JPH05266176A - 指紋信号入力装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 収差を含む光学系を用いても、指の画像情報
から常に正確な個人認証を行うことのできる指紋信号入
力装置を提供する。 【構成】 指紋画像を検出してコンピュータ等の制御装
置に入力するための指紋信号入力装置において、指の表
面を接触させるプリズム等からなる透明体２、指の表面
と透明体２の接触部分に光を照射する光源１、接触部分
からの反射光，散乱光又は回析光を光軸と平行な第１の
面上で集束させる第１の光学素子５、接触部分からの反
射光，散乱光又は回析光を光軸と平行でかつ第１の面と
直交する第２の面上で集束させる第２の光学素子６、並
びに第１及び第２の光学素子５，６による各々の焦点位
置のうち光源に近い方の焦点位置又はその光源側に配置
され、指表面の凹凸による回析像又は干渉像を検出する
光検出器３を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、指紋信号入力装置に係
わり、特に指紋画像を光学的に検出して電気信号に変換
する信号検出部分の改良をはかった指紋信号入力装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、情報化社会の発達に伴い、重要エ
リアへの入退室管理やコンピュータ端末へのアクセス管
理を目的とした個人認証方式のセキュリティ技術に対す
る関心が高まりつつある。特定の個人をその人自身であ
るか否かを判定する個人認証方式は、ＩＤカードやパス
ワードを用いる方式が広く普及しているが、安全性の限
界も問題視され、現在これらより安全でかつ使いやすい
方式の開発が期待されている。

【０００３】指紋は「終生不変」、「万人不同」という
２大特長のために個人認証の対象として利用され、高い
照合精度が得られる。指紋情報を素早く、正確にコンピ
ュータに入力するための画像入力装置については、数多
くの提案がなされている。このような装置には正確さと
データ処理の速さ、様々な場所に数多く設置するために
小型であること、低価格であること、第三者が侵入しに
くいなどの性能が要求される。

【０００４】従来、この種の指紋信号入力装置として
は、図１４に示すように、指全体の画像信号から指の長
手方向への１次元多値射影信号の形成を光学的に行い、
この信号を指の特徴量として取出し、個人認証用の信号
として用いる方法が提案されている（特開平3-246693号
公報）。なお、図中１は光源、２はプリズム、３は光検
出器、４は照射側の光学素子、５は検出側の光学素子、
７は指紋検出に供される指を示している。この装置で
は、画像情報の一次元化を光学的に行うことができるた
め、一層の小型化と低価格化が実現できるとしている。

【０００５】しかしながら、この種の装置にあっては次
のような問題があった。即ち、１次元化された画像情報
を基に個人認証を行うために、指の画像を正確に線状に
集束する光学素子５が必要となり、光学系のコストの増
加が避けられない。また、指の画像をもう一方にも集束
させるために光学素子５とは集光方向の異なる別の光学
素子を付加することも考えられるが、この場合は、２つ
の光学素子による集光位置を合わせることが極めて困難
であり、光検出器３の配置位置により誤動作を招く問題
がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このように従来、指の
画像を２方向に集束させて検出する方式では、光学系に
収差が発生するのを避けられず、このため光検出器３の
配置位置によって誤動作を招く問題があった。

【０００７】本発明は、上記事情を考慮してなされたも
ので、その目的とするところは、収差を含む光学系を用
いても、指の画像情報から常に正確な個人認証を行うこ
とのできる指紋信号入力装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の骨子は、収差を
含んだ光学系での使用を可能にするため、光学系の焦点
を、光検出器の縦軸方向に集光するものと横軸方向に集
光するものとで異なる位置として、光検出器の位置を光
源に近い方の焦点の近くに配置し、回折又は干渉した像
の信号を個人認証に用いることにある。

【０００９】即ち本発明は、指紋画像を検出してコンピ
ュータ等の制御装置に入力するための指紋信号入力装置
において、指の表面を接触させる透明体と、指の表面と
透明体との接触部分に光を照射する光源と、接触部分か
らの反射光，散乱光又は回析光を光軸と平行な第１の面
上で集束させる第１の光学系と、接触部分からの反射
光，散乱光又は回析光を光軸と平行で且つ第１の面と直
交する第２の面上で集束させる第２の光学系と、第１及
び第２の光学系による各々の集光点位置のうち光源に近
い方の集光点位置に配置され、指表面の凹凸による回析
像又は干渉像を検出する光検出器とを具備してなること
を特徴とする。

【００１０】ここで、光検出器の配置位置としては、光
源に近い方の厳密な集光点位置に限るものではなく、こ
の集光点位置に近い位置であればよく、更には積極的に
この集光点位置よりも光源側に近付けてもよい。また、
集光点位置とは一般には光学系の焦点位置である。

【００１１】また本発明は、指の表面を接触させる透明
体と、指の表面と前記透明体の接触部分に光を照射する
光源と、接触部分からの反射光，散乱光又は回析光を検
出する光検出器とを備え、指表面の指紋画像を観察して
制御装置に入力する指紋信号入力装置において、透明体
の指の接触する面を回転楕円面の一部で構成し、且つ光
源及び光検出器の少なくとも一方を回転楕円面の焦点位
置に配置してなることを特徴とする。

【００１２】

【作用】本発明によれば、第１の光学系と第２の光学系
の収差を積極的に利用し、一方の光学系の集光点位置に
光検出器を配置することにより、光検出器の縦及び横軸
方向のいずれか一方に関しては集光しているが、他方の
軸方向に関しては集光していない。このため、指紋の画
像は焦光点から外れた軸方向には光学系に固有の回折パ
ターン又は干渉縞を生じることとなる。従って、指紋に
よって生じた回折像又は干渉像を個人認証用の信号とし
て用いることができる。

【００１３】そしてこの場合、前記回折パターンや干渉
縞などを求めるには光学素子の光学的な位置関係や定数
が必要であり、悪意の第三者が装置に偽造したパターン
を誤認させることは非常に困難である。また、２つの光
学系の集光点位置を一致させる必要がないことから、光
学系に要求される精度を低くすることができる。さら
に、１つの光学系の集光点位置に光検出器を配置するの
は容易であり、光検出器の配置位置により誤差が発生す
る等の問題を避けることが可能となる。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の詳細を図示の実施例によって
説明する。

【００１５】図１は、本発明の第１の実施例に係わる指
紋画像入力装置の概略構成を示す斜視図である。図中１
は光源であり、この光源１から出た光は照射側の光学素
子４を通って、透明体２の指押圧面を内部から照射す
る。例えば、光源１に半導体レーザ、透明体２としてプ
リズムを用い、プリズムの全反射面に指を押しつける構
成を考える。なお、半導体レーザを用いる場合には一般
に出射光の広がり角がレーザの接合面に対して垂直方向
と水平方向とで異なる。従って、広がり角が大きい方を
指長手方向に合わせると光学系の設計が簡単且つ小型化
できることは明白である。

【００１６】指押圧面で反射，散乱又は回折される光
は、指の凹凸によって変調を受ける。この反射光を適当
な光学素子５，６を用いて光検出器３に入射して電気信
号に変換する。ここで、光検出器３としては１次元ライ
ンセンサを用いる。また、入射側の光学素子４はコリメ
ータレンズとして平面と凸球面で構成されたレンズ、検
出側の第１の光学素子５は円筒レンズ、検出側の第２の
光学素子６は凸球面と平面で構成されたレンズで構成す
る。このとき、円筒レンズの母線方向を指長手方向と略
一致するように設置し、且つ１次元ラインセンサの長手
方向、即ち微小画素の並ぶ方向も略一致するようにす
る。

【００１７】このようにして構成された光学系の光源１
からの光線の流れやセンサ３上のスポットパターンの様
子は、光線追跡法を用いたシミュレーションによって概
略求めることができる。その一例を、図２及び図３に示
す。光線の進行方向をＺ軸とすると図２はＸ軸方向、図
３がＹ軸方向を示す。これからも分かるように光源１に
近い方の焦点付近に光検出器３を設置すれば装置の小型
化についても有利であることは明白である。

【００１８】また、使用する光検出器３の微小画素の大
きさと収差量とによって、必要な分解能を満たす取付範
囲とスポットパターンをもれなく検出できる取付範囲が
決まる。これについて、以下に詳しく述べる。

【００１９】例えば、図２，３の例で光線の進行方向に
垂直な面を観察すれば、その面を通過する光線をスポッ
トと考えることができる。この場合、焦点位置Ｚ＝２４
９．１mmでのスポットは図４のようになる。このとき、
光検出器３の検出範囲としてＸ＝±０．１mm、Ｙ＝±１
０mmを考え、例えば１４μm ×２００μm の画素が並ぶ
ような１次元ラインセンサ（東芝製 TCD131D）のように
考えると、Ｘ軸方向で光線が検出範囲（図中に太線で示
す）の外に達している部分があり、情報が欠落している
ことが分かる。なお、Ｙ軸方向では、このときにプリズ
ム上の検出範囲として約５０mmが得られており、通常は
問題なく使用できる。

【００２０】Ｘ軸方向の検出範囲に全ての光線が達する
ような光検出器３の取付範囲を求めると、２４７．９mm
＜Ｘ＜２４８．６mmの範囲となる。図５，６にＸ＝２４
７．９mm及びＸ＝２４８．６mmのときのスポットをそれ
ぞれ示す。つまり、光検出器３の設置位置は、Ｘ軸方向
に関する焦点位置よりも僅かに光源側の方がより望まし
いことになる。なお、この光検出器３の取付範囲は、用
いる検出器，必要なプリズム上の検出範囲（Ｘ軸及びＹ
軸），光学系によって決まる値であり、本実施例によっ
て何等限定されるものではない。

【００２１】上記の例では光検出器３として１次元ライ
ンセンサを考えたが、例えば２次元の画像信号のときに
は演算によって１次元の信号に変換してもよいが、これ
は図示しない信号処理装置によって行われる。さらに必
要があれば、いずれの光検出器を用いる場合においても
信号強度を調整したりしてもよい。この光検出器に入射
するパターンは、回折及び干渉の効果が含まれている。
なお、光検出器は個人認証に必要なだけの分解能が得ら
れる位置に設定することも必要である。

【００２２】こうして得られた信号と予め登録しておい
た信号とを比較して、個人認証を行う。比較の際に、特
徴を抽出するためのフィルタ処理や強度の補正がなされ
てもよい。これらの個人認証に関する処理は図示しない
信号処理装置と信号記憶手段によって行われる。

【００２３】なお、光検出器３の位置決め機構として
は、光検出器取付面内での移動及び回転と光軸方向への
移動とが一般に必要である。光軸方向の焦点位置の調整
は光学系によってなされてもよい。

【００２４】次に、回折及び干渉の効果について述べ
る。上記のように構成された光学系において、透明体２
の検出面に指の幅方向に凹凸を持つ適当なパターンが押
圧された場合、前記パターン凸部分が検出面に密着して
照射した光を吸収し、凹部分では検出面で光が全反射さ
れることになるので、検出面での反射光には凹凸に応じ
た光強度の強弱が生じる。このとき、光源１に半導体レ
ーザなどのコヒーレント光源，干渉性の良い光源を用い
れば、凹凸パターンによって生じる回折，干渉の効果が
強調される。

【００２５】これを、光検出器３の位置で観察した場合
の信号を図７（ｂ）に示す。ここで縦軸は信号強度、横
軸はＹ軸方向の位置を表す。参考のために対応する凹凸
パターンを図７（ａ）に示す。凹部分ではプリズムでの
全反射、凸部分では全反射が乱された結果、図に示した
ような出力信号結果が得られる。図７を見ると、凹凸パ
ターンの境界領域で光強度に変動が生じているのが分か
る。これは、フレネル回折によるものであり、波長，凹
凸パターンのピッチと反射率，光学系の構成，光源によ
って決まる。そのため、装置に固有のパターンとなり、
装置の光学系の構成が分からない場合には凹凸パターン
から得られる信号を求めることはできない。

【００２６】なお、得られる像の回折又は干渉の効果
は、それぞれ分離した形で観察されることもあるし、双
方の影響が重なり合って観察される場合もある、いずれ
の場合も、光学系が決まれば再現されるものであり、個
人認証に用いても何等問題はない。図８，９に、凹凸パ
ターンのピッチ及びギャップが変わった場合の出力信号
及び対応するパターンを示す。なお、この結果は本発明
の一例であり、必要な信号が得られるように光学系を変
えてもよい。

【００２７】凹凸パターンからこの信号への変換は一種
の関数と考えられ、指紋画像にこうした関数を掛け合わ
せたものを個人認証用の信号として用いると考えてもよ
い。この関数は、先にも述べたように光源，波長，光学
系の構成によるので、指紋パターンだけから個人認証用
の信号を推察することはできない。

【００２８】このように本実施例によれば、検出側の第
１の光学素子５と第２の光学素子６の収差を積極的に利
用し、第１の光学素子５の焦点位置に光検出器３を配置
しているので、光検出器３はＸ軸方向に関しては焦点位
置となり、Ｙ軸方向に関しては焦点以外の位置となる。
このため、指紋の像は焦点から外れた軸方向には光学系
に固有の回折パターン又は干渉縞を生じることとなり、
光検出器３により指紋によって生じた回折像又は干渉像
を検出することができる。

【００２９】そしてこの場合、２つの光学素子５，６の
焦点位置を一致させる必要がないことから、光学素子
５，６に要求される精度を低くすることができる。さら
に、１つの光学素子５の焦点位置に光検出器３を配置す
るのは容易であり、光検出器３の配置位置により誤差が
発生する等の問題を避けることが可能となる。また、装
置の概要を知り得ない第三者が指紋パターンから認証用
の信号を求めることは非常に困難となり、外部からの侵
入に強い装置が得られる。

【００３０】なお、本実施例では透明体２としてプリズ
ムを用いたが、表面に指を接触させるもので、裏面側か
ら指との接触面に光を照射しその反射光を検出できるも
のであればよい。また、後述する実施例のようにプリズ
ムの指との接触面を回転楕円面の一部としてもよい。次
に、本発明の別の実施例について説明する。

【００３１】図１０は第２の実施例に係わる指紋信号入
力装置の概略構成を示す図であり、（ａ）は透明体に指
を押し付けた様子を側面から見た状態を示し、（ｂ）は
指上方向から見た状態を示している。いずれも図では装
置の他の部分については省略してある。

【００３２】光源１１は透明体１２を構成する回転楕円
面の一方の焦点付近に配置されている。また、光検出器
１３は他方の焦点付近に配置されている。透明体１２の
回転楕円面に指１７を押しつけたとき、光源１１からで
た光は指表面の凹凸に応じて透明体１２で反射される。

【００３３】このとき、透明体１２が回転楕円面になっ
ているので反射光はもう一方の焦点に集束する。この反
射光を適当な光学系を用いて光検出器１３に入射して電
気信号に変換する。この信号は用いる光学系や光検出器
１３によって２次元の画像信号か、又は１次元の多値射
影信号となる。

【００３４】例えば、２次元の画像信号のときには演算
によって１次元の信号に変換してもよいが、これは図示
しない信号処理装置によって行われる。さらに、必要が
あれば、いずれの信号においても信号強度を調整したり
してもよい。

【００３５】次いで、光検出器３により得られた信号と
予め登録しておいた信号と比較して個人認証を行う。比
較の際に、特徴を抽出するためのフィルタ処理がなされ
てもよい。これらの個人認証に関する処理は、図示しな
い信号処理装置と信号記憶手段によって行われる。次
に、本実施例における動作について説明する。

【００３６】光源１１からでた光は、回転楕円面で構成
された透明体１２の表面で反射される。指１７の凸部分
では反射が妨げられるので、反射光には指１７の凹凸に
応じた情報が含まれる。この反射光はもう一方の焦点に
集束するが、この反射光を適当な位置に配置された光学
素子１５を介して光検出器１３に入力し個人認証用の信
号とする。例えば、図１０では光検出器１３として１次
元センサを用いた例を示しており、光学素子１５で指長
さ方向についてセンサ長に適合するスポット径になるよ
うにしている。光学素子１５は単独又は複数で構成され
ており、透明体１２と一体に形成されてもよい。また、
必要に応じて収差を補正する働きを持ってもよい。な
お、図では記入していないが光源１１と透明体１２の間
に光学素子を設けてもよい。

【００３７】また、図では透明体１２は２つの焦点の中
間位置に配置されているが、信号が検出できる範囲であ
れば楕円面上の他の位置に配置してもよい。入射面と出
射面は平面で構成されているが、必ずしもこの限りでは
ない。また、光源１１と光検出器１３を配置する焦点位
置は厳密なものではない。

【００３８】このように本実施例では、指に接触させる
透明体として回転楕円面を有する透明体１２を用いるこ
とにより、指の画像情報としての１次元信号を簡単な構
成で得ることができ、より確実且つ高速に信号を入力す
る指紋信号入力装置を実現することができる。

【００３９】図１１は、本発明の第３の実施例を示す概
略構成図であり、（ａ）は透明体に指を押し付けた様子
を側面から見た状態を示し、（ｂ）は指上方向から見た
状態を示している。第２の実施例と同様に本実施例にお
いても、透明体１２は回転楕円面で構成されている。但
し、指の方向が第２の実施例とは９０度異なっている。

【００４０】光源１１から出た光は、回転楕円面で構成
された透明体１２の表面で反射される。例えば、図１１
では光検出器１３として１次元センサを用いた例を示し
ており、光学素子１５は指長さ方向についてセンサ長に
適合するスポット径になるようにしている。その他の動
作については、第２の実施例と同様である。

【００４１】図１２は本発明の第４の実施例を示す概略
構成図であり、（ａ）は透明体に指を押し付けた様子を
側面から見た状態を示し、（ｂ）は指上方向から見た状
態を示している。

【００４２】本実施例においては、透明体１２は楕円柱
面で構成されている。光源１１からでた光は光学素子１
４によって図１２（ｂ）に示すように平行な光線とな
る。反射光は適当な光学素子１５を用いて光検出器１３
に集束される。また、光源１１として蛍光管のように直
線状の光源を用いてもよい。その他の動作については、
第２の実施例と同様である。

【００４３】図１３は本発明の第５の実施例を示す概略
構成図であり、（ａ）は透明体に指を押し付けた様子を
側面から見た状態を示し、（ｂ）は指上方向から見た状
態を示している。

【００４４】第４の実施例と同様に本実施例において
も、透明体１２は楕円柱面で構成されている。但し、指
の方向が第４の実施例とは９０度異なっている。光源１
１から出た光は、光学素子１４によって図１３（ｂ）に
示すように平行な光線となる。反射光は適当な光学素子
１５を用いて光検出器１３に集束される。その他の動作
については、第２の実施例と同様である

【００４５】このように第２〜第５の実施例によれば、
透明体１２の指押圧面を回転楕円面或いは楕円柱面で構
成することにより、指押圧面を回転させるなどの高価な
機構を導入することなく簡単な構成で指１７を透明体１
２に密着させ易くすることができ、低価格化、高性能化
が実現できる。また、可動部分がないため、機械的にも
光学的にも簡単な構成が実現でき、小型で可搬型の装置
も可能となる。

【００４６】なお、本発明は上述した各実施例に限定さ
れるものではない。実施例では、光源として半導体レー
ザを用いたが、ＬＥＤや白熱灯など必要に応じて用いる
ことができる。また、光検出器としてはＣＣＤイメージ
センサや撮像管を用いることができる。その他、本発明
の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施すること
ができる。

【００４７】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、第
１の光学系と第２の光学系の収差を積極的に利用し、一
方の光学系の集光点位置に光検出器を配置し、回折又は
干渉した像を検出することにより、収差を含む光学系を
用いても、指の画像情報から常に正確な個人認証を行う
ことのできる指紋信号入力装置を実現することが可能と
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施例に係わる指紋信号入力装置の概略
構成を示す図、

【図２】Ｘ軸方向の光線の集束の様子の一例を示す図、

【図３】Ｙ軸方向の光線の集束の様子の一例を示す図、

【図４】光検出器上のスポットパターンの一例を示す
図、

【図５】光検出器上のスポットパターンの他の例を示す
図、

【図６】光検出器上のスポットパターンの更に他の例を
示す図、

【図７】光検出器の出力信号の一例を示す図、

【図８】光検出器の出力信号の他の例を示す図、

【図９】光検出器の出力信号の更に他の例を示す図、

【図１０】第２の実施例に係わる指紋信号入力装置の概
略構成を示す図、

【図１１】第３の実施例に係わる指紋画像入力装置の概
略構成を示す図、

【図１２】第４の実施例に係わる指紋画像入力装置の概
略構成を示す図、

【図１３】第５の実施例に係わる指紋画像入力装置の概
略構成を示す図、

【図１４】従来の技術による指紋信号入力装置の概略構
成を示す図。

【符号の説明】

１…光源、 ２…透明体、 ３…光検出器、 ４…照射側の光学素子、 ５…検出側の第１の光学素子、 ６…検出側の第２の光学素子、 ７…指。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】指の表面を接触させる透明体と、指の表面
   と前記透明体の接触部分に光を照射する光源と、前記接
   触部分からの反射光，散乱光又は回析光を光軸と平行な
   第１の面上で集束させる第１の光学系と、前記接触部分
   からの反射光，散乱光又は回析光を光軸と平行で且つ第
   １の面と直交する第２の面上で集束させる第２の光学系
   と、第１及び第２の光学系による各々の集光点位置のう
   ち前記光源に近い方の集光点位置に配置され、指表面の
   凹凸による回析像又は干渉像を検出する光検出器とを具
   備してなることを特徴とする指紋信号入力装置。
2. 【請求項２】指の表面を接触させる透明体と、指の表面
   と前記透明体の接触部分に光を照射する光源と、前記接
   触部分からの反射光，散乱光又は回析光を光軸と平行な
   第１の面上で集束させる第１の光学系と、前記接触部分
   からの反射光，散乱光又は回析光を光軸と平行で且つ第
   １の面と直交する第２の面上で集束させる第２の光学系
   と、第１及び第２の光学系による各々の集光点位置のう
   ち前記光源に近い方の集光点位置よりも光源側に配置さ
   れ、指表面の凹凸による回析像又は干渉像を検出する光
   検出器とを具備してなることを特徴とする指紋信号入力
   装置。