(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザー光束を拡げて指腹に照射し、皮下及び内部組織にある血管層から反射した光を、光学系を用いてイメージセンサ上にレーザースペックルとして結像し、レーザースペックルの各画素における受光量の時間変化の速さを表す量を算出し、その数値を２次元マップとして指腹の血流マップを求め、該血流マップを、予め登録されている個人データと比較照合することを特徴とする個人認証方法において、指腹の内部組織まで到達し得る近赤外レーザー光束と、皮下の角質層に吸収され易い可視レーザー光束とを用い、それぞれの反射光により求められる指腹の血流マップを同時又は順次に測定し、得られた２種類の血流マップを、予め登録されている個人データと比較照合することを特徴とする個人認証方法。
【請求項２】
近赤外レーザー光の波長が、約７７０〜１２００ｎｍの範囲にあることを特徴とする請求項１記載の個人認証方法。
【請求項３】
可視レーザー光の波長が、約３８０〜７７０ｎｍの範囲にあることを特徴とする請求項１又は２記載の個人認証方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、指先の血流測定を利用した個人認証方法及び個人認証装置に関し、更に詳しくは、特定波長のレーザー光束を用いて指先の皮下及び内部組織の血流を測定することを特徴とする、個人認証方法及び装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
指紋による個人認証は古くからある目視による方法に代わって、レーザー等を用い、パターンを画像としてコンピュータに入力して解析する様々なシステムが今日まで開発されてきた。指紋を検出するセンサ部分も多数の手法が提案されており、例えば、山と谷の散乱角の違いと全反射条件を組み合わせて、指紋パターンを直接イメージセンサに取り込む光学的方法や、接触面の電荷分布の差を検出する半導体センサを利用して、パターンを抽出する方法も実用化されている。また指先や手のひらの静脈パターンを、近赤外光を利用して抽出して個人認証する方法も提案され、製品化も進んでいる。しかし何れの方法もまだ完全ではなく、偽造との戦いが続いている。
【特許文献１】特開平５−７３６６６号公報
【特許文献２】特開平８−１６７５２号公報
【特許文献３】特開２００３−３３１２６８号公報
【０００３】
一方、レーザーを生体に向けて照射すると、反射散乱光の強度分布は、血球などの移動散乱粒子によって動的なレーザースペックル（ランダムな斑点模様）を形成し、このパターンを、結像面においてイメージセンサで検出し、各画素における模様の時間変化を定量化し、マップ状に表示することで、生体表面近傍の毛細血管の血流分布を画像化できることが知られている。そして、かかる現象を利用して、皮膚の下や眼底の血流マップを測定する技術や装置は、本発明者らによっていくつか提案されている。
【特許文献４】特公平５−２８１３３号公報
【特許文献５】特公平５−２８１３４号公報
【特許文献６】特開平４−２４２６２８号公報
【特許文献７】特開平８−１１２２６２号公報
【特許文献８】特開２００３−１６４４３１号公報
【特許文献９】特開２００３−１８０６４１号公報
【０００４】
本発明者は、血流マップを指紋パターンと結びつけて個人認証に用いるという概念に着想し鋭意研究を進め、皮下血流を測定することによる個人認証方法とその手段について既に提案した。即ち、（１）レーザー光束を拡げて指腹に照射し、皮下にある血管層から反射した光を、光学系を用いてイメージセンサ上にレーザースペックルとして結像する工程、（２）レーザースペックルの各画素における受光量の時間変化の速さを表す量、例えば、平均時間変化率、あるいはイメージセンサの露光時間にしたがって積分された受光量の変動度の逆数を求め、その数値を２次元マップとして指腹の血流マップを得る工程、（３）血流マップとして現れた指紋パターンを、予め登録されている個人データと比較・判定する工程、からなる個人認証方法と、それぞれの工程を実行するための装置を提案した（特許文献１０）。
【特許文献１０】国際公開第２００５／１２２８９６号パンフレット
【０００５】
指紋パターンは静脈パターンより形状が複雑であるため、前記提案は、個人認証の方法・装置としては、かなりの精度での認証が達成できることが分かった。しかしながら、例えば、指紋を薬品などで平滑化し、その上に他人の指紋の凹凸を模した薄いシートを貼り付けるなどのより複雑な犯罪に対しては、なお十分には防止できない可能性がある。そこで、より強力な防犯が必要な用途に対しては、より厳重な個人認証方法・装置の開発が必要である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明者は、前記のような問題点を解決し、更に精度の高い個人認証方法・装置を開発するために研究を続け、特定波長の一つのレーザー光束を、あるいは特定波長の複数の異なるレーザー光束を同時または順次に指先に照射し、反射光に対する重畳的なあるいは複数の血流速マップを求めるという方法・手段を見出したものである。レーザーは波長によって組織深達性が異なり、可視光のような波長が短いものでは、表面に近い血流の分布、即ち、指紋パターンのみが得られるが、近赤外光のような波長の長いものでは組織内部に深く入るため、内部の血流分布を反映した血流マップが得られる。内部の血流分布にも個人差があり、偽造が困難であるため、これを認証データに加えれば、相乗効果によって個人照合精度を向上させられる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、レーザー光束を拡げて指腹に照射し、皮下及び内部組織にある血管層から反射した光を、光学系を用いてイメージセンサ上にレーザースペックルとして結像し、レーザースペックルの各画素における受光量の時間変化の速さを表す量を算出し、その数値を２次元マップとして指腹の血流マップを求め、該血流マップを、予め登録されている個人データと比較照合することを特徴とする個人認証方法において、指腹の内部組織まで到達し得る近赤外レーザー光束を用いることを特徴とするより堅牢な個人認証方法である。
【０００８】
近赤外レーザー光の波長は、約７７０〜１２００ｎｍの範囲にあるのが好ましい。
【０００９】
本発明は、レーザー光束を拡げて指腹に照射し、皮下及び内部組織にある血管層から反射した光を、光学系を用いてイメージセンサ上にレーザースペックルとして結像し、レーザースペックルの各画素における受光量の時間変化の速さを表す量を算出し、その数値を２次元マップとして指腹の血流マップを求め、該血流マップを、予め登録されている個人データと比較照合することを特徴とする個人認証方法において、指腹の内部組織まで到達し得る近赤外レーザー光束と、皮下の角質層に吸収され易い可視レーザー光束とを用い、それぞれの反射光により求められる指腹の血流マップを同時又は順次に測定し、得られた２種類の血流マップを、予め登録されている個人データと比較照合することを特徴とする個人認証方法である。
【００１０】
本発明において、近赤外レーザー光の波長は、約７７０〜１２００ｎｍの範囲にあるのが好ましい。また、可視レーザー光の波長は、約３８０〜７７０ｎｍの範囲にあるのが好ましい。
【００１１】
本発明は、レーザー光束を拡げて指腹に照射する一つ又は二つの照射手段と、多数の画素を有し指腹の下の血管層からの反射光を受光する受光手段と、この受光手段で得られた前記各画素の出力を記憶する記憶手段と、この記憶手段の記憶内容から前記各画素における受光量の時間変化の速さを表す量を演算する演算手段と、前記各画素において得られた演算結果の二次元分布を血流マップとして記憶する第２の記憶手段と、該第２の記憶手段に記憶された血流マップを、予め登録されている個人データと比較・判定する手段、を具備することを特徴とする個人認証装置として具現化される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明者が既に提案した方法（特許文献１０参照）、即ち、生体固有の血流情報を用いて指紋のパターンを描き、得られた２次元パターンを予め登録されている個人データと比較照合する個人認証方法は、模倣や偽造が困難で優れた認証方法であるが、本発明は、かかる方法よりもより強固な認証システムを提供するものである。即ち、請求項１の発明によると、指腹の内部組織まで到達し得る近赤外レーザー光束を用いることによって、指紋パターンに加え、更に、これに重畳して内部組織の血流分布パターンが得られるので、この両方を併用して、予め登録されている個人データと比較照合するより強固な個人認証方法が提供される。また、請求項３の発明によると、指腹の内部組織まで到達し得る近赤外レーザー光束と、皮下の角質層に吸収され易い可視レーザー光束とを用い、それぞれの反射光により求められる指腹の血流マップを同時又は順次に測定することによって２種類の血流マップが得られ、これらを予め登録されている個人データと比較照合する強固な個人認証方法が提供される。そして、請求項６の発明によると、前記方法を実施するための個人認証装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】指腹の皮膚断面を示した説明図である。
【図２】本発明における指紋パターンを示す血流マップの図である。
【図３】本発明における指紋による血流マップとそれに重畳して現れる血流マップのムラの状態を示す図である。
【図４】図３で得られたデータを解析する方法の一例を説明するための図である。
【図５】本発明装置の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００１４】
１  角質層
２  皮下の血管層
３  角質層の山の部分
４  角質層の谷の部分
５  近赤外光半導体レーザー
６  照射光学系
７  指腹
８  レーザースポット
９  結像レンズ
１０  イメージセンサ
１１  解析用パーソナルコンピュータ
１２  ディスプレイ
１３  指腹の血流マップ
１４  可視光半導体レーザー
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
生体情報の中でも血流から得られる情報は、本人が生きた状態でセンサを操作しなければ認証できないという特徴がある。本発明は、レーザー散乱を利用した血流測定技術により、指紋の凹凸等によって空間的に変調された皮下及び内部組織の血流を測定するものであるが、皮下及び内部組織の血流を測定するために、先ず、レーザー光束を拡げて指腹に照射し、皮下及び内部組織にある血管層から反射した光を、光学系を用いてイメージセンサ上にレーザースペックルとして結像する。そして、レーザースペックルをイメージセンサを用いて連続的に走査し、各画素における受光量の時間変化の速さを表す量、例えば、平均時間変化率、あるいはイメージセンサの露光時間にしたがって積分された受光量の変動度の逆数を算出し、得られた数値を２次元マップとして指腹の血流マップを得る。そして、この血流マップを、予め登録されている個人データと比較・照合することによって個人の認証が可能となるものである。【００１６】
本発明のうち一つの方法は、上記個人認証方法において、指腹の内部組織まで到達し得る長波長のレーザー光束、具体的には近赤外レーザー光束を用いて、その反射光により求められる指腹の血流マップを測定し、予め登録されている個人データと比較照合する方法である。そしてもう一つの方法は、近赤外レーザー光束と、それよりも短波長のレーザー光束、具体的には可視レーザー光束を併用し、それぞれの反射光により求められる指腹の血流マップを同時又は順次に測定し、重畳的に得られた２種類の血流マップを、予め登録されている個人データと比較照合する方法である。【００１７】
可視光のような比較的短波長のレーザー光束を拡げて指腹に照射し、光学系を用いて照射スポットをイメージセンサ上に結像し、像面に発生した干渉模様の時間変化を画素ごとに計測して血流速マップを求めると、指の角質層の薄い部分で血流速度が速く表示される現象のために、指紋パターンを抽出することができる。一方、近赤外光のような比較的長波長のレーザー光は、指先の皮下の内部組織の血流値変動を検出できるので、血流値の高い部位の位置関係、あるいは、血流値の経時変化の大きい部位の位置関係を利用して個人認証を行うことができる。本発明の一つは、これら二つの現象を組み合わせてより精度の高い個人認証方法を構築したものである。【００１８】
可視レーザー光束の反射光により求められる指腹の血流マップは、主として、皮下の毛細血管層からの反射光による指紋パターンを反映したものである。可視レーザー光束としては、約３８０〜７７０ｎｍのものが利用可能であるが、約６００〜７００ｎｍのものが好ましく、特に、約６３０〜６５０ｎｍの波長のものが角質層に良く吸収されるので好ましい。【００１９】
近赤外レーザー光束の反射光により求められる指腹の血流マップは、主として、皮下の内部組織にある血管からの反射光による個人に特有な海島様のパターンである。指腹の内部組織まで到達し得る近赤外レーザー光束は、通常、約７７０〜１２００ｎｍのものが用いられるが、約８００〜９００ｎｍのものが好ましく、特に、約８３０〜８５０ｎｍの波長のものがイメージセンサの感度も考慮すると好ましい。【００２０】
以下、図面を用いて本発明の原理を更に詳しく説明する。図１は指腹の皮膚の断面図で、１は角質層、２は皮下の血管層、３は角質層の山の部分、４は角質層の谷の部分を示す。本発明において、例えば、波長６５０ｎｍのレーザーを指腹に照射すると、この波長で図１の指の角質層１の山の部分３でレーザー光が吸収され易く、指紋を形成する角質の凹凸の格子を通して皮下の血流を観察するため、谷４に沿って筋状に高い血流値が得られる。角質層直下の血管層２は、毛細血管の一様な層になっているため、一様な指紋状の血流マップが得られる。これを、二値化処理すると図２のような指紋パターンが得られる。かかる指紋パターンを個人認証に用いる方法は、本発明者が既に提案したところである。【００２１】
一方、波長830nmのレーザーを使った場合は、角質層で余り吸収されずに、レーザー光は皮下の更に深部組織層まで到達した後、反射され表面まで戻ってくる。深部には毛細血管層に血液を供給する細動脈や細静脈の血管があちこちにあるため、そこにレーザー光が当たると、周囲より高い血流値が得られる。このため、得られる血流マップには指紋による血流マップに重畳するように、その個人に特有なムラが観察される。この内部組織の血流分布は、血管のように線で観察されるわけではなく、図３に示したように海島様のムラとして観察される。図３は白黒の図であるので濃淡でしか表現されていないが、実際は、ムラの程度に応じてカラー表示ができる。従って、かかる指紋による血流マップとそれに重畳して現れる血流マップのムラを、個人認証に用いることができる。
【００２２】
請求項１の発明においては、例えば、図３の血流マップを、図４に示したごとく４×４＝１６のゾーンに分け、それぞれの領域の血流値を読み取り、予め登録している本人の各領域における値の分布と照合することにより認証することができる。【００２３】
あるいはまた、１６のゾーンのそれぞれの領域の血流値を読み取り、拍動によって値が上下する度合いを求め、予め登録している本人の各領域における値の上下する度合いと照合することにより認証することもできる。【００２４】
一方、また、前記図２と３の画像を併用して、認証の精度を上げることもでき、これが本発明である。例えば、図３のマップを、図４に示したごとく４×４＝１６のゾーンに分け、各ゾーンの平均血流値を求めて数値を並べると、（４，１）、（４，４）・・・などと順番を付すことができ、これが一つの認証データになる。この各ゾーンについて、例えば、図2の可視レーザーによる指紋データから、縞模様の方位角、分岐点の有無などを解析して、認証作業に組み合わせれば、相乗効果によって認証精度の向上が発揮できる。
【００２５】
あるいはまた、図４のごとく指の血流マップを１６分割などある程度おおまかな領域に分け、それぞれの領域の血流値を読み取り、拍動によって値が上下する度合いを求め、同時に可視レーザー光を使って得た指紋パターンのそれぞれの領域における特徴抽出を行い、両者を組み合わせた情報を、予め登録している本人の各領域における情報と照合することにより認証することもできる。【００２６】
本発明においては、例えば、半導体レーザーなどの小型のレーザー光源から出た光を、光学系を通して拡げ、指腹の広い面積に照射する。この照射スポットを、レンズを通してＣＣＤカメラなどの受光面に結像する。ＣＣＤカメラから得られる映像信号を、Ａ／Ｄ変換してパソコンやマイコンに取り込み、各画素における受光量の時間変化の速さを表す量、例えば、平均時間変化率、あるいはイメージセンサの露光時間にしたがって積分された受光量の変動度の逆数を算出し、必要な場合にはマップ状に表示して、血流マップデータとする。かくして表現される指腹の皮下にある毛細血管の血流のマップには、前述した作用・原理により指紋パターンが浮き出てくる。一方、皮下の深部組織層まで到達したレーザー光は、深部には毛細血管層に血液を供給する細動脈や細静脈の血管があちこちにあるため、そこにレーザー光が当たると、周囲より高い血流値が得られる。このため、得られる血流マップには指紋による血流マップに重畳するように、その個人に特有なムラが観察される。【００２７】
本発明によれば、前記のごとき各工程からなる個人認証方法を実行するための装置が提供される。本発明の装置は、レーザー光束を拡げて指腹に照射する一つ又は二つの照射手段と、多数の画素を有し指腹からの反射光を受光する受光手段と、この受光手段で得られた前記各画素の出力を記憶する記憶手段と、この記憶手段の記憶内容から前記各画素における受光量の時間変化の速さを表す量を演算する演算手段と、前記各画素において得られた演算結果の二次分布を血流マップとして記憶する第２の記憶手段と、この第２の記憶手段に記憶された血流マップを、予め登録されている個人データと比較・判定する手段、を具備することを特徴とする個人認証装置である。近赤外レーザー光束と可視レーザー光束とを同時に照射する場合には、照射手段は二つ必要であるが、順次に照射する場合には又は近赤外レーザー光束のみ照射する場合は一つの照射手段で良い。【００２８】
照射手段としては、例えば、半導体レーザーから出射した光をレンズを通して拡げ、指腹の広い領域を一度に照射する。受光手段としては、ラインセンサやエリアセンサ等のイメージセンサが用いられる。センサからの電気信号は、Ａ／Ｄ変換した後、マイコンやパソコンの記憶部に記憶される。数秒間にわたり連続して画像信号を記憶部に取りこみ、マイコンやパソコンにあらかじめ設定されたプログラムにより、連続する２枚の画像の差を求めて、受光量の時間変化の速さを演算する。または画像のぶれ率、即ちイメージセンサの露光時間内で光量が高速に変化すると、信号が積分され、逆に２画面の差が減少する性質を利用して受光量の時間変化の速さを演算する。演算結果は各画素の配置に従って、パソコンの画面上に二次元のカラーマップとして表示することもできる。演算した値を、あるいは表示手段に表示された血流マップを、予め登録されている個人の血流マップと比較・判定する手段には、従来公知の各種の手段を用いることができる。【００２９】
本発明の方法及び装置には、血流変動の経時変化を測定し、波形の立ち上りの傾きと立ち下りの傾きを検知し、これらの傾きが上りが急峻で、下りが緩いことを検出し、生きている指であることを検知する方法・手段を付加することもできる。また、認証時に指の元を圧迫し次いで開放するという動作によって、指紋パターンが時系列に変化するが、かかる圧迫動作に伴い経時変化する領域の大きさを検知することにより、生体であることを認識することもできる。本発明の方法及び装置には、かかる圧迫機構による生体認証の方法・手段を付加することもできる。
【実施例】
【００３０】
図５は、本発明装置の一例であって、５は近赤外光半導体レーザー、６は照射光学系、７は指腹、８はレーザースポット、９は結像レンズ、１０はイメージセンサ、１１は解析用パーソナルコンピュータ、１２はディスプレイ、１３は指腹の血流マップ、１４は可視光半導体レーザーである。【００３１】
指腹から散乱されたレーザーは、イメージセンサ上にランダムな干渉縞模様（レーザースペックル）を形成し、これをパーソナルコンピュータで解析・処理することによって、２次元マップとして指腹の血流マップが得られる。そして、この血流マップは、図５の１３のようにディスプレイ１２上で観察することができる。【００３２】
近赤外光半導体レーザー５を点灯すると、指の表面から内部に拡散した光が、皮下深部の血管層にも到達し、ディスプレイ上には皮膚内部の血流分布や、その拍動を反映した図３のようなムラのある海島様の血流マップが得られる（カラー化も可能）。このマップを、例えば、図４のように１６個の領域に分け、それぞれの領域の平均血流値や、経時変化の振幅、波形等を求めれば、これは個人に特有のデータとなる。従って、このデータを、予め登録されている個人データと比較・照合することによって個人を認証することができる。【００３３】
また、近赤外光半導体レーザー５と共に可視光半導体レーザー１４を用い、これら2個のレーザーを、例えば、別々に点灯してそれぞれの波長に対する血流マップを取得すれば、個人に特有の血流のムラが重畳した図３のような血流データと、図2のような指紋だけが鮮明に映ったデータの２枚の画像が順次取り出せる。そして、近赤外光半導体レーザーから得られた血流画像内に現れる個人に固有の皮下深部の血流分布やその経時変動の不均一性と、可視光半導体レーザーから得られる指紋パターンを組み合わせて、より堅牢な個人認証システムを構成できる。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明による個人認証システムは、複雑な指紋パターンと生体情報を組み合わせているため、偽造が難しい。この利点を生かして、高度なセキュリティ管理を要求される施設の入退室監視や、出入国管理等に利用できる。
【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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