(57)【要約】【課題】高精度かつ高安全性を実現することが可能な生体認証装置を提供する。【解決手段】屈折力を変化させることのできる複数のマイクロレンズを備えたマイクロレンズアレイ１２の屈折力を変化させつつ、静脈情報の撮像を行うことにより、生体２内部の複数の層の形状情報（２次元情報）が得られる。このようにして得られた複数層分の２次元情報を、それぞれの焦点位置と組み合わせて画像処理を行うことにより、３次元的な静脈形状情報を得ることができる。２次元情報に基づいて認証を行う場合に比べて、認証に使用される情報量が多くなる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
生体へ向けて光を照射する光源と、
前記生体からの光を集光すると共に、異なる屈折力を有する複数のマイクロレンズを含むマイクロレンズアレイ部と、
前記マイクロレンズアレイ部で集光された光に基づいて前記生体の複数の層の撮像データを生成する撮像素子と、
前記生体の複数層分の撮像データに基づいて生体の認証を行う認証部とを備えた
ことを特徴とする生体認証装置。
【請求項２】
前記光源は、近赤外の波長領域の光を発する
ことを特徴とする請求項１に記載の生体認証装置。
【請求項３】
前記マイクロレンズアレイ部に電圧を供給する電圧供給部をさらに備え、
前記マイクロレンズは、前記電圧供給部から供給される電圧に応じて屈折力が変化するように構成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の生体認証装置。
【請求項４】
前記マイクロレンズアレイ部は、
一対の基板と、
前記基板上に形成され、前記電圧供給部からの電圧が印加される一対の電極と、
前記一対の電極間に設けられた液晶層とを含んで構成され、
前記一対の電極のうちの少なくとも一方が、前記マイクロレンズを構成するための曲面を有している
ことを特徴とする請求項３に記載の生体認証装置。
【請求項５】
前記複数のマイクロレンズは、それぞれの焦点位置が前記生体の形状に沿うように屈折力が設定されている
ことを特徴とする請求項１に記載の生体認証装置。
【請求項６】
前記複数のマイクロレンズは、互いに異なる屈折力を有するマイクロレンズ同士が周期的に配列したものである
ことを特徴とする請求項１に記載の生体認証装置。
【請求項７】
前記生体と前記マイクロレンズアレイ部との間の光路上に配置された撮像レンズと、
前記撮像素子により得られた前記生体の撮像データに対して所定の画像処理を施すための画像処理部とをさらに備え、
前記認証部は、前記画像処理部による画像処理後の撮像データを利用して前記生体の認証を行う
ことを特徴とする請求項１に記載の生体認証装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロレンズアレイを用いた生体認証装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、特定エリアの入退出管理や銀行のＡＴＭなどにおいて、生体認証を用いた個人識別技術（バイオメトリックス）の導入が開始されている。このため、ＩＤカードの偽造や成り済ましによる犯罪の増加が社会問題となってきており、偽造不可能な個人の認証方法の確立が望まれている。
【０００３】
このような生体の認証方法としては、顔、指紋、声紋、虹彩、静脈などを認証用データとして用いる方法が提案されている。例えば、顔を認証用データとする方式では、体調や化粧により、個人の特徴を精確に捉えることが難しく、また成長等により顔の特徴は変化し易いため、生涯同一のデータを使用することが難しい。このため、顔を用いた認証では、一般的に高い精度を実現することが困難とされている。また、指紋、声紋、虹彩等については、比較的変化の少ない個人情報ではあるが、樹脂をもちいた指紋の複製、録音装置を用いた声紋の録再生、高精細なプリンターを用いた虹彩パターンの複製などの偽造行為が問題視されている。
【０００４】
他方、指や手の平の皮膚下に存在する静脈の形状パターンは、２〜３歳頃からほとんど変化が無く、人間の生涯を通して安定した識別データとして利用することが可能である。また、表面より直接目視することが不可能であるため偽造されにくく、これまでにも様々な提案がなされている（例えば、特許文献１）。
【０００５】
ここで、図１４（Ａ）に、上記のような静脈認証方式を採用した従来の生体認証装置の例を示す。従来技術においては、認証対象となる指２を指定された場所にかざす事で、静脈のパターン認識を行うことが可能である。具体的には、指２の短手方向（または長手方向）に配置されたＬＥＤ（Light Emitting Diode）等の光源１００により近赤外光を照射することによって、静脈を流れる血液ヘモグロビンの光吸収を観察することが出来る。静脈での光吸収によるコントラスト変化は、１枚の屈折型集光レンズ１０１によりＣＣＤ（Charge Coupled Device：電荷結合素子）やＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）等の撮像素子１０２へと結像され、図１４（Ｂ）に示すような静脈形状を含んだ認証用データを取得することができる。
【０００６】
また、認証用データの精度（解像度）を高めるために、マイクロ（小径）レンズを複数用いたマイクロレンズアレイ等の複眼光学系を用いた技術が提案されている（例えば、特許文献２，３）。一般に、図１４（Ａ）に示したような構成において解像度を高めるためには、集光レンズ１０１と撮像素子１０２の画素数（同じ画素ピッチであれば大きさ）を増やす必要がある。このため、集光レンズ１０１としては、開口数（ＮＡ）の高いレンズを用いる必要がある。ところが、開口数の高いレンズは、収差が発生し易く、製造コストが高くなるため実用的ではない。これに対し、マイクロレンズアレイを用いた複眼光学系では、マイクロレンズごとに取得した複数のデータに基づいて画像処理を行うことにより、低コストで精度の高い画像を獲得することができる。従って、集光レンズ１０１の代わりにマイクロレンズアレイを用いることで、画像データの精度を高めることができる。
【特許文献１】特開２００６−６８３２８号公報
【特許文献２】特開２００３−２８３９３２号公報
【特許文献３】特開２００５−６９９３６号公報
【非特許文献１】Ren.Ng、他７名，「Light Field Photography with a Hand-Held Plenoptic Camera」，Stanford Tech Report CTSR 2005-02
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところが、上述した構成の生体認証装置では、指内部のある一つの面を認証対称としているため、認証用データとしては２次元のデータとなる。このため、例えば、指がガラス等の上に配置されて認証が行われる場合、ガラスと接している面については、認証用データが得られるものの、ガラスに接していない部分については、データが得られないため、指の配置により獲得データに差異が生じ、認証精度が不十分であるという問題がある。また、２次元の認証データでは、何らかの方法で認証データが搾取された場合、複製することも不可能ではないため、安全性の点においても問題がある。
【０００８】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、高精度かつ高安全性を実現することが可能な生体認証装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の生体認証装置は、生体へ向けて光を照射する光源と、生体からの光を集光すると共に異なる屈折力を有する複数のマイクロレンズを含むマイクロレンズアレイ部と、このマイクロレンズアレイ部で集光された光に基づいて生体の複数の層の撮像データを生成する撮像素子と、生体の複数層分の撮像データに基づいて生体の認証を行う認証部とを備えたものである。
【００１０】
本発明の生体認証装置では、光源から生体へ向けて光が照射されると、複数のマイクロレンズが異なる屈折力を有していることにより、それぞれの屈折力に応じて撮像が行われ、生体の複数層分の撮像データが得られる。そして、これら複数層分の撮像データが、例えばそれぞれの焦点位置情報と組み合わされて処理されることにより、生体の奥行き情報を含めた３次元的な形状情報の構築が可能となり、この３次元情報に基づいて生体の認証が行われる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の生体認証装置によれば、生体へ向けて光を照射する光源と、生体からの光を集光すると共に異なる屈折力を有する複数のマイクロレンズを含むマイクロレンズアレイ部と、このマイクロレンズアレイ部で集光された光に基づいて生体の複数の層の撮像データを生成する撮像素子と、生体の複数層分の撮像データに基づいて生体の認証を行う認証部とを備えるようにしたので、生体の複数層分の撮像データに基づいて生体の奥行き情報を含めた３次元的な形状情報の構築が可能となり、３次元情報に基づいた生体認証を行うことができる。従って、従来のように２次元情報に基づいて生体認証を行う場合に比べ、認証精度を高くすることができると共に、認証情報の複製が困難となるため、安全性を向上させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１３】
［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る生体認証装置（生体認証装置１）の全体構成を表したものである。図２は、生体認証装置１の概要構成を表す斜視図である。この生体認証装置１は、撮像対象物である生体（例えば、指先）２を撮像して生体認証を行い、認証結果データＤoutを出力するものであり、光源１０と、固定用カップ１１と、マイクロレンズアレイ１２と、撮像素子１３と、画像処理部１４と、パターン保持部１５と、認証部１６と、電圧供給部１７と、光源駆動部１８１と、撮像素子駆動部１８２と、制御部１９とから構成されている。マイクロレンズアレイ１２は、その屈折力が変化するように構成されている。
【００１４】
光源１０は、撮像対象物である生体２へ向けて光を照射するものであり、例えば、ＬＥＤ等により構成される。この光源１０は、近赤外の波長領域（７００ｎｍ〜１２００ｎｍ程度）の光を発するものである。そのような波長領域の光を用いた場合、生体に対する透過率と、生体内の還元ヘモグロビン（静脈）への吸収率との兼ね合いより、後述する生体２の静脈認証の際の光利用効率をより高めることができるからである。
【００１５】
固定用カップ１１は、認証時に生体２を固定して保持するためのものであり、底面は開口部となっているか、あるいは光を透過させる構造、カバーガラス等の透明部材が設けられた構造であってもよい。
【００１６】
マイクロレンズアレイ１２は、後述する複数のマイクロレンズがマトリクス状に配列してなり、固定用カップ１１の下方（具体的には、固定用カップ１１と撮像素子１３との間）に配置されている。このマイクロレンズアレイ１２内のマイクロレンズは、例えば、液体レンズや液晶レンズ等から構成され、任意の電圧が印加されることで焦点位置が変化する可変焦点レンズとなっている。このマイクロレンズは、撮像対象物である生体２の撮像レンズとして機能している。なお、マイクロレンズアレイ１２の詳細については、後述する。
【００１７】
撮像素子１３は、マイクロレンズアレイ１２からの光を受光して撮像データを生成するものであり、後述する静脈認証時におけるマイクロレンズアレイ１２の焦点面に配置されている。なお、この撮像素子１３は、例えば、マトリクス状に配列された複数のＣＣＤ等により構成される。
【００１８】
画像処理部１４は、制御部１９からの制御に応じて、撮像素子１３で得られた撮像データに所定の画像処理を施し、認証部１６へ出力するものである。なお、この画像処理部１４、ならびに後述する認証部１６および制御部１９は、例えばマイクロコンピュータなどにより構成される。
【００１９】
パターン保持部１５は、生体認証の際に用いる生体認証パターン（認証の際に撮像して得られた撮像パターンに対する比較パターンであり、予め生体を撮像して得られたもの）が保持される部分であり、不揮発性の記録素子（例えば、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory）など）により構成される。認証部１６は、制御部１９からの制御に応じて、画像処理部１４から出力される撮像パターンと、パターン保持部１５に保持されている生体認証パターンとを比較することにより、撮像対象である生体２の認証を行う部分である。
【００２０】
電圧供給部１７は、マイクロレンズアレイ１２内のマイクロレンズに対して電圧を供給するものであり、詳細は後述するが、この供給電圧の大きさに応じて、マイクロレンズアレイ１２の屈折力を変化させるようになっている。
【００２１】
光源駆動部１８１は、制御部１９からの制御に応じて、光源１０の発光駆動を行うものである。撮像素子駆動部１８２は、制御部１９からの制御に応じて、撮像素子１３の撮像駆動（受光駆動）を行うものである。制御部１９は、画像処理部１４、認証部１６、電圧供給部１７、光源駆動部１８１および撮像素子駆動部１８２の動作を制御するものである。
【００２２】
次に、図３を参照して、マイクロレンズアレイ１２の構成について詳細に説明する。図３は、マイクロレンズアレイ１２の断面構成を拡大して表したものである。
【００２３】
このマイクロレンズアレイ１２では、対向する一対の基板１２１，１２５間に液晶層１２３が形成され、この液晶層１２３と基板１２１，１２５との間には、それぞれ、電極１２２，１２４が形成されている。
【００２４】
基板１２１，１２５は、それぞれ、例えばガラス基板などの透明基板により構成され、入射光線を透過可能となっている。電極１２２，１２４には、電圧供給部１７から電圧が供給される。これら電極１２２，１２４は、それぞれ、例えばＩＴＯ（Indium Tin Oxide；酸化インジウムスズ）などの透明電極により構成され、基板１２１，１２５と同様に、入射光線を透過可能となっている。電極１２２，１２４の表面Ｓ１，Ｓ２のうち、電極１２２側の表面Ｓ１には、凹状の複数の曲面がマトリクス状に形成され、これにより複数の液晶マイクロレンズ電極１２２を構成するようになっている。液晶層１２３は、例えばネマティック液晶などの液晶材料により構成され、電極１２２，１２４間に印加される電圧に応じて屈折率が変化するようになっている。
【００２５】
次に、図１〜図５を参照して、本実施の形態の生体認証装置１の動作（生体認証処理）について詳細に説明する。ここで、図４は、マイクロレンズアレイ１２の作用を説明するための断面構成であり、図５は指の静脈パターン取得の際の光路を要部断面図で表したものである。
【００２６】
この生体認証装置１では、まず、固定用カップ１１上に生体（例えば、指先）２が置かれると、光源駆動部１８１の駆動動作により光源１０から光Ｌoutが射出され、固定用カップ１２の底面側より生体２へ照射される。そして、マイクロレンズアレイ１２内のマイクロレンズ（具体的には、電極１２２，１２４間）には、制御部１９の制御に応じて電圧供給部１７から電圧が印加され、この状態で生体２の撮像がなされることにより、生体２の静脈パターンが取得される。このとき、マイクロレンズ１２への供給電圧が低いと、それに応じて液晶層１２３の屈折率も小さくなり、その結果、マイクロレンズ１２への入射光線は、例えば図４中の光線Ｌ１のように、比較的小さな屈折角となるような屈折方向へ屈折され、比較的長い焦点距離（例えば、図４に示した光軸Ｌ０上の焦点位置Ｐ１）で集光される。逆に、マイクロレンズへの供給電圧が高いと、それに応じて液晶層１２３の屈折率も大きくなり、その結果、マイクロレンズ１２への入射光線は、例えば図４中の光線Ｌ２のように、比較的大きな屈折角となるような屈折方向へ屈折され、比較的短い焦点距離（例えば、図４に示した光軸Ｌ０上の焦点位置Ｐ２）で集光される。
【００２７】
このように、供給電圧を変化させることにより、異なる屈折力を発現させて、マイクロレンズアレイ１２の焦点距離を変化させることができる。従って、マイクロレンズアレイ１２に対して、電圧を複数回、段階的に変化するように供給することにより、生体２の内部の異なる複数の層における静脈の撮像データ（静脈パターン）が、撮像素子１３において、それぞれ得られる。例えば図５に示したように、マイクロレンズ１２への供給電圧を、Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３（Ｖ１＜Ｖ２＜Ｖ３）（図示せず）と変化させて、それぞれの状態で撮像データを得ることにより、生体２の内部の３つの層Ｄ１１，Ｄ１２，Ｄ１３における静脈パターンが得られる。
【００２８】
ここで、実際に上記のような手法により３次元情報を得ようとした場合の具体例について説明する。まず、マイクロレンズアレイ１２のレンズ中心から被写体までの距離をａ、レンズ中心から撮像面までの距離をｂ、レンズの焦点距離をｆとすると式（１）のような関係が成り立つ。また、仮に測定対象である生体２の厚みを１０ｍｍ前後と想定し、固定用カップ１１に生体２を置いた際に、ａ＝４、ｂ＝４、光軸深さ方向（生体２の奥行き方向）に４ｍｍ（ａ＝４±２ｍｍ）の３次元情報を得ようとした場合を仮定すると、式（１）よりｆ＝１．３〜２．４の値をとり、レンズ直径Ｄ＝０．２と仮定すると、式（２）よりＮＡ換算で０．０４〜０．０８となる。この数値は、液体レンズや液晶レンズを用いた場合でも、十分実現可能な数値であると考えられる。また、単独で実現が困難な場合には、従来の屈折型レンズと組合せて構成することも可能であり、例えば屈折型レンズでＮＡ＝０．０６のレンズを作成し、残りＮＡ変化量±０．０２をマイクロレンズで変化させれば良いこととなる。
１／ａ＋１／ｂ＝１／ｆ      ……（１）
ＮＡ＝Ｄ／２ｆ              ……（２）
【００２９】
また、写真用レンズにおけるフィルム上の許容錯乱円径をφとすると、光学系の焦点深度Ｈ（片側）は、式（３）により概算される。一般に、３５ミリフィルムの光学系であればφ＝４０μｍ程度と考えられるので、焦点深度Ｈは、０．２７ｍｍ（ｆ＝１．３）〜０．４８ｍｍ（ｆ＝２．４）の値となる。よって、方向への深さ４ｍｍの３次元画像を得ようとした場合には、マイクロレンズの焦点距離ｆを変化させて５〜８回の画像を取得すれば、許容錯乱円径φの条件を満しつつ、生体２内部の奥行き方向の連続した画像情報を取得することが可能となる。
Ｈ＝φ・ｆ／Ｄ              ……（３）
【００３０】
ところで、本実施の形態では、焦点距離を順次変化させて、複数の撮像データを得るものであるため、認証に要する時間が、２次元情報で認証を行う場合に比べて長くなるという問題がある。しかしながら、一般的に、液体レンズや液晶レンズは、ズームレンズなどのメカ駆動方式の可変焦点レンズに比べ、非常に早い応答周波数（ステップ応答で数十ミリ秒）を実現することが可能である。このため、上記画像枚数を撮影するのに要する時間は、概ね１秒以内であることが予想される。従って、生体２が固定用カップ１１に保持されている間に十分な認証が可能であると考えられ、実用上問題はない。
【００３１】
上記のようにして得られた複数層の静脈パターンは、画像処理部１４に入力され、画像処理部１４において、例えば図６に示したような３次元的な形状情報に構築される。具体的には、得られた複数の撮像データが、例えば特許文献２に記載の方式等により、高精細な２次元画像へと、それぞれ復元されたのち、この複数の２次元画像とレンズの焦点位置情報とが組み合わせられ、３次元情報に変換される。さらに、エッジ処理および二値化処理を行うことにより、図６のような３次元形状が作成される。そして、このようにして構築された３次元情報は、認証部１６へ入力される。
【００３２】
次に、認証部１６では、入力された静脈パターンと、パターン保持部１５に保持されている静脈認証用の認証パターンとが比較され、これにより静脈認証がなされる。認証部１６では、静脈認証の結果を考慮して、最終的な生体認証の結果（認証結果データＤout）が出力され、これにより生体認証処理が終了となる。
【００３３】
以上説明したように、本実施の形態の生体認証装置１では、マイクロレンズへの供給電圧を変化させつつ生体２の撮像がなされることで、マイクロレンズの屈折力が変化し、生体２の内部の奥行き方向に対して、複数の静脈撮像データを得ることができる。これらの撮像データと焦点位置の情報を組み合わせることにより、生体２の静脈の３次元的な形状情報が構築される。このような３次元情報より抽出される生体２の静脈の特徴点は、２次元情報の場合よりも多くの情報量を有しているため、従来よりも高い精度で個人識別を行うことが可能となる。また、情報量が多い分、データの複製が困難となるため、高い安全性を確保することができる。
【００３４】
［第２の実施の形態］
図７は、本発明の第２の実施の形態に係る生体認証装置において、生体２の静脈パターン取得の際の光路を要部断面図で表したものである。なお、本実施の形態では、上記第１の実施の形態におけるマイクロレンズアレイ１２の構成が異なること以外は、上記第１の実施の形態と同様の構成を有している。具体的には、第１の実施の形態では、マイクロレンズアレイ１２に配置される複数のマイクロレンズは、供給される電圧に応じて屈折力を変化させるものであったが、本実施の形態では、マイクロレンズアレイ２２を構成するマイクロレンズ同士が互いに異なる屈折力を有している。従って、以下では、このマイクロレンズアレイ２２の構成について詳細に説明し、第１の実施の形態と同様の構成については、適宜説明を省略するものとする。
【００３５】
マイクロレンズアレイ２２は、互いに異なるパワー（焦点距離）を有する複数のマイクロレンズにより構成されている。マイクロレンズとしては、固定焦点レンズであってもよく、液体レンズや液晶レンズ等から構成されていてもよい。マイクロレンズアレイ２２では、複数のマイクロレンズは、図７に示したように、生体２の形状に沿って生体２の内部の層Ｄ１１，Ｄ１２，Ｄ１３に焦点が合うように配置されている。
【００３６】
具体的には、図８および図９に示したように、複数のマイクロレンズを配置すればよい。図８では、対向する基板１３１Ａ，１３５Ａとの間に液晶層１３３Ａが設けられ、この液晶層１３３Ａと基板１３１Ａ，１３５Ａとの間には、それぞれ、電極１３２Ａ，１３４Ａが形成されている。基板１３１Ａ，１３５Ａは、例えばガラス基板などの透明基板により構成され、入射光線を透過可能となっている。電極１３２Ａ，１３４Ａは、電圧供給部１７から電圧が供給されるようになっており、例えばＩＴＯなどの透明電極により構成され、入射光線を透過可能となっている。電極１３４Ａの液晶層１３３Ａ側の面には、凸状の複数の曲面がマトリクス状に形成されている。液晶層１３３Ａは、電圧供給部１７からの電圧に応じて、入射光線を透過あるいは遮断するようになっている。
【００３７】
このような構成において、電極１３４Ａの凸状の複数の曲面は、その曲率半径が異なっており、例えば、アレイ中央部の曲面の曲率半径Ｒ３と、アレイ端部の曲面の曲率半径Ｒ１と、これらの中間にある曲面の曲率半径Ｒ２とが、Ｒ３＞Ｒ２＞Ｒ１となるように構成されている。すなわち、アレイ中央部から端部にいくに従って段階的にあるいは連続的に曲面の曲率半径が小さくなっている。このように、電極１３４Ａを構成する各曲面の曲率半径を異ならせることにより、生体２の形状に沿って生体２の内部に焦点が合うように設定することができる。
【００３８】
また、図９では、対向する基板１３１Ｂ，１３５Ｂとの間に液晶層１３３Ｂが設けられ、この液晶層１３３Ｂと基板１３１Ｂ，１３５Ｂとの間には、それぞれ、電極１３２Ｂ，１３４Ｂが形成されている。基板１３１Ｂ，１３５Ｂは、基板１３１Ａ，１３５Ａと同様、入射光線を透過可能となっている。電極１３２Ｂ，１３４Ｂは、電圧供給部１７から電圧が供給されるようになっており、入射光線を透過可能となっている。このうち電極１３４Ｂの表面は凸状の複数の曲面となっており、これにより複数のマイクロレンズを構成している。さらに、基板１３１Ｂ上には、互いに曲率半径の異なるマイクロレンズＬ１，Ｌ２，Ｌ３が配置されており、例えば、アレイ中央部に配置されたマイクロレンズＬ３の曲率半径Ｒ３と、アレイ端部に配置されたマイクロレンズＬ１の曲率半径Ｒ１と、これらの中間に配置されたマイクロレンズＬ２の曲率半径Ｒ２とが、Ｒ３＞Ｒ２＞Ｒ１となるように構成されている。このように、液晶レンズからなるマイクロレンズと、互いに異なる曲率半径を有する固定焦点のマイクロレンズを組み合わせて配置することにより、生体２の形状に沿って生体２の内部に焦点が合うように設定することができる。
【００３９】
この他にも、例えば、マイクロレンズごとに電極を分離して形成し、それぞれに対して異なる電圧を印加して個別駆動を行うような構成としてもよい。また、マイクロレンズとして液晶レンズを用いる場合について説明したが、本実施の形態では、これに限定されない。例えば、マイクロレンズアレイ２２として、基板上に曲率半径が互いに異なる複数の固定焦点レンズを配置したものを用いるようにしてもよい。
【００４０】
このように、マイクロレンズアレイ２２を用いた場合、生体２の形状に沿って生体２の内部の複数の層において、それぞれ２次元情報を一括して取得することができる。従って、生体２が光軸の深さ方向に丸み（奥行き）を有する場合であっても、この奥行き方向も含めた撮像データを正確に得ることができる。すなわち、生体２の形状に沿うようにして、３次元的な情報が一度に得られるため、効率的に認証を行うことができる。
【００４１】
（変形例）
次に、上記第２の実施の形態のマイクロレンズアレイ２２に対する変形例について説明する。図１０は、本変形例に係るマイクロレンズアレイ３２を用いた場合において、生体２の静脈パターン取得の際の光路を要部断面図で表したものである。このマイクロレンズアレイ３２では、異なる屈折力を有する複数のマイクロレンズ同士が周期的に配置されている。例えば、図１０に示したように、３種類（３段階）の屈折力をそれぞれ有するマイクロレンズのグループＧ１，Ｇ２，Ｇ３を配置して構成されている。これにより、生体２の異なる３つの層Ｄ２１，Ｄ２２，Ｄ２３において、それぞれ２次元情報を取得することができる。
【００４２】
このように、互いに異なる屈折力を有するマイクロレンズ同士を周期的に配置することにより、生体２が、マイクロレンズアレイ３２に対してどの位置に配置されたとしても、生体２内部の奥行き方向における静脈の形状データを確実に得ることができる。従って、生体２の位置を固定する固定用カップ１１を設ける必要がなくなり、装置全体の薄型化に有利となる。
【００４３】
［第３の実施の形態］
図１１は、本発明の第３の実施の形態に係る生体認証装置において、生体２の静脈パターン取得の際の光路を要部断面図で表したものである。なお、本実施の形態では、上記第１の実施の形態におけるマイクロレンズアレイ１２と生体２との間に、撮像レンズ４１を備えており、さらに画像処理部１４において撮像したデータを所定の手法を用いて処理すること以外は、上記第１の実施の形態と同様の構成を有している。従って、以下では、第１の実施の形態と同様の構成については同一の符号を付し、適宜説明を省略するものとする。
【００４４】
撮像レンズ４１は、生体２を撮像するためのメインレンズとなるものであり、例えば、ビデオカメラやスチルカメラ等で使用される一般的な撮像レンズである。また、マイクロレンズアレイ１２は、上記第１の実施の形態と、同様の構成を有する可変焦点型のマイクロレンズをマトリクス状配置したものであるが、本実施の形態では、撮像レンズ４１の焦点面に配置され、この撮像レンズ４１との組み合わせにより、装置全体の撮像レンズ系を構成する。
【００４５】
画像処理部１４は、撮像素子１３で得られた撮像データに対して所定の画像処理を施し、撮像データＤoutとして出力するものである。具体的には、例えば「Light Field Photography」と呼ばれる手法を用いたリフォーカス（Refocusing）演算処理を行い、これにより任意の視点や方向からの観察画像を再構築できるようになっている。
【００４６】
ここで、図１２（Ａ），図１２（Ｂ）を参照して、画像処理部１４による画像処理の一例（上記リフォーカス演算処理）について詳細に説明する。
【００４７】
まず、図１２（Ａ）に示したように、撮像レンズ４１の撮像レンズ面上において直交座標系（ｕ，ｖ）を、撮像素子１３の撮像面上において直交座標系（ｘ，ｙ）をそれぞれ考え、撮像レンズ４１の撮像レンズ面と撮像素子１３の撮像面との距離をＦとすると、図中に示したような撮像レンズ４１および撮像素子１３を通る光線は、４次元関数ＬF（ｘ，ｙ，ｕ，ｖ）で表されるため、光線の位置情報に加え、光線の進行方向が保持された状態で表される。
【００４８】
そしてこの場合、図１２（Ｂ）に示したように、撮像レンズ面１１０、撮像面１３０およびリフォーカス面１２０間の位置関係を設定（Ｆ’＝αＦとなるようにリフォーカス面１２０を設定）した場合、リフォーカス面１２０上の座標（ｓ，ｔ）の撮像面１３０上における検出強度ＬＦ’は、以下の（１）式のように表される。また、リフォーカス面１２０で得られるイメージＥＦ’（ｓ，ｔ）は、上記検出強度ＬＦ’をレンズ口径に関して積分したものとなるので、以下の（２）式のように表される。したがって、この（２）式からリフォーカス演算を行うことにより、画像処理後の撮像データＤoutに基づいて、任意の視点や方向からの観察画像が再構築されるようになっている。
【００４９】
【数１】
2008217190.tif 000003
【００５０】
上記のような構成において、撮像レンズ４１による生体２の像は、まず、マイクロレンズアレイ１２上に結像する。そして、マイクロレンズアレイ１２への入射光線がこのマイクロレンズアレイ１２を介して撮像素子１３へ到達し、撮像素子駆動部１６による駆動動作に従って、撮像素子１３から撮像データが得られる。このとき、マイクロレンズアレイ１２では、電圧供給部１７から電極１２２，１２４間への電圧供給の有無に応じて液晶層１２３の屈折率が変化し、上述したように、マイクロレンズアレイ１２への入射光線の進行方向が変化して、焦点位置が変化する。
【００５１】
具体的には、制御部１９が、電圧供給部１７による電圧供給がなされるように制御した場合、マイクロレンズアレイ１２への入射光線は、撮像素子１３上に集光される。例えば図１３に示したように、マイクロレンズアレイ１２への入射光線Ｌ１〜Ｌ３は、それぞれの入射方向に応じて、それぞれ撮像素子１３上の異なる位置に集光される。
【００５２】
次に、撮像素子１３で得られた撮像データは、画像処理部１４へ入力する。そして画像処理部１４では、制御部１９の制御に応じて、これらの撮像データに対して所定の画像処理（例えば、前述のリフォーカス演算処理）を施し、これにより撮像データＤoutが出力される。
【００５３】
このようにして本実施の形態では、電圧供給部１７からマイクロレンズアレイ１２内のマイクロレンズに電圧が印加されると、マイクロレンズへの入射光線が屈折され、撮像素子１３上に集光する。これにより、生体２の内部の奥行き情報まで含めた３次元的な形状情報が得られる。さらに、静脈間距離情報等の距離情報や角度情報を取得することができ、また、より自由な視点や方向から画像を再構築することができる。これらを認証要素として用いることで、認証精度をより高めることができる。加えて、認証時の生体２の配置の自由度が高くなり、認証作業をより簡便化することができる。
【００５４】
以上、第１〜第３の実施の形態および変形例を挙げて本発明を説明したが、本発明はこれらの実施の形態等に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。
【００５５】
例えば、上記実施の形態等では、マイクロレンズアレイ１２，２２，３２，４２において、電極１２２，１２４の表面Ｓ１，Ｓ２のうちの表面Ｓ１を曲面とした場合について説明したが、例えば、表面Ｓ２も曲面とし、液晶層１２３の両側が曲面となるようなマイクロレンズとしてもよい。
【００５６】
また、上記実施の形態等では、マイクロレンズが液晶マイクロレンズにより構成されている場合について説明したが、他の構成のマイクロレンズとしてもよく、例えば、２種類の異なる液体層を利用した液体マイクロレンズなどを用いてもよい。
【００５７】
さらに、光源１０は撮像素子１３側からの照射となっているが、光源１０が撮像素子１３とは生体２を挟んで対極側に配置された方式（透過方式）、または生体の長手方向に光源１０を配置した場合に限らず、直行する指の短手方向に光源１０を配置した場合においても、本発明が示す３次元形状データの取得方式は有効である。
【００５８】
また、電圧供給部１７からマイクロレンズアレイ１２内のマイクロレンズへの供給する電圧が比較的大きい場合には、比較的短い焦点距離となる一方、供給する電圧が比較的小さい場合には、比較的長い焦点距離となる場合について説明したが、マイクロレンズアレイ１２の液晶層１２３を構成する液晶材料の種類によっては、逆に、電圧が比較的大きい場合には、比較的長い焦点距離となる一方、供給する電圧が比較的小さい場合には、比較的に短い焦点距離となるような構成とすることも可能である。このように構成した場合でも、上記実施の形態と同様の効果を得ることが可能である。
【００５９】
さらに、上記第３の実施の形態では、画像処理部１４における画像処理方法の一例として、「Light Field Photography」を利用したリフォーカス演算処理について説明したが、画像処理部１４における画像処理方法としてはこれには限られず、他の画像処理方法としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る生体認証装置の全体構成を表すブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る生体認証装置の概略構成を表す斜視図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係るマイクロレンズアレイの構成例を表す拡大断面図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係るマイクロレンズアレイの作用を説明するための断面構成図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態に係る生体の静脈パターン取得時の光路の要部断面図である。
【図６】本発明により得られる３次元形状情報を模式的に表した図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態に係る生体の静脈パターン取得時の光路の要部断面図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態に係るマイクロレンズアレイの構成例を表す拡大断面図である。
【図９】本発明の第２の実施の形態に係るマイクロレンズアレイの構成例を表す拡大断面図である。
【図１０】本発明の変形例に係る生体の静脈パターン取得時の光路の要部断面図である。
【図１１】本発明の第３の実施の形態に係る生体の画像処理モード時の光路の要部断面図である。
【図１２】本発明の第３の実施の形態における画像処理の一例を説明するための図である。
【図１３】本発明の第３の実施の形態における画像処理の一例を説明するための図である。
【図１４】従来の生体認証装置の概略構成を表す断面模式図である。
【符号の説明】
【００６１】
１…生体認証装置、４１…撮像レンズ、１１Ａ…入射瞳径、１１０…撮像レンズ面、１２…マイクロレンズアレイ、１３…撮像素子、１４…画像処理部、１５…パターン保持部、１６…認証部、１７…電圧供給部、１９…制御部、１８１…光源駆動部、１８２…撮像素子駆動部、１２０…リフォーカス面、１２１，１２５，１３１Ａ，１３１Ｂ，１３５Ａ，１３５Ｂ…基板、１２２，１２４，１３２Ａ，１３２Ｂ，１３４Ａ，１３４Ｂ…電極、１２３，１３３Ａ，１３３Ｂ…液晶層、Ｄout…撮像データ、２…生体（撮像対象物）。
【図１】
2008217190.tif 000004
【図２】
2008217190.tif 000005
【図３】
2008217190.tif 000006
【図４】
2008217190.tif 000007
【図５】
2008217190.tif 000008
【図６】
2008217190.tif 000009
【図７】
2008217190.tif 000010
【図８】
2008217190.tif 000011
【図９】
2008217190.tif 000012
【図１０】
2008217190.tif 000013
【図１１】
2008217190.tif 000014
【図１２】
2008217190.tif 000015
【図１３】
2008217190.tif 000016
【図１４】
2008217190.tif 000017
【手続補正書】
【提出日】平成20年2月7日(2008.2.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
生体へ向けて光を照射する光源と、
前記生体からの光を集光すると共に、異なる屈折力を有する複数のマイクロレンズを含むマイクロレンズアレイ部と、
前記マイクロレンズアレイ部で集光された光に基づいて前記生体の複数の層の撮像データを取得する撮像素子と、
前記生体の複数層分の撮像データに基づいて生体の認証を行う認証部とを備えた
ことを特徴とする生体認証装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
また、認証用データの精度（解像度）を高めるために、マイクロ（小径）レンズを複数用いたマイクロレンズアレイ等の複眼光学系を用いた技術が提案されている（例えば、特許文献２，３）。一般に、図１４（Ａ）に示したような構成において解像度を高めるためには、集光レンズ１０１と撮像素子１０２の画素数（同じ画素ピッチであれば大きさ）を増やす必要がある。このため、集光レンズ１０１としては、開口数（ＮＡ）の高いレンズを用いる必要がある。ところが、開口数の高いレンズは、収差が発生し易く、製造コストが高くなるため実用的ではない。これに対し、マイクロレンズアレイを用いた複眼光学系では、マイクロレンズごとに取得した複数のデータに基づいて画像処理を行うことにより、低コストで精度の高い画像を獲得することができる。従って、集光レンズ１０１の代わりにマイクロレンズアレイを用いることで、画像データの精度を高めることができる。
【特許文献１】特開２００６−６８３２８号公報
【特許文献２】特開２００３−２８３９３２号公報
【特許文献３】特開２００５−６９９３６号公報
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
本発明の生体認証装置は、生体へ向けて光を照射する光源と、生体からの光を集光すると共に異なる屈折力を有する複数のマイクロレンズを含むマイクロレンズアレイ部と、このマイクロレンズアレイ部で集光された光に基づいて生体の複数の層の撮像データを取得する撮像素子と、生体の複数層分の撮像データに基づいて生体の認証を行う認証部とを備えたものである。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
本発明の生体認証装置によれば、生体へ向けて光を照射する光源と、生体からの光を集光すると共に異なる屈折力を有する複数のマイクロレンズを含むマイクロレンズアレイ部と、このマイクロレンズアレイ部で集光された光に基づいて生体の複数の層の撮像データを取得する撮像素子と、生体の複数層分の撮像データに基づいて生体の認証を行う認証部とを備えるようにしたので、生体の複数層分の撮像データに基づいて生体の奥行き情報を含めた３次元的な形状情報の構築が可能となり、３次元情報に基づいた生体認証を行うことができる。従って、従来のように２次元情報に基づいて生体認証を行う場合に比べ、認証精度を高くすることができると共に、認証情報の複製が困難となるため、安全性を向上させることが可能となる。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
撮像素子１３は、マイクロレンズアレイ１２からの光を受光して撮像データを取得するものであり、後述する静脈認証時におけるマイクロレンズアレイ１２の焦点面に配置されている。なお、この撮像素子１３は、例えば、マトリクス状に配列された複数のＣＣＤ等により構成される。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２４】
基板１２１，１２５は、それぞれ、例えばガラス基板などの透明基板により構成され、入射光線を透過可能となっている。電極１２２，１２４には、電圧供給部１７から電圧が供給される。これら電極１２２，１２４は、それぞれ、例えばＩＴＯ（Indium Tin Oxide；酸化インジウムスズ）などの透明電極により構成され、基板１２１，１２５と同様に、入射光線を透過可能となっている。電極１２２，１２４の表面Ｓ１，Ｓ２のうち、電極１２２側の表面Ｓ１には、凹状の複数の曲面がマトリクス状に形成され、これにより複数の液晶マイクロレンズを構成するようになっている。液晶層１２３は、例えばネマティック液晶などの液晶材料により構成され、電極１２２，１２４間に印加される電圧に応じて屈折率が変化するようになっている。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２６】
この生体認証装置１では、まず、固定用カップ１１上に生体（例えば、指先）２が置かれると、光源駆動部１８１の駆動動作により光源１０から光Ｌout が射出され、固定用カップ１２の底面側より生体２へ照射される。そして、マイクロレンズアレイ１２内のマイクロレンズ（具体的には、電極１２２，１２４間）には、制御部１９の制御に応じて電圧供給部１７から電圧が印加され、この状態で生体２の撮像がなされることにより、生体２の静脈パターンが取得される。このとき、マイクロレンズへの供給電圧が低いと、それに応じて液晶層１２３の屈折率も小さくなり、その結果、マイクロレンズへの入射光線は、例えば図４中の光線Ｌ１のように、比較的小さな屈折角となるような屈折方向へ屈折され、比較的長い焦点距離（例えば、図４に示した光軸Ｌ０上の焦点位置Ｐ１）で集光される。逆に、マイクロレンズへの供給電圧が高いと、それに応じて液晶層１２３の屈折率も大きくなり、その結果、マイクロレンズへの入射光線は、例えば図４中の光線Ｌ２のように、比較的大きな屈折角となるような屈折方向へ屈折され、比較的短い焦点距離（例えば、図４に示した光軸Ｌ０上の焦点位置Ｐ２）で集光される。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２９】
また、写真用レンズにおけるフィルム上の許容錯乱円径をφとすると、光学系の焦点深度Ｈ（片側）は、式（３）により概算される。一般に、３５ミリフィルムの光学系であればφ＝４０μｍ程度と考えられるので、焦点深度Ｈは、０．２７ｍｍ（ｆ＝１．３）〜０．４８ｍｍ（ｆ＝２．４）の値となる。よって、深さ方向に４ｍｍの３次元画像を得ようとした場合には、マイクロレンズの焦点距離ｆを変化させて５〜８回の画像を取得すれば、許容錯乱円径φの条件を満しつつ、生体２内部の奥行き方向の連続した画像情報を取得することが可能となる。
Ｈ＝φ・ｆ／Ｄ              ……（３）
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５７】
さらに、光源１０は撮像素子１３側からの照射となっているが、光源１０が撮像素子１３とは生体２を挟んで対極側に配置された方式（透過方式）、または生体の長手方向に光源１０を配置した場合に限らず、指の短手方向に光源１０を配置した場合においても、本発明が示す３次元形状データの取得方式は有効である。