CN1308887C - 指纹读取装置以及个人认证系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种指纹读取装置以及个人认证系统。能够减小指纹图像上的因光照射装置的光量分布所带来的影响，以取得改善了对比度的优质的指纹图像。设置有被配置在预定区域并对手指照射光的光照射装置(10)；和对因该光照射装置(10)所照射的光而自手指内部散射出的散射光进行感光，并对手指的指纹图像进行摄像的固体摄像元件(1a)。以固体摄像元件(1a)的至少大于等于有效读取长度(L)的长度来配置光照射装置(10)。

Description

指纹读取装置以及个人认证系统

技术领域

本发明涉及一种将光照射在手指上以拍摄手指的指纹图像的指纹读取装置以及包括该指纹读取装置的个人认证系统。

背景技术

近年来，由于信息技术的显著进步，电子商务等经济活动得以普及，随之，基于防止信息的不正当使用的目的，越来越有必要实现个人认证的电子化。作为这种个人认证的电子化的方法，过去较多使用对指纹进行图像输入的方法，例如，在日本专利特开2000-11142号中公开了一种利用了全反射棱镜的指纹读取装置。但是其形状较大，另外还有不能判别用树脂等进行了仿照的假冒指纹等难点。

作为改善了上述问题的小型化而且可靠性高的指纹读取装置，有下述所公开的指纹读取装置。在日本专利特开2000-217803号中提出了这样一种方法，即：使手指接触被二维状地配置的固体摄像元件的表面附近，对手指照射近红外光线，并对来自指尖内部的散射光进行感光。在日本专利特开平10-289304号中公开了一种在被二维状地配置的固体摄像元件与手指之间设置了由LED和导光板构成的光照射装置的结构。但是，如果采用这种方式，则不能有效地利用来自LED的光。

沿用图12来说明日本专利特开2000-217803号中所公开的方法。

在图12所示的指纹读取装置中，在固体摄像元件基板1的表面上形成以预定间隔p被二维状地配置的固体摄像元件1a，借助于透明的密封材料41在其上密封固定盖玻璃50。该固体摄像元件基板1被固定在配线基板3上，且借助于导线21与配线基板3上的配线3a电连接。此外，发出照明用的红外线或近红外线的LED芯片10也被固定在配线基板3上，且借助于导线12连接到配线基板3上的配线3a，由密封树脂11进行保护。

从该LED芯片10照射的光线10a入射到手指20，在其内部扩散后经由手指20的指纹20a成为散射光10b后入射到盖玻璃50。该入射光通过盖玻璃50到达固体摄像元件1a，在此进行光电变换，由此得到指纹图像的电信号。

盖玻璃50，其目的在于防止手指20等接触固体摄像元件1a以保护其不被电、机械性破坏，同时，还必须具有用于除去指纹图像以外的外界散射光的光学滤光片的功能。但是，为了得到鲜明的指纹图像而要求盖玻璃50的厚度t极薄，为避免之必须使用诸如纤维光学面板(FOP)等的高价材料。

另一方面，作为实现低成本、小型化的技术，还提出了这样的扫描型装置，即：使指尖和固体摄像元件的位置相对移动，通过对该移动的指尖的连续的部分进行图像合成而获得指尖整体的图像(例如，日本专利特开2002-216116号、特开2002-133402号、特开平10-222641号等)。在日本专利特开平10-222641号的图2中，公开了线性图像传感器和与线性图像传感器大致等宽的线状光源及光纤在上下方向进行了重叠的结构。但是，在这种结构中，由于在厚度方向上变得较大故难以实现装置整体的小型化。但是根据这种技术，此前需要手指大小程度的面积的二维配置的固体摄像元件仅用手指的宽度即可，所以固体摄像元件和纤维光学面板等就变得廉价。另外，还具有能够实现指尖移动方向的小型化等优点。在上述光学方式之外，在前述扫描型装置中，已知有静电电容方式、热敏方式等方法。

在图12所示的结构的指纹读取装置中，即使在手指与固体摄像元件部紧密接触的状态下，光照射装置(LED芯片10)也不与手指紧密接触而存在着空间。因此，由光照射装置(LED芯片10)照明的光线在入射到手指之前的空间中，在由各LED芯片10所发出的照明光线入射到手指内部以前进行扩散，各自的强度分布的差异就得以减小。进而，由于在手指内部也进行散射故在固体摄像元件1a的附近光量分布容易进行改善。

另一方面，在光学方式的扫描型指纹读取装置中，为了实现作为扫描型的特征的小型化，通过使固体摄像元件1a和光照射装置(LED芯片10)靠近进行排列，使指纹读取装置整体的形状小型化。进而，该小型化并不限于使指纹读取装置的输入面的面积减小，对指纹读取装置整体的厚度也提出要求。因此，采取在手指与固体摄像元件紧密接触的状态下同时使光照射装置也与手指接近的结构。在此，将这种指纹读取装置称作邻近光学式扫描型指纹读取装置。这样，邻近光学式扫描型指纹读取装置为了实现小型化，就成为将光照射装置靠近固体摄像元件进行配置，进而对手指也进行了靠近的状态。

但是，在上述现有技术例的使用了二维的固体摄像元件的指纹读取装置中，与固体摄像元件1a隔开距离来配置光照射装置(LED芯片10)，由此，使来自各LED芯片10的照明光相加而得到大致均匀的照明。然而，在诸如扫描型那样实现了小型、低成本的指纹读取装置中，由于光照射装置被配置在固体摄像元件的附近，所以来自各LED芯片10的照明光直接到达固体摄像元件的比例就会增大。因此，在指纹读取装置中所获得的指纹图像就会严重受到由照明光的光量分布所带来的影响。

在此，说明邻近光学式扫描型指纹读取装置中的输入指纹图像与照明光的光量分布的关系。

在邻近光学式的扫描型指纹读取装置中，由配置于主扫描方向上的光照射装置引起的光量的分布，对固体摄像元件1a的主扫描方向上的指纹图像造成影响。如图13所示，在由固体摄像元件的输出观察主扫描方向的指纹图像时，在光照射装置的光量上没有分布，另外，当指纹图像的指纹棱线部与指纹凹陷部的输入信号的信号比(对比率)取得较大时，就能够由来自指纹读取装置的输入信号构成鲜明的指纹图像。

此外，如图14所示，当在固体摄像元件的输出上存在充分的对比度时，即使在具有由光照射装置的引起的光量分布的情况下，也能够在固体摄像元件的动态范围(dynamic range)之范围内通过复位调节或增益调节来输入良好的指纹图像。

另一方面，实际的指纹，指尖状态存在较大的个人差别，指纹纹路本身较浅、指纹棱线部与指纹凹陷部之间无高低差的平坦的指纹，或者诸如干燥性手指等的指纹棱线部与指纹凹陷部的光学反射率等之差减少而难以产生光量差的指纹的被检者也存在许多。因此，如图15所示，向固体摄像元件的光学对比率与图13等相比较就变小。进而，在作为保护层30仅仅设置薄膜滤光片层的情况下，由于照明光线向固体摄像元件1a的入射增加，所以有时也会存在因指纹纹路引起的阴影差变小的情形。

在上述情况下，若由光照射装置的引起的光量分布在固体摄像元件的主扫描方向上进行变化，则成为图15所示那样的固体摄像元件的输出。如图15所示当在输入图像上对比度降低，进而，在输入信号整体上合成由光照射装置引起的光量变化，则难以根据输入信号来改善对比度以获得鲜明的指纹图像。

进而，在邻近光学式的扫描型指纹读取装置中，由于是通过使指尖相对于固体摄像元件进行移动来读取指尖的整体指纹图像的装置，所以，分别将所拍摄的指尖的部分指纹图像结合以形成1张指尖整体的指纹图像。并且，为了使部分指纹图像结合，各个部分图像必须是鲜明的图像信息，若在部分图像中出现欠缺就不能构成整体图像。

发明内容

本发明就是为了解决上述问题而完成的，目的在于能够使指纹图像上的因光照射装置的光量分布所带来的影响减小，以取得对比度得到了改善的优质的指纹图像。

本发明的技术方案提供一种指纹读取装置，具有被配置在预定区域并对手指照射光的光照射装置和对因上述光照射装置所照射的光而自手指内部散射出的散射光进行感光，以对手指的指纹图像进行拍摄的摄像装置，上述光照射装置和上述摄像装置并列进行设置，其中：上述光照射装置，由沿上述摄像装置的摄像区域的至少主扫描方向形成的多个光源构成，并在遍及大于或等于上述摄像装置的主扫描方向的有效读取长度的长度上进行配置。

另外，本发明的指纹读取装置的其他方面为，使手指与上述摄像装置的位置相对移动来读取上述指纹图像。

另外，本发明的指纹读取装置的其他方面为，上述光照射装置照射红外光和近红外光中的至少某一种。

另外，本发明的指纹读取装置的其他方面为，上述光照射装置中的上述各光源的光输出的差异在20％以内。

另外，本发明的指纹读取装置的其他方面为，上述多个光源以大致相等的间隔来进行设置。

另外，本发明的指纹读取装置的其他方面为，上述光照射装置，相对于上述摄像装置被设置在对手指进行扫描的方向上的上述摄像装置的一方或双方。

另外，本发明的指纹读取装置的其他方面为，具有：固体摄像元件基板，配置了构成上述摄像装置的多个固体摄像元件；以及配线基板，配置了上述固体摄像元件基板和上述光照射装置。

另外，本发明的指纹读取装置的其他方面为，在上述固体摄像元件基板的指尖所接触的面上，配置有硅基板作为保护部件。

另外，本发明的指纹读取装置的其他方面为，上述硅基板的厚度为大于等于30μm小于等于200μm。

本发明的技术方案还提供一种个人认证系统，包括：上述指纹读取装置；指纹登录装置，用于预先登录要进行个人认证的对象者的指纹图像；指纹核对装置，用于核对由上述指纹读取装置读取的指纹图像与被登录在上述指纹登录装置中的指纹图像是否一致，并将该核对结果作为个人认证信号进行输出。

根据本发明，由多个LED等构成的光照射装置与摄像装置并列进行设置，沿摄像装置的摄像区域的至少主扫描方向并遍及大于或等于主扫描方向的有效读取长度的长度来配置该光照射装置，由此，就能够兼顾指纹读取装置整体的小型化且使指纹图像上的因光照射装置的光量分布所带来的影响减小。因此，就能够得到对比度得到改善了的优质的指纹图像。

附图说明

图1是表示本发明的第1实施方式的指纹读取装置的概略剖面图。

图2是表示本发明的第1实施方式的指纹读取装置的斜视图。

图3是表示固体摄像元件的水平方向位置上的光强度的特性图。

图4是表示使光照射装置在副扫描方向上从固体摄像元件离开大约2.5mm时的光强度的特性图。

图5是表示将光照射装置的长度设置得比固体摄像元件的有效读取长度还短时的光强度的特性图。

图6是表示将光照射装置的长度设置得比固体摄像元件的有效读取长度还长时的光强度的特性图。

图7是表示本发明的第2实施方式的指纹读取装置的概略剖面图。

图8是表示本发明的第2实施方式的指纹读取装置的斜视图。

图9是本发明的第3实施方式的个人认证系统的概略结构图。

图10是构成第3实施方式的个人认证系统的指纹读取装置的概略结构图。

图11是示意地表示本发明的指纹读取装置的指纹图像的固体摄像元件输出的图。

图12表示现有技术例，为指纹读取装置的概略结构图。

图13是示意地表示指纹读取装置的指纹图像的固体摄像元件输出的图。

图14是示意地表示指纹读取装置的指纹图像的固体摄像元件输出的图。

图15是示意地表示指纹读取装置的指纹图像的固体摄像元件输出的图。

具体实施方式

以下，参照附图说明本发明的指纹读取装置和个人认证系统的实施方式。

[实施方式1]

图1是表示本发明的第1实施方式的指纹读取装置的概略剖面图。图2是表示本发明的第1实施方式的指纹读取装置的斜视图。

在图1、图2所示的指纹读取装置中，在配线基板3上设置有固体摄像元件基板1和LED芯片10。在固体摄像元件基板1上搭载多个被线状地配置的固体摄像元件1a。LED芯片10具有作为发出红外光和近红外光中的至少一种的光照射装置的LED。

固体摄像元件基板1，如图2所示，被配置在其长边方向的端部的电极部通过导线21电连接到配线基板3上的配线3a。同样地，LED芯片的电极部也通过导线21电连接到配线基板3上的配线3a。在固体摄像元件基板1上，在手指20所接触的读取面上配置有保护层30。作为保护层30的材料，可以使用玻璃、SiO₂薄膜、SiON薄膜、纤维光学面板等。由透射红外光/近红外光的粘结剂将之粘结在固体摄像元件基板1的固体摄像元件1a上。

为了实现更低的价格、读取精细的图像，保护层30必须满足下述各项。

1.在考虑到向邻接的固体摄像元件的光的漏入(串扰：crosstalk)的情况下为了抑制从入射到出射之间的光的扩展折射率应较大；

2.为了得到鲜明的图像应不进入照明光以外的多余光；

3.应具有耐擦伤性、耐气候性；

4.应价格低廉；

5.应容易加工；

6.在考虑到翘起、变形的情况下线膨胀系数应接近于固体摄像元件1。

作为充分满足了上述条件的保护层，硅基板是特别适合的。硅基板通过背研(back grind)或背面研削(back lapping)可以加工成所需的厚度。另外，由于使红外、近红外光透过并截止可见光，所以能够截止外界光等多余光。由于折射率也是3.4左右，所以即使与玻璃相比较为1.5～2倍的厚度，也能获得同等的分辨率。在将硅基板用作保护层30时，可使用30μm～200μm厚度的硅基板，特别是70μm～150μm厚度的硅基板为优选。

进而，如图2所示，固体摄像元件1a，主扫描方向(水平方向)的有效读取长度L形成为15mm。此外，作为光照射装置的LED列由5个LED芯片10所构成，在大于等于固体摄像元件的有效读取长度的范围内配置该LED列。

在此，在本实施方式的指纹读取装置中，研究了固体摄像元件1a的主扫描方向(水平方向)上的光照射装置的光量分布。图3是表示固体摄像元件1a的水平方向上的光强度的特性图。在图3中，实线60是作为光照射装置的LED列接近手指的状态下的光强度。另外，作为参考，虚线61表示离开手指1mm设置了光照射装置时的光强度。进而，固体摄像元件1a的有效读取长度为63所示的长度。不言而喻在假定固体摄像元件1a在其最外侧OB像素或具有不读出图像的伪像素(dummy pixel)等时，它们并不考虑在上述有效读取长度中。被用作光照射装置的LED芯片10的设置位置，在图表的下部由四边形62来表示。

图3所示的特性图表示当固体摄像元件1a与光照射装置的副扫描方向(垂直方向)距离约为1.5mm时的光强度。实线60所示的特性，由于使得手指与光照射装置紧密接触，所以，固体摄像元件1a和光照射装置的各光源62之间的光线扩散不能充分地行进而使固体摄像元件1a上的光强度的分布较大不变。此外，通过使光照射装置从与手指之间紧密接触的状态离开进行设置，就可以改善光强度的变化。但是，该光强度相对于使光照射装置与手指紧密接触时将降低到约三分之一。

另一方面，图4是表示使光照射装置在副扫描方向(垂直方向)上离开固体摄像元件1a约2.5mm时的光强度的特性图。由图4可知，在此情况下即使在光照射装置与手指紧密接触的状态下，也能够在固体摄像元件1a的有效读取长度63上获得充分均匀的光强度。

进而，图5是表示将光照射装置的范围设置得比固体摄像元件1a的有效读取长度63还短时的光强度的特性图。由图5可知，固体摄像元件1a的有效读取长度63内的光强度在有效读取长度63的两端部被观察到衰减，而不能获得充分的光强度的均匀性。另外，图6是表示使光照射装置在副扫描方向(垂直方向)上离开固体摄像元件1a约2.5mm，并将光照射装置进行配置的长度设置得比固体摄像元件1a的有效读取长度63还长时的光强度的特性图。由图6也可知，在该情况下，能够在固体摄像元件1a的有效读取长度63内获得充分的光强度的均匀性。

在扫描型的邻近光学式指纹读取装置中，在本实施方式的情况下，若固体摄像元件1a与光照射装置的LED列的副扫描方向(垂直方向)上的距离，考虑到小型化而设定成约1.6mm～约3.0mm的范围、进而优选的是设定成约2.0mm～约2.5mm的范围，则能够降低对LED光源中的固体摄像元件1a的光强度的分布的影响。

优选的是，被用于作为光照射装置的LED列的各LED芯片10其光输出一致。但是在实际的LED芯片中，即使在相同的输入电流中光输出也具有差异。本实施方式中的照明光的均匀性，一般而言，若考虑到对其输出图像所要求的指纹读取装置的识别率的影响则作为光量分布优选为20％左右，并且，在要求精度的情况下则需要为15％以内。为了维持这样的照明光的均匀性，各LED芯片10的光输出的波动也在约20％以内为优选。进而，优选的是，相对于固体摄像元件1a的有效读取长度L以等间隔来排列LED芯片10，但只要大致相同即可。

因此，根据本实施方式，通过在大于或等于固体摄像元件1a的有效读取长度L的范围内配置LED芯片10的LED列，就能够减少指纹读取装置的输入指纹图像中的由光照射装置的光量分布所带来的影响。此外，通过将硅基板用作薄膜滤光片，就能够得到成本低廉且对比度得以改善的优质的指纹图像。

[实施方式2]

图7是本发明的第2实施方式的指纹读取装置的概略剖面图。另外，图8是本发明的第2实施方式的指纹读取装置的斜视图。

图7、图8所示的第2实施方式的指纹读取装置具有和第1实施方式的指纹读取装置(参照图1和图2)同样的整体结构，但是进一步在固体摄像元件1a的副扫描方向(垂直方向)的上下两方形成了构成光照射装置的LED列。即，本实施方式的LED列，如图8所示，与第1实施方式同样地将LED芯片10配置在配线基板3上，其电极部通过导线12与配线基板3的配线部电连接而形成，同时还进一步相对于固体摄像元件1a的副扫描方向在其上方形成有由LED芯片13所构成的第2LED列。构成上述第2LED列的LED芯片13，按与第1LED列相同的LED个数、以芯片间隔设置在配线基板3上。

因此，根据本实施方式，在第1实施方式的效果之外，还能够进一步减小固体摄像元件1a的副扫描方向上的光量变化。

在扫描型指纹读取装置中，并非是输入手指整体的图像，而是必须取入被扫描的手指的部分图像，并根据各图像的特征点进行指纹图像的再构成。因此，用于图像再构成的部分图像的连续性就变得重要。实际上，固体摄像元件1a的副扫描方向的光量变化就变得重要。在用于图像再构成的部分图像中，副扫描方向的光量变化会损害所取得的部分图像的连续性。因此，在第2实施方式的指纹读取装置中，由于在从固体摄像元件1a输入的指纹图像的部分图像中易于确保连续性，所以，就不会发生在对指纹整体图像进行再构成时的图像欠缺而进一步提高再构成图像的精度，由此，在使用了本实施方式的指纹读取装置的指纹认证系统中就能够使识别率提高。

[实施方式3]

接着，参照图9和图10说明包括上述指纹读取装置的个人认证系统的实施方式。

图9是本发明的第3实施方式的个人认证系统的概略结构图。此外，图10是构成第3实施方式的个人认证系统的指纹读取装置100的概略结构图。

图9所示的个人认证系统具有指纹读取装置100和连接在该指纹读取装置100上并进行指纹核对的指纹核对装置200，其中，该指纹读取装置100具有：由固体摄像元件1a构成的摄像部101，其外围电路部102以及搭载于LED芯片10上的LED103。

外围电路部102，例如形成在固体摄像元件基板1上，如图10所示，包括下述结构而构成，即：控制电路(驱动电路)1021，用于控制固体摄像元件101的动作；A/D变换器1023，通过箝位电路1022将与摄像部101所输出的关于手指的指纹的图像相应的模拟摄像信号从模拟信号变换为数字信号；通信控制电路1024，用于将由A/D变换器1023所变换的数字信号作为指纹的图像信号对外部的装置(接口等)进行数据通信；与通信控制电路1024连接的寄存器1025；LED控制电路1026，控制LED103的LED的发光；以及定时发生器1028，根据从外部的振荡器1027供给的基准脉冲，产生用于控制上述电路1021～1026的动作定时的控制脉冲。此外围电路部102所包括的电路并不限于上述情况也可以包括其他种类的电路。此外，也可以将上述电路的一部分构成为另外的芯片。

指纹核对装置200，具有：用于输入由外围电路部102的通信控制部1024输出的通信数据输入接口111；与该输入接口111连接的图像处理部(指纹核对单元)112；与该图像处理部112连接的指纹图像数据库(指纹登录单元)113以及输出接口114。由于在使用或登录等时要确保安全等，所以输出接口114被连接到需要进行个人认证的电子设备(也包括软件)。

图像处理部112，通过输入接口113输入由指纹读取装置100读取的指纹图像，并根据已知的指纹核对用图像处理算法来核对是否与指纹图像数据库113的登录图像一致，然后，通过输出接口114将其核对结果(指纹一致或不一致)作为个人认证信号进行输出。

此外，虽然在本实施方式中，将指纹读取装置100和指纹核对装置200用不同的设备进行了构成。但是本发明并不限于此，也可以根据需要将指纹核对装置200的至少一部分功能一体地构成在指纹读取装置100的外围电路部102内。另外，本实施方式的个人认证系统，既可以一体地组装在需要个人认证的电子设备内来进行构成，也可以独立于电子设备单体进行构成。

根据本发明的本实施方式，相对于固体摄像元件1a的有效读取长度将光照射装置配置至与该读取长度的两端相同的位置或者其外侧的位置，由此改善固体摄像元件1a的照明光量分布就变得容易，就能够如图11所示那样利用光照射装置得到均匀的光量。因此，从固体摄像元件1a的输出仅扩大根据指纹纹路的输出的变化部分，由此就能够改善对比度并输入良好的指纹图像。

Claims (10)

1.一种扫描型指纹读取装置，具有被配置在预定区域并对手指照射光的光照射装置；和对因上述光照射装置所照射的光而自手指内部散射出的散射光进行感光以拍摄手指的指纹图像的、具备多个摄像元件的摄像装置，使该手指与上述摄像装置的位置相对移动以读取上述指纹图像，其特征在于：

上述光照射装置和上述摄像装置被并列设置，上述光照射装置，由沿上述摄像装置的摄像区域的至少主扫描方向所形成的多个光源组成，并遍及大于等于上述摄像装置的主扫描方向的有效读取长度的长度配置。

2.根据权利要求1所述的扫描型指纹读取装置，其特征在于：

上述摄像元件和上述光照射装置的副扫描方向上的距离，相对于上述摄像装置的主扫描方向的有效读取长度为11％～20％的范围。

3.根据权利要求1所述的扫描型指纹读取装置，其特征在于：

上述光照射装置照射红外光和近红外光之中的至少某一种。

4.根据权利要求1所述的扫描型指纹读取装置，其特征在于：

上述光照射装置中的上述各光源的光输出的差异为20％以内。

5.根据权利要求4所述的扫描型指纹读取装置，其特征在于：

上述多个光源以相等的间隔来设置。

6.根据权利要求1所述的扫描型指纹读取装置，其特征在于：

上述光照射装置，相对于上述摄像装置被设置在对手指进行扫描的方向的上述摄像装置的一方或双方。

7.根据权利要求1所述的扫描型指纹读取装置，其特征在于，具有：

固体摄像元件基板，配置了构成上述摄像装置的多个固体摄像元件；以及

配线基板，配置了上述固体摄像元件基板和上述光照射装置。

8.根据权利要求7所述的扫描型指纹读取装置，其特征在于：

在上述固体摄像元件基板的手指尖所接触的面上，配置有硅基板作为保护部件。

9.根据权利要求8所述的扫描型指纹读取装置，其特征在于：

上述硅基板的厚度为大于等于30μm小于等于200μm。

10.一种个人认证系统，其特征在于，包括：

权利要求1所述的扫描型指纹读取装置；

指纹登录装置，预先登录待进行个人认证的对象者的指纹图像；

指纹核对装置，核对由上述扫描型指纹读取装置所读取的指纹图像与在上述指纹登录装置中所登录的指纹图像是否一致，并将核对结果作为个人认证信号进行输出。

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