(57)【要約】【課題】皮膚の乾燥や湿潤や皮膚の剥けといった悪条件下でも指の指紋などの生体特徴を安定して読取ることができる小型で低価格な生体特徴入力装置を提供する。【解決手段】イメージセンサとして、１次元または準１次元のイメージセンサ５を使用する。また、指４とイメージセンサ５とが互いにスライドする相対運動中に指４とイメージセンサ５の有効画素部１とが接触せずにほぼ一定の距離が保たれるようにする指走行ガイド３を備える。指４の内部で散乱して指４の皮膚表面から放射される放射光による画像を前記相対運動中にイメージセンサ５によって撮像して得た１次元または準１次元の部分画像をマイクロプロセッサ部８による画像処理でつなぎ合わせて指全体の画像を再構成する。【選択図】図１
2006158952.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１次元または準１次元のイメージセンサと、指と前記イメージセンサとが互いにスライドする相対運動中に前記指と前記イメージセンサの有効画素部とが接触せずにほぼ一定の距離が保たれるようにする指走行ガイドと、前記指の内部で散乱して前記指の皮膚表面から放射される放射光による画像を前記相対運動中に前記イメージセンサによって撮像して得た１次元または準１次元の部分画像をつなぎ合わせていく画像処理手段とを備えることを特徴とする生体特徴入力装置。
【請求項２】
１次元または準１次元のイメージセンサと、指と前記イメージセンサとが互いにスライドする相対運動中に前記指と前記イメージセンサの有効画素部とが接触せずにほぼ一定の距離が保たれるようにする指走行ガイドと、前記指の背部に血管像用の光を照射する上部光源と、前記指の内部で散乱して前記指の皮膚表面から放射される放射光による第１画像と前記上部光源から照射された光が指内を通過して前記指の皮膚表面から放射される放射光による第２画像とを前記相対運動中に前記イメージセンサによって交互に撮像して得た１次元または準１次元の部分画像を第１画像毎および第２画像毎につなぎ合わせ、且つ、再構成した第１画像と第２画像の差分である血管像を抽出する画像処理手段とを備えることを特徴とする生体特徴入力装置。
【請求項３】
前記指走行ガイドは、前記イメージセンサの前記有効画素部の直上に間隙を有することを特徴とする請求項１または２記載の生体特徴入力装置。
【請求項４】
前記間隙の高さが１０μｍ以上、２００μｍ以下、前記相対運動方向に平行な幅が前記イメージセンサの副走査方向の有効画素長以上、２．０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項３記載の生体特徴入力装置。
【請求項５】
前記間隙に、光透過性を有する固体が挿入されていることを特徴とする請求項４記載の生体特徴入力装置。
【請求項６】
前記指走行ガイドの少なくとも前記イメージセンサの前記有効画素部の直上部分が光透過性を有する固体で構成されていることを特徴とする請求項１または２記載の生体特徴入力装置。
【請求項７】
前記固体の高さが１０μｍ以上、２００μｍ以下であることを特徴とする請求項６記載の生体特徴入力装置。
【請求項８】
前記固体の屈折率が、１．１より大きいことを特徴とする請求項５、６または７記載の生体特徴入力装置。
【請求項９】
前記固体の屈折率が、１．１より大きく、１．４より小さいことを特徴とする請求項５、６または７記載の生体特徴入力装置。
【請求項１０】
前記固体の屈折率が、２．０より大きいことを特徴とする請求項５、６または７記載の生体特徴入力装置。
【請求項１１】
前記固体の屈折率が、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、６または７記載の生体特徴入力装置。
【請求項１２】
前記イメージセンサによる読取対象部位の近傍より前記指の腹部に光を照射することにより、指内部に散乱光を発生させる下部光源を備えることを特徴とする請求項１、２、３、５または６記載の生体特徴入力装置。
【請求項１３】
前記イメージセンサの出力画像信号から指紋ピッチの画像成分を抽出するバンドパスフィルタと、該バンドパスフィルタの出力を増幅する自動利得制御回路とを備えることを特徴とする請求項１、２、３、５または６記載の生体特徴入力装置。
【請求項１４】
前記画像処理手段は、つなぎ合わせた画像の歪みを指紋部分の周波数解析によって修正する補正手段を含むことを特徴とする請求項１、２、３、５または６記載の生体特徴入力装置。
【請求項１５】
１次元または準１次元のイメージセンサの有効画素部の直上に、高さが１０μｍ以上、２００μｍ以下、短辺の幅が前記イメージセンサの副走査方向の有効画素長以上、２．０ｍｍ以下である間隙を有し、指と前記イメージセンサとが互いにスライドする相対運動中に前記指と前記イメージセンサの有効画素部とが接触せずにほぼ一定の距離が保たれるようにするための指走行ガイドを備えた電子機器。
【請求項１６】
前記間隙に、光透過性を有する固体が挿入されていることを特徴とする請求項１５記載の電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、個人を認証するための生体特徴を入力する装置に関し、特に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入力する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来この種の指を用いて個人を認証する為の生体特徴入力装置は、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、光や電界、圧力や静電容量や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。
【０００３】
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２３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。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。
【０００４】
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、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する。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。指の上部から近赤外線を照射し、指内を通過して反対側の指の腹から射出する光が、血管内に豊富に存在する血液における近赤外線の吸収によって暗くなることによって血管像を得る。この技術は、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。
【特許文献１】特開平１０−９１７６９号公報
【特許文献２】特許第３０４５６２９号公報
【特許文献３】米国特許第６３８１３４７
【特許文献４】特許第３１５０１２６号
【特許文献５】特開２００３−００６６２７号公報
【特許文献６】特開２００３−８５５３８号公報
【特許文献７】特開２００１−１５５１３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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ため、特許文献１においては、準１次元の数ラインの画像の類似性を判断して映像を再構成している。図２４を参照してこの方式の指紋の画像再構成例を説明する。
【００１３】
指３０１の画像に対し、指を動かすことによってＩ１からＩｎの部分画像を得て、これの類似部を除いていって再構成画像３０２を得る。しかしながら、この方法では図２５に示す例のように指をセンサの撮像速度に対してゆっくり動かした場合、重なり度合いが大きくなって類似性の変化を判断しにくくなり、指紋画像３０３のように縦に間延びして歪んでしまうという問題がある。また、撮像速度より早く指をスライドさせてしまうと、図２６のようにＩ１からＩｎの間に欠損する画像が生じ、指紋画像３０４のように逆に縦に縮んで歪んでしまう場合があるという問題点がある。
【００１４】
前記の皮膚の剥けによる認証精度の低下を改善する発明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む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、指と結像系の間に空間を設け非接触にしないと目的の画像が得られない。また焦点を合わせる必要性から指の固定枠が必要であり、操作性と装置の小型化の妨げになっていた。また、結像光学系が必要であり、更に装置が大型化してしまうという問題点もある。また、指と結像系が離れており、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、実際に皮の向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。
【００１５】
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。しかし、大型の２次元イメージセンサが必要であり、レンズ等の光学系は廃したものの更なる装置の小型化と低価格化の妨げになっていた。
【００１６】
また、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。一方で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。しかしながら、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、特許文献５に述べられているように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と、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がなくなるが、２次元のイメージセンサにおいて曲率のある指に対して一定の距離で非接触状態を保つことはできず安定した指紋画像を得るのは困難であった。
【００１７】
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提供されるが、そのパターンの有効な情報量は一般に多様な指紋より少なく、また栄養状態や血栓や血圧等の障害によって変化する。万人不同、終生不変として警察と司法分野が主体で研究が完成されている指紋に比較してその精度は未確認であり今後の研究課題として残されている。しかしながら、例えば特許文献７で開示されているよう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、非接触の指紋検出装置の提案（特許文献６）と同様に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あり、操作性と装置の小型化の妨げになっていた。また、指先の指紋部分には毛細血管のみしか存在せず、毛細血管は前記方式ではパターンを読取ることはできない。読取りが可能な静脈血管は第一関節より下の指の付け根側であるため、その部分を第一関節より上の指先の指紋部分と同時に縮小光学系で読まなければならないので更に装置が大型化してしまうという問題点もある。
【００１８】
『発明の目的』
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１次元または準１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生体特徴入力装置を提供することにある。
【００１９】
本発明の別の目的は、指表面の指紋と同時に指の血管像も同時に入力することのできる小型で低廉な生体特徴入力装置を提供することにある。
【００２０】
本発明の更に別の目的は、指の指紋などの生体特徴を１次元または準１次元のイメージセンサを使用して安定に入力するための指走行ガイドを備えた電子機器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明の第１の生体特徴入力装置は、１次元または準１次元のイメージセンサと、指と前記イメージセンサとが互いにスライドする相対運動中に前記指と前記イメージセンサの有効画素部とが接触せずにほぼ一定の距離が保たれるようにする指走行ガイドと、前記指の内部で散乱して前記指の皮膚表面から放射される放射光による画像を前記相対運動中に前記イメージセンサによって撮像して得た１次元または準１次元の部分画像をつなぎ合わせていく画像処理手段とを備えることを特徴とする。
【００２２】
本発明の第２の生体特徴入力装置は、１次元または準１次元のイメージセンサと、指と前記イメージセンサとが互いにスライドする相対運動中に前記指と前記イメージセンサの有効画素部とが接触せずにほぼ一定の距離が保たれるようにする指走行ガイドと、前記指の背部に血管像用の光を照射する上部光源と、前記指の内部で散乱して前記指の皮膚表面から放射される放射光による第１画像と前記上部光源から照射された光が指内を通過して前記指の皮膚表面から放射される放射光による第２画像とを前記相対運動中に前記イメージセンサによって交互に撮像して得た１次元または準１次元の部分画像を第１画像毎および第２画像毎につなぎ合わせ、且つ、再構成した第１画像と第２画像の差分である血管像を抽出する画像処理手段とを備えることを特徴とする。
【００２３】
本発明の第３の生体特徴入力装置は、第１または第２の生体特徴入力装置において、前記指走行ガイドは、前記イメージセンサの前記有効画素部の直上に間隙を有することを特徴とする。
【００２４】
本発明の第４の生体特徴入力装置は、第３の生体特徴入力装置において、前記間隙の高さが１０μｍ以上、２００μｍ以下、前記相対運動方向に平行な幅が前記イメージセンサの副走査方向の有効画素長以上、２．０ｍｍ以下であることを特徴とする。
【００２５】
本発明の第５の生体特徴入力装置は、第４の生体特徴入力装置において、前記間隙に、光透過性を有する固体が挿入されていることを特徴とする。
【００２６】
本発明の第６の生体特徴入力装置は、第１または第２の生体特徴入力装置において、前記指走行ガイドの少なくとも前記イメージセンサの前記有効画素部の直上部分が光透過性を有する固体で構成されていることを特徴とする。
【００２７】
本発明の第７の生体特徴入力装置は、第６の生体特徴入力装置において、前記固体の高さが１０μｍ以上、２００μｍ以下であることを特徴とする。
【００２８】
本発明の第８の生体特徴入力装置は、第５、第６または第７の生体特徴入力装置において、前記固体の屈折率が、１．１より大きいことを特徴とする。
【００２９】
本発明の第９の生体特徴入力装置は、第５、第６または第７の生体特徴入力装置において、前記固体の屈折率が、１．１より大きく、１．４より小さいことを特徴とする。
【００３０】
本発明の第１０の生体特徴入力装置は、第５、第６または第７の生体特徴入力装置において、前記固体の屈折率が、２．０より大きいことを特徴とする。
【００３１】
本発明の第１１の生体特徴入力装置は、第５、第６または第７の生体特徴入力装置において、前記固体の屈折率が、２．０より大きく、５．０より小さいことを特徴とする。
【００３２】
本発明の第１２の生体特徴入力装置は、第１、第２、第３、第５または第６の生体特徴入力装置において、前記イメージセンサによる読取対象部位の近傍より前記指の腹部に光を照射することにより、指内部に散乱光を発生させる下部光源を備えることを特徴とする。
【００３３】
本発明の第１３の生体特徴入力装置は、第１、第２、第３、第５または第６の生体特徴入力装置において、前記イメージセンサの出力画像信号から指紋ピッチの画像成分を抽出するバンドパスフィルタと、該バンドパスフィルタの出力を増幅する自動利得制御回路とを備えることを特徴とする。
【００３４】
本発明の第１４の生体特徴入力装置は、第１、第２、第３、第５または第６の生体特徴入力装置において、前記画像処理手段は、つなぎ合わせた画像の歪みを指紋部分の周波数解析によって修正する補正手段を含むことを特徴とする。
【００３５】
本発明の第１の電子機器は、１次元または準１次元のイメージセンサの有効画素部の直上に、高さが１０μｍ以上、２００μｍ以下、短辺の幅が前記イメージセンサの副走査方向の有効画素長以上、２．０ｍｍ以下である間隙を有し、指と前記イメージセンサとが互いにスライドする相対運動中に前記指と前記イメージセンサの有効画素部とが接触せずにほぼ一定の距離が保たれるようにするための指走行ガイドを備えることを特徴とする。
【００３６】
本発明の第２の電子機器は、第１の電子機器において、前記間隙に、光透過性を有する固体が挿入されていることを特徴とする。
【００３７】
『作用』
本発明にあっては、指と１次元または準１次元のイメージセンサとが互いにスライドする相対運動中、指走行ガイドによって指とイメージセンサの有効画素部との接触が防止されると同時に、両者の距離がほぼ一定に保たれるため、指と有効画素部の距離が遠すぎて画像がぼけたり、距離が変動して画像が歪んだりするのが防止され、指の内部で散乱して指の皮膚表面から放射される放射光を前記相対運動中にイメージセンサによって安定して撮像することができ、ひいては、撮像された１次元または準１次元の部分画像をつなぎ合わせることで生成される指全体の画像の精度を高めることができる。
【発明の効果】
【００３８】
本発明によれば以下のような効果が奏される。
【００３９】
第１の効果は、指の指紋などの生体特徴を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次元のイメージセンサでは曲率のある指に対して一定の距離で非接触状態を保って安定して指紋画像を得るのは困難であるが、本発明は１次元または準１次元のイメージセンサを使用しており、且つ、指と１次元または準１次元のイメージセンサとが互いにスライドする相対運動中に指とイメージセンサの有効画素部とが接触せずにほぼ一定の距離が保たれるようにする指走行ガイドを備えているからである。
【００４０】
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、１次元ないし準１次元のイメージセンサ上に近接配置された指とイメージセンサとの相対運動によって指とイメージセンサを画像が直接読取れる適切な距離と非接触状態を保ちながら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９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。図８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る。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１３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。
【００４１】
第３の効果は、小型で低価格な生体特徴を入力できる装置を提供できることにある。その理由は、１次元ないし準１次元のイメージセンサ上に近接配置された指とイメージセンサとの相対運動によって指とイメージセンサを画像が直接読取れる適切な距離と非接触状態を保ちながら読取った指内部の構造を反映した指の画像をつなぎ合わせる方式を採用することによって、イメージセンサ等の部品が小型になり低価格のものが採用できるからである。
【００４２】
第４の効果は、従来の指紋のみによる生体特徴入力装置よりも高精度な生体特徴入力装置を提供できることにある。その理由は、指を動かすことによって指先の指紋だけでなく指の第一関節と第二関節の間の紋様と血管像を入力してより多くの生体特徴を同時に読取ることができるからである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４３】
『第１の実施の形態』
次に、本発明の第１の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００４４】
『構成の説明』
図１を参照すると、本発明の第１の実施の形態にかかる生体特徴入力装置は、１次元または準１次元のイメージセンサ５と、このイメージセンサ５の有効画素部１の直上に間隙２が位置するように取り付けられた指走行ガイド３と、イメージセンサ５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７と、イメージセンサ５の撮像タイミングの制御およびＡ／Ｄ変換部７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８とを備えている。
【００４５】
１次元のイメージセンサ５とは１ラインのイメージセンサであり、準１次元のイメージセンサ５とは２ラインから２０ライン程度の短冊形のイメージセンサである。その仕様について考察すると、指の生体特徴のうち、指紋を読取ることを可能にするには指紋の隆線間隔が成人の場合０．２ｍｍから０．５ｍｍ程度であり、子供や婦人の場合は０．１ｍｍ程度まで考慮すれば良いので、センサ（受光素子）のピッチは２０〜５０μｍ程度が望ましい。指の幅と丸みを考慮し、横幅１５ｍｍ程度を接触有効部分とすれば、例えば２９．６μｍ間隔で１ライン５１２ドットのセンサを１２ラインならべて準１次元のイメージセンサとすれば、１度に横１５．１５ｍｍ、縦０．３５ｍｍの短冊形の画像が得られる。イメージセンサ５は、CMOSやCCD、TFT技術などによって作成可能であり、この密度と大きさは現状の集積回路技術によって十分生産可能であり、且つビデオカメラ等で実用化されているイメージセンサが１０μｍ以下ということを考え合わせると必要十二分な感度も得られる。
【００４６】
指走行ガイド３は、指４とイメージセンサ５とが互いにスライドする指紋採取時の相対運動中に指４とイメージセンサ５の有効画素部１とが接触せずにほぼ一定の距離が保たれるように指４とイメージセンサ５との間に設けられている。本実施の形態の場合、指走行ガイド３は、不透明な材質で構成され、生体特徴入力装置専用の図示しない筐体に取り付けられるか、携帯電話機やパーソナルコンピュータ等の電子機器の筐体に取り付けられるか、そのような電子機器の筐体の一部を構成する。また、本実施の形態の指走行ガイド３に設けられた間隙２の形状は、真上から見て矩形状をなしており、その長辺サイズは、イメージセンサ５の有効画素部１に光が十分入射するように少なくとも有効画素部１の長辺（主走査方向）以上のサイズがあり、その短辺サイズは、同じく有効画素部１に光が十分入射するように少なくとも有効画素部１の短辺（副走査方向）以上のサイズで、且つ、大きすぎると指紋採取時に指４の皮膚が有効画素部１に直接接触してしまうため、２．０ｍｍ以下、好ましくは１．０ｍｍ以下の短辺サイズになっている。また間隙２の高さ（深さ）方向のサイズは、小さすぎると指紋採取時に指４の皮膚が有効画素部１に直接接触してしまい、大きすぎると、指４の皮膚と有効画素部１との距離が離れすぎて画像のぼけがひどくなるため、１０μｍ〜２００μｍ、好ましくは２０μ〜８０μｍのサイズになっている。
【００４７】
Ａ／Ｄ変換部７は、イメージセンサ５のアナログ出力信号をデジタル信号に変換してマイクロプロセッサ部８へ出力し、マイクロプロセッサ部８は、Ａ／Ｄ変換部７のデジタル信号を入力して適切な画像処理を実行する。
【００４８】
『動作の説明』
本実施の形態の生体特徴入力装置を使用して、指４の指紋を読み取る場合、指４の第一関節あたりを指走行ガイド３の間隙２付近にあてがい、指４の腹部で間隙２をなぞるように図１（ｂ）の矢印６方向に指４を引いていく。指４の皮膚には弾力性があるため、図２に示すように指４を矢印６０１の方向に押し付けるとイメージセンサ５の有効画素部１に指４が接触してしまうような高さと幅の間隙２であっても、上記のように指４の腹部で間隙２を軽くなぞるようにすると、図３に示すように引く方向６０２と反対方向の力６０３が指４の皮膚表面に加わり、有効画素部１に指４が接触することはなく、指４の移動中、指４の皮膚と有効画素部１との距離が常に一定に保たれる。
【００４９】
この指４の移動中、指４の内部で散乱して指４の皮膚表面から放射される放射光による画像がイメージセンサ５によって撮像される。ここで、指４内で散乱し、指４の皮膚表面から放射される光は、図４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。乳頭腺を含む真皮１００５は、表皮部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、イメージセンサ５の有効画素部１に配列されているセンサ（受光素子）のうち、撮像のタイミングにおいて隆線１００２に近接するセンサは、谷部１００１に近接するセンサ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１００２が暗部領域となる部分画像が得られる。
【００５０】
こうして適当なタイミング毎に得られた１次元または準１次元の部分画像にかかるアナログ信号は、Ａ／Ｄ変換部７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８に入力される。マイクロプロセッサ部８は、順次入力される部分画像どうしをつなぎ合わせていくことにより、指４全体の皮膚の紋様画像を再構成する。このマイクロプロセッサ部８で実施される部分画像のつなぎあわせ処理は、基本的に図２４で説明した方法と同様に、部分画像どうしの類似性を判断して実施する。その処理の一例を図５に示す。
【００５１】
まず、イメージセンサ５の１フレーム分の部分画像を読み取り、図示しない第１メモリに書き込む（ステップＳ１０１）。ここで、１フレーム分の部分画像とは、イメージセンサ５が数ラインから構成される準１次元イメージセンサの場合は全ラインで得られた画像を意味し、イメージセンサ５が１ラインから構成される１次元イメージセンサの場合はその１ラインで得られた画像を意味する。次に、再びイメージセンサ５の１フレーム分の部分画像を読み取り、第１メモリに記憶された画像の最上位ライン側とライン単位で比較する（ステップＳ１０２）。今回読み取ったラインの中で第１メモリに記憶された画像の最上位ライン側のラインと差のあるラインがある場合、差のあるライン以降のラインを第１メモリの最上位ライン側に追加する。例えば、イメージセンサ５が１２ラインから構成されており、今回読み取った１２ラインのうち、最後の３ラインが第１メモリに記憶された最上位ライン側の３ラインと同じであり、最後から４番目のラインから先頭ラインまでが異なる場合、先頭ラインから９番目のラインまでを第１メモリの最上位ライン側に追加する。以上のステップＳ１０２〜Ｓ１０４の処理を指１本分の画像データが取得されるまで繰り返し行う（ステップＳ１０５）。
【００５２】
次に本実施の形態の効果を説明する。
【００５３】
本実施の形態によれば、１次元または準１次元のイメージセンサ５を使用し且つ余計な光学部品を使用することなく、指４の内部構造を直接反映した皮膚の紋様画像を、指４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、イメージセンサ５として小型で廉価な１次元または準１次元イメージセンサを使用すると共に、指４とイメージセンサ５とが互いにスライドする相対運動中に指４とイメージセンサ５の有効画素部１とが接触せずにほぼ一定の距離が保たれるようにするための指走行ガイド３を備え、指４の内部で散乱して指４の皮膚表面から放射される放射光による画像を前記相対運動中にイメージセンサ５によって直接撮像し、得られた１次元または準１次元の部分画像をマイクロプロセッサ部８の画像処理によりつなぎ合わせていって指の紋様画像を再構成するからである。
【００５４】
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４に近接した距離でイメージセンサ５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。
【００５５】
『第２の実施の形態』
図６を参照すると、本発明の第２の実施の形態にかかる生体特徴入力装置は、指走行ガイド３上に複数の光源１５１が配設されている点で図１に示した第１の実施の形態にかかる生体特徴入力装置と相違し、それ以外は第１の実施の形態と同じである。
【００５６】
光源１５１は、指走行ガイド３の間隙２の近傍にその長辺に沿って一列に配列されており、指紋採取時に指走行ガイド３上を矢印６に示す方向に移動する指４をその背部側（指走行ガイド３側）から照明し、指内部に散乱光を発生させる。光源１５１を間隙２を中心にして指４を引く側に配列してあるのは、指先が間隙２付近に達した状態でも十分に指先内部に散乱光を発生できるようにするためである。
【００５７】
指内部で散乱し皮膚表面から放射する光は、周囲光のみでも皮膚紋様のパターンが読取れるが、更に光源１５１を指の引く方向に１次元ないし準１次元イメージセンサ５に平行に近接して配置すれば、その光源１５１からの光は指内部で散乱して光源方向の光成分が強く射出する。この様子を図７を参照して説明する。
【００５８】
図７を参照すると、光源方向に強度が偏った散乱光のうち、矢印１０１１で示す隆線１００２付近を通過するものは、表皮１００４を通過する距離が長くなって暗くなると考えられる。反対に矢印１１０２で示す指紋谷部１００１付近を通過する光は、表皮１００４を通過する距離が短くなって明るくなると考えられる。従って距離の差によってコントラストが増加する。実際の詳細なメカニズムは不詳だが、実験の結果を画像例として図８に示す。また参考として、同じ指の同じ部位を従来の接触を前提として方式のうち全反射臨界角を利用した方式で読み取った画像を図９に示す。
【００５９】
図８において手前側（図の下側）が光源であり指を引く側である。より距離のある指紋隆線部が暗くなり、谷部の手前側は明るくなる。特に指紋隆線部の光源側がより暗くなっており、コントラストが上昇している。この部分は、乳頭腺組織１００３による指の皮膚内部の散乱光の減衰効果と重なり合っていると考えられる。また図９の画像中央部あたりに紋様が欠落している箇所があるが、これは皮膚の剥けた部分に対応している。同じ部位は図８では紋様が現れており、従来欠損していた皮剥け部分の画像も高いコントラストで得られている。
【００６０】
なお、本実施の形態では、間隙２を中心にして指４を引く側に光源１５１を配設したが、間隙２を中心とした反対側に光源１５１を配設しても良く、また間隙２の両側の近傍に光源１５１を配列しても良い。
【００６１】
『第３の実施の形態』
図１０を参照すると、本発明の第３の実施の形態にかかる生体特徴入力装置は、指走行ガイド３の間隙２に光透過性を有する固体で作られた保護カバー８０１が挿入されている点で図１に示した第１の実施の形態にかかる生体特徴入力装置と相違し、それ以外は第１の実施の形態と同じである。
【００６２】
保護カバー８０１の下面はイメージセンサ５の有効画素部１にほぼ接しており、その上面は指走行ガイド３の上面とほぼ同一面になっている。したがって、指４の指紋を読み取るために指４の第一関節あたりを指走行ガイド３の間隙２に埋め込まれた保護カバー８０１付近にあてがい、指４の腹部で保護カバー８０１をなぞるように指４を引いていった場合、指４の皮膚の一部は常に保護カバーに接する。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、保護カバーに接触する指紋隆線部などから放射した光は、図１１（ａ）の符号１１１１に示すように直接に保護カバー８０１に入射して保護カバー８０１内を伝播しイメージセンサ５の有効画素部１に到達する。また、保護カバー８０１に接触しない指紋谷部などから放射した光は、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保護カバー８０１に入射し、その後は指紋隆線部から放射した光と同じく保護カバー８０１内を伝播してイメージセンサ５の有効画素部１に到達する。
【００６３】
これに対して保護カバー８０１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１１（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有効画素部１に到達する。
【００６４】
図１１（ｂ）に示される保護カバー８０１がない第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イメージセンサ５で検出される。これに対して、図１１（ａ）に示される保護カバー８０１が介在する場合、保護カバー８０１の屈折率が空気と同じ値「１」に近ければ、保護カバー８０１が存在しない図１１（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イメージセンサ５で検出されるが、保護カバー８０１の屈折率の値が大きくなれば、隆線部が明部領域、谷部が暗部領域としてイメージセンサ５で検出されるようになる。これは、保護カバー８０１の屈折率が大きくなると、指４と保護カバー８０１との間の屈折率差よりも、指４と空気との間の屈折率差および空気と保護カバー８０１との間の屈折率差の方が大きくなることと、図１１（ａ）の隆線部から放射する光１１１１が有効画素部１に到達するまでには屈折率差の少ない１つの界面（指と保護カバーとの界面）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、空気と保護カバーとの界面）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、有効画素部１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。
【００６５】
このため、保護カバー８０１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、保護カバー８０１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、保護カバー８０１の屈折率について考察する。
【００６６】
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１２に示すような関係が導出されている。図１２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Ｐ3L、指紋谷部直下の透明固体膜に入射した光のパワーをＰ3Dとしたときに、（Ｐ3L−Ｐ3D）／Ｐ3L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１２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。
【００６７】
図１２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１２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１２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１２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の保護カバー８０１では谷部と隆線部のコントラストが０になる。従って、保護カバー８０１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保護カバー８０１を構成すればよい。
【００６８】
他方、図１２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、保護カバー８０１には、図１２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。
【００６９】
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。
【００７０】
以上の考察の結果、保護カバー８０１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。
【００７１】
屈折率１．４未満の物質で保護カバー８０１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。
【００７２】
屈折率２．０より大きい物質で保護カバー８０１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。この中でシリコンは、半導体材料として入手が容易であり、かつ加工も容易で比較的安価である。シリコンウェハを厚さ２００μｍ以下に加工し保護カバーとすれば、光の低波長域、特に波長８００〜１０００ｎｍの近赤外光において透過性が高く、十分なセンサ光出力が得られる。またシリコンは有害物質を含むガラスに比較して、環境を配慮した材料でもある。またシリコンウェハより作り出したＣＭＯＳ、ＣＣＤ等のイメージセンサの下部を薄く研磨して感光層までの厚さを２００μｍ以下として上下をひっくり返して配置し、もともとのシリコンウェハの基部であった下部を皮膚に接触させれば、特別にカバーを施すことなく同等の構造が得られる。
【００７３】
保護カバー８０１を備えた本実施の形態の生体特徴入力装置により読み取った指４の指紋画像を図１３に示す。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ていることがわかる。ただし、明部と暗部は、他の場所と反転している。このように保護カバー８０１を設けると、前述したように保護カバー８０１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、谷間部は暗くなり、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。
【００７４】
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、指走行ガイド３の間隙２にゴミがたまって画質が劣化するという心配がなくなるという効果がある。
【００７５】
『第４の実施の形態』
図１４を参照すると、本発明の第４の実施の形態にかかる生体特徴入力装置は、イメージセンサ５とＡ／Ｄ変換部７との間にバンドパスフィルタ１８０１および自動利得制御回路１８０２が接続されている点で、図１０に示した第３の実施の形態にかかる生体特徴入力装置と相違し、それ以外は第３の実施の形態と同じである。
【００７６】
バンドパスフィルタ１８０１は、イメージセンサ５から出力される画像信号から指紋ピッチの画像成分のみを抽出する。バンドバスフィルター１８０１の最適周波数特性は指紋の隆線ピッチ０．２ｍｍから０．５ｍｍを考慮しかつセンサの密度と走査周波数から決定される。このバンドパスフィルタ１８０１で抽出された画像成分は、後段の自動利得制御回路１８０２によって増幅されて、Ａ／Ｄ変換部７に出力される。
【００７７】
本実施の形態によれば、イメージセンサ５の出力から指紋ピッチの画像成分のみを抽出するバンドパスフィルタ１８０１とその出力を増幅する自動利得制御回路１８０２とを設けてあるため、皮剥け部分の小さい出力も大きくすることができる。保護カバー８０１として屈折率が１．４から２．０の範囲の材質を使用した場合、第３の実施の形態では、皮剥け部分の出力が小さくなり過ぎて認識が困難になるが、本実施の形態ではそのような問題を改善できる。保護カバー８０１に屈折率１．４以上２．０以下の通常ガラス等の物質が使えれば、価格的に有利である。勿論、１．４〜２．０以外の屈折率を持つ材質で保護カバー８０１が構成されている場合にも本実施の形態は有効である。
【００７８】
『第５の実施の形態』
図１５を参照すると、本発明の第５の実施の形態にかかる生体特徴入力装置は、指走行ガイド３全体を保護カバー９０１とした点で第３の実施の形態と相違し、その他の点は第３の実施の形態と同じである。
【００７９】
保護カバー９０１は、第３の実施の形態における保護カバー８０１と同様の屈折率を有する光透過性の固体で構成され、その厚みの条件は保護カバー８０１と同じである。
【００８０】
本実施の形態によれば、第３の実施の形態と同様の効果が得られるのに加え、走行ガイド３全体が保護カバー９０１になっているため、組み立て性に優れるという効果がある。
【００８１】
『第６の実施の形態』
図１６を参照すると、本発明の第６の実施の形態にかかる生体特徴入力装置は、上方より指４の背部（爪側）を照明する光源１６１を備え、指４の皮膚紋様と同時に血管像を読み取る点で、第２の実施の形態と相違し、その他の点は第２の実施の形態と同じである。
【００８２】
指４の上部に図示しない支持具により取り付けられている光源１６１は、指の血管を読取るためのもので、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が良好に生じる８００から１０００ｎｍ付近の光を照射する。特に波長８２０〜９５０ｎｍ付近の赤外リモコン用等に開発されたＬＥＤは出力が大きく光源１６１に適している。指４の下部に配置した光源１５１に由来する画像からは皮膚表面の画像のみが得られるが、上部光源１６１から照射した光源による画像には、ヘモグロビンを含む血液が集中している太い血管を通過し他の組織より暗くなる血管の映像を含む。従って、以下のようにして、光源１６１による画像と光源１５１による画像を求め、両者の画像の差を演算することで、指の皮膚紋様と同時に血管像を読み取ることができる。
【００８３】
本実施の形態の生体特徴入力装置を使用して、指の皮膚紋様と同時に血管像を読み取る場合、指４の第二関節あたりを指走行ガイド３の間隙２付近にあてがい、指４の腹部で間隙２をなぞるように指４を引いていく。この指４の移動中にイメージセンサ５によって画像を撮像する。まず、イメージセンサ５の最初のフレーム画像を得る時に指下部に配置した光源１５１を点灯し画像を得る。次に指下部の光源１５１を消灯し指上部の光源１６１を点灯してイメージセンサ５の次のフレーム画像を得る。これを繰り返していき、交互にそれぞれの光源の画像をつなぎあわせることによって、図１７に示すような下部の光源１５１による画像１７０１と上部の光源１６１による画像１７０２を得る。両者とも指紋１７０４および第一関節１７０５と第二関節１７０６間の紋様１７０７が存在するが、上部からの光源１６１による画像には更に血管像１７０８を含む。これらを交互に切り替えた２つの画像１７０１、１７０２の差分を求めることによって、血管像１７０９のみの画像１７０３を得ることができる。この差分を求める処理は、マイクロプロセッサ部８によって行われる。図１８にその処理例を示す。
【００８４】
まず、光源１５１のみ点灯させた状態でイメージセンサ５の１フレーム分の部分画像を読み取り、図示しない第１メモリに書き込む（ステップＳ２０１、Ｓ２０２）。次に、光源１６１のみ点灯させた状態でイメージセンサ５の１フレーム分の部分画像を読み取り、図示しない第２メモリに書き込む（ステップＳ２０３、Ｓ２０４）。次に、再び光源１５１のみ点灯させた状態でイメージセンサ５の１フレーム分の部分画像を読み取って第１メモリに記憶された画像の最上位ライン側のラインとライン単位で比較し（ステップＳ２０５、Ｓ２０６）、今回読み取ったラインの中で第１メモリに記憶された画像の最上位ライン側のラインと差のあるラインがある場合、差のあるライン以降のラインを第１メモリの最上位ライン側に追加する（ステップＳ２０７、Ｓ２０８）。次に、光源１６１のみ点灯させた状態でイメージセンサ５の１フレーム分の部分画像を読み取って第２メモリに記憶された画像の最上位ライン側のラインとライン単位で比較し（ステップＳ２０９、Ｓ２１０）、今回読み取ったラインの中で第２メモリに記憶された画像の最上位ライン側のラインと差のあるラインがある場合、差のあるライン以降のラインを第２メモリの最上位ライン側に追加する（ステップＳ２１１、Ｓ２１２）。以上のステップＳ２０５〜Ｓ２１２の処理を指１本分の画像データが取得されるまで繰り返し行う（ステップＳ２１３）。これにより、第１メモリには図１７の画像１７０１が、第２メモリには図１７の画像１７０２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し、図１７の画像１７０３を生成する（ステップＳ２１４）。
【００８５】
このように本実施の形態によれば、指４を第二関節１７０６から指先まで指走行ガイド３上を滑らせることによって、指先の指紋１７０４と同時に一度の動作で第一関節と第二関節間の皮膚紋様１７０７と血管像１７０９を読取ることが可能になる。残念ながら指を圧迫することによって血管像が薄くなり、あるいは変化するため、個人認証の情報としては精度が不十分であるが、指紋等の皮膚紋様による個人認証の補間データとして、あるいは偽指の判定に使用できるため、全ての画像によって指先の指紋単独よりも高精度に個人認証が可能になるという効果がある。
【００８６】
『第７の実施の形態』
本発明の第７の実施の形態にかかる生体特徴入力装置は、マイクロプロセッサ部８における部分画像のつなぎ合わせ処理後に画像の歪みを補正する処理を実行するようにした点で第１の実施の形態にかかる生体特徴入力装置と相違し、その他の点は第１の実施の形態と同じである。従って、本実施の形態の構成は図１と同じである。
【００８７】
本実施の形態においては、マイクロプロセッサ部８は、部分画像をつなぎ合わせていく処理と、画像の歪み補正を行う処理とをその順に実施する。部分画像をつなぎあわせていく処理は、第１の実施の形態と同様である。この場合、指の横方向の画像はイメージセンサ５のセンサピッチで一意に歪みのない画像が得られるが、縦方向は相関関係を見ながらつなげて行っても指４の移動速度によって歪んでしまう。指紋などの認証方式のうち、隆線の分岐点や端点の相関関係を見る方式は比較的歪みに強いが、それでも認証精度を高めるためには、補正されていることが望ましい。そこで本実施の形態では、指紋においては横方向と縦方向に隆線の成分があり隆線の間隔は個人でほぼ一定であることを利用し、縦横の隆線の周波数成分の違いから縦の歪みを予測し、以下のように補正する。
【００８８】
図１９において、もとの指の紋様画像１２０１の横方向の隆線の周波数成分１２０２をｆ１、縦方向の隆線の周波数成分１２０３をｆ２、補正前の隆線上の画素の縦座標をＹとすれば、補正後の隆線上の画素の縦座標Ｙ’は、次式で与えられる。
Ｙ’＝Ｙ×（ｆ２／ｆ１）…（１）
【００８９】
図１９は指をゆっくり引いて縦に伸びた画像の場合であるが、早く引きすぎて短くなった場合でも部分的に欠損はするが、欠損度によって限度はあるものの近似画像が得られる。図１９は指紋の形態のうちの渦状紋を示し、図２０は蹄状紋を示す。統計的にこの２つの紋様が人間の場合に多く含まれる。稀に図２１のような弓状紋があり、この弓状紋の場合、横方向の隆線の周波数成分が大きく異なるため、前述した方法は適用できない。しかし、弓状紋は統計的に少ない（日本人で１％以下と言われる）ため、大部分の紋様画像を上記の補正方式で補正することが可能である。
【００９０】
図２２にマイクロプロセッサ部８で実施される画像処理の流れを示す。ステップＳ３０１〜Ｓ３０５は部分画像をつなぎ合わせていく処理を示し、図５のステップＳ１０１〜Ｓ１０５と同じである。ステップＳ３０６〜Ｓ３０８は画像の歪みを補正する処理の手順を示す。画像の歪みを補正する処理においては、まず、第１メモリに記憶された画像に対してエッジ強調、スケルトン処理等の画像処理を行って隆線を抽出する（ステップＳ３０６）。次に、画像の横と縦の隆線数を求め、それぞれ横と縦の画素数で割ることにより、横方向の隆線の周波数成分ｆ１、縦方向の隆線の周波数成分ｆ２を求める（ステップＳ３０７）。次に、隆線の形状から指紋紋様の形態を判断し、図１９および図２０に示した渦状紋および蹄状紋であれば、前述した式（１）を用いて隆線上の画素の縦座標を補正し、画像を縦方向に伸縮する（ステップＳ３０８）。
【００９１】
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と共に、歪みの少ない紋様画像を得ることができる。その理由は、部分画像をつなげて再構成した画像における横および縦方向の隆線の周波数成分の違いに基づいて、画像の縦方向の歪みを予測し補正するからである。
【００９２】
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、第３〜第７の実施の形態に第２の実施の形態における光源１５１を設けた実施の形態、第１、第３、第５〜第７の実施の形態に第４の実施の形態におけるバンドパスフィルタ１８０１と自動利得制御回路１８０２を設けた実施の形態など、前記実施の形態を適宜組み合わせた実施の形態も考えられる。
【産業上の利用可能性】
【００９３】
以上のように、本発明にかかる生体特徴入力装置は、指の指紋等の紋様や血管像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。
【図面の簡単な説明】
【００９４】
【図１】本発明の第１の実施の形態にかかる生体特徴入力装置の上面図と横断面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態にかかる生体特徴入力装置の指走行ガイドの間隙に指を押しつけた状態を説明する図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態にかかる生体特徴入力装置の指走行ガイドに沿って指を移動させた状態を説明する図である。
【図４】指の皮膚の内部構造を説明する図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態にかかる生体特徴入力装置のマイクロプロセッサ部による処理例を示すフローチャートである。
【図６】本発明の第２の実施の形態にかかる生体特徴入力装置の上面図と横断面図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態にかかる生体特徴入力装置の光源による作用を説明する図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態にかかる生体特徴入力装置で読み取った指紋画像例を示す図である。
【図９】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。
【図１０】本発明の第３の実施の形態にかかる生体特徴入力装置の横断面図である。
【図１１】本発明の第３の実施の形態にかかる生体特徴入力装置の作用の説明図である。
【図１２】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。
【図１３】本発明の第３の実施の形態にかかる生体特徴入力装置で読み取った指紋画像例を示す図である。
【図１４】本発明の第４の実施の形態にかかる生体特徴入力装置の横断面図である。
【図１５】本発明の第５の実施の形態にかかる生体特徴入力装置の横断面図である。
【図１６】本発明の第６の実施の形態にかかる生体特徴入力装置の横断面図である。
【図１７】本発明の第６の実施の形態にかかる生体特徴入力装置により指紋画像と同時に血管像を読取る原理を説明する図である。
【図１８】本発明の第６の実施の形態にかかる生体特徴入力装置のマイクロプロセッサ部による処理例を示すフローチャートである。
【図１９】本発明の第６の実施の形態にかかる生体特徴入力装置において渦状指紋に対する画像補正方法を説明する図である。
【図２０】本発明の第６の実施の形態にかかる生体特徴入力装置において蹄状指紋に対する画像補正方法を説明する図である。
【図２１】弓状指紋の形状を説明する図である。
【図２２】本発明の第７の実施の形態にかかる生体特徴入力装置のマイクロプロセッサ部による処理例を示すフローチャートである。
【図２３】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。
【図２４】従来の画像再構成方式を説明する図である。
【図２５】従来の画像再構成で指を遅く動かした場合の問題点を説明する図である。
【図２６】従来の画像再構成で指を早く動かした場合の問題点を説明する図である。
【符号の説明】
【００９５】
１０１…空気中を通してプリズム面で全反射する方向の光
１０２…指の皮膚を通してプリズム面を通過する方向の光
１０４…指の皮膚
１０５…プリズム
１０６…結像レンズ
１０７…２次元イメージセンサ
１０８…プリズムの指紋を接触させる面
１０９…プリズムの指紋像射出面
１…１次元ないし準１次元イメージセンサの有効画素部
２…指走行ガイドの間隙
３…指走行ガイド
４…指
５…１次元ないし準１次元イメージセンサ
６…指を引く方向
７…Ａ／Ｄ変換部
８…マイクロプロセッサ部
３０１…元となる指の画像
３０２…正しく再構成した指の画像
３０３…長く歪んで再構成した指の画像
３０４…短く歪んで再構成した指の画像
Ｉ１…部分画像の読取り開始時の画像
Ｉｎ…部分画像の読取り終了時の画像
６０１…指を引かずに押し当てただけの力の方向
６０２…指を引いた場合の力の方向
８０１…指走行ガイドに施した保護カバー
９０１…指走行ガイドと兼用した保護カバー
１００１…皮膚紋様谷部（凹部）
１００２…皮膚紋様隆線部（凸部）
１００３…皮膚内部組織のうち乳頭腺組織
１００４…皮膚の表皮部分
１００５…皮膚の真皮部分
１１０１…指紋隆線部を通過する光源からの偏った散乱光
１１０２…指紋谷部を通過する光源からの偏った散乱光
１２０１…歪んで再構成された渦状指紋画像
１２０２…指紋の横の周波数成分を測定する場所の例
１２０３…指紋の縦の周波数成分を測定する場所の例
１２０５…正しく補正された渦状指紋画像
１３０１…歪んで再構成された蹄状指紋画像
１３０２…指紋の横の周波数成分を測定する場所の例
１３０３…指紋の縦の周波数成分を測定する場所の例
１３０５…正しく補正された蹄状指紋画像
１４０１…弓状指紋の例
１５１…指の腹部を照射するコントラスト増加用の光源
１６１…指の甲を照射する血管像用の光源
１７０１…下部光源１５１による画像
１７０２…上部光源１６１による血管を含む画像
１７０３…画像処理後の血管を抽出した画像
１７０４…指紋部
１７０５…第一関節
１７０６…第二関節
１７０７…第一関節と第二関節の間の皮膚紋様
１７０８…皮膚紋様と重なった血管画像
１７０９…画像処理により抽出された血管画像
１８０１…バンドパスフィルタ
１８０２…自動利得制御回路
【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１０】
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【図１１】
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【図１２】
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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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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図８】
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【図９】
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【図１３】
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