(57)【要約】  本開示のある実施形態における識別装置は、光源と、イメージセンサと、ユーザの身体の特徴を示す生体データが格納されたメモリと、プロセッサと、を備える。前記プロセッサは、前記光源に、前記ユーザに照射されるパルス幅が０．２ｎｓ以上１μｓ以下のパルス光を出射させ、前記イメージセンサに、前記ユーザから戻った反射パルス光の少なくとも一部を検出させ、前記反射パルス光の前記少なくとも一部の強度の２次元分布に応じた信号を出力させ、前記信号と、前記生体データとを照合することにより、前記ユーザを識別する。
2019230306.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
イメージセンサと、
ユーザの身体の特徴を示す生体データが格納されたメモリと、
プロセッサと、
を備え、
前記プロセッサは、
前記光源に、前記ユーザに照射されるパルス幅が０．２ｎｓ以上１μｓ以下のパルス光を出射させ、
前記イメージセンサに、前記ユーザから戻った反射パルス光の少なくとも一部を検出させ、前記反射パルス光の前記少なくとも一部の強度の２次元分布に応じた信号を出力させ、
前記信号と、前記生体データとを照合することにより、前記ユーザを識別する、
識別装置。
【請求項２】
前記パルス光の前記パルス幅は、３ｎｓ以上５０ｎｓ以下である、
請求項１に記載の識別装置。
【請求項３】
前記イメージセンサは複数の画素を含み、
前記プロセッサは、前記イメージセンサに、前記複数の画素の各々について、前記反射パルス光の前記少なくとも一部の前記強度に応じた電荷を、千回以上１０万回以下繰り返して蓄積させ、
前記信号は、前記複数の画素に蓄積された電荷の総量の２次元分布を示す、
請求項１または２に記載の識別装置。
【請求項４】
前記生体データは、前記ユーザの皮膚表面のテクスチャを示す第１情報を含む、
請求項１から３のいずれかに記載の識別装置。
【請求項５】
前記プロセッサは、
前記イメージセンサに、前記反射パルス光のうち、前記反射パルス光の強度が増加を開始してから増加が終了するまでの期間である立ち上り期間の少なくとも一部の成分を検出することによって得た第１の信号を出力させ、
前記第１の信号から取得された情報と、前記第１情報とを照合することにより前記ユーザを識別する、
請求項４に記載の識別装置。
【請求項６】
前記生体データは、前記ユーザの血管の分布を示す第２情報を含む、
請求項１から５のいずれかに記載の識別装置。
【請求項７】
前記プロセッサは、
前記イメージセンサに、前記反射パルス光のうち、前記反射パルス光の強度が減少を開始してから減少が終了するまでの期間である立ち下り期間の少なくとも一部の成分を検出することによって得た第２の信号を出力させ、
前記第２の信号から取得された情報と、前記第２情報とを照合することにより前記ユーザを識別する、
請求項６に記載の識別装置。
【請求項８】
前記生体データは、前記ユーザの特徴部分の凹凸を示す第３情報を含む、
請求項１から７のいずれかに記載の識別装置。
【請求項９】
前記プロセッサは、
前記イメージセンサに、前記イメージセンサと前記ユーザの表面との間の距離の２次元分布を示す第３の信号を出力させ、
前記第３の信号から取得された情報と、前記第３情報とを照合することにより前記ユーザを識別する、
請求項８に記載の識別装置。
【請求項１０】
前記プロセッサは、
前記イメージセンサに、前記反射パルス光のうち、前記反射パルス光の強度が増加を開始してから増加が終了するまでの期間である立ち上り期間の少なくとも一部の成分を検出させ、
前記成分から、前記距離の前記２次元分布を算出する、
請求項９に記載の識別装置。
【請求項１１】
光源と、
イメージセンサと、
ユーザの身体の特徴を示す生体データが格納されたメモリと、
プロセッサと、
を備え、
前記生体データは、前記ユーザの皮膚表面のテクスチャを示す第１情報を含み、
前記プロセッサは、
前記光源に、少なくとも１つの明部および少なくとも１つの暗部を含む２次元パターンを前記ユーザに投影する照射光を出射させ、
前記イメージセンサに、前記ユーザから戻った反射光の少なくとも一部を検出させ、前記反射光の前記少なくとも一部の強度の２次元分布に応じた信号を出力させ、
前記信号と、前記メモリに格納された前記生体データとを照合することにより、前記ユーザを識別する、
識別装置。
【請求項１２】
前記生体データは、前記ユーザの血管の分布を示す第２情報をさらに含む、
請求項１１に記載の識別装置。
【請求項１３】
前記プロセッサは、
前記イメージセンサに、前記２次元パターンを投影された前記ユーザの、前記少なくとも１つの暗部から戻った第１の反射光の少なくとも一部を検出させ、前記第１の反射光の前記少なくとも一部の強度の２次元分布に応じた第１の信号を出力させ、
前記第１の信号から取得した情報と、前記第２情報とを照合することにより、前記ユーザを識別する、
請求項１２に記載の識別装置。
【請求項１４】
前記プロセッサは、
前記イメージセンサに、前記２次元パターンを投影された前記ユーザの、前記少なくとも１つの明部から戻った第２の反射光の少なくとも一部を検出させ、前記第２の反射光の前記少なくとも一部の強度の２次元分布に応じた第２の信号を出力させ、
前記第２の信号から前記第１の信号を減算することによって取得された情報と、前記第１情報とを照合することにより、前記ユーザを識別する、
請求項１３に記載の識別装置。
【請求項１５】
前記プロセッサは、
前記イメージセンサに、前記２次元パターンを投影された前記ユーザの、前記少なくとも１つの暗部から戻った第１の反射光の少なくとも一部を検出させ、前記少なくとも１つの明部から戻った第２の反射光の少なくとも一部を検出させ、前記第１の反射光の前記少なくとも一部の強度の２次元分布に応じた第１の信号を出力させ、前記第２の反射光の前記少なくとも一部の強度の２次元分布に応じた第２の信号を出力させ、
前記第２の信号から前記第１の信号を減算することによって取得された情報と、前記第１情報と、を照合することにより、前記ユーザを識別する、
請求項１１に記載の識別装置。
【請求項１６】
前記照射光は、パルス光である、
請求項１１に記載の識別装置。
【請求項１７】
前記パルス光のパルス幅は、３ｎｓ以上５０ｎｓ以下である、
請求項１６に記載の識別装置。
【請求項１８】
前記イメージセンサは複数の画素を含み、
前記プロセッサは、前記イメージセンサに、前記複数の画素の各々について、前記反射光の前記少なくとも一部の前記強度に応じた電荷を、千回以上１０万回以下繰り返して蓄積させ、
前記信号は、前記複数の画素に蓄積された電荷の総量の２次元分布を示す、
請求項１６または１７に記載の識別装置。
【請求項１９】
前記生体データは、前記ユーザの特徴部分の凹凸を示す第３情報をさらに含む、
請求項１６から１８のいずれかに記載の識別装置。
【請求項２０】
前記プロセッサは、
前記イメージセンサに、前記２次元パターンを投影された前記ユーザの、前記少なくとも１つの暗部から戻った第１の反射パルス光の少なくとも一部を検出させ、前記少なくとも１つの明部から戻った第２の反射パルス光の少なくとも一部を検出させ、前記第１の反射パルス光の前記少なくとも一部の強度の２次元分布に応じた第１の信号を出力させ、前記第２の反射パルス光の前記少なくとも一部の強度の２次元分布に応じた第２の信号を出力させ、
前記第２の信号から前記第１の信号を減算することによって取得された情報と、前記第３情報とを照合することにより、前記ユーザを識別する、
請求項１９に記載の識別装置。
【請求項２１】
前記生体データは、前記ユーザの血管の分布を示す第２情報をさらに含む、
請求項１６から１８のいずれかに記載の識別装置。
【請求項２２】
前記プロセッサは、
前記イメージセンサに、前記２次元パターンを投影された前記ユーザの、前記少なくとも１つの暗部から戻った第１の反射パルス光の強度が減少を開始してから減少が終了するまでの期間である立ち下り期間の少なくとも一部を検出させ、前記第１の反射パルス光の前記立ち下り期間の前記少なくとも一部の強度の２次元分布に応じた第１の信号を出力させ、
前記第１の信号から取得した情報と、前記第２情報とを照合することにより、前記ユーザを識別する、
請求項２１に記載の識別装置。
【請求項２３】
前記プロセッサは、
前記イメージセンサに、前記２次元パターンを投影された前記ユーザの、前記少なくとも１つの明部から戻った第２の反射パルス光の強度が増加を開始してから増加が終了するまでの期間である立ち上り期間の少なくとも一部を検出させ、前記第２の反射パルス光の前記立ち上り期間の前記少なくとも一部の強度の２次元分布に応じた第２の信号を出力させ、
前記第２の信号から取得した情報と、前記第１情報とを照合することにより、前記ユーザを識別する、
請求項１６から１８のいずれかに記載の識別装置。
【請求項２４】
光源と、イメージセンサとを備える識別装置を用いた識別方法であって、
前記光源に、ユーザに照射されるパルス幅が０．２ｎｓ以上１μｓ以下のパルス光を出射させることと、
前記イメージセンサに、前記ユーザから戻った反射パルス光の少なくとも一部を検出させて、前記反射パルス光の前記少なくとも一部の強度の２次元分布に応じた信号を出力させることと、
前記信号と、前記ユーザの身体の特徴を示す生体データとを照合することにより、前記ユーザを識別することと、
を含む、
識別方法。
【請求項２５】
光源と、イメージセンサとを備える識別装置を用いた識別方法であって、
前記光源に、少なくとも１つの明部および少なくとも１つの暗部を含む２次元パターンを前記ユーザに投影する照射光を出射させることと、
前記イメージセンサに、前記ユーザから戻った反射光の少なくとも一部を検出させ、前記反射光の前記少なくとも一部の強度の２次元分布に応じた信号を出力させることと、
前記信号と、前記ユーザの皮膚表面のテクスチャを示す生体データとを照合することにより、前記ユーザを識別することと、
を含む、
識別方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、識別装置および識別方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
個人識別の分野では、認証は、パスワード認証から生体認証へと遷移している。パスワード認証では、ユーザが入力したパスワードに基づいて認証が行われる。一方、生体認証では、人間の身体的特徴に関する情報に基づいて認証が行われる。生体認証には、忘却、漏洩、または総当り攻撃のリスクが少ないという利点がある。生体認証では、例えば、ユーザの体の一部を光で照射し、反射光を観察することにより、個人識別の情報が取得される。【０００３】
特許文献１は、ユーザの生体認証の精度を向上させる方法を開示している。特許文献１に記載の方法では、指紋認証と静脈認証とを組み合わせて、ユーザの生体認証が行われる。具体的には、ユーザの指の表面が、指紋認証用の９００ｎｍの波長の光と、静脈認証用の７５０ｎｍの光とで照射される。それらの反射光に基づいてユーザの認証が行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８―０２０９４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本開示は、より認証精度を向上させ得る技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示の一態様に係る識別装置は、光源と、イメージセンサと、ユーザの身体の特徴を示す生体データが格納されたメモリと、プロセッサと、を備える。前記プロセッサは、前記光源に、前記ユーザに照射されるパルス幅が０．２ｎｓ以上１μｓ以下のパルス光を出射させ、前記イメージセンサに、前記ユーザから戻った反射パルス光の少なくとも一部を検出させ、前記反射パルス光の前記少なくとも一部の強度の２次元分布に応じた信号を出力させ、前記信号と、前記生体データとを照合することにより、前記ユーザを識別する。
【発明の効果】
【０００７】
本開示の技術によれば、より精度の高い生体認証が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１Ａ】図１Ａは、本実施形態における識別装置の一例を模式的に示す図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、イメージセンサに到達する光の強度の時間変化の一例を示す図である。
【図１Ｃ】図１Ｃは、入力パルス光の幅を横軸に、センサ検出光量を縦軸に表した図である。
【図１Ｄ】図１Ｄは、イメージセンサの１つの画素の概略的な構成の一例を示す図である。
【図１Ｅ】図１Ｅは、イメージセンサの構成の一例を示す図である。
【図１Ｆ】図１Ｆは、１フレーム内の動作の一例を示す図である。
【図１Ｇ】図１Ｇは、制御回路による動作の概略を示すフローチャートである。
【図２Ａ】図２Ａは、光源から矩形パルス光が発せられてユーザから戻ってきた光がイメージセンサに到達する光信号の一例を表す図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、光源から矩形パルス光が発せられてユーザから戻ってきた光がイメージセンサに到達する光信号の他の例を表す図である。
【図３Ａ】図３Ａは、表面反射成分を検出する場合のタイミングチャートの一例を示す図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、内部散乱成分を検出する場合のタイミングチャートの一例を示す図である。
【図４Ａ】図４Ａは、光源からユーザに投影される２次元パターン光の分布の一例を模式的に示す図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、光源からユーザに投影される２次元パターン光の分布の他の例を模式的に示す図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、光源からユーザに投影される２次元パターン光の分布のさらに他の例を模式的に示す図である。
【図５Ａ】図５Ａは、一般的なカメラによってユーザを撮影している様子を模式的に示す図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、本実施形態における表面反射成分によるユーザの撮影の一例を模式的に示す図である。
【図５Ｃ】図５Ｃは、本実施形態における内部散乱成分によるユーザの撮影の一例を模式的に示す図である。
【図６】図６は、間接ＴＯＦ法によってパルス光の往復時間を計測する原理を説明する図である。
【図７】図７は、本実施形態におけるＴＯＦ法によるユーザの撮影の一例を模式的に示す図である。
【図８】図８は、制御回路が実行する処理の一例を示すフローチャートである。
【図９】図９は、本実施形態における識別装置を自動車の車室内に搭載した一例を模式的に示す図である。
【図１０】図１０は、本実施形態における識別装置をモバイル端末に適用した一例を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下で説明する実施の形態は、いずれも包括的又は具体的な例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置などは、一例であり、本開示を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
【００１０】
本開示において、回路、ユニット、装置、部材又は部の全部又は一部、又はブロック図の機能ブロックの全部又は一部は、半導体装置、半導体集積回路（ＩＣ）、又はＬＳＩ（ｌａｒｇｅ  ｓｃａｌｅ  ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）を含む一つ又は複数の電子回路によって実行されてもよい。ＬＳＩ又はＩＣは、一つのチップに集積されてもよいし、複数のチップを組み合わせて構成されてもよい。例えば、記憶素子以外の機能ブロックは、一つのチップに集積されてもよい。ここでは、ＬＳＩまたはＩＣと呼んでいるが、集積の度合いによって呼び方が変わり、システムＬＳＩ、ＶＬＳＩ（ｖｅｒｙ  ｌａｒｇｅ  ｓｃａｌｅ  ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）、若しくはＵＬＳＩ（ｕｌｔｒａ  ｌａｒｇｅ  ｓｃａｌｅ  ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）と呼ばれるものであってもよい。ＬＳＩの製造後にプログラムされる、Ｆｉｅｌｄ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｇａｔｅ  Ａｒｒａｙ（ＦＰＧＡ）、又はＬＳＩ内部の接合関係の再構成又はＬＳＩ内部の回路区画のセットアップができるｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ  ｌｏｇｉｃ  ｄｅｖｉｃｅも同じ目的で使うことができる。
【００１１】
さらに、回路、ユニット、装置、部材又は部の全部又は一部の機能又は操作は、ソフトウエア処理によって実行することが可能である。この場合、ソフトウエアは一つ又は複数のＲＯＭ、光学ディスク、ハードディスクドライブなどの非一時的記録媒体に記録され、ソフトウエアが処理装置（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）によって実行されたときに、そのソフトウエアで特定された機能が処理装置（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）および周辺装置によって実行される。システム又は装置は、ソフトウエアが記録されている一つ又は複数の非一時的記録媒体、処理装置（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、及び必要とされるハードウエアデバイス、例えばインターフェース、を備えていても良い。
【００１２】
以下、実施の形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。
【００１３】
（実施の形態）
［１．識別装置］
まず、本開示の実施形態における識別装置１００の構成について、図１Ａから図１Ｇを用いて説明する。
【００１４】
図１Ａは、本実施形態における識別装置１００の一例を模式的に示す図である。識別装置１００は、光源１０と、イメージセンサ２０と、メモリ２５と、制御回路３０と、信号処理回路４０とを備える。イメージセンサ２０は、複数の光電変換素子２２および複数の電荷蓄積部２４を含む。本明細書において、制御回路３０および信号処理回路４０をまとめて、「プロセッサ」と称することがある。
【００１５】
光源１０は、ユーザ１の頭部に照射されるパルス光を出射する。イメージセンサ２０は、ユーザ１の頭部から戻ってきたパルス光の少なくとも一部を検出する。制御回路３０は、光源１０およびイメージセンサ２０を制御する。信号処理回路４０は、イメージセンサ２０から出力された信号を処理する。
【００１６】
本実施形態では、制御回路３０は、光源１０を制御する光源制御部３２と、イメージセンサ２０を制御するセンサ制御部３４とを含む。光源制御部３２は、光源１０から出射されるパルス光の強度、パルス幅、出射タイミング、および／または波長を制御する。センサ制御部３４は、イメージセンサ２０の各画素における信号蓄積のタイミングを制御する。
【００１７】
以下、各構成要素をより詳細に説明する。
【００１８】
［１−１．光源１０］
光源１０は、ユーザ１の頭部、例えば額に光を照射する。光源１０から出射されてユーザ１に到達した光は、ユーザ１の表面で反射される表面反射成分Ｉ１と、ユーザ１の内部で散乱される内部散乱成分Ｉ２とに分かれる。内部散乱成分Ｉ２は、生体内部で１回反射もしくは散乱、または多重散乱する成分である。ユーザ１の額を光で照射する場合、内部散乱成分Ｉ２は、額の表面から奥に８ｍｍから１６ｍｍほどの部位、例えば脳に到達し、再び識別装置１００に戻る成分を指す。表面反射成分Ｉ１は、直接反射成分、拡散反射成分、および散乱反射成分の３つの成分を含む。直接反射成分は、入射角と反射角とが等しい反射成分である。拡散反射成分は、表面の凹凸形状によって拡散して反射する成分である。散乱反射成分は、表面近傍の内部組織によって散乱して反射する成分である。ユーザ１の額を光で照射する場合、散乱反射成分は、表皮内部で散乱して反射する成分である。以降、本開示では、ユーザ１の表面で反射する表面反射成分Ｉ１は、これら３つの成分を含むものとする。表面反射成分Ｉ１および内部散乱成分Ｉ２は、反射または散乱によって進行方向が変化し、その一部がイメージセンサ２０に到達する。
【００１９】
光源１０は、制御回路３０からの指示に従い、パルス光を所定の時間間隔または所定のタイミングで複数回繰り返し発生させる。光源１０が発生させるパルス光は、例えば立ち下り期間がゼロに近い矩形波であり得る。立ち下り期間とは、パルス光の強度が減少を開始してから減少が終了するまでの期間である。パルス光の立ち下り期間における成分を、パルス光の後端とも称する。一般に、ユーザ１に入射した光は、様々な経路でユーザ１内を伝搬し、時間差を伴ってユーザ１の表面から出射する。このため、パルス光の内部散乱成分Ｉ２の後端は広がりを有する。被検部が額である場合、内部散乱成分Ｉ２の後端の広がりは、４ｎｓ程度である。このことを考慮すると、パルス光の立ち下り期間は、例えばその半分以下である２ｎｓ以下に設定され得る。立ち下り時間は、さらにその半分の１ｎｓ以下であってもよい。一方、パルス光の立ち上り期間における成分は、表面反射成分Ｉ１の検出に用いられ得る。立ち上り期間とは、パルス光の強度が増加を開始してから増加が終了するまでの期間である。パルス光の立ち上り期間における成分を、パルス光の前端とも称する。
【００２０】
光源１０は、ＬＤなどのレーザなどの光源と、拡散板との組み合わせによって形成してもよい。レーザを用いることにより、時間応答性が高い光出力が可能になる。時間応答性が高い光出力は、鋭い立ち上り特性、または立ち下り特性の波形を有する。立ち上り特性および立ち下り特性は、それぞれ、Ｔｒ特性およびＴｆ特性とも呼ばれる。拡散板を光源１０の前に設置することにより、ユーザ１を２次元的に光で照射することもできる。
【００２１】
光源１０が発する光の波長は、例えば６５０ｎｍ以上９５０ｎｍ以下の波長範囲に含まれる任意の波長であり得る。この波長範囲は、赤色から近赤外線の波長範囲に含まれる。本明細書では、可視光のみならず赤外線についても「光」の用語を使用する。上記の波長範囲は、「生体の窓」と呼ばれており、生体内の水分および皮膚に比較的吸収されにくいという性質を有する。生体を検出対象にする場合、上記の波長範囲の光を使用することにより、検出感度を高くすることができる。
【００２２】
本実施形態の識別装置１００では、非接触でユーザ１を測定するため、網膜への影響を考慮して設計された光源１０が用いられ得る。例えば、各国で策定されているレーザ安全基準のクラス１を満足する光源１０が用いられ得る。クラス１が満足されている場合、被爆放出限界（ＡＥＬ）が１ｍＷを下回るほどの低照度の光がユーザ１に照射される。なお、光源１０自体はクラス１を満たしていなくてもよい。例えば、拡散板またはＮＤフィルタなどが光源１０の前に設置されて光が拡散あるいは減衰されることによってレーザ安全基準のクラス１が満たされていてもよい。
【００２３】
従来、生体内部の深さ方向において異なる場所における吸収係数または散乱係数などの情報を区別して検出するために、ストリークカメラが使用されていた。例えば、特開平４−１８９３４９は、そのようなストリークカメラの一例を開示している。これらのストリークカメラでは、所望の空間分解能で測定するために、パルス幅がフェムト秒またはピコ秒の極超短パルス光が用いられていた。なお、本明細書において「パルス幅」とは、パルスの半値全幅を意味する。従来のストリークカメラを使用した方法に対し、本実施形態における識別装置１００は、表面反射成分Ｉ１と内部散乱成分Ｉ２とを区別して検出することができる。したがって、光源１０が発するパルス光は、極超短パルス光である必要はなく、パルス幅を任意に選択できる。
【００２４】
額を光で照射する場合、内部散乱成分Ｉ２の光量は、表面反射成分Ｉ１の光量の数千分の１から数万分の１程度の非常に小さい値になり得る。さらに、レーザの安全基準を考慮すると、照射できる光の光量が極めて小さくなり、内部散乱成分Ｉ２の検出は非常に難しくなる。その場合でも、光源１０が、比較的パルス幅の大きいパルス光を発生させれば、時間遅れを伴う内部散乱成分Ｉ２の積算量を増加させることができる。それにより、検出光量を増やし、ＳＮ比を向上させることができる。
【００２５】
光源１０は、例えばパルス幅が３ｎｓ以上のパルス光を発する。一般に、脳などの生体組織内で散乱された光の時間的な広がりは４ｎｓ程度である。図１Ｂは、入力パルス光の幅が０ｎｓ、３ｎｓ、および１０ｎｓのそれぞれの場合において、イメージセンサ２０に到達する光量の時間変化の一例を示している。図１Ｂに示すように、光源１０からのパルス光の幅を広げるにつれて、ユーザ１から戻ったパルス光の後端に現れる内部散乱成分Ｉ２の光量が増加する。図１Ｃは、入力パルス光の幅を横軸に、イメージセンサ２０で検出される光の光量を縦軸に表した図である。イメージセンサ２０は、電子シャッタを備える。図１Ｃの結果は、パルス光の後端がユーザ１の表面で反射されてイメージセンサ２０に到達した時刻から１ｎｓ経過した後に電子シャッタを開いた条件で得られた。この条件を選択した理由は、パルス光の後端が到達した直後は、内部散乱成分Ｉ２に対する表面反射成分Ｉ１の比率が高いためである。図１Ｃに示すように、光源１０が発するパルス光のパルス幅を３ｎｓ以上にすると、イメージセンサ２０で検出される光の光量を最大化することができる。
【００２６】
また、光源１０および電子シャッタの駆動回路によるタイミング制御の分解能は、０．２ｎｓ程度である。そのため、光源１０のパルス幅は、例えば０．２ｎｓ以上に設定される。
【００２７】
光源１０は、パルス幅５ｎｓ以上、さらには１０ｎｓ以上のパルス光を発光してもよい。一方、パルス幅が大きすぎても使用しない光が増えて無駄となる。よって、光源１０は、例えば、パルス幅５０ｎｓ以下のパルス光を発生させる。あるいは、光源１０は、パルス幅３０ｎｓ以下、さらには２０ｎｓ以下のパルス光を発光してもよい。
【００２８】
なお、光源１０の照射パターンとしては、照射領域内において、均一な強度分布であってよい。これは以下の理由による。本実施形態における識別装置１００では、時間的に表面反射成分Ｉ１が分離・低減される。これにより、ユーザ１上の照射点直下であるＮｕｌｌ点においても内部散乱成分Ｉ２を検出することができる。したがって、本実施形態における識別装置１００では、ユーザ１の被検部を空間的に広い範囲にわたって照射することにより、測定解像度を高めることができる。
【００２９】
［１−２．イメージセンサ２０］
イメージセンサ２０は、光源１０から出射され、ユーザ１で反射または散乱した光を受光する。イメージセンサ２０は、２次元に配置された複数の光検出セルを有し、ユーザ１の２次元情報を一度に取得する。これにより、ユーザ１の被検部をスライドして検出するラインセンサと比較して、比較的短時間でユーザ１の２次元情報を取得することができる。本明細書において、光検出セルを「画素」とも称する。イメージセンサ２０は、例えば、ＣＣＤイメージセンサまたはＣＭＯＳイメージセンサなどの任意の撮像素子である。
【００３０】
イメージセンサ２０は、電子シャッタを有する。電子シャッタは、撮像のタイミングを制御する回路である。本実施形態では、制御回路３０におけるセンサ制御部３４が、電子シャッタの機能を有する。電子シャッタは、受光した光を有効な電気信号に変換して蓄積する１回の信号蓄積の期間と、信号蓄積を停止する期間とを制御する。信号蓄積期間は、「露光期間」と称することもできる。以下の説明において、露光期間の幅を、「シャッタ幅」と称することがある。１回の露光期間が終了し次の露光期間が開始するまでの時間を、「非露光期間」と称することがある。以下、露光している状態を「ＯＰＥＮ」、露光を停止している状態を「ＣＬＯＳＥ」と称することがある。
【００３１】
イメージセンサ２０は、電子シャッタによって露光期間および非露光期間をサブナノ秒、例えば、３０ｐｓから１ｎｓの範囲で調整できる。距離測定を目的としている従来のＴＯＦ（Ｔｉｍｅ  Ｏｆ  Ｆｌｉｇｈｔ）カメラは、被写体の明るさの影響を補正するため、光源１０から出射され被写体で反射されて戻った光の全てを検出する。したがって、従来のＴＯＦカメラでは、シャッタ幅が光のパルス幅よりも大きい必要があった。これに対し、本実施形態の識別装置１００では、被写体の光量を補正する必要がない。このため、シャッタ幅がパルス幅よりも大きい必要はない。よって、シャッタ幅を、例えば、１ｎｓ以上３０ｎｓ以下の値に設定できる。本実施形態の識別装置１００によれば、シャッタ幅を縮小できるため、検出信号に含まれる暗電流の影響を低減することができる。
【００３２】
ユーザ１の額を光で照射する場合、内部での光の減衰率が非常に大きい。例えば、入射光に対して出射光が、１００万分の１程度にまで減衰し得る。このため、内部散乱成分Ｉ２を検出するには、１パルスの照射だけでは光量が不足する場合がある。レーザ安全性基準のクラス１での照射では特に光量が微弱である。この場合、光源１０がパルス光を複数回発光し、それに応じてイメージセンサ２０も電子シャッタによって複数回露光することによって検出信号を積算して感度を向上することができる。
【００３３】
以下、イメージセンサ２０の構成例を説明する。
【００３４】
イメージセンサ２０は、撮像面上に２次元的に配列された複数の画素を備え得る。各画素は、例えばフォトダイオードなどの光電変換素子と、１つまたは複数の電荷蓄積部とを備え得る。以下、各画素が、光電変換によって受光量に応じた信号電荷を発生させる光電変換素子と、パルス光の表面反射成分Ｉ１によって生じた信号電荷を蓄積する電荷蓄積部と、パルス光の内部散乱成分Ｉ２によって生じた信号電荷を蓄積する電荷蓄積部とを備える例を説明する。以下の例では、制御回路３０は、イメージセンサ２０に、ユーザ１の頭部から戻ったパルス光中の立ち下り開始前の部分を検出させることにより、表面反射成分Ｉ１を検出させる。制御回路３０はまた、イメージセンサ２０に、ユーザ１の頭部から戻ったパルス光中の立ち下り開始後の部分を検出させることにより、内部散乱成分Ｉ２を検出させる。光源１０は、例えば２種類の波長の光を出射する。
【００３５】
図１Ｄは、イメージセンサ２０の１つの画素２０１の概略的な構成の一例を示す図である。なお、図１Ｄは、１つの画素２０１の構成を模式的に示しており、実際の構造を必ずしも反映していない。この例における画素２０１は、光電変換を行うフォトダイオード２０３と、電荷蓄積部である第１の浮遊拡散層（Ｆｌｏａｔｉｎｇ  Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）２０４、第２の浮遊拡散層２０５、第３の浮遊拡散層２０６、および第４の浮遊拡散層２０７と、信号電荷を排出するドレイン２０２とを含む。
【００３６】
１回のパルス光の出射に起因して各画素に入射したフォトンは、フォトダイオード２０３によって信号電荷である信号エレクトロンに変換される。変換された信号エレクトロンは、制御回路３０から入力される制御信号に従って、ドレイン２０２に排出されるか、第１の浮遊拡散層２０４、第２の浮遊拡散層２０５、第３の浮遊拡散層２０６、および第４の浮遊拡散層２０７のいずれかに振り分けられる。
【００３７】
光源１０からのパルス光の出射と、第１の浮遊拡散層２０４、第２の浮遊拡散層２０５、第３の浮遊拡散層２０６、および第４の浮遊拡散層２０７への信号電荷の蓄積と、ドレイン２０２への信号電荷の排出が、この順序で繰り返し行われる。この繰り返し動作は高速であり、例えば１フレームの時間内に、例えば数万回から数億回繰り返され得る。１フレームの時間は、例えば約１／３０秒である。画素２０１は、最終的に、第１の浮遊拡散層２０４、第２の浮遊拡散層２０５、第３の浮遊拡散層２０６、および第４の浮遊拡散層２０７に蓄積された信号電荷に基づく４つの画像信号を生成して出力する。
【００３８】
この例における制御回路３０は、光源１０に、第１の波長をもつ第１のパルス光と、第２の波長をもつ第２のパルス光とを、順に繰り返し出射させる。第１の波長および第２の波長として、ユーザ１の内部組織に対する吸収率が異なる２波長を選択することにより、ユーザ１の状態を分析することができる。
【００３９】
制御回路３０は、まず、光源１０に、第１のパルス光を出射させる。制御回路３０は、第１のパルス光の表面反射成分Ｉ１がフォトダイオード２０３に入射している第１の期間に、第１の浮遊拡散層２０４に信号電荷を蓄積させる。続いて、制御回路３０は、第１のパルス光の内部散乱成分Ｉ２がフォトダイオード２０３に入射している第２の期間に、第２の浮遊拡散層２０５に信号電荷を蓄積させる。次に、制御回路３０は、光源１０に、第２のパルス光を出射させる。制御回路３０は、第２のパルス光の表面反射成分Ｉ１がフォトダイオード２０３に入射している第３の期間に、第３の浮遊拡散層２０６に信号電荷を蓄積させる。続いて、制御回路３０は、第２のパルス光の内部散乱成分Ｉ２がフォトダイオード２０３に入射している第４の期間に、第４の浮遊拡散層２０７に信号電荷を蓄積させる。
【００４０】
このように、制御回路３０は、第１のパルス光の発光を開始した後、所定の時間差を空けて、第１の浮遊拡散層２０４および第２の浮遊拡散層２０５に、フォトダイオード２０３からの信号電荷を順次蓄積させる。その後、制御回路３０は、第２のパルス光の発光を開始した後、上記所定の時間差を空けて、第３の浮遊拡散層２０６および第４の浮遊拡散層２０７に、フォトダイオード２０３からの信号電荷を順次蓄積させる。以上の動作を複数回繰り返す。外乱光および環境光の光量を推定するために、光源１０を消灯した状態で不図示の他の浮遊拡散層に信号電荷を蓄積する期間を設けてもよい。第１の浮遊拡散層２０４、第２の浮遊拡散層２０５、第３の浮遊拡散層２０６、および第４の浮遊拡散層２０７に蓄積された信号電荷量から、上記他の浮遊拡散層の信号電荷量を差し引くことにより、外乱光および環境光成分を除去した信号を得ることができる。
【００４１】
なお、本実施形態では、画素ごとの電荷蓄積部の数を４としているが、目的に応じて１以上の任意の数に設計してよい。例えば、１種類の波長のみを用いる場合には、電荷蓄積部の数は２であってよい。また、使用する波長が１種類で、表面反射成分Ｉ１のみ、または内部散乱成分Ｉ２のみを検出する用途では、画素ごとの電荷蓄積部の数は１であってもよい。また、２種類以上の波長を用いる場合であっても、それぞれの波長を用いた撮像を別のフレームで行う場合には、電荷蓄積部の数は１であってもよい。後述するように、表面反射成分Ｉ１の検出と内部散乱成分Ｉ２の検出とをそれぞれ別のフレームで行う場合には、電荷蓄積部の数は１であってもよい。
【００４２】
図１Ｅは、イメージセンサ２０の構成の一例を示す図である。図１Ｅにおいて、二点鎖線の枠で囲まれた領域が１つの画素２０１に相当する。画素２０１には１つのフォトダイオードが含まれる。図１Ｅでは２行２列に配列された４画素のみを示しているが、実際にはさらに多数の画素が配置され得る。画素２０１は、第１の浮遊拡散層２０４、第２の浮遊拡散層２０５、第３の浮遊拡散層２０６、および第４の浮遊拡散層２０７を含む。第１の浮遊拡散層２０４、第２の浮遊拡散層２０５、第３の浮遊拡散層２０６、および第４の浮遊拡散層２０７に蓄積される信号は、あたかも一般的なＣＭＯＳイメージセンサの４画素の信号のように取り扱われ、イメージセンサ２０から出力される。
【００４３】
各画素２０１は、４つの信号検出回路を有する。各信号検出回路は、ソースフォロワトランジスタ３０９と、行選択トランジスタ３０８と、リセットトランジスタ３１０とを含む。この例では、リセットトランジスタ３１０が図１Ｄに示すドレイン２０２に対応し、リセットトランジスタ３１０のゲートに入力されるパルスがドレイン排出パルスに対応する。各トランジスタは、例えば半導体基板に形成された電界効果トランジスタであるが、これに限定されない。図示されるように、ソースフォロワトランジスタ３０９の入力端子および出力端子の一方と、行選択トランジスタ３０８の入力端子および出力端子のうちの一方とが接続されている。ソースフォロワトランジスタ３０９の入力端子および出力端子の一方は、典型的にはソースである。行選択トランジスタ３０８の入力端子および出力端子のうちの一方は、典型的にはドレインである。ソースフォロワトランジスタ３０９の制御端子であるゲートは、フォトダイオード２０３に接続されている。フォトダイオード２０３によって生成された信号電荷は、フォトダイオード２０３とソースフォロワトランジスタ３０９との間の電荷蓄積部である浮遊拡散層に蓄積される。当該信号電荷は、正孔または電子である。
【００４４】
図１Ｅには示されていないが、第１の浮遊拡散層２０４、第２の浮遊拡散層２０５、第３の浮遊拡散層２０６、および第４の浮遊拡散層２０７はフォトダイオード２０３に接続される。フォトダイオード２０３と第１の浮遊拡散層２０４、第２の浮遊拡散層２０５、第３の浮遊拡散層２０６、および第４の浮遊拡散層２０７との間には、スイッチが設けられ得る。このスイッチは、制御回路３０からの信号蓄積パルスに応じて、フォトダイオード２０３と第１の浮遊拡散層２０４、第２の浮遊拡散層２０５、第３の浮遊拡散層２０６、および第４の浮遊拡散層２０７の各々との間の導通状態を切り替える。これにより、第１の浮遊拡散層２０４、第２の浮遊拡散層２０５、第３の浮遊拡散層２０６、および第４の浮遊拡散層２０７の各々への信号電荷の蓄積の開始と停止とが制御される。本実施形態における電子シャッタは、このような露光制御のための機構を有する。
【００４５】
第１の浮遊拡散層２０４、第２の浮遊拡散層２０５、第３の浮遊拡散層２０６、および第４の浮遊拡散層２０７に蓄積された信号電荷は、行選択回路３０２によって行選択トランジスタ３０８のゲートがＯＮにされることにより、読み出される。この際、第１の浮遊拡散層２０４、第２の浮遊拡散層２０５、第３の浮遊拡散層２０６、および第４の浮遊拡散層２０７の信号電位に応じて、ソースフォロワ電源３０５からソースフォロワトランジスタ３０９およびソースフォロワ負荷３０６へ流入する電流が増幅される。垂直信号線３０４から読み出されるこの電流によるアナログ信号は、列毎に接続されたアナログ−デジタル（ＡＤ）変換回路３０７によってデジタル信号データに変換される。このデジタル信号データは、列選択回路３０３によって列ごとに読み出され、イメージセンサ２０から出力される。行選択回路３０２および列選択回路３０３は、１つの行の読出しを行った後、次の行の読み出しを行い、以下同様に、全ての行の浮遊拡散層の信号電荷の情報を読み出す。制御回路３０は、全ての信号電荷を読み出した後、リセットトランジスタ３１０のゲートをオンにすることにより、全ての浮遊拡散層をリセットする。これにより、１つのフレームの撮像が完了する。以下同様に、フレームの高速撮像を繰り返すことにより、イメージセンサ２０による一連のフレームの撮像が完結する。
【００４６】
本実施の形態では、ＣＭＯＳ型のイメージセンサ２０の例を説明したが、イメージセンサ２０は他の種類の撮像素子であってもよい。イメージセンサ２０は、例えば、ＣＣＤ型であっても、単一光子計数型素子であっても、ＥＭＣＣＤまたはＩＣＣＤなどの増幅型イメージセンサであっても構わない。
【００４７】
図１Ｆは、本実施形態における１フレーム内の動作の一例を示す図である。図１Ｆに示すように、１フレーム内で、第１のパルス光の発光と第２のパルス光の発光とを交互に複数回切り替えてもよい。このようにすると、２種類の波長による検出画像の取得タイミングの時間差を低減でき、動きがあるユーザ１であっても、ほぼ同時に第１および第２のパルス光での撮影が可能である。
【００４８】
［１−３．メモリ２５］
メモリ２５には、事前に取得および登録されたユーザ１の身体の特徴を示す生体データが格納されている。この生体データをテンプレートと称する。メモリ２５は、識別装置１００に内蔵されてもよいし、外部に設けられてもよい。メモリ２５は、例えば、１つまたは複数のＲＯＭ、光学ディスク、またはハードディスクドライブであり得る。
【００４９】
メモリ２５に格納されている生体データは、例えば、ユーザ１の画像そのもの、または、その画像を特徴付けるデータであり得る。画像を特徴付けるデータは、例えば、ユーザ１の皮膚表面のテクスチャを示す情報、ユーザ１の血管の分布を示す情報、または、ユーザ１の特徴部分の凹凸を示す情報を含む。「ユーザ１の皮膚表面のテクスチャを示す情報」は、例えば、ユーザ１の皮膚表面のある箇所におけるしわ、または微小な凹凸の２次元分布の画素値をフーリエ変換することによって得られる周波数成分の２次元分布であり得る。この変換は、しわ、または微小な凹凸が、似たような２次元パターンの繰り返しを示す場合に有効である。「ユーザ１の血管の分布を示す情報」は、例えば、ユーザ１の静脈の分布を示す画像情報である。「ユーザ１の特徴部分の凹凸を示す情報」は、例えば、ユーザ１の眼窩、鼻、頬、頬骨、口、顎、および耳下のうちの少なくとも１つにおける凹凸を示す距離の２次元分布の画像情報である。ユーザ１の画像を特徴付けるデータを格納することにより、余分な情報を除去し、認識精度を高められるだけでなく、格納するデータ量を少なくすることができる。
【００５０】
［１−４．制御回路３０および信号処理回路４０］
制御回路３０は、光源１０に、ユーザ１に照射されるパルス光を出射させる。制御回路３０は、イメージセンサ２０に、ユーザ１から戻った反射パルス光の少なくとも一部を検出させる。制御回路３０は、光源１０のパルス光発光タイミングと、イメージセンサ２０のシャッタタイミングとの時間差を調整する。以下、当該時間差を「位相」または「位相遅れ」と称することがある。光源１０の「発光タイミング」とは、光源１０が発光するパルス光が立ち上りを開始するタイミングである。「シャッタタイミング」とは、露光を開始するタイミングである。制御回路３０は、発光タイミングを変化させて位相を調整しても良いし、シャッタタイミングを変化させて位相を調整しても良い。
【００５１】
制御回路３０は、イメージセンサ２０に、検出した光の強度分布に応じたユーザ１の２次元像を示す信号を出力させる。制御回路３０は、信号処理回路４０に、イメージセンサ２０から出力された信号を処理させる。制御回路３０は、イメージセンサ２０の各画素で検出された信号からオフセット成分を取り除くように構成されてもよい。オフセット成分は、太陽光もしくは蛍光灯などの環境光、または外乱光による信号成分である。光源１０が発光しない状態、つまり光源１０の駆動をＯＦＦにした状態で、イメージセンサ２０が信号を検出することによって環境光、外乱光によるオフセット成分が見積もられる。
【００５２】
制御回路３０は、例えばプロセッサおよびメモリの組み合わせ、またはプロセッサおよびメモリを内蔵するマイクロコントローラ等の集積回路であり得る。制御回路３０は、例えばプロセッサがメモリに記録されたプログラムを実行することにより、発光タイミングとシャッタタイミングとの調整、オフセット成分の見積り、およびオフセット成分の除去等を行う。
【００５３】
信号処理回路４０は、イメージセンサ２０から出力された画像信号を処理する回路である。信号処理回路４０は、画像処理等の演算処理を行う。信号処理回路４０は、例えばデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）等のプログラマブルロジックデバイス（ＰＬＤ）、または中央演算処理装置（ＣＰＵ）もしくは画像処理用演算プロセッサ（ＧＰＵ）とコンピュータプログラムとの組み合わせによって実現され得る。なお、制御回路３０および信号処理回路４０は、統合された１つの回路であってもよいし、分離された個別の回路であってもよい。また、信号処理回路４０は、例えば遠隔地に設けられたサーバーなどの外部の装置の構成要素であってもよい。この場合、サーバーなどの外部の装置は通信手段を備え、光源１０、イメージセンサ２０、および制御回路３０と相互にデータの送受信を行う。
【００５４】
図１Ｇは、制御回路３０による動作の概略を示すフローチャートである。制御回路３０は、概略的には図１Ｇに示す動作を実行する。なお、ここでは、一例として、内部散乱成分Ｉ２の検出のみを行う場合の動作を説明する。制御回路３０は、まず、光源１０に所定時間だけパルス光を発光させる（ステップＳ１０１）。このとき、イメージセンサ２０の電子シャッタは電荷蓄積を停止した状態にある。制御回路３０は、パルス光の一部がユーザ１の表面で反射されてイメージセンサ２０に到達する期間が完了するまで、電子シャッタに電荷蓄積を停止させる。次に、制御回路３０は、当該パルス光の他の一部がユーザ１の内部で散乱されてイメージセンサ２０に到達するタイミングで、電子シャッタに電荷蓄積を開始させる（ステップＳ１０２）。所定時間経過後、制御回路３０は、電子シャッタに電荷蓄積を停止させる（ステップＳ１０３）。続いて、制御回路３０は、上記の電荷蓄積を実行した回数が所定の回数に達したか否かを判定する（ステップＳ１０４）。所定の回数は、例えば、千回以上１０万回以下であり得る。ステップＳ１０４においてＮｏと判定すると、制御回路３０は、Ｙｅｓと判定するまで、ステップＳ１０１からＳ１０３を繰り返す。ステップＳ１０４においてＹｅｓと判定すると、制御回路３０は、画素ごとの各浮遊拡散層に蓄積された信号電荷の総量に基づく２次元分布の画像を示す信号をイメージセンサ２０に生成させて出力させる（ステップＳ１０５）。
【００５５】
以上の動作により、測定対象の内部で散乱された光の成分を高い感度で検出することができる。なお、複数回の発光および露光は必須ではなく、必要に応じて行われる。なお、図１Ｇに示すステップＳ１０１から１０５の動作は、表面反射成分Ｉ１の検出のみを行う場合にも適用できる。
【００５６】
制御回路３０は、イメージセンサ２０から出力された信号と、メモリ２５に格納された生体データとを照合することにより、ユーザ１を認証する。制御回路３０の動作は以下の通りである。制御回路３０は、信号処理回路４０に、イメージセンサ２０によって得られた情報から画像データを生成させる。制御回路３０は、その画像データと、メモリ２５に格納された生体データとを比較する。メモリ２５にユーザ１の画像を特徴付けるデータが格納されている場合、信号処理回路４０は、生成したユーザ１の画像から、その画像を特徴付けるデータを取り出し、制御回路３０は、ユーザ１の画像を特徴付けるデータ同士を比較する。その他、制御回路３０は、イメージセンサ２０によって取得された情報と、事前に登録された情報との相関を単純に比較してもよい。また、制御回路３０は、ディープラーニング、またはサポートベクターマシーンなどの機械学習によって取得したユーザの特徴に基づいてユーザ１を認証してもよい。
【００５７】
［１−５．光学系］
識別装置１００は、ユーザ１の２次元像をイメージセンサ２０の受光面上に形成する結像光学系を備えてもよい。結像光学系の光軸は、イメージセンサ２０の受光面に対して略直交する。結像光学系は、ズームレンズを含んでいてもよい。ズームレンズの位置が変化するとユーザ１の２次元像の拡大率が変更し、イメージセンサ２０上の２次元像の解像度が変化する。したがって、ユーザ１までの距離が遠くても測定したい領域を拡大して詳細に観察することが可能となる。
【００５８】
また、識別装置１００は、ユーザ１とイメージセンサ２０との間に光源１０から発する波長の帯域またはその近傍の光のみを通過させる帯域通過フィルタを備えてもよい。これにより、環境光などの外乱成分の影響を低減することができる。帯域通過フィルタは、多層膜フィルタまたは吸収フィルタによって構成される。光源１０の温度およびフィルタへの斜入射に伴う帯域シフトを考慮して、帯域通過フィルタの帯域幅は２０から１００ｎｍ程度の幅を持たせてもよい。
【００５９】
また、識別装置１００は、光源１０とユーザ１との間、およびイメージセンサ２０とユーザ１との間にそれぞれ偏光板を備えてもよい。この場合、光源１０側に配置される偏光板とイメージセンサ側に配置される偏光板の偏光方向は直交ニコルの関係である。これにより、ユーザ１の表面反射成分Ｉ１のうち正反射成分、すなわち入射角と反射角が同じ成分がイメージセンサ２０に到達することを防ぐことができる。つまり、表面反射成分Ｉ１がイメージセンサ２０に到達する光量を低減させることができる。
【００６０】
［２．時間分解撮像の動作］
本実施形態における識別装置１００は、時間分解撮像により、表面反射成分Ｉ１と内部散乱成分Ｉ２とを区別して検出することができる。
【００６１】
以下、本実施の形態における識別装置１００の動作の例を説明する。
【００６２】
図１Ａに示すように、光源１０がユーザ１にパルス光を照射すると、表面反射成分Ｉ１および内部散乱成分Ｉ２が発生する。表面反射成分Ｉ１および内部散乱成分Ｉ２の一部が、イメージセンサ２０に到達する。内部散乱成分Ｉ２は、光源１０から発せられてイメージセンサ２０に到達するまでにユーザ１の内部を通過する。すなわち、内部散乱成分Ｉ２の光路長は、表面反射成分Ｉ１の光路長に比べて長くなる。したがって、内部散乱成分Ｉ２は、イメージセンサ２０に到達する時間が表面反射成分Ｉ１に対して平均的に遅れる。
【００６３】
時間分解撮像において、表面反射成分Ｉ１は、以下の動作によって取得される。
【００６４】
図２Ａは、光源１０から矩形パルス光が発せられてユーザ１から戻ってきた光がイメージセンサ２０に到達する光信号の一例を表す図である。横軸は信号（ａ）から（ｄ）においていずれも時間（ｔ）を表し、縦軸は信号（ａ）から（ｃ）においては強度、信号（ｄ）においては電子シャッタのＯＰＥＮまたはＣＬＯＳＥの状態を表す。信号（ａ）は、表面反射成分Ｉ１を示す。信号（ｂ）は、内部散乱成分Ｉ２を示す。信号（ｃ）は、表面反射成分Ｉ１（ａ）と内部散乱成分Ｉ２（ｂ）との合算成分を示す。信号（ｄ）は、ユーザ１の表面反射成分Ｉ１を取得するための電子シャッタタイミングを示す図である。
【００６５】
図２Ａにおける信号（ｄ）に示すように、シャッタを切ることにより、イメージセンサ２０上への戻った反射光のうち早く到達する成分を効率的に収集することができる。早く到達する成分はユーザ１での散乱が少ないことを意味し、ユーザ１の表面情報を含む。実質的に光が蓄積される時間はパルス波の前端のわずかな時間であるが、シャッタは必ずしもその期間だけである必要はない。図２Ａにおける信号（ｄ）に示すように、ＣＬＯＳＥ直前において電荷が蓄積されれば、パルス波の前端がイメージセンサ２０に到達するよりも早い段階でシャッタをＯＰＥＮしてもよい。これにより、ピコセカンドオーダの高価な高時間分解撮像装置は不要である。本実施形態における識別装置１００は、安価なイメージセンサ２０によって構成され得る。
【００６６】
図２Ａにおける信号（ｄ）に示す動作を実行するために、制御回路３０は、イメージセンサ２０に、反射パルス光のうち、立ち上り期間の少なくとも一部の成分を検出させ、ユーザ１の２次元像を示す信号を出力させる。本実施形態において、イメージセンサ２０から出力される信号とは、反射パルス光のうち、立ち上り期間の少なくとも一部の成分から取得された信号を含み得る。
【００６７】
光源１０は、矩形パルス波を照射する。このとき、パルス幅はｐｓオーダである必要はなく数ｎｓでよい。したがって、安価な光源を用いることができる。パルス波の前端におけるＴｒ特性が急進であれば、前端のみをシャッタ撮像した場合において、時間遅れを伴う不要な内部散乱成分Ｉ２が取得画像へ混入することを極力低減することができる。
【００６８】
時間分解撮像において、内部散乱成分Ｉ２は、以下の動作によって取得される。
【００６９】
図２Ｂは、光源１０から矩形パルス光が発せられてユーザ１から戻ってきた光がイメージセンサ２０に到達する光信号の他の例を表す図である。図２Ｂにおける信号（ａ）から（ｃ）は、それぞれ図２Ａにおける信号（ａ）から（ｃ）と同様の時間変化を示している。図２Ｂにおける信号（ｄ）は、内部散乱成分Ｉ２を取得するための電子シャッタタイミングを示す図である。
【００７０】
図２Ｂにおける信号（ａ）に示すように、表面反射成分Ｉ１は矩形を維持する。一方、図２Ｂにおける信号（ｂ）に示すように、内部散乱成分Ｉ２はさまざまな光路長を経た光の合算であるため、パルス光の後端で尾を引いたような特性を示す。すなわち、表面反射成分Ｉ１よりも立ち下り期間が長くなる。図２Ｂにおける信号（ｃ）の光信号から内部散乱成分Ｉ２の割合を高めて抽出するために、図２Ｂにおける信号（ｄ）に示すように、表面反射成分Ｉ１の後端以降に電子シャッタが電荷蓄積を開始する。表面反射成分Ｉ１の後端以降とは、表面反射成分Ｉ１が立ち下がった時またはその後である。このシャッタタイミングは、制御回路３０によって調整される。前述した通り、本実施形態における識別装置１００は表面反射成分Ｉ１とユーザ１の深部に到達した内部散乱成分Ｉ２とを区別して検出するため、パルス光幅およびシャッタ幅は任意である。したがって、従来のストリークカメラを使用した方法と異なり、簡便な構成によって内部散乱成分Ｉ２の取得を実現でき、コストを大幅に低下させることができる。
【００７１】
図２Ｂにおける信号（ｄ）に示す動作を実行するために、制御回路３０は、イメージセンサ２０に、反射パルス光のうち、立ち下り期間の少なくとも一部の成分を検出させ、ユーザ１の２次元像を示す信号を出力させる。本実施形態において、イメージセンサ２０から出力される信号とは、反射パルス光のうち、立ち下り期間の少なくとも一部の成分から取得された信号を含み得る。
【００７２】
図２Ｂにおける信号（ａ）では、表面反射成分Ｉ１の後端が垂直に立ち下がっている。言い換えると、表面反射成分Ｉ１が立ち下りを開始してから終了するまでの時間がゼロである。しかし、現実的には光源１０が照射するパルス光自体が完全な垂直でなかったり、ユーザ１の表面に微細な凹凸があったり、表皮内での散乱により、表面反射成分Ｉ１の後端が垂直に立ち下がらないことがある。また、ユーザ１は不透明な物体であることから、表面反射成分Ｉ１は内部散乱成分Ｉ２よりも非常に光量が大きくなる。したがって、表面反射成分Ｉ１の後端が垂直な立ち下り位置からわずかにはみ出した場合であっても、内部散乱成分Ｉ２が埋もれてしまう可能性がある。また、電子シャッタの読み出し期間中の電子移動に伴う時間遅れにより、図２Ｂにおける信号（ｄ）に示すような理想的なバイナリな読み出しが実現できないことがある。したがって、制御回路３０は電子シャッタのシャッタタイミングを表面反射成分Ｉ１の立ち下り直後よりやや遅らせてもよい。例えば、０．５ｎｓから５ｎｓ程度遅らせてもよい。なお、電子シャッタのシャッタタイミングを調整する代わりに、制御回路３０は光源１０の発光タイミングを調整してもよい。制御回路３０は、電子シャッタのシャッタタイミングと光源１０の発光タイミングとの時間差を調整する。あまりにもシャッタタイミングを遅らせすぎると、もともと小さい内部散乱成分Ｉ２がさらに減少してしまう。このため、表面反射成分Ｉ１の後端近傍にシャッタタイミングを留めておいてもよい。センサ感度から想定されるユーザ１の散乱による時間遅れが４ｎｓであるため、シャッタイミングの最大の遅らせ量は４ｎｓ程度である。
【００７３】
光源１０がパルス光を複数回発光し、各パルス光に対して同じ位相のシャッタタイミングで複数回露光することにより、内部散乱成分Ｉ２の検出光量を増幅しても良い。
【００７４】
なお、ユーザ１とイメージセンサ２０との間に帯域通過フィルタを配置することに替えて、またはそれに加えて、制御回路３０が、光源１０を発光させない状態で同じ露光時間で撮影することによってオフセット成分を見積もってもよい。見積もったオフセット成分は、イメージセンサ２０の各画素で検出された信号から差分除去される。これによってイメージセンサ２０上で発生する暗電流成分および／または外乱光を除去することができる。
【００７５】
次に、１フレーム当たりの表面反射成分Ｉ１および内部散乱成分Ｉ２の検出方法の例を説明する。
【００７６】
図３Ａは、表面反射成分Ｉ１を検出する場合のタイミングチャートの一例を示している。表面反射成分Ｉ１の検出のために、例えば、図３Ａに示すように、パルス光がイメージセンサ２０に到達する前にシャッタをＯＰＥＮにし、パルス光の後端が到達するよりも前にシャッタをＣＬＯＳＥにしてもよい。このようにシャッタを制御することにより、内部散乱成分Ｉ２の混入を少なくすることができる。ユーザ１の表面近傍を通過した光の割合を大きくすることができる。特に、シャッタＣＬＯＳＥのタイミングを、イメージセンサ２０への光の到達直後にしてもよい。これにより、光路長が比較的短い表面反射成分Ｉ１の割合を高めた信号検出が可能となる。他の表面反射成分Ｉ１の取得方法として、イメージセンサ２０がパルス光全体を取得したり、光源１０から連続光を照射して検出したりしてもよい。
【００７７】
図３Ｂは、内部散乱成分Ｉ２を検出する場合のタイミングチャートの一例を示している。パルスの後端部分がイメージセンサ２０に到達する期間にシャッタをＯＰＥＮにすることにより、内部散乱成分Ｉ２の信号を取得することができる。
【００７８】
本実施形態のように、同一カメラまたは同一センサによる時分割撮像を行えば、時間的および空間的なずれが発生しにくい。同一のセンサで表面反射成分Ｉ１および内部散乱成分Ｉ２の両方の信号を取得する場合、図３Ａおよび図３Ｂに示すように、１フレームごとに取得する成分を切り替えてもよい。あるいは、図１Ｄから図１Ｆを参照して説明したように、１フレーム内で高速に取得する成分を交互に切り替えてもよい。その場合、表面反射成分Ｉ１と内部散乱成分Ｉ２の検出時間差を低減できる。
【００７９】
さらに、表面反射成分Ｉ１と内部散乱成分Ｉ２のそれぞれの信号を、２つの波長の光を用いて取得してもよい。表面反射成分Ｉ１と内部散乱成分Ｉ２を、それぞれ２波長で取得する場合、例えば図１Ｄから図１Ｆを参照して説明したように、４種類の電荷蓄積を１フレーム内で高速に切り替える方法が利用され得る。そのような方法により、検出信号の時間的なずれを低減できる。
【００８０】
［３．空間分解撮像の動作］
表面反射成分Ｉ１および内部散乱成分Ｉ２の各々は、前述した時間分解撮像の他に、空間分解撮像によっても取得することもできる。
【００８１】
図４Ａから図４Ｃは、光源１０からユーザ１に投影される２次元パターン光の分布の例を模式的に示す図である。図４Ａから図４Ｃに示す例では、白部は光が存在する明部を表し、黒部は光が存在しない暗部を表す。図４Ａでは、複数の明部および複数の暗部が周期的に分布するチェッカパターンが示されている。図４Ｂでは、明部の中に、複数の暗部がランダムに分布するドットパターンが示されている。図４Ｃでは、暗部の中に、複数の明部がランダムに分布するドットパターンが示されている。
【００８２】
制御回路３０は、光源１０に、ユーザ１に２次元パターンを投影する２次元パターン光を出射させる。図４Ａから図４Ｃに示すように、２次元パターン光は、少なくとも１つの明部および少なくとも１つの暗部を含む。２次元パターン光は、例えば、２次元的な分布を有する遮光マスクを光源１０の前に配置することによって得られる。あるいは、２次元パターン光は、デジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ）、または空間光変調器（ＳＬＭ）を用いて形成されてもよい。２次元パターン光は、連続光であってもよいし、パルス光であってもよい。
【００８３】
図４Ａから図４Ｃに示すように、光源１０から、チェッカパターン、またはドットパターンといった空間的に強度を変調させた２次元パターン光が出射される。２次元パターン光をユーザ１に投影すると、多くの光は明部から戻り、僅かな光が暗部から戻る。暗部から戻った反射光は、ユーザ１の内部において散乱された内部散乱成分Ｉ２を含み、表面反射成分Ｉ１を殆ど含まない。
【００８４】
２次元パターン光によって内部散乱成分Ｉ２を検出するために、制御回路３０は、イメージセンサ２０に、２次元パターン光を投影されたユーザ１の、少なくとも１つの暗部から戻った反射光の少なくとも一部を検出させ、検出した反射光の上記の少なくとも一部の強度分布に応じた信号を出力させる。これにより、２次元パターン光がパルス光であれば、図２Ａまたは図２Ｂにおける信号（ｂ）に示す、内部散乱成分Ｉ２の前端から後端までの部分を取得することができる。本実施形態において、イメージセンサ２０から出力される信号は、少なくとも１つの暗部から取得された上記信号を含み得る。
【００８５】
一方、明部から戻った反射光は、表面反射成分Ｉ１および内部散乱成分Ｉ２の両方を含む。したがって、表面反射成分Ｉ１は、明部における検出データから、近傍の暗部における検出データを差し引くことによって算出することが可能である。この場合、空間解像度が低下する。その対策として、シングルショットで信号を取得するのではなく、例えば、２次元パターン光の分布をシフトさせたり、２次元パターン光の分布自体を変えたりして複数回信号を取得することが考えられる。これにより、空間解像度を低減させることなく、表面反射成分Ｉ１を取得することが可能になる。
【００８６】
２次元パターン光によって表面反射成分Ｉ１を検出するために、制御回路３０は、イメージセンサ２０に、２次元パターン光を投影されたユーザ１の、少なくとも１つの暗部から戻った反射光の少なくとも一部と、少なくとも１つの明部から戻った反射光の少なくとも一部とを検出させる。制御回路３０は、イメージセンサ２０に、少なくとも１つの暗部から戻った反射光の上記の少なくとも一部の強度分布に応じた信号と、少なくとも１つの明部から戻った反射光の上記の少なくとも一部の強度分布に応じた信号とを出力させる。制御回路３０は、信号処理回路４０に、少なくとも１つの明部から取得された上記信号から、少なくとも１つの暗部から取得された上記信号を減算することにより、表面反射成分Ｉ１を算出させる。これにより、２次元パターン光がパルス光であれば、図２Ａまたは図２Ｂにおける信号（ａ）に示す、表面反射成分Ｉ１の前端から後端までの部分を取得することができる。本実施形態において、イメージセンサ２０から出力される信号は、少なくとも１つの暗部から取得された上記信号の他に、少なくとも１つの明部から取得された上記信号を含み得る。
【００８７】
空間分解撮像と時間分解撮像とを組み合わせて、表面反射成分Ｉ１および内部散乱成分Ｉ２の各々を取得してもよい。
【００８８】
２次元パターン光がパルス光である場合、少なくとも１つの明部から戻った反射パルス光の立ち上り期間の少なくとも一部を検出することにより、表面反射成分Ｉ１を取得してもよい。同様に、少なくとも１つの明部、または少なくとも１つの暗部から戻った反射パルス光の立ち下り期間の少なくとも一部を検出することにより、内部散乱成分Ｉ２を取得してもよい。反射パルス光の立ち上り期間の成分、および立ち下り期間の成分を検出する際における制御回路３０および信号処理回路４０の動作は、前述した通りである。
【００８９】
［４．表面反射成分Ｉ１による生体認証、および内部散乱成分Ｉ２による生体認証］
本実施形態の識別装置１００による生体認証の具体例を、一般的なカメラを使用した方法と比較して説明する。
【００９０】
図５Ａは、一般的なカメラ９０によってユーザ１を撮影している様子を模式的に示す図である。ユーザ１を照射する光は、ユーザ１の表面の数ミリメートル内部にも進入する。そのため、従来のカメラ９０では、ユーザ１から戻った反射光に含まれる表面反射成分Ｉ１および内部散乱成分Ｉ２の両方が検出される。表面反射成分Ｉ１および内部散乱成分Ｉ２の両方が混在した画像は、若干ぼやける可能性がある。そのため、一般的なカメラ９０による顔認証では、他人受入率が増加したり、本人拒否率が増加したりするおそれがある。例えば、双子の兄弟を本人であると誤認したり、髪型を変更した場合に本人ではないと誤認したりする可能性がある。すなわち、一般的なカメラ９０を用いた方法では、顔認証の精度が悪化し得る。
【００９１】
図５Ｂは、本実施形態における表面反射成分Ｉ１によるユーザ１の撮影の一例を模式的に示す図である。本実施形態における識別装置１００では、前述したように、時間分解撮像または空間分解撮像により、表面反射成分Ｉ１を検出することができる。これにより、しわ、または微小な凹凸などのユーザ１の皮膚表面のテクスチャを、より鮮明に検出することができる。表面反射成分Ｉ１から取得された情報と、メモリ２５の生体データに含まれるユーザ１の皮膚表面のテクスチャを示す情報とを照合した結果を用いることにより、認証精度を高めることができる。その結果、本人拒否率、または他人受入率が低減される。
【００９２】
図５Ｃは、本実施形態における内部散乱成分Ｉ２によるユーザ１の撮影の一例を模式的に示す図である。本実施形態における識別装置１００では、前述したように、時間分解撮像または空間分解撮像により、内部散乱成分Ｉ２を検出することができる。これにより、ユーザ１の静脈などの血管の分布を、より鮮明に検出することができる。内部散乱成分Ｉ２から取得された情報と、メモリ２５の生体データに含まれるユーザ１の血管の分布を示す情報とを照合した結果を用いることにより、認証精度を高めることができる。その結果、本人拒否率、または他人受入率が低減される。
【００９３】
表面反射成分Ｉ１による認証と、内部散乱成分Ｉ２による認証とを組み合わせてもよい。例えば、用途に応じて、２つとも認証して、初めて認証成功としてもよいし、２つのうちの一方のみ認証すれば認証成功としてもよい。内部散乱成分Ｉ２を静脈認証とする場合、生体をより透過しやすい近赤外光が用いられ得る。一方、表面反射成分Ｉ１を顔紋認証とする場合、生体を透過しにくい青色域などの短波長の光が用いられ得る。このように、表面反射成分Ｉ１と内部散乱成分Ｉ２との検出に異種の波長の光を用いてもよい。
【００９４】
内部散乱成分Ｉ２は、表面反射成分Ｉ１よりも、ユーザ１のより深部における生体情報を含む。そのため、静脈情報または内部細胞などの、表面反射成分Ｉ１とは異なる情報を取得することができる。したがって、表面反射成分Ｉ１では主として顔紋による認証をし、内部散乱成分Ｉ２では主として静脈による認証をするといった異なる複数種類の認証を実施することが可能になる。一方の認証に失敗しても、他方の認証によって認証の失敗を補うことができる。これは、安定して高精度な認証につながり、高いセキュリティを確保できる。また、他人がユーザ１に成りすます場合、両方の認証の偽造が必要であり、改ざんが極めて困難になる。このように、本実施形態における識別装置１００により、偽造または改ざんがより困難な認証システムを実現することができる。
【００９５】
また、複数種類の認証を独立して実施する以外にも、表面反射成分Ｉ１と内部散乱成分Ｉ２とを統合したデータを用いて、機械学習によって認証してもよい。異なる特徴をデータに含むことによって情報量が多くなり、機械学習による認識の正解率を向上させることができる。
【００９６】
上記の他に、パルス光の往復時間から物体の距離を算出するＴＯＦ法により、ユーザ１を認証してもよい。ＴＯＦ法により、イメージセンサ２０とユーザ１の表面との間の距離の２次元分布を取得することができる。イメージセンサ２０とユーザ１の表面との間の距離の２次元分布は、ユーザ１の表面の３次元分布とも言い得る。
【００９７】
イメージセンサ２０とユーザ１の表面との間の距離は、以下のようにして算出される。光源１０から出射されたパルス光がユーザ１の表面で反射され、イメージセンサ２０によって検出されるまでの往復時間をτとし、空気中の光速をｃとする。そのとき、イメージセンサ２０とユーザ１の表面との間の距離ｄは、ｄ＝ｃτ／２である。
【００９８】
往復時間τを取得する方法として、直接ＴＯＦ法と間接ＴＯＦ法とがある。
【００９９】
直接ＴＯＦ法では、光の往復時間τを直接計測することにより、物体までの距離ｄが算出される。直接ＴＯＦ法では、Δｄ＝１ｍｍの距離分解能を実現するための時間分解能は、Δτ＝２Δｄ／ｃ≒６．６ピコ秒である。このように、直接ＴＯＦ法では、ミリ単位の距離分解能のために、ピコ秒単位の時間分解能を有する高速撮像が用いられる。
【０１００】
一方、実用上よく用いられる間接ＴＯＦ法では、反射パルス光の位相差からパルス光の往復時間τを計測することにより、物体までの距離ｄが算出される。反射パルス光の位相差は、出射パルス光と反射パルス光との時間のずれに相当する。間接ＴＯＦ法では、パルス幅Δｔが短いほど計測精度が高くなるわけではない。間接ＴＯＦ法では、位相差を検出するために、出射光の光強度を矩形波または正弦波によって変調することが一般的である。
【０１０１】
図６は、間接ＴＯＦ法によってパルス光の往復時間τを計測する原理を説明する図である。図６における信号ａ）は、出射パルス光の光強度の時間変化を示し、図６における信号（ｂ）および信号（ｃ）は、反射パルス光の強度の時間変化を示している。
【０１０２】
図６における信号（ａ）に示す例では、出射パルス光の光強度は、矩形波によって変調されている。位相差を精度よく測定するために、基本的には、出射パルス光の光強度は、光の往復時間τと同程度のオーダの速さで変調される。
【０１０３】
イメージセンサ２０において電子シャッタをＯＰＥＮにして強度を測定することにより、光パルスの位相差を検出することができる。図６における信号（ｂ）に示す例では、イメージセンサ２０は、パルス光を出射してから時間ｔ０後に電子シャッタをＯＰＥＮにして、反射パルス光の検出を開始する。開始時間ｔ０はパルス光のパルス幅Δｔより長く、光の往復時間τよりも短い。すなわち、Δｔ＜ｔ０＜τである。イメージセンサ２０は、電子シャッタをＯＰＥＮにしてから、時間Δｔごとに反射パルス光量に応じた信号電荷を蓄積する。最初の時間Δｔの間に蓄積された信号電荷量をＳ１とし、その次の時間Δｔの間に蓄積された信号電荷の量をＳ２とする。光の往復時間τと開始時間ｔ０との差は、［Ｓ２／（Ｓ１＋Ｓ２）］Δｔに等しい。したがって、光の往復時間は、τ＝ｔ０＋［Ｓ２／（Ｓ１＋Ｓ２）］Δｔである。蓄積された信号電荷量Ｓ１、Ｓ２から間接的に得られた光の往復時間τから、物体までの距離ｄが算出される。
【０１０４】
図６における信号（ｃ）に示す例では、反射パルス光は、出射パルス光が出射し終える前に、イメージセンサ２０に戻ってくる。すなわち、τ＜Δｔである。この場合、イメージセンサ２０は、光源１０からのパルス光の出射と同時に電子シャッタをＯＰＥＮにして、時間Δｔごとに反射パルス光量に応じた信号電荷を蓄積する。光の往復時間は、τ＝［Ｓ２／（Ｓ１＋Ｓ２）］Δｔである。
【０１０５】
ＴＯＦ法では、制御回路３０は、イメージセンサ２０に、反射パルス光の少なくとも一部を検出させ、ユーザ１の表面の３次元分布を示す信号を出力させる。本実施形態において、イメージセンサ２０から出力される信号とは、ユーザ１の表面の３次元分布を示す信号を含み得る。
【０１０６】
反射パルス光の少なくとも一部に含まれる表面反射成分Ｉ１をＴＯＦ法に用いれば、従来のＴＯＦ法と比較して、しわ、または微小な凹凸も含めたユーザ１の表面の３次元分布をより鮮明に検出することができる。
【０１０７】
直接ＴＯＦ法では、反射パルス光の立ち上がり期間に含まれる表面反射成分Ｉ１を検出することにより、物体の距離を算出することができる。間接ＴＯＦ法では、図６における信号ｂ）および信号（ｃ）に示すように反射パルス光の前端から後端までの部分を検出して、物体の距離が算出される。空間分解撮像を用いれば、反射パルス光から、表面反射成分Ｉ１の前端から後端までの部分を分離することができる。
【０１０８】
また、空間分解撮像を用いれば、反射パルス光から、内部散乱成分Ｉ２の前端から後端までの部分を取得することもできる。内部散乱成分Ｉ２の前端から後端までの部分を間接ＴＯＦ法に用いれば、イメージセンサ２０とユーザ１の血管との間の距離の２次元分布、すなわち、ユーザ１の血管の３次元分布を取得することも可能である。
【０１０９】
図７は、本実施形態におけるＴＯＦ法によるユーザ１の撮影の一例を模式的に示す図である。図７に示す例では、表面反射成分Ｉ１から、ユーザ１の表面の３次元分布が算出される。ユーザ１の表面の３次元分布から取得された情報と、メモリ２５の生体データに含まれるユーザ１の特徴部分の凹凸を示す情報とを照合した結果を用いることにより、認証精度を高めることができる。その結果、本人拒否率、または他人受入率が低減される。なお、表面反射成分Ｉ１および内部散乱成分Ｉ２の両方を含む反射パルス光から、ユーザ１の表面の３次元分布を算出してもよい。
【０１１０】
次に、本実施形態における識別装置１００を用いたユーザ１の生体認証の一連の処理を説明する。
【０１１１】
図８は、制御回路３０が実行する処理の一例を示すフローチャートである。
【０１１２】
ステップＳ２０１において、制御回路３０は、光源１０に、ユーザ１を光で照射させる。時間分解撮像であれば、当該光はパルス光であり、空間分解撮像であれば、当該光は２次元パターン光である。時間分解撮像と空間分解撮像との組み合わせであれば、当該光は、２次元パターン光であり、かつ、パルス光である。
【０１１３】
ステップＳ２０２において、制御回路３０は、イメージセンサ２０に、ユーザ１から戻った反射光の少なくとも一部を検出させ、検出した光の強度分布に応じたユーザ１の２次元像を示す信号を出力させる。反射光がパルス光であれば、反射光の少なくとも一部は、例えば、パルス光の立ち上り期間の成分、または立ち下り期間の成分である。立ち上り期間の成分から表面反射成分Ｉ１が取得され、立ち下り期間の成分から内部散乱成分Ｉ２が取得される。間接ＴＯＦ法によってユーザ１の表面の３次元分布を取得する場合、反射パルス光のうち、表面反射成分Ｉ１の前端から後端までの部分、または表面反射成分Ｉ１および内部散乱成分Ｉ２の合成成分の前端から後端までの部分が検出される。
【０１１４】
ステップＳ２０３において、制御回路３０は、信号処理回路４０に、出力した信号からユーザ１の画像を生成させ、その画像を特徴付けるデータを取り出す。表面反射成分Ｉ１から生成された画像を特徴付けるデータは、ユーザ１の皮膚表面のテクスチャを示す情報を含む。内部散乱成分Ｉ２から生成された画像を特徴付けるデータは、ユーザ１の血管の分布を示す情報を含む。ＴＯＦ法であれば、表面反射成分Ｉ１から生成された画像、または表面反射成分Ｉ１と内部散乱成分Ｉ２との合成成分から生成された画像を特徴付けるデータは、ユーザ１の表面の３次元分布、すなわちユーザ１の特徴部分の凹凸を示す情報を含む。
【０１１５】
ステップＳ２０４において、制御回路３０は、生成したユーザ１の画像から取り出したその画像を特徴付けるデータと、メモリに格納されたユーザ１の画像を特徴付けるデータとを比較する。
【０１１６】
ステップＳ２０５において、制御回路３０は、比較される上記の２つのデータの差が基準値以下かどうかを判断する。例えば、ＴＯＦ法によって取得されたユーザ１の表面の３次元分布の情報と、生体データに含まれるユーザ１の特徴部分の凹凸を示す情報とを比較する場合、判断基準の例は以下の通りである。制御回路３０は、ユーザ１の表面の全ての計測点、または８０％など一定の割合以上の計測点において、上記の２つのデータの差が基準値以下かどうかを評価する。
【０１１７】
上記の差が基準値以下であれば、ステップＳ２０６において、制御回路３０は、ユーザ１が本人であると判断する。上記の差が基準値以下でなければ、ステップＳ２０７において、制御回路３０は、ユーザ１が別人であると判断する。
【０１１８】
本実施形態における識別装置１００により、ユーザ１の生体認証を非接触で実現することができる。したがって、認証時にユーザ１にかかる負担は少ない。
【０１１９】
ユーザ１の体の一部のうち、顔以外にも、手など他の部位を用いてもよい。例えば、指紋から表面反射成分Ｉ１を取得してもよいし、指の静脈から内部散乱成分Ｉ２を取得してもよい。手には、個人特有の指紋、または静脈が明瞭に現れやすく、認識精度が向上する。手をユーザ１の被検部とする場合、ガラスの上に手を置くことによって体動を抑えてもよい。このとき、ガラスと識別装置１００との間に空間があると、カメラの焦点を合わすことができる利点がある。また、手認証の場合、クラス１を超える光量を光源１０から出射することにより、イメージセンサ２０上の検出信号のＳＮ比を向上させることができる。
【０１２０】
次に、本実施形態における識別装置１００の応用例を説明する。
【０１２１】
図９は、本実施形態における識別装置１００を自動車の車室内に搭載した一例を模式的に示す図である。図９に示すように、車室内に設けられた識別装置１００により、運転者、すなわちユーザ１を識別してもよい。車のキーの代わりに、識別装置１００によってユーザ１を識別して、車を始動させてもよい。自動運転時に識別装置１００によって乗客を識別し、その識別結果を、乗客に応じてカスタマイズされた自動運転にフィードバックしてもよい。フィードバックとは、例えば、乗客が高齢者であればブレーキをやさしくする、ドライブ好きの乗客であれば爽快な走りのドライビングにするなどである。これにより、個人に適合した自動運転が可能になる。
【０１２２】
図１０は、本実施形態における識別装置１００をモバイル端末に適用した一例を模式的に示す図である。モバイル端末は、例えば、スマートフォン、タブレット、またはパーソナルコンピュータである。識別装置１００におけるイメージセンサ２０として、モバイル端末に内蔵されているイメージセンサを用いてもよい。
【０１２３】
本実施形態における識別装置１００は、自動車またはモバイル端末以外にも、例えば、銀行もしくはコンビニエンスストアに設置されているＡＴＭ、または住宅の玄関に適用してもよい。
【０１２４】
本実施形態における識別装置１００は、２つ以上の認証の組み合わせによる高精度な認証を可能にする。本実施形態における識別装置１００は、端末へのログインの認証の他、端末を用いたセキュリティ認証にも用いることが可能である。端末を用いたセキュリティ認証は、例えば、端末へのログイン後における、銀行口座へのログイン、または各種サービスのアカウントへのログインの認証を含む。従来のパスワード認証も併用し、本開示における認証を追加認証とするシステムにしてもよい。これにより、従来のパスワード認証のみが行われるシステムと比較して、ハッキングのリスクを低減し、さらに高いセキュリティを確保することができる。
【０１２５】
本開示は、制御回路３０および信号処理回路４０が実行する動作を含む方法も含む。
【０１２６】
以上のように、本開示は、以下の項目に記載の識別装置、および識別方法を含む。
【０１２７】
［項目１］
第１の項目に係る識別装置は、光源と、イメージセンサと、ユーザの身体の特徴を示す生体データが格納されたメモリと、プロセッサと、を備える。前記プロセッサは、前記光源に、前記ユーザに照射されるパルス幅が０．２ｎｓ以上１μｓ以下のパルス光を出射させ、前記イメージセンサに、前記ユーザから戻った反射パルス光の少なくとも一部を検出させ、前記反射パルス光の前記少なくとも一部の強度の２次元分布に応じた信号を出力させ、前記信号と、前記生体データとを照合することにより、前記ユーザを識別する。
【０１２８】
［項目２］
第１の項目に係る識別装置において、前記パルス光の前記パルス幅は、３ｎｓ以上５０ｎｓ以下であってもよい。
【０１２９】
［項目３］
第１または第２の項目に係る識別装置において、前記イメージセンサは複数の画素を含み、前記プロセッサは、前記イメージセンサに、前記複数の画素の各々について、前記反射パルス光の前記少なくとも一部の前記強度に応じた電荷を、千回以上１０万回以下繰り返して蓄積させ、前記信号は、前記複数の画素に蓄積された電荷の総量の２次元分布を示してもよい。
【０１３０】
［項目４］
第１から第３の項目のいずれかに係る識別装置において、前記生体データは、前記ユーザの皮膚表面のテクスチャを示す第１情報を含んでいてもよい。
【０１３１】
［項目５］
第４の項目に係る識別装置において、前記プロセッサは、前記イメージセンサに、前記反射パルス光のうち、前記反射パルス光の強度が増加を開始してから増加が終了するまでの期間である立ち上り期間の少なくとも一部の成分を検出することによって得た第１の信号を出力させ、前記第１の信号から取得された情報と、前記第１情報とを照合することにより前記ユーザを識別してもよい。
【０１３２】
［項目６］
第１から第５の項目のいずれかに係る識別装置において、前記生体データは、前記ユーザの血管の分布を示す第２情報を含んでいてもよい。
【０１３３】
［項目７］
第６の項目に係る識別装置において、前記プロセッサは、前記イメージセンサに、前記反射パルス光のうち、前記反射パルス光の強度が減少を開始してから減少が終了するまでの期間である立ち下り期間の少なくとも一部の成分を検出することによって得た第２の信号を出力させ、前記第２の信号から取得された情報と、前記第２情報とを照合することにより前記ユーザを識別してもよい。
【０１３４】
［項目８］
第１から第７の項目のいずれかに係る識別装置において、前記生体データは、前記ユーザの特徴部分の凹凸を示す第３情報を含んでいてもよい。
第１から第７の項目のいずれかに係る識別装置において、前記生体データは、前記ユーザの特徴部分の形状を示す第４情報を含んでいてもよい。
第１から第７の項目のいずれかに係る識別装置において、前記生体データは、前記ユーザの特徴部分の位置を示す第５情報を含んでいてもよい。
【０１３５】
［項目９］
第８の項目に係る識別装置において、前記プロセッサは、前記イメージセンサに、前記イメージセンサと前記ユーザの表面との間の距離の２次元分布を示す第３の信号を出力させ、前記第３の信号から取得された情報と、前記第３情報とを照合することにより前記ユーザを識別してもよい。
【０１３６】
［項目１０］
第９の項目に係る識別装置において、前記プロセッサは、前記イメージセンサに、前記反射パルス光のうち、前記反射パルス光の強度が増加を開始してから増加が終了するまでの期間である立ち上り期間の少なくとも一部の成分を検出させ、前記成分から、前記距離の前記２次元分布を算出してもよい。
【０１３７】
［項目１１］
第１１の項目に係る識別装置は、光源と、イメージセンサと、ユーザの身体の特徴を示す生体データが格納されたメモリと、プロセッサと、を備える。前記生体データは、前記ユーザの皮膚表面のテクスチャを示す第１情報を含む。前記プロセッサは、前記光源に、少なくとも１つの明部および少なくとも１つの暗部を含む２次元パターンを前記ユーザに投影する照射光を出射させ、前記イメージセンサに、前記ユーザから戻った反射光の少なくとも一部を検出させ、前記反射光の前記少なくとも一部の強度の２次元分布に応じた信号を出力させ、前記信号と、前記メモリに格納された前記生体データとを照合することにより、前記ユーザを識別する。
【０１３８】
［項目１２］
第１１の項目に係る識別装置において、前記生体データは、前記ユーザの血管の分布を示す第２情報をさらに含んでいてもよい。
【０１３９】
［項目１３］
第１２の項目に係る識別装置において、前記プロセッサは、前記イメージセンサに、前記２次元パターンを投影された前記ユーザの、前記少なくとも１つの暗部から戻った第１の反射光の少なくとも一部を検出させ、前記第１の反射光の前記少なくとも一部の強度の２次元分布に応じた第１の信号を出力させ、前記第１の信号から取得した情報と、前記第２情報とを照合することにより、前記ユーザを識別してもよい。
【０１４０】
［項目１４］
第１３の項目に係る識別装置において、前記プロセッサは、前記イメージセンサに、前記２次元パターンを投影された前記ユーザの、前記少なくとも１つの明部から戻った第２の反射光の少なくとも一部を検出させ、前記第２の反射光の前記少なくとも一部の強度の２次元分布に応じた第２の信号を出力させ、前記第２の信号から前記第１の信号を減算することによって取得された情報と、前記第１情報とを照合することにより、前記ユーザを識別してもよい。
【０１４１】
［項目１５］
第１５の項目に係る識別装置において、前記プロセッサは、前記イメージセンサに、前記２次元パターンを投影された前記ユーザの、前記少なくとも１つの暗部から戻った第１の反射光の少なくとも一部を検出させ、前記少なくとも１つの明部から戻った第２の反射光の少なくとも一部を検出させ、前記第１の反射光の前記少なくとも一部の強度の２次元分布に応じた第１の信号を出力させ、前記第２の反射光の前記少なくとも一部の強度の２次元分布に応じた第２の信号を出力させ、前記第２の信号から前記第１の信号を減算することによって取得された情報と、前記第１情報とを照合することにより、前記ユーザを識別してもよい。
【０１４２】
［項目１６］
第１１の項目に係る識別装置において、前記照射光は、パルス光であってもよい。
【０１４３】
［項目１７］
第１６の項目に係る識別装置において、前記パルス光のパルス幅は、３ｎｓ以上５０ｎｓ以下であってもよい。
【０１４４】
［項目１８］
第１６または第１７の項目に係る識別装置において、前記イメージセンサは複数の画素を含み、前記プロセッサは、前記イメージセンサに、前記複数の画素の各々について、前記反射光の前記少なくとも一部の前記強度に応じた電荷を、千回以上１０万回以下繰り返して蓄積させ、前記信号は、前記複数の画素に蓄積された電荷の総量の２次元分布を示していてもよい。
【０１４５】
［項目１９］
第１６から第１８の項目のいずれかに係る識別装置において、前記生体データは、前記ユーザの特徴部分の凹凸を示す第３情報をさらに含んでいてもよい。
【０１４６】
［項目２０］
第１９の項目に係る識別装置において、前記プロセッサは、前記イメージセンサに、前記２次元パターンを投影された前記ユーザの、前記少なくとも１つの暗部から戻った第１の反射パルス光の少なくとも一部を検出させ、前記少なくとも１つの明部から戻った第２の反射パルス光の少なくとも一部を検出させ、前記第１の反射パルス光の前記少なくとも一部の強度の２次元分布に応じた第１の信号を出力させ、前記第２の反射パルス光の前記少なくとも一部の強度の２次元分布に応じた第２の信号を出力させ、前記第２の信号から前記第１の信号を減算することによって取得された情報と、前記第３情報とを照合することにより、前記ユーザを識別してもよい。
【０１４７】
［項目２１］
第１６から第１８の項目のいずれかに係る識別装置において、前記生体データは、前記ユーザの血管の分布を示す第２情報をさらに含んでいてもよい。
【０１４８】
［項目２２］
第２１の項目に係る識別装置において、前記プロセッサは、前記イメージセンサに、前記２次元パターンを投影された前記ユーザの、前記少なくとも１つの暗部から戻った第１の反射パルス光の強度が減少を開始してから減少が終了するまでの期間である立ち下り期間の少なくとも一部を検出させ、前記第１の反射パルス光の前記立ち下り期間の前記少なくとも一部の強度の２次元分布に応じた第１の信号を出力させ、前記第１の信号から取得した情報と、前記第２情報とを照合することにより、前記ユーザを識別してもよい。
【０１４９】
［項目２３］
第１６から第１８の項目のいずれかに係る識別装置において、前記プロセッサは、前記イメージセンサに、前記２次元パターンを投影された前記ユーザの、前記少なくとも１つの明部から戻った第２の反射パルス光の強度が増加を開始してから増加が終了するまでの期間である立ち上り期間の少なくとも一部を検出させ、前記第２の反射パルス光の前記立ち上り期間の前記少なくとも一部の強度の２次元分布に応じた第２の信号を出力させ、前記第２の信号から取得した情報と、前記第１情報とを照合することにより、前記ユーザを識別してもよい。
【０１５０】
［項目２４］
第２４の項目に係る識別方法は、光源と、イメージセンサとを備える識別装置を用いた識別方法であって、前記光源に、ユーザに照射されるパルス幅が０．２ｎｓ以上１μｓ以下のパルス光を出射させることと、前記イメージセンサに、前記ユーザから戻った反射パルス光の少なくとも一部を検出させて、前記反射パルス光の前記少なくとも一部の強度の２次元分布に応じた信号を出力させることと、前記信号と、前記ユーザの身体の特徴を示す生体データとを照合することにより、前記ユーザを識別することと、を含む。
【０１５１】
［項目２５］
第２５の項目に係る識別方法は、光源と、イメージセンサとを備える識別装置を用いた識別方法であって、前記光源に、少なくとも１つの明部および少なくとも１つの暗部を含む２次元パターンを前記ユーザに投影する照射光を出射させることと、前記イメージセンサに、前記ユーザから戻った反射光の少なくとも一部を検出させ、前記反射光の前記少なくとも一部の強度の２次元分布に応じた信号を出力させることと、前記信号と、前記ユーザの皮膚表面のテクスチャを示す生体データとを照合することにより、前記ユーザを識別することと、を含む。
【産業上の利用可能性】
【０１５２】
本開示における識別装置は、非接触でユーザを個人識別するカメラ、または認証機器に有用である。識別装置は、セキュリティサービスに応用できる。
【符号の説明】
【０１５３】
１        ユーザ
１０      光源
２０      イメージセンサ
２２      光電変換部
２４      電荷蓄積部
２５      メモリ
３０      制御回路
３２      光源制御部
３４      センサ制御部
４０      信号処理回路
１００    識別装置
Ｉ１      表面反射成分
Ｉ２      内部散乱成分
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
2019230306.tif 000004
【図１Ｃ】
2019230306.tif 000005
【図１Ｄ】
2019230306.tif 000006
【図１Ｅ】
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【図１Ｆ】
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【図１Ｇ】
2019230306.tif 000009
【図２Ａ】
2019230306.tif 000010
【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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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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【国際調査報告】
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