(57)【要約】【課題】 光の出射特性に優れたファイバ光学プレートを用い検出精度の高い表面凹凸形状検出装置を提供すること。【解決手段】複数の光ファイバ２１を束ねて一体化したものであってその光ファイバ２１の光軸に対して斜めに形成され互いに平行とした入射面２２および出射面２３を有する第一プレート２と、複数の光ファイバ３１を束ねて一体化したものであってその光ファイバ３１の光軸に対して斜めに形成され互いに平行とされた入射面３２および出射面３３を有し第一プレート２に対し大きな開口数とされその入射面３２が第一プレート２の出射面２３と接合されている第二プレート３と、この第二プレート３から出射された光像を検出する撮像素子４を備えて構成されている。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の光ファイバを束ねて一体化したものであって、その光ファイバの光軸に対して斜めに形成され互いに平行とした入射面および出射面を有する第一プレートと、
複数の光ファイバを束ねて一体化したものであって、その光ファイバの光軸に対して斜めに形成され互いに平行とされた入射面および出射面を有し、前記第一プレートに対し大きな開口数とされ、その入射面が前記第一プレートの前記出射面と接合されている第二プレートと、
前記第二プレートから出射された光像を検出する撮像素子と、
を備えた表面凹凸形状検出装置。
【請求項２】
前記第二プレートの前記光ファイバにおけるコアの屈折率が前記第一プレートの前記光ファイバにおけるコアの屈折率に対し大きい値とされていることを特徴とする請求項１に記載の表面凹凸形状検出装置。
【請求項３】
前記第二プレートにおける前記光軸と前記出射面のなす傾斜角は、前記第一プレートから前記第二プレートへ最大入射角で入射した光が前記第二プレートのコア内にてほぼ臨界角で進行する角度とされていることを特徴とする請求項１または２に記載の表面凹凸形状検出装置。
【請求項４】
前記第二プレートにおける前記傾斜角が前記第一プレートにおける前記光軸と前記出射面のなす傾斜角より大きく形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の表面凹凸形状検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、指紋検出などに用いられる表面凹凸形状検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
指紋検出装置などにおいて、検出対象の表面凹凸形状を光の像に変換する手段としてファイバ光学プレートが用いられている。このファイバ光学プレートを具体的に指紋検出装置に用いた例としては、特開平７−１７４９４７号公報に記載されたものが知られている。この公報におけるファイバ光学プレートは、その図１１に示されるように、ファイバ光学プレートを構成する光ファイバの光軸方向が入射面および出射面に対し傾斜角θだけ傾斜しているものであって、その出射面側にはＣＣＤが取り付けられている。このファイバ光学プレートは、光軸方向に対し入射面および出射面を傾斜して形成されることにより、外部の空気中から直接その内部へ光が入射するのを防止し、また、検出対象となる指を接触させる面（ファイバ光学プレートの入射面）からＣＣＤまでの寸法を小さくして指紋検出装置の小型化を図ろうとしたものである。
【特許文献１】特開平７−１７４９４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、前述のファイバ光学プレートにあっては、次のような問題点がある。すなわち、そのファイバ光学プレートは、光ファイバの光軸方向に対し出射面も傾斜しているので、入射面に接触した指を通じて指紋の像がプレート内へ入射されたとしても、その出射面側でその光が外部の空気中へ出射されない。また、その出射面にＣＣＤを取り付けて出射特性を変えたとしても、出射面から出射される光量は非常に小さく、検出すべき指紋の像は暗いものとなってしまう。
【０００４】
そこで本発明は、以上のような問題点を解決するためになされたものであって、光の出射特性に優れたファイバ光学プレートを用い検出精度の高い表面凹凸形状検出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】
【０００５】
すなわち本発明は、複数の光ファイバを束ねて一体化したものであってその光ファイバの光軸に対して斜めに形成され互いに平行とした入射面および出射面を有する第一プレートと、複数の光ファイバを束ねて一体化したものであってその光ファイバの光軸に対して斜めに形成され互いに平行とされた入射面および出射面を有し前記第一プレートに対し大きな開口数とされその入射面が第一プレートの出射面と接合されている第二プレートと、第二プレートから出射された光像を検出する撮像素子とを備えて構成されている。
【０００６】
このような発明によれば、第一プレートに入射された光はその第一プレート内を伝搬して第二プレートへ向けて出射される。その際、第二プレートが第一プレートに対し大きい開口数とされているから、第一プレートから第二プレートへ光が入射しやすく、また、第二プレートの出射面から出射する光の出射角度が広いものとなる。
【０００７】
また本発明は、前述の第二プレートの光ファイバにおけるコアの屈折率が第一プレートの光ファイバにおけるコアの屈折率に対して大きい値とされていることを特徴とする。
【０００８】
このような発明によれば、第一プレートから第二プレートへ光が伝搬する際に、その接合部分でその光が反射することなく第二プレート内へ入射されるので、その接合部分における光損失が防止される。
【０００９】
また本発明は、前述の第二プレートにおける光軸と出射面のなす傾斜角が、第一プレートから第二プレートへ最大入射角で入射した光が第二プレートのコア内にてほぼ臨界角で進行する角度とされていることを特徴とする。
【００１０】
このような発明によれば、第一プレートへ入射された光が全てその第二プレートに沿って伝搬される。また、第二プレートにおける光軸と出射面のなす角が直角に近くなるから出射面における光の出射特性が向上することとなる。
【００１１】
更に本発明において、二プレートにおける傾斜角が第一プレートにおける光軸と出射面のなす傾斜角より大きく形成されていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、光の出射特性に優れたファイバ光学プレートを用いることにより検出対象物の表面凹凸形状を精度良く検出することができる。
【００１３】
例えば、第一プレートに対し第二プレートの開口数が大きくされることにより、第一プレートから第二プレートへ光が入射しやすく、また、第二プレートの出射面から光が広い角度で出射できる。
【００１４】
また、第一プレートの光ファイバにおけるコアの屈折率に対し第二プレートの光ファイバにおけるコアの屈折率が大きい値とされることにより、第一プレートから第二プレートへ光が伝搬する際に、その接合部分でその光が反射することなく第二プレート内へ入射される。このため、その接合部分における光損失が防止され、出射面から明瞭な光の像が出射できる。
【００１５】
更に、第一プレートから第二プレートへ最大入射角で入射した光が第二プレートのコア内にてほぼ臨界角で進行するように第二プレートの傾斜角が設定されることにより、第一プレートから第二プレートへ入射された光が第二プレートに沿って確実に伝搬され、かつ、第二プレートの光ファイバの光軸と出射面とのなす角が直角に近くなるから出射面における光の出射特性の向上が図れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、添付図面に基づき、本発明に係る表面凹凸形状検出装置における種々の実施形態について説明する。なお、各図において同一要素には同一符号を付して説明を省略する。
（実施形態１）
図１は本実施形態に係る表面凹凸形状検出装置におけるファイバ光学プレート１の全体概要図である。図１において、ファイバ光学プレート１は、第一プレート２と第二プレート３とより構成されており、それら第一プレート２および第二プレート３が層状に重ねられ接合された構造とされている。第一プレート２は、同一方向へ向けた複数の光ファイバ２１を束ねて一体化したものであって、その光ファイバ２１の光軸方向に対して斜めに形成された入射面２２および出射面２３を有している。
【００１７】
すなわち、第一プレート２の入射面２２と出射面２３が互いに平行して対面しており、それらの入射面２２および出射面２３が光ファイバ２１の光軸方向に対して垂直でなく、かつ、平行でない所定の傾斜角θ2 で形成されている。また、この第一プレート２を構成している光ファイバ２１は、コア２４の周囲にクラッド２５を設けた構造とされており、クラッド２５の屈折率に対しコア２４の屈折率が大きくなるように設定され、コア２４に沿って光が伝搬できるようになっている。更に、それぞれの光ファイバ２１、２１間には吸収体２６が配設されており、任意の光ファイバ２１により入射された光は、クラッド２５の外部へ進行すると吸収体２６により吸収されて消滅してしまい、隣接する光ファイバ２１へ導光されないようになっている。
【００１８】
前述の第一プレート２の傾斜角θ2 は、空気中から第一プレート２の光ファイバ２１へ入射された光がその光ファイバ２１内で伝搬されないような角度に設定されている。たとえば、図２に示すように、入射面２１とほぼ平行となる向きから光ファイバ２１内へ光が入射するときの光ファイバ２１内における屈折角をβ、その光がコア２４、クラッド２５の境界面で全反射を繰り返して進行するときの境界面への臨界入射角をα、空気の屈折率をｎ0、コア２４の屈折率をｎ24、クラッドの屈折率をｎ25とすると、次に示す式（１）、（２）を満たすα、βを式（３）に代入することにより、設定すべき傾斜角θ2の角度が求められる。
【００１９】
ｎ24・ｓｉｎβ＝ｎ0 ・ｓｉｎ９０° （入射角９０°の条件）…（１）
ｎ24・ｓｉｎα＝ｎ25・ｓｉｎ９０° （全反射の条件） …（２）
θ2 ＋（９０°＋β）＋（９０°−α）＝１８０° …（３）
ｎ0 ＝１、ｎ24＝１.５６、ｎ25＝１.５２とすると、これらの式（１）、（２）、（３）により、傾斜角θ2＝３７°が算出される。このため、傾斜角θ2 を３７°より小さい角度に設定することにより、空気中から第一プレート２の光ファイバ２１へ光が入射されても、その光ファイバ２１内で伝搬されないようになる。つまり、このように傾斜角θ2を設定すれば、空気中から第一プレート２へ入射した光が第一プレート２から出射されることがなく、入射面２２に接触した物を通じて第一プレート２内へ入射された光のみが出射されることとなる。
【００２０】
一方、図１に示すように、第二プレート３は、第一プレート２と同様に、同一方向へ向けた複数の光ファイバ３１を束ねて一体化したものであって、その光ファイバ３１の光軸方向に対して斜めに形成された入射面３２および出射面３３を有している。すなわち、第二プレート３の入射面３２と出射面３３が互いに平行に対面して形成され、それらの入射面３２および出射面３３が光ファイバ３１の光軸方向に対して垂直でなく、かつ、平行でない所定の傾斜角θ3 で形成されている。
【００２１】
また、この第二プレート３を構成している光ファイバ３１は、コア３４の周囲にクラッド３５を設けた構造とされており、クラッド３５の屈折率に対しコア３４の屈折率が大きくなるように設定され、コア３４に沿って光が伝搬できるようになっている。更に、それぞれの光ファイバ３１、３１間には吸収体３６が配設されており、任意の光ファイバ３１により入射された光は隣接する光ファイバ３１へ導光されないようになっている。
【００２２】
また、第二プレート３は、図１のように、その入射面３２が第一プレート２の出射面２３と接合されており、第一プレート２から出射される光を入射面３２から入射できるようになっている。また、この第二プレート３は、第一プレート２に対し大きな開口数を有している。すなわち、第二プレート３の光ファイバ３１は、第一プレート２の光ファイバ２１に対し開口数の大きなものが用いられている。この第二プレート３の開口数は、光ファイバ３１のコア３４の屈折率ｎ34とクラッド３５の屈折率ｎ35の値により設定されるものである。具体的には、次の式（４）により開口数ＮＡが与えられる。
【００２３】
ＮＡ＝（ｎ342−ｎ352）1/2 … （４）
また、この開口数ＮＡが大きくなるに連れて光ファイバ３１における光伝搬損失が増加する傾向があるのである程度大きな値とされ、例えばＮＡ＝１.０程度に設定される。このように、第二プレート３の開口数を大きく設定することにより、第二プレート３の光ファイバ３１における集光能力、発散能力が大きいものとなるから、接合される第一プレートとの光結合性が向上することとなる。
【００２４】
また、第二プレート３のコア３４の屈折率ｎ34は、第一プレート２のコア２４の屈折率ｎ24に対し大きいものとされている。たとえば、第一プレート２のコア２４の屈折率ｎ24が１.５６であるのに対し、第二プレート３のコア３４の屈折率ｎ34は１.８２と大きなものとされる。このため、第一プレート２から第二プレート３へ伝搬される光がそれらの接合部分（境界部分）で反射することなく入射されることとなり、光の伝搬における損失が防止されることとなる。
【００２５】
また、前述の第二プレート３の傾斜角θ3 は、第一プレート２から第二プレート３へ最大入射角で入射した光が第二プレート３のコア３４内にてほぼ臨界角で進行するような角度に設定されることが望ましい。すなわち、第一プレート２のコア２４内を伝搬可能な光のうち第二プレート３へ最大角度で入射する光が第二プレート３のコア３４内にて伝搬可能な臨界角の近傍の角度で進行するように、第二プレート３の傾斜角θ3が設定されていることが望ましい。
【００２６】
この傾斜角θ3がそのような角度に設定されることが望ましい理由について説明すると、まず第一に、第二プレート３の出射面３３から垂直成分に近い光を出射する条件として、光ファイバ３１の光軸方向（コア３４の長手方向）と出射面３３のなす傾斜角θ3が直角に近い角度にされていることが肝要である。たとえば、図３に示すように、光ファイバ３１のコア３４に沿って光が伝搬される場合、コア３４の屈折率ｎ34を１.８２、クラッド３５の屈折率ｎ35を１.４９５とすると、図３（ａ）のように光軸に対し出射面３３の傾斜角θ3が直角であるときにはその出射面３３から１８０°の範囲に光が出射されることとなる。なお、図３中におけるコア３４内の矢印は臨界角（約５５°）で伝搬される光を示している。
【００２７】
また、図３（ｂ）のように光軸に対し出射面３３の傾斜角θ3 が７５°であるときにはその出射面３３から１２８.５°の範囲に光が出射されることとなる。また、図３（ｃ）のように光軸に対し出射面３３の傾斜角θ3が６０°であるときにはその出射面３３から９９.１°の範囲に光が出射されることとなる。更に、図３（ｄ）のように光軸に対し出射面３３の傾斜角θ3 が３０°であるときにはその出射面３３から３９.３°の範囲に光が出射されることとなる。このように、光ファイバ３１の光軸と出射面３３のなす傾斜角θ3が９０°から小さくなるに連れて、その出射面３３から出射可能な光の角度範囲が狭くなることとなる。従って、出射面３３の傾斜角θ3 は、この出射面３３からの光の出射条件を考えると直角に近いことが好ましい。
【００２８】
しかしながら、出射面３３の傾斜角θ3 が直角に近い角度であると、第一プレート２から第二プレート３の光ファイバ３１内に入射される光が制限を受けることになる。たとえば、図４〜図７に、傾斜角θ2を３５°とした第一プレート２に傾斜角θ3 を６０°、７２.４°、８０°、９０°とした第二プレート３をそれぞれ接合したときにおける第二プレート３への光の入射状態を示す。なお、図４〜図７において、第一プレート２のコア屈折率ｎ24は１.５６、クラッド屈折率ｎ25は１.５２、第二プレート３のコア屈折率ｎ34は１.８２、クラッド屈折率ｎ35は１.４９５とする。また、図４〜図７におけるコア２４内の矢印は第一プレート２における臨界角で伝搬する光であり、コア３４内の矢印はその光が屈折して入射したものである。
【００２９】
図４において、傾斜角θ3 を６０°とした第二プレート３を用いたときには、第一プレート２から最大入射角で入射された光Ｘは、第二プレート３のコア３４内のクラッド３５の境界部分へ臨界角５５°より大きな角度で入射することとなり、その境界部分で反射して伝搬していくこととなる。図５において、傾斜角θ3を７２.４°とした第二プレート３を用いたときには、第一プレート２から最大入射角で入射された光Ｘ１は、第二プレート３のコア３４内のクラッド３５の境界部分へ臨界角５５°で入射することとなり、そのクラッド３５の境界部分で反射して伝搬していくこととなる。
【００３０】
図６において、傾斜角θ3 を８０°とした第二プレート３を用いたときには、第一プレート２から最大入射角で入射された光Ｘ１は、第二プレート３のコア３４内のクラッド３５の境界部分へ臨界角５５°より小さい角度、即ち４７.４°の角度でその境界部分へ入射されることとなり、その境界部分で反射されることなくクラッド３５内へ屈折して導光されてしまう。この場合、第一プレート２から入射する光のうち第二プレートのコア３４、クラッド３５の境界部分で臨界角５５°より小さい角度で入射するものは、クラッド３５内へ導光されてしまい、第二プレート３の出射面３３で出射されることはない。
【００３１】
図７において、傾斜角θ3 を９０°（直角）とした第二プレート３を用いたときには、第一プレート２から最大入射角で入射された光Ｘ１は、第二プレート３のコア３４内のクラッド３５の境界部分へ臨界角５５°より小さい角度、即ち３７.４°の角度でその境界部分へ入射することとなり、その境界部分で反射されることなくクラッド３５内へ屈折して導光されてしまう。この場合、第一プレート２から入射する光のうちのほとんどがコア３４におけるクラッド３５の境界部分へ臨界角５５°より小さい角度で入射することとなり、わずか一部の光のみが第二プレート３の出射面３３から出射されることとなる。
【００３２】
このように、第二プレート３の傾斜角θ3 が大きすぎると、第一プレート２から入射した光が第二プレート３で伝搬されず、第二プレート３のクラッド３５内へ導光されて吸収されてしまう。このため、第一プレート２から第二プレート３へ入射される光をすべて有効に伝搬させることを考えると、第一プレート２から入射する光が第二プレート３のコア内のクラッド３５へ臨界角より大きな角度で入射する必要がある。
【００３３】
以上のように、前述の出射面３３からの光の出射条件と第二プレート３における伝搬条件を考慮すると、第一プレート２から第二プレート３へ最大角度で入射する光が第二プレート３のコア３４内のクラッド３５境界部分へ臨界角の近傍の角度で入射するように、第二プレート３の傾斜角θ3 が設定されていることが望ましい。このように傾斜角θ3 が設定されることにより、ファイバ光学プレート１へ入射した光が有効に出射面３３から出射されると共に、その出射面３３から垂直方向成分を含む光が出射され、ファイバ光学プレート１における光の出射特性が向上することとなる。
【００３４】
図１において、第一プレート２と第二プレート３との接合は、たとえば、透光性を有する接着剤を用いた接着により行えばよい。その際、接着剤としては、第一プレート２のコア２４の屈折率と第二プレート３のコア３４の屈折率との間の屈折率を有するものを用いることが望ましい。このような屈折率を有する接着剤を用いれば、第一プレート２からその接着剤へ光が入射する際、またはその接着剤から第二プレート３へ光が入射する際に、それぞれの入射面にて光の反射が防止されることとなる。
【００３５】
次に、ファイバ光学プレート１を備えた指紋検出装置について説明する。
【００３６】
図８に示すように、ファイバ光学プレート１は、指紋検出装置の指紋の像の入射手段として用いることができる。たとえば、ファイバ光学プレート１をＣＣＤなどの撮像素子４に取り付けて、ファイバ光学プレート１を介して指紋の像を撮像素子４へ受光できる構造としておく。つまり、ファイバ光学プレート１の出射面３３を撮像素子４の受光面４１へ接合して、入射面２２に接触する指の指紋像を第一プレート２および第二プレート３を通じて受光面４１へ伝達できるようにしておく。
【００３７】
このような構造を有する指紋検出装置において、入射面２２に指を接触させると、その接触部分のみから第一プレート２内へ光が入射される。その光の像は、指紋の凹凸形状の像、即ち二次元的な指紋の像となって、第一プレート２の光ファイバ２１内を伝搬していく。そして、第一プレート２の出射面２３から出射され、第二プレート３の入射面３２へ入射される。その際、第一プレート２の光ファイバ２１に対し第二プレート３の光ファイバ３１の開口数は大きいものとされているから、第一プレート２と第二プレート３との接合部分で光損失がなく、第二プレート３内へ光の像が入射していくこととなる。
【００３８】
そして、その光の像は第二プレート３の出射面３３に達し、その出射面３３から撮像素子４の受光面４１へ入射される。このとき、第二プレート３の大きな開口数に伴って、指紋の像を構成する各光は出射面３３から広い範囲へ向けてそれぞれ出射される。このため、指紋の像は明瞭なものとなり、受光面４１に受光されることとなる。従って、撮像素子４に明瞭な指紋の像が入力され、精度の高い指紋検出が確実に行うことができる。
【００３９】
なお、このファイバ光学プレート１は、このような指紋検出装置のみに使用されるものではなく、光の入射を必要とする装置等であればその他のものに使用することも勿論可能である。
（実施形態２）
前述のファイバ光学プレート１において、第二プレート３の傾斜角θ3 は、第一プレート２から第二プレート３へ最大入射角で入射した光が第二プレート３のコア３４内におけるクラッド３５境界部分へ臨界角より大きい角度で入射されるような角度に設定される場合もある。たとえば、第一プレート２の傾斜角θ2と第二プレート３の傾斜角θ3 が同じ角度に設定されていてもよく、この場合、第一プレート２に対し第二プレート３の開口数が大きくなっていれば、第二プレート３からの光の出射特性の向上を図ることが可能となる。
（実施形態３）
前述のファイバ光学プレート１において、その使用方法にて撮像素子４の受光面４１とファイバ光学プレート１との間に、光結合性を図るためのその他のファイバ光学プレート５または６を介在させる場合もある。たとえば、図９に示すように、ファイバ光学プレート１と受光面４１との間に、光ファイバの光軸に対して入射面および出射面が直交する向きに形成されたファイバ光学プレート５を介在させることにより、ファイバ光学プレート１と撮像素子４との光結合性を高めてもよい。また、図１０に示すように、ファイバ光学プレート１と受光面４１との間に、入射面の面積に対し出射面の面積を小さくしたファイバ光学プレート６を介在させることにより、ファイバ光学プレート１の出射面３３と受光面４１の面積が異なるときに損失なく光の像の伝達が行えることとなる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の実施形態１に係る表面凹凸形状検出装置のファイバ光学プレートの全体概要図である。
【図２】図１のファイバ光学プレートの第一プレートの傾斜角の説明図である。
【図３】図１のファイバ光学プレートの第二プレートの出射面の説明図である。
【図４】図１のファイバ光学プレートの第二プレートの傾斜角の説明図である。
【図５】図１のファイバ光学プレートの第二プレートの傾斜角の説明図である。
【図６】図１のファイバ光学プレートの第二プレートの傾斜角の説明図である。
【図７】図１のファイバ光学プレートの第二プレートの傾斜角の説明図である。
【図８】実施形態１に係る表面凹凸形状検出装置の使用状態の説明図である。
【図９】実施形態３に係る表面凹凸形状検出装置の使用状態の説明図である。
【図１０】実施形態３におけるに係る表面凹凸形状検出装置の使用状態の説明図である。
【符号の説明】
【００４１】
１…ファイバ光学プレート、２…第一プレート、２１…光ファイバ、２２…入射面、２３…出射面、３…第二プレート、３１…光ファイバ、３２…入射面、３３…出射面、４…撮像素子。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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