CN1968649A - 基于皮下血流测定的个人认证方法及个人认证装置 - Google Patents
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Abstract
提供一种精确度高的个人认证方法及装置，利用因指纹的凹凸使皮下血流分布发生空间性改变的特性来抽出指纹图案并使用了该指纹图案。即，提供一种以测定皮下血流为特征的个人认证方法和具有执行该方法的各工序的单元的个人认证装置，该方法由如下工序构成：(1)将激光光束扩束而照射在指肚上，利用光学系统使从位于皮下的血管层反射的光在图像传感器上成像为激光散斑的工序；(2)算出表示激光散斑的各像素的受光量的时间变化速度的量，例如算出平均时间变化率或根据图像传感器的曝光时间积分的受光量的变化度的倒数，将该数值做成二维图得到指肚的血流分布图的工序；(3)将表现为血流分布图的指纹图案与预先登记的个人数据比较、判定的工序。
Description
技术领域
本发明涉及一种以测定皮下血流为特征的个人认证方法以及使用于该方法的装置。尤其是涉及一种根据指肚的血流分布图而抽出相当于指纹的图案、从而进行本人认证的方法及装置。
背景技术
至今为止，作为基于指纹的本人认证，取代早就存在的目视的方法而已经开发出利用激光等将图案作为图像输入到计算机中进行解析的各种各样的方法。针对检测指纹的传感器部分也提出了许多方法，还应用了将凸起部分和凹陷部分的散射角的差别与全反射条件组合起来而将指纹图案直接输入到图像传感器中的光学的方法、或者利用检测出在接触面上的电荷分布的差的半导体传感器来抽出图案的方法。另外，还提出了利用近红外线来抽出指尖或手掌的静脉图案而进行个人认证的方法，而且也在进行着产品化。然而，无论哪个方法都不是没有缺陷的，和伪造的斗争一直在持续着。
另一方面，当向生物体照射激光时，该反射散射光的强度分布因血球等的移动散射粒子而形成动态的激光散斑(无规则的斑点图案)。已知，在成像面上用图像传感器检测出该图案，将各像素上的图案的时间变化量化，表示为分布图，从而能够将生物体表面附近的毛细血管的血流分布图像化。并且，本发明人们提出了一些利用该现象来测定皮肤下面或眼底的血流分布图的技术或装置。然而，在这些文献中，关于将血流分布图和指纹图案结合起来用于个人认证的概念和方法、装置，并没有任何公开和启示。
专利文献1：JP特开平5-73666号公报
专利文献2：JP特开平8-16752号公报
专利文献3：JP特开2003-331268号公报
专利文献4：JP特公平5-28133号公报
专利文献5：JP特公平5-28134号公报
专利文献6：JP特开平4-242628号公报
专利文献7：JP特开平8-112262号公报
专利文献8：JP特开2003-164431号公报
专利文献9：JP特开2003-180641号公报
发明的公开
发明要解决的问题
因为与静脉图案相比，指纹图案形状更复杂，所以有能够构成更高准确度的个人认证方法的可能性，但是，若通过作出指纹的模型等来伪造与指肚一样的形状，就有被破解的危险。为了解决这个问题，一并使用某些生物体的信息很有效。在本发明中，在通过利用了激光散射的血流测定技术来测定指肚的血流分布时，利用因指纹的凹凸而使皮下血流分布发生空间改变的特性来抽出指纹图案，或者同时还抽出基于血流的脉动的信息，从而提供使用了这些信息的准确度高的个人认证方法和装置。
用于解决问题的手段
本发明的一个技术问题是通过以测定皮下血流为特征的个人认证方法和构成具有使用该方法的各工序的单元的个人认证装置而达成的，该方法由如下工序构成：(1)将激光光束扩束而照射在指肚上，利用光学系统使从位于皮下的血管层反射的光在图像传感器上成像为激光散斑的工序；(2)计算出表示激光散斑的各像素的受光量的时间变化速度的量，例如，计算出平均时间变化率或根据图像传感器的曝光时间积分的受光量的变化度的倒数，将该数值做成二维图而得到指肚的血流分布图的工序；(3)将表现为血流分布图的指纹图案与预先登记的个人数据进行比较、判定的工序。
本发明的另一个技术问题是通过以测定皮下血流为特征的个人认证方法和构成具有使用该方法的各工序的单元的个人认证装置而达成的，该方法由如下工序构成：(1)将激光光束扩束而照射在指肚上，利用光学系统使从位于皮下的血管层反射的光在图像传感器上成像为激光散斑的工序；(2)计算出表示激光散斑的各像素的受光量的时间变化速度的量，例如，计算出平均时间变化率或根据图像传感器的曝光时间积分的受光量的变化度的倒数，将该数值做成二维图而得到指肚的血流分布图的工序；(3)将表现为血流分布图的指纹图案与预先登记的个人数据进行比较、判定的工序；以及，(4)求出全体或某一区域内的平均血流随时间的变化，与预定的标准进行比较、判定的工序。
发明的效果
本发明的指纹传感检测技术用生物体固有的血流信息来绘制指纹图案，并且该图案利用与心跳同步的随时间变化的特性，从而这样将二维图案与时间轴结合在一起的图案非常难伪造。另外，还有在得到指纹图案之后可原样利用以往的指纹图案的比较方法和技术的优点。
附图的简单说明
图1是表示指肚的皮肤剖面的说明图。
图2是表示利用了血流分布图的本发明的实施方法的说明图。
附图标记的说明
1 角质层
2 皮下的血管层
3 角质层的凸起部分
4 角质层的凹陷部分
5 半导体激光器
6 照射光学系统
7 指肚
8 激光光斑
9 成像透镜
10 图像传感器
11 解析用个人计算机
12 显示器
13 相当于指纹的指肚的血流分布图
用于实施发明的最佳方式
在生物体信息中根据血流而得到的信息具有必须在本人活着的状态下操作传感器才能认证的特征。本发明通过利用了激光散射的血流测定技术来测定因指纹的凹凸而产生空间性改变的皮下血流，为了测定皮下血流，先将激光光束扩束照射在指肚上，利用光学系统使从位于皮下的血管层反射的光在图像传感器上成像为激光散斑。然后，利用图像传感器对激光散斑连续的扫描，计算出表示各像素的受光量的时间变化速度的量，例如，计算出平均时间变化率或根据图像传感器的曝光时间进行积分的受光量的变化度的倒数，将所得的数值作为二维图而得到指肚的血流分布图。接着，将作为血流分布图而表现的指纹图案与预先登记的个人数据进行比较、判定。在本发明的另一个实施方式中，除了以上的工序之外，还附加有求出在全体或某区域内的平均血流的随时间的变化而与预定的标准进行比较、判定的工序。在本发明中，按需要可以组入显示所得到的血流分布图或指纹图案的工序或显示的单元。
更具体地说明本发明，例如，将从半导体激光器等的小型的激光光源发出的光线通过光学系统进行扩束，而照射指肚的广大面积。使该照射光斑通过透镜而成像在CCD摄像机等的受光面上。对由CCD摄像机得到的图像信号进行A/D变换，并将其输入到个人计算机或微型电子计算机中，计算出表示各像素的受光量的时间变化的速度的量，例如，计算出平均时间变化率或根据图像传感器的曝光时间进行积分的受光量的变化度的倒数，从而做成血流分布图数据，在需要时可显示为分布图状。在如此表现的位于指肚的皮下的毛细血管的血流分布图中，由于因下面所说的作用和原理而指纹图案会浮现出来，从而将该数据与预先登记的个人数据比较，来进行个人认证。在本发明中，作为将表现为血流分布图的指纹图案与预先登记的个人数据进行比较、判定的方法或装置，不需要是特别的方法或装置，而可以使用以往所知的方法或装置。
在本发明中所得的血流分布图因为本来是根据生物体而得到的信息，所以只要是本发明的权利要求1的方法，就比现有的仅根据指纹图案来进行个人认证的方法或装置更难伪造。然而，在本发明的权利要求2的发明中，特征在于，因为作为(4)而还加上了求出全体或某一区域内的平均血流的随时间的变化而与预定的标准进行比较、判定的工序，所以更难以伪造。另外，例如，在采用波形作为某一区域内的平均血流的随时间的变化时，针对生物体预先制定特征性波形的标准，通过与其比较、判定，能够判定被检验者的生死。例如，在该标准中可以利用波形、振幅、周期等。
本发明的作用及现象可以理解如下。当将激光光束扩大而照射指肚，并使从位于皮下的血管层反射的光通过光学系统而成像在图像传感器上时，在像面上被皮肤组织或血球等散射的光互相干涉而产生无规则的斑点图案(激光散斑)。该斑点图案随着散射粒子的移动而时刻变化，该时间变化与粒子的速度、即血流速度成比例。利用该特性而计算出表示各像素的受光量的时间变化速度的量，例如，计算出平均时间变化率或根据图像传感器的曝光时间进行积分的受光量的变化度的倒数，通过将所得的数值表示为二维图，从而得到血流分布图。该数值与从激光入射到皮肤之后、到被内部的血球散射出皮肤的表面止所通过的光程内的散射粒子的平均速度成比例。因此，通过角质层等的血流少的部分越长，受光量的变化越少，其时间变化越慢。另外，因为血球的速度与心跳同步变化，所以每次扫描时读出的受光量的时间变化在心脏的收缩期时快，在心脏的扩张期慢。
用附图说明以上的关系。图1是指肚的皮肤的剖面图，1是角质层，2是皮下的血管组织，3是角质层的凸起部分，4是角质层的凹陷部分。组织的指纹是将角质层表面的细小的凸起部分和凸起部分、或者凹陷部分和凹陷部分连起来而作为图案进行观察的指纹。因为该凹凸的凸起部分3的角质层厚，所以血流的时间变化率表示得低，相反反映在凹陷部分正下面的快的血流，血流的时间变化率表示得高。利用该特性可得到指纹图案，而且血流的时间变化率会与心跳同步的周期性变化。
本发明具有这样的优点：因为检测出激光散射光的时间变化成分来解析血流值，即使照在指肚的窗状部分稍微脏一些，也对散射光的变化成分没有大的影响，而能够抽出血流分布图。
根据本发明，能够提供用于执行由上述的各工序构成的个人认证方法的装置。本发明的个人认证装置的特征在于，具有以下单元：照射单元，其将激光光束扩束而照射在指肚上；受光单元，其具有多个像素，接受来自指肚的反射光；存储单元，其存储通过该受光单元而得到的上述各像素的输出；计算单元，其根据该存储单元的存储内容而计算表示上述各像素的受光量的时间变化的速度的量；第二存储单元，其将上述各像素中而得到的计算结果的二维分布作为指纹图案进行存储；将存储在该第二存储单元中的指纹图案与预先登记的个人数据进行比较、判定的单元。另外，本发明的个人认证装置的特征在于，在该装置的基础上，还具有计算出在全体或某一区域内的平均血流的随时间的变化并和预定的标准进行比较、判定的单元。
作为照射单元，例如将从半导体激光器发射出的光通过透镜进行扩束，而一次照射指肚的广大区域。作为受光单元，可使用线传感器或面传感器等的图像传感器。来自传感器的电信号被进行A/D变换之后，被存储在个人计算机或微型电子计算机的存储部中。连续数秒种将图像信号存储到存储单元中，通过预先在个人计算机或微型电子计算机设定的程序，求出连续的两帧图像的差异，计算受光量的时间变化的速度。或者计算出图像的闪烁率，即利用当在图像传感器的曝光时间内光量高速地变化时信号被积分而相反两帧图像的差异会减少的特性，来计算受光量的时间变化的速度。计算的结果也可以按各像素的配置而在个人计算机的画面上显示为二维彩色分布图。作为将所计算的值或在显示单元显示的指纹图案与预先登记的个人的指纹图案进行比较、判定的单元，可以用现有的各种单元。另外，针对指肚的某一区域求出平均的血流值在数秒种内随时间的变化，例如，可以将该血流变化的波形、振幅、周期等作为比较、判定的标准来使用。
实施例
图2是本发明的装置的一个例子，5是半导体激光器，6是照射光学系统，7是指肚，8是激光光斑，9是成像透镜，10是图像传感器，11是解析用个人计算机，12是显示器，13是相当于指纹的血流分布图。
从指肚散射出的激光在图像传感器上形成无规则的干涉条纹图案(激光散斑)，该图案会根据血流而时刻变化，越是角质层薄的部分，变化越快。当将血流变化快的部分连接起来时，等于将指纹的凹陷部分连接起来，从而能够得到指纹图案。如图12的13所示，能够在显示器12上观察抽出指纹的结果。
如上所述，从血流分布图抽出指纹图案，用公知的方法或装置将其与预先登记的个人数据进行比较，从而能够高精度地确认是否是本人。另外，在观察范围内的血流的时间变化率会与心跳同步进行时间变化，其振幅或波形也能够在显示器上观察。如上所述，本发明的特征在于：从血流分布图抽出指纹图案，与预先登记的个人数据进行比较，能够高精度地确认是否是本人，同时也抽出血流的时间变化率的波形等，与预定的标准进行比较，从而能够判定生死。
工业上的可利用性
本发明的个人认证方法，因为将复杂的指纹图案与生物体信息结合在一起，所以很难伪造。有效地利用这个优点，能够用于需要高度的安全管理的设施的出入室监视或出入境管理等。
权利要求书
(按照条约第19条的修改)基于19条(1)的规定的声明
修改后的权利要求3、4都将原来的“…来自指肚的反射光…”修改为“…来自指肚的皮下血管层的反射光…”。根据说明书第2页第15行～第3页第2行记载的内容可知，用于执行权利要求1、2的个人认证方法的装置分别与权利要求3和4对应而被记载的。而且，本发明是“将激光光束扩束而照射在指肚上，利用光学系统使从位于皮下的血管层反射的光在图像传感器上成像为激光散斑”的发明，所以权利要求3和4的装置的受光单元当然接受的是“从位于皮下的血管层反射的光”。
权利要求3和4就是为了明确这点而做出了修改。
在意见书中认为，在文献1～3中都没有记载或提示这样的结构，即“使从血管层反射的光”在“图像传感器上成像为激光散斑”从而“得到指肚的血流分布图”，而认为权利要求1、2具备新颖性、创造性。由此根据同样的理由，应当认为修改后的权利要求3和4也具备新颖性、创造性。
1.一种以测定皮下血流为特征的个人认证方法，其特征在于，由以下工序构成：
(1)将激光光束扩束而照射在指肚上，利用光学系统使从位于皮下的血管层反射的光在图像传感器上成像为激光散斑的工序；
(2)计算出表示激光散斑的各像素的受光量的时间变化速度的量，使该数值成为二维图而得到指肚的血流分布图的工序；
(3)将表现为血流分布图的指纹图案与预先登记的个人数据进行比较、判定的工序。
2.一种以测定皮下血流为特征的个人认证方法，其特征在于，由以下工序构成：
(1)将激光光束扩束而照射在指肚上，利用光学系统使从位于皮下的血管层反射的光在图像传感器上成像为激光散斑的工序；
(2)计算出表示激光散斑的各像素的受光量的时间变化速度的量，使该数值成为二维图而得到指肚的血流分布图的工序；
(3)将表现为血流分布图的指纹图案与预先登记的个人数据进行比较、判定的工序；以及，
(4)求出全体或某一区域内的平均血流随时间的变化，并与预定的标准进行比较、判定的工序。
3.(修改后)一种个人认证装置，其特征在于，具有：照射单元，其将激光光束扩束而照射在指肚上；受光单元，其具有多个像素，接受来自指肚的皮下血管层的反射光；存储单元，其存储通过该受光单元而得到的上述各像素的输出；计算单元，其根据该存储单元的存储内容而计算表示上述各像素的受光量的时间变化速度的量；第二存储单元，其将在上述各像素中得到的计算结果的二维分布作为指纹图案进行存储；将存储在该第二存储单元中的指纹图案与预先登记的个人数据进行比较、判定的单元。
4.(修改后)一种个人认证装置，其特征在于，具有：照射单元，其将激光光束扩束而照射在指肚上；受光单元，其具有多个像素，接受来自指肚的皮下血管层的反射光；存储单元，其存储通过该受光单元而得到的上述各像素的输出；计算单元，其根据该存储单元的存储内容而计算表示上述各像素的受光量的时间变化速度的量；第二存储单元，其将在上述各像素中得到的计算结果的二维分布作为指纹图案进行存储；将存储在该第二存储单元中的指纹图案与预先登记的个人数据进行比较、判定的单元；以及，计算出全体或某一区域内的平均血流随时间的变化并与预定的标准进行比较、判定的单元。
Claims (4)
1.一种以测定皮下血流为特征的个人认证方法，其特征在于，由以下工序构成：
(1)将激光光束扩束而照射在指肚上，利用光学系统使从位于皮下的血管层反射的光在图像传感器上成像为激光散斑的工序；
(2)计算出表示激光散斑的各像素的受光量的时间变化速度的量，使该数值成为二维图而得到指肚的血流分布图的工序；
(3)将表现为血流分布图的指纹图案与预先登记的个人数据进行比较、判定的工序。
2.一种以测定皮下血流为特征的个人认证方法，其特征在于，由以下工序构成：
(1)将激光光束扩束而照射在指肚上，利用光学系统使从位于皮下的血管层反射的光在图像传感器上成像为激光散斑的工序；
(2)计算出表示激光散斑的各像素的受光量的时间变化速度的量，使该数值成为二维图而得到指肚的血流分布图的工序；
(3)将表现为血流分布图的指纹图案与预先登记的个人数据进行比较、判定的工序；以及，
(4)求出全体或某一区域内的平均血流随时间的变化，并与预定的标准进行比较、判定的工序。
3.一种个人认证装置，其特征在于，具有：照射单元，其将激光光束扩束而照射在指肚上；受光单元，其具有多个像素，接受来自指肚的反射光；存储单元，其存储通过该受光单元而得到的上述各像素的输出；计算单元，其根据该存储单元的存储内容而计算表示上述各像素的受光量的时间变化速度的量；第二存储单元，其将在上述各像素中得到的计算结果的二维分布作为指纹图案进行存储；将存储在该第二存储单元中的指纹图案与预先登记的个人数据进行比较、判定的单元。
4.一种个人认证装置，其特征在于，具有：照射单元，其将激光光束扩束而照射在指肚上；受光单元，其具有多个像素，接受来自指肚的反射光；存储单元，其存储通过该受光单元而得到的上述各像素的输出；计算单元，其根据该存储单元的存储内容而计算表示上述各像素的受光量的时间变化速度的量；第二存储单元，其将在上述各像素中得到的计算结果的二维分布作为指纹图案进行存储；将存储在该第二存储单元中的指纹图案与预先登记的个人数据进行比较、判定的单元；以及，计算出全体或某一区域内的平均血流随时间的变化并与预定的标准进行比较、判定的单元。
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