射光を利用しないためには、照明光を検出面3の法線に対して臨界角βより小さい角度で入射させればよいこととなり、透明体ブロックの形状は必ずしも図4図6に示すようなプリズムに限定されない。

0026

図7は、検出面3に対して透明体ブロック2の外部から入射する光の進み方を示している。点t´に立てた法線からの角度ηで外部から入射する光線Pは、検出面3で反射される反射光線Qoutと、検出面で屈折して角度δで透明体ブロック2内に進む屈折光線Qinとに分かれる。入射角度ηが0からπ/2まで変化すると、屈折角度δは0からβまで変化する。したがって、屈折光線Qinは、図中網点で示した領域のみを進み、斜線で示した領域には進まないことが理解できる。

0027

透明体ブロック2が検出面3と射出側の端面5との角度がαのプリズムである場合には、検出面3に指先を接触させると、隆線部及び谷線部からの光は図8に示したように進む。谷線部の任意の点sからの光線Pは、入射角度ηで検出面3上の点t´からプリズム内に入射し、屈折角δでプリズム内を進む。この屈折光線Qは、プリズムの端面5の点uから射出して光線Rとして進む。この光線Rと検出面3とのなす角度θ´は、以下の式(3)で表される。

0028

θ´=(π/2)−α+sin-1{nsin(α−δ)} …(3)

0029

屈折角δのとり得る範囲は、0≦δ≦βであるため、δ=βの場合のθ´の最小値をθ´aとすると、式(2)と式(3)とは同形であることからθaとθ´aとは一致する。指表面に達した照明光は、その一部が指の表面で反射されると共に、残部は指内部に侵入して拡散、反射され、隆起部、または谷線部から射出される。谷線部で反射された光線、あるいは谷線部から射出される指内部からの反射光、そして指の周囲、背景からの光線は、図8中の斜線領域には到達しない。

0030

一方、検出面3に密着した隆線部の任意の点vで散乱、反射されたプリズム内部から進む照明光、および隆線部から射出される指内部からの反射光は、プリズム内のあらゆる方向に進むため、図8中の斜線領域にも網点領域にも進むこととなる。

0031

したがって、受像装置を図8の斜線領域に配置すれば、谷線部分からの光束や外部から入射した光束が受像装置に入射せず、隆線部から受像装置に達する光の強度が比較的大きくなり、コントラストの高い指紋の像を得ることができる。

0032

なお、図8の網点領域は、点t´が限りなく頂点pに近付いた場合、すなわち、面pqの全面を検出面として用いる場合を想定しているため、頂点pの近傍を検出面として用いない場合には、網点領域はより狭くなり、受像装置を配置できる範囲は広くなる。

0033

図9は、プリズムの光入射側の端面4から入射する光線の進み方を示す。端面4上の点wに対してプリズム外部から斜線領域を通って入射する光線は、プリズム内でも斜線領域を進み、網点領域を通って入射する光線は、プリズム内でも網点領域を進む。これらの領域は、点wに立てた法線からそれぞれ角度φの範囲となる。この角度φは、次の式(4)で示される臨界角である。

0034

φ=sin-1(1/n) …(4)

0035

プリズムの屈折率nは共通であるため、臨界角βとφとは等しい角度となる。図10において、法線の図中上側となる斜線領域からプリズムの入射端面4の点wに入射した光線は、検出面3上の点tに対して臨界角βより大きな角度で入射するため、検出面3で全反射される。

0036

一方、法線の図中下側から入射する光線のうち、網点領域からプリズムに入射した光線は、検出面に対して臨界角βより小さな角度で入射するために全反射せず、横線領域から入射した光線は検出面3に対する入射角度が臨界角βより大きくなるため、全反射する。

0037

網点領域と横線領域との境界線の法線に対する角度θcは、検出面3と光入射端面4とのなす角度をσとすると、以下の式(5)により求められる。

0038

θc=sin-1[(1/n)sin{σ+β−(π/2)}] …(5)

0039

したがって、全反射させない条件でプリズムに照明光を入射させる場合には、法線よりも図中下側から、かつ、角度θcよりも大きな角度でプリズムに対して光束を入射させる必要がある。

0040

上記の条件にしたがって照明光を入射させると共に、受像装置を配置すれば、指紋の谷線部に該当する位置では、照明光は検出面を透過して谷線部に達するか、検出面において臨界角βより小さい角度で反射されるが、これらの光束は、いずれも受像装置には達しない。

0041

一方、隆線部に該当する位置では、照明光は散乱反射され、その一部が受像装置に達する。ただし、受像装置を従来の光路分離方式のような後方散乱光を受光する位置ではなく、検出面での反射光の方向に配置することができるため、比較的強い散乱光を受光することができ、ノイズに強いコントラストの高い像を得ることができる。

0042

なお、上記の説明では、照明光線及び受像装置へ向かう光線を幅のない1本の主光線として捉えているが、実際にはレンズ等の集光素子を用いるため、主光線のみでなく、上光線、下光線をも考慮する必要がある。

0043

例えば、図11に示すように光源6から発して投光レンズ群7を透過した照明光の主光線をA、上光線をB、下光線をCとし、検出面3に対する入射角度をそれぞれa,b,cとすると、臨界角βとの関係は、a>β、b<β、c>βとなり、上光線Bは全反射しないが、主光線Aと下光線Cとは全反射することとなる。

0044

同様に、図12に示すように受像素子9に向かう主光線をD、上光線をE、下光線をFとし、それぞれの光線が検出面の法線となす角度をd,e,fとすると、臨界角βとの関係は、d>β、e<β、f>βとなる。光線Eは谷線部からの光線であり、光線Eが受像装置に入射するとノイズとなる。

0045

すなわち、上記の配置では、特定の光線については条件を満たしていても、光束として考えたときには隆線部からの散乱光のみを受光するという条件を完全には満たしていないこととなる。そこで、配置関係を特定する際には、主光線のみでなく光束の上光線と下光線とが共に条件を満たすよう考慮する必要がある。

0046

次に、図13から図20に基づいて図1に示した実施例とは異なる実施例における装置の具体的な配置関係を説明する。それぞれの実施例は、いずれも上述した本願発明の条件を満たし、光源は、照明光が検出面における臨界角より小さい角度で入射するよう配置され、受像装置は、隆線部からの散乱光のみを受光する位置に配置されている。

0047

また、照明装置は、蛍光灯白熱電球発光ダイオードエレクトロニックルミネッセンスレーザー等の光源6と、投光レンズ群7とから構成され、受像装置は、結像レンズ群8と写真フィルムCCDセンサー等から成る受像素子9とから構成されている。

0048

図13に示す実施例2では、先に示した図1の例と同様に、プリズム2の斜面を検出面3とし、一方の端面5から照明光を入射させると共に、この端面5から射出する散乱光を検出するよう構成されている。この例では、照明光を入射させる面と散乱光を射出させる面とが同一であるため、光源6からの照明光が端面5で反射して受像素子9に達するのを避ける必要がある。

0049

また、図13に示す実施例2では、図21に示す従来の光路分離方式で用いられる後方散乱光よりも受像装置に達する光の強度が強くなっているため、ノイズに強いコントラストの高い像を得ることができる。

0050

なお、上記の条件を満たす限りにおいては、光束を図15に示すように端面4,5ではなく、検出面3と垂直な側面20から入射させる構成としてもよい。

0051

また、図15に示す実施例3では、図1図13で生じる検出面3の照明ムラを減少させるため、光源6と投光レンズ群7とをそれぞれ2つ設けている。

0052

図16に示す実施例4では、断面が直角二等辺三角形のプリズム2を用い、直角をなす一方の面4から入射させた照明光を斜面5で一旦反射させ、検出面3に対して垂直に入射させる。検出面3に当てつけられた指先1の隆線部からの散乱光を斜面5から射出させて結像レンズ群8を介して受像素子9へ導いている。

0053

図17に示す実施例5では、図16の構成に加えて検出面3にその周辺部を遮光する遮光部材10を設け、検出に利用する領域を中央部分に限定している。このような遮光部材10を設けることにより、受像装置を配置する範囲を規定する角度θの基点を端面5の中間部分に設定できるため、図16の例よりも受像装置をプリズム2に近接させて配置することができる。この遮光部材10は、指先1を置く向きを規定する指ガイドとして利用することもできる。

0054

なお、図16の配置では、隆線部からの散乱光は、照明光が入射する端面4側にも進むため、図18に示す実施例6のように端面4で内面反射されて斜面5から射出する散乱光を受光するよう結像レンズ群8と受像素子9とを配置してもよい。

0055

図19に示す実施例7は、断面が台形のプリズムを用いた例を示す。底面4から入射した照明光は、検出面に3に対して垂直に入射し、隆線部からの散乱光が端面5から射出して受像素子9に達する。透明体ブロックとしてのプリズム2の形状は、三角プリズムに限られず、条件を満たせば、台形や角錐角錐台等の形状とすることもできる。

発明の効果

0056

以上説明したように、この発明によれば、照明装置、受像装置の配置を検出面における臨界角との関係で規定することにより、検出面からの全反射光を使用せずに指紋の隆線部からの散乱光のみを受光することができ、高いコントラストで歪みの小さい指紋の像を検出することが可能であると共に、各装置の配置の自由度が高くなる。

図面の簡単な説明

0057

図1この発明の実施例にかかる指紋入力装置の光学系を示す説明図である。
図2検出面での光の反射の様子を示す説明図である。
図3検出面の臨界角と反射の条件を示す説明図である。
図4プリズム内から検出面に達する光の進み方を示す説明図である。
図5臨界角を立体的に示す説明図である。
図6図4において光が入射する点tが端点pに位置する場合の説明図である。
図7プリズム外から検出面に達する光の進み方を示す説明図である。
図8検出面に接する指先の隆線部と谷線部における光線の進み方を示す説明図である。
図9プリズム外から入射する照明光の進む範囲を示す説明図である。
図10プリズム外から入射する照明光と検出面の臨界角との関係を示す説明図である。
図11照明光の主光線、上光線、下光線を示す説明図である。
図12受像装置へ向かう散乱光の主光線、上光線、下光線を示す説明図である。
図13この発明にかかる指紋入力装置の実施例2を示す説明図である。
図14この発明にかかる指紋入力装置の実施例1,2の変形例を示す説明図である。
図15この発明にかかる指紋入力装置の実施例3を示す説明図である。
図16この発明にかかる指紋入力装置の実施例4を示す説明図である。
図17この発明にかかる指紋入力装置の実施例5を示す説明図である。
図18この発明にかかる指紋入力装置の実施例6を示す説明図である。
図19この発明にかかる指紋入力装置の実施例7を示す説明図である。
図20従来の全反射方式の指紋入力装置の光学系を示す説明図である。
図21従来の光路分離方式の指紋入力装置の光学系を示す説明図である。

--

0058

1…指先
2…プリズム
3…検出面
6…光源
9…受像素子

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