(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に指表面が接触している状態と接触していない状態とで、内部における光の反射状態が異なる第１反射面と、前記第１反射面に対向して形成される第２反射面とを含み、前記第１反射面と第２反射面との間で交互に反射を行わせつつ光波を伝播させる導波体と、
前記導波体を通過した光波を受光する受光部と、を備え、
前記導波体内での光波の伝播経路は、前記光波により照射される前記第１反射面上において、複数の読取領域が相互に隣接するように設定され、いずれかの読取領域に接触する指の指紋が前記受光部にて読取られ、さらに、前記複数の読取領域のそれぞれについて、前記受光部で読み取った像に基づき画像データを生成する手段と、各読取領域に対応する画像データの少なくとも２つ以上を合成した合成画像データを生成する手段と、を含み、前記合成画像データに基づき、前記複数の読取領域にまたがって接触した指の指紋画像のデータを取得することを特徴とする指紋読取装置。
【請求項２】
請求項１に記載の指紋読取装置であって、
前記読取られる指紋の像を補正する補正手段をさらに含むことを特徴とする指紋読取装置。
【請求項３】
請求項２に記載の指紋読取装置であって、
前記補正手段は、
前記光波の光軸に沿って前記受光部を移動させる手段、又は
前記導波体と受光部との間に設けられるレンズ系、又は
前記導波体と受光部との間で、前記光波の伝播させる手段であって、互いに伝播経路長の異なる複数の伝播経路のいずれかを通じて前記光波を伝播させる手段、
又は
前記受光部で読み取られた像に基づき画像データを生成し、当該画像データに対する画像処理により、前記指紋の像を補正する手段、の少なくともいずれかであることを特徴とする指紋読取装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項に記載の指紋読取装置であって、
前記導波体内で、複数の経路を介して光波が伝播するよう光波を入射させる手段と、
前記導波体と前記受光部との間に設けられ、前記複数の経路の各々を介して前記導波体内を通過した光波のいずれかを選択的に前記受光部へ導く手段と、
をさらに含むことを特徴とする指紋読取装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一項に記載の指紋読取装置であって、
さらに、前記導波体上で、指が接触した位置を検出する検出手段をさらに設け、
前記検出手段によって検出された位置の情報が所定の処理に供されることを特徴とする指紋読取装置。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか一項に記載の指紋読取装置であって、
前記導波体の第１反射面及び第２反射面は、各面に略鉛直な方向から入射する光を透過させる透明体であり、前記反射は、各面での全反射によってなされ、
前記第２反射面の外面側に、前記導波体を介して第１反射面の外側から視認可能に配置されたディスプレイ手段を含むことを特徴とする指紋読取装置。
【請求項７】
請求項１から５のいずれか一項に記載の指紋読取装置であって、
前記導波体の第１反射面及び第２反射面は、各面に略鉛直な方向から入射する光を透過させる透明体であり、前記反射は、各面での全反射によってなされ、
前記第２反射面の外面側に配置される面光源と、
前記導波体へ入射する光波の入射角度を制限する手段と、
を有し、
前記面光源から放射される光波が前記導波体内を介して受光部へ達することで、第１反射面の外側面に接触した指の指紋画像を読み取ることを特徴とする指紋読取装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、指紋を読取って所定の処理に供するための指紋読取装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、いわゆるバイオメトリクスによる個人認証技術が注目されている。この中でも指紋認証は、認証される側の心理的負担が小さいなどの理由から、多くの場面での利用が期待されている。従来、指紋認証のために指紋を読み取る装置としては、図１７（ａ）に示すように、透明三角柱１と光源２と二次元イメージセンサ３とを含むものがある。光源２から放射された光波（の一部）は、透明三角柱１の読取面Ｒの内側で全反射し、二次元イメージセンサ３に到来する。
【０００３】
ここで透明三角柱１の読取面Ｒに指の表面を置くと、指紋の凸になっている部分が読取面Ｒに接触し、凹になっている部分は読取面Ｒに接触しない状態となる（図１７（ｂ））。一般的なガラス材などでは、読取面Ｒに指が接触している部分では全反射条件を満足しなくなり、当該部分では光波が反射されずに吸収される。このため、二次元イメージセンサ３に到来する光波により形成される像は、指紋の凸部に沿って暗くなっている像となる（図１８）。
【０００４】
二次元イメージセンサ３にて読み取られた像は、電気的な画像データとして認証装置（不図示）に出力される。認証装置は、認証の対象となる複数の指紋画像データを所定の情報に関連づけて記憶しており、各指紋画像データと入力される画像データとを比較して、入力される画像データに一致する指紋画像データがあれば、その指紋画像データに関連づけられている情報を利用してドアの開閉など所定の処理を実行する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の指紋読取装置では、指紋の読取面Ｒの面積が小さく、指の接触位置の自由度が低い。従って指をどこに置いたかによって処理を異ならせるような場合などには適用できず、利用場面が限られている。そこで読取面の面積を大きくすればよいが、その場合、二次元イメージセンサの読取面積を大きくし、また得られる画像データのサイズが大きくなるなど、製造コストや処理負荷など、効率面で問題がある。
【０００６】
本発明は上記実情に鑑みて為されたもので、指紋を読取可能な領域を拡大しながら、効率的に指紋読取を実現できる指紋読取装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記従来例の問題点を解決するための本発明は、表面に指表面が接触している状態と接触していない状態とで、内部における光の反射状態が異なる第１反射面と、前記第１反射面に対向して形成される第２反射面とを含み、前記第１反射面と第２反射面との間で交互に反射を行わせつつ光波を伝播させる導波体と、前記導波体を通過した光波を受光する受光部と、を備え、前記導波体内での光波の伝播経路は、前記光波により照射される前記第１反射面上において、複数の読取領域が相互に隣接するように設定され、いずれかの読取領域に接触する指の指紋が前記受光部にて読取られ、さらに、前記複数の読取領域のそれぞれについて、前記受光部で読み取った像に基づき画像データを生成する手段と、各読取領域に対応する画像データの少なくとも２つ以上を合成した合成画像データを生成する手段と、を含み、前記合成画像データに基づき、前記複数の読取領域にまたがって接触した指の指紋画像のデータを取得することを特徴とする。ここで導波体は、例えば透明多面体とすることができ、この場合光波は第１反射面と第２反射面との間で全反射を繰り返しながら導波体を通過する。この光波は、第１反射面の所定領域を照射しており、当該照射部分が読取可能領域として画定される。すなわち、複数回の全反射に係る各領域がそれぞれ読取可能領域となり、複数個所での指紋読取が可能となる。
【０００８】
ここで各読取領域と受光部との間の行路長は互いに異なるため、読取領域ごとにフォーカスや読み取られた指紋画像の大きさとが異なってしまう。そこで、これを補正する手段を設けてもよい。このような手段としては、受光部自体を移動するもの、受光部に結像する像を補正するレンズ系、互いに行路長の異なる伝播経路のいずれかを選択するもの等がある。
【０００９】
【発明の実施の形態】
［基本構成］
本発明の第１の実施の形態について図面を参照しながら説明する。本実施の形態に係る指紋読取装置は、図１に示すように、発光部１１と導波体１２と受光部１３と画像処理部１４とを含んで構成されている。発光部１１はＬＥＤ（発光ダイオード）などであり、光波を放射する。この光波はレーザーのようにビーム状である必要はない。導波体１２は、互いに対向する第１反射面２１及び第２反射面２２と側面２３とを有し、側面２３のうち、発光部１１側の面（入射面）と受光部１３側の面とは、その面にて光波が全反射しないよう、その法線と光波の光軸とが一致するようにカットされている。従って導波体１２の光波の行路に沿って破断した断面は、図２に示すように略（逆）台形状をなす。導波体１２は、例えばガラス等からなり、第１反射面２１と第２反射面２２との間で入射された光波を交互に全反射させながら受光部１３側へ導く。このとき、導波体の第１反射面においては、図３に示すように光波の行路に沿って、当該光波によって照射された領域（Ａ〜Ｄ）が一定の間隔を空けて配列された状態となる。ここで第１反射面２１のＡ〜Ｄの領域のいずれかの位置に指が接触すると、指紋の凸の部分に沿って全反射条件が満たされない部分が生じ、当該部分では光波は全反射せず、また指紋の凹部では全反射条件が満たされて、当該部分では光波が全反射する。これにより指紋の像を反映した光波が受光部１３へ導かれる。なお図２においては、全反射条件を満足し、第１反射面２１及び第２反射面２２によって全反射する角度で入射する光波のうち、受光部１３に到来するものを図示している。
【００１０】
受光部１３は二次元イメージセンサであり、導波体１２によって導かれ、導波体１２内を通過した光波の照射を受けて、受光面に受けた像を電気的信号に変換して画像処理部１４に出力する。画像処理部１４は、受光部１３から入力される電気的信号から画像データを生成し、画像データの照合などの所定の処理を行う。
【００１１】
すなわち、本実施の形態によると、発光部１１が放射した光波が、第１反射面と第２反射面との間で、複数回に亘り、交互に反射されて導波され、これにより第１反射面上で複数の領域が照射され、この照射された領域のどれかに指を置くと、指紋の像を反映して一部の光波が受光部１３に到来することとなる。いわばこの領域は指紋画像の読取可能領域として画定される。このように本実施の形態によれば、指の接触位置の自由度を高めることができ、利用場面を拡大できる。
【００１２】
［サイズ・フォーカスの補正］
このように図３のＡ〜Ｄのどの位置に指が置かれた場合でも指紋の像が捉えられるようにすると、例えば受光部１３から最も遠い位置にある図３のＤの位置に指が置かれた場合と、図３のＣの位置に指が置かれた場合とでその行路差は、第１反射面２１と第２反射面２２との距離をｔとして２ｔ／ｃｏｓθ（ただしθは、第１反射面２１の法線と光波の行路とのなす角）となる。従って、仮に当初図３のＤの位置に指が置かれた場合に合わせて指紋サイズとフォーカスの調整が行われていると、図３のＣの位置に指が置かれたときには、受光部１３を光波の光軸（行路方向）に沿って２ｔ・ｎ／ｃｏｓθだけ導波体１２から離すことが好ましい。ここでｎは、導波体１２の屈折率である。そこで受光部１３を当該光軸方向に沿って移動するよう、図４に示すように受光部１３を容体３１に収納し、リニアアクチュエータ３２により駆動されるロッド３３にこの容体３１を固着し、これにより容体３１ごと受光部１３が光軸方向に移動可能としておく。なお、この機構の他にも、直線方向に受光部１３を移動する機構であれば、いかなるものを用いてもよい。
【００１３】
指紋認証処理
ここで注意すべきことは、指が現実にＡ〜Ｄのどの位置に置かれたかを知る必要が必ずしもないことである。すなわち現実の位置に関わらず、Ａ〜Ｄの各位置に指が置かれたと想定して受光部１３をそれぞれ移動して得た画像データａ〜ｄについて指紋認証の処理（画像データの照合処理）を行って、いずれかの画像データで照合が達成されれば認証に成功したものとすることができるからである。
【００１４】
光学系を利用した補正
サイズ・フォーカスの補正は、上述のように受光部１３の位置を移動するだけでなく、導波体１２と受光部１３との間にズームレンズを含んだ（屈折）光学系（レンズ系）を設け、この光学系においてズーム率を変更することで補正を実現することも可能である。
【００１５】
反射光学系を利用した補正
さらにサイズ・フォーカスの補正を行う構成として、図５に示すように第１可動ミラー４１と、第１反射面２１上の読取可能領域の数に対応して設けられた複数の固定ミラー４２ａ，ｂ…と、第２可動ミラー４３とを含んでなる反射光学系を利用してもよい。第１可動ミラー４１は反射面を所定の軸を中心に回転させるもので、導波体１２を通過した光波を複数の固定ミラー４２のいずれかに導く。第２可動ミラー４３は、第１可動ミラーと同様のもので、いずれかの固定ミラー４２から反射されて導かれた光波を受光部１３に導く。固定ミラー４２は、図５に示すように略平行に配列されていてもよく、各可動ミラー４１，４３までの距離の合計（行路長）が、それぞれ２ｔ・ｎ／ｃｏｓθずつずれるように配置される。
【００１６】
従って例えば指が図３のＡ〜Ｄのそれぞれについて、第１可動ミラー４１及び第２可動ミラー４３の回転角が調整され、指が図３のＡの位置に置かれたときには固定ミラー４２ａを介して光波が導かれるように、図３のＢの位置に置かれたときには固定ミラー４２ｂを介して光波が導かれるように、といったように、反射光学系内の行路が決定される。
【００１７】
画像データを利用した補正
さらにサイズの補正に関しては、画像処理部１４において画像データに対して広く知られた方法で拡大縮小処理を実行することでサイズ補正を実現してもよい。
【００１８】
［複数系列の光波］
ここまでは、光源となる発光部１１が一つであり光波の行路が一系列だけである場合について説明したが、発光部１１を複数設けて光波を複数系列とすることで、図６に示すように、読取加納領域をマトリクス状に配列することも可能となる。この場合において、導波体１２を通過した各系列の光波に、それぞれ対応する受光部１３を設けて、各受光部１３にて指紋の像を受光するようにしてもよいが、図７に示すように、固定ミラー群５１と可動ミラー５２とを用いていずれかの系列の光波を選択的に、一つの受光部１３に導くようにしてもよい。
【００１９】
さらに導波体１２の側面２３のうち、隣接する２つの側面２３を光波の入射面とすることで、図８に示すように、読取可能領域を同心円状に配置することも可能となる。この場合、当該同心円の中心近傍に可動ミラー５５を配置し、これを同心円の角度方向に沿って回転するよう駆動しながら導波体１２を通過した光波を受光部１３側に導くことも好ましい。
【００２０】
これらの場合においても、画像のサイズ、フォーカスを補正するために、受光部１３を移動したり、屈折光学系を用いたり、反射光学系を用いたり、画像データの補正をおこなったりすることが好適である。
【００２１】
［連続的な読取可能領域］
また、図２に対応する図９（ａ）に示すように、光波の入射面をその高さ方向の幅全体に亘って平行光線が入射されるよう、スリット等を利用して発光部１１からの光波を調整すれば、読取可能領域が互いに隣接して連続的な読取可能領域を生成できる。なお図９（ａ）では、入射面と第１反射面２１とのなす角を４５度に設定した場合を例として説明しているが、この角に限るものではなく、当該角がθ度の場合（この場合、入射面の法線に沿って光波が入射すれば反射角もθとなる）、図９（ｂ）に示すように、第２反射面２２側の辺から高さ方向に２ｔ×ｓｉｎθ以上の幅（ただしｔは第１反射面２１と第２反射面２２との間の距離）を有する平行光線を入射すればよい。このようにすると、第２反射面２２側の端部から入射した光波が第１反射面２１を照射する点と、第１反射面２１に近い方の平行光線の端部から入射した光波が第１反射面２１にて一度反射され、第２反射面２２でさらに反射され、第１反射面２１に戻ったときに、第１反射面２１を照射する点とが一致し（点Ｐ）、従って読取可能領域が連続的になる。なお平行光線は、屈折光学系と点光源とを用いて得られるものでよい。
【００２２】
この場合において、複数系列の光波を用いることで読取可能領域を図１０に示すように平面的に配列できるようになる。
【００２３】
分断された指紋画像
こうして読取可能領域を連続的にすると、指を置く位置に自由度を持たせることができるものの、複数の読取可能領域にまたがって指が置かれると、指紋の画像が分断して読み取られてしまう場合がある。そこで画像処理部１４は、各読取領域に対応する画像データの少なくとも２つ以上を合成した合成画像データを生成し、この合成画像データに基づき、指紋画像のデータを取得する。具体的に、１つの系列の光波を用いた場合に、図３の読取可能領域ＡとＢとにまたがって指が置かれた場合、画像処理部１４が得る画像データは図１１（ａ）に示すようになる。つまり読取可能領域の境界線で指紋が左右に分断され、左側が画像データの右辺側に、指紋の右側が画像データの左辺側にそれぞれ現れる。そこで画像処理部１４は画像データを複写して繋ぎ合わせ、合成画像データを生成する（図１１（ｂ））。
【００２４】
なお、実際には読取可能領域ＡとＢとではサイズやフォーカスがずれるので、左側と右側との画像のうち一方はややぼやけた状態となる。既に述べたような補正を行う場合、例えば４つの読取可能領域Ａ〜Ｄのそれぞれに合わせて補正された各画像データＩａ〜ＩｄについてＩａとＩｂ、ＩｂとＩｃ、ＩｃとＩｄ、の各組を繋ぎ合わせた合成画像データを生成する。このようにして生成された合成画像データが画像データの照合などの処理に供される。
【００２５】
またこの処理は、複数の系列の光波を用いる場合も同様である。読取可能領域の面積を、読取対象となる指表面の面積をカバーするようにしておく場合、指がどこに置かれたとしても、連続する２×２個の読取可能領域を繋ぎ合わせて合成画像データを生成すれば、指紋の画像が得られることとなる（図１１（ｃ））。なお、この場合において合成画像データのうち指紋画像の部分を所定の画像処理技術を適用して抽出してから画像照合などの処理を行うことも好ましい。
【００２６】
［指位置の検出］
導波体１２上でどの位置に指が置かれたかを検出し、これを上述の補正処理等に供すれば、より的確な補正や合成画像データの生成を支援できる。そこで指が接触した位置を検出する検出手段として、例えば図１２に示すように、第１反射面２１の外側に、その外周に沿って半周に亘って設けられ、第１反射面２１の面に平行に投光する投光器群６１と、この投光器群６１に対向して第１反射面２１の外周の半周に亘って設けられ、各投光器からの光を受光する受光器群６２とを備えたものがある。これにより投光器からの光が遮られる位置によって指の位置を検出する。
【００２７】
また図１３に示すように、第１反射面２１の第１の軸（Ｘ軸）方向に進行する複数系列の光波と、このＸ軸方向に略直交する第２の軸（Ｙ軸）方向に進行する複数系列の光波とを用いてマトリクス状に指紋画像を取得する場合、Ｘ軸方向の複数系列の光波のうち指紋画像が得られる系列がどれであるかの情報と、Ｙ軸方向の複数系列の光波のうち指紋画像が得られる系列がどれであるかの情報とに基づき、指が接触した位置を検出することもできる。すなわち図１３において読取可能領域Ｐに指が接触していれば、Ｘ軸方向に進行する系列Ｘ１とＹ軸方向に進行する系列Ｙ１とによって指紋画像が得られ、この交点として指が現実に接触する位置Ｐが検出できる。
【００２８】
検出した指位置の利用
こうして検出した指位置の情報は、補正の処理に適用して受光部１３の位置決め制御などに利用できる。また合成画像データを生成する場合、どの読取可能領域の画像データを合成すべきかを決定するのに利用できる。
【００２９】
［ディスプレイとの組み合わせ］
本実施の形態においては、第１反射面２１及び第２反射面２２は、その法線方向に進行する光波については略透過することとなるので、第２反射面２２の外側に第２反射面２２側に向けて液晶ディスプレイやＣＲＴ等を配置すれば、利用者に対してメッセージ等を表示でき、例えば図１４に示すように選択肢を提示するなどの用途に適用できる。
【００３０】
［面光源を利用する構成］
次に本発明の第２の実施の形態に係る指紋読取装置について説明する。本実施の形態の指紋読取装置は図１５（ａ）及びそれをＡ−Ａ線で破断した断面である図１５（ｂ）に示すように、面発光部１５と導波体１２と受光部１３と画像処理部１４とを含んで構成されている。なお第１の実施の形態と同様の構成をとるものについては同じ符号を付して詳しい説明を省く。
【００３１】
面発光部１５は、導波体１２の第２反射面２２の外側に配置され、第２反射面２２の法線方向に進行する光波を導波体１２に第２反射面２２を介して入射する。なお側面２３側からは光が入射しないよう、受光部１３側の面を除いて遮光板を張りめぐらしておくことも好ましい。この場合において導波体１２の第１反射面２１の外面に指が接触すると、図１６（ａ）に示すように、指紋の凸部では第１反射面２１内側へ散乱する散乱光が発生する。また指紋の凹部へは光波は、そのまま第１反射面２１を透過して外部へ進行する。本実施の形態では、この散乱光を受光して指紋画像を得ようとするものである。すなわち図１６（ｂ）に示すように、この散乱光の一部が、第１、第２反射面２１，２２の間で全反射しながら受光部１３側へ導かれる。なお、こうして得られる指紋画像は、指紋の凸部で散乱された光波を見ることとなるので、図１８に示したものとは明暗が逆転した状態となる。
【００３２】
ここで面発光部１５は必ずしも一つでなくとも構わない。例えば、読取可能領域分の面積の面発光部１５を複数配列してもよい。この場合、複数の面発光部１５のうち一つを選択的に順次点灯することで、受光部１３にて指紋画像が得られたときに点灯している面発光部１５の位置によって指が接触している位置をも調べることができる。なお、ここで面発光部１５はディスプレイでも構わない。
【００３３】
また、本実施の形態においても、第１の実施の形態における補正処理を行うこととしてもよい。さらに複数の面発光部１５を配列する場合、各面発光部１５を隣接することで連続的な読取可能領域を画定でき、この場合、画像データを繋ぎ合わせて合成画像データを生成することとするのも好ましい。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によると、少数の発光部及び受光部を用いて、指紋を読取可能な領域を複数にでき、効率的な指紋読取を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１の実施の形態に係る指紋読取装置の概要を表す図である。
【図２】  本発明の第１の実施の形態に係る指紋読取装置における光波の行路を表す説明図である。
【図３】  読取可能領域の状態を表す説明図である。
【図４】  指紋画像の補正を行うための構成例を表す図である。
【図５】  指紋画像の補正を行うための別の構成例を表す図である。
【図６】  光波を複数系列にしたときの行路の概要を表す説明図である。
【図７】  複数系列の光波を一つの受光部で受けるときの構成例を表す図である。
【図８】  光波を複数系列にしたときの行路の他の例を表す説明図である。
【図９】  読取可能領域を連続的にするときの光波の入射経路を表す説明図である。
【図１０】  読取可能領域を連続的にしたときの概要を表す説明図である。
【図１１】  連続的な読取領域間にまたがって指が置かれたときの指紋画像の例と、それらを合成して指紋画像を取得する例とを表す説明図である。
【図１２】  指の位置を検出する構成の一例を表す説明図である。
【図１３】  指の位置を検出する構成の他の一例を表す説明図である。
【図１４】  ディスプレイに表示する内容の一例を表す説明図である。
【図１５】  本発明の第２の実施の形態に係る指紋読取装置の概要を表す図である。
【図１６】  本発明の第２の実施の形態に係る指紋読取装置における光波の行路を表す説明図である。
【図１７】  従来の指紋読取装置の概要を表す図である。
【図１８】  一般的な指紋画像の一例を表す説明図である。
【符号の説明】
１  透明三角柱、２  光源、３  二次元イメージセンサ、１１  発光部、１２導波体、１３  受光部、１４  画像処理部、１５  面発光部、２１  第１反射面、２２  第２反射面、２３  側面、３１  容体、３２  リニアアクチュエータ、３３  ロッド、３５  光学系、４１  第１可動ミラー、４２  固定ミラー、４３  第２可動ミラー、５１  固定ミラー群、５２，５５  可動ミラー、６１  投光器群、６２  受光器群。
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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