(57)【要約】【課題】  被写体物からの静電誘導ノイズを低減する。【解決手段】  センサー１１と指１６の間に指からの誘導ノイズを抑制するシールド層を備えている。静電誘導を抑制するシールドは、誘電率の低い部材（誘導ノイズシールド層１４）によって達成される。シールド層に撮像素子表面の保護機能や光学的機能を持たせることでより高機能とする。さらに、シールド層を半導体プロセスの援用により撮像素子上に作り込むことで、追加工をなくし、より簡易かつ低コストを実現する。センサーとして、光電変換素子、静電容量検出素子、又は温度検出素子を用いることができる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被写体物を検出するセンサーと、前記センサーの上方に配置され前記被写体物と接触を行う部材とを有し、
前記部材は、前記被写体物の屈折率よりも高い屈折率で、かつ低誘電率であることを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
請求項１に記載の撮像装置において、前記被写体物は指紋であることを特徴とする撮像装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の撮像装置において、前記センサーは光電変換素子を有することを特徴とする撮像装置。
【請求項４】
請求項１又は２に記載の撮像装置において、前記センサーは静電容量検出素子を有することを特徴とする撮像装置。
【請求項５】
請求項１又は２に記載の撮像装置において、前記センサーは温度検出素子を有することを特徴とする撮像装置。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項に記載の撮像装置において、前記部材は、前記センサーとは絶縁物を介して貼り合わされていることを特徴とする撮像装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の撮像装置において、前記部材はポリメチルメタクリレート、ポリテトラフルオロエチレン−パーフルオロジオキソールコポリマー、ボラジン−ケイ素ポリマー、のいずれかから成ることを特徴とする撮像装置。
【請求項８】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の撮像装置において、前記部材は透明磁性体からなることを特徴とする撮像装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の撮像装置において、前記部材上に保護膜を有していることを特徴とする撮像装置。
【請求項１０】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の撮像装置であって、前記部材が撮像素子表面の保護部材を兼ねることを特徴とする撮像装置。
【請求項１１】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の撮像装置であって、前記部材が特定の波長帯の光を遮断する光学フィルター特性を有することを特徴とする撮像装置。
【請求項１２】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の撮像装置であって、前記部材がレンズ機能を有することを特徴とする撮像装置。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれか１項に記載の撮像装置を指紋入力装置として用い、該撮像装置により読み取られた指紋画像を識別情報として予め登録する指紋登録手段と、
前記撮像装置により読み取られた指紋画像と前記指紋登録手段の登録指紋画像とが一致するか否かを照合する指紋照合手段と、備えたことを特徴とする指紋認証装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撮像面と被写体物とが接触する撮像装置及び指紋認証装置に係り、特に、被写体物が近接することによって生じる誘導ノイズを低減することが可能な撮像装置及び指紋認証装置に関わる。
【背景技術】
【０００２】
センサーが受けるノイズの一つの要因として、高周波で駆動するＣＰＵや撮像装置と併用される機器からの放射による電磁誘導ノイズがある。このノイズの対策として、従来は、併用機器とセンサーの間に固定電位に接続された高透磁率の物体（通常は金属体）で遮蔽する、長いケーブル類を束ねて不要輻射を抑制するといったことを行っていた。なお、特許文献１にはセンサーとノイズ源である併用機器との間に電磁シールド層を設け、しかもそのシールド層はセンサーへの入射光を低下させることないように最適化された発明も開示されている。
【０００３】
一方で、センサーが外部から受けるノイズとして、電磁誘導ノイズ以外に静電誘導によるノイズがある。このノイズはセンサーの検知部とノイズ源との間のキャパシタンスＣｐを介して伝播するもので、そのキャパシタンス量が大きいほどノイズの伝播量大きくなる。ところで、ある物質Ａと物質Ｂとの間にできるキャパシタンスの大きさは、電磁気学の理論から、物質Ａと物質Ｂおよび物質ＡＢ間を埋める物質の誘電率に比例し、物質ＡＢ間の距離に反比例する。そのため、一般的な検出装置のように、センサーと被写体物との間には充分な距離がありしかも誘電率が高くない空気で満たされている場合には、静電誘導によるノイズの影響は無視していいほど小さくなり、対策も必要とされなかった。
【０００４】
しかしながら、近年セキュリティ分野でその必要性が注目されている指紋認証装置や、製品管理や商品管理に用いられるバーコードシステムなどの装置においては、被写体物をセンサーに近接する必要があり、このとき被写体が電気的なノイズを有すると、静電誘導によってセンサー性能が著しく低下するという問題が生じることがあった。とくに指紋認証装置においては、この問題が顕著に現れる。というのも、一般的には認識されていないが、人体はＰＣモニターなどの電気機器の影響で数十ｍＶから十数Ｖ程度の電位変動を受けることがあり、電気的なノイズを有する状態になりやすいからである。
【０００５】
例えば、特許文献２に開示されている指紋入力装置は、レンズやプリズムあるいは光ファイバなどの光学部材を使用せず、それでいてコントラストの強い指紋パターンを撮像することが可能な装置を提供するために、センサー上に載置される薄板の設計指針を屈折率１．４以上５以下とし、厚さを１００μｍ以下であるようにしている。この発明の場合、薄板の厚みは限りなく０に近いほうがコントラストの観点では優れている。
【特許文献１】特開平０７−０３８７８９号
【特許文献２】特開２００３−６６２７号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献２において、厚みを薄くすることでより静電誘導を受けやすくなることは前述の説明から明白である。加えて、電磁気学の理論から物質の屈折率ｎはｎ＝√（εrμr）（εr：比誘電率、μr：比透磁率）の式であたえられるため、屈折率のみに注目して薄板の部材を選択すると、比誘電率が高い物質が選ばれる場合があり、さらに静電誘導の影響を受けやすくなってしまうこともある。
【０００７】
本発明は前述の問題点を省みてなされたものであり、静電誘導ノイズによるセンサー性能の低下を抑制することを目的する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この目的を達成するために、本発明の撮像装置は、被写体物を検出するセンサーと、前記センサーの上方に配置され前記被写体物と接触を行う部材とを有し、前記部材は、前記被写体物の屈折率よりも高い屈折率で、かつ低誘電率であることを特徴とする。
【０００９】
本発明はセンサーと被写体物の間に被写体物からの誘導ノイズを抑制するシールド層を備えている。ここで、静電誘導を抑制するシールドは、固定電位に接続された低抵抗部材、あるいは誘電率の低い部材によって達成される。本発明では誘電率の低い部材を用いることでシールドを行っている。
【００１０】
また、シールドに撮像素子表面の保護機能や光学的機能を持たせることでより高機能な撮像装置を提供している。さらには、前記シールド層を半導体プロセスの援用により撮像素子上に作り込むことで、追加工をなくし、より簡易かつ低コストを実現している。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、センサー面上に被写体物が近接する撮像装置において、被写体物からの静電誘導ノイズを効果的に除去することができる。
【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として、超薄型の透過光型指紋認証装置に用いられる指紋入力部（撮像装置）を例に説明する。
【００１３】
（実施形態）
図１は本発明の実施形態を用いた指紋認証装置の指紋入力部の断面模式図である。指紋入力部は、指紋の凹凸に応じた光の強弱を２次元的に検出する２次元イメージセンサー１１、貼り合わせ樹脂１２、保護膜１３、および誘電ノイズシールド層１４、光源１５で構成されており、指紋認証の際にはユーザーは指１６を誘電ノイズシールド層１４に接するようになっている。このとき、指紋稜線部１７は直に誘電ノイズシールド層１４に接するが、指紋谷部１８と誘電ノイズシールド層１４との間には空気層１９が介在している。
【００１４】
なお、以下では２次元イメージセンサー１１としてＣＭＯＳセンサー、ＣＣＤセンサー、あるいはアモルファスセンサーを用いた場合を例として説明しており、２次元イメージセンサー１１を構成する受光素子の配置間隔は指紋稜線部１７と指紋谷部１８の間隔の半分以下で指紋撮像には充分な解像度を有しているものとする。また、図には明記していないが、指紋認証装置を構成する上で必要となる画像処理部や指紋パターン照合部については、一般に用いられているもの適用することができる。なお指紋認証装置の構成については後述する。
【００１５】
指紋認証装置の指紋撮像の原理を以下において説明する。指紋を撮像する場合は、既述の通りユーザーは指を誘電ノイズシールド層１４に接触させる。その状態で光源１５から指に向かって光を照射すると、光は一旦指内部に浸透し、内部で拡散して一部が指腹部から放出されるので、この光を最終的に２次元イメージセンサー１１で検出して指紋画像を得るようになっている。
【００１６】
このとき、指紋谷部１８から放出される内部拡散光は、指１６と空気層１９の屈折率の違い（指：ｎ＝約１．４、空気：ｎ＝１．０００２）から、それらの界面において反射を生じ、一部は再び指内部に戻っていく。そのため空気層１９に放射される実効的な光は、指表面まで到達した内部拡散光よりも少なくなる。加えて、空気層１９と誘電ノイズシールド層１４との界面においても同様の光の散乱が生じるため、誘電ノイズシールド層１４に入射する光量はさらに少なくなる。
【００１７】
一方、指紋稜線部１７においては、誘電ノイズシールド層１４の屈折率が空気のそれ以上であれば、指表面と誘電ノイズシールド層１４との界面での反射が指紋谷部１８より少なくなる。そのため、指紋稜線部１７と指紋谷部１８とでは、２次元イメージセンサー１１が受光する光の量に差が生じ、指紋の凹凸に応じたパターンを撮像することができる。誘電ノイズシールド層１４の屈折率が空気のそれ以上でなくてはならないという点については、屈折率が真空中の光の速度と物質中の光の速度との比であることを考えれば、気体よりも液体や固体の方が物質の密度が高いため光の速度が遅くなる（したがって屈折率が高くなる）ので、容易に条件を満たすことが可能である。
【００１８】
ところで、この指紋撮像原理に基づけば、指紋稜線部１７と指紋谷部１８とのコントラストの観点から、指１６と接する材質の屈折率は指１６の屈折率と同程度かそれ以上であることが望ましい。このことに関しては特許文献２に開示されている発明に詳しい設計の指針が述べられており、それに従えば、２次元イメージセンサー１１の上に形成される層が単層の場合はその材質の屈折率は１．４以上５以下で厚さが１００μｍ以下であることが良いとされている。しかし、単に屈折率のみに着目したこの条件にしたがって材質を選択すると、例えば単結晶シリコンは屈折率が３．４４８と高く、また半導体プロセスの援用によって薄板化も容易であるためコストパフォーマンスも優れているのであるが、比誘電率εrが１１．８と非常に大きいので、後述するように、２次元イメージセンサー１１上に載置する材質として単体で使用するには、静電誘導ノイズの影響を受け易くなる。この静電誘導ノイズに対する耐性を考慮すると、２次元イメージセンサー１１上に載置される層は、光学的な観点から高屈折率であり、且、ノイズ耐性の観点から誘電率が低い材質が有効である。このような性質の材質として、ポリメチルメタクリレート、ポリテトラフルオロエチレン−パーフルオロジオキソールコポリマー、ボラジン−ケイ素ポリマーなどを用いることができる。
【００１９】
なお、光電磁気学から、屈折率ｎはｎ＝√（εrμr）（εr：比誘電率、μr：比透磁率）であたえられるので、高屈折率かつ低誘電率の材質つまり高透磁率の材質として、現在盛んに研究が進められている透明磁性体にも大いに期待することができる。高透磁率の材質であることは、同時に電磁誘導ノイズに対する耐性も強くなるということである。
【００２０】
さて、説明を先送りにしていた静電誘導ノイズについてここに述べる。一般に、電子機器を使用するユーザー自身の電気的な状態について考えるときには、まず、衣服などがこすれることによって静電気が生じ、そのために人体が高電位に帯電している状態が注目される。このように人体電位が高い状態で電子機器に触れることは、特に高密度に集積された半導体デバイスに重大な静電破壊を与えることにつながるので、人体に溜まった静電気を効率よく逃がす工夫は別途必要となる。実際に、静電容量タイプの指紋認識装置は従来から静電耐圧が低いという問題があり、これを改善する様々な工夫が数多く提案されている。しかし、このことは本発明の目的と別のものであるためここでは詳しくは説明しない。
【００２１】
むしろこのことから明らかであるように通常人体は大地から絶縁されているおり、電荷の移動がない点に注目すると、ユーザーは周囲の交流電気、例えば家庭用の電源１００Ｖ‐５０Ｈｚ／６０ＨｚやＰＣモニター、ＴＶといった電気機器、の影響で電気的に揺らいでいると理解することができる。そのため、実際のユーザーは、静電気によるＤＣ的な電圧と、周辺環境によるノイズ電圧Ｖｎを持つものとして電気的にモデル化される。このノイズ電圧Ｖｎの大きさは、ユーザーの置かれている環境によって大きく変化するが、通常屋内では数十ｍＶから数Ｖ程度である。さて、このような電気的状態にあるユーザーが、本発明の指紋認証装置のように適切な処置がとられていない超薄型の指紋認証装置を使用する場合を、図８、図９に示す模式図を用いて説明する。図８において、Ｖｎはユーザーが周囲環境により受けるノイズ電圧、Ｃｐは貼り合わせ樹脂９２と保護膜９３を誘電物質として指９６と２次元イメージセンサー９１の信号伝送路との間にできる静電容量、Ｃｓは前述の２次元イメージセンサー９１の信号伝送路とＧＮＤとの間にできる寄生容量である。なお、指９６に向かって照射する光源の表記は省略している。
【００２２】
保護膜９３として、単結晶シリコンを用いると、前述の通り単結晶シリコンの屈折率はｎ＝３．４４８、比誘電率はεｒ＝１１．８である。実使用上の強度を保つことと指紋コントラスト性能の点から保護膜９３の厚さは１００μｍで、２次元イメージセンサー９１とほぼ同じ面積の１．５ｃｍ×２．０ｃｍの大きさを持っている。また、貼り合わせ樹脂９２は比誘電率３．８、厚さは２０μｍである。一方、２次元イメージセンサー９１の信号伝送路は、配線幅６．０μｍ、配線長２３５００μｍで、ＧＮＤとの間にできる寄生容量Ｃｓ＝９．６ｐＦをもっている。これらの条件に加えて、２次元イメージセンサー９１の信号伝送路と、保護膜９３の空間的な相対位置を考慮してシミュレーションを行うと、Ｃｐは１．４９ｐＦになる。
【００２３】
図９は図８を電気的な等価回路として示したもので、ここから明らかなように、ノイズ電圧Ｖｎの２次元イメージセンサー９１への実質の伝播量ＶｓｎはＣｐとＣｓの容量分割比（Ｃｐ／（Ｃｐ＋Ｃｓ））Ｖｎで求められ、上記得られている値を使用してＶｓｎを算出すると、ノイズ電圧Ｖｎが例えば１Ｖp-pであればＶｓｎは１３４ｍＶp-pにもおよぶ。
【００２４】
この様な場合でも、指紋のコントラストが相対的にＶｓｎより充分大きければ指紋認証は可能であるが、非常に高価な特殊ファイバーを使用しない限り、そのようにコントラストの大きな指紋を撮像することは困難なので、改善が望まれる。
【００２５】
これに対し、本発明の実施の形態を用いた指紋認証装置では、前述の図１に示すように２次元イメージセンサー１１と被写体物（指１６）の間に高屈折率かつ低誘電率の材質を適切に載置したことで、指１６と２次元イメージセンサー１１の間にできる静電容量Ｃｐを小さくすることができる。そのため、前述の容量分割比の式（Ｃｐ／（Ｃｐ＋Ｃｓ））Ｖｎから求められるノイズ伝播量も指紋認証に影響のない程度まで充分小さくすることができ、これによってユーザーの周囲環境に影響されず指紋認証可能な超薄型の指紋認証装置を提供している。
【００２６】
ところで、ここまでの説明では誘導ノイズシールド層１４の載置する場所は、指紋入力部の最表面の指１６と接する面であった。しかし、本発明の誘電ノイズシールドの原理に立ち返って見れば、高屈折率かつ低誘電率の材質であることが重要で、２次元イメージセンサー１１と被写体物との間であればその載置層については限定されない。
【００２７】
また、保護膜１３の材質自体が指紋認証に充分な高屈折率と低誘電率を有する場合には、誘電ノイズシールド層を兼ねることも可能である。同様に貼り合わせ樹脂１２の材質自体が指紋認証に充分な高屈折率と低誘電率を有する場合には、誘電ノイズシールド層を兼ねることが可能である。さらに、仮に光学フィルターや光学レンズを必要とする場合で、それらの材質が指紋認証に充分な高屈折率と低誘電率を有する場合には、同じように誘電ノイズシールド層を兼ねることことが可能である。
【００２８】
そのため、本実施形態の指紋認証装置には、各層の載置の仕方によって、図２〜図７に示すように様々なバリエーション（変形例）を考えることが出来る。ただし、各層の屈折率の違いに拠って、それぞれの界面で屈折、反射が生じる為、２次元イメージセンサーへの導光効率をかんがえるならば、各層の、材質、膜厚、載置順序について充分考察される必要がある。
【００２９】
また、半導体プロセスの援用によって、同様の高屈折率かつ低誘電率の層を２次元イメージセンサー上に形成することが可能である。このとき、誘導ノイズシールド層をレンズ形状に成形することでマイクロレンズとしての機能を付加することも可能である。これによって指紋認証装置の低価格化、高機能化が達成される。
【００３０】
図２に示す変形例は、２次元イメージセンサー３１上に、貼り合わせ樹脂３２を介して誘導ノイズシールド層３４、さらに貼り合わせ樹脂３５を介して保護膜３３を設けた構成である。図３に示す変形例は、２次元イメージセンサー４１上に、貼り合わせ樹脂４２を介して高屈折率で低誘電率の保護膜４３を設けた構成である。図４に示す変形例は、２次元イメージセンサー５１上に、高屈折率で低誘電率の貼り合わせ樹脂５２を介して保護膜５３を設けた構成である。図５に示す変形例は、２次元イメージセンサー６１上に、貼り合わせ樹脂６２を介して保護膜６３を設け、さらに高屈折率で低誘電率のカラーフィルタ６４を設けた構成である。図６に示す変形例は、２次元イメージセンサー７１上に、半導体プロセスを援用して、高屈折率で低誘電率のマイクロレンズ７２を積層した構成である。図７に示す変形例は、２次元イメージセンサー８１上に、半導体プロセスを援用して、高屈折率で低誘電率のカラーフィルタ８２を積層した構成である。
【００３１】
以上説明した実施形態では、センサーが光電変換素子である例を取り上げたが、センサーは静電容量検出素子や温度検出素子であってもよい。また、被写体物は指に限られず、接触して像を検出可能なものであればよい。
【００３２】
図１０は、本発明による指紋入力部（撮像装置）を有する指紋認証装置の模式的な構成を示すブロック図である。
【００３３】
図１０において、３はＣＭＯＳ型，ＣＣＤなどの２次元イメージセンサーを有する本発明に係わる撮像装置（指紋入力装置）、４は照明用の光源（光照射手段）としてのＬＥＤである。１は撮像装置３から信号線を通じて伝送された画像信号の処理を行うとともに、撮像装置３，ＬＥＤ４の制御を行う画像処理部、２は指紋認証装置本体の動作を制御するマイコン部である。
【００３４】
マイコン部２において、２０１は画像信号の脈動による変化分の有無に基づいて認証対象が人の指であるかを検出する脈動検出部、２０２は画像信号から指紋のしわの端などの特徴点を抽出する特徴点抽出部、２０４は脈動検出部２０１で画像信号が人の指紋であると検出したことをトリガとして特徴点抽出部２０２で抽出された特徴点の位置と、撮像装置により読みとられた指紋画像を予め登録してある指紋データベース２０３内の指紋とを照合する照合部、２０５は照合部２０４の照合結果をインターネットなどのネットワークを介してホストコンピュータなどに送る通信部、２０６は特徴点抽出部２０２で特徴点の抽出が十分に行えなかったときにＬＥＤ４の光量や撮像装置３のアンプゲインを全体的に制御してダイナミックレンジ内に適切に入るように調整する切換部である。
【００３５】
また、２０７がシェーディングの影響を軽減して、階調性などの精度を高めるために、２次元的に配列されたエリアセンサの面内での露光量を制御するための光源制御部（制御手段）である。
【００３６】
ここでのシェーディングとは、光源や光学系による照明状況および撮像素子の感度むらや被写体の形状や反射率等に起因する明時シェーディングをさしている。本実施形態のような指紋認識装置の場合は、光源の配置と指の形状に特有な明時シェーディングが存在する。さらに、この光量むらは、昼間の明るい外光下と、夜間や室内でのＬＥＤからの光のみの場合では、照明環境に起因して変化する。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明においては、被写体物からの静電誘導ノイズを効果的に除去することができることにより、撮像面と被写体物とが接触する撮像装置、例えば撮像面と生体物（例えば指）とが接触する、指紋入力装置等の生体情報入力装置、それを用いた指紋認識装置等の生体情報認識装置等の用途に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施形態の指紋入力部の断面模式図である。
【図２】本発明の実施形態の変形例の一つを示す図である。
【図３】本発明の実施形態の変形例の一つを示す図である。
【図４】本発明の実施形態の変形例の一つを示す図である。
【図５】本発明の実施形態の変形例の一つを示す図である。
【図６】本発明の実施形態の変形例の一つを示す図である。
【図７】本発明の実施形態の変形例の一つを示す図である。
【図８】静電誘導ノイズの説明図である。
【図９】静電誘導ノイズの説明図である。
【図１０】本発明による指紋入力部（撮像装置）を有する指紋認証装置の模式的な構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００３９】
１１，３１，４１，５１，６１，７１，８１  ２次元イメージセンサー
１２，３２，３５，４２，６２  貼り合わせ樹脂
１３，３３，５３，６３  保護膜
１４，３４  誘電ノイズシールド層
１５，  光源
１６，  指
１７  指の指紋稜線部
１８  指の指紋谷部
１９  誘電ノイズシールド層と指紋谷部との間の空気層
４３  保護膜（高屈折率かつ低誘電率）
５２  貼り合わせ樹脂（高屈折率かつ低誘電率）
６４  カラーフィルタ（高屈折率かつ低誘電率）
７２  マイクロレンズ（高屈折率かつ低誘電率）
８２  カラーフィルタ（高屈折率かつ低誘電率）
９１  誘電ノイズ対策のない指紋入力部の２次元イメージセンサー
９２  誘電ノイズ対策のない指紋入力部の貼り合わせ樹脂
９３  誘電ノイズ対策のない指紋入力部の保護膜
９６  指
Ｖｎ  ユーザーのもつ人体ノイズ
Ｃｐ  貼り合わせ樹脂と保護膜を誘電体とする静電容量
Ｃｓ  ２次元イメージセンサーの信号伝送路の持つ寄生容量
Ｖｓｎ  Ｖｎの伝播ノイズ
【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８】
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【図９】
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【図１０】
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