JP2002259955A

JP2002259955A - 画像読取装置

Info

Publication number: JP2002259955A
Application number: JP2001060568A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Kurosawa; 比呂史黒沢
Original assignee: Casio Computer Co Ltd
Current assignee: Casio Computer Co Ltd
Priority date: 2001-03-05
Filing date: 2001-03-05
Publication date: 2002-09-13

Abstract

(57)【要約】【課題】指紋のような被検出体固有の特徴を有する明
暗パターンや凹凸パターンを精度良く判別して、正確な
画像パターンの読み取り、ひいては、信頼性の高い指紋
の照合、認証を行うことができる画像読取装置を提供す
る。【解決手段】ダブルゲート型フォトセンサ１０が２次
元配列されたフォトセンサアレイ１００を備えた画像読
取装置において、被検出体（指）の画像パターンを読み
取る本来の読み取り動作に先立って、上記被検出体を走
査し、該被検出体の画像パターンに含まれる特徴部分
（明暗パターンや凹凸パターン）に対応して各フォトセ
ンサから出力される画像出力信号に基づく変位を観測
し、該変位の分布傾向に基づいて、上記画像パターンに
含まれる特徴部分を判別するためのしきい値を設定した
後、本来の画像パターンを読み取る動作を実行する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、画像読取装置に関
し、特に、マトリクス状又はライン状に配列した複数の
フォトセンサを走査して、指等の被検出体の画像パター
ン（指紋）を読み取る画像読取装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、印刷物や写真、あるいは、指紋等
の微細な凹凸の形状等を読み取る２次元画像の読取装置
として、例えば、光電変換素子（フォトセンサ）をマト
リクス状又はライン状に配列して構成されるフォトセン
サアレイにより、所定の検知面上に載置、接触された被
検出体を走査して、該被検出体の２次元画像を読み取る
構造のものがある。このようなフォトセンサアレイとし
ては、一般に、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）等の
固体撮像デバイスが用いられている。

【０００３】ＣＣＤは、周知の通り、フォトダイオード
や薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：ThinFilm Transistor）
等のフォトセンサをマトリクス状又はライン状に配列し
た構成を有し、各フォトセンサの受光部に入射された光
量に対応して発生する電子−正孔対の量（電荷量）を、
水平走査回路及び垂直走査回路により検出して、入射光
の輝度を検知している。このようなＣＣＤを用いたフォ
トセンサシステムにおいては、各フォトセンサを選択状
態にするための選択トランジスタを個別に設ける必要が
あるため、読取画素数が増大するにしたがってシステム
自体が大型化するという問題を有している。

【０００４】そこで、近年、このような問題を解決する
ための構成として、フォトセンサ自体にフォトセンス機
能と選択トランジスタ機能とを持たせた、いわゆる、ダ
ブルゲート構造を有する薄膜トランジスタ（以下、「ダ
ブルゲート型フォトセンサ」という）を画像読取装置に
適用して、システムの小型化、及び、画素の高密度化を
図る試みがなされている。

【０００５】このようなダブルゲート型フォトセンサを
適用した画像読取装置は、概略、ガラス基板の一面側
に、共通の半導体層に対して上方（上層）及び下方（下
層）に各々トップゲート電極及びボトムゲート電極を備
えたダブルゲート型フォトセンサをマトリクス状あるい
はライン状に配列形成して、フォトセンサアレイを構成
し、例えば、ガラス基板の背面側に設けられた光源から
フォトセンサアレイ上方の検知面に載置された被検出体
に照射光を照射し、該被検出体の画像パターン（明暗パ
ターンや凹凸パターン等）に応じて反射した光が、ダブ
ルゲート型フォトセンサに入射して明暗情報として検出
されることにより、２次元画像を読み取るものである。

【０００６】ここで、フォトセンサアレイによる２次元
画像の読み取り動作は、リセットパルスの印加による初
期化終了時から読み出しパルスが印加されるまでの光蓄
積時間において、各ダブルゲート型フォトセンサに入射
する光の量に応じて蓄積されるキャリヤ（正孔）の量に
基づいて、各ダブルゲート型フォトセンサの導通状態が
制御されることにより、予め印加されたプリチャージ電
圧（ドレイン電圧）の放電割合が異なることから、該プ
リチャージ電圧の変位を検出することにより、上記画像
パターンの明暗情報が得られる。なお、ダブルゲート型
フォトセンサ及びフォトセンサアレイの具体的な構成及
び動作については、後述する。

【０００７】ところで、上述したような画像読取装置を
指紋読取装置等の高い読み取り精度が要求される機器に
適用した場合、個人の識別、認証の精度を保証するた
め、指紋の明暗パターン（凹凸パターン）を極めて正確
に読み取る必要がある。ここで、被検出体の２次元画像
に含まれる明暗パターンを識別するための手法として
は、一般に、フォトセンサから出力される出力信号と、
予め定められたしきい値とを比較することにより、明領
域と暗領域を判別する手法が採用されている。

【０００８】具体的には、上述したダブルゲート型フォ
トセンサからなるフォトセンサアレイを備えた指紋読取
装置においては、図９（ａ）、（ｂ）に示すように、例
えば、複数のダブルゲート型フォトセンサ２０１をマト
リクス状に配置したフォトセンサアレイ２１０の上方に
設けられた検知面２１０ａに載置された指２２０に対し
て、光源２０２から光Ｌｐが照射されると、指紋の凹凸
パターン（山部及び谷部）と検知面２１０ａとの接触状
態に応じて散乱、反射した光Ｌｒが、各ダブルゲート型
フォトセンサ２０１に入射することにより、指紋の凹凸
パターンに対応したキャリヤが蓄積されて、各ダブルゲ
ート型フォトセンサ２０１の導通状態が決定される。

【０００９】すなわち、図１０に示すように、指紋２２
１の山部（凸部）２２１ａにおいては、指２２０の皮膚
表層２２２の半透明層が検知面２１０ａに接触すること
により、検知面２１０ａ（フォトセンサアレイ２１０）
と皮膚表層２２２との間の界面に屈折率の低い空気層が
なくなる。ここで、皮膚表層２２２の厚さは、光源２０
２から照射される光Ｌｐの波長（可視光の波長上限；８
００ｎｍ程度）より厚いため、指紋２２１の山部２２１
ａに照射された光Ｌｐは、皮膚表層２２２内を散乱、反
射しながら伝搬する。伝搬された光Ｌｒの一部は、検知
面２１０ａを介して、山部２２１ａに対応する位置に配
置されたダブルゲート型フォトセンサ２０１に励起光と
して入射されることによりキャリヤが蓄積されるため、
ダブルゲート型フォトセンサ２０１が十分に導通して、
明情報に対応した出力信号（プリチャージ電圧よりも低
い電圧）が出力される。

【００１０】一方、図１０に示すように、指紋２２１の
谷部（凹部）２２１ｂにおいては、照射された光Ｌｐ
は、検知面２１０ａと谷部２２１ｂの空間を満たす空気
層との間の界面を通過し、皮膚表層２２２に入射して散
乱するが、皮膚表層２２２は空気より屈折率が高いた
め、所定の角度で散乱した光Ｌｓは皮膚表層２２２外の
空気層に抜けにくく、谷部２２１ｂに対応する位置に配
置されたダブルゲート型フォトセンサ２０１への入射が
抑制される。これにより、上記キャリヤが十分蓄積され
ないため、ダブルゲート型フォトセンサ２０１が十分導
通せず、暗情報に対応した出力信号（ほぼプリチャージ
電圧に近似する電圧）が出力される。

【００１１】ここで、図５に示すように、ダブルゲート
型フォトセンサ１０を２次元配列して構成されるフォト
センサアレイ１００を備えたフォトセンサシステムにお
いて、コラムスイッチ１３１からデータライン１０３に
供給されるプリチャージ電圧Ｖpgが、選択されたダブル
ゲート型フォトセンサ１０で入射された光量に応じて変
位してなる読み込み電圧Ｖrdがコラムスイッチ１３１に
読み込まれるが、電圧の変位（すなわち、プリチャージ
電圧Ｖpgに対する読み込み電圧Ｖrdの変位；以下、「変
位電圧」と記す）を検出して、変位に対する読取画素の
数（出現度数；以下、「頻度」と記す）を観測し、該変
位電圧に対する頻度の相関を最小二乗法等の所定の手法
を用いて処理する。このようなフォトセンス処理を外光
が十分暗い環境下で行うことにより、図１１に示すよう
に、変位電圧の分布傾向を示す軌線が得られる。

【００１２】図１１に示す軌線において、極大値Ｆａと
なる変位電圧Ｖａを含む領域Ｒａは、図１０において、
指紋２２１の山部２２１ａと判断される部分であって、
光源２０２からフォトセンサアレイ２１０を介して指２
２０に照射された光Ｌｐが、検知面２１０ａに接触する
皮膚表層２２２に連続的に入射した後、指２２０内部で
散乱して、その一部の光Ｌｒがダブルゲート型フォトセ
ンサ２０１へ入射されることにより、プリチャージ電圧
が放電されて比較的大きい変位電圧Ｖａを中心とし、か
つ、指２２０に占める山部２２１ａの面積に対応して頻
度が極めて高くなる傾向を示す。

【００１３】また、極大値Ｆｂとなる変位電圧Ｖｂを含
む領域Ｒｂは、図１０において、指紋２２１の谷部２２
１ｂと判断される部分であって、光源２０２からフォト
センサアレイ２１０を介して指２２０に照射された光Ｌ
ｐが、谷部２２１ｂを構成する空気層を介して皮膚表層
２２２に入射した後、指２２０内部で拡散を繰り返して
減衰し、ダブルゲート型フォトセンサ２０１へ入射され
る光Ｌｒの量が抑制されることにより、ほぼプリチャー
ジ電圧に近似して小さい変位電圧Ｖｂを中心とし、か
つ、指２２０に占める谷部２２１ｂの面積に対応して頻
度が比較的高くなる傾向を示す。

【００１４】ここで、指紋２２１の凹凸パターンを読み
取る場合には、指２２０が検知面２１０ａにやや押し付
け気味になるように載置されることが多いため、山部２
２１ａがつぶれて谷部２２１ｂに比較して広い範囲（よ
り高い面積比）で検知面２１０ａに接触することから、
谷部２２１ｂの領域Ｒｂよりも山部２２１ａの領域Ｒａ
における頻度の方が高く観測される。

【００１５】さらに、変位電圧Ｖａ、Ｖｂの間にあり、
極小値Ｆｃとなる変位電圧Ｖｃを含む領域Ｒｃは、図１
０において、指紋２２１の山部２２１ａと谷部２２１ｂ
との境界領域と判断される部分であって、光源２０２か
らフォトセンサアレイ２１０を介して指２２０に照射さ
れた光Ｌｐが、僅かな空気層を介して皮膚表層２２２に
入射した後、指２２０内部で散乱し、ダブルゲート型フ
ォトセンサ２０１への光Ｌｒの入射が、上記谷部２２１
ｂにおける場合ほど阻害されることがなく、プリチャー
ジ電圧が比較的放電されて、変位電圧Ｖｂよりも大きい
変位電圧Ｖｃを中心とし、かつ、指２２０に占める山部
２２１ａと谷部２２１ｂ間の僅かな面積に対応して頻度
が極めて低くなる傾向を示す。

【００１６】なお、変位電圧Ｖｂ以下の領域Ｒｄは、図
９（ａ）、（ｂ）において、検知面２１０ａ上に指２２
０が載置されていない領域であって、光源２０２から放
射された光Ｌｐが、指２２０に照射されて散乱、反射さ
れることなく、ダブルゲート型フォトセンサ２０１へ光
Ｌｒが入射することがほとんどないので、プリチャージ
電圧がそのまま保持されて、変位電圧がほとんど変化せ
ず、かつ、指２２０が載置された領域以外の面積に対応
して頻度が極めて高くなる傾向を示す。

【００１７】したがって、図１１に示したような変位電
圧の分布傾向を示す軌線において、指紋の山部と谷部と
の間の境界領域（領域Ｒｃ）を規定する極小値Ｆｃに対
応する変位電圧Ｖｃをしきい値電圧Ｖthに設定して、各
ダブルゲート型フォトセンサから出力される出力信号に
基づく変位電圧と、上記しきい値電圧Ｖthとを比較する
ことにより、指紋の凹凸パターンに対応する明領域及び
暗領域を判別して読み取り、各個人の指紋の照合、認証
を行う動作処理が行われていた。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たような指紋等の明暗パターンや凹凸パターンを判別す
る手法においては、次に示すような問題を有していた。
すなわち、図１１に示したように、各ダブルゲート型フ
ォトセンサ（読取画素）毎の変位電圧の分布傾向を示す
軌線に基づいて、極小値となる変位電圧をしきい値電圧
Ｖthとして設定する手法にあっては、一般に、一定の輝
度を有する光源からの照射光を用い、かつ、不特定多数
の被検出体（指）を用いた統計的な傾向から平均的な軌
線を算出して、該軌線における極小値を一義的にしきい
値電圧に設定するという手法を採用していたため、例え
ば、指紋のように各個人毎に固有の特徴を有する被検出
体の明暗パターンや凹凸パターンを精度良く判別して、
正確な画像パターンの読み取り、ひいては、信頼性の高
い指紋の照合、認証を行うことができないという問題を
有していた。

【００１９】具体的には、指紋のような被検出体の場
合、山部と谷部の面積比率や高低差、指紋の連続性（途
切れ）や枝分かれ、皮膚表層の柔らかさや光透過率等の
体質的な要因、あるいは、摩擦による指の皮膚表層の摩
耗等の外的要因に基づく個人差によって、上述したダブ
ルゲート型フォトセンサ（読取画素）毎の変位電圧の分
布傾向を示す軌線の形状が異なることになる。

【００２０】例えば、皮膚表層の摩耗等により、指紋の
山部と谷部の高低差が小さくなっている場合において
は、山部の面積比率が上昇し、谷部と境界領域との区別
が不明確になることから、図１２に示すように、山部に
対応する領域Ｒａ′の極大値Ｆａ′（＞Ｆａ）が上昇す
る一方、谷部に対応する領域Ｒｂ′の極大値Ｆｂ′（＜
Ｆｂ）が低下するとともに、山部側によりシフトした傾
向を示す。また、山部と谷部の境界領域Ｒｃ′において
は、極小値Ｆｃ′（＞Ｆｃ）が上昇するとともに、山部
側によりシフトした傾向を示す。

【００２１】この場合、指紋の凹凸パターンを判別する
ために良好なしきい値電圧Ｖthは、極小値Ｆｃ′となる
変位電圧Ｖｃ′（＞Ｖｃ）であるのに対して、上述した
ような極小値Ｆｃとなる変位電圧Ｖｃを一義的にしきい
値電圧に設定するという手法にあっては、各個人毎の指
紋の凹凸パターンを正確に判別することができず、指紋
の照合ミス、誤認証を生じる可能性があった。

【００２２】そこで、本発明は、上述したような問題点
に鑑み、指紋のような被検出体固有の特徴を有する明暗
パターンや凹凸パターンを精度良く判別して、正確な画
像パターンの読み取り、ひいては、信頼性の高い指紋の
照合、認証を行うことができる画像読取装置を提供する
ことを目的とする。

【００２３】

【課題を解決するための手段】本発明に係る画像読取装
置は、マトリクス状又はライン状に配列した複数のフォ
トセンサにより所定の検知面上に載置された被検出体を
走査し、該被検出体の２次元画像の各画素に対応して前
記複数のフォトセンサの各々から出力される信号成分に
基づいて、前記２次元画像を読み取る画像読取装置にお
いて、本来の前記２次元画像の読み取り動作に先立っ
て、前記複数のフォトセンサにより前記被検出体を走査
し、該被検出体の２次元画像の各画素に対応して前記複
数のフォトセンサの各々から出力される前記信号成分の
頻度を観測し、該信号成分の頻度傾向に基づいて、前記
２次元画像に含まれる特徴部分を判別するためのしきい
値を設定するしきい値設定手段を備えたことを特徴とし
ている。

【００２４】すなわち、所定の形式で配列され、被検出
体を走査するフォトセンサアレイを備えた２次元画像の
画像読取装置において、被検出体の２次元画像を読み取
る本来の読み取り動作に先立って、しきい値設定手段に
より、第１のステップで上記被検出体を走査し、第２の
ステップで被検出体の２次元画像の各画素に対応して各
フォトセンサから出力される信号成分（例えば、出力電
圧の変位）を観測し、第３のステップで該変位の頻度傾
向に基づいて、上記２次元画像に含まれる特徴部分（例
えば、明暗パターンや凹凸パターン）を判別するための
しきい値を設定する。

【００２５】これにより、被検出体の２次元画像を読み
取る動作に先立って、被検出体固有の２次元画像に対応
した、上記特徴部分を判別するためのしきい値が設定さ
れるので、本来の被検出体の２次元画像の読取動作の際
に、該しきい値、及び、被検出体の２次元画像の各画素
に対応して各フォトセンサから出力される出力電圧に基
づいて、明暗パターンや凹凸パターンを精度良く判別す
ることができ、被検出体の２次元画像を正確に読み取る
ことができる。したがって、本発明に係る画像読取装置
を、指紋読取装置等の個人認証のための識別装置に適用
することにより、各人固有の認証パターン（指紋等）を
正確に読み取ることができ、信頼性の高い個人の識別、
認証機能を備えたシステムを実現することができる。

【００２６】ここで、上述した画像読取装置において、
しきい値設定手段は、複数のフォトセンサのうち、任意
のフォトセンサにより被検出体を走査して、上記信号成
分の頻度を観測するようにしてもよく、これによれば、
被検出体の２次元画像を読み取る本来の読み取り動作に
先立って行われるしきい値の設定処理を、任意の数、あ
るいは、任意の領域のフォトセンサのみを駆動する簡易
かつ迅速な手法により実現することができるとともに、
本来の読み取り動作において２次元画像を正確に読み取
ることができる。

【００２７】また、上述した画像読取装置は、上記検知
面を介して、被検出体に対して所定の光を照射する光源
を備え、上記しきい値設定手段は、該光源の輝度を複数
回変更設定して、光源の輝度設定毎に、複数のフォトセ
ンサにより被検出体を走査して、信号成分の頻度を観測
するものであってもよく、これによれば、上記しきい値
を被検出体の２次元画像に、より対応させて設定するこ
とができるので、本来の読み取り動作において２次元画
像をより正確に読み取ることができる。

【００２８】なお、上記しきい値は、信号成分の頻度に
基づく最小二乗法により算出される特性曲線に基づいて
設定することができる。これにより、上記信号成分の頻
度傾向（変化傾向）をより的確に把握することができる
ので、上記しきい値を被検出体の２次元画像に、より対
応させて設定することができる。

【００２９】さらに、上述した画像読取装置において、
上記フォトセンサは、半導体層からなるチャネル領域を
挟んで形成されたソース電極及びドレイン電極と、少な
くとも前記チャネル領域の上方及び下方に各々絶縁膜を
介して形成された第１のゲート電極及び第２のゲート電
極と、を有し、第１のゲート電極にリセットパルスを印
加してフォトセンサを初期化し、ドレイン電極にプリチ
ャージパルスを印加した後、第２のゲート電極に読み出
しパルスを印加することにより、初期化終了から読み出
しパルスの印加までの電荷蓄積期間に、チャネル領域に
蓄積された電荷に対応する電圧を出力電圧として出力
し、上記画像読取装置は、プリチャージパルスに係る信
号電圧と出力電圧との差分を、上記信号成分として観測
するものであってもよい。

【００３０】すなわち、上記フォトセンサは、所定のタ
イミングで第１のゲート電極にリセットパルスを印加す
るとともに、第２のゲート電極に読み出しパルス印加す
ることにより、電荷蓄積期間にチャネル領域に蓄積され
た電荷に対応した電圧を出力する、いわゆる、ダブルゲ
ート型フォトセンサにより構成されている。

【００３１】これにより、フォトセンサアレイを構成す
るフォトセンサを薄型、小型化することができるととも
に、読取画素を高密度化して被検出体の２次元画像を高
精細な画像として読み取ることができる。以上のよう
に、本発明に係る画像読取装置及びその駆動制御方法
は、人間の指を被検出体とし、指紋により個人の識別、
認証を行う指紋読取装置等の個人認証のための識別装置
に良好に適用することができる。

【００３２】

【発明の実施の形態】以下に、本発明に係る画像読取装
置及びその駆動制御方法の実施の形態について、詳しく
説明する。まず、本発明に係る画像読取装置に適用され
るダブルゲート型フォトセンサの構成について説明す
る。

【００３３】＜ダブルゲート型フォトセンサ＞図１は、
ダブルゲート型フォトセンサの概略構成を示す断面構造
図である。図１（ａ）に示すように、ダブルゲート型フ
ォトセンサ１０は、励起光（ここでは、可視光）が入射
されると電子−正孔対が生成されるアモルファスシリコ
ン等の半導体層（チャネル層）１１と、半導体層１１の
両端にそれぞれ設けられたｎ^＋シリコンからなる不純物
層１７、１８と、不純物層１７、１８上に形成されたク
ロム、クロム合金、アルミ、アルミ合金等から選択さ
れ、可視光に対して不透明のドレイン電極１２及びソー
ス電極１３と、半導体層１１の上方（図面上方）にブロ
ック絶縁膜１４及び上部（トップ）ゲート絶縁膜１５を
介して形成されたＩＴＯ等の透明導電層からなり、可視
光に対して透過性を示すトップゲート電極（第１のゲー
ト電極）２１と、半導体層１１の下方（図面下方）に下
部（ボトム）ゲート絶縁膜１６を介して形成されたクロ
ム、クロム合金、アルミ、アルミ合金等から選択され、
可視光に対して不透明なボトムゲート電極（第２のゲー
ト電極）２２と、を有して構成されている。そして、こ
のような構成を有するダブルゲート型フォトセンサ１０
は、ガラス基板等の透明な絶縁性基板１９上に形成され
ている。

【００３４】ここで、図１（ａ）において、トップゲー
ト絶縁膜１５、ブロック絶縁膜１４、ボトムゲート絶縁
膜１６、及び、トップゲート電極２１上に設けられる保
護絶縁膜２０は、いずれも半導体層１１を励起する可視
光に対して、高い透過率を有する材質、例えば、窒化シ
リコンや酸化シリコン等により構成されることにより、
図面上方から入射する光のみを検知する構造を有してい
る。

【００３５】なお、このようなダブルゲート型フォトセ
ンサ１０は、一般に、図１（ｂ）に示すような等価回路
により表される。ここで、ＴＧはトップゲート電極２１
と電気的に接続されたトップゲート端子、ＢＧはボトム
ゲート電極２２と電気的に接続されたボトムゲート端
子、Ｓはソース電極１３と電気的に接続されたソース端
子、Ｄはドレイン電極１２と電気的に接続されたドレイ
ン端子である。

【００３６】次いで、上述したダブルゲート型フォトセ
ンサの駆動制御方法について、図面を参照して説明す
る。図２は、ダブルゲート型フォトセンサの基本的な駆
動制御方法の一例を示すタイミングチャートであり、図
３は、ダブルゲート型フォトセンサの動作概念図であ
り、図４は、ダブルゲート型フォトセンサの出力電圧の
光応答特性を示す図である。ここでは、上述したダブル
ゲート型フォトセンサの構成（図１）を適宜参照しなが
ら説明する。

【００３７】まず、リセット動作（初期化動作、初期化
ステップ）においては、図２、図３（ａ）に示すよう
に、ダブルゲート型フォトセンサ１０のトップゲート端
子ＴＧにパルス電圧（以下、「リセットパルス」と記
す；例えば、Ｖtg＝＋１５Ｖのハイレベル）φＴを印加
して、半導体層１１、及び、ブロック絶縁膜１４におけ
る半導体層１１との界面近傍に蓄積されているキャリヤ
（ここでは、正孔）を放出する（リセット期間Ｔrs
t）。

【００３８】次いで、光蓄積動作においては、図２、図
３（ｂ）に示すように、トップゲート端子ＴＧにローレ
ベル（例えば、Ｖtg＝−１５Ｖ）のバイアス電圧φＴを
印加することにより、リセット動作を終了し、キャリヤ
蓄積動作による光蓄積期間（電荷蓄積動作）Ｔａがスタ
ートする。光蓄積期間Ｔａにおいては、トップゲート電
極２１側から入射した光量に応じて半導体層１１の入射
有効領域、すなわち、キャリヤ発生領域で電子−正孔対
が生成され、半導体層１１、及び、ブロック絶縁膜１４
における半導体層１１との界面近傍、すなわち、チャネ
ル領域周辺に正孔が蓄積される。

【００３９】そして、プリチャージ動作においては、図
２、図３（ｃ）に示すように、光蓄積期間Ｔａに並行し
て、プリチャージ信号φpgに基づいてドレイン端子Ｄに
所定の電圧（プリチャージ電圧）Ｖpgを印加し、ドレイ
ン電極１２に電荷を保持させる（プリチャージ期間Ｔpr
ch）。次いで、読み出し動作においては、図２、図３
（ｄ）に示すように、プリチャージ期間Ｔprchを経過し
た後、ボトムゲート端子ＢＧにハイレベル（例えば、Ｖ
bg＝＋１０Ｖ）のバイアス電圧（読み出し選択信号；以
下、「読み出しパルス」と記す）φＢを印加すること
（選択状態）により、ダブルゲート型フォトセンサ１０
をＯＮ状態にする（読み出し期間Ｔread）。

【００４０】ここで、読み出し期間Ｔreadにおいては、
チャネル領域に蓄積されたキャリヤ（正孔）が逆極性の
トップゲート端子ＴＧに印加されたＶtg（−１５Ｖ）を
緩和する方向に働くため、ボトムゲート端子ＢＧのＶbg
（＋１５Ｖ）によりｎチャネルが形成され、ドレイン電
流に応じてドレイン端子Ｄの電圧（ドレイン電圧）ＶＤ
は、図４（ａ）に示すように、プリチャージ電圧Ｖpgか
ら時間の経過とともに徐々に低下する傾向を示す。

【００４１】すなわち、光蓄積期間Ｔａにおける光蓄積
状態が明状態の場合には、図３（ｄ）に示すように、チ
ャネル領域に入射光量に応じたキャリヤ（正孔）が捕獲
されているため、トップゲート端子ＴＧの負バイアスを
打ち消すように作用し、この打ち消された分だけボトム
ゲート端子ＢＧの正バイアスによって、ダブルゲート型
フォトセンサ１０はＯＮ状態となる。そして、この入射
光量に応じたＯＮ抵抗に従って、図４（ａ）に示すよう
に、ドレイン電圧ＶＤは、低下することになる。

【００４２】一方、光蓄積状態が暗状態で、チャネル領
域にキャリヤ（正孔）が蓄積されていない場合には、図
３（ｅ）に示すように、トップゲート端子ＴＧに負バイ
アスをかけることによって、ボトムゲート端子ＢＧの正
バイアスが打ち消され、ダブルゲート型フォトセンサ１
０はＯＦＦ状態となり、図４（ａ）に示すように、ドレ
イン電圧ＶＤが、ほぼそのまま保持されることになる。

【００４３】したがって、図４（ａ）に示したように、
ドレイン電圧ＶＤの変化傾向は、トップゲート端子ＴＧ
へのリセットパルスφＴの印加によるリセット動作の終
了時点から、ボトムゲート端子ＢＧに読み出しパルスφ
Ｂが印加されるまでの時間（光蓄積期間Ｔａ）に受光し
た光量に深く関連し、蓄積されたキャリヤが多い場合
（明状態）には急峻に低下する傾向を示し、また、蓄積
されたキャリヤが少ない場合（暗状態）には緩やかに低
下する傾向を示す。そのため、読み出し期間Ｔreadがス
タートして、所定の時間経過後のドレイン電圧ＶＤ（＝
Ｖrd）を検出することにより、あるいは、所定のしきい
値電圧を基準にして、その電圧に至るまでの時間を検出
することにより、ダブルゲート型フォトセンサ１０に入
射した光（照射光）の光量が換算される。

【００４４】なお、図２に示したタイミングチャートに
おいて、プリチャージ期間Ｔprchの経過後、図３
（ｆ）、（ｇ）に示すように、ボトムゲート端子ＢＧに
ローレベル（例えば、Ｖbg＝０Ｖ）を印加した状態（非
選択状態）を継続すると、ダブルゲート型フォトセンサ
１０はＯＦＦ状態を持続し、図４（ｂ）に示すように、
ドレイン電圧ＶＤは、プリチャージ電圧Ｖpgに近似する
電圧を保持する。このように、ボトムゲート端子ＢＧへ
の電圧の印加状態により、ダブルゲート型フォトセンサ
１０の読み出し状態を選択、非選択状態に切り替える選
択機能が実現される。

【００４５】＜フォトセンサシステム＞次いで、上述し
たダブルゲート型フォトセンサを所定の形式で配列して
構成されるフォトセンサアレイを備えたフォトセンサシ
ステムについて、図面を参照して説明する。ここでは、
複数のダブルゲート型フォトセンサを２次元配列して構
成されるフォトセンサアレイを示して説明するが、複数
のダブルゲート型フォトセンサをＸ方向に１次元配列し
てラインセンサアレイを構成し、該ラインセンサアレイ
をＸ方向に直交するＹ方向に移動させて２次元領域を走
査（スキャン）するものであってもよいことは言うまで
もない。

【００４６】図５は、ダブルゲート型フォトセンサを２
次元配列して構成されるフォトセンサアレイを備えたフ
ォトセンサシステムの概略構成図である。図５に示すよ
うに、フォトセンサシステムは、大別して、多数のダブ
ルゲート型フォトセンサ１０を、例えば、ｎ行×ｍ列
（ｎ、ｍは任意の自然数）のマトリクス状に配列したフ
ォトセンサアレイ１００と、各ダブルゲート型フォトセ
ンサ１０のトップゲート端子ＴＧ（トップゲート電極２
１）及びボトムゲート端子ＢＧ（ボトムゲート電極２
２）を各々行方向に接続して伸延するトップゲートライ
ン１０１及びボトムゲートライン１０２と、各ダブルゲ
ート型フォトセンサ１０のドレイン端子Ｄ（ドレイン電
極１２）を列方向に接続したドレインライン（データラ
イン）１０３と、ソース端子Ｓ（ソース電極１３）を列
方向に接続するとともに、接地電位に接続されたソース
ライン（コモンライン）１０４と、トップゲートライン
１０１に接続されたトップゲートドライバ１１０と、ボ
トムゲートライン１０２に接続されたボトムゲートドラ
イバ１２０と、ドレインライン１０３に接続されたコラ
ムスイッチ１３１、プリチャージスイッチ１３２、アン
プ１３３からなるドレインドライバ１３０と、を有して
構成されている。

【００４７】ここで、トップゲートライン１０１は、図
１に示したトップゲート電極２１とともに、ＩＴＯ等の
透明導電層で一体的に形成され、ボトムゲートライン１
０２、ドレインライン１０３並びにソースライン１０４
は、それぞれボトムゲート電極２２、ドレイン電極１
２、ソース電極１３と同一の励起光に不透明な材料で一
体的に形成されている。また、ソースライン１０４に
は、後述するプリチャージ電圧Ｖpgに応じて設定される
定電圧Ｖssが印加されるが、接地電位（ＧＮＤ）であっ
てもよい。

【００４８】なお、図５において、φtgは、リセット電
圧及び光キャリア蓄積電圧のいずれかとして選択的に出
力される信号φＴ１、φＴ２、…φＴｉ、…φＴｎを生
成するための制御信号であり、φbgは、読み出し電圧及
び非読み出し電圧のいずれかとして選択的に出力される
信号φＢ１、φＢ２、…φＢｉ、…φＢｎを生成するた
めの制御信号、φpgは、プリチャージ電圧Ｖpgを印加す
るタイミングを制御するプリチャージ信号である。

【００４９】このような構成において、トップゲートド
ライバ１１０からトップゲートライン１０１を介して、
トップゲート端子ＴＧに信号φＴｉ（ｉは任意の自然
数；ｉ＝１、２、・・・ｎ）を印加することにより、フ
ォトセンス機能が実現され、ボトムゲートドライバ１２
０からボトムゲートライン１０２を介して、ボトムゲー
ト端子ＢＧに信号φＢｉを印加し、ドレインライン１０
３を介して検出信号をドレインドライバ１３０に取り込
んで、シリアルデータ又はパラレルデータの出力電圧Ｖ
outとして出力することにより、選択読み出し機能が実
現される。

【００５０】ところで、上述したフォトセンサシステム
の駆動制御方法は、基本的には、上述したダブルゲート
型フォトセンサの駆動制御方法（図２参照）を１処理サ
イクルとして、フォトセンサアレイを構成するマトリク
スの行数分シリアル（時系列的）に繰り返すことにより
実現されるが、例えば、読取精度を高精細化するために
フォトセンサアレイを高密度化した場合には、読取動作
のための所要時間が増大して、フォトセンサシステムの
実用化の面で好ましくない。そこで、ダブルゲート型フ
ォトセンサを用いたフォトセンサシステムにおいては、
以下に示すような駆動制御方法を良好に適用することが
できる。

【００５１】図６は、上述したフォトセンサシステムの
駆動制御方法の一例を示すタイミングチャートである。
ここでは、図５に示したフォトセンサシステムの構成を
適宜参照しながら、駆動制御方法を説明する。図６に示
すように、まず、トップゲートドライバ１１０からトッ
プゲートライン１０１を介して、リセットパルスφＴ
１、φＴ２、…φＴｋ、φＴk+1、…φＴｎ（ｋは任意
の自然数；ｋ＝１、２、・・・ｎ−１）を順次印加し
て、リセット期間Ｔrstをスタートし、各行毎のダブル
ゲート型フォトセンサ１０を初期化する。

【００５２】次いで、リセットパルスφＴ１、φＴ２、
…φＴｋ、φＴk+1、…φＴｎが順次立ち下がり、リセ
ット期間Ｔrstが終了することにより、光蓄積期間Ｔａ
がスタートして、各行毎のダブルゲート型フォトセンサ
１０に入射される光量に応じてチャネル領域に電荷（正
孔）が発生し、蓄積される。ここで、図６に示すよう
に、光蓄積期間Ｔａ内に並行して、ドレインドライバ１
３０にプリチャージ信号φpgを印加することにより、プ
リチャージ期間Ｔprchをスタートし、ドレインライン１
０３にプリチャージ電圧Ｖpgを印加して各行毎のダブル
ゲート型フォトセンサ１０のドレイン電極に所定の電圧
を保持させるプリチャージ動作が行われる。

【００５３】次いで、光蓄積期間Ｔａ及びプリチャージ
期間Ｔprchが終了したダブルゲート型フォトセンサ１０
に対して、他の行におけるリセット動作、プリチャージ
動作及び読み出し動作のための各信号の印加タイミング
と時間的に重ならないタイミングで、各行毎にボトムゲ
ートドライバ１２０からボトムゲートライン１０２を介
して、読み出しパルスφＢ１、φＢ２、…φＢｋ、φＢ
k+1、…φＢｎを順次印加して、読み出し期間Ｔreadを
スタートし、各行毎のダブルゲート型フォトセンサ１０
に蓄積された電荷に対応するドレイン電圧ＶＤ１、ＶＤ
２、ＶＤ３、…ＶＤｍの変化を、ドレインドライバ１３
０により、各ドレインライン１０３を介して同時に検出
し、シリアルデータ又はパラレルデータからなる出力電
圧Ｖoutとして読み出す。

【００５４】すなわち、本駆動制御方法においては、行
毎のリセットパルスφＴ１、φＴ２、φＴ３、…φＴ
ｎ、読み出しパルスφＢ１、φＢ２、φＢ３、…φＢ
ｎ、及び、プリチャージ信号φpgの印加タイミングの間
隔（Ｔdly）を、次式に示すように、リセットパルスに
よるリセット期間Ｔrstと、読み出しパルスによる読み
出し期間Ｔreadと、プリチャージ信号によるプリチャー
ジ期間Ｔprchとの合計時間に設定する。Ｔdly＝Ｔrst＋
Ｔprch＋Ｔread ・・・（１）

【００５５】これにより、リセット動作、プリチャージ
動作、読み出し動作が時間的に重なって（同時進行的
に）実行されることがなく、さらに、各行毎の処理サイ
クルの一部を時間的にオーバーラップさせることができ
るので、全ての行におけるリセット動作が終了する前に
読み出し動作を行うことができ、２次元画像の読み出し
動作を良好に実行しつつ、読み出し動作に係る処理時間
を大幅に短縮することができる。

【００５６】また、このことは、換言すれば、上記間隔
（Ｔdly）を基準単位として、その整数倍の時間を光蓄
積期間Ｔａに付加した場合であっても、２次元画像の読
み出し動作に係る処理時間を大幅に増大させることな
く、読み出し動作を良好に実行することができることを
意味している。したがって、各行毎の処理サイクルの一
部を時間的にオーバーラップさせつつ、光蓄積時間Ｔａ
を段階的に変更設定することにより、２次元画像の読取
感度を上記間隔（Ｔdly）を最小単位として任意に調整
制御することができ、被検出体に係る画像が暗い場合等
においても、読取感度を高くして良好に読み取り動作を
行うことができる。

【００５７】＜画像読取装置＞次に、本発明に係る画像
読取装置の一実施形態について、図面を参照して説明す
る。ここでは、上述したダブルゲート型フォトセンサを
フォトセンサとして適用した場合について示す。図７
は、本発明に係る画像読取装置の全体構成を示すブロッ
ク図である。なお、ここでは、図１、図５に示した構成
を適宜参照しながら説明する。また、図５に示したフォ
トセンサシステムと同等の構成については、同一の符号
を付して説明する。

【００５８】図７に示すように、本発明に係る画像読取
装置は、大別して、図５に示したフォトセンサシステム
と同様に、例えば、ダブルゲート型フォトセンサ１０を
２次元配列して構成されるフォトセンサアレイ１００
と、ダブルゲート型フォトセンサ１０のトップゲート端
子ＴＧにリセットパルスを印加するトップゲートドライ
バ１１０と、ダブルゲート型フォトセンサ１０のボトム
ゲート端子ＢＧに読み出しパルスを印加するボトムゲー
トドライバ１２０と、ダブルゲート型フォトセンサ１０
へのプリチャージ電圧の印加及びドレインライン電圧の
読み出しを行うコラムスイッチ１３１、プリチャージス
イッチ１３２、アンプ１３３からなるドレインドライバ
１３０と、読み出されたドレインライン電圧（アナログ
信号）をデジタル信号からなる画像出力信号（画像デー
タ）に変換するアナログ−デジタル変換器（以下、Ａ／
Ｄコンバータと記す）１４０と、フォトセンサアレイ１
００による被検出体画像の読取動作制御やバックライト
１７０の点灯制御、外部機能部１８０とのデータのやり
取り等を行うとともに、上述した一連のリセット動作、
光蓄積動作、プリチャージ動作、読み出し動作に関連す
る各パルス信号の印加タイミングを制御するタイミング
制御機能を備えたコントローラ（しきい値設定手段）１
５０と、読取画像データ等を記憶するＲＡＭ１６０と、
例えば、フォトセンサアレイ１００の背面側に設けら
れ、検知面に載置された被検出体に対して、所定のタイ
ミングで所定の波長を有する可視光線を発光して、照射
する平面型のバックライト１７０と、を有して構成され
ている。

【００５９】ここで、フォトセンサアレイ１００、トッ
プゲートドライバ１１０、ボトムゲートドライバ１２
０、ドレインドライバ１３０は、図５に示したフォトセ
ンサシステムと略同等の構成及び機能を有しているの
で、その詳細な説明を省略する。

【００６０】本実施形態に係るコントローラ１５０は、
トップゲートドライバ１１０及びボトムゲートドライバ
１２０に制御信号φtg、φbgを出力することにより、ト
ップゲートドライバ１１０及びボトムゲートドライバ１
２０の各々から、フォトセンサアレイ１００を構成する
各ダブルゲート型フォトセンサ１０のトップゲート端子
ＴＧ及びボトムゲート端子ＢＧに所定の信号電圧（リセ
ットパルスφＴｉ、読み出しパルスφＢｉ）を印加する
動作を制御する。また、プリチャージスイッチ１３２に
プリチャージ信号φpgを出力することにより、各ダブル
ゲート型フォトセンサ１０のドレイン端子Ｄにプリチャ
ージ電圧Ｖpgを印加して、読み取られた被検出体の画像
パターンに対応して各ダブルゲート型フォトセンサ１０
に蓄積された電荷量に応じたドレイン電圧ＶＤを検出す
る動作を制御する。

【００６１】また、コントローラ１５０には、ドレイン
ドライバ１３０により読み出された出力電圧Ｖoutが、
Ａ／Ｄコンバータ１４０を介してデジタル信号に変換さ
れ、画像出力信号として入力される。コントローラ１５
０は、この画像出力信号に対して、所定の画像処理を施
したり、ＲＡＭ１６０への書き込み、読み出しを行うと
ともに、画像データの照合や加工等の所定の処理を実行
する外部機能部１８０に対するインタフェースとしての
機能をも備えている。

【００６２】特に、コントローラ１５０は、後述するよ
うに、被検出体の画像パターンを読み取る本来の読み取
り動作に先立って、該被検出体を所定の走査方法により
読み取り、各フォトセンサから出力される画像出力信号
の電圧の変位（信号成分）を観測し、該変位電圧の変化
傾向に基づいて、画像パターンの明暗を判別するための
しきい値を設定する機能を備えている。ここで、設定さ
れたしきい値は、例えば、ＲＡＭ１６０に一旦保存さ
れ、上述した被検出体の画像パターンの読み取りの際に
読み出されて、画像パターンの明暗情報を判別する処理
に適用される。

【００６３】＜画像読取装置の駆動制御方法＞次に、本
実施形態に係る画像読取装置の駆動制御方法の一例につ
いて、図面を参照して説明する。なお、以下に示す各動
作（手順Ｓ１１〜Ｓ１４）は、本来（正規）の被検出体
の画像パターンを読み取る動作（手順Ｓ１５）に先立っ
て、上述したコントローラ１５０により制御される。

【００６４】図８は、本発明に係る画像読取装置の駆動
制御方法の一例を示すフローチャートである。なお、こ
こでは上述したフォトセンサシステム及び画像読取装置
の構成（図５、図７）、従来技術に示した被検出体の画
像パターンの読み取り原理（図１０）及び画像出力信号
の変位電圧の分布傾向（図１１、図１２）を適宜参照し
ながら説明する。また、具体例として、本実施形態に係
る画像読取装置を指紋読取装置に適用した場合について
示す。

【００６５】（手順Ｓ１１）図８に示すように、まず、
指紋の認証登録の対象となっている個人の指（被検出
体）を、上述したダブルゲート型フォトセンサ１０から
なるフォトセンサアレイ１００の上方に設けられた検知
面に載置し、フォトセンサアレイ１００の背面側に設け
られたバックライト１７０から、フォトセンサアレイ１
００を構成する透明な層を介して、該指に対して一定の
輝度及び所定の波長を有する光（可視光）を照射するこ
とによって、指紋の凹凸パターン（山部及び谷部）に応
じて散乱、反射した反射光が、マトリクス状に配置され
た各ダブルゲート型フォトセンサ１０に入射する。

【００６６】これにより、各ダブルゲート型フォトセン
サ１０に指紋の凹凸パターンに対応したキャリヤが蓄積
され、各ダブルゲート型フォトセンサ１０の導通状態が
決定されることにより、予め各ダブルゲート型フォトセ
ンサ１０のドレイン端子に印加されたプリチャージ電圧
の一部が放電されて、ドレイン電圧（プリチャージ電
圧）が変化するので、フォトセンサアレイ１００を構成
する各ダブルゲート型フォトセンサ１０を順次走査する
ことにより、指紋の凹凸パターンに対応した電圧（ドレ
イン電圧）を有する画像出力信号が出力される（第１の
ステップ）。

【００６７】具体的には、図１０に示した場合と同様
に、指紋の山部（凸部）においては、バックライト１７
０から照射された光が、連続的に指の皮膚表層内に入射
して、散乱、反射しながら伝搬し、その光の一部が検知
面を介して、山部に対応する位置に配置されたダブルゲ
ート型フォトセンサ１０の半導体層に励起光として入射
されることにより、キャリヤが蓄積されて該ダブルゲー
ト型フォトセンサ１０が十分に導通してプリチャージ電
圧が放電されるので、低い電圧を有する画像出力信号
（明情報に対応；図４（ａ）参照）がドレインドライバ
１３０により検出される。

【００６８】一方、指紋の谷部（凹部）においては、バ
ックライト１７０から照射された光が、一旦、検知面と
谷部の空間を満たす空気層を通過して、皮膚表層に入射
して散乱するが、皮膚表層から空気層へ光が出射しにく
いため、谷部に対応する位置に配置されたダブルゲート
型フォトセンサ１０の半導体層への励起光の入射が抑制
されることにより、キャリヤが十分蓄積されず、ダブル
ゲート型フォトセンサ１０が十分導通しないので、プリ
チャージ電圧の放電は僅かに止まり、ほぼプリチャージ
電圧に近似する高い電圧を有する画像出力信号（暗情報
に対応；図４（ａ）参照）がドレインドライバ１３０に
より検出される。

【００６９】ここで、本手順Ｓ１１における被検出体
（指）の凹凸パターンの読取動作は、図５に示したフォ
トセンサアレイ１００を構成するダブルゲート型フォト
センサ１０の全て（ｍ×ｎ個）を使用するものはなく、
任意の数、あるいは、任意の位置のダブルゲート型フォ
トセンサ１０のみ、例えば、マトリクス状に配置された
ダブルゲート型フォトセンサ１０のうち、１乃至複数個
おきに位置するダブルゲート型フォトセンサ１０のみ、
あるいは、指が載置されている領域のダブルゲート型フ
ォトセンサ１０のみ、予め設定された極一部の領域のダ
ブルゲート型フォトセンサ１０のみを、上述したフォト
センサシステムの駆動制御方法に従って駆動し、画像出
力信号を検出する。

【００７０】（手順Ｓ１２）次いで、上述した任意のダ
ブルゲート型フォトセンサ１０の各々において検出され
た画像出力信号の電圧（ドレイン電圧）と、プリチャー
ジチャージ動作において各ダブルゲート型フォトセンサ
１０に印加されたプリチャージ電圧との差分、すなわ
ち、ドレイン電圧の変位（変位電圧）を算出し、各変位
電圧毎のダブルゲート型フォトセンサ１０の個数（頻
度）を観測する（第２のステップ）。これにより、変位
電圧に対する頻度の分布が得られる。

【００７１】（手順Ｓ１３）次いで、手順Ｓ１２におい
て得られた変位電圧に対する頻度の分布に対して、最小
二乗法を適用して処理することにより、図１１、図１２
に示したような変位電圧の分布傾向を示す軌線が得られ
る。これにより、軌線から検出される極大値（図１１に
おけるＦａ、Ｆｂ）から指紋の山部及び谷部を示す分布
領域（Ｒａ、Ｒｂ）が判明するとともに、極小値（図１
１におけるＦｃ）から指紋の山部と谷部の境界を示す分
布領域（Ｒｃ）が判明する。

【００７２】ここで、本手順Ｓ１３により得られる変位
電圧の分布傾向を示す軌線は、上述した従来技術におい
て示したような、不特定多数の被検出体（指）を用いた
統計的な傾向から得られる平均的な軌線とは異なり、指
紋の認証登録の対象となっている特定個人の指紋の凹凸
パターンに対応した固有のものとなる。したがって、本
手順Ｓ１３により得られる軌線は、厳密には、図１１に
示された軌線とは異なる変位電圧の分布傾向を有してい
ることになる。

【００７３】（手順Ｓ１４）次いで、手順Ｓ１３におい
て得られた変位電圧の分布傾向を示す軌線に基づいて、
極小値となる変位電圧を抽出し、この変位電圧をしきい
値電圧Ｖthとして設定する。これにより、指紋の認証登
録の対象となっている特定個人の指紋の凹凸パターンに
対応したしきい値電圧Ｖthが設定される（第３のステッ
プ）。

【００７４】ここで、手順Ｓ１３において得られた変位
電圧の分布傾向を示す軌線において、複数の極小値が抽
出された場合には、該軌線から指紋の山部と谷部に対応
する一対の極大値を抽出し、該極大値に対応する変位電
圧間に存在する極小値に対応する変位電圧を上記しきい
値電圧Ｖthと認定する。一対の極大値に対応する変位電
圧間に複数の極小値が存在する場合には、一対の極大値
のうち、頻度の低い極大値（すなわち、谷部に対応する
極大値）を基準として、該頻度の低い極大値に対して頻
度の差が最も大きくなる極小値に対応する変位電圧を上
記しきい値電圧Ｖthと認定する。

【００７５】（手順Ｓ１５）次いで、本来の被検出体
（指）の画像パターンを読み取る動作を実行する。すな
わち、指紋の照合、認証の対象となっている個人の指
を、フォトセンサアレイ１００の上方に設けられた検知
面に載置し、フォトセンサアレイ１００の背面側に設け
られたバックライト１７０から光（可視光）を照射する
ことによって、指紋の凹凸パターン（山部及び谷部）に
応じて、マトリクス状に配置された各ダブルゲート型フ
ォトセンサ１０にキャリヤが蓄積され、各ダブルゲート
型フォトセンサ１０の導通状態が決定されるので、フォ
トセンサアレイ１００を構成するｍ×ｎ個の全てのダブ
ルゲート型フォトセンサ１０を順次走査することによ
り、指紋の凹凸パターンに対応した電圧（ドレイン電
圧）を有する画像出力信号が出力される。

【００７６】次いで、プリチャージチャージ動作におい
て各ダブルゲート型フォトセンサ１０に印加されたプリ
チャージ電圧に対する、ダブルゲート型フォトセンサ１
０の各々において検出された画像出力信号の電圧（ドレ
イン電圧）の変位（変位電圧）を算出し、各変位電圧と
上記しきい値電圧Ｖthとを比較することにより、該変位
電圧が検出されたダブルゲート型フォトセンサ１０（読
取画素）が、指紋の凹凸パターンの山部（明領域）に属
するのか、あるいは、谷部（暗領域）に属するのかを判
別して、フォトセンサアレイ１００の全域における画像
パターンを読み取る。

【００７７】（手順Ｓ１６）次いで、手順Ｓ１５におい
て読み取られた画像パターン（指紋の凹凸パターン）
と、予め登録された特定個人の指紋の画像パターンとを
照合し、今回指紋の照合、認証の対象となっている個人
と、上記特定個人とが同一人物であるか否かを認証する
処理を行う。

【００７８】以上のように、本実施例に係る画像読取方
法においては、指紋の初期認証登録時等、指紋の照合、
認証のための本来の被検出体の読取動作に先立って、被
検出体（指）に対して一定の輝度及び波長を有する光を
照射するとともに、任意のダブルゲート型フォトセンサ
のみを駆動して、一回だけ画像パターンを読み取る動作
（サンプリング）を行うことにより検出される画像出力
信号に基づいて、画像パターンに含まれる固有の特徴部
分（指紋の凹凸パターン）を判別するためのしきい値電
圧が設定されるので、本実施例に係るしきい値設定処理
（手順Ｓ１１〜Ｓ１４）を、簡易な手法で迅速に行うこ
とができるとともに、指紋の凹凸パターンを良好に判別
して正確に読み取って、信頼性の高い指紋の照合、認証
を行うことができる指紋読取装置を提供することができ
る。

【００７９】次に、本実施形態に係る画像読取装置の駆
動制御方法の他の例について説明する。ここで、上述し
た実施例と同等の手順については、説明を簡略化又は省
略する。上述した実施例においては、フォトセンサアレ
イを構成するダブルゲート型フォトセンサのうちの、任
意のダブルゲート型フォトセンサを駆動して出力される
画像出力信号に基づく変位電圧の分布傾向を示す軌線か
ら、画像パターンに含まれる固有の特徴部分（指紋の凹
凸パターン）を判別するためのしきい値電圧を設定する
手法に示したが、本実施例に係る画像読取方法は、より
厳密かつ種々の条件に適応するしきい値電圧を設定する
手法により、指紋の照合、認証の精度を向上させるもの
である。

【００８０】（手順Ｓ２１）具体的には、本実施例に係
る画像読取方法は、上述した実施例の手順Ｓ１１におい
て、指紋の認証登録の対象となっている個人の指（被検
出体）を、フォトセンサアレイ１００の上方に設けられ
た検知面に載置し、フォトセンサアレイ１００の背面側
に設けられたバックライト１７０の発光輝度を設定制御
して、第１の輝度を有する光（可視光）を照射する。こ
れにより、バックライト１７０の発光輝度（第１の輝
度）及び指紋の凹凸パターン（山部及び谷部）に応じ
て、マトリクス状に配置された各ダブルゲート型フォト
センサ１０に所定のキャリヤが蓄積され、各ダブルゲー
ト型フォトセンサ１０の導通状態が決定されるので、ダ
ブルゲート型フォトセンサ１０を順次走査することによ
り、指紋の凹凸パターンに対応した電圧（ドレイン電
圧）を有する第１の画像出力信号群が出力される。

【００８１】次いで、バックライト１７０の発光輝度を
再度、設定制御して、上記第１の輝度とは異なる他の輝
度を有する光を上記と同一の指に照射して、指紋の凹凸
パターンに対応した電圧を有する他の画像出力信号群を
出力する動作を複数回繰り返す。このとき、コントロー
ラ１５０は、上記各動作毎にバックライト１７０に設定
した発光輝度をＲＡＭ１６０に記憶する。

【００８２】また、指紋の認証登録の対象となっている
個人の指紋の凹凸パターンの読み取りに際し、駆動され
るダブルゲート型フォトセンサは、フォトセンサアレイ
を構成するｍ×ｎ個の全てのダブルゲート型フォトセン
サ１０であってもよいし、上述した第１の実施例に示し
たように、任意の数又は任意の領域のダブルゲート型フ
ォトセンサであってもよい。

【００８３】（手順Ｓ２２）次いで、上述した実施例の
手順Ｓ１２、Ｓ１３において、各輝度毎に検出された画
像出力信号群の電圧（ドレイン電圧）と、プリチャージ
チャージ動作において各ダブルゲート型フォトセンサ１
０に印加されたプリチャージ電圧との変位（変位電圧）
を算出し、各輝度毎に変位電圧毎のダブルゲート型フォ
トセンサ１０の個数（頻度）を観測して、変位電圧に対
する頻度の分布が得られる。そして、この変位電圧に対
する頻度の分布に対して、最小二乗法を適用して処理す
ることにより、変位電圧の分布傾向を示す軌線群を得
る。

【００８４】（手順Ｓ２３）次いで、上述した実施例の
手順Ｓ１４において、上記変位電圧の分布傾向を示す軌
線群において、各々指紋の山部と谷部に対応する一対の
極大値を抽出し、該一対の極大値のうち、頻度の低い極
大値（すなわち、谷部に対応する極大値）を基準とし
て、各一対の極大値に対応する変位電圧間に存在する極
小値のうち、頻度の差が最も大きくなる極小値に対応す
る変位電圧を上記しきい値電圧Ｖthと認定するととも
に、該極小値（軌線）が得られた発光輝度とを関連付け
てＲＡＭ１６０に記憶する。

【００８５】（手順Ｓ２４）次いで、本来の被検出体
（指）の画像パターンを読み取る動作を実行する。すな
わち、上述した実施例の手順Ｓ１５において、コントロ
ーラ１５０により、バックライト１７０の発光輝度を、
上記しきい値電圧の設定の際に抽出された極小値を有す
る軌線が得られた発光輝度に設定制御し、指紋の照合、
認証の対象となっている個人の指に対して所定の輝度を
有する光（可視光）を照射する。これにより、マトリク
ス状に配置された各ダブルゲート型フォトセンサ１０か
ら、指紋の凹凸パターンに対応した電圧（ドレイン電
圧）を有する画像出力信号が出力される。

【００８６】そして、プリチャージチャージ動作におい
て各ダブルゲート型フォトセンサ１０に印加されたプリ
チャージ電圧に対する、ダブルゲート型フォトセンサ１
０の各々において検出された画像出力信号の電圧（ドレ
イン電圧）の変位（変位電圧）を算出し、各変位電圧と
上記しきい値電圧Ｖthとを比較することにより、各ダブ
ルゲート型フォトセンサ１０（読取画素）が、指紋の凹
凸パターンの山部あるいは谷部のいずれに属するかを判
別して、フォトセンサアレイ１００の全域における画像
パターンを読み取る。

【００８７】以上のように、本実施例に係る画像読取方
法においては、指紋の初期認証登録時等、指紋の照合、
認証のための本来の被検出体の読取動作に先立って、被
検出体（指）に対して異なる輝度を有する光を順次照射
して、複数回画像パターンを読み取る動作（サンプリン
グ）を行うことにより検出される複数の画像出力信号群
に基づいて得られる軌線群のうち、画像パターンに含ま
れる固有の特徴部分（指紋の凹凸パターン）を最も顕著
に示す軌線に基づいてしきい値電圧が設定されるので、
本来の被検出体の読取動作の際に、当該しきい値電圧の
設定条件となった発光輝度で画像パターンを読み取るこ
とにより、指紋の凹凸パターンを一層良好に判別して正
確に読み取ることができ、より信頼性の高い指紋の照
合、認証を行うことができる。

【００８８】なお、上述した実施形態においては、フォ
トセンサとしてダブルゲート型フォトセンサを適用した
場合について示したが、本発明に適用されるフォトセン
サは、このダブルゲート型フォトセンサに限定されるも
のではなく、フォトダイオードやＴＦＴ等、他の構成の
フォトセンサを用いたフォトセンサシステムに対しても
同様に適用することができる。上記の実施形態では、光
学式のフォトセンサであったが、例えば、指の凹凸に応
じて変位する容量を読み取り、しきい値を設定した容量
式フォトセンサに応用することもでき、要するに、複数
のフォトセンサの各々から出力される信号成分（電圧や
変位電圧等）を検出し、各信号成分毎のフォトセンサの
個数（頻度）を観測することにより得られる、信号成分
に対する頻度の変化傾向に基づいて、被検出体の２次元
画像に含まれる特徴部分を判別する構成及び手法を有す
るフォトセンサシステムであれば、本発明に係る画像読
取装置を良好に適用することができる。

【００８９】

【発明の効果】本発明に係る画像読取装置によれば、所
定の形式で配列され、被検出体を走査するフォトセンサ
アレイを備えた２次元画像の画像読取装置において、被
検出体の２次元画像を読み取る本来の読み取り動作に先
立って、しきい値設定手段により、第１のステップで上
記被検出体を走査し、第２のステップで被検出体の２次
元画像の各画素に対応して各フォトセンサから出力され
る信号成分（例えば、出力電圧の変位）を観測し、第３
のステップで該変位の頻度傾向に基づいて、上記２次元
画像に含まれる特徴部分（例えば、明暗パターンや凹凸
パターン）を判別するためのしきい値が設定されるの
で、本来の被検出体の２次元画像の読取動作の際に、該
しきい値、及び、被検出体の２次元画像の各画素に対応
して各フォトセンサから出力される出力電圧に基づい
て、明暗パターンや凹凸パターンを精度良く判別するこ
とができ、被検出体の２次元画像を正確に読み取ること
ができる。したがって、本発明に係る画像読取装置を、
指紋読取装置等の個人認証のための識別装置に適用する
ことにより、各人固有の認証パターン（指紋等）を正確
に読み取ることができ、信頼性の高い個人の識別、認証
機能を備えたシステムを実現することができる。

【００９０】ここで、上述した画像読取装置において、
しきい値設定手段は、複数のフォトセンサのうち、任意
のフォトセンサにより被検出体を走査して、上記信号成
分の頻度を観測するようにしてもよく、これによれば、
被検出体の２次元画像を読み取る本来の読み取り動作に
先立って行われるしきい値の設定処理を、任意の数、あ
るいは、任意の領域のフォトセンサのみを駆動する簡易
かつ迅速な手法により実現することができるとともに、
本来の読み取り動作において２次元画像を正確に読み取
ることができる。

【００９１】また、上述した画像読取装置は、上記検知
面を介して、被検出体に対して所定の光を照射する光源
を備え、上記しきい値設定手段は、該光源の輝度を複数
回変更設定して、光源の輝度設定毎に、複数のフォトセ
ンサにより被検出体を走査して、信号成分の頻度を観測
するものであってもよく、これによれば、上記しきい値
を被検出体の２次元画像に、より対応させて設定するこ
とができるので、本来の読み取り動作において２次元画
像をより正確に読み取ることができる。

【００９２】なお、上記しきい値は、信号成分の頻度に
基づく最小二乗法により算出される特性曲線に基づいて
設定することができる。これにより、上記信号成分の頻
度傾向（変化傾向）をより的確に把握することができる
ので、上記しきい値を被検出体の２次元画像に、より対
応させて設定することができる。

【００９３】さらに、上述した画像読取装置において、
上記フォトセンサは、半導体層からなるチャネル領域を
挟んで形成されたソース電極及びドレイン電極と、少な
くとも前記チャネル領域の上方及び下方に各々絶縁膜を
介して形成された第１のゲート電極及び第２のゲート電
極と、を有するダブルゲート型フォトセンサにより構成
され、第１のゲート電極にリセットパルスを印加してフ
ォトセンサを初期化し、ドレイン電極にプリチャージパ
ルスを印加した後、第２のゲート電極に読み出しパルス
を印加することにより、初期化終了から読み出しパルス
の印加までの電荷蓄積期間に、チャネル領域に蓄積され
た電荷に対応する電圧を出力電圧として出力し、上記画
像読取装置は、プリチャージパルスに係る信号電圧と出
力電圧との差分を、上記信号成分として観測するもので
あってもよい。

【００９４】これにより、フォトセンサアレイを構成す
るフォトセンサを薄型、小型化することができるととも
に、読取画素を高密度化して被検出体の２次元画像を高
精細な画像として読み取ることができる。以上のよう
に、本発明に係る画像読取装置及びその駆動制御方法
は、人間の指を被検出体とし、指紋により個人の識別、
認証を行う指紋読取装置等の個人認証のための識別装置
に良好に適用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る画像読取装置に適用されるダブル
ゲート型フォトセンサの概略構成を示す断面構造図であ
る。

【図２】ダブルゲート型フォトセンサの基本的な駆動制
御方法の一例を示すタイミングチャートである。

【図３】ダブルゲート型フォトセンサの動作概念図であ
る。

【図４】ダブルゲート型フォトセンサの出力電圧の光応
答特性を示す図である。

【図５】ダブルゲート型フォトセンサを２次元配列して
構成されるフォトセンサアレイを備えたフォトセンサシ
ステムの概略構成図である。

【図６】フォトセンサシステムの駆動制御方法の一例を
示すタイミングチャートである。

【図７】本発明に係る画像読取装置の全体構成を示すブ
ロック図である。

【図８】本発明に係る画像読取装置の駆動制御方法の一
例を示すフローチャートである。

【図９】従来技術におけるダブルゲート型フォトセンサ
を備えた指紋読取装置の概略構成図である。

【図１０】従来技術におけるダブルゲート型フォトセン
サを備えた指紋読取装置の要部断面図である。

【図１１】ダブルゲート型フォトセンサから出力される
画像出力信号に基づく変位電圧の分布傾向を示す分布特
性図である。

【図１２】従来技術における問題点を説明するための変
位電圧の分布傾向を示す分布特性図である。

【符号の説明】

１０ダブルゲート型フォトセンサ１００フォトセンサアレイ１１０トップゲートドライバ１２０ボトムゲートドライバ１３０コラムスイッチ１５０コントローラ１６０ＲＡＭ１７０バックライト１８０外部機能部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】マトリクス状又はライン状に配列した複
数のフォトセンサにより所定の検知面上に載置された被
検出体を走査し、該被検出体の２次元画像の各画素に対
応して前記複数のフォトセンサの各々から出力される信
号成分に基づいて、前記２次元画像を読み取る画像読取
装置において、本来の前記２次元画像の読み取り動作に先立って、前記
複数のフォトセンサにより前記被検出体を走査し、該被
検出体の２次元画像の各画素に対応して前記複数のフォ
トセンサの各々から出力される前記信号成分の頻度を観
測し、該信号成分の頻度傾向に基づいて、前記２次元画
像に含まれる特徴部分を判別するためのしきい値を設定
するしきい値設定手段を備えたことを特徴とする画像読
取装置。
【請求項２】前記しきい値設定手段は、前記複数のフ
ォトセンサのうち、任意のフォトセンサにより前記被検
出体を走査して、前記信号成分の頻度を観測することを
特徴とする請求項１記載の画像読取装置。
【請求項３】前記画像読取装置は、前記検知面を介し
て、前記被検出体に対して所定の光を照射する光源を備
え、前記しきい値設定手段は、前記光源の輝度を複数回変更
設定して、該光源の輝度設定毎に、前記複数のフォトセ
ンサにより前記被検出体を走査して、前記信号成分の頻
度を観測することを特徴とする請求項１又は２記載の画
像読取装置。
【請求項４】前記しきい値設定手段は、前記信号成分
の頻度に基づく最小二乗法により算出される特性曲線に
基づいて、前記しきい値を設定することを特徴とする請
求項１乃至３のいずれかに記載の画像読取装置。
【請求項５】前記フォトセンサは、半導体層からなる
チャネル領域を挟んで形成されたソース電極及びドレイ
ン電極と、少なくとも前記チャネル領域の上方及び下方
に各々絶縁膜を介して形成された第１のゲート電極及び
第２のゲート電極と、を有し、前記第１のゲート電極にリセットパルスを印加して前記
フォトセンサを初期化し、前記ドレイン電極にプリチャ
ージパルスを印加した後、前記第２のゲート電極に読み
出しパルスを印加することにより、前記初期化終了から
前記読み出しパルスの印加までの電荷蓄積期間に、前記
チャネル領域に蓄積された電荷に対応する電圧を出力電
圧として出力し、前記画像読取装置は、前記プリチャージパルスに係る信
号電圧と前記出力電圧との差分を、前記信号成分として
観測することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに
記載の画像読取装置。