JP4182987B2 - 画像読取装置 - Google Patents

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１７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１８を参照して説明する。図１８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１８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。

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。

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、指の指紋などの生体特徴を２次元のイメージセンサを使用して安定に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ことにある。

本発明の画像読取装置は、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を備えた画像読取装置において、被検出体である指を前記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、
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おり、
前記２次元イメージセンサの背面側から前記指を照明する光源を備え、
前記光源は、それぞれ独立に点灯、消灯の制御が行える複数の面光源を前記２次元イメージセンサの垂直走査方向に配列して形成され、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面光源以外の所定の面光源のみが点灯制御されることを特徴とする。

『作用』
本発明の画像読取装置にあっては、２次元イメージセンサの上面に複数の突起が設けられているため、２次元イメージセンサの上面に押し当てられた被検出体である指は、指の腹部が平坦になるほど比較的強く押し当てられても、２次元イメージセンサ上の上面から一定の距離で非接触状態に保たれ、その状態で、指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によって撮像される。

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、指の指紋などの生体特徴を２次元イメージセンサによって安定して入力することができることである。その理由は、２次元イメージセンサの上面に設けられた複数の突起によって、上方から押し当てられた指の腹部は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たれることになり、常に一定の距離で非接触な状態にある指を２次元イメージセンサによって撮像できるためである。

第２の効果は、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ことである。その理由は、指を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ち、その状態の指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によって撮像するため、指内部の構造を反映した指の画像を読取ることができるからである。更にこの効果を実際の画像例を使って説明する。図１９は、従来の接触を前提とした方式のうち全反射臨界角を利用した方式の画像であり、画像のほぼ中央部にある皮膚の剥けた部分で画像が欠損している。これに対して図４は、本発明の実施の形態による同じ指の同じ部位の画像例であり、同じ皮剥けの部位においてコントラストが得られている。図８は、更に本発明の別の実施の形態の同じ部位の画像例であり、この画像においても皮剥けの部位に関して明暗は反転しているものの画像が欠損することなく得られている。

第３の効果は、小型で低価格な生体特徴を入力できる画像読取装置を提供できることにある。その理由は、指を２次元イメージセンサの上面から一定の近接距離で非接触状態に保つ複数の突起を備えたことによって、レンズ等の結像光学系が不要になるためである。

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、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と、この格子板２の周辺部に設けられた開孔に装着された複数のＬＥＤ等の光源３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３を駆動するドライバ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３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。

格子板２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２（ａ）に示すように、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１１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１１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２（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１１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１１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１１のピッチＰ０の半分より小さくすれば、図２（ｃ）に示すように、各受光素子１１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２（ａ）、（ｂ）の場合のようなスリット２１と受光素子１１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１１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の上方に位置する格子板２の隔壁２２に指７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、マイクロプロセッサ部６の制御によりＬＥＤドライバ５を通じて光源３が点灯され、光源３から指７に入射し指７の内部で散乱して指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によって撮像される。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３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部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１１のうち、隆線部１００２に近接する受光素子１１は、谷部１００１に近接する受光素子１１に比べて入射する放射光が少なくなり、谷部１００１が明部領域、隆線部１００２が暗部領域となる紋様画像が得られる。

本実施の形態の画像読取装置により読み取った指７の指紋画像は、図４に示す画像のようになる。これに対して従来の接触を前提とした方式のうち全反射臨界角を利用した方式による画像は図１９に示す画像のようになる。双方とも同じ指の同じ部位の画像例であるが、画像のほぼ中央部にある皮膚の剥けた部分において、図１９では紋様が欠落しているのに対し、図４では適度なコントラストの紋様が得られている。

２次元イメージセンサ１により得られた紋様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。

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読み取りを行う構造となっているためである。

また、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、指内部の構造を反映した良好なコントラストの紋様が得られる。これは、本実施の形態においては、指７に近接した距離で２次元イメージセンサ１に光を指から直接入射するため、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２の実施の形態』
図５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２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１に示した第１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の指紋を読み取るために腹部を格子板２の隔壁２２に押し当てると、指７の皮膚が詰め物２３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、詰め物２３に接触する指紋隆線部から放射した光は、図６（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１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６（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６（ｂ）に示される第１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６（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６（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、詰め物２３の屈折率が大きくなると、指７と詰め物２３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詰め物２３との間の屈折率差の方が大きくなることと、図６（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（指と詰め物との界面）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、空気と詰め物との界面）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、詰め物２３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、詰め物２３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。以下、詰め物２３の屈折率について考察する。

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７に示すような関係が導出されている。図７において、縦軸は、指紋隆線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７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７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７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のときに第１の実施の形態と同じコントラストが得られる。図７ではそのコントラスト値はマイナスとなる。第１の実施の形態で得られるコントラストをＣ％とすると、図７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の詰め物２３では谷部と隆線部のコントラストが０になる。従って、詰め物２３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詰め物２３を構成すればよい。

他方、図７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、前述したように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、詰め物２３には、図７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、詰め物２３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未満の物質で詰め物２３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より大きい物質で詰め物２３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。

スリット２１に詰め物２３を充填した本実施の形態の画像読取装置により読み取った指７の指紋画像は、図８に示す画像のようになる。画像左上の丸い皮剥け部分においても隆線部のコントラストが得られる。ただし、明部と暗部は、他の場所と反転する。このように詰め物２３を充填すると、詰め物２３の屈折率によっては接触部分の条件により指紋隆線部は明るく、谷部は暗くなり、非接触の部分と明暗が逆転する。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。

このように本実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様の効果が得られるのに加えて、格子板２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３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、格子板２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１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２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２が光透過性を持つ場合、光源３から格子板２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１０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２（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２（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２で得られる指紋隆線部と指紋谷部との明暗が第１の実施の形態と第２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４の実施の形態』
図１１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２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２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２が光透過性を持つ場合、光源３から格子板２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１２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２（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２（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５の実施の形態』
図１３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２の周辺部に配設された光源３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２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１１の背面側に配置され、面光源８から受光素子１１へ向かう光を遮る遮光膜１２を備えている点で、第３の実施の形態と相違する。

遮光膜１２は、例えば、受光素子１１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１３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、複数のＬＥＤ等の点光源をアレイ状に配列した構造や、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１４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２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Ｓ１）。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Ｓ２）。例えば、図１３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。この状態で、１行目の受光素子による読取を行う（ステップＳ３）。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Ｓ４）、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Ｓ５でＹＥＳ）、点灯中の面光源をすべて消灯し（ステップＳ６）、一連の読取サイクルを終了する。

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。

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１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１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２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２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。

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２上に平行に形成された隔壁２２に限定されず、例えば図１５（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１５（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２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〜数百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１６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１３を複数形成しても良い。この場合、突起１３の高さＨと隣接する突起間の距離Ｗとの関係が、第１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、本発明の画像読取装置では、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たりしているため、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つ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、上記の実施の形態では、指７を側方から照明する光源３あるいは背面から照明する面光源８を備えているが、指７の上方から照明する光源を備える如く、照明形態は任意で良い。さらに、自然光だけでも読取が可能なため、一切の光源を省略することも可能である。

また上記の各実施の形態は、指の指紋の読取を対象としたが、掌紋など他の皮膚紋様の読取にも当然に適用できるものである。

以上のように、本発明にかかる画像読取装置は、指の指紋等の紋様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。 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。 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で読み取った指紋画像の例を示す図である。 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１および第２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で読み取った指紋画像の例を示す図である。 本発明の第３の実施の形態にかかる画像読取装置の上面図と横断面図である。 本発明の第３の実施の形態にかかる画像読取装置の作用の説明図である。 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４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。 本発明の第５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。 従来の全反射臨界角を利用した指紋入力装置で入力した指紋画像例を示す図である。

符号の説明

１…２次元イメージセンサ
２…格子板
３…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…受光素子
１２…遮光膜
１３…突起
２１…スリット
２２…隔壁
２３…詰め物
２４…遮光体
２５、２６…格子板
２７…絶縁体

Claims (11)

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を備えた画像読取装置において、被検出体である指を前記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、
   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おり、
   前記２次元イメージセンサの背面側から前記指を照明する光源を備え、
   前記光源は、それぞれ独立に点灯、消灯の制御が行える複数の面光源を前記２次元イメージセンサの垂直走査方向に配列して形成され、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面光源以外の所定の面光源のみが点灯制御されることを特徴とする画像読取装置。
2. 前記隔壁が遮光性を有することを特徴とする請求項１記載の画像読取装置。
3. 前記隔壁が光透過性を有することを特徴とする請求項１記載の画像読取装置。
4. 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３記載の画像読取装置。
5. 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１、２または３記載の画像読取装置。
6. 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５記載の画像読取装置。
7. 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１乃至６の何れか１項に記載の画像読取装置。
8. 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１乃至６の何れか１項に記載の画像読取装置。
9. 読取対象紋様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被検出体の読取画像から前記補正画像を減算する画像処理部を備えることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の画像読取装置。
10. 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１乃至６の何れか１項に記載の画像読取装置。
11. 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１乃至６の何れか１項に記載の画像読取装置。