JP2006106979A - 指紋画像撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 主要部である個人識別に必要な指紋情報が含まれる範囲において適正な明度で明暗のコントラストが分かる指紋画像を得る。
【解決手段】 撮像対象となる指紋１１を有する指先部１を被検体とし、被検体にこれを透過し得る光３０を照射する光源３と、被検体を透過する光源からの光を撮像して指紋の凸部が暗く凹部が明るい指紋画像を得る撮像手段５と、被検体を透過する光源からの光を撮像手段に結像させる光学系４とを備え、光源３からの光３０は、その照射中心が指先部１の爪１２の存在している面における幅方向の略中心線上でかつ爪の生え際に対して爪部とは反対側にあり、略爪以外の部分を照射する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、指紋画像撮像装置に関するものであり、特に、指紋の皮膚表面の湿り気の状態に拘わらず、さらには指紋の凹凸が不明瞭な場合にも、安定した指紋画像を得ることができる指紋画像撮像装置に関するものである。

従来の指紋画像撮像装置においては、指先部の指紋部分が非接触状態で指を保持し、指先部の甲側（背側）から光を照射し、指内部を透過してきた光を検出する。指先部を透過する光の透過率は、指紋の凸部に比べて凹部において高いので、指紋の凸部に比べて凹部が明るい画像が得られる（例えば特許文献１参照）。

特開２００３-８５５３８号公報（第３−４頁、第１−４図）

従来の指紋画像撮像装置は、以上のように構成されており、指紋の皮膚表面の湿り気の状態に拘わらず、さらには指紋の凹凸が不明瞭な場合にも、安定した指紋画像を得ることができるが、部分的に明度が飽和したり暗過ぎたりして指紋の凹凸に対応した明暗のコントラストがわからない部分がある場合があり、あまり正確な指紋情報が得られない場合があった。

本発明は、主要部である個人識別に必要な指紋情報が含まれる範囲において適正な明度で明暗のコントラストが分かる指紋画像を得ることができる指紋画像撮像装置を提供することを目的とするものである。

本発明に係る指紋画像撮像装置は、撮像対象となる指紋を有する指先部を被検体とし、上記被検体にこれを透過し得る光を照射する光源と、上記被検体を透過する上記光源からの光を撮像して上記指紋の凸部が暗く凹部が明るい指紋画像を得る撮像手段と、上記被検体を透過する上記光源からの光を上記撮像手段に結像させる光学系とを備え、上記光源からの光は、その照射中心が上記指先部の爪の存在している面における幅方向の略中心線上でかつ上記爪の生え際に対して上記爪部とは反対側にあり、略爪以外の部分を照射するものである。

本発明に係る指紋画像撮像装置によれば、撮像対象となる指紋を有する指先部を被検体とし、上記被検体を透過し得る光源からの光を上記被検体に照射し、光学系で上記被検体を透過する上記光源からの光を撮像手段に結像させ、撮像手段で上記被検体を透過する上記光源からの光を撮像して上記指紋の凸部が暗く凹部が明るい指紋画像を得るので、指紋の皮膚表面の湿り気の状態に拘わらず、さらには指紋の凹凸が不明瞭な場合にも、安定した指紋画像を得ることができる。
しかも、上記被検体を透過し得る光は、その照射中心が上記指先部の爪の存在している面における幅方向の略中心線上でかつ上記爪の生え際に対して上記爪部とは反対側にあり、略爪以外の部分を照射するので、主要部である個人識別に必要な指紋情報が含まれる範囲で適正な明度で明暗のコントラストが分かる指紋画像を得ることができる。
したがって、より正確な指紋情報を得ることができる。

本発明の発明者らは、撮像対象となる指紋を有する指先部を被検体とし、上記被検体を透過し得る光源からの光を上記被検体に照射し、光学系で上記被検体を透過する上記光源からの光を撮像手段に結像させ、撮像手段で上記被検体を透過する上記光源からの光を撮像して上記指紋の凸部が暗く凹部が明るい指紋画像を得るのに、上記光を照射する位置が、指紋画像のシェーディングに影響を及ぼすことを発見した。主に爪に照射すると爪先側は飽和し根元側は暗くなり、爪の生え際近くの略爪以外の部分に照射すると指紋画像の全体のシェーディングが緩やかになり、第１関節付近に照射すると根元側は明るくなり爪先側が暗くなることがわかった。

発明者らは、骨が第２の光源となり、骨に当たった光は広い角度に散乱して指先部分を比較的均一な強度で指紋部分まで透過できるが、指先の骨が爪の途中までしかないので、光源からの光を主に爪に当てると、骨に当たらなかった光がそのまま透過してシェーディングがきつくなるのではないかと推測している。
これにより、爪の生え際近くの略爪以外の部分に光を照射することで、シェーディングが緩和された指紋画像を撮像することができ、主要部である個人識別に必要な指紋情報が含まれる範囲での明度の適正化に貢献することができると考えた。

なお、本発明で言う、個人識別に必要な指紋情報が含まれる範囲とは、例えば、指の第１関節から指先までの領域、あるいは第１関節部分も含めた領域や指の側面の指紋を含んだ領域などを指す。

実施の形態１．
図１および図２は本発明の実施の形態１による指紋画像撮像装置を説明するための図であり、より具体的には、図１は指紋画像撮像装置の全体構成を示す側面図、図２は指先部近傍を撮像手段側（腹側）から見た様子を示す下面図である。

本実施の形態による指紋画像撮像装置は、撮像対象となる指紋１１を有する指先部１を被検体とし、被検体１を透過し得る光３０を、その照射中心が指先部１の爪１２の存在している面における幅方向の略中心線上でかつ爪１２の生え際に対して爪１２部とは反対側にあり、略爪１２以外の部分に照射する光源３と、
被検体１を透過する光源３からの光３０を撮像して指紋１１の凸部が暗く凹部が明るい、指紋１１に対応する指紋画像を得る撮像手段５と、
被検体１を透過する光源３からの光を撮像手段５に結像させる光学系４と、
撮像手段５から出力された指紋画像を画像処理して指紋情報を得るとともに、この指紋情報に基づき個人を識別する信号処理部６とを備えている。
さらに、光の照射条件（輝度および照射領域１６）および撮像手段５（撮像素子５２）のゲインの少なくとも一方を調整することで画像の明度を調整する手段（明度判定部６６、光源駆動回路３２、ゲイン調整回路５５）と、
同一の上記被検体についての明度の異なる複数の指紋画像を重畳または部分的に貼りあわせる手段（画像処理部６２）とを備えている。

本実施の形態では、指先部１を保持し得る被検体保持部（図１では、指先部１を撮像対象となる指紋１１の表面が非接触の状態で保持し得る開口付き被検体保持部を示している。）２を備えている。開口付き被検体保持部２の開口部分は、撮像手段５で撮像する範囲である観察面１００を含むように設けられている。

被検体である指先部１は、その腹側に撮像対象となる指紋１１を有しており、指紋１は凸部（山部）と凹部（谷部）からなる凹凸パターンを有している。なお、本発明では、指先部１とは、指の先端部分のみを言うのではなく、指の先端部分から第１関節、あるいは第２関節の辺りまでを言う。

指先部１を透過し得る光３０を指先部１に照射する光源３は、指先部１の指紋１１と反対側である背側（爪側）から腹側（指紋側）へ光が進行するように設けられる。光源３としては、主波長が赤色光〜近赤外光領域である光、すなわち、赤色光〜近赤外光領域にある何れかの波長（単色）の投射光、赤色光〜近赤外光領域に亘る光が混合された投射光、あるいは赤色光〜近赤外光領域の光（単色の場合も混合されている場合もある。）を主波長として含む投射光を出射するものが用いられ、例えばレーザー、発光ダイオード、ランプ光源が用いられる。赤色光〜近赤外光領域の光は、被検体１である生体に対する光の透過率が高いので好ましく用いられるが、主波長が６００ｎｍ〜１４００ｎｍの範囲のものがより好ましい。さらに、血管中のヘモグロビンの光吸収特性は６６０ｎｍ前後で最小となるので、血管が指紋画像に及ぼす影響を低減するために、主波長が６３０ｎｍ〜７８０ｎｍの領域の光がさらに好ましい。
また、外部からの光の影響を受けないように、指先部１および光源３を遮光体によって覆ってもよい。

光源３は１つ以上の例えばレーザー、発光ダイオード、ランプ光源から構成されており、同時に任意の数だけ点灯させることができる。指先部１を開口付き被検体保持部２で保持し、観察面１００が開口付き被検体保持部２の開口内に納まる位置にある時に所定の領域１６を照射するように配置する。また、光源駆動回路３２により、点灯させる素子を制御することで、被検体１へ照射する光３０の照射条件（輝度および照射領域１６）を制御することができる構成となっている。例えば、光源３が複数の発光素子で構成されている場合、それぞれの素子が、あるいは同一位置（領域）を照射できるように構成した素子の小グループが、指先１の異なる位置（領域）を照射するように設置し、照射したい位置（領域）に応じて点灯させる素子を変更できるように制御したり、光源３が複数の発光素子を有さず単数の場合は駆動部を設けて照射したい位置（領域）へ移動させるように制御してもよい。
なお、照射領域１６を制御するとは、位置の制御および領域の大きさの制御の両方を含む。

また、本実施の形態による指紋画像撮像装置は、被検体１の位置決め用のマーカー光３１を被検体１に照射するマーカー光源３３を備えている。
マーカー光源３３は、被検体である指先部１が開口付き被検体保持部２に載置されて開口部を覆うと撮像素子５２へマーカー光３１が入射せず、開口付き被検体保持部２に指先部１が載置されない状態で撮像素子５２へマーカー光３１が入射するように設置されている。
さらに、被検体（指先部）１の所定位置にマーカー光３１が照射されるように被検体１を移動させると、光源３からの光が照射領域１６に照射される位置に被検体１を配置することができる。
なお、マーカー光源３３は光源３との共用でもよいが、マーカー光３１として、例えば、矢印や爪皮に沿うような曲線やその他、人間が判読でき指をかざす位置を理解するのを助けるような意味のあるパターンを１ないし数カ所に別光源から投影してもよい。
また、マーカー光３１の波長は赤色光〜近赤外光領域だけではなく、使用者が目視できる可視光であればよい。

光学系４は、指先部１の指紋１１の凸部を透過する光源３からの光と指紋１１の凹部を透過する光源３からの光とを撮像素子５２に結像する。本実施の形態では、光学系４は指先部１からの透過光が始めに通過する位置にレンズ４１を、レンズ４１の次に透過光が通過し尚且つ物体側（被検体１側）にテレセントリックになるような位置に絞り４２を備えている。
なお、より明確な指紋画像を得るために、レンズ４１に主にテレセントリックの効果を持たせ、さらに光が絞り４２を通過した後に通る位置に主に結像に寄与するレンズを設置し、さらには像の歪みを取る効果を持つレンズを設置し、複数のレンズからなる光学系を構成してもよい。

指先部１の腹側、すなわち撮像対象となる指紋１１の表面は曲面で構成されており、指紋１１と撮像素子５２との距離が観察面１００内の場所により異なるので、場所によってピンボケや倍率の違いによる画像の歪みが生じる場合がある。そこで、観察面１００の全面に焦点があうように焦点深度を深くし、物体側にテレセントリックな光学系を採用することで、ピンボケや倍率変動による影響を受けることなく、よりコントラストが向上された指紋画像を得ることができる。

撮像手段５（以下撮像系５と言うこともある。）では指先部１の内部組織を透過した強度分布を持った光を光学系４で結像させた画像を撮像して指紋に対応する指紋画像を得る。撮像手段５は、波長選択手段としての波長選択素子５１と、撮像素子５２と、撮像素子５２からの電気信号を画像電気信号に変換する画像出力回路５３とを備えている。

波長選択素子５１(波長選択手段)は、光源３と同程度の波長を持った光（赤色光〜近赤外光領域の光）だけを選択的に透過させるものであり、波長選択素子５１としては、例えば干渉フィルター、フィルターガラス、プラスティックフィルターが用いられる。波長選択素子５１からの出力光信号は、撮像素子５２で結像される。
なお、図１は、絞り４２と撮像素子５２との間に波長選択手段５１を設けるものであるが、波長選択手段５１は、レンズ４１と指先部１との間、レンズ４１が複数枚で構成されている場合のレンズとレンズの間、レンズ４１と絞り４２との間などの何れの位置に設けてもよい。また、波長選択機能を有するレンズ４１や撮像素子５２を用いることもできる。

撮像素子５２は、例えば、ＣＣＤ（電荷結像素子）、ＣＭＯＳ（相補型金属酸化膜半導体）イメージセンサなどの２次元固体撮像素子や撮像管などである。撮像素子５２は指先部１を通過して指先部１の内部組織を透過した光に感度を有するもの、即ち、赤色光〜近赤外光領域の光に感度を有するものが用いられる。撮像手段５は指先部１からの光以外を受光しないよう遮光される。また、撮像素子５２のゲインを調整するゲイン調整回路５５が設けられている。

信号処理部６は、画像出力回路５３からの信号を受け取る画像取り込み部６１と、画像取り込み部６１からの信号を処理し２値化や細線化などを行う画像処理部６２と、画像処理部６２からの信号を受け取り、登録画像として保存する指紋データ保存部６３と、画像処理部６２からの画像を指紋データ保存部６３からの画像と照合して個人識別を行う個人識別部６４とを備えており、画像出力回路５３から出力される指紋画像を画像処理して指紋情報を得るとともに、この指紋情報に基づき個人を識別する。
さらに、信号処理部６は、画像取り込み部６１からの信号を処理し、その信号が予め定められた閾値の範囲内か否かを判定して指が存在するかどうかを判定し、光源駆動回路３２に信号を送ることができる指存在判定部６５を備えている。
また、画像取り込み部６１は取り込まれた指紋画像を一時的に蓄積する機能を備えている。

またさらに、信号処理部６は、画像取り込み部６１で取り込まれた指紋画像の明度が予め定められた閾値の範囲内か否かを判定し、判定結果に基づいて光源駆動回路３２およびゲイン調整回路５５の少なくとも一方へ信号を送り、指先部１を照射する光源３からの光３０の照射条件（強度、照射領域１６）および撮像素子５２のゲインの少なくとも一方を調整する明度判定部６６とを備えている。すなわち、明度判定部６６では、指紋画像の画像全域、または、個人識別に必要な指紋情報を得ることができる範囲全体、または上記領域の一部を抽出した領域や、分割した領域の画像明度を判定することができる。
また、同一の被検体について照射条件および撮像手段のゲインの少なくとも一方を違えて複数枚撮像する場合は、一回撮像するごとに明度判定回路６６で画像の明度を判定しなおしてもよいが、例えば一度の判定で複数領域の明度を判定してその結果を保存し、２回目以降は判定したそれぞれの領域が適正になるように、明度判定を再度行わずに保存した結果から画像の明度を調整することもできる。

また、画像処理部６２は、上述の２値化や細線化などの処理に加えて、被検体１への光３０の照射条件および撮像手段（撮像素子５２）のゲインの少なくとも一方を違えて撮像した複数の指紋画像を重畳または部分的に貼り合わせる機能も有している。

なお、信号処理部６に備えられている各部分は、それらの全てが信号処理部６に備えられている必要は無く、例えば、画像出力回路５３をパソコンに接続してその中に一部分を備えたり、また、例えば指紋データを保存するが個人識別は行わない場合などは、個人識別部６４を省略することも可能である。

次に、図３〜図７を基に、光源３からの光３０の照射領域（位置）と得られた指紋画像の明度との関係について説明する。
図３〜６は、図７の各点Ａ〜Ｄに光（レーザー光）３０をスポット的に照射したときのＣＣＤにより撮像した指紋画像を示す図であり、図３は図７の点Ａに、図４は図７の点Ｂに、図５は図７の点Ｃに、図６は図７の点Ｄに、それぞれレーザー光３０を照射したときの指紋画像を示す。図３〜図６において、図に向かって右側が爪先側（指先部１の先端側）である。図７は指先部１の背側への光３０の照射点Ａ〜Ｄを示す図である。
図３は指紋画像全面で明るさがほぼ均等であるが、図４は照射領域１６（点Ｂ）に近い爪先側（指先部の先端側）が飽和しており、図５は照射領域１６（点Ｃ）から遠い爪先側が暗くなっている。また、指先部１の幅方向に関して言えば、図６により照射領域１６（点Ｄ）に近い部分が飽和しており反対側が暗くなっていることが分かる。

これらの結果より、個人識別に必要な指紋情報が含まれる範囲のほぼ全面にわたって明るさがほぼ均等な指紋画像を得るためには、図７のＡ点、すなわち照射中心が指先部１の爪１２の存在している面における幅方向の略中心線上でかつ爪１２の生え際に対して爪１２部とは反対側にあり、略爪１２以外の部分を照射するのが好ましいことがわかる。

より具体的な照射領域１６としては、例えば、図７のＡ点（スポット領域）、図８に示す第１の照射領域１６１、第２の照射領域１６２、第３の照射領域１６３などが挙げられる。
第１の照射領域１６１は、長手方向が爪際の点Ｐから根元方向へは第１関節までで、幅は指先部１の幅を超えないような領域であり、爪際の点Ｐから第１関節までの長さのほぼ１／２程度の位置に長手方向の中心がある。
第２の照射領域１６２は、長手方向は根元側端部が爪際の点Ｐから第１関節までの長さのほぼ３／４程度の位置に先端側端部が爪際の点Ｐよりも多少先端の位置にあり、幅が指幅のほぼ１／３の領域であり、爪際の点Ｐから第１関節までの長さのほぼ１／３程度の位置に長手方向の中心がある。
第３の照射領域１６２は、長手方向は根元側端部が爪際の点Ｐから第１関節までの長さのほぼ１／５程度の位置に先端側端部が爪際の点Ｐよりも多少先端の位置にあり、幅が指幅のほぼ１／５の領域であり、爪際の点Ｐから第１関節までの長さのほぼ１／１０程度の位置に長手方向の中心がある。
なお、長手方向の先端側端部は、爪際の点Ｐと一致するのが好ましいが、多少爪１２にかかってもよい。爪際の点Ｐから指先部１の先端部までの長さをＬとすると、長手方向の先端側端部は、爪際の点Ｐから長さＬのほぼ１/３程度までが好ましく、より好ましくはほぼ１/４程度まで、さらに好ましくは上爪皮（爪の甘皮に相当する部分）にかかる程度が良い。

さらに、照射領域１６の形状は、上記領域に内接する楕円形、矩形状などが挙げられる。

また、生体の血液において近赤外光は透過率が低いので撮像手段５から出力される指紋画像には指先部１内部の血管のパターンが指紋１１の凹凸パターンと重畳されて明度が低下し、コントラスト低下の原因になっている場合がある。極端に他より暗くなる部分が見られた場合は、その部分を明るくするために、シェーディングをきつくさせて撮像することもできる。例えば、指先部１の爪先側の部分の画像明度が低い場合は、光源３からの光３０をわざと爪１２かかるように照射し、必要に応じて輝度や撮像素子のゲインも調整して、指先部１の爪先側の画像の明度が低い部分の明度が適正になるようにして撮像すると、上記明度の低い部分のコントラストを向上させることができる。このように、指先部１への光３０の照射領域（位置）を移動させることでシェーディングをコントロールし、部分的なコントラストの向上を図ることができる。

次に動作について説明する。
まず、マーカー光３１を目視し易い光量で点灯させておき、撮像素子５２で、予め定めた間隔で撮像する。
マーカー光３１が所定の位置に照射されるように指先部１を動かし、指先部１がマーカー光３１を遮ると、撮像素子５２で撮像できていたマーカー光３１が遮られるので、撮像素子５２で得られた画像はある範囲が一定の明度以下になる。撮像素子５２で得られた画像は、信号処理部６の画像取り込み部６１により、画像出力回路５３から信号処理部６へと取り込まれる。さらに、画像取り込み部６１より指存在判定部６５へ送られ、マーカー光３１が指先部１によって遮られてできた撮像素子５２（撮像素子５２で得られた画像）上のあらかじめ定められた範囲の明度が、予め定められた閾値の範囲であれば、指先部１が撮像素子５２の撮像範囲に存在すると判定する。

また、同時に、マーカー光３１が指先部１の最適な位置に当たるように使用者が目視で確認しながら指先部１を移動させるので、指先部１への光源３の光３０の照射位置最適化によるシェーディングの最適化、画像輝度に対する照射光量の高効率化も実現できる。

指存在判定部６５では、指先部１が撮像素子５２の撮像範囲に存在すると判定すると、指先部１を透過し得る光３０を投射するために、光源駆動回路３２へ信号を送り、光源３からの光３０が予め定められた明るさになるように、点灯させる素子の個数と１素子あたりの明るさを調整して光源３を点灯させる。なお、光源３点灯時にマーカー光源３３は消灯してもよいし、そのまま点灯していてもよい。
指先部１の背面（指紋１１と反対側の面）に照射された光３０は、指内部を透過し指紋１１に到達する。指先部１腹側の表面近くの内部組織は表面の指紋１１の凹凸に対応した透過率分布を持っており、指紋の凸部に対応する内部組織の光透過率は低く、凹部に対応する内部組織の光透過率は高いので、前者に比べ後者を透過してきた光の輝度が高くなる。

指先部１を透過した、指紋１１に応じた強度分布を持った光が、物体（被検体である指先部１）側にテレセントリックになるように光学設計された光学系４のレンズ４１と絞り４２により、撮像素子５２上で結像される。絞り４２と撮像素子５２の間には、波長選択素子５１が配置されており、光源３と同程度の波長の光（赤色光〜近赤外光領域の光）だけが選択される。画像出力回路５３では撮像素子５２からの電気信号が入力され、指紋の山部（凸部）に比べて谷部（凹部）が明るい指紋画像が、画像電気信号として出力される。

撮像手段５においてこのようにして得られた指紋画像は、信号処理部６に備えられた画像取り込み部６１により取り込まれ、画像処理部６２へ送られる。画像処理部６２では、指紋画像に、例えば特開平１０−３３４２３７号公報記載のように、二値化、細線化などの画像処理を施し、指紋の特徴情報（指紋情報）を抽出する。抽出されたデータは、必要に応じて指紋データ保存部６３で保存される。個人識別部６４では、画像処理部６２から出力されるデータを指紋データ保存部６３で保存されているデータと照合し、個人を識別する。

次に、指紋画像の明度の調整、および同一の被検体について撮像した明度の異なる複数の指紋画像を重畳または部分的に貼り合わせることについて説明する。
本実施の形態では、指紋画像の主要部である個人識別に必要な指紋情報が含まれる範囲において適正な明度で明暗のコントラストが分かる指紋画像を得るために、光源３からの光３０を、前述したような、その照射中心が指先部１の爪１２の存在している面における幅方向の略中心線上でかつ爪１２の生え際に対して爪１２部とは反対側にあり、略爪１２以外の部分（上述した第１〜第３の照射領域１６１〜１６３などの照射領域１６）を照射する。

しかし、それでも、指紋画像の主要部である個人識別に必要な指紋情報が含まれる範囲に、輝度が飽和することや、輝度が低すぎることで指紋の山と谷とが判別できない部分が存在し、個人識別に必要な情報が抽出できない指紋画像になることがある。
そこで、本実施の形態では、例えば画像処理部６２で上記の指紋の特徴情報を抽出する前に、明度判定部６６で指紋画像の明度の過不足を判定し、明度の過不足があった場合には、最適な明度の画像を採取するように照射条件（光源３の輝度や照射領域）および撮像素子５２のゲインの少なくとも一方を調整し、再び撮像を行い、適正な明度の画像を得るようにしている。

なお、指紋画像の主要部である個人識別に必要な指紋情報が含まれる範囲で適正な明度にするために、一度のみの調整ではなく、複数回調整をおこない複数枚の画像を撮像することもある。また、一度の調整で上記指紋画像の主要部である個人識別に必要な指紋情報が含まれる範囲が適正な明度を満たしている場合でも、さらに画質を上げ、ひいてはコントラストの向上を図るために、調整および撮像を複数回くり返すこともある。

以下、複数枚の画像を採取する場合を例に挙げて説明する。予め定められた輝度と照射領域１６で光源３から光３０を照射し、予め定められた撮像素子５２のゲインで１度目の撮像を行う。その画像を画像取り込み部６１から明度判定部６６へ送り、そこで指紋画像の主要部である個人識別に必要な指紋情報が含まれる範囲の全体的な明度を判定し、適正でなければ適正となるように光源駆動回路３２による光源３の輝度、照射領域の調整、およびゲイン調整回路５５によるゲインの調整のうちの少なくとも１つの調整を行い、再び撮像を行う。
なお、ここで、全体的な明度とは、例えばヒストグラムなど画素ごとの位置情報を含まない全体的な明度、あるいは特定部位の明度や少数のプロファイルなど狭い範囲の明度から画像全体の明度を判断する場合を指しており、部分的に明るすぎる、あるいは暗すぎる個所が含まれている場合もある。

指紋画像の主要部である個人識別に必要な指紋情報が含まれる範囲を含む領域の全体的な明度が適正となった画像を明度判定部６６で複数の部分領域に区切って各部分領域の画像明度を判定する。複数の部分領域とは、例えば先端側と根元側など全領域を２つに分割したそれぞれの領域や、全領域から少なくとも指紋の山と谷とを１ペア以上含む領域を複数箇所抜き出す等、様々な領域が考えられる。
このようにして得られた複数の部分領域全てが予め定められた閾値の範囲内である適正な明度を満たしている場合はその画像の画像情報を画像処理部６２へ送り、個人識別もしくは指紋データ保存用として、指紋情報を抽出する。

また、各部分領域において、画像の明度が予め定められた閾値の範囲外である個所が少なくとも１箇所あった場合は、その部分領域の全体が適正な明度になるように、光源駆動回路３２により光源３の輝度、照射領域の調整、およびゲイン調整回路５５によるゲインの調整のうちの少なくとも１つの調整を行ってから再度撮像を行い、画像取り込み部６１から画像を取り込み、一時的に保存する。上記動作を、画像の明度が予め定められた閾値の範囲外である個所が少なくとも１箇所あった全ての部分領域にわたって行い、得られた画像を画像取り込み部６１へ一時的に保存する。

次に、一時的に保存された画像を画像取り込み部６１から画像処理部６４へ送り、複数枚の画像を重畳もしくは予め定められた閾値の範囲内である適正な明度を満たしている部分領域を切り出してこれらを張り合わせる等の処理を行い、個人識別に必要な指紋情報が含まれる範囲の全面にわたって適正な明度となった画像を得る。

なお、上述の例では、指紋画像の主要部である個人識別に必要な指紋情報が含まれる範囲を含む領域の全体的な明度あるいは予め定めた特定部位の明度が適正となった画像について、複数の部分領域に区切って各部分領域の画像明度を判定し、複数枚画像を撮像するか否かを決定しているが、各部分領域の画像明度を判定することなく、最初から照射条件および撮像素子５２のゲインの少なくとも一方を違えた明度の異なる複数枚の画像を撮像するようにしてもよい。

この場合、例えば、１度目の撮像を行った後の１度目の明度判定時における明度の閾値を２種類以上決めておき、それぞれの閾値に対応した画像明度にするために光源３の輝度や照射位置、照射面積、撮像素子４２のゲインの値を決定して複数枚撮像する方法がある。すなわち、個人識別に必要な指紋情報が含まれる範囲のほぼ全面が適正な明度になるような閾値と、適正な明度よりも明るくなる代わりに暗すぎる部分が無くなるような閾値や、適正な明度よりも暗くなる代わりに飽和部分が無くなるような閾値などが考えられる。このようにして得られた複数枚の画像について、前述のように重畳や貼り合わせなどを行い、１枚の画像にする。

また、上述のいずれの例においても、１度目の撮像の場合は、個人識別に必要な指紋情報が含まれる範囲のほぼ全面にわたって明るさがほぼ均等な指紋画像を得ることを目的とし、光源３からの光３０を、前述したような、その照射中心が指先部１の爪１２の存在している面における幅方向の略中心線上でかつ爪１２の生え際に対して爪１２部とは反対側にあり、略爪１２以外の部分（上述した第１〜第３の照射領域１６１〜１６３などの照射領域１６）に照射することが好ましい。

なお、画像処理部６２で重畳もしくは張り合わせる画像は、２値化などの処理前の画像でも、処理後の画像でもどちらでもよい。

また、上記のように同一の被検体について撮像した明度の異なる複数枚の画像を重畳もしくは張り合わせる場合は、指先１の位置ズレを防ぐために撮像間隔を出来るだけ短くすることが重要である。

なお、上記では同一の被検体について撮像した明度の異なる複数枚の画像を重畳もしくは張り合わせる場合について説明したが、光源３からの光３０を、上記のような第１〜第３の照射領域１６１〜１６３などの照射領域１６に照射して得られた、指紋画像の主要部である個人識別に必要な指紋情報が含まれる範囲の全体的な明度が適正であると判断された指紋画像をそのまま用いて個人識別を行ってもよい。

以上説明したように、本実施の形態によれば、撮像対象となる指紋１１を有する指先部１を被検体とし、被検体にこれを透過し得る光３０を照射する光源３と、被検体を透過する光源３からの光を撮像して指紋１１の凸部が暗く凹部が明るい指紋画像を得る撮像手段５と、被検体を透過する光源３からの光を撮像素子５２に結像させる光学系４とを備え、光源３からの光３０は、その照射中心が指先部１の爪１２の存在している面における幅方向の略中心線上でかつ爪１２の生え際に対して爪１２部とは反対側にあり、略爪１２以外の部分を照射するので、指紋１１の皮膚表面の湿り気の状態に拘わらず、さらには指紋１１の凹凸が不明瞭な場合にも、安定した指紋画像を得ることができ、しかも、指紋画像の主要部である個人識別に必要な指紋情報が含まれる範囲において適正な明度で明暗のコントラストが分かる指紋画像を得ることができ、明度が原因による指紋画像の劣化を防止して正確な指紋情報を得ることができる。

また、光の照射条件および撮像手段５（撮像素子５２）のゲインの少なくとも一方を調整することで画像の明度を調整する手段（明度判定部６６、光源駆動回路３２、ゲイン調整回路５５）と、同一の被検体についての明度の異なる複数の指紋画像を重畳または部分的に貼りあわせる手段（画像処理部６２）とを備えたので、指紋画像の主要部である個人識別に必要な指紋情報が含まれる範囲においてより適正な明度で明暗のコントラストが分かる指紋画像を得ることができ、明度が原因による指紋画像の劣化をより確実に防止してより正確な指紋情報を得ることができる。

また、撮像手段５から出力された指紋画像を画像処理して指紋情報を得るとともに、この指紋情報に基づき個人を識別する信号処理部６を備えたので、正確な指紋情報をもとに、性能の向上した個人識別を行うことができる。

なお、上記実施の形態では、結像手段としてレンズ４１を用いた場合について説明したが、結像レンズ以外にも、結像機能を有するピンホールなどを用いてもよい。

また、上記実施の形態において、生体の血液において近赤外光は透過率が低いので撮像手段５から出力される指紋画像には指先部１内部の血管のパターンが指紋の凹凸パターンと重畳されている。そこで、以下のようにして、撮像手段５から出力される指紋画像から血管のパターンを取り除いてもよい。
すなわち、まず、撮像手段５から出力される指紋画像を原画像とし、原画像に対して平滑化処理を行なって平滑化画像を得る。指紋の凹凸パターンは血管パターンに比べて線幅が細いので、平滑化画像では指紋の凹凸パターンが除去され血管パターンが残る。そして、原画像と平滑化画像の差分演算を行なうと、指紋の凹凸パターンのみが残った指紋画像が得られ、この指紋画像から指紋の特徴情報の抽出を行なう。

なお、上記説明では、撮像手段５で得られた指紋画像を信号処理部６で処理して個人を識別する場合について説明したが、個人識別をせずに単に指紋画像を得るのみであってもよいのは言うまでもない。

また、装置全体の小型化を図るために、図９に示すように、反射手段として平面鏡８を、指先１を透過した光を偏向させるように設置し、光学系４、波長選択素子５１、撮像素子５２は偏向された光に対向するように設置してもよい。なお、図９では、信号処理部６は省略している。

なお、反射手段は平面鏡８に限るものではなく、例えば曲面鏡を用いることで像の歪み及び収差を軽減させることができる。
また、反射手段を複数設けてさらに小型化を図ってもよい。
また、平面鏡８は必ずしもレンズ４２と指先部１の間にある必要はなく、例えばレンズ４１と絞り４２の間など、撮像素子４２と指先部１の間にあればよい。

また、図１では、指先部１は、その腹側の指紋１１面が撮像素子５２の撮像面にほぼ平行となるように配置されているが、指先部１の指紋１１面と撮像素子５２の撮像面とが角度を持つように配置されてもよく、この場合にも、同様の効果が得られる。

なお、撮像対象となる指紋の表面が非接触の状態で保持し得る被検体保持部２としては、図１および図２で示した額縁形状のものに限らず、例えば、図１０に示すように、指先部１の観察面１００より外側の第１関節付近で指先部１を支持するように配置された棒状のものや、図１１に示すように、観察面１００の外側に観察面１００を挟んで対向して配置された少なくとも一対の棒状のもの等をとして用いることができる。

実施の形態２．
図１２は本発明の実施の形態２による指紋画像撮像装置を説明するための図であり、より具体的には、指紋画像撮像装置の全体の構成を示す側面図である。以下では主に、実施の形態１との相違点について説明する。

本実施の形態では、被検体保持部２として、実施の形態１で示した指先部１を撮像対象となる指紋１１の表面が非接触の状態で保持し得る開口付き被検体保持部２ではなく、指先部１を撮像対象となる指紋１１の表面が接触した状態で保持し得る開口の無い透明の被検体保持部（以下、透明状被検体保持部と言う。）２を用いている点が実施の形態１と異なり、その他の構成は実施の形態１と同様である。
動作についても、実施の形態１と同様であり、実施の形態１と同等の効果が得られる。

ただし、指紋１１の凸部を透過する光源３からの光と指紋１１の凹部を透過する光源３からの光とを撮像して指紋１１の凸部が暗く凹部が明るい指紋画像を得るためには、被検体保持部２の指紋接触面において、指紋の凹部と透明状被検体保持部２間の気体の屈折率と、透明状被検体保持部２の屈折率とで決まる全反射の臨界角以下の方向に透明状被検体保持部２に入射する光を検出する必要がある。

実施の形態３．
上記各実施の形態では、指先部１を保持し得る被検体保持部２を備えた場合について説明したが、被検体保持部２は必ずしも備えなくてもよい。
本実施の形態では、被検体保持部２を備えておらず、被検体に相当する指先部は構造体に非接触の状態である点が実施の形態１と異なり、その他の構成は実施の形態１と同様である。
このように構成されたものにおいても、実施の形態１と同様の効果が得られる。

本発明の実施の形態１による指紋画像撮像装置の全体構成を示す側面図である。 本発明の実施の形態１に係り、指先部近傍を腹側から見た様子を示す下面図である。 本発明の実施の形態１に係り、ＣＣＤにより撮像した指紋画像を示す図である。 本発明の実施の形態１に係り、ＣＣＤにより撮像した指紋画像を示す図である。 本発明の実施の形態１に係り、ＣＣＤにより撮像した指紋画像を示す図である。 本発明の実施の形態１に係り、ＣＣＤにより撮像した指紋画像を示す図である。 本発明の実施の形態１に係り、指先部の背側への光の照射点Ａ〜Ｄを示す図である。 本発明の実施の形態１に係り、照射領域を説明する図である。 本発明の実施の形態１による指紋画像撮像装置の別の全体構成を示す側面図である。 本発明の実施の形態１による指紋画像撮像装置の要部の別の構成を示す側面図である。 本発明の実施の形態１による指紋画像撮像装置の要部のさらに別の構成を示す側面図である。 本発明の実施の形態２による指紋画像撮像装置の全体構成を示す側面図である。

符号の説明

１ 指先部、１１ 指紋、１２ 爪、１６ 照射領域、２ 被検体保持部、３ 光源、３１ マーカー光、３２ 光源駆動回路、３３ マーカー光源、４ 光学系、４１ レンズ、４２ 絞り、５ 撮像手段、５１ 波長選択素子、５２ 撮像素子、５３ 画像出力回路、５５ ゲイン調整回路、６ 信号処理部、６１ 画像取り込み部、６２ 画像処理部、６３ 指紋データ保存部、６４ 個人識別部、６５ 指存在判定部、６６ 明度判定部、８ 平面鏡。

Claims (3)

1. 撮像対象となる指紋を有する指先部を被検体とし、上記被検体にこれを透過し得る光を照射する光源と、
   上記被検体を透過する上記光源からの光を撮像して上記指紋の凸部が暗く凹部が明るい指紋画像を得る撮像手段と、
   上記被検体を透過する上記光源からの光を上記撮像手段に結像させる光学系と
   を備え、
   上記光源からの光は、その照射中心が上記指先部の爪の存在している面における幅方向の略中心線上でかつ上記爪の生え際に対して上記爪部とは反対側にあり、略爪以外の部分を照射する
   ことを特徴とする指紋画像撮像装置。
2. 光の照射条件および撮像手段のゲインの少なくとも一方を調整することで画像の明度を調整する手段と、
   同一の上記被検体についての明度の異なる複数の指紋画像を重畳または部分的に貼り合せる手段と
   を備えたことを特徴とする請求項１記載の指紋画像撮像装置。
3. 撮像手段から出力された指紋画像を画像処理して指紋情報を得るとともに、この指紋情報に基づき個人を識別する信号処理部を備えたことを特徴とする請求項１または２記載の指紋画像撮像装置。