(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源を有する第１の光学系と、
凹凸パターンを有する被検体を置くための検出面と、前記検出面からの散乱光を反射させる曲面と、前記曲面に対向して設けられ、光吸収面と前記曲面からの反射光を出射させる開口部とを有する面と、前記光源からの光を入射させる入射面とを有する透明導光体と、
前記開口部からの出射光を撮像素子に入射させる第２の光学系とを備え、前記検出面からの被検体の凸部からの前記散乱光のみが、前記曲面に直接入射して反射後、前記開口部へ出射することを特徴とする凹凸パターン検出装置。
【請求項２】
前記透明導光体は、前記第１の光学系の上に設けられていることを特徴とする請求項１記載の凹凸パターン検出装置。
【請求項３】
前記曲面は球面ミラーであり、前記球面ミラーの球面の半径は、前記球面の中心点と前記中心点を通る前記球面の直径と前記開口部の中心から前記直径におろした垂線との交点とから成る距離の２倍であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の凹凸パターン検出装置。
【請求項４】
前記球面ミラーが物体側にテレセントリックな光学系を形成しており、前記第２の光学系が像面側にテレセントリックな光学系を形成していることを特徴とする請求項３記載の凹凸パターン検出装置。
【請求項５】
前記曲面は球面ミラーであり、前記球面ミラーの球面の半径は、前記球面の中心点と前記中心点を通る前記球面の直径と前記開口部の中心から前記直径におろした垂線との交点とから成る距離の１．７倍〜１．９倍であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の凹凸パターン検出装置。
【請求項６】
前記第２の光学系は、前記開口部からの出射光の縦方向と横方向の倍率を補正して、前記撮像素子へ出射することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の凹凸パターン検出装置。
【請求項７】
前記検出面は、円筒側面形状であることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の凹凸パターン検出装置。
【請求項８】
前記第２の光学系は、前記開口部からの出射光を折り曲げて前記撮像素子へ出射することを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の凹凸パターン検出装置。
【請求項９】
前記光源は、基板上に設けられた発光ダイオードアレイであり、前記撮像素子は、前記基板上に設けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の凹凸パターン検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、指紋などの凹凸パターンを画像として取り込む凹凸パターン検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
個人を識別する手段の一つとして、指紋照合装置によるものがあるが、この装置は、指紋の凹凸パターンを画像として取り込むパターン検出部と、取り込んだ画像の処理部によって構成される。凹凸パターン検出装置の改良は、指紋照合装置の性能向上につながる。
【０００３】
図１４は、特開平６―８３９４４号公報に示された従来の凹凸パターン検出装置の構成を示した図である。図１４において、従来の凹凸パターン検出装置は、ガラスやアクリル樹脂などの光透過性のある導光体１０２と、凹凸パターンを有する例えば指などの物体１０１を接触させる平面１０３と、平面１０３に対して適当な角度で交差し照明光Ｌ１００を導光体内に入射せしめる平面１０４と、照明光Ｌ１００が平面１０３上に置かれた物体１０１で反射した時の反射光Ｌ１０１を反射させ平面１０３に対してほぼ平行になるようにする平面１０５と、反射光Ｌ１０１を撮像素子１０９に集光させるレンズ１０８と、レンズ１０８の出射光をほぼ直角に反射し撮像素子１０９に入射せしめる反射鏡１１０とを具えている。
平面１０４と平面１０５を同一平面とするため、平面１０６に対向する平面１０７に対する角度βを例えば２０度とし、平面１０４の外部から照明Ｌ１００を入射し、物体１０１と平面１０３との椄面に照射する。物体１０１での反射光Ｌ１０１は、平面１０５で反射して、レンズ１０８により集光され、反射鏡１１０で反射後、撮像素子１０９、例えばＣＣＤ等を使用することにより、物体１０１の凹凸パターンを撮影することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
図１５は、図１４の従来の凹凸パターン検出装置と等価な光学系を簡単化した図である。図１４に対して図１５では、それぞれ、平面１０３が平面１１１に、平面１０５が鏡面１１２に、レンズ１０８がレンズ１１３に、撮像素子１０９が平面１１４に対応しており、平面１１５は平面１１１の鏡面１１２による鏡像の位置を表している。平面１１５はレンズ１１３の光軸に対して垂直ではないため、平面１１５上の点Ａ、点Ｂ、点Ｃのそれぞれからレンズ１１３までの距離に差が生じ、平面１１４上の各点、点Ａ’、点Ｂ’、点Ｃ’での倍率に差が生じる。図１６は、図１５の光学系における像を示した図である。図１６において、（ａ）は平面１１１上に置かれた物体１０１（長方形）の像であり、（ｂ）は平面１１４に結像された像を示している。図１６に示されているように、平面１１１上の物体１０１の像（ａ）が長方形であるとすると、レンズ１１３によって、平面１１４に結像される像（ｂ）は台形になる。
これは、凹凸パターン検出装置の小型化を図っていくと、つまりＢＢ’間の距離を縮小すればするほど、ＡＡ’およびＣＣ’のＢＢ’に対する角度が大きくなるため、上述したような像の歪みが顕著になるという問題点があった。
また、レンズ１１３の光軸に対して、ＤＥは垂直であるが、ＡＣが斜めに傾いていることにより、ＤＥ方向に比べＡＣ方向に縮められ、検出面（平面１１１）上の物体の縦方向と横方向の比と、受光面（平面１１４）上に結像する像の縦方向と横方向の比とが異なり、正確な像が得られないという問題点があった。
【０００５】
この発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、歪みのない正確な像が得られる小型な凹凸パターン検出装置を得ることを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る凹凸パターン検出装置は、光源を有する第１の光学系と、凹凸パターンを有する被検体を置くための検出面と、検出面からの散乱光を反射させる曲面と、曲面に対向して設けられ、光吸収面と曲面からの反射光を出射させる開口部とを有する面と、光源からの光を入射させる入射面とを有する透明導光体と、開口部からの出射光を撮像素子に入射させる第２の光学系とを備え、検出面からの被検体の凸部からの散乱光のみが、曲面に直接入射して反射後、開口部へ出射するものである。また、透明導光体は、第１の光学系の上に設けられている。また、曲面は球面ミラーであり、球面ミラーの球面の半径は、球面の中心点と中心点を通る球面の直径と開口部の中心から直径におろした垂線との交点とから成る距離の２倍である。また、球面ミラーが物体側にテレセントリックな光学系を形成しており、第２の光学系が像面側にテレセントリックな光学系を形成している。また、曲面は球面ミラーであり、球面ミラーの球面の半径は、球面の中心点と中心点を通る球面の直径と開口部の中心から直径におろした垂線との交点とから成る距離の１．７倍〜１．９倍である。また、第２の光学系は、開口部からの出射光の縦方向と横方向の倍率を補正して、撮像素子へ出射する。また、検出面は、円筒側面形状である。また、第２の光学系は、開口部からの出射光を折り曲げて撮像素子へ出射する。また、光源は、基板上に設けられた発光ダイオードアレイであり、撮像素子は、基板上に設けられている。
【０００７】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１の凹凸パターン検出装置の構成を示す図である。図において、１は被検体としての人の指先、２はアクリル樹脂などが用いられる光透過性のある透明導光体、３は透明導光体２の上部に配置された検出面、４は透明導光体の側面に設けられた球面ミラー、５は結像レンズ、６は光源、７は撮像素子、８は透明導光体２の別の側面に設けられた光吸収面、９は光吸収面８に設けられた開口部である。球面ミラー４と開口部９を有する光吸収面８が検出面３に辺で接するように配置されている。検出面３には凹凸パターンのある被検体１を接触させる。球面ミラー４は、例えばアルミニウムの蒸着などによって形成される。光源６は、例えば発光ダイオードなどが用いられ、光が検出面３で正反射して撮像素子７に入射しないように配置されている。例えば、透明導光体２を挟んで、検出面３の反対側等に配置される。Ｌ１は、光源６から出射される検出面３への入射光であり、Ｌ２は、被検体１で散乱した入射光Ｌ１が撮像素子７に入射している様子を表している。結像レンズ５から出射後の散乱光が撮像素子７上で焦点を結ぶように、結像レンズ５および撮像素子７がそれぞれ配置されている。球面ミラー４を介して撮像素子７に入射可能な散乱光線の検出面３の法線に対する角度αが、透明体・空気間の臨界角以上になるように、各素子が配置されている。
【０００８】
検出面３上に、凹凸パターンを持つ被検体１を接触させた時、凹凸パターンの凸部は検出面３に密着し、凹部は検出面３に密着せずに被検体１と検出面３の間に空気層が生じる。この検出面３上に光源６からの光を照射した時、被検体１の凸部（検出面３と密着した部分）を照射した光は、透明導光体２中に四方に散乱し、一部の散乱光は球面ミラー４で反射し開口部９を通過し、結像レンズ５により撮像素子７上に結像される。一方、被検体１の凹部を照射し散乱した光は、一度空気層を通過した後、透明導光体２内に入射するため、検出面３の法線に対する散乱光線の角度が、透明導光体・空気間の臨界角より小さくなるため、撮像素子７上に入射し得ない。
【０００９】
以上により、被検体１の凸部からの散乱光のみが撮像素子７上に入射可能であるため、被検体１の凹凸パターンの画像の取込みが可能となる。
球面ミラー４の半径は、図１のＯＨの距離の２倍に設定されている。ここで、点Ｏは、球面ミラー４の中心、点Ｈは、点Ｏを通る球面の直径と開口部９の中心からその直径におろした垂線との交点である。球面ミラー４の焦点位置と開口部９の中心とが一致し、物体側にテレセントリックな光学系を形成できる。
また、結像レンズ５の焦点位置も開口部９の中心になるように設計されており、像側にテレセントリックな光学系を形成している。従って、結像レンズ５は、透明導光体２の外側で、開口部９から少し離れたところに設置する必要があり、また、レンズの口径も大きくとる必要がある。
検出面３の各点から発生する撮像素子７上に結像する散乱光の主光線が全て平行に発生し球面ミラー４に照射し、また、結像レンズ５出射後の散乱光の各主光線も平行に撮像素子７上に入射する。
以上により、球面ミラー４が物体側にテレセントリックな光学系を形成しており、結像レンズ５が像側にテレセントリックな光学系を形成していることから、撮像素子７の各点における倍率が、物体と結像レンズ５、結像レンズ５と撮像素子７間の距離に依存しない光学系となり、従来例で発生する台形歪みを補正することができる。
【００１０】
実施の形態２．
図２は、この発明の実施の形態２の凹凸パターン検出装置の構成を示す図である。１０は透明導光体、１１は球面ミラー、１２は結像レンズである。その他の符号は、図１で示されたものと同一の構成である。実施の形態１では、物体側にテレセントリックな球面ミラー４と像側にテレセントリックな結像レンズ５とを用いた場合を示したが、この実施の形態では、球面ミラー１１の半径が、ＯＨの距離の１．７〜１．９倍であり、結像レンズ１２が、透明導光体１０の外側で開口部９に密着している。点Ｏ、Ｈの定義は、実施の形態１と同じである。
【００１１】
凹凸パターンの画像取込み動作原理については、実施の形態１と同じである。図３は、光学シミュレーションによる球面ミラー１１の半径（Ｒ）と台形歪みとの関係を示した図である。図に示された台形は、撮像素子７で結像される像を表したものであり、ａは台形（像）の上底、ｂは台形（像）の下底である。符号＋は、光学シミュレーション結果を出力したものである。台形歪みの最も小さくなるＲは、点ＯＨ間の距離をＲ０とした時、１．７Ｒ０＜Ｒ＜１．９Ｒ０の範囲に存在する。
この実施の形態においては、実施の形態１のように台形歪みが補正されるだけでなく、像側にテレセントリックな光学系を用いる必要がないので、実施の形態１に比べて、結像レンズ１２の口径を小さくすることができ、製造コストも低減できる。また、凹凸パターン検出装置全体の長さを実施の形態１に比べて短くすることができる。
【００１２】
実施の形態３．
図４は、この発明の実施の形態３の凹凸パターン検出装置の構成を示した図である。図において、１３は透明導光体、１４は球面ミラー、１５は結像レンズ、１６は光源となる発光ダイオードアレイ、１７は基板、１８は光路を折り曲げるための
ミラーである。発光ダイオードアレイ１６および撮像素子７は基板１７上に設けられている。この実施の形態では、結像レンズ１５から出射後の散乱光がミラー１８により折り曲げられ、更に、透明導光体１３下部に配置された光源の基板１７上に撮像素子７が配置される場合を示す。その他の符号は、図１で示されたものと同一の構成である。
【００１３】
凹凸パターンの画像取込み動作原理については、実施の形態１と同じである。結像レンズ１５から出射後の散乱光は、ミラー１８により折り曲げられ、撮像素子７に出射される。透明導光体１３の下部に配置された基板１７に、発光ダイオードアレイ１６および撮像素子７を配置するので、一つの基板上に電気回路を構成することが可能になり、製造コストを低減することができる。
なお、ミラー１８の他に、曲面あるいはプリズムを用いても良い。
【００１４】
実施の形態４．
図５は、この発明の実施の形態４の凹凸パターン検出装置の構成を示した図である。図において、１９は透明導光体、２０は球面ミラー、２１はトロイダルレンズ、２２は円柱レンズである。その他の符号は、図１に示されたものと同一の構成である。この実施の形態では、検出面３上に置かれた凹凸パターンと撮像素子７上に結像する凹凸パターン像とのそれぞれの縦方向と横方向の比が等しくなるように、トロイダルレンズ２１および円柱レンズ２２を設けている。
【００１５】
凹凸パターンの画像取込み動作原理については実施の形態１と同じである。
トロイダルレンズ２１と円柱レンズ２２を組み合わせて用いることにより、レンズの前後で、縦方向と横方向の倍率を改善することができ、検出面３に置かれた凹凸パターンと撮像素子７上に結像する凹凸パターン像に対するそれぞれの縦方向と横方向の比を等しくすることができる。ここで、トロイダルレンズ２１とは、レンズ曲面がある曲線をある直線を軸に回転させてできる面形状であるものを指し、円柱レンズ２２とは、レンズ曲面が円筒側面形状であるものを指す。この図では、トロイダルレンズ２１と円柱レンズ２２により、ｘ軸方向の倍率および焦点距離を最適化し、トロイダルレンズ２１によりｙ軸方向の倍率および焦点距離を最適化している。図６は、図５のトロイダルレンズ２１および円柱レンズ２２のそれぞれの断面を示した図である。図７は、トロイダルレンズ２１の形状を示した図である。図８は、円柱レンズ２２の形状を示した図である。
【００１６】
図９は、この実施の形態４の他の凹凸パターン検出装置の構成を示した図である。２３は透明導光体、２４は球面ミラー、２５〜２７はそれぞれ円柱レンズである。図において、他の符号は図１と同一の構成である。図９のように、円柱レンズ２５〜２７を３枚組み合わせて、縦方向と横方向の倍率が異なるレンズ系を作ることができる。この図では、円柱レンズ２５と円柱レンズ２７により、ｘ軸方向の倍率及び焦点距離を最適化し、円柱レンズ２６によりｙ軸方向の倍率及び焦点距離を最適化している。図１０は、円柱レンズ２５〜２７のそれぞれの断面を示した図である。
【００１７】
実施の形態５．
図１１は、この発明の実施の形態５の凹凸パターン検出装置の構成を示す図である。図において、２８は透明導光体、２９は球面ミラー、３０は検出面、３１は結像レンズである。検出面３０は、円筒側面形状を有する。他の符号は、図１で示されたものと同一の構成である。図１２は、図１１の透明導光体２８を示した図である。この実施の形態では、透明導光体２８のミラーが球面であり、かつ、検出面３０の形状が円筒側面状であり、その母線が結像レンズ３１の光軸と同一平面上にある。図１３は、撮像素子７での像をシミュレーションした結果を示した図である。像は格子模様を用いた。図１３（ａ）は検出面が円筒側面状を有しない場合、図１３（ｂ）は検出面が円筒側面状を有する場合のシミュレーション結果をそれぞれ示している。
球面ミラー２９は内側に曲がっている球面形状であり、検出面３０の各点からの結像に寄与する光線が球面ミラー２９の光軸に対して平行でないため、光線が球面ミラー２９で反射する点に高低差が生じ、撮像素子７に出射される像は、図１３（ａ）のシミュレーション結果に示すように歪みが生じる。そこで、検出面３０の形状を図１１および図１３のｙ軸方向（透明導光体２８の長辺方向）に対応する方向に母線を持つ円筒側面にして、球面ミラー２９で反射する点の高低差を無くすことにより、図１３のシミュレーション結果（ｂ）のように像の歪みを補正することができる。
なお、上述した各実施の形態において、台形歪みの補正、縦方向と横方向の倍率の補正あるいは図１３に示されるような歪みの補正をそれぞれ示したが、それぞれの補正のための構成を組み合わせることで、上述の複数の補正を行うことが可能である。
【００１８】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、透明導光体に曲面を設けることにより、装置の小型化による像の歪みを補正することができ、歪みのない高品質な凹凸パターン像を得ることができる。
また、球面ミラーが物体側にテレセントリックな光学系を形成しており、第２の光学系が像面側にテレセントリックな光学系を形成しているので、台形歪みのない凹凸パターン像を得ることができる。
また、検出面に置かれた凹凸パターンと撮像素子上に結像する凹凸パターン像に対するそれぞれの縦方向と横方向の比を等しくすることができ、検出面上の凹凸パターンを正確に得ることができる。
また、像側にテレセントリックな光学系を用いる必要がないので、第２の光学系の口径を小さくすることができ、製造コストを低減することができ、更に、装置自体を小さくすることができる。
また、検出面を円筒側面形状とすることで、検出面での円筒の母線方向に対応する歪みを補正することができる。
さらに、撮像素子を光源と同一基板上に配置することで、一つの基板上に電気回路を形成することが可能となるため、製造コストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の実施の形態１の凹凸パターン検出装置の構成を示す図である。
【図２】  この発明の実施の形態２の凹凸パターン検出装置の構成を示す図である。
【図３】  光学シミュレーションによる球面ミラー１１の半径（Ｒ）と台形歪みとの関係を示した図である。
【図４】  この発明の実施の形態３の凹凸パターン検出装置の構成を示した図である。
【図５】  この発明の実施の形態４の凹凸パターン検出装置の構成を示した図である。
【図６】  図５のトロイダルレンズ２１および円柱レンズ２２のそれぞれの断面を示した図である。
【図７】  トロイダルレンズ２１の形状を示した図である。
【図８】  円柱レンズ２２の形状を示した図である。
【図９】  この実施の形態４の他の凹凸パターン検出装置の構成を示した図である。
【図１０】  円柱レンズ２５〜２７のそれぞれの断面を示した図である。
【図１１】  この発明の実施の形態５の凹凸パターン検出装置の構成を示す図である。
【図１２】  図１１の透明導光体２８を示した図である。
【図１３】  撮像素子７での像をシミュレーションした結果を示した図である。
【図１４】  従来の凹凸パターン検出装置の構成を示した図である。
【図１５】  図１４の従来の凹凸パターン検出装置と等価な光学系を簡単化した図である。
【図１６】  図１５の光学系における像を示した図である。
【符号の説明】
１  被検体、  ２  透明導光体、  ３  検出面、  ４  球面ミラー、５  結像レンズ、  ６  光源、  ７  撮像素子、  ８  光吸収面、  ９  開口部、  １０透明導光体、  １１  球面ミラー、  １２  結像レンズ、  １３  透明導光体、  １４  球面ミラー、  １５  結像レンズ、  １６  発光ダイオードアレイ、１７  基板、  １８  ミラー、  １９  透明導光体、  ２０  球面ミラー、  ２１  トロイダルレンズ、  ２２  円柱レンズ、  ２３  透明導光体、  ２４  球面ミラー、  ２５〜２７  円柱レンズ、  ２８  透明導光体、  ２９  球面ミラー、  ３０  検出面、  ３１  結像レンズ。
【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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