(57)【要約】【課題】  指紋センサ装置における部分指紋画像間の相関性のとり易さを維持しながら小型化・低コスト化を実現する。またシェーディングの低減を行う。【解決手段】  画素１５が二次元状に配された画素領域を有し、その画素領域上を、指を移動させながら指紋の部分画像を撮影する、指紋センサ装置において、その画素領域の指の移動方向の画素数密度が、指の移動方向と垂直な方向の画素数密度と異なるようにし、指の移動方向に対する画素領域の幅を維持しながら画素数を削減する。また、光学式の指紋センサ装置において、ＬＥＤから離れた画素ほど開口部を大きくすることでシェーディングを低減する。【選択図】      図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
画素が二次元状に配された領域を有し、該領域上を、指を移動させながら指の生体情報の部分画像を撮影する、指の生体情報検出装置において、
前記領域の指の移動方向の画素数密度が、指の移動方向と垂直な方向の画素数密度と異なることを特徴とする生体情報検出装置。
【請求項２】
請求項１に記載の生体情報検出装置において、前記指の移動方向の画素数密度が不均一に分布していることを特徴とする生体情報検出装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の生体情報検出装置において、前記領域の指の移動方向の画素開口部の長さが、前記指の移動方向と垂直な方向の画素開口部の長さと異なるようにしたことを特徴とする生体情報検出装置。
【請求項４】
請求項１又は２に記載の生体情報検出装置において、前記指の移動方向の画素開口部の長さが不均一に分布していることを特徴とする生体情報検出装置。
【請求項５】
請求項１に記載の生体情報検出装置において、前記画素からの出力信号を保持する画素信号メモリを画素行間に配置した生体情報検出装置。
【請求項６】
請求項１に記載の生体情報検出装置において、前記画素からの出力信号を保持する画素信号メモリを画素列間に配置した生体情報検出装置。
【請求項７】
発光手段からの発光を指に照射し、指からの透過光あるいは反射光により指の生体情報像を、画素が二次元状に配された領域で読み取る生体情報検出装置において、前記発光手段から離れるに従って前記画素の画素開口部を大きくした生体情報検出装置。
【請求項８】
請求項１から６のいずれか１項に記載の生体情報検出装置において、
発光手段からの発光を移動する前記指に照射し、前記指からの透過光あるいは反射光により前記指の生体情報像を、前記領域で読み取り、
前記発光手段から離れるに従って前記画素の画素開口部を大きくした生体情報検出装置。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか１項に記載の生体情報検出装置と、該生体情報検出装置から出力される複数の部分画像を合成して指の生体情報の特徴を検出することで指の生体情報の認証を行う認証部とを有する生体情報認証装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、指の血管パターンや指紋等の指の生体情報を検出する生体情報検出装置及び生体情報認証装置に関するもので、特に指を移動させながら指の生体情報の部分画像を撮影する、指の生体情報検出装置及び生体情報認証装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
指の血管パターンや指紋等の生体情報を認証する認証装置、特に指紋認証装置は携帯電話等への応用がなされており、生体情報入力装置であるイメージセンサ部分の小型化は重要である。そのため特許文献１のようにセンサ上で指を移動（スイープ）させることで指紋画像を得る方法が用いられている。
【０００３】
このようなスイープ式のセンサでは、指がスイープされている間、指紋の部分画像を連続して撮影し、指紋全体分の画像を取得する。こうすることで、指全体が収まる画素領域を確保する必要をなくしている。
指紋認証装置における、スイープ式センサで取得した指紋部分画像の処理の仕方は大きく分けると２種類ある。１つは、前後の画像の重複する部分（相関のある部分）を検出し、その部分は片方の画像のみを採用するようにして前後の画像を繋げて指紋全体の画像を再構成する方法で、その後に特徴点抽出等の方法で指紋照合を行う。もう１つは、再構成を行わず、取得した指紋部分画像から周波数解析を行う方法である。
【０００４】
しかしながら、現状のスイープ式センサ、特に特許文献１のような光学式のセンサを用いたものの場合、画素部とメモリ部の占める領域が大きく、センサ全体が大きくなってしまっている。
【０００５】
小型化の方法として画素とメモリを減らすことが考えられる。画素とメモリの数を減らすことは光学式センサだけでなく、静電容量式のセンサの場合にも小型化に寄与する。しかしスイープ式センサにおいてスイープ方向の画素領域の長さを短くすると、指のスイープ速度が高速のときに、再構成を行う場合の前後の画像の相関がとりにくくなるという問題がある。
【０００６】
また再構成を行わず周波数解析を行う場合にも、スイープ方向の画素領域の長さが短いと、各指紋部分画像の含む指紋情報が少ないことになるため、解析が困難となる。
【特許文献１】特開２００３-２４２４８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明では、センサ内のスペースを有効利用し、画像を再構成する際の相関性のとり易さや感度を高く保ちながら、また周波数解析をする際の指紋部分画像の含む情報を多く保ちながら、小型化・低コスト化を実現する装置を提供することを目的とする。
【０００８】
また、光学式のセンサにおいて、画素開口部の大きさの調整によりシェーディングの低減を行うことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記１つ目の目的達成のために、本発明では、画素が二次元状に配された領域を有し、該領域上を、指を移動させながら指の生体情報の部分画像を撮影する、指の生体情報検出装置において、
前記領域の指の移動方向の画素数密度が、指の移動方向と垂直な方向の画素数密度と異なることを特徴とする生体情報検出装置を提供する。
【００１０】
上記２つ目の目的達成のために、本発明では、発光手段からの発光を指に照射し、指からの透過光あるいは反射光により指の生体情報像を、画素が二次元状に配された領域で読み取る生体情報検出装置において、前記発光手段から離れるに従って前記画素の画素開口部を大きくした生体情報検出装置を提供する。
【００１１】
なお、指の生体情報としては、代表的には指の血管パターンや指紋があげられる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、スイープ式の指の生体情報検出装置において、生体情報の部分画像間の相関性のとり易さを維持しながら、センサの小型化・低コスト化を実現することができる。また光学式で指の生体情報を読み取る生体情報検出装置において、画素開口部の大きさの調整によりシェーディングの低減を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下光学式のスイープセンサを例に、本発明の実施形態について適宜図を用いて説明する。以下の説明は光学式のセンサを例に挙げるが、本発明は光学式に限ったものではなく、静電容量式のスイープセンサにおいても成り立つ。また以下の説明では生体情報として指紋を取り上げるが血管パターンであってもよいことは勿論である。
【００１４】
図１は光学式スイープセンサを有する指紋認証装置の構成を表したブロック図である。図１７はセンサ部に対する指の移動を示す説明図である。
【００１５】
図１７に示すように指の移動（スイープ）が開始されると、画素部２で指紋部分画像１０の撮影が開始される。その指紋部分画像１０は指紋センサ装置（生体情報検出装置）となるセンサ部１内のフレームメモリ部３で一旦保持されたあと、ＡＤコンバータ４を通してマイコン部５内のメモリ部６に蓄積される。この動作が指のスイープが終了するまでｎ回行われ、ｎフレーム分の指紋部分画像１０が撮影される。これら指紋部分画像１０はメモリ部６内の任意のメモリに順次蓄積される。例えば１フレーム目はメモリＩに、２フレーム目はメモリIIに、ｎフレーム目はメモリｎに蓄積される。センサ部１とマイコン部５とは指紋認証装置（生体情報認証装置）を構成する。
【００１６】
センサ部１内のフレームメモリ部３は、１フレームの撮影開始から終了までの時間を短縮するためにある。スイープセンサでは移動する指を撮影するため、この時間を短縮することが重要となる。
【００１７】
ｎ枚の指紋部分画像１０は画像処理部７に送られ、画像処理部７では画像の再構成や画像強調等が行われる。ここで再構成されて得られた指紋合成画像１１は指紋データベース８に保存されるか、照合部９において指紋データベース８内のあらかじめ保存された指紋との照合が行われる。
【００１８】
図２は、光学式スイープセンサの画素部２とフレームメモリ部３内の単位画素と単位フレームメモリの回路構成を簡単に表したものである。単位画素はフォトダイオードＰＤと、フォトダイオードＰＤの信号電荷を後段のアンプＭＳＦに転送するスイッチＭＴＸ、アンプＭＳＦのゲート部の残留電荷を除去するためのリセットスイッチＭＲＥＳ、ゲート部の信号電圧をバッファするアンプＭＳＦ、アンプＭＳＦからの出力の信号線への読み出しを制御する選択スイッチＭＳＥＬからなる。このようなアンプを含む画素構成はＣＭＯＳセンサとよばれる画素構成であるが、本実施形態において、光電変換部に蓄積された信号電荷を画素に備わったトランジスタの制御電極（ゲートやベース等）に導き、増幅された信号を主電極（ドレインやエミッタ）から出力するタイプのセンサが本実施形態の画素に用いることできる。各トランジスタはＭＯＳトランジスタに限定されず、ＶＭＩＳ(Threshold Voltage Modulation Image Sensor)、ＢＣＡＳＴ(Buried Charge Accumulator and Sensing Transistor array)、ＬＢＣＡＳＴ(Lateral Buried Charge Accumulator and Sensing Transistor array)等も適用可能である。とくにＢＣＡＳＴやＬＢＣＡＳＴに対しては増幅用ＭＯＳトランジスタをＪＦＥＴトランジスタに置き換えることで、本質的な変更を伴わずに実現できる。他に増幅用トランジスタとしてSITを使ったSIT型イメージセンサ（A．Yusa、J．Nishizawa  et al.,  “SIT  image sensor: Design consideration and characteristics,” IEEE trans. Vol. ED-33, pp.735-742, June 1986.）、バイポーラトランジスタを使ったBASIS (N.Tanaka et al., “A 310K pixel bipolar imager (BASIS),” IEEE Trans. Electron Devices, vol.35, pp. 646-652, may 1990)、制御電極が空乏化するJFETを使ったCMD (中村ほか“ゲート蓄積型MOSフォトトランジスタイメージセンサ”,テレビ学会誌,41,11,pp.1075-1082 Nov．，1987)などがある。
【００１９】
単位画素からのフォトダイオード信号と画素アンプＭＳＦのリセットノイズは、単位フレームメモリ内の容量ＣＳ、ＣＮにそれぞれ一時蓄積された後に読み出される。Ｍ１，Ｍ２は容量ＣＳ、ＣＮに対する書き込みを制御するためのスイッチ、Ｍ３，Ｍ４は容量ＣＳ、ＣＮに対する読み出しを制御するためのスイッチである。
【００２０】
図３は指紋部分画像１０の第ｍフレーム１２と第ｍ+1フレーム１３の画像を模式的に表したものである。図３を用いて、画像処理部７にて行われる再構成について説明する。
【００２１】
図３中の画像の重複する部分１４は、第ｍフレーム１２と第ｍ+1フレーム１３で、指の同じ場所を撮影した部分である。画像処理部７では、連続する２枚の画像間でこの部分を検出する。前後の画像をつなげる際には、再構成後の画像にこの重複する部分が２回現れないよう、第ｍフレーム１２もしくは第ｍ+1フレーム１３のどちらかの画像からはこの部分を省略してから繋げる。
【００２２】
図１５は、センサ部１内における画素部２とフレームメモリ部３内の、画素１５とフレームメモリ１６の配列を模式的に表したものである。ここでは、指のスイープ方向を縦方向、スイープ方向に垂直な方向を横方向と定義する。また、縦方向の画素１５およびフレームメモリ１６の並びを列、横方向の画素１５及びフレームメモリ１６の並びを行と呼ぶ。図１５は１２行の画素行を有する例である。
【００２３】
センサ部１内では、画素部２とフレームメモリ部３の占める領域が大きい。センサの小型化・低価格化のために、画素１５とフレームメモリ１６の数を減らすことは有効である。
【００２４】
ここでは１２行の画素行を６行に減らす場合を例に挙げる。単純な方法として、図１６のように画素１５とフレームメモリ１６を配列させる方法がある。
【００２５】
しかし図１６のようにした場合、画素部２のスイープ方向に対する長さが短くなってしまう。これは、図３の画像の重複する部分１４がとりにくくなることにつながる。指のスイープ速度が速い場合に画素削減前と同じように画像の重複する部分１４を確保するには、センサの動作速度を上げたり、露光時間を短くしたりする必要が生じてしまう。
【００２６】
また再構成を行わず周波数解析をする場合にも、画素領域を狭くすることは、指が高速のときに各指紋部分画像の含む情報を少なくすることになってしまう。
【００２７】
そこで、以下に説明するような実施例の指紋センサ装置を用いる。
【００２８】
（実施例１）
本発明の実施例１では、縦方向と横方向で画素密度が異なるようにし、つまり縦方向の画素密度を疎にすることで、前後の画像の相関性のとり易さを維持しながら画素行を減らして小型化・低価格化を実現する。
【００２９】
具体的に図４のように画素１５とフレームメモリ１６を配列する。このように横方向に比べて縦方向（スイープ方向）の画素ピッチを長くとることで（横方向に比べて縦方向の画素密度を小さくすることで、いいかえれば画素行に対して画素列の画素密度を小さくすることで）、画素削減前と同等に画素部２の縦方向の長さを維持することができ、よって同等の相関性のとり易さを維持できる。かつ、画素数が減ることによる簡略化・低コスト化、およびメモリ行が減ることによる小型化が実現される。
【００３０】
またこの場合、横方向には従来通りの解像度が維持される。横方向の画素数を削減することは直接的にスイープ方向に対する小型化に寄与するものではないので（画素行・メモリ行が減らないから）、こちらには解像度を高く保つことはスペースの有効利用となる。
【００３１】
（実施例２）
本実施例２では、スイープ（移動）方向の画素ピッチを不均一にすることにより（スイープ方向の画素数密度が不均一に分布させることにより）、相関のとり易さを維持しながら小型化・低コスト化を実現する。
【００３２】
具体的に、図５のように画素１５とフレームメモリ１６を配置する。図５の構成では、縦方向の画素ピッチが密の部分と疎の部分を有している。なお、ここでは、画素を複数画素行分配置しないことで画素ピッチを変えているが、必要に応じて画素ピッチを設定することができ、例えば図４の画素ピッチを１としたとき、図５のスイープ方向から第１画素行と第２画素行、第６画素行とフレームメモリとの画素ピッチを０．５、第２画素行と第３画素行、第５画素行と第６画素行の画素ピッチを１、第３画素行と第４画素行、第４画素行と第５画素行との画素ピッチを１．５とするような画素ピッチとすることも可能である。全体として画素部２は縦方向に削減前と同様の幅を維持しており、よって同等の相関性のとり易さを維持する。かつ画素が減ることによる簡略化・低コスト化、およびメモリの数が減ることによる小型化が実現される。また実施例１の場合と同様スイープ方向と垂直な方向には従来通りの解像度が維持される。
【００３３】
（実施例３）
本実施例３では、単位長あたりの画素密度を縦横で変化させた場合に、実施例１のようにするのではなく、画素開口部の長さを縦横で異ならせ、画素開口部をなるべく大きくとるようにする。こうすることで感度の向上が実現される。
【００３４】
具体的に図６のようにする。縦方向の画素開口部の長さが実施例１の場合より長くとられていることから、より大きな感度が実現できる。
【００３５】
（実施例４）
本実施例４では、実施例１，２のように画素を削減したスイープセンサにおいて、フレームメモリ１６を画素行の間の余地ができた空間に配置することで、さらなる小型化を実現する。
【００３６】
具体的に、図７のように画素１５の配列からなる画素行の間にそれぞれフレームメモリ１６を配列する構成、図８のようにある画素行間に全てのフレームメモリ１６を配列する構成とする。また、スイープ方向から第１画素行と第２画素行、第５画素行と第６画素行との間に１行分のフレームメモリを配置し、第２画素行と第３画素行、第４画素行と第５画素行との間に２行分のフレームメモリを配置するような構成も可能である。これにより、スイープ方向の大きさを実施例１，２の場合よりさらに小さくすることができる。
【００３７】
（実施例５）
本実施例５では、フレームメモリ１６を画素列の間に配置することで、スイープ方向に対する小型化を実現する。
【００３８】
図１５のような配列であったものを小型化する場合を想定する。具体的に、図９のような配列にすることで小型化を実現できる。
【００３９】
図９の例では横方向の画素間にフレームメモリ１６をそれぞれ配置しているので、横方向のみ解像度を下げているが、さらに簡略化・低コスト化のために縦方向にも画素数を削減し（１２行の画素行を６行の画素行とする）図１０のようにする方法、さらに動作安定のためにフレームメモリ１６の面積を大きくし、図１１のようにする方法もある。
【００４０】
（実施例６）
本実施例６では、発光手段１７を有する光学式指紋センサにおいて、発光手段１７から遠い画素ほど画素開口部を大きくすることで、シェーディングの低減を実現する。
【００４１】
図１２はこの実施例を模式的に表したものである。図１２のように画素開口部の大きさを調整して発光手段１７から遠ざかる程、画素開口部の大きさを大きくし、ＬＥＤ等の発光手段１７から遠い画素ほど感度を高くする。これによりセンサのシェーディングを補正する。
【００４２】
図１３は、開口部補正の効果を模式的に表したものである。横軸はLEDから画素までの距離、縦軸は画素出力とする。補正前の出力信号は例えば図中の実線のようになっており、LEDに近いほど出力強度が大きくなっている。開口部の大きさを図１２のように補正することは、図中の点線のようにこの出力の差を低減する効果をもたらす。
【００４３】
なお、本実施例は特に移動する指の部分画像を撮影する指紋センサ装置に限定されず、指を静止させた状態で指の画像を撮影する指紋センサ装置にも適用できる。
【００４４】
（実施例７）
実施例６の構成は実施例１〜５の構成と適宜組み合わせることができる。例えば、本実施例７では、実施例１の構成と実施例６の構成の特徴を併せ持つ指紋認証装置を提供することで、小型化とシェーディング低減の２つを同時に実現した指紋認証装置を提供する。
【００４５】
図１５の配列を持つセンサに、小型化とシェーディング補正を施す場合を想定する。具体的に、図１４のようにＬＥＤ等の発光手段１７から遠ざかるに従って画素開口部の大きさを大きくし、かつ画素行の数を１２行から６行とする。これにより画素数削減による簡略化・低コスト化、フレームメモリ列削減による小型化、画素開口部の大きさ調整によるシェーディング補正が実現される。またこの場合横方向の解像度は削減前と同等に維持される。
【００４６】
本実施例に係わる指紋センサ装置を単独で携帯電話、ＰＤＡ、ノート型ＰＣ（パーソナルコンピュータ）、据置型ＰＣ等の情報機器に搭載することで、指紋センサ装置から出力される指紋の部分画像をインターネット等の通信回線を通じて指紋認証サーバに送り、指紋認証サーバが図１のマイコン部５のような指紋認証を行い、その指紋認証の是否を通信回線を通じて情報機器に送り、指紋認証がされたときに、携帯電話の通話、ＰＣのアプリケーションソフトの起動等を許可するような認証方法をとることも可能である。勿論図１に示すような指紋認証装置をＰＤＡ、ノート型ＰＣ（パーソナルコンピュータ）、据置型ＰＣ等の情報機器に搭載することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明は個人認証を必要とする携帯電話、ＰＤＡ、ノート型ＰＣ（パーソナルコンピュータ）、据置型ＰＣ等の情報機器に搭載される生体情報検出装置に適用される。かかる生体情報検出装置と当該生体情報検出装置から出力される複数の部分画像に基づいて生体情報の認証を行う認証部とを備えた生体情報認証装置を上記の情報機器に搭載する場合にも本発明は適用される。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】指紋認証装置の一実施形態の構成を示したブロック図である。
【図２】光学式スイープセンサの画素の回路構成を簡単に表した図である。
【図３】第ｍフレームと第ｍ+1フレームの指紋部分画像を表す模式図である。
【図４】図１５の指紋センサに対して、縦横の画素ピッチが異なるような形態で画素行を削減した例を示す模式図である。
【図５】図１５の指紋センサに対して、縦方向の画素ピッチが不均一になる形態で画素行を削減した例を示す模式図である。
【図６】図４の指紋センサに対して、画素開口部を大きくとるために、画素開口部の長さが縦横で異なるようにした例を示す模式図である。
【図７】図４の指紋センサに対して、画素行の間にフレームメモリを配置し、スイープ方向に対して小型化した例を示す模式図である。
【図８】図５の指紋センサに対して、画素行の間にフレームメモリを配置し、スイープ方向に対して小型化した例を示す模式図である。
【図９】画素列の間にフレームメモリを配置した指紋センサの、画素とフレームメモリの配列の例を示す模式図である。
【図１０】図９の指紋センサに対して、縦方向の画素数を減らして簡略化・低価格化した例を示す模式図である。
【図１１】図１０の指紋センサに対して、フレームメモリの面積をより大きくして動作を安定させた例を示す模式図である。
【図１２】発光手段から遠い画素ほど画素開口部を大きくして、シェーディングを低減した指紋センサの画素部とフレームメモリ部を示す模式図である。
【図１３】画素開口部の大きさ補正の効果を模式的に表した図である。
【図１４】図１５の指紋センサに対して、縦横の画素ピッチが異なるような形態で画素行を削減すると共に、発光手段から遠い画素ほど画素開口部を大きくとるようにして、シェーディングを低減した例を示す模式図である。
【図１５】一般的な指紋センサにおける画素とフレームメモリの配列の一例を示す模式図である。
【図１６】図１５の指紋センサの画素行を単純に削減した例を示す模式図である。
【図１７】センサ部に対する指の移動を示す説明図である。
【符号の説明】
【００４９】
１  センサ部
２  画素部
３  フレームメモリ部
４  ＡＤコンバータ
５  マイコン部（認証部）
６  メモリ部
７  画像処理部
８  指紋データベース
９  照合部
１０  指紋部分画像
１１  合成後指紋画像
１２  第ｍフレーム
１３  第ｍ+1フレーム
１４  画像の重複する部分
１５  画素
１６  フレームメモリ
１７  発光手段
【図１】
2006149634.tif 000003
【図２】
2006149634.tif 000004
【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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【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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