JP2003144420A - 指紋画像入力装置及びそれを用いた電子機器 - Google Patents

指紋画像入力装置及びそれを用いた電子機器

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 脈波検出と指紋画像入力との２つの機能を、
指の中央部からの情報をもとに高精度で実現することは
困難である。 【解決手段】 指の指紋面を密着させるファイバ収集部
材３０、指紋面を照明する平面状光源１０、指紋面から
反射した光及び指の内部で散乱して指紋面から放出され
た光を検出するための、基板上に複数の光電変換素子Ｐ
Ｄが２次元に配列された２次元イメージセンサ２０を具
備する。また、光電変換素子で生成された電気信号を同
時に外部へ出力するモードと光電変換素子で生成された
電気信号を順次外部へ出力するモードに切り換えること
によって、指紋画像と脈波又は加速度脈波を検出する。
これにより、指紋画像と脈波を簡単な構成で精度良く検
出できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、指紋画像入力装置
に関し、特に、脈波を検出する機能を備えた指紋画像入
力装置及びそれを用いた電子機器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来から指の先端で加速度脈波を検出す
ることにより抹消血液循環の状態を診断する血液循環診
断装置が知られている。このような診断装置としては、
例えば特開２０００−２３９２８に開示されている装置
がある。図９（ａ）、（ｂ）は同公報に記載の脈波検出
部の構成を示す図である。図９において、脈波検出部
は、指Ｆに光を照射するための発光素子１１０、指Ｆで
散乱された光を検出するための受光素子１２０、及びこ
れらの構成要素に対する指Ｆの位置を固定するための筐
体１３０とで構成されている。発光素子１１０と受光素
子１２０は図９（ａ）の例では指Ｆの下方位置に並んで
配置され、図９（ｂ）の例では指Ｆを挟んで配置されて
いる。
【０００３】次に、図９（ａ）、（ｂ）の装置の動作に
ついて説明する。まず、図９（ａ）に示す装置では、発
光素子１１０から発せられた光が指Ｆの内部で散乱、拡
散され、受光素子１２０で検出される。また、図９
（ｂ）に示す装置では、発光素子１１０から発せられた
光が指Ｆを透過して受光素子１２０で検出される。いず
れの場合も、受光素子１２０の出力は指Ｆの内部の抹消
血管を流れる血液の量を反映しており、受光素子１２０
出力の時間変化をモニターすることにより、血液量の時
間変化である脈波が得られる。一方、脈波を２回微分す
ることによって得られる加速度脈波に基づいてその人の
血液循環を診断できることが知られている。従って、図
９の構成で得られた脈波を外部の計算手段で解析するこ
とにより血液循環を診断することができる。
【０００４】また、従来から薄型の指紋画像入力装置が
知られている。このような指紋画像入力装置としては、
例えば、特公平７−６２８６５号公報に開示された装置
がある。図１０は同公報の装置の主要な構成を示す。こ
の指紋画像入力装置は平面状光源２１０、２次元イメー
ジセンサ２２０、ファイバ収集部材２３０を積層して構
成されている。平面状光源２１０は発光ダイオード（Ｌ
ＥＤ）を導光体の端部に配置して構成された薄型光源で
あり、液晶ディスプレイのバックライトにも一般的に用
いられている。
【０００５】２次元イメージセンサ２２０は、スイッチ
素子２２２と光電変換素子２２３とからなる画素を透明
基板２２１の片側の表面に複数個２次元に配列して構成
されている。個々の画素はスイッチ用配線２２４、信号
読み出し用配線２２５、バイアス印加用配線２２６に接
続されている。開口部２２７は、これらの配線と画素が
形成されていない透明基板２２１の領域に形成され、こ
の領域を光が透過することができる。更に、ファイバ収
集部材２３０は多数の光ファイバを融着して板状に切断
され、端面を研磨して作製されている。ここで、入射光
はファイバ収集部材２３０のコア部２３１を透過するの
で、一方の表面に形成された画像は他端に伝送される。
【０００６】次に、この指紋画像入力装置の動作につい
て説明する。平面状光源２１０から発せられた光は２次
元イメージセンサ２２０の開口部２２７、ファイバ収集
部材２３０のコア部２３１を順に透過し、ファイバ収集
部材２３０の表面に密着させた指（不図示）を照明す
る。この時、指で反射、散乱された光はファイバ収集部
材２３０のコア部２３１に入射し、２次元イメージセン
サ２２０の光電変換素子２２３によって検出される。こ
うして個々の光電変換素子２２３に蓄えられた電気信号
を、順にスイッチ用配線２２４に制御信号を与えて信号
読み出し用配線２２５に導き、外部の回路（不図示）で
記録することにより指紋画像を得ることができる。
【０００７】
【発明が解決しょうとする課題】ところで、図９に示す
従来の血液循環診断装置では指紋画像を入力することは
できないし、図１０に示す従来の指紋画像入力装置では
脈波を検出することはできない。仮に、脈波検出と指紋
画像入力との２つの機能を一つの装置で実現できれば、
多様な使い方が可能である。
【０００８】そこで、これら２つの機能を共に備えた装
置を実現しようとすると、一つの筐体に２つの装置の構
成要素を並置することが容易に考えられる。しかしなが
ら、このような構成には以下に述べる課題があった。
【０００９】まず、第一に、精度の高い個人照合を実現
するためには、個人の特徴である特徴点（隆線が終端す
る点や分岐する点）が多く存在する領域の画像を入力す
ることが重要である。即ち、ファイバ収集部材を指の中
央部に密着する位置に配置するように構成するのが望ま
しい。一方、感度良く脈波を検出するためには、指から
の散乱・拡散光の量が最も多い領域に受光素子を設置す
るのが望ましい。しかし、これでは、ファイバ収集部材
と受光素子との両方を指の中央部に設置することになる
ため、物理的に実現不可能である。
【００１０】第二に、発光素子と平面状光源、受光素子
と２次元イメージセンサというように類似の機能（それ
ぞれ発光機能と光電変換機能）を持つ構成要素を重複し
て備える必要がある。しかし、これは、装置の大型化と
製造コストの増加につながるので望ましくない。
【００１１】この場合、２次元イメージセンサの光電変
換素子で脈波を検出することにより独立した受光素子を
不要とする構成が考えられる。しかし、この構成では加
速度脈波を精度良く検出することができない。具体的に
説明すると、２次元イメージセンサで一つの画像を読み
出すのに必要な時間は、例えば、１画素当りの読み出し
時間を１００ｎｓとすれば、指紋画像に標準的な５００
×５００画素の２次元イメージセンサでは２５ｍｓとな
る。即ち、実際の脈波を２５ｍｓ毎にサンプリングした
データが得られる。この時間間隔は加速度脈波を得るた
めの微分の時定数（特開２０００−２３９２８の例では
１０ｍｓ）よりも大きいので、加速度脈波を精度良く得
ることはできない。
【００１２】本発明は、上記事情に鑑みなされたもの
で、その目的は、指から散乱する光量に基づいて加速度
脈波を精度良く求める機能を備えた小型の指紋画像入力
装置及びそれを用いた電子機器を提供することにある。
【００１３】即ち、本発明の第一の目的は、脈波検出と
指紋画像入力との２つの機能を指の中央部からの情報を
もとに高精度で実現することである。第二の目的は、こ
れらの２つの機能の実現に必要な発光手段或いは発光手
段と光電変換手段を共有化することにより装置の大型化
や製造コストの増加を抑えることである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するため、指の指紋面を密着させるための光学手段と、
前記指紋面を照明する光源と、前記指紋面から反射した
光及び指の内部で散乱して指紋面から放出された光を検
出するための、基板上に複数の光電変換素子が２次元に
配列された撮像素子と、前記光電変換素子で生成された
電気信号を同時に外部へ出力する第１の出力モードと前
記光電変換素子で生成された電気信号を順次外部へ出力
する第２の出力モードとを切り換えることによって、指
紋画像と脈波又は加速度脈波を検出する手段とを備えた
ことを特徴とする。
【００１５】また、本発明は上記目的を達成するため、
指の指紋面を密着させるための光学手段と、前記光学手
段に密着された指の指紋面を照明する光源と、一部に光
を透過する透明部が形成され、前記指紋面から反射した
光及び指の内部で散乱して指紋面から放出された光を検
出することにより指紋画像を検出する指紋センサと、前
記指紋センサの下方に配置され、前記指紋センサを透過
した光を検出する受光素子と、前記受光素子の出力信号
に基づいて脈波又は加速度脈波を検出する手段とを備え
たことを特徴とする。
【００１６】更に、本発明は上記目的を達成するため、
指紋密着面とは反対側の面に複数の微小プリズムが形成
され、指の指紋面を密着させるためのマイクロプリズム
と、前記指紋面を照明する光源と、前記マイクロプリズ
ムの下方に配置され、マイクロプリズムを透過した光を
検出することにより指紋画像を検出する撮像素子と、前
記マイクロプリズムの下方に配置され、マイクロプリズ
ムから透過した光を検出する受光素子と、前記受光素子
の出力信号に基づいて脈波又は加速度脈波を検出する手
段とを備えたことを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して詳細に説明する。
【００１８】(第１の実施形態)図１は本発明の指紋画像
入力装置の第１の実施形態を示す図である。なお、図１
は第１の実施形態に用いる２次元イメージセンサの構成
を示す。また、図２は本実施形態の指紋画像入力装置の
主な構成要素を示す。まず、本実施形態の指紋画像入力
装置は、図２に示すように平面状光源１０、２次元イメ
ージセンサ２０、ファイバ収集部材３０を積層したもの
を、ファイバ収集部材３０の表面が露出するように筐体
４０に固定して構成されている。
【００１９】ここで、図１０に示す従来の指紋画像入力
装置と異なる点は、２次元イメージセンサ２０の回路構
成である。本実施形態で用いる２次元イメージセンサ２
０について図１を参照しながら詳しく説明する。
【００２０】２次元イメージセンサ２０は、図１０と同
様にスイッチ素子Ｔｐと光電変換素子ＰＤからなる画素
が２次元に配列され、３種類の配線（スイッチ用配線２
４、信号読み出し用配線２５、バイアス印加用配線２
６）により外部の駆動回路へ接続されている。
【００２１】従来の２次元イメージセンサの回路構成で
は、スイッチ用配線は直接駆動回路に接続されている
が、図１の構成では、スイッチ用配線２４はスイッチ素
子ＳＷ−Ｖを介して駆動回路（Vertical Shift Registe
r）１０１に接続されている。スイッチ素子ＳＷ−Ｖは
一対のＭＯＳトランジスタＴ１、Ｔ２から成る２入力１
出力型で、一方のトランジスタＴ１の入力端子には、制
御電圧Monitorが外部から入力される。
【００２２】また、信号読み出し用配線２５はスイッチ
素子ＳＷ−Ｈを介して駆動回路（I-AMP及びHorizontal
Shift Registerと表記）１０２に接続されている。スイ
ッチ素子ＳＷ−Ｈは一対のＭＯＳトランジスタＴ３、Ｔ
４から成る１入力２出力型で、一方のトランジスタＴ４
の出力端子は駆動回路１０２の電流積分器Ｉ−ＡＭＰ
に、他方のトランジスタＴ３の出力端子は微分回路Ｄ−
ＡＭＰにそれぞれ接続されている。スイッチ素子ＳＷ−
Ｖ及びＳＷ−Ｈには２つの入力を選択するための制御信
号Modeが供給される。
【００２３】垂直及び水平駆動回路（Vertical Shift R
egisterとHorizontal Shift Register）１０１、１０２
には、従来の構成と同様にして制御信号（CLK-V、STRT-
V、及びCLK-H、STRT-H）が供給される。CLK-V（CLK-H）
は駆動回路中のシフトレジスタ回路の動作に必要なクロ
ック信号であり、STRT-V（STRT-H）はシフトレジスタ回
路の動作を開始させるための制御信号である。
【００２４】なお、図１では簡単のため画素９個を図示
しているが、実際には指紋画像に必要な画素マトリクス
（例えば、500×500）が２次元イメージセンサの画素領
域の全面に配置されるものとする。更に、スイッチ素子
ＳＷ−Ｖ及びＳＷ−Ｈは全てのスイッチ用配線２４及び
信号読み出し用配線２５に設けてもよいが、指の中央部
に対応する領域のみに配置する構成としてもよい。
【００２５】また、図１の回路の構成要素は薄膜半導体
技術によりガラス等の透明基板上に形成することができ
る。特に、多結晶シリコンによる薄膜トランジスタ（Ｔ
ＦＴ）を用いて図１の回路全てを透明基板上に形成する
ことが、接続数の低減による信頼性の向上及び外部回路
数の削減による製造コストの低減の面で望ましい。もち
ろん、アモルファスシリコンＴＦＴを用いて図１の回路
の画素のみを透明基板上に形成し、その他の回路は結晶
シリコン集積回路（ＩＣ）で構成し、これらのＩＣを透
明基板に搭載して構成してもよい。受光素子は水素化ア
モルファスシリコン技術または有機薄膜半導体技術で形
成する光起電力型素子あるいは光導電型素子を用いて構
成されている。
【００２６】これらの構成要素の厚さは、平面状光源１
０が約１〜２ｍｍ、２次元イメージセンサ２０とファイ
バ収集部材３０とが共に約０.５〜１ｍｍ、全体の厚さ
は２〜４ｍｍとなり、ノート型コンピュータ、携帯電話
機、その他の携帯情報端末の電子機器に容易に搭載する
ことができる。
【００２７】次に、図１、図２を参照しながら本実施形
態による指紋画像入力装置の動作について説明する。ま
ず、指紋画像を入力する時の動作について説明する。指
紋画像を入力する時は、図１の制御信号ModeがＬレベル
に設定され、スイッチ用配線２４及び信号読み出し用配
線２５は、それぞれの駆動回路１０１、１０２に電気的
に接続される。
【００２８】即ち、スイッチ素子ＳＷ−Ｖの一対のＭＯ
ＳトランジスタＴ１、Ｔ２のうち一方のトランジスタＴ
２がオンし、スイッチ用配線２４が垂直駆動回路（Vert
icalShift Register）１０１に電気的に接続される。ま
た、スイッチ素子ＳＷ−Ｈの一対のＭＯＳトランジスタ
Ｔ３、Ｔ４のうち一方のトランジスタＴ４がオンし、信
号読み出し用配線２５が電流積分器Ｉ−ＡＭＰに電気的
に接続される。
【００２９】次いで、垂直及び水平駆動回路１０１、１
０２（Vertical Shift RegisterとHorizontal Shift Re
gister）に制御信号（CLK-V、STRT-V、及びCLK-H、STRT
-H）を供給すると、２次元イメージセンサ２０は従来の
２次元イメージセンサとして動作する。簡単に説明する
と、垂直駆動回路１０１から１ライン目のスイッチ用配
線２４にＨレベルの駆動信号が供給され、１ライン目の
スイッチ用配線２４に接続されているトランジスタＴｐ
がすべてオンする。
【００３０】次に、水平駆動回路１０２から電流積分器
Ｉ−ＡＭＰを構成するＭＯＳトランジスタＴ５に駆動信
号が順次供給され（図面上左から右）、１ライン目の光
電変換素子ＰＤに蓄積された信号が順次ＩＭＧ−ＯＵＴ
として出力される。以下、同様の動作で２ライン目、３
ライン目というように光電変換素子ＰＤの信号が出力さ
れ、この読み出された信号から指紋画像が検出される。
なお、平面状光源１０を点灯して指Ｆが照明されてお
り、前述のように指Ｆから反射した光や指Ｆの内部で散
乱して指紋面から放出された光を２次元イメージセンサ
２０で検出することで指紋画像が得られる。
【００３１】次に、脈波検出動作について説明する。脈
波を検出する時は、図１の制御信号ModeがＨレベルに設
定され、スイッチ用配線２４、信号読み出し用配線２５
がそれぞれ制御電圧Monitor、微分回路Ｄ−ＡＭＰに電
気的に接続される。即ち、スイッチ素子ＳＷ−Ｖの一対
のＭＯＳトランジスタＴ１、Ｔ２のうち他方側のトラン
ジスタＴ１がオンし、スイッチ用配線２４が制御電圧Mo
nitorに接続される。また、スイッチ素子ＳＷ−Ｈの一
対のＭＯＳトランジスタＴ３、Ｔ４のうち他方側のトラ
ンジスタＴ３がオンし、信号読み出し用配線２５が 微
分回路Ｄ−ＡＭＰに接続される。
【００３２】この状態で、制御電圧MonitorをＨレベル
に設定すると、各スイッチ用配線２４にＨレベル信号が
供給されるため、すべてのスイッチ素子Ｔｐがオンし、
スイッチ用配線２４により選択された全ての画素の光電
変換素子ＰＤが微分回路Ｄ−ＡＭＰに並列に接続され
る。制御信号（CLK-V、STRT-V、及びCLK-H、STRT-H）は
供給しない。
【００３３】この状態では、２次元イメージセンサ２０
は一つの大面積の光電変換素子が微分回路に接続された
構成と等価である。従って、従来の受光素子と同様にし
て脈波を連続的に検出することができる。また、連続し
て得られる脈波信号を微分回路Ｄ−ＡＭＰにより２回微
分することにより、加速度脈波を高精度で得ることがで
きる。
【００３４】このように本実施形態では、脈波検出と指
紋画像入力との２つの機能を、指の中央部からの情報を
もとに高精度で実現することができる。即ち、それぞれ
の機能を実現するための構成要素を並置する構成に比較
して、特徴点が多い指の中央部の指紋画像を入力できる
と同時に指の中央部から感度よく脈波を検出できるとい
う効果がある。更に、２次元イメージセンサ２０を等価
的に一つの大面積の光電変換素子として動作させて脈波
を連続的に検出することができるので、加速度脈波を精
度良く得ることができる。
【００３５】また、本実施形態では、２つの機能の実現
に必要な発光機能と光電変換機能を持つ構成要素をそれ
ぞれ平面状光源と２次元イメージセンサで兼用するた
め、装置の大型化を回避でき、製造コストの増加も回避
できる。これは、本構成を携帯電話機等の携帯機器に搭
載する場合に大きな利点になる。
【００３６】(第２の実施形態)第１の実施形態において
は、２次元イメージセンサの回路構成として図１に示す
構成を挙げて説明したが、２次元イメージセンサの回路
構成はこの例に限るものではない。例えば、図３に示す
ような２次元イメージセンサの構成であってもよい。図
３に示す例は、２次元イメージセンサの垂直及び水平駆
動回路をそれぞれ３つのシフトレジスタに分割し、それ
ぞれのシフトレジスタの動作を開始させるための制御信
号を独立して供給する構成である。
【００３７】具体的には、垂直駆動回路１０１は第１〜
第３のシフトレジスタＶ−Ｓ／Ｒ１、Ｖ−Ｓ／Ｒ２、Ｖ
−Ｓ／Ｒ３に分割され、これらの各シフトレジスタに動
作開始を指示する信号ＳＴＲＴ−Ｖ１、ＳＴＲＴ−Ｖ
２、ＳＴＲＴ−Ｖ３が独立して供給される。同様に、水
平駆動回路１０２は第１〜第３のシフトレジスタＨ−Ｓ
／Ｒ１、Ｈ−Ｓ／Ｒ２、Ｈ−Ｓ／Ｒ３に分割され、各シ
フトレジスタに動作開始を指示する信号ＳＴＲＴ−Ｈ
１、ＳＴＲＴ−Ｈ２、ＳＴＲＴ−Ｈ３が独立して供給さ
れる。
【００３８】動作について説明すると、まず、指紋画像
入力の場合は、これらの分割されたシフトレジスタ回路
を一つのシフトレジスタ回路として動作させる。これ
は、例えば、第１の垂直シフトレジスタＶ−Ｓ／Ｒ１の
最終段の出力が終了したタイミングで制御信号ＳＴＲＴ
−Ｖ２を供給して第２の垂直シフトレジスタＶ−Ｓ／Ｒ
２を動作させ、更に第２の垂直シフトレジスタＶ−Ｓ／
Ｒ２の最終段の出力が終了したタイミングで制御信号Ｓ
ＴＲＴ−Ｖ３を供給して第３の垂直シフトレジスタＶ−
Ｓ／Ｒ３を動作させることで実現できる。また、水平駆
動回路の場合も同様である。具体的な動作は図１の場合
と同様である。
【００３９】次に、脈波を検出する場合には、制御信号
ＳＴＲＴ−Ｖ２とＳＴＲＴ−Ｈ２を供給してシフトレジ
スタＶ−Ｓ／Ｒ２、Ｈ−Ｓ／Ｒ２のみを動作させて、指
の中央部に対応する領域の画像を高速で読み出す。例え
ば、中央部の面積１ｍｍ角の画像を読み出すのに必要な
時間は画素ピッチ５０μｍの場合は画素数が２０×２０
なので、１画素当りの出力時間を１００ｎｓとすると，
４０μｓとなる。即ち、脈波を反映した指からの散乱光
を十分に短い時間間隔でモニターできるので、得られた
信号から加速度脈波を精度良く得ることができる。
【００４０】但し、脈波を検出する場合には指紋画像入
力時に比べて光電変換素子が電荷を蓄積する時間が短く
なるのに対応するため、平面状光源１０が発する光量を
増加させるか、あるいは個々の信号読み出し用配線２５
に接続されている増幅回路ＡＭＰのゲインを大きくする
等の対応が必要である。このようにして図３の回路構成
を用いても、図１の回路構成と同様の効果を得ることが
できる。従って、このような構成も本発明の範囲に含ま
れるものである。
【００４１】また、第１の実施形態においては平面状光
源から発せられた光が２次元イメージセンサを透過して
指を照明する構成の例を説明したが、指の照明方法はこ
の例に限るものではなく、様々な方法が可能である。図
４、図５はそのような照明方法の他の実施形態を示す説
明図である。
【００４２】図４に示す実施形態は、２次元イメージセ
ンサ２０ｂとファイバ収集部材３０ｂを積層したものと
発光素子１０ｂとが指Ｆに密着するように筐体４０ｂに
配置して構成したものである。この構成は、図２におけ
る２次元イメージセンサの背部に設置された平面状光源
１０の代わりに、ファイバ収集部材３０ｂに並置した発
光素子１０ｂを用いて指Ｆを照明する点が特徴である。
【００４３】指紋画像及び脈波を検出する時には、指か
ら反射した光及び発光素子１０ｂから発せられた光が指
Ｆの内部に浸入し、散乱された光が２次元イメージセン
サ２０ｂに至って検出される。２次元イメージセンサ２
０ｂとしては図１または図３に示す回路構成であればよ
く、基板が透明である必要は無い。従って、ＣＭＯＳプ
ロセスを用いてＳｉウェハ上に形成されるＣＭＯＳセン
サを用いてもよい。
【００４４】一方、図５に示す実施形態は、ノート型コ
ンピュータや携帯電話機等のような自発光型表示器（例
えば、バックライトを備えた透過型の液晶ディスプレ
イ）を有する電子機器に好適に搭載可能な構成の例であ
る。図４の発光素子の代わりに電子機器内に配置されて
いる自発光型表示器１０ｃを光源として用いることで指
Ｆを照明する点が特徴である。この構成は、表示器の近
傍に指紋画像装置を設置する必要があるという面で機器
の設計に制約を受けるが、独立した発光素子を設置する
必要がないので、部品点数の削減と装置の小型化の点で
有利である。動作は図４の例の場合と同様である。この
場合も、２次元イメージセンサ２０ｃの基板が透明であ
る必要は無く、Ｓｉウェハ上に形成されるＣＭＯＳセン
サを用いてもよい。
【００４５】以上説明したように図３の２次元イメージ
センサ、あるいは図４、図５に示す構成を用いても、第
１の実施形態と同等の効果を得ることができる。即ち、
一つの装置で指紋画像入力と脈波検出が可能であり、指
の中央部の同一領域から両方の信号を入力するために指
紋照合を高精度で行うことができ、しかも、脈波の検出
感度が高く、加速度脈波の検出を高精度で行うことがで
きる。更に、装置の大型化と製造コストの増加を回避で
きる。従って、これらの構成も本発明の範囲に含まれる
ものである。
【００４６】また、以上説明した構成においてファイバ
収集部材を取り除き、表面に保護膜を形成した２次元イ
メージセンサに直接指を押し当てる構成としてもよい。
これは、次に述べる理由による。即ち、ファイバ収集部
材はその表面での画像情報をもう一方の表面に伝送する
機能を果たしており、ファイバ収集部材のもう一つの重
要な機能は２次元イメージセンサの表面を外傷から保護
することである。これら２つの機能は、ファイバ収集部
材の代わりに薄い保護膜（ＳｉＮやＳｉＯＮ等）を２次
元イメージセンサの表面に形成することにより、ある程
度のレベルで実現できる。
【００４７】要求される保護機能のレベルは応用機器の
使用場面や設計によって様々である。例えば、屋外で常
時携帯して使用する機器には高い保護機能が要求される
が、筐体の一部に保護カバーを設置できれば、指紋画像
入力装置本体に要求される保護機能のレベルは低くても
よい。従って、保護機能のレベルが低くても良い場合や
保護カバーを設置できる場合には、ファイバ収集部材を
用いずに２次元イメージセンサの表面に形成した保護膜
に直接指を押し当てる構成としてもよい。
【００４８】このような保護膜の形成技術は、静電型の
指紋画像入力装置に一般に使用されている。静電型の指
紋画像入力装置としては、例えば、特許第２９５９５３
２号公報に開示されているように２次元に配列された多
数の微小電極と指との間に保護膜と空気層を介して形成
された静電容量を充放電することにより、指表面の凹凸
情報である静電容量の分布、即ち、指紋画像を得るもの
がある。
【００４９】指紋画像を精度良く入力するためには、こ
れらの静電容量を大きく設計することが望ましく、その
ためには保護膜は厚さ１μｍ程度以下に形成する必要が
ある。光学式の指紋画像入力装置の場合には、保護層の
厚さに対する制限は緩く、光電変換素子の配列ピッチ程
度の厚さまでは許容されるので、静電型に比べると保護
膜の形成は容易である。
【００５０】また、２次元イメージセンサの画素部の構
成として、スイッチ素子Ｔｐと光電変換素子ＰＤとから
なる最も簡単な回路例を挙げて説明したが、画素部の回
路構成はこれに限るものではない。特に、個々の画素に
増幅回路を設けて、光電変換素子で生成された電荷を画
素レベルで増幅することにより、その後に重畳されるノ
イズ成分を相対的に小さくする構成としてもよい。
【００５１】このような画素部を持つ撮像素子は、“ア
クティブ・ピクセル・センサ”として、特に、Ｓｉウェ
ハ上にＣＭＯＳプロセスを用いて形成されるＣＭＯＳセ
ンサが一般的である。これと同じ技術思想に基づく薄膜
半導体技術を用いて透明基板上に形成した撮像素子とし
て、例えば、I.Fujiedaらによる論文“Self-referenced
poly-Si TFT amplifier readout for a linear image
sensor,”（IEDM Tech. Digest pp. 587-590, 1993）に
報告されている。
【００５２】このように本発明の趣旨を損なうことな
く、様々な構成要素の選択、置換が可能である。従っ
て、このような構成についても本発明の範囲に含まれる
ものである。
【００５３】(第３の実施形態)第１の実施形態において
は、指紋画像入力に用いる２次元イメージセンサの光電
変換素子を脈波検出にも利用することにより、本発明の
目的を達成するものである。仮に、本発明の第一の目的
である、“脈波検出と指紋画像入力との２つの機能を、
指の中央部からの情報をもとにして高精度で実現する”
ことを優先して、部品点数の削減と装置の小型化という
第二の目的についてはある程度妥協することにすると、
以上に述べた構成の他にも多様な構成が可能である。そ
こで、第３の実施形態においては、指を照明する光源を
指紋画像検出と脈波検出とで共通化し、指紋画像検出と
脈波検出とはそれぞれ専用の検出手段を用いて検出する
例について説明する。
【００５４】第３の実施形態の多様な構成の中で代表的
な３つの例を、図６、図７、図８に示す。まず、図６に
示す例では、従来の透明基板上に形成された２次元イメ
ージセンサ２２０の下方に受光素子１２０が配置されて
いる。受光素子１２０の厚さは約２ｍｍ程度、２次元イ
メージセンサ２２０とファイバ収集部材１２０を合わせ
た全体の厚さは約３〜４ｍｍである。
【００５５】脈波を検出する場合は、自発光型表示器１
０ｄから発せられた光が指Ｆの内部を散乱されて伝播し
た後に指Ｆの表面からファイバ収集部材２３０に入射
し、２次元イメージセンサ２２０の透明な領域を透過し
て、受光素子１２０で検出される。このようにして連続
して得られた受光素子１２０の出力から脈波が得られ、
更に受光素子１２０の出力を２回微分することにより加
速度脈波が得られる。なお、自発光型表示器１０ｄは携
帯電話機等の電子機器の内部に配置され、これを光源と
して兼用している。
【００５６】このように図６の構成では、脈波検出のた
めに専用の受光素子を設けているので、第１の実施形態
に比べて装置の小型化と製造コストの低減の面でやや不
利だが、“脈波検出と指紋画像入力との２つの機能を、
指の中央部からの情報をもとにして高精度で実現する”
という第一の目的は達成できる。
【００５７】ここで、図６の構成に用いる２次元イメー
ジセンサは指紋画像入力の目的にのみ用いられる。従っ
て、指紋画像の検出原理は光学式である必要は無く、例
えば、前述の静電方式、あるいは指の凹凸に起因する圧
力差を検出する圧力方式等の様々な検出原理に基づく指
紋センサを用いてよい。但し、受光素子１２０に光が到
達するため、指紋センサは少なくとも一部の光を透過す
る必要がある。
【００５８】図７はそのような例として、透明基板に形
成される静電方式の指紋センサを用いる例である。２０
ｅは静電型指紋センサである。このような指紋センサと
しては、例えば、前述の特許第２９５９５３２号公報に
記載のものを用いることができる。また、１０ｅは自発
型表示器、１２０は受光素子を示す。自発型表示器１０
ｅは電子機器内部のものを光源として兼用している。
【００５９】図７の構成においても、指の中央部からの
情報を入力することで、指紋照合と加速度脈波の検出を
高精度で実現できる。静電式指紋センサ２０ｅは厚さ
０.５〜１ｍｍ程度なので受光素子を含む全体の厚さは
２.５〜３.５ｍｍ程度になる。なお、図６、図７におい
て、光源として電子機器内部のものを兼用せずに専用の
光源を設けてもよい。
【００６０】全体の構成の厚さが１０〜２０ｍｍ程度に
なることを許容できる用途には、図８に示す構成を用い
ることができる。これは、発光素子１０ｆ、レンズ６
０、２次元イメージセンサ２０ｆ、受光素子１２０を、
片方の表面に微小なプリズムを形成したマイクロプリズ
ム５０の下方に配置して構成されている。ここで、２次
元イメージセンサ２０ｆとしては、前述のＣＭＯＳセン
サや薄膜半導体で形成するものやＣＣＤを用いてもよ
い。
【００６１】動作について説明すると、発光素子１０ｆ
から発せられた光はマイクロプリズム５０と指Ｆの隆線
が接触している領域から指Ｆの内部に浸入し、指Ｆの内
部で散乱された光が外部に漏洩する。この散乱光を受光
素子１２０で検出することにより脈波（加速度脈波）が
得られる。脈波（加速度脈波）を得る動作は第１の実施
形態と同様である。また、指Ｆの他に線領域ではマイク
ロプリズム５０の上面との隙間に空気層が存在するた
め、発光素子１０ｆから発せられた光はマイクロプリズ
ム５０とこの空域層との界面で全反射される。この全反
射された光をレンズ６０で２次元イメージセンサ２０ｆ
に結像することにより、コントラストの強調された指紋
画像を得ることができる。
【００６２】（第４の実施形態）次に、本発明の脈波検
出機能を備えた指紋画像入力装置を搭載した電子機器の
実施形態について説明する。本発明の指紋画像入力装置
は、例えば、ノート型コンピュータ、携帯電話機、ある
いはその他の携帯情報端末等の電子機器に用いることが
できる。また、予め電子機器の所有者の指紋を記憶装置
（図示せず）に登録しておき、指紋画像入力装置で指紋
を読み込み、これと記憶装置に登録されている指紋を比
較することで個人認証（本人確認）を行う。また、本発
明の指紋画像入力装置を用いて、例えば、指紋による個
人認証時に脈波や加速度脈波を検出し、これを記録装置
に記録しておく。
【００６３】このように本発明の指紋画像入力装置を搭
載することにより、以下に述べる効果が得られる。ま
ず、指紋による個人認証を利用してネットワークにログ
インする時にログイン作業と同時に脈波や加速度脈波に
基づく健康診断を実現することができる。例えば、毎朝
仕事場でログインと同時に脈波や加速度脈波を測定し、
健康診断の結果を記録しておけば、その人の健康状態の
変化を定期的にモニターできるので、これは貴重な医療
情報になる。
【００６４】また、ネットワークを通して様々な課金サ
ービスを受けるという重要な個人情報にアクセスする等
の場合には、偽の指による他人のなりすましを防止する
手段が特に強く望まれている。このような場合、本発明
の構成で得られる脈波や加速度脈波は、指が生体か否か
を識別するための情報としても用いることができるの
で、脈波や加速度脈波を生体識別に利用することで、偽
の指による個人認証を防止することができる。
【００６５】更に、脈波や加速度脈波は数日、数週間程
度の時間範囲では不変の個人情報であるので、定期的に
脈波や加速度脈波を測定して測定結果を記録装置に記録
しておき、この脈波や加速度脈波による個人認証と、前
述のような指紋画像による個人認証を併用することで、
指紋画像のみを用いる場合に比べて個人照合の精度を高
めることができる。
【００６６】
【発明の効果】以上説明したように発明によれば、脈波
検出と指紋画像入力との２つの機能を一つの装置で実現
でき、それぞれの機能を実現するための構成要素を並置
する構成に比較して特徴点が多い指の中央部の指紋画像
を入力できると同時に指の中央部から感度よく脈波又は
加速度脈波を検出できる。また、光源あるいは撮像素子
を共通の構成要素で兼用することにより、装置の大型化
と製造コストの増加を抑えることができる。これは、本
発明の指紋画像入力装置を携帯機器等に内蔵する場合に
大きな利点になる。
【００６７】また、本発明の指紋画像入力装置を用いる
ことにより、個人認証と同時に加速度脈波による健康診
断を容易に行うことができ、更に、脈波あるいは加速度
脈波を利用した生体識別により偽指を用いた他人へのな
りすましを防止できる。更に、指紋画像による個人認証
と脈波又は加速度脈波による個人認証を併用することに
より個人照合の精度を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による指紋画像入力装置の第１の実施形
態に用いる２次元イメージセンサを示す構成図である。
【図２】本発明による指紋画像入力装置の第１の実施形
態の主な構成要素を示す説明図である。
【図３】２次元イメージセンサの他の例を示す構成図で
ある。
【図４】本発明による指紋画像入力装置の第２の実施形
態を示す図である。
【図５】本発明による指紋画像入力装置の第２の実施形
態を示す図である。
【図６】本発明による指紋画像入力装置の第３の実施形
態を示す説明図である。
【図７】本発明による指紋画像入力装置の第３の実施形
態を示す説明図である。
【図８】本発明による指紋画像入力装置の第３の実施形
態を示す説明図である。
【図９】従来例の血液循環診断装置の脈波検出部の構成
を示す説明図である。
【図１０】従来例の薄型指紋画像入力装置の構成を示す
説明図である。
【符号の説明】
１０ 平面状光源 １０ｂ、１０ｆ 発光素子 １０ｃ、１０ｄ、１０ｅ 自発光型表示器 ２０、２０ｂ、２０ｃ、２０ｆ、２２０ ２次元イメ
ージセンサ ２４ スイッチ用配線 ２５ 信号読み出し用配線 ２６ バイアス印加用配線 ３０ ファイバ収集部材 ４０、４０ｂ〜４０ｆ 筐体 ５０ マイクロプリズム ６０ レンズ １０１ 垂直駆動回路 １０２ 水平駆動回路 １２０ 受光素子 Ｔｐ、ＳＷ−Ｖ、ＳＷ−Ｈ スイッチ素子 ＰＤ 光電変換素子 Ｄ−ＡＭＰ 微分回路 Ｉ−ＡＭＰ 電流積分器

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 指の指紋面を密着させるための光学手段
    と、前記指紋面を照明する光源と、前記指紋面から反射
    した光及び指の内部で散乱して指紋面から放出された光
    を検出するための、基板上に複数の光電変換素子が２次
    元に配列された撮像素子と、前記光電変換素子で生成さ
    れた電気信号を同時に外部へ出力する第１の出力モード
    と前記光電変換素子で生成された電気信号を順次外部へ
    出力する第２の出力モードとを切り換えることによっ
    て、指紋画像と脈波又は加速度脈波を検出する手段とを
    備えたことを特徴とする指紋画像入力装置。
  2. 【請求項２】 前記光学手段は、前記撮像素子の指紋密
    着面に形成された透明保護層又は複数の光ファイバを束
    ねて構成されたファイバ収集部材であることを特徴とす
    る請求項１に記載の指紋画像入力装置。
  3. 【請求項３】 前記撮像素子の基板は透明材料で形成さ
    れ、前記光源は面状光源で構成され、前記基板の下方に
    面状光源が配置されていることを特徴とする請求項１〜
    ２のいずれか１項に記載の指紋画像入力装置。
  4. 【請求項４】 前記光学手段の側部に前記光源が配置さ
    れていることを特徴とする請求項１〜２のいずれか１項
    に記載の指紋画像入力装置。
  5. 【請求項５】 指の指紋面を密着させるための光学手段
    と、前記光学手段に密着された指の指紋面を照明する光
    源と、一部に光を透過する透明部が形成され、前記指紋
    面から反射した光及び指の内部で散乱して指紋面から放
    出された光を検出することにより指紋画像を検出する指
    紋センサと、前記指紋センサの下方に配置され、前記指
    紋センサを透過した光を検出する受光素子と、前記受光
    素子の出力信号に基づいて脈波又は加速度脈波を検出す
    る手段とを備えたことを特徴とする指紋画像入力装置。
  6. 【請求項６】 前記指紋センサは、２次元イメージセン
    サ、静電型指紋センサ、又は圧力型指紋センサであるこ
    とを特徴とする請求項５に記載の指紋画像入力装置。
  7. 【請求項７】 指紋密着面とは反対側の面に複数の微小
    プリズムが形成され、指の指紋面を密着させるためのマ
    イクロプリズムと、前記指紋面を照明する光源と、前記
    マイクロプリズムの下方に配置され、マイクロプリズム
    を透過した光を検出することにより指紋画像を検出する
    撮像素子と、前記マイクロプリズムの下方に配置され、
    マイクロプリズムから透過した光を検出する受光素子
    と、前記受光素子の出力信号に基づいて脈波又は加速度
    脈波を検出する手段とを備えたことを特徴とする指紋画
    像入力装置。
  8. 【請求項８】 請求項１〜７のいずれか１項に記載の指
    紋画像入力装置と、前記指紋画像入力装置から入力され
    た指紋画像と予め登録されている指紋画像とを比較して
    個人認証を行う手段とを備えたことを特徴とする電子機
    器。
  9. 【請求項９】 前記指紋画像入力装置から入力された脈
    波又は加速度脈波を記録する手段を有することを特徴と
    する請求項８に記載の電子機器。
  10. 【請求項１０】 前記指紋画像入力装置から入力された
    脈波又は加速度脈波に基づいて生体識別を行うことを特
    徴とする請求項８〜９のいずれか１項に記載の電子機
    器。
  11. 【請求項１１】 前記指紋画像入力装置内の光源は、電
    子機器本体内に設けられている自発型表示器と兼用され
    ていることを特徴とする請求項８〜１０のいずれか１項
    に記載の電子機器。
  12. 【請求項１２】 請求項１〜７のいずれか１項に記載の
    指紋画像入力装置と、前記指紋画像入力装置から入力さ
    れた指紋画像と予め登録されている指紋画像とを比較し
    て個人認証を行う第１の個人認証手段と、前記指紋画像
    入力装置から入力された脈波又は加速度脈波と予め登録
    されている脈波又は加速度脈波を比較して個人認証を行
    う第２の個人認証手段とを備え、前記第１の個人認証手
    段による個人認証と第２の個人認証手段による個人認証
    を併用することによって個人認証を行うことを特徴とす
    る電子機器。
  13. 【請求項１３】 前記指紋画像入力装置内の光源は、電
    子機器本体内に設けられている自発型表示器と兼用され
    ていることを特徴とする請求項１２に記載の電子機器。
  14. 【請求項１４】 前記脈波又は加速度脈波は、定期的に
    測定して更新されることを特徴とする請求項１２〜１３
    のいずれか１項に記載の電子機器。
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