(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源を有するとともに該光源からの光を側方に導いて物体当接面の全面に導く導光部材と、前記導光部材からの光のうち特定角度で入射された光を有効に導く複数の光路を有する選光部材と、前記光路と対向する位置に該光路からの光を検知する検知部を有する検知部材とを、前記選光部材が前記導光部材と前記検知部材との間に位置するように積層した状態で固定し、前記光路は前記選光部材と垂直で互いに平行な面において同一の傾斜角度になるように形成された二次元模様認識センサにおいて、
前記導光部材の前記選光部材と対向する面には前記光路と対向しない箇所に光を乱反射する乱反射部を設け、且つ、前記検知部は、前記各光路と対向する位置ごとに設けたことを特徴とする二次元模様認識センサ。
【請求項２】
前記光路は前記選光部材に形成された孔を有し、該孔に前記導光部材に近い屈折率の充填材が充填されている請求項１に記載の二次元模様認識センサ。
【請求項３】
前記導光部材の前記選光部材と対向する面には前記光路と対向する箇所に、物体当接面に物体が当接していない状態のとき物体当接面で全反射した光とほぼ直交する角度の傾斜面を有する凹部が設けられている請求項１に記載の二次元模様認識センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、二次元の模様を認識するためのセンサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、指紋を認識するセンサとしては、例えば図９に示すような構成を有するのものがある。
【０００３】
センサ５１の上部には断面視正三角形のプリズム５２が上面が水平方向となるように配置されている。プリズム５２の斜め下方には光源５３及びカメラ５４が設けられ、光源５３より照射された光がプリズム５２の上面で反射されてカメラ５４に導かれるように配置されている。そして、プリズム５２の上面に指５５が押し当られた時の光の反射率の違いにより形成される紋様を、カメラ５４のレンズを用いて光学的に読み取る。この読み取りデータがコンピュータで処理されて、指紋が認識される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、センサの小型化のため、センサの厚さを５ｍｍ以下としたいといった薄型化の要請があり、従来の方法では指紋のような面全体の模様を認識するためにはプリズム５２を大きくする必要があり、この要請に対応することができなかった。
【０００５】
また、光の指向性を考慮してレンズの位置調整等の検知条件を整える必要があるとともに、センサ５１の構造が複雑なものとなるといった問題があった。
さらに、プリズム５２から反射した光を検知する際に、プリズム５２の上面から外界の光が入り、指紋の認識精度が低下する虞があった。一方、外界の光の影響を排除するために、プリズム５２の上方をカバーで覆い、プリズム５２の上面からの外界の光を遮断する構造のものもあるが、これではさらにセンサ５１が大きなものとなってしまう。
【０００６】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、薄型かつ簡単な構造で、センサ外部からの影響を受けにくい二次元模様認識センサを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するため、請求項１に記載の発明では、光源を有するとともに該光源からの光を側方に導いて物体当接面の全面に導く導光部材と、前記導光部材からの光のうち特定角度で入射された光を有効に導く複数の光路を有する選光部材と、前記光路と対向する位置に該光路からの光を検知する検知部を有する検知部材とを、前記選光部材が前記導光部材と前記検知部材との間に位置するように積層した状態で固定し、前記光路は前記選光部材と垂直で互いに平行な面において同一の傾斜角度になるように形成された二次元模様認識センサにおいて、前記導光部材の前記選光部材と対向する面には前記光路と対向しない箇所に光を乱反射する乱反射部を設け、且つ、前記検知部は、前記各光路と対向する位置ごとに設けた。
【０００８】
請求項２に記載の発明では、請求項１の発明において、前記光路は前記選光部材に形成された孔を有し、該孔に前記導光部材に近い屈折率の充填材が充填されている。
【０００９】
請求項３に記載の発明では、請求項１の発明において、前記導光部材の前記選光部材と対向する面には前記光路と対向する箇所に、物体当接面に物体が当接していない状態のとき物体当接面で全反射した光とほぼ直交する角度の傾斜面を有する凹部が設けられている。
【００１１】
従って、請求項１に記載の発明によれば、光源からの光は側方から物体当接面の全面に導かれる。この光のうち、特定の反射角度で物体当接面を反射した光が光路に入射して検知部に導かれる。物体当接面に物体が当接すると、光の一部が物体に吸収されて反射率が変わり、検知部に導かれる光の量が変化する。そして、各検知部から光の量に対応した出力信号が出力される。さらに、該作用に加えて、請求項１に記載の発明によれば、乱反射部に当たった光は乱反射し、その結果、光源から放射された光は、導光部材内の全ての方向に向かって進行する。また、物体当接面に物体が当接していない状態での各光路内に入射される光の量が均一化される。
【００１２】
請求項２に記載の発明によれば、請求項１の発明の作用に加えて、孔に充填された充填材と導光部材との屈折率は近似しているので、物体当接面に物体が当接していない状態のとき物体当接面で全反射した光は、ほぼ直線状に進行して光路に導かれる。
【００１３】
請求項３に記載の発明では、請求項１の発明の作用に加えて、凹部には物体当接面に物体が当接していない状態のとき物体当接面で全反射した光とほぼ直交する角度の傾斜面が設けられ、光は傾斜面を通過して光路に導かれる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
以下、本発明を具体化した第１の実施の形態を図１〜図５に従って説明する。
【００１６】
図１に示すように、二次元模様認識センサ１は、導光部材としてのライトガイド２と、選光部材としてのコリメータ３と、検知部材４とを備えている。そして、図２に示すように、この二次元模様認識センサ１は、ライトガイド２とコリメータ３と検知部材４とが積層された状態で固定されている。本実施の形態では、ライトガイド２の厚さを約１〜３ｍｍに形成し、二次元模様認識センサ１の厚さを５ｍｍ以下に形成している。
【００１７】
ライトガイド２は薄板状に形成されるとともに、光透過性を有する材料で形成されている。本実施の形態ではガラスが用いられている。ライトガイド２は、光源５が収容された光源部６と、物体当接面７を有するガイド本体８と、光源部６の端部とガイド本体８の端部とを接続する接続部９より構成されている。光源部６は、ライトガイド２の端部であって、ライトガイド２の幅方向（図２の紙面直交方向）のほぼ中央に配置されている。そして、光源５の発光部５ａが接続部９側に位置するように横向きに配置され、接続部９側に向かって光が放射される。本実施の形態では、光源５として発光ダイオードが用いられている。ガイド本体８は、略正方形状に形成されている。そして、ライトガイド２のコリメータ３と反対側、即ちライトガイド２の上面が物体当接面７を形成している。
【００１８】
図３は、ライトガイド２を裏面から見た概略斜視図である。図３に示すように、ライトガイド２のコリメータ３側、即ちライトガイド２の下面（図３では上面）には、複数の平坦面１０と、光が不規則に散乱（乱反射）するように複数の微小な凹凸を有する乱反射部としてのナシ地面１１とが形成されている。平坦面１０は円形状に形成され、格子状に整列されるように、幅方向及び長さ方向（図２の左右方向）ともに等間隔に配置されている。
【００１９】
コリメータ３は、物体当接面７と同じ大きさの薄板状に形成されている。コリメータ３には、平坦面１０から入射された光を検知部材４側に透過する光路１２が形成されている。光路１２は、マイクロホール１２ａとマイクロホール１２ａ内に充填された充填材１２ｂ（図４にのみ図示）とを備えている。マイクロホール１２ａはコリメータ３を貫通するように円柱状に設けられた孔で構成され、平坦面１０と対向する位置ごとに設けられている。充填材１２ｂは、空気の屈折率（ｎ＝１）よりも大きな屈折率を有する材料で形成され、本実施の形態ではライトガイド２を形成するガラスの屈折率（ｎ＝１．４６）に近い屈折率のシリコンオイル（ｎ＝１．４０）が用いられている。図２に示すように、各マイクロホール１２ａは、コリメータ３と垂直であって長手方向（図２の左右方向）に平行な面において、同一の傾斜角度となるように形成されている。この傾斜角度は、物体当接面７に物体が当接していない状態のとき、ライトガイド２内から物体当接面７側に進む光の臨界角、即ち物体当接面７で全反射の起こる入射角度のうち物体当接面７の垂直な線に対して最小となる角度で平坦面１０に入射された光を、光路１２に導入できる角度に設定されている。本実施の形態では、充填材１２ｂとしてシリコンオイルが用いられていることから、マイクロホール１２ａの傾斜角度はライトガイド２内から物体当接面７側に進む光の臨界角とほぼ同一の角度に形成されている。
【００２０】
検知部材４は、物体当接面７と同じ大きさの薄板状に形成されている。検知部材４には、光を検知するＣＣＤ（charge-coupled-device ）１３が光路１２と対向する位置ごとに設けられている。ＣＣＤ１３は、光路１２を通過した光の量を検知し、これを電圧に変換して検出信号を出力する。
【００２１】
そして、図示しない信号処理装置がＣＣＤ１３と接続され、ＣＣＤ１３から出力された信号を処理する。例えば各ＣＣＤ１３の出力電圧が基準値以下となったときにオン信号又はオフ信号としてデジタル化し、このオン信号又はオフ信号を画像データとして使用することにより、二次元の模様を認識することができる。
【００２２】
次に、以上のように構成された二次元模様認識センサ１の作用について説明する。
図２に示すように、ライトガイド２の端部に設けられた光源５からの光は、ライトガイド２内をガイド本体８に向かって進行する。接続部９は光源部６から遠ざかるにつれて幅広に形成されており、光源５からの光はガイド本体８の全幅方向に広がる。また、光源５からの光はライトガイド２の上面及び下面方向にも進行する。ライトガイド２の上面、即ち物体当接面７に対応した位置に入射された光は、一部が二次元模様認識センサ１の外部に放出され、残りは反射されてライトガイド２内を下面方向に向かって進行する。そして、ライトガイド２の下面には平坦面１０及びナシ地面１１が形成されており、ナシ地面１１に対応する位置に入射された光は、図４に示すように、乱反射され不規則に反射方向が変化する。その結果、光源５から放出された光は、ライトガイド２内の全ての方向に向かって進行する。
【００２３】
一方、平坦面１０に対応する位置に入射された光のうち、マイクロホール１２ａの傾斜角度（ライトガイド２内から物体当接面７側に進む光の臨界角）で光路１２に入射した光がＣＣＤ１３に到達する。これは、シリコンオイルは空気より屈折率が大きいことから、平坦面１０でのライトガイド２のガラスと充填材１２ｂのシリコンオイルとの臨界角は、物体当接面７でのライトガイド２のガラスと空気との臨界角より大きくなり、平坦面１０に入射された光は平坦面１０で反射せずに光路１２に入射するためである。そして、シリコンオイルとガラスとは屈折率がほぼ等しいことから、光はほぼ直線状に光路１２に入射する。また、光路１２に入射された他の光はマイクロホール１２ａの壁面に反射してＣＣＤ１３に到達するが、その量は微量である。そして、ＣＣＤ１３では、この検知した光の量に対応する電圧信号を出力する。
【００２４】
次に、物体当接面７に物体（例えば指）が当接すると、図５に示すように、指１４が当接した箇所で光が吸収され、ライトガイド２内に反射する光の量が減少して反射率が減少する。この減少した光が平坦面１０を通過して光路１２に進行し、ＣＣＤ１３に到達する。ＣＣＤ１３では、この減少した光の量に対応した検出信号を出力するため、指１４が当接した箇所に対応した位置のＣＣＤ１３では、出力される電圧は減少する。
【００２５】
そして、図示しない信号処理装置でＣＣＤ１３から出力された信号が処理され、ＣＣＤ１３の出力電圧がデジタル化され、このデジタル信号が画像データとして使用される。これにより、各ＣＣＤ１３に対応する位置の物体当接面７に当接した指１４の二次元の模様が認識される。
【００２６】
一方、二次元模様認識センサ１の外部からの光、即ち物体当接面７に外部から入射する光は、マイクロホール１２ａが所定角度だけ傾斜して形成されていることから、ＣＣＤ１３に到達しにくい。また、光源５の光に比べて微量である場合が多く、外部からの光の影響を受けにくくなる。
【００２７】
上記実施の形態によれば、以下に示す効果を有する。
（イ）二次元模様認識センサ１はライトガイド２，コリメータ３及び検知部材４で構成され、また光源５はライトガイド２の側面に設けられている。従って、二次元模様認識センサ１を薄型にすることができる。また、二次元模様認識センサ１の構造を簡単にすることができる。
【００２８】
（ロ）ライトガイド２の側面に設けられた光源５から発生させた光を物体当接面７で反射させ、またコリメータ３により特定の光をＣＣＤ１３に導いているので、二次元模様認識センサ１の外部からの光を遮断するカバーを設ける必要がなく、二次元模様認識センサ１を薄型にすることができる。一方、二次元模様認識センサ１の外部からの影響を受けにくく、二次元模様認識センサ１の精度が向上する。
【００２９】
（ハ）ライトガイド２の下面にはナシ地面１１が形成されていることから、光源５からの光は乱反射され、その結果、光源５から放出された光はライトガイド２内の全ての方向に向かって進行する。従って、物体当接面７に物体が当接していない状態での光路１２に入射した光の量が均一化され、二次元模様認識センサ１の精度が向上する。また、ライトガイド２の幅方向の端部では、光路１２に入射される光の量が増え、二次元模様認識センサ１の精度が向上する。
【００３０】
（ニ）マイクロホール１２ａの傾斜角度を、物体当接面７に物体が当接していない状態のとき、ライトガイド２内から物体当接面７側に進む光の臨界角とほぼ同一の角度に設定し、充填材１２ｂとしてシリコンオイルが用いたことから、物体当接面７で全反射した光が光路１２を通過する。従って、物体当接面７に物体が当接した前後でのＣＣＤ１３で検知する光の量の変化は大きくなり、二次元模様認識センサ１の精度が向上する。
【００３１】
（ホ）マイクロホール１２ａの傾斜角度を、物体当接面７に物体が当接していない状態のとき、ライトガイド２内から物体当接面７側に進む光の臨界角とほぼ同一の角度に設定したので、マイクロホール１２ａの傾斜角度が小さくなる。従って、マイクロホール１２ａの形成が容易になる。
【００３２】
（ヘ）マイクロホール１２ａは、コリメータ３と垂直であって長手方向に平行な面において、同一の傾斜角度となるように形成されているので、二次元模様認識センサ１の大きさが同じ場合に、光路１２及びＣＣＤ１３を多く配置できる。従って、二次元模様認識センサ１の精度を向上させることができる。
【００３３】
（ト）コリメータ３として薄板状物にマイクロホール１２ａを形成し、マイクロホール１２ａ内に充填材１２ｂとしてのシリコンオイルを充填するだけで、物体当接面７で全反射した光をライトガイド２から光路１２に導入することができ、二次元模様認識センサ１の構造を簡単にすることができる。
（第２の実施の形態）
次に、第２の実施の形態を図６〜図８に従って説明する。
なお、この実施の形態においては、前記第１の実施の形態と同様の部材については同一の符号を付して詳しい説明を省略する。従って、以下には第１の実施の形態と異なった点を中心に説明する。
【００３４】
この実施の形態では、ライトガイド２の下面側に複数の溝状の凹部１５を設けた点、及び充填材１２ｂとしてのシリコンオイルを用いずに空孔とした点が第１の実施の形態と異なっている。
【００３５】
図６は、ライトガイド２を裏面から見た概略斜視図である。図６に示すように、ライトガイド２の下面（図６では上面）には、幅方向に延びた溝状の凹部１５が複数設けられている。凹部１５は、光路１２と対向する位置（第１の実施の形態の平坦面１０に対応する位置）を含むように形成されている。図７に示すように、凹部１５は断面三角形状に形成され、光路１２と対向する傾斜面１５ａはライトガイド２内から物体当接面７側に進む光の臨界角Ｘで光路１２側に入射する光と直交するような傾斜角度（９０−Ｘ度）に形成されている。
【００３６】
また、図８に示すように、マイクロホール１２ａの傾斜角度は、ライトガイド２内から物体当接面７側に進む光の臨界角Ｘと同一角度に設定されている。
この実施の形態では、物体当接面７で全反射した光は臨界角Ｘでライトガイド２内を傾斜面１５ａに向かって進行する。この傾斜面１５ａに入射された光は、傾斜面１５ａを通過してそのまま光路１２に進行する。このように入射光がそのままの状態で光路１２に進行するのは、入射光と傾斜面１５ａとが直交するためである。そして、光路１２に進行した光はＣＣＤ１３に到達する。
【００３７】
この実施の形態によれば、第１の実施の形態の（イ）〜（ハ），（ホ），（ヘ）の効果に加え、以下に示す効果を有する。
（イ）傾斜面１５ａは、ライトガイド２内から物体当接面７側に進む光の臨界角で光路１２側に入射する光と直交するような傾斜角度に形成されていることから、傾斜面１５ａに入射した所望の光を確実に光路１２に導入させることができ、二次元模様認識センサ１の精度が低下する虞がなくなる。
【００３８】
（ロ）充填材１２ｂを用いずに空孔としていることから、コリメータ３を作成した後にシリコンオイル等を充填する必要がなく、二次元模様認識センサ１の製造が容易になる。
【００３９】
なお、実施の形態は上記に限らず、例えば以下の場合であってもよい。
○  マイクロホール１２ａの傾斜を、コリメータ３と垂直であって光源５を含む放射状の面において、同一角度に傾斜するように形成してもよい。この場合、ライトガイド２の下面に乱反射面（ナシ地面１１）を形成しなくてもよい。
○  ライトガイド２とコリメータ３との間に屈折率の大きな材料（例えば高屈折率のガラス）を介在させて接合してもよい。この場合、ライトガイド２の下面での臨界角を小さくすることができ、マイクロホール１２ａの傾斜角度を小さくすることができる。
○  第１の実施の形態において、充填材１２ｂは空気よりも大きな屈折率を有し、平坦面１０に入射された光をマイクロホール１２ａ内に導入させ、ＣＣＤ１３に到達することができるものであればよく、例えばガラスで形成してもよい。
○  第２の実施の形態において、凹部１５は光路１２と対向する位置を含むように形成されていればよく、例えば溝状に形成せずに光路１２と対向する位置ごとに形成したものであってもよい。
○  第２の実施の形態において、傾斜面１５ａの傾斜角度は、ライトガイド２内から物体当接面７側に進む光の臨界角で傾斜面１５ａに入射された光を光路１２ａに導入させ、ＣＣＤ１３に到達することができるものであればよく、傾斜面１５ａに入射された光と直交するように形成されていなくてもよい。
○  マイクロホール１２ａの傾斜角度は、物体当接面７に物体が当接した箇所で光が吸収されて光の反射率が変化した状態をＣＣＤ１３で検知できる範囲の角度であればよく、物体当接面７に物体が当接していない状態において、ライトガイド２内から物体当接面７側に進む光の臨界角の他、例えば物体当接面７で全反射が起こらない角度であってもよい。
○  ライトガイド２は、光透過性を有する材料であればよく、例えばアクリルガラスであってもよい。また、シート状のものであってもよい。
○  検知部は、検知した光に基づいて電気信号を出力することができるものであればよく、ＣＣＤ１３の他、例えばフォトトランジスタ、フォトダイオードが適用できる。
○  発光部５ａは、接続部９側に向かって光が放出できるように配置されていればよく、例えば下向きに配置されていてもよい。
○  ライトガイド２の下面の乱反射面はナシ地面１１に限らず、入射された光が乱反射されるものであればよく、例えば肉眼では平坦に見えるような細かな凹凸が設けられているものであってもよい。
【００４０】
以下に、前記実施の形態から把握できる請求項以外の技術的思想を効果とともに説明する。
（１）  請求項１〜３のいずれかにおいて、光路は物体当接面に物体が当接していない状態のとき、導光部材内から物体当接面側に進む光の臨界角と等しい角度に形成されている二次元模様認識センサ。この場合、光路の傾斜角度が小さくなり、光路の形成が容易になる。
【００４１】
（２）  請求項１において、導光部材の選光部材と対向する面には光路と対向する箇所に、物体当接面に物体が当接していない状態のとき物体当接面で全反射した光が全反射しないような角度の傾斜面を有する凹部が設けられている二次元模様認識センサ。この場合、物体当接面で全反射した光を光路内に導入させることができ、物体当接面に物体が当接した前後でのセンサで検知する光量の変化が大きくなり、二次元模様認識センサの精度が向上する。
【００４２】
（３）  請求項１〜３のいずれかに記載の二次元模様認識センサを備えた指紋判別装置。この場合、小型の指紋判別装置を提供することができる。
【００４３】
【発明の効果】
以上詳述したように、請求項１記載の発明によれば、薄型かつ簡単な構造で、センサ外部からの影響を受けずに二次元の模様を認識することができる。さらに、該効果に加えて、請求項１記載の発明によれば、物体当接面に物体が当接していない状態でのマイクロホール内に入射される光の量が均一化される。このため、二次元模様認識センサの精度が向上する。
【００４４】
請求項２に記載の発明によれば、請求項１の発明の効果に加えて、孔内に充填材を充填するだけで、導光部材からの光を光路に導入することができ、二次元模様認識センサの構造を簡単にすることができる。
【００４５】
請求項３に記載の発明によれば、請求項１の発明の効果に加えて、コリメータを作成した後に充填材を充填する必要がなく、二次元模様認識センサの製造が容易になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態の二次元模様認識センサの概略分解斜視図。
【図２】同じく二次元模様認識センサの概略断面図。
【図３】同じく導光部材を裏から見た概略斜視図。
【図４】同じくナシ地面での光の反射を示す模式図。
【図５】同じく物体当接面での光の反射を示す模式断面図。
【図６】第２の実施の形態の導光部材を裏から見た概略斜視図。
【図７】同じく傾斜面での光の透過を示す模式図。
【図８】同じく二次元模様認識センサの概略断面図。
【図９】従来のセンサの構成を示す模式図。
【符号の説明】
１…二次元模様認識センサ、２…導光部材としてのライトガイド、３…選光部材としてのコリメータ、４…検知部材、５…光源、７…物体当接面、１１…乱反射部としてのナシ地面、１２…光路、１２ａ…光路を構成するマイクロホール、１２ｂ…光路を構成する充填材、１３…検知部としてのＣＣＤ、１５…凹部、１５ａ…傾斜面。
【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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