JP2002117393A - 指紋認識センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 照明効率がよく、少ない消費電力で駆動でき
るＳ／Ｎ比の良好な指紋認識センサを提供する。 【解決手段】 導光板１４の端面（光入射面２０）に光
源１５を対向させ、導光板１４の裏面にＣＣＤセンサ１
６を対向させる。導光板１４の表面側が指を置く指紋検
知エリアとなっており、導光板１４の裏面には断面三角
形状のプリズム１９が多数凹設されている。プリズム１
９は、ＣＣＤセンサ１６の受光セルと重ならない位置に
設けられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、指紋認識センサに
関する。例えば、指紋認識機能を備えたＩＣカード等の
薄型商品にも用いることができる、指紋認識センサに関
する。

【０００２】

【背景技術】指紋認識センサとしては、例えば特開平５
−３１４２４６号公報や特開平８−１６１４７１号公報
などに開示されたものがある。これらの指紋認識センサ
は、ガラス板やプリズム等の透明ブロックの表面に指を
押し当てさせ、当該ブロックの表面に光を照射し、透明
ブロックの表面に生じている指紋のパターンをレンズに
よってＣＣＤ等の撮像素子に結像させるようになってい
る。

【０００３】一方、ＩＣカードの普及のためには、セキ
ュリティ保持が重要とされ、そのためには本人確認の手
段は欠かすことができない。この本人確認の手段として
は、暗証コードと指紋判定とを併用するのが最良である
と考えられている。しかも、指紋のパターンを取り込む
ための指紋認識センサは、指紋パターンの窃取によるＩ
Ｃカード利用者のプライバシー侵害を防止するために
は、ＩＣカードを挿入される機器側に設けるのでなく、
ＩＣカード自体に組み込むことが必要とされている（特
開昭６４−３８２９５号公報参照）。

【０００４】しかし、上記のような指紋認識センサで
は、結像用のレンズが必要であるため薄型化することが
できず、ＩＣカードには組み込むことが不可能であっ
た。

【０００５】このため、上記公報（特開昭６４−３８２
９５号公報）に開示されている指紋認識センサ１では、
コアガラス２の両面にクラッドガラス３、４を接合して
スラム線路５を形成しておき、スラム線路５の片面（指
紋検出エリア）に親指６を押し当てるものとし、その反
対面（裏面）にＣＣＤセンサ７を配置している。この指
紋認識センサ１では、スラム線路５の端面から導入した
入射光がスラム線路５の界面（コアガラス２とクラッド
ガラス３、４との界面）で全反射しながら一方向へ伝搬
し、そのときわずかに一部の光がスラム線路５の表面か
ら漏れ出て親指６の指紋面に照射し、指紋の凸部で反射
光が散乱させられる。このとき指紋の凸部の１点Ｐで散
乱反射された光は、一定範囲α内のものだけがコアガラ
ス２とクラッドガラス４の境界面で全反射されことなく
クラッドガラス４を透過し、反射点Ｐに対応する特定の
受光セルにのみ光が到達する。この結果、ＣＣＤセンサ
７の反射点Ｐ直下の受光セルに反射光の強度分布が得ら
れるので、これをレベル比較回路などで信号処理すれ
ば、指紋パターンを得ることができる。

【０００６】しかし、このような指紋認識センサにあっ
ては、スラム線路の表面から漏れる光は、スラム線路内
へ導かれた光のほんの一部に過ぎず、照明効率（光の利
用効率）が悪かった。さらに、スラム線路の表面から光
が漏れて指を照らすだけでなく、スラム線路の裏面から
も漏れてＣＣＤセンサに入射するので、指紋認識センサ
のＳ／Ｎ比を劣化させていた。

【０００７】また、このような指紋認識センサにあって
は、光源に近いほどスラム線路の表面から漏れる光量が
大きく、光源から遠くなればなるほどスラム線路の表面
から漏れる光量が小さくなるので、指紋認識精度が落
ち、指紋パターンの認識アルゴリズムが複雑になるとい
う問題があった。

【０００８】

【発明の開示】本発明の目的とするところは、照明効率
がよく、少ない消費電力で駆動できるＳ／Ｎ比の良好な
指紋認識センサを提供することにある。

【０００９】本発明の指紋認識センサは、光源と、前記
光源から導入された光を閉じこめて伝搬させる導光板
と、前記導光板と対向させた撮像素子と、前記導光板
の、前記撮像素子と対向する側の面に設けられ、導光板
内を伝搬する光の進行方向を前記撮像素子と対向する側
の面と反対側の面に向かう方向へ変換させる複数の偏向
子とを備えたものである。

【００１０】ここで導光板としては、屈折率の高い媒質
によって板状に形成されていて、表面側と裏面側とで光
を全反射させながら伝搬させるものが一般的である。ま
た、偏向子としては、入射した光を全反射させて所定の
方向へ向けるものが望ましく、特に導光板の裏面に凹設
したパターンによって形成したものが望ましい。

【００１１】本発明の指紋認識センサにあっては、光源
から導入された光を導光板内に閉じ込めて伝搬させるの
で光のロス（漏れ）が少なく、しかも偏向子によって導
光板内の光を撮像素子と反対側へ偏向させて導光板の表
面から出射させているので、導光板の表面側に位置する
指紋を明るく照明することができる。従って、撮像素子
においては、鮮明な指紋パターンを得ることができ、指
紋認識精度の高い指紋認識センサを得ることができる。
しかも、結像用のレンズを必要としないので、指紋認識
センサを非常に薄くすることができる。

【００１２】さらに、複数の偏向子を導光板に設けてい
るので、偏向子の配置によって導光板から出射される光
の輝度分布を制御することができ、特に導光板から出射
される光の輝度を均一化して指紋を均一に照明すること
ができる。この結果、均一な指紋パターンを得ることが
でき、指紋パターンの認識アルゴリズムに複雑なものを
要求されなくなる。

【００１３】本発明の実施形態においては、前記撮像素
子として２次元ＣＣＤを用いることができる。撮像素子
として２次元ＣＣＤを用いることにより、精度のよい指
紋情報を得ることができる。

【００１４】また、本発明の別な実施形態においては、
前記偏向子の密度は、光源からの距離が遠いほどが大き
くなっている。ここでいう偏向子の密度とは面積密度で
あって、偏向子の数密度を変化させたり、偏向子の大き
さを変化させたりすることで制御できる。光源からの距
離が遠くなるほど、光源から到達する光の光量は小さく
なるので、光源から遠い位置では導光板の輝度が低下
し、輝度むらが生じる恐れがある。しかし、光源からの
距離が大きくなるほど偏向子の密度を大きくしてあれ
ば、到達した光を導光板から出射させる効率が大きくな
るので、導光板から出射される光の輝度を全体にわたっ
て均一化することができる。この結果、指を均一に照明
できるようになるので、指紋認識精度を高くすることが
できる。

【００１５】また、本発明のさらに別な実施形態におい
ては、導光板に垂直な方向から見たとき、前記撮像素子
の有効受光領域と重ならないように前記偏向子を配置し
ている。ここで、有効受光領域とは、撮像素子の実際の
受光領域のことであって、例えばＣＣＤの場合であれ
ば、配列している各受光セルをさす。偏向子が撮像素子
の有効受光領域と重なっていると、撮像素子の有効受光
領域に入射すべき光が偏向子に遮られる。これを避ける
ため、この実施形態では、偏向子を撮像素子の有効受光
領域と重ならないように配置しており、撮像素子のＳ／
Ｎ比を高くし、指紋認識精度を高くすることができる。

【００１６】また、本発明のさらに別な実施形態におい
ては、前記導光板の厚みを、指紋パターンの平均パター
ン幅の０.８倍以下としている。導光板の厚みが大きく
なると、指紋と撮像素子との距離が大きくなるので、指
紋で反射された光が撮像素子に入射する光の広がりも大
きくなり、指紋パターンのコントラストが低下し、指紋
認識精度が低下する。従って、指紋認識精度を低下させ
ないようにするためには、導光板の厚みを、指紋パター
ンの平均パターン幅の０.８倍以下とすればよい。例え
ば、指紋パターンの平均パターン幅を０.５ｍｍとすれ
ば、導光板の厚みを０.４ｍｍ以下にすればよい。

【００１７】なお、この発明の以上説明した構成要素
は、可能な限り組み合わせることができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】（第１の実施形態）以下、本発明
の一実施形態にかかる指紋認識センサを図面を参照しな
がら説明する。図２は本発明の一実施形態による指紋認
識センサ１１の構造を示す断面図である。この指紋認識
センサ１１にあっては、配線基板１２に親指の先よりも
若干大きな開口１３を形成してあり、この配線基板１２
の上に照明パネル１４と光源１５を実装し、配線基板１
２の下面に撮像素子としてＣＣＤセンサ１６を実装して
いる。照明パネル１４とＣＣＤセンサ１６は、開口１３
を挟んで配線基板１２の上面と下面に配置されている。
なお、配線基板１２としては、用途に応じて、硬質の基
板を用いることもでき、フィルム基板やフレキシブル基
板などの柔軟な基板を用いることもできる。

【００１９】照明パネル１４は、導光板１７の表面を耐
薬品性に優れたハードコート剤１８によってコーティン
グしたものであって、配線基板１２の開口１３を塞ぐよ
うに配置され、下面外周部を配線基板１２の上面に固定
されている。導光板１７は、メタクリル樹脂やポリカー
ボネイト樹脂等の、屈折率（例えば、屈折率１.５８）
が大きく透過率のよい透明プラスチック材料によってほ
ぼ均一な厚みの板状に成形されており、裏面には偏向子
として断面直角三角形状をした多数の微小なプリズム１
９が形成されている。ハードコート剤１８には、ＴＰＸ
のように導光板材料よりも低屈折率のコーティング剤を
用いている。また、導光板１７の外周部（例えば、外周
コーナー部）には、光源１５からの光を受光するための
光入射面２０が設けられており、光入射面と隣接する領
域で導光板の表面側（もしくは裏面側）には、くさび状
をした光導入部２１が設けられている。また、照明パネ
ル１４の表面（ハードコート剤１８をコーティングした
面）は、指紋を認識させようとする指を置くための指紋
検知エリアとなっている。

【００２０】光源１５は、導光板１７の光入射面２０に
対向させるようにして配置され、配線基板１２の上面に
実装されている。光源１５は、例えば、基板２２に実装
されたＬＥＤチップ２３を透明樹脂２４内に封止したも
のであり、透明樹脂２４の前面を除く外面を白色樹脂２
５で覆っている。しかして、ＬＥＤチップ２３を発光さ
せると、ＬＥＤチップ２３から前方へ出射された光は透
明樹脂２４の前面から直接前方へ出射され、ＬＥＤチッ
プから側方向へ出射された光は白色樹脂２５の内面で１
回ないし複数回反射された後、透明樹脂２４の前面から
前方へ出射される。

【００２１】ＣＣＤセンサ１６は、受光面を導光板１７
側に向けて配線基板１２の下面に配置され、受光面に設
けられた金バンプや錫バンプ等のバンプ２６を配線基板
１２下面のパッド部２７にボンディングされている。な
お、受光面を上にしてＣＣＤセンサ１６を配線基板１２
の上面に実装し、その上に照明パネル１４を積み重ねる
といった構成も可能であるが、その場合には受光面に設
けられているＣＣＤセンサ１６の電極パッドと配線基板
のパッド部とをボンディングワイヤにより接続する必要
がある。そのため、ボンディングワイヤが指やケースに
触れて断線しないようにするための空間や処理が必要と
なり、コスト高となったり、指紋認識センサの外形が大
きくなったりする。従って、ＣＣＤセンサ１６は図示の
ように配線基板１２の下面にバンプ接合するのが望まし
い。

【００２２】しかして、この指紋認識センサ１１にあっ
ては、図３に示すように、光源１５から出射された光２
９は、光源１５と対向している光入射面２０から導光板
１７内に入射し、導光板１７の表面（ハードコート剤１
８との界面）と裏面とで全反射を繰り返しながら導光板
１７内を進んでいく。また、光入射面２０から入射して
光導入部２１に当たった光２９は、光導入部２１とハー
ドコート剤１８との界面で全反射して導光板１７の内部
へ導かれ、導光板１７の表面と裏面とで全反射を繰り返
しながら導光板１７内を進んでいく。こうして導光板１
７内で全反射を繰り返しながら進んできた光２９が、プ
リズム１９の斜面に当たると、その光２９はプリズム１
９の斜面で全反射されることによって導光板１７の表面
に対してほぼ垂直な方向へ向かう。このプリズム１９
は、導光板１７のほぼ全面に設けられているので、プリ
ズム１９で反射した光は照明パネル１４の表面のほぼ全
体（少なくとも指紋検知エリアを含む領域）から光が出
射される。

【００２３】従って、このような構造の照明パネル１４
によれば、従来例のように導光板１７の裏面から光が漏
れにくく、また導光板１７の内部へ導入された光を効率
よく指紋検知エリアから出射させることができ、少ない
消費電力で高い発光輝度を得ることができる。また、導
光板１７の光導入部２１を除く領域の厚みが、光源１５
の高さよりも薄い場合でも、くさび状の光導入部２１を
設けることで光入射面２０の面積を大きくすることがで
き、光入射面２０から入射した光を光導入部２１で全反
射させて導光板１７に結合させることができるので、光
源１５と導光板１７との結合効率も高くなる。

【００２４】図３に示すように、指紋認識センサ１１の
指紋検知エリアに指２８が置かれていると、照明パネル
１４から出射された光は指２８の腹に照射される。この
とき、図４に示すように、指紋の凸部２８ａとハードコ
ート剤１８との密着面に当たった光３０は、反射されて
照明パネル１４の裏面側へ向かい、導光板１７の裏面か
ら出てＣＣＤセンサ１６へ入射する。また、照明パネル
１４の表面から出て指紋の凹部２８ｂに入射した光３１
は散乱させられる。この結果、ＣＣＤセンサ１６には指
紋の凸部２８ａは明部として凹部２８ｂは暗部として結
像され、指紋パターンが明暗パターンで認識される。こ
の場合も、従来例と同様、導光板１７の裏面に垂直な方
向に対して一定範囲外の光は導光板１７の裏面で反射さ
れるので、レンズを用いることなく指紋パターンをＣＣ
Ｄセンサ１６に結像させることができ、指紋認識センサ
１１を薄型化することができる。

【００２５】特に、照明パネル１４の厚みＴ（導光板１
７の厚み＋ハードコート剤１８の厚み）を指紋パターン
の平均パターン幅の約６０〜８０％程度に薄くすること
により、指紋の凸部２８ａで反射した光の広がりが充分
に小さいうちにＣＣＤセンサ１６に入射させることがで
き、結像用のレンズ系を用いなくてもＣＣＤセンサ１６
の像に十分なコントラストを得ることができる。指紋パ
ターンの平均パターン幅は、０．５ｍｍ程度であるか
ら、照明パネル１４の厚みは、０．３〜０．４ｍｍ程度
にするのが望ましい。このように照明パネル１４を薄く
しても光導入部２１の働きで光源１５の光を照明パネル
１４内へ効率良く導入できることは、先に述べた通りで
ある。

【００２６】また、この実施形態では、導光板１７の裏
面は空気に接しており、従来例のクラッドガラスに相当
する層は存在していないので、導光板１７の裏面におけ
る全反射の臨界角が大きくなり、導光板１７の裏面で光
が漏れにくくなっている。また、導光板１７の裏面を透
過してＣＣＤセンサ１６に入射する光の限界スポット径
も小さくなり、像の分解能が向上する。

【００２７】図５はＣＣＤセンサ１６の受光セル３２と
導光板１７裏面のプリズム１９との位置関係を表し、図
６（ｂ）はその一部を拡大して表している。ＣＣＤセン
サ１６の受光セル３２は間隔をおいて碁盤目状に配列さ
れており、プリズム１９は受光セル３２部分と重ならな
いよう受光セル３２間の間隙部分の垂直上方（指紋認識
センサ１１が水平に置かれているとして）に配列されて
いる。図５では、受光セル３２からコーナー側へ外れた
位置にプリズム１９を位置させている。プリズム１９が
受光セル３２と重ならないように配置されているので、
指紋で反射されて受光セル３２に入射すべき光がプリズ
ム１９の斜面で反射されてしまうことが無く、ＣＣＤセ
ンサ１６に結像される像のＳ／Ｎ比を大きくできる。

【００２８】プリズム１９は高さ１０数μｍ程度の微細
なものであって、導光板１７の裏面に形成された多数の
凹状パターンによって構成されている。１つのプリズム
１９（凹状パターン）は、図６（ｂ）に示すように断面
直角三角形の柱状をしており、斜面が光源１５側を向
き、垂直面が光源１５と反対側を向くように配置されて
いる。プリズム１９は、断面二等辺三角形のものやかま
ぼこ形をしたものでもよいが、断面直角三角形のものが
最も望ましい。図７（ｂ）に示すように、頂角の広い三
角形状をしたプリズム１９の場合には、斜面を透過した
光３４は、そのまま照明パネル１４の裏面側へ抜けて漏
れ、光量損失をもたらすが、断面直角三角形状のプリズ
ム１９では、図７（ａ）に示すように、光３３が斜面を
透過しても再び垂直面から導光板１７内へ入射し、光量
損失を熾しにくいからである。また、頂角をさらに小さ
くして、垂直面であった背面を斜面側へ近づけると、導
光板１７の成型時に脱型することができなくなる。

【００２９】また、図８及び図２に示すように、プリズ
ム１９は、光源１５から遠ざかるほど大きな形状をして
いる。光源１５から遠くなるほど、照明パネル１４内を
導光して到達する光の光量は少なくなるので、光源１５
に近い位置ではプリズム１９を比較的小さくして反射効
率を小さくし、光源１５から遠くなるに従ってプリズム
１９を次第に大きくして反射効率を大きくすることによ
り、照明パネル１４の指紋検出エリアから出射される光
量の分布（輝度分布）が均一になるようにしている。な
お、各方位における輝度分布を均一にするためには、光
入射面２０にレンズや光学パターン等を設けることも有
効である。

【００３０】また、輝度分布を均一にする方法として
は、プリズム１９の大きさを変化させる方法に限らず、
図９に示すように光源１５の近くではプリズム１９の分
布密度を小さくし、光源１５から遠くなるに従ってプリ
ズム１９の分布密度が大きくなるようにしてもよい。

【００３１】このようにして指紋検出エリアにおける輝
度分布を均一にすることにより、ＣＣＤセンサ１６に結
像される指紋パターンも均一な像となるので、指紋パタ
ーンを判別するためのアルゴリズムも簡単にでき、ある
いは誤判別の恐れを少なくできる。

【００３２】図１０（ａ）に示すように、導光板１７の
表面が露出していると、導光板１７の表面に皮脂や汚れ
３５が付着したとき、この部分に入射した光３６は、導
光板１７の表面で全反射することなく、皮脂等３５を通
過して上方へ漏れてしまう。これに対し、この実施形態
のように、導光板１７の上面をハードコート剤１８で覆
っておき、導光板１７とハードコート剤１８の界面で光
３７を全反射させるようにしてあれば、図１０（ｂ）の
ように照明パネル１４の表面に皮脂や汚れ３５が付着し
ても光の漏れが発生しない。

【００３３】（第２の実施形態）図１１及び図１２に示
すものは、本発明の別な実施形態による指紋認識センサ
４１であって、工業的な量産性を考慮してＴＡＢ（Tape
Automated Bonding）形態としたものである。すなわ
ち、この実施形態では、ＣＣＤセンサ１６に設けたバン
プ２６を熱圧着することによりＴＡＢ用フィルム（カッ
ト前の長尺物のフィルム基板）の裏面へ一定間隔毎にＣ
ＣＤセンサ１６を接合させ、その反対側の面にＬＥＤチ
ップ２３（もしくは、ＬＥＤチップ２３を封止した光源
１５）を一定間隔毎に実装し、プリズム１９がＣＣＤセ
ンサ１６の受光セル３２と重ならないよう位置決めして
各ＣＣＤセンサ１６と反対側に照明パネル１４を接着剤
で固定する。ついで、このＴＡＢ用フィルムを一定長さ
毎にカットすることにより、フィルム基板４２の表裏に
照明パネル１４及び光源１５とＣＣＤセンサ１６が実装
された指紋認識センサ４１が連続生産される。

【００３４】

【発明の効果】本発明の指紋認識センサによれば、導光
板と撮像素子を対向させることによって実現でき、しか
も結像用のレンズを必要としないので、非常に薄い指紋
認識センサを製作することができる。また、従来の薄型
の指紋認識センサと比較して照明効率がよく、照射輝度
ムラがなく、少ない消費電力でＳ／Ｎ比のよい指紋パタ
ーンを得ることが可能となり、薄型で指紋認識精度の高
い指紋認識センサが実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の指紋認識センサの構成を示す一部判断し
た概略断面図である。

【図２】本発明の一実施形態による指紋認識センサの構
造を示す断面図である。

【図３】同上の指紋認識センサの導光板に入射した光の
挙動を説明する図である。

【図４】同上の指紋認識センサにおいて、指で反射され
た光の挙動を示す図である。

【図５】ＣＣＤセンサの受光セルと導光板のプリズムと
の位置関係を表した図である。

【図６】（ａ）は図５の一部拡大した図、（ｂ）は微小
なプリズムの拡大斜視図である。

【図７】（ａ）は直角三角形柱状のプリズムを通過する
光の挙動を示す図、（ｂ）は二等辺三角形柱状のプリズ
ムを通過する光の挙動を示す図である。

【図８】光源に近いプリズムと光源から離れた位置に設
けられているプリズムを比較して示す図である。

【図９】光源に近いプリズムと光源から離れた位置に設
けられているプリズムの別な例を比較して示す図であ
る。

【図１０】（ａ）はハードコート剤でコーティングされ
ていない導光板の表面から光が漏れる様子を示す図、
（ｂ）はハードコート剤でコーティングされた導光板内
を光が導光する様子を示す図である。

【図１１】本発明の別な実施形態による指紋認識センサ
の上面図である。

【図１２】同上の実施形態による指紋認識センサの下面
図である。

【符号の説明】

１１ 指紋認識センサ １２ 配線基板 １４ 照明パネル １４ 導光板 １５ 光源 １６ ＣＣＤセンサ １７ 導光板 １８ ハードコート剤 １９ プリズム ２３ ＬＥＤチップ ２８ 指 ３２ 受光セル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 角垣 一志 京都府京都市下京区塩小路通堀川東入南不 動堂町801番地 オムロン株式会社内 Ｆターム(参考） 5B047 AA25 BA02 BB04 BC04 BC12

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源と、 前記光源から導入された光を閉じこめて伝搬させる導光
   板と、 前記導光板と対向させた撮像素子と、 前記導光板の、前記撮像素子と対向する側の面に設けら
   れ、導光板内を伝搬する光の進行方向を前記撮像素子と
   対向する側の面と反対側の面に向かう方向へ変換させる
   複数の偏向子とを備えた指紋認識センサ。
2. 【請求項２】 前記撮像素子は、２次元ＣＣＤであるこ
   とを特徴とする、請求項１に記載の指紋認識センサ。
3. 【請求項３】 前記偏向子の密度は、光源からの距離が
   遠いほどが大きくなっていることを特徴とする、請求項
   １に記載の指紋認識センサ。
4. 【請求項４】 前記偏向子は、導光板に垂直な方向から
   見たとき、前記撮像素子の有効受光領域と重ならないよ
   うに配置されていることを特徴とする、請求項１に記載
   の指紋認識センサ。
5. 【請求項５】 前記導光板の厚みは、指紋パターンの平
   均パターン幅の０.８倍以下であることを特徴とする、
   請求項１に記載の指紋認識センサ。