JP2007299085A - 画像読取装置および画像読取方法 - Google Patents

Abstract

【課題】指の指紋および血管像などの生体特徴を２次元のイメージセンサを使用して同時に精度良く入力することのできる小型で低廉な画像読取装置を提供する。
【解決手段】２次元イメージセンサ１の上面に載置された指７について、その表面から放射される放射光による画像を、へモグロビンの吸収スペクトルに対応した近赤外波長で発光波長帯域の狭い光源３ｂの照明の下で撮像し、かつ、ヘモグロビンの吸収スペクトルに対応した近赤外波長以外の発光波長帯域の狭い光源３ａに切り替えて、再び撮像する。そして、光源３ｂの下で撮像された画像と光源３ｂの下で撮像された画像との差分をとることにより指紋画像を除去し、血管像だけの画像を得る。
【選択図】図１

Description

本発明は画像読取装置に関し、特に個人を認証するための指の指紋やその他の皮膚紋様や血管のパターンといった生体特徴の画像を読み取る装置に関する。

従来この種の指を用いて個人を認証する為の画像読取装置は、指先の皮膚の紋様である指紋を読取る装置が代表的であり、光、電界、圧力、静電容量、温度といった物理量の絶対値や変化量を利用した各種の読取り装置が開発されている。

ファイバーオプティックプレート（例えば特許文献２参照）やプリズム（例えば特許文献３参照）による全反射臨界角を利用した方式は、指紋入力装置として広く利用されている。図２２を参照して、例えば従来のプリズムの全反射臨界角を利用した一例を説明する。プリズム１０５に対して空気中でプリズム面１０８からの光がプリズム面１０９で全反射する方向にレンズ１０６と２次元イメージセンサ１０７が配置されている。指の皮膚１０４は皮膚の紋様を拡大して書かれている。皮膚がプリズムと接触していない部分からの光１０１は、屈折率１．０の空気から屈折率１．４以上のプリズム面１０８に大きく屈折して入射し、プリズム面１０９で全反射するか、あるいはプリズム面１０９に到達せず２次元イメージセンサ１０７に到達しないが、皮膚が接触している部分の光１０２は、皮膚ないし皮膚表面の油脂あるいは水分の屈折率がプリズムガラスに近い為プリズム面１０８での屈折角が小さくなり、プリズム面１０９で全反射角に達することがなくなり、レンズ１０６で結像して２次元イメージセンサ１０７に到達する。このようにして指の指紋等の皮膚の紋様の凹凸がプリズムに接触する、しないことによって得られる陰影を検出する。

同様に２次元イメージセンサを使用するが、小型化を実現するためにプリズムやレンズ等の光学系を無くし、指を２次元イメージセンサに接触させて指紋画像を読み取る技術が提案されている（例えば特許文献８）。この技術を図２３を参照して説明する。図２３に示される画像読取装置は、Ｗゲート型トランジスタなどのフォトセンサ２００１をガラス基板２００２上にマトリクス状に複数配列し、全面に光透過性を有する保護絶縁膜２００３を被覆して形成された２次元イメージセンサ２００４と、２次元イメージセンサ２００４の表面に所定のパターンで形成された透明導電膜２００５と、２次元イメージセンサ２００４の背面側に配置され、２次元イメージセンサ２００４の上面に接触した指に均一な光を照射する面光源２００７とを有する。ここで、透明導電膜２００５は、一対の導電パターン２００５ａ、２００５ｂで構成され、少なくとも一方が接地される。また、双方の導電パターン２００５ａ、２００５ｂは何れも、フォトセンサ２００１の直上の領域を避けて、フォトセンサ２００１相互の間隙領域上にのみ形成される。このように構成された２次元画像読取装置は次のように動作する。

指を一対の導電パターン２００５ａ、２００５ｂの双方に同時に接触するように載置すると、指に帯電していた静電気が何れか一方の導電パターン２００５ａ、２００５ｂを介して接地電位に放電された後、指紋の読取動作が開始される。すなわち、面光源２００７から２次元イメージセンサ２００４を貫通して指に入射した光は、指の皮膚表層を散乱、反射しながら伝搬し、保護絶縁膜２００３と指の皮膚表層との間の界面に屈折率の低い空気層が無い指紋の凸部（隆線部）に対向するフォトセンサ２００１に励起光として入射し、他方、保護絶縁膜２００３と指の皮膚表層との間の界面に空気層が介在する指紋の凹部（谷部）に対向するフォトセンサ２００１への入射は抑制される。この結果、指紋の凸部が明部領域、凹部が暗部領域となる紋様画像が得られる。このように図２３の画像読取装置は、指を２次元イメージセンサ２００４の上面に接触させて読み取りを行うため、両者の接触を妨げないように透明導電膜２００５は薄膜とされる。

同様に皮膚を接触させることによって指紋画像を得るが、より一層の小型化を実現するために圧力又は温度又は静電容量型の準１次元センサを使用し、準１次元センサに接触した指を動かして得られる指の指紋の部分画像をつなぎ合わせて指紋画像を再構成する技術が提案されている（例えば特許文献１および７参照）。特に、静電容量や温度を利用した方式は既に実用化販売されており、これらの方式は、装置の小型化と低価格化に寄与している。

こういった状況の中で非接触の指紋検出装置が提案されている（例えば特許文献６参照）。これは、指に入射して指内部で散乱し、再び指から放射される放射光が皮膚の内部構造を反映し、指紋の凹部が明部領域、凸部が暗部領域となる、指紋と同じ形の濃淡画像が得られる現象を利用したものである。この非接触方式によれば、上記の接触を前提とした方式では皮が剥けた部分の接触が困難で読取りが難しかった皮膚炎等で皮の剥けた指でも、皮膚紋様の由来となる皮膚内部構造の部分が保存されていればその映像が得られる。また非接触なので、湿潤や乾燥といった皮膚表面の状態変化の影響も受けにくい。

また、指からの散乱放射光をガラスなどでできた透明保護カバーを介して指に近接させた２次元イメージセンサによって撮像して、指紋の凹部が暗部領域、凸部が明部領域となる指紋画像を取得する指紋入力装置が本発明者によって提案されている（例えば特許文献４参照）。これは、圧力、温度、静電容量、全反射臨界角を利用したセンサに比較して指の湿潤や乾燥や外乱光等の外部環境の影響を受けにくい。また、本発明者によって提案された特許文献５に記述されているように、透明保護カバーの屈折率を最適に選ぶことによってコントラストの高い画像を得ることができる。

他方、指に存在する生体特徴の入力装置として指紋以外に指の第一関節より下の指の付け根側の血管のパターンを認証する技術が近年実用化されつつある。これは、血液による近赤外線の吸収を利用して静脈等の太い血管パターンを読取るもので、１９８０年代に盛んに研究された光ＣＴ（コンピュータ トモグラフィー）、いわゆる人体に害の少ない光によって人体のコンピューター断層撮影を行おうとする技術の応用である。血管パターンは、指紋がなんらかの問題で無い、或いは皮膚炎等で皮膚の皮が剥け、接触を前提とした生体特徴入力装置では指紋が劣化し画像化しにくい場合に有効な生体認証手段である。

指の指紋と同時に指の血管像を得る従来技術の一例が特許文献６の００１６段落に記載されている。この技術では、指に近赤外線を照射し、指内を通過して反対側の指の腹から射出する光による画像には、指紋による紋様に加えて血管像が含まれていることを利用する。まず、指紋による紋様の線幅が血管像の線幅より細いため、原画像に対して平滑化処理を施し、指紋の紋様画像を除去し血管像を残した血管画像を生成する。次いで、原画像と血管画像との差分をとることにより、血管像を除去し指紋の紋様だけを残した指紋画像を生成する。

特開平１０−９１７６９号公報 特許第３０４５６２９号公報 米国特許第６３８１３４７ 特許第３１５０１２６号 特開２００３−００６６２７号公報 特開２００３−８５５３８号公報 特開２００１−１５５１３７号公報 特開２００１−９２９５１号公報

近年、情報化の発達に伴い個人情報の漏洩やネットワーク上の取引行為における他人のなりすましが問題化してきている。これを防ぐために、パスワードや認証カードなど盗み見や盗難などで他人のなりすましを容易に許してしまう方式ではなく、個人固有の生体特徴を入力して個人を認証する装置が開発されてきている。また、携帯電話に代表されるように情報を扱う装置の小型化と低価格化が進み、生体特徴を入力する装置も小型化と低価格化が要求されている。更に、生体による個人認証が重要なクレジットカード等の決済行為にまで利用される応用事例も考えると、本人を確実に、しかもどのような状況下でも認証できるために生体特徴入力装置の高精度化の必要性も高まっている。

そういった中で指紋は古くから一人として同じものがない万人不同、一生変わることがない終生不変の特性が、特に警察や司法の分野で研究、確認されており高精度な個人認証が可能であるが、従来の指紋入力装置は、指の湿潤や乾燥、皮膚炎等による皮の剥けといった悪条件下で良好な指紋画像を得にくく、万人不同ではあるが万人に使用可能とは言い難かった。

ファイバーオプティックプレート（例えば特許文献２）やプリズム（例えば特許文献３）による全反射臨界角を利用した指紋の入力方式は広く個人認証に利用されているが、背景技術で説明したように指紋の陰影が皮膚の凹凸とプリズムとの接触によって得られるため、皮の剥けた部分の画像は欠損する。また高価で大きな光学部品を使用しており、装置の小型化と低価格化の妨げになっていた。特許文献８に記載される画像読取装置は、光学部品を廃し小型化と低価格化に寄与しているが、指紋の陰影が皮膚の凹凸と２次元イメージセンサ面との接触によって得られるため、皮の剥けた部分の画像は欠損する。

圧力又は電界又は静電容量型の２次元センサはいくつか実用化例がある。光学部品を廃し小型化と低価格化に寄与しているが、いずれも接触を前提としており皮の剥けた部分の画像は欠損する。また光学方式に比較して指の湿潤や乾燥といった状況変化に対して弱いという問題点がある。

圧力又は温度又は電界又は静電容量型の準１次元センサを使用し、センサと接触した指をスライドさせて指の指紋の映像を再構成する技術（例えば特許文献１、特許文献７）は、更なる装置の小型化と低価格化に寄与するが、接触していない部分の画像が欠損するため、皮膚炎などで部分的に皮膚が剥けている場合、指紋認証、つまり生体特徴による認証がしづらいという問題があった。また、１次元方式のセンサを使用し読取り対象を動かして映像を再構成する方法は、ファクシミリや複写機において既知であるが、装置小型化の為に指を動かす方向の速度を得るための特別なメカニズムを割愛すると、指紋の画像再構成精度が低下するという問題があった。

前記の皮膚の剥けによる認証精度の低下を改善する技術として、非接触の指紋検出装置の提案がなされている（特許文献６）。これによれば、指に入射し指内部で散乱し指の皮膚表面から放射される放射光が皮膚の内部構造を反映する為、指紋と同じ形の濃淡が観察される。これは表皮の湿潤乾燥に左右されず、表皮角質層が皮膚炎等によって剥けて脱落している場合も指紋等の表皮紋様の元となる真皮の構造が保存されていれば、指紋画像が得られる。ただし、特許文献６に示される指紋検出装置の場合、指を固定するための固定枠が必要であり、また結像光学系も必要になるため、操作性と装置の小型化の妨げになっていた。また、指と結像系が大きく離れており、指の内部構造で皮膚表面から射出する光の量が変化しても皮膚表面で散乱し、結像系の距離による拡散による悪影響と推測される事象によって、実際に皮の剥けている部分では良好なコントラストの指紋画像が得られないという問題点があった。

これに対して本発明者によってなされた指紋認証装置（特許文献４）は、指内で散乱して皮膚表面から放射される放射光を指に近接させた２次元イメージセンサによって撮像して指紋画像を取得するものであり、装置の小型化と低価格化を実現している。また、指からの散乱放射光を読取る技術は、指内部に光が一旦入射していることから、指内部の構造を反映することは明らかである。従って本発明者による特許文献４による指紋入力装置は、光学結像系を廃しある程度の小型の指紋検出装置を実現すると共に、皮が剥けた非接触の部分においての現象として、特許文献６で指摘されている指の皮膚の内部構造を反映した画像が得られる。

一方で、指からの散乱放射光による指紋像は、皮膚とセンサ保護膜との界面状態に大きく依存することは本発明者の提案にかかる特許文献５によって明らかにされている。すなわち、特許文献５では、指紋とそれに近接して配置された２次元イメージセンサとの間に存在する透明カバーの屈折率を、透明カバーに接する指紋の凸部に対応する明部領域と接しない凹部に対応する暗部領域とのコントラストが大きくなるように選定することが述べられている。しかしながら、そのように選定した場合には、界面の反射と屈折の影響が強くなり皮膚構造を反映する成分が小さくなるため、皮膚が剥けている部分に本来現れる皮膚構造を反映した指紋像のコントラストが得にくくなるという問題点があった。この問題はダイナミックレンジを広くとれない場合に特に顕著である。非接触状態を保てば界面の影響はなくなるが、特許文献６で提案されているような指の固定枠や結像光学系を使用する構成では、前述したような問題点が生じることになる。

また、一方で指に存在する生体特徴の入力装置として指紋以外に第一関節より下の指の付け根側の血管のパターンを認証する技術は、指紋がなんらかの問題で無い、あるいは皮膚炎等で指紋が劣化し画像化しにくい場合に有効な生体認証手段として利用できる。特に、指紋の紋様と同時に読取ることができれば指紋情報との補完、あるいは生体であるかどうかの有力な情報源となり偽指の判断方法としても有効である。しかし、特許文献６による技術では指と結像光学系の間に空間が必要であり、また焦点を合わせる必要性から指の固定枠も必要で、操作性と装置の小型化の妨げになっていた。同時に、画像に対して平滑化処理を施すと、指紋紋様だけでなく細い血管像も失われる可能性があるため、精度の良い血管画像が得にくいという問題があった。

本発明はこのような事情に鑑みて提案されたものであり、その目的は、指の血管像などの血脈を２次元イメージセンサを使用して精度良く読み取ることのできる小型で低廉な画像読取装置を提供することにある。

本発明の別の目的は、指の血管像などの血脈と指の指紋などの紋様とを２次元イメージセンサを使用して同時に精度良く読み取ることのできる小型で低廉な画像読取装置を提供することにある。

本発明の第１の画像読取装置は、複数の受光素子がマトリクス状に配列された２次元イメージセンサと、該２次元イメージセンサの上面に載置された被検出体に光を照射する血管用光源と、前記被検出体の表面から放射される放射光による画像を光源を切り替えて前記２次元イメージセンサで複数回撮像し、前記血管用光源以外の光源の下で撮像された第１の画像と前記血管用光源の下で撮像された第２の画像との差分画像を生成する処理装置とを備えることを特徴とする。

本発明の第２の画像読取装置は、第１の画像読取装置において、前記血管用光源以外の光源として、紋様用光源を備えることを特徴とする。

本発明の第３の画像読取装置は、第２の画像読取装置において、前記紋様用光源は照射方向および波長の少なくとも一方が血管像が撮像され難いように設定され、前記血管用光源は照射方向および波長の少なくとも一方が血管像が撮像され易いように設定されていることを特徴とする。

本発明の第４の画像読取装置は、第２の画像読取装置において、前記血管用光源は、へモグロビンの吸収スペクトルに対応した近赤外波長で発光波長帯域の狭い光源であることを特徴とする。

本発明の第５の画像読取装置は、第４の画像読取装置において、前記紋様用光源は、ヘモグロビンの吸収スペクトルに対応した近赤外波長以外の発光波長帯域の狭い光源であることを特徴とする。

本発明の第６の画像読取装置は、第２の画像読取装置において、前記血管用光源および前記紋様用光源が前記２次元イメージセンサの背面側に配設されていることを特徴とする。

本発明の第７の画像読取装置は、第２の画像読取装置において、前記血管用光源および前記紋様用光源が前記２次元イメージセンサの側方側に配設されていることを特徴とする。

本発明の第８の画像読取装置は、第２の画像読取装置において、前記血管用光源および前記紋様用光源が前記２次元イメージセンサの上方側に配設されていることを特徴とする。

本発明の第９の画像読取装置は、第１または第２の画像読取装置において、前記２次元イメージセンサはその上面に屈折率が１．１より大きく１．４より小さいか、２．０より大きく５．０より小さい透明固体膜を有することを特徴とする。

本発明の第１０の画像読取装置は、第１または第２の画像読取装置において、前記被検出体を前記２次元イメージセンサの上面から一定の距離で非接触状態に保つ複数の突起を備えることを特徴とする。

本発明の第１１の画像読取装置は、第１０の画像読取装置において、前記突起を成す隔壁が多数のスリットを形成するように前記２次元イメージセンサの上面に複数形成されていることを特徴とする。

本発明の第１２の画像読取装置は、第１１の画像読取装置において、前記隔壁が遮光性を有することを特徴とする。

本発明の第１３の画像読取装置は、第１１の画像読取装置において、前記隔壁が光透過性を有することを特徴とする。

本発明の第１４の画像読取装置は、第１３の画像読取装置において、前記隔壁の屈折率が、１．１より大きく１．４より小さいか、２．０より大きく５．０より小さいことを特徴とする。

本発明の第１５の画像読取装置は、第１１、第１２または第１３の画像読取装置において、前記スリットに光透過性の詰め物が挿入されていることを特徴とする。

本発明の第１６の画像読取装置は、第１５の画像読取装置において、前記詰め物の屈折率が、１．１より大きく１．４より小さいか、２．０より大きく５．０より小さいことを特徴とする。

本発明の第１７の画像読取装置は、第１１乃至第１６の何れかの画像読取装置において、前記スリットが前記２次元イメージセンサの受光素子の直上に位置することを特徴とする。

本発明の第１８の画像読取装置は、第１１乃至第１６の何れかの画像読取装置において、前記隔壁の高さが１０μｍ以上、２００μｍ以下であることを特徴とする。

本発明の第１９の画像読取装置は、第１１の画像読取装置において、前記血管用光源および前記紋様用光源が前記２次元イメージセンサの背面側にその垂直走査方向と平行に複数配列されており、前記２次元イメージセンサの垂直走査に同期して読取対象行近傍の光源以外の所定の光源のみが点灯制御されることを特徴とする。

本発明の第２０の画像読取装置は、第１１乃至第１６の何れかの画像読取装置において、前記処理装置は、読取対象紋様および読取対象血管の存在しない基準被検出体の読取画像を補正画像として記憶し、前記２次元イメージセンサで読み取られた前記第１画像および前記第２画像から前記補正画像をそれぞれ減算することを特徴とする。

本発明の第２１の画像読取装置は、第１１乃至第１６の何れかの画像読取装置において、前記隔壁が前記２次元イメージセンサと一体に形成されていることを特徴とする。

本発明の第２２の画像読取装置は、第１１乃至第１６の何れかの画像読取装置において、前記隔壁が、前記２次元イメージセンサの上面に装着された格子板に形成されていることを特徴とする。

また、本発明の画像読取方法は、複数の受光素子がマトリクス状に配列された２次元イメージセンサの上面に載置された被検出体に血管用光源および紋様用光源のうちの一方の光源からの光を照射した状態で、前記被検出体の表面から放射される放射光による画像を前記２次元イメージセンサで撮像する第１の工程と、前記被検出体に前記血管用光源および紋様用光源のうちの他方の光源からの光を照射した状態で、前記被検出体の表面から放射される放射光による画像を前記２次元イメージセンサで撮像する第２の工程と、前記第１の工程および前記第２の工程で撮像された画像どうしの差分を抽出する第３の工程とを含むことを特徴とする。

『作用』
２次元イメージセンサの上面に載置された被検出体（例えば指や掌）について、その表面から放射される放射光による画像を、指紋などの紋様の撮像には適するが血管像の撮像には適しない波長の光（例えば４００〜７００ｎｍ）や照射位置（例えば２次元イメージセンサの下面あるいは横）に設定された紋様用の光源の下、あるいは自然光の下で撮像すると、被検出体の表面の紋様のみが含まれるか、血管像が含まれていてもほとんど目立たない第１の画像が得られる。他方、同じ被写体について、その表面から放射される放射光による画像を、血管像の撮像に適する波長の光（例えば８２０〜９８０ｎｍ）や照射位置（被検出体を間に挟んで２次元イメージセンサと対向する位置）に設定された血管像用の光源の下で撮像すると、被検出体の表面の紋様だけでなく血管像を明瞭に含む第２の画像が得られる。このため、第１の画像と第２の画像との差分をとると、紋様が除去され血管像だけの画像が得られる。

本発明によれば以下のような効果が奏される。

第１の効果は、指の血管像などの血脈を２次元イメージセンサを使用して精度良く読み取れることである。その理由は、紋様と血管像とが写っている第１の画像と紋様が写っている第２の画像との２種類の画像を撮像し、両画像の差分をとることで血管像を抽出するため、紋様と血管像とが写っている画像の平滑化処理によって紋様を除去し血管像だけを残す従来技術のような細い血管像の喪失を防止できるためである。

第２の効果は、血管像と同時に指の指紋などの紋様を２次元イメージセンサを使用して精度良く読み取れることである。その理由は、被検出体と２次元イメージセンサとが近接した距離にあるため、被検出体の表面から放射される紋様を良好なコントラストで撮像できるためである。

第３の効果は、装置を小型化かつ廉価にできることである。その理由は、レンズ等の結像光学系が不要なためである。

次に、本発明にかかる画像読取装置の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

『第１の実施の形態』
図１を参照すると、本実施の形態にかかる画像読取装置は、複数の受光素子（図示せず）が指紋隆線部および谷部のピッチより狭いピッチでマトリクス状に配列された２次元イメージセンサ１と、この２次元イメージセンサ１が取り付けられた電子機器の筐体２の開孔に装着された紋様用の光源３ａおよび血管用の光源３ｂと、２次元イメージセンサ１のアナログ出力信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部４と、光源３ａ、３ｂを駆動するＬＥＤドライバ５と、２次元イメージセンサ１の撮像タイミングの制御、光源３ａ、３ｂのオン、オフの制御およびＡ／Ｄ変換部４から出力されるデジタル信号に対する画像処理などを実行するマイクロプロセッサ部６とを備えている。

２次元イメージセンサ１としては、感度波長範囲が２００〜１０００ｎｍ程度のＣＣＤ２次元イメージセンサやＣＭＯＳ２次元イメージセンサを使用することができる。２次元イメージセンサ１は、特許文献４または特許文献５に記載されるように、撮像面上に透明固体膜１１が被覆されている。透明固体膜１１の好ましい屈折率については後述する。

血管用の光源３ｂは、被検出体である指７の血管像がより鮮明に読み取れるように、他の生体組織より近赤外線の吸収が強いヘモグロビンの吸収スペクトルに対応した近赤外波長で発光波長帯域の狭いＬＥＤなどの発光素子により実現される。一般にヘモグロビンは８００〜９００ｎｍ近辺で良好な吸収を示すので、例えば波長８２０〜９８０ｎｍ付近の近赤外光を発光する赤外リモコン用等に開発されたＬＥＤが、出力も大きく光源３ｂに適している。

紋様用の光源３ａは、光源３ｂとは逆に、血管像が読み取れず皮膚紋様だけが読み取れるような波長が望ましいため、２次元イメージセンサ１の感度波長範囲内のうち、ヘモグロビンの吸収スペクトルに対応した近赤外波長以外の発光波長帯域の狭いＬＥＤなどの発光素子により実現される。具体的には、例えば４００〜７００ｎｍ付近の波長の光を照射するＬＥＤ等で構成される。

本実施の形態の画像読取装置を使用して、指７の皮膚紋様と同時に血管像を読み取る場合、図１（ｂ）に示すように、２次元イメージセンサ１の上面にある透明固体膜１１に指７の先端から第２間接までの範囲の腹部を押し当てる。この状態で、マイクロプロセッサ部６の制御により、光源３ａ、３ｂを切り替えて、指７の皮膚表面から放射される放射光による画像を２次元イメージセンサ１で複数回撮像する。２次元イメージセンサ１により得られた画像にかかるアナログ信号は、Ａ／Ｄ変換部５によりデジタル信号に変換されてマイクロプロセッサ部６に入力される。マイクロプロセッサ部６は、Ａ／Ｄ変換部５のデジタル信号を入力して適切な画像処理を実行する。

ここで、指７内で散乱し、指７の皮膚表面から放射される光は、図２に示す指の内部構造にしたがって陰影を形成する。表皮１００４の指内部側の組織には真皮１００５があり、指紋の凸部である隆線１００２の下には乳頭腺組織１００３がある。乳頭腺組織を含む真皮１００５は、表皮１００４より水分と油分を多く含み屈折率に差が生じる。従って指紋隆線部に突出しているこの乳頭腺によって隆線部１００２は指紋の凹部である谷部１００１より放射される光が減少すると考えられる。このため、２次元イメージセンサ１に配列されている受光素子のうち、隆線部１００２に近接する受光素子と谷部１００１に近接する受光素子とで入射する放射光に差が生じ、紋様画像が得られる。このような紋様画像は、光源３ａおよび光源３ｂの何れの光源を使用しても得られるが、血管用の光源３ｂの下における画像には、さらに、ヘモグロビンを含む血液が流れている血管部分が他の組織より暗くなる血管像が含まれる。したがって、光源３ａによる画像と光源３ｂによる画像を求め、両者の画像の差を演算することにより血管像だけを抽出することができる。

図３にマイクロプロセッサ部６による読取シーケンスの一例を示す。まず、紋様用の光源３ａのみ点灯させた状態で２次元イメージセンサ１の画像を読み取り、図示しない第１メモリに書き込む（ステップＳ１０１、Ｓ１０２）。これにより、第１メモリには例えば図４の画像１７０１のような皮膚紋様を含む画像が記憶される。次に、血管用の光源３ｂのみ点灯させた状態で２次元イメージセンサ１の画像を読み取り、図示しない第２のメモリに書き込む（ステップＳ１０３、Ｓ１０４）。これにより、第２メモリには例えば図４の画像１７０２のような皮膚紋様と血管像とを含む画像が記憶される。最後に、第２メモリに記憶された画像から第１メモリに記憶された画像を減算する（ステップＳ１０５）。これにより、例えば図４の画像１７０３のような血管像のみを含む画像が生成される。なお、ステップＳ１０５における画像間の減算は、同じ位置の画素どうしについて、その画素値を引き算することで行う。このとき、引き算した結果が予め定められた閾値より小さい値であれば０に丸める処理を行っても良い。

次に２次元イメージセンサ１の透明固体膜１１の屈折率について考察する。

２次元イメージセンサ１の上面に透明固体膜１１が存在する場合と存在しない場の光の伝達経路の模式図を図５に示す。２次元イメージセンサ１の上面に透明固体膜１１がある場合、指７の指紋等を読み取るためにその腹部を押し当てると、指７の皮膚が透明固体膜１１に必ず接する。このため、指内で散乱し、指の皮膚表面から放射した光のうち、透明固体膜１１に接触する指紋隆線部から放射した光は、図５（ａ）の符号１１１１に示すように直接に透明固体膜１１に入射して透明固体膜１１内を伝播し２次元イメージセンサ１の受光素子に到達する。また、透明固体膜１１に接触しない指紋谷部から放射した光は、符号１１１２に示すように一旦空気層に入射して空気層を伝播した後に透明固体膜１１に入射し、その後は指紋隆線部から放射した光と同じく透明固体膜１１内を伝播して２次元イメージセンサ１の受光素子に到達する。

これに対して透明固体膜１１がない場合、指内で散乱し、指の皮膚表面から放射した光は、指紋隆線部および指紋谷部にかかわらず、図５（ｂ）の符号１１１１および１１１２に示すように、一旦空気層に入射して空気層を伝播した後に２次元イメージセンサ１の受光素子に到達する。

図５（ｂ）に示される状況は特許文献６と類似しており、隆線部は暗部領域として、谷部は明部領域として２次元イメージセンサ１で検出される。これに対して、図５（ａ）に示される透明固体膜１１が介在する場合、透明固体膜１１の屈折率が空気と同じ値「１」に近ければ、透明固体膜１１が存在しない図５（ｂ）と等価になるので、隆線部が暗部領域、谷部が明部領域として２次元イメージセンサ１で検出されるが、透明固体膜１１の屈折率の値が大きくなれば、明暗が逆転し、隆線部が明部領域、谷部が暗部領域として２次元イメージセンサ１で検出されるようになる。これは、透明固体膜１１の屈折率が大きくなると、指７と透明固体膜１１との間の屈折率差よりも、指７と空気との間の屈折率差および空気と透明固体膜１１との間の屈折率差の方が大きくなることと、図５（ａ）の隆線部から放射する光１１１１が受光素子に到達するまでには屈折率差の少ない１つの界面（指と透明固体膜との界面）を通過するのに対し、谷部から放射する光１１１２は屈折率差の大きな２つの界面（指と空気との界面、空気と透明固体膜との界面）を通過することにより、皮膚表面から放射した時点では隆線部よりも谷部の放射光の方が強度が強かったものが、受光素子に到達した時点では、谷部よりも隆線部から届く光の方が強度が相対的に強くなったためと推測される。事実、指からの散乱放射光をガラスなどでできた透明保護カバーを介して指に近接させた２次元イメージセンサによって撮像する特許文献４の指紋入力装置では、指紋の谷部が暗部領域、隆線部が明部領域となる指紋画像が得られる。

このため、透明固体膜１１の屈折率が或る値のとき、隆線部と谷部とのコントラストが０になる。本明細書において、そのような屈折率の値を特異点と呼び、透明固体膜１１は、特異点近傍の値以外の値の屈折率を持つ光透過性の固体で構成されている。本発明者の提案にかかる特許文献５では、２次元イメージセンサと指との間に介在する透明固体膜の屈折率とコントラストとの関係が解析されており、それによれば図６に示すような関係が導出されている。図６において、縦軸は、指紋隆線部直下の透明固体膜に入射した光のパワーをＰ_3L、指紋谷部直下の透明固体膜に入射した光のパワーをＰ_3Dとしたときに、（Ｐ_3L−Ｐ_3D）／Ｐ_3Lで計算されるコントラスト、横軸は、透明固体膜の屈折率である。また、＋印の点を結ぶ線は指の屈折率を１．４、×印の点を結ぶ線は指の屈折率を１．５とそれぞれ仮定した場合のものである。ただし、図６のグラフは指の皮膚と空気と透明固体膜の界面との屈折率の差による効果のみを計算で求めたものであり、指の皮膚内構造による効果とは異なる。

図６を参照すると、透明固体膜の屈折率が空気と同じ１．０のときにコントラストが０％になっている。これは、図６のグラフは、皮膚内部から隆線部に向かう光のパワーと谷部に向かう光のパワーを同じと仮定しているためである。本来は、屈折率が１．０のときにある程度のコントラストが得られる。図６ではそのコントラスト値はマイナスとなる。そのコントラストをＣ％とすると、図６のグラフでコントラストがＣ％となる屈折率の値が特異点となる。一般的には、Ｃ＝１０程度なので、特異点＝１．１になり、屈折率が１．１の透明固体膜１１では谷部と隆線部のコントラストが０になる。従って、透明固体膜１１の屈折率は、１．０以上かつ１．１未満か、あるいは１．１より大きい必要がある。１．１未満の屈折率を持つ光透過性の固体は殆どないので、実質的には１．１より大きい屈折率を持つ光透過性の固体で透明固体膜１１を構成すればよい。

他方、図６を参照すると、透明固体膜の屈折率が１．４〜２．０の範囲でコントラストが特に高くなっている。皮膚の剥けた部分全体が透明固体膜に接しない場合、その部分全体が同じコントラストになるのではなく、指内部の構造を反映した紋様が現れる。このため、その紋様のコントラストに比べて、透明固体膜に接する隆線と接しない谷部とのコントラストが異常に高いと、センサのダイナミックレンジが広くない場合、皮膚の剥けた部分の紋様の検知が困難になる。従って、透明固体膜１１には、図６においてコントラストが特に高くなっている１．４〜２．０の範囲の屈折率は適さない。

更に本発明者の提案にかかる特許文献５で解析されているように、透明固体膜の屈折率が大きくなると、コントラストが出ても明度が下がり、外乱光によるノイズおよび回路で発生するノイズをノイズ成分としてＳ／Ｎ比が下がり、指紋隆線部と指紋谷部の識別が不正確となる確率が高くなる。このため、屈折率の上限値は５．０程度が望ましい。

以上の考察の結果、透明固体膜１１の屈折率は、１．１より大きく１．４より小さいか、または２．０より大きく、５．０より小さいことが望ましい。

屈折率１．４未満の物質で透明固体膜１１に適する固体としては、たとえばＢｅＦ3（フッ化ベリリュウム）を主成分とするガラスがある。

屈折率２．０より大きい物質で透明固体膜１１に適する固体としては、たとえばＢａＯ（酸化バリウム）やＰｂＯ（酸化鉛）を多量に含むガラス、ヘマタイト（赤鉄鋼）、ルチル（金赤石）、ゲルマニュウム、ダイアモンドあるいはシリコンなどがある。

以上のように本実施の形態によれば、指７の血管像を２次元イメージセンサ１を使用して精度良く読み取ることができる。その理由は、皮膚紋様と血管像とが写っている第１の画像と皮膚紋様が写っている第２の画像との２種類の画像を撮像し、両画像の差分をとることで血管像を抽出するため、皮膚紋様と血管像とが写っている画像の平滑化処理によって紋様を除去し血管像だけを残す従来技術のような細い血管像の喪失がないためである。

また本実施の形態によれば、血管像と同時に指の指紋などの紋様を２次元イメージセンサ１を使用して精度良く読み取ることができる。その理由は、指７と２次元イメージセンサ１とが近接した距離にあるため、指７の表面から放射される紋様を良好なコントラストで撮像できるためである。すなわち、特許文献６のような縮小光学系を使用すると、皮膚の表面で拡散してレンズや光路によって拡散すると思われる現象によって良好なコントラストが得られなかった皮剥け部分でも、本実施の形態によれば、指７に近接した距離で２次元イメージセンサ１に光を指から入射するため、皮膚の表面で拡散して混じり合う成分が少なくなるためと思われる。

さらに本実施の形態によれば、装置を小型化かつ廉価にできることである。その理由は、レンズ等の結像光学系が不要になるためである。

『第２の実施の形態』
図７を参照すると、本実施の形態にかかる画像読取装置は、被検出体である指７を間に挟んで２次元イメージセンサ１と対向する位置に紋様用の光源３ａおよび血管用の光源３ｂを配設し、指７の背面から紋様用および血管用の光を照射するようにした点で、指７の側方から紋様用および血管用の光を照射する図１に示した第１の実施の形態と相違し、その他は第１の実施の形態と同じである。

光源３ａ、３ｂを指７の上方で支持する構成としては、例えば指７を挿入できる程度の大きさの空洞を筐体に設け、その空洞の底に２次元イメージセンサ１を配設し、天井に光源３ａ、３ｂを取り付ける構成が考えられる。勿論、光源３ａ、３ｂの取り付け構造はそれ以外の任意の構造で良い。

図７の例では、紋様用の光源３ａおよび血管用の光源３ｂはそれぞれ１個であるが、それぞれ複数個設けるようにしても良い。

本実施の形態によれば、血管用の光源３ｂから出射した光は指７の背面から指内に入射し、指内部を伝播して指７の腹部の皮膚表面から放射するため、第１の実施の形態のように指７の側方から光を照射する場合に比べて、より鮮明な血管像を得ることができる。

『第３の実施の形態』
図８を参照すると、本実施の形態にかかる画像読取装置は、被検出体である指７を間に挟んで２次元イメージセンサ１と対向する位置に血管用の光源３ｂを配設し、指７の背面から血管用の光を照射するようにした点で、指７の側方から血管用の光を照射する図１に示した第１の実施の形態と相違し、その他は第１の実施の形態と同じである。

光源３ｂを指７の上方で支持する構成としては、第２の実施の形態と同様とすることができる。

図７の例では、血管用の光源３ｂは１個であるが、複数個設けるようにしても良い。

本実施の形態によれば、血管用の光源３ｂから出射した光は指７の背面から指内に入射し、指内部を伝播して指７の腹部の皮膚表面から放射するため、第１の実施の形態のように指７の側方から光を照射する場合に比べて、鮮明な血管像を得ることができる。また、紋様用の光源３ａは指７の側方から光を照射するため、指７の背面から照射する第２の実施の形態に比べて血管像をほとんど出なくすることができる。

『第４の実施の形態』
図９を参照すると、本実施の形態にかかる画像読取装置は、２次元イメージセンサ１の背面側に配置され、透明固体膜１１に接触する指７に均一な光を照射する面光源８を備えている点、２次元イメージセンサ１の各受光素子１２の背面側に面光源８から受光素子１２へ向かう光を遮る遮光膜１３を備えている点で、指７の側方から紋様用および血管用の光を照射する図１に示した第１の実施の形態と相違し、その他は第１の実施の形態と同じである。

遮光膜１３は、例えば、受光素子１２として特許文献８に記載されるような、フォトセンサ自体にフォトセンス機能と選択トランジスタ機能と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る場合、ボトム側のゲート電極を光の透過を遮断する材質により構成することで実現することができる。

面光源８は、例えば、それぞれ独立に点灯、消灯の制御が行える紋様用のＬＥＤ８ａと血管用のＬＥＤ８ｂとを交互にアレイ状に配列し、その上にすりガラス等の光散乱板を取り付けた構造のものが使用できる。

本実施の形態によれば、２次元イメージセンサ１の背面側に面光源８を配置したので、読取装置の占める平面スペースを縮小することができる。

以上、本発明に適用可能な光源の構成例を幾つか示したが、相対的に紋様用の光源は照射方向および波長の少なくとも一方が血管像が撮像され難いように設定されていれば良く、血管用の光源は照射方向および波長の少なくとも一方が血管像が撮像され易いように設定されていれば良い。したがって、血管用の光源を指を間に挟んで２次元イメージセンサと対向する側から指を照明する位置に配置し、紋様用の光源を指の側方あるいは下面から指を照明する位置に配置すれば、紋様用の光源と血管用の光源とが同じ波長（例えば８２０〜９８０ｎｍ付近の近赤外光）の光源であっても良い。

以上の各実施の形態では、上面に透明固体膜が被覆された２次元イメージセンサを使用したが、透明固体膜の代わりに、指などの被検出体を２次元イメージセンサの上面から一定の近接した距離で非接触状態に保つ複数の突起を設けた２次元イメージセンサを使用することもできる。以下、そのような２次元イメージセンサを使用した実施の形態について説明する。

『第５の実施の形態』
図１０を参照すると、本実施の形態にかかる画像読取装置は、多数のスリット２１を形成するように平行に複数配列された隔壁２２を中央部分に有し、隔壁２２の下面が２次元イメージセンサ１の上面に密着するように取り付けられている格子板２を備えており、紋様用の光源３ａおよび血管用の光源３ｂは格子板２０の周辺部に設けられた開孔に装着されている。

格子板２０は、金属板などの遮光性を有する板材を薄く加工し、中央部分にスリット２１を形成したもので、その隔壁２２は、被検出体である指７が２次元イメージセンサ１上に載置された際に、指７の皮膚表面が２次元イメージセンサ１の上面と一定の距離で非接触状態を保つガイドの役割を果たす。非接触状態にするためには、スリット２１の幅が広いほど隔壁２２の高さを高くする必要がある。ただし、隔壁２２の高さが２００μｍ以上になれば画像のぼけがひどくなり、また、スリット２１の幅が受光素子の径より狭くなれば受光量が少なくなる。実際のサイズは、２次元イメージセンサ１の受光素子のピッチにも関係するため、これらの諸状況を考慮して隔壁２２の高さ、スリット２１の幅、ピッチが決定される。

例えば図１１（ａ）に示すように、２次元イメージセンサ１の受光素子１２のピッチＰ０と隔壁２２のピッチＰ１とを同じにして位置合わせする構造の場合、スリット２１の幅Ｗは受光素子１２の受光径にほぼ等しく設定し、隔壁２２の高さＨはスリット幅Ｗと同等以上、２００μｍ以下に設定すれば良い。この場合、例えば受光径２５μｍの受光素子１２が５００ＤＰＩで配列されている２次元イメージセンサ１では、例えば、Ｐ１＝約５０μｍ、Ｗ＝約２５μｍ、Ｈ＝約２５μｍ〜約２００μｍになる。

また図１１（ｂ）に示すように、隔壁２２のピッチＰ１を２次元イメージセンサ１の受光素子１２のピッチＰ０のｎ倍（ｎは２以上の正整数）に設定して位置合わせする構造を採用しても良い。この場合、例えば受光径２５μｍの受光素子１２が５００ＤＰＩで配列されている２次元イメージセンサ１では、例えば、Ｐ１＝約１５０μｍ、Ｗ＝約１２５μｍ、Ｈ＝約１２５μｍ〜約２００μｍになる。

さらに、隔壁２２のピッチＰ１を２次元イメージセンサ１の受光素子１２のピッチＰ０の半分より小さくすれば、図１１（ｃ）に示すように、各受光素子１２に少なくとも１つのスリット２１を対応付けることができるため、図１１（ａ）、（ｂ）の場合のようなスリット２１と受光素子１２との正確な位置合わせが不要になる。この場合、例えば受光径２５μｍの受光素子１２が５００ＤＰＩで配列されている２次元イメージセンサ１の場合、Ｐ１＝約２０μｍとすると、例えば、Ｗ＝約１０μｍ、Ｈ＝約１０μｍ〜約２００μｍになる。

本実施の形態の画像読取装置を使用して、指７の指紋および血管像を読み取る場合、図１０（ｂ）に示すように、２次元イメージセンサ１の上方に位置する格子板２０の隔壁２２に指７の先端から第２間接までの範囲の腹部を押し当てる。軽く押し当てる程度では、指７の両横の腹部領域は隔壁２２に接しないが、少し強く押し当てると、皮膚の持つ弾力性により指７の腹部が平らになって腹部全体が接触するようになる。このときでも、指７の皮膚と２次元イメージセンサ１の上面との非接触状態は隔壁２２により維持される。

この状態で、第１の実施の形態と全く同様に、マイクロプロセッサ部６の制御により、光源３ａ、３ｂを切り替えて、指７の皮膚表面から放射される放射光による画像が２次元イメージセンサ１で複数回撮像され、画像間の差分をとることで指紋画像と同時に血管像を抽出する。本実施の形態の場合、指紋画像は、指紋隆線部が暗部、指紋谷部が明部となる。

本実施の形態によれば、２次元イメージセンサ１を使用し且つ余計な光学部品を使用することなく、指７の血管像と同時に指７の内部構造を直接反映した皮膚の紋様画像を指７の湿潤や乾燥などの影響を受けずに安定して読み取ることができ、また装置を単純かつ小型化することができる。その理由は、２次元イメージセンサ１の上面に設けられた格子板２の隔壁２２により、指７を２次元イメージセンサ１の上面から一定の距離で非接触状態に保った状態で、光源３ａ、３ｂを切り替えて、指７の皮膚表面から放射される放射光による画像を複数回撮像し、画像間の差分をとることで指紋画像と同時に血管像を読み取っているためである。

さらに、本実施の形態の場合、隔壁２２と指７との間に適度な摩擦力が生じるため、撮像中における指７の動きが抑制され、ブレのない紋様画像を得ることができる。

『第６の実施の形態』
図１２を参照すると、本実施の形態にかかる画像読取装置は、格子板２０のスリット２１に光透過性を有する固体物質で生成された詰め物２３が挿入されている点で、図１０に示した第５の実施の形態と相違する。

詰め物２３の下面は２次元イメージセンサ１の上面に密着しており、詰め物２３の上面は隔壁２２の上面と同一面になっている。したがって、指７の指紋および血管像を読み取るために腹部を格子板２０の隔壁２２に押し当てると、指７の皮膚が詰め物２３に接する。このため、指内で散乱し、指の皮膚表面から放射した光のうち、詰め物２３に接触する指紋隆線部から放射した光は、図１３（ａ）の符号１１１１に示すように直接に詰め物２３に入射して詰め物２３内を伝播し２次元イメージセンサ１の受光素子に到達する。また、詰め物２３に接触しない指紋谷部から放射した光は、符号１１１２に示すように一旦空気層に入射して空気層を伝播した後に詰め物２３に入射し、その後は指紋隆線部から放射した光と同じく詰め物２３内を伝播して２次元イメージセンサ１の受光素子に到達する。

これに対してスリット２１に詰め物２３がない第５の実施の形態の場合、指内で散乱し、指の皮膚表面から放射した光は、指紋隆線部および指紋谷部にかかわらず、図１３（ｂ）の符号１１１１および１１１２に示すように、一旦空気層に入射して空気層を伝播した後に２次元イメージセンサ１の受光素子に到達する。

図１３（ｂ）に示される第５の実施の形態の場合、前述したように、隆線部は暗部領域として、谷部は明部領域として２次元イメージセンサ１で検出される。これに対して、図１３（ａ）に示される詰め物２３が介在する場合、詰め物２３の屈折率が空気と同じ値「１」に近ければ、詰め物２３が存在しない図１３（ｂ）と等価になるので、隆線部が暗部領域、谷部が明部領域として２次元イメージセンサ１で検出されるが、詰め物２３の屈折率の値が大きくなれば、明暗が逆転し、隆線部が明部領域、谷部が暗部領域として２次元イメージセンサ１で検出されるようになる。これは、２次元イメージセンサ１の上面に透明固体膜１１を被覆した第１の実施の形態と同じ理由である。したがって、詰め物２３は透明固体膜１１と同様の材質、屈折率とすることができる。

このように本実施の形態によれば、第５の実施の形態と同様の効果が得られるのに加えて、第５の実施の形態と比べて格子板２０の上面が平坦なためゴミが溜まりにくく、また溜まっても清掃が容易なため、スリット２１にゴミがたまって画質が劣化する心配がなくなるという効果がある。

『第７の実施の形態』
図１４を参照すると、本実施の形態にかかる画像読取装置は、格子板２０の全体あるいは少なくとも隔壁２２の部分が、光透過性を持つ点で、第５の実施の形態と相違する。

隔壁２２に使用する光透過性を持つ材質としては、第６の実施の形態における詰め物２３に使用した材質と同様の材質を使用することができ、また屈折率の条件も詰め物２３と同様とすることができる。格子板２０が光透過性を持つ場合、光源３ａ、３ｂから格子板２０を通じて２次元イメージセンサ１の受光素子に向かう光を遮る遮光体２４を設けておくことが望ましい。

本実施の形態の場合、指７から放射される光は、図１５の符号１１１１、１１１２に示すように、スリット２１を通じて２次元イメージセンサ１に入射される以外に、符号１１１３に示すように光透過性を持つ隔壁２２を通じて２次元イメージセンサ１に入射される。このため、隔壁２２のピッチを図１１（ａ）、（ｂ）に示したように２次元イメージセンサ１の受光素子１１のピッチＰ０に位置合わせする必要がなく、また図１１（ｃ）に示したように隔壁２２のピッチを受光素子のピッチの半分以下にする必要もなくなる利点がある。

２次元イメージセンサ１で得られる指紋隆線部と指紋谷部との明暗が第５の実施の形態と第６の実施の形態とで逆になっていることから推測されるように、本実施の形態においては、スリット２１に対応する指紋隆線部および指紋谷部は明部領域および暗部領域となり、隔壁２２に接する指紋隆線部および隔壁２２に対向する指紋谷部は暗部領域および明部領域となり、明部と暗部とが場所ごとに反転する。しかし、この問題に対しては画像処理と指紋認証の方式によって解決できる。すなわちエッジ強調によって隆線の連続性のみを抽出してつなげていけば良い。また、認証方式として指紋の分岐点や端点といった特徴点の位置関係で認証する方式を採用すれば、明暗の逆転は認証に影響を与えない。

『第８の実施の形態』
図１６を参照すると、本実施の形態にかかる画像読取装置は、格子板２０の全体あるいは少なくとも隔壁２２の部分が、光透過性を持つ点で、第６の実施の形態と相違する。

隔壁２２に使用する光透過性を持つ材質としては、詰め物２３に使用した材質と同様の材質を使用することができ、また屈折率の条件も詰め物２３と同様とすることができる。この場合、全く同じ材質、屈折率のものを使用する以外に、詰め物２３と隔壁２２とで材質、屈折率を異ならせても良い。格子板２０が光透過性を持つ場合、光源３ａ、３ｂから格子板２０を通じて２次元イメージセンサ１の受光素子に向かう光を遮る遮光体２４を設けておくことが望ましい。

本実施の形態の場合、指７から放射される光は、図１７の符号１１１１、１１１２に示すように、スリット２１の詰め物２３を通じて２次元イメージセンサ１に入射される以外に、符号１１１３に示すように光透過性を持つ隔壁２２を通じて２次元イメージセンサ１に入射される。このため、隔壁２２のピッチを図１１（ａ）、（ｂ）に示したように２次元イメージセンサ１の受光素子１１のピッチＰ０に位置合わせする必要がなく、また図１１（ｃ）に示したように隔壁２２のピッチを受光素子のピッチの半分以下にする必要もなくなる利点がある。

また、本実施の形態の場合、詰め物２３に接する指紋隆線部および詰め物２３に対向する指紋谷部も、隔壁２２に接する指紋隆線部および隔壁２２に対向する指紋谷部も、ともに明部領域および暗部領域となる利点がある。

『第９の実施の形態』
図１８を参照すると、本実施の形態にかかる画像読取装置は、格子板２０の周辺部に配設された光源３ａ、３ｂの代わりに、２次元イメージセンサ１の背面側に配置され、格子板２０に接触する指７に均一な光を照射する面光源８を備えている点、遮光体２４の代わりに、２次元イメージセンサ１の受光素子１２の背面側に配置され、面光源８から受光素子１２へ向かう光を遮る遮光膜１３を備えている点で、第７の実施の形態と相違する。

遮光膜１３は、例えば、受光素子１２として特許文献８に記載されるような、フォトセンサ自体にフォトセンス機能と選択トランジスタ機能と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る場合、ボトム側のゲート電極を光の透過を遮断する材質により構成することで実現することができる。

面光源８は、それぞれ独立に点灯、消灯の制御が行える複数の面光源８ａ〜８ｅを、２次元イメージセンサ１の垂直走査方向（図１８では左右方向）に１列に配列して形成される。個々の面光源８ａ〜８ｅは、例えば、それぞれ独立に点灯、消灯の制御が行える紋様用のＬＥＤ（例えば波長４００〜７００ｎｍ）と血管用のＬＥＤ（例えば波長８２０〜９８０ｎｍ）（共に図示せず）とを交互にアレイ状に配列し、その上にすりガラス等の光散乱板を取り付けた構造のものが使用できる。

本実施の形態にかかる画像読取装置の読取シーケンスの一例を図１９に示す。このシーケンスはマイクロプロセッサ部６により制御される。２次元イメージセンサ１の上方に位置する格子板２０の隔壁２２に指７の腹部が押し当てられた状態で、マイクロプロセッサ部６により読取制御が開始される。

まず、読取対象行を管理する変数ｎを１に設定して、２次元イメージセンサ１に備わる複数行の受光素子のうち、１行目の受光素子を読取対象とする（ステップＳ２０１）。このとき、面光源８ａ〜８ｅのうち読取対象とする１行目の受光素子に、面光源から出射し指の皮膚表面で反射した光が入射しないように、読取対象行近傍の面光源以外の所定の面光源のみを点灯させる（ステップＳ２０２）。例えば、図１８において紙面左側に１行目の受光素子が存在するとすれば、面光源８ａを消灯し、残りの面光源８ｂ〜８ｅをすべて点灯する。あるいは、面光源８ｂだけというように、残りの一部の面光源を点灯させても良い。さらに、面光源中のすべてのＬＥＤを点灯させず、紋様用のＬＥＤだけを点灯させ、血管用のＬＥＤは消灯しておく。この状態で、１行目の受光素子による読取りを行い、第１メモリに記憶する（ステップＳ２０３）。具体的には、１行目の受光素子について、一旦リセットした後、光蓄積動作を開始させ、その後に読出し動作を行う。１行目の受光素子の読取が完了すると、変数ｎを＋１して２にし（ステップＳ２０４）、２行目の受光素子を１行目の受光素子と同様に読み取る。このときも、読取対象行近傍の面光源は消灯され、残りの所定の面光源中の紋様用ＬＥＤだけが点灯された状態で読取が行われる。以上の１行目、２行目に実施したと同様の動作を残りのすべての行について繰り返し終えると（ステップＳ２０５でＹＥＳ）、第１メモリには図４の１７０１に示したような画像が記憶されることになる。

引き続いて、読取対象行を管理する変数ｎを１に設定し、２次元イメージセンサ１の１行目の受光素子を再度、読取対象とする（ステップＳ２０６）。このときも、面光源８ａ〜８ｅのうち読取対象とする１行目の受光素子に、面光源から出射し指の皮膚表面で反射した光が入射しないように、読取対象行近傍の面光源以外の所定の面光源のみを点灯させるが、前回と異なり血管用ＬＥＤだけを点灯させ、紋様用ＬＥＤは消灯する（ステップＳ２０７）。この状態で、１行目の受光素子による読取を行い、第２メモリに記憶する（ステップＳ２０８）。１行目の受光素子の読取が完了すると、変数ｎを＋１して２にし（ステップＳ２０９）、２行目の受光素子を１行目の受光素子と同様に読み取る。このときも、読取対象行近傍の面光源は消灯され、残りの所定の面光源中の血管用ＬＥＤだけが点灯された状態で読取が行われる。以上の１行目、２行目に実施したと同様の動作を残りのすべての行について繰り返し終えると（ステップＳ２１０でＹＥＳ）、第２メモリには図４の１７０２に示したような画像が記憶されることになる。

最後に、第２メモリに記憶された画像から第１メモリに記憶された画像を減算する（ステップＳ２１１）。これにより、例えば図４の画像１７０３のような血管像のみを含む画像が生成される。なお、ステップＳ２１１における画像間の減算は、同じ位置の画素どうしについて、その画素値を引き算することで行う。このとき、引き算した結果が予め定められた閾値より小さい値であれば０に丸める処理を行っても良い。

このように本実施の形態によれば、２次元イメージセンサ１の背面側に面光源８を配置したので、読取装置の占める平面スペースを縮小することができる。

また本実施の形態によれば、２次元イメージセンサ１の読取対象行近傍の面光源以外の所定の面光源を点灯させた状態で読取を行うため、面光源８から出射し指の皮膚表面で反射した光が受光素子に入射することを防止でき、指紋隆線部と谷部とのコントラストの低下を防止することができる。すなわち、スリット２１を通じた読取では、第５の実施の形態で説明したように、指紋谷部が明部領域、指紋隆線部が暗部領域となるが、若しスリット２１下部から照明されれば、指紋隆線部が指紋谷部に比べてより明るく照らされるため、コントラストの低下を招くためである。

本実施の形態では、面光源８の光が指７に良く届くように隔壁２２は光透過性を有する素材としたが、点灯している面光源８の上部にあるスリット２１から指７に入射する光が存在するため、第５の実施の形態と同様に隔壁２２は遮光性の素材であっても良い。

また、スリット２１に第６の実施の形態と同様の詰め物２３を挿入しても良い。この場合、詰め物２３を通じた読取では、第６の実施の形態で説明したように、指紋谷部が暗部領域、指紋隆線部が明部領域となるため、詰め物２３の下部から照明すれば、指紋谷部と指紋隆線部とのコントラストをより強調することができる。したがって、２次元イメージセンサ１の読取対象行近傍の面光源を消灯させる制御は不要であり、逆に積極的に点灯させるのが望ましい。

『その他の実施の形態』
以上本発明を幾つかの実施の形態を挙げて説明したが、本発明は以上の実施の形態にのみ限定されずその他各種の付加変更が可能である。例えば、以下のような変形例も本発明に含まれる。

上記の各実施の形態は、指の先端から第２間接までの皮膚紋様と血管像の読取を対象としたが、大型の２次元イメージセンサを使用することにより、掌部分の皮膚紋様および血脈など生体の他の部位の皮膚紋様や血管像の読取にも当然に適用することができる。

指７の皮膚表面が２次元イメージセンサ１の上面と一定の距離で非接触状態を保つガイドの役割を果たす突起の配列パターンは、実施の形態で説明したような格子板２０上に平行に形成された隔壁２２に限定されず、例えば図２０（ａ）に示すような斜め方向に配列されたパターン、同図（ｂ）に示すような縦横に交差するように配列されたパターンなど、任意のパターンとすることができる。また、図２０（ｃ）に示すように櫛歯が交互に入り組むような一対の導電性の格子板２５、２６を絶縁体２７で連結し、少なくとも一方の格子板２５、２６を接地することで、指に帯電する静電気の放電と指の接触の検知とを行う構成にしても良い。

さらに、指７の皮膚表面が２次元イメージセンサ１の上面と一定の距離で非接触状態を保つガイドの役割を果たす突起は、２次元イメージセンサ１と別体の格子板２０に形成する以外に、２次元イメージセンサ１と一体に形成することもできる。例えば、２次元イメージセンサ１の最上位層のセンサ保護膜の上に厚さ数十μｍ〜二百μｍ程度の層を形成し、この層を加工することで、隔壁２２およびスリット２１に相当するパターンを形成することもできる。また、図２１に示すように、２次元イメージセンサ１のセンサ保護膜の上に微少な突起１４を複数形成しても良い。この場合、突起１４の高さＨと隣接する突起間の距離Ｗとの関係が、第５の実施の形態における隔壁２２の高さＨとスリット２１の幅Ｗとの関係に相当する。

また、指７の皮膚表面が２次元イメージセンサ１の上面と一定の距離で非接触状態を保つガイドの役割を果たす多数の突起（隔壁）が存在し、さらにスリットに隔壁と屈折率の異なる光透過性の詰め物が挿入される場合、僅かであるが、突起や詰め物等に起因する紋様がノイズとして読取画像中に現れる可能性がある。そこで、この影響を除去するために、例えば全く指紋がなく平滑な皮膚表面を持ち且つ血管もない指のレプリカである基準被検出体、すなわち読取対象紋様および読取対象血管の存在しない基準被検出体を読み取らせた際の２次元イメージセンサ１の画像を補正画像としてマイクロプロセッサ部６のメモリに記憶しておく。この補正画像には、突起や詰め物等に起因する紋様が含まれる。そして、実際の指７の読取時に得られた読取画像（第１画像と第２画像）から前記補正画像を引き算することで、前記ノイズの影響を除去するようにしても良い。

また、指等の皮膚紋様は自然光だけでも読取が可能なため、紋様用光源を省略し、血管用光源だけを使用するようにしても良い。

以上のように、本発明にかかる画像読取装置は、指の指紋および血管像等の紋様および血脈を安定に読み取る小型で廉価な読取装置として有用であり、特に指の湿潤や乾燥、皮膚炎等による皮膚の剥け等の悪条件化でも生体特徴を入力できる装置として適している。

本発明の第１の実施の形態にかかる画像読取装置の上面図と横断面図である。 指の皮膚の内部構造を説明する図である。 本発明の第１の実施の形態にかかる画像読取装置における読取シーケンスを示す流れ図である。 本発明の第１の実施の形態にかかる画像読取装置により指紋画像と同時に血管像を読み取る原理を説明する図である。 本発明の第１の実施の形態にかかる画像読取装置の作用の説明図である。 ２次元イメージセンサと指との間に介在する透明固体膜の屈折率とコントラストとの関係を示すグラフである。 本発明の第２の実施の形態にかかる画像読取装置の横断面図である。 本発明の第３の実施の形態にかかる画像読取装置の横断面図である。 本発明の第４の実施の形態にかかる画像読取装置の横断面図である。 本発明の第５の実施の形態にかかる画像読取装置の上面図と横断面図である。 ２次元イメージセンサの受光素子のピッチと格子板の隔壁のピッチとの関係を示す図である。 本発明の第６の実施の形態にかかる画像読取装置の横断面図である。 本発明の第５および第６の実施の形態にかかる画像読取装置の作用の説明図である。 本発明の第７の実施の形態にかかる画像読取装置の上面図と横断面図である。 本発明の第７の実施の形態にかかる画像読取装置の作用の説明図である。 本発明の第８の実施の形態にかかる画像読取装置の横断面図である。 本発明の第８の実施の形態にかかる画像読取装置の作用の説明図である。 本発明の第９の実施の形態にかかる画像読取装置の上面図と横断面図である。 本発明の第９の実施の形態にかかる画像読取装置における読取シーケンスを示す流れ図である。 格子板の隔壁の他のパターン例を示す平面図である。 指の皮膚表面が２次元イメージセンサの上面と一定の距離で非接触状態を保つガイドの役割を果たす突起の他の例を示す上面図および横断面図である。 従来の接触を前提とした光学プリズム方式の原理を説明する図である。 従来の画像読取装置の上面図および横断面図である。

符号の説明

１…２次元イメージセンサ
２…筐体
３ａ…紋様用の光源
３ｂ…血管用の光源
４…Ａ／Ｄ変換部
５…ＬＥＤドライバ
６…マイクロプロセッサ部
７…指
８、８ａ〜８ｅ…面光源
１１…透明固体膜
１２…受光素子
１３…遮光膜
１４…突起
２０、２５、２６…格子板
２１…スリット
２２…隔壁
２３…詰め物
２４…遮光体
２７…絶縁体

Claims (23)

1. 複数の受光素子がマトリクス状に配列された２次元イメージセンサと、該２次元イメージセンサの上面に載置された被検出体に光を照射する血管用光源と、前記被検出体の表面から放射される放射光による画像を光源を切り替えて前記２次元イメージセンサで複数回撮像し、前記血管用光源以外の光源の下で撮像された第１の画像と前記血管用光源の下で撮像された第２の画像との差分画像を生成する処理装置とを備えることを特徴とする画像読取装置。
2. 前記血管用光源以外の光源として、紋様用光源を備えることを特徴とする請求項１記載の画像読取装置。
3. 前記紋様用光源は照射方向および波長の少なくとも一方が血管像が撮像され難いように設定され、前記血管用光源は照射方向および波長の少なくとも一方が血管像が撮像され易いように設定されていることを特徴とする請求項２記載の画像読取装置。
4. 前記血管用光源は、へモグロビンの吸収スペクトルに対応した近赤外波長で発光波長帯域の狭い光源であることを特徴とする請求項２記載の画像読取装置。
5. 前記紋様用光源は、ヘモグロビンの吸収スペクトルに対応した近赤外波長以外の発光波長帯域の狭い光源であることを特徴とする請求項４記載の画像読取装置。
6. 前記血管用光源および前記紋様用光源が前記２次元イメージセンサの背面側に配設されていることを特徴とする請求項２記載の画像読取装置。
7. 前記血管用光源および前記紋様用光源が前記２次元イメージセンサの側方側に配設されていることを特徴とする請求項２記載の画像読取装置。
8. 前記血管用光源および前記紋様用光源が前記２次元イメージセンサの上方側に配設されていることを特徴とする請求項２記載の画像読取装置。
9. 前記２次元イメージセンサはその上面に屈折率が１．１より大きく１．４より小さいか、２．０より大きく５．０より小さい透明固体膜を有することを特徴とする請求項１または２記載の画像読取装置。
10. 前記被検出体を前記２次元イメージセンサの上面から一定の距離で非接触状態に保つ複数の突起を備えることを特徴とする請求項１または２記載の画像読取装置。
11. 前記突起を成す隔壁が多数のスリットを形成するように前記２次元イメージセンサの上面に複数形成されていることを特徴とする請求項１０記載の画像読取装置。
12. 前記隔壁が遮光性を有することを特徴とする請求項１１記載の画像読取装置。
13. 前記隔壁が光透過性を有することを特徴とする請求項１１記載の画像読取装置。
14. 前記隔壁の屈折率が、１．１より大きく１．４より小さいか、２．０より大きく５．０より小さいことを特徴とする請求項１３記載の画像読取装置。
15. 前記スリットに光透過性の詰め物が挿入されていることを特徴とする請求項１１、１２または１３記載の画像読取装置。
16. 前記詰め物の屈折率が、１．１より大きく１．４より小さいか、２．０より大きく５．０より小さいことを特徴とする請求項１５記載の画像読取装置。
17. 前記スリットが前記２次元イメージセンサの受光素子の直上に位置することを特徴とする請求項１１乃至１６の何れか１項に記載の画像読取装置。
18. 前記隔壁の高さが１０μｍ以上、２００μｍ以下であることを特徴とする請求項１１乃至１６の何れか１項に記載の画像読取装置。
19. 前記血管用光源および前記紋様用光源が前記２次元イメージセンサの背面側にその垂直走査方向と平行に複数配列されており、前記２次元イメージセンサの垂直走査に同期して読取対象行近傍の光源以外の所定の光源のみが点灯制御されることを特徴とする請求項１１記載の画像読取装置。
20. 前記処理装置は、読取対象紋様および読取対象血管の存在しない基準被検出体の読取画像を補正画像として記憶し、前記２次元イメージセンサで読み取られた前記第１画像および前記第２画像から前記補正画像をそれぞれ減算することを特徴とする請求項１１乃至１６の何れか１項に記載の画像読取装置。
21. 前記隔壁が前記２次元イメージセンサと一体に形成されていることを特徴とする請求項１１乃至１６に何れか１項に記載の画像読取装置。
22. 前記隔壁が、前記２次元イメージセンサの上面に装着された格子板に形成されていることを特徴とする請求項１１乃至１６の何れか１項に記載の画像読取装置。
23. 複数の受光素子がマトリクス状に配列された２次元イメージセンサの上面に載置された被検出体に血管用光源および紋様用光源のうちの一方の光源からの光を照射した状態で、前記被検出体の表面から放射される放射光による画像を前記２次元イメージセンサで撮像する第１の工程と、
    前記被検出体に前記血管用光源および紋様用光源のうちの他方の光源からの光を照射した状態で、前記被検出体の表面から放射される放射光による画像を前記２次元イメージセンサで撮像する第２の工程と、
    前記第１の工程および前記第２の工程で撮像された画像どうしの差分を抽出する第３の工程とを含むことを特徴とする画像読取方法。

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