(57)【要約】  皮膚表面の位相的特徴の画像を取得する装置１００に関する。この装置１００は、入口端６０４ならびに上面６１０および底面６１２を有する導波路４０５と、光ビームを前記導波路の入口端に導くように構成された光源２０５と、導波路４０５の上面６１０または上面付近に配置された皮膚接触層８０７と、導波路４０５の上面６１０または底面６１２に配置され、光源２０５から入射する光ビーム２０７を皮膚接触層８０７へと回折させるように構成されたホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）４１０と、皮膚接触層８０７と接触している皮膚表面から反射された光を検出するように構成されたセンサ・アレイ２１５と、温度に起因するＨＯＥ４１０のブラッグ・マッチング条件の変化を補償する手段とを有する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入口端ならびに上面および底面を有する導波路と、
光ビームを前記導波路の入口端の方向に導くように構成された光源と、
前記導波路の上面もしくは底面に、または前記上面もしくは底面の近くに、配置された皮膚接触層と、
前記導波路の上面もしくは底面に配置され、前記光源から入射する光ビームを前記皮膚接触層の方向に回折するように構成されたホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）と、
皮膚と前記皮膚接触層との間の界面から反射された光を検出するように構成されたセンサ・アレイとを備えた、指紋画像を取得する装置であって、
前記ＨＯＥが、
格子を含む層と、
前記格子層と接する少なくとも１つの支持層とを有し
前記格子層および前記少なくとも１つの支持層が、同一の熱膨張係数もしくは熱光学係数またはこれら両方を有する、指紋画像の取得装置。
【請求項２】
皮膚表面の位相的特徴の画像を取得する装置であって、
入口端ならびに上面および底面を有する導波路と、
光ビームを前記導波路の入口端に導くように構成された光源と、
前記導波路の上面もしくは底面に、または前記上面もしくは底面の近くに、配置された皮膚接触層と、
前記導波路の上面もしくは底面に配置され、前記光源から入射する光ビームを前記皮膚接触層の方向に回折するように構成されたホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）と、
皮膚と前記皮膚接触層との間の界面から反射された光を検出するように構成されたセンサ・アレイと、
温度変化に起因する前記ＨＯＥのブラッグ・マッチング条件の変化を補償する補償手段とを備えた、位相的特徴の画像取得装置。
【請求項３】
請求項２において、温度に起因する前記ＨＯＥのブラッグ・マッチング条件の変化の補償は、前記ＨＯＥの温度の制御を含む、位相的特徴の画像取得装置。
【請求項４】
請求項２において、前記補償手段は、温度に起因する前記ＨＯＥのブラッグ・マッチング条件の変化を原因とする前記ＨＯＥによる光の回折強度の変化を補償するために、前記導波路における前記光源からの光ビームの入射角度を調節する、または、前記光源から導かれたビームの前記導波路における入射角度に関して前記導波路の入口端と上面もしくは底面との間の角度を調節する、１つまたは複数の手段を備えた、位相的特徴の画像取得装置。
【請求項５】
請求項２において、前記ＨＯＥは、前記皮膚接触層の垂直方向から前記ＨＯＥのブラッグ・マッチング条件の角度幅を超える角度だけ異なる方向に光ビームを回折するように構成されている、位相的特徴の画像取得装置。
【請求項６】
請求項２において、前記ＨＯＥはｓ偏向光の入射ビームに対して最適化されている、位相的特徴の画像取得装置。
【請求項７】
請求項２において、前記ＨＯＥはｐ偏向光の入射ビームに対して最適化されている、位相的特徴の画像取得装置。
【請求項８】
請求項２において、前記ＨＯＥは偏光に依存しない、位相的特徴の画像取得装置。
【請求項９】
請求項２において、さらに、前記光源からの光ビームを平行化して前記入口端に導くように構成されたレンズ素子を備え、
前記補償手段は、前記光源、前記レンズ素子、もしくは前記導波路のうちの１つまたは複数を取り付ける取付手段を有し、
この取付手段は熱膨張が可能で、前記導波路または前記ＨＯＥへの光ビームの入射角度を調節するように構成されている、位相的特徴の画像取得装置。
【請求項１０】
請求項９において、前記光源、前記レンズ素子、または前記導波路のうちの１つまたは複数を取り付ける前記取付手段が、棒またはバーを備えた、位相的特徴の画像取得装置。
【請求項１１】
請求項２において、前記補償の手段が、前記導波路または前記ＨＯＥへの光ビームの入射角度を調節するように構成された１つまたは複数のアクチュエータを備えている、位相的特徴の画像取得装置。
【請求項１２】
請求項１１において、さらに、光学的レンズ素子を備えた、位相的特徴の画像取得装置。
【請求項１３】
請求項１２において、前記アクチュエータが、前記光源、前記レンズ素子、または前記導波路のうちの１つまたは複数の位置を調節する、位相的特徴の画像取得装置。
【請求項１４】
請求項１２において、前記光源、前記レンズ素子、または前記導波路のうちの１つまたは複数の位置は、前記ＨＯＥによって回折され前記センサ・アレイの複数の画素のうちの１つまたは複数によって検出される光強度を測定することによって、手動で制御される、位相的特徴の画像取得装置。
【請求項１５】
請求項１３において、前記アクチュエータは電子的に制御される、位相的特徴の画像取得装置。
【請求項１６】
請求項１５において、前記センサ・アレイの複数の画素のうちの１つまたは複数に到達する光強度を測定して、前記アクチュエータの制御に使用する信号を生成する、位相的特徴の画像取得装置。
【請求項１７】
請求項１５において、前記ＨＯＥによって回折され、前記センサ・アレイによって検出される光の強度を測定して、前記アクチュエータを制御する信号を生成する、位相的特徴の画像取得装置。
【請求項１８】
請求項１５において、さらに、少なくとも１つの第２センサを備え、この第２センサに到達する光強度を測定して、前記アクチュエータを制御する信号を生成する、位相的特徴の画像取得装置。
【請求項１９】
請求項１８において、前記ＨＯＥによって回折された光と非回折の光との強度差を測定して、前記アクチュエータを制御する信号を生成する、位相的特徴の画像取得装置。
【請求項２０】
請求項１５において、さらに、前記ＨＯＥの隣に、間隔を空けて配置した、少なくとも１つの追加ホログラムを備え、
この追加ホログラムは、前記ＨＯＥに入射する光の一部を前記追加センサに回折するように構成され、
前記追加ホログラムから回折された光の強度を測定することによって、前記アクチュエータを制御する信号を生成する、位相的特徴の画像取得装置。
【請求項２１】
皮膚表面の位相的特徴の画像を取得する装置であって、
入口端ならびに上面および底面を有する導波路と、
光ビームを前記導波路の入口端に導くように構成された光源と、
前記導波路の上面もしくは底面に配置された皮膚接触層と、
前記導波路の上面もしくは底面に配置され、前記光源から入射する光ビームを前記皮膚接触層の方向に回折するように構成されたホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）と、
皮膚と前記皮膚接触層との間の界面から反射された光を検出するように構成されたセンサ・アレイとを備え、
前記ＨＯＥは同位置に多重化された少なくとも２つのホログラムを有する、位相的特徴の画像取得装置。
【請求項２２】
請求項２１において、前記多重ホログラムは、この多重ホログラムのブラッグ・マッチング条件が重複するように構成されている、位相的特徴の画像取得装置。
【請求項２３】
請求項２１において、前記多重ホログラムは平面角多重化されており、多重化のための記録角度の増分が、先立って記録された多重ホログラムのそれぞれの角度ブラッグ・マッチング条件の幅よりも小さい、位相的特徴の画像取得装置。
【請求項２４】
請求項２１において、前記多重ホログラムの格子周期が等しくない、位相的特徴の画像取得装置。
【請求項２５】
皮膚表面の位相的特徴の画像を取得する装置であって、
入口端ならびに上面および底面を有する導波路と、
光ビームを前記導波路の入口端に導くように構成された光源と、
前記導波路の上面もしくは底面に配置された皮膚接触層と、
前記導波路の上面もしくは底面に配置され、前記光源から入射する光ビームを前記皮膚接触層の方向に回折するように構成されたホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）と、
皮膚と前記皮膚接触層との間の界面から反射された光を検出するように構成されたセンサ・アレイと、
前記光源の波長を変化させる変化手段とを備えた、位相的特徴の画像取得装置。
【請求項２６】
請求項２５において、前記光源の波長を変化させる変化手段は、温度に起因する前記ＨＯＥのブラッグ・マッチング条件の変化に応じて動作周波数を変化させるように構成されたレーザ・ダイオードである、位相的特徴の画像取得装置。
【請求項２７】
請求項２５において、前記ＨＯＥは、前記皮膚接触層に垂直な方向から前記ＨＯＥのブラッグ・マッチング条件の角度幅を超える角度だけ異なる方向に光ビームを回折するように構成されている、位相的特徴の画像取得装置。
【請求項２８】
請求項２５において、前記ＨＯＥはｓ偏向光の入射ビームに対して最適化されている、位相的特徴の画像取得装置。
【請求項２９】
請求項２５において、前記ＨＯＥはｐ偏向光の入射ビームに対して最適化されている、位相的特徴の画像取得装置。
【請求項３０】
請求項２５において、前記ＨＯＥは偏光に依存しない、位相的特徴の画像取得装置。
【請求項３１】
請求項２５において、前記変化手段は複数波長の光源を有する、位相的特徴の画像取得装置。
【請求項３２】
皮膚表面の位相的特徴の画像を取得する装置であって、
入口端ならびに上面および底面を有する導波路と、
光ビームを前記導波路の入口端に導くように構成された光源と、
前記導波路の上面に配置された皮膚接触層と、
前記導波路の上面もしくは底面に配置され、光ビームを前記皮膚接触層の方向に回折するように構成され、ブラッグ・マッチング条件を有するホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）と、
皮膚と前記皮膚接触層との間の界面から反射された光を検出するように構成されたセンサ・アレイと、
温度変化に起因する前記ＨＯＥのブラッグ・マッチング条件の変化を補償する補償手段とを備え、
前記光源は広域波長スペクトルの光源であって、この光源の波長は前記ＨＯＥを復元できる、位相的特徴の画像取得装置。
【請求項３３】
請求項３２において、さらに、前記光源からの光ビームを前記導波路の前記入口端に導くように構成されたレンズ素子を備えた、位相的特徴の画像取得装置。
【請求項３４】
請求項３２において、前記ＨＯＥは、前記皮膚接触層に垂直な方向からある一定の角度だけ異なる方向に光ビームを回折するように構成されている、位相的特徴の画像取得装置。
【請求項３５】
請求項３４において、前記ＨＯＥは少なくとも約５０％の回折効率を有する、位相的特徴の画像取得装置。
【請求項３６】
請求項３４において、前記ＨＯＥは少なくとも約７５％の回折効率を有する、位相的特徴の画像取得装置。
【請求項３７】
請求項３４において、前記ＨＯＥは少なくとも約９０％の回折効率を有する、位相的特徴の画像取得装置。
【請求項３８】
請求項３２において、前記ＨＯＥは少なくとも２つの多重化されたホログラムを有する、位相的特徴の画像取得装置。
【請求項３９】
請求項３２において、前記ＨＯＥはｓ偏向光の入射ビームに対して最適化されている、位相的特徴の画像取得装置。
【請求項４０】
請求項３２において、前記ＨＯＥはｐ偏向光の入射ビームに対して最適化されている、位相的特徴の画像取得装置。
【請求項４１】
請求項３２において、前記ＨＯＥは偏光に依存しない、位相的特徴の画像取得装置。
【請求項４２】
請求項３２において、前記導波路の入口端は上面および底面に対して傾斜した角度を形成している、位相的特徴の画像取得装置。
【請求項４３】
請求項３４において、前記光源からの光は前記ＨＯＥ方向に直接屈折するように前記入口端に導かれる、位相的特徴の画像取得装置。
【請求項４４】
請求項３２において、前記入口端は、光学的機能有し、前記光源からの光ビームを前記ＨＯＥに導くように構成されている、位相的特徴の画像取得装置。
【請求項４５】
請求項３２において、前記導波路は前記入口端と反対側の表面に光トラップを有する、位相的特徴の画像取得装置。
【請求項４６】
請求項３２において、前記導波路は、この導波路の入口端または入口端の近傍の底面に沿って反射金属コーティングを有する、位相的特徴の画像取得装置。
【請求項４７】
請求項３２において、さらに、前記ＨＯＥによる回折に対して最適の偏光方向を与えるように構成された波長板を有する、位相的特徴の画像取得装置。
【請求項４８】
請求項４７において、前記波長板は半波長板である、位相的特徴の画像取得装置。
【請求項４９】
請求項４８において、前記半波長板は、前記光源と前記導波路の入口端との間に配置され、光ビームの偏光面を前記ＨＯＥによる回折に対して最適となるように回転させる、位相的特徴の画像取得装置。
【請求項５０】
請求項３２において、さらに、前記皮膚接触層と前記センサ・アレイとの間に配置された直線偏光子を有する、位相的特徴の画像取得装置。
【請求項５１】
請求項３２において、前記皮膚接触層は約１．３よりも大きい屈折率を有する、位相的特徴の画像取得装置。
【請求項５２】
請求項３２において、前記皮膚接触層は約１．３０〜約１．５０の間の屈折率を有する、位相的特徴の画像取得装置。
【請求項５３】
請求項３２において、前記皮膚接触層は、皮膚とこの皮膚接触層との間の界面から反射された光を前記センサ・アレイに導くように構成された光学的機能を有する部分を含む、位相的特徴の画像取得装置。
【請求項５４】
請求項５３において、前記光学的機能を有する部分は曲面状である、位相的特徴の画像取得装置。
【請求項５５】
請求項５３において、前記光学的機能を有する部分は平凸レンズである、位相的特徴の画像取得装置。
【請求項５６】
請求項３２において、さらに、前記皮膚接触層に取り付けられ、皮膚とこの皮膚接触層との間の界面から反射された光を前記センサ・アレイに導くように構成されている追加のレンズ素子を有する、位相的特徴の画像取得装置。
【請求項５７】
請求項３２において、前記皮膚接触層は、装置の周囲の使用温度よりも低いガラス遷移温度を有するポリマー層を有する、位相的特徴の画像取得装置。
【請求項５８】
請求項３２において、前記皮膚接触層は、装置の周囲の使用温度よりも低いガラス遷移温度を有するポリマー層でコーティングされている、位相的特徴の画像取得装置。
【請求項５９】
請求項３２において、前記皮膚接触層は約１．４５〜１．５０の間の屈折率を有するガラス材料を含む、位相的特徴の画像取得装置。
【請求項６０】
請求項３２において、前記皮膚接触層は、表面エネルギーが約３０ｍＪ／ｍ２未満である上面を有する、位相的特徴の画像取得装置。
【請求項６１】
請求項３２において、さらに、前記皮膚接触層と前記センサ・アレイとの間に配置された少なくとも１つの１／４波長板および直線偏光子を有する、位相的特徴の画像取得装置。
【請求項６２】
請求項６１において、前記１／４波長板は前記ＨＯＥと前記皮膚接触層との間に配置され、前記直線偏光子は前記導波路と前記センサ・アレイとの間に配置されている、位相的特徴の画像取得装置。
【請求項６３】
請求項３２において、前記光源の波長は約４００ｎｍ〜約１０００ｎｍの範囲にある、位相的特徴の画像取得装置。
【請求項６４】
請求項６３において、前記光源の波長は約４００ｎｍ〜約５３５ｎｍの範囲にある、位相的特徴の画像取得装置。
【請求項６５】
請求項３２において、前記導波路の表面の少なくとも１つ、または前記センサ・アレイは、反射防止コーティングを含む、位相的特徴の画像取得装置。
【請求項６６】
請求項５０において、前記偏光子の少なくとも１つの表面は、反射防止コーティングを含む、位相的特徴の画像取得装置。
【請求項６７】
請求項３２において、前記導波路の表面の少なくとも１つ、前記ホログラフィック光学素子、前記センサ・アレイ、または前記皮膚接触層は、誘電体層を含む、位相的特徴の画像取得装置。
【請求項６８】
請求項５０において、前記偏光子の少なくとも１つの表面は誘電体層を含む、位相的特徴の画像取得装置。
【請求項６９】
請求項６７において、前記誘電体層は装置の周囲の使用温度よりも低いガラス遷移温度を有するポリマー膜を含む、位相的特徴の画像取得装置。
【請求項７０】
請求項６９において、前記誘電体層はシリコーンまたはシロキサンの誘導体を含む、位相的特徴の画像取得装置。
【請求項７１】
請求項３２において、前記センサ・アレイは、取得した画像について少なくとも１インチ当たり１１００画素の解像度を有する、位相的特徴の画像取得装置。
【請求項７２】
請求項３２において、前記センサ・アレイはＣＣＤまたはＣＭＯＳ撮像装置である、位相的特徴の画像取得装置。
【請求項７３】
皮膚表面のトポロジー画像を取得する方法であって、
ブラッグ・マッチング条件を有するホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）を備えた、皮膚表面の位相的特徴の画像を取得する装置によって皮膚表面を受け入れ、
光ビームを前記ＨＯＥに導いて、この光ビームを回折し、
前記回折光ビームを皮膚と皮膚接触層との間の界面に導いて、この光ビームを反射し、
温度に起因する前記ＨＯＥのブラッグ・マッチング条件の変化を補償し、
前記反射光を検出して、前記装置によって皮膚表面の位相的特徴の画像を取得する、皮膚表面のトポロジー画像の取得方法。
【請求項７４】
請求項７３において、温度に起因する前記ＨＯＥのブラッグ・マッチング条件の変化を補償する工程が、前記ＨＯＥの温度を制御することを含む、皮膚表面のトポロジー画像の取得方法。
【請求項７５】
請求項７３において、前記ＨＯＥは、光ビームの断面よりも大きい少なくとも１つの寸法を有する回折格子を備え、
前記光ビームは、前記ＨＯＥの面に対して約９０°未満の角度で前記ＨＯＥに導かれ、前記ＨＯＥは、このＨＯＥに導かれた光の入射角度よりも小さい角度で光を回折し、これによって光ビームがアナモルフィックに拡大される、皮膚表面のトポロジー画像の取得方法。
【請求項７６】
請求項７３において、前記画像取得装置は、さらに、
入口端ならびに上面および底面を有する導波路と、
前記導波路の上面に配置された皮膚接触層と、
光ビームを前記導波路の入口端に導くように構成された光源と、
皮膚と前記皮膚接触層との間の界面から反射された光を検出するように構成されたセンサ・アレイとを有する、皮膚表面のトポロジー画像の取得方法。
【請求項７７】
請求項７３において、前記ＨＯＥは、格子を有する層およびこの格子層と接する少なくとも１つの支持層を備え、
温度に起因する前記ＨＯＥのブラッグ・マッチング条件の変化を補償する工程が、前記層格子層および支持層を同一の熱膨張係数もしくは熱光学係数またはこれら両方を有するように選択する、皮膚表面のトポロジー画像の取得方法。
【請求項７８】
請求項７６において、温度に起因する前記ＨＯＥのブラッグ・マッチング条件の変化を補償する工程が、前記ＨＯＥへの前記光ビームの入射角度または前記光ビームの波長を調節する、皮膚表面のトポロジー画像の取得方法。
【請求項７９】
請求項７８において、前記画像取得装置は、さらに、前記光源からの光ビームを前記導波路の入口端に導くように構成されたレンズ素子と、前記光源、前記レンズ素子、もしくは前記導波路のうちの１つまたは複数を取り付ける取付手段とを備え、
温度に起因する前記ＨＯＥのブラッグ・マッチング条件の変化を補償する工程が、熱膨張する少なくとも１つの取付手段を選択し、この選択した手段を前記ＨＯＥへの光ビームの入射角度を調節するように構成する、皮膚表面のトポロジー画像の取得方法。
【請求項８０】
請求項７９において、前記取付手段は、熱膨張する棒またはバーである、皮膚表面のトポロジー画像の取得方法。
【請求項８１】
請求項７９において、前記画像取得装置は、さらに、前記ＨＯＥへの光ビームの入射角度を調節するように構成された制御可能なアクチュエータを有する、皮膚表面のトポロジー画像の取得方法。
【請求項８２】
請求項７６において、前記光源、前記レンズ素子、または前記導波路のうちの１つまたは複数の位置は、前記ＨＯＥによって回折され前記センサ・アレイの複数の画素のうちの１つまたは複数によって検出される光強度を測定することによって、手動で制御される、皮膚表面のトポロジー画像の取得方法。
【請求項８３】
請求項７６において、前記装置は、さらに、少なくとも１つの追加センサを備え、
前記光源、前記レンズ素子、もしくは前記導波路のうちの１つまたは複数の位置は、前記ＨＯＥによって回折され前記少なくとも１つの追加センサによって検出される光強度を測定することによって、手動で制御される、皮膚表面のトポロジー画像の取得方法。
【請求項８４】
請求項８１において、温度に起因する前記ＨＯＥのブラッグ・マッチング条件の変化を補償する工程は、前記アクチュエータを電気信号によって制御する、皮膚表面のトポロジー画像の取得方法。
【請求項８５】
請求項８４において、前記装置は、さらに、少なくとも１つの追加センサを備え、
前記アクチュエータの制御は、前記センサ・アレイまたは少なくとも追加センサに到達する光強度を測定することによって電気信号を生成することを含む、皮膚表面のトポロジー画像の取得方法。
【請求項８６】
請求項８５において、前記アクチュエータの制御は、前記ＨＯＥによって回折された光強度を測定して前記電気信号を生成することを含む、皮膚表面のトポロジー画像の取得方法。
【請求項８７】
請求項８６において、前記アクチュエータの制御は、前記ＨＯＥによって回折された光と非回折の光との強度差を測定して前記電気信号を生成することを含む、皮膚表面のトポロジー画像の取得方法。
【請求項８８】
請求項８４において、前記画像取得装置は、さらに、前記ＨＯＥの隣に配置された少なくとも１つの追加ホログラムを備え、
温度に起因する前記ＨＯＥのブラッグ・マッチング条件の変化を補償する工程は、前記追加ホログラムから回折された光強度を測定して前記電気信号を得る、皮膚表面のトポロジー画像の取得方法。
【請求項８９】
請求項８４において、前記ＨＯＥが、同位置に多重化された少なくとも２つのホログラムを備え、
温度に起因する前記ＨＯＥのブラッグ・マッチング条件の変化を補償する工程は、前記多重ホログラムのブラッグ・マッチング条件が重複するように前記多重ホログラムを記録する、皮膚表面のトポロジー画像の取得方法。
【請求項９０】
請求項８４において、温度に起因する前記ＨＯＥのブラッグ・マッチング条件の変化を補償する工程は、平面角多重化されたホログラムを、記録角度の増分が多重ホログラムのそれぞれのブラッグ角度選択性の幅よりも小さくなるように記録する、皮膚表面のトポロジー画像の取得方法。
【請求項９１】
請求項８４において、温度に起因する前記ＨＯＥのブラッグ・マッチング条件の変化を補償する工程は、多重ホログラムをこれらホログラムの格子周期が等しくないように記録する、皮膚表面のトポロジー画像の取得方法。
【請求項９２】
請求項７８において、前記光源はレーザ・ダイオードであり、
温度に起因する前記ＨＯＥのブラッグ・マッチング条件の変化を補償する工程は、温度に応じて動作波長を変化させるように前記レーザ・ダイオードを構成する、皮膚表面のトポロジー画像の取得方法。
【請求項９３】
請求項７６において、温度に起因する前記ＨＯＥのブラッグ・マッチング条件の変化を補償する工程は、前記光源を広域波長スペクトルの光を発生するように構成する、皮膚表面のトポロジー画像の取得方法。
【請求項９４】
請求項７６において、さらに、前記主ホログラムのブラッグ角度選択性の角度幅を超える角度だけ前記皮膚接触層の垂直方向と異なる方向に光ビームを回折するＨＯＥを選択する、皮膚表面のトポロジー画像の取得方法。
【請求項９５】
請求項７６において、さらに、多重化された少なくとも２つのホログラムを含むＨＯＥを選択する、皮膚表面のトポロジー画像の取得方法。
【請求項９６】
請求項９４において、さらに、前記多重ホログラムのそれぞれが少なくとも約５０％の回折効率を有するようにＨＯＥを選択する、皮膚表面のトポロジー画像の取得方法。
【請求項９７】
請求項９４において、さらに、前記多重ホログラムのそれぞれが少なくとも約７５％の回折効率を有するようにＨＯＥを選択する、皮膚表面のトポロジー画像の取得方法。
【請求項９８】
請求項９４において、さらに、前記多重ホログラムのそれぞれが少なくとも約９０％の回折効率を有するようにＨＯＥを選択する、皮膚表面のトポロジー画像の取得方法。
【請求項９９】
請求項７３において、さらに、ｓ偏向光に対して最適化されたＨＯＥを選択する、皮膚表面のトポロジー画像の取得方法。
【請求項１００】
請求項７３において、さらに、ｐ偏向光に対して最適化されたＨＯＥを選択する、皮膚表面のトポロジー画像の取得方法。
【請求項１０１】
請求項７３において、さらに、偏光に依存しないＨＯＥを選択することを含む、皮膚表面のトポロジー画像の取得方法。
【請求項１０２】
請求項７６において、さらに、上面および底面に対して傾斜した角度を形成している入口端を有する導波路を選択する、皮膚表面のトポロジー画像の取得方法。
【請求項１０３】
請求項７６において、さらに、光学的機能を備える入口端を有する導波路を選択することにより、前記光源からの光ビームを前記ＨＯＥに導く、皮膚表面のトポロジー画像の取得方法。
【請求項１０４】
請求項７６において、さらに、前記入口端と反対側の表面に光トラップを有する導波路を選択する、皮膚表面のトポロジー画像の取得方法。
【請求項１０５】
請求項７６において、さらに、入口端または入口端の近傍の底面に沿って反射金属コーティング有する導波路を選択する、皮膚表面のトポロジー画像の取得方法。
【請求項１０６】
請求項７６において、さらに、前記光源と前記導波路の入口端との間に配置され、前記ＨＯＥによる回折に対して最適な偏光方向を与えるように構成されている波長板を通して、光ビームを導くことを含む、皮膚表面のトポロジー画像の取得方法。
【請求項１０７】
請求項１０６において、前記波長板に半波長板である、皮膚表面のトポロジー画像の取得方法。
【請求項１０８】
請求項７６において、さらに、光学的機能を有する皮膚接触層を選択して、皮膚と皮膚接触層との間の界面から反射された光を前記センサ・アレイに導く、皮膚表面のトポロジー画像の取得方法。
【請求項１０９】
請求項７６において、前記画像取得装置は、さらに、皮膚接触層に取り付けられたレンズ素子を備え、このレンズ素子は皮膚と前記接触層との間の界面から反射された光を前記センサ・アレイに導くように構成されている、皮膚表面のトポロジー画像の取得方法。
【請求項１１０】
請求項７６において、前記皮膚接触層は、前記装置の周囲の使用温度よりも低いガラス遷移温度を有するポリマー層を有する、皮膚表面のトポロジー画像の取得方法。
【請求項１１１】
請求項７６において、前記皮膚接触層は、前記装置の周囲の使用温度よりも低いガラス遷移温度を有するポリマー層でコーティングされている、皮膚表面のトポロジー画像の取得方法。
【請求項１１２】
請求項７６において、前記皮膚接触層は約１．４５〜１．５０の間の屈折率を有するガラス材料を含む、皮膚表面のトポロジー画像の取得方法。
【請求項１１３】
請求項７６において、前記皮膚接触層は、表面エネルギーが約３０ｍＪ／ｍ２未満である上面を有する、皮膚表面のトポロジー画像の取得方法。
【請求項１１４】
請求項７６において、さらに、前記皮膚接触層と前記センサ・アレイとの間に配置された少なくとも１つの１／４波長板および直線偏光子を有する、皮膚表面のトポロジー画像の取得方法。
【請求項１１５】
請求項１１４において、前記１／４波長板は前記ＨＯＥと前記皮膚接触層との間に配置され、前記直線偏光子は前記導波路と前記センサ・アレイとの間に配置されている、皮膚表面のトポロジー画像の取得方法。
【請求項１１６】
請求項７６において、前記光源の波長は約４００ｎｍ〜約１０００ｎｍの範囲にある、皮膚表面のトポロジー画像の取得方法。
【請求項１１７】
請求項１１６において、前記光源の波長は約４００ｎｍ〜約５３５ｎｍの範囲にある、皮膚表面のトポロジー画像の取得方法。
【請求項１１８】
請求項７６において、前記導波路の表面の少なくとも１つ、または前記センサ・アレイは、反射防止コーティングを含む、皮膚表面のトポロジー画像の取得方法。
【請求項１１９】
請求項１１４において、前記偏光子の少なくとも１つの表面は反射防止コーティングを含む、皮膚表面のトポロジー画像の取得方法。
【請求項１２０】
請求項７６において、前記導波路の表面の少なくとも１つ、前記ホログラフィック光学素子、前記センサ・アレイ、または前記皮膚接触層は、誘電体層を含む、皮膚表面のトポロジー画像の取得方法。
【請求項１２１】
請求項１１４において、前記偏光子の少なくとも１つの表面は、誘電体層を含む、皮膚表面のトポロジー画像の取得方法。
【請求項１２２】
請求項１２０において、前記誘電体層は、前記装置の周囲の使用温度よりも低いガラス遷移温度を有するポリマー膜を含む、皮膚表面のトポロジー画像の取得方法。
【請求項１２３】
請求項１２２において、前記誘電体層は、シリコーンまたはシロキサンの誘導体を含む、皮膚表面のトポロジー画像の取得方法。
【請求項１２４】
請求項７６において、前記センサ・アレイは、少なくとも１インチ当たり１１００画素の解像度を有する、皮膚表面のトポロジー画像の取得方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願】
【０００１】
本件出願は、２００３年６月２１日出願の米国特許仮出願第６０／４８０，００８号、２００３年１１月１３日出願の米国特許仮出願第６０／５１９，７９２号、および２００３年１１月１１日出願の米国特許仮出願第６０／５２３，０６８号の利益を主張する。本件出願は、代理人事件番号３１７４．１０１２−００６にて２００４年６月２１日付で本件出願と同時に出願された発明の名称「生体認証用画像を処理する方法および装置（Method and Apparatus for Processing Biometric Images）」のＰＣＴ出願に関連する。上記各出願の全内容は、参照によって本明細書に引用したものとする。
【背景技術】
【０００２】
国内治安に対する関心の増大に伴い、個人をクレジットカード、運転免許証、パスポート、および他の形式の身分証明の正規の保有者として確実に識別することの必要性が極めて重要になっている。理想的な識別プロセスは、高信頼性であり、高速であり、かつ比較的安価である。そのような識別プロセスは、ネットワーク化することにより高速かつ効果的な情報の共有を可能にする最新の高速電子装置をベースとすべきである。さらに、空港のセキュリティ・ステーション、税関および国境検問所、警察車両、家庭および職場のコンピュータ設備、ならびに安全な建物の入口管理場所など、さまざまな環境において好都合に利用できるよう、小型で、可搬性を有し、堅牢でなければならない。
【０００３】
広く利用されている識別方法は、指紋を前もって得ておいた個人の真正の指紋と比較することである。従来から、指紋はインクを付けた指を白紙上で回転させることによって採取されてきた。この従来のプロセスでは上述の条件を満足できないことが明らかであるため、最近のセキュリティ要求に対処するために、指紋を電子的に画像化する方法を利用するさまざまな試みがなされてきた。それら最近の提案はすべて、ディジタル方式で指紋の画像を取得するため、主要な構成要素として容量センサまたは光学センサなどの固体素子を使用している。指紋識別装置の一部として新しい種類の固体撮像装置を使用することによって、指紋を例えばセキュリティ・チェックの際に好都合かつ高速に収集し、次いでほぼリアルタイムで、セキュリティ・チェック地点のコンピュータ、安全であるが可搬または着脱可能である記憶装置、あるいは遠隔のネットワーク・サーバ上に存在する電子データベース内の、前もって記憶したディジタル指紋との相関を取ることができる。
【０００４】
典型的な指紋は、谷線によって隔てられた隆線のパターン、および隆線に沿って位置する一連の毛穴（汗腺の出口が開いている部分）を含む。隆線は、通常は幅が１００〜３００μｍであり、数ｍｍ〜１ｃｍ以上にわたって渦巻状に延びる。これらの隆線は、典型的には約２５０〜５００μｍである隆線−谷線周期で、谷線によって隔てられている。毛穴は、ほぼ円形断面であって、直径は約６０μｍ〜２４０μｍの範囲にあり、隆線に沿って整列しており、接触またはほぼ接触している２つ以上の毛穴群に分離されてグループ化できる。典型的には、隆線の長さ１ｃｍ当たり約２１個の発生頻度で、指紋の領域内に４００個を超える毛穴が存在する（Roddy A.およびStosz J.のIEEE会報、８５巻、９号、１３９０〜１４２１頁（１９９７年）を参照）。現在の指紋識別手順のほぼすべては、隆線／谷線の特徴点パターンのみを使用している。それらは、端点、三角点、分岐点、交差点、および島など、まとめて特徴点と称される隆線／谷線の特徴パターンとして、単純化されて識別される。通常は、必要とする固有の特徴点の特徴を得るために、例えば０．５０×０．５０インチなど、比較的大きな面積の指紋が必要とされる。したがって、最新の指紋撮像装置の大部分は、最大で完全な１インチ平方またはそれ以上を使用して十分な特徴を得ることにより、有用な識別手段を達成する。指紋の比較には、この特徴点パターンの単純化表現を主に使用する。
【０００５】
毛穴を満足に画像化するにはさらに厳しい解像度要件が求められるため、指紋の所定面積内の毛穴の数が特徴点の数よりも７〜１０倍も多く存在している場合でも、指紋の識別に毛穴を用いる市販の装置は、今のところ存在しない。典型的には、０．１×０．１インチの大きさの指紋画像は、おそらくは特徴点を２〜５点しか含んでおらず、個々の個人を高い信頼性で識別するには十分でない。一方で、同一面積には、典型的には４０〜５０個の毛穴および数千の隆起線の詳細が含まれており、数点の特徴点と合わせて、個人を高い信頼性で確実に識別できる。
【０００６】
指紋画像を生成する目的で提案されている光学設計の大部分は、それらの生体への適用における有用性を減じる重大な限界を有する。多くの設計は、例えば指紋における毛穴パターンまたは隆線および谷線の交差部形状の細部を解像するのに適していない。他の設計は指紋の相関を複雑にする歪み画像を生成し、さらに他の設計は大きすぎるかあるいは脆く、現場の使用に適さない。
【０００７】
装置の全体寸法を低減する光学設計の１つは、ホログラムを用いて光を所望の方向に回折する。そのような装置に共通の限界は、入射光の角度および波長に関して、ターゲットの位相的表面（topological surface）の照明強度が温度の変化に敏感である点にある。
【０００８】
したがって、広い温度範囲にわたって高い信頼性で動作する小型かつ高解像度の装置へのニーズが存在する。
【発明の開示】
【０００９】
本発明は、例えば皮膚上に存在するあらゆる表面トポロジーの画像を取得する装置および方法に関し、このような皮膚上の表面トポロジーは、例としては回転させたおよび／または押し付けられた指紋、掌紋等などであってもよいが、以下では便宜上、指紋と称する。
【００１０】
一実施形態においては、本発明は、指紋画像を取得する装置であって、入口端ならびに上面および底面を有する導波路、光ビームを前記導波路の入口端に導くように構成された光源、前記導波路の上面または底面に配置され、あるいは前記導波路の上面または底面の付近に配置された皮膚接触層、前記導波路の上面または底面に配置され、前記光源から入射する光ビームを前記皮膚接触層に回折させるように構成されたホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）、および皮膚と前記皮膚接触層との間の界面から反射された光を検出するように構成されたセンサ・アレイを有する装置である。前記ＨＯＥは、格子を有する層、および前記格子層と接する少なくとも１つの支持層を備えており、前記格子層および前記少なくとも１つの支持層は、ほぼ同一の熱膨張係数または熱光学係数あるいは両者を有している。
【００１１】
別の実施形態においては、本発明は、皮膚表面の位相的特徴（topological feature）の画像を取得する装置であって、入口端ならびに上面および底面を有する導波路、光ビームを前記導波路の入口端に導くように構成された光源、前記導波路の上面または底面に配置され、あるいは前記導波路の上面または底面の付近に配置された皮膚接触層、前記導波路の上面または底面に配置され、前記光源から入射する光ビームを前記皮膚接触層に回折させるように構成されたホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）、皮膚と前記皮膚接触層との間の界面から反射された光を検出するように構成されたセンサ・アレイ、および温度の変化に起因する前記ＨＯＥのブラッグ・マッチング条件の変化を補償する手段を有する装置である。
【００１２】
一実施形態においては、本発明は、皮膚表面の位相的特徴の画像を取得する装置であって、入口端ならびに上面および底面を有している導波路、光ビームを前記導波路の入口端に導くように構成された光源、前記導波路の上面または底面に配置された皮膚接触層、前記導波路の上面または底面に配置され、前記光源から入射する光ビームを前記皮膚接触層へと回折させるように構成されたホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）、および皮膚と前記皮膚接触層との間の界面から反射された光を検出するように構成されたセンサ・アレイを有する装置である。ＨＯＥは、少なくとも２つの同位置多重ホログラムを含む。
【００１３】
一実施形態においては、本発明は、皮膚表面の位相的特徴の画像を取得する装置であって、入口端ならびに上面および底面を有する導波路、光ビームを前記導波路の入口端に導くように構成された光源、前記導波路の上面または底面に配置された皮膚接触層、前記導波路の上面または底面に配置され、前記光源から入射する光ビームを前記皮膚接触層に回折させるように構成されたホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）、皮膚と前記皮膚接触層との間の界面から反射された光を検出するように構成されたセンサ・アレイ、および前記光源の波長を変化させる手段を有する装置である。
【００１４】
一実施形態においては、本発明は、皮膚表面の位相的特徴の画像を取得する装置であって、入口端ならびに上面および底面を有している導波路、光ビームを前記導波路の入口端に導くように構成された光源、前記導波路の上面に配置された皮膚接触層、前記導波路の上面または底面に配置され、光ビームを前記皮膚接触層へと回折させるように構成され、ブラッグ・マッチング条件を有するホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）、皮膚と前記皮膚接触層との間の界面から反射された光を検出するように構成されたセンサ・アレイ、および温度の変化に起因する前記ＨＯＥのブラッグ・マッチング条件の変化を補償する手段を有する装置である。光源は広域波長スペクトルの光源であって、この光源の波長がＨＯＥを復元できる。
【００１５】
一実施形態においては、本発明は、皮膚表面のトポロジーの画像を取得する方法であって、皮膚表面の位相的特徴の画像を取得する装置により皮膚表面画像を受け取ることを含み、前記装置はブラッグ・マッチング条件を有するホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）を備えており、光ビームを前記ＨＯＥに導くことにより、光ビームを回折させ、回折させた光ビームを皮膚と皮膚接触層との間の界面に導いて、光ビームを反射させ、温度に起因する前記ＨＯＥのブラッグ・マッチング条件の変化を補償し、反射させた光を検出して、前記装置によって皮膚表面の位相的特徴の画像を取得する。
【００１６】
なお、上述の実施形態の例は、対応する方法または装置の実施形態を含む。
【００１７】
好ましくは、本発明の装置は小型で、広い動作温度範囲を有し、有利には標準的な特徴的構造に加えて毛穴構造の特徴および隆線構造の形状の細部の特徴も取り込む画像の取得を可能にする。本発明者らは、毛穴を隆線の形状の細部および通常の特徴点と組み合わせて使用することで、指紋の比較の信頼性が大幅に向上し、受入れの誤り率を大幅に引き下げることができ、０．１×０．１インチといった狭い指紋サンプル面積を使用して確実な識別を実現できることを示した。
【００１８】
本明細書において、生体認証画像の取得に用いられる測定器のさまざまな実施形態の例を説明する。これらの実施形態はさらに、測定器の代替の実施形態を含み、ならびに代理人事件番号３１７４．１０１２−００６にて本件出願と同時出願された発明の名称「生体認証用画像を処理する方法および装置（Method and Apparatus for Processing Biometric Images）」の関連出願に開示されている測定器などのような、測定器により取得される生体認証用画像を取得し、モデル化し、前処理し、および処理するさまざまな実施形態を含むことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
指紋生体認証についての本発明の好ましい実施形態を以下に説明する。なお、本発明の原理、ならびに以下で説明する方法および装置の好ましい実施形態の例は、耳の形状および構造、顔または手のサーモグラム、虹彩または網膜の構造、筆跡、指紋、掌紋、足跡、つま先の跡、または毛を含む皮膚の他の領域の跡などの、他の生体認証にも適用可能である。
【００２０】
図１は、本発明の原理による指紋センサの実施形態が使用されるシステムの図である。指紋センサ１００は、指紋撮像装置１１０および指紋カメラ１２０を有する。撮像装置１１０およびカメラ１２０は、単一「ボックス」内で機械的、電気的、および光学的に接続できる。指１０５または皮膚の他の位相的表面は、指紋撮像装置１１０上の撮像装置１１０に「視認可能」な位置に配置され、カメラ１２０によって指紋または皮膚の他の位相的表面１１５の情報を取得し、代理人事件番号３１７４．１０１２−００６にて２００４年６月２１日付で本件出願と同時に出願された同時係属のＰＣＴ出願に記載された処理によって指紋１１５をモデル化する。
【００２１】
さらに図１を参照すると、指紋カメラ１２０は、制御チャネル／データ・リンク１２５を介してローカル・コンピュータ１３０と双方向通信するためのインタフェースを備えている。指紋カメラ１２０は、画像データ１６０をローカル・コンピュータ１３０に送信し、ローカル・コンピュータ１３０が、制御データ１６５または画像データ１２５を含む他の情報を、リンク１２５を介して指紋カメラ１２０または撮像装置１１０に送信できる。
【００２２】
ローカル・コンピュータ１３０は、モデル化、認証、および許可などの、画像データ１６０に適用されるさまざまな処理能力を備えている。ローカル・コンピュータ１３０は、ローカル・リンク１３２を介してローカル・データベース１３５と通信する。画像データおよび関連モデル１７０が一括して、ローカル・リンク１３２を介してローカル・コンピュータ１３０とローカル・データベース１３５との間で通信される。さらに、管理データなどの他のデータもローカル・リンク１３２を介して通信し、後の検索のためにローカル・データベース１３５に格納できる。
【００２３】
さらに、ローカル・コンピュータ１３０は、インターネットなどのコンピュータ・ネットワーク１４０を介してリモート・コンピュータ１５０と通信できる。画像データおよび関連モデル１７０は、ネットワーク通信リンク１４５を介して、ローカル・コンピュータ１３０、コンピュータ・ネットワーク１４０、およびリモート・コンピュータ１５０の間で通信される。リモート・コンピュータ１５０は、リモート・データベース・リンク１５２を介してリモート・データベース１５５と通信する。
【００２４】
リモート・コンピュータ１５０は、ローカル・コンピュータ１３０の処理の一部またはすべてを備えることができ、あるいはリモート・データベース１５５からの画像データおよび関連モデル１７０の遠隔での検索、または指紋の生の画像の認証などの他のサービスを備えることができる。
【００２５】
多くの理由から、現場操作、セキュリティ・システム、販売時点管理（ＰＯＳ）の用途、および他の用途などにおいて使用するため、指紋センサ１００を可能な限り小さなパッケージに設計することが有用である。しかし、小型パッケージであっても、指紋撮像装置１１０およびカメラ１２０は、好ましくは指紋または皮膚の他の位相的表面１１５の画像を高解像度で取り込むように設計される。小型のパッケージ・サイズを達成する１つの方法は、光学設計によるものである。例えば、撮像装置１１０は、ホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）を備えることができる。ＨＯＥにより、指紋カメラ１２０を画像化される指紋１１５に十分近く配置して、大型の集光光学系または他の結像光学系を用いることなく、指紋１１５の画像特徴を、指紋の特徴点と指または皮膚の他の位相的表面が置かれる表面との間の光学的接触の度合いの関数として検出できる。
【００２６】
ホログラフィック光学素子により、指紋撮像装置１１０、したがって指紋センサ１００のサイズを最小化できるが、ＨＯＥは、一般に温度に敏感であり、温度がセンサの光学素子の動作に影響を与える可能性がある。したがって、ＨＯＥの温度感度を補償することが、指紋１１５の正確かつ高解像度の画像を取得するのに有用である。ＨＯＥの温度感度の補償は受動的または能動的のいずれであってもよく、これについては後に詳細に説明する。あるいは、ＨＯＥおよび必要であれば他の光学部品を、一定温度または適正な狭い温度範囲に温度制御してもよい。そのような温度制御にはいくつもの方法を採用でき、例えば、閉ループ制御のための完全な比例−積分−微分フィードバックを利用する熱電冷却装置（ＨＯＥ内の第２波長吸収器）などを使用する制御を挙げることができる。
【００２７】
図２は、指紋センサ１００の階層図を示している。指紋センサ１００は、図１で説明したとおり、指紋撮像装置１１０および指紋カメラ１２０を備える。それぞれについて順に説明する。
【００２８】
指紋撮像装置１１０は、光源２０５、光学系２１０、および随意に能動制御回路／素子２２５を備える。光源２０５は、レーザ・ダイオードなど、ＨＯＥと共に効果的に作用するコヒーレントな光源であってよく、あるいは非コヒーレントな光源であってよい。光学系２１０は、スラブ導波路、波長板、偏光子、およびレンズなどの非ＨＯＥの光学素子２５０、ならびにホログラムを含んでいる少なくとも１つのＨＯＥ４１０を備える。
【００２９】
随意の能動制御回路／素子２２５は、角度コントローラ２３０およびアクチュエータ２３５を備えることができる。アクチュエータは、直流（ＤＣ）モータ、ステッピング・モータ、ピエゾ−電気アクチュエータ、または光源２０５を指紋センサ１００において用いるのに十分は精度で各位置および／角度に移動でき、かつそれに適合できる他の電気−機械装置であってもよい。さらに、撮像装置１１０内では波長コントローラ２４０を使用でき、この波長コントローラ２４０を用いて光源２０５の波長を変化させて、これによりＨＯＥのブラッグ・マッチング条件角度の温度に起因する変化を補償できる。さらに、撮像装置１１０は電力コントローラ２４５を使用して、光源２０５の出力および／または波長を制御することにより、指紋１１５の露光レベルを制御できる。
【００３０】
指紋カメラ１２０は、センサ・アレイ２１５および電子回路２２０を備えている。センサ・アレイ２１５は、電荷結合素子（ＣＣＤ）または相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）であってよく、複数の画素を矩形または正方形のパターン、あるいは他の適切なパターンに配置して有し、指紋センサ１００での使用に十分の微細な解像度を実現している。電子回路２２０はセンサ・アレイ２１５に接続され、画素データを受け取って処理する。電子回路には、例えばプロセッサ、メモリ、Ａ／Ｄ変換、可変のシャッタおよび／または積分時間のための回路、およびセンサ・データ通信インタフェースを含む。
【００３１】
なお、図２の階層図は単なる例示であり、追加またはより少数の構成要素を含む別の方式で構成して、本発明の原理を実現することができる。
【００３２】
図３は、指紋センサを一般化して示した概略図であり、図２で導入した構成要素の部分集合を含む。指紋センサ１００の撮像装置１１０は、光学系２１０内に伝播する光ビームを放射する光源２０５を含む。アクチュエータ２３５を光源２０５に機械的に接続（直接または間接に）し、光ビームを角度制御して光学系２１０内に導くことができる。図２に関する上述の説明のとおり、能動制御回路２２５は、アクチュエータ２３５および／または光源２０５に制御信号を供給する。能動制御回路２２５の角度コントローラ２３０はアクチュエータ２３５に駆動信号３９６を供給して、光ビームを光学系２１０に導くことができる。角度コントローラ２３０は、制御および調節の目的のため、アクチュエータ２３５からのフィードバック信号３９６、またはカメラ・ロジック３３０からのフィードバック信号３９５を受け取る。カメラ・ロジック３３０は、例えば１つまたは複数のフィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）、プログラマブル論理装置（ＰＬＤ）、および／またはマイクロプロセッサ（μＰ）を含む電子処理回路の任意の集合体で構成できる。能動制御回路２２５の電力コントローラ２４５は駆動電力信号３９３を光源２０５に供給して、光学系２１０に入射する光の強度を調節できる。電力コントローラ２４５は、制御および調節の目的のため、光源２０５からのフィードバック信号３９３、またはカメラ・ロジック３３０からのフィードバック信号３９２を受け取る。能動制御回路２２５の波長コントローラ２４０は駆動信号３９８を供給して、光源２０５から放射される光の波長を制御できる。波長コントローラ２４０は、制御および調節の目的のため、光源２０５からのフィードバック信号３９８、またはカメラ・ロジック３３０からのフィードバック信号３９１を受け取る。
【００３３】
この実施形態においては、フィードバック信号３９１、３９２、または３９５、あるいはこれらのいずれかの組み合わせが、カメラ・ロジック３３０によって能動制御回路２２５に供給される。一般的なフィードバック制御システムの場合と同様、フィードバック信号は、実際の信号レベルと画像化動作に対応する所望の信号レベルとの差の関数として、カメラ・ロジック３３０またはマイクロプロセッサ３３５によって生成される。
【００３４】
例えば、指紋センサ１００の場合においては、フィードバック信号３９５は、光源２０５から放射され、指紋の位相的表面上を照射する光ビームの角度誤差（すなわち、ＨＯＥに入射する特定波長の光についてのＨＯＥのブラッグ・マッチング条件からのずれ）を表わし、この角度誤差は、光学系２１０への温度の影響によって生じる。カメラ・ロジック３３０またはマイクロプロセッサ３３５は、センサ・アレイ２１５からの画像データに基づき、フィードバック信号３９５を決定する。センサ・アレイ２１５により生成される画像データは、フィードバック制御の目的のため、センサ・アレイ内の特定の画素からの強度データ、またはセンサ・アレイ内の画素の集合からのデータ、あるいはそれらの任意の組み合わせを含むことができ、あるいはフィードバック制御に使用される前記画像データは少なくとも１つの個別の独立したセンサ３８６（複数のセンサを含むことができる）により生成し、信号３８７をカメラ電子回路２２０に供給してフィードバック制御できる。センサ・アレイ２１５は、フィードバック制御の目的のため、カメラ電子回路２２０に信号３８５を供給する１つまたは複数の画素を含む追加の光検出領域３８０を、センサ・アレイ２１５内の画像化画素のアレイと別個に有することもできる。
【００３５】
さらに、カメラ電子回路２２０は制御信号３２５をセンサ・アレイ２１５に供給して、この信号を指紋の特徴または皮膚表面の他の位相的特徴の画像化の際に使用できる。カメラ電子回路はさらに、画像取得後に画像データを格納するシステム・メモリ３４５を含むことができる。さらに、システム・メモリ３４５は、指紋画像の処理の際の画像データまたは部分画像データの格納のサポートを提供できる。さらに、カメラ電子回路２２０は、マイクロプロセッサ３３５をサポートするマイクロプロセッサ・メモリ３５５を備えることができる。マイクロプロセッサ３３５およびそのメモリ３５５を利用して、例えば画像データを処理し、あるいはフィードバック・パラメータを計算してフィードバック信号３９１、３９２もしくは３９５またはそれらの組み合わせを決定できる。さらに、カメラ電子回路２２０はインタフェース回路３６０を備えることにより、通信リンクを介してローカル・コンピュータ１３０と通信して、画像データ１２５および指紋センサ制御情報１６５（図１を参照）を転送できる。インタフェース回路３６０は、カメラ・ロジック３３０、マイクロプロセッサ３３５、もしくはシステム・メモリ３４５、またはそれらの任意の組み合わせと、直接通信できる。
【００３６】
図４は、本発明の装置の一実施形態の概略図である。光源２０５は、好ましくはコヒーレントな光ビーム２０７を発生する。光ビーム２０７は、入口端面６０４に対してある角度で導波路４０５に入射し、導波路４０５の底面６１２の方向に屈折し、図４において光経路１から１’の反射によって示されているように、基板−空気の界面における内面全反射（ＴＩＲ）によって導波路４０５を通って導かれる。光ビーム２０７は、ホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）４１０と導波路４０５との間の界面に進行し、この地点で、光ビーム２０７の一部が、ＨＯＥによって導波路上面６１０に対してほぼ直角に回折され、カバー・プレート４１５を通って指１０５が置かれる表面に衝突する。図４の挿入図を参照すると、検査対象の皮膚表面のトポロジー（例えば、指紋）は符号１１５で示されている。前記皮膚のトポロジーは、指紋撮像装置の上面（この実施形態においては、カバー・プレート４１５の上面）と接している位置４２０と、カバー・プレート４１５の上面と接していない他の位置４２１とを有する。非接触位置４２１においては、回折光４２２は、カバー・プレート−空気の界面において部分的に反射され、この反射光４２３が、ＨＯＥ４１０を通過して戻るように導かれ、導波路基板４０５を通過してセンサ・アレイ２１５に導かれる。カバー・プレート４１５と指紋１１５との界面における反射は、指紋の隆線構造など皮膚表面の位相的な部分がカバー・プレートと光学的に接触する位置４２０において抑制される。カバー・プレートと接触するこのような位相的な部分は、指紋の隆線構造には限定されず、代わりに、掌、親指、つま先、他の皮膚表面、などの隆線構造を含むことができる。これらの位置から発生する残りの反射光、例えば、カバー・プレート４１５と接触する皮膚表面の位相的表面構造からの散乱反射光などは、これら接触領域の画像をカメラ１２０に伝搬する。
【００３７】
なお、本発明の装置の実施形態（例えば図４に示した実施形態）では、平行な上面６１０および底面６１２を有する導波路４０５を示しているが、別の実施形態を考えることもできる。例えば、一実施形態においては、導波路が曲面を有してもよい。曲面は円錐であってよく、掌紋を採取される対象者は自身の掌を円錐の外表面に巻き付ける。別の実施形態においては、導波路は内面に接触可能な円錐であって、対象者は、自身の指をそのような内表面に接するように置く。したがって、本明細書において用いられるとき、用語の「導波路上面」とは一般に、導波路の皮膚に近接する表面、すなわち皮膚と接する表面を指す。本明細書において用いられるとき、用語の「導波路底面」とは、導波路のセンサ・アレイに近接する表面、すなわち皮膚に近接する表面とは反対側の表面を指す。
【００３８】
少なくとも１つの支持層に付着された感光性ポリマー記録媒体を有するホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）を使用することによって、解像度を犠牲にすることなく小型設計が可能になる。しかし、ホログラフィック光学素子の特定の重要な特性は、温度に極めて敏感なことである。図５に示した透過ホログラムについては、ホログラムによって回折される光の割合は、光の波長、およびそのＨＯＥ４１０と導波路４０５の界面における入射角θの両者に依存する。適正な回折効率は、ＨＯＥの記録状態の角度、ホログラム媒体の厚さ、およびＨＯＥの記録に用いた光の波長（これらが全体として、いわゆるブラッグ選択性すなわちブラッグ・マッチング条件を決定する）、ならびにＨＯＥの復元に使用される光の波長によって決定される、小範囲の波長および角度においてのみ生じる。波長および入射角度について適正な調節がなされない場合、ホログラムの屈折率、格子間隔および格子角度への温度の影響のため、数度の温度変化であっても、単一ホログラムのホログラフィック回折を大きく減じ、完全になくしてしまうこともある。
【００３９】
図５を参照すると、温度Ｔ＝Ｔ１における回折光の強度は、特定の波長λ１について、ＨＯＥへの入射角θ１にピークを有する。温度がＴ＝Ｔ１からＴ＝Ｔ２に、さらにＴ＝Ｔ３に変化するとき、ｚ軸に沿った固定の位置における回折光の強度のピークは、固定の入射波長λ１について、入射角θ１から入射角θ２に、さらに入射角θ３に移動する。その結果、ｚ軸に沿った固定位置ｚ０の方向に回折される光の強度が低下し、したがって信号対雑音（ＳＮＲ）比が大きく低下する。同様に、温度がＴ＝Ｔ１からＴ＝Ｔ２に、さらにＴ＝Ｔ３に変化するとき、回折光の強度のピークは、同一入射角度θ１について、波長λ１からλ２に、さらにλ３に移動する。現場において使用する実際の装置は、動作温度の変化を除去するか、あるいは光ビーム１の入射角度θもしくは波長または両方を変化させることによって温度変化を補償しなければならず、あるいは簡単かつ高速な角度θの整列機能を備えなければならない。
【００４０】
したがって、一実施形態において、本発明の指紋を取得する装置は、伝播光の入射角度（図５のαもしくはθのいずれか）または波長を自動的に変化させることによって動作温度の変動を補償し、センサ・アレイにおける適正なＳＮＲを維持する。
【００４１】
図６Ａおよび６Ｂには、本発明の装置の一実施形態が示されている。レーザ・ダイオードなどの光源２０５が、レンズ素子６０２の前面に、好ましくはレンズ素子６０２の焦点に位置（レンズ素子６０２から距離ｆに位置）しており、さらにレンズ素子６０２は、固定手段６０６によって導波路４０５の入口端面６０４の前面に保持されている。本明細書において用いられるとき、用語の「レンズ素子」は、レンズのような光学的機能を有する１つまたは複数の素子を指し、単独または組み合わさって作用して、光の入射ビームの波面の曲率を変化させることによって光の入射ビームを変化させる。レンズ素子６０２は、例えば、複数のレンズを含んでもよい。
【００４２】
光源２０５およびレンズ素子６０２の両方は、台座６６２に対して取り付けられる。指紋センサの温度がＴ＝Ｔ１からＴ＝Ｔ２に変化するとき、ＨＯＥ４１０の格子周期、格子傾斜角、および平均屈折率が変化し、さらに導波路４０５の構成材料の屈折率も変化する。この結果、特定の読み取り波長λ１について、温度ＴがＴ＝Ｔ１からＴ＝Ｔ２に変化するとき、入口端面６０４の面法線６０５に対して必要な入射角度はＨＯＥ４１０のピーク回折効率を維持するようにα１からα２に変化する。この入射角度を変化させるには、固定具６０６および６０８の長さおよび熱膨張係数を選択することにより、温度ＴがＴ＝Ｔ１からＴ＝Ｔ２に変化したときに、レンズ素子６０２の中心および光源２０５の中心の（ｙ軸における）高さの相対差が変化して、ビーム２０７の入射角度が入口端面６０４においてα１からα２に変化するようにすることができる。このとき、以下の関係が成立する。
【００４３】
【数１】
2007526542.tif 000003
【００４４】
ここで、ΔＴ＝Ｔ２−Ｔ１であり、ＣＴＥｄおよびＣＴＥｌは、それぞれ光源（例えば、レーザ・ダイオード）の固定具およびレンズの固定具についての熱膨張係数である。
【００４５】
なお、温度の上昇に伴い膨張する材料は、温度が低下すると収縮する（あるいはその逆）のが望ましい。したがって、本明細書に用いられる用語の「熱膨張」は、温度変化に伴い体積または長さが変化することを意味する。
【００４６】
この一般概念の別の実施形態としては、これらに限定されるわけではないが、レンズ素子６０２をｙ方向に平行移動させること、導波路４０５をｙ−ｚ平面内で傾けること、および／または光源２０５が平行ビームを出力している場合に光源２０５を移動または傾斜させることが挙げられる。この後者の実施形態においては、レンズ素子６０２が光源２０５に組み込まれている。これらの運動はすべて、これらの光学部品の機械的固定具を構成する構造要素の寸法の温度によって引き起こされる変化によって、自動的に達成できる。これらの運動は、任意の組み合わせで実行でき、当業者であればこのような機械的固定具の適切な材料および寸法を選択できるであろう。
【００４７】
再び図３を参照し、さらに図６Ｃおよび挿入図を参照すると、本発明の指紋装置はさらに、モータなどの電子制御アクチュエータ２３５を有し、このアクチュエータ２３５を利用して、レンズ素子６０２の垂直位置を光源２０５の光学軸に対して変化させることによって、あるいは図６Ｃの挿入図においてＴ＝Ｔ２におけるｙ＝Δｙの高さ位置への光源の垂直移動によって示されているとおり、光源２０５の垂直位置をレンズ素子６０２の光学中心に対して変化させることによって、入射角αを調節することができる。図６Ｃに示されているとおり、電子アクチュエータは２つの別個のモータ６２０および６２１によって表わされており、これらモータはレーザ源２０５およびレンズ素子６０２をそれぞれｙ方向に駆動することにより、入口端面６０４における入射角の変化を達成する。当業者にとっては、アクチュエータを駆動する信号を得ることができる多数の手段が存在し、したがって図６Ｃおよびその挿入図に示されている方法は、例示を意図するものであって、これに限定されるものではないことが明らかである。詳細には、指との接触による局所的な温度変化または周囲の温度の変化が原因となるため、フィードバック源として、ホログラムによる回折光を使用することが望ましい。
【００４８】
例えば、光線６３０を導波路で屈折させることができ、光線６３０ａとなる。光線６３０ａがＨＯＥ４１０内で回折すると、回折ビーム６３０ｂは、表面６３７にほぼ垂直に入射して伝播し、皮膚接触層８０７上の１つまたは複数の位置において反射面６３３に衝突し、この反射面６３３が光を反射し、その結果光線６３０ｄはセンサ・アレイ２１５の特定の画素３８０に入射する。あるいは、光線６３０ｄを、この目的のために特に設けられた別個のセンサ・アレイまたはフォトダイオードなどの別個の検出器に導くことができる。図６Ｃを参照すると、次に、画素３８０または他のセンサ・アレイもしくは検出器からのフィードバック信号を用いて、システムの入射角αを調整できる。代替の実施形態、あるいはこの実施形態と組み合わせた実施形態では、光線６３０ａの非回折部分はＨＯＥ４１０と皮膚接触層８０７との界面において反射され、導波路の端部６９０または端部近くに配置された検出器６３５の方向に導かれる。さらに別の実施形態においては、入口端面６０４に入射する光線６３１は、ＨＯＥ４１０において回折する光線６３１ａに屈折され、回折ビーム６３１ｂの強度は検出器６３４で監視される。検出器画素３８０からの信号と同様に、検出器６３４および６３５からの信号を監視し、この信号を用いて光学系の性能を最適化することができる。これにより、指紋センサの温度の変動にかかわらず、ＨＯＥは光源２０５へのブラッグ・マッチングを維持することが保証される。一実施形態においては、光線の回折および非回折部分６３０ｂおよび６３０ｃの反射からの信号は、別個の検出器によって監視でき、また合計信号に正規化された差分信号を得ることにより、温度変化を補償するのに必要とされる設定点に対する調節の大きさおよび方向の両者に関するフィードバック情報を提供できる。別の実施形態においては、さらに検査される皮膚表面の領域の外側の別の位置において皮膚接触層８０７に入射する回折光の強度は、それら別の位置に検出器を配置し、あるいはそれら別の位置から鏡面反射された光を検出できる位置に検出器を配置することによって監視できる。非回折光の強度は、内面反射の経路が導波路４０５の端部６９０などの他の表面の存在によって終端する種々の位置において監視してもよい。
【００４９】
あるいは、図７Ａの説明に関してさらに詳しく述べるとおり、サーボ・フィードバック信号を生成するために、第２のホログラムを、ＨＯＥ４１０の主ホログラムの近傍に位置するように記録できる。一実施形態においては、この第２ホログラムを、同位置で多重化することによって、主ホログラムと同一位置に配置できる。
【００５０】
図６Ｄを参照すると、本発明の装置の別の実施形態が示されている。詳細には、入口端面６０４は、入射光線６３０が導波路４０５の底面６１２に向かって光線６３０ａとして屈折するように設計されている。導波路４０５の底面６１２の一部を、符号６１４が付されている反射層（例えば、金属被膜）でコーティングできる。反射層６１４は、底面６１２に生じる汚れおよび他の欠陥または汚染から導波路４０５を保護する役割を果たす。そのような欠陥が存在する場合は、欠陥の位置において内面全反射が妨げられるなどにより、反射ビーム６３０ｅに収差および不均一なビーム強度の領域が生じる可能性があり、センサ・アレイ２１５によって収集される画像の品質が損なわれる恐れがある。反射層６１４は、好ましくは、表面６１２における入射光の第１反射領域を保護するのに必要な範囲だけに広がる。反射層６１４のｚ方向の範囲は、光線（例えば光線６３０ｄ）のセンサ・アレイ２１５への到達を妨げてはならない。
【００５１】
別の実施形態においては、導波路４０５は、図６Ｄに示すとおり端部６９０に光トラップ６５５を備える。光トラップ６５５は、端部６９０に入射する光のほぼすべてを吸収し、端部６９０で反射される光を最小にできるように設計されている。そのような反射（例えば、ＨＯＥ４１０によって回折されなかった光線６３０ｅ）を抑制することによって、検査対象の皮膚トポロジーを照射する目的以外の光の量、および／またはセンサ・アレイ２１５へと入射する目的以外の光の量が最小化される。これらの目的以外の光を低減しなければ、指紋システムのＳＮＲが低下することになる。
【００５２】
図６Ｅに示されている別の実施形態においては、入口端面６０４が、ＨＯＥ４１０のホログラム位置の照射を最適化するように光学的に機能する。図６Ｅでは、図の入口端面６０４は光学素子６６０を備えている。この実施形態においては、レンズ素子６０２（図６Ａ〜６Ｄを参照）を取り除くことができる。例として、入口端６０４の光学的機能を、レーザ・ダイオードなどの光源２０５が有る特定の開き角度範囲θＳを有する光を出力するように動作して、ＨＯＥ４１０を最適に照射するように設計できる。
【００５３】
種々のアルゴリズムを用いて、アクチュエータ２３５の制御を実現できる（図３）。当業者には、指紋装置およびそのコンピュータ制御に最適な温度補償の方法の適切な選択は自明であろう。例として、装置の初期校正の間に既知温度において入射角度αを一度設定すれば十分である。次いで、アクチュエータ・コントローラに命令を与えて、温度によって引き起こされるＨＯＥのブラッグ・マッチング条件の変化、ならびに回折光の強度およびセンサ・アレイ２１５の照度に対応する変化に応答して、制御下にある構成素子を一方向に動かすことがきる（図４および図６Ｃを参照）。照度が低下する場合は、アクチュエータの動きの方向を反転させて、ＨＯＥの最大回折効率に対応する最適な角度αを見出すことができる。検出された強度が、角度αの調節の関数としてのピーク値を横切ると、アクチュエータを、検出された照度のピーク値に対応する位置に戻すことができる。あるいは、連続的な補償が望ましい場合は、アクチュエータを、検出された強度のピーク値を横切って上下させることができる。このように、ここで説明したアルゴリズムは、検出照度がピーク値を横切ったときに方向を反転させるように常にアクチュエータを制御する。往復の振幅は、センサ・アレイにおいて結果として検出される強度の変化が、検出のために充分大きいが、取得される指紋画像のＳＮＲに有害な影響をもたらすほどには大きくないように、制御される。
【００５４】
一実施形態においては、追加のホログラムを用いてアクチュエータを制御する。図７Ａに示す一実施形態においては、２つの追加のホログラム７０２および７０４が、ＨＯＥ４１０またはその近傍に配置される。ホログラム７０２および７０４は、図７Ｂに示すとおり、それらのブラッグ角度選択性のピークは、ブラッグ・マッチィングＨＯＥ４１０の角度（αＨＯＥ）を中心としてそれぞれ反対の方向にずれ、それぞれホログラム７０２および７０４についての入射角度α＝αＬおよびα＝αＲに一致しているように記録されている。ホログラム７０２および７０４から回折された光ビームは、それぞれ２つの専用のセンサ７２０および７２２、またはセンサ・アレイ２１５の専用の領域によって検出される（図示されていない）。専用のセンサ７２０および７２２は、例えば、ｚ軸に沿った位置に配置され（あるいは、センサ・アレイ２１５の専用の領域の位置が選択される）、それぞれホログラム７０２および７０４によって回折された光の強度を独立に検出する。センサ７２０および７２２は、ホログラム７０２および７０４によって回折された光の強度を検出するように配置でき、あるいは代わりに、前記ホログラムからの回折光の強度を、回折光が皮膚接触層８０７の上面７２６で反射した後に検出するように配置できる。好ましくは（必須ではないが）、αＬ、αＨＯＥおよびαＲを調節して、ホログラム７０２および７０４によって回折されそれぞれの専用のセンサによって検出される光ビームの強度が、それぞれのホログラムのブラッグ・マッチング条件の入射角度においてほぼ等しくなる（図７Ｂにおいて同じ高さのピークで示されている）ようにする。図７Ｂから明らかなように、αＬ＜αＨＯＥ＜αＲである。結果として、図７Ｃに示すとおり、ＨＯＥ４１０ならびにホログラム７０２および７０４のブラッグ・マッチング条件の角度がＴ１からＴ２への温度変化によって変化するとき、ホログラム７０２および７０４から回折されて専用のセンサ７２０および７２２で検出される光ビームの強度は、温度Ｔ１において同一入射角度αについて検出されるそれぞれの強度と異なる。この強度の差を用いて、制御信号３９３、３９６もしくは３９８、またはこれらの組み合わせを計算できる。なお、ロジック３３０は、専用領域からの信号を受け取り、強度の差を処理するように設計される。
【００５５】
別の実施形態は、ＨＯＥの感光ポリマー媒体内に多重ホログラムを記録して使用することを含む。多重ホログラムは、それらホログラムのブラッグ選択性が、実質的に重なり合うように記録される。多重ホログラムを同位置に記録して使用することによって、温度の変化、整列の変化もしくは波長の変化、またはこれらの組み合わせに対する、本発明の装置の感度を大幅に低減できる。多重ホログラムは、例として、平面角多重化方法によって、記録角度の増分が各多重化ホログラムのブラッグ選択性の幅よりも小さくなるようにして多重化できる。あるいは、それらホログラムをビーム間角度または波長を変化させることによって多重化することにより、各多重化ホログラムの格子周期がわずかに異なり、そのような１ホログラムの角度または波長の選択性の特性が他のホログラムと部分的に重なり合うようにできる。多重ホログラムの光学的重畳は、角度および波長についてＨＯＥの広がった非同調特性をもたらし、したがって波長、整列、または温度が変化したときに、素子の回折効率がより均一になる。この種のホログラフィック素子は、ブラッグ選択性が過変調方法によって広がる場合に比べ、好都合である。あるいは、角度選択性の特性を広げるため、より薄いホログラムを使用できる。
【００５６】
別の実施形態においては、入射角度αを一定に維持すると同時に、光源から発生する光の波長を変化させることによって、ＨＯＥのブラッグ条件における温度依存性変化を補償できる。光源２０５としてレーザ・ダイオードを使用する実施形態においては、例えばレーザの駆動電流レベルを変化させる、レーザの動作温度を変化させる、ＬＥＤなどの複数波長の光源について感温性の波長フィルタ処理を行なう、などによってレーザ・ダイオードの動作条件を変化させることで、波長の変化を達成できる。可能な波長フィルタとしては、これらに限定されるものではないが、その特性が導波路のホログラムの特性と共に変化するホログラフィック光学素子が挙げられる。
【００５７】
再び図３を参照すると、波長の変化を実現できる指紋センサ１００の実施形態では、波長コントローラ２４０を利用してレーザ・ダイオード光源２０５の動作条件を調節できる。波長コントローラ２４０はレーザ・ダイオードの動作電流を調節して、レーザ光源２０５の動作波長を変化させことができる。あるいは、波長コントローラ２４０は加熱または冷却素子（図示されていない）を駆動して、レーザ・ダイオードの動作温度を制御することによってレーザ・ダイオード光源の動作波長を変化させることもできる。レーザ・ダイオードの動作波長を制御するために供給されるフィードバック信号は、例えば、レーザ・ダイオードに取り付けられた熱電対により発生できる。あるいは、フィードバック信号は、選択された画素、画素のグループ、もしくは検出器アレイ２１５上の他の感光性領域３８０、またはこれらの任意の組み合わせから発生できる。前記実施形態の場合には、検出器アレイ上での光強度の低下を示すフィードバック信号をカメラ・ロジック３３０またはカメラ・マイクロプロセッサ３３５によって処理して、波長コントローラ２４０を駆動するための正確な動作波長を決定できる。
【００５８】
別の実施形態においては、波長を変化させるのではなく、より広域の波長スペクトルを有する光源を用いることにより、温度変化に対するＨＯＥのブラッグ角度の感度を低減できる。このような光源としては、例えば、ＬＥＤまたは超高輝度ＬＥＤが挙げられる。これらの実施形態においては、入射角度αは一定に維持される。ＨＯＥの温度変化によって生じるブラッグ波長の変化が光源のスペクトル帯域幅の範囲内である限り、良好な画像化を可能にするのに十分な強度の回折光が存在する。
【００５９】
本発明の装置の別の実施形態は、装置の物理的構造に関係し、図６Ａに示される。一実施形態において、導波路４０５の入口端面６０４は上面６１０および底面６１２に対して斜めの角度を形成し、前記平面６１０および６１２はほぼ平行かつ平坦な表面である。導波路の入口面に傾斜角を使用することによって、前記スラブ導波路に必要とされる厚みが好都合に減じられる。例えば、入口面に傾斜角を使用することで、光ビーム６３０を、図６Ｄにおけるように導波路の底面６１２の方向に屈折させるのではなく、直接に導波路６１０の上面の方向に屈折させることができる。入射光６３０を上面に向かって直接屈折させることによって、そうでない場合に導波路の底面６１２において必要とされる内面全反射条件を不要にし、導波路４０５のｚ寸法を低減できる。あるいは、導波路４０５は曲面であってよい内表面および外表面を有することにより、例えば掌の表面の位相的特徴を画像化する場合などのような、一度に大きな皮膚の位相的表面を外表面上に配置して画像化できる。さらに、導波路の入口面に傾斜角を使用することによって、そのような導波路に必要とされる厚み要件を好都合に減少できる。
【００６０】
本発明の装置および方法の別の実施形態は、ＨＯＥの感光性ポリマー媒体に記録されるホログラムに関する。図８Ａを参照すると、本発明の装置は、好ましくは、光（ビーム８２６）を皮膚接触層８０７に垂直でない方向に回折するＨＯＥ４１０を有し、これにより皮膚接触層８０７と空気との界面において反射された光は、撮像装置に向かう戻りの経路（光線８２７）においてＨＯＥ４１０によって回折されない。より好ましくは、ＨＯＥ４１０は、ＨＯＥのブラッグ選択性の角度幅を超える角度だけ垂直方向と異なる方向に光を回折するが、一方でこの角度は可能な限り直角に近くして、皮膚からセンサまでの光路長（ＯＰＬ）を可能な限り短く保つことによって画像化される指紋の歪みを小さくする。さらに、ＨＯＥの好ましい回折特性は、回折光の好ましい角度および前記ホログラムの好ましい広い角度選択性の両者を実現する多重ホログラムまたは過変調ホログラムによっても達成できる。
【００６１】
本発明の装置および方法の別の態様では、ＨＯＥ４１０はホログラフィ格子として作用する１つまたは複数のホログラムを有し、このホログラムは導波路４０５からの光を、指に向かって垂直方向とは異なる方向に、１つまたは複数のホログラムのブラッグ選択性の角度幅を超える角度まで垂直方向から異なる方向に偏向し、さらに、前記ホログラムは少なくとも１０％、好ましくは少なくとも５０％、さらに好ましくは７５％、最も好ましくは９０％を超える回折効率で動作するように形成される。
【００６２】
図８Ａおよび８Ｂに示した実施形態においては、１／２波長板８１９を光源２０５と導波路４０５の入口端面６０４との間に備えることにより、光ビームの偏光面を回転させて、偏光がＨＯＥ４１０が調整されている偏光に一致するようにし、同時に導波路４０５の入口端面６０４に最適な照度を与えるようにする。半波長板８１９を入射光の光学軸に垂直な軸上で傾斜させて、位相変化に対して効果的な光学厚みまたは光学経路長（ＯＰＴ）を与え、必要に応じてこの位相変化を増加させて光源２０５の波長に合わせて最適化できる。
【００６３】
図８Ｃに示した別の実施形態においては、皮膚接触層８０７は曲面層８０７Ａを有し、この層は、例えば平凸レンズであってもよい。曲面層８０７Ａは、例えば、大きな画像を取得し、信号強度を強めるために利用できる。別の実施形態においては、曲面層８０７Ａは、皮膚接触層８０７に付着されるか、あるいは指紋を取得するときに皮膚接触層８０７の上面に置かれる別個の光学素子である。
【００６４】
別の実施形態においては、皮膚接触層８０７は、伸展性のまたは柔軟なポリマー・コーティング（図示されていない）を有する。柔軟なコーティングは、例えば皮膚接触層８０７に付着でき、あるいはカバー・プレートの一部であってよく、指紋を取得する前にカバー・プレート上に置いてもよい。柔軟なコーティングを利用して指の皮膚表面のトポロジーと皮膚接触層との間の光学的接触の度合いを向上することによって、画像品質を向上し、取得される指紋画像のＳＮＲについて指の水分または指表面の皮膚接触層８０７に対する濡れ特性への依存性を小さくできる。
【００６５】
別の実施形態においては、皮膚接触層８０７は溶融シリカなど、取得される画像のＳＮＲを最適化する屈折率を有する材料で形成され、これにより接触面の屈折率は指の表面または他の皮膚表面の屈折率と同等になる。
【００６６】
図８Ｄを参照すると、本発明の装置はさらに、追加の光学部品を備えることができる。一実施形態においては、本発明は波長板８３８（好ましくは１／４波長板）を直線偏光子８４０と組み合わせて備えることにより、発生源から生じる散乱および鏡面反射などの望ましくない雑音を低減する。この方法により、指紋画像のコントラストを向上できる。１つの構成においては、１／４波長板８３８を、ＨＯＥ４１０と皮膚接触層８０７または８０７Ａ（図８Ｃを参照）の間に挟むことができ、直線偏光子８４０が導波路４０５と前記センサ・アレイ２１５の間に配置される。直線偏向光が１／４波長板８３８の方向にＨＯＥ４１０から回折されるとき、偏向光は、１／４波長板８３８を通過して伝播すると円偏向光に変換される。皮膚接触層８０７または８０７Ａの上面７２６あるいは指の隆線構造から反射すると、円偏向光は１／４波長板８３８によって再び、ＨＯＥ４１０に進入する光の元の方向と垂直の電界方向を有する直線偏向光に変換される。ＨＯＥ４１０によって回折された光が、皮膚接触層８０７または８０７Ａの上面７２６と接する指表面の隆線構造と相互に作用すると、散乱および鏡面反射の両方が生じ、特定の実施形態においては前者がより強い。回折光は、皮膚接触層８０７または８０７Ａの上面７２６と、皮膚表面の上面７２６と接触していない部分に相当する位置で相互に作用するとき、鏡面反射光のみが生じる。反射光から雑音の寄与分を検出することにより、取得される指紋において、そうでない場合にゼロ−グレー階調レベルまたは黒であることが望ましい部位の検出されるグレー階調のレベルを大幅に増加できる。指紋画像の領域のうちの、そうでない場合に黒であるべき領域のグレー階調が高レベルになると、取得された画像のコントラストが大幅に減少し、画像の分析がより困難になる可能性がある。散乱反射光は部分的または完全な非偏向光であり、したがって偏光子８４０の方向を、散乱反射光の寄与分を少なくとも部分的に阻止する方向に向けてセンサ・アレイ２１５によって捕集されないようにし、これによりコントラストを向上できる。直線偏光子８４０を皮膚接触層８０７とセンサ・アレイ２１５との間に配置することによって、ＳＮＲを向上できる。
【００６７】
光源２０５から放射される波長を、指によって効果的に吸収される波長範囲（例えば、λ≦約４６０ｎｍ未満である青色光）に選択することで、散乱反射光を減少させ、コントラストが向上することを見出した。
【００６８】
さらに、皮膚接触面８０７以外の光を反射する任意の表面に反射防止（ＡＲ）コーティングを使用することによって、ＳＮＲをさらに向上できることを見出した。当業者であれば、屈折率の値が異なる種々の材料からなる２層または多層膜の多数の組み合わせから選択して、適正な反射防止性能を得ることが可能である。典型的なＡＲコーティングは、コーティングの表面の法線から＋／−１０°において、０．１％未満までの反射率の低減を達成できる。同様に、透過性の誘電体層（例えば低いガラス遷移温度を有することを特徴とするシリコーンまたはシロキサンなど柔軟なポリマー膜材料であってよい）を使用することにより、空気との界面において光を反射する表面間の空隙をなくし、例えば導波路基板と空気、直線偏光子と空気、またはセンサ上のカバー・ガラスと空気、あるいはこれらの組み合わせなどの界面における反射で生じる光の強度を大きく減ずるように作用させることで、さらにＳＮＲを向上できる。
【００６９】
次に、本発明の好ましい実施形態を、図８Ａ（側面図）および図８Ｂ（上面図）を参照して説明する。
【００７０】
図８Ａに示された指紋装置は、光源２０５を収容するハウジング８１８で構成されている。光源２０５は、タングステン・ランプなどの白色光源を含む１つまたは複数の光源を備えてもよいが、好ましくは、光源２０５は、発光ダイオード（ＬＥＤ）および／または半導体レーザ・ダイオードなどの１つまたは複数の低コストで光高率な光源を備える。ＨＯＥ４１０における光学−機械整列の公差を減少し、およびより簡単な回折格子設計のためには、光源からの放射光を平行化することが望ましい。図８Ａにはレンズ素子６０２が示されている。単一の透過レンズが示されているが、一般には、レンズ素子６０２は１つまたは複数の透過性および／または反射性の光学素子の任意の組み合わせによって構成し、これにより、実効的な光学効果が光源２０５からの実質的な平行放射光となるようにする。レンズ素子６０２から出る平行光は、導波路４０５の入口端面６０４に入射する。入口端面６０４の角度ψＳＢは、角度θ１（ｚ軸に対して）で伝播する入射光ビームの光学軸８０４が入口端面６０４で屈折されることによって、ビーム８２２が導波路４０５とＨＯＥ４１０との間の界面の法線に対して角度θＳＢで伝播するように決められる。その結果、十分に大きな占有面積の光がＨＯＥ４１０を照射し、したがって指１０５または皮膚の他の位相的表面を照射する。
【００７１】
図８Ａを参照して、厚みＴは、皮膚接触層８０７の上面７２６とセンサ・アレイ２１５の表面８１４とを隔てる距離として定義される。装置の小型化、および指紋センサの空間分解能を定める上である役割を果たす厚みＴを小さくために、角度θＳＢは大きいこと、例えば約７０°よりも大きいことが望ましいが、好ましくはθＳＢは約８０°未満であり、そうでない場合、装置が温度変化に対して大きな感度を示すことになる。例えば、θＳＢ＝７９°で、基板ブロックの厚さがＴＳＢ＝３．３ｍｍの場合、ｚ方向に約１７ｍｍ［３．３・ｔａｎ（７９°）］の長さの皮膚トポロジーを画像化できる。θＳＢ＝７９°で、θ１＝１７．５°、屈折率１．５３の材料で構成された基板ブロックについては、ψＳＢ＝９０．９°である。水平面より下に傾斜する光源用台座６６２を備えることによって、指紋センサの光−電気−機械部品を皮膚接触層８０７の下方に位置させて、ハウジング８１８を前記カバー・スライド上面と同一面にすることができる。
【００７２】
さらに図８Ａを参照して、導波路４０５／ＨＯＥ４１０の界面への入射光は、ＨＯＥ４１０内に屈折される。一実施形態においては、ＨＯＥ４１０のホログラフィ格子は体積格子である。当業者であれば、同様に作用する表面レリーフ格子を設計および製作できるであろう。一般に、透過型体積ホログラムおよび表面レリーフ格子は偏光に影響されやすく、したがって格子がｓ偏向光に合わせて設計されている場合、ホログラムを例えばｐ偏向光で復元するときに、ホログラムの回折効率が大きく低下する。しかし、偏光に影響されにくい体積ホログラムも、十分に厚い材料もしくは大きな屈折率変調を有する材料またはこれらを組み合わせて構成される材料に記録することができ、そのようなホログラムも、本発明の装置において使用できる。回折ビーム８２６は、皮膚接触層８０７の表面７２６の法線に優先的に近い方向に伝播するが、少なくともＨＯＥ４１０の体積格子のブラッグ選択性の角度幅だけ法線からずれた角度にある。回折ビーム８２６は、皮膚接触層８０７を通過し、表面７２６および指１０５に向かって伝播する。反射ビーム８２７は、皮膚接触層８０７およびＨＯＥ４１０を通過して戻るように伝搬する。反射ビーム８２７は、ＨＯＥ４１０の体積格子とブラッグ・マッチングしていないため、ＨＯＥ４１０を通過した後に生じる光の損失は最小限である。回折ビーム８２６は、表面７２６から検出器表面８１４までの反射ビーム８２７の光路長（ＯＰＬ）が最小になるよう、ほぼｙ軸に近い方向に伝播する。反射ビーム８２７のＯＰＬは、光学素子が表面７２６の上面を検出器表面８１４上に画像化しないために、装置の解像度を決定する点で重要である。したがって、反射ビーム８２７のＯＰＬが長くなると、回折効果のために指の特徴（または、検査される他の皮膚トポロジー）がより不鮮明になる。単色光源からの平行光は、皮膚表面の表面トポロジーの特徴から反射および散乱し、前記光は、特徴の面積ｗ２および波長λに関して以下の式で表わされる１フレネル長さｌｆのＯＰＬの後の特徴からの伝播距離によって発散する。
【００７３】
【数２】
2007526542.tif 000004
【００７４】
指紋中の毛穴については、フレネル長さは、最小で１ｍｍのオーダーにあり、最大で約１４ｍｍである。結果として、指紋や掌紋などにおける毛穴または隆線の形状情報などといった皮膚表面の小さなトポロジー的特徴の細部を解像するため、可能な限り短いＯＰＬが重要である。
【００７５】
一実施形態においては、いくつかの膜８１０、８１１、および８１２が、導波路４０５と検出器カバー８１３との間に置かれている。これらの膜は、多数のさまざまな方法で配置できるが、これら膜の目的は、光の反射を抑制し、さらに望ましくない雑音をフィルタリングして除くことである。一実施形態においては、膜８１０は直線偏光膜である。偏光子８１０は、好ましくは、入射光線８２２の偏光とほぼ平行な偏光方向を有する。したがって、偏光膜８１０は、回折光８２６の指１０５によって散乱された（したがって、非偏光となった）部分をセンサ・アレイ２１５に到達しないようにする。膜８１１は、波長フィルタである。波長フィルタ８１１は、好ましくは、光源２０５によって放射された光の波長を実質的に伝達し、他のすべての波長を阻止するように調整されており、したがって、波長フィルタ８１１がない場合にセンサ・アレイ２１５に入射してしまうハウジング８１８の外部から来る周辺光を、阻止する。膜８１１は、例えばダイクロイック膜コーティングであってよく、あるいは染色プラスチックの場合に可能なように、周辺光の所望のスペクトル分布を吸収する材料であってよい。膜８１１の波長フィルタリング特性を、塊状の材料に組み込むことができ、あるいは導波路４０５、皮膚接触層８０７、および／または検出器カバー８１３のコーティングとして組み入れることができ、これにより波長フィルタ８１１を必要としなくなる。膜８１２は屈折率整合材料であり、この材料の屈折率は、好ましくは、膜８１１および検出器カバー８１３の屈折率に対して約０．１５の範囲内で一致する。その結果、膜８１２の界面において反射される光の強度は、膜８１２の境界における入射光の強度の約０．２５％以下である。あるいは、屈折率整合材料が望まれない場合には、膜８１２によって占められて図示されている空間を、狭い空隙（例えば、約０．１〜０．２ｍｍ）で置き替え、膜８１１および検出器カバー８１３のそれぞれが、それらの２つの対向面に反射防止（ＡＲ）コーティングを備えることが好ましい。
【００７６】
検出器カバー８１３を透過した光は、センサ・アレイ２１５に入射する。一実施形態においては、センサ・アレイ２１５は、指紋の２−Ｄ画像を取得する複数の検出器素子を有する。センサ・アレイ２１５は、２−Ｄまたは１−Ｄの電荷結合素子（ＣＣＤ）であってもよいが、好ましくは、２−Ｄまたは１−ＤのＣＭＯＳデバイスなど、必要とする電力がより少ない検出器である。コヒーレントな光源の場合、検査される皮膚の特徴と誤認される可能性がある干渉縞の発生につながりうる迷光の低減のため、好ましくは、センサ・アレイ２１５に面する検出器カバー８１３の表面にＡＲコーティングがなされる。センサ・アレイ２１５は、回路基板８０５に取り付けられ、回路基板８０５は、カメラ電子回路２２０、制御回路２２５、またはこれらの任意の組み合わせを含む回路など、取得した画像の分析のために設計された他の電子回路を含むことができる。処理されたデータは、ケーブル８２０を介して隔壁コネクタ８２１に送られ、これによって指紋センサは、データ１２５および制御機能１６５をホスト・コンピュータ１３０に伝送できる。隔壁コネクタ８２１およびケーブル８２０は、好ましくは、本発明の装置の電力消費素子に電力を送るのに使用される。一実施形態においては、遠隔ホストへのデータの伝送のため、無線送受信器／送信器の組を本発明の装置に組み込むことができる。
【００７７】
一実施形態においては、皮膚接触層８０７は、好ましくは、走査される皮膚の隆線と谷線との間のコントラスト比を最大にする。皮膚接触層８０７と接している皮膚の谷線は、上面７２６には接触せず、結果として生じる上面７２６と空気との間の界面において、回折ビーム８２６を反射する。隆線と谷線との間のコントラストを最大化するため、一実施形態においては、皮膚接触層８０７の上面７２６は、光源２０５から放射される波長において皮膚表面の屈折率と好ましくは一致する屈折率の小さい材料で作られる。シリコーンなどのポリマー材料を使用して、皮膚の屈折率（ｎ〜１．３６）と正しく一致させることができるが、これらの材料は耐久性に乏しく、使用時に容易に摩耗する。溶融シリカ（ｎＤ＝１．４５８）、コーニング社（Corning）のパイレックス（Pyrex（商標））（１．４７４）、またはショット社（Scott）のボロフロート３３（BoroFloat（商標）３３）（１．４７１）などの低屈折率の材料は、より硬質であり、例えば傷や損傷を生じることなくより長期間の使用に耐えるため、好ましい。別の実施形態においては、皮膚接触層８０７は光学的薄膜積層でコーティングされる。当業者であれば、この光学的薄膜積層を、光源２０５から放射される波長における反射率が、皮膚接触層８０７と皮膚との間の界面において最小になるが、皮膚接触層８０７と空気との間の界面において最大になるように設計できる。別の実施形態においては、この薄膜積層は、光源２０５から放射される波長における反射率が、皮膚接触層８０７と皮膚との間の界面において最大になるが、皮膚接触層８０７と空気との間の界面において最小になるように、当業者によって設計される。
【００７８】
図８Ｂは、図８Ａに示した装置の実施形態を上から見た図を示す。一実施形態においては、導波路４０５を照射するビームのｘ方向の幅、したがって指１０５の照射される幅が、レンズ素子６０２に入るビーム幅によって決定される。少なくとも１つの半導体レーザを含む光源２０５の実施形態については、半導体レーザ・ダイオードの発散はアナモルフィック（縦長または横長に変形する）である。このようなアナモルフィックなビームにおいては、光源２０５から放射され、ビームの強度レベルが５０％低下する光線８２３（図８Ａ参照）および８２４の角度は、光学軸８０４に対してそれぞれθｓおよびθｆの角度を形成する。典型的なレーザ・ダイオードについては、これら２つの角度の比が約３：１であり、ビームの光学軸８０４に垂直な断面がほぼ楕円であることを意味している。
【００７９】
例として、指紋装置が皮膚の１７×１７ｍｍの領域を検査する能力を有する必要がある仕様を検討する。先に説明したように、３．３ｍｍの厚さＴＳＢは、ｚ方向において１７ｍｍの皮膚サイズに対応できる。ｘ方向の１７ｍｍに対応するために、導波路は、この方向において少なくとも１７ｍｍの幅でなければならない（入口端面６０４を照射する光源からの光のｘ方向におけるビーム幅と同様）。したがって、入口端面６０４は、ｘに１７ｍｍおよびｙに３．３ｍｍの寸法を有する、実質的に矩形である。最大の光効率のため、２θｆの半値全幅（ＦＷＨＭ）を有するレーザの速軸（例えば、レーザの最も速く発散する軸）が、導波路４０５の１７ｍｍ幅の方向にある（ｘ軸に対応する）ことが望ましい。同様に、２θｓのＦＷＨＭを有する遅軸（例えば、レーザの最も遅く発散する軸）が、導波路４０５の３ｍｍ厚の方向に一致する。
【００８０】
ビーム幅および占有面積を、皮膚の位相的表面の画像化する面積と物理的に一致させることに加え、回折光を操作して皮膚の前記表面を照射するようにする回折光学素子４１０を使用することは、一般に、偏光に依存する。結果として、適正な偏光を使用することがシステムにおいて優れたＳＮＲを得るのに望ましい。単一横モード・レーザ・ダイオードについては、レーザ・ダイオードの偏光は、速軸に直角である。入口端面６０４（図８Ａ参照）を通って光が最適に伝達されるように向けられたレーザ・ダイオードにおいては、平行化レーザ光の偏光は、導波路４０５とＨＯＥ４１０との境界に対してＴＭ偏光（磁界が入射面に直交するように偏光）している。したがって、一実施形態においては、ＨＯＥ４１０がＴＭ偏向光に合わせて設計される。ＨＯＥ４１０の回折格子がＴＥ偏向光（電界が入射の面に直交するように偏光）についてピーク回折効率を有する場合、入口端面６０４に入射する電界の偏光を回転させる何らかの手段が、必要とされる。当業者であれば、複屈折プリズムの使用、直列配置の直線偏光子の使用、または直列配置のミラーの使用など、偏向光を回転させる多数の方法のうちの任意のいずれかを使用できるが、好ましい方法は、ＴＭ偏光しているダイオードの光をＴＥ偏光に回転させるため、好ましくは半波長板である波長板８１９を使用する。
【００８１】
当技術分野では、理論的には、体積格子をＴＥ偏光、ＴＭ偏光、またはランダムな偏光について高い回折効率で設計できることは公知である。無損失の誘電体の厚い体積格子におけるピーク回折効率（η〜１００％）の条件は、２波結合波回折理論を用いて導き出せる。H. Kogelnikの「厚いホログラム格子についての結合波理論（Coupled Wave Theory for Thick Hologram Gratings」、ベル・システム・テクノロジー・ジャーナル（Bell Syst. Tech. J.）、４８巻（１９６９年）、２９０９〜２９４７頁を参照されたい。前記記事の全内容は参照により本明細書に引用したものとする。ＴＥ偏向光において、屈折率変調ｎ１および格子の厚さｄについての条件は、以下の式で与えられる。
【００８２】
【数３】
2007526542.tif 000005
【００８３】
ここで、λは自由空間波長であり、θは体積媒体への入射角度、φは体積層の面法線に対する格子の格子ベクトルＫ→の傾斜角度、ｍは負でない整数である。ＴＭ偏向光において、ｎ１およびｄについての条件は、以下の式で与えられる。
【００８４】
【数４】
2007526542.tif 000006
【００８５】
偏光に依存しないホログラムを記録することも可能である。そのようなホログラムを記録する方法の一例が、米国特許出願公開第２００３／０００７２０１号に開示されており、その全内容は参照により本明細書に引用したものとする。要約すると、ホログラムの回折効率は、材料の特性に依存する、すなわち材料の屈折率変調の値に依存するホログラムの格子強度の値の周期関数である。次に、感光性ポリマー記録材料については、屈折率変調は、主として、ポリマー成分および結合剤からなる記録材料で達成された化学的分離の度合い、ならびに記録材料中のポリマー成分と結合剤との間の相対的な屈折率の差に依存するが、さらに記録材料の厚さ、ホログラム記録に使用されるビームの入射角度、したがって格子周期、ならびにホログラムの記録に使用される光の波長にも依存する。記録材料によって達成される所定の屈折率変調については、格子強度は、格子周期、厚さ、および波長など同様のパラメータに依存する。ホログラムは、結果として得られる屈折率変調の値が回折効率のピークに一致する上記パラメータの組み合わせを用いて記録されるとき、特定の偏光に対して最適化される。通常は、ｓおよびｐ偏向光について最適化されたホログラムの回折効率のピークは、屈折率変調または格子強度の同じ値（すなわち、同じ値の前記パラメータ）で生じることはない。しかし、屈折率変調または格子強度の値の関数としての回折効率の周期性を利用することで、ｓおよびｐ偏向光の両者について最適化されたホログラムを記録できる。あらゆる光の波をｓおよびｐ偏向光の波の重ね合わせとして記述できるため、ｓおよびｐ偏向光について同時に最適化されたホログラムは、偏向光に依存しないといえる。
【００８６】
本発明の装置の好ましい実施形態においては、ビーム・ブロック８１６および８１７は一体化して設計される。ビーム・ブロック８１６は、光源２０５からの光がセンサ・アレイ２１５または膜層８１０〜８１２のいずれにも入ることがないように設計されている。ビーム・ブロック８１７は、光源２０５からの光が指１０５、ＨＯＥ４１０、または皮膚接触層８０７に入射しないように設計されている。ビーム・ブロック８１６および８１７の両方を可能な限り入口端面６０４に近くに配置することにより、レンズ素子６０２によって平行化された光ビームが入口端面６０４に達する前に縁部で切り落とされるために生じる回折効果への悪影響を最小にする。装置にビーム・ブロック８１６および８１７を組み込むことによって、センサ・アレイ２１５に達する迷光の量が減少する。
【００８７】
体積格子においては、ブラッグ選択性により、不正確な角度で入射する光は回折されず、あるいは非効率に回折されるため、格子への光の入射角度は重要である。図８Ａおよび図８Ｂに示した実施形態は、コントローラとアクチュエータとを備える制御回路の使用などの方法、または手動により、ＨＯＥ４１０へのビーム８２２の入射角度の調節を可能にする。
【００８８】
この実施形態においては、入口端面６０４の中心線８０６を中心として回動するように機械的に構成されたレーザ台座８０３が設けられている。ピン８３９が中心線８０６に整列し、これらのピン上に、レーザ台座８０３に結合される位置決めスリーブ８４０がある。図示はされていないが、好ましくは、ばねおよび調整ねじがレーザ台座８０３に取り付けられ、レーザ台座８０３の向きを設定できる。このようにして、センサ２１５または他のセンサあるいは検出器からのフィードバックを使用して手動で、あるいは制御回路およびアクチュエータを備えるアクチュエータを使用することによって、入口端面６０４の中心に対する光学軸８０４の整列を維持しつつ、θ１を調整できる。θ１を調節することで、θＳＢしたがってＨＯＥ４１０に入射する光の角度が調節され、体積格子による最大屈折効率の調節が可能になる。
【００８９】
図８Ａおよび８Ｂの装置の動作中は、光源２０５からの光ビームは、アナモルフィックに拡大され、すなわち導波路４０５を通って伝播しＨＯＥ４１０によって回折されることによって、レンズ素子６０２から出るビームの断面の１つの軸のみが拡大される。図９を参照すると、かすめ入射角反射格子９０４を使用することによって、直径Ｄiのビームをｘ方向に沿った直径Ｄｒのビームにアナモルフィック拡大できる。図示のとおり、反射格子９０４は、その特性が一次回折光９０１がｚ軸と平行に入口端面６０４（図示されていない）に入射するように設計されている反射格子表面９００を有する。
【００９０】
図９の格子形状は、ｘｚ平面でビームの拡大が得られるという利点を有する。直径Ｄiの入射ビームについて得られるビームの拡大は、以下の式となる。
【００９１】
【数５】
2007526542.tif 000007
【００９２】
ここで、θ−１は、回折された−１オーダーの反射ビーム９０１の格子面法線９０２に対して測定した角度であり、θｉは、格子面法線９０２に対する入射ビーム９０３の入射角度である。
【００９３】
このような反射型アナモルフィック・ビーム拡大格子の例として、１６００ｌｐ／ｍｍの反射格子を考える。さらに、光源２０５が、６５５ｎｍの波長を放射する半導体ダイオード・レーザであり、ビーム９０３が、θｉ＝８５°で前記１６００ｌｐ／ｍｍの反射格子に入射すると考える。結果として回折した負の一次は、θ−１＝２．９７で伝播し、達成される拡大比Ｄｒ／Ｄｉは１１．５である。なお、当業者であれば、入射ビーム９０３が基板材料（例えば、ガラス）の内側から格子を照射するよう基板を通過して伝播され、次いで必要とされるアナモルフィックなビームの拡大レベルを得るのに必要な回折オーダーを伝播する格子を含む、他の格子（例えば、表面レリーフまたは体積）を設計および製作可能である。透過または反射格子がｘｚ平面において必要なアナモルフィックなビームの拡大を実行するように設計されていたとしても、対象のオーダー以外の他に最小数の屈折オーダーが伝播するように、格子が十分に高い周波数を有することが好ましい。このようにして、格子９０４と導波路４０５との間の距離を可能な限り小さくすることで、単一の回折オーダーのみが基板ブロックに入るようにすることができる。
【００９４】
図９に示した実施形態においては、回折ビーム９０１は、ｚ軸とほぼ平行に伝播する。図８Ａおよび８Ｂに示した指紋センサの形状は、格子周辺が主としてｙ−ｚ平面において傾斜しているが、ｘ方向に沿ってほぼ一様であるＨＯＥ４１０を選択して示している。したがって、ＨＯＥ４１０は、ｙ−ｚ平面における光の伝播角度について微細な制御を必要とするが、ｘ−ｚ平面における光の伝播角度についてはあまり厳しくない（＞５度）基準を必要とするブラッグ・マッチング条件を有する。結果として、レンズ素子６０２から出るビームの物理的整列は、ｘ−ｙ平面においてｙ−ｚ平面よりも大きな公差を有する。
【００９５】
本発明の装置の最適性能のためには、装置が断熱化される、すなわち先に述べたように温度補償が可能であることが好ましい。当業者であれば、温度変化が導波路およびＨＯＥにそれぞれ入射する光の光線路に対して与える影響をモデル化でき、ＨＯＥおよび導波路の材料特性間の関係を導き出して、断熱化を実現できる。この分析から、当業者であれば、ＨＯＥ４１０および導波路４０５および／または皮膚接触層８０７が、実質的に同一の熱膨張係数または熱光学係数あるいは両方を有する材料で構成されるのが好ましいと、結論付けるであろう。本明細書において使用するとき、用語の「熱光学係数」とは、屈折率ｎ＝ｎ（Ｔ）の温度Ｔに関する導関数の値、すなわちｄｎ／ｄＴを指す。例えば、−２．０×１０−４のｄｎ／ｄＴを有する感光性ポリマーから作られたＨＯＥについては、好ましくは、ＢＫ７（ｄｎ／ｄＴ＝３．０×１０−６）などのガラス上のゼオネックス（Zeonex）Ｅ４８Ｒ（ｄｎ／ｄＴ＝−１．０×１０−４）またはゼオネックス３３０Ｒ（ｄｎ／ｄＴ＝−１．２×１０−４）といった成形用プラスチックを選択できる。あるいは、ＨＯＥを一定の温度に維持するヒータを使用することによって、装置を断熱化できる。さらに別の実施形態においては、装置は、光源２０５と異なる波長を放射する第２の光源を有してもよく、この第２光源は、ＨＯＥ４１０内の材料によって吸収されるように作用して、ＨＯＥ４１０の温度を適正な一定温度に維持する。
【実施例】
【００９６】
本発明者らのスタッフの１人の右手の人差し指の指紋を、図４に示した光学的設計を使用して１９９６年に記録した。この指について取得した画像の全体画像領域は、約０．１５×０．１５インチであった。取得した指紋をアナログのビデオ・モニタに表示し、高コントラストの黒白膜を装着したポラロイド・インスタント・カメラを使用して撮影した。次いで、この指紋の写真を、通常の周囲条件のもとで保存した。
【００９７】
６．５年後の２００３年に、前記ポラロイド写真画像を、６００ｄｐｉでスキャンしてディジタル化し、本発明の指紋相関ソフトウェアの例の学習用テンプレートとして使用した。２００３年に、同じ指についての新たな画像を、図４の光学的構成を有する本発明の指紋撮像装置を使用して取得した。取得した指紋を、元の指紋の６．５年前の写真のスキャン画像と比較した。前記元の画像および新規画像が指の１／８インチ×１／８インチの領域だけしか表わしておらず、倍率および回転が相違しており、ビデオ・モニタの曲面上に表示された元の指紋の画像から得たことに起因する写真の歪みを含んでおり、その上、コントラストおよび露出が一致しておらず、かついかなる方法でも較正されていないにもかかわらず、毛穴の位置、隆線と谷線との境界における隆線の形状の細部、および特徴点を使用して、確実な識別が容易に達成された。４５個の毛穴および５つの特徴点を含む少なくとも５０個の特徴が、１９９６年の画像の元のスキャンから取り込まれ、そのうちの２２個の毛穴および５つの特徴点が、２００３年に画像化されて取り込まれた指紋に存在し、検出され、一致した。この優れた相関結果は、高解像度で指紋画像を取得できる装置を使用することによって、指紋の毛穴ならびに隆線の形状の細部を含むことで、画像の相関に使用できる特徴の数が大幅に増加し、指紋の比較の信頼性が大きく向上することを示している。本発明の装置および方法によって得られる改良の有益な効果は、誤った受入れの発生を少なくし、誤った拒絶の割合を（複数のテンプレートの使用を通じて）改善し、確実な一意かつ決定的な認証および識別に必要とされる指紋採取面積を大幅に低減する。
【００９８】
図１０は、同位置に多重化されてアプリーリス社（Aprilis）の厚さ５０ミクロンのホログラフィック記録媒体ＵＳＬＨ−５００−７Ａに記録された８つのスラント・フリンジ平面波ホログラムについて、ブラッグ離調特性を示している。記録を、角度多重化を用いて従来の方法で実行し、同位置に多重化したホログラムのそれぞれについての記録角度の増分は、それぞれのブラッグ離調特性曲線の１／２高さの全角度幅の値の２倍に相当している。各ホログラムを、基準および信号ビーム経路において４ｍＷの等しいビーム強度で、ビーム間角度の４８．６°の固定値を有する空間フィルタ処理および平行光を使用して記録し、サンプルを、連続する記録のそれぞれについて垂直軸を中心として２°の増分で回転させた。多重ホログラムの記録感度が、ホログラム＃１〜＃８についてそれぞれ約２７、３０、２４、１６．７５、１５．６５、７．９、４．２および１．２ｃｍ／ｍＪであったため、同位置に多重化されたホログラムの一連の記録のための記録時間を変化させて、ホログラムのそれぞれについて同様の屈折効率を達成した。８つの多重ホログラムについての累積の格子強度は、ν／π≧１の場合に相当し、したがって実質的に過変調のホログラムを、単一の平面波ホログラムとして記録できた。
【００９９】
多重ホログラム間の分離角度を、ブラッグ離調特性曲線の１／２高さの全幅と等しい増分にまで減らした場合、結果として得られるホログラムのブラッグ選択性の曲線は、図１１に示すように複雑に入り組んだ形になる。ブラッグ離調角度の値の関数として図１１に示される回折効率の範囲は、より望ましいシルクハット状の多様形状を得るようには最適化されていない。いずれにせよ、図１０および図１１の結果は、多重ホログラムを使用して指紋装置の温度変化を補償する手段を提供できることを示している。
【０１００】
以上、本発明を本発明の好ましい実施形態を参照して詳細に図示し、説明したが、添付の特許請求の範囲に包含される本発明の範囲を逸脱することなく、形態および細部にさまざまな変更が可能であることは、当業者であれば理解できるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０１０１】
【図１】本発明の原理による指紋センサが配置されたコンピュータ・ネットワークの図である。
【図２】図１の指紋センサのシステム階層図である。
【図３】図１の指紋センサの概略図である。
【図４】図１の指紋センサの撮像装置の機構を示す図である。
【図５】図４の撮像装置の図であり、回折光のピーク強度の変化を温度の関数として示すグラフが示されている。
【図６Ａ】図１の指紋センサの撮像装置の代替の実施形態の機構を示す図である。
【図６Ｂ】図１の指紋センサの撮像装置の代替の実施形態の機構を示す図である。
【図６Ｃ】図１の指紋センサの撮像装置の代替の実施形態の機構を示す図である。
【図６Ｄ】図１の指紋センサの撮像装置の代替の実施形態の機構を示す図である。
【図６Ｅ】図１の指紋センサの撮像装置の代替の実施形態の機構を示す図である。
【図７Ａ】図１の撮像装置の別の実施形態の機構を示す図であり、温度変化を光学的に検出する手段を備えている。
【図７Ｂ】図７Ａの撮像装置における光学的フィードバックを示した波形である。
【図７Ｃ】図７Ａの撮像装置における光学的フィードバックを示した波形である。
【図８Ａ】図１の指紋センサの撮像装置の代替の実施形態の機構を示す図である。
【図８Ｂ】図１の指紋センサの撮像装置の代替の実施形態の機構を示す図である。
【図８Ｃ】図１の指紋センサの撮像装置の代替の実施形態の機構を示す図である。
【図８Ｄ】図１の指紋センサの撮像装置の代替の実施形態の機構を示す図である。
【図９】図１の指紋センサの撮像装置の別の実施形態の概略図であり、かすめ入射角反射格子を使用している。
【図１０】図１の指紋センサの実施形態についてブラッグ離調角度特性を示した波形図である。
【図１１】回折効率の範囲を図１０のブラッグ離調角度の値の関数として示す図である。
【符号の説明】
【０１０２】
１００  指紋センサ
１１０  指紋画像取得装置
２０５  光源
２０７  光ビーム
２１５  センサ・アレイ
４０５  導波路
４１０  ホログラフィック光学素子
６０４  入口端
６１０  上面
６１２  底面
８０７  皮膚接触層
【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６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図６Ｅ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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