(57)【要約】      （修正有）【課題】指紋パターンを識別するために指紋に対応した光の反射および透過の組み合わせを用いた指紋識別組立体を提供する。【解決手段】指紋識別組立体は、第１のレンズと、第２のレンズと、前記第１のレンズおよび前記第２のレンズに一体化された第３のレンズとを有する積層レンズを含み、前記第１のレンズ、前記第２のレンズおよび前記第３のレンズのそれぞれは、それを覆う誘電体膜を有する。少なくとも１つの発光体が前記積層レンズの下部に位置し、センサーが、前記積層レンズ上部の指紋の像を受けるために前記積層レンズの下に位置する。前記積層レンズの前記誘電体膜により、前記少なくとも１つの発光体からの光は前記積層レンズ上の指紋により部分的に反射し、かつ前記センサーに受けられるように前記第２のレンズおよび前記第３のレンズを部分的に透過する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のレンズ、第２のレンズ、前記第１のレンズおよび前記第２のレンズに一体化された第３のレンズを有する積層レンズと、該積層レンズの下部に位置する少なくとも１つの発光体と、前記積層レンズ上部の指紋の像を受けるために前記積層レンズの下に位置するセンサーとを含み、前記第１のレンズ、前記第２のレンズおよび前記第３のレンズのそれぞれは、それを覆う薄膜を有し、前記積層レンズの前記薄膜により、前記少なくとも１つの発光体からの光は前記積層レンズ上の指紋により部分的に反射し、かつ前記センサーに受けられるように前記第２のレンズおよび前記第３のレンズを部分的に透過する、指紋識別組立体。
【請求項２】
前記第１のレンズは平坦な上面を有する、請求項１に記載の指紋識別組立体。
【請求項３】
前記第１のレンズは凹形の上面を有する、請求項１に記載の指紋識別組立体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は指紋識別組立体、特に、第１のレンズと、第２のレンズと、前記第１のレンズおよび前記第２のレンズに合わされた、すなわち一体化された第３のレンズとを有する指紋識別組立体であって、前記指紋識別組立体の前記第１のレンズ上部の指紋パターンに対応した光の反射および透過の組み合わせによって、前記指紋識別組立体のセンサーで感知される指紋の像の焦点を合わせることができる指紋識別組立体に関する。
【背景技術】
【０００２】
指紋による本人確認は、おそらく個人を特定する最も古くかつ最も確立された方法の1つである。それは、バイオメトリクス、すなわち身体の一部を測定したり感知することによって人を特定する分野に属し、様々な応用にとって重要である。掌紋の読み取り、指の毛穴の読み取り、掌の形の識別および虹彩、網膜または顔の認識を含む多くの自動化された技術が、現在、使用されまたは開発中である。これらのうち、指紋による本人確認はかなり容易であり、制限されたエリアまたは情報にアクセスするための入力されたパスワード、キーまたは署名に代わる便利で安全な手段であるのでより広く受け入れられることが見込まれる。
【０００３】
基本的に、識別作業は、指紋パターンの断片に基づく未知の人の識別の決定、または特定の指紋パターンに基づく確実なレベルでの既知の人の識別の確認を伴う。指紋の特徴の正確な識別には、普遍的に必要なこと、すなわち異なる機械がその特徴を認識できることが望まれる。他方、多くの状況において、識別は必ずしも普遍的である必要はなく、明確な解像のみを必要とする。人の指先は、深さが約０．１ｍｍで周期が約０．５〜１．０ｍｍの曲線状の隆線の特有のパターンを有する。指の組織は赤色光を約５０％の拡散反射率で散乱させ、指の屈折率は約１．５１である。普遍的な識別の必要性から識別のためのより多くの特徴と指の配置の誤差についてのより広い許容範囲とを与えるために、歪みを最小にした極力広い視野を有することが望ましい。他方、指紋が識別される接触台では指紋の有効な大きさは約１０ｍｍであるが、例えば携帯電話に適用するためには、システムの大きさは１０ｍｍよりも小さくしなければならない。多くの種類の指紋再編成装置が開発されている。これらは主として最初に隆線のパターンを記録し、次にソフトウェアが隆線の端や分岐（「マニューシャ（ｍｉｎｕｔｉａｅ）」と呼ばれる）のような特徴の座標および種類を抽出する。ソフトウェアで歪みを修正することはできるが、像のぼけは取り除くことが困難である。また、隆線には、解像がより困難であるが、識別のためのより詳細な情報を提供するのに使用することができる小さい毛穴の列がある。Ｍ．Ｉｗａｎａｇａによる米国特許出願第２００２／００３８９２号は、携帯電話用の空中での指紋撮像の新規の方法を提案した。しかし、指が空中にあるために、隆線は局所的な光源からの光の鏡面反射によって見ることができるが、像コントラストは、指が撮像面に完全に接触していないため、潜在的な散乱と指の傾きとにより制限を受ける。指の丸い形状は容認できない歪みを引き起こすことがある。対照的に、接触方式を用いるとき、ユーザは指先を接触台の表面にぴったり付け、隆線および谷はこれらの高さの差で区別できる。接触方式を用いる識別が広く使用されている。静電容量の変化を測定する電子センサーと、透明なプラテンまたは窓に押し付けられた指を見る光センサーとがある。光接触センサーは、ＣＣＤやＣＭＯＳのセンサーアレイのようなセンサーの鏡面反射率の変化を記録する。前記光接触センサーの画素サイズは５ミクロンまで小さくすることができ、前記光接触センサーは、十分な解像能力のための適当な画素数を用いてかなり小さくすることができる。
【０００４】
ほとんどの指紋識別装置は明視野装置である。すなわち、これらは明るい背景に暗い指紋の隆線パターンを生じさせる。容認できるコントラストで指紋の像を生じさせるためには、均一な明るい背景を作るのに追加の光学部品が必要となる。追加の光学部品が必要となることから、小型の明視野装置を作るのは困難である。１９９９年５月４日に特許された、名称が「指紋感知に使用されるレンズ系」のＢｅｔｅｎｓｋｙによる発明に関する特許文献１は、第３の円柱レンズに組み合わされた第１および第２のレンズが光学歪みの低減のために用いられたレンズ系を記載する。しかし、円柱レンズを使用する手法は追加部品を必要とし、対称でないことによってレンズ配置の余分な自由度を扱う調整過程で不具合が生じるため、レンズ系の調整を本質的に複雑にする。キーボード用のもののような小型の指紋識別装置の必要性を考慮して、Ｃｌａｒｋ等は、２００３年１１月に特許された発明に関する特許文献２で、焦点レンズ系および暗視野照明を備えるコンパクトな指紋識別装置を示す。
【特許文献１】米国特許第５，９００，９９３号公報
【特許文献２】米国特許第６，６４３，３９０号公報
【０００５】
民生用機器への新たな応用で必要とされるのは、歪みを最小にした適当な結像性能を有し、かつ携帯電話、超薄型の電子装置または個人の所持品のような小さな区画での使用に適合させることができ、かつ生産を容易にするために最小限の数量の部品を含む小型の指紋識別装置である。
【０００６】
小型の指紋撮像装置にとって非常に困難なことは、システムをかなり小さくしなければならないということであるが、物体の大きさおよびセンサーの大きさは全然小さくない。つまり、有効な視野は像空間および物体空間の両方で大きくなる。レンズの設計でこの困難を取り除くための１つの方法は、有効な光路の合計長さを増やすことができるように部分反射系を利用することである。このようなシステムは、結像光学系または接眼レンズ光学系としての使用を目的として、１９９７年にＴｏｇｉｎｏ等により共心光学系という名称で発明された（特許文献３参照）。Ｔｏｇｉｎｏ等は、共心光学系が、約９０°までの視界角でかつ約１０ｍｍまでの瞳孔の直径で実質的に色収差を生じることなく明確な結像が可能であることを示した。しかし、指紋撮像装置は、物体がレンズから離れているかまたはレンズから無限に離れた位置にあるというＴｏｇｉｎｏ等の主張と違い、厳密には有限の共役の配置（a finite-conjugate system configuration）を必要とする。
【特許文献３】米国特許第５，６４４，４３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記の欠点を克服するために、改良された小型の指紋識別組立体を提供するものである。
【０００８】
本発明の主な目的は、指紋パターンを識別するために指紋に対応した光の反射および透過の組み合わせを用いた指紋識別組立体を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の１つの側面において、前記指紋識別組立体は、第１のレンズと、第２のレンズと、前記第１のレンズおよび前記第２のレンズに一体化された第３のレンズとを有する。さらに、少なくとも１つの光源が、積層レンズに光を投射するために前記積層レンズの下に位置し、センサーが、反射された指紋の像を受けるために前記積層レンズの下に備えられる。
【００１０】
本発明の他の目的、利点および新規な特徴は、添付の図面に関しての以下の詳細な説明からより明らかになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明における共心光学系の実施例１ないし３を、図面を参照して以下に説明する。実施用の物体の高さは６ｍｍ、よって物体の大きさは１２ｍｍである。Ｆナンバーは３．５である。発光体の光源の波長は７２０ｎｍである。
【実施例１】
【００１２】
図５を参照して、本発明の実施例１を以下に説明する。レンズヘッドは２つの異なる材料で形成され、第１の材料はプラスチック材料（アクリル）であり、第２の材料はガラス（ＢＫ７）である。レンズの規格を表１に示す。本実施例においてレンズの表面は全て球面である。図６、７Ａ、７Ｂ、８Ａ、８Ｂは、それぞれ本実施例の収差、ＭＴＦ、ディストーションおよびスポットダイアグラムを示す。
【００１３】
【表１】
2007072942.tif 000003
【実施例２】
【００１４】
図９を参照して、本発明の実施例２を以下に説明する。レンズヘッドは２つの異なる材料で形成され、第１の材料はプラスチック材料（アクリル）であり、第２の材料はガラス（ＢＫ７）である。レンズの規格を表２に示す。本実施例のレンズの合計厚さは１０ｍｍ以内に減らされている。本実施例においてレンズの表面は全て球面である。図１０、１１Ａ、１１Ｂ、１２Ａ、１２Ｂは、それぞれ本実施例の収差、ＭＴＦ、ディストーションおよびスポットダイアグラムを示す。
【００１５】
【表２】
2007072942.tif 000004
【００１６】
図１３を参照して、本発明の実施例３を以下に説明する。レンズヘッドは２つの異なる材料で形成され、第１の材料はプラスチック材料（アクリル）であり、第２の材料はガラス（ＢＫ７）である。レンズの規格を表３に示す。本実施例のレンズの合計厚さは１０ｍｍ以内に減らされている。本実施例においてレンズの第２の表面は非球面である。非表面のサグ方程式を以下に示す。
【００１７】
【数１】
2007072942.tif 000005
【００１８】
ここで、ｃは表面の曲率（ｃ＝１／ｒ、ｒは曲率半径）であり、ｙは軸からの半径方向の距離であり、ｋは円錐定数であり、ＡＤ、ＡＥ、ＡＦおよびＡＧは、第４次、第６次、第８次および第１０次の変形係数である。図１４、１５Ａ、１５Ｂ、１６Ａ、１６Ｂは、それぞれ本実施例の収差、ＭＴＦ、ディストーションおよびスポットダイアグラムを示す。本実施例においてレンズの表面１、３の非球面係数は、ＡＤ＝−０．００４８１３、ＡＥ＝０．００３４８１、ＡＦ＝＋９．６９８Ｘ１０−５である。円錐定数ｋおよび非球面係数ＡＧは０である。
【００１９】
【表３】
2007072942.tif 000006
【００２０】
図５はレンズヘッドの好ましい実施例を示す。図６は、図５に示したレンズヘッドの典型的な収差の性質を示す。図７Ａ、７Ｂは、図５に示したレンズヘッドの典型的なＭＴＦの性能を示す。図８Ａ、８Ｂは、図５に示したレンズヘッドのディストーションおよびスポットダイアグラムを示す。図９はレンズヘッドの好ましい実施例を示す。図１０は、図９に示したレンズヘッドの典型的な収差の性質を示す。図１１Ａ、１１Ｂは、図９に示したレンズヘッドの典型的なＭＴＦの性能を示す。図１２Ａ、１２Ｂは、図９に示したレンズヘッドのディストーションおよびスポットダイアグラムを示す。図１３はレンズヘッドの好ましい実施例を示す。図１４は、図１３に示したレンズヘッドの典型的な収差の性質を示す。図１５Ａ、１５Ｂは、図１３に示したレンズヘッドの典型的なＭＴＦの性能を示す。図１６Ａ、１６Ｂは、図１３に示したレンズヘッドのディストーションおよびスポットダイアグラムを示す。
【００２１】
図１を参照すると、本発明における指紋識別組立体は積層レンズ２と少なくとも１つの発光体３とセンサー４とを含む。
【００２２】
本発明は、積層レンズ２の上部に指紋の像を現すために少なくとも１つの発光体３からの光を用いる。積層レンズ２の構造により、少なくとも１つの発光体３からの光は、積層レンズ２の上部の指紋の像をセンサー４にはっきりと示すことができるように部分的に反射し部分的に積層レンズ２を透過する。
【００２３】
図２を参照すると、本発明における第１の実施例が示され、積層レンズ２は、第１のレンズ２１と、第２のレンズ２３と、第１のレンズ２１および第２のレンズ２３に一体化された第３のレンズ２４とからなる。好ましくは、積層レンズ２の下部に２つの発光体３が備えられ、積層レンズ２の下にセンサー４が位置する。好ましくは、第１のレンズ２１、第２のレンズ２３および第３のレンズ２４は、ガラス、プラスチックまたはガラスおよびプラスチックを組み合わせたもので作られる。さらに、少なくとも１つの発光体３からの光が部分的に反射し部分的に第２のレンズ２３および第３のレンズ２４を透過するように、第１のレンズ２１、第２のレンズ２３および第３のレンズ２４のそれぞれに金属膜または誘電体膜が適用される。
【００２４】
本発明に係る指紋識別組立体が使用されるとき、少なくとも１つの発光体３からの光が第１のレンズ２１に投射される。その後第１のレンズ２１の上部の指紋の波形パターンにより、第１の反射光線ｂ１と、第２のレンズ２３を通過する第１の透過光線ｂ２とが発生する。第１の透過光線ｂ２は、第２のレンズ２３への第２の反射光線ｂ３を発生させるように第３のレンズ２４で反射する。第２の反射光線ｂ３は、第２のレンズ２３で反射した後、第３の反射光線ｂ４に変わる。第３の反射光線ｂ４は、センサー４で感知される最後の光線ｂ５を発生させるために第３のレンズ２４を透過するように投射される。したがって、少なくとも１つの発光体３からの光の経路は、ｂ１→ｂ２→ｂ３→ｂ４→ｂ５→像となる。好ましくは、本発明の積層レンズ２は、少なくとも１つの発光体３からの光の経路が長くなり、かつこれによりセンサー４に対する入射角が小さくなるように、１５ｍｍの厚さ制限を有する。よって、本発明の指紋識別組立体の全体はコンパクトである。
【００２５】
図３を参照すると、示された実施例は、図２に示したものと実質的に同じ構造を有する。両者の唯一の相違点は、第１のレンズ２１’が平坦な上面を有することである。
【００２６】
図４を参照すると、示された実施例は、図２に示したものと実質的に同じ構造を有する。両者の唯一の相違点は、第１のレンズ２１”が凹形の上面を有することである。
【００２７】
本発明の多くの特徴および利点が、本発明の構造および機能の詳細とともに上記に示されているが、開示は例示に過ぎず、特許請求の範囲に表現された語句の一般的な広い意味によって示される本発明の原理の範囲内で詳細、特に形状、大きさおよび部品の配置に関して変更がなされる場合があることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明に係る指紋識別組立体の積層レンズの上部に指が置かれていることを示す側面図。
【図２】センサーで受けられるように指紋の像の焦点を合わせる光源からの光の経路を示す概略図。
【図３】本発明に係る積層レンズの異なる応用を示す概略図。
【図４】本発明に係る積層レンズのさらに異なる応用を示す概略図。
【図５】本発明に係るレンズヘッドの側面図。
【図６】図５に示したレンズヘッドの典型的な収差の性質を示す図。
【図７Ａ】図５に示したレンズヘッドの典型的なＭＴＦの性能を示す図。
【図７Ｂ】図５に示したレンズヘッドの典型的なＭＴＦの性能を示す図。
【図８Ａ】図５に示したレンズヘッドのディストーションを示す図。
【図８Ｂ】図５に示したレンズヘッドのスポットダイアグラムを示す図。
【図９】表２にレンズの規格を示したレンズヘッドの好ましい実施例の側面図。
【図１０】図９に示したレンズヘッドの典型的な収差の性質を示す図。
【図１１Ａ】図９に示したレンズヘッドの典型的なＭＴＦの性能を示す図。
【図１１Ｂ】図９に示したレンズヘッドの典型的なＭＴＦの性能を示す図。
【図１２Ａ】図９に示したレンズヘッドのディストーションを示す図。
【図１２Ｂ】図９に示したレンズヘッドのスポットダイアグラムを示す図。
【図１３】表３にレンズの規格を示したレンズヘッドの好ましい実施例の側面図。
【図１４】図１３に示したレンズヘッドの典型的な収差の性質を示す図。
【図１５Ａ】図１３に示したレンズヘッドの典型的なＭＴＦの性能を示す図。
【図１５Ｂ】図１３に示したレンズヘッドの典型的なＭＴＦの性能を示す図。
【図１６Ａ】図１３に示したレンズヘッドのディストーションを示す図。
【図１６Ｂ】図１３に示したレンズヘッドのスポットダイアグラムを示す図。
【符号の説明】
【００２９】
２    積層レンズ
３    発光体
４    センサー
２１、２１’、２１”    第１のレンズ
２３    第２のレンズ
２４    第３のレンズ
【図１】
2007072942.tif 000007
【図２】
2007072942.tif 000008
【図３】
2007072942.tif 000009
【図４】
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【図５】
2007072942.tif 000011
【図６】
2007072942.tif 000012
【図７Ａ】
2007072942.tif 000013
【図７Ｂ】
2007072942.tif 000014
【図８Ａ】
2007072942.tif 000015
【図８Ｂ】
2007072942.tif 000016
【図９】
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【図１０】
2007072942.tif 000018
【図１１Ａ】
2007072942.tif 000019
【図１１Ｂ】
2007072942.tif 000020
【図１２Ａ】
2007072942.tif 000021
【図１２Ｂ】
2007072942.tif 000022
【図１３】
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【図１４】
2007072942.tif 000024
【図１５Ａ】
2007072942.tif 000025
【図１５Ｂ】
2007072942.tif 000026
【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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