(57)【要約】【課題】簡単なセンサ構造で、指の表面状態や指の表面の個人差に依存しにくい生体検知方法を有した生体認証装置を提供する。【解決手段】照明手段と、照明手段により発生する被写体内部の散乱光を利用して、生体認証のための画像を取得する生体認証装置であって、異なる波長での被写体内の散乱光分布情報を取得し、散乱光分布情報を比較する比較手段と、その比較の結果により生体検知を行なう生体検知手段と、を有する。【選択図】図１
2009009403.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
照明手段と、前記照明手段により発生する被写体内部の散乱光を利用して、生体認証のための画像を取得する生体認証装置であって、
異なる波長での前記被写体内の散乱光分布情報を取得し、前記散乱光分布情報を比較する比較手段と、
その比較の結果により生体検知を行なう生体検知手段と、
を有することを特徴とする生体認証装置。
【請求項２】
請求項１に記載の生体認証装置であって、
前記照明手段は、
生体認証のための赤外波長を有する第１の照明手段と、
前記被写体内の散乱光分布情報を比較するための可視光波長を有する第２の照明手段と、
を有することを特徴とする生体認証装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の生体認証装置であって、
前記第２の照明手段は、相互に近傍に配置した異なる波長を有した２つの光源を有し、
前記生体認証装置は、更に前記光源を順々に切り替え出射する手段を有することを特徴とする生体認証装置。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れか１項に記載の生体認証装置であって、
前記第２の照明手段は、少なくとも波長が６１０ｎｍより長い波長帯域（約６１０〜８００ｎｍ）の光と、波長が５７０ｎｍより短い波長帯域（約４００〜５７０ｎｍ）の光とを出射することを特徴とする生体認証装置。
【請求項５】
請求項１乃至３の何れか１項に記載の生体認証装置であって、
前記第２の照明手段は、赤色の光と、緑色の光とを出射することを特徴とする生体認証装置。
【請求項６】
請求項１、２、４又は５に記載の生体認証装置であって、
画像読み取り手段を更に有し、前記画像読み取り手段は波長分離手段を有することを特徴とする生体認証装置。
【請求項７】
請求項１乃至６の何れか１項に記載の生体認証装置であって、
前記被写体内の散乱光分布情報として、前記被写体の形状に起因する輝度シェーディングを検知する手段を有することを特徴とする生体認証装置。
【請求項８】
請求項１乃至７の何れか１項に記載の生体認証装置であって、
前記生体認証装置は、前記被写体が密着する光学部材と前記光学部材に密着した撮像素子を有する画像読み取り手段を有し、
前記第２の照明手段は、前記被写体画像を取得するために密着させる光学部材の撮像面の他の領域から前記被写体を照明する位置に配置されることを特徴とする生体認証装置。
【請求項９】
請求項８に記載の生体認証装置であって、前記第２の照明手段は、前記被写体に対して前記光学部材の撮像面と同じ面に配置され、前記被写体にほぼ接する下部から光を出射する位置に配置されることを特徴とする生体認証装置。
【請求項１０】
照明手段と、前記照明手段により発生する被写体内部の散乱光を利用して、生体認証のための画像を取得する画像読み取り手段を有する生体認証装置であって、
前記照明手段が光を出射する場合の画像と光を出射しない場合の画像との差分画像を取得する外光除去手段を有することを特徴とする生体認証装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載の生体認証装置であって、
前記画像読み取り手段は、可視光を分離する手段を設けた画素群を有し、
前記生体認証装置は、前記画素群を切り替えることで取得した画像の波長帯域を切替える切替手段と、取得した画像を相互に比較する手段を有することを特徴とする認証装置。
【請求項１２】
照明手段と、前記照明手段により発生する被写体内部の散乱光を利用して、生体認証のための画像を取得する画像読み取り手段を有する生体認証装置であって、
前記画像読み取り手段は、波長分離手段を設けた画素群を有し、
前記生体認証装置は、前記画素群を切り替えることで取得した画像の波長帯域を切替える切替手段と、取得した画像を相互に比較する手段を有することを特徴とする生体認証装置。
【請求項１３】
第１の波長成分の被写体画像を取得するステップと、
第２の波長成分の被写体画像を取得するステップと、
第１の波長成分の被写体画像を取得するステップと第２の波長成分の被写体画像を取得するステップで得られた被写体画像から波長の異なる複数の被写体面内の散乱光分布情報を比較するステップと、
比較の結果により前記被写体が生体か否かを判別するステップと、
を有することを特徴とする生体検知方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の生体検知方法であって、
第１の光量で前記被写体を照明するステップと、
第２の光量で前記被写体を照明するステップと、
第１の光量で前記被写体を照明するステップと、第２の光量で前記被写体を照明するステップで得られた画像から差分を求めることで外光成分を除去するステップと、
第１の光量で前記被写体を照明するステップと、第２の光量で前記被写体を照明するステップで得られた画像から差分を求めることで外光成分を除去するステップから得られた画像を利用して前記被写体の生体検知を行なうことを特徴とする生体検知方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生体認証用の画像取得装置及びそれを用いた生体認証装置、特に、照明手段を有し、被写体内部の散乱光を利用した生体認証装置に関する。生体認証装置は、指紋認証、掌紋認証装置等として応用される。
【背景技術】
【０００２】
近年、個人情報や機密情報に対するセキュリティを確保するため、指紋認証装置などの生体認証システムが注目され、事務機器や携帯機器への需要も高まっている。こうした指紋や静脈、顔、虹彩、掌紋などを用いた生体認証システムは、画像取得装置において生体の画像を取得して、この取得した画像から特徴抽出を行い、その情報を基に登録済みのデータと照合を行い、本人であることを認証する。
【０００３】
ここで、生体認証システムに用いられる画像取得装置の検出方式としては、ＣＣＤやＣＭＯＳセンサなどの撮像素子を用いた光学方式や、静電容量方式、圧力検知方式、感熱方式、電界検出方式などがある。光学方式のなかには、反射光学式と散乱光方式が知られている。生体の部分の例として指をあげると、プリズムの上に指を置き、撮像面から光を入射して指表面の反射光を撮影するのが反射光学式である。一方、撮像素子上に設けたプレート状の光学部材に指を置き、撮像面以外の領域から指を照明し、指の内部を散乱して指内部から指表面に出射する光をプレート状の光学部材を介して撮像素子で受光する方式が指内部の散乱光方式である。撮像素子上に設けたプレート状の光学部材に接した指紋の隆線部（凸部）からの光は、プレートを介して撮像素子に達する量が多い。一方、プレート形状をした光学部材に接しない指紋の隆線部以外（凹部）からの光は、指表面とプレートの間の空間で散乱するためプレートを介して撮像素子に入射する量が少ない。このコントラスト差を利用することで、指紋画像を取得する。生体内部（被写体内部）の散乱光を用いた光学方式は、プリズムを用いた反射光学式と比較して生体表面の状態（乾燥や湿潤）に左右されにくい点から、良好な生体認証結果を得られる画像取得方式として知られている。
【０００４】
こうした生体認証装置においては認証能力以外に、本来認証すべき生体以外の物、偽生体等を検出する機能が求められている。偽生体とは、例えば指紋認証の場合は、樹脂やプラスチックなどで作られた偽指や写真などで作成された偽指紋画像、あるいは残留した指紋をフィルムに転写した物などがあげられる。
【０００５】
特許文献１には、偽生体を識別する機能を有した認証装置の一例が開示されている。ここでは、赤外感度を有するブロックと、赤外感度を有しないブロックを持つ光学イメージセンサを用いて、得られた画像をフーリエ変換等を行い鮮明さの違いにより生体と偽生体を識別する方法が開示されている。
【０００６】
また、特許文献２では、ヘモグロビンの吸光係数を利用する構成が開示されている。検査面に接触された指に、プローブ光と参照光とを出射する。指の内部を透過した透過プローブ光を受光し、透過プローブ光の光強度に応じた電気信号と、参照光が指の内部を透過した透過参照光を受光し、透過参照光の光強度に応じた電気信号とを出力する。出力された両電気信号により透過プローブ光の光強度と透過参照光の光強度との透過光強度比を求め、透過光強度比から指が生体であるか否かを識別する。
【特許文献１】特開２００２−０４２１１７号公報
【特許文献２】特開２０００−２０６８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
光学方式の生体認証装置において、生体の画像の鮮明性や光強度情報から生体と偽生体を判別する構成においては、次のような制約が懸念される。
【０００８】
１つは、個人差や人種差に大きく依存して、識別しにくいケースがある点である。赤外と可視光での強度比や鮮明さのみを図る方法では「皮膚の色や指の表面状態により得られる出力が大きく左右されやすい」課題がある（課題α）。透過率は個人差や人種により大きくばらつく。また、鮮明さも、指の乾燥や湿潤状態や、個人の指の荒れ状態により大きくばらつく。これにより、ばらつきの許容範囲を大きくとれば偽生体も生体と誤認識が多くなり、ばらつきの許容範囲を小さくとれば生体も偽生体と誤認識してしまうトレードオフとなる。さらに、これを悪用された場合、カラー指紋画像を印刷したフィルムのように赤外と可視光の透過率や指の指紋パターンなどの鮮明さを生体にあわせた物を用いる等により、誤検出を起す偽指の作成が可能になってしまう（課題α）。
【０００９】
さらに、赤外感度と赤のように近い波長を識別する場合は、高い精度で波長に対する感度を制御する必要や赤外感度に差を持たせた画素ブロックが必要になるなど「複雑なセンサ構造が必要になる」問題があった（課題β）。
【００１０】
また、赤外光を多く含んだ西日の入る窓近くで取得した場合と、蛍光灯の下では「外光が入り込むことにより赤外割合が変化することで鮮明性や光強度が変化してしまう」懸念もある（課題γ）。
【００１１】
そこで、本発明は、波長による強度比や鮮明性とは異なる方法を用いて、簡単なセンサ構造で、指の表面状態や指の表面の個人差に依存しにくい（課題α、βの解決）生体検知方法を有した生体認証装置を提供することを目的とする。また、外光に強い（課題γの解決）生体検知方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上述の課題を解決するため本発明では、指内部の散乱光を利用した生体認証装置において、被写体である指の中心や周囲など場所により散乱光分布に差異が発生することに着目した。特に、認証用の画像取得に用いられる赤外光と比較して可視光では、波長が短くなるほど距離に対して減衰する光量の割合が大きくなるとともに、骨などの構成物により散乱が妨げられやすくなる。この散乱光分布（場所依存性、輝度シェーディング）の波長による変化を利用して、偽指や残留指紋が判別できることを見出した。
【００１３】
複数の可視波長を用いて、それぞれの波長での散乱光分布を比較することで、被写体の３次元的な情報が得られるため、容易に偽指や残留指紋を識別できる。光強度の絶対値や割合ではないため、指の表面の色などの個人差に依存しにくい。また、鮮明さのように細かな画像パターンを用いず、指の形状に近い比較的変化の緩やかな場所依存性＝シェーディングを用いるため、指の表面状態などの個人差に依存しにくい（課題αが解決される）。
【００１４】
また、入手しやすい複数の可視波長を有したＬＥＤ光源や画素状に設けたカラーフィルタ等で複数の可視波長の画像を取得できるため、センサ構造も複雑にならず、簡単な構成で実現できる（課題βが解決される）。
【００１５】
さらに、光源と画像読み取り手段を制御することで、外光の影響を除去したうえで生体検知や認証を行なうことが出来る（課題γが解決される）。
【００１６】
このことを利用して、以下の構成とした。
【００１７】
本発明による第１の生体認証装置は、照明手段と、前記照明手段により発生する被写体内部の散乱光を利用して、生体認証のための画像を取得する生体認証装置であって、異なる波長での前記被写体内の散乱光分布情報を取得し、前記散乱光分布情報を比較する比較手段と、その比較の結果により生体検知を行なう生体検知手段と、を有することを特徴とする。
【００１８】
上記の生体認証装置において、前記照明手段は、生体認証のための赤外波長を有する第１の照明手段と、前記被写体内の散乱光分布情報を比較するための可視光波長を有する第２の照明手段と、を有するようにしてもよい。
【００１９】
上記の生体認証装置において、前記第２の照明手段は、相互に近傍に配置した異なる波長を有した２つの光源を有し、前記生体認証装置は、更に前記光源を順々に切り替え出射する手段を有するようにしてもよい。
【００２０】
上記の生体認証装置において、前記第２の照明手段は、少なくとも波長が６１０ｎｍより長い波長帯域（約６１０〜８００ｎｍ）の光と、波長が５７０ｎｍより短い波長帯域（約４００〜５７０ｎｍ）の光とを出射するようにしてもよい。
【００２１】
上記の生体認証装置において、前記第２の照明手段は、赤色の光と、緑色の光とを出射するようにしてもよい。
【００２２】
上記の生体認証装置において、画像読み取り手段を更に有し、前記画像読み取り手段は波長分離手段を有するようにしてもよい。
【００２３】
上記の生体認証装置において、前記被写体内の散乱光分布情報として、前記被写体の形状に起因する輝度シェーディングを検知する手段を有するようにしてもよい。
【００２４】
上記の生体認証装置において、前記生体認証装置は、前記被写体が密着する光学部材と前記光学部材に密着した撮像素子を有する画像読み取り手段を有し、前記第２の照明手段は、前記被写体画像を取得するために密着させる光学部材の撮像面の他の領域から前記被写体を照明する位置に配置されるようにしてもよい。
【００２５】
上記の生体認証装置において、前記第２の照明手段は、前記被写体に対して前記光学部材の撮像面と同じ面に配置され、前記被写体にほぼ接する下部から光を出射する位置に配置されるようにしてもよい。
【００２６】
本発明による第２の生体認証装置は、照明手段と、前記照明手段により発生する被写体内部の散乱光を利用して、生体認証のための画像を取得する画像読み取り手段を有する生体認証装置であって、前記照明手段が光を出射する場合の画像と光を出射しない場合画像との差分画像を取得する外光除去手段を有することを特徴とする。
【００２７】
上記の生体認証装置において、前記画像読み取り手段は、可視光を分離する手段を設けた画素群を有し、前記生体認証装置は、前記画素群を切り替えることで取得した画像の波長帯域を切替える切替手段と、取得した画像を相互に比較する手段を有するようにしてもよい。
【００２８】
本発明による第３の生体認証装置は、照明手段と、前記照明手段により発生する被写体内部の散乱光を利用して、生体認証のための画像を取得する画像読み取り手段を有する生体認証装置であって、前記画像読み取り手段は、波長分離手段を設けた画素群を有し、前記生体認証装置は、前記画素群を切り替えることで取得した画像の波長帯域を切替える切替手段と、取得した画像を相互に比較する手段を有することを特徴とする。
【００２９】
本発明による生体検知方法は、第１の波長成分の被写体画像を取得する第１のステップと、第２の波長成分の被写体画像を取得する第２のステップと、前記第１のステップと第２のステップで得られた被写体画像から波長の異なる複数の被写体面内の散乱光分布情報を比較する第３のステップと、比較の結果により前記被写体が生体か否かを判別する第４のステップと、を有することを特徴とする。
【００３０】
上記の生体検知方法において、第１の光量で前記被写体を照明する第５のステップと、第２の光量で前記被写体を照明する第６のステップと、前記第５のステップと、第６のステップで得られた画像から差分を求めることで外光成分を除去する第７のステップと、前記第７のステップから得られた画像を利用して前記被写体の生体検知を行なうステップを有するようにしてもよい。
【発明の効果】
【００３１】
本発明は、被写体面内の散乱光分布情報を取得することにより、被写体形状に応じた内部散乱光の波長依存性の差から立体的な情報が取得できるため、簡単な構成や方法で、指の表面状態や指の表面の個人差に影響されずに生体と生体以外を識別することができる。
【００３２】
また、外光に強い生体検知方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００３４】
（第１の実施形態）
次に、本発明を適用した、第１の実施形態の構成について図１〜図４を用いて説明する。
【００３５】
ここでは、生体認証装置として、指の内部に散乱光を与えて撮像部に指を密着させることで指紋を読み取る方式の光学式指紋センサを用いた認証装置を示す。
【００３６】
図１は、本発明の実施形態１として、指紋認証装置の模式的な構成を示すブロック図である。また図２は、外形的な構成を示す概略図である。
【００３７】
本実施の形態における指紋認証装置は画像取得装置としての画像取得部１０１と認証部１０２からなる。たとえば、画像取得部１０１は画像センサを有した撮像ユニットで、また認証部１０２はパーソナルコンピュータにより実行される機能の組み合わせからなる。あるいは、画像取得部１０１と認証部１０２がひとつの指紋認証ユニットとして組み合わされ、不図示のパーソナルコンピュータに接続される独立の装置の場合がある。
【００３８】
図１の画像取得部１０１において、１０３ａ、１０３ｂは照明手段としてのＬＥＤ光源である。１０３ａは認証を行なうための被写体画像を取得するための赤外波長の第１の照明手段としての光源１である。１０３ｂは生体か生体以外か、偽指などを判別するための被写体画像を取得するための可視光波長の第２の照明手段としての光源２である。ここでは、１０３ｂは赤色の波長（第１の波長成分）も緑色の波長（第２の波長成分）も含んだ白色ＬＥＤを使用している。１０８が各ＬＥＤの輝度や点灯タイミングを制御する光源制御部であり、１１２ａ、１１２ｂはその制御信号線である。
【００３９】
１０４が画像読み取り手段としてのＣＭＯＳ型、あるいはＣＣＤ型等の撮像素子である。本実施の形態ではＣＭＯＳ型の撮像素子を例示する。１０５は、撮像素子１０４とＡＤＣ（アナログ／デジタル変換器)１０７のサンプリングタイミングを制御する駆動パルス発生部（ＴＧ部）である。１０６は撮像素子１０４からの二系統のアナログ出力を切り替える信号切替部である。撮像素子１０４は、後述する波長分離手段としてのカラーフィルタを用いて、異なるカラーフィルタごとの出力を出せる。１０７が、アナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）である。１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃがアナログの画像データ信号線であり、１１０ａが赤のカラーフィルタのついた画素の出力信号線であり、１１０ｂが緑のカラーフィルタのついた画素の出力信号線である。１１０ｃがそのいずれかを選択した出力信号線である。１１３がデジタルの画像データ信号線である。１１２ｄ、ｅが駆動パルス発生部から撮像素子１０４及びアナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）１０７に送られる駆動パルスの信号線である。
【００４０】
認証部１０２において、１１４が後述する波長分離手段としてのカラーフィルタを用いて別々に取得された赤と緑の可視光成分（波長が約６１０〜８００ｎｍの成分と約４００〜５７０ｎｍの成分）の画像を比較する比較手段としての差分生成部である。フレームメモリ１１７に複数の画像を一時保存しながら、画像同士の差分を生成する。１１４は、後述する外光成分除去手段としての役割も果たす。１１５が、生体か偽生体等の生体以外かを識別する生体検知手段としての生体検知部である。生体検知部１１５は赤と緑の画像で被写体面内の輝度分布の差を用いて判別する。
【００４１】
１１６が後段で特徴抽出を行うために、エッジ強調などの画像処理を行う前処理部である。１１８が、特徴抽出部であり、１１９が１１８で抽出された個人の特徴をデータベースに登録あるいは、登録済みのデータと比較照合する登録照合部である。１２０が個人のデータを保存するデータベースである。１２３が各部の動作を制御する制御部である。
【００４２】
１２４ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅが画像データを伝送するデータ線である。１２５がデータベースと登録・照合部間のデータ線及び制御線である。１２６が光源制御部１０８の動作を制御する信号線であり、１２７が駆動パルス部（ＴＧ部）の動作を制御する信号線である。１２８が、その制御を受けて駆動パルス部（ＴＧ部）１０５が信号切替部１０６を切り替えるための切替信号線である。１２９ａ〜ｅが、制御部１２３が認証部１０２の各部を制御するための制御線である。１３０が、生体検知結果を制御部１２３に伝える信号線である。
【００４３】
図２の概略図において、図２（ａ）は断面図であり、図２（ｂ）は上面図である。
【００４４】
１は、被写体としての指紋認証の対象となる指であり、撮像面に密着して置かれている。２ａ、２ｂは、指部を照射する照明手段としてのＬＥＤ光源である。このうち、２ａは、図１の１０３ａであり、認証を行なうための被写体画像を取得するための赤外波長の第１の照明手段としての光源１である。
【００４５】
２ｂは、図１の１０３ｂであり、生体か生体以外か、偽指などを判別するための被写体画像を取得するための可視光波長の第２の照明手段としての光源２である。ここでは、２ｂは赤色の波長も緑色の波長も含んだ白色ＬＥＤを使用している。
【００４６】
３は、指紋の凹凸パターンの光学的な差を撮像素子４へ導くプレート形状をした光学部材である。
【００４７】
プレート形状をした光学部材としては、厚さが数〜数１００μｍ程度の所望の波長に透過率を有した薄膜や、ファイバ、マイクロレンズアレイなどがあげられる。
【００４８】
４は画像読み取り手段である撮像素子であり、ここでは二次元のＣＭＯＳ型の撮像素子である。４ａは、画素部分を示し、４ｂは波長分離手段であるカラーフィルタ部を示す。７は、撮像素子やＬＥＤを実装した基板である。
【００４９】
認証を行なうための赤外光源１（２ａ）は指の周囲に配置され、指をやや離れた距離から広がった赤外光で全体的に照明する。こうすることにより、取得画像に対する赤外光源の位置による依存性が少なくなり、入射した赤外光は、まんべんなく指内部まで広がり、広い範囲の指紋パターンを読み取ることができる。
【００５０】
一方、生体か生体以外かを判別する光源２（２ｂ）は、指の根元側の直下に１箇所のみにもうけられている。１箇所の光源は複数の波長の光を発する物であれば、なんでもよいが、ここでは白色光のＬＥＤとしている。白色で照明した指は、カラーフィルタ（４ｂ）で赤と緑で波長ごとに分けて撮像素子で画像化される。
【００５１】
５ａ、５ｂは、ＬＥＤ２ｂから指１への光の入射方向であり、５ａは赤色の波長成分、５ｂは緑色の波長成分の光を模式的に示している。５ａと５ｂの光は、実際には白色光として混在して指に入射するが、波長に応じて、指内では異なる散乱、透過をする。６ａ、６ｂは、ＬＥＤ２ｂが発した光が指１内で散乱した後に、指１から光学部材３及び撮像素子４へ向かう光の出射方向である。６ａは赤色の波長成分、６ｂは緑色の波長成分の光を模式的に示している。６ａと６ｂは、カラーフィルタ４ｂを介して波長分離されて画素部４ａで画像化される。
【００５２】
図３、図４を用いて本実施形態におけるＣＭＯＳ型の撮像素子の構成を説明する。
【００５３】
図３は、図１の撮像素子１０４の構成図である。ここでは、一般的なエリアセンサにおける水平走査方向が主走査方向、垂直走査方向が副走査方向に相当する。まず垂直方向の１行（たとえば一番上の行）を選択して、その行の水平方向の一端から同じ行の反対側の端に向かって（たとえば一番左から右に向かって）画素を順次読み出していく。その後、次の垂直方向の１行を選択して、同様に水平方向の一端から同じ行の反対側の端に向かって画素を順次読み出していく。こうして垂直方向に各行の読出しを行い画面全体の画素を取得する。このため、水平方向の走査を主走査、垂直方向の走査を副走査とした。
【００５４】
したがって、以下の撮像素子の説明も主走査方向を水平方向、副走査方向を垂直方向と同一の意味として記述している。
【００５５】
図３において、４１ａ、４１ｂは撮像素子の１画素を構成する画素部であり、４１ａは画素の上側に図２の４ｂのカラーフィルタのうち赤の画素（Ｒ）を示しており、４１ｂは画素の上側に図２の４ｂのカラーフィルタのうち緑の画素（Ｇ）を示している。
【００５６】
４２は画素部４１（４１ａ及び４１ｂ）における読み出しパルス（φＳ）の入力端子である。４３は画素部４１（４１ａ及び４１ｂ）におけるリセットパルス（φＲ）の入力端子である。４４は画素部４１（４１ａ及び４１ｂ）における転送パルス（φＴ）の入力端子である。４５は画素部４１（４１ａ及び４１ｂ）における信号読み出し端子（Ｐ０）である。４６は後述するセレクタ部から水平方向の各画素に読み出しパルス（φＳ）を送る信号線、４７はセレクタ部から水平方向の各画素にリセットパルス（φＲ）を送る信号線、４８はセレクタ部から水平方向の各画素に転送パルス（φＴ）を送る信号線である。４９は垂直信号線、４０は定電流源、５１は垂直信号線４９に接続された容量である。５２は水平シフトレジスタ５６にゲートが接続され、ソース−ドレインに垂直信号線４９と出力信号線５３ａ、５３ｂが接続された転送スイッチである。５４ａ、５４ｂは出力信号線５３ａ、５３ｂに接続された出力アンプ、５５ａ、５５ｂは撮像素子６の出力端子である。５３ａ、５４ａ、５５ａは、赤の画素（Ｒ）の読出しに関わる信号系であり、５３ｂ、５４ｂ、５５ｂは、緑の画素（Ｇ）の読出しに関わる信号系である。５５ａが図１における１１０ａに相当し、５５ｂが図１における１１０ｂに相当する。
【００５７】
また、５６は水平シフトレジスタ（ＨＳＲ）、５７はそのスタートパルス（ＨＳＴ）の入力端子、５８はその転送クロック（ＨＣＬＫ）の入力端子である。５９は垂直シフトレジスタ（ＶＳＲ）、６０はそのスタートパルス（ＶＳＴ）の入力端子、６１はその転送クロック（ＶＣＬＫ）の入力端子である。６２は後述するローリングシャッタと呼ばれる方式の電子シャッタ用のシフトレジスタ（ＥＳＲ）、６３はそのスタートパルス（ＥＳＴ）の入力端子である。６４は垂直シフトレジスタ（ＶＳＲ）の出力線、６５は電子シャッタ用のシフトレジスタ（ＥＳＲ）の出力線である。６６はセレクタ部、６７は転送パルスの元信号ＴＲＳの入力端子、６８はリセットパルスの元信号ＲＥＳの入力端子、６９は読み出しパルスの元信号ＳＥＬの入力端子である。
【００５８】
図４は、図３の画素部４１（４１ａ及び４１ｂ）の構成図である。図４において、７１は電源電圧（ＶＣＣ）、７２はリセット電圧（ＶＲ）、７３はフォトダイオード、７４〜７７はＭＯＳトランジスタからなるスイッチ、７８は寄生容量（ＦＤ）、７９はグラウンドである。
【００５９】
ここで、撮像素子１０４の動作を図４、図５を参照して説明する。まず、リセット用のスイッチ７４と、フォトダイオード７３に接続されたスイッチ７５とをＯＦＦした状態で、フォトダイオード７３において入射光による電荷の蓄積が行われる。
【００６０】
その後、スイッチ７６がＯＦＦした状態で、スイッチ７４をＯＮすることにより、寄生容量７８がリセットする。つぎに、スイッチ７４をＯＦＦ、スイッチ７６をＯＮすることにより、信号読み出し端子４５にリセット状態の電荷を読み出す。
【００６１】
つぎに、スイッチ７６をＯＦＦした状態で、スイッチ７５をＯＮすることにより、寄生容量７８に対して、フォトダイオード７３に蓄積された電荷を転送する。つぎに、スイッチ７５をＯＦＦした状態で、スイッチ７６をＯＮすることにより、信号読み出し端子４５に信号電荷を読み出す。
【００６２】
各ＭＯＳトランジスタの駆動パルスφＳ、φＲ、φＴは、後述するように垂直シフトレジスタ５９、６２とセレクタ部６６とにより作成され、各信号線４６〜４８により、画素の入力端子４２〜４４に供給される。入力端子６０から入力されるクロック信号１パルスに対して、信号ＴＲＳ、ＲＥＳ、ＳＥＬが入力端子６７〜６９にそれぞれ１パルス入力される。このため、駆動パルスφＳ、φＲ、φＴがそれぞれ信号ＴＲＳ、ＲＥＳ、ＳＥＬに同期して出力される。この結果、入力端子４２〜４４に、駆動パルスφＳ、φＲ、φＴが供給される。
【００６３】
また、信号読み出し端子４５は、垂直信号線４９により定電流源４０に接続されると共に、垂直信号線容量５１及び転送スイッチ５２に接続されている。垂直信号線４９を介して電荷信号が垂直信号線容量５１に転送される。その後水平シフトレジスタ５６の出力に従い、転送スイッチ５２が順次走査されて、垂直信号線容量５１の信号が出力信号線５３（５３ａ及び５３ｂ）に順次読み出される。読み出された信号は、出力アンプ５４（５４ａ及び５４ｂ）を介して出力端子５５（５５ａ及び５５ｂ）から出力される。ここで、垂直シフトレジスタ（ＶＳＲ）５９は、スタートパルス（ＶＳＴ）６０で走査が開始される。転送クロック（ＶＣＬＫ）６１が出力線６４を介してＶＳ１、ＶＳ２、…ＶＳｎと順次転送されていく。また電子シャッタ用垂直シフトレジスタ（ＥＳＲ）６２は、入力端子６３から入力されるスタートパルス（ＥＳＴ）で走査が開始され、入力端子６１から入力される転送クロック（ＶＣＬＫ）が出力線６５に順次転送されていく。
【００６４】
各画素部４１（４１ａ及び４１ｂ）の読み出し順序は、まず垂直方向の上１行目を選択し、水平シフトレジスタ５６の走査に伴い左から右へ各列に接続した画素部４１（４１ａ及び４１ｂ）を選択出力する。１行目の出力が終わると、２行目を選択し、再び水平シフトレジスタ５６の走査に伴い左から右へ各列に接続した画素部４１（４１ａ及び４１ｂ）を選択出力する。
【００６５】
以下、同様に垂直シフトレジスタ５９の順次走査に従い、１、２、３、４、５…行目と上から下まで走査を行い、１画面の画像出力を行う。
【００６６】
ところで、撮像素子の露光期間は、撮像画素が光の電荷を蓄積する蓄積期間と、撮像画素に被写体からの光が入射する期間により決まる。
【００６７】
ここで、ＣＭＯＳ型の撮像素子は、ＩＴ(interline transfer)型やＦＩＴ(frame-interline transfer)型のＣＣＤ素子と異なり、遮光されたバッファメモリ部を備えていない。そのため画素部４１（４１ａ及び４１ｂ）から得られた信号を順次読み出している期間も、まだ読み出されていない画素部４１（４１ａ及び４１ｂ）は露光され続ける。したがって、連続的に画面出力を読み出すと、その露光時間は画面の読み出し時間にほぼ等しくなる。
【００６８】
しかし、光源としてＬＥＤを用いて、外光の入射を遮光部材などで入射しない場合などでは、点灯している期間のみを露光期間と考えることが可能になる。
【００６９】
また、別の露光時間を制御するひとつの方法として、ＣＭＯＳ型の撮像素子においては、電子シャッタ（フォーカルプレインシャッター）として、蓄積の開始と終了の垂直走査を並行して行うローリングシャッタとばれる駆動方法をとることができる。これにより、蓄積の開始と終了の垂直走査線数単位で露光時間を設定可能にしている。図３においては、ＥＳＲ６２が画素をリセットして蓄積を開始する垂直走査用のシフトレジスタであり、ＶＳＲ５９が、電荷を転送して蓄積を終了する垂直走査用のシフトレジスタである。電子シャッタ機能を用いる場合は、ＥＳＲ６２をＶＳＲ５９に先行して走査し、その間隔に相当する期間が露光期間になる。
【００７０】
次に、本実施形態における動作を図５〜図９を用いて説明する。図５は、図１の生体認証装置における制御部１２３が実行する画像取得ルーチンを説明するフローチャートである。また、図６は外光除去を行なうステップを説明する図である。また、図７〜９は被写体内部の散乱光分布として輝度シェーディングを赤と緑の波長帯でわけて、分布を比較することで生体検知を行なう説明図である。
【００７１】
図５において、ステップ８０でルーチンが開始されると、ステップ８１で全光源を消灯する。ステップ８２で、赤のカラーフィルタ（Ｒ）の画素出力を得るように、図１の信号切替部ｌ０６を選択する。ステップ８３でアナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）１０７を介して一画面を取得する。取得された画像は差分生成部１１４を介してフレームメモリ１１７に一時的に蓄積する。この時、光源はついていないため、外光成分のうち主として赤色の波長成分による画像が得られる。外光成分のどの帯域の画像が取得されるかは、カラーフィルタの特性に依存し、赤のみが選択される場合もあるが、赤外光まで含む場合もある。ここでは、赤外光まで含むものとする。
【００７２】
次に制御部１２３は、ステップ８４で白色光源を点灯し、ステップ８５でアナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）を介して一画面を取得する。この取得した画像も差分生成部を介してフレームメモリ１１７に一時的に蓄積する。この時、白色ＬＥＤ光源はついているため、外光成分のうち主として赤色の波長成分に加えて、白色ＬＥＤ光源中の赤色波長成分が指内部を散乱した成分の画像が得られる。
【００７３】
ステップ８６で、差分生成部１１４においてステップ８３の画像とステップ８５の差分画像を求める。
【００７４】
これにより、外光成分がキャンセルされるため、白色ＬＥＤ光源中の赤色波長成分が指内部を散乱した成分のみが得られる。
【００７５】
次に、ステップ８７で、緑のカラーフィルタ（Ｇ）の画素出力を得るように、図１の信号切替部１０６を選択する。ステップ８８で画像を取得する。取得された画像は差分生成部１１４を介してフレームメモリ１１７に一時的に蓄積される。この時、白色ＬＥＤ光源はついているため、外光成分のうち主として緑色の波長成分に加えて、白色ＬＥＤ光源中の緑色波長成分が指内部を散乱した成分の画像が得られる。次に、ステップ８９で白色光源を消灯する。ステップ９０で一画面を取得する。この時、光源はついていないため、外光成分のうち主として緑色の波長成分による画像が得られる。この取得された画像も差分生成部１１４を介してフレームメモリ１１７に一時的に蓄積される。ステップ９１で、差分生成部１１４においてステップ８８の画像とステップ９０の差分画像を求める。これにより、外光成分がキャンセルされるため、白色ＬＥＤ光源中の緑色波長成分が指内部を散乱した成分のみが得られる。
【００７６】
次に、ステップ９２で図１の差分生成部１１４においてステップ８６の画像とステップ９１の画像の差分画像を生成し、生体検知部１１５で差分を解析して生体かどうかを検出する。
【００７７】
ステップ９３において、生体検知部１１５の検出結果の信号を受けて制御部１２３が生体と判断した場合は、ステップ９４で生体判定フラグを出して、ステップ９５に進む。ステップ９５では、図１の赤外光源である光源１（１０３ａ）を点灯する。ステップ９６で、認証用の画像を取得する。カラーフィルタは緑のままであるが、緑のフィルタも赤外光を透過するため、問題はない。次にステップ９７で赤外光源である光源１（１０３ａ）を消灯する。ステップ９８で、ステップ９６で得られた画像とステップ９０で得られた画像の差分を取ることで、光源１の赤外光成分のみの画像が得られる。その後、ステップ１００でルーチンを終了する。
【００７８】
ステップ９３において、生体検知部１１５の検出結果の信号を受けて制御部１２３が偽生体（生体ではない。）と判断した場合は、ステップ９９で偽生体判定フラグを出して、ステップ１００でルーチンを終了する。
【００７９】
図６（ａ）〜（ｂ）はこの外光除去を説明する模式図である。横軸は位置を表し、Ａ及びＡ’は図１のＡ−Ａ’間に対応する。縦軸は出力レベルを示す。
【００８０】
図６（ａ）の６０１はステップ８３で取得される外光成分のみによる画像のＡ−Ａ’間の出力レベルである。ここで、指紋の隆線パターンに起因する細かい画像変化成分は説明のため省略している。今回説明する外光除去や生体判別等の処理においても、このような高い周波数成分の画像変化は情報として不要なため、実際にはこれら処理の前にＬＰＦ（ローパスフィルタ）等で高い周波数成分の画像変化を除去してから処理を行なう場合がある。図６（ｂ）のうち、６０２はステップ８５で、光源を点灯して取得される画像のＡ−Ａ’間の出力レベルである。６０３は、６０２から６０１を減算したＡ−Ａ’間の信号レベルである。この演算により、外光成分が除去されて、光源に起因する成分６０３のみが取得される。
【００８１】
図７から９の各（ａ）〜（ｃ）はこの波長による取得画像の輝度シェーディングの差を利用して生体と生体外（偽生体）を区別する原理を説明する模式図である。図６同様、横軸は位置を表し、Ａ及びＡ’は図１のＡ−Ａ’間に対応する。縦軸は出力レベルを示す。
【００８２】
図７は被写体（指）が生体の場合を説明する図であり、図７（ａ）の７０１は、ステップ８６で取得される赤色波長成分が指内部を散乱した成分のみによる画像のＡ−Ａ’間の出力レベルである。図７（ｂ）のうち、７０２はステップ９１で取得される緑色波長成分が指内部を散乱した成分のみによる画像のＡ−Ａ’間の出力レベルである。また、７０３は、７０２のピーク値を７０１のピーク値に規格化した値を示している。７０４で示される斜線部は、ステップ９２の差分解析のために７０１と７０３の差分から作成される波長成分による散乱光分布差である。
【００８３】
図８は被写体として樹脂やプラスチックなどで作成された偽指を用いた場合を説明する図であり、図８（ａ）の８０１は、ステップ８６で取得される赤色波長成分が指内部を散乱した成分のみによる画像のＡ−Ａ’間の出力レベルである。図８（ｂ）のうち、８０２はステップ９１で取得される緑色波長成分が指内部を散乱した成分のみによる画像のＡ−Ａ’間の出力レベルである。また、８０３は、８０２のピーク値を８０１のピーク値に規格化した値を示している。８０４で示される横線部は、ステップ９２の差分解析のために８０１と８０３の差分から作成される波長成分による散乱光分布差である。
【００８４】
図９は被写体として、光の透過率を生体にあわせたカラー指紋画像を印刷したフィルムを偽指として用いた場合を説明する図である。図９（ａ）の９０１は、ステップ８６で取得される赤色波長成分が指内部を散乱した成分のみによる画像のＡ−Ａ’間の出力レベルである。図９（ｂ）のうち、９０２はステップ９１で取得される緑色波長成分が指内部を散乱した成分のみによる画像のＡ−Ａ’間の出力レベルである。また、９０３は、９０２のピーク値を９０１のピーク値に規格化した値を示している。９０４で示される斜線部は、ステップ９２の差分解析のために９０１と９０３の差分から作成される波長成分による散乱光分布差である。
【００８５】
このように、生体の場合は、生体の内部構造により内部散乱光分布が波長に依存するため、波長の異なる画像同士の差分がＡからＡ’の範囲の斜線（横線）部に示すように位置に依存して大きく変化する。
【００８６】
これは、指の中心部が骨などの存在など構成的に指の周囲と違う点と、指の中心部と周囲で生体の厚みの違う点が、色素などの透過率を決める要因とからんで、生体特有の入射した光の波長ごとの内部の散乱分布の違いを与えるためである。これにより、特に赤色などの波長が６１０ｎｍより長い波長帯域では、指全体に内部散乱光が広がるため、指の中心部（Ｍ点）と指の周囲部（Ｐ点）での出力レベル差が比較的少ない。緑色などの波長が５７０ｎｍより短い波長帯域では、指中心に内部散乱光が広がらないため、指の中心部（Ｍ’点）と指の周囲部（Ｐ’点）での出力レベル差が大きい。位置に依存した出力レベルの変化カーブを輝度シェーディングと定義する。長い波長での指の中心部（Ｍ点）と指の周囲部（Ｐ点）の間の輝度シェーディングと、短い波長での指の中心部（Ｍ’点）と指の周囲部（Ｐ’点）の間の輝度シェーディングではその量やカーブ形状が波長により大きく変化する。
【００８７】
一方、樹脂やプラスチックなどで作成された偽指の場合には、中心部と周囲部の変化の波長依存性が少ない。いいかえると、規格化後の輝度シェーディングの量やシェーディングカーブ形状が波長によりあまり変化していない。これは、生体と異なり同じ成分の材料で作られているため、厚さ成分の影響が主因になるためである。
【００８８】
また、カラー指紋画像を印刷したフィルムを偽指として用いた場合は、中心部と周囲部の変化量自体が少ない。また、中心部と周囲部の変化の波長依存性が少ない。いいかえると、規格化後の輝度シェーディングの量やシェーディングカーブ形状が波長によりあまり変化していない。これは、生体と異なりフィルムに印刷されているため、厚さ成分の影響が少なく、また印刷された色成分に依存して透過する光の量が決まるためである。
【００８９】
このようにして、輝度シェーディングの変化量の波長による差を、生体検知部１１５にあらかじめ設定された閾値で判定することで、生体と偽生体を識別する。
【００９０】
このように、１箇所のみからの光で照明することで、入射した光が指内部でどのように散乱されているか位置による依存性が発生する。撮像した画像から、指の取得画像面内のこの依存性は、輝度分布（輝度シェーディング）として読み取ることが出来る。波長により被写体内部の散乱状態が変わるため、この輝度分布（輝度シェーディング）の波長による差をみることで、被写体が生体かどうかを見分けることが出来る。
【００９１】
指紋認証用の画像を取得する光源については、複数の箇所からなるべく均一に照明する必要があるが、本発明の生体を検知する光源については、「ほぼ一箇所から異なる波長で照明する」ことが重要である。白色ＬＥＤは、こうした構成に適した物であるが、白色に限らずフィルタ手段と組み合わせて、分離可能な複数の波長帯を有した物は同様に用いることが出来る。
【００９２】
被写体面内の散乱光分布情報を取得することにより、被写体形状に応じた内部散乱光の波長依存性差から立体的な情報が取得できる。皮膚の色や指の表面状態により得られる出力が左右されにくく、精度が高い生体識別方法を提供する。また、カラー指紋画像を印刷したフィルムのように光の透過率は生体にあわせた物であっても、偽指であることを見抜くことが出来る（課題αの解決）。
【００９３】
生体認証のための照明手段は、被写体の内部を均一に散乱光を広げるため最適な赤外光を選択すると共に、生体を識別するために設けた第２の照明手段は、被写体面内の散乱光分布に差異の出やすい可視光を使用することで、識別を効率よく行なうことができる。
【００９４】
可視光を利用することにより、簡単な構成や方法による識別方法を提供できる（課題αとβの解決）。
【００９５】
特に、可視光である赤の帯域と緑〜青の帯域の差を比較することで、可視光の分離が効率的に行なわれる、分離が容易な可視光の２波長帯を利用することにより、簡単な構成や方法による識別方法を提供できる（課題βの解決）。
【００９６】
可視光の分離のために、従来赤外光を用いてきた散乱光を利用した生体認証装置においてもカラーフィルタを設けることで、簡単かつ低コストな方法で可視光による被写体面内の散乱光分布情報の差を取得可能とした（課題βの解決）。
【００９７】
低周波数であり、指の断面形状に応じた輝度シェーディング成分を認識することで、一次元あるいは二次元情報を取得して、簡便でありながら１点の透過率差では得られない被写体の立体的情報が得られ、生体検知精度が向上する（課題αの解決）。
【００９８】
生体画像を取得するために密着させる撮像面以外から光を入射することで、被写体表面からの反射像を除き、内部の散乱光分布情報のみを取得できる。これにより、生体検知精度が向上する（課題αの解決）。
【００９９】
生体に対して撮像面と同じ面に配置され、生体にほぼ接する下部から光を照射する。これにより、被写体内部に透過しにくい可視光を効率的に散乱させることができ、生体検知しやすい被写体の散乱光分布の輝度シェーディング形状が得やすくなり、簡単かつ低コストな検知手段が実現される（課題βの解決）。
【０１００】
被写体照明手段の照明光量を変化させた差分画像を取得する外光除去手段を設けた。これにより、簡単な構成でありながら、被写体内部の散乱光から外光に起因する成分を排除でき、使用する光源の波長成分のみを抽出して精度の高い生体認証や生体検知を行なうことが出来る（課題βとγの解決）。
【０１０１】
従来、赤外光を用いてきた散乱光を利用した生体認証装置においてもカラーフィルタを設けることで、簡単かつ低コストな方法で被写体面内の散乱光分布情報の可視光成分による差を取得する。この波長成分の差を利用して生体が擬似生体かを容易に識別可能となる（課題αとβの解決）。
【０１０２】
これにより、被写体内部の散乱光から外光に起因する成分を排除したうえで、被写体面内の散乱光分布情報の可視光成分による差を取得し、この波長成分の差を利用して生体が擬似生体かを容易に識別可能な装置が簡単な構成で実現できる（課題γの解決）。
【０１０３】
また、個々の偽生体識別生体検知方法に対しては、それに対抗する様々な偽の生体の作成方法が考えられるため、それに対抗する偽生体識別生体検知方法としても、異なるアプローチの手法を複数用意して組み合わせることが望まれている。こういった意味では、従来の生体検知方法との併用も有用な本発明の利用形態のひとつである。
【０１０４】
（第２の実施形態）
次に、本発明を適用した、第２の実施形態の構成について図１０、図１１を用いて説明する。
【０１０５】
ここでは、生体認証装置として、指の内部に散乱光を与えて撮像部に指を密着させることで指紋を読み取る方式の光学式指紋センサを用いた認証装置を示す。
【０１０６】
実施形態１では、白色ダイオードを利用し、フィルタにより赤色の光と緑色の光とを分離していたが、実施形態２では、赤色ダイオードと緑色ダイオードを利用し、色フィルタを不要とする。
【０１０７】
図１０は、本発明の実施形態２として、指紋認証装置の模式的な構成を示すブロック図である。また図１１は、外形的な構成を示す概略図である。
【０１０８】
本実施の形態における指紋認証装置は画像取得装置としての画像取得部１０１と認証部１０２からなる。
【０１０９】
図１０の画像取得部１０１において、１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃは照明手段としてのＬＥＤ光源である。１０３ａは認証を行なうための被写体画像を取得するための赤外波長の第１の照明手段としての光源１である。１０３ｂ、１０３ｃは生体か生体以外か、偽指などを判別するための被写体画像を取得するための可視光波長の第２の照明手段としての光源２及び光源３である。ここでは、１０３ｂは赤色の波長のＬＥＤ、１０３ｃは緑色の波長のＬＥＤを使用している。１０８が各ＬＥＤの輝度や点灯タイミングを制御する光源制御部であり、１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃはその制御信号線である。本実施形態では、この光源制御部１０８が波長分離手段としての役割を果たし、１０３ｂの赤色の波長のＬＥＤと、１０３ｃの緑色の波長のＬＥＤのいずれかを点灯させることにより、時分割でそれぞれの波長に対する画像を取得する。
【０１１０】
１０４が画像読み取り手段としてのＣＭＯＳ型、あるいはＣＣＤ型等の撮像素子である。本実施の形態ではＣＭＯＳ型の撮像素子を例示する。１０５は、撮像素子とＡＤＣ１０７のサンプリングタイミングを制御する駆動パルス発生部（ＴＧ部）である。１０７が、アナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）である。１１０がアナログの画像データ信号線である。１１３がデジタルの画像データ信号線である。１１２ｄ、ｅが駆動パルス発生部から撮像素子及びアナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）に送られる駆動パルスの信号線である。
【０１１１】
認証部１０２において、１１４が光源制御部１０８を切り替えることで別々に取得された赤と緑の可視光成分の画像を比較する比較手段としての差分生成部である。フレームメモリ１１７に複数の画像を一時保存しながら、画像同士の差分を生成する。１１４は、後述する外光成分除去手段としての役割も果たす。１１５が、生体か偽生体等の生体以外かを識別する生体検知手段としての生体検知部である。生体検知は赤と緑の画像で被写体面内の輝度分布の差を用いて判別する。
【０１１２】
１１６が後段で特徴抽出を行うために、エッジ強調などの画像処理を行う前処理部である。１１８が、特徴抽出部であり、１１９が１１８で抽出された個人の特徴をデータベースに登録あるいは、登録済みのデータと比較照合する登録照合部である。１２０が個人のデータを保存するデータベースである。１２３が各部の動作を制御する制御部である。
【０１１３】
１２４ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅが画像データを伝送するデータ線である。１２５がデータベースと登録・照合部間のデータ線及び制御線である。１２６が光源制御部１０８の動作を制御する信号線であり、１２７が駆動パルス部（ＴＧ部）１０５の動作を制御する信号線である。１２９ａ〜ｅは認証部１０２の各部への制御線である。１３０が、生体検知結果を伝える信号線である。
【０１１４】
図１１の概略図において、図１１（ａ）は断面図であり、図１１（ｂ）は上面図である。
【０１１５】
１は、被写体としての指紋認証の対象となる指であり、撮像面に密着して置かれている。２ａ、２ｂ、２ｃは、指部を照射する照明手段としてのＬＥＤ光源である。このうち、２ａは、図１０の１０３ａであり、認証を行なうための被写体画像を取得するための赤外波長の第１の照明手段としての光源１である。
【０１１６】
２ｂ、２ｃは、図１０の１０３ｂ、１０３ｃであり、生体か生体以外か、偽指などを判別するための被写体画像を取得するための可視光波長の第２の照明手段としての光源２、光源３である。ここでは、２ｂは赤色の波長のＬＥＤ、２ｃは緑色の波長のＬＥＤである。
【０１１７】
３は、指紋の凹凸パターンの光学的な差を撮像素子４へ導くプレート形状をした光学部材である。
【０１１８】
プレート形状をした光学部材としては、厚さが数〜数１００μｍ程度の所望の波長に透過率を有した薄膜や、ファイバ、マイクロレンズアレイなどがあげられる。
【０１１９】
４は画像読み取り手段である撮像素子であり、ここでは二次元のＣＭＯＳ型の撮像素子である。４ａは、画素部分を示す。７は、撮像素子やＬＥＤを実装した基板である。
【０１２０】
認証を行なうための赤外光源１（２ａ）は指の周囲に配置され、指をやや離れた距離から広がった赤外光で全体的に照明する。こうすることで取得画像に対する赤外光源の位置による依存性が少なくなり、入射した赤外光は、まんべんなく指内部まで広がり、広い範囲の指紋パターンを読み取ることができる。
【０１２１】
一方、生体か生体以外かを判別する光源２（２ｂ）と光源３（２ｃ）は、指の根元側の直下の１箇所のみに近接して配置されている。近接配置された光源は複数の波長の光を発する物であれば、何でもよいが、ここでは赤ＬＥＤと緑ＬＥＤの２つを並べて実現している。赤ＬＥＤを照明して撮像した画像と緑ＬＥＤを照明して撮像した画像は、別々のタイミングで撮像素子により画像取得される。１箇所のみからの光で照明することで、入射した光が指内部でどのように散乱されているか位置による依存性が発生する。撮像した画像から、面内のこの依存性は、輝度分布（輝度シェーディング）として読み取ることが出来る。波長により被写体内部の散乱状態が変わるため、この輝度分布（輝度シェーディング）の波長による差をみることで、被写体が生体かどうかを見分けることが出来る。５ａ、５ｂは、ＬＥＤ２ｂ及びＬＥＤ２ｃから指１への光の入射方向であり、５ａは赤色の波長成分、５ｂは緑色の波長成分の光を模式的に示している。５ａと５ｂの光は、実際には異なるタイミングで指に入射される。
【０１２２】
波長に応じて、指内では異なる散乱、透過をする。６ａ、６ｂは、ＬＥＤ２ｂとＬＥＤ２ｃそれぞれが発した光が指１内で散乱した後に、指１から光学部材３及び撮像素子４へ向かう光の出射方向である。６ａは赤色の波長成分、６ｂは緑色の波長成分の光を模式的に示している。６ａと６ｂは、画素部４ａで画像化される。
【０１２３】
次に、本実施形態における動作を図１２を用いて説明する。図１２は、図１０の生体認証装置における制御部１２３が実行する画像取得ルーチンを説明するフローチャートである。外光除去を行なうステップ及び被写体内部の散乱光分布として輝度シェーディングを赤と緑の波長帯でわけて、分布を比較することで生体検知を行なうステップの基本的な考えは実施形態１と共通である。
【０１２４】
図１２において、ステップ１２００でルーチンが開始されると、ステップ１２０１で全光源を消灯したうえで、Ｒ光源（赤色ＬＥＤ光源）を点灯する。ステップ１２０２でアナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）を介して一画面を取得する。取得された画像は差分生成部１１４を介してフレームメモリ１１７に一時的に蓄積される。この時、赤色ＬＥＤ光源がついているため、外光成分に加えて、赤色ＬＥＤの波長成分が指内部を散乱した成分の画像が得られる。
【０１２５】
次に、ステップ１２０３でＲ光源を消灯する。ステップ１２０４でアナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）１０７を介して一画面を取得する。取得された画像は差分生成部１１４を介してフレームメモリ１１７に一時的に蓄積する。この時、光源はついていないため、外光成分のみによる画像が得られる。ステップ１２０５で、差分生成部１１４においてステップ１２０２の画像とステップ１２０４の差分画像を求める。
【０１２６】
これにより、外光成分がキャンセルされるため、赤色ＬＥＤ光源の波長成分が指内部を散乱した成分のみの画像が得られる。
【０１２７】
次にステップ１２０６でＧ光源（緑色ＬＥＤ光源）を点灯する。ステップ１２０７でアナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）１０７を介して一画面を取得する。取得された画像は差分生成部１１４を介してフレームメモリ１１７に一時的に蓄積する。この時、緑色ＬＥＤ光源がついているため、外光成分に加えて、緑色ＬＥＤの波長成分が指内部を散乱した成分の画像が得られる。
【０１２８】
次に、ステップ１２０８でＧ光源を消灯する。ステップ１２０９で、差分生成部１１４においてステップ１２０７の画像とステップ１２０４の差分画像を求める。
【０１２９】
これにより、外光成分がキャンセルされるため、緑色ＬＥＤ光源の波長成分が指内部を散乱した成分のみの画像が得られる。
【０１３０】
次に、ステップ１２１０で図１０の差分生成部１１４においてステップ１２０５の画像とステップ１２０９の差分画像を生成する。生体検知部１１５で差分を解析して生体かどうかを検出する。
【０１３１】
ステップ１２１１において、生体検知部の検出結果の信号を受けて制御部１２３が生体と判断した場合は、ステップ１２１２で生体判定フラグを出して、ステップ１２１５に進む。ステップ１２１５では、図１０の赤外光源である光源１（１０３ａ）を点灯する。ステップ１２１６で、認証用の画像を取得する。次にステップ１２１７で赤外光源である光源１（１０３ａ）を消灯する。ステップ１２１８で、ステップ１２１６で得られた画像とステップ１２０４で得られた画像の差分を取ることで、光源１の赤外光成分のみの画像が得られる。その後、ステップ１２１９でルーチンを終了する。
【０１３２】
ステップ１２１１において、生体検知部の検出結果の信号を受けて制御部が偽生体（生体ではない。）と判断した場合は、ステップ１２２０で偽生体判定フラグを出して、ステップ１２１９でルーチンを終了する。
【０１３３】
このようにして、指内部の散乱光分布で生じる輝度シェーディングの波長による差を、生体検知部１１５で判定することで、生体と偽生体を識別する。
【０１３４】
このように、１箇所のみからの光で照明することで、入射した光が指内部でどのように散乱されているか位置による依存性が発生する。撮像した画像から、指の取得画像面内のこの依存性は、輝度分布（輝度シェーディング）として読み取ることが出来る。波長により被写体内部の散乱状態が変わるため、この輝度分布（輝度シェーディング）の波長による差をみることで、被写体が生体かどうかを見分けることが出来る。
【０１３５】
指紋認証用の画像を取得する光源については、複数の箇所からなるべく均一に照明する必要があるが、本発明の生体を検知する光源については、「ほぼ一箇所から異なる波長で照明する」ことが重要である。１パッケージ内に緑と赤など２色のＬＥＤ素子を納めた物などは、こうした構成に適した物であるが、異なるパッケージの緑のＬＥＤと赤のＬＥＤの２個を近接配置しても同様の効果が得られる。
【０１３６】
比較手段が、被写体面内の散乱光分布情報を取得することにより、被写体形状に応じた内部散乱光の波長依存性差から立体的な情報が取得できる。皮膚の色や指の表面状態により得られる出力が左右されにくく、精度が高い生体識別方法を提供する。また、カラー指紋画像を印刷したフィルムのように光の透過率は生体にあわせた物であっても、偽指であることを見抜くことが出来る（課題αの解決）。
【０１３７】
生体認証のための照明手段は、被写体の内部を均一に散乱光を広げるため最適な赤外光を選択すると共に、生体を識別するために設けた第２の照明手段は、被写体面内の散乱光分布に差異の出やすい可視光を使用することで、識別を効率よく行なうことができる。可視光を利用することにより、簡単な構成や方法による識別方法を提供できる（課題αとβの解決）。
【０１３８】
複数の異なる波長を有した光源を近傍に配置する。これにより、波長を変えた際の光源位置の差をなくして、ほぼ同位置の箇所から被写体内部に向けて光を入射した場合の被写体面内の散乱光分布が複数取得できる。従って、簡単な構成で生体検知精度が向上される（課題αとβの解決）。
【０１３９】
特に、可視光である赤の帯域と緑〜青の帯域の差を比較することで、可視光の分離が効率的に行なわれる（課題βの解決）。
【０１４０】
低周波数であり、指の断面形状に応じた輝度シェーディング成分を認識することで、一次元あるいは二次元情報（複数の断面についての一次元情報を集めることにより得られる。）を取得して、簡便でありながら１点の透過率差では得られない被写体の立体的情報が得られ、簡単な構成や方法で生体検知精度が向上する（課題αとβの解決）。
【０１４１】
生体画像を取得するために密着させる撮像面以外から光を入射することで、被写体表面からの反射像を除き、簡単な構成や方法で内部の散乱光分布情報のみを取得できる（課題αとβの解決）。
【０１４２】
生体に対して撮像面と同じ面に配置され、生体にほぼ接する下部から光を照射する。これにより、被写体内部に透過しにくい可視光を効率的に散乱させることが出来、生体検知しやすい被写体の散乱光分布の輝度シェーディング形状を簡単な構成や方法で得ることが出来る（課題αとβの解決）。
【０１４３】
被写体照明手段の照明光量を変化させた差分画像を取得する外光除去手段を設けた。これにより、簡単な構成でありながら、被写体内部の散乱光から外光に起因する成分を排除でき、使用する光源の波長成分のみを抽出して精度の高い生体認証や生体検知を行なうことが出来る（課題βとγの解決）。
【図面の簡単な説明】
【０１４４】
【図１】本発明の実施形態１における、指紋認証装置の模式的な構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施形態１における、指紋認証装置の模式的な構成を示す概略図である。
【図３】本発明の実施形態における撮像素子の回路図である。
【図４】本発明の実施形態における撮像素子の画素部の回路図である。
【図５】本発明の実施形態１における、画像取得ルーチンを説明するフローチャートである。
【図６】本発明の実施形態における外光除去の工程を説明する図である。
【図７】本発明の実施形態における生体検知の工程を説明する第１の図である。
【図８】本発明の実施形態における生体検知の工程を説明する第２の図である。
【図９】本発明の実施形態における生体検知の工程を説明する第３の図である。
【図１０】本発明の実施形態２における、指紋認証装置の模式的な構成を示すブロック図である。
【図１１】本発明の実施形態２における、指紋認証装置の模式的な構成を示す概略図である。
【図１２】本発明の実施形態２における、画像取得ルーチンを説明するフローチャートである。
【符号の説明】
【０１４５】
１０１  画像取得部
１０２  認証部
１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃ  光源
１０４  撮像素子
１０５  駆動パルス発生部（ＴＧ部）
１０６  信号切替部
１０７  ＡＤＣ（アナログ／デジタル変換器)
１０８  光源制御部
１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ  アナログの画像データ信号線
１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ  制御信号線
１１３  デジタルの画像データ信号線
１１４  差分生成部
１１５  生体検知部
１１６  前処理部
１１７  フレームメモリ
１１８  特徴抽出部
１１９  登録・照合部
１２０  データベース
１２３  制御部
１２４ａ、１２４ｂ、１２４ｃ、１２４ｄ、１２４ｅ  データ線
１２５  データ線及び制御線
１２６、１２７  制御信号線
１２８  切替信号線
１２９ａ、１２９ｂ、１２９ｃ、１２９ｄ、１２９ｅ  制御線
１３０  信号線
【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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