JP2003091717A

JP2003091717A - 画像読取装置及び画像読取方法

Info

Publication number: JP2003091717A
Application number: JP2001283253A
Authority: JP
Inventors: Yasuo Koshizuka; 靖雄腰塚
Original assignee: Casio Computer Co Ltd
Current assignee: Casio Computer Co Ltd
Priority date: 2001-09-18
Filing date: 2001-09-18
Publication date: 2003-03-28

Abstract

(57)【要約】【課題】光学式の画像読取装置において、環境光に起
因する画像読取動作の不具合の発生を抑制して、被写体
の画像パターンを良好に読み取ることができる画像読取
装置及び画像読取方法を提供する。【解決手段】画像読取装置は、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と、Ａ／Ｄコ
ンバータ１４０と、各ダブルゲート型フォトセンサ１０
から出力される出力電圧の変化傾向を監視して、該出力
電圧に対して後述する所定の補正処理を実行することに
より、環境光の入射に起因して明暗傾斜や明度のばらつ
きが生じた読取画像の明暗状態を適正化する機能を備え
たコントローラ１５０と、読取画像データ等を記憶する
ＲＡＭ１６０と、検知面Ｆｄに載置された被写体ＳＵＢ
に対して、可視光線を照射するバックライト１７０と、
を有して構成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、画像読取装置及び
画像読取方法に関し、特に、複数のフォトセンサが配列
されたフォトセンサアレイからの被写体の画像パターン
情報を読み取る画像読取装置及び画像読取方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、印刷物や写真、あるいは、指紋等
の微細な凹凸形状等の画像パターンを読み取る技術とし
て、光電変換素子（フォトセンサ）をマトリクス状に配
列して構成されるフォトセンサアレイを適用した光学式
の画像読取装置が知られている。そして、このような光
学式の画像読取装置は、一般に、フォトセンサアレイの
一面側に設けられた検知面上に載置された被写体に対し
て、フォトセンサアレイの他面側（背面側）に配置され
たバックライトから所定の光を照射し、被写体に反射し
て各フォトセンサに入射する反射光の光量に応じて蓄積
される電荷量を検出することにより、被写体の画像パタ
ーンに対応した明暗情報を読み取るものである。なお、
フォトセンサ、フォトセンサアレイ及び画像読取装置の
具体的な構成及び動作については、後述する。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述したよ
うな画像読取装置においては、屋外での使用等、画像読
取時の環境光（日光や照明光等）の強度や入射方向、あ
るいは、検知面への被写体の載置位置や角度等の諸条件
に起因して、次に示すような不具合が生じるという問題
を有している。以下、具体的に、画像読取装置を指紋読
取装置に適用した場合について説明する。

【０００４】すなわち、指紋読取装置における通常の指
紋読取動作においては、図１７の要部断面図に示すよう
に、バックライトＢＬから放射された光Ｒ１がフォトセ
ンサアレイＰＳＡ上面の検知面Ｆｄに載置された被写体
（指）ＳＵＢに照射されると、指紋ＦＰの凸部（山部）
ＦＰａにおいては、被写体ＳＵＢが検知面Ｆｄに密着す
るので、皮膚の屈折率に基づいて、光Ｒ１の多くが被写
体ＳＵＢとフォトセンサアレイＰＳＡとの境界面等、す
なわち、検知面Ｆｄ等で反射して、凸部ＦＰａ近傍に配
列されたフォトセンサＰＳに入射する反射光Ｒ２の光量
が増加する。これに対して、指紋ＦＰの凹部（谷部）Ｆ
Ｐｂでは被写体ＳＵＢと検知面Ｆｄとの間に形成される
空気層の屈折率に基づいて、光Ｒ１の大部分は該空気層
に進入、透過するため、検知面Ｆｄではあまり反射せ
ず、フォトセンサＰＳに入射する反射光Ｒ２が減少す
る。

【０００５】一方、上述したような指紋読取動作におい
て、被写体ＳＵＢである人体（指）の皮膚の表層部分
（皮膚表層）ＦＰｓは半透明であるため、屋外の日向や
屋内であっても照明の強い使用条件の下で画像読取動作
を行う場合、図１８に示すように、日光や照明光等の環
境光Ｒ３のうち、ある程度の光の透過が生じるととも
に、特定の波長成分（特に、赤色系）を有する光Ｒ４が
皮膚表層ＦＰｓ内を透過、散乱して、被写体ＳＵＢと検
知面Ｆｄの境界付近で光Ｒ５として放出されて、その一
部が被写体ＳＵＢの近傍に配列されたフォトセンサＰＳ
に入射する。このような被写体（指）を透過してフォト
センサＰＳに入射する光は、概ね環境光全体の１％程度
であることが、本願発明者により確認されている。

【０００６】そして、このような環境光による影響を受
けた読取画像は、被写体ＳＵＢの画像パターン（指紋の
凹凸形状）に対応した明暗情報が均一に取得されなくな
り、例えば、図１９（ａ）に示すように、読取画像の特
定の方向に明度が傾斜的に変化したり（明暗傾斜が生じ
たり）、読取画像の全体や一部の領域で明度がばらつい
て、鮮明な画像を得ることができなくなる。なお、図１
９（ａ）においては、説明を簡単にするため、読取画像
の特定の方向（図面右方向）から環境光が入射して、明
度が線形的に高くなる明暗傾斜を有している場合につい
て示す。

【０００７】すなわち、図１８に示した環境光Ｒ３によ
り、被写体（指）ＳＵＢと検知面Ｆｄの境界付近で光Ｒ
５が放出されることにより、図１７に示した指紋ＦＰの
凸部ＦＰａ及び凹部ＦＰｂのいずれの近傍に配列された
フォトセンサＰＳにも光Ｒ５（環境光Ｒ３）が入射し
て、電荷が蓄積される。ここで、図１９（ａ）に示した
読取画像の特定の行を構成する各列のフォトセンサＰＳ
からの検出電圧（出力電圧）の変化傾向の例を図１９
（ｂ）に示す。なお、図１９（ｂ）は、フォトセンサに
入射した光量が多い（蓄積された電荷量が多い）ほど、
低い検出電圧が得られる検出方式のフォトセンサシステ
ムを採用した場合における検出電圧の変化傾向の一例を
概略的に示したのものであって、測定データを示すもの
ではない。

【０００８】図１９（ｂ）において、黒丸のデータは、
指紋の凸部に対応する位置に配列されたフォトセンサＰ
Ｓからの検出電圧を示し、バックライトからの照射光の
反射により蓄積される電荷量が多くなることから低い値
（最低値）を示す。また、白丸のデータは、指紋の凹部
に対応する位置に配列されたフォトセンサＰＳからの検
出電圧を示し、蓄積される電荷量が少なくなることから
高い値（最高値）を示す。

【０００９】図１９（ａ）に示した読取画像にあって
は、図面右方向から環境光が入射して、明度が線形的に
高くなる明暗傾斜を有しているため、図１９（ｂ）に示
すように、フォトセンサからの検出電圧の最低値及び最
高値の変化傾向Ｓａ、Ｓｂは、ａ列からｂ列方向に向か
って、いずれも線形的に顕著に低下する傾向を示すとと
もに、各列（又は、隣接する列相互）の最低値と最高値
の検出電圧が近似して、その差分が顕著に減少する傾向
を示す。これにより、環境光の影響を受けた読取画像の
領域においては、正確な明暗情報が取得されなくなる。
そのため、各フォトセンサの配列位置における指紋の凸
部、凹部の判別が困難となって、被写体の画像パターン
の判別処理、具体的には、読取画像と予め登録された画
像との比較、照合を行う指紋照合処理等の精度が低下し
て、誤動作や誤認識等の不具合を生じるという問題を有
していた。

【００１０】なお、上述したような環境光が指紋読取動
作に及ぼす影響は、より具体的には、例えば、図２０
（ａ）に示すように、環境光Ｒ３の照射強度や入射角度
αのみならず、図２０（ｂ）に示すように、検知面Ｆｄ
に載置される被写体（指）ＳＵＢの載置位置や載置方
向、載置角度β等にも依存する。さらに、本願発明者に
よる検証によれば、環境光が概ね１０００Ｌｘ以上の明
るい環境では、上述した不具合の発生が一層顕著になる
ことが確認されている。

【００１１】ところで、従来、上述したような環境光の
影響を抑制するための技術として、画像読取装置とは別
個に環境光の強度等を検出するためのセンサを設け、画
像読取動作（指紋読取動作）の前に検出された環境光の
強度等に基づいて、画像読取動作における感度を変更設
定するものが知られているが、このような技術において
は、装置構成の大型化や製品コストの上昇を招くため、
今後、画像読取装置（特に、指紋読取装置等の個人認証
装置に適用される画像読取装置）の普及が予想されるパ
ーソナルコンピュータや携帯電話、携帯情報端末等の携
帯機器への適用を阻害するという問題を有している。

【００１２】そこで、本発明は、上述した問題点に鑑
み、光学式の画像読取装置において、環境光に起因する
画像読取動作の不具合の発生を抑制して、被写体の画像
パターンを良好に読み取ることができる画像読取装置及
び画像読取方法を提供することを目的とする。

【００１３】

【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、被写体の画像パターンに対応した明暗情報を生成
する画像読取装置において、前記被写体の画像パターン
に応じたフォトセンサからの検出信号の平均値の変化傾
向に基づいて前記明暗情報を規定する前記検出信号を補
正することを特徴としている。

【００１４】そして、本発明に係る画像読取方法は、被
写体の画像パターンに対応した明暗情報を生成する画像
読取方法において、前記被写体の画像パターンに対応し
た前記検出信号をフォトセンサから読み出す手順と、前
記読み出した検出信号の平均値の変化傾向を抽出する手
順と、前記検出信号の平均値の変化傾向に基づいて、前
記フォトセンサへの環境光の入射状態を判定する手順
と、前記環境光の入射状態に応じて、前記検出信号の平
均値の変化を相殺するように補正する手順と、を有する
ことを特徴としている。

【００１５】環境光の入射や検知面への被写体の載置状
態等により、被写体の各位置に応じて入射される光量が
異なり、複数のフォトセンサの検出信号（例えば出力電
圧）の平均値に所定の変化傾向が生じてしまい、そのま
までは画像パターンの全体的な明暗のバランスが不正確
になってしまった場合には、算出した平均値からその変
化傾向を判別して適正な出力電圧に補正することによっ
て、読取画像の明暗状態を適切に判定することが可能と
なり、特に全体的に入射光のアンバランスを補正した正
確な多階調の画像データに修正でき、指紋照合処理等の
画像照合処理における誤動作や誤認識等の発生を抑制す
ることができる。また、この場合、環境光の強度等を検
出するためのセンサ等を別個に設ける必要がないので、
画像読取装置の装置構成の大型化や製品コストの上昇を
抑制して、携帯機器への適用を促進することもできる。

【００１６】ここで、上述したような画像読取装置とし
ては、具体的には、被写体の画像パターンに対応した検
出信号を読み出す信号読出手段と、該読み出した検出信
号の平均値の変化傾向を抽出する変化傾向抽出手段と、
検出信号の平均値の変化を相殺するように、検出信号の
最低値及び最高値を補正する検出信号補正手段と、を備
えた構成を適用することができる。

【００１７】また、上記画像読取装置は、変化傾向抽出
手段により算出された検出信号の平均値の変化傾向に基
づいて、あるいは、信号読出手段により読み出された検
出信号の最低値と最高値に基づいて、フォトセンサへの
環境光の入射状態を判定することにより、環境光の入射
の度合や、それによる読取画像や画像認証動作への影響
を把握して、読み出された検出信号に対して補正処理を
実行するか否かを判断することができるので、不要な補
正処理を実行することなく、被写体の画像パターンに対
応した良好な明暗情報を得ることができる。

【００１８】そして、上記画像読取装置及び画像読取方
法において、検出信号補正手段により実行される補正処
理は、検出信号の最低値及び最高値の各々から前記平均
値を減算し、該減算結果（差電圧）に基づいて上記明暗
状態を判定するものであってもよいし、あるいは、検出
信号の平均値と所定の基準値との差分を重み付け補正値
として規定して、検出信号の最低値及び最高値に重み付
け補正値を加算し、該補正された検出信号の最低値及び
最高値に基づいて上記明暗状態を判定するものであって
もよい。これによれば、加減演算等の簡易な補正処理に
より、検出信号から環境光の影響を排除することができ
るとともに、前者では差電圧の極性のみに基づいて、ま
た、後者では検出信号の平均値と補正後の検出信号の最
低値又は最高値との大小関係のみに基づいて、読取画像
を構成する各画素の明暗状態を一義的に良好に判定する
ことができる。

【００１９】さらに、上記画像読取装置においては、検
出信号の最低値又は最高値に関する所定の許容範囲を設
定し、該許容範囲を逸脱する検出信号の最低値又は最高
値を異常点と判定して、該異常点が存在する場合には、
被写体の画像パターンに対応した各画素の明暗状態の判
定処理において、当該異常点の検出信号を除外すること
が可能となる。これによれば、検出信号の最低値又は最
高値が、検出信号に設定した所定の許容範囲内にあるか
否かを判別することにより、異常点の有無を判定するこ
とができるので、異常点が検出された場合には、該異常
点に対応する検出信号を、明暗状態の判定処理の対象か
ら除外することにより、読取画像の明暗状態が不正確と
なることを防止して、被写体の画像パターンに対応した
良好な明暗情報を得ることができる。

【００２０】なお、上記画像読取装置は、前記フォトセ
ンサを備え、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、被写体
により反射された反射光の光量に応じてチャネル領域に
蓄積された電荷に対応する電圧を、上記検出信号として
出力するものであってもよい。

【００２１】すなわち、上記フォトセンサは、各々所定
のタイミングでトップゲート電極（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、ボトムゲート電
極（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。これにより、複数
のフォトセンサにより構成されるフォトセンサアレイを
薄型化、小型化して、読取画素を高密度化し、被検出体
の画像パターンを高精細な画像として読み取ることがで
きるので、読取画像に基づく画像照合処理の精度を向上
することができる。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下に、本発明に係る画像読取装
置の実施の形態について、詳しく説明する。＜フォトセンサ＞まず、本発明に係る画像読取装置に適
用可能なフォトセンサ及びフォトセンサシステムについ
て説明する。本発明に係る画像読取装置に適用可能なフ
ォトセンサとしては、ＭＯＳトランジスタやＣＣＤ（Ch
arge Coupled Device）等の一般的な固体撮像デバイス
を用いることができる。

【００２３】このような固体撮像デバイスは、周知の通
り、フォトダイオードや薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：Th
in Film Transistor）等のフォトセンサを読取画素とし
て、マトリクス状に配列した構成を有し、各フォトセン
サの受光部に照射された光量に応じて発生する電子−正
孔対の量（電荷量）を、水平走査回路及び垂直走査回路
により検出することにより、被写体の画像パターンに対
応する各読取画素毎の照射光の輝度を検知するものであ
る。ところで、このようなフォトセンサシステムにおい
ては、走査された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、検
出画素数が増加するにしたがってシステムの構成自体が
大型化するという問題を有している。

【００２４】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
ブルゲート型トランジスタ」という）が開発され、シス
テム構成の小型化、及び、画素の高密度化を図る試みが
なされている。そして、このようなダブルゲート型トラ
ンジスタを適用したフォトセンサシステムは、後述する
本発明に係る画像読取装置に対しても、良好に適用する
ことができる。

【００２５】ここで、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トランジスタによるフォトセンサ
（以下、「ダブルゲート型フォトセンサ」と記す）につ
いて、図面を参照して説明する。＜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。

【００２６】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等の透明電極層からなり、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。

【００２７】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、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、ＩＴＯ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。

【００２８】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。

【００２９】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（１処理サイクル）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（ドレイン電圧）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。

【００３０】まず、リセット動作（初期化動作）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Ｔrst）。

【００３１】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。

【００３２】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）。

【００３３】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
（＋１０Ｖ）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。

【００３４】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。

【００３５】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。

【００３６】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
た光量に密接に関連し、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。

【００３７】上述した一連の画像読取動作を１サイクル
として、各行のダブルゲート型フォトセンサ１０にも同
等の処理手順を繰り返すことにより、ダブルゲート型フ
ォトセンサを２次元のセンサシステムとして動作させる
ことができる。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。

【００３８】＜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（信号読出手段）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。

【００３９】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（左右方向）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（上下方向）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）１
０４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。

【００４０】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
透明電極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。

【００４１】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。

【００４２】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を介して出力電圧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
（検出信号）Ｖout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。

【００４３】図６は、上述したようなフォトセンサシス
テムを適用した画像読取装置の要部断面図である。な
お、ここでは、被写体として指の画像パターン（指紋）
を読み取る場合の動作について説明する。また、図示の
都合上、フォトセンサシステムの断面部分を表すハッチ
ングを省略する。図６に示すように、指紋等の画像パタ
ーンを読み取る画像読取装置においては、ダブルゲート
型フォトセンサ１０が形成されたガラス基板等の絶縁性
基板１９下方側に設けられたバックライト（面光源）Ｂ
Ｌから照射光Ｌａを入射させ、この照射光Ｌａがダブル
ゲート型フォトセンサ１０（詳しくは、ボトムゲート電
極２２、ドレイン電極１２、ソース電極１３）の形成領
域を除く、透明な絶縁性基板１９と絶縁膜１５、１６、
２０を透過して、保護絶縁膜２０上面の検知面（指紋検
出面）Ｆｄに載置された被写体（指）ＳＵＢに照射され
る。

【００４４】ここで、画像読取装置による指紋の読取動
作時においては、被写体ＳＵＢである指の皮膚表層ＦＰ
ｓが、フォトセンサアレイ１００の最上面の検知面Ｆｄ
（保護絶縁膜２０）に接触することにより、保護絶縁膜
２０と皮膚表層ＦＰｓとの間の界面に屈折率の低い空気
層がなくなる。なお、一般に、皮膚表層ＦＰｓの厚さは
６５０ｎｍより厚いことが知られているので、指紋ＦＰ
の凸部ＦＰａにおいて被写体（指）ＳＵＢの内部に入射
された光Ｌａは、皮膚表層ＦＰｓ内を散乱、反射しなが
ら伝搬する。

【００４５】そして、伝搬された光Ｌｂの一部は、透明
な絶縁膜２０、１５、１４及び透明なトップゲート電極
２１を透過してダブルゲート型フォトセンサ１０の半導
体層１１に励起光として入射される。このように、被写
体（指）ＳＵＢの凸部ＦＰａ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１１に光
が入射されて生成されるキャリヤ（正孔）が蓄積される
ことにより、上述した一連の駆動制御方法にしたがっ
て、被写体（指）ＳＵＢの画像パターン（指紋ＦＰ）を
明情報として読み取ることができる。

【００４６】また、指紋ＦＰの凹部ＦＰｂにおいては、
バックライトＢＬから照射された光Ｌａは、検知面Ｆｄ
と空気層との間の界面を通過し、空気層の先の被写体
（指）ＳＵＢに到達して皮膚表層ＦＰｓ内で散乱する
が、皮膚表層ＦＰｓは空気より屈折率が高いため、ある
角度で界面に入射された皮膚表層ＦＰｓ内の光Ｌｃは空
気層に抜けにくく、凹部ＦＰｂ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１１へ
の入射が抑制される。上述した一連の駆動制御方法にし
たがって、被写体（指）ＳＵＢの画像パターン（指紋Ｆ
Ｐ）を暗情報として読み取ることができる。なお十分に
明るい環境下においては、バックライトＢＬを用いるこ
となく指に入射される外光のみで明暗情報を得ることが
できる。

【００４７】＜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。図７は、本発明に係る画像読取装置の一実施形態を
示す概略構成図である。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１００による被写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１５０と、読
取画像等のデータを記憶する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
Ｆｄに載置された被写体ＳＵＢに対して、所定の波長を
有する可視光線を発光、照射する平面型のバックライト
（光源）１７０と、を有して構成されている。

【００４８】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（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
構成は、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。また、バックライト１７０は、所定の波長を有す
る可視光を発光する光源（図示を省略）と、透明なアク
リル等の合成樹脂板により構成され、光源から発せられ
て入射した光を内部で均一に散乱させ、フォトセンサア
レイ１００上方の検知面Ｆｄに載置された被写体ＳＵＢ
に略均一に照射光を照射する導光板と、を有して構成さ
れる面光源である。

【００４９】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、読み取られた被写体の画像パ
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。

【００５０】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。

【００５１】特に、コントローラ１５０は、以下に示す
ように、各ダブルゲート型フォトセンサ１０から出力さ
れる出力電圧（検出信号）の変化傾向を監視して、該出
力電圧に対して後述する所定の補正処理を実行すること
により、環境光の入射に起因して明暗傾斜や明度のばら
つきが生じた読取画像の明暗状態を適正化する機能、さ
らには、ダブルゲート型フォトセンサ１０の動作不良
（画素不良）や検知面Ｆｄへの異物の付着等による異常
点（異常画素）を抽出して排除する機能をも備えてい
る。すなわち、コントローラ１５０は、本発明における
変化傾向抽出手段、検出信号補正手段、明暗状態判定手
段及び異常点判定手段としての機能を備えている。

【００５２】＜画像読取方法＞次に、本実施形態に係る
画像読取装置の動作処理（画像読取方法）の第１の例に
ついて、図面を参照して説明する。ここで、以下に示す
一連の制御動作は、上記コントローラにより実行され
る。図８は、本実施形態に係る画像読取装置の動作処理
の第１の例を示すフローチャートであり、図９は、本実
施形態に係る画像読取装置の動作（画像読取方法）に適
用される補正処理を示す出力電圧の変化傾向を示す図で
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）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。

【００５３】（手順ＳＴ１１）図８に示すように、ま
ず、画像読取処理においては、指紋の認証処理の対象と
なっている個人の指（被写体）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１０
０の上方に設けられた検知面Ｆｄ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１７
０から、フォトセンサアレイ１００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（可視光や赤外光等）を照射することによって、
指紋の凹凸形状（画像パターン）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。このとき、上述したフ
ォトセンサシステムにおける一連の画像読取動作（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）を実行することにより、指紋の凹凸形状に対応した
出力電圧を取得する。

【００５４】ここで、従来技術（図１８（ａ）参照）に
示したように、読取画像の特定の方向（ここでは、図面
右方向）から環境光の入射が生じている場合には、図９
（ａ）に示すように、図１８（ｂ）に示した場合と同様
に、全てのダブルゲート型フォトセンサ１０により読み
出された出力電圧Ｖrdを各列毎の最高値と最低値をそれ
ぞれプロットする。つまり、実測された各最高値（図
中、白丸で表記）は、各列において最も反射光量が小さ
く、指の凹部に対応するもので、実測された各最低値
（図中、黒丸で表記）は、各列において最も反射光量が
大きく、指の凸部に対応するものである。そして、変化
傾向Ｓａは、各列（１行分、すなわちｎ個の）のダブル
ゲート型フォトセンサ１０毎に実測された各最低値を最
小二乗法により得られる連続した軌跡で示され、変化傾
向Ｓｂは、各列のダブルゲート型フォトセンサ１０毎に
実測された各最高値を最小二乗法により得られる連続し
た軌跡で示されている。

【００５５】（手順ＳＴ１２）次いで、出力電圧補正処
理においては、上記手順ＳＴ１１により取得された所定
列における変化傾向Ｓａ上の出力電圧値及び前記所定列
における変化傾向Ｓｂ上の出力電圧値の和を２で割った
平均値を各列毎に算出し、これら平均値の変化傾向Ａｖ
を決定する。

【００５６】ここで、図９（ａ）に示すように、正常に
機能しない、あるいは、破壊されたダブルゲート型フォ
トセンサ１０により出力電圧Ｅ１、Ｅ２が発生する恐れ
があり、単純に各列の最高値及び最低値の２値の平均値
と定義すると、その傾向に著しいズレが生じるが、最小
二乗法により得られた変化傾向Ｓａ、Ｓｂの軌線に基づ
いて各列毎に算出された最高値及び最低値から平均値を
とっているので、全列のダブルゲート型フォトセンサ１
０の最高値の傾向及び最低値の傾向が反映され、わずか
な数のエラー出力電圧Ｅ１、Ｅ２による影響はほとんど
みられない。外光により列毎に光の入射の程度が異なる
のであれば、各列での実測値である最低値及び最高値
を、対応する列の上記平均値から引いた差電圧Ｖａ、Ｖ
ｂの値は列毎に異なることになる。

【００５７】（手順ＳＴ１３）ここで、変化傾向Ｓａ、
Ｓｂより算出された平均値が各列で均一で、その変化傾
向Ａｖの傾きが略０である場合には、各列での明暗に傾
斜が生じていないと判定して、各ダブルゲート型フォト
センサ１０により得られた各出力電圧値から読取画像の
明暗状態を確定し（手順ＳＴ１６）、一方、変化傾向Ｓ
ａ、Ｓｂより算出された平均値が各列で不均一で顕著に
変化してしまったために、その変化傾向Ａｖの傾きが大
きい場合には、読取画像の特定の方向からの環境光の入
射度合が高く、少なくとも、各列での明暗に傾斜が生じ
ていると判定して、出力電圧補正処理を継続する。

【００５８】（手順ＳＴ１４）次いで、全てのダブルゲ
ート型フォトセンサ１０により実測された各出力電圧
を、対応する列の上記平均値から減じた電圧振幅を抽出
する処理を行う。ここで、指紋の凸部に対応した実測値
の出力電圧（最低値）は、上記平均値との減算処理によ
り負の電圧値（差電圧）を示し、指紋の凹部に対応した
実測値の出力電圧（最高値）は、上記平均値との減算処
理により正の電圧値（差電圧）を示すことになる。な
お、図９（ａ）に示したように、各列（又は、隣接する
列相互）の実測値の最低値と最高値の出力電圧が近似す
る傾向にある場合には、上記差分を抽出する処理を行っ
た場合であっても、図９（ｂ）に示すように、環境光の
入射方向（ａ列からｂ列方向）に、その差電圧の絶対値
が減少する変化傾向Ｓａ１、Ｓｂ１を示す。

【００５９】（手順ＳＴ１５）次いで、明暗状態判定処
理においては、図９（ｂ）における各列毎の差電圧の分
布に基づいて、平均値よりも小さい、すなわち、負の差
電圧を有する列のダブルゲート型フォトセンサ１０を指
紋の凸部に対応した出力電圧が得られた明状態の画素と
判定し、一方、平均値よりも大きい、すなわち、正の差
電圧を有する列のダブルゲート型フォトセンサ１０を指
紋の凹部に対応した出力電圧が得られた暗状態の画素と
判定する。これにより、差電圧の極性符号のみに基づい
て、極めて簡易な制御動作により、読取画像を構成する
各画素の明暗状態が判定される。

【００６０】（手順ＳＴ１６／ＳＴ１７）次いで、上記
手順ＳＴ１５により判定された各画素毎の明暗状態に基
づいて、読取画像全体の明暗状態が確定され、その後、
画像照合処理において、該読取画像と予め登録された認
証画像とを比較、照合する処理が実行される。したがっ
て、上述した一連の動作処理によれば、被写体の画像パ
ターンに対応して各ダブルゲート型フォトセンサから出
力される出力電圧が、環境光の入射により読取画像の特
定の方向に顕著な変化傾向を示す場合や、読取画像の全
体や一部の領域で明度のばらつきが生じている場合であ
っても、読取画像の明暗状態を適切に判定することがで
きるので、被写体の画像パターンに対応した良好な明暗
情報を得ることができ、指紋照合処理等における誤動作
や誤認識等の発生を抑制することができる。

【００６１】なお、本実施形態においては、図９に示し
たように、出力電圧の最低値及び最高値に基づく変化傾
向Ｓａ、Ｓｂがいずれも、行方向（図面左右方向であっ
て、ａ列からｂ列方向）に所定の線形性を有して減少す
る場合の補正処理についてのみ説明したが、本発明はこ
れに限定されるものではなく、出力電圧の変化傾向Ｓ
ａ、Ｓｂが、例えば、図１０（ａ）に示すように、非線
形性を有して（曲線状に）減少又は増加する場合であっ
ても良好に適用することができる。

【００６２】すなわち、画像読取装置を屋外で使用する
場合にあっては、一般に、図１０（ｂ）に示すように、
被写体（指）が検知面Ｆｄの中心位置に載置された場合
であっても、被写体（指）の周囲から環境光が入射し、
かつ、該環境光がある程度の入射角度を有して入射する
ような状況が考えられるが、このような場合であって
も、上述した一連の動作処理により良好に被写体の画像
パターンの読み取り、出力電圧の補正、読取画像の明暗
状態の確定を行って、精度の高い画像照合処理を実現す
ることができる。そして、平均値の変化傾向Ａｖの補正
にともなって各出力電圧を補正したので、画像パターン
全体の明暗階調をバランスよく修正でき、単に明暗の二
値だけでなく、より多階調の明暗の画像を正確に測定す
ることができる。

【００６３】また、本実施形態に係る出力電圧の補正処
理は、列の位置によって、入射する光の明暗に傾斜が生
じる状況のみに適用が限定されるものではなく、例え
ば、行の位置によって、入射する光の明暗に傾斜が生じ
る状況、すなわち、列方向に入射してくる強い外光下で
は、上述したように、列毎に最低値、最高値、平均値を
抽出する動作を、行毎（１列分すなわちのｍ個のダブル
ゲート型フォトセンサ１０）に行うように適宜選択変更
して適用するものであってもよいし、読取画像の行、列
の直交２方向に対して、明暗傾斜を生じている場合（例
えば、行、列方向とは所定の角度を有して斜めに環境光
が入射している場合）であっても、行方向及び列方向の
各々に上述した補正処理を適用して、環境光に起因する
画像読取動作への影響を抑制することができる。

【００６４】次に、本実施形態に係る画像読取装置の動
作処理（画像読取方法）の第２の例について、図面を参
照して説明する。図１１は、本実施形態に係る画像読取
装置の動作処理の第２の例を示すフローチャートであ
り、図１２及び図１３は、本実施形態に係る画像読取装
置の動作（画像読取方法）に適用される補正処理を示す
出力電圧の変化傾向を示す図である。なお、上述した画
像読取方法（図８）と同等の動作処理については、その
説明を簡略化又は省略する。また、図１２、図１３にお
いては、被写体の画像パターンの読み取りにより得られ
る読取画像がｎ行×ｍ列（ｎ、ｍは、正の整数）の画素
により構成されているものとする。

【００６５】（手順ＳＴ２１）図１１に示すように、ま
ず、画像読取処理においては、上述した画像読取方法と
同様に、上述したフォトセンサシステムにおける一連の
画像読取動作（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）を実行することにより、検知面
Ｆｄに載置された被写体の画像パターン（指紋の凹凸形
状）に対応した出力電圧を取得する。

【００６６】ここで、図１０（ａ）、（ｂ）に示したよ
うに、被写体（指）ＳＵＢの周囲の全域から環境光が入
射し、かつ、該環境光が所定の入射角度を有して入射す
るような場合における、読取画像の特定の行を構成する
各列のダブルゲート型フォトセンサ１０からの出力電圧
の変化傾向を図１２（ａ）に示す。図１２（ａ）におい
て、実測された指紋の凸部に対応する出力電圧の最低値
（図中、黒丸で表記）、及び、実測された指紋の凹部に
対応する出力電圧の最高値（図中、白丸で表記）はいず
れも、環境光の光量が多い入射方向（ｍ列目方向）に顕
著に電圧値が低下する変化傾向Ｓａ、Ｓｂを示すととも
に、環境光の入射方向（１列目方向及びｍ列目方向）に
おいて最低値と最高値の出力電圧が近似して、各々、そ
の差分が減少する傾向を示す。

【００６７】（手順ＳＴ２２）次いで、環境光の入射度
合判定処理においては、上記手順ＳＴ２１により取得さ
れた所定列における変化傾向Ｓａでの出力電圧、及び、
前記所定列における変化傾向Ｓｂでの出力電圧の和を２
で割った平均値を各列毎に算出し、これら平均値の変化
傾向Ａｖを決定する。

【００６８】（手順ＳＴ２３）ここで、変化傾向Ｓａ、
Ｓｂより算出された平均値の変化傾向Ａｖが、各列で均
一（変化傾向Ａｖの傾きが略０）である場合には、行方
向には明暗傾斜が生じていないと判定して、読取画像の
明暗状態を確定し（手順ＳＴ２９）、一方、変化傾向Ａ
ｖが、各列で顕著に変化している（変化傾向Ａｖの傾き
が大きい）場合には、読取画像の特定の方向からの環境
光の入射度合が高く、少なくとも、行方向に明暗傾斜が
生じていると判定して、出力電圧補正処理を継続する。

【００６９】（手順ＳＴ２４）次いで、上記手順ＳＴ２
３により行方向に明暗傾斜が生じていると判定された場
合には、図１２（ａ）に示した出力電圧のうち、例え
ば、１列目（又は、その近傍の列）、ｍ／２列目（中心
列）、及び、ｍ列目（又は、その近傍の列）における最
低値と最高値の出力電圧の差分を算出して、各列の差電
圧ｄ１、ｄ２、ｄ３を得る。

【００７０】（手順ＳＴ２５）次いで、上記手順ＳＴ２
４により得られた各列の差電圧ｄ１、ｄ２、ｄ３の大小
関係を比較し、次式（１）に示すように、１列目及びｍ
列目の差電圧ｄ１、ｄ３に比較して、ｍ／２列目の差電
圧ｄ２の方がｋ倍（kは、例えば、２以上の任意の数）
以上、大きい場合には、少なくとも、１列目又はｍ列目
方向からの環境光の入射度合が高く、読取画像の明暗状
態の判定や画像照合処理等が良好に実行することができ
ない程度に環境光が入射していると判定して、後述する
出力電圧補正処理を実行する。ｄ２≧ｋ×（ｄ１、ｄ３）（１）一方、１列目及びｍ列目の差電圧ｄ１、ｄ３と、ｍ／２
列目の差電圧ｄ２が近似し、その差が微小である場合に
は、環境光の入射により読取画像の明暗状態の判定や画
像照合処理等が影響を受ける程度には環境光が入射して
いないと判定して、読取画像の明暗状態を確定する（手
順ＳＴ２９）。

【００７１】（手順ＳＴ２６）次いで、出力電圧補正処
理においては、上記手順ＳＴ２５により環境光による明
暗傾斜が生じていると判定された場合に、図１２（ａ）
に示した各列毎の出力電圧の最低値と最高値に基づいて
算出された変化傾向Ｓａ、Ｓｂより、平均値の変化傾向
Ａｖを算出し、さらに、図１２（ｂ）に示すように、ｍ
／２列目の出力電圧（最低値、最高値）の平均値Ａｖ１
を基準として、各列毎の出力電圧の平均値（変化傾向Ａ
ｖを示す線上の点）との差分を重み付け補正値として規
定する。具体的には、例えば、ｍ／２列目の出力電圧の
平均値Ａｖ１が５Ｖであり、１列目の出力電圧の平均値
（Ａｖ）が７Ｖ、ｍ列目の出力電圧の平均値（Ａｖ）が
３Ｖであった場合には、列番号に依存する重み付け補正
値の最大値が±２Ｖ（１列目における−２Ｖ、ｍ列目に
おける＋２Ｖ）となり、ｍ／２列目を基準として１列目
側では負の補正値、ｍ列目側では正の補正値になるよう
に線形的に規定される。つまり、各列におけるｍ／２列
目の平均値Ａｖ１との間の電圧ずれを補正する。

【００７２】（手順ＳＴ２７）次いで、上記手順ＳＴ２
６により各列毎に規定された重み付け補正値をそれぞれ
の出力電圧（最低値、最高値）に加算する重み付け処理
を行うことにより、図１３に示すように、出力電圧の最
小値及び最高値の変化傾向Ｓａ、Ｓｂが、平均値Ａｖ１
を基準とした電圧値を有する変化傾向Ｓａ２、Ｓｂ２に
変換される。これにより、環境光の入射により特定の方
向に明暗傾斜が生じた読取画像に対して、平均的な出力
電圧（明度）に基づいて、明度の極端に高いあるいは低
い画素の出力電圧が変換されて、各画素の明暗状態が適
正に補正される。

【００７３】（手順ＳＴ２８）次いで、明暗状態判定処
理においては、図１３における平均値Ａｖ１と各列毎の
重み付け処理後の出力電圧との大小関係に基づいて、平
均値Ａｖ１よりも小さい出力電圧を有する列のダブルゲ
ート型フォトセンサ１０を明状態（指紋の凸部に対応）
の画素と判定し、一方、平均値Ａｖ１よりも大きい出力
電圧を有する列のダブルゲート型フォトセンサ１０を暗
状態（指紋の凹部に対応）の画素と判定する。これによ
り、平均値Ａｖ１と変換後の出力電圧との大小関係のみ
に基づいて、極めて簡易な制御動作により、読取画像を
構成する各画素の明暗状態が判定される。

【００７４】（手順ＳＴ２９／ＳＴ３０）次いで、上述
した画像読取方法と同様に、上記手順ＳＴ２８により判
定された各画素毎の明暗状態に基づいて、読取画像全体
の明暗状態が確定され、その後、該読取画像と予め登録
された認証画像とを比較、照合する画像照合処理が実行
される。したがって、上述した一連の動作処理によれ
ば、まず、読取画像における明暗傾斜を観測して環境光
の入射の度合を判定し、環境光の入射により読取画像の
明暗状態の判定や画像照合処理等が良好に実行すること
ができないと判断された場合にのみ、重み付け補正を実
行するので、不要な補正処理を実行することなく、迅速
かつ適切に被写体の画像パターンに対応した明暗情報を
得ることができるとともに、誤動作や誤認識を抑制して
精度の高い照合動作を実現することができる。そして、
平均値の変化傾向Ａｖの補正にともなって各出力電圧を
補正したので、画像パターン全体の明暗階調をバランス
よく修正でき、単に明暗の二値だけでなく、より多階調
の明暗の画像を正確に測定することができる。

【００７５】なお、上述した本実施形態においては、環
境光の入射度合判定処理の対象として、読取画像のう
ち、１列目、ｍ／２列目、ｍ列目の出力電圧の最低値及
び最高値のみを抽出して、その差電圧ｄ１、ｄ２、ｄ３
に基づいて出力電圧補正処理の実行の可否を判定した
が、これは一例であって、任意の３列であってもよく、
全列の出力電圧について同様の処理を行うものであって
もよい。

【００７６】また、上述した本実施形態においては、重
み付け補正処理の基準となる出力電圧の平均値Ａｖ１と
して、読取画像の中心列であるｍ／２列目を適用した
が、これは、検知面に被写体（指）を載置する動作を行
った場合、検知エリアの略中央付近（ｍ／２列付近）に
必然的に被写体が載置され、かつ、この中央付近におい
ては、環境光の直接の入射が抑制されて、その影響を最
も受けにくいため、他の列の出力電圧との比較処理にお
いて理想的な基準値となり得るという理由による。

【００７７】次に、本実施形態に係る画像読取装置の動
作処理（画像読取方法）の第３の例について、図面を参
照して説明する。図１４は、本実施形態に係る画像読取
装置の動作に適用される補正処理を示す出力電圧の変化
傾向を示す図である。なお、上述した画像読取方法と同
等の動作処理については、その説明を簡略化又は省略す
る。

【００７８】本実施形態においては、被写体の画像パタ
ーンの読取動作において、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動作不良（画素不良）
や、検知面への異物の付着等により、図１４（ａ）に示
すように、特定の列の出力電圧の最低値及び最高値が、
各々の変化傾向Ｓａ、Ｓｂから逸脱して顕著に低い異常
点Ｅａ、あるいは、顕著に高い異常点Ｅｂが観測された
場合の動作処理について説明する。なお、以下に示す異
常点の除外処理以外の動作処理は、上述した各実施形態
と同等である。

【００７９】第２の例の動作処理においては、図１２
（ａ）、（ｂ）、図１３に示したように、中心列の出力
電圧の平均値Ａｖ１を基準として、各列毎の出力電圧の
平均値との差分により規定される重み付け補正値を加算
する重み付け処理に基づいて、各列毎の出力電圧（最低
値、最高値）が変換されるので、図１４（ｂ）に示すよ
うに、変換された出力電圧の最低値及び最高値の変化傾
向Ｓａ２、Ｓｂ２に対する異常点Ｅａ２、Ｅｂ２の逸脱
の度合もそのまま保持されることになる。そして、平均
値の変化傾向Ａｖを補正して傾斜をなくすことにより、
全体の明暗階調をバランスよく補正できるので、単に明
暗の二値だけでなく、より多階調の明暗の画像を正確に
測定することができる。

【００８０】次いで、図９（ｂ）及び図１３に示した補
正後の出力電圧の最低値及び最高値に対して、各々平均
値を算出する。ここで、平均値の算出方法は、すべての
列の出力電圧を適用して平均を算出するものであっても
よいし、出力電圧の最低値及び最高値のうち、任意の数
点（例えば、最低値５点、最高値５点）を抽出して各々
平均を算出するものであってもよい。

【００８１】そして、図１４（ｂ）に示すように、算出
された最低値及び最高値の平均値Ａｖａ、Ａｖｂに対し
て、所定の割合の範囲、例えば、平均値の±１０％の許
容範囲Ｒａ、Ｒｂを規定して、補正後の出力電圧が該許
容範囲Ｒａ、Ｒｂ内にあるか否かを判別することによ
り、許容範囲Ｒａ、Ｒｂから逸脱した異常点であるかど
うかを判定する。あるいは、所定列の実測最低値（又は
実測最高値）に対して、両側に隣接する二つの列の実測
最低値（又は実測最高値）との差がともに±１０％のい
ずれかを越える場合に、この所定列の実測最低値（又は
実測最高値）が異常点であると判定する。

【００８２】ここで、異常点が検出された場合には、該
異常点に対応する列の出力電圧を、明暗状態判定処理の
対象から除外することにより、読取画像の明暗状態が不
正確となることを防止することができる。そして、平均
値の変化傾向Ａｖを補正して傾斜をなくすことにより、
全体の明暗階調をバランスよく補正できるので、単に明
暗の二値だけでなく、より多階調の明暗の画像を正確に
測定することができる。

【００８３】なお、上述した各実施形態に係る画像読取
動作においては、読取画像の特定の行を構成するダブル
ゲート型フォトセンサから出力される、各列毎の出力電
圧に基づいて、一連の動作処理を実行する場合について
説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、
図１５に示すように、読取画像の特定の列を構成するダ
ブルゲート型フォトセンサから出力される、各行毎の出
力電圧に基づいて、上述した一連の動作処理と同等の処
理を実行するものであってもよいし、行方向及び列方向
の双方に対して、同等の処理を実行するものであっても
よい。これにより、環境光の入射方向や被写体の検知面
への載置位置等に関わらず、環境光の入射方向や度合を
さらに適切に判定することができるので、その明暗傾斜
の状態に応じて適切な補正処理を実行することができ
る。

【００８４】また、上記各実施形態では、各列の最高値
及び最低値は各列のｎ個のダブルゲート型フォトセンサ
１０毎の出力電圧から決定して変化傾向Ｓａ、Ｓｂを算
出したが、図１６（ａ）、（ｂ）に示すように、所定行
のｍ個のダブルゲート型フォトセンサ１０の個々の出力
電圧を読み出し、これらの出力電圧値が近似する２つの
グループに分け、最小二乗法により各グループの出力電
圧値から変化傾向Ｓａ及び変化傾向Ｓｂを求め、これら
の変化傾向Ｓａ、Ｓｂから平均値を求め、出力電圧と平
均値との差の正負により明暗を判定してもよい。このよ
うに、変化傾向Ｓａ及び変化傾向Ｓｂを各行ごとにグル
ープ分けして求めているので、一つのダブルゲート型フ
ォトセンサ１０の出力電圧が高電圧あるいは低電圧の一
方しかないにも関わらず平均値が算出でき、また、異常
点Ｅ３〜Ｅ５があったとしても精度の高い明暗を判定で
きる。

【００８５】上述した画像読取装置は、コンピュータ、
携帯電話、ドアに付属して不正アクセス、侵入を防止す
るための個人認証に用いることができ、上述したダブル
ゲート型フォトセンサは、薄型構造であるので、特にノ
ート型パソコンや小型のＰＤＡ、腕時計のような比較的
小型の電子機器に内蔵して用いることが可能である。ま
た、上述した各実施形態においては、フォトセンサとし
て上述したダブルゲート型フォトセンサを適用した場合
についてのみ説明したが、本発明は、これに限定される
ものではなく、フォトセンサとしてフォトダイオードや
フォトトランジスタ等を用いた場合においても、フォト
センサから出力される出力電圧に対して、本発明に係る
画像読取装置及び画像読取方法を良好に適用することが
できることはいうまでもない。

【００８６】

【発明の効果】本発明に係る画像読取装置及び画像読取
方法は、被写体の画像パターンに対応してフォトセンサ
に入射される光に応じた検出信号（出力電圧）を読み出
し、該検出信号の平均値の、例えば行方向又は列方向の
変化傾向に基づいて、出力電圧に所定の補正処理を施す
ことにより、被写体の画像パターンに対応した読取画像
を構成する各画素の明暗状態を確定して、被写体の画像
パターンを明暗情報として読み取ることができるので、
環境光の入射や検知面への被写体の載置状態等により出
力電圧の平均値に所定の変化傾向が生じた場合には、そ
の状態を判別して適正な出力電圧に補正し、読取画像の
明暗状態を適切に判定することができる。したがって、
外光との環境への影響が抑制されて、被写体の画像パタ
ーンに対応した良好な明暗情報を得ることができ、指紋
照合処理等の画像照合処理における誤動作や誤認識等の
発生を抑制することができるとともに、上記画像読取装
置の構成によれば、環境光の強度等を検出するためのセ
ンサ等を別個に設ける必要がないので、画像読取装置の
装置構成の大型化や製品コストの上昇を抑制して、携帯
機器への適用を促進することもできる。

【００８７】ここで、上述したような画像読取装置とし
ては、具体的には、被写体の画像パターンに対応した検
出信号を読み出す信号読出手段と、該読み出した検出信
号の平均値の変化傾向を抽出する変化傾向抽出手段と、
検出信号の平均値の変化を相殺するように、検出信号の
最低値及び最高値を補正する検出信号補正手段と、を備
えた構成を適用することができる。

【００８８】また、上記画像読取装置は、変化傾向抽出
手段により算出された検出信号の平均値の変化傾向に基
づいて、あるいは、信号読出手段により読み出された検
出信号の最低値と最高値に基づいて、フォトセンサへの
環境光の入射状態を判定することにより、環境光の入射
の度合や、それによる読取画像や画像認証動作への影響
を把握して、読み出された検出信号に対して補正処理を
実行するか否かを判断することができるので、不要な補
正処理を実行することなく、被写体の画像パターンに対
応した良好な明暗情報を得ることができる。

【００８９】そして、上記画像読取装置及び画像読取方
法において、検出信号補正手段により実行される補正処
理は、検出信号の最低値及び最高値の各々から前記平均
値を減算し、該減算結果（差電圧）に基づいて上記明暗
状態を判定するものであってもよいし、あるいは、検出
信号の平均値と所定の基準値との差分を重み付け補正値
として規定して、検出信号の最低値及び最高値に重み付
け補正値を加算し、該補正された検出信号の最低値及び
最高値に基づいて上記明暗状態を判定するものであって
もよい。これによれば、加減演算等の簡易な補正処理に
より、検出信号から環境光の影響を排除することができ
るとともに、前者では差電圧の値のみに基づいて、ま
た、後者では検出信号の平均値と補正後の検出信号の最
低値又は最高値との大小関係のみに基づいて、読取画像
を構成する各画素の明暗状態を一義的に良好に判定する
ことができる。

【００９０】さらに、上記画像読取装置においては、検
出信号の最低値又は最高値に関する所定の許容範囲を設
定し、該許容範囲を逸脱する検出信号の最低値又は最高
値を異常点と判定して、該異常点が存在する場合には、
明暗状態判定手段による被写体の画像パターンに対応し
た各画素の明暗状態の判定処理において、当該異常点の
検出信号を除外するようにしてもよい。これによれば、
検出信号の最低値又は最高値が、検出信号に設定した所
定の許容範囲内にあるか否かを判別することにより、異
常点の有無を判定することができるので、異常点が検出
された場合には、該異常点に対応する検出信号を、明暗
状態の判定処理の対象から除外することにより、読取画
像の明暗状態が不正確となることを防止して、被写体の
画像パターンに対応した良好な明暗情報を得ることがで
きる。

【００９１】なお、上記画像読取装置において、上記フ
ォトセンサを備えてもよく、このフォトセンサとして、
いわゆる、ダブルゲート型フォトセンサを適用すること
ができるので、フォトセンサにより構成されるフォトセ
ンサアレイを薄型化、小型化して、読取画素を高密度化
し、被検出体の画像パターンを高精細な画像として読み
取ることができ、読取画像に基づく画像照合処理の精度
を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】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（１処理サイクル）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】フォトセンサシステムの出力電圧（ドレイン電
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】図５に示したフォトセンサシステムを適用した
画像読取装置の要部断面図である。

【図７】本発明に係る画像読取装置の一実施形態を示す
概略構成図である。

【図８】本実施形態に係る画像読取装置の動作処理（画
像読取方法）の第１の例を示すフローチャートである。

【図９】第１の例に係る画像読取装置の動作（画像読取
方法）に適用される補正処理を示す出力電圧の変化傾向
を示す図である。

【図１０】本実施形態に係る画像読取装置の動作（画像
読取方法）の対象となる他の出力電圧の変化傾向と、そ
の場合の環境光の入射状態を示す概略図である。

【図１１】本実施形態に係る画像読取装置の動作処理
（画像読取方法）の第２の例を示すフローチャートであ
る。

【図１２】第２の例に係る画像読取装置の動作（画像読
取方法）に適用される補正処理（その１）を示す出力電
圧の変化傾向を示す図である。

【図１３】第２の例に係る画像読取装置の動作（画像読
取方法）に適用される補正処理（その２）を示す出力電
圧の変化傾向を示す図である。

【図１４】本実施形態に係る画像読取装置の動作（画像
読取方法）の第３の例に適用される補正処理を示す出力
電圧の変化傾向を示す図である。

【図１５】本実施形態に係る画像読取装置の動作（画像
読取方法）の対象となるさらに他の出力電圧の変化傾向
を示す図である。

【図１６】本実施形態に係る画像読取装置の動作（画像
読取方法）の他の例に適用される補正処理を示す出力電
圧の変化傾向を示す図である。

【図１７】従来技術における指紋読取装置の指紋読取動
作を示す要部断面図である。

【図１８】被写体への環境光の透過状態を示す概略図で
ある。

【図１９】環境光が入射した場合の指紋の読取画像の例
と、その場合の出力電圧の変化傾向を示す概略図であ
る。

【図２０】環境光のフォトセンサアレイへの入射状態を
示す概略図である。

【符号の説明】

１０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ドレインドライバ１５０コントローラ１７０バックライト１８０外部機能部ＳＵＢ被写体Ｆｄ検知面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０４Ｎ 1/028 Ｈ０１Ｌ 29/78 ６１３Ｚ５Ｆ１１０ 1/401 ６１７ＮＧ０１Ｂ 11/24 ＦＦターム(参考） 2F065 AA03 AA56 BB02 CC02 FF42 GG01 JJ03 JJ18 JJ26 QQ13 QQ29 QQ32 QQ42 4M118 AA05 AB01 BA05 CA11 CB06 CB14 DB09 DD12 EA07 FB03 FB09 FB13 FB24 GA03 HA26 5B047 AA25 AB02 BA02 BB04 BC01 BC12 CB04 DA04 DB01 DC02 5C051 AA01 BA04 DA06 DB01 DB04 DB06 DB07 DB28 DC07 DE17 5C077 LL04 MM05 MP01 PP06 PP46 PP47 PP71 PQ18 RR01 TT10 5F110 AA30 BB10 DD02 EE03 EE04 EE06 EE30 GG15 HK03 HK04 HK09

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被写体の画像パターンに対応した明暗情
報を生成する画像読取装置において、前記被写体の画像パターンに応じたフォトセンサからの
検出信号の平均値の変化傾向に基づいて前記明暗情報を
規定する前記検出信号を補正することを特徴とする画像
読取装置。
【請求項２】前記画像読取装置は、前記被写体の画像パターンに対応した前記検出信号を読
み出す信号読出手段と、該読み出した検出信号の平均値の変化傾向を抽出する変
化傾向抽出手段と、前記検出信号の平均値の変化を相殺するように、前記検
出信号の最低値及び最高値を補正する検出信号補正手段
と、を備えてい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、前記変化傾向抽出
手段により算出された前記検出信号の平均値の変化傾向
に基づいて、前記フォトセンサへの環境光の入射状態を
判定することを特徴とする請求項２記載の画像読取装
置。
【請求項４】前記画像読取装置は、前記信号読出手段
により読み出された前記検出信号の最低値と最高値に基
づいて、前記フォトセンサへの環境光の入射状態を判定
することを特徴とする請求項２又は３記載の画像読取装
置。
【請求項５】前記検出信号補正手段は、前記フォトセ
ンサへの環境光の入射状態に応じて、前記検出信号に対
して補正処理を実行するか否かを判断することを特徴と
する請求項２乃至４のいずれかに記載の画像読取装置。
【請求項６】前記検出信号補正手段は、前記検出信号
の各々から前記平均値を減算することを特徴とする請求
項２乃至５のいずれかに記載の画像読取装置。
【請求項７】前記検出信号補正手段は、前記検出信号
の平均値と所定の基準値との差分を重み付け補正値とし
て規定して、前記検出信号の最低値及び最高値に前記重
み付け補正値を加算することを特徴とする請求項２乃至
５のいずれかに記載の画像読取装置。
【請求項８】前記画像読取装置は、前記検出信号の最
低値又は最高値に関する所定の許容範囲を設定し、該許
容範囲を逸脱する前記検出信号の最低値又は最高値を異
常点と判定する異常点判定手段と、前記被写体の画像パターンに対応した各画素の明暗状態
の判定処理の対象から該異常点を除外する異常点除外手
段と、を備えることを特徴とする請求項２乃至７のいず
れかに記載の画像読取装置。
【請求項９】前記画像読取装置は、前記フォトセンサ
を備え、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
被写体により反射された反射光の光量に応じて前記チャ
ネル領域に蓄積された電荷に対応する電圧を、前記検出
信号として出力することを特徴とする請求項１乃至８の
いずれかに記載の画像読取装置。
【請求項１０】被写体の画像パターンに対応した明暗
情報を生成する画像読取方法において、前記被写体の画像パターンに対応した前記検出信号をフ
ォトセンサから読み出す手順と、前記読み出した検出信号の平均値の変化傾向を抽出する
手順と、前記検出信号の平均値の変化傾向に基づいて、前記フォ
トセンサへの環境光の入射状態を判定する手順と、前記環境光の入射状態に応じて、前記検出信号の平均値
の変化を相殺するように補正する手順と、を有すること
を特徴とする画像読取方法。
【請求項１１】前記画像読取方法は、前記検出信号の
各々から前記平均値を減算することを特徴とする請求項
１０記載の画像読取方法。
【請求項１２】前記画像読取方法は、前記検出信号の
平均値と所定の基準値との差分を重み付け補正値として
規定して、前記検出信号の最低値及び最高値に前記重み
付け補正値を加算することを特徴とする請求項１０記載
の画像読取方法。