JP4636340B2

JP4636340B2 - 生体撮像装置

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Publication number: JP4636340B2
Application number: JP2007181075A
Authority: JP
Inventors: 健二山本; 功市村
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2007-07-10
Filing date: 2007-07-10
Publication date: 2011-02-23
Anticipated expiration: 2027-07-10
Also published as: JP2009017943A; US8170300B2; US20090016578A1; CN101344921B; KR20090005970A; CN101344921A

Description

本発明は、静脈や指紋などの生体部位における構造物を撮像対象とする生体撮像装置に関する。

従来、生体部位における構造物を撮像対象とする生体撮像装置は、生体認証装置等に利用され、例えば指紋や静脈の撮像データを用いて生体の認証を行う生体認証装置が種々提案されている（例えば、特許文献１〜５）。一般に、生体認証装置では、撮像装置自体の厚みが大きいため、薄型の機器に応用するためには、撮像装置を認証装置の外部に配置したり（例えば、特許文献１）、撮像装置の光学系（撮像レンズ）と検出系（撮像素子）とを独立して配置する（例えば、特許文献２）ことが主流となっていた。

ところが、近年では、様々な機器の薄型化、あるいは製造性やデザインの制約などに伴い、このような機器に直接搭載することのできる薄型モジュールとしての生体認証装置の実現が望まれている。そこで、特許文献５には、指の両脇（左右２方向）に近赤外光源を配置し、これによって指の内部に光を照射することにより静脈の撮像データを取得する薄型の撮像光学系が提案されている。
特開２００５−３１２７４８号公報特開２００６−１８１２９６号公報特開平１０−２８９３０４号公報特開２００６−１４６６１２号公報特開２００６−１５５５７５号公報

しかしながら、上記特許文献５のような構成では、指の透過率の影響により、光源に近い領域で光量が多く、光源から遠い領域で光量が少なくなり、画像の光量分布にむらが生じてしまうという問題がある。そこで、特許文献５では、複数の光源を配置し、撮像領域における光量分布が所定の範囲にあるかどうかを判断する演算部を設け、これにより駆動する光源を適宜選択して、各光源から照射する光量を調節しつつ撮像が行われるようになっている。このため、複雑な光量調節機構が必要となるという問題がある。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、簡易な構成で、撮像画像の光量むらを低減することの可能な生体撮像装置を提供することにある。

本発明の生体撮像装置は、生体に向けて近赤外光を照射する光源と、生体を置くための検知部と、生体からの光を集光すると共にマイクロレンズアレイからなる撮像レンズ部と、撮像レンズ部によって集光された光に基づき、撮像データを生成する撮像素子と、撮像レンズ部と撮像素子との間に設けられると共に、近赤外光を選択的に透過させる透過率分布フィルタとを備え、透過率分布フィルタは、光源から遠くなるに従って透過率が段階的に高くなるように互いに厚みの異なる複数の領域を有するものである。

本発明の生体撮像装置では、検知部と撮像素子との間に設けられ、光源に近い領域よりも遠い領域において透過率が高くなっている透過率分布フィルタにより、生体から撮像素子へ入射する光のうち、光源に近い領域では、光源から遠い領域よりも光の透過量が少なくなる。これにより、撮像領域において、光源から遠い領域よりも光源に近い領域における光量が少なくなり、これらの間の光量差が小さくなる。また、従来のように、光源を選択的に駆動したり、光源から照射する光量を調節する機構を設ける必要もない。

本発明の生体撮像装置によれば、検知部と撮像素子との間に、光源に近い領域よりも遠い領域において透過率が高くなっている透過率分布フィルタを設けるようにしたので、複雑な光量調節を行うことなく、光源に近い領域と光源から遠い領域との間の光量差が小さくなる。また、従来のような複雑な光量調節を行う必要もない。よって、簡易な構成で、撮像画像の光量むらを低減することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施の形態に係る生体認証装置１の全体構成を表したものである。図２は、生体認証装置１のｚ−ｘ断面構成を表すものである。図３は、生体２の側からみた生体認証装置１のｘ−ｙ平面構成を表すものである。なお、図２は、図３のＩ−Ｉ線における矢視断面図である。この生体認証装置１は、特に生体（例えば、指先）２の構造物、例えば静脈や指紋を撮像して認証を行うものであり、光源１０と、検知部１１ａと、透過率分布フィルタ１１と、マイクロレンズアレイ１２と、近赤外光透過フィルタ１３と、撮像素子１４と、画像処理部１５と、パターン保持部１６と、認証部１７と、光源駆動部１８１と、撮像素子駆動部１８２と、制御部１９とから構成されている。

光源１０は、撮像対象である生体２へ向けて光を照射するものであり、例えば、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）などにより構成される。この光源１０は、例えば、生体２に対して撮像素子１４と同一の側に、例えば生体２の長手方向（ｘ方向）における両端位置に設けられている。なお、この光源１０は、生体２の静脈を撮像対象とする場合には、近赤外の波長領域（７００ｎｍ〜１２００ｎｍ程度の波長領域）の光を発するものであるのが好ましい。そのような波長領域の光を用いた場合、生体に対する透過率と、生体内の還元ヘモグロビン（静脈）への吸収率との兼ね合いより、光利用効率を高めることができるからである。

検知部１１ａは、例えばカバーガラスなどであり、生体２を検知する領域（面）、すなわち生体２が置かれる領域（面）となっている。但し、本実施の形態では、この検知部１１ａは設けられていなくてもよく、後述の透過率分布フィルタ１１上に生体２が置かれるようにしてもよい。また、検知部１１ａ（あるいは透過率分布フィルタ１１）に直接、生体２が接触している必要はなく、検知部１１ａの上方に生体２が配置されるような構成であればよい。

透過率分布フィルタ１１は、その領域によって透過率が異なるように構成されている。なお、この透過率分布フィルタ１１の詳細な構成については後述する。

マイクロレンズアレイ１２は、複数のマイクロレンズがマトリクス状に配列してなり、例えば、透過率分布フィルタ１１の下方に、生体２内部の所望の観察面を撮像素子１４上の受光面に結像するように配置されている。このマイクロレンズアレイ１２は、撮像対象である生体２の撮像レンズとして機能し、生体２に照射された光を集光するようになっている。また、マイクロレンズとしては、例えば液晶レンズ、液体レンズ、回折レンズなどを用いることができる。特に、液晶レンズや液体レンズはその焦点位置を変えることができるため、静脈認証と指紋認証とを合わせた２重の生体認証を行うことも可能となり、より高い安全性を確保することができる。また、マイクロレンズアレイ１２は、そのレンズ共役長（物体側のレンズ面から撮像面までの距離）を１ｍｍ程度と非常に薄く形成することができるため、装置全体としての厚みを３ｍｍ程度にまで薄型にすることが可能となる。但し、撮像レンズとしては、このようなマイクロレンズアレイに限定されず、単レンズを用いるようにしてもよい。

近赤外透過フィルタ１３は、近赤外の波長領域における光を選択的に透過させるフィルタであり、例えばマイクロレンズアレイ１２の下方に配置されている。この近赤外光透過フィルタ１３は、例えば、アクリル系樹脂に、銅フタロシアニン系化合物、メタルフリー・フタロシアニン系化合物、アントラキノン系の染料などを添加した材料により構成されており、厚みは例えば０．１ｍｍ〜０．５ｍｍである。このような近赤外透過フィルタ１３が配置されることで、外光などが排除され、明確な撮像データ（静脈画像）を得易くなる。

撮像素子１４は、マイクロレンズアレイ１２からの光を受光して撮像データを生成するものであり、マイクロレンズアレイ１２の焦点面に配置されるようになっている。なお、この撮像素子１４は、例えば、マトリクス状に配列された複数のＣＣＤ（Charge Coupled Device；電荷結合素子）やＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）などにより構成される。

画像処理部１５は、制御部１９からの制御に応じて、撮像素子１４で得られた撮像データに所定の画像処理を施し、認証部１７へ出力するものである。なお、この画像処理部１５、ならびに後述する認証部１７および制御部１９は、例えばマイクロコンピュータなどにより構成される。

パターン保持部１６は、生体認証の際に用いる生体認証パターン（認証の際に撮像して得られた撮像パターンに対する比較パターンであり、予め生体を撮像して得られたもの）が保持される部分であり、不揮発性の記録素子（例えば、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory）など）により構成される。

認証部１７は、制御部１９からの制御に応じて、画像処理部１５から出力される撮像パターンと、パターン保持部１６に保持されている生体認証パターンとを比較することにより、生体２の認証を行う部分である。

光源駆動部１８１は、制御部１９からの制御に応じて、光源１０の発光駆動を行うものである。撮像素子駆動部１８２は、制御部１９からの制御に応じて、撮像素子１４の撮像駆動（受光駆動）を行うものである。制御部１９は、画像処理部１５、認証部１７、光源駆動部１８１および撮像素子駆動部１８２の動作を制御するものである。

次に、透過率分布フィルタ１１の構成について、図４（Ａ），図４（Ｂ）を参照して詳細に説明する。図４（Ａ）は近赤外光透過フィルタ１３のｘｙ平面における透過率分布を模式的に表す図であり、図４（Ｂ）はｘ方向における透過率分布を表す特性図である。

透過率分布フィルタ１１は、その透過率が光源１０に近い領域よりも光源１０から遠い領域で高くなっている透過率分布を有している。また、透過率分布フィルタ１１は、光源１０から遠くなるに従って段階的に高くなる透過率分布を有することが好ましい。あるいは、光源１０から遠くなるに従って高くなる２次の透過率分布を有することが好ましい。

例えば、図４（Ａ）および図４（Ｂ）に示したように、ｘ方向において、２次の透過率分布となるように構成されている。なお、図４（Ａ）では、ｘ−ｙ平面の濃淡が透過率の高低を表しており、色の濃い部分では透過率が比較的低く、淡い部分では透過率が比較的高くなっている。また、光源１０からの距離が等しいラインにおける透過率分布、すなわちｙ方向における透過率分布は一定となっている。この透過率分布フィルタ１１は、例えばクロム（Ｃｒ）薄膜やＮＤフィルタなどの材料により構成され、厚みは、基材含めて例えば０．１ｍｍ〜０．５ｍｍである。

また、上記のような透過率分布は、例えば、透明性を有するフィルム材料、具体的には樹脂フィルムなどの上に、薄膜無機材料の乾式成膜や、吸光材の塗布などによって領域ごとに異なる厚みで形成することにより得ることができる。あるいは、吸光材を樹脂フィルムに練り込み、フィルム自体の厚みを領域ごとに異なるように形成してもよい。

次に、このような生体認証装置１の作用および効果について説明する。

まず、生体認証装置１の基本的な作用について、図１〜図３を参照して説明する。この生体認証装置１では、まず、検知部１１ａ上に（透過率分布フィルタ１１の上方に）生体（例えば、指先）２が置かれ、光源駆動部１８１により光源１０が駆動されると、光源１０から射出された光Ｌが生体２へ向けて照射される。生体２に照射された光は、例えば生体２の内部で散乱し、静脈により吸収される。一方、マイクロレンズアレイ１２が、生体２内部の所望の観察面を撮像素子１４上の受光面に結像するように配置されていることにより、生体２内部の光がマイクロレンズアレイ１２によって集光されたのち、近赤外光透過フィルタ１３を介して、撮像素子１４へ入射する。このようにして、撮像素子１４において、生体２の静脈の撮像データ（静脈パターン）が取得される。

このようにして、撮像素子１４で得られた静脈パターンは、画像処理部１５において適宜画像処理がなされたのち、認証部１７へ入力される。認証部１７では、入力された静脈パターンと、パターン保持部１６に保持されている静脈認証用の認証パターンとが比較され、認証が行われる。これにより、最終的な生体認証の結果（認証結果データＤout）が出力され、生体認証処理が終了となる。

次に、生体認証装置１の特徴的な作用について、図５および図６（Ａ），（Ｂ）に示した従来の例と比較して、図１〜図４および図７を参照して説明する。図５は、従来の生体認証装置の概略構成を表すｚ−ｘ断面図である。図６（Ａ）は、図５に示した生体認証装置における撮像画像、図６（Ｂ）は図６（Ａ）のII−II線付近（ｘ方向）における光量分布を示すものである。図５に示したように、従来は、生体２の下方に、マイクロレンズアレイなどの撮像レンズ１０３、近赤外光透過フィルタ１０４、撮像素子１０５がこの順に配置され、光源１０２から射出された光は、生体２に照射されると、生体２内部で散乱し静脈で吸収されたのち撮像レンズ１０３によって集光されて、撮像素子１０５に結像される。

このような従来の構成では、生体２へ照射された光は、生体２の透過率の影響によって、光源１０２に近い領域では光量が多く、光源１０２から遠い領域では光量が少なくなる。このため、撮像画像の光量分布にむらが生じるという問題がある。従って、このような光量むらを防ぐために、複数の光源を選択的に駆動したり、各光源から照射する光量を調節するといった、複雑な光量調節が必要であった。

これに対し、本実施の形態では、生体２と撮像素子１４との間に、透過率分布フィルタ１１を設け、その透過率を、光源１０に近い領域で低く、光源１０から遠い領域で高くなるようにしたので、生体２から撮像素子１４へ入射する光のうち、光源１０に近い領域における光の透過量が少なくなる。よって、撮像領域において、光源から遠い領域よりも光源に近い領域における光量が少なくなり、これら領域間の光量差が小さくなる。また、従来のように複雑な光量調節を行う必要もない。

また、図６（Ｂ）に示したように、ｘ方向における光量分布は、光源から遠くなるに従って略２次曲線を描いて減少する傾向がある。透過率分布フィルタ１１のｘ方向における透過率分布を、図６（Ｂ）の変化特性と逆の変化特性を示すような２次分布とすることにより、光量差が緻密に調整される。

このように、本実施の形態では、生体２と撮像素子１４との間に、透過率分布フィルタ１１を設け、その透過率を光源１０に近い領域よりも光源１０から遠い領域で高くすることにより、複雑な光量調節を行うことなく、光源１０に近い領域と光源１０から遠い領域における光量差を小さくすることができる。よって、簡易な構成で、光量むらを低減させることができる。

また、透過率分布フィルタ１１を、ｘ方向において２次の透過率分布を有するように構成することで、光量差がより緻密に調整され、光量分布を平坦化（均一化）することができる。

また、透過率分布フィルタ１１を、その透過率が光源１０から遠くなるに従って段階的に高くなるように構成した場合であっても、光量むらを効果的に低減させることができる。ここで、図７（Ａ）および図７（Ｂ）に、ｘ方向における透過率分布を、光源１０から遠くなるに従って段階的に高くなるように構成した場合の撮像結果を示す。但し、図７（Ｂ）は、図７（Ａ）のＡ−Ａ線付近、すなわちｘ方向における光量分布を表す特性図である。図７（Ａ）および図７（Ｂ）に示したように、従来（図６（Ａ），図６（Ｂ））に比べて、光量むらが低減され、静脈の画像が浮かび上がっていることがわかる。また、このように、透過率分布を段階的に高くなるようにする場合には、透過率分布の制御が容易であるため、コストや量産性の面で有利となり製造性が向上する。

また、光源１０が近赤外光を発するようにした場合には、生体２への光の透過率を高めつつ、生体２の静脈での光の吸収率も高めることができる。よって、静脈を認証対象とした場合、静脈をより明確に浮かび上がらせることができ、認証精度を向上させることができる。

この生体認証装置１は、携帯電話、薄型ノートパソコン、携帯メモリー、各種カードなどの薄型の携帯モジュールに好適に用いることができる。図８には、生体認証装置１を用いた携帯電話機の一例についての概要構成を示す。この携帯電話機は、折り畳み式の筐体（第１筐体２００および第２筐体２０１）の表面に、生体２（指先）を置くための指ガイド２０２と、認証結果を表示する表示部２０３とを備えている。第１筐体２００の内部には生体認証装置１が設けられており、指ガイド２０２の底面部分が検知部１１ａに対応しており、その下方に透過率分布フィルタ１１が配置される。

次に、本発明の変形例について説明する。

（変形例１）
図９は、本発明の変形例１に係る生体認証装置３の概略構成を表す断面図である。この生体認証装置３は、光源２０が設けられる位置と、この光源２０の位置に対応して透過率分布フィルタ１１の透過率が設定されていること以外は、上記実施の形態の生体認証装置１と同様の構成を有している。よって、上記生体認証装置１と同一の構成要素には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。

生体認証装置３では、光源２０が、生体２の短手方向（ｙ方向）において、生体２を間にして対向するように設けられている。透過率分布フィルタ１１は、その透過率が、生体２の短手方向（ｙ方向）に沿って、光源２０から近い領域で低く、光源２０から遠い領域で高くなるように構成されている。

このように、光源２０が、生体２の短手方向において対向するように設けられた構成であってもよく、この場合についても、光源２０からの距離に応じて透過率が変化するように透過率分布フィルタ１１を構成することにより、光量むらを低減させることができる。

（変形例２）
図１０は、本発明の変形例２に係る生体認証装置４の概略構成を表す断面図である。この生体認証装置４は、透過率分布フィルタ２１がマイクロレンズアレイ１２と撮像素子１４との間に設けられていること以外は、上記実施の形態の生体認証装置１と同様の構成を有している。よって、上記生体認証装置１と同一の構成要素には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。

このように、透過率分布フィルタ２１は、図２および図３に示したような生体認証装置１のように、必ずしも生体２とマイクロレンズアレイ１２との間に配置される必要はなく、生体２と撮像素子１４との間に設けられていれば、生体２から撮像素子１４へ入射する光の光量むらは低減される。また、本変形例では、この透過率分布フィルタ２１が上記実施の形態の近赤外透過フィルタとしての機能を兼ねており、近赤外透過フィルタと同様の材料によって構成されている。この透過率分布フィルタ２１は、例えば、所定の割合で使用波長の光を吸収するように、その厚みに分布を持たせることで、透過率分布が形成されるようになっている。

以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明はこの実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。

例えば、上記実施の形態では、得られた静脈パターンに基づき、生体認証を行う場合について説明したが、これに限定されず、例えば指紋パターンと静脈パターンとを取得し、これらの結果に基づいて、最終的な認証結果を出力するようにしてもよい。このように指紋認証と静脈認証とを併用することにより、より精度の高い認証結果を得ることが可能となる。

また、上記実施の形態では、生体撮像装置として生体認証装置を例に挙げて説明したが、これに限定されず、他の撮像装置にも適用可能である。

また、上記実施の形態では、撮像素子１４で得られた撮像データに対し、画像処理部１５において適宜画像処理を施してから認証を行うようにした場合について説明したが、例えば、場合によっては画像処理部１５を設けずに、撮像素子１４からの撮像データに基づいて、認証部１７が直接認証を行うようにしてもよい。そのように構成した場合、装置構成をより簡素化し、装置全体をより薄型化することが可能となる。

また、上記実施の形態では、光源が生体２の長手方向あるいは短手方向における両端位置に設けられた構成を例に挙げて説明したが、光源の設けられる位置はこれに限定されず、生体２の片側のみに配置されるような構成であっても本発明の効果は達成される。同様に、光源の数や種類、大きさなども上記実施の形態で挙げた例に限定される訳ではなく、装置の仕様などにより適宜設定される。

また、上記実施の形態では、撮像レンズとして、複数のマイクロレンズが配列したマイクロレンズアレイを例に挙げて説明したが、これに限定されず、ひとつのレンズを用いて撮像を行うようにしてもよい。

本発明の一実施の形態に係る生体認証装置の全体構成を表す機能ブロック図である。図１に示した生体認証装置の断面構成を表す模式図である。図１に示した生体認証装置の平面構成を表す模式図である。透過率分布フィルタの一例を表す図である。従来の生体認証装置の断面構成を表す模式図である。従来の生体認証装置を用いて撮像した際の画像および光量分布を表す図である。透過率分布フィルタを用いて撮像した際の画像および光量分布を表す図である。図１に示した生体認証装置の一適用例を表す斜視図である。本発明の第１の変形例に係る生体認証装置の断面構成を表す模式図である。本発明の第２の変形例に係る生体認証装置の断面構成を表す模式図である。

符号の説明

１，３，４…生体認証装置、１０…光源、１１…透過率分布フィルタ、１２…マイクロレンズアレイ、１３…近赤外透過フィルタ、１４…撮像素子、１５…画像処理部、１６…パターン保持部、１７…認証部、１８１…光源駆動部、１８２…撮像素子駆動部、１９…制御部、２…生体（指先）。

Claims

生体に向けて近赤外光を照射する光源と、
前記生体を置くための検知部と、
前記生体からの光を集光すると共にマイクロレンズアレイからなる撮像レンズ部と、
前記撮像レンズ部によって集光された光に基づき、撮像データを生成する撮像素子と、
前記撮像レンズ部と前記撮像素子との間に設けられると共に、近赤外光を選択的に透過させる透過率分布フィルタとを備え、
前記透過率分布フィルタは、前記光源から遠くなるに従って透過率が段階的に高くなるように互いに厚みの異なる複数の領域を有する
生体撮像装置。
前記透過率分布フィルタは、透明基材上に、前記光源から遠くなるに従って段階的に厚みが大きくなるように形成された無機薄膜を有するものである
請求項１に記載の生体撮像装置。
前記透過率分布フィルタは、透明基材上に、前記光源から遠くなるに従って段階的に厚みが大きくなるように吸光材が塗布されたものである
請求項１に記載の生体撮像装置。
前記透過率分布フィルタは、吸光材が練り込まれてなると共に、前記光源から遠くなるに従って段階的に厚みが大きくなるように形成された透明基材である
請求項１に記載の生体撮像装置。