(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
指紋のような、模様が形成されている対象物の、ハイ・コントラストで、ロー・歪みの像を形成する小型装置であって、
長さを持つ対象物（３３５）を配置する平坦な矩形の撮像面（３１８）と、
前記撮像面に隣接する面であって前記対象物の像が出射され、前記撮像面（３１８）に対してゼロにならない角度γ（３４２）をなし、その一部が光を入射する受光面としての役割も果たす、平坦な矩形の出射面（３２０）と、
照射される入射光のうち光屈折器（３１０）の内部で散乱する割合を高くするとともに、入射光を前記撮像面（３１８）に均一に照射させるために、入射光を反射および拡散させる、前記出射面（３２０）に対してゼロにならない角度（３４１）をなすさらにもう一つの面（３２２）と、
前記撮像面（３１８）に対向し、前記出射面（３２０）に隣接する第一稜線（３３８）とを含み、
光を反射および屈折させ、屈折率ｎがｎ＞１であり、５面体の三角プリズム（３１０）である、光屈折器（３１０）と、
前記光屈折器（３１０）に隣接して設けられ、前記出射面（３２０）にて前記対象物の像を形成するために、前記光屈折器（３１０）に入射する入射光を出射するための、少なくとも一つの光源（３１２）と、
前記出射面（３２０）の一部に配され、前記光屈折器（３１０）の内側に対向している鏡面を有することにより、レンズ（３１４）に入射し、前記対象物の像に干渉してぼやけさせてしまう、前記光源（３１２）からの迷い光の量を低減する第１の遮光部（３５０）と、
前記光源（３１２）からの迷い光を遮断してレンズ（３１４）に入射させない角度で前記出射面（３２０）から延びている第２の遮光部（３５２）と、
前記光屈折器（３１０）の外側にあり、前記出射面（３２０）に近接して、当該出射面（３２０）から前記光屈折器（３１０）を通過して出射される光を受け取るとともに、前記対象物の像を形成するための前記光の焦点をあわせる少なくとも一つのレンズ（３１４）とを含み、
前記レンズ（３１４）は、レンズ（３１４）の中心を通るシステムの光軸に対して垂直であって、前記出射面（３２０）に対してゼロにならない角度δ（３４３）をなすレンズ面を有し、撮像される前記対象物の長さよりも小さい直径を有しており、
前記光源は、前記出射面（３２０）に向けられ、前記出射面（３２０）に平行であるとともに、前記第一稜線（３３８）に隣接する発光ダイオード（ＬＥＤ）の列であり、
前記角度γおよび角度δは、見かけ像の一部から前記レンズ面までの第一光線の光路長と、当該第一光線に実質的に平行であり、前記見かけ像の別の部分から前記レンズ面までの別の光線の光路長とが実質的に等しくなるように形成されている小型装置。
【請求項２】
前記角度γおよび角度δの関係において、
０．７≦（n２−sin２δ）１／２（cotγ）（sinδ）＋sin２δ≦１．３
が成り立つ、請求項１記載の小型装置。
【請求項３】
前記角度γおよび角度δの関係において、
０．８５≦（n２−sin２δ）１／２（cotγ）（sinδ）＋sin２δ≦１．１５
が成り立つ、請求項１記載の小型装置。
【請求項４】
前記角度γおよび角度δの関係において、
０．９２５≦（n２−sin２δ）１／２（cotγ）（sinδ）＋sin２δ≦１．０７５
が成り立つ、請求項１記載の小型装置。
【請求項５】
少なくとも一つの光線と出射面とが、出射面と撮像面との交差部に近接する側で、９０°未満の第一角度をなして交差し、撮像される対象物を配置する撮像面のどの部分も、少なくとも一つの光線を散乱させることが可能な請求項１〜４のいずれか１項に記載の小型装置。
【発明の詳細な説明】
発明の分野
本発明は、像キャプチャー及び認識システムに使用される光学撮像装置に関し、特に、模様が形成されている物体（patterned object、以下ＰＯと称する）の像の台形歪みを軽減あるいは実質的に排除し、該像をより鮮明にする光学撮像装置に関する。
【０００１】
従来の技術
ＰＯ認識システムは産業的、商業的に一般化され、例えば、文書、絵、写真をスキャンするスキャナなど、様々な用途に使用されている。近年では、一般消費者向けにパターン認識システムの利用を進めるべく、メーカ側では、そのコストダウンが図られている。そうしたパターン認識システムの一般消費者向け製品への利用例の一つが、指紋の撮像及び認識である。これにより、例えばコンピュータの利用者の指紋を採取して、コンピュータの使用もしくは特定のファイル・機能へのアクセスの権限を持つユーザの指紋と比較することで、セキュリティの向上を図ることが可能である。かかるシステムは、例えばログインネーム及びパスワードによるセキュリティシステムの代替物となりうる。
【０００２】
まず第一に、このような指紋認識システムおよび他のパターン認識システムでは、解析のために、指紋や他の模様を正確に撮影することが求められる。パターン情報の取得に関しては既に様々なメカニズムが開発されており、例えば、米国特許３,９７５,７１１号、４,６８１,４３５号、５,０５１,５７６号、５,１７７,４３５号、及び５,２３３,４０４号が、ＰＯ像の撮影に関する装置を開示している。
【０００３】
図１は、このような従来技術の光学的指紋撮影認識システムを示す概略図である。図１において、光学認識システム１０８は、光源１１２、光学三角プリズム１１０、レンズ体１１４、イメージセンサ１１６、格納及び処理ユニット１２５を含んでいる。プリズム１１０は、撮像面（imaging surface）１１８、受光面（light receiving surface）１２０、および出射面（viewing surface）１２２を含んでいる。撮像面１１８は、指紋などのＰＯが撮像のために置かれる面である。光源１１２は、例えばＬＥＤであって、受光面１２０に近接し、光学プリズム１１０に送られる入射光１２４を発する。光学プリズム１１０は直角二等辺三角形になっていて、撮像面１１８と向かい合う角はほぼ９０°であり、他の２つの底角（二等辺三角形の等しい二角）はほぼ４５°となっている。
【０００４】
一般に、入射光１２４は撮像面１１８に、撮像面の法線１１５に対して角度１２６で入射する。角度１２６は臨界角１２８より大きい。一般に臨界角とは入射する光線と面の法線との間の角度のことを指している。入射光が臨界角よりも大きな角度で入射するときは、入射光は表面で内部全反射（total internal reflection off the surface）され、一方臨界角よりも小さな角度で入射するときには、入射光はほぼすべて表面を通り過ぎる。以上のように、臨界角１２８とは、入射光が撮像面１１８で完全に内部反射され、反射光１３０として出射面１２２を経由してプリズム１２０から発射される際の、撮像面１１８の法線に対する角度のことである。
【０００５】
反射光１３０は、出射面１２２に近接するレンズ体１１４を通過する。レンズ体１１４は、一つ以上の光学レンズを含んでなっていてもよい。レンズ体１１４からの光はイメージセンサ１１６によって取り込まれる（captured）。レンズ体１１４は、例えば光学的に像を取り込んで電気信号に変換する、電気結合素子（ＣＣＤ：Charged Coupled Device）や相補型ＭＯＳ（ＣＭＯＳ：Complimentary Metal Oxide Semiconductor）素子であってもよい。このようなイメージセンサは当業者には広く知られているものである。電気信号は、次に格納及び処理ユニット１２５に送られる。
【０００６】
格納及び処理ユニット１２５は、メモリユニット、プロセッサ、アナログ／デジタルコンバータを含んでいてもよい（図示せず）。アナログ／デジタルコンバータは、イメージセンサ１１６からのアナログ電気信号をデジタルデータに変換する。メモリは、デジタルデータと、キャプチャーされた指紋の像を格納された指紋像と比較する際のアルゴリズムと、を格納するために用いられる。プロセッサは、データ比較アルゴリズムに基づいて、取り込まれたデジタルデータと事前にメモリに格納されたデータとを比較する。また、プロセッサによって、格納されているデータとの比較以外の目的のために、取り込まれたデジタルデータを解析することもできる。かかる格納及び処理ユニットは当業者には広く知られ、必要なソフトを搭載した一般的なパーソナルコンピュータもこれに該当する。画像データの処理及び比較用アルゴリズムの例としては、米国特許４,１３５,１４７号や、同４,６８８,９９５号がある。尚、これらの開示内容は、全て本出願に引例として含まれることとする。
【０００７】
光学プリズムの撮像面１１８に指紋が置かれると、指紋の隆部（ridge）１１１が撮像面１１８に触れ、指紋の谷部（valley）１０９は撮像面１１８に触れない状態を保持する。よって指紋の谷部１０９では、光源１１２から光学プリズム１１０に入る入射光１２４は、入射角が光学プリズム１１０の臨界角よりも大きい場合、撮像面１１８で内部全反射される。一方指紋の隆部１１１においては、一部の入射光１２４は、指紋の隆部で吸収されるか散乱する。ここで用いられている「散乱」とは、光が不規則な面に当たった後、多方向に放射されるか、不規則に反射されることを指している。
【０００８】
散乱もしくは吸収の結果として、指紋の隆部１１１では、入射光１２４が内部全反射されてしまうことがない。よって指紋の谷部１０９よりプリズム１１０を離れた反射光１３０の強度は、指紋の隆部１１１よりプリズム１１０を離れた反射光１３０よりも大きい。隆部１１１からの強度の小さい反射光１３０は暗く現れ、光線と指紋表面との間の光入射地点に物体が存在することを示す。これに対し、内部全反射されるような強度の高い反射光１３０は明るく現れることで、入射光１２４と撮像面１１８との間に位置する光入射地点に物体が存在しないことを示す。これにより、暗く現れる指紋の隆部１１１と比較的明るく現れる指紋の谷部１０９との区別が可能となる。この理由は、指紋の隆部１１１での入射光の吸収が、指紋撮像の際の最も重要な要素であるためであり、かかるシステム１０８は吸収式撮像システムと呼ばれる。
【０００９】
上記のシステムでは、光学的に指紋像を取り込み、該指紋像を電気的に表現する処理が可能である。しかし、指紋の隆部１１１の部分では、依然として入射光１２４の一部が反射光１３０に平行な方向に内部全反射し、一部が散乱している。このことにより、指紋の谷部１０９からの反射光１３０の強度と、指紋の隆部１１１からの反射光１３０の強度との差が、比較的低くなってしまう可能性がある。つまり、指紋像における指紋の谷部１０９と指紋の隆部１１１との間のコントラストがはっきりしなくなる可能性がある。これにより、撮像、処理、比較が困難になってしまう。
【００１０】
さらに、光学認識システム１０８のような光学認識システムにおいては、レンズ体１１４の第一レンズの直径は、出射面１２２上の指紋像よりも小さいことが望ましい。これにより、光学認識システム１０８を小型化し、製造コストを低減することが可能となる。
【００１１】
しかし、図２に示すように、システム１０８のような吸収式システムでは、レンズ体１１４の第一レンズの直径が撮像面１１８上の指紋よりも小さい場合、レンズ体１１４が撮像面１１８から比較的離れた位置に配置される必要がある。この構成により、システム１０８によって取り込まれた指紋像は、指紋の縁部に至るまで鮮明に表現される。一方で、レンズ体１１４の配置が出射面１２２に近過ぎると、指紋像の縁部が失われたり歪んだりすることがある。これは、システム１０８のような吸収式システムでは、指紋像に焦点を合わせるためには、指紋像を作る光線が略平行でなければならないからである。また、レンズ体１１４の第１レンズが撮像面１１８上の指紋よりも小さい場合、指紋像の中央に近い領域からの光線に対して平行になっている指紋像の縁部からの光線がレンズ体１１４に入らず、よって指紋像の縁部がぼやけたり失われたりする可能性がある。
【００１２】
よって、図２に示すように、光学認識システム１０８のレンズ体が、点線で示されるレンズ体１１４’の位置にある場合、略平行な反射光１３０と１３０’はレンズ体１１４’に入らない。この理由により、レンズ体がレンズ体１１４’の位置に配置される場合、システム１０８では、撮像面１１８のＡ点及びＢ点の指紋像を鮮明に撮影することができない。
【００１３】
こうして、図２に示すように、吸収式システムでは、略平行な光線によって指紋像の全体を撮像するためには、レンズ体１１４を出射面１２２から比較的遠くに配置しなければならず、それゆえ、レンズ体１１４の第一レンズを比較的小さくしてシステムの小型化を図った事が無駄になってしまう可能性がある。このように、光学認識システム１０８の小型化には困難が伴う。さらに、出射面１２２とレンズ体１１４との距離が比較的大きいために、光の干渉によって指紋像のコントラストが失われてしまうことも考えられる。
【００１４】
加えて、レンズ体１１４の第一レンズが出射面１２２上の指紋像より小さい場合、光学認識システム１０８内で、台形歪みと呼ばれる現象が生じる。撮像システムにおける台形歪みとは、システムで形成された正方形の像が台形のような形に変形されて見えることをいう。
【００１５】
図２は、なぜ台形歪みが光学認識システム１０８において生じるかを説明した概略図である。光源１１２からの入射光１２４はプリズム１１０に入り、撮像面１１８で反射して、像ＡＢを形成する。そして反射光１３０は出射面１２２を通過してレンズ体１１４に達し、Ａ’地点及びＢ’地点において像Ａ’Ｂ’を形成する。出射面１２２を通じて見られる像ＡＢは、「見かけ像」（apparent image）として像ａｂに位置しているように見える。具体的には、Ａ地点は出射面１２２より距離ａａ’だけ離れたａ地点にあるように見え、Ｂ地点は出射面１２２より距離ｂｂ’だけ離れたｂ地点にあるように見える。出射面１２２から物体の見かけ像が現れる地点までの距離は、出射面１２２から物体までの実際の距離を、プリズム１１０の屈折率ｎで割った値となる。具体的には、距離ａａ’は次の式で求められる。
【００１６】
ａａ’＝Ａａ’／ｎ
ただし、ｎはプリズム１１０の屈折率である。同様に、次式が得られる。
【００１７】
ｂｂ’＝Ｂｂ’／ｎ
台形歪みは、物体の見かけ像からレンズ体１１４のレンズ面１０７までの光路の長さが像を結んでいる物体の部分によって異なり、レンズ体１１４の対物レンズが出射面１２２を通過する指紋像よりも小さい場合に生じる。具体的にいえば、システム１０８の場合、台形歪みが生じるのは、距離ａＡ’が距離ｂＢ’よりも長く、レンズ体１１４の直径が出射面１２２上の距離ａ’ｂ’よりも短い場合である。
【００１８】
また、距離ａＡ’が距離ｂＢ’よりも長いことから、どの部分においても焦点が合っているような物体の像を得ることが困難になっている。概して、見かけ物体の像からレンズ体のレンズ面までの光路長や、さらに最終的にはイメージセンサまでの光路長が、像を結んでいる物体の部分によって異なる場合には、レンズ面において物体のある部分では焦点が合っており、またある別の部分ではぼやけてしまう。
【００１９】
このような台形歪み及び物体の像の一部がぼやけるという問題を解決すべく、従来技術では、レンズ体１１４のレンズ面１０７とイメージセンサ１１６とを傾けて距離ｂＢ’を伸ばす一方で距離ａＡ’を小さくし、これら２つの距離がほぼ同じになるように構成している。しかし、直角二等辺プリズム（即ち、底角がほぼ４５°、底角でない角、つまりは頂角がほぼ９０°である三角プリズム）の特性上、反射光１３０は出射面１２２に実質的に垂直にプリズム１１０を通過する。従って、反射光１３０が出射面１２２を通る際には屈折は生じない。更に、一般には、透明な物体の表面への光の入射角が大きいほど、表面で反射される光の量は多くなる。このようにして、イメージセンサ１１６に入る光の強度が減少し、像の処理および比較がより困難になってしまう。
【００２０】
従って、レンズ体１１４及びセンサを傾けることは、台形ゆがみを低減して像の鮮明さを向上する一方、反射光１３０が大きな入射角にてレンズ体１１４に入射するので、レンズ体１１４表面や、イメージセンサ１１６表面での反射光１３０の反射が大きくなってしまう。これにより、イメージセンサ１１６に入射する光の強度が小さくなり、処理や比較が困難になる。
【００２１】
加えて、光源１１２とレンズ体１１４の相対的な配置によって、光源１１２からの迷い光（stray light）１１３がレンズ体１１４に入るようになってしまっている。これにより、さらに取り込まれた像の質を低下させ、その像の処理を困難にする、余分なバックグラウンドである「ノイズ光」が発生する。
【００２２】
上記のような吸収式撮像システムの問題点を解消すべく、吸収式ではなく「散乱式」による撮像システムが考案されており、その一例が、J.Lougheedらの、１９９３年８月３日開示の米国特許５,２３３,４０４号である。図３は、Lougheedらによる装置の撮像部を示した概略図である。この図３に示すように、従来技術の撮像システム２０８は、台形プリズム２１０、光源２１２、レンズ体２１４、及びイメージセンサ２１６を備えている。台形プリズム２１０は、少なくとも撮像面２１８、受光面２２０、出射面２２２を有している。
【００２３】
撮像面２１８は、指紋など撮像される物体が置かれる面である。光源２１２は、撮像面２１８と略平行な受光面２２０に近接し、対向するように配置されている。よって光源２１２からの入射光２２４はプリズム２１０に入り、プリズム２１０の臨界角２２８よりも小さい角度で撮像面２１８に入射する。従って、指紋の谷部２０９が撮像面２１８に置かれている面、即ち指紋が撮像面に接していない面においては内部全反射が起こらず、入射光２２４は撮像面２１８を通り抜ける。指紋の隆部２１１が接して置かれている撮像面２１８では、入射光２２４は指紋の隆部で反射して、散乱光（あるいは不規則反射光）２３０を生ずる。散乱光２３０は、プリズム２１０内の、入射面２２２に近接するレンズ体２１４への方向を含めたほぼ全ての方向へと広がってゆく。散乱光は入射面２２２を通りレンズ体２１４に入って、上記のようなＣＣＤ、ＣＭＯＳといった検出装置であるイメージセンサ２１６により検出される。
【００２４】
指紋の谷部２０９の領域では、入射光２２４は撮像面２１８を通過する。また、指紋の隆部２１１の領域では、入射光２２４は撮像面２１８で散乱して、レンズ体２１４及びイメージセンサ２１６によって捕捉される。従って、指紋の隆部２１１の像は比較的明るく、指紋の谷部２０９の像は比較的暗くなる。これは散乱光２３０がイメージセンサ２１６によって捕捉されるためであり、このタイプのシステムを「散乱」システムといっている。
【００２５】
散乱システムにより形成された、指紋像の隆部と谷部との間の光の強度の差あるいは強度の度合いは、図１に示すように、吸収システムにおける、指紋像の隆部と谷部との間の光の強度の差あるいは強度の度合いよりも大きくなっている。これにより、散乱システムによって形成された指紋像の、指紋の隆部と谷部との間のコントラストの方が、吸収システムによるものよりもはっきりしたものになる。こうしてイメージセンサ２１６がより鮮明な像を捉えられるようになり、該システムによる指紋の比較の精度が向上する。
【００２６】
さらに、散乱システムの特性上、レンズ体２１４に入って指紋の像を形成する光線が平行でなくても鮮明な像が形成される。よって、レンズ体２１４の第一レンズが入射面２２２上での指紋の像より小さくても、像の縁部付近での鮮明さを失う事なく、レンズ体２１４を入射面２２２の比較的近くに配置することが可能になる。
【００２７】
しかし、プリズム２１０のような台形プリズムは、図１に示すプリズム１１０のような三角プリズムよりも製造コストが高くなる。その一因は、研磨すべき表面が多くなることに起因する。このような製造コストの増加は撮像システム２０８のようなシステムの高価格化を招き、一般消費者向け製品への利用をさらに困難にしてしまう。
【００２８】
さらに、プリズム２１０における指紋の見かけ像からレンズ体２１４までの散乱光の光路長が、像の各部分によって異なることから、撮像システム２０８では、光学認識システム１０８の場合と同様に、指紋像の一部分がぼやけてしまうことがある。加えて、図３には示していないが、撮像システム２０８におけるレンズ体１１４の第一レンズが入射面２２２上の指紋像よりも小さい場合、プリズム２１０における指紋の見かけ像の部分に応じて、像からレンズ体２１４およびイメージセンサ２１６までの散乱光の光路長の違いにより、台形歪みも発生する。
【００２９】
これまでの記述によって明らかなように、ＰＯ認識システム用の撮像装置の改良が望まれている。具体的には、像の台形歪みを軽減もしくは略解消した撮像装置が望まれている。さらに、撮像装置は像のほぼ全ての部分に焦点を合わせられるものが望ましく、また比較的コンパクトで製造コストが安いものが好ましい。
【００３０】
発明の概要
本発明は、台形の歪みを低減した、もしくは略解消した、ハイ・コントラスト、ロー・歪みの像を形成する撮像装置を含んでいる。さらに、本発明の撮像システムは比較的低価にて製造できる。撮像装置は、ＰＯの見かけ像を形成するために、対象物を配置する撮像面と、さらにもう一つの面と、出射面とを備える光屈折器を有する。出射面は、撮像面に近接し、撮像面に対して角度γをなす。ＰＯの像は出射面から映し出される。また、撮像装置は、ＰＯの像を受け取ったり、焦点をあわせるための出射面に近接したレンズを備えている。レンズは光軸に対して垂直になるレンズ面を有し、出射面に対して角度δをなす。角度γおよび角度δは、ＰＯの見かけ像の一部分からレンズ面までの第一光線の光路長であり、最終的にはイメージセンサまでの光路長と、第一光線に略平行でＰＯの見かけ像の別の部分からレンズ面までの別の光線の光路長であり、最終的にはイメージセンサまでの光路長と、を実質的に等しくするためになされる角度である。好ましくは、以下の式が成り立つように角度γと角度δを設定すればよい。
【００３１】
0.7≦(n2−sin2δ)1/2(cotγ)(sinδ)+sin2δ≦1.30
本発明は、また、出射面と光線とが、出射面の撮像面との交差部の側にて、９０°未満の角度をなし、撮像される対象物が置かれる撮像面のどの部分も、少なくとも一つの光線が散乱される構成を有していることが好ましい。
【００３２】
本発明の製造方法は、上記小型装置の製造方法であって、光屈折器（３１０）を形成するステップと、出射面（３２０）によって定義される平面と、撮像面（３１８）によって定義される平面との間のゼロにならない角度γ（３４２）を形成するステップと、光源（３１２）と、第１遮光部（３５０）と、第２遮光部（３５２）とを形成するステップと、前記レンズ面が、当該レンズの中心を通るシステムの光軸に垂直になるように、前記出射面に近接してレンズ（３１４）を配置するステップと、前記出射面によって定義される平面と前記レンズ面との間のゼロにならない角度δ（３４３）を形成するステップと、前記見かけ像の一部から前記レンズ面までの第一光線の光路長と、当該第一光線に実質的に平行であり、前記見かけ像の別の部分から前記レンズ面までの別の光線の光路長とが実質的に等しくなるように、角度γと角度δとを設定するステップとを含むことを特徴としている。好ましくは、角度γと角度δは以下の関係が成り立つように設定される。
【００３３】
0.7≦(n2−sin2δ)1/2(cotγ)(sinδ)+sin2δ≦1.30
さらに、光線と出射面の交差部が、出射面の撮像面との交差部の側から見て、９０°未満の第一角度が形成され、撮像に使用される撮像面のどの部分も、少なくとも一つの光線が散乱される構成を有していることが好ましい。
【００３４】
上記の装置および方法により、台形の歪みの少ない、あるいは台形の歪みのない、ＰＯを撮像することができ、比較的に焦点のはっきりした像を形成することができる。これにより、ＰＯのより正確な処理や比較を有効に促進することが可能になる。
【００３５】
発明の詳細な説明
図４および５は本発明に係る模様が形成されている物体（patterned object、以下ＰＯと称する）の像を映しだすシステム３０８を示している。撮像システム３０８は好ましくは、三角プリズム３１０、光源３１２、レンズ体３１４、およびイメージセンサ３１６を備えている。プリズム３１０は、図４を示した紙面に対して垂直な方向に延びる長さを有する、５面体の三角プリズムである。プリズム３１０は、指紋３３５などの像を撮ろうとする対象物を配置する平坦な矩形撮像面３１８を有する。また、プリズム３１０は、撮像面３１８に当てた指紋３３５の像がプリズム３１０から外部に出る、平坦な矩形出射面（viewing surface）３２０を有している。図４および５の実施の形態において、出射面３２０は、プリズム３１０の内部に光を入射する受光面としての役割も果たす。光散乱面３２２は、プリズム３１０の第３またはそれ以上の平坦な矩形面を形成する。以下に詳細する理由で、光散乱面３２２は拡散面であることが好ましい。
【００３６】
光源３１２は、発光ダイオード（ＬＥＤ）をプリズム３１０の（図４の紙面に対して垂直な方向に延びる）長さ程度に一列に並べたＬＥＤアレーであることが好ましい。このＬＥＤアレーを光源３１２として使用すると、拡散蓋体を該ＬＥＤアレーと出射面３２０との間に設けることができ、撮像面３１８が一層均一に照射される。なお、光源３１２は、プリズム３１０に光を入射させられ得る限りどんなタイプの光源であってもよく、そのタイプの如何によらず本発明の範囲内である。プリズム３１０の、撮像面３１８の反対に位置するエッジ３３８に沿って光源３１２が設けられることが好ましい。また、撮像システム３０８の光源はこれ以外の構成でもいいし、これ以外の位置に設置してもよく、いずれの場合も本発明の範囲内である。本発明に適用できる光源の例としては、ここに挙げた以外に、同じ譲受人のもとで出願され、現在審査中の米国特許出願０９／１９１,４２８号（出願日１９９８年１１月１２日）、「ハイ・コントラスト、ロー・歪みの映像キャプチャー光学システム」に開示されている。この特許出願の開示内容全体は、本発明に含まれているものとする。一例を挙げると、光源３１２は、エッジ３６５から出射面３２０に降ろした垂線と出射面３２０との交差部に形成される線３６０とエッジ３３８との間であれば、出射面３２０に対してどこに設置してもかまわない。
【００３７】
レンズ体３１４は、指紋３３５からの散乱光３３０を受け、この散乱光３３０をイメージセンサ３１６上で集束させるためのものである。レンズ体３１４は一つのレンズでもよいが、好ましくは、複数のレンズから構成されているのがよい。焦点距離が約１３．４８ｍｍのレンズ体３１４を出射面３２０から約１３．５ｍｍの位置に設けるのが最も好ましい。また、レンズ体３１４の一実施の形態の概略図である図７に示すように、レンズ体は三つのレンズ９０４、９０６、９０８を有し、それぞれの光軸が共通の光軸９０２に重なっていることが最も好ましい。レンズ９０４の直径が約１７．８ｍｍであり、レンズ９０６、９０８の直径は約６ｍｍであることが最も好ましい。レンズ体３１４はいくつのレンズからなっていても構わない。
【００３８】
イメージセンサ３１６は、レンズ体３１４から光学的に形成された像を取り込んで（capture）電気信号に変換する。イメージセンサ３１６は例えば電荷結合素子（ＣＣＤ）であるが、これに限らず、光信号をアナログあるいはデジタル電気信号に変換する手段であればよい。イメージセンサ３１６としてはＣＭＯＳ（complementary metal oxide semiconductor）素子を使用することが好ましい。ＣＣＤ及びＣＭＯＳイメージセンサは当業者によく知られている。イメージセンサ３１６が形成した電気信号は周知の手段を用いて処理可能であり、指紋などの入力模様を比較するのに用いられる。従来の技術にて言及したように、こういった信号処理方法は、例えば米国特許４,１３５,１４７号および４,６８８,９９５号に開示されており、この２件の開示内容全体を本発明は含んでいるものとする。
【００３９】
イメージセンサ３１６上に指紋３３５の像を形成するために、指紋３３５を撮像面３１８に当てる。光源３１２から入射する光３２４は出射面３２０を通過してプリズム３１０に入る。光源３１２がエッジ３３８に近接した位置にあるので、入射光３２４は散乱面３２２に当たる。前述のように、散乱面３２２は拡散性があるものがよい。これにより、散乱面３２２に照射される入射光３３４のうち、プリズム３１０内で散乱する割合が比較的高くなる。次に、この散乱光が撮像面３１８に当たる。たとえ光散乱面３２２が拡散性を有していなくても、入射光３２４の略全てが、散乱面３２２の臨界角より大きい角度３２３で散乱面３２２に当たることになる。このように、入射光は、散乱面３２２で反射して撮像面３１８に入射する。散乱面３２２での入射光の反射性を高めるために、反射面３８１の鏡面が散乱面３２２に対向するように配置してもよい。
【００４０】
入射光３２４は散乱面３２２で散乱するかあるいは直接反射するので、入射光３２４のうち、プリズム３１０の臨界角３２８より小さい角度３２７で撮像面３１８に入射するものの割合が比較的高くなる。したがって、指紋の谷部３０９で撮像面３１８に当たる入射光３２４は内部に向かって全反射せず、大部分が撮像面３１８を通過することになる。このように、指紋の谷部３０９にて、撮像面３１８に当たる光は、そのほとんどがセンサ３１６に向かって進まない。一方、撮像面３１８に指紋の隆部３１１が触れているところで撮像面３１８に入射した入射光３２４は、大部分が散乱して、散乱光３３０となる。散乱光３３０の一部は出射面３２０を通ってプリズム３１０を出る。プリズム３１０から出射する際に散乱光３３０は屈折する。散乱光３３０はさらにレンズ体３１４に入射し、レンズ体３１４によってイメージセンサ３１６に集束する。
【００４１】
入射光３２４は散乱面３２２で散乱するので、入射光３２４は比較的均一に撮像面３１８を照らし、比較的均一な像ができる。このように均一な像は、処理がしやすく、格納されている他の指紋データと比較しやすいので理想的である。撮像面３１８の照度をさらに均一にするために、出射面３２０の、光源３１２と対向する部分に、図５に示した複数のエッチングライン３７０で筋を入れてもよい。ライン３７０はプリズム３１０の長さ方向に延び、エッジ先端３３８に平行である。ライン３７０は、光源３１２から出射した光が出射面３２０を通過する際に、該光を拡散させる役割を果たす。
【００４２】
上述の構成に加えて、撮像システム３０８は、受光面の、光源３１２に近接した部分に遮光部３５０が設けられていることが好ましい。遮光部はプリズム３１０の全長（図４の紙面に垂直な方向）にわたって延びていることが好ましい。レンズ体３１４に入射し、指紋の像に干渉してぼやけさせてしまう光源３１２からの迷い光（stray light）の量を、遮光部３５０は低減する。さらに、プリズム３１０に内側に対向している遮光部３５０の表面を鏡面にしてもよい。鏡面にすることによって撮像面３１８に入射する散乱光の強度が高まるので、好都合である。遮光面３５０とともに、あるいはその代わりに、第２遮光面３５２を光源３１２とレンズ体３１４との間に設けてもよい。第２遮光面３５２は、光源３１２からの迷い光を遮断してレンズ体３１４に入射させない角度で出射面３２０から延びているのが好ましい。
【００４３】
光源３１２は比較的幅が狭く、撮像面３１８の反対側のエッジ３３８に近接して設けられているので、撮像面３１８に到達する入射光３２４の略全てが反射、あるいは散乱してレンズ体３１４に入射する。つまり、入射光３２４は、撮像面３１８が指紋隆部３１１と接するところで散乱しなければ、イメージセンサ３１６に取り込まれることがほとんどない。指紋の谷部３０９に当たった入射光３２４がレンズ体３１４を通ってイメージセンサ３１６に到達する可能性をさらに低くするには、図５に示すように、光源３１２がライン３６０を超えないようにすることが好ましいが、このライン３６０はプリズム３１０の長さ方向に延びている。また、ライン３６０は、撮像面３１８に近接するエッジ３６５を通って出射面３２０の法線との交差部によって定義される。光源３１２とエッジ先端３３８とがこのライン対して常に同じ側に位置していれば、光源３１２から垂直に出射した入射光３２４が指紋の隆部３１１にて散乱することなく、イメージセンサ３１６に到達することはほとんどありえない。
【００４４】
光源３１２から撮像面に直接入射する入射光３２４を最小限に抑えることによって、撮像面３１８の指紋の谷部３０９が接する部分では、入射光３２４が内に向かって実質的に反射しなくなる。これは、これらの谷部から出射面３２０に到って出射面３２０を通過し、レンズ体３１４に入射する光がほとんどないことを意味している。一方で、撮像面３１８からレンズ体３１４に入射する光は実質的に全てが撮像面３１８の指紋隆部３１１で散乱した光である。こうすることで、指紋の隆部３１１と谷部３０９との間のコントラストが比較的高い指紋の像が得られる。このようにコントラストが高い指紋の像は処理が比較的簡単で、他の指紋の像との比較がしやすいので、処理精度が上げられるという利点がある。
【００４５】
さらに、撮像のためのこの散乱技術は、上記従来の技術にて述べたように、Lougheedが開示している台形プリズムとは対照的に、三角プリズムを用いて実現している。三角プリズムは台形プリズムに比べて生産効率がよく、撮像システム３０８の方が製造費用が比較的安価であるという利点がある。
【００４６】
また、一般に、散乱光はある物体から略一方向に散乱するのではなく、多くの方向に散乱する。従来の技術で述べたように、レンズ体を用いれば、ピントの合った物体の像を平行ではない散乱光にて形成することができる。つまり、図６の光学認識システム３１８に示すように、レンズ体３１４の第１のレンズの直径が出射面３２２における指紋３３５の対角線より小さい場合、平行ではない散乱光を使ってピントの合った指紋３３５の像を形成することができる。したがって、レンズ体３１４を出射面３２０の比較的近くに設けても、システム３０８が形成する指紋の像の端部近傍で質を落とさないですむ。ただし、レンズ体３１４を出射面３２０に近接して設けることは必ずしも必要ではない。これらのことから、撮像システム３０８は比較的コンパクトで、レンズ体３１４は製造費用が比較的安いという利点がある。
【００４７】
図６に示すように、レンズ体３１４の第１のレンズの直径は出射面３１８における指紋の大きさに比べて小さいので、形成された像には台形歪みが発生し得る。しかし、本発明の撮像システムは、形成された像の台形歪みを小さくし、全体的に鮮明さの度合いを上げる。上記従来の技術にて述べたように、台形歪みは、像を形成する実際の物体とは異なった、歪んだ形をした像の中に現れる。台形歪みも、部分的な像のピンぼけも、ともに見かけの物体像からレンズ体３１４、さらに最終的にはイメージセンサ３１６に到る光路の長さが、物体のある部分と別のある部分とでは異なることに原因がある。ただし、図６に示すように、撮像システム３０８において、指紋３３５の見かけ像３３５’上の異なる点からレンズ体３１４、さらにイメージセンサ３１６にまで到る散乱光３３０の光路長は略同じである。具体的には、光路ＡＡ’は実質的に光路ＢＢ’と光路ＣＣ’に等しい。このように、台形歪みを小さくすることができる利点があり、さらに、全体的な像の鮮明さを上げることができる。図６に示すように、光路ＡＡ’、ＢＢ’、およびＣＣ’を実質的に等しくすることは、出射面３２０に対してレンズ体３１４を傾けることによって容易に行うことができる。
【００４８】
しかし、光学認識システム１０８とは違い、図１に示すように、レンズ体３１４を傾けてもイメージセンサ３１６に到達する像の強度は大して減少しない。従来の技術にて、光学認識システム１０８について述べたように、レンズ体１１４を傾けると反射光１３０がレンズ体３１４の第１構成要素に法線からずれた角度で当たるようになり、その結果、反射光１３０のレンズ体１１４表面における反射量が大きくなり、イメージセンサ１１６での像の強度が低下してしまって好ましくない。
【００４９】
ただし、プリズム３１０の屈折率は１を超えていることが好ましい。この場合、出射面３２０に当たる散乱光３３０はプリズム３１０から出射する際に屈折し、出射面３２０の法線からずれた方向に進む。つまり、レンズ体３１４のレンズ面３０７を傾けると、散乱光３３０がレンズ体３１４に対して、実質的に９０°に当たるようになる。したがって、イメージセンサ３１６での像の強度を減少させなくても、レンズ体３１４の表面における散乱光の過度な反射による像の強度の低下が発生しなくなるか、あるいは低下してもごくわずかになり、台形歪みは抑えられ、また、全体的な像の鮮明さが向上する。
【００５０】
レンズ体３１４の傾斜角は任意の値に決められる（図８参照）。同図において、光線４１０、４１２は撮像面のエッジ４１４およびその反対側の撮像面エッジ４１６でそれぞれ散乱する。レンズ面３０７は、レンズの厚さがゼロに近づいたときの理論上のレンズ体３１４である。距離Ａａはプリズム３１０内に現れる物体の見かけ像からレンズ面３０７までの光線４１０に沿った距離であり、距離Ｂ’ｂはプリズム３１０内に現れる物体の見かけの像からの光線４１２に沿った距離である。台形歪みを略ゼロにするためには、距離Ａａが距離Ｂ’ｂに実質上等しくなければならない。Ｂ’ｂはプリズム３１０内に現れる物体の見かけの奥行きなので、従来の技術で述べたように次式が成り立つ。
【００５１】
Ｂ’ｂ＝Ｂｂ／ｎ
ここで、Ｂｂはエッジ４１６上の点Ｂからプリズム３１０表面の点ｂまでの距離である。台形歪みを実質上ゼロにし、全体的な像の鮮明さを高めるための条件は以下の式で表わされる。
【００５２】
Ａａ＝Ｂｂ／ｎ                  （式１）
光線４１２が出射面３２０に入射する角度、つまり、出射面３２０の法線とプリズム３１０内部の光線４１２との角度を図８ではθ1として表し、光線４１２がプリズム３１０を通って出射する際に屈折する角度はθ2で表すと、スネルの法則によって次式が成り立つ。
【００５３】
ｎ＝ｓｉｎθ2／ｓｉｎθ1        （式２）
また、三角関数の基本定理を用いると次式が成立することがわかる。
【００５４】
ＡＢｃｏｓγ＋Ｂｂｃｏｓα’＝Ａｂ        （式３）
ここで、ＡＢは点Ａから点Ｂまでのプリズム３１０の撮像面の長さであり、Ａｂは出射面３２０上の線分Ａｂの長さであり、α’は光線４１２と出射面３２０との間の角度であって、９０°−θ1に等しい。また、γは撮像面３１８と出射面３２０とがなす角度で、図８では角度３４２として示されている。
【００５５】
最後に、正弦法則を用いると次式が成立することがわかる。
【００５６】
ＡＢ／Ｂｂ＝ｃｏｓθ1／ｓｉｎγ          （式４）
上記の式１、２、３、および４を用いると、台形歪みを実質的にゼロにし、さらに全体的な像の鮮明さを上げるためには、次式に示す、プリズム３１０の角度、およびレンズ面３０７と出射面３２０との角度に関する条件が満たされなければならない。
【００５７】
(n2−sin2δ)1/2(cotγ)(sinδ)+sin2δ=1      （式５）
ここで、図８に示すように、δはレンズ体３１４のレンズ面３０７が出射面３２０に対してなす角度である。よって、本発明の撮像システム３０８は、台形歪みを略ゼロにし、全体的な像の鮮明さを上げるためには、式５に基づいて構成するのが好ましい。
【００５８】
ただし、撮像システム３０８を製造する際に角度γと角度δについて正確な公差を達成するのは難しく、またコストが高くなる。よって、本発明の撮像システムに対して、３０％の製造公差を許容することにより、以下に示す式６に基づいて構成することが好ましい。
【００５９】
0.7≦(n2−sin2δ)1/2(cotγ)(sinδ)+sin2δ≦1.3          （式６）
さらに好ましくは、本発明の撮像システムの製造公差を１５％まで許容し、以下に示す式７にしたがって構成するとよい。
【００６０】
0.85≦(n2−sin2δ)1/2(cotγ)(sinδ)+sin2δ≦1.15        （式７）
また、本発明の撮像システムの製造公差を７．５％まで許容し、本発明の撮像システムを以下に示す式８にしたがって構成することが最も好ましい。
【００６１】
0.925≦(n2−sin2δ)1/2(cotγ)(sinδ)+sin2δ≦1.075      （式８）
上述のように、撮像システム３０８を上記の式５〜８のうちの一つの式に基づいて構成することにより、台形歪みを大幅に、あるいはゼロにまで抑えられ、全体的な像の鮮明さを上げることができる。これにより、撮像システムが像を処理、比較する精度を容易に上げることができるという利点がある。
【００６２】
プリズム３１０はガラスやアクリルなど、屈折率が１（空気の屈折率）より大きい透明な材料を用いて作製することができる。好ましい屈折率と角度とを備えたプリズムは、ＬＡＫ−７およびＬＡＫ−８と命名されたガラス製の製品が韓国ソウルのシンクワン社（Shinkwang Ltd.）から入手可能である。
【００６３】
レンズ体３１４などのレンズ体については、韓国ソウルのウーリム光学システム社（Woorim Optical System Ltd.）のガラス製品（商品名ＢＫ７）が好ましい。図６に示すように、レンズ体３１４が複数の構成要素で構成されているのであれば、それぞれの構成要素をプラスチック成形など既知の加工手段を用いて加工した枠の中に収めることで、構成要素を配置し間隔を決定することができる。
【００６４】
光源３１２は回路基板上でまっすぐなアレー状に配置した４つの標準ＬＥＤで構成されるのが好ましい。ＬＥＤの駆動については当業者であれば周知である。イメージセンサ３１６は好ましくはＣＭＯＳ型センサであり、韓国ソウルの現代電子社（Hyundai Electronics）、カリフォルニア・サンホセのＶＬＳＩビジョン社、カリフォルニア・サニーヴェールのオムニビジョン・テクノロジーズ社（Omnivision Technologies Inc.）から入手可能である。
【００６５】
図４で示すように、撮像用部品を相対的な位置に固定するために、個々の部品を保持するためのスロットを備えた枠をプラスチック成形するなどして組み立ててもよい。光源３１２は出射面３２０に近接した保持スロットに配置するか、あるいは従来から知られているように、接着剤を用いて出射面３２０に直接取り付けてもよい。
【００６６】
式５〜８は、撮像面３１８の全幅ＡＢを利用して撮像を行うことを前提として導いたが、プリズムの撮像面全体を使わなくても撮像は可能である。一例として、角度が９０°以上の三角プリズムを光屈折器として用いた場合が挙げられる。ただし、プリズムの撮像面全体を対象物の撮像に用いないのであれば、上記式５〜８に基づいて構成するという条件に加えて、その撮像システムの構成が別のもう一つの条件を満たすことが好ましい。このもう一つの条件を説明する。図９は角度５４１が鈍角である三角プリズム５１０を示している。三角プリズム５１０は平坦な撮像面５１８、平坦な出射面５２０、および平坦なもう一つの面５２２を有している。図９はさらに光源３１２と実質的に同じ光源５１２と、図示しないレンズ体のレンズ面５０７とを示している。プリズム５１０とともに使用するレンズ体はレンズ体３１４と略同じである。
【００６７】
図９に示すように、光線６１２は撮像面５３８上の点Ｄで散乱し、光線６１０は撮像面５１８から点Ａで散乱する。プリズム５１０とレンズ面５０７とは式５にしたがって構成されている。さらに、線分ａ’ｄ’はレンズ面５０７に対して平行であり、長さＤ’ｄ’は物体の像がプリズム５１０内で撮像面５１８上の点Ｄでの見かけの奥行きである。このように、線分Ａａ’およびＤ’ｄ’の長さは等しい。プリズム５１０の屈折率は１より大きいので、光線６１２はプリズム５１０から点ｄ’で出射する際に屈折してしまい、出射面５２０の法線６２０からずれた方向に進む。
【００６８】
光線６１２と出射面５２０とがなす、出射面と撮像面との交差部の側に位置する角度５４５（図９ではα’と表記）は９０°未満である。したがって、光線６１２がプリズム５１０を通過して法線６２０からずれた方向へ屈折すると、プリズム５１０外部の光線６１０に平行な光路を進む。つまり、線分ａａ’とｄ’ｄとが等しい。したがって、撮像面５１８上の物体について、プリズム５１０内に現れる見かけの像からレンズ面５０７、さらに最終的には、図示しないイメージセンサに到る光路が点Ａでも点Ｄでも等しいことになる。これにより、全体的な像の鮮明さを上げることができる。
【００６９】
次に、同じくプリズム５１０を示す図１０を参照して説明する。プリズム５１０内に現れる、撮像面５１８上の点Ｅに置いた物体の見かけの像からの光路長と、プリズム５１０内に現れる、プリズム５１０上の点Ａに置いた物体の見かけの像からの光路長とは等しくない。光線６１２は撮像面５１８上に置かれた物体からの散乱光である。上記のように、プリズム５１０の屈折率は１より大きいので、光線６１２は、点ｅ’でプリズム５１０から出射する際に屈折し、出射面５２０の法線６２０からずれた方向へ屈折する。つまり、α’と表記した角度５４５は９０°より大きいので、プリズム５１０外部における光線６１２の光路は、プリズム５１０外部における光線６１０の光路と平行ではない。光線６１０と光線６１２とが平行ではないのであるから、線分ｅ’ｅの長さが線分ａ’ａの長さとは異なることになる。つまり、プリズム５１０内の見かけの像からレンズ面５０７までに到る総光路長は、対象物が撮像面３１８上の点Ｅにある場合と同面上の点Ａにある場合とでは異なることになる。そのため、比較的大きな台形歪みの発生及び／又は比較的ピントのぼけた像が形成される。
【００７０】
上記のような像が形成されるのを避けるには、前述のように、角度が９０°以上のプリズムを本発明の撮像システムにおいて使用する場合、撮像面をその幅の一部に限って使用して対象物を撮像するのが好ましい。上記のように、α’が９０°未満で、撮像システムが上記式５〜８にしたがって構成されていれば、台形歪みは実質上なくなる。また、α’が９０°以上であれば、台形歪みが発生する。したがって、撮像対象物をプリズムの撮像面５１８に当てる際に該撮像面５１８の一部にのみ当てようとするのであれば、少なくとも一本の光線と出射面５２０とが該出射面５２０の撮像面５１８との交差側から見て９０°未満の角度（図９、１０ではα’と表記）で交わるように、撮像に用いる撮像面５１８のどの部分も少なくとも一本の光線を散乱させることができなければならない。この基準を用いれば、上記式５〜８にしたがって構成された撮像システムにおいて台形歪みの発生を抑えたり、あるいは略一切発生しないようにしたりすることが容易にできるようになり、また、全体的な像の鮮明さを上げることができるという利点がある。
【００７１】
プリズム５１０及び光源５１２は、プリズム３１０及び光源３１２について上述した材料及び方法によって同様に製造することができる。なお、ＰＯの撮像方法は、撮像面と、出射面と、さらにもう一つの面とを有する光屈折器を備えて行われる。出射面によって定められる平面と撮像面によって定められる平面との間には角度γが形成される。ＰＯは撮像面に対して置かれ、入射光は光屈折器に入射される。入射光は撮像面及びＰＯで散乱し、出射面を通過する。レンズは出射面に近接して配置され、レンズの焦点面と出射面によって定められる平面との間に角度δをなす。角度γおよび角度δは、光屈折器で形成された、ＰＯの見かけ像の一部からレンズ面までの第一光線の光路長であり、最終的にはイメージセンサまでの光路長と、第一光線に略平行で、ＰＯの見かけ像の別の部分から、レンズ面及びイメージセンサまでの別の光線の光路長とが実質的に等しくなるように設定される。
【００７２】
本発明は、その精神と技術的範囲を逸脱しない範囲にて多種多様な実施形態が可能である。すなわち、本発明は明細書に開示した具体的な実施の形態に限定されない。例えば、上記本発明の実施の形態は指紋の撮像との関連で説明したが、これ以外にも任意のタイプのＰＯの撮像にも本発明は適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  吸収式撮像技術を用いた、従来の撮像装置の概略図である。
【図２】  図１の撮像装置の台形歪みを説明する概略図である。
【図３】  散乱式撮像技術を用いた第２の従来の撮像装置の概略図である。
【図４】  本発明に係る撮像装置の概略図であり、プリズム、光源、レンズ体、イメージセンサを示している。
【図５】  図４に示すプリズム及び光源の斜視図である。
【図６】  図４に示す撮像システムにて、台形の歪みを低減する方法を示す概略図である。
【図７】  図４に示す撮像システムにて使用されるレンズ体を示す概略図である。
【図８】  図４に示す撮像システムにて、プリズム及びレンズ体の好ましい構成を示す概略図である。
【図９】  本発明の撮像装置で使用可能な他の実施形態のプリズムの散乱光路を説明する概略図である。
【図１０】  図９に示すプリズムの他の散乱光路を説明する概略図である。
【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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【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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