(57)【要約】【課題】  映像キャプチャーしようとする模様が形成されている物体（ＰＯ）よりハイ・コントラスト、ロー・歪みの映像をキャプチャーするための光学システムを提供する。【解決手段】  本発明による光学システムは、出射面と受光面及びＰＯが接触される映像面を有する三角プリズムを含む。プリズムの受光面は、映像面に隣接しており、光源よりの光を光屈折手段内部に入射させる面である。出射面も同じく映像面に隣接しており、ＰＯ映像が出射面を通じて出射される。本発明による光学システムは、また、ＰＯ映像を受けて焦点を合わせるために、出射面に隣接している集光レンズと、出射面にＰＯ映像を形成するために光屈折手段に入射光を送る光源を更に含む。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
映像キャプチャーしようとする模様が形成されている物体（ＰＯ）が接触される映像面と、前記映像面に隣接する面であって光源よりの光が入射される少なくとも１つの受光面と、前記映像面に隣接する面であってＰＯの映像が出射される出射面と、を含む光屈折手段と、
前記光屈折手段の出射面に隣接し、前記出射面を通じて出射されるＰＯの映像を受けて焦点を合わせる少なくとも１つの集光レンズと、
前記受光面に隣接し、前記出射面に物体の映像を形成するために前記光屈折手段に光を入射させる少なくとも１つの光源と、
を含み、
映像が、前記少なくとも１つの集光レンズにより集光され、光源より放射される光が、前記光屈折手段の受光面に入射され前記映像面に当たる前に前記光屈折手段の少なくとも１つ以上の他の表面に当たるように前記光源が配置され、前記出射面を通じて出射された映像面よりのＰＯ映像が、映像面で散乱された光により形成されることを特徴とする、ハイ・コントラスト、ロー・歪みの映像キャプチャー光学システム。
【請求項２】
前記光屈折手段が、５面の三角プリズムであり、前記映像面が、前記出射面及び受光面とは異なる第１の矩形面を含むことを特徴とする、請求項１記載のハイ・コントラスト、ロー・歪みの映像キャプチャー光学システム。
【請求項３】
前記少なくとも１つの他の表面で反射された光が、前記映像面の臨界角より小さい角で映像面に当たることを特徴とする、請求項２記載のハイ・コントラスト、ロー・歪みの映像キャプチャー光学システム。
【請求項４】
前記三角プリズムが、二等辺三角形プリズムであることを特徴とする、請求項３記載のハイ・コントラスト、ロー・歪みの映像キャプチャー光学システム。
【請求項５】
前記三角プリズムが、前記映像面と向かい合い受光面に隣接した第１のエッジと、前記映像面に隣接した第２のエッジとを含み、
前記光源が、前記受光面に向かって受光面に平行して設けられ、前記第１のエッジに隣接する帯状のＬＥＤ光源であって、前記受光面に垂直し前記第２のエッジと交差する平面を越えないことを特徴とする、請求項４記載のハイ・コントラスト、ロー・歪みの映像キャプチャー光学システム。
【請求項６】
前記出射面には、前記受光面が含まれることを特徴とする、請求項５記載のハイ・コントラスト、ロー・歪みの映像キャプチャー光学システム。
【請求項７】
前記三角プリズムの映像面と受光面との間に追加面が含まれ、この追加面が、光拡散面を含むことを特徴とする、請求項５記載のハイ・コントラスト、ロー・歪みの映像キャプチャー光学システム。
【請求項８】
前記受光面の一部は、前記三角プリズムの内部に向かう面が、鏡面処理されていることを特徴とする、請求項７記載のハイ・コントラスト、ロー・歪みの映像キャプチャー光学システム。
【請求項９】
前記受光面の一部が、光吸収面を含むことを特徴とする、請求項８記載のハイ・コントラスト、ロー・歪みの映像キャプチャー光学システム。
【請求項１０】
前記第１のエッジに隣接した前記追加面の一部は、前記三角プリズムの内部に向かう面が、鏡面処理されていることを特徴とする、請求項９記載のハイ・コントラスト、ロー・歪みの映像キャプチャー光学システム。
【請求項１１】
前記集光レンズのレンズ面が、ＰＯの各部分の間の光路長の差を減らすために、前記出射面の平面に対して傾いており、前記二等辺三角形プリズムのベース角度が、４５°より大きくて映像の台形歪みが減少することを特徴とする、請求項１０記載のハイ・コントラスト、ロー・歪みの映像キャプチャー光学システム。
【請求項１２】
前記二等辺三角形プリズムのベース角度が、５０〜６５°の間であることを特徴とする、請求項１１記載のハイ・コントラスト、ロー・歪みの映像キャプチャー光学システム。
【請求項１３】
前記出射面が、前記受光面と映像面との間にあることを特徴とする、請求項５記載のハイ・コントラスト、ロー・歪みの映像キャプチャー光学システム。
【請求項１４】
前記第１のエッジに隣接した出射面の一部は、前記三角プリズムの内部に向かう面が、鏡面処理されていることを特徴とする、請求項１３記載のハイ・コントラスト、ロー・歪みの映像キャプチャー光学システム。
【請求項１５】
前記光源とイメージセンサとの間に遮光幕が設けられていることを特徴とする、請求項６または１４記載のハイ・コントラスト、ロー・歪みの映像キャプチャー光学システム。
【請求項１６】
前記受光面の、前記第１のエッジに隣接し光源と向かい合う領域に線が引かれ、前記受光面を通る光を拡散させることを特徴とする、請求項５または１５記載のハイ・コントラスト、ロー・歪みの映像キャプチャー光学システム。
【請求項１７】
映像キャプチャーしようとする模様が形成されている物体（ＰＯ）が置かれる映像面と、前記映像面と隣接して位置し光が入射される少なくとも１つの受光面と、前記受光面の反対側に位置しＰＯの映像が出射される出射面と、を含む第１のレンズと、
前記出射面に隣接して位置し出射面を通じて出射されたＰＯ映像を受けて焦点を合わせるための第２のレンズと、
前記受光面に隣接し、第１のレンズの出射面と映像面との間に光を照射する少なくとも１つの光源と、
を含み、
入射光が前記出射面を通じて漏れず、前記映像面と出射面との間で内部全反射を起こし、ＰＯの映像が前記映像面より散乱された光により形成されることを特徴とする、ハイ・コントラスト、ロー・歪みの映像キャプチャー光学システム。
【請求項１８】
前記第１のレンズが、円形であり、前記受光面が、前記第１のレンズの円周縁面であることを特徴とする、請求項１７記載のハイ・コントラスト、ロー・歪みの映像キャプチャー光学システム。
【請求項１９】
前記映像面が、凹状であることを特徴とする、請求項１８記載のハイ・コントラスト、ロー・歪みの映像キャプチャー光学システム。
【請求項２０】
前記受光面に隣接して位置した３つの光源を含むことを特徴とする、請求項１９前記のハイ・コントラスト、ロー・歪みの映像キャプチャー光学システム。
【請求項２１】
前記出射面が、凸状であることを特徴とする、請求項２０記載のハイ・コントラスト、ロー・歪みの映像キャプチャー光学システム。
【請求項２２】
前記第１のレンズ及び第２のレンズが、１つの単一レンズであることを特徴とする、請求項１８または２０記載のハイ・コントラスト、ロー・歪みの映像キャプチャー光学システム。
【請求項２３】
前記映像面が平面であり、前記出射面が凸状であることを特徴とする、請求項２２記載のハイ・コントラスト、ロー・歪みの映像キャプチャー光学システム。
【請求項２４】
映像キャプチャーしようとする模様が形成されている物体（ＰＯ）が接触される映像面と、前記映像面に隣接して位置し入射光が入射される少なくとも１つの受光面と、前記受光面に隣接して位置しＰＯの映像が出射される出射面と、を含む三角プリズムと、
前記出射面に隣接して位置し出射面より出射されるＰＯの映像を受けて焦点を合わせる少なくとも１つのレンズと、
前記受光面に隣接して位置し、前記三角プリズムの出射面と映像面との間に光を照射する少なくとも１つの光源と、
を含み、
入射光の少なくとも一部分が、前記出射面を通じて漏れず前記映像面と出射面との間で内部全反射を起こし、ＰＯの映像が前記映像面より散乱された光により形成されることを特徴とする、ハイ・コントラスト、ロー・歪みの映像キャプチャー光学システム。
【請求項２５】
前記受光面が、前記三角プリズムの第１の矩形面であり、前記映像面が、三角プリズムの第２の矩形面であり、前記出射面が、三角プリズムの第３の矩形面であることを特徴とする、請求項２４記載のハイ・コントラスト、ロー・歪みの映像キャプチャー光学システム。
【請求項２６】
前記三角プリズムが、二等辺三角形プリズムであることを特徴とする、請求項２５記載のハイ・コントラスト、ロー・歪みの映像キャプチャー光学システム。
【請求項２７】
第１の光源が、前記三角プリズムの第１の三角形面に隣接して位置し、第２の光源が、前記三角プリズムの第２の三角形面に隣接して位置することを特徴とする、請求項２４記載のハイ・コントラスト、ロー・歪みの映像キャプチャー光学システム。
【請求項２８】
前記第１の光源が、前記第１の三角形面と同一広さを有し、前記第２の光源が、前記第２の三角形面と同一広さを有することを特徴とする、請求項２７記載のハイ・コントラスト、ロー・歪みの映像キャプチャー光学システム。
【請求項２９】
前記第１の光源が、狭い形状であって、前記三角プリズムの映像面と第１の三角形面との間の第１のエッジに隣接して位置し、
前記第２の光源が、狭い形状であって、前記三角プリズムの映像面と第２の三角形面との間の第２のエッジに隣接して位置することを特徴とする、請求項２８記載のハイ・コントラスト、ロー・歪みの映像キャプチャー光学システム。
【請求項３０】
前記出射面に隣接した少なくとも１つのレンズが、少なくとも出射面程の幅を有することを特徴とする、請求項２８または２９記載のハイ・コントラスト、ロー・歪みの映像キャプチャー光学システム。
【請求項３１】
映像面、受光面、出射面を有する光屈折手段を設けるステップと、
前記光屈折手段の映像面に映像キャプチャーしようとする模様が形成されている物体（ＰＯ）を接触するステップと、
前記光屈折手段の受光面に光源よりの入射光を照射するステップと、
前記入射光が映像面に当たる前に、前記光屈折手段の映像面でない少なくとも１つの表面で入射光を反射させるステップ、
前記映像面とＰＯで入射光を散乱させ、前記出射面に出射させるステップと、
を含むことを特徴とする、模様が形成されている物体の映像キャプチャー方法。
【請求項３２】
前記出射面に隣接した位置にレンズを設けるステップと、
前記出射面より前記レンズに散乱光を入射させ、ＰＯの映像を形成するステップと、がさらに含まれることを特徴とする、請求項３１記載の模様が形成されている物体の映像キャプチャー方法。
【請求項３３】
前記光屈折手段を設けるステップが、ベース角度が４５°より大きい二等辺三角形プリズムを設けるステップを含むことを特徴とする、請求項３２記載の模様が形成されている物体の映像キャプチャー方法。
【請求項３４】
三角プリズムの少なくとも１面で入射光を反射させるステップが、三角プリズムの少なくとも１面で入射光を散乱させるステップを含むことを特徴とする、請求項３３記載の模様が形成されている物体の映像キャプチャー方法。
【請求項３５】
前記レンズを設けるステップが、ＰＯ映像で発生する台形歪みを減らすために、前記出射面に対してレンズを傾けるステップを含むことを特徴とする、請求項３４記載の模様が形成されている物体の映像キャプチャー方法。
【請求項３６】
映像面、受光面、出射面、及び両端の第１の三角形面、第２の三角形面を有する三角プリズムを設けるステップと、
前記三角プリズムの映像面に映像キャプチャーしようとする模様が形成されている物体（ＰＯ）を接触するステップと、
第１の光源よりの入射光を前記第１の三角形面を通じて前記三角プリズムの内部に照射するステップと、
前記映像面とＰＯで入射光を散乱させ、前記出射面に出射させるステップと、
前記出射面に隣接する位置にレンズを設けるステップと、
前記出射面で出射された散乱光を前記レンズに入射させ、ＰＯ映像を形成するステップと、
を含むことを特徴とする、模様が形成されている物体の映像キャプチャー方法。
【請求項３７】
前記第２の光源よりの入射光を前記第２の三角形面を通じて前記三角プリズムの内部に照射するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項３６記載の模様が形成されている物体の映像キャプチャー方法。
【請求項３８】
ハイ・コントラスト、ロー・歪みの映像をキャプチャーする光学システムが内蔵されているコンピュータ入力装置であって、
前記光学システムは、
映像キャプチャーしようとする模様が形成されている物体（ＰＯ）が接触される映像面と、前記映像面に隣接する面であって光源よりの光が入射される少なくとも１つの受光面と、前記映像面に隣接する面であってＰＯの映像が出射される出射面と、を含む光屈折手段と、
前記光屈折手段の出射面に隣接し、前記出射面を通じて出射されるＰＯの映像を受けて焦点を合わせる少なくとも１つの集光レンズと、
前記受光面に隣接し、前記出射面に物体の映像を形成するために前記光屈折手段に光を入射させる少なくとも１つの光源と、
を含み、
映像が、前記少なくとも１つの集光レンズにより集光され、光源より放射される光が、前記光屈折手段の受光面に入射され前記映像面に当たる前に前記光屈折手段の少なくとも１つ以上の他の表面に当たるように前記光源が配置され、前記出射面を通じて出射された映像面よりのＰＯ映像が、映像面で散乱された光により形成されることを特徴とする、コンピュータ入力装置。
【請求項３９】
前記コンピュータ入力装置がマウスであり、マウスの内部に映像キャプチャーシステムが設けられることを特徴とする、請求項３８記載のコンピュータ入力装置。
【請求項４０】
前記光屈折手段が、二等辺三角形プリズムであることを特徴とする、請求項３９記載のコンピュータ入力装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、映像のキャプチャー及び認識システムに使用される光学システムに関し、更に詳しくは、本発明は、映像キャプチャーしようとする模様が形成されている物体（patterned  object、以下、ＰＯと称する）よりハイ・コントラスト（high  contrast）、ロー・歪み（low  distortion）の映像をキャプチャーするための光学システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＰＯ認識システムは、産業的、商業的に一般化されており、様々な使い道を持っている。例えば、ＰＯ認識システムは、絵、写真、テキストをスキャニングするためのスキャナー内で使用され得る。最近に入って、生産者らは、より一層実用的にユーザが製品を使用することができるようにするためのパターン認識システムと関連し、費用節減の方案を試みてきている。そのような試みのうちの１つとして、指紋キャプチャー及び認識を含むパターン認識システムがある。このようなシステムは、例えばコンピュータの特定機能、またはファイルのアクセスまたはコンピュータを使用するにおいて、承認された使用者の指紋と比べるために潜在的使用者の指紋を読み取ることにより、コンピュータの保安性を高めるのに使用される。かかるシステムは、例えば使用者ログイン名前及びパスワードを使用する保安システムに代わり得る。
【０００３】
指紋認識システム、またはその他パターン認識システムは、分析のために必ず正確な指紋等のパターンをキャプチャーできなければならない。このように、パターンデータのキャプチャーのための方法として様々なメカニズムが開発されている。例えば、米国特許第３,９７５,７１１号、第４,６８１,４３５号、第５,０５１,５７６号、第５,１７７,４３５号、第５,２３３,４０４号には、全てＰＯ映像キャプチャーのための装置について開示されている。
【０００４】
図１は、光学的指紋キャプチャー及び認識システムの先行技術のいずれかの構成図である。図１において、光学認識システム１０８は、光源１１２、光学三角プリズム１１０、レンズ体１１４、イメージセンサ１１６、格納及び処理ユニット１２５を含む。プリズム１１０は、映像面（imaging  surface）１１８、受光面（light  receiving  surface）１２０、出射面（viewing  surface）１２２を含む。映像面１１８は、指紋等のパターン映像（ＰＯ）が接触する面である。光源１１２は、例えばＬＥＤ等のようなものであるが、受光面１２０に隣接しており、入射光１２４を形成し、入射光１２４は、光学プリズム１１０に送られる。光学プリズム１１０は、直角二等辺三角形であり、映像面１１８と向かい合う角の角度が９０°に近く、他の２つのベース角（即ち、二等辺プリズムの両方の角）は、それぞれ４５°に近い。
【０００５】
一般に、入射光１２４は、映像面の法線１１５に対して所定の角度１２６で映像面１１８に入射される。入射角１２６は、臨界角１２８より大きい。一般に、臨界角は、入射光線と表面の法線との間にある。入射角が臨界角より大きい時、入射光は、表面の内部で全反射され、臨界角より小さい時、入射光は、表面を通り過ぎてしまう。従って、臨界角１２８とは、映像面１１８より全反射された反射光１３０が出射面１２２を通じて出射される時の映像面１１８の法線に対する角度である。反射光１３０は、出射面１２２に隣接しているレンズ体１１４を通る。レンズ体１１４は、１つ以上の光学レンズを含むことができる。レンズ体１１４よりの光は、イメージセンサ１１６によりキャプチャーされる。イメージセンサ１１６としては、例えばＣＣＤまたはＣＭＯＳ素子が使用可能であり、光学的に映像をキャプチャーし、キャプチャーした映像を電気信号に変換する。このようなイメージセンサは、当業者に広く知られている。また、電気信号は、格納及び処理ユニット１２５に送られる。
【０００６】
格納及び処理ユニット１２５は、メモリユニット、プロセッサ、Ａ／Ｄコンバータを含むことができる（図示せず）。Ａ／Ｄコンバータは、イメージセンサ１１６より出たアナログ電気信号をデジタルデータに変換する。メモリは、格納された指紋映像とキャプチャーされた指紋映像との比較のためのアルゴリズムとデジタルデータを格納するために使用される。プロセッサは、キャプチャーされたデジタルデータをデータ比較アルゴリズムに基づいて事前に格納されたデータと比較する。プロセッサは、また、格納されたデータの比較でない他の目的のためにキャプチャーデータを分析することもできる。かかる格納及び処理ユニットは、当業者に広く知られており、適合なソフトウェアを備えた標準化されたパソコンを含むことができる。映像データの比較及び処理のためのアルゴリズムとして発表されたものとしては、米国特許第４,１３５,１４７号と第４,６８８,９９５号が例として挙げられる。
【０００７】
指紋が光学プリズムの映像面１１８上に置かれた時、指紋の隆線（ridge）１１１）は、映像面１１８に触れ、指紋の谷（valley）１０９は、映像面１１８に触れない状態を保持する。従って、光源１１２より光学プリズム１１０に入射する入射光１２４の入射角がプリズム１１０の臨界角を超えると、指紋の谷１０９が接している映像面１１８で内部全反射される。ところが、指紋の隆線１１１で僅かの入射光１２４は、吸収され散乱される。ここで用いられたように、”散乱”とは、光が不規則な面に当たってから、多方向に放射されるか、不規則に反射されることを指す。
【０００８】
散乱及び吸収の結果として、指紋隆線１１１で入射光１２４の内部全反射は、極めて少なく起こる。従って、指紋の谷１０９よりプリズム１１０を離れた反射光１３０の光量は、指紋の隆線１１１よりプリズム１１０を離れた反射光１３０より多い。隆線１１１より散乱されて光量の少ない反射光１３０は暗く現れ、光線と指紋表面との間の光入射地点に物体があることを示す。逆に、内部全反射されて光量の多い反射光１３０は明るく現れ、入射光１２４と映像面１１８との間の光入射地点に物体がないことを示す。これは、相対的に明るい指紋谷１０９の領域と相対的に暗い指紋隆線１１１の領域を区分できるようにする。なぜならば、指紋隆線１１１の部分での入射光の吸収は、主に指紋映像の形成に影響を及ぼすためである。かかるシステム１０８を吸収方式映像システムという。
【０００９】
前述したシステムは、光学的に指紋映像をキャプチャーし、指紋映像の電気的なデータの処理を可能にする。しかし、指紋隆線１１１部分で、入射光１２４は、相変わらず反射光１３０に平行な方向に若干の内部全反射と散乱を引き起こす。ゆえに、指紋隆線１１１と指紋谷１０９よりの反射光１３０の光量の差は、相対的に少なくなり得る。即ち、指紋映像において、指紋隆線１１１と指紋谷１０９との間のコントラストが低くなり得る。これは、映像のキャプチャー、処理及び比較を難しくする。
【００１０】
また、前記光学認識システム１０８は、光学プリズム１１０とレンズ体１１４との間が遠いため、システム全体の大きさが相対的に大きくなる傾向がある。光学プリズム１１０とレンズ体１１４との間の距離が遠いのは、映像面１１８の指紋がレンズ体１１４の一番目のレンズより大きいからである。従って、仮に、レンズ体１１４が出射面１２２に相対的に近く置かれると、レンズ体１１４は、指紋の縁付近では指紋映像をキャプチャーできなくなるはずである。ゆえに、システム１０８で光学プリズム１１０とレンズ体１１４との間の距離は、相対的に遠いことが好ましいが、これは指紋縁付近でより良い映像を提供することができるからである。従って、映像キャプチャーシステム１０８を比較的に小さく作製することができなくなるという問題が生じる。また、出射面１２２とレンズ体１１４との間の距離が遠くなるほど、光の干渉により指紋映像においてコントラストのロスを招き得る。
【００１１】
更に、映像キャプチャー装置１０８では、台形歪み現象が発生し得る。映像システムにおいて台形歪みとは、システムがキャプチャーした矩形の映像が台形に見えることをいう。図２は、映像キャプチャーシステム１０８において、どのようにして台形歪みが発生されるのかを示す模式図である。光源１１２よりの入射光１２４はプリズム１１０に入り、映像面１１８で反射されて映像ＡＢを形成する。また、反射光１３０は、出射面１２２とレンズ体１１４を通りＡ’とＢ’地点で像Ａ’Ｂ’を形成する。出射面１２２を通じて見られる像ＡＢは、“見かけ像（apparent  image）”として像ａｂに位置しているように見える。具体的に説明すると、Ａ地点は、出射面１２２よりａａ’距離のａ地点にあるように見え、Ｂ地点は、出射面１２２よりｂｂ’距離のｂ地点にあるように現れる。出射面１２２より物体の見かけ像が現れる距離は、出射面１２２より物体までの距離をプリズム１１０の屈折率ｎで割った値で与えられる。具体的に説明すると、距離ａａ’は、次の通りである。ここで、ｎは、プリズム１１０の屈折率である。
【００１２】
ａａ’＝Ａａ’／ｎ
同じく、ｂｂ’＝Ｂｂ’／ｎである。
【００１３】
台形歪みは、物体の見かけ像よりレンズ体１１４のレンズ面までの光路の長さが、映像キャプチャーされた物体の他の部分と異なる時起こる。具体的に、台形歪みは、システム１０８において距離ａＡ’がｂＢ’より長いため起こる。前記の式から分かるように、台形歪みは、事物の屈折率が１でないところを光が通る時にのみ起こり得る（空気中で事物はｎ＝１の屈折率を有すると仮定）。
【００１４】
かかる歪みを補償するために、先行技術では、レンズ体１１４のレンズ面１０７とイメージセンサ１１６を傾けて２つの地点の距離が近接する点までｂＢ’の距離を延ばし、ａＡ’の距離を減らす方法を取っている。しかし、直角二等辺プリズム（即ち、頂点の角度が９０°に近く、ベース角が４５°に近い三角形）の特性上、反射光１３０は出射面１２２に垂直にプリズム１１０を出る。従って、反射光１３０が出射面１２２を通り抜ける時に屈折は生じない。更に、一般に透明な物体表面への入射角が大きい程、入射光は表面より多量反射される。従って、レンズ体１１４を傾けることにより、台形歪みを減らすことはできるが、これは、反射光１３０がより大きい入射角でレンズ体１１４に当たるため、レンズ体１１４の表面とイメージセンサ１１６の表面で反射光１３０の反射を多く起こす。イメージセンサ１１６に入る光の光量の減少により、イメージ処理及び比較をより難しくする。
【００１５】
また、光源１１２とレンズ体１１４との相対的な配置は、光源１１２より漏れ出した光１１３がレンズ体１１４に入ることを可能にする。これにより、キャプチャーされた映像の質が低下し、映像処理をより難しくする付加的な背景である”ノイズ光”が発生する。
【００１６】
かかる吸収式映像キャプチャーシステムの問題点を克服するために、映像キャプチャーシステムは、吸収式よりは散乱式を基盤にして設計されている。かかる映像キャプチャーシステムは、１９９３年８月３日に登録された米国特許第５,２３３,４０４号に開示されている。図３は、上記米国特許の映像キャプチャー装置の一部分を説明する構成図である。図３に示したように、先行技術の映像キャプチャーシステム２０８は、台形プリズム２１０、光源２１２、レンズ体２１４、イメージセンサ２１６を含む。台形プリズム２１０は、少なくとも映像面２１８、受光面２２０、出射面２２２を含む。
【００１７】
映像面２１８は、指紋等の物体映像が接触する面である。光源２１２は、映像面２１８に平行な受光面２２０に隣接している。ゆえに、光源２１２よりの入射光２２４は、プリズム２１０を通り映像面２１８に臨界角２２８より小さい角で入射される。従って、指紋の谷２０９が映像面に触れた部分では、内部全反射が起こらず映像面２１８を通り抜ける。映像面２１８に触れている指紋の隆線２１１部分に当たった入射光２２４は、散乱（または、不規則反射）される。散乱された光２３０は、出射面２２２に隣接して設けられたレンズ体２１４への方向を含む、全ての方向へプリズム２１０に伝播される。散乱された光は、前記のＣＣＤ、ＣＭＯＳまたは他のタイプの検出器のイメージセンサ２１６により検出されるために、出射面２２２を通りレンズ体２１４に入る。指紋の谷２０９部分で入射光２２４は、映像面２１８を通り過ぎる。また、指紋隆線２１１が接している映像面２１８で散乱された入射光２２４は、レンズ体２１４とイメージセンサ２１６により捕捉される。従って、指紋の映像は、指紋隆線２１１で相対的に明るく、指紋谷２０９で相対的に暗い。散乱された光２３０がイメージセンサ２１６により捕捉されるため、かかる方式のシステムを散乱式システムという。
【００１８】
散乱方式により形成された指紋映像の隆線と谷との間の光の光量差は、図１に示した吸収方式により形成された指紋映像の隆線と谷との間の光の光量差より大きい。その結果、指紋映像の指紋隆線と谷との間のコントラストは、散乱方式により形成された指紋の場合が吸収方式により形成されたそれより高い。従って、散乱式における映像は、イメージセンサ２１６により更に的確にキャプチャーされ得る。これにより、システムにより遂行される後続ステップである指紋比較ステップにおけるエラーを減らすことができる。しかし、プリズム２１０のような台形プリズムが図１に示したプリズム１１０のような三角プリズムより製造コストが多く掛かる。色々な理由があるが、台形プリズムが三角プリズムより研磨しなければならない面が多いためである。これは、映像システムの価格の上昇と繋がりかねなく、ユーザをして使用を躊躇させる。さらには、使用される台形プリズムは、三角プリズムより大きい。従って、台形プリズムにより、映像システムを小型化することが困難である。
【００１９】
また、散乱式映像キャプチャーシステム２０８においても、吸収式映像キャプチャーシステム１０８でと同様に指紋映像の台形歪みが起こり得る。これは、特に映像面２１８と出射面２２２との角度が４５°に近い時起こるが、このような場合は、映像キャプチャーシステム２０８においても前述した映像キャプチャーシステム１０８でと同様な理由にて台形歪みが起こり得る。このように、映像面と出射面との間の角度が４５°の台形プリズムを使用する映像キャプチャーシステムの例として米国特許第５,２１０,５８８号が挙げられる。
【００２０】
前述のように、ＰＯ認識システムの使用のためには、改良された映像キャプチャー装置を必要とする。即ち、ハイ・コントラスト、ロー・歪みの映像をキャプチャーする映像キャプチャー装置が好ましい。また、装置は、小型且つ低価格の生産費用で使用者に適合するように提供されるべきである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
本発明は、前述した従来技術の問題点を解決するためになされたものとして、ハイ・コントラスト、ロー・歪みの映像を比較的に低価で形成することのできる、小型の映像キャプチャー光学システム、及びその映像キャプチャー方法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】
【００２２】
前述した課題を解決するための本発明によるハイ・コントラスト、ロー・歪み映像キャプチャー光学システムの第１の特徴は、出射面と受光面及びＰＯが接触される映像面を有する光屈折手段を含むことである。受光面は、映像面に隣接しており、光源よりの光を光屈折手段内部に入射させる面である。出射面も同じく映像面に隣接しており、ＰＯ映像が出射面を通じて出射される。本発明による光学システムは、また、ＰＯ映像を受けて焦点を合わせるために、出射面に隣接している集光レンズを含む。受光面に隣接して光源が設けられているが、光源は、出射面にＰＯ映像を形成するために光屈折手段に入射光を送る。そうすると、集光レンズが映像を集光する。光源は、光が映像面に当たる前に少なくとも１つの他の面に当たることができる位置に設けられる。こうして、映像面と出射面を通じて出射される映像は、ほぼ全て散乱光により形成されたものである。かかる散乱により形成された映像は、比較的に高いコントラストと均一な照度とを有するという長所がある。
【００２３】
本発明の第２の特徴によると、光屈折手段は、４５°より大きいベース角度を有する二等辺三角形プリズムである。また、集光レンズのレンズ面は、出射面に対して傾いており、ＰＯの映像で発生する台形歪みが大きく減少するという長所がある。
【００２４】
本発明の第３の特徴によるＰＯ映像キャプチャー装置は、第１のレンズ、レンズ体、光源を含む。第１のレンズは、ＰＯが接触される映像面と、入射面の反対側に位置する面であって物体の映像が出射される出射面とを含む。第１のレンズは、また、映像面に隣接している受光面を含む。光源は、映像面と出射面との間に入射光を送るために、入射面に隣接して位置する。入射光は、映像面と出射面との間で出射面を通過して出射されず、レンズ内部で全反射される。かかる方法で、出射面を通じて出射されるＰＯ映像は、ほぼ全て散乱光により形成される。また、本発明による装置は、出射面に隣接したレンズ体を含むが、レンズ体は、出射面を通じて出射されるＰＯ映像の焦点をイメージセンサに合わせる。
【００２５】
第１のレンズの映像面は、この映像面に接触される指紋の形状に合うように凹状に形成され得る。また、第１のレンズとレンズ体は、一体形に形成され得る。これにより、組立が容易になり、製造費用が節減、且つ映像キャプチャーシステムの小型化が可能である。
【００２６】
本発明の第４の特徴による映像キャプチャー装置は、三角プリズム、集光レンズ、光源を含む。三角プリズムは、映像面、映像面に隣接した受光面、受光面に隣接した出射面を含む。レンズは出射面に隣接しており、出射面よりＰＯ映像を受けて焦点を合わせる役割を果たす。光源は、三角プリズムの内部に光を入射するためのものであって、映像面と出射面との間に光を入射するために、受光面に隣接して位置する。入射光の大部分は、出射面を通り過ぎず、映像面と出射面との間で内部全反射を起こす。これにより、出射面を通じて集光レンズに集光されるＰＯ映像は、ほぼ全て映像面より散乱された光により形成される。
【００２７】
前記第４の特徴によると、第１の光源は、プリズムの一端の第１の三角形面に位置し、第２の光源は、プリズムの第１の三角形面の反対端の第２の三角形面に設けられる。かかる構成により、映像面に均一に照射をすることができ、比較的に均一なＰＯ映像が得られる。
【００２８】
一方、本発明によるＰＯ映像キャプチャー方法は、映像面、受光面、出射面を有する光屈折手段を設けるステップを含む。ＰＯは、映像面に接触される。光源よりの入射光は、受光面を通して光屈折手段に入射され、入射光は、映像面に当たる前に光屈折手段の映像面でない少なくとも一面で反射される。入射光は、映像面及びＰＯで散乱され、出射面を通じて出射される。レンズは、出射面に隣接して設けられるが、出射面で出射される散乱光は、レンズにより集光されてＰＯ映像が形成される。
【００２９】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
図４及び５は、本発明によるＰＯ映像キャプチャーシステム３０８を示している。映像キャプチャーシステム３０８は、三角プリズム３１０、光源３１２、レンズ体３１４、イメージセンサ３１６からなる。プリズム３１０は、図４図示の紙平面から奥方向に延びる長さを有する５面体の二等辺三角形プリズムである。プリズム３１０は、指紋３３５等の映像キャプチャーしようとする物体ＰＯが置かれる矩形の映像面３１８を含む。また、プリズム３１０は、映像面３１８に接触した指紋３３５の映像をプリズム３１０の外に出射させる矩形の出射面３２０を含む。図４及び５の実施の形態において、出射面３２０は、プリズム３１０の内に光が入るようにするための受光面として作用する。プリズムの光散乱面３２２は、プリズム３１０の第３の矩形面を形成する。次にその理由を詳しく説明するが、光散乱面３２２は、なるべく拡散板処理されたものが好ましい。
【００３１】
光源３１２は、なるべくプリズム３１０の長さ（図４図示の紙平面から奥方向に延びた）程度に長く延びて一列に配列されたＬＥＤアレーであれば良い。かかるＬＥＤアレーが光源として使われるとすれば、拡散蓋体が、映像面３１８のより一層の均一な照明のために、ＬＥＤと出射面３２０との間に設けられ得る。なお、光源３１２としては、如何なるタイプの光源でもプリズム３１０の内に入射光を入射することができればよく、また、これは本発明の範囲に属する。光源３１２は、なるべく映像面３１８と向かい合っているエッジ３３８に沿って設けられることが好ましい。
【００３２】
レンズ体３１４は、指紋３３５より散乱された光３３０を受けて、イメージセンサ３１６上にこの散乱された光３３０の焦点を形成するためのものである。レンズ体３１４は、１つのレンズ、もしくは多数のレンズからなり得る。最も好ましくは、レンズ体３１４は、１３．４８ｍｍに近い焦点距離を有し、出射面３２０より約１３．５ｍｍの位置にあるのが良い。また、レンズ体３１４の一実施例の構成図である図６Ｂで示したように、レンズ体は、３つのレンズ９０４、９０６、９０８からなるものが最も好ましいが、それぞれの光軸は、共通の光軸９０２上に一列におかれる。レンズ９０４は、約１７．８ｍｍの直径を有し、２つのレンズ９０６、９０８は、約６ｍｍの直径を有することが最も好ましい。しかし、レンズ体３１４では幾つものレンズが含まれても構わない。
【００３３】
イメージセンサ３１６は、レンズ体３１４より光学的光映像をキャプチャーし、キャプチャーした映像を電気信号に変換する。イメージセンサ３１６としては、光信号をアナログまたはデジタル信号に変換することができるＣＣＤまたは他の変換手段を使用することができる。なお、イメージセンサ３１６としてＣＭＯＳ素子を使用することが好ましい。ＣＣＤとＣＭＯＳイメージセンサは、当業者に広く知られている。イメージセンサ３１６により形成された電気信号は、周知の手段により処理されて、指紋等の入力パターンを比較するのに使用される。従来の技術で説明したように、かかる信号処理方法は、米国特許第４,１３５,１４７号と、第４,６８８,９９５号に開示されている通りである。
【００３４】
イメージセンサ３１６上に指紋３３５の光学的映像を形成するために、指紋３３５が映像面３１８に置かれる。光源３１２よりの入射光３２４は、出射面３２０を通ってプリズム３１０に入る。光源３１２がエッジ３３８に隣接しているため、入射光３２４は散乱面３２２に当たる。前述のように、散乱面３２２は、拡散性があるものが良い。そうすれば、比較的多量の入射光３２４が散乱面３２２から散乱されてプリズム３１０の内に入る。仮に、光散乱面３２２が拡散性でないとしても、ほぼ全ての入射光３２４は、散乱面３２２の臨界角より大きい角度３２３で散乱面３２２に当たる。ゆえに、入射光は、散乱面３２２で反射され、映像面３１８に当たる。散乱面３２２で入射光の反射を増大させるために、散乱面３２２側に鏡面が向かうように反射面３８１を設けることもできる。
【００３５】
入射光３２４が散乱面３２２で散乱されるか、直接反射されるため、相対的に多量の入射光３２４が映像面３１８の臨界角３２８より小さい角度３２７で映像面３１８に当たるはずである。従って、指紋の谷３０９で映像面３１８に当たる入射光３２４は、内部全反射を起こすことができず、大概映像面３１８を抜け出すようになる。それで、指紋の谷３０９が接触された映像面３１８領域では、光が殆ど検出されないのに対し、指紋の隆線３１１が接触されている映像面３１８領域に当たった入射光３２４は、大部分散乱されて散乱光３３０を形成する。散乱光の一部分は、出射面３２０を通じてプリズム３１０を抜け出す。散乱光３３０は、プリズム３１０を抜け出してレンズ体３１４に回折して入り、イメージセンサ３１６に焦点を合わせる。
【００３６】
入射光３２４は、散乱面３２２により散乱されるため、入射光３２４は、比較的均一な照度で映像面３１８に提供されなければ、均一な画質の映像を形成することができない。格納された指紋データとの比較及び処理が容易になるために、このように均一な照度の映像を得なければならないのである。映像面３１８に対する照度の均一性を増加させるために、図５に示したように、光源３１２と当接した出射面３２０の一部にエッチングライン３７０を引くことができる。エッチングライン３７０は、エッジ先端３３８に平行してプリズム３１０の長さ方向に引かれる。エッチングライン３７０により、光源３１２より入射された光が出射面３２０を通りながら拡散され、照度が均一になる。上述のように、かかる拡散効果により映像面３１８に対して照度の均一性が向上する。
【００３７】
上述した構成要素らの以外に、映像キャプチャーシステム３０８は、光源３１２に隣接した受光面の一部に遮光幕３５０を含むことが好ましい。遮光幕３５０は、プリズム３１０の全長に亙って（図４図示の紙平面から奥方向に）設けられていることが好ましい。遮光幕３５０は、光源３１２より漏れ出した光がレンズ体３１４に入り、指紋映像と干渉を起こすか、映像をぼやけて見えるようにする問題を排除するためのものである。更に、プリズム３１０の内側と当接する遮光幕３５０の表面は、鏡面になった方が良い。かかる鏡面により映像面３１８上に散乱された入射光の光量を高めることができる。遮光幕３５０に加えて（または、遮光幕の代わりに）、第２の遮光幕３５２が光源３１２とレンズ体３１４との間に設けられ得る。第２の遮光幕３５２は、レンズ体３１４に入る光源３１２より漏れ出す光を防ぐのに適合した角度を有して出射面３２０に設けられることが好ましい。
【００３８】
光源３１２は、比較的狭く、映像面３１８と向かい合う側のエッジ３３８に隣接して位置するために、映像面３１８に到達するほぼ全ての入射光３２４は、散乱面３２２で反射または散乱される。即ち、光源３１２より直接的に映像面３１８に当たる入射光３２４は殆どない。入射光３２４が直接的に映像面３１８に当たることを減らすために、図５に示したように、光源３１２がライン３６０を越えないようにすることが望ましいが、このライン３６０は、出射面３２０に垂直し、映像面３１８に連接しているエッジ３６５と交差する平面により決まり、プリズム３１０の長さ方向に引かれる。光源３１２がエッジ先端３３８に対してこのラインの側に位置すれば、光源３１２より垂直に入射され、直接的に映像面３１８に当たる入射光３２４は、殆どないはずである。
【００３９】
光源３１２より映像面に直接的に入射される入射光３２４を最小化することにより、指紋の谷３０９が接触されている映像面３１８領域で入射光３２４の内部全反射は殆ど起こらない。これは、指紋の谷部分より出射面３２０を通じてレンズ体３１４に入る光は、殆どないことを意味する。それに対し、映像面３１８よりレンズ体３１４に入るほぼ全ての光は、映像面３１８上の指紋隆線３１１より散乱されたものである。これにより、指紋映像において、指紋の隆線３１１と谷３０９との間でハイ・コントラストを有するようになる。このようにハイ・コントラストを有する指紋映像は、他の指紋映像との比較及び処理を容易にし、処理の正確性を増大させる利点がある。
【００４０】
更に、映像キャプチャーのために使用される散乱方式の技術が、従来の技術で述べた米国特許第５，２３３，４０４号に開示された台形プリズムでない三角プリズムで具現される。三角プリズムが台形プリズムより製造の面において遥かに効率的であるため、本発明による映像キャプチャーシステム３０８の製造費用が相対的に低廉であるという利点がある。
【００４１】
それに、本発明では、散乱された光が物体より一方向でない多方向に散乱される。従って、物体より散乱された光は、レンズにより映像のエッジ付近でも画質が低下することなく、広い範囲の距離でも捕捉されて焦点が合わせられる。従って、レンズ体３１４が、画質の低下なしに出射面３２０に比較的に近く設けられ得る。このような利点で映像キャプチャーシステム３０８を小型化することが可能である。
【００４２】
また、本発明の映像キャプチャーシステムでは、台形歪みを減らすことができる。従来の技術で述べたように、実物の映像より所定に歪まれる映像において明らかとなる。台形歪みは、物体の見かけ像における物体映像の一部分からレンズ体３１４への光路長が他の部分からのそれと異なる時に発生する。図６Ａに示したように、映像キャプチャーシステム３０８において、指紋３３５の見かけ像３３５’の相互異なる地点よりレンズ体３１４への散乱された光３３０の経路長がほぼ同一である。具体的に説明すると、ＡＡ’とＢＢ’とＣＣ’の経路長がほぼ同一である。従って、本発明では、台形歪みを減らすことができるという利点がある。図６Ａで示したように、経路長ＡＡ’、ＢＢ’、ＣＣ’の同一化は、出射面３２０に対してレンズ体３１４を傾けることにより容易になる。しかし、図１に示した映像キャプチャーシステム１０８とは異なり、レンズ体３１４を傾けてもイメージセンサ３１６に到達する映像の光量が減ることはない。従来の技術で説明した映像キャプチャーシステム１０８では、レンズ体１１４を傾けると、反射光１３０がレンズ体３１４の第１のレンズにその法線と所定の角をもって当たるようになる。これは、レンズ体１１４の表面より反射光１３０が大きく反射されるようにし、イメージセンサ１１６に到達する光量が減るという好ましくない結果をもたらす。
【００４３】
しかし、前述のように、プリズム３１０は、二等辺プリズムであってベース角度３４０、３４１が４５°以上であることが好ましい。ベース角度３４０は、映像面３１８と散乱面３２２との間のエッジ３６５の角度であり、ベース角度３４１は、映像面３１８と向かい合う側のエッジ３３８の角度である。また、プリズム３１０の屈折率は、１でないことが好ましい。従って、出射面３２０に当たる散乱光３３０は、プリズム３１０を抜け出しながら出射面３２０の法線から屈折される。それで、レンズ体３１４のレンズ面３０７を傾けることにより、散乱光３３０は、ほぼ９０°でレンズ体３１４に当たるようになる。従って、レンズ体３１４の表面で散乱光の追加の反射により映像光量のロスはなくなり、イメージセンサ３１６における映像光量のロスなく、台形歪みが減り得る。エッジ３６５、３３８におけるプリズム３１０のベース角度は、５０〜６５°が好ましく、更に好ましくは、６２°または６３°である。プリズム３１０が６２°に近いベース角度を有するとすれば、プリズム３１０の屈折率は、１．７１〜１．７２であることが好ましく、更に好ましくは、１．７１３に近いことである。また、プリズム３１０が６３°に近いベース角度を有するとすれば、プリズム３１０の屈折率は、１．６８〜１．７０であることが好ましく、更に好ましくは、１．６９３５または１．６９６８に近いことである。しかし、プリズム３１０は、１より大きい何れの屈折率をも有し得る。
【００４４】
プリズム３１０は、空気の屈折率の１とは異なる屈折率を持つガラス、アクリル、またはその他透明な金属から作製することができる。プリズムは、韓国のShinkwang  Ltd．により望む屈折率と角度を各々有するものを入手することができ、品番ＬａＫ−７またはＬａＫ−８のガラスで作製することができる。
【００４５】
レンズ体３１４は、韓国のオプティカルシステム社により入手することができ、品番ＢＫ７のガラスで作製した。仮に、図６Ａに示したレンズ体３１４に１つ以上の構成要素が使用されるとすれば、各構成要素は、当業者に知られているプラスチックモールド方法等により作製されたフレームにより整列され、間隔が調節され得る。
【００４６】
光源３１２は、回路基板上に一直線に配列された４つの既製品のＬＥＤアレーからなる。ＬＥＤの電力供給方式は、当業者に広く知られている。イメージセンサ３１６は、ＣＭＯＳタイプのセンサが好ましく、韓国の現代電子、米国カリフォルニアサンホセのＶＬＳＩビジョン、またはカリフォルニアサニーべイルのオムニビジョンテクノロジーより購入できる。
【００４７】
図４に示した映像キャプチャーの構成要素を定位置に位置させるために、各構成要素のためのホールディングスロット（holding  slot）を有するフレームをプラスチックモールドまたは他の方法で作製することができる。光源３１２は、出射面３２０に隣接したホールディングスロットに差し込まれるか、公知の透明接着剤により出射面３２０に直接取り付けられ得る。
【００４８】
図４ないし６に示した本発明の実施の形態において、光源３１２は、受光面でもある出射面３２０に位置する。しかし、光源３１２を三角プリズムの他の表面に移動させても本発明の技術的範囲を外れるわけではない。このように、光源を出射面でない他の面に隣接して設ける一実施の形態が、図７に示されている。図７Ｒ＞７で示したように、本実施の形態による映像キャプチャーシステム４０８は、二等辺三角形プリズム４１０、光源４１２、レンズ体４１４、イメージセンサ４１６を含む。前述した映像キャプチャーシステム３０８のプリズム３１０のように、本実施の形態のプリズム４１０は、指紋４３５が接触する面の映像面４１８とレンズ体４１４上に投影される指紋４３５映像が通る出射面４２０を含む。
【００４９】
ところが、光源４１２は、出射面４２０でない受光面４２２に隣接しているという点が異なる。光源４１２は、比較的に狭い光源であり、１ラインのＬＥＤで可能である。光源４１２は、映像面４１８と向かい合う側のエッジ４３８にプリズム４１０の長さ方向（図７図示の紙平面から奥方向）に隣接していることが好ましい。映像キャプチャーシステム３０８の光源３１２でのように、本実施の形態の光源４１２も、受光面４２２に垂直し受光面４２２と向かい合う側のエッジ４６５と交差する平面により決まる受光面４２２上のラインを越えないことが好ましい。
【００５０】
光源４１２よりの入射光４２４は、受光面４２２を通って出射面４２０に当たる。出射面４２０上で入射光４２４の大部分は入射角度が出射面４２０の臨界角より大きいため、入射光４２４は、出射面４２０で反射または散乱されて映像面４１８に当たるはずである。ここで、本映像キャプチャーシステム４０８の作用の大部分は、映像キャプチャーシステム３０８と類似している。映像面４１８の臨界角より小さい角で映像面に当る入射光４２４は、出射面４２０を通って指紋映像をレンズ体４１４に投影させる。また、レンズ体４１４は、イメージセンサ４１６に指紋映像の焦点を合わせるようにする。
【００５１】
上述のように、入射光４２４は、映像面４１８に当たる前に出射面４２０で散乱もしくは反射する。これは、映像面４１８に比較的に均一な照度を提供するという利点がある。また、ほぼ全ての入射光４２４は、映像面４１８の臨界角より小さい角度で映像面４１８に当たる。従って、映像キャプチャーシステム３０８と関連し前述のように、出射面４２０を通じて出射された指紋４３５映像は、ほぼ全ての散乱光４３０により形成される。これにより、映像の歪みなしにレンズ体４１４を相対的に出射面４２０に近く位置させることができ、ハイ・コントラストの指紋映像を提供することができる。
【００５２】
前述した映像キャプチャーシステム３０８でのように、本映像キャプチャーシステム４０８は、長さ方向（図７図示の紙平面から奥方向）にエッジ先端４３８に隣接して出射面４２０上に形成される遮光幕４５０を含むことができる。遮光幕４２４の表面は、不透明体または拡散体、もしくは鏡面でも良く、出射面４２０と向かい合う。また（または）、本映像キャプチャーシステム４０８は、出射面４２０の全長に亙って一定の角度で突設される第２の遮光幕４５２を含むことができる。２つの遮光幕４５０、４５２は、レンズ体４１４に入る光源４１２より漏れ出す光を減らし、指紋４３５映像の歪みを防ぐ役割を果たす。
【００５３】
また、映像キャプチャーシステム３０８でのように、光源４１２の受光面４２２と対向する部分の受光面４２２の表面には、エッジ先端４３８に平行し、受光面４２２の長さ方向に沿って線を引くことができる。これらの線は、入射光４２４が更に拡散できるようにする。上述のように、これは、映像面４１８により一層均一な照度を提供する。
【００５４】
更に、二等辺三角形プリズム４１０は、４５°より大きい角度のベース角度４４０、４４１を有することが好ましい。更に好ましくは、ベース角度４４０、４４１が５０〜６５°であることが良く、最も好ましくは、６２〜６３°であることが良い。また、プリズム４１０の屈折率は、１．５より大きいことが好ましい。そこで、散乱光４３０が出射面４２０を通るとき、出射面４２０の法線上から屈折され得る。従って、図７に示したように、レンズ体４１４のレンズ面は、台形歪みを減らすために、出射面４２０に対して傾けることができ、このようにして散乱光４３０は、引き続きレンズ面にほぼ垂直にレンズ体４１４に入ることができる。従って、映像キャプチャーシステム３０８でのように、指紋４３５映像の光量が比較的に高く保持され得る。
【００５５】
プリズム４１０、光源４１２、レンズ体４１４と、イメージセンサ４１６とからなる映像キャプチャーシステム４０８の構成要素は、映像キャプチャーシステム３０８の構成要素と全て同一である。また、本映像キャプチャーシステム４０８は、殆ど映像キャプチャーシステム３０８と同様な方法にて作製され得る。具体的に説明すると、図７に示したように、映像キャプチャーシステムの構成要素を保護するために、各構成要素に対してホールディングスロットを有するフレームをプラスチックモールド、または他の方法にて作製することができる。光源４１２は、受光面４２２に隣接したホールディングスロットに差し込まれるか、公知の透明接着剤を使用して受光面４２２に直接取り付けられ得る。
【００５６】
上述のようなフレームとホールディングスロットとは、キーボード、トラックボールまたはマウスのようなコンピュータ入力装置の一部として、本発明による光学キャプチャーシステムをこのような入力装置に内蔵することを可能にする。図１９ないし２２で示した本発明による実施の形態のように、システム３０８、４０８のような光学キャプチャーシステムは、従来のコンピュータマウスに内蔵される。
【００５７】
図１９は、映像キャプチャーシステム４０８が内蔵されたコンピュータマウス９１０を上方からみた図である。マウス９１０に並列ポートコネクタ９２０と通常のマウスコネクタ９３０が取り付けられる。また、マウス９１０に並列ポートコネクタの代わりに、直列ポートコネクタを取り付けることもできる。図２０及び２１は、それぞれマウスの斜視図及び側面図を示しているが、プリズム４１０の映像面４１８は、マウス９１０の１つのエッジ上で露出される。これは、指紋認識機能をするコンピュータでマウス９１０を使用する時、使用者の親指または他の指を映像面４１８に接触することができるようにする。図２２は、部分断面図であって、マウス９１０を上方からみる時、映像キャプチャーシステム４０８がマウスに内蔵されていることを示す。図面でのように、映像キャプチャーシステム４０８は、プリズム４１０、レンズ体４１４、イメージセンサ４１６を収容しているフレーム９１７によりマウス９１０に内蔵されている。また、信号線４０６が、イメージセンサ４１６と電子回路基板（図示せず）とを連結している。
【００５８】
上述のように、映像キャプチャーシステム３０８は、比較的に小型で作製され得るという利点がある。マウス９１０内における映像キャプチャーシステム３０８の位置は、容易に選定することができる。言及した実施の形態において、コンピュータマウス９１０には、指紋入力をすべき指の位置をガイドするために、映像面３１８に対して水平、垂直方向に水平ガイド９１１と垂直ガイド９１２とが形成されている。マウスによっては、単純に水平または垂直ガイドのいずれかを使用しても指の整列には十分なはずである。図２１において、垂直ガイド９１２がコンピュータマウス９１０の底部付近にあることをみることができる。他の実施の形態として、図２１に示したものと異なり、垂直ガイド９１２がコンピュータマウス９１０（または、映像面４１８）の上部に形成され得る。
【００５９】
上述のように、マウス９１０には、並列コネクタ９２０と通常のマウスコネクタ９３０が取り付けられる。並列コネクタ９２０は、光学系よりポインティング装置が接続されているコンピュータに指紋データを伝送する。通常のマウスコネクタは、通常のマウス機能のために、コンピュータマウス９１０とコンピュータ（図示せず）との間で電力と信号を伝送する。マウスポートコネクタ９３０としては、ＰＳ／２ポートコネクタが使用され得る。また、マウスポートコネクタ９３０が使用されず、並列コネクタ９２０に代わるＵＳＢコネクタのみが使用され得る。
【００６０】
上述は、コンピュータマウスに関することであったが、本発明による光学構造は、様々な他の装置においても使用可能である。具体的には、本発明の光学系は、電話機、ＴＶ、自動車、ドア、その他の装置に結合することが可能である。指紋映像は、コンピュータの起動またはスクリーンシェーバーの状態からコンピュータのシステムを再起動させる時、または前述の製品への接近の時、保安キーまたはパスワードによる保安キーとして使用され得る。
【００６１】
本発明の他の実施の形態は、図８ないし１０に示したように、相互異なる位置に光源を有している。図８は、映像キャプチャーシステム５０８の側面図であって、前述した映像キャプチャーシステム３０８、４０８と同様に、二等辺三角形プリズム５１０、レンズ部５１４、イメージセンサ５１６を含む。映像キャプチャーシステム３０８のプリズム３１０でのように、プリズム５１０は、指紋５３５が接触される映像面５１８と、指紋５３５の映像がレンズ体５１４に投影されるために通る出射面５２０とを含む。しかし、図９及び１０Ａでそれぞれ示すプリズム５１０の斜視図及び正面図でのように、映像キャプチャーシステム５０８は、プリズム５１０の両端の三角形面５１９、５２１にそれぞれ位置した（図９に示したように）少なくとも２つの分離された光源５１２ａ、５１２ｂを含んでいる。光源５１２ａ、５１２ｂは、それぞれＬＥＤ配列となることが好ましいが、如何なる種類の光源であってもプリズム５１０の内部を照射することができれば使用可能である。また、本実施の形態の映像キャプチャーシステム５０８の光源は、１つまたは２つ以上であり得る。
【００６２】
本映像キャプチャーシステム５０８の作用は、図１０Ａ及び１０Ｂに示した通りである。図面でのように、映像面５１８に近接した光源５１２ａ部分より入射される入射光５２４は、映像面５１８の臨界角より大きい角で映像面５１８上に入射される。従って、指紋の谷５０９が位置する映像面５１８部分で入射光５２４は内部全反射をし、反射光５３０ａは、プリズム５１０の三角形面５２１に当たるようになる。反射された光は、三角形面５２１を通るか、三角形面５２１で散乱される。それに対し、指紋隆線５１１に当たる入射光５２４は、比較的に少ない量は吸収されるが、大部分散乱される。散乱された光５３０ｂは、出射面５２０方向に放射され、出射面を通ってレンズ体５１４に入る。プリズム５１０と光源５１２ａ、５１２ｂの部分斜視図の図１０Ｂに示すように、入射光５２４は、映像面５１８と出射面５２０との間のプリズムエッジ５５７付近で光源５１２ａ、５１２ｂにより入射されるが、これは、初めて映像面５１８で起こる内部全反射となる。また、エッジ５５７付近で映像面５１８と出射面５２０が近接しているため、出射面５２０で内部全反射が起こり、レンズ体５１４へは入らなくなる。従って、エッジ５５７付近でプリズム５１０は光ガイドとして作用し、エッジ５５７に近接している出射面５２０を抜け出す光は、ほぼ全て映像面５１８より散乱された光である。
【００６３】
また、図１０Ａで言及したように、映像面５１８から離れている光源５１２ａ部分よりの入射光５２４’は、映像面５１８にこの映像面５１８の臨界角より小さい角度で当たる。従って、入射光５２４’は、前述した映像キャプチャーシステム３０８、４０８のそれぞれの入射光３２４、４２４で行われた方法にて指紋５３５の映像を形成するはずである。入射光５２４’は、２つの光源５１２ａ、５１２ｂより等距離の映像面５１８領域に光を照射し、他の入射光５２４は、両端の三角形面５１９、５２１に隣接した映像面５１８のエッジ付近に光を照射する傾向がある。かかる傾向で、光源５１２ａ、５１２ｂは、映像面５１８の全般に亙って均一な光を照射する。従って、本映像キャプチャーシステム５０８では、指紋５３５の均一な映像を形成することができるという利点がある。
【００６４】
上述のように、映像キャプチャーシステムは、ほぼ全ての指紋５３５の映像を散乱光で形成する。従って、映像キャプチャーシステム３０８、４０８と同様に、本映像キャプチャーシステム５０８によろキャプチャーされる映像は、比較的にハイ・コントラストの映像となる。併せて、図１０Ａに示すように、レンズ体５１４は、三角形面５１９から三角形面５２１までカバーするように十分に広いことが好ましい。従って、レンズ体５１４は、比較的に出射面５２０に近接して位置することができる。このため、本映像キャプチャーシステム５０８をより小型化することができる。
【００６５】
また、プリズム５１０は、ベース角度５４０、５４１を有するが、これは５０°以上であることが好ましく、更に好ましくは、５０〜６５°であり、最も好ましくは、６２〜６３°である。従って、映像キャプチャーシステム３０８、４０８でのように、散乱光５３０ａ、５３０ｂは、出射面５２０を抜け出しながら屈折される。このため、レンズ体を出射面５２０に対して傾けることができ、映像光量のロスなく台形歪みを減らすことができる。
【００６６】
図８ないし１０に示しているが、光源５１２ａ、５１２ｂは、それぞれ両端の三角形面５１９、５２１とほぼ同じ広さを有することができる。しかし、２つの光源がそれぞれ三角形面５１９、５２１の一部のみをカバーするように位置することもできる。例えば、図１１及び１２で示すように、光源は、狭幅の帯状の光源であり得る。図１１及び１２では、帯状の光源５７２ａ、５７２ｂがそれぞれ三角形面５１９、５２１に取り付けられているプリズム５１０を示している。帯状の光源５７２ａ、５７２ｂは、映像面５１８と合う両端の三角形面５１９、５２１の各エッジ５１８ａ、５１８ｂに沿って取り付けられる。光源５７２ａ、５７２ｂは、それぞれ１つのラインとして配列されたＬＥＤであることが好ましい。しかし、プリズム５１０の内部を照射することができる狭幅の帯状の光源であれば何でも使える。
【００６７】
各光源５７２ａ、５７２ｂは、映像面５１８を照射するための光源５１２ａ、５１２ｂと同様な方式で動作する。しかし、映像面５１８より相対的に遠い両端の三角形面には、光源５７２ａ、５７２ｂがないため、光源５７２ａ、５７２ｂによる光の照射は、光源５１２ａ、５１２ｂによる光の照射のように均一ではないはずである。しかし、その以外には、光源５７２ａ、５７２ｂは、光源５１２ａ、５１２ｂとほぼ類似した方式にて映像面５１８を照射するため、映像キャプチャーシステム５０８が有している全ての利点を保有している。さらには、光源５７２ａ、５７２ｂは、光源５１２ａ、５１２ｂよりサイズが小さいため、光源５７２ａ、５７２ｂの製造費用が相対的に少なく、電力消耗も少ないという利点がある。本映像キャプチャーシステム５０８は、映像キャプチャーシステム３０８、４０８の製造方法と実質的に同一の方法にて作製可能であり、構成要素も実質的に同一である。
【００６８】
散乱された指紋映像の内部全反射を用いる本発明の更なる実施の形態を図１３及び図１４に示した。本実施の形態による映像キャプチャーシステム６０８（図１３は、その側面図である）は、二等辺三角形プリズム６１０、光源６１２、レンズ体６１４、イメージセンサ６１６を含んでいる。前述したプリズム３１０、４１０、５１０のように、プリズム６１０は、指紋６３５が接触される映像面６１８、キャプチャーされた指紋映像が出射される出射面６２０、プリズム６０８の内部で光源の照射を受ける受光面６２２を含む。光源６１２を含むプリズム６１０の斜視図の図１４で示すように、光源６１２は、受光面６２２に隣接して位置しており、受光面とほぼ同じ広さを有する。レンズ体６１４は、イメージセンサ６１６上に指紋映像の焦点を合わせる。
【００６９】
前述の映像キャプチャーシステム５０８と類似し、光源６１２よりの入射光６２４は、指紋の隆線６１１や谷６０９が接触されている映像面６１８に当たる。好ましくは、受光面６２２と向かい合う頂点角６４２を十分に小さくして、映像面６１８が出射面６２０に十分に近くなってプリズム６１０内で光ガイド効果を出すことができる。即ち、映像面６１８が出射面６２０と十分に近いと、指紋の谷６０９が接触されている映像面６１８の領域に当たる入射光６２４が、臨界角より大きい角度で映像面６１８に当たるようになり、内部全反射を遂行することができる。従って、内部で全反射された光６３０ａは、出射面６２０を通ってレンズ体６１４に入らず、もう一度内部で全反射される。かかる作用は、内部全反射された光６３０ａが完全に減衰するか、受光面６２２に向かい合う頂点６６５を通じてプリズム６１０を抜け出すまで続けられるはずである。しかし、指紋隆線６１１が接している映像面６１８の領域に当たる入射光６２４は、大部分指紋隆線６１１で散乱される。この散乱光６３０ｂの一部は、出射面６２０を通じてプリズム６１０を抜け出し、レンズ体６１４によりイメージセンサ６１６上に散乱光６３０ｂの焦点が合わせられる。従って、指紋６３５の映像は、指紋の隆線６１１では相対的に明るく、指紋の谷６０９では相対的に暗くなる。
【００７０】
上述のような作用により、プリズム６１０は、指紋の隆線６１１により散乱されない入射光６２４を含挟んでいる光ガイドとして動作し、散乱される大部分の光を用いて指紋映像を形成する。従って、映像キャプチャーシステム６０８により形成された映像は、比較的にハイ・コントラストを有するようになり、レンズ体６１４の位置を出射面６２０に近く位置させることができ、小型で作製することができる。
【００７１】
また、二等辺三角形プリズム６１０は、ベース角度６４０、６４１を含むが、各ベース角度は、５０°より大きいことが好ましい。また、プリズム４１０の屈折率は、１より大きいことが好ましい。それで、散乱光６３０が出射面６２０を通る時、この散乱光６３０は、出射面６２０の法線上から屈折され得る。従って、図１３に示したように、レンズ体６１４のレンズ面を出射面６２０に対して傾けて台形歪みを減らし、散乱された光６３０がレンズ面に垂直にレンズ体６１４に入るようにすることができる。従って、映像キャプチャーシステム３０８、４０８、５０８のように指紋６３５の映像光量を比較的に高く保持することができる。
【００７２】
本映像キャプチャーシステムにおいては、光ガイド形態の屈折手段として必ずプリズム５１０、６１０のような三角プリズムを使用する必要はない。他の光屈折手段も光ガイドとして動作する限り、本映像キャプチャーシステムとして使用され得る。例として、図１５（側面図）及び図１６（平面図）でのような円形の凹レンズ７１０、光源７１２ａ、７１２ｂ、７１２ｃ、レンズ体７１４、イメージセンサ７１６を含む映像キャプチャーシステム７０８が挙げられる。凹レンズ７１０は、凹んだ映像面７１８、平らな出射面７２０、円形の受光面７２２からなる。光源７１２ａ、７１２ｂ、７１２ｃは、受光面７２２の円周上で同じ間隔で配置されることが好ましい。また、本映像キャプチャーシステム装置は、１つまたは２つ以上の光源を含むこともできる。
【００７３】
プリズム６１０と類似し、凹レンズ７１０が光ガイドとして作用する。具体的には、光源７１２ａ、７１２ｂ、７１２ｃよりの入射光７２４は、映像面７１８の臨界角より大きい角度で映像面７１８に当たる。従って、指紋の谷７０９が接触している映像面７１８の領域で、入射光７２４は内部全反射する。また、反射された光７３０は、出射面７２２を通ってレンズ体７１４に入らず、凹レンズ７１０内で伝播される。それに対し、入射光７２４が、指紋隆線７１１が接している映像面７１８の領域に当たる時は、入射光７２４は散乱され、散乱光７３０のうちの一部は、出射面７１８を通じて出てレンズ体７１４によりイメージセンサ７１６に焦点が合わせられる。このような方式にて、本映像キャプチャーシステム７０８は、相対的に明るい指紋隆線７１１と、相対的に暗い指紋谷７０９を有する指紋映像を形成する。
【００７４】
平面の映像面を有する映像キャプチャーシステムを利用する時は、実指紋の代わりに指紋の２次元映像を映像面に接触することができる。このようにし、指紋の２次元映像写し本と実指紋との間に誤認識が起こるように、処理及び比較装置を“欺く（trick）”ことができる。しかし、本実施の形態でレンズ７１０の映像面７１８は凹んでいる。従って、本実施の形態によると、指紋の２次元映像写し本を映像面７１８上に位置させて映像キャプチャーの際、システム７０８に接続された処理及び比較装置を”欺く”ことが難しくなるという利点がある。また、凹んでいる映像面７１８は、指紋入力をしようとする指の輪郭曲線に更に整合され得るはずである。これは、指紋表面の多い部分が映像面７１８と接触し、それにより指紋の多い部分の映像化が可能であることを意味する。つまり、指紋の処理及び比較プロセスにおけるエラーを減らすことができるという利点がある。
【００７５】
たとい、本映像キャプチャーシステム７０８のレンズ体７１４は、凹レンズ７１０より分離されているが、レンズ体７１４の第１の対物レンズと凹レンズ７１０とを１つの単一ユニットで形成することも本発明の技術的範囲に含まれる。かかる映像キャプチャーシステムは、図１７に示した通りである。図１７の映像キャプチャーシステム８０８は、凹んでいる映像面８１８と凸状の出射面８２２とを有するレンズ８１０を含む。また、本映像キャプチャーシステム８０８は、光源７１２ａ、７１２ｂと実質的に同一の光源８１２ａ、８１２ｂを含み、光源７１２ｃと実質的に同一の第３の光源を含むことができる。また、本映像キャプチャーシステム８０８は、イメージセンサ８１６と、対物レンズを含むかまたは含まないレンズ体８１４を含む。ここで、映像キャプチャーシステム８０８は、レンズ８１０と分離されたレンズ体を含まないこともできる。つまり、レンズ体８１４をレンズ８１０に結合し、単一ユニットにすることは、本発明の技術的範囲に含まれる。
【００７６】
本映像キャプチャーシステム８０８は、映像キャプチャーシステム７０８と同じ方式にて作用し、その利点を全て有する。また、図１８で示すように、レンズ８１０の映像面８１８を凹面でない平面に形成することもできる。
【００７７】
本発明の思想と技術的範囲を逸脱しない範囲で、様々な実施の形態を具現することができる。即ち、本発明の思想は、明細書に開示されている具体的な実施の形態に限定されない。例えば、前述した実施の形態は、指紋映像のキャプチャーに対して説明しているが、本発明は、全ての形態のＰＯ（patterned  object）の映像キャプチャーにも適用され得る。
【００７８】
本発明の映像キャプチャー光学システムによると、比較的に高いコントラストと均一な照度を得ることができ、また、ＰＯの映像で発生する台形歪みが大きく減少し、それに、組立が容易になり、製造費用が節減、且つ映像キャプチャーシステムの小型化が可能である。また、映像面に均一に照射をすることができ、比較的に均一なＰＯ映像が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】従来の吸収式映像キャプチャー装置の構成図である。
【図２】図１の映像キャプチャー装置において、台形歪みを説明する模式図である。
【図３】従来の散乱式映像キャプチャー装置の構成図である。
【図４】本発明による映像キャプチャーシステムの構成図である。
【図５】図４のプリズムと光源の斜視図である。
【図６Ａ】本発明による映像キャプチャーシステムにおいて、台形歪みの減少を説明するための模式図である。
【図６Ｂ】Ｂは、図４の映像キャプチャーシステムに使用されるレンズ体の構成図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態の構成図である。
【図８】本発明の第３の実施の形態の構成図である。
【図９】図８に示したプリズム及び光源の斜視図である。
【図１０Ａ】Ａは、図８に示したプリズム及び光源の正面図である。
【図１０Ｂ】Ｂは、図８に示したプリズム及び光源の部分斜視図である。
【図１１】本発明の第４の実施の形態の構成図である。
【図１２】図１１に示したプリズム及び光源の断面図である。
【図１３】本発明の第５の実施の形態の構成図である。
【図１４】図１３に示したプリズム及び光源の斜視図である。
【図１５】本発明の第６の実施の形態の構成図である。
【図１６】図１５に示した第１のレンズ及び光源を上方からみた図である。
【図１７】本発明の第７の実施の形態の構成図である。
【図１８】図１７に示したレンズの他の実施の形態の構成図である。
【図１９】本発明の映像キャプチャーシステムを内蔵したマウス及び接続ケーブルを上方からみた図である。
【図２０】図１９に示したコンピュータマウスの斜視図である。
【図２１】図１９に示したコンピュータマウスの側面図である。
【図２２】図１９に示したコンピュータマウスの部分断面平面図である。
【符号の説明】
【００８０】
３０８  映像キャプチャーシステム
３１０  三角プリズム
３１２  光源
３１８  映像面
３２０  出射面
３２２  光散乱面
３３５  指紋
【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６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【外国語明細書】
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