JP2004309377A

JP2004309377A - 凹凸パターン検出装置、その製造方法、凹凸パターンの検出方法および携帯機器

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Publication number: JP2004309377A
Application number: JP2003105064A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Ootsuchi; 哲郎大土; Atsushi Komatsu; 敦小松; Mitsuhiro Yamashita; 光洋山下
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-04-09
Filing date: 2003-04-09
Publication date: 2004-11-04

Abstract

【課題】光源の光量を低くでき、低消費電流化が図れるように改良された凹凸パターン検出装置を提供することを主要な目的とする。
【解決手段】凹凸パターン検出装置は、凹凸パターンを有する被検体８を当接させる被検体測定部を含む一方の面と、この一方の面に対向し光源１０と撮像素子１１とが実装される他方の面とを有する光学プレート６を備える。光学プレート６の厚み部分に、その一方端が被検体測定部に向き、その他方端が撮像素子１１に向く、ファイバが束ねられてなるファイバアレイ２１が傾斜して設けられている。ファイバアレイ２１の他方端を被覆するように光学プレート６の他方の面上に、光学的に透明な材料で形成された透明層３１が設けられている。透明層３１上に光源１０と撮像素子１１が実装されている。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は一般には凹凸パターン検出装置に関するものであり、より特定的には撮像素子の実装が容易になるように改良された凹凸パターン検出装置に関する。この発明はさらに、そのような凹凸パターン検出装置の製造方法に関する。この発明はさらに低消費電流化が図れる凹凸パターンの検出方法に関する。この発明はさらに低消費電流化が図られた携帯機器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
指紋等の微小な凹凸パターンを検出する代表的なものとして、光学式の検出装置がある。従来、図１４に示すような、光ファイバを使用した凹凸パターン検出装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図１４において、１はファイバアレイ、１ａはファイバアレイの入射面、１ｂはファイバアレイの出射面である。入射面１ａは、ファイバアレイ１の各ファイバの中心軸に対して所定の角度で傾斜している。光源２から投光された光３は、ファイバアレイ１を透過して入射面１ａに到達する。光３の入射角は、光ファイバのコアと空気との界面における臨界角より大きい。従って、反射光は、被検体４の凹凸パターンの凹部が面する入射面１ａで全反射となり、被検体４の凸部と接触している入射面１ａで媒質相互の屈折率によって非全反射となる。被検体４の凹部が面している入射面１ａでの反射光は、被検体４の凸部が接触している部分の反射光より強くなるので、反射光は凹凸パターンに応じたコントラストの高いパターンを形成する。出射面１ｂでの光パターンは撮像素子５の撮像面に入力される。
【０００４】
【特許文献１】
特許第３０４５６２９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１４に示す凹凸パターン検出装置では、照明のための光源を個別に設置しているため、装置全体を小型化することが困難であった。また、撮像素子５がファイバアレイ１の光軸に垂直に設けられており、装置を平板化できないという問題点があった。したがって、この従来装置では、特に、薄型化が困難であった。
【０００６】
このような問題点を解決するために、出願人は、図１５に示すような凹凸パターン検出装置を提案した（特願２００１−３０６１１７号）。
【０００７】
図１５を参照して、凹凸パターン検出センサーは、光学プレート６を備える。光学プレート６内に、ファイバが束ねられてなるファイバアレイ２１が、傾斜して設けられている。光学プレート６の一方の面に光源２と撮像素子５が実装されている。被検体である指８は、光源２と撮像素子５が実装された面と相対する面であって、ファイバアレイ２１の入射面に密着して置かれる。指８を、図のように指の長さ方向に動かすことにより、２次元の凹凸パターンを得ることができる。
【０００８】
図１５に示す装置では、平板化を行うことができるという利点がある。しかし、光学基板６内に全反射光を導入して検出する場合、光源２と撮像素子５の間隔を広く取らなければならず、さらなる小型化の妨げとなっていた。また、ファイバアレイ２１の出射口が斜めになっているため、外部へ出る光の角度が制限され、撮像素子５に到達する光量が少なくなる。
【０００９】
また、ファイバアレイ２１の表面は研磨によっても平坦にならない。すなわち、ファイバアレイ２１の表面にはコア、クラッド、吸収体など異なる成分のガラスが露出するため、これらの研磨速度が異なることなどを起因として表面粗さを均一に仕上げることが難しい。このため、ファイバアレイ２１の表面に電極を形成しても断線などが発生しやすい。また、バンプでの接続において接触不良が起こりやすくなる。したがって、撮像素子５の実装について課題があった。
【００１０】
さらに、光源２を光学プレート６に面実装しているが、全反射光が指８を当接する面に入射する割合は、光源２から放射される全光量に対して非常に少ない。そのため、効率よく入射させようとすると、プリズムなどを光学プレート上に設置する必要があり、薄型化の妨げになるという課題があった。
【００１１】
この発明は上記のような問題点を解決するためになされたもので、平板化し、かつより小型化できるように改良された凹凸パターン検出装置を提供することを目的とする。
【００１２】
この発明の他の目的は、撮像素子の実装が容易になるように改良された凹凸パターン検出装置を提供することにある。
【００１３】
この発明の他の目的は、光源の光量を低くでき、低消費電流化が図れるように改良された凹凸パターン検出装置を提供することにある。
【００１４】
この発明のさらに他の目的は、光源の光量を低くでき、低消費電流化が図れるように改良された凹凸パターン検出装置の製造方法を提供することにある。
【００１５】
この発明のさらに他の目的は、そのような凹凸パターン検出装置が装着された携帯機器を提供することにある。
【００１６】
この発明のさらに他の目的は、光源の光量を低くでき、低消費電流化が図れるように改良された凹凸パターンの検出方法を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
この発明の第１の局面に従う凹凸パターン検出装置は、凹凸パターンを有する被検体を当接させる被検体測定部を含む一方の面と、この一方の面に対向し光源と撮像素子とが実装される側の他方の面とを有する光学プレートを備える。上光学プレートの厚み部分に、その一方端が上記被検体測定部に向き、その他方端が上記撮像素子に向く、ファイバが束ねられてなるファイバアレイ傾斜して設けられている。上記ファイバアレイの上記他方端を被覆するように上記光学プレートの上記他方の面上に、光学的に透明な材料で形成された透明層が設けられている。上記透明層上に光源と撮像素子が実装されている。透明層は、平坦性の高いものが好ましい。
【００１８】
この発明によれば、上記ファイバアレイの上記他方端を被覆するように上記光学プレートの上記他方の面上に、光学的に透明な材料で形成された透明層が設けられているので、撮像素子が実装される面として、平坦な面が供される。したがって、撮像素子の実装が容易となる。
【００１９】
この発明の好ましい実施の形態によれば、上記光源が設けられる位置は、この光源から放射され、上記透明層を通って上記被検体測定部に向かう放射光が、上記被検体測定部で全反射するように選ばれている。上記ファイバアレイの傾斜角度は、上記放射光の全反射角度と略一致させている。
【００２０】
この発明によれば、後述する全反射型の凹凸パターン検出装置となる。
【００２１】
この発明の他の実施の形態によれば、上記光源が設けられる位置は、この光源から放射され、上記透明層および上記光学プレートの厚み部分を通って上記被検体測定部に向かう放射光が、臨界角よりも小さい角度で上記被検体測定部に当たるように選ばれている。上記ファイバアレイは、上記臨界角よりも大きい角度で傾斜している。
【００２２】
この実施の形態によれば、後述する散乱型の凹凸パターン検出装置となる。
【００２３】
この発明のさらに好ましい実施の形態によれば、上記光学プレートの厚み部分に、その一方端が上記被検体測定部に向き、その他方端が上記光源に向く、ファイバが束ねられてなる入射側ファイバアレイが埋め込まれている。
【００２４】
本実施の形態によれば、投光用の光の伝搬に光ファイバが使用されるので、放射光の放射方向の制約を少なくすることができる。
【００２５】
この発明のさらに好ましい実施の形態によれば、上記透明層を構成する材料の屈折率は、上記ファイバのコアの屈折率と同じか、またはそれよりも大きくされている。
【００２６】
上記透明層を構成する材料の屈折率を、上記ファイバのコアの屈折率よりも大きくした場合には、ファイバアレイから出た光を上記撮像素子への入射角度が直角になる方向に近づくように屈折させることができるので、ファイバアレイから出た光を損失なく撮像素子に検出させることができる。
【００２７】
この発明の第２の局面に従う凹凸パターン検出装置の製造方法においては、まず、凹凸パタ−ンを有する被検体を当接させる被検体測定部を含む一方の面と、この一方の面に対向し光源および撮像素子が実装される側の他方の面とを有する光学プレートであって、その厚み部分に、一方端と他方端とを有するファイバアレイが傾斜して埋め込まれ、かつ上記ファイバアレイの入射面が上記一方の面に露出し、上記ファイバアレイの上記他方端が上記他方の面に露出している光学プレートを準備する。上記ファイバアレイの上記他方端を覆うように上記光学プレートの上記他方の面に光学的に透明な材料で形成された透明層を形成する。上記透明層上であって、上記ファイバアレイの上記他方端に対向する部分に上記撮像素子を実装する。
【００２８】
この発明によれば、上記ファイバアレイの上記他方端を被覆するように上記光学プレートの上記他方の面上に、光学的に透明な材料で形成された透明層を形成するので、撮像素子が実装される面として、平坦な面が供される。したがって、撮像素子の実装が容易となる。
【００２９】
この発明の第３の局面に従う凹凸パターンの検出方法においては、まず、被検体測定部に被検体を当接し、光源から放射光を上記被検体測定部に向けて放射し、上記被検体測定部から返された光を撮像素子に導き、結像させる凹凸パターンの検出方法にかかる。そして、上記被検体測定部から返された光のうち、一定方向の光のみを選び、上記選ばれた光を上記撮像素子に導く前に、この選ばれた光を、上記撮像素子への入射角度が直角になる方向に近づくように屈折させることを特徴とする。
【００３０】
この発明によれば、ファイバアレイから出た光を上記撮像素子への入射角度が直角になる方向に近づくように屈折させることができるので、ファイバアレイから出た光を損失なく撮像素子に検出させることができる凹凸パターン検出装置が得られる。
【００３１】
この発明の第４の局面に従う発明は、凹凸パターン検出装置が装着されてなる携帯機器にかかる。そして、上記凹凸パターン検出装置は、凹凸パターンを有する被検体を当接させる被検体測定部を含む一方の面と、この一方の面に対向し光源と撮像素子とが実装される側の他方の面とを有する光学プレートを備える。上記光学プレートの厚み部分に、その一方端が上記被検体測定部に向き、その他方端が上記撮像素子に向く、ファイバが束ねられてなるファイバアレイが傾斜して設けられている。上記ファイバアレイの上記他方端を被覆するように上記光学プレートの上記他方の面上に、光学的に透明な材料で形成された透明層が設けられている。上記透明層上に光源と撮像素子とが実装されている。
【００３２】
この発明によれば、上記透明層の屈折率を選ぶことにより、光源と撮像素子の距離を狭めることができ、より小型化でき、ひいては小型の携帯機器にも実装できるようになる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を、図を用いて説明する。なお、以下の実施の形態にかかる図面において、同一または相当する部分には同一の参照番号を付す。
【００３４】
（実施の形態１）
図１は実施の形態１にかかる凹凸パターン検出装置の斜視図であり、図２は図１におけるＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。
【００３５】
これらの図を参照して、凹凸パターン検出装置は、一方の面１２と、この一方の面１２に対向する他方の面９とを有する光学プレート６を備える。光学プレート６の一方の面１２は、凹凸パターンを有する被検体である指８を当接させる被検体測定部１２ａを含む。光学プレート６の厚み部分には、ファイバが束ねられてなるファイバアレイ２１が傾斜して設けられている。ファイバアレイ２１の一方端は被検体測定部１２ａに向き、その他方端は撮像素子１１に向いている。
【００３６】
ファイバアレイ２１の他方端を被覆するように、光学プレート６の他方の面９に、光学的に透明な材料で形成された透明層３１が設けられている。透明層３１上に、光源１０と撮像素子１１が実装されている。透明層３１と光源１０と撮像素子１１は一体的に形成されている。撮像素子１１はシリコンチップからなる光センサであり、透明層３１にバンプ法により実装される。透明層３１は、光学プレート６の他方の面９に、ガラス基板を例えば、紫外線硬化樹脂等の光学接着剤を用いて貼り合わせることにより形成される。この場合に用いられるガラス基板としては、高度に平坦化され、表面粗さが極めて小さいものが好ましい。
【００３７】
ここで、透明層３１の屈折率について説明しておく。
【００３８】
図３は、透明層が空気層（屈折率＝１）である場合の光路の概念図であり、図４は、透明層の屈折率がファイバのコアの屈折率に等しい場合の光路の概念図であり、図５は、透明層の屈折率がファイバのコアの屈折率より大きい場合の光路の概念図である。これらの図において、透明層の屈折率をｎとし、ファイバのコアの屈折率をｎｃｏｒｅとし、ファイバのクラッドの屈折率をｎｃｌａｄとする。ファイバの傾斜角度をθとする。ファイバ内のコア―クラッド間での全反射臨界角をα１とする。ファイバ出射口での、コアと透明層での屈折角をコア側はβ１、β２とし、透明層側はγ１、γ２とする。
【００３９】
図３を参照して、ｎ＝１の場合、コアと空気層の間で全反射臨界角が存在する。この全反射臨界角を図中θｃで示す。ｎ＝１の場合、ファイバ内を伝達した光のうち右斜線で示した範囲の光のみが、外部に出射され、透明層の左斜線で示した領域に出てくる。
【００４０】
図４を参照して、ｎ＝ｎｃｏｒｅの場合、コアと透明層の境界では屈折はおこらず、β１＝γ１、β２＝γ２となり、ファイバ内を伝播してきた光が全て外部へ放射される（図中左斜線の領域）。これにより、ファイバ内を伝播してきた光の撮像素子での検出効率が向上する。
【００４１】
図５を参照して、ｎ＞ｎｃｏｒｅの場合、コアと透明層の間で屈折がおこり、出射角度が小さくなる。
【００４２】
具体的には、ｎｃｏｒｅ＝１．６２、ｎｃｌａｄ＝１．５９３、θ＝４５°のとき、α１＝７９．５°、β１＝３４．５°、β２＝５５．５°であり、ｎ＝１のときは、γ１＝６６．５７°、θｃ＝３８．１°となる。ｎ＝１．８＞ｎｃｏｒｅのときは、γ１＝３０．６°、γ２＝４７．８°となる。
【００４３】
以上のことを考慮して、透明層３１としては、屈折率がファイバアレイ２１を構成するファイバのコアの屈折率より高いものが好ましく用いられる。透明層３１の屈折率を、ファイバアレイ２１を構成するファイバのコアの屈折率より高くすると、図２に示すように、ファイバアレイ２１を伝播してきた光を、撮像素子１１に導く前に、撮像素子１１への入射角度が直角になる方向に近づくように屈折させることができる。これにより、ファイバアレイ２１からの出力光を損失なく撮像素子１１で検出でき、撮像素子１１に到達する光量が多くなる。ひいては光源１０の光量を低くでき、低消費電流化が図れる。
【００４４】
また、透明層３１の屈折率を光学プレート６（ファイバアレイ以外の部分）の屈折率より大きくすることにより、図２のように光学プレート６と透明層３１との界面で放射光１７を法線から遠ざかるように屈折させることができる。これにより、プリズムなどを用いることなく、光源１０から放射される光を効率よく、被検体測定部に導くことができる。
【００４５】
このように、透明層３１の屈折率、ファイバのコアの屈折率、および光学プレート６（ファイバアレイ以外の部分）の屈折率は、これらの作用効果の関係を考慮して、選ばれるのが好ましい。
【００４６】
また、透明層３１の材料、ファイバのコアの材料、および光学プレート６の材料を選ぶに当たって、光源１０を実装する部分の透明層３１の屈折率と、撮像素子１１を実装する部分の透明層３１の屈折率を異ならせてもよい。
【００４７】
なお、透明層３１の表面硬度はファイバのコアよりも高く、傷つき難いものが好ましい。
【００４８】
光源１０は、撮像素子１１を形成した面と同じ面に実装される。光源１０としては、発光ダイオード（ＬＥＤ）を複数個を撮像素子１１に沿って並べたＬＥＤアレイまたは、１つの発光ダイオードと導光板とで形成される線状光源が用いられる。
【００４９】
光源１０が設けられる位置は、光源１０から放射され、透明層３１を通って被検体測定部に向かう放射光が、被検体測定部で全反射するように選ばれている。本実施の形態にかかる凹凸パターン検出装置によれば、撮像素子１１を実装する面が、平坦な面として供されるので、撮像素子１１の実装が容易となる。
【００５０】
この凹凸パターン検出装置を用いて、凹凸パターンを検出する方法について説明する。
【００５１】
図１及び図２を参照して、被検体測定部に被検体である指８を当接する。光源１０からの放射光１７を被検体測定部に向けて放射する。被検体測定部に当たって、全反射して返された光のうち、一定方向の光のみがファイバアレイ２１を伝播し、撮像素子１１へ向かう。透明層３１は、ファイバアレイ２１を伝播してきた光を、撮像素子１１への入射角度が直角になる方向に近づくように屈折させる。
【００５２】
このようにファイバアレイ２１を伝播してきた光を、撮像素子１１に導く前に、撮像素子１１への入射角度が直角になる方向に近づくように屈折させるので、ファイバアレイ２１からの出力光を損失なく撮像素子１１で検出でき、撮像素子１１に到達する光量が多くなる。ひいては光源１０の光量を低くでき、低消費電流化が図れる。
【００５３】
また、光源１０と撮像素子１１の間隔を狭めることができ、装置の小型化を図ることができる。
【００５４】
図６は、本実施の形態にかかる変形例で、いわゆる散乱型凹凸パターン検出装置を意図したものであり、光源１０を設ける位置は、光源１０から放射され、透明層３１及び光学プレート６の厚み部分を通って被検体測定部に向かう放射光が、臨界角よりも小さい角度で被検体測定部に当たるように選ばれている。ファイバアレイ２１は、臨界角よりも大きい角度で傾斜している。
【００５５】
図６では、光源１０は、被検体測定部の真下に設けられている。このように構成することにより、後述する散乱型で凹凸パターンを検出することができる。
【００５６】
ここで、全反射型凹凸パターン検出装置と散乱型凹凸パターン検出装置の概念について説明しておく。
【００５７】
図７は、全反射型凹凸パターン検出装置の概念を説明するための図である。全反射型では、臨界角以上の入射角度θで被検体測定部に入射する光１７は、指紋パターンの凹部１８で全反射となり、指紋パターンの凸部１９と接触している面で、媒質相互の屈折率によって非全反射となる。これにより、凹部１８の反射光は凸部１９が接触している部分の反射光より強くなるので、凹凸パターンに応じたコントラストの高い光パターンが形成される。
【００５８】
図８は、散乱型凹凸パターン検出装置を説明するための概念図である。指紋パターンの凹部１８（ここには空気が存在する）に面する被検体測定部１２ａに到達した光１７は、空気中に入り、凹部１８で散乱し、この散乱光１７ｃは再び被検体測定部１２ａより光学プレート６に入射する。また、指紋パターンの凸部１９が接触している被検体測定部１２ａに到達した光１７は、凸部１９から空気を通過せずに、直接被検体測定部１２ａで散乱する。指紋パターンの凸部１９が接触した入射面と、指紋パターンの凹部１８が面する入射面とで、ある方向に散乱する散乱光の光量が異なる。このため、凹凸に応じたコントラストの高い光パターンが得られる。
【００５９】
本発明は、この全反射型または散乱型のいずれにも適用され得る。
【００６０】
次に、光源１０を設ける位置とファイバアレイ２１の傾斜角度についてさらに詳細に説明する。
【００６１】
まず、全反射型で用いる場合を説明する。
【００６２】
再度、図２と図７を参照して、光源１０から、透明層３１と光学プレート６の厚み部分を通して光１７を被検体測定部に向けて投光する。被検体測定部における光の入射角θを、光学プレート６の被検体測定部と空気との界面における臨界角より大きくする。この場合、反射光１７ａは、指８の凹部１８に面する面２０で全反射となり、指８の凸部１９と接触している被検体測定部１２ａでは、媒質相互の屈折率によって非全反射となる。これにより、指８の凹部１８が面している部分の反射光は、指８の凸部１９が接触している部分の反射光より強くなるので、反射光１７ａは、指８の凹凸パターンに応じたコントラストの強い光パターンを形成する。
【００６３】
ここで、ファイバアレイ２１の傾斜角度を全反射角度θと略一致させることにより、全反射光である反射光１７ａが、ファイバアレイ２１中の光ファイバを伝搬するようになる。このとき、被検体測定部１２ａに指８の凹凸パターンの凸部１９が接触している部分では非全反射するため、全反射光がファイバアレイ内の光ファイバを伝搬しない。このため、凹部と凸部でファイバアレイ内を伝搬する光強度に大きな差が生じる。その結果、指８の凹凸パターンに対応した光パターンが撮像素子１１に結像する。
【００６４】
撮像素子１１は、フォトダイオードが矩型の領域に配列されたものである。２５６×１６素子が約５０μｍピッチで配置され、解像度は５００ｄｐｉである。外部からの制御信号等の指示に基づき、各素子の出力を順次読み出す事が出来る。撮像素子の各素子の出力は、Ａ／Ｄコンバータにより８ビットのデジタル値に変換される。
【００６５】
被験者は図１に示すように、被検体測定部に指８を置き、指の長さ方向に指をスライドさせる。撮像素子からの出力は一定時間間隔で繰り返し読み出されており、指８をスライドさせた時に読み出された出力値は、ＣＰＵなどの演算装置で２次元画像に再構成される。こうして再構成された画像は、指紋画像の場合、メモリ等に以前に記憶された画像と比較され、本人認証に用いられる。
【００６６】
なお、撮像素子にはＡ／Ｄ変換機能を設けてもよい。また、携帯機器に本発明にかかる凹凸パターン検出装置に用いる場合には、凹凸パターン検出装置の被検体測定部は携帯機器の表面に露出し、内部のＣＰＵにデータが転送される。
【００６７】
次に散乱型で用いる場合について説明する。
【００６８】
再度、図６と図８を参照して、光源１０から透明層３１と光学プレート６の厚み部分を通して投光された放射光１７は、被検体測定部１２ａに到達する。この場合、光源１０から投光された放射光１７の放射方向は、被検体測定部１２ａにおける放射光の正反射光が直接光ファイバに入射して伝搬しない範囲で任意に設定される。
【００６９】
被検体測定部１２ａにおいて、指の凹凸パターンの凹部１８に面する被検体測定部１２ａで正反射光および空気中への透過光が生じ、指の凹凸パターンの凸部１９と接触している被検体測定部１２ａで散乱光１７ｂが生じる。
【００７０】
ここでは、指の凹凸パターンの凹部１８が面している被検体測定部１２ａからの正反射光は光ファイバを伝搬しないように設定されているので、指の凹凸パターンの凸部１９における散乱光１７ｂのみがファイバアレイ２１で伝搬される。従って、指８の凹凸パターンの凸部に対応した光パターンを得ることができる。
【００７１】
一方、指の凹凸パターンの凹部１８が面する被検体測定部１２ａを透過し、空気中に入った光１７であって、凹部１８の内壁面に当たって散乱した光１７ｃは、一旦空気中を通過して被検体測定部１２ａより光学プレート６に再び入る。このとき、光１７ｃはスネルの法則により、空気と被検体測定部１２ａとの界面で法線１００に近づくように屈折し、ファイバアレイ２１に向かう光１７ｄとなる。光１７ｄの出射角度は被検体測定部１２ａにおける全反射臨界角より小さくなる。より高いコントラストの光パターンを得るには、この光１７ｄが光ファイバ内を伝搬できないようにすることが重要である。
【００７２】
すなわち、ファイバアレイ２１の傾斜角度を、光１７ｄがファイバアレイ２１を伝搬しないように、かつ、散乱光１７ｂがファイバアレイ２１を伝搬できるように選ぶ。すなわち、全反射臨界角より大きい角度でファイバアレイ２１を傾斜して設ける。指の凹凸パターンの凸部１９が接触している被検体測定部１２ａにおける散乱光１７ｂのみを光ファイバを通して、撮像素子１１に伝搬させることができる。
【００７３】
（実施の形態２）
本実施の形態は、ファイバアレイが埋め込まれ、かつ透明層が設けられた凹凸パターン検出装置を製造する方法にかかる。
【００７４】
図９（ａ）を参照して、ファイバが束ねられてなるファイバアレイ２１とガラス２２を準備する。図９（ｂ）を参照して、ファイバアレイ２１をガラス２２で挟んで接合する。このとき、ファイバの光軸が接合面と平行になるようにする。接合方法としては、熱融着、接着、直接接合などがある。
【００７５】
図９（ｃ）を参照して、ファイバアレイ２１とガラス２２の接合体を、接合面に対して角度を付けて、平板状に切り出す。切断間隔は１．１ｍｍとした。
【００７６】
図９（ｃ）と図９（ｄ）を参照して、切り出した平板は、端部を落として矩型に揃えた。この平板の主たる面を光学研磨することにより、ファイバ入り光学プレート６が形成された。研磨後の厚さは１．０ｍｍであり、平面形状は２０ｍｍ×１０ｍｍの長方形であった。
【００７７】
図９（ｅ）を参照して、光学プレート６の一方の面上に、光学的に透明な材料で形成された透明層３１を形成する。この透明層３１は、例えば、光学プレート６を構成するガラスと同種のガラスを、紫外線硬化樹脂を用いて貼り合わせることにより形成される。透明層３１として用いられるガラスは、平坦性の高いものが好ましい。
【００７８】
ここで、透明層３１の屈折率を、ファイバアレイ２１を構成するファイバのコアの屈折率より高くするように選ぶと、図２に戻って、ファイバアレイ２１を伝播してきた光を、撮像素子１１に導く前に、撮像素子１１への入射角度が直角になる方向に近づくように屈折させることができる。これにより、ファイバアレイ２１からの出力光を損失なく撮像素子１１で検出でき、撮像素子１１に到達する光量が多くなる。ひいては光源１０の光量を低くでき、低消費電流化が図れる。
【００７９】
また、透明層３１の屈折率を光学プレート６のファイバアレイ以外の部分の屈折率より大きくするように選ぶと、光学プレート６と透明層３１との界面で放射光１７を法線から遠ざかるように屈折させることができる。これにより、プリズムなどを用いることなく、光源１０から放射される光を効率よく、被検体測定部に導くことができる。
【００８０】
このように、透明層３１を構成する材料の屈折率、ファイバのコアを構成する材料の屈折率、および光学プレート６（ファイバアレイ以外の部分）を構成する材料の屈折率は、これらの作用効果の関係を考慮して、選ばれるのが好ましい。
【００８１】
また、本方法では、透明層３１を単一材料で形成している場合を例示しているが、透明層３１の材料、ファイバのコアの材料、および光学プレート６の材料を選ぶに当たって、光源１０を実装する部分の透明層３１の屈折率と、撮像素子１１を実装する部分の透明層３１の屈折率を異ならせてもよい。
【００８２】
次に、図９（ｆ）を参照して、光学プレート６の他方の面に、クロム、金を蒸着させることにより金属膜２４を形成する。
【００８３】
図９（ｆ）と図９（ｇ）を参照して、金属膜２４をパターンニングし、電極２５を形成する。
【００８４】
図９（ｈ）を参照して、透明層３１の上に、発光ダイオード（ＬＥＤ）２６と導光板２７とからなる線状光源を形成する。発光ダイオード（ＬＥＤ）２６は、電極２５に接続される。また、電極２５に接続されるように撮像素子１１を形成する。このように、透明層３１と光源と撮像素子１１は一体的に形成される。以上の工程により、凹凸パターン検出装置が完成する。
【００８５】
図１０は、図９（ｈ）におけるＸ−Ｘ線に沿う断面図であり、導光板２７の機能を説明するための図である。ＬＥＤ２６から出た放射光１７は、導光板２７に設けられた凹凸パターンで反射し、平行な光となる。図９（ｈ）を再び参照して、この平行光は、透明層３１および光学プレート６の厚み部分を通って、被検体測定部に向かう。
【００８６】
なお、上記実施の形態では、光源として、１つの発光ダイオード（ＬＥＤ）２６と導光板２７とからなる線状光源を例示したが、この発明はこれに限られるものでなく、導光板２７を用いる代わりに、撮像素子１１に対向させて、複数の発光ダイオード２６を配置させてもよい。
【００８７】
（実施の形態３）
図１１は、実施の形態３にかかる凹凸パターン検出装置の断面図である。図１１に示す装置は以下の点を除いて、図２に示す装置と同一である。
【００８８】
図１１を参照して、光学プレート６の厚み部分に、出射用のファイバアレイ２１に加えて、光源１０からの放射光を、被当接面に向けて投光するための放射光導入用ファイバアレイ２８が埋め込まれている。放射光導入用ファイバアレイ２８の出射面２８ａは、放射光導入用ファイバアレイ２８の側壁に対して垂直にされている。放射光導入用ファイバアレイ２８の出射面２８ａは、ファイバアレイ２１の側壁に接触している。本実施の形態によれば、投光用の光の伝搬に光ファイバが使用されるので、放射光の放射方向の制約を少なくすることができ、また散乱成分が少なく反射角度の揃った全反射光を被検体に向けて放射できる。
【００８９】
また、透明層３１を放射光導入用ファイバアレイ２８の入射面２８ｂを覆うように形成しているため、光源１０を実装する面を平坦にすることができ、この面での乱反射を防止でき、光源１０からの光が放射光導入用ファイバアレイ２８内を伝播しやすくなる。
【００９０】
さらに、本実施の形態においても、透明層３１の屈折率を、ファイバアレイ２１を構成するファイバのコアの屈折率より高くすると、図１１に示すように、ファイバアレイ２１を伝播してきた光を、撮像素子１１に導く前に、撮像素子１１への入射角度が直角になる方向に近づくように屈折させることができる。これにより、ファイバアレイ２１からの出力光を損失なく撮像素子１１で検出でき、撮像素子１１に到達する光量が多くなる。ひいては光源１０の光量を低くでき、低消費電流化が図れる。
【００９１】
また、透明層３１の屈折率を光学プレート６のファイバアレイ以外の部分の屈折率より大きくすることにより、光学プレート６と透明層３１との界面で放射光１７を法線から遠ざかるように屈折させることができる。これにより、プリズムなどを用いることなく、光源１０から放射される光を効率よく、被検体測定部に導くことができる。
【００９２】
このように、透明層３１の屈折率、ファイバのコアの屈折率、および光学プレート６（ファイバアレイ以外の部分）の屈折率は、これらの作用効果の関係を考慮して、選ばれるのが好ましい。また、透明層３１の材料、ファイバのコアの材料、および光学プレート６の材料を選ぶに当たって、光源１０を実装する部分の透明層３１の屈折率と、撮像素子１１を実装する部分の透明層３１の屈折率を異ならせてもよい。
【００９３】
なお本実施の形態では、光学プレート６の一方の面であって、被検体測定部以外の部分には遮光膜２９が設けられている。透明層３１の面上であって、光源１０および撮像素子１１が実装されていない部分にも遮光膜２９が設けられている。このような遮光膜２９を設けることにより、外部光を遮断することができる。
【００９４】
（実施の形態４）
図１２は、実施の形態４にかかる凹凸パターン検出装置の断面図である。
【００９５】
本実施の形態にかかる凹凸パターン検出装置では、光源１０が被検体測定部の真下に設けられており、放射光導入用ファイバアレイ２８は被検体測定部に向けてほぼ垂直に立っている。このように構成することにより、散乱型の凹凸パターン検出装置となる。
【００９６】
また、透明層３１を放射光導入用ファイバアレイ２８の入射面２８ｂを覆うように形成しているため、光源１０を実装する面を平坦にすることができ、この面での乱反射を防止でき、光源１０からの光が放射光導入用ファイバアレイ２８内を伝播しやすくなる。
【００９７】
また、本実施の形態においても、透明層３１としては、屈折率がファイバアレイ２１を構成するファイバのコアの屈折率より高いものが好ましく用いられる。透明層３１の屈折率を、ファイバアレイ２１を構成するファイバのコアの屈折率より高くすると、図１２のようにファイバアレイ２１を伝播してきた光を、撮像素子１１に導く前に、撮像素子１１への入射角度が直角になる方向に近づくように屈折させることができる。これにより、ファイバアレイ２１からの出力光を損失なく撮像素子１１で検出でき、撮像素子１１に到達する光量が多くなる。ひいては光源１０の光量を低くでき、低消費電流化が図れる。
【００９８】
また、透明層３１の材料、ファイバのコアの材料、および光学プレート６の材料を選ぶに当たって、光源１０を実装する部分の透明層３１の屈折率と、撮像素子１１を実装する部分の透明層３１の屈折率を異ならせてもよい。
【００９９】
（実施の形態５）
図１３は、実施の形態５にかかる凹凸パターン検出装置の断面図である。
【０１００】
図１３を参照して、光源１０から放射された放射光は、透明層３１および放射光導入用ファイバアレイ２８を通って被検体測定部に当たり、被検体測定部から返されて出射側のファイバアレイ２１を通り再び透明層３１を通って撮像素子に結像される。
【０１０１】
透明層３１を放射光導入用ファイバアレイ２８の入射面２８ｂを覆うように形成しているため、光源１０を実装する面を平坦にすることができ、この面での乱反射を防止でき、光源１０からの光が放射光導入用ファイバアレイ２８内を伝播しやすくなる。
【０１０２】
また、本実施の形態にかかる凹凸パターン検出装置においても、図１１に示す凹凸パターン検出装置と同様に、透明層３１の屈折率を、ファイバアレイ２１を構成するファイバのコアの屈折率より高くすると、図１３に示すように、ファイバアレイ２１を伝播してきた光を、撮像素子１１に導く前に、撮像素子１１への入射角度が直角になる方向に近づくように屈折させることができる。これにより、ファイバアレイ２１からの出力光を損失なく撮像素子１１で検出でき、撮像素子１１に到達する光量が多くなる。ひいては光源１０の光量を低くでき、低消費電流化が図れる。
【０１０３】
また、透明層３１の屈折率を光学プレート６のファイバアレイ以外の部分の屈折率より大きくすることにより、光学プレート６と透明層３１との界面で放射光１７を法線から遠ざかるように屈折させることができる。これにより、プリズムなどを用いることなく、光源１０から放射される光を効率よく、被検体測定部に導くことができる。
【０１０４】
このように、本実施の形態においても、透明層３１の屈折率、ファイバのコアの屈折率、および光学プレート６（ファイバアレイ以外の部分）の屈折率は、これらの作用効果の関係を考慮して、選ばれるのが好ましい。
【０１０５】
また、透明層３１の材料、ファイバのコアの材料、および光学プレート６の材料を選ぶに当たって、光源１０を実装する部分の透明層３１の屈折率と、撮像素子１１を実装する部分の透明層３１の屈折率を異ならせてもよい。
【０１０６】
また、本実施の形態では、この光が通る光通路を取り巻く周囲の全てが、光を吸収する材料で構成されている。光を吸収する材料としては、ガラス材料だけでなく、アルマイト処理したアルミ等の金属、セラミック、カーボン等を用いることができる。吸収体は、外部から入ってくる光を吸収するので、光通路を進行する光のみが出射面まで伝搬される。ひいては、高画質の画像を安定して得ることができる。
【０１０７】
なお、本実施の形態では、光通路を取り巻く周囲の全てを、光を吸収する材料で構成したが、この発明はこれに限られるものでなく、光通路を取り巻く周囲の内、外部光が特に入り易い部分だけを、光を吸収する材料で構成してもよい。
【０１０８】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【０１０９】
【発明の効果】
この発明の第１の局面に従う凹凸パターン検出装置によれば、ファイバアレイの他方端を被覆するように光学プレートの他方の面上に、光学的に透明な材料で形成された透明層が設けられているので、撮像素子が実装される面として、平坦な面が供される。したがって、撮像素子の実装が容易となる。
【０１１０】
この発明の第２の局面に従う凹凸パターン検出装置の製造方法によれば、ファイバアレイの他方端を被覆するように光学プレートの他方の面上に、光学的に透明な材料で形成された透明層を形成するので、撮像素子が実装される面として、平坦な面が供される。したがって、撮像素子の実装が容易となる。
【０１１１】
この発明の第３の局面に従う凹凸パターンの検出方法によれば、ファイバアレイから出た光を撮像素子への入射角度が直角になる方向に近づくように屈折させることができるので、ファイバアレイから出た光を損失なく撮像素子に検出させることができる凹凸パターン検出装置が得られる。
【０１１２】
この発明の第４の局面に従う携帯機器によれば、透明層の屈折率を選ぶことにより、光源と撮像素子の距離を狭めることができ、より小型化でき、ひいては小型の携帯機器にも実装できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１にかかる凹凸パターン検出装置の斜視図
【図２】図１におけるＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図
【図３】透明層が空気層（屈折率＝１）である場合の光路の概念図
【図４】透明層の屈折率がファイバのコアの屈折率に等しい場合の光路の概念図
【図５】透明層の屈折率がファイバのコアの屈折率より大きい場合の光路の概念図
【図６】実施の形態１にかかる凹凸パターン検出装置の変形例の断面図
【図７】全反射型凹凸パターン検出装置を説明するための概念図
【図８】散乱型凹凸パターン検出装置を説明するための概念図
【図９】実施の形態２にかかる凹凸パターン検出装置の製造方法を説明するための概念図
【図１０】図９（ｈ）におけるＸ−Ｘ線に沿う断面図
【図１１】実施の形態３にかかる凹凸パターン検出装置の断面図
【図１２】実施の形態４にかかる凹凸パターン検出装置の断面図
【図１３】実施の形態５にかかる凹凸パターン検出装置の断面図
【図１４】従来の凹凸パターン検出装置の断面図
【図１５】他の凹凸パターン検出装置の断面図
【符号の説明】
６光学プレート
８指
１０光源
１１撮像素子
２１ファイバアレイ
３１透明層

Claims

凹凸パターンを有する被検体を当接させる被検体測定部を含む一方の面と、前記一方の面に対向し光源と撮像素子が実装される側の他方の面とを有する光学プレートと、
前記光学プレートの厚み部分に傾斜して設けられ、その一方端が前記被検体測定部に向き、その他方端が前記撮像素子に向く、ファイバが束ねられてなるファイバアレイと、
前記ファイバアレイの前記他方端を被覆するように前記光学プレートの前記他方の面に設けられた、光学的に透明な材料で形成された透明層と、
前記透明層上に実装された光源と撮像素子と、を備えた凹凸パターン検出装置。
前記光源が設けられる位置は、この光源から放射され、前記透明層を通って前記被検体測定部に向かう放射光が、前記被検体測定部で全反射するように選ばれており、
前記ファイバアレイの傾斜角度は、前記放射光の全反射角度と略一致させている、請求項１に記載の凹凸パターン検出装置。
前記光源が設けられる位置は、この光源から放射され、前記透明層および前記光学プレートの厚み部分を通って前記被検体測定部に向かう放射光が、臨界角よりも小さい角度で前記被検体測定部に当たるように選ばれており、
前記ファイバアレイは、前記臨界角よりも大きい角度で傾斜している、請求項１に記載の凹凸パターン検出装置。
前記光学プレートの厚み部分に埋め込まれた、その一方端が前記被検体測定部に向き、その他方端が前記光源に向く、ファイバが束ねられてなる入射側ファイバアレイを、さらに備える、請求項１から３のいずれか１項に記載の凹凸パターン検出装置。
前記透明層を構成する材料の屈折率は、前記ファイバのコアの屈折率と同じか、またはそれよりも大きくされている、請求項１から４のいずれか１項に記載の凹凸パターン検出装置。
凹凸パタ−ンを有する被検体を当接させる被検体測定部を含む一方の面と、前記一方の面に対向し光源および撮像素子が実装される側の他方の面とを有する光学プレートであって、その厚み部分に、一方端と他方端とを有するファイバアレイが傾斜して埋め込まれ、かつ前記ファイバアレイの前記一方端が前記一方の面に露出し、前記ファイバアレイの前記他方端が前記他方の面に露出している光学プレートを準備する工程と、
前記ファイバアレイの前記他方端を覆うように前記光学プレートの前記他方の面に光学的に透明な材料で形成された透明層を形成する工程と、
前記透明層上であって、前記ファイバアレイの前記他方端に対向する部分に前記撮像素子を実装する工程と、
を備えた、凹凸パターン検出装置の製造方法。
被検体測定部に被検体を当接し、
光源から放射光を前記被検体測定部に向けて放射し、
前記被検体測定部から返された光を撮像素子に導き結像させる凹凸パターンの検出方法において、
前記被検体測定部から返された光のうち、一定方向の光のみを選び、
前記選ばれた光を前記撮像素子に導く前に、前記選ばれた光を前記撮像素子への入射角度が直角になる方向に近づくように屈折させることを特徴とする、凹凸パターンの検出方法。
凹凸パターン検出装置が装着されてなる携帯機器において、
前記凹凸パターン検出装置は、
凹凸パターンを有する被検体を当接させる被検体測定部を含む一方の面と、この一方の面に対向し光源と撮像素子が実装される側の他方の面とを有する光学プレートと、
前記光学プレートの厚み部分に傾斜して設けられ、その一方端が前記被検体測定部に向き、その他方端が前記撮像素子に向く、ファイバが束ねられてなるファイバアレイと、
前記ファイバアレイの前記他方端を被覆するように前記光学プレートの前記他方の面上に設けられた、光学的に透明な材料で形成された透明層と、
前記透明層上に実装された光源と撮像素子と、を備えることを特徴とする携帯機器。