JP2000259816A - パターン検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 検出面と結像レンズと撮像素子との位置関係
において、検出面からの光が結像レンズ中心部を光軸に
沿って通過し、この光により形成された像面に撮像面を
一致させるように検出面と撮像面がハの字状に互いに傾
いた配置とすることで、セキュリティシステムの本人確
認手段として用い得る高解像度のパターン検出装置を得
る。 【構成】 光源１、指先４が当接される検出面３を有す
る三角プリズム２、結像レンズ５、撮像素子６からなる
指紋検出装置であり、結像レンズ５は三角プリズム２か
ら射出される、検出面３で全反射された光の進む方向に
その光軸の方向を一致させるように配置され、かつ、撮
像素子６は結像レンズ５により形成された指紋の像の像
面と一致するように撮像面７を傾けて配置される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はパターン検出装置に
係り、特に指紋検出装置、例えばセキュリティシステム
の本人確認手段として用い得る指紋検出装置に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】近年、例えば特定の部屋への入室やキャ
ッシュディスペンサ等の端末機を利用する時に、指紋に
よって本人確認を行なうセキュリティシステムが知られ
ている。

【０００３】このような指紋、すなわち指の隆線部と谷
線部からなる凹凸パターンを検出する装置としては、従
来より、例えば特開平５−101168号公報や特開平５-216
981号公報記載のものがある。

【０００４】ここで、図４を用いて従来の指紋検出装置
の概要を説明する。

【０００５】この指紋検出装置において検出面３は三角
プリズム２の斜平面２ｂにある。光源１からの光は、側
面２ａから三角プリズム２に入射し、検出面３に当接さ
れた指先４の谷線部（非接触部）において全反射され、
隆線部（接触部）においては屈折率の関係で全反射条件
が崩れて光が散乱する。このように反射された光のう
ち、底面２ｃを通って三角プリズム２を離れ、結像レン
ズ５を通してビデオカメラ（図示せず）内の撮像素子６
に照射された光により指紋画像が得られる。この指紋検
出装置により得られる指紋画像は、谷線部からの反射光
と比較して隆線部からの反射光の光量が少なくなるた
め、谷線部が白色、隆線部がグレーとなって表れる。

【０００６】上記特開平５−101168号公報に開示された
指紋検出装置はほぼこのような構成となっている。

【０００７】また、上記特開平５-216981号公報記載の
指紋検出装置は、第１レンズの第１面を検出面とし、各
部材の配置を検出面における臨界角との関係で規定して
いるものである。光源の位置や、指紋の隆線部からの散
乱光の一部を結像レンズを介し検出器で受光するという
点が上記特開平５−101168号公報のものと異なってお
り、指紋画像は隆線部が白く浮き出たものとなる。

【０００８】これら従来の指紋検出装置は、検出面がプ
リズムの斜面にある場合に生じる指紋画像のＸ−Ｙ画像
ひずみと台形ひずみを補償することを、課題の一つとし
てなされた発明である。これらのひずみは、検出面で反
射された反射光がこの検出面の面法線に対して傾いて射
出されるために生じる。

【０００９】図４に示すとおり、前記特開平５−101168
号公報記載のものにおいては、撮像素子６と結像レンズ
５とが反射光の光軸に対して傾いている。この撮像素子
６および結像レンズ５の傾きは検出面３との関係におい
て、検出面３と、結像レンズ５の光軸に垂直な面と、撮
像素子６の撮像面７とがそれぞれ略平行となっている。
なお、三角プリズム２の斜平面２ｂから底面２ｃまでの
厚みがあるために、検出面３と他の２面とは、厳密には
空間的に平行とはなっていない。

【００１０】上記特開平５−101168号公報の指紋検出装
置は、反射された光の進む方向に対して撮像素子６の撮
像面７と結像レンズ５とをこのように傾けて配置するこ
とにより、Ｘ―Ｙ画像ひずみと台形状画像ひずみを補償
している。

【００１１】また、上記特開平５-216981号公報記載の
ものでは、検出面を有する透明部材を所定のレンズとす
ることにより、これらのひずみを補償している。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、近年要
望される指紋検出装置はその用途がセキュリティシステ
ムであることからも、より高精度なものが求められてい
る。そのため、撮像素子６にも通常のテレビジョン方式
であるＮＴＳＣ対応の素子ではなく、1000×1000、また
はそれ以上の多画素素子をも使用するようになってきて
いる。

【００１３】従来の指紋検出装置は、特にこのような多
画素素子を用いた高解像度カメラを使用する場合には解
像度が不十分で、カメラの性能を有効に発揮できないと
いう本質的な欠点がある。

【００１４】この点について図５を用いて説明する。

【００１５】図５は、図４の指紋検出装置に関し検出面
３と撮像素子６の撮像面７との位置関係を表す図であ
る。

【００１６】図５において、三角プリズム２の斜面であ
る検出面３に当接される被写体の像は、結像レンズ５に
より撮像素子６の撮像面７上に結像される。結像レンズ
５と撮像面７は、上述のとおり検出面３と、結像レンズ
５の光軸に垂直な面と、撮像素子６の撮像面７とが略平
行となるように、反射された光の進む方向に対して傾け
て配置されている。

【００１７】このとき、被写体の周辺部の２点Ａ、Ｂか
らの光路は図示されるとおりであり、点Ａは点Ａ´に、
点Ｂは点Ｂ´の位置に結像される。

【００１８】しかしながら図５から明らかなように、こ
の配置では物体ＡＢがレンズ５によって結像し像Ａ´Ｂ
´になるが、レンズ５が前述のように傾いているため、
その光軸上から離れた位置に物体ＡＢ、および像Ａ´Ｂ
´が存在することになる。一般にレンズの性質から、光
軸上の物点に対する結像性能が最も良く、光軸から離れ
るに従って低下する傾向がある。図５の例では、初めか
らレンズ５の光軸から離れたところに物体を配置せざる
をえない位置関係となっているので解像度の高い像を得
るためには不適である。この配置の結果、像はレンズ５
の光軸に対しては周辺部に結像することになる。

【００１９】また、周辺部まで高性能なレンズを用いる
ことは技術的には可能であってもコスト的に不利とな
り、そのように高性能なレンズを用いながら光軸近傍を
利用せずに周辺部のみを利用することはレンズ利用法上
も不合理である。

【００２０】すなわち、図５に示すように、検出面３
と、結像レンズ５の光軸に垂直な面と、撮像素子６の撮
像面７とが互いに略平行となるように、反射された光の
進む方向に対して傾けて配置された指紋検出装置は、被
写体画像の図形ひずみの補償に対しては効果があるが、
レンズ特性の良好なレンズ中心部付近による像を利用し
ないため、高解像度を求められる指紋検出装置としては
問題がある。

【００２１】本発明はこのような事情に鑑みなされたも
ので、レンズ性能を有効に利用し、セキュリティシステ
ムの本人確認手段等としても使用し得る高解像度な指紋
検出装置が実現可能な平面パターン検出装置を提供する
ことを目的とするものである。

【００２２】

【課題を解決するための手段】本発明の第１のパターン
検出装置は、光源と、該光源からの光が平面上検出面で
反射されて得られた反射光パターンを撮像する手段とを
有するパターン検出装置において、前記反射光の進む方
向に光軸の方向を一致させるように配置された結像レン
ズと、前記結像レンズにより形成された像面に撮像面を
一致させるように、該撮像面を前記結像レンズの主平面
に対し傾けて配置された撮像素子とを用いることを特徴
とするものである。

【００２３】本発明による第２のパターン検出装置は、
光源と、指紋または掌紋を当接される平面状の検出面を
有し該検出面で反射された該光源からの光が該検出面の
面法線に対し傾いて射出されるように配された透明部材
と、前記反射された光の光路上に配された結像レンズ
と、該結像レンズにより形成された前記指紋または掌紋
の紋様像を光電変換する撮像素子とからなるパターン検
出装置において、前記結像レンズは、前記透明部材から
反射された光の進む方向に光軸の方向を一致させるよう
に配置され、かつ、前記撮像素子は、該結像レンズによ
り形成された像面に撮像面を一致させるように前記結像
レンズの主平面に対し傾けて配置されたことを特徴とす
るものである。

【００２４】また、前記結像レンズの主平面と前記検出
面の延長面との交線および該主平面と前記撮像面の延長
面との交線が、互いに平行、かつ該結像レンズの中心か
らともに同方向にあるように該結像レンズ、該検出面、
および該撮像面が配置されることが好ましい。

【００２５】また、前記検出面が、プリズムの一平面に
より構成されるとともに、前記光源からの光を全反射さ
せる位置に配され、この全反射された光が前記結像レン
ズに入射するように構成されることが好ましい。

【００２６】また、前記撮像素子が２次元撮像素子とさ
れることが好ましい。

【００２７】また、前記撮像素子が１次元撮像素子とさ
れ、該１次元撮像素子が前記像面上を所定方向に移動す
るように構成されてもよい。

【００２８】

【発明の実施の形態】以下図面を参照して本発明の実施
形態について説明する。

【００２９】図１〜３には本発明の実施形態に係る指紋
検出装置が示されている。

【００３０】図１に示すとおり、この指紋検出装置にお
いて、光源１からの光は、側面２ａから三角プリズム２
に入射し、三角プリズム２の斜平面２ｂ上の検出面３に
当接された指先４の指紋を照射する。この光は、指紋の
谷線部（非接触部）において全反射され、隆線部（接触
部）においては屈折率の関係で全反射条件が崩れて光が
散乱する。このように反射された光のうち、検出面３の
面法線に対して傾いて射出され側面２ｃを通って三角プ
リズム２を離れ、結像レンズ５を通して撮像素子６に照
射された光が撮像素子６の撮像面７上に指紋の像を形成
する。この指紋の像は光電変換され、電気的な画像信号
として出力される。このとき電気的な画像処理により画
像のひずみ補正等も容易に行ない得る。

【００３１】ここで結像レンズ５は、三角プリズム２か
ら射出される検出面３で反射された光の進む方向にその
光軸の方向を一致させるように配置され、かつ、撮像素
子６は結像レンズ５により指紋の像が形成される像面と
一致するように撮像面７を傾けて配置されている。

【００３２】この検出面３、結像レンズ５および撮像面
７の位置関係は、結像レンズ５の主平面と検出面３の延
長面の交線およびこの結像レンズ５の主平面と撮像面７
の延長面の交線が、互いに平行、かつ結像レンズ５の中
心からともに同方向にある。すなわち、これら平行な２
本の交線に直交する断面において、図１のように検出面
３と撮像面７がカタカナのハの字状に互いに傾いた位置
関係になる。

【００３３】以下、検出面３、結像レンズ５および結像
面７をこのように配置する作用効果について述べる。

【００３４】図２は、図１の指紋検出装置の検出面３の
被写体当接位置と撮像素子６の撮像面７上の被写体像位
置を表す模式図である。図２において、三角プリズム２
の斜平面である検出面３に当接された被写体は、結像レ
ンズ５により撮像素子６の撮像面７上に結像される。

【００３５】このとき、被写体の周辺部の２点Ａ、Ｂか
らの光路は図示されるとおりであり、点Ａは点Ａ´に、
点Ｂは点Ｂ´の位置に結像される。結像レンズ５は、検
出面３で反射された光の進行方向とレンズ光軸の方向を
一致させるように配置されているので、図示されるとお
り、点Ａから点Ａ´、および点Ｂから点Ｂ´の光線は結
像レンズ５をその光軸に沿って通過して撮像素子６に到
達する。

【００３６】ここで一般に、光の進む方向とレンズ光軸
の方向を一致させるように配置された結像レンズは、レ
ンズから遠い被写体はレンズの近くに結像し、レンズに
近い被写体はレンズの遠くに結像することとなるので、
本実施形態のように、被写体位置である検出面３が射出
光に対し傾いている場合は、結像レンズ５による像面も
この性質に従ってこの射出光に対し傾いて形成される。
すなわち、結像レンズ５から遠い被写体位置の点Ａはレ
ンズ５に近い点Ａ´に結像し、結像レンズ５に近い被写
体位置の点Ｂはレンズ５から遠い点Ｂ´に結像する。本
実施形態による指紋検出装置では、この点Ａ´と点Ｂ´
とを含む像面に撮像面７を一致させるように撮像素子６
を配置することにより、結像レンズ５の被写界深度に拘
らず撮像素子全面で均一に焦点を結び、撮像素子全面で
鮮明な像を得ることができる。

【００３７】このように、光がレンズ性能の良好なレン
ズ中心部を通るように結像レンズ５を配置するととも
に、この光により形成された像面に撮像面７を一致させ
るように撮像素子６を配置することにより、撮像素子６
から得られる映像信号は、光量低下が少なく、ＭＴＦ
（Modulation Transfer Function）の高いものとなり、
高解像度な撮像素子６を使用した場合にもその効果を発
揮させることができる。

【００３８】図３（Ｂ）に、本実施形態に係る指紋検出
装置を評価するものとして、撮像面７をレンズ５の主平
面から６°傾けた場合のＭＴＦ値を示す。また、図３
（Ａ）には、比較例として傾き０°、すなわち撮像面７
が、三角プリズム２から反射された光の進行方向に垂直
となっている場合のＭＴＦ値を示す。

【００３９】なお、図３（Ａ）、（Ｂ）の横軸は光軸方
向のデフォーカス量（ｍｍ）を示すものであり、縦軸は
コントラスト比を示すものである。また、図３（Ａ）、
（Ｂ）に各々示された６本の曲線は、指紋画像を表示さ
せたＣＲＴ上において、各々右上部、中央上部、右中段
部、中央中段部、右下部および中央下部のＭＴＦ値を示
すものである。

【００４０】図３に示すように、撮像面７を適正に傾け
ることにより撮像素子全面でＭＴＦの高い映像信号が得
られることが明らかである。

【００４１】なお、本実施形態では、検出面がプリズム
の一平面により構成されるとともに、光源からの光を全
反射させる位置に配され、この全反射された光が前記結
像レンズに入射するように構成されているが、プリズム
に限らず、指先が当接される平面状の検出面を有しこの
検出面で反射された光源からの光がこの検出面の面法線
に対して傾いて射出されるような種々の透明部材を用い
ることができる。

【００４２】また、光源からの光を指紋の谷線部におい
て全反射させこの光を受光して画像情報を得ているが、
このような配置に限らず、検出面からその面法線に対し
て傾いて射出される反射光を結像レンズにより結像させ
撮像素子６により光電変換する構成の指紋検出装置全般
において、本発明の装置における検出面と結像レンズと
撮像素子の位置関係は有効となる。

【００４３】また、本実施形態は撮像素子が２次元撮像
素子とされているが、撮像素子を１次元撮像素子とし、
この１次元撮像素子が結像レンズにより形成された像面
上を所定方向に移動するように構成してもよい。

【００４４】なお、本実施形態の構成は高解像度な指紋
検出装置を得るという目的を十分達成しているが、従来
の指紋検出装置において重視されていた画像の図形ひず
みの補償に関しては必ずしも構成上有利とはなっていな
い。しかしながら、近年の技術によれば画像処理の演算
が高速で処理可能となっていることから、これらのひず
み補正は、電気的に容易に補正することができ、光学的
に図形ひずみの補償を行なうことは必ずしも必要とされ
ていない。

【００４５】なお、本発明と同様の技術分野において、
特開昭59−142675号公報記載のものが知られているが、
この公報記載のものはそもそも論理的に矛盾しており、
本発明の先行技術となり得るものではない。

【００４６】

【発明の効果】以上説明したように本発明のパターン検
出装置によれば、光がレンズ性能の良好なレンズ光軸に
沿ってその中心部を通るように結像レンズを配置すると
ともに、この光により形成された像面に撮像面を一致さ
せるように撮像素子を配置することにより、高解像度な
撮像素子を有効に使用し得るパターン検出装置とするこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るパターン検出装置の一実施形態を
示す概略図

【図２】本発明に係るパターン検出装置各部の位置関係
を表わす模式図

【図３】本発明に係る実施例のＭＴＦ図（Ｂ）と比較例
のＭＴＦ図（Ａ）

【図４】従来のパターン検出装置を示す模式図

【図５】従来のパターン検出装置各部の位置関係を表わ
す模式図

【符号の説明】

１ 光源 ２ 三角プリズム ３ 検出面 ４ 指先 ５ 結像レンズ ６ 撮像素子 ７ 撮像面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小泉 昇 埼玉県大宮市植竹町１丁目324番地 富士 写真光機株式会社内 (72)発明者 大西 正己 東京都小平市御幸町32番地 日立電子株式 会社小金井工場内 Ｆターム(参考） 4C038 FF01 FF05 FG01 5B043 AA09 BA02 DA05 5B047 AA25

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源と、該光源からの光が平面状検出面
   で反射されて得られた反射光パターンを撮像する手段と
   を有するパターン検出装置において、 前記反射光の進む方向に光軸の方向を一致させるように
   配置された結像レンズと、前記結像レンズにより形成さ
   れた像面に撮像面を一致させるように、該撮像面を前記
   結像レンズの主平面に対し傾けて配置された撮像素子と
   を用いることを特徴とするパターン検出装置。
2. 【請求項２】 光源と、指紋または掌紋を当接される平
   面状の検出面を有し該検出面で反射された該光源からの
   光が該検出面の面法線に対し傾いて射出されるように配
   された透明部材と、前記反射された光の光路上に配され
   た結像レンズと、該結像レンズにより形成された前記指
   紋または掌紋の紋様像を光電変換する撮像素子とからな
   るパターン検出装置において、 前記結像レンズは、前記透明部材から反射された光の進
   む方向に光軸の方向を一致させるように配置され、か
   つ、前記撮像素子は、該結像レンズにより形成された像
   面に撮像面を一致させるように前記結像レンズの主平面
   に対し傾けて配置されたことを特徴とするパターン検出
   装置。
3. 【請求項３】 前記結像レンズの主平面と前記検出面の
   延長面との交線および該主平面と前記撮像面の延長面と
   の交線が、互いに平行、かつ該結像レンズの中心からと
   もに同方向にあるように、該結像レンズ、該検出面、お
   よび該撮像面が配置されたことを特徴とする請求項１ま
   たは２記載のパターン検出装置。
4. 【請求項４】 前記検出面が、プリズムの一平面により
   構成されるとともに、前記光源からの光を全反射させる
   位置に配され、この全反射された光が前記結像レンズに
   入射するように構成されたことを特徴とする請求項１〜
   ３のうちのいずれか１項記載のパターン検出装置。
5. 【請求項５】 前記撮像素子が２次元撮像素子とされた
   ことを特徴とする請求項１〜４のうちのいずれか１項記
   載のパターン検出装置。
6. 【請求項６】 前記撮像素子が１次元撮像素子とされ、
   該１次元撮像素子が前記像面上を所定方向に移動するよ
   うに構成されたことを特徴とする請求項１〜４のうちの
   いずれか１項記載のパターン検出装置。